TWI759418B - 半導體裝置及具有該半導體裝置之電子控制系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種半導體裝置及具有該半導體裝置之電子控制系統，即使被施加了負的突波電壓時仍能夠維持正常動作。依據一種實施形態，驅動器IC113具備：輸出電晶體402，設於電池電壓端子VBAT與連接至負載之輸出端子OUT之間；驅動器控制電路401，其以輸出端子OUT的電壓為基準控制輸出電晶體402的閘極電壓，藉以切換輸出電晶體402的導通/切斷（ON/OFF）；負電位箝位電路405，其輸出端子OUT被施加了比預定電壓低的負電壓時，不管驅動器控制電路401的控制如何，都會導通輸出電晶體402；及ESD保護電路305，設於電池電壓端子VBAT與基準電壓端子VSS之間，當電池電壓端子VBAT被施加了突波電壓時，會導通。

Description

半導體裝置及具有該半導體裝置之電子控制系統
本發明係關於半導體裝置及具有該半導體裝置之電子控制系統，尤其是關於即使被施加了負的突波電壓時，仍可維持正常動作之半導體裝置及具有該半導體裝置之電子控制系統。
在汽車或機車等的車輛上搭載著電子式控制引擎等之電子控制單元（ECU（Electronic Control Unit））。該電子控制單元，設有驅動器IC（Integrated Circuit），驅動設於引擎內之電磁線圈等電感性的負載。驅動器IC具備：輸出電晶體及控制電路，而該輸出電晶體設於從電池電源（電力供應源）到負載之電力的供應路徑上，該控制電路控制輸出電晶體的導通/切斷（ON/OFF）。
近年，驅動器IC作為高側驅動器使用正在增加中。高側驅動器係輸出電晶體作為高側開關，設於電池電源與負載之間。驅動器IC作為高側驅動器使用時，變成在輸出電晶體側設置電池電源，在負載側設置基準電壓源（接地電壓源），因而可減少電力纜線在負載周邊的佈線。
此處高側驅動器係將輸出電晶體從導通（ON）切換成切斷（OFF）因而停止從電池電源對電感性負載供應電力時，儲存在負載之電磁能量被釋放出而產生負的反向電壓（突波電壓）。例如，專利文獻1中公開的構成中，為了要防止因反向電壓而破壞了輸出電晶體，設置箝位電路以將該反向電壓箝位在預定的箝位電壓。 ［習知技術文獻］ ［專利文獻］
［專利文獻1］日本特開2016-208406號公報
［發明所欲解決的課題］
於是，高側驅動器即使在負的突波電壓變大時仍能夠在不破壞輸出電晶體下維持正常動作的話，可在短時間內有效釋放出來自負載的電磁能量。
不過專利文獻1的構成中，當施加了大的負突波電壓時，該負的突波電壓被箝位電路箝位在箝位電壓，因而無法維持正常動作。如果藉由箝位電路設定之箝位電壓的值增大時，會有因大的負突波電壓而破壞了輸出電晶體的可能性。其他的課題及新穎的特徵，經過本說明書中的說明和附圖即可明白。 ［解決課題的技術手段］
依據一種實施形態，半導體裝置具備：輸出電晶體，設於從外部供應電力之輸入端子與連接至負載之輸出端子之間；控制電路，其以該輸出端子的電壓為基準控制該輸出電晶體的閘極電壓，藉以切換該輸出電晶體的導通/切斷（ON/OFF）；負電位箝位電路，該輸出端子被施加了比預定電壓低的負電壓時，不管該控制電路的控制如何，都會導通該輸出電晶體；及突波保護電路，設於該輸入端子與基準電壓端子之間，當該輸入端子被施加了突波電壓時，會導通。
依據另一個實施形態，半導體裝置具備：輸出電晶體，設於第1外部連接端子與第2外部連接端子之間；控制電路，其以該第2外部連接端子的電壓為基準控制該輸出電晶體的閘極電壓，藉以切換該輸出電晶體的導通/切斷（ON/OFF）；負電壓箝位電路，當該第2外部連接端子被施加了比預定電壓低的負電壓時，不管該控制電路的控制如何，都會導通該輸出電晶體；及突波保護電路，設於該第1外部端子與基準電壓端子之間，當該第1外部端子被施加了突波電壓時，會導通。 ［發明功效］
依據前述一種實施形態，可提供一種半導體裝置及具有該半導體裝置之電子控制系統，即使被施加了負的突波電壓時仍可維持正常動作。
以下，參考圖面說明實施形態。此外，由於圖面被簡化但並非根據根據該圖面的記載狹義解釋實施形態的技術範圍。另外，相同元件附註相同圖號，省略重複說明。
在下面的實施例中，為了方便說明，在必要時分成多個部分或實施例進行說明，但除非有特別聲明的情況，否則那些並非彼此沒有關係，其一方乃是另一方的局部或全部的變形例、應用例、詳細說明、補充說明等的關係。另外，在下面的實施例中，除非論及元件數量等（包括個數、數值、量、範圍等）的情況、有特別聲明的情況以及理論上明顯被限定在特定數量的情況等，否則並不被限定該特定數量，特定數量以上或以下皆可。
再者，在下面的實施形態中，其構成元件（亦包括動作步驟等），除非有特別聲明的情況以及理論上被認為明顯有必要的情況等，否則未必有必要。同樣在下面的實施形態中，當論及構成元件等的形狀、位置關係等時，除非有特別聲明的情況以及理論上被認為明顯並非必要的情況等，否則包括實質上近似或類似該形狀的情況等。這情況就連上述的數量（包括個數、數值、量、範圍等）也同樣。
＜實施形態1＞ 圖1係表示實施形態1中搭載了電子控制單元（ECU（Electronic Control Unit））的車輛之外觀圖。
如圖1所示，在車輛1上例如搭載著ECU11、引擎12、變速箱13、差速器14以及輪胎15。ECU11控制引擎12的驅動。引擎12連接至變速箱13，將藉由ECU11控制的驅動力傳達至變速箱13。變速箱13連接至差速器14，將引擎12的驅動力改變成依照行進狀態的轉速和扭矩後，傳達至差速器14使輪胎15轉動。
圖2係表示設於如圖1所示之車輛1上的電子控制系統的具體構成例之方塊圖。
如圖2所示，電子控制系統SYS1由ECU11及受ECU11控制的負載之引擎12構成。ECU11具備：微電腦111、感測器IC112及驅動器IC113。引擎12具備：油箱121、燃油泵122、燃料噴射裝置123、進氣管124、汽缸125、排氣管126、氧感測器127及氧感測器加熱器128。
引擎12中藉由燃油泵122從油箱121中吸取燃油供應給燃料噴射裝置123。燃料噴射裝置123將該燃油朝向汽缸125噴射。汽缸125內藉由燃料噴射裝置123噴射的燃油，與從外部透過進氣管124供應的空氣起反應而燃燒。因此汽缸125內的活塞進行上下運動。亦即引擎12產生驅動力。此外，燃燒後的排放氣體透過排氣管126排放到外部。
氧感測器加熱器128將氧感測器127加熱。氧感測器127監視被加熱的狀態下通過排氣管126之排放氣體中的含氧量。
ECU11中，感測器IC112例如依據氧感測器127的監視結果檢測含氧量是否在容許值以下。微電腦111根據感測器IC112的檢測結果，用驅動器IC113控制引擎12內的燃油泵122、燃料噴射裝置123及氧感測器加熱器128等（即，控制引擎12的驅動）。
（驅動器IC113的具體構成例） 圖3係表示驅動器IC113的具體構成例之方塊圖。 如圖3所示，驅動器IC113具備：輸入/輸出電路301、控制邏輯302、調節器303、3個驅動器304（亦稱為驅動器304_1~304_3）及ESD（Electro-Static Discharge，靜電放電）保護電路305。
調節器303設於：供應來自電源的電源電壓VCC之電源電壓端子（以下，稱為電源電壓端子VCC），與供應來自基準電源（例如接地電源）的基準電壓VSS之基準電壓端子（以下，稱為基準電壓端子VSS）之間，產生預定的內部電壓。
輸入/輸出電路301透過輸入/輸出端子I/O與微電腦111進行傳輸。控制邏輯302例如根據輸入/輸出電路301所接收之來自微電腦111的訊號，控制驅動器304_1~304_3。此外，輸入/輸出電路301和控制邏輯302各別的高電位側電壓端子被供應來自調節器303的內部電壓，低電壓側電壓端子被供應基準電壓VSS。
各驅動器304_1~304_3根據來自控制邏輯302的控制訊號驅動負載。例如驅動器304_1驅動負載亦即燃油泵122。驅動器304_2驅動負載亦即燃料噴射裝置123。驅動器304_3驅動負載亦即氧感測器加熱器128。
此外，各驅動器304_1~304_3連接至供應將電池電壓VBAT升壓了的升壓電壓VCP之升壓電壓端子（以下，稱為升壓電壓端子VCP）、基準電壓端子VSS、從電池電源（電力供應源）供應電池電壓VBAT之電池電壓端子（以下，稱為電池電壓端子VBAT）、及對應之輸出端子OUT（亦稱為輸出端子OUT_1~OUT_3）。
ESD保護電路（突波保護電路）305設於各驅動器304_1~304_3的高電位側電壓端子（電池電壓端子VBAT）和低電位側電壓端子（基準電壓端子VSS）間。ESD保護電路305例如吸收施加至電池電壓端子VBAT之ESD等的突波電壓，藉以保護各驅動器304_1~304_3不受ESD破壞。
（驅動器304的具體構成例） 圖4係表示驅動器IC113內驅動器304的具體構成例之圖。此外，圖4中呈現驅動器IC113的構成元件當中的驅動器304和ESD保護電路305。
如圖4所示，驅動器304具備：驅動器控制電路401、N通道型MOS電晶體的輸出電晶體402、閘極保護二極體404及負電位箝位電路405。此外，在輸出電晶體402的源極-汲極間形成有內接二極體403。負電位箝位電路405具有串聯連接的1個或多個齊納二極體406及N通道型MOS電晶體407。此外，在MOS電晶體407的源極-汲極間形成有內接二極體408。
輸出電晶體402設於：供應電池電壓之電池電壓端子VBAT，與連接至負載之輸出端子OUT之間，根據來自驅動器控制電路401的控制訊號CTL切換導通/切斷（ON/OFF）。即，輸出電晶體402作為高側開關使用。此外，本實施形態中，以連接至輸出端子OUT的負載為電感性負載時為例作說明。
驅動器控制電路401設於升壓電壓端子VCP與基準電壓端子VSS之間，根據來自控制邏輯302的控制訊號，輸出用以控制輸出電晶體402的導通/切斷（ON/OFF）之控制訊號CTL。依據該控制訊號CTL，輸出電晶體402的源極-汲極間電壓（以源極電壓為基準的閘極電壓）有時被控制在閾值電壓以上有時被控制在未達閾值電壓。
（驅動器控制電路401的具體構成例） 圖5係表示驅動器304內之驅動器控制電路401的具體構成例之電路圖。
如圖5所示，驅動器控制電路401具備：切斷控制電路501及導通控制電路502。切斷控制電路501具有：P通道型MOS電晶體MP1、MP2；及N通道型MOS電晶體MN1~MN5。導通控制電路502具有：P通道型MOS電晶體MP3、MP4；及N通道型MOS電晶體MN6~MN8。
於切斷控制電路501中，MOS電晶體MP1、MN3、MN5串聯連接在升壓電壓端子VCP與基準電壓端子VSS之間。MOS電晶體MN3的閘極被施加切斷控制訊號，作為來自控制邏輯302的控制訊號。
MOS電晶體MN4中，源極連接至基準電壓端子VSS，閘極和汲極均連接至定電流源和MOS電晶體MN5的閘極。亦即MOS電晶體MN4、MN5構成電流鏡電路。因而MOS電晶體MN3導通時，MOS電晶體MN5的源極-汲極間流過的電流，與流過MOS電晶體MN4的源極-汲極間的電流成比例。
MOS電晶體MP2中，源極連接至升壓電壓端子VCP，汲極連接至MOS電晶體MN1的汲極，閘極連接至MOS電晶體MP1的閘極和汲極。亦即MOS電晶體MP1、MP2構成電流鏡電路。因而MOS電晶體MN3導通時，MOS電晶體MP2的源極-汲極間流過的電流，與流過MOS電晶體MP1的源極-汲極間的電流（換言之，流過MOS電晶體MN4的源極-汲極間的電流）成比例。
MOS電晶體MN1中，源極連接至輸出端子OUT，閘極和汲極均連接至MOS電晶體MP2的汲極和MOS電晶體MN2的閘極。MOS電晶體MN2中，源極連接至輸出端子OUT，汲極連接至輸出電晶體402的閘極。亦即MOS電晶體MN1、MN2構成電流鏡電路。因而MOS電晶體MN3導通時，MOS電晶體MN2的源極-汲極間流過的電流，與流過MOS電晶體MN1的源極-汲極間的電流（換言之，流過MOS電晶體MN4的源極-汲極間的電流）成比例。
於導通控制電路502中，MOS電晶體MP3、MN6、MN8串聯連接在升壓電壓端子VCP與基準電壓端子VSS之間。MOS電晶體MN6的閘極被施加導通控制訊號，作為來自控制邏輯302的控制訊號。此外，導通控制訊號例如呈現與切斷控制訊號相反的電壓位準。即，導通控制訊號在切斷控制訊號為H位準時呈現L位準，而在切斷控制訊號為L位準時呈現H位準。
MOS電晶體MN7中，源極連接至基準電壓端子VSS，閘極和汲極均連接至定電流源和MOS電晶體MN8的閘極。亦即MOS電晶體MN7、MN8構成電流鏡電路。因而MOS電晶體MN6導通時，MOS電晶體MN8的源極-汲極間流過的電流，與流過MOS電晶體MN7的源極-汲極間的電流成比例。
MOS電晶體MP4中，源極連接至升壓電壓端子VCP，汲極連接至輸出電晶體402的閘極，閘極連接至MOS電晶體MP3的閘極和汲極。亦即MOS電晶體MP3、MP4構成電流鏡電路。因而MOS電晶體MP6導通時，MOS電晶體MP4的源極-汲極間流過的電流，與流過MOS電晶體MP3的源極-汲極間的電流（換言之，流過MOS電晶體MN7的源極-汲極間的電流）成比例。此時，輸出電晶體402由於閘極-源極間電壓成為閾值電壓以上，因而導通。
回到圖4繼續說明。 閘極保護二極體404為齊納二極體，設於輸出電晶體402的閘極-源極間。具體而言，閘極保護二極體404的正極連接至輸出電晶體402的源極，閘極保護二極體404的負極連接至輸出電晶體402的閘極。
閘極保護二極體404在輸出電晶體402的閘極-源極間電壓超過容許電壓時即會崩潰，而將該輸出電晶體402的閘極-源極間電壓箝位在容許電壓以下。因此閘極保護二極體404可防止輸出電晶體402的閘極-源極間被施加過電壓。此外，輸出電晶體402的閘極絕緣膜有足夠承受度時，不設置閘極保護二極體404亦可。
負電位箝位電路405在因輸出端子OUT被施加負電壓（負的突波電壓）而變成輸出電晶體402的閘極電壓VG與基準電壓VSS之間的電位差比預定的箝位電壓大時，將閘極電壓VG箝位在箝位電壓。此外，在輸出電晶體402從導通切換成切斷的狀態下，驅動器控制電路401內輸出電晶體402的閘極和源極導通，因而輸出電晶體402的閘極電壓和源極電壓呈現約相同的值。閘極電壓VG被箝位在箝位電壓的話，則輸出電晶體402之閘極-源極間電壓會變成閾值電壓以上，因而輸出電晶體402強制導通。
此外，於負電位箝位電路405中，1個或多個齊納二極體406是為了要決定箝位電壓的值而設，而被形成在MOS電晶體407的源極-汲極間之內接二極體408是為了要防止逆流而設。
（ESD保護電路305的具體構成例） 圖6係表示ESD保護電路305的具體構成例之圖。 如圖6所示，ESD保護電路305具有：N通道型MOS電晶體601、電阻元件603、閘極保護二極體604、及箝位電路605。
MOS電晶體601設於供應電池電壓之電池電壓端子VBAT與基準電壓端子VSS之間。此外，在MOS電晶體601源極-汲極間形成有內接二極體602。
閘極保護二極體604為齊納二極體，設於MOS電晶體601的閘極-源極間。具體而言，閘極保護二極體604的正極連接至MOS電晶體601的源極，閘極保護二極體604的負極連接至MOS電晶體601的閘極。
閘極保護二極體604在MOS電晶體601的閘極-源極間電壓超過容許電壓值時即會崩潰，而將該MOS電晶體601的閘極-源極間電壓箝位在容許電壓以下。因此閘極保護二極體604可防止MOS電晶體601的閘極-源極間被施加過電壓。此外，MOS電晶體601的閘極絕緣膜有足夠承受度時，不設置閘極保護二極體604亦可。
箝位電路605設於MOS電晶體601的閘極與電池電壓端子VBAT之間。具體而言，箝位電路605例如由串聯連接的1個或多個齊納二極體構成，正極連接至MOS電晶體601的閘極，負極連接至電池電壓端子VBAT。
箝位電路605將施加至電池電壓端子VBAT之ESD等的突波電壓箝位在預定電壓（箝位電壓）。具體而言，箝位電路605在電池電壓端子VBAT的電壓上升而變成MOS電晶體601的閘極-汲極間電壓比箝位電壓大時即會崩潰。此時崩潰電流流入電阻元件603，因而在電阻元件603的兩端產生MOS電晶體601之閾值電壓以上的電位差。因此MOS電晶體601導通。因此電池電壓端子VBAT的電壓被箝位在箝位電壓以下。就這樣ESD保護電路305可保護驅動器304不受過電壓破壞。
電阻元件603設於MOS電晶體601的閘極-源極間。電阻元件603在箝位電路605並未崩潰的狀態下（非保護動作狀態），將MOS電晶體601的閘極電壓偏壓成源極電壓。因此可防止在非保護動作狀態下MOS電晶體601的無意中導通。
此外，電阻元件603具有高電阻值。因此電阻元件603可加大每特定電流值的電壓降（電流值×電阻值），因而施加ESD等的突波電壓而使箝位電路605崩潰時，可使MOS電晶體601的閘極-汲極間電壓迅速上升，以使該MOS電晶體601迅速導通。
（驅動器IC113對突波電壓的保護動作） 接著說明驅動器IC113對突波電壓的保護動作。
圖7係表示作為高側開關使用的輸出電晶體與電池電源與電感性負載的連接關係之圖。
如圖7所示，驅動器IC113中，電池電壓端子VBAT連接至電池電源701，輸出端子OUT連接至負載702。換言之，設於驅動器IC113內的驅動器304之輸出電晶體402，其汲極連接至電池電源701，源極連接至負載702。此外，負載702的低電位側電壓端子連接至供應基準電壓PGND之基準電壓端子（以下，稱為基準電壓端子PGND）。
圖8係表示驅動器304的動作之時間圖。如圖8所示，設於驅動器304之驅動器控制電路401的控制訊號CTL為H位準（以輸出電晶體402的源極電壓為基準之閘極電壓成為輸出電晶體402的閾值電壓以上之位準）時，輸出電晶體402導通，因而輸出端子OUT的電位呈現來自電池電源701之電池電壓端子VBAT的值（時間t1~t11）。
之後驅動器控制電路401的控制訊號CTL從H位準切換到L位準（以輸出電晶體402的源極電壓為基準之閘極電壓成為未達輸出電晶體402的閾值電壓之位準），輸出電晶體402則從導通切換到切斷。此時儲存在負載702的電磁能量被釋放出而產生負的反向電壓（突波電壓），因而輸出端子OUT的電位暫時呈現比基準電壓PGND低的負電位（時間t11~t12）。之後輸出端子OUT的電位穩定於基準電壓（時間t12~t13）。
圖9係表示驅動器IC的輸出端子OUT被施加了負電壓（負的突波電壓）時，流到該驅動器IC113的電流路徑之圖。
首先，於驅動器IC113的輸出端子OUT被施加了負電壓的情況，輸出電晶體402的閘極電壓VG與基準電壓VSS之間的電位差為負電位箝位電路405所設定的箝位電壓以下時，不會進行負電位箝位電路405的箝位動作。該情況下，輸出電晶體402照常依照來自驅動器控制電路401的控制訊號CTL切換導通/切斷（ON/OFF）。
另一方面，於驅動器IC113的輸出端子OUT被施加了負電壓的情況，輸出電晶體402的閘極電壓VG與基準電壓VSS之間的電位差超過負電位箝位電路405所設定的箝位電壓時，輸出電晶體402的閘極電壓VG被箝位在箝位電壓。因此輸出電晶體402之閘極-源極間電壓會變成閾值電壓以上，因而輸出電晶體402強制導通。因此電池電壓端子VBAT與輸出端子OUT導通，因而電池電壓端子VBAT的電位呈現與輸出端子OUT的電位約相同的負電位。該結果電流從基準電壓端子VSS透過ESD保護電路305內MOS電晶體601的內接二極體602和輸出電晶體402朝向輸出端子OUT流入（圖9中的箭頭）。亦即藉由ESD保護電路305進行突波電壓的保護動作。
例如，亦可設定負電位箝位電路405的箝位電壓，使得只有當施加至輸出端子OUT的負電壓比－25V低時，箝位發生作用。該情況下，驅動器IC113可在輸出端子OUT被施加了比－25V低的負電壓期間，照常維持驅動動作。因此驅動器IC113可在短時間內有效釋放出來自負載的電磁能量。
此處驅動器控制電路401以輸出端子OUT的電壓（輸出電晶體402的源極電壓）為基準控制輸出電晶體402的閘極電壓。因而即使輸出端子OUT被施加了負電壓時，仍不會有輸出電晶體402的閘極-源極間被施加過電壓的情形。亦即即使輸出端子OUT被施加了負電壓時，仍不會因過電壓而破壞輸出電晶體402。
此外，驅動器IC113即使輸出端子OUT被施加了正電壓（正的突波電壓）時，仍可藉由ESD保護電路305執行突波電壓的保護動作。以下，用圖10作說明。
圖10係表示驅動器IC113的輸出端子OUT被施加了正電壓時，流到該驅動器IC113的電流路徑之圖。
如圖10所示，驅動器IC113的輸出端子OUT被施加了正電壓時，輸出電晶體402的內接二極體403導通，因而電池電壓端子VBAT的電位呈現與輸出端子OUT的電位約相同的正電位。此處電池電壓端子VBAT的電壓超過ESD保護電路305內箝位電路605的箝位電壓，則MOS電晶體601導通，因而電池電壓端子VBAT與基準電壓端子VSS之間的電流路徑開通。該結果電流從輸出端子OUT透過輸出電晶體402的內接二極體403和ESD保護電路305內的MOS電晶體601朝向基準電壓端子VSS流入（圖10中的箭頭）。亦即藉由ESD保護電路305進行突波電壓的保護動作。
如此，本實施形態中，驅動器IC及具有驅動器IC之ECU具備：輸出電晶體，設於電池電壓端子VBAT與連接至負載的輸出端子OUT之間；驅動器控制電路，其以輸出電晶體的源極電壓為基準控制閘極電壓，藉以切換輸出電晶體的導通/切斷（ON/OFF）；負電位箝位電路，其輸出端子OUT被施加了比預定箝位電壓低的負電壓時導通輸出電晶體；及ESD保護電路，設於電池電壓端子VBAT與基準電壓端子VSS之間。因此本實施形態中，驅動器IC及具有該驅動器IC之ECU即使被施加了大的負電壓（負的突波電壓）時，仍可在不破壞輸出電晶體下照常維持驅動動作。因此本實施形態中，驅動器IC及具備驅動器IC之電子控制系統可在短時間內有效釋放出來自負載的電磁能量。
另外，本實施形態中，驅動器IC及具有該驅動器IC之ECU即使輸出端子OUT被施加了大的正電壓（正的突波電壓）時，仍可透過使ESD保護電路作動，防止輸出電晶體受到破壞等。
本實施形態中，以連接至驅動器IC113的輸出端子OUT之負載為電磁線圈等的電感性負載時為例作說明，但並不受限於此。連接一種負載其構成為驅動器IC113的輸出端子OUT被施加負電壓亦可。
＜實施形態2＞ 圖11係表示驅動器IC113的其他構成例亦即驅動器IC1101的具體構成例之方塊圖。
如圖11所示，驅動器IC1101具備：輸入/輸出電路301、控制邏輯302、調節器303、3個驅動器1102（亦稱為驅動器1102_1~1102_3）、及3個ESD保護電路305（ESD保護電路305_1~305_3）。
調節器303設於基準電壓端子VCC與基準電壓端子VSS之間，產生預定的內部電壓。
輸入/輸出電路301透過輸入/輸出端子IO與微電腦111進行通訊。控制邏輯302例如根據輸入/輸出電路301所接收之來自微電腦111的訊號，控制驅動器1102_1~1102_3。此外，輸入/輸出電路301和控制邏輯302各別的高電位側電壓端子被供應來自調節器303的內部電壓，低電位側電壓端子被供應基準電壓VSS。
各驅動器1102_1~1102_3根據來自控制邏輯302的控制訊號驅動負載。例如驅動器1102_1驅動負載亦即燃油泵122。驅動器1102_2驅動負載亦即燃料噴射裝置123，驅動器1102_3驅動負載亦即氧感測器加熱器128。
此外，各驅動器1102_1~1102_3連接至升壓電壓端子VCP、基準電壓端子VSS、對應的外部連接端子OUTD（亦稱為外部連接端子OUTD_1~OUTD_3）、及對應的外部連接端子OUTS（外部連接端子OUTS_1~OUTS_3）。
ESD保護電路305_1~305_3分別設於驅動器1102_1~1102_3的高電位側電壓端子（外部連接端子OUTD_1~OUTD_3）和低電位側電壓端子（基準電壓端子VSS）間。ESD保護電路305_1~305_3分別吸收施加至外部連接端子OUTD_1~OUTD_3之ESD等的突波電壓，藉以保護驅動器1102_1~1102_3不受ESD破壞。
（驅動器1102的具體構成例） 圖12係表示驅動器IC1101內驅動器1102的具體構成例之圖。此外，圖12中呈現驅動器1101的構成元件當中驅動器1102及與該驅動器1102對應之ESD保護電路305。
如圖12所示，驅動器1102具有與驅動器304同樣的構成。惟，輸出電晶體402並非設於電池電壓端子VBAT與輸出端子OUT之間，而是設於外部連接端子OUTD與外部連接端子OUTS之間。本實施形態中，以連接至外部連接端子OUTD或外部連接端子OUTS之負載為電感性負載時為例作說明。
驅動器1102的其他構成與驅動器304的情況相同，因而其說明省略。
（驅動器控制電路401的具體構成） 圖13係表示驅動器1102內驅動器控制電路401的具體構成例之電路圖。參考圖13，驅動器1102內驅動器控制電路401的具體構成例與驅動器304內驅動器控制電路401的情況相同，其說明省略，
（採用高側構成之驅動器IC1101對突波電壓的保護動作） 接著針對採用高側構成之驅動器IC1101對突波電壓的保護動作作說明。
圖14係表示作為高側開關使用的輸出電晶體與電池電源與電感性負載的連接關係之圖。
如圖14所示，驅動器IC1101中，外部連接端子OUTD連接至電池電源1401，外部連接端子OUTS連接至負載1402。換言之，設於驅動器IC1101內的驅動器1102之輸出電晶體402，其汲極連接至電池電源1401，源極連接至負載1402。此外，負載1401的低電位側電壓端子連接至基準電壓端子PGND。
圖15係表示驅動器1102的動作之時間圖。如圖15所示，設於驅動器1102之驅動器控制電路401的控制訊號CTL為H位準（以輸出電晶體402的源極電壓為基準之閘極電壓成為輸出電晶體402的閾值電壓以上之位準）時，輸出電晶體402導通，因而外部連接端子OUTS的電位呈現來自電池電源1401之電池電壓VBAT的值（時間t20~t21）。
之後，驅動器控制電路401的控制訊號CTL從H位準切換成L位準（以輸出電晶體402的源極電壓為基準之閘極電壓成為未達輸出電晶體402的閾值電壓之位準），輸出電晶體402則從導通切換成切斷。此時儲存在負載1402的電磁能量被釋放出而產生負的反向電壓（突波電壓），因而外部連接端子OUTS的電位暫時呈現比基準電壓PGND低的負電位（時間t21~t22）。之後，外部連接端子OUTS的電位穩定於基準電壓PGND的值（時間t22~t23）。
圖16係表示驅動器IC1101的外部連接端子OUTS被施加了負電壓（負的突波電壓）時，流到該驅動器IC1101的電流路徑之圖。
首先，於驅動器IC1101的外部連接端子OUTS被施加了負電壓的情況，輸出電晶體402的閘極電壓VG與基準電壓VSS之間的電位差為負電位箝位電路405所設定的箝位電壓以下時，不會進行負電位箝位電路405的箝位動作。此情況下，輸出電晶體402照常依照來自驅動器控制電路401的控制訊號CTL切換導通/切斷（ON/OFF）。
另一方面，於驅動器IC1101的外部連接端子OUTS被施加了負電壓的情況，輸出電晶體402的閘極電壓VG與基準電壓VSS之間的電位差超過負電位箝位電路405所設定的箝位電壓時，輸出電晶體402的閘極電壓VG被箝位在箝位電壓。因此輸出電晶體402之閘極-源極間電壓會變成閾值電壓以上，因而輸出電晶體402強制導通。因此外部連接端子OUTD及外部連接端子OUTS導通，因而外部連接端子OUTD的電位呈現與外部連接端子OUTS的電位約相同的負電位。該結果電流從基準電壓端子VSS透過ESD保護電路305內MOS在晶體601的內接二極體602和輸出電晶體402朝向外部連接端子OUTS流入（圖16中的箭頭）。亦即藉由ESD保護電路305進行突波電壓的保護動作。
例如，亦可設定負電位箝位電路405的箝位電壓，使得只有當施加至外部連接端子OUTS的負電壓比－25V低時，箝位發生作用。該情況下，驅動器IC1101可在輸出端子OUTS被施加了比－25V低的負電壓期間照常維持驅動作。因此驅動器IC1101可在短時間內有效釋放出來自負載的電磁能量。
此處驅動器控制電路401以外部連接端子OUTS的電壓（輸出電晶體402的源極電壓）為基準控制輸出電晶體402的閘極電壓。因而即使外部連接端子OUTS被施加了負電壓時，仍不會有輸出電晶體402的閘極-源極間被施加過電壓的情形。亦即即使外部連接端子OUTS被施加了負電壓時，仍不會因過電壓而破壞輸出電晶體402。
此外，驅動器IC1101即使輸出端子OUT被施加了正電壓（正的突波電壓）時，仍可藉由ESD保護電路305執行突波電壓的保護動作。以下，用圖17作說明。
圖17係表示驅動器IC1101的外部連接端子OUTS被施加了正電壓時，流到該驅動器IC1101的電流路徑之圖。
如圖17所示，驅動器IC1101的外部連接端子OUTS被施加了正電壓時，輸出電晶體402的內接二極體403導通，因而外部連接端子OUTD的電位呈現與外部連接端子OUTS的電位約相同的正電位。此處外部連接端子OUTD的電壓超過ESD保護電路305內箝位電路605的箝位電壓，則MOS電晶體601導通，因而外部連接端子OUTD與基準電壓端子VSS之間的電流路徑開通。該結果電流從外部連接端子OUTS透過輸出電晶體402的內接二極體403和ESD保護電路305內的MOS電晶體601朝向基準電壓端子VSS流入（圖17中的箭頭）。亦即藉由ESD保護電路305進行突波電壓的保護動作。
（採用低側構成之驅動器IC1101對突波電壓的保護動作） 接著針對採用高側構成之驅動器IC1101對突波電壓的保護動作作說明
圖18係表示作為低側開關使用的輸出電晶體與電池電源與電感性負載的連接關係之圖。
如圖18所示，在驅動器IC1101的外部連接端子OUTD與電池電源1801之間設有負載1802。另外，驅動器IC1101的外部連接端子OUTS連接至基準電壓端子PGND。
圖19係表示驅動器1102的動作之時間圖。如圖19所示。設於驅動器1102之驅動器控制電路401的控制訊號CTL為H位準（以輸出電晶體402的源極電壓為基準之閘極電壓成為輸出電晶體402的閾值電壓以上之位準）時，輸出電晶體402導通，因而外部連接端子OUTS的電位呈現基準電壓PGND的值。（時間t30~t31）。
之後，驅動器控制電路401的控制訊號CTL從H位準切換成L位準（以輸出電晶體402的源極電壓為基準之閘極電壓成為未達輸出電晶體402的閾值電壓之位準），輸出電晶體402則從導通切換成切斷。此時儲存在負載1402的電磁能量被釋放出而產生正的反向電壓（突波電壓），因而外部連接端子OUTD的電位暫時呈現比電池電壓VBAT高的正電位（時間t31~t32）。之後，外部連接端子OUTD的電位穩定於電池電壓VBAT的值（時間t32~t33）。
圖20係驅動器IC1101的外部連接端子OUTD被施加了正電壓（正的突波電壓）時，流到該驅動器IC1101的電流路徑之圖。
如圖20所示，於驅動器IC1101的外部連接端子OUTD被施加了正電壓（正的突波電壓）的情況，外部連接端子OUTD的電壓超過ESD保護電路305內箝位電路605的箝位電壓，則MOS電晶體601導通，因而外部連接端子OUTD與基準電壓端子VSS之間的電流路徑開通。該結果電流從外部連接端子OUTD透過ESD保護電路305內的MOS電晶體601朝向基準電壓端子VSS流入（圖20中的箭頭）。亦即藉由ESD保護電路305進行突波電壓的保護動作。
驅動器IC1101即使外部連接端子OUTD被施加了負電壓（負的突波電壓）時，仍可藉由ESD保護電路305執行突波電壓的保護動作。以下，用圖21作說明。
圖21係表示驅動器IC1101的外部連接端子OUTD被施加了負電壓時，流到該驅動器IC1101的電流路徑之圖。
如圖21所示，驅動器IC1101的外部連接端子OUTD被施加了負電壓時，電流從基準電壓端子VSS透過ESD保護電路305內MOS電晶體601的內接二極體602朝向外部連接端子OUTD流入（圖21中的箭頭）。亦即藉由ESD保護電路305進行突波電壓的保護動作。
如此本實施形態之驅動器IC及具有該驅動器IC之ECU具備：輸出電晶體，設於外部連接端子OUTD與外部連接端子OUTS之間；驅動器控制電路，其以輸出電晶體的源極電壓為基準控制閘極電壓，藉以切換輸出電晶體的導通/切斷（ON/OFF）；負電位箝位電路，其外部連接端子OUTS被施加了比預定箝位電壓低的負電壓時導通輸出電晶體；及ESD保護電路，設於外部連接端子OUTD與基準電壓端子VSS之間。
因此本實施形態之驅動器IC及具有該驅動器IC之ECU，例如作為高側驅動器使用，即使外部連接端子OUTS被施加了大的負電壓（負的突波電壓）時，仍可在不破壞輸出電晶體下照常維持驅動動作。因此本實施形態之驅動器IC及具有該驅動器IC之電子控制系統，可在短時間內有效釋放出來自負載的電磁能量。
本實施形態之驅動器IC及具有該驅動器IC之ECU，例如作為高側驅動器使用，即使外部連接端子OUTS被施加了大的正電壓（正的突波電壓）時，仍可透過使ESD保護電路作動，防止輸出電晶體受到破壞等。
再則，本實施形態之驅動器IC及具有該驅動器IC之ECU，不僅可作為高側驅動器使用，還可作為低側驅動器使用。此處本實施形態之驅動器IC及具有該驅動器IC之ECU，例如作為低側驅動器使用，即使外部連接端子OUTD被施加了大的負電壓或大的正電壓時，透過使ESD保護電路作動，仍可防止輸出電晶體受到破壞等。
本實施形態中，以連接至驅動器IC1101的外部連接端子OUTS或外部連接端子OUTD之負載為電磁線圈等的電感性負載時為例作說明，但並不受限於此。連接一種負載其構成為驅動器IC1101的外部連接端子OUTS或外部連接端子OUTD被施加負或正的突波電壓亦可。
以上，已根據實施形態具體說明了本發明者提案的發明，但並非本發明被限定在已述說過的實施形態，當然在不脫離發明精神的範圍可作各種變化。
例如，上述實施形態的半導體裝置，亦可作為使半導體基板、半導體層、擴散層（擴散區）等的導電型（P型或是N型）反轉之構成。因而以N型和P型中以其一種導電型作為第1導電型，以其另一種導電型作為第2導電型時，可將第1導電型設為P型而將第2導電型設為N型，相反地亦可將第1導電型設為N型而將第2導電型設為P型亦可。
1‧‧‧車輛11‧‧‧ECU12‧‧‧引擎13‧‧‧變速箱14‧‧‧差速器15‧‧‧輪胎111‧‧‧微電腦112‧‧‧感測器IC113‧‧‧驅動器IC121‧‧‧油箱122‧‧‧燃油泵123‧‧‧燃料噴射裝置124‧‧‧進氣管125‧‧‧汽缸126‧‧‧排氣管127‧‧‧氧感測器128‧‧‧氧感測器加熱器301‧‧‧輸入/輸出電路302‧‧‧控制邏輯303‧‧‧調節器304‧‧‧驅動器304_1~304_3‧‧‧驅動器305‧‧‧ESD保護電路305_1~304_3‧‧‧ESD保護電路401‧‧‧驅動器控制電路402‧‧‧輸出電晶體403‧‧‧內接二極體404‧‧‧閘極保護二極體405‧‧‧負電位箝位電路406‧‧‧齊納二極體407‧‧‧MOS電晶體408‧‧‧內接二極體501‧‧‧切斷控制電路502‧‧‧導通控制電路MP1~MP4‧‧‧MOS電晶體MN1~MN8‧‧‧MOS電晶體601‧‧‧MOS電晶體602‧‧‧內接二極體603‧‧‧電阻元件604‧‧‧閘極保護二極體605‧‧‧箝位電路701‧‧‧電池電源702‧‧‧負載1101‧‧‧驅動器IC1102‧‧‧驅動器1102_1~1102_3‧‧‧驅動器1401‧‧‧電池電源1402‧‧‧負載1801‧‧‧電池電源1802‧‧‧負載
［圖1］係表示實施形態1中搭載了電子控制單元的車輛之外觀圖。 ［圖2］係表示如圖1所示之設於車輛上的電子控制系統的具體構成例之方塊圖。 ［圖3］係表示設於如圖2所示之電子控制單元內的驅動器IC的具體構成例之方塊圖。 ［圖4］係表示圖3所示的驅動器IC內驅動器的具體構成例之圖。 ［圖5］係表示圖4所示的驅動器IC內驅動器控制電路的具體構成例之電路圖。 ［圖6］係表示設於如圖4所示之驅動器IC內的ESD保護電路的具體構成例之圖。 ［圖7］係表示作為高側開關使用的輸出電晶體與電池電源與電感性負載的連接關係之圖。 ［圖8］係表示在圖7所示的連接狀態下驅動器的動作之時間圖。 ［圖9］係表示驅動器IC的輸出端子OUT被施加了負電壓時，流到該驅動器IC的電流路徑之圖。 ［圖10］係表示驅動器IC的輸出端子OUT被施加了正電壓時，流到該驅動器IC的電流路徑之圖。 ［圖11］係表示實施形態2中驅動器IC的具體構成例之方塊圖。 ［圖12］係表示圖11所示的驅動器IC內驅動器的具體構成例之圖。 ［圖13］係表示設於如圖12所示之驅動器IC內的驅動器中之驅動器控制電路的具體構成例之圖。 ［圖14］係表示作為高側開關使用的輸出電晶體與電池電源與電感性負載的連接關係之圖。 ［圖15］係表示在圖14所示的連接狀態下驅動器的動作之時間圖。 ［圖16］係表示驅動器IC的外部連接端子OUTS被施加了負電壓時，流到該驅動器IC的電流路徑之圖。 ［圖17］係表示驅動器IC的外部連接端子OUTS被施加了正電壓時，流到該驅動器IC的電流路徑之圖。 ［圖18］係表示作為低側開關使用的輸出電晶體與電池電源與電感性負載的連接關係之圖。 ［圖19］係表示在圖18所示的連接狀態下驅動器的動作之時間圖。 ［圖20］係驅動器IC的外部連接端子OUTD被施加了正電壓時，流到該驅動器IC的電流路徑之圖。 ［圖21］係表示驅動器IC的外部連接端子OUTD被施加了負電壓時，流到該驅動器IC的電流路徑之圖。
113‧‧‧驅動器IC
304‧‧‧驅動器
305‧‧‧ESD保護電路
401‧‧‧驅動器控制電路
402‧‧‧輸出電晶體
403‧‧‧內接二極體
404‧‧‧閘極保護二極體
405‧‧‧負電位箝位電路
406‧‧‧齊納二極體
407‧‧‧MOS電晶體
408‧‧‧內接二極體
VBAT‧‧‧電池電壓端子
VCP‧‧‧升壓電壓端子
VSS‧‧‧基準電壓端子
OUT‧‧‧輸出端子

Claims (17)

  1. 一種半導體裝置，具備：輸出電晶體，設於從外部供應電力之輸入端子與連接至負載之輸出端子之間；控制電路，其以該輸出端子的電壓為基準控制該輸出電晶體的閘極電壓，藉以切換該輸出電晶體的導通/切斷(ON/OFF)；負電位箝位電路，該輸出端子被施加了比預定電壓低的負電壓時，不管該控制電路的控制如何，都會導通該輸出電晶體，其中該負電位箝位電路係設置在該輸出電晶體的閘極與一基準電壓端子之間；及突波保護電路，設於該輸入端子與該基準電壓端子之間，當該輸入端子被施加了突波電壓時，會導通，其中，該負電位箝位電路包含：1個或多個齊納二極體，其從該輸出電晶體的該閘極到該基準電壓端子被順向設置；N通道型MOS電晶體，設置在該1個或多個齊納二極體與該基準電壓端子之間；及逆流防止用二極體，其針對該1個或多個齊納二極體串聯且逆向地設置，其中，該逆流防止用二極體係設置在該N通道型MOS電晶體的源極與汲極之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該負電位箝位電路係當該輸出端子被施加了比該預定電壓低的該負電壓時，將該輸出電晶體的閘極電壓箝位在與該預定電壓對應的電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，更具備第1閘極保護二極體，設於該輸出電晶體的該閘極與該輸出端子之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該突波保護電路具有：MOS電晶體，設於該輸入端子與該基準電壓端子之間；箝位電路，設於該MOS電晶體的閘極與該輸入端子之間，當該輸入端子被施加了該突波電壓時，會導通；及電阻元件，設於該MOS電晶體的該閘極與該基準電壓端子之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體裝置，其中，該突波保護電路更具有第2閘極保護二極體，其與該電阻元件並聯而設於該MOS電晶體的該閘極與該基準電壓端子之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該負載為電感性負載。
  7. 一種電子控制系統，具備：負載；及控制被供應給該負載的電力之申請專利範圍第1項所述之半導體裝置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電子控制系統，其中，該負載為電感性負載。
  9. 一種半導體裝置，具備：輸出電晶體，設於第1外部連接端子與第2外部連接端子之間； 控制電路，其以該第2外部連接端子的電壓為基準控制該輸出電晶體的閘極電壓，藉以切換該輸出電晶體的導通/切斷(ON/OFF)；負電位箝位電路，該第2外部連接端子被施加了比預定電壓低的負電壓時，不管該控制電路的控制如何，都會導通該輸出電晶體，其中該負電位箝位電路係設置在該輸出電晶體的閘極與一基準電壓端子之間；及突波保護電路，設於該第1外部連接端子與該基準電壓端子之間，當該第1外部連接端子被施加了突波電壓時，會導通，其中，該負電位箝位電路包含：1個或多個齊納二極體，其從該輸出電晶體的該閘極到該基準電壓端子被順向設置；N通道型MOS電晶體，設置在該1個或多個齊納二極體與該基準電壓端子之間；及逆流防止用二極體，其針對該1個或多個齊納二極體串聯且逆向地設置，其中，該逆流防止用二極體係設置在該N通道型MOS電晶體的源極與汲極之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體裝置，其中，該負電位箝位電路係當該第2外部連接端子被施加了比該預定電壓更低的該負電壓時，將該輸出電晶體的該閘極電壓箝位在與該預定電壓對應的電壓。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之半導體裝置，其中，更具備第1閘極保護二極體，設於該輸出電晶體的閘極與該第2外部連接端子之間。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之半導體裝置，其中，該突波保護電路具有：MOS電晶體，設於該第1外部連接端子與該基準電壓端子之間； 箝位電路，設於該MOS電晶體的閘極與該第1外部連接端子之間，當該第1外部連接端子被施加了該突波電壓時，會導通；及電阻元件，設於該MOS電晶體的該閘極與該基準電壓端子之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體裝置，其中，該突波保護電路更具有，第2閘極保護二極體，其與該電阻元件並聯而設於該MOS電晶體的該閘極與該基準電壓端子之間。
  14. 一種電子控制系統，具備：負載；及該第1外部連接端子連接至電力供應源而該第2外部連接端子連接至該負載之申請專利範圍第9項所述之半導體裝置。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電子控制系統，其中，該負載為電感性負載。
  16. 一種電子控制系統，具備：負載；及該第1外部連接端子連接至該負載而該第2外部連接端子連接至該電力供應源之申請專利範圍第9項所述之半導體裝置。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電子控制系統，其中，該負載為電感性負載。
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