(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】P2024099057
(43)【公開日】2024-07-24
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H03F 1/52 20060101AFI20240717BHJP
H03F 3/217 20060101ALI20240717BHJP
H04R 3/00 20060101ALI20240717BHJP
【FI】
H03F1/52
H03F3/217
H04R3/00 101A
【審査請求】有
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024078251
(22)【出願日】2024-05-13
(62)【分割の表示】P 2020063932の分割
【原出願日】2020-03-31
(31)【優先権主張番号】P 2019140068
(32)【優先日】2019-07-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】308033711
【氏名又は名称】ラピスセミコンダクタ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100084995
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 和詳
(74)【代理人】
【識別番号】100099025
【弁理士】
【氏名又は名称】福田 浩志
(72)【発明者】
【氏名】川添 卓
(57)【要約】
【課題】回路規模を増加させることなく、安価で検出精度が高いショート検出回路を備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】所定の信号が入力され第1の出力信号を出力する第1のバッファと、前記所定の信号の反転信号が入力され第2の出力信号を出力する第2のバッファと、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差に応じて、前記第1のバッファの出力側の第1端子又は前記第2のバッファの出力側の第2端子の地絡の有無、又は前記第1端子と前記第2端子との短絡の有無を判定する短絡判定信号を出力するショート検出回路と、を有することを特徴とする半導体装置100が提供される。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の信号が入力され第1の出力信号を出力する第1のバッファと、
前記所定の信号の反転信号が入力され第2の出力信号を出力する第2のバッファと、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差に応じて、前記第1のバッファの出力側の第1端子又は前記第2のバッファの出力側の第2端子の地絡の有無、又は前記第1端子と前記第2端子との短絡の有無を判定する短絡判定信号を第3端子に出力するショート検出回路と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記ショート検出回路は、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差を検出する電位差検出部と、
前記電位差検出部による検出に応じて前記短絡判定信号を出力する信号出力部と、
を備え、
前記電位差検出部は、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差に応じてオンとオフとが切り替わる第1トランジスタを備える、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第3端子は、前記短絡判定信号を前記半導体装置とは異なる装置に出力する外部端子である、請求項1に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、音声信号を出力する機能を備えた半導体装置について、特に音声出力端子のショート時に半導体装置を保護する保護回路に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に、半導体装置の中でもスピーカに接続され、音声信号を出力する半導体装置が知られている。このような半導体装置では、AB級アンプなどに比べ効率が良く発熱も少ないD級アンプを用いたものが、民生品又は車載品などの分野において幅広く利用されている。
【0003】
このような音声信号を出力する半導体装置に用いられる低インピーダンスのスピーカを駆動するためのバッファは、マイコンなどにおいて用いられる汎用のI/Oバッファなどと比較すると数倍~数十倍の電流駆動能力を持つため、地絡又は端子間ショートが起きると大電流が発生し、半導体装置の故障を発生させてしまう。そのため、地絡又は端子間ショートが発生した場合に、半導体装置を保護する保護回路が用いられる。例えば特許文献1の
図5においては、二つの出力端子からの出力信号を比較して同位相で動作する状態が所定時間以上続くことで端子間に短絡が生じたと判定し、出力回路をオフすることでスピーカ等の負荷又はアンプの破壊を防止する保護回路が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
図7には、比較例としての半導体装置300の構成が開示されている。半導体装置300は、PWM(Pulse Width Modulation)変調回路310と、第1のスピーカバッファ320-1と、第2のスピーカバッファ320-2と、判定回路330と、検知電流発生器340とにより構成されている。過電流による電圧降下を検知する半導体装置300は、例えば、端子T1及び端子T2の電圧レベルより電圧が降下した場合にNOR回路により構成された判定回路330が異常を検出する構成となっている。端子T1の電圧レベルは、
図8に示すようなD級アンプの構成を備えた第1のスピーカバッファ320-1の第1の出力トランジスタであるPMOSトランジスタPTr1及び第2の出力トランジスタであるNMOSトランジスタNTr1のオン抵抗と、内部の電源配線抵抗であるR2及びR3と、外付けスピーカの負荷抵抗R1とで決まる。端子T2の電圧レベルについても同様である。
【0006】
検知電流発生器340から出力される検知電流は、スピーカ出力電力の仕様によって設定値が決まる。一般的なスピーカ出力電力の仕様は、電源電圧5V、1W出力、負荷抵抗RL=8Ω程度であるが、この場合、スピーカ又は電源のバラツキ、トランジスタのVtスキュー(閾値電圧のバラツキ)等を考慮すると最大出力電流は800mA(5.6V、RL=6Ω)程度になる。これ以上の電流値が端子間ショート、又は地絡により発生するため、最大出力電流に基づいて、端子T1及び端子T2の電圧レベルが降下した場合を判定する閾値を定めて設計している。
【0007】
しかしながら、端子T1、T2間のショート及び地絡発生時の端子T1及び端子T2の電圧レベルは、スピーカの配線抵抗R2及びR3、並びにスピーカの負荷抵抗R1により大きく変動するが、判定回路330の閾値の調整が困難であることから、端子間ショート、又は地絡の誤検出が生じる場合があった。
【0008】
例えば、電源電圧5V、1Wでの音声出力時の動作として、端子T1が“H”を出力する場合、その出力電圧は4V程度であるが、これは正常動作であることから判定回路330は異常を検出することなく動作を続けなければならない。なお、端子T1及び端子T2は“H”及び“L”を常時出力するため、判定回路330は通常動作中もERRを判定するのであるが、サンプリングすることにより、一定期間ERRが“H”の時を検出している。
【0009】
このような状況では、顧客の使用環境の中でスピーカの負荷抵抗R1が大きい場合、又は負荷抵抗RLが小さい場合は、端子T1に与えられる電圧は4Vを常時下回るため、判定回路330が誤検出する可能性があった。また、GND側の配線抵抗が極端に大きくなった場合は、常時検出回路の閾値以上の電圧値となり、端子間ショート、又は地絡を検出できない可能性もある。そのため、出力抵抗ROUT又は負荷抵抗RLの仕様制限をした上でなければ使用できない限定的な回路となっていた。
【0010】
このような問題を解決するには、NOR回路による判定ではなく、閾値電圧と端子T1の電圧とをコンパレータで比較することが考えられる。しかし、コンパレータを備えることで回路規模が大きくなり、ひいてはコスト増となるデメリットが生じる。また、特許文献1で提案されていた技術では、2つの出力端子からの出力をNOR回路にて比較し出力端子間のショートのみを判定するものであるから、判定できる故障原因が限定的であり、なおかつ上述と同様に回路規模が大きくなる。
【0011】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、回路規模を増加させることなく、安価で検出精度が高いショート検出回路を備えた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】
【0012】
本発明の第1態様に係る半導体装置は、所定の信号が入力され第1の出力信号を出力する第1のバッファと、前記所定の信号の反転信号が入力され第2の出力信号を出力する第2のバッファと、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差に応じて、前記第1のバッファの出力側の第1端子又は前記第2のバッファの出力側の第2端子の地絡の有無、又は前記第1端子と前記第2端子との短絡の有無を判定する短絡判定信号を出力するショート検出回路と、を有する。
【0013】
本発明の第2態様に係る半導体装置は、第1態様に係る半導体装置であって、前記ショート検出回路は、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差を検出する電位差検出部と、前記電位差検出部による検出に応じて前記短絡判定信号を出力する信号出力部と、を備える。
【0014】
本発明の第3態様に係る半導体装置は、第2態様に係る半導体装置であって、前記電位差検出部は、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差に応じてオンとオフとが切り替わる前記第1トランジスタを備える。
【0015】
本発明の第4態様に係る半導体装置は、第3態様に係る半導体装置であって、前記電位差検出部は、前記第1トランジスタと直列に接続されて、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との電位差に応じてオンとオフとが切り替わる第2トランジスタをさらに備える。
【0016】
本発明の第5態様に係る半導体装置は、第1態様~第4態様のいずれかの半導体装置であって、前記所定の信号は、音声信号である。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、回路規模を増加させることなく、安価で検出精度が高いショート検出回路を備えた半導体装置を提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【
図1】本発明の第1実施の形態に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。
【
図3】第1実施の形態に係る判定回路と定電流回路との回路図である。
【
図4】第1実施の形態に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。
【
図5】本発明の第2実施の形態に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。
【
図6】第2実施の形態に係る判定回路と定電流回路との回路図である。
【
図7】比較例に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【0020】
[第1実施の形態]
以下、
図1乃至
図4を用いて、本発明の第1実施の形態に係る半導体装置について説明
する。
【0021】
図1に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置100は、PWM変調回路110と、PWM変調回路110からの出力信号SPが入力される第1のスピーカバッファ120-1と、出力信号SPの反転信号SNがPWM変調回路110から入力される第2のスピーカバッファ120-2と、第1のスピーカバッファ120-1の出力側の端子T1と、第2のスピーカバッファ120-2の出力側の端子T2との間のショート、又は端子T1、T2の地絡を判定し、端子T3から短絡判定信号を出力する判定回路130と、判定回路130に電流を供給する定電流回路140と、を含んで構成される。PWM変調回路110からの出力信号SPと、出力信号SPの反転信号SNとは、例えば音声信号である。
【0022】
図2にはスピーカバッファ120の回路図が記載されている。スピーカバッファ120は、PWM変調回路110からの信号を受け、出力トランジスタであるPTr1及びNTr1が論理回路の組み合わせによって相補的に動作することでバッファ出力信号を出力している。また、抵抗R2及び抵抗R3はVDD-GND間の電源配線抵抗をそれぞれ示している。また、
図1における第1のスピーカバッファ120-1及び第2のスピーカバッファ120-2はそれぞれ
図2のスピーカバッファ120と同様の回路構成を有している。
【0023】
図3には、判定回路130と定電流回路140との回路図が開示されている。判定回路130は、ショート検出回路としてのPMOSトランジスタP1及びNMOSトランジスタN2と、レベルシフタとしてのPMOSトランジスタP2、P3、及びNMOSトランジスタN3、N4により構成されている。PMOSトランジスタP1は、電位差検出部の一例である。また、定電流回路140は、定電流源C1と、NMOSトランジスタN1とにより構成されている。判定回路130のショート検出回路は、ソースを端子T1に、ゲートを端子T2にそれぞれ接続したPMOSトランジスタP1と、そのPMOSトランジスタP1に一定電流を供給するNMOSトランジスタN2によって構成されている。ショート検出回路の出力node1は、レベルシフタのNMOSトランジスタN4のゲートに接続されていて、NMOSトランジスタN4のドレインは定電流回路140からカレントミラー回路を構成して接続されたPMOSトランジスタP3のドレインと接続されている。判定回路130の端子OUTからは、短絡判定信号を出力する。短絡判定信号は、端子T1又は端子T1の地絡の有無、又は端子T1と端子T2との短絡の有無を判定する信号である。
【0024】
なお、定電流回路140は必ずしもショート検出回路のために用意し調整された回路である必要はなく、半導体装置内の他の回路、例えば定電圧レギュレータ(LDO)等で発生させた電流をショート検出回路及びレベルシフタのそれぞれにカレントミラー回路を構成して接続することも可能である。他の定電流源として使用されているものを兼用することで回路規模の増大を抑えることが可能となる。
【0025】
図4は、第1実施の形態における半導体装置100の動作を説明するタイムチャートである。(i)通常時では、
図3に示した回路の通常動作時として、端子T1と端子T2とが8Ωスピーカで接続されている場合を考える。スピーカの配線抵抗を0.1Ω、バッファのON抵抗を0.5Ωと仮定すると、VDD=5Vの時には端子T1の電圧はおよそ4.67V、端子T2の電圧はおよそ0.33Vとなり、PMOSトランジスタP1はON状態となる。次段のNMOSトランジスタN4のゲート電位は、PMOSトランジスタP1がON状態なので、端子T1の電位と同電位となる。従って、通常時には端子OUTは短絡判定信号として“L”を出力する。
【0026】
また、(ii)端子間ショート時では、端子T1と端子T2とが短絡している場合を考える。端子T1と端子T2とが短絡している場合は、端子T1と端子T2とが0Ωで接続されていると考えればよいので、PMOSトランジスタP1のゲート-ソース間の電位差は0Vである。従って、端子間ショート時では、PMOSトランジスタP1はOFF状態となり、次段のNMOSトランジスタN4のゲートには0Vが印加される。従って、端子OUTは短絡判定信号として“H”を出力する。端子OUTが短絡判定信号として“H”を出力することで、スピーカショート状態であることが検出される。
【0027】
また、(iii)T1地絡時では、端子T1がGNDと短絡した場合を考える。端子T1がGND端子と短絡した場合は、PMOSトランジスタP1のソース端子が常に0Vとなるので、端子T2の電圧に拘らず、常にNMOSトランジスタN4のゲートには0Vが印加さる。従って、端子OUTは短絡判定信号として“H”を出力する。端子OUTが短絡判定信号として“H”を出力することで、スピーカショート状態であることが検出される。
【0028】
しかしながら、(iv)T2地絡時では、端子T2がGNDと短絡した場合を検出できない。その理由は、判定回路130は、PMOSトランジスタP1のゲート-ソース間の電位差によるON/OFFによって端子T1、T2の短絡を検出しているため、端子T2の地絡時には端子T1-端子T2間に電位差が生じてしまい、端子OUTが短絡判定信号として“L”を出力してしまうためである。端子T2がGNDと短絡した場合を検出できない事態を回避するには、判定回路130にもう一つショート検出回路を用意し、PMOSトランジスタP1のゲート、ソースに繋がる端子T1と端子T2とを入れ替えたものを設ければよい。ショート検出回路を別途設けることにより、端子T2の地絡を検出することができる。すなわち、判定回路130にショート検出回路を2つ用意し、双方のショート検出回路からの出力を確認することで、端子T1と端子T2との間の短絡と、それぞれの地絡とを防ぐことができる。
【0029】
以上説明したように第1実施の形態によれば、判定回路130に設けたPMOSトランジスタP1によって、端子T1及び端子T2の端子間ショート、並びに端子T1の地絡を検出することができる。比較例などで説明した検出方法では、スピーカの配線抵抗又はスピーカバッファのON抵抗によってはショート時のスピーカの出力電圧がNOR回路の閾値電圧を超えて変動することができず検出できない虞があった。これに対し、本発明の第1実施の形態であれば、端子T1と端子T2との電圧差をPMOSトランジスタP1によって直接検出するため、短絡状態を必ず検出することが可能となる。なお、PMOSトランジスタP1は端子T1及び端子T2と接続することから、他のトランジスタと異なる大きさによって形成されても良い。耐圧を上げるために、PMOSトランジスタP1を他のトランジスタより大きくすることができる。また、省電力スピーカなどでは、検出する信号が小さいことから、PMOSトランジスタP1を他のトランジスタより小さい構造によって形成することも可能である。また、第1実施の形態に係る判定回路130は、コンパレータ又は基準電圧を用いない、簡易な回路構成によって端子T1及び端子T2の端子間ショート、並びに端子T1の地絡を検出することを達成することから、チップサイズに与える影響も小さくすることができ、ひいては安価な半導体装置を提供することができる。
【0030】
[第2実施の形態]
以下、
図5及び
図6を用いて、本発明の第2実施の形態に係る半導体装置について説明する。
【0031】
図5に示されるように、本発明の第2実施の形態に係る半導体装置200は、PWM変調回路110と、PWM変調回路110からの出力信号SPが入力される第1のスピーカバッファ120-1と、出力信号SPの反転信号SNがPWM変調回路110から入力される第2のスピーカバッファ120-2と、端子T1、T2間のショート、又は端子T1、T2の地絡を判定する判定回路230と、判定回路230に電流を供給する定電流回路140とを含んで構成される。なお、第1実施の形態と同様の番号が付された構成は第1実施の形態と同様であるため、その詳細な説明を割愛する。
【0032】
図6には、判定回路230と定電流回路140とが開示されている。判定回路230は、第1実施の形態における判定回路130とは、ショート検出回路に用いられるPMOSトランジスタが2段構成となっている点において異なる。
【0033】
第2実施の形態における判定回路230は、ショート検出回路としてのPMOSトランジスタP1、P4及びNMOSトランジスタN2と、レベルシフタとしてのPMOSトランジスタP2、P3、及びNMOSトランジスタN3、N4により構成されている。基本的な動作は第1実施の形態と同様であるが、端子間ショートを検出する抵抗値が異なる。第1実施の形態と同様にスピーカの配線抵抗を0.1Ω、スピーカバッファのON抵抗を0.5Ωとする。また、PMOSトランジスタP1の閾電圧Vtpを1Vとする。第1実施の形態でPMOSトランジスタP1がONする抵抗値、すなわち端子間ショートと判定する抵抗値R1を算出する。
端子T1[V]-端子T2[V]=Vtp[V] ・・・(1)
【0034】
スピーカバッファのPMOSトランジスタPTr1の抵抗値をRPTr1、NMOSトランジスタNTr1の抵抗値をRNTr1とすると、電源電圧が5Vの場合に以下の数式(2)の関係が成り立つ。
(R1+RNTr1+R3)/(R2+RPTr1+RNTr1+R3)×5-(RNTr1+R3)/(R2+RPTr1+RNTr1+R3)×5=Vtp=1
・・・(2)
【0035】
従って、数式(2)を解くとショートと判定する抵抗値R1は0.3Ωとなる。
【0036】
端子間ショートと判定する抵抗値R1が0.3Ωとなれば、スピーカインピーダンスの8Ωに対して大きなマージンを確保できるため、誤検出の虞が無くなる。一方、電源電圧が5Vで上記例の抵抗値でショートした場合に半導体装置に流れる電流は約3.3Aとなる。半導体装置の故障を防ぐためにショートの感度を上げる、つまり検出抵抗値を上げるためには、第2実施の形態にて示した通り、PMOSトランジスタP4を追加すればよい。PMOSトランジスタP4の閾電圧Vtpを、PMOSトランジスタP1と同じく1Vとすると、電源電圧が5Vの場合に以下の数式(3)の関係が成り立つ。
(R1+RNTr1+R3)/(R2+RPTr1+RNTr1+R3)×5-(RNTr1+R3)/(R2+RPTr1+RNTr1+R3)×5=Vtp×2=2
・・・(3)
【0037】
従って、数式(3)を解くと、ショートと判定される抵抗値R1は0.8Ωとなる。電源電圧が5Vで、上記例の抵抗値でショートした場合に、半導体装置200に流れる電流は2.5Aとなる。このように、PMOSトランジスタP4を判定回路230に追加することによって、半導体装置200はショート検出する電流値を下げ、ショート検出の感度を上げることができる。ただし、縦積みできるPMOSトランジスタの段数、すなわち、端子T1と端子T2との間に直列に繋ぐことができるPMOSトランジスタの数には限りがある。縦積みするPMOSトランジスタの和をnとすると、次段のNMOSトランジスタN4のゲートに入力される電圧は、PMOSトランジスタP1がON状態になっても、(T1-n×Vtp)[V]となり、NMOSトランジスタN4がON状態にならないためである。
【0038】
以上説明したように第2実施の形態によれば、判定回路230におけるショート検出回路のPMOSトランジスタの段数を増やすことでショートを検出する抵抗値を上げることができる。第2実施の形態によれば、ショートを検出する抵抗値を上げることで、ショート検出の感度を調整することができる。
【符号の説明】
【0039】
100、200 半導体装置
110 PWM変調回路
120-1 第1のスピーカバッファ
120-2 第2のスピーカバッファ
130、230 判定回路
140 定電流回路