JP7398940B2 - switch device - Google Patents
switch device Download PDFInfo
- Publication number
- JP7398940B2 JP7398940B2 JP2019219320A JP2019219320A JP7398940B2 JP 7398940 B2 JP7398940 B2 JP 7398940B2 JP 2019219320 A JP2019219320 A JP 2019219320A JP 2019219320 A JP2019219320 A JP 2019219320A JP 7398940 B2 JP7398940 B2 JP 7398940B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- terminal
- nmosfet
- switch
- diode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 claims description 24
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 19
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 8
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 7
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 6
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 102220224012 rs1060504356 Human genes 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Protection Of Static Devices (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Description
本明細書中に開示されている発明は、スイッチ装置に関する。 The invention disclosed herein relates to a switch device.
本願出願人は、以前より、車載IPD[intelligent power device]などのスイッチ装置に関して、数多くの新技術を提案している(例えば特許文献1を参照)。 The applicant of the present application has previously proposed a number of new technologies regarding switch devices such as in-vehicle IPDs (intelligent power devices) (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、上記従来のスイッチ装置では、例えば高温時のアクティブクランプ動作について、さらなる検討の余地があった。 However, in the above-mentioned conventional switch device, there is room for further study regarding, for example, active clamp operation at high temperatures.
特に、近年では、車載用ICに対して、ISO26262(自動車の電気/電子に関する機能安全についての国際規格)を順守することが求められており、車載IPDについても、より高い信頼性設計が重要となっている。 In particular, in recent years, in-vehicle ICs have been required to comply with ISO26262 (an international standard for electrical/electronic functional safety in automobiles), and higher reliability design has become important for in-vehicle IPDs as well. It has become.
本明細書中に開示されている発明は、本願発明者らにより見出された上記課題に鑑み、例えば高温時のアクティブクランプ動作を最適化することのできるスイッチ装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems discovered by the inventors of the present application, the invention disclosed herein aims to provide a switch device that can optimize active clamp operation at high temperatures, for example. .
本明細書中に開示されているスイッチ装置は、第1電圧の印加端に接続される第1端子と、負荷の第1端に接続される第2端子と、前記負荷の第2端と第2電圧の印加端に接続される第3端子と、前記第1端子と前記第2端子との間に接続されたスイッチ素子と、第1状態において前記第1電圧基準で前記第2端子の出力電圧を制限する第1アクティブクランパと、前記第1状態とは異なる第2状態において前記第2電圧基準で前記出力電圧を制限する第2アクティブクランパと、を有する構成(第1の構成)とされている。 The switch device disclosed herein has a first terminal connected to a first voltage application end, a second terminal connected to a first end of a load, a second terminal connected to the second end of the load, and a second terminal connected to a first end of a load. a third terminal connected to an application terminal of two voltages; a switch element connected between the first terminal and the second terminal; and an output of the second terminal based on the first voltage in a first state. A configuration (first configuration) including a first active clamper that limits the voltage, and a second active clamper that limits the output voltage based on the second voltage reference in a second state different from the first state. ing.
なお、第1の構成から成るスイッチ装置において、前記第1アクティブクランパは、前記スイッチ素子の両端間電圧を第1クランプ電圧以下に制限し、前記第2アクティブクランパは、前記スイッチ素子の両端間電圧を前記第1クランプ電圧よりも低い第2クランプ電圧以下に制限する構成(第2の構成)にするとよい。 In the switch device having the first configuration, the first active clamper limits the voltage across the switch element to a first clamp voltage or less, and the second active clamper limits the voltage across the switch element to a voltage below the first clamp voltage. It is preferable to adopt a configuration (second configuration) in which the voltage is limited to a second clamp voltage or less that is lower than the first clamp voltage.
また、第1または第2の構成から成るスイッチ装置において、前記第1アクティブクランパは、前記出力電圧を前記第1電圧よりも所定値だけ低い第1下限電圧以上に制限し、前記第2アクティブクランパは、前記出力電圧を前記第2電圧よりも所定値だけ低く前記第1下限電圧よりも高い第2下限電圧以上に制限する構成(第3の構成)にするとよい。 Further, in the switching device having the first or second configuration, the first active clamper limits the output voltage to a first lower limit voltage or more that is lower than the first voltage by a predetermined value, and the second active clamper Preferably, the output voltage is limited to a second lower limit voltage or higher that is lower than the second voltage by a predetermined value and higher than the first lower limit voltage (third configuration).
また、上記第1~第3いずれかの構成から成るスイッチ装置において、前記第2アクティブクランパは、前記第2状態においてオンするスイッチ回路と、カソードが前記スイッチ回路の第1端に接続されてアノードが前記第3端子に接続されたダイオードと、カソードが前記スイッチ回路の第2端に接続されてアノードが前記第2端子に接続された第1ツェナダイオードと、を含む構成(第4の構成)にするとよい。 Further, in the switch device having any one of the first to third configurations, the second active clamper includes a switch circuit that is turned on in the second state, and a cathode connected to the first end of the switch circuit and an anode. a diode connected to the third terminal; and a first Zener diode whose cathode is connected to the second end of the switch circuit and whose anode is connected to the second terminal (fourth configuration). It is better to make it .
また、第4の構成から成るスイッチ装置において、前記第2アクティブクランパは、カソードが前記スイッチ回路の第2端に接続されてアノードが前記スイッチ素子の制御端に接続された第2ツェナダイオードをさらに含む構成(第5の構成)にするとよい。 In the switch device having a fourth configuration, the second active clamper further includes a second Zener diode having a cathode connected to the second end of the switch circuit and an anode connected to the control end of the switch element. It is preferable to adopt a configuration (fifth configuration) including the above.
また、上記第1~第5いずれかの構成から成るスイッチ装置において、前記第1アクティブクランパは、カソードが前記第1端子に接続されたツェナダイオードと、アノードが前記ツェナダイオードのアノードに接続されたダイオードと、第1端が前記第1端子に接続されて第2端が前記スイッチ素子の制御端に接続されて制御端が前記ダイオードのカソードに接続されたトランジスタと、を含む構成(第6の構成)にするとよい。 Further, in the switch device having any one of the first to fifth configurations, the first active clamper includes a Zener diode having a cathode connected to the first terminal, and an anode connected to the anode of the Zener diode. A configuration including a diode, and a transistor having a first end connected to the first terminal, a second end connected to the control end of the switch element, and a control end connected to the cathode of the diode (sixth configuration).
また、上記第1~第6いずれかの構成から成るスイッチ装置において、前記第1電圧は電源電圧であり、前記第2電圧は接地電圧である構成(第7の構成)にするとよい。 Furthermore, in the switch device having any one of the first to sixth configurations, the first voltage may be a power supply voltage and the second voltage may be a ground voltage (seventh configuration).
また、上記した第1~第7いずれかの構成から成るスイッチ装置において、前記第1状態は、高温異常の未検出状態であり、前記第2状態は、前記高温異常の検出状態である構成(第8の構成)にするとよい。 Further, in the switch device having any one of the first to seventh configurations described above, the first state is a high temperature abnormality undetected state, and the second state is a high temperature abnormality detected state ( It is preferable to use the eighth configuration).
また、本明細書中に開示されている電子機器は、上記第1~第8いずれかの構成から成るスイッチ装置と、前記スイッチ装置に接続される負荷と、を有する構成(第9の構成)とされている。 Further, the electronic device disclosed in this specification has a configuration (ninth configuration) including a switch device having any one of the above-described first to eighth configurations, and a load connected to the switch device. It is said that
なお、上記第9の構成から成る電子機器において、前記負荷は、バルブランプ、リレーコイル、ソレノイド、発光ダイオード、または、モータである構成(第10の構成)にするとよい。 In the electronic device having the ninth configuration, the load may be a bulb lamp, a relay coil, a solenoid, a light emitting diode, or a motor (tenth configuration).
また、本明細書中に開示されている車両は、上記第9または第10の構成から成る電子機器を有する構成(第11の構成)とされている。 Further, the vehicle disclosed in this specification has a configuration (eleventh configuration) including an electronic device having the ninth or tenth configuration described above.
本明細書中に開示されている発明によれば、例えば高温時のアクティブクランプ動作を最適化することのできるスイッチ装置を提供することが可能となる。 According to the invention disclosed herein, it is possible to provide a switch device that can optimize active clamp operation at high temperatures, for example.
<半導体集積回路装置(全体構成)>
図1は、半導体集積回路装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の半導体集積回路装置1は、ECU[electronic control unit]2からの指示に応じて電源電圧VBBの印加端と負荷3との間を導通/遮断する車載用ハイサイドスイッチIC(=車載IPDの一種)である。
<Semiconductor integrated circuit device (overall configuration)>
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a semiconductor integrated circuit device. The semiconductor integrated
なお、半導体集積回路装置1は、装置外部との電気的な接続を確立するための手段として、外部端子T1~T4を備えている。外部端子T1は、不図示のバッテリから電源電圧VBB(例えば12V)の供給を受け付けるための電源端子(VBBピン)である。外部端子T2は、負荷3(バルブランプ、リレーコイル、ソレノイド、発光ダイオード、または、モータなど)を外部接続するための負荷接続端子ないしは出力端子(OUTピン)である。外部端子T3は、ECU2から外部制御信号Siの外部入力を受け付けるための信号入力端子(INピン)である。外部端子T4は、ECU2に状態報知信号Soを外部出力するための信号出力端子(SENSEピン)である。なお、外部端子T4と接地端との間には、外部センス抵抗4が外付けされている。
Note that the semiconductor integrated
また、半導体集積回路装置1は、NMOSFET10と、出力電流監視部20と、ゲート制御部30と、制御ロジック部40と、信号入力部50と、内部電源部60と、異常保護部70と、出力電流検出部80と、信号出力部90と、を集積化して成る。
The semiconductor integrated
NMOSFET10は、ドレインが外部端子T1に接続されてソースが外部端子T2に接続された高耐圧(例えば42V耐圧)のパワートランジスタである。このように接続されたNMOSFET10は、電源電圧VBBの印加端から負荷3を介して接地端に至る電流経路を導通/遮断するためのスイッチ素子(ハイサイドスイッチ)として機能する。NMOSFET10は、ゲート駆動信号G1がハイレベルであるときにオンし、ゲート駆動信号G1がローレベルであるときにオフする。
The NMOSFET 10 is a high voltage (eg, 42V) power transistor whose drain is connected to an external terminal T1 and whose source is connected to an external terminal T2. The NMOSFET 10 connected in this manner functions as a switching element (high side switch) for conducting/blocking a current path from the application end of the power supply voltage VBB to the ground end via the
なお、NMOSFET10は、フルオン時におけるオン抵抗値が数十mΩとなるように設計すればよい。ただし、NMOSFET10のオン抵抗値が低いほど、外部端子T2の地絡時(=接地端ないしはこれに準ずる低電位端への出力ショート時)に過電流が流れやすくなり、異常発熱を生じやすくなる。従って、NMOSFET10のオン抵抗値を下げるほど、後述する過電流保護回路71や温度保護回路73の重要性が高くなる。
Note that the NMOSFET 10 may be designed so that the on-resistance value when fully turned on is several tens of mΩ. However, the lower the on-resistance value of the
出力電流監視部20は、NMOSFET21及び21’とセンス抵抗22を含み、NMOSFET10に流れる出力電流Ioに応じたセンス電圧Vs(=センス信号に相当)を生成する。
The output
NMOSFET21及び21’は、いずれもNMOSFET10に対して並列接続されたミラートランジスタであり、出力電流Ioに応じたセンス電流Is及びIs’を生成する。NMOSFET10とNMOSFET21及び21’とのサイズ比は、m:1(ただしm>1)である。従って、センス電流Is及びIs’は、出力電流Ioを1/mに減じた大きさとなる。なお、NMOSFET21及び21’は、NMOSFET10と同様、ゲート駆動信号G1がハイレベルであるときにオンし、ゲート電圧G2がローレベルであるときにオフする。
NMOSFETs 21 and 21' are both mirror transistors connected in parallel to NMOSFET 10, and generate sense currents Is and Is' according to output current Io. The size ratio between
センス抵抗22(抵抗値:Rs)は、NMOSFET21のソースと外部端子T2との間に接続されており、センス電流Isに応じたセンス電圧Vs(=Is×Rs+Vo、ただし、Voは外部端子T2に現れる出力電圧)を生成する電流/電圧変換素子である。
The sense resistor 22 (resistance value: Rs) is connected between the source of the
ゲート制御部30は、ゲート制御信号S1の電流能力を高めたゲート駆動信号G1を生成してNMOSFET10及び21それぞれのゲートに出力することにより、NMOSFET10及び21のオン/オフ制御を行う。なお、ゲート制御部30は、過電流保護信号S71に応じて出力電流Ioを制限するようにNMOSFET10及び21を制御する機能を備えている。
The
制御ロジック部40は、内部電源電圧Vregの供給を受けてゲート制御信号S1を生成する。例えば、外部制御信号Siがハイレベル(=NMOSFET10をオンさせるときの論理レベル)であるときには、内部電源部60から内部電源電圧Vregが供給されるので、制御ロジック部40が動作状態となり、ゲート制御信号S1がハイレベル(=Vreg)となる。一方、外部制御信号Siがローレベル(=NMOSFET10をオフさせるときの論理レベル)であるときには、内部電源部60から内部電源電圧Vregが供給されないので、制御ロジック部40が非動作状態となり、ゲート制御信号S1がローレベル(=GND)となる。また、制御ロジック部40は、各種の異常保護信号(過電流保護信号S71、オープン保護信号S72、温度保護信号S73、及び、減電圧保護信号S74)を監視している。なお、制御ロジック部40は、上記した異常保護信号のうち、過電流保護信号S71、オープン保護信号S72、及び、温度保護信号S73の監視結果に応じて出力切替信号S2を生成する機能も備えている。
The
信号入力部50は、外部端子T3から外部制御信号Siの入力を受け付けて制御ロジック部40や内部電源部60に伝達するシュミットトリガである。なお、外部制御信号Siは、例えば、NMOSFET10をオンさせるときにハイレベルとなり、NMOSFET10をオフさせるときにローレベルとなる。
The
内部電源部60は、電源電圧VBBから所定の内部電源電圧Vregを生成して半導体集積回路装置1の各部に供給する。なお、内部電源部60の動作可否は、外部制御信号Siに応じて制御される。より具体的に述べると、内部電源部60は、外部制御信号Siがハイレベルであるときに動作状態となり、外部制御信号Siがローレベルであるときに非動作状態となる。
Internal
異常保護部70は、半導体集積回路装置1の各種異常を検出する回路ブロックであり、過電流保護回路71と、オープン保護回路72と、温度保護回路73と、減電圧保護回路74と、を含む。
The
過電流保護回路71は、センス電圧Vsの監視結果(=出力電流Ioの過電流異常が生じているか否か)に応じた過電流保護信号S71を生成する。なお、過電流保護信号S71は、例えば、異常未検出時にローレベルとなり、異常検出時にハイレベルとなる。
The
オープン保護回路72は、出力電圧Voの監視結果(=負荷3のオープン異常が生じているか否か)に応じたオープン保護信号S72を生成する。なお、オープン保護信号S72は、例えば、異常未検出時にローレベルとなり、異常検出時にハイレベルとなる。
The
温度保護回路73は、半導体集積回路装置1(特にNMOSFET10周辺)の異常発熱を検出する温度検出素子(不図示)を含み、その検出結果(=異常発熱が生じているか否か)に応じた温度保護信号S73を生成する。なお、温度保護信号S73は、例えば、異常未検出時にローレベルとなり、異常検出時にハイレベルとなる。
The
減電圧保護回路74は、電源電圧VBBないしは内部電源電圧Vregの監視結果(=減電圧異常が生じているか否か)に応じた減電圧保護信号S74を生成する。なお、減電圧保護信号S74は、例えば、異常未検出時にローレベルとなり、異常検出時にハイレベルとなる。
The reduced
出力電流検出部80は、不図示のバイアス手段を用いてNMOSFET21’のソース電圧と出力電圧Voとを一致させることにより、出力電流Ioに応じたセンス電流Is’(=Io/m)を生成して信号出力部90に出力する。
The output
信号出力部90は、出力選択信号S2に基づいてセンス電流Is’(=出力電流Ioの検出結果に相当)と固定電圧V90(=異常フラグに相当、本図では明示せず)の一方を外部端子T4に選択出力する。センス電流Is’が選択出力された場合には、状態報知信号Soとして、センス電流Is’を外部センス抵抗4(抵抗値:R4)で電流/電圧変換した出力検出電圧V80(=Is’×R4)がECU2に伝達される。出力検出電圧V80は、出力電流Ioが大きいほど高くなり、出力電流Ioが小さいほど低くなる。一方、固定電圧V90が選択出力された場合には、状態報知信号Soとして、固定電圧V90がECU2に伝達される。なお、状態報知信号Soから出力電流Ioの電流値を読み取る場合には、状態報知信号SoをA/D[analog-to-digital]変換してやればよい。一方、状態報知信号Soから異常フラグを読み取る場合には、固定電圧V90よりもやや低い閾値を用いて状態報知信号Soの論理レベルを判定してやればよい。
The
<ゲート制御部>
図2は、ゲート制御部30の一構成例を示すブロック図である。本構成例のゲート制御部30は、ゲートドライバ31と、オシレータ32と、チャージポンプ33と、クランパ34と、NMOSFET35と、抵抗36(抵抗値:R36)と、キャパシタ37(容量値:C37)と、ツェナダイオード38と、を含む。
<Gate control section>
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the
ゲートドライバ31は、チャージポンプ33の出力端(=昇圧電圧VGの印加端)と外部端子T2(=出力電圧Voの印加端)との間に接続されており、ゲート制御信号S1の電流能力を高めたゲート駆動信号G1を生成する。なお、ゲート駆動信号G1は、ゲート制御信号S1がハイレベルであるときにハイレベル(=VG)となり、ゲート制御信号S1がローレベルであるときにローレベル(=Vo)となる。
The
オシレータ32は、所定周波数のクロック信号CLKを生成してチャージポンプ33に出力する。なお、オシレータ32の動作可否は、制御ロジック部40からのイネーブル信号Saに応じて制御される。
The
チャージポンプ33は、クロック信号CLKを用いてフライングキャパシタを駆動することにより、電源電圧VBBよりも高い昇圧電圧VGを生成してゲートドライバ31に供給する昇圧部の一例である。なお、チャージポンプ33の動作可否は、制御ロジック部40からのイネーブル信号Sbに応じて制御される。
The
クランパ34は、外部端子T1(=電源電圧VBBの印加端)とNMOSFET10のゲートとの間に接続されている。外部端子T2に誘導性の負荷3が接続されるアプリケーションでは、NMOSFET10をオンからオフへ切り替える際、負荷3の逆起電力により、出力電圧Voが負電圧(<GND)となる。そのため、エネルギー吸収用にクランパ34(いわゆるアクティブクランプ回路)が設けられている。
The
NMOSFET35のドレインは、NMOSFET10のゲートに接続されている。NMOSFET35のソースは、外部端子T2に接続されている。NMOSFET35のゲートは、過電流保護信号S71の印加端に接続されている。また、NMOSFET35のドレイン・ゲート間には、抵抗36とキャパシタ37が直列に接続されている。
The drain of
ツェナダイオード38のカソードは、NMOSFET10のゲートに接続されている。ツェナダイオード38のアノードは、NMOSFET10のソースに接続されている。このように接続されたツェナダイオード38は、NMOSFET10のゲート・ソース間電圧(=VG-Vo)を所定値以下に制限するクランプ素子として機能する。
The cathode of the Zener diode 38 is connected to the gate of the
本構成例のゲート制御部30において、過電流保護信号S71がハイレベルに立ち上げられると、ゲート駆動信号G1が定常時のハイレベル(=VG)から所定の時定数τ(=R36×C37)で引き下げられていく。その結果、NMOSFET10の導通度が徐々に低下していくので、出力電流Ioに制限が掛けられる。一方、過電流保護信号S71がローレベルに立ち下げられると、ゲート駆動信号G1が所定の時定数τで引き上げられていく。その結果、NMOSFET10の導通度が徐々に上昇していくので、出力電流Ioの制限が解除される。
In the
このように、本構成例のゲート制御部30は、過電流保護信号S71に応じて出力電流Ioを制限するようにゲート駆動信号G1を制御する機能を備えている。
In this way, the
<第1アクティブクランパ>
図3は、クランパ34(第1アクティブクランパに相当)の一構成例を示す図である。本構成例のクランパ34は、m段(例えばm=8)のツェナダイオード列341と、n段(例えばn=3)のダイオード列342と、NMOSFET343と、を含む。
<First active clamper>
FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the clamper 34 (corresponding to the first active clamper). The
ツェナダイオード列341のカソードとNMOSFET343のドレインは、NMOSFET10のドレインと共に、外部端子T1(=電源電圧VBBの印加端に接続される第1端子に相当)に接続されている。ツェナダイオード列341のアノードは、ダイオード列342のアノードに接続されている。ダイオード列342のカソードは、NMOSFET343のゲートに接続されている。NMOSFET343のソースは、NMOSFET10のゲート(=ゲート駆動信号G1の印加端)に接続されている。NMOSFET10のソースは、外部端子T2(=負荷3の第1端に接続される第2端子に相当)に接続されている。なお、負荷3としては、コイルやソレノイドなどの誘導性負荷が接続され得る。
The cathode of the
以下では、NMOSFET10及び343それぞれのゲート・ソース間電圧をVgs1及びVgs2とし、ツェナダイオード列341の降伏電圧をmVZとし、ダイオード列342の順方向降下電圧をnVFとして、クランパ34による第1のアクティブクランプ動作を説明する。
In the following, the gate-source voltages of the
図4は、クランパ34による第1のアクティブクランプ動作を示すタイミングチャートであり、上から順番に、外部制御信号Si、出力電圧Vo(実線)及びゲート駆動信号G1(破線)、温度保護信号S73、並びに、出力電流Ioが描写されている。なお、本図では、負荷3として誘導性負荷が接続されているものとする。
FIG. 4 is a timing chart showing the first active clamp operation by the
時刻t11において、外部制御信号Siがハイレベル(=NMOSFET10をオンするときの論理レベル)に立ち上げられると、ゲート駆動信号G1がハイレベルに立ち上がり、NMOSFET10がオンするので、出力電流Ioが流れ始め、出力電圧Voが電源電圧VBB近傍まで上昇する。
At time t11, when the external control signal Si rises to a high level (=the logic level when turning on the NMOSFET 10), the gate drive signal G1 rises to a high level and the
その後、時刻t12において、外部制御信号Siがローレベル(=NMOSFET10をオフするときの論理レベル)に立ち下げられると、ゲート駆動信号G1がローレベルに立ち下がり、NMOSFET10がオフする。このとき、負荷3として接続された誘導性負荷(コイルやソレノイドなど)は、NMOSFET10のオン期間に蓄えたエネルギーを放出するまで出力電流Ioutを流し続ける。その結果、出力電圧Voは、接地電圧GNDよりも低い負電圧まで低下する。
After that, at time t12, when the external control signal Si falls to a low level (=the logic level when turning off the NMOSFET 10), the gate drive signal G1 falls to a low level, and the
ただし、出力電圧Voが負電圧になると、クランパ34の働きにより、NMOSFET10がオンするので、出力電流Ioが放電される。従って、出力電圧Voは、電源電圧VBBよりも所定値α(=mVZ+nVF+Vgs1+Vgs2)だけ低い下限電圧VBB-α(例えばVBB-50V)以上に制限される。
However, when the output voltage Vo becomes a negative voltage, the
つまり、クランパ34は、電源電圧VBB基準で出力電圧Voを制限することにより、NMOSFET10のドレイン・ソース間電圧Vds(=VBB-Vo)を所定のクランプ電圧Vclp(=α)以下に制限する。
That is, the
クランプ電圧Vclpは、電源電圧VBBの最大定格値よりも高く、かつ、NMOSFET10のドレイン・ソース間耐圧よりも低い電圧値に設定しておく必要がある。また、クランプ電圧Vclpが高いほど、半導体集積回路装置1の性能は良いと言えるが、そのアクティブクランプ耐量E(mJ)を鑑みると、クランプ電圧Vclpは低い方が良い。
The clamp voltage Vclp needs to be set to a voltage value higher than the maximum rated value of the power supply voltage VBB and lower than the drain-source breakdown voltage of the
なお、半導体集積回路装置1のアクティブクランプ耐量E(mJ)は、クランプ電圧Vclp(V)、出力電流Io(A)、及び、放電時間t(ms)から次式で決定される。
Note that the active clamp tolerance E (mJ) of the semiconductor integrated
E(J)=Vclp(V)×Io(A)×t(ms) E(J)=Vclp(V)×Io(A)×t(ms)
ところで、IPDを含むパワーICには、インダクタンス(例えば5mH)を持つ経路を介して出力端子を天絡または地絡した状態で、パワーICのオン/オフを複数サイクル(グレードに応じて300サイクル~100万サイクル)に亘って繰り返す負荷ショート信頼性試験(AEC-Q100-012)が課せられる。 By the way, for power ICs including IPDs, the power IC is turned on/off for multiple cycles (300 cycles or more depending on the grade) with the output terminal shorted to supply or ground via a path with inductance (for example, 5 mH). A load short circuit reliability test (AEC-Q100-012) repeated over 1 million cycles) is required.
ここで、パワーICの過電流制限値が数十A~100Aに設定されていた場合には、数百W~1000Wもの大電力が消費される。そのため、パワーICでは、過熱を検出した状態(高温状態:例えば、図4の時刻t13以降において、温度保護信号S73がハイレベルに立ち上がった状態)でオン/オフが繰り返される。 Here, if the overcurrent limit value of the power IC is set to several tens of A to 100 A, a large amount of power of several hundred W to 1000 W is consumed. Therefore, the power IC is repeatedly turned on and off in a state in which overheating is detected (high temperature state: for example, a state in which the temperature protection signal S73 rises to a high level after time t13 in FIG. 4).
このような高温時には、熱の影響により、半導体集積回路装置1のアクティブクランプ耐量E(mJ)が低下する。そのため、NMOSFET10などの熱破壊を防止するためには、クランプ電圧Vclpを引き下げることが望ましい。ただし、電源電圧VBB基準で出力電圧Voを制限するクランパ34では、クランプ電圧Vclpの引き下げ幅に限界がある。そこで、以下では、高温時に接地電圧GND基準で出力電圧Voを制限することのできる第2アクティブクランパを提案する。
At such high temperatures, the active clamp withstand capacity E (mJ) of the semiconductor integrated
<第2アクティブクランパ>
図5は、クランパ39(第2アクティブクランパに相当)の一構成例を示す図である。本構成例のクランパ39は、スイッチ回路391と、ダイオード392と、ツェナダイオード393及び394と、を含む。
<Second active clamper>
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the clamper 39 (corresponding to a second active clamper). The
スイッチ回路391は、温度保護信号S73に応じてオン/オフする。より具体的に述べると、スイッチ回路391は、高温時(S73=H)にオンして、非高温時(S73=L)にオフする。
The
ダイオード392のカソードは、スイッチ回路391の第1端に接続されている。ダイオード392のアノードは、外部端子T5(=負荷3の第2端と接地電圧GNDの印加端に接続される第3端子に相当)に接続されている。ツェナダイオード393及び394それぞれのカソードは、スイッチ回路391の第2端に接続されている。ツェナダイオード393のアノードは、外部端子T2に接続されている。ツェナダイオード394のアノードは、NMOSET10のゲートに接続されている。
A cathode of the
以下では、ツェナダイオード393の降伏電圧をVzとし、ダイオード392の順方向降下電圧をVfとして、クランパ34及び39による第2のアクティブクランプ動作を詳細に説明する。
In the following, the second active clamp operation by the
図6Aは、クランパ34及び39による第2のアクティブクランプ動作(第1例)を示すタイミングチャートであり、上から順に、外部制御信号Si、出力電圧Vo、温度保護信号S73、及び、出力電流Ioが描写されている。なお、本図でも、負荷3として誘導性負荷が接続されているものとする。
FIG. 6A is a timing chart showing the second active clamp operation (first example) by the
時刻t21において、外部制御信号Siがハイレベル(=NMOSFET10をオンするときの論理レベル)に立ち上げられると、NMOSFET10がオンするので、出力電流Ioが流れ始め、出力電圧Voが電源電圧VBB近傍まで上昇する。なお、この時点では、半導体集積回路装置1の異常発熱が検出されておらず、温度保護信号S73がローレベル(=非高温時の論理レベル)であるものとする。
At time t21, when the external control signal Si is raised to a high level (=the logic level when turning on the NMOSFET 10), the
その後、時刻t22において、外部制御信号Siがローレベル(=NMOSFET10をオフするときの論理レベル)に立ち下げられると、NMOSFET10がオフする。このとき、負荷3として接続された誘導性負荷(コイルやソレノイドなど)は、NMOSFET10のオン期間に蓄えたエネルギーを放出するまで出力電流Ioutを流し続ける。その結果、出力電圧Voは、接地電圧GNDよりも低い負電圧まで低下する。
Thereafter, at time t22, when the external control signal Si falls to a low level (=the logic level when turning off the NMOSFET 10), the
ただし、出力電圧Voが負電圧になると、クランパ34の働きにより、NMOSFET10がオンするので、出力電流Ioが放電される。従って、出力電圧Voは、電源電圧VBBよりも所定値α(=mVZ+nVF+Vgs1+Vgs2)だけ低い下限電圧VBB-α(例えばVBB-50V)以上に制限される。
However, when the output voltage Vo becomes a negative voltage, the
つまり、クランパ34は、電源電圧VBB基準で出力電圧Voを制限することにより、NMOSFET10のドレイン・ソース間電圧Vds(=VBB-Vo)を所定のクランプ電圧Vclp1(=α)以下に制限する。ここまでのクランパ34によるアクティブクランプ動作については、先の図4で説明した通りである。
That is, the
一方、時刻t23において、半導体集積回路装置1の異常発熱が検出され、温度保護信号S73がハイレベル(=高温時の論理レベル)に立ち上がると、スイッチ回路391がオンされる。その結果、スイッチ回路391、ツェナダイオード393、負荷3、及び、ダイオード392を介する閉ループが形成されるので、クランパ39が有効となる。従って、出力電圧Voは、接地電圧GNDよりも所定値β(=Vz+Vf)だけ低く、かつ、先述の下限電圧VBB-αよりも高い下限電圧GND-β(例えばGND-10V)以上に制限される。
On the other hand, at time t23, when abnormal heat generation in the semiconductor integrated
つまり、クランパ39は、高温時(S73=H)に接地電圧GND基準で出力電圧Voを制限することにより、NMOSFET10のドレイン・ソース間電圧Vds(=VBB-Vo)をクランプ電圧Vclp1よりも低いクランプ電圧Vclp2以下に制限する。
In other words, the
このように、クランパ39を導入することにより、半導体集積回路装置1のアクティブクランプ耐量E(mJ)が低下する高温時(S73=H)には、電源電圧VBB基準のアクティブクランプ動作から、接地電圧GND基準のアクティブクランプ動作に自動で切り替わる。従って、クランプ電圧Vclpを引き下げることができるので、NMOSFET10などの熱破壊を防止することが可能となる。
In this way, by introducing the
図6Bは、クランパ34及び39による第2のアクティブクランプ動作(第2例)を示すタイミングチャートであり、先出の図6Aと同じく、上から順に、外部制御信号Si、出力電圧Vo、温度保護信号S73、及び、出力電流Ioが描写されている。なお、本図でも、負荷3として誘導性負荷が接続されているものとする。
FIG. 6B is a timing chart showing the second active clamp operation (second example) by the
本図で示したように、時刻t22よりも前に半導体集積回路装置1の異常発熱が検出されていた場合(S73=H)には、時刻t22において、出力電圧Voが負電圧に低下した時点で、クランパ39によるアクティブクランプ動作が掛かる。従って、出力電圧Voは、下限電圧VBB-αまで低下することなく、当初から下限電圧GND-βに制限されることになる。
As shown in this figure, if abnormal heat generation in the semiconductor integrated
<車両への適用>
図7は、車両の一構成例を示す外観図である。本構成例の車両Xは、バッテリ(本図では不図示)と、バッテリから電力供給を受けて動作する種々の電子機器X11~X18とを搭載している。なお、本図における電子機器X11~X18の搭載位置については、図示の便宜上、実際とは異なる場合がある。
<Application to vehicles>
FIG. 7 is an external view showing an example of the configuration of a vehicle. The vehicle X of this configuration example is equipped with a battery (not shown in the figure) and various electronic devices X11 to X18 that operate by receiving power from the battery. Note that the mounting positions of the electronic devices X11 to X18 in this figure may differ from the actual locations for convenience of illustration.
電子機器X11は、エンジンに関連する制御(インジェクション制御、電子スロットル制御、アイドリング制御、酸素センサヒータ制御、及び、オートクルーズ制御など)を行うエンジンコントロールユニットである。 The electronic device X11 is an engine control unit that performs engine-related controls (injection control, electronic throttle control, idling control, oxygen sensor heater control, auto cruise control, etc.).
電子機器X12は、HID[high intensity discharged lamp]やDRL[daytime running lamp]などの点消灯制御を行うランプコントロールユニットである。 The electronic device X12 is a lamp control unit that controls turning on and off of a high intensity discharged lamp (HID), daytime running lamp (DRL), or the like.
電子機器X13は、トランスミッションに関連する制御を行うトランスミッションコントロールユニットである。 The electronic device X13 is a transmission control unit that performs control related to the transmission.
電子機器X14は、車両Xの運動に関連する制御(ABS[anti-lock brake system]制御、EPS[electric power steering]制御、電子サスペンション制御など)を行うボディコントロールユニットである。 The electronic device X14 is a body control unit that performs control related to the movement of the vehicle X (ABS [anti-lock brake system] control, EPS [electric power steering] control, electronic suspension control, etc.).
電子機器X15は、ドアロックや防犯アラームなどの駆動制御を行うセキュリティコントロールユニットである。 The electronic device X15 is a security control unit that controls the drive of door locks, security alarms, and the like.
電子機器X16は、ワイパー、電動ドアミラー、パワーウィンドウ、ダンパー(ショックアブソーバー)、電動サンルーフ、及び、電動シートなど、標準装備品やメーカーオプション品として、工場出荷段階で車両Xに組み込まれている電子機器である。 Electronic equipment X16 is electronic equipment that is installed in vehicle It is.
電子機器X17は、車載A/V[audio/visual]機器、カーナビゲーションシステム、及び、ETC[electronic toll collection system]など、ユーザオプション品として任意で車両Xに装着される電子機器である。 The electronic device X17 is an electronic device that is optionally installed in the vehicle X as a user option, such as an in-vehicle A/V [audio/visual] device, a car navigation system, and an ETC [electronic toll collection system].
電子機器X18は、車載ブロア、オイルポンプ、ウォーターポンプ、バッテリ冷却ファンなど、高耐圧系モータを備えた電子機器である。 The electronic device X18 is an electronic device equipped with a high-voltage motor, such as an on-vehicle blower, an oil pump, a water pump, or a battery cooling fan.
なお、先に説明した半導体集積回路装置1、ECU2、及び、負荷3は、電子機器X11~X18のいずれにも組み込むことが可能である。
Note that the semiconductor integrated
<その他の変形例>
また、上記の実施形態では、車載用ハイサイドスイッチICを例に挙げて説明を行ったが、本明細書中に開示されている発明の適用対象は、これに限定されるものではなく、例えば、その他の車載用IPD(車載用ローサイドスイッチICや車載用電源ICなど)はもちろん、車載用途以外の半導体集積回路装置にも広く適用することが可能である。
<Other variations>
Further, in the above embodiment, the explanation was given using an in-vehicle high-side switch IC as an example, but the application target of the invention disclosed in this specification is not limited to this, and for example, It can be widely applied not only to other vehicle-mounted IPDs (vehicle-mounted low-side switch ICs, vehicle-mounted power supply ICs, etc.), but also to semiconductor integrated circuit devices other than vehicle-mounted applications.
また、上記の実施形態では、温度異常の検出有無に応じて第1のアクティブクランプ動作と第2のアクティブクランプ動作を切り替える例を挙げたが、より上位概念化すると、第1状態では第1のアクティブクランプ動作を行い、第1状態とは異なる第2状態では第2のアクティブクランプ動作を行うようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, an example was given in which the first active clamp operation and the second active clamp operation are switched depending on whether or not a temperature abnormality is detected. A clamping operation may be performed, and a second active clamping operation may be performed in a second state different from the first state.
また、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 In addition to the above-described embodiments, the various technical features disclosed in this specification can be modified in various ways without departing from the gist of the technical creation. That is, the above embodiments should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive, and the technical scope of the present invention is indicated by the claims rather than the description of the above embodiments. It should be understood that all changes that come within the meaning and range of equivalence of the claims are included.
本明細書中に開示されている発明は、車載用IPDなどに利用することが可能である。 The invention disclosed in this specification can be used for in-vehicle IPDs and the like.
1 半導体集積回路装置(スイッチ装置)
2 ECU
3 負荷
4 外部センス抵抗
10 NMOSFET(スイッチ素子)
20 出力電流監視部
21、21’ NMOSFET
22 センス抵抗
30 ゲート制御部
31 ゲートドライバ
32 オシレータ
33 チャージポンプ(昇圧部)
34 クランパ(第1アクティブクランパ)
341 ツェナダイオード列
342 ダイオード列
343 NMOSFET
35 NMOSFET
36 抵抗
37 キャパシタ
38 ツェナダイオード(クランプ素子)
39 クランパ(第2アクティブクランパ)
391 スイッチ回路
392 ダイオード
393、394 ツェナダイオード
40 制御ロジック部
50 信号入力部
60 内部電源部
70 異常保護部
71 過電流保護回路(過電流保護部)
72 オープン保護回路
73 温度保護回路
74 減電圧保護回路
80 出力電流検出部
90 信号出力部
T1~T5 外部端子
X 車両
X11~X18 電子機器
1 Semiconductor integrated circuit device (switch device)
2 ECU
3
20 Output
22
34 Clamper (first active clamper)
341
35 NMOSFET
36
39 Clamper (second active clamper)
391
72
Claims (5)
負荷の第1端に接続される第2端子と、
前記負荷の第2端と第2電圧の印加端に接続される第3端子と、
前記第1端子と前記第2端子との間に接続されたスイッチ素子と、
高温異常の未検出状態である第1状態において前記第1電圧基準で前記第2端子の出力電圧を制限する第1アクティブクランパと、
前記高温異常の検出状態である第2状態において前記第2電圧基準で前記出力電圧を制限する第2アクティブクランパと、
を有し、
前記第1アクティブクランパは、カソードが前記第1端子に接続されたツェナダイオードと、アノードが前記ツェナダイオードのアノードに接続されたダイオードと、第1端が前記第1端子に接続されて第2端が前記スイッチ素子の制御端に接続されて制御端が前記ダイオードのカソードに接続されたトランジスタと、を含み、前記スイッチ素子の両端間電圧を第1クランプ電圧以下に制限することで前記出力電圧を前記第1電圧よりも所定値だけ低い第1下限電圧以上に制限し、
前記第2アクティブクランパは、前記第2状態においてオンするスイッチ回路と、カソードが前記スイッチ回路の第1端に接続されてアノードが前記第3端子に接続されたダイオードと、カソードが前記スイッチ回路の第2端に接続されてアノードが前記第2端子に接続された第1ツェナダイオードと、カソードが前記スイッチ回路の第2端に接続されてアノードが前記スイッチ素子の制御端に接続された第2ツェナダイオードと、を含み、前記スイッチ素子の両端間電圧を前記第1クランプ電圧よりも低い第2クランプ電圧以下に制限することで、前記出力電圧を前記第2電圧よりも所定値だけ低く前記第1下限電圧よりも高い第2下限電圧以上に制限する、スイッチ装置。 a first terminal connected to a first voltage application terminal;
a second terminal connected to the first end of the load;
a third terminal connected to a second end of the load and a second voltage application end;
a switch element connected between the first terminal and the second terminal;
a first active clamper that limits the output voltage of the second terminal based on the first voltage reference in a first state in which a high temperature abnormality is not detected ;
a second active clamper that limits the output voltage based on the second voltage reference in a second state that is the high temperature abnormality detection state ;
has
The first active clamper includes a Zener diode having a cathode connected to the first terminal, a diode having an anode connected to the anode of the Zener diode, and a second end having a first end connected to the first terminal. a transistor connected to a control end of the switch element, the control end of which is connected to the cathode of the diode, and the output voltage is increased by limiting the voltage across the switch element to a first clamp voltage or less. limiting the voltage to a first lower limit voltage that is lower than the first voltage by a predetermined value;
The second active clamper includes a switch circuit that is turned on in the second state, a diode whose cathode is connected to the first end of the switch circuit and whose anode is connected to the third terminal, and a diode whose cathode is connected to the switch circuit. a first Zener diode connected to a second end and having an anode connected to the second terminal; a second Zener diode having a cathode connected to the second end of the switch circuit and an anode connected to the control end of the switch element; and a Zener diode, by limiting the voltage across the switch element to a second clamp voltage lower than the first clamp voltage, the output voltage is lower than the second voltage by a predetermined value. A switch device that limits the voltage to a second lower limit voltage higher than the first lower limit voltage .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US16/726,461 US11128288B2 (en) | 2018-12-26 | 2019-12-24 | Switching device |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018242453 | 2018-12-26 | ||
JP2018242453 | 2018-12-26 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020108142A JP2020108142A (en) | 2020-07-09 |
JP7398940B2 true JP7398940B2 (en) | 2023-12-15 |
Family
ID=71450983
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019219320A Active JP7398940B2 (en) | 2018-12-26 | 2019-12-04 | switch device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7398940B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7435512B2 (en) | 2021-03-15 | 2024-02-21 | 住友電装株式会社 | Automotive protection device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001160748A (en) | 1999-09-20 | 2001-06-12 | Denso Corp | Electric load driving circuit |
JP2017158106A (en) | 2016-03-03 | 2017-09-07 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
JP2017212522A (en) | 2016-05-24 | 2017-11-30 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
-
2019
- 2019-12-04 JP JP2019219320A patent/JP7398940B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001160748A (en) | 1999-09-20 | 2001-06-12 | Denso Corp | Electric load driving circuit |
JP2017158106A (en) | 2016-03-03 | 2017-09-07 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
JP2017212522A (en) | 2016-05-24 | 2017-11-30 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020108142A (en) | 2020-07-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11870236B2 (en) | Overcurrent protection circuit | |
JP7425173B2 (en) | switch device | |
JP7201385B2 (en) | switch device | |
US11128288B2 (en) | Switching device | |
JP7385678B2 (en) | Overcurrent protection circuit | |
JP7364429B2 (en) | switch device | |
JP7398940B2 (en) | switch device | |
US11994889B2 (en) | Overcurrent protection circuit, switch device, electronic apparatus, and vehicle | |
JP2021065040A (en) | Switch device | |
JP7050565B2 (en) | Semiconductor integrated circuit equipment | |
JP7286440B2 (en) | switch device | |
JP7481868B2 (en) | Overcurrent Protection Circuit | |
JP2017073657A (en) | Erroneous output prevention circuit | |
JP7410346B2 (en) | switch device | |
JP6967421B2 (en) | Switch device | |
JP2022142372A (en) | Over-current protection circuit, switch device, electronic apparatus, and vehicle | |
JP2015004297A (en) | Switch control circuit, ignitor, engine ignition device, and vehicle | |
JP6894957B2 (en) | False output prevention circuit | |
JP2021097548A (en) | Overcurrent protection circuit | |
US20240097677A1 (en) | Switching device, electronic device, and vehicle | |
JP2023021516A (en) | Switch device, electronic device, and vehicle | |
JP2023026822A (en) | Oscillator circuit, high-side switch, electronic apparatus, and vehicle | |
JP2023117577A (en) | Switch device, electronic equipment, and vehicle | |
CN118264086A (en) | Load driving device, electronic apparatus, and vehicle |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20221026 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230619 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230725 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230920 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20231128 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20231205 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7398940 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |