特開 2024-70973 半導体装置、および同期システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024070973

(43)【公開日】2024-05-24

(54)【発明の名称】半導体装置、および同期システム

(51)【国際特許分類】

   H05B 47/16 20200101AFI20240517BHJP

   H05B 45/325 20200101ALI20240517BHJP

   H05B 45/10 20200101ALI20240517BHJP

   H05B 47/18 20200101ALI20240517BHJP

【ＦＩ】

H05B47/16

H05B45/325

H05B45/10

H05B47/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022181640

(22)【出願日】2022-11-14

(71)【出願人】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001933

【氏名又は名称】弁理士法人 佐野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長尾 圭

【テーマコード（参考）】

3K273

【Ｆターム（参考）】

3K273PA10

3K273QA29

3K273SA17

3K273SA34

3K273SA46

3K273SA60

3K273TA03

3K273TA08

3K273TA15

3K273TA28

3K273TA37

3K273TA52

3K273UA22

(57)【要約】

【課題】ＰＷＭ制御の外部同期が可能となる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置（１）は、外部から制御された同期タイミング間のＰＷＭ周期をカウントするように構成される周期カウンタ（４１）と、前記周期カウンタによるカウント値を所定の分解能Ｙで除算した場合の１ステップ当たりのカウント値をＸ、剰余をＭＯＤとして、ＭＯＤのステップ数のステップについては１ステップ当たり（Ｘ＋１）をカウントし、かつ（Ｙ－ＭＯＤ）のステップ数のステップについては１ステップ当たりＸをカウントするように構成される１ステップカウンタ（４３）と、を有するＰＷＭ同期部（４）と、前記１ステップカウンタによるカウントに基づいてＰＷＭ制御を行うように構成されるＰＷＭ制御部（５）と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から制御された同期タイミング間のＰＷＭ周期をカウントするように構成される周期カウンタと、
前記周期カウンタによるカウント値を所定の分解能Ｙで除算した場合の１ステップ当たりのカウント値をＸ、剰余をＭＯＤとして、ＭＯＤのステップ数のステップについては１ステップ当たり（Ｘ＋１）をカウントし、かつ（Ｙ－ＭＯＤ）のステップ数のステップについては１ステップ当たりＸをカウントするように構成される１ステップカウンタと、
を有するＰＷＭ同期部と、
前記１ステップカウンタによるカウントに基づいてＰＷＭ制御を行うように構成されるＰＷＭ制御部と、
を備える、半導体装置。

【請求項2】

前記ＰＷＭ同期部は、
前記１ステップカウンタが出力するステップ値と（ＭＯＤ－１）とを比較するように構成される比較部と、
前記比較部の比較結果に応じて、１ステップ当たりのカウント値として（Ｘ＋１）とＸのうちいずれかを選択するように構成される選択部と、
を有する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記１ステップカウンタは、０から（Ｙ－１）までの値を１ずつ上昇または下降させて順にステップ値として出力するように構成される、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記１ステップカウンタは、０から（Ｙ－１）まで１ずつ上昇するようにステップ値のビットデータを並べた場合に、当該ビットデータの上位ビットと下位ビットを入れ替えたビットデータを、入れ替え後の同じ下位ビットデータごとにステップ値として出力するように構成される、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記上位ビットのビット数は、ＰＷＭ制御対象のチャンネル数であり、
前記ＰＷＭ制御部は、前記ＰＷＭ周期を前記チャンネル数で分割した期間だけチャンネルごとにフェーズシフトするように構成される、請求項４に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記ＰＷＭ制御対象は、発光素子であり、
前記ＰＷＭ制御部は、前記発光素子をＰＷＭ調光するように構成される、請求項５に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記同期タイミングは、ＵＡＲＴ通信によって外部から送信される、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置と、当該半導体装置の外部に設けられる制御装置と、を備え、前記制御装置から前記同期タイミングが送信される、同期システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置、および同期システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御機能を有する半導体装置が知られている。例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）をＰＷＭ調光する機能を有する半導体装置（ＬＥＤ駆動装置）が知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２０／５４０９６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、半導体装置には、例えばＭＣＵ（Micro Controller Unit）とＵＡＲＴなどの通信を行うものがある。このような半導体装置では、ＭＣＵと外部同期してＰＷＭ制御を行うことが要望される。

【0005】

本開示は、ＰＷＭ制御の外部同期が可能となる半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

例えば、本開示の一態様に係る半導体装置は、外部から制御された同期タイミング間のＰＷＭ周期をカウントするように構成される周期カウンタと、
前記周期カウンタによるカウント値を所定の分解能Ｙで除算した場合の１ステップ当たりのカウント値をＸ、剰余をＭＯＤとして、ＭＯＤのステップ数のステップについては１ステップ当たり（Ｘ＋１）をカウントし、かつ（Ｙ－ＭＯＤ）のステップ数のステップについては１ステップ当たりＸをカウントするように構成される１ステップカウンタと、
を有するＰＷＭ同期部と、
前記１ステップカウンタによるカウントに基づいてＰＷＭ制御を行うように構成されるＰＷＭ制御部と、
を備える構成としている。

【発明の効果】

【0007】

本開示の例示的な半導体装置によれば、ＰＷＭ制御の外部同期が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本開示の例示的な実施形態に係る発光システムの構成を示す図である。

【図2】図２は、ＰＷＭ同期部の第１実施形態に係る構成を示す図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係るＰＷＭ同期部を用いたＰＷＭ制御の一例を示すタイミングチャートである。

【図4】図４は、ＰＷＭ同期部の第２実施形態に係る構成を示す図である。

【図5】図５は、第２実施形態に係る１ステップカウンタが出力するステップ値の一例を示す図である。

【図6】図６は、第２実施形態に係るＰＷＭ同期部を用いたＰＷＭ制御の一例を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。

【0010】

＜１．ＬＥＤ駆動装置＞
図１は、本開示の例示的な実施形態に係る発光システム１０の構成を示す図である。図１に示す発光システム１０は、ＬＥＤ駆動装置１と、ＭＣＵ６と、ＬＥＤ７１～７８と、を備える。

【0011】

ＬＥＤ駆動装置１は、複数チャンネルのＬＥＤを駆動するように構成され、ここでは一例として８チャンネルのＬＥＤ７１～７８を駆動可能としている。ＬＥＤ７１～７８の各アノードは、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータから出力される出力電圧Ｖｏｕｔの印加端に接続される。当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば電源電圧を昇圧する昇圧回路である。

【0012】

ＬＥＤ駆動装置１は、図１に示す内部構成を少なくとも集積化して備える半導体装置である。なお、ＬＥＤ駆動装置は、本開示に係る半導体装置の一例であり、本開示に係る半導体装置は、ＬＥＤ駆動とは異なる機能を有する装置であってもよい。

【0013】

ＬＥＤ駆動装置１は、外部との電気的接続を確立するための外部端子として、ＬＥＤ１端子～ＬＥＤ８端子を備える。ＬＥＤ７１～７８の各カソードは、ＬＥＤ１端子～ＬＥＤ８端子のそれぞれに外部接続される。

【0014】

ＬＥＤ駆動装置１は、内部構成として、電流ドライバ２と、通信部３と、ＰＷＭ同期部４と、ＰＷＭ制御部５と、を備える。なお、ＬＥＤ駆動装置１は、図１に図示した構成以外にも、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ機能に関する構成、および各種保護回路（ＵＶＬＯ（Under Voltage Lock Out）、ＬＥＤ地絡検知など）などを備えてもよい。

【0015】

電流ドライバ２は、ＬＥＤ７１～７８のそれぞれに定電流を流す機能を有する。具体的には、電流ドライバ２は、ＬＥＤ１端子～ＬＥＤ８端子のそれぞれと接地端との間に接続される各チャンネルの定電流回路２１を有する。各チャンネルの定電流回路２１～２８は、ＬＥＤ７１～７８のそれぞれに流す定電流を生成する。

【0016】

通信部３は、半導体装置１の外部に配置されるＭＣＵ６との間で通信を行う。通信部３による通信は、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）により行われる。ＵＡＲＴは、２つのデバイス間でシリアルデータを交換するためのプロトコルである。ＵＡＲＴでは、送信側と受信側の間で２本のラインにより双方向の通信が行われる。

【0017】

ＰＷＭ同期部４は、ＭＣＵ６から通信部３を介して送信される同期タイミングに基づいてＰＷＭ制御の外部同期を行う機能部である。ＰＷＭ制御部５は、後述するＰＷＭ同期部４に含まれる１ステップカウンタ（分解能の１ステップをカウント）の出力に基づいて電流ドライバ２をＰＷＭ制御することで、ＬＥＤ７１～７８のＰＷＭ調光を行う。なお、ＰＷＭ同期部４およびＰＷＭ制御部５の詳細については、後述する。

【0018】

＜２．ＰＷＭ同期部＞
＜２－１．第１実施形態＞
図２は、ＰＷＭ同期部４の第１実施形態に係る構成を示す図である。図２に示すＰＷＭ同期部４は、周期カウンタ４１と、同期補償部４２と、１ステップカウンタ４３と、比較部４４と、を有する。

【0019】

周期カウンタ４１は、所定周波数のクロックをカウントし、ＭＣＵ６から送信されて通信部３を介して設定される同期タイミングにより規定されるＰＷＭ周期におけるカウント値を出力する。図２では、一例として上記カウント値（r_uartsync_cnt[18:0]）は、１９ビットのデータとしている。

【0020】

ＰＷＭ同期部４では、周期カウンタ４１による上記カウント値を所定の分解能で除算した場合の分解能１ステップあたりのカウント値Ｘ、および剰余ＭＯＤが特定される。周期カウンタ４１によるカウント値（r_uartsync_cnt[18:0]）＝011_0011_0110_1000_0111＝２１０５６７、分解能が８ビット（＝２５６ステップ）とすると、カウント値Ｘ＝８２２、剰余ＭＯＤ＝１３５となる。

【0021】

図２に示すように、周期カウンタ４１によるカウント値（r_uartsync_cnt[18:0]）における下位８ビット（r_uartsync_cnt[7:0]）が剰余ＭＯＤ（r_uartsync_modulo[7:0]）に相当し、周期カウンタ４１によるカウント値（r_uartsync_cnt[18:0]）における上位１１ビット（r_uartsync_cnt[18:8]）がカウント値Ｘ（r_uartsync_max[10:0]）に相当する。すなわち、r_uartsync_max[10:0]＝011_0011_0110＝８２２、r_uartsync_modulo[7:0]＝1000_0111＝１３５である。

【0022】

ここで、周期カウンタ４１によるカウント値＝（Ｘ＋１）×ＭＯＤ＋Ｘ×（分解能－ＭＯＤ）で表される。すなわち、分解能のうちＭＯＤのステップ数のステップについては１ステップ当たり（Ｘ＋１）のカウントを行い、（分解能－ＭＯＤ）のステップ数のステップについては１ステップ当たりＸのカウントを行えば、ＰＷＭ１周期分のカウントを行うことに相当する。

【0023】

そこで、図２に示す構成では、同期補償部４２において選択部４２１を設け、選択部４２１により（Ｘ＋１）（r_uartsync_max＋１）とＸ（r_uartsync_max）のいずれかを選択して出力するようにしている。選択部４２１から出力される１ステップ当たりのカウント値（cnt_stp[10:0]）は、１ステップカウンタ４３に入力される。

【0024】

１ステップカウンタ４３は、選択部４２１の出力に基づいて１ステップのカウント（上記クロックのカウント）を行い、１ステップをカウントするごとにステップ値（cnt_base[7:0]）を０から（分解能－１）まで１ずつ上昇させて出力する。分解能が８ビットの場合は、１ステップカウンタ４３は、０から２５５まで１ずつステップ値を上昇させて出力する。

【0025】

比較部４４は、（ＭＯＤ－１）（r_uartsync_modulo[7:0]－１）と１ステップカウンタ４３から出力されるステップ値（cnt_base[7:0]）との比較を行う。ステップ値が（ＭＯＤ－１）以下である場合は、選択部４２１は（Ｘ＋１）（r_uartsync_max＋１）を選択して出力し、ステップ値が（ＭＯＤ－１）を上回る場合は、選択部４２１はＸ（r_uartsync_max）を選択して出力する。例えば、上記のようにＭＯＤ＝１３５の場合、ステップ値が０～１３４では（Ｘ＋１）が出力され、ステップ値が１３５～２５５ではＸが出力される。

【0026】

図２に示すＰＷＭ制御部５は、デューティ設定値と１ステップカウンタ４３から出力されるステップ値に基づいてＰＷＭ制御を行う。より具体的には、分解能×デューティ[％]で表されるステップ数をオン期間とし、分解能×（１００－デューティ）[％]で表されるステップ数をオフ期間とする。分解能＝８ビット、デューティ＝５０％の場合、例えば、１ステップカウンタ４３から出力されるステップ値が０～１２７の間はオン期間とし、１２８～２５５の間はオフ期間とする。ＰＷＭ制御部５は、オン期間では定電流回路２１をオン状態とし、オフ期間では定電流回路２１をオフ状態とする。従って、オン期間はＬＥＤの点灯期間となり、オフ期間はＬＥＤの消灯期間となる。

【0027】

なお、ＰＷＭ制御部５は、定電流回路２１をチャンネルごとに制御することができる。これにより、チャンネルごとにデューティが異なってもよいし、後述のようなフェーズシフト（位相シフト）を行うこともできる。

【0028】

図３は、本実施形態に係るＰＷＭ同期部４を用いたＰＷＭ制御の一例を示すタイミングチャートである。図３および後述の図６において、上段から順に、ＭＣＵ６から送信される同期タイミング（UART sync）、１ステップ当たりのカウント値ＸまたはＸ＋１の選択結果、１ステップカウンタ４３による１ステップのカウント（r_fpwm_cnt）、同期補償部４２による補償の有無（w_period_compensate）、ＬＥＤの各チャンネルにおける調光制御（チャンネル０～チャンネル７）を示す。なお、図３の各チャンネルにおいて、ローレベルはオフ期間（消灯期間）を示し、ハイレベルはオン期間（点灯期間）を示す。

【0029】

図３の例では、同期タイミング間のＰＷＭ周期Ｔｐｗｍを周期カウンタ４１によりカウントしたカウント値＝２１０５６７、分解能が８ビット（＝２５６ステップ）として、カウント値Ｘ＝８２２、剰余ＭＯＤ＝１３５となる。これにより、１ステップカウンタ４３から出力されるステップ値が０～１３４となる期間Ｔ１（補償あり）では、１ステップカウンタ４３により１ステップ当たりＸ＋１のカウントが行われ、１ステップカウンタ４３から出力されるステップ値が１３５～２５５となる期間Ｔ２（補償なし）では、１ステップカウンタ４３により１ステップ当たりＸのカウントが行われる。

【0030】

図３の例では、ＬＥＤの各チャンネルにおけるＰＷＭ調光のデューティ＝５／８であるため、２５６×（５／８）のステップ数がオン期間になり、２５６×（１－（５／８））のステップ数がオフ期間となる。このように、ＰＷＭ調光の１周期をＭＣＵ６から送信される同期タイミングと同期させることができ、ＰＷＭ制御の外部同期が可能となる。

【0031】

なお、図３の例では、チャンネル数によりＰＷＭ周期Ｔｐｗｍを分割した期間（１／８～８／８）だけチャンネルごとに順に位相をずらすフェーズシフトが行われている。

【0032】

また、本実施形態では、ＰＷＭ周期Ｔｐｗｍにおける前半の期間で補償を行い、後半の期間で補償を行わない制御になっているが、前半の期間で補償を行わず、後半の期間で補償を行ってもよい。この場合、１ステップカウンタ４３は、（分解能－１）から０まで１ずつ下降させてステップ値を出力すればよい。

【0033】

＜２－２．第２実施形態＞
上記の図３の例では、ＰＷＭ制御においてフェーズシフトを行っているが、図３で例えば丸で囲った各チャンネルのＰＷＭ制御における同等の期間について、補償が行われるチャンネルと補償が行われないチャンネルが混在する。このような状況を改善すべく、以下説明する第２実施形態が実施される。

【0034】

図４は、ＰＷＭ同期部４の第２実施形態に係る構成を示す図である。第１実施形態の相違点として本実施形態では、１ステップカウンタ４３は、０から（分解能－１）まで１ずつ上昇するようにステップ値のビットデータを並べた場合に、当該ビットデータの上位ビットと下位ビットを入れ替えたビットデータを順にステップ値として出力する。

【0035】

例えば、分解能＝８ビットとした場合、図５に示すように、０から（２５６－１）＝２５５まで１ずつ上昇するようにステップ値のビットデータ（cnt_base[7:0]）を並べた場合に、当該ビットデータの上位３ビット（cnt_base[7:5]）と下位５ビット（cnt_base[4:0]）を入れ替えたビットデータが順に出力される。図５に示すように、入れ替えたビットデータにおいては、まず入れ替え後の下位３ビットデータが０００においてステップ値が０から２４８まで上昇し、その後、入れ替え後の下位３ビットデータが００１に変化してステップ値が２４８から１まで下降してから再び上昇する。以降、入れ替え後の下位３ビットデータが１１１となるまでステップ値の上昇が繰り返される。

【0036】

これにより、例えば比較部４４において、（ＭＯＤ－１）と１ステップカウンタ４３から出力されるステップ値（cnt_base[4:0][7:5]）が比較され、ステップ値の下位ビットデータ（cnt_base[7:5]）が同じ値のときにステップ値が（ＭＯＤ－１）以下の期間と（ＭＯＤ－１）を上回る期間が現れる。例えば、図５に示す例では、ＭＯＤ＝１３５として、ステップ値の下位３ビットデータが同じ０００のときにステップ値が（ＭＯＤ－１）以下の期間（０～１２８）と（ＭＯＤ－１）を上回る期間（１３６～２４８）が現れ、以降同様に繰り返される。従って、下位３ビットデータが同じ値のときに１ステップ当たりのカウント値としてＸ＋１が選択される期間とＸが選択される期間が現れる。

【0037】

図６は、本実施形態に係るＰＷＭ同期部４を用いたＰＷＭ制御の一例を示すタイミングチャートである。図６は、図５に対応しており、上記のようにステップ値のビットデータにおいて上位ビットと下位ビットを入れ替える場合の上位ビットのビット数は、ＰＷＭ制御のフェーズシフトを行う場合のＬＥＤのチャンネル数に対応している。すなわち、チャンネル数＝８であるため、図５の例では上記上位ビットのビット数＝３（cnt_base[7:5]）としている。

【0038】

従って、図６に示すように、ＰＷＭ周期Ｔｐｗｍをチャンネル数で分割した期間ごとにおいて、Ｘ＋１が選択される期間Ｔ１（補償あり）とＸが選択される期間Ｔ２（補償なし）が現れる。これにより、補償される期間Ｔ１がＰＷＭ周期Ｔｐｗｍにおいて分散され、例えば丸で囲った各チャンネルのＰＷＭ制御における同等の期間について、いずれも補償が同様に実施される。

【0039】

なお、上記入れ替え後の下位ビットデータが必ずしも値が小さい順にステップ値が出力されなくてもよい。図５の例でいえば、必ずしも下位３ビットデータが０００、００１、・・・の順ではなくてもよい。

【0040】

＜３．その他＞
なお、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、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味およ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。

【0041】

＜４．付記＞
以上のように、本開示の一態様に係る半導体装置（１）は、
外部から制御された同期タイミング間のＰＷＭ周期をカウントするように構成される周期カウンタ（４１）と、
前記周期カウンタによるカウント値を所定の分解能Ｙで除算した場合の１ステップ当たりのカウント値をＸ、剰余をＭＯＤとして、ＭＯＤのステップ数のステップについては１ステップ当たり（Ｘ＋１）をカウントし、かつ（Ｙ－ＭＯＤ）のステップ数のステップについては１ステップ当たりＸをカウントするように構成される１ステップカウンタ（４３）と、
を有するＰＷＭ同期部（４）と、
前記１ステップカウンタによるカウントに基づいてＰＷＭ制御を行うように構成されるＰＷＭ制御部（５）と、を備える構成としている（第１の構成）。

【0042】

また、上記第１の構成において、前記ＰＷＭ同期部は、前記１ステップカウンタが出力するステップ値と（ＭＯＤ－１）とを比較するように構成される比較部（４４）と、
前記比較部の比較結果に応じて、１ステップ当たりのカウント値として（Ｘ＋１）とＸのうちいずれかを選択するように構成される選択部（４２１）と、を有する構成としてもよい（第２の構成）。

【0043】

また、上記第２の構成において、前記１ステップカウンタは、０から（Ｙ－１）までの値を１ずつ上昇または下降させて順にステップ値として出力するように構成されることとしてもよい（第３の構成）。

【0044】

また、上記第２の構成において、前記１ステップカウンタは、０から（Ｙ－１）まで１ずつ上昇するようにステップ値のビットデータを並べた場合に、当該ビットデータの上位ビットと下位ビットを入れ替えたビットデータを、入れ替え後の同じ下位ビットデータごとにステップ値として出力するように構成されることとしてもよい（第４の構成）。

【0045】

また、上記第４の構成において、前記上位ビットのビット数は、ＰＷＭ制御対象のチャンネル数であり、前記ＰＷＭ制御部は、前記ＰＷＭ周期を前記チャンネル数で分割した期間だけチャンネルごとにフェーズシフトするように構成されることとしてもよい（第５の構成）。

【0046】

また、上記第５の構成において、前記ＰＷＭ制御対象は、発光素子であり、前記ＰＷＭ制御部は、前記発光素子をＰＷＭ調光するように構成されることとしてもよい（第６の構成）。

【0047】

また、上記第１から第６のいずれかの構成において、前記同期タイミングは、ＵＡＲＴ通信によって外部から送信されることとしてもよい（第７の構成）。

【0048】

また、本開示の一態様に係る同期システムは、上記第１から第７のいずれかの構成とした半導体装置（１）と、当該半導体装置の外部に設けられる制御装置（６）と、を備え、前記制御装置から前記同期タイミングが送信される構成としている（第８の構成）。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本開示は、各種用途の半導体装置に利用することが可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ ＬＥＤ駆動装置（半導体装置）
２ 電流ドライバ
３ 通信部
４ ＰＷＭ同期部
５ ＰＷＭ制御部
６ ＭＣＵ
７１～７８ ＬＥＤ
１０ 発光システム
２１ 定電流回路
４１ 周期カウンタ
４２ 同期補償部
４３ １ステップカウンタ
４４ 比較部
４２１ 選択部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】