特開2026-160739IP Force 特許公報全文掲載

技術分野

半導体装置

要約特許出願時に添付された[要約書]

【課題】入力電圧を効果的に検出することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置(1)は、入力電圧(Vin)を印加可能な外部抵抗(R1)に接続可能な第1外部端子(Tclp)と、前記第1外部端子にドレインが接続され、ドレインとゲートが短絡されるNチャネル型の第1MOSトランジスタ(DM11)と、前記第1MOSトランジスタのソースに第1端が接続される第1抵抗(R11)と、定電流源(14)と、前記定電流源にドレインが接続され、ドレインとゲートが短絡されるNチャネル型の第2MOSトランジスタ(DM12)と、前記第2MOSトランジスタのソースに第1端が接続される第2抵抗(R12)と、前記第1MOSトランジスタのドレイン電圧(V11)と前記第2MOSトランジスタのドレイン電圧(V12)が入力されるコンパレータ(15)と、を備える。
【選択図】図5

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この特許公報に記載されている図面[図面の簡単な説明]から抜粋

【図1】 図1は、本開示の例示的な絶縁型DC/DCコンバータの構成を示す図である。
【図2A】 図2Aは、半導体装置の内部構成例を示す図である。
【図2B】 図2Bは、半導体装置の内部構成の別例を示す図である。
【図2C】 図2Cは、サンプルホールド回路によるサンプリングタイミングを説明するための波形図である。
【図3】 図3は、電流制御回路の構成例を示す図である。
【図4】 図4は、半導体装置の動作例を示すタイミングチャートである。
【図5】 図5は、第1入力電圧検出に関する構成を示す図である。
【図6A】 図6Aは、入力電圧検出タイミング制御に関するタイミングチャートである。
【図6B】 図6Bは、タイミング制御部によるタイミング制御に関するタイミングチャートである。
【図7】 図7は、第2入力電圧検出に関する構成を示す図である。
【図8】 図8は、第3入力電圧検出に関する構成を示す図である。
【図9】 図9は、第4入力電圧検出に関する構成を示す図である。
【図10】 図10は、第5入力電圧検出に関する構成を示す図である。
【図11】 図11は、半導体装置の上方から視た平面図の一例である。
【図12】 図12は、AC/DCコンバータの構成例を示す図である。
【図13】 図13は、車両の一構成例を示す外観図である。
[詳細な説明] 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。 <絶縁型DC/DCコンバータ> 図1は、本開示の例示的な絶縁型DC/DCコンバータ100の構成を示す図である。絶縁型DC/DCコンバータ100は、直流電圧である入力電圧Vinを直流電圧である出力電圧VoutにトランスTrにより絶縁しつつ変換する。 絶縁型DC/DCコンバータ100は、半導体装置1と、半導体装置1の外部にそれぞれディスクリートに設けられる入力抵抗R1、入力キャパシタC1、電源用キャパシタC2、ダイオードD1,D2、出力キャパシタCo、およびトランスTrを備える。ダイオードD1と出力キャパシタCoから整流平滑回路が構成される。 半導体装置1は、後述する図2Aに示す内部構成を集積化してパッケージ化される電源IC(集積回路)である。半導体装置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、クランプ端子Tclp、EO端子Teo、EMI低減端子Temiドレイン端子Tdr、ソース端子Tsr、グランド端子Tgd、電源端子Tvcc、およびセンス端子Tvsを備える。 トランスTrは、1次巻線w1、2次巻線w2、および補助巻線w3を有する。入力電圧Vinの印加端は、1次巻線w1の一端に接続される。1次巻線w1の他端は、ドレイン端子Tdrに接続される。2次巻線w2の一端は、ダイオードD1のアノードに接続される。ダイオードD1のカソードは、出力キャパシタCoの一端に接続される。出力キャパシタCoの他端は、2次巻線w2の他端に接続される。出力キャパシタCoの両端間に出力電圧Voutが生成される。 補助巻線w3の一端は、ダイオードD2のアノードに接続される。ダイオードD2のカソードは、電源用キャパシタC2の一端に接続されるとともに電源端子Tvccに接続される。補助巻線w3の他端と電源用キャパシタC2の他端は、グランド電位の印加端に接続される。 なお、入力抵抗R1および入力キャパシタC1については後述する。 <半導体装置の内部構成> 図2Aは、半導体装置1の内部構成を示す図である。図2Aでは、半導体装置1内部における本開示の特徴的な構成について抜粋して図示しており、他の内部構成については図示を省略している。 図2Aに示すように、半導体装置1は、チップ1Aおよびチップ1Bを備える。すなわち、半導体装置1は、マルチチップ構成を有する。 チップ1Aは、第1素子2を集積化して有する。第1素子(第1トランジスタ)2は、エンハンスメント型のNチャネル型MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)により構成される。チップ1Aは、電極T1~T3を有する。第1素子2のドレインは、電極T1を介してドレイン端子Tdrに接続される。 入力電圧Vinの印加端は、入力抵抗R1の一端に接続される。入力抵抗R1の他端と入力キャパシタC1の一端は、クランプ端子Tclpに接続される。入力キャパシタC1の他端は、グランド電位の印加端に接続される。入力キャパシタC1は、クランプ端子Tclpの端子電圧Vclpを安定化するために設けられるが、必須ではない。 クランプ端子Tclpは、電極T3を介して、第1素子2のゲートに接続される。これにより、端子電圧Vclpが第1素子2のゲートに接続される。 チップ1Bは、クランプ回路3、スイッチ4、保護部6、電流制御回路7、内部レギュレータ8、ロジック部9、駆動部10,第2素子(第2トランジスタ)11、UVLO(Under Voltage Lock Out)部12、およびプリレギュレータ13を集積化して有する。また、チップ1Bは、電極T4~T8を有する。 クランプ回路3は、端子電圧Vclpをクランプするための回路であり、ツェナーダイオードを直列に接続して構成される。最も高電位側のツェナーダイオードのカソードは、電極T4を介してクランプ端子Tclpに接続され、最も低電位側のツェナーダイオードのアノードはグランド電位の印加端に接続される。なお、クランプ回路3を構成するツェナーダイオードの個数は1個以上であれば、特に限定されない。 クランプ回路3を構成するツェナーダイオードの一部の両端間にスイッチ4が接続される。スイッチ4は、イネーブル信号ENによりオンオフを制御される。スイッチ4がオン状態とされると、ツェナーダイオードの一部がバイパスされ、クランプ回路3によるクランプ電圧が低くなる。 第1素子2のソースは、電極T2を介して電極T5に接続される。電極T5と電極T4の一端との間には、保護部6が接続される。保護部6は、ツェナーダイオードを直列に接続して構成される。当該ツェナーダイオードのアノードは電極T5に接続され、カソードは電極T4に接続される。保護部6による電圧クランプにより、第1素子2のVgs(ゲート・ソース間電圧)耐圧に対する保護を行う。 電極T5とT6の間には電流制御回路7が接続される。電極T6は、電源端子Tvccを介して電源用キャパシタC2の一端に接続される。電流制御回路7は、入力電圧Vinが印加開始されることによる起動時において電源用キャパシタC2を充電するために流すVH充電電流Ivhを制御する。電流制御回路7の具体的な構成については、後述する。 内部レギュレータ8は、電源端子Tvccに印加される電源電圧VccをDC/DC変換して、ロジック部9に供給する電源回路である。 第2素子11は、Nチャネル型MOSFETにより構成され、スイッチング素子として機能する。第2素子11のドレインは、電極T7および電極T2を介して第1素子2のソースに接続される。第2素子11のソースは、電極T8を介してグランド端子Tgdに接続される。グランド端子Tgdは、グランド電位の印加端に接続される。 駆動部10は、ロジック部9による制御によりゲート電圧Gtを第2素子11のゲートに印加することで、第2素子11を駆動する。ゲート電圧Gtをハイレベルにすることで第2素子11はオン状態とされ、ゲート電圧Gtをローレベルにすることで第2素子11はオフ状態とされる。第2素子11がスイッチング駆動されることで、トランスTrの1次側から2次側へエネルギーが伝達される。 UVLO部12は、電源電圧Vccを監視し、UVLO状態であるか、UVLO解除状態であるかを検知する。電源電圧Vccが所定のUVLO解除電圧以下であるとUVLO状態であり、UVLO解除電圧を上回るとUVLO解除状態である。UVLO部12は、UVLO状態であるかを表すイネーブル信号ENを出力する。 プリレギュレータ13は、入力される電源電圧Vccが所定電圧より低い場合は、電源電圧Vccをレギュレータ出力Vpregとして出力し、所定電圧以上の場合は、所定電圧をレギュレータ出力Vpregとして出力する。レギュレータ出力Vpregは、後述するように電流制御回路7での制御に使用される。 <電流制御回路の構成> 図3は、電流制御回路7の構成例を示す図である。電流制御回路7は、デプレッションMOSトランジスタ71と、定電流回路72と、逆流防止ダイオード73と、を有する。 デプレッションMOSトランジスタ71は、デプレッション型のNチャネル型MOSFETにより構成される。デプレッションMOSトランジスタ71のドレインは、電極T5(図2A)に接続される。デプレッションMOSトランジスタ71のゲート・ソース間は短絡される。これにより、デプレッションMOSトランジスタ71は、定電流源として動作する。 デプレッションMOSトランジスタ71のソースと、逆流防止ダイオード73のアノードの間に定電流回路72が接続される。定電流回路72は、NPNトランジスタ(バイポーラトランジスタ)BT1と、抵抗RA~RCと、カレントミラーCMAと、カレントミラーCM2,5,6,8,11と、NMOSトランジスタNMA,NMC,NMDと、PMOSトランジスタPMA,PMBと、を有する。なお、NMOSトランジスタは、Nチャネル型MOSFETであり、PMOSトランジスタは、Pチャネル型MOSFETである。 NPNトランジスタBT1のエミッタは、グランド電位の印加端に接続される。NPNトランジスタBT1のベース・コレクタ間は短絡される。カレントミラーCMAは、NPNトランジスタBT2,BT3を有する。NPNトランジスタBT1のコレクタは、NPNトランジスタBT2のエミッタに接続される。NPNトランジスタBT2のベース・コレクタ間は短絡される。NPNトランジスタBT2,BT3のベース同士は接続される。NPNトランジスタBT3のエミッタは、抵抗RAの一端に接続される。抵抗RAの他端は、グランド電位の印加端に接続される。NPNトランジスタBT2のコレクタは、デプレッションMOSトランジスタ71のソースに接続される。 カレントミラーCM2は、PMOSトランジスタPM21,PM22を有する。PMOSトランジスタPM21,PM22の各ソースは、デプレッションMOSトランジスタ71のソースに接続される。PMOSトランジスタPM21のゲート・ドレイン間は短絡される。PMOSトランジスタPM21,PM22のゲート同士は接続される。 カレントミラーCM5は、NMOSトランジスタNM51,NM52を有する。NMOSトランジスタNM51のドレインは、PMOSトランジスタPM22のドレインに接続される。NMOSトランジスタNM51のゲート・ドレイン間は短絡される。NMOSトランジスタNM51,NM52のゲート同士は接続される。NMOSトランジスタNM51のソースは、グランド電位の印加端に接続される。 NMOSトランジスタNM52のソースは、グランド電位の印加端に接続される。 カレントミラーCM6は、PMOSトランジスタPM61,PM62を有する。PMOSトランジスタPM61,PM62の各ソースは、デプレッションMOSトランジスタ71のソースに接続される。PMOSトランジスタPM61のゲート・ドレイン間は短絡される。PMOSトランジスタPM61,PM62のゲート同士は接続される。PMOSトランジスタPM61のドレインは、NMOSトランジスタNM52のドレインに接続される。 カレントミラーCM8は、PMOSトランジスタPM81,PM82を有する。PMOSトランジスタPM81,PM82の各ソースは、デプレッションMOSトランジスタ71のソースに接続される。PMOSトランジスタPM81のゲート・ドレイン間は短絡される。PMOSトランジスタPM81,PM82のゲート同士は接続される。 PMOSトランジスタPM82のドレインとPMOSトランジスタPM62のドレインは、逆流防止ダイオード73のアノードに接続される。 NMOSトランジスタNMAのドレインは、NMOSトランジスタNM51,NM52のゲートに接続される。NMOSトランジスタNMAのソースは、グランド電位の印加端に接続される。 NMOSトランジスタNMCのソースは、グランド電位の印加端に接続される。デプレッションMOSトランジスタ71のソースと、NMOSトランジスタNMCのドレインとの間には、抵抗RBとRCが直列に接続される。抵抗RBとRCが接続されるノードに、PMOSトランジスタPMA,PMBの各ゲートが接続される。 PMOSトランジスタPMAのソースは、PMOSトランジスタPM61のソースに接続される。PMOSトランジスタPMAのドレインは、PMOSトランジスタPM61のドレインに接続される。PMOSトランジスタPMBのソースは、PMOSトランジスタPM81のソースに接続される。PMOSトランジスタPMBのドレインは、PMOSトランジスタPM81のドレインに接続される。 NMOSトランジスタNMA,NMCの各ゲートには、イネーブル信号ENが印加される。 カレントミラーCM11は、NMOSトランジスタNM51と、NMOSトランジスタNM112を有する。すなわち、カレントミラーCM11とCM5とでNMOSトランジスタNM51を共有する。 NMOSトランジスタNMDのソースは、PMOSトランジスタPM81のドレインに接続される。NMOSトランジスタNMDのソースは、NMOSトランジスタNM112のドレインに接続される。NMOSトランジスタNM112のソースは、グランド電位の印加端に接続される。NMOSトランジスタNMDのゲートには、レギュレータ出力Vpregが印加される。 このような構成の定電流回路72によれば、NPNトランジスタBT1,BT2,BT3と抵抗RAからバンドギャップ電流源が構成され、BT1,BT2によるVF(順電圧)とBT3によるVF+RA×Iout(Iout:RAを流れる出力電流)が等しくなるため、VFの温度特性とRAの温度特性を組み合わせて、出力電流の温度特性をフラットにしている。また、定電流回路72による定電流は、カレントミラーにより電流量を調整している。半導体素子はペア性は優れているため、定電流の絶対値の精度が向上される。 <半導体装置の動作> 次に、このような構成である半導体装置1の動作について、図4に示すタイミングチャートも参照して説明する。図4においては、上段から順に、入力電圧Vin、クランプ端子Tclpの端子電圧Vclp、電流制御回路7により生成される充電電流Ivh、電源電圧Vcc、第1素子2のソース電圧Vsr、およびゲート電圧Gtの各波形例を示す。 まずタイミングt1で入力電圧Vinの印加が開始されると、起動動作が開始される。このとき、入力キャパシタC1の充電により端子電圧Vclpは、すぐにクランプ電圧Vclp1まで立ち上がる。UVLO部12によりUVLO状態が検知されるため、イネーブル信号ENはローレベルとなり、スイッチ4はオフ状態となる。これにより、クランプ回路3により、端子電圧Vclpはクランプ電圧Vclp1となる。クランプ電圧Vclp1は、第1素子2のゲートに印加される。第1素子2は導通状態となり、ソース電圧Vsrは、クランプ電圧Vclp1より第1素子2のVgsだけ低い電圧となる。例えば、クランプ電圧Vclp1=30Vとして、第1素子2のVgs=3Vとすると、ソース電圧Vsrは27Vとなる。 ソース電圧Vsrが電流制御回路7に印加され、充電電流Ivhの生成が開始される。図3に示す電流制御回路7において、イネーブル信号ENはローレベルである。これにより、NMOSトランジスタNMAはオフ状態とされ、カレントミラーCM5は有効となる。 また、NMOSトランジスタNMCもオフ状態とされ、PMOSトランジスタPMAはオフ状態とされ、カレントミラーCM6は有効とされる。一方、レギュレータ出力VpregはNMOSトランジスタNMDのVgsの閾値Vgs_th(例えば2V)よりも低いため、NMOSトランジスタNMDはオフ状態とされる。これにより、PMOSトランジスタPMBはオフ状態であるが、カレントミラーCM8は無効とされる。 従って、抵抗RAに流れる定電流がカレントミラーCM2,CM5,CM6によりミラーリングされ、PMOSトランジスタPM62のドレインから出力される電流I1が生成される。PMOSトランジスタPM82のドレインから出力される電流I2は生成されない。充電電流Ivhは電流I1とI2が合成されて生成されるが、電流I2が生成されないため、電流I1が充電電流Ivhとして出力される。このときの充電電流IvhをIvh1とすると、例えばIvh1=480μAである。 充電電流Ivh(Ivh1)が電源用キャパシタC2に供給されることで、電源用キャパシタC2が充電され、電源電圧Vccは徐々に上昇する。 そして、タイミングt2で電源電圧VccがNMOSトランジスタNMDのVgsの閾値Vgs_thを上回ると、レギュレータ出力Vpregが閾値Vgs_thを上回るため、NMOSトランジスタNMDがターンオン(オフ状態からオン状態への切り替え)され、カレントミラーCM8が有効となる。これにより、抵抗RAを流れる電流がカレントミラーCM2,CM11,CM8によりミラーリングされ、電流I2が生成される。従って、電流I1に電流I2が付加されて充電電流Ivhが出力される。このときの充電電流IvhをIvh2とすると、例えばIvh2=1.3mAである。 このように、充電電流Ivhをはじめに低いIvh1としてから後で高いIvh2とするのは、電源端子Tvccが仮に地絡している場合、電源電圧Vccが0Vで固定され、充電電流Ivhによる損失が問題となるためである。特に入力電圧Vinが例えば1000Vになるなど高電圧の場合、損失が特に問題となる。そして、電源電圧Vccが或る程度上昇すれば、地絡はしていないため、起動時間を短くするために充電電流Ivhを高い値に切り替えている。 充電電流Ivh(Ivh2)による充電により電源電圧Vccがさらに上昇し、電源電圧VccがUVLO解除電圧Vuvloに達すると、UVLO部12によりUVLO解除が検知される。このとき、イネーブル信号ENがローレベルからハイレベルに切り替えられ、NMOSトランジスタNMAはターンオンされ、カレントミラーCM5は無効とされる。また、NMOSトランジスタNMCもターンオンされるため、PMOSトランジスタPMA,PMBがターンオンされ、カレントミラーCM6,CM8が無効とされる。これにより、電流I1,I2が生成されなくなり、充電電流Ivhの出力は停止される。このとき、電流制御回路7においては、PNPトランジスタBT1および抵抗RAに流れる電流が待機電流となり、待機電流を大幅に抑えることができる。 イネーブル信号ENがハイレベルのため、スイッチ4がターンオンされ、端子電圧Vclpは、クランプ電圧Vclp1よりも低いクランプ電圧Vclp2となる。例えば、Vclp1=30Vとして、Vclp2=20Vである。一方、UVLO解除によりロジック部9の制御による駆動部10による第2素子11のスイッチング駆動が開始される(図4のゲート電圧Gt)。これにより、起動動作が完了され、トランスTrを介した電力変換が開始される。 クランプ回路3においてスイッチ4によりクランプ電圧を切り替えているのは、起動時とスイッチング時とで第1素子2のゲートに印加する必要のある電圧値が異なるためである。具体的には、起動時においては、電源電圧VccがUVLO解除電圧Vuvloに達したときに、電源電圧Vccに対して逆流防止ダイオード73の順電圧、PMOSトランジスタPM62またはPM82のVds(ドレイン・ソース間電圧)、デプレッションMOSトランジスタ71のVds、および第1素子2のVgsを付加した電圧値(例えば23V)に対して、余裕を持たせた電圧値(例えば30V)をクランプ電圧Vclp1に設定している。一方、スイッチング時は、第2素子11がオン状態のときにソース電圧Vsd=0Vとなり、第1素子2のVgs耐圧(例えば26V)を考慮し、第1素子2をフルオン状態とすることができる電圧値(例えば20V)をクランプ電圧Vclp2に設定している。 このような実施形態により、起動時とスイッチング時とで第1素子2を共用することができ、別途に起動用の素子を設ける必要がなく、部品点数を削減できる。また、入力電圧Vinの値に応じて、第1素子2に用いる半導体材料を変えることができる。例えば、入力電圧Vin=1000Vなどの高電圧の場合、半導体材料としてSiCまたはGaNなどを使用し、入力電圧Vin=400Vなどの場合は、半導体材料としてSiなどを使用することができる。また、クランプ端子Tclpに対して外部には入力抵抗R1および入力キャパシタC1を設ければよく、半導体装置の外部に入力電圧を降圧するための起動回路を構成する場合に比べて部品点数を削減し、半導体装置を実装する基板の面積を削減できる。 なお、電流制御回路7(図3)においては、デプレッションMOSトランジスタ71と定電流回路72を用いている。デプレッションMOSトランジスタ71は定電流特性のばらつきが大きい傾向のため、デプレッションMOSトランジスタ71はゲート幅およびゲート長を調整することで十分な電流能力(例えば5mA)を持たせるようにし、定電流回路72により定電流精度を向上させている。これにより、充電電流Ivhの定電流精度を高め、起動時間のばらつきを抑えている。なお、デプレッションMOSトランジスタを設けないようにしてもよい。ただし、デプレッションMOSトランジスタを設けることにより、スイッチング時の不安定な電流を抑制できる。また、デプレッションMOSトランジスタのみを設けて定電流源としてもよい。 <変形例> 図2Bは、半導体装置1におけるチップ1Bの構成に係る変形例を示す図である。図2Bでは、クランプ回路3における最も低電位側のツェナーダイオードのアノードに接続される構成が図2Aと異なっている。なお、図2Bにおいて図示していないチップ1Bの構成は、図2Aと同様である。 図2Bにおけるチップ1Bは、I-V(電流・電圧)変換部20と、サンプルホールド回路21と、コンパレータ22と、V-I(電圧・電流)変換部23と、を有する。 I-V変換部20は、カレントミラー201,202および変換抵抗203を有する。カレントミラー201は、NMOSトランジスタ201A,201Bを有する。NMOSトランジスタ201Aのドレインは、クランプ回路3における最も低電位側のツェナーダイオードのアノードに接続される。NMOSトランジスタ201Aのゲート・ドレイン間は短絡される。NMOSトランジスタ201A,201Bのゲート同士が接続される。NMOSトランジスタ201A,201Bのソースは、グランド電位の印加端に接続される。カレントミラー202は、PMOSトランジスタ202A,202Bを有する。PMOSトランジスタ202Aのドレインは、NMOSトランジスタ201Bのドレインに接続される。PMOSトランジスタ202Aのゲート・ドレイン間は短絡される。PMOSトランジスタ202A,202Bのゲート同士が接続される。PMOSトランジスタ202Bのソースは、変換抵抗203の一端に接続される。変換抵抗203の他端は、グランド電位の印加端に接続される。 このようなI-V変換部20の構成により、入力電圧Vinの印加端から入力抵抗R1、クランプ端子Tclpおよびクランプ回路3を流れる電流Iclpは、カレントミラー201,202により順次ミラーリングされ、変換抵抗203により検出電圧Vd1に変換される。 サンプルホールド回路21は、検出電圧Vd1に対してサンプルおよびホールドを行う。クランプ端子Tclpがハイインピーダンスの端子であるため、第2素子11(図2Bで不図示)のスイッチングによるスイッチングノイズの影響を抑制するため、サンプルホールド回路21が設けられる。 図2Cは、サンプルホールド回路21によるサンプリングタイミングを説明するための波形図である。図2Cにおいて、上段から順にゲート電圧Gt、第2素子11のドレイン電圧DRAIN、電流Iclp、およびサンプリング状態を示す。 ゲート電圧Gtがハイレベルからローレベルに切り替えられるタイミングtaで第2素子11がターンオフされ、ドレイン電圧DRAINが立ち上がる。その直後はドレイン電圧DRAINに揺れが生じ、電流Iclpにも揺れが生じる。タイミングtaから所定時間T1が経過したタイミングtbでは、ドレイン電圧DRAINおよび電流Iclpの揺れが収まっており、ここでサンプリングを開始する(すなわちホールドを解除する)。そして、所定時間T2が経過するタイミングtcまでサンプリングを行い、タイミングtcでサンプリングを終了し、ホールドを行う。タイミングtbからtcの間の期間ではドレイン電圧DRAINおよび電流Iclpが安定しており、スイッチングノイズの影響が抑制された状態でサンプリングを行うことができる。 サンプルホールド回路21によるサンプリングおよびホールドの結果として検出電圧Vd2が出力される。検出電圧Vd2は、コンパレータ22の第1入力端に印加される。コンパレータ22の第2入力端には、基準電圧Vrefが印加される。コンパレータ22は、検出電圧Vd2を基準電圧Vrefと比較し、比較出力CMPを出力する。 ここで、電流Iclpは、下記式で表される。 Iclp=(Vin-(Vz+Vgs))/R1 ただし、Vzはクランプ回路3のツェナー電圧、VgsはNMOSトランジスタ201AのVgs) クランプ端子Tclpの電圧が正常の場合、式で表される電流IclpがI-V変換部20により検出電圧Vd1に変換され、サンプルホールド回路21による検出電圧Vd2がコンパレータ22に印加される。この場合、検出電圧Vd2は基準電圧Vref以上となり、比較出力CMPはそれに応じた論理レベルとなる。なお、式におけるVz+Vgsの温度特性を調整することにより、Iclpの温度特性をフラットにしている。 一方、クランプ端子Tclpの電圧が異常に低下した場合、電流Iclpが大きくなり、検出電圧Vd2が基準電圧Vrefより大きくなる。比較出力CMPはそれに応じた論理レベルとなり、異常状態を検知できる。 V-I変換部23は、エラーアンプ231と、NMOSトランジスタ232と、抵抗233と、カレントミラー234と、を有する。エラーアンプ231の非反転入力端は、検出電圧Vd2の印加端に接続される。エラーアンプ231の出力端は、NMOSトランジスタ232のゲートに接続される。NMOSトランジスタ232のソースは、エラーアンプ231の反転入力端および抵抗233の一端に接続される。抵抗233の他端は、グランド電位の印加端に接続される。カレントミラー234は、PMOSトランジスタ234A,234Bを有する。PMOSトランジスタ234Aのドレインは、NMOSトランジスタ232のドレインに接続される。PMOSトランジスタ234Aのゲート・ドレイン間は短絡される。PMOSトランジスタ234A,234Bのゲート同士は接続される。PMOSトランジスタ234A,234Bのソース同士は接続される。 このようなV-I変換部23の構成により、検出電圧Vd2が抵抗233の一端に検出電圧Vd2が発生する。これにより、検出電圧Vd2に応じた電流が抵抗233に流れ、カレントミラー234によりミラーリングされ、検出電流Idとなる。式の通り、電流Iclpは入力電圧Vinに依存しているため、検出電流Idにより入力電圧Vinを検知できる。検出電流Idは、OCP(過電流保護)電圧の制御などに利用される。 このように図2Bの構成であれば、クランプ回路3を電流Iclpの検出に共用できる。 <入力電圧検出> <<第1実施形態>> 次に、本半導体装置1に備えられる入力電圧検出機能について説明する。図5は、第1半導体装置1における入力電圧検出に関する構成を示す図である。半導体装置1は、入力電圧Vinを検出するための構成として、MOSトランジスタDM11、MOSトランジスタDM12、抵抗R11、抵抗R12、定電流源14、およびコンパレータ15を備える。 MOSトランジスタDM11,DM12は、いずれもデプレッション型のNチャネル型MOSFETとして構成される。クランプ端子Tclpは、MOSトランジスタDM11のドレインに接続される。MOSトランジスタDM11のドレイン・ゲート間は短絡される。MOSトランジスタDM11のソースは、抵抗R11の一端に接続される。抵抗R11の他端は、グランド電位の印加端に接続される。 定電流源14は、MOSトランジスタDM12のドレインに接続される。MOSトランジスタDM12のドレイン・ゲート間は短絡される。MOSトランジスタDM12のソースは、抵抗R12の一端に接続される。抵抗R12の他端は、グランド電位の印加端に接続される。 MOSトランジスタDM11のドレイン電圧V11は、コンパレータ15の非反転入力端(+)に入力される。MOSトランジスタDM12のドレイン電圧V12は、コンパレータ15の反転入力端(-)に入力される。コンパレータ15は、ドレイン電圧V11とV12を比較し、検出信号Sdetを出力する。V11>V12の場合、Sdet=ハイレベルとなり、V11≦V12の場合、Sdet=ローレベルとなる。 ここで、MOSトランジスタDM11には、ドレイン電流Id11が流れる。Id11は、(1)式のように表される。 Id11=(Vin-Vgs11)/(R1+R11) (1) ただし、Vgs11は、MOSトランジスタDM11のVgsである。 (1)式において、R1>>R11のため(例えばR1=10MΩ、R11=数十Ωなど)、(2)式となる。 Id11=(Vin-Vgs11)/R1 (2) また、ドレイン電圧V11,V12は、(3)式、(4)式で表される。 V11=Id11×R11+Vgs11 (3) V12=Id12×R12+Vgs12 (4) ただし、Id12は、MOSトランジスタDM12に流れるドレイン電流であり、Vgs12は、MOSトランジスタDM12のVgsである。 ここで、Vgs11,Vgs12は、(5)式、(6)式で表される。 Vgs11=√((2×Id11/K×W/L))+VT (5) Vgs12=√((2×Id12/K×W/L))+VT (6) ただし、K=μ×Cox Wはゲート幅、Lはゲート長、VTは閾値電圧、μは電子移動度、CoxはMOSキャパシタの単位面積当たりの容量である。 MOSトランジスタDM11,DM12とで、K、W、L、およびVTは同じ値としている。W/Lの値は、半導体装置1内部においてはMOSトランジスタDM11,DM12の間で製品バラツキによる相対誤差は小さい(DM11,DM12のペア性)。従って、Id11=Id12の場合、Vgs11=Vgs12となり、R11=R12とすれば、V11=V12となる。 Id12=Ic(定電流源14による定電流)であるため、(2)式および(5)式により、 Ic=(Vin-(√((2×Ic/K×W/L))+VT))/R1 (7) となる。入力電圧Vinの検出閾値をVth_detとすれば、 Ic=(Vth_det-(√((2×Ic/K×W/L))+VT))/R1 (8) を満たすようなIcに設定される。 すると、Vin>Vth_detの場合、Id11>Id12となり、V11>V12となる。一方、Vin≦Vth_detの場合、Id11≦Id12となり、V11≦V12となる。よって、コンパレータ15の出力である検出信号Sdetのレベルにより、入力電圧Vinを検出できる。 例えば、Vth_det=50Vに設定される場合、Vinが50V以下になってブラウンアウトが生じたことを検出できる。なお、MOSトランジスタDM11,DM12のペア性により、検出閾値Vth_detの温度変化に対する変化を抑制できる。 なお、MOSトランジスタDM11,DM12は、デプレッション型に限らず、エンハンスメント型で構成してもよい。 また、図5に示すように、半導体装置1は、電流付加部16と、タイミング制御部17と、を備える。電流付加部16は、MOSトランジスタDM11のソースに接続される。タイミング制御部17は、電流付加部16により電流Iaddをドレイン電流Id11に対して付加するタイミングを制御する。 図6Aは、入力電圧Vinの検出タイミング(上段)と、ドレイン電流Id11(下段)を模式的に示すタイミングチャートである。図6Aにおいて、入力電圧Vinの検出タイミングがハイレベルとなる期間が、Vinの検出を行う検出オン期間Tonであり、入力電圧Vinの検出タイミングがローレベルとなる期間が、Vinの検出を停止する検出オフ期間Toffである。Ton+Toff=Tdetが検出周期となる。 タイミング制御部17は、検出オン期間Tonで電流付加部16に電流Iaddを付加させず、検出オフ期間Toffで電流付加部16に電流Iaddを付加させる。電流Iaddが付加されることにより、MOSトランジスタDM11のソース電圧が高くなり、MOSトランジスタDM11のVgsが小さくなり、ドレイン電流Id11は減少する。検出オン期間Tonでのドレイン電流Id11=Id11_ONとし、検出オフ期間Toffでのドレイン電流Id11=Id11_OFFとすると、Id11_ON>Id11_OFFとなる。 検出オン期間Tonのデューティは、(Ton/Tdet)×100%として制御される。例えば、Vin=1000Vとして、Id11_ON=20μA、Id11_OFF=1μAの場合は、デューティ=10%の場合、Id11の平均電流は、20×0.1+1×0.9=2.9μAとなる。従って、デューティ=100%の場合と比べて、1000V×20μA=20mWから、1000V×2.9μA=2.9mWまで損失を削減できる。このように入力電圧Vinが特に高電圧の場合に損失削減の効果が大きい。 図6Bは、タイミング制御部17によるタイミング制御に関するタイミングチャートである。図6Bにおいて、上段から順に、第2素子11のドレイン電圧DRAIN、電流Iadd、ドレイン電流Id11、およびサンプルホールド回路21C(図2B)によるサンプリング状態を示す。ドレイン電圧DRAINは、第2素子11のスイッチング状態での波形を模式的に示す。図6Bに示すタイミングtaは、図2Cにおけるタイミングtaと同じであり、第2素子11をターンオフするタイミングである。タイミングtaで電流Iaddがオフとされる。これにより、ドレイン電流Id11が増加する。図6Bにおけるタイミングtaの後のタイミングtcは、図2Cにおけるタイミングtcと同じであり、サンプリングが終了するタイミングである。タイミングtcで電流Iaddが生成され、ドレイン電流Id11が減少する。その後、再びタイミングtaで電流Iaddがオフされる。タイミングtaとtcの間が検出オン期間Tonとなり、タイミングtcから次のtaまでの間が検出オフ期間Toffとなる。 <<第2実施形態>> 図7は、第2半導体装置1における入力電圧検出に関する構成を示す図である。第2実施形態では、第1実施形態との相違点として、並列に接続されたMOSトランジスタDM11_1~DM11_n(nは2以上の整数)とされている。MOSトランジスタDM11_1~DM11_nのそれぞれは、MOSトランジスタDM12とK、W、L、およびVTは同じ値としている。なお、MOSトランジスタDM11_1~DM11_nから(n×W)のゲート幅を有する1つのMOSトランジスタDM11が構成されるとみなすこともできる。 MOSトランジスタDM11_1~DM11_nのそれぞれにドレイン電流としてIc(定電流源14の電流値)が流れる場合、すなわちId11=n×Icの場合、(9)式が成立する。 V11=n×Ic×R11+Vgs11 (9) 一方、(10)式が成立する。 V12=Ic×R12+Vgs12 (10) Vgs11=√(2×n×Ic/(K×n×W/L))+VT (11) であるため、Vgs11=Vgs12となり、R11=R12×(1/n)とすれば、V11=V12となる。 従って、第1実施形態での(8)式を満たすようなIcに対して(1/n)を乗じた値をIcの設定値とし、Icの値を小さく設定できる。 なお、図7の構成では、MOSトランジスタDM11をn個並列接続し、MOSトランジスタDM12を1個としたが、MOSトランジスタDM12をm個並列接続してもよい。ただし、mは、2以上かつm<nとなる整数である。この場合、R11=R12×(m/n)とする。 さらに、MOSトランジスタDM11(1個のMOSFETまたは複数のMOSFETの並列接続から構成)と、MOSトランジスタDM12(1個のMOSFETまたは複数のMOSFETの並列接続から構成)のゲート幅Wの比をk:1(k>1)としてもよい。この場合、R11=R12×(1/k)とする。なお、先述した実施形態では、k=nの場合、あるいはk=n/mの場合に相当する。 <<第3実施形態>> 図8は、第3半導体装置1における入力電圧検出に関する構成を示す図である。第3実施形態では、第1実施形態との相違点として、半導体装置1において設定部18が設けられる。設定部18により、定電流源14による定電流Icの値を可変に設定できる。例えば、設定部18をEEPROMにより構成すれば、当該EEPROMに格納された設定情報に応じて定電流Icの値が設定される。なお、設定部18は、例えば、切断可能なヒューズを有し、当該ヒューズの切断により設定を行うようにしてもよい。 このような実施形態によれば、定電流Icの値を可変に設定できるため、入力電圧Vinを検出するための検出閾値Vth_detを可変に設定することができる。 <<第4実施形態>> 図9は、第4半導体装置1における入力電圧検出に関する構成を示す図である。第4実施形態では、第2実施形態との相違点として、設定部19が設けられる。設定部19により、MOSトランジスタDM11_1~DM11_nのうち、有効とするMOSトランジスタDM11の個数を可変に設定できる。なお、設定部19は、第3実施形態の設定部18と同様に、例えばEEPROMまたはヒューズなどにより構成される。 このような実施形態によれば、入力電圧Vinを検出するための検出閾値Vth_detを可変に設定することができる。なお、第2実施形態で述べたように、MOSトランジスタDM12をm個並列接続する場合は、設定部19により、n個のMOSトランジスタDM11と、m個のMOSトランジスタDM12のうち、少なくとも一方の有効とする個数を可変に設定するようにしてもよい。 さらに、第2実施形態で述べたように、MOSトランジスタDM11,DM12のゲート幅Wの比をk:1とする場合は、設定部19によりkの値を可変に設定してもよい。これは、のようなMOSトランジスタの有効とする個数を可変とする実施形態を含む。 <<第5実施形態>> 図10は、第5半導体装置1における入力電圧検出に関する構成を示す図である。第5実施形態では、MOSトランジスタDM12_1~DM12_N、抵抗R12_1~R12_N、定電流源14_1~14_N、およびコンパレータ15_1~15_N(ただし、Nは2以上の整数)を備える。 このような構成によれば、定電流源14_1~14_Nによるそれぞれの定電流の値を異なる値に設定すれば、コンパレータ15_1~15_NのそれぞれによりVinを検出する検出閾値Vth_detを異なる値とすることができる。複数の検出閾値Vth_detの相対精度も高い。なお、定電流源14_1~14_Nによるそれぞれの定電流の値は同じとして、MOSトランジスタDM12_1~DM12_NのそれぞれとMOSトランジスタDM11とのゲート幅Wの比を異ならせてもよい。 <外部端子のレイアウト> 図11は、半導体装置1の上方から視た平面図の一例である。図11に示すように、半導体装置1において、パッケージPKに対して外部端子(1番ピンから8番ピン)が接続されている。なお、図11において、互いに直交する第1方向(X)と第2方向(Y)が図示される。 パッケージPKは、平面視において、第1方向に延びる辺L1,L2と第2方向に延びる辺L3,L4を有する矩形状である。辺L1,L2は、第2方向に対向する。1番ピンから8番ピンは、それぞれ順に電源端子Tvcc、グランド端子Tgd、EO端子Teo、センス端子Tvs、ソース端子Tsr、クランプ端子Tclp、EMI低減端子Temi、およびドレイン端子Tdrである。 1番ピンから7番ピンは、平面視において、パッケージPKの辺L1に沿って配置される。8番ピンは、パッケージPKの裏面に配置され、平面視において辺L2から第2方向へ突出する。8番ピンは、放熱用と共用される。 <AC/DCコンバータ> 図12は、本絶縁型DC/DCコンバータ100を用いたAC/DCコンバータ110の構成を示す図である。AC/DCコンバータ110は、入力回路106および絶縁型DC/DCコンバータ100を備える。入力回路106は、ヒューズ101、コンデンサ102、フィルタ103、整流回路104、およびコンデンサ105を有し、交流電圧Vacから入力電圧Vinを生成する。 整流回路104は、例えばダイオードブリッジである。商用交流電圧などの交流電圧Vacは、ヒューズ101、コンデンサ102、およびフィルタ103を経由して整流回路104に供給される。整流回路104は、交流電圧Vacを全波整流する。全波整流された電圧はコンデンサ105により平滑化され、入力電圧Vinが生成される。入力電圧Vinは、絶縁型DC/DCコンバータ100に入力される。絶縁型DC/DCコンバータ100により入力電圧Vinが降圧され、出力電圧Voutが出力される。このようなAC/DCコンバータの場合、入力電圧Vinは例えば400Vなどとなる。 <車両> 図13は、車両Xの一構成例を示す外観図である。本構成例の車両Xは、不図示のバッテリから電力の供給を受けて動作する種々の電子機器X11~X18を搭載している。なお、図13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。 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。 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。 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。 電子機器X14は、車両Xの運動に関連する制御(ABS[anti-lock brake syste] 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。 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。 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。 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。 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。 なお、先述した半導体装置1を含んだ絶縁型DC/DCコンバータ100は、バッテリから1000Vなどの高電圧である入力電圧Vinが供給され、電子機器X11~X18のいずれに適用しても構わない。 <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、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、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、本開示の技術的範囲は、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。 <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、 第1端に入力電圧(Vin)を印加可能な外部抵抗(R1)の第2端に接続可能に構成される第1外部端子(Tclp)と、 前記第1外部端子にドレインが接続され、ドレインとゲートが短絡されるように構成されるNチャネル型の第1MOSトランジスタ(DM11)と、 前記第1MOSトランジスタのソースに第1端が接続されるように構成される第1抵抗(R11)と、 定電流源(14)と、 前記定電流源にドレインが接続され、ドレインとゲートが短絡されるように構成されるNチャネル型の第2MOSトランジスタ(DM12)と、 前記第2MOSトランジスタのソースに第1端が接続されるように構成される第2抵抗(R12)と、 前記第1MOSトランジスタのドレイン電圧(V11)と前記第2MOSトランジスタのドレイン電圧(V12)が入力されるように構成されるコンパレータ(15)と、を備える構成としている(第1の構成)。 このような構成によれば、入力電圧を効果的に検出することができる。 第1の構成において、前記第1MOSトランジスタのソースに接続され、前記第1MOSトランジスタに流れるドレイン電流(Id11)に対して電流(Iadd)を付加するように構成される電流付加部(16)と、 前記電流付加部による電流付加のオンオフをデューティ制御するように構成されるタイミング制御部(17)と、を備える構成としてもよい(第2の構成)。 また、第1または第2の構成において、前記第1MOSトランジスタと前記第2MOSトランジスタのゲート幅の比は、k:1(k>1)である構成としてもよい(第3の構成)。 また、第3の構成において、前記第1MOSトランジスタはn個(nは2以上の整数)の第1MOSFETが並列接続されて構成され、 前記第2MOSトランジスタは1個の第2MOSFETから、あるいはm個(mは2以上かつm<nの整数)の第2MOSFETが並列接続されて構成されることとしてもよい(第4の構成)。 また、第3の構成において、kの値を可変に設定するように構成される第1設定部(19)を備える構成としてもよい(第5の構成)。 また、第4の構成において、n個の前記第1MOSFETとm個の前記第2MOSFETのうち少なくとも一方において、有効とする個数を可変に設定するように構成される第2設定部(19)を備える構成としてもよい(第6の構成)。 また、第1から第6のいずれかの構成において、前記定電流源による定電流(Ic)の値を可変に設定するように構成される第2設定部(18)を備える構成としてもよい(第7の構成)。 また、第1から第7のいずれかの構成において、前記第2MOSトランジスタ、前記第2抵抗、前記定電流源、および前記コンパレータは、それぞれN個(Nは2以上の整数)設けられる構成としてもよい(第8の構成)。 また、第1から第8のいずれかの構成において、前記第1MOSトランジスタおよび前記第2MOSトランジスタは、デプレッション型である構成としてもよい(第9の構成)。 また、第1から第9のいずれかの構成において、前記第1外部端子の電圧をクランプするように構成されるクランプ回路(3)と、 前記第1外部端子に制御端が接続されるように構成され、第1主電極と第2主電極を有するエンハンスメント型の第1素子(2)と、 駆動部(10)と、 前記第1素子の第2主電極に第1主電極が接続され、前記駆動部によって制御端が駆動されるように構成される第2素子(11)と、 前記第1素子の第2主電極と電源用キャパシタ(C2)との間に接続されるように構成される電流制御回路(7)と、 を備え、 前記入力電圧の印加が開始される起動時には前記電流制御回路から出力される充電電流(Ivh)により前記電源用キャパシタを充電し、 前記電源用キャパシタの充電により電源電圧が上昇してUVLO解除電圧に達すると、前記電流制御回路により前記充電電流の生成は停止され、前記第1素子が導通状態で前記駆動部が前記第2素子のスイッチング駆動を開始する構成としてもよい(第10の構成)。 また、本発明の一態様に係る絶縁型DC/DCコンバータ(100)は、第1から第10のいずれかの構成の半導体装置と、 前記半導体装置により駆動されるように構成されるスイッチング素子(11)と、 前記入力電圧の印加端と前記スイッチング素子との間に接続される1次巻線(w1)と、2次巻線(w2)と、を有するトランスと、 前記2巻線に接続される整流平滑回路(D1,Co)と、を備える(第11の構成)。 また、本発明の一態様に係るAC/DCコンバータ(110)は、第11の構成の絶縁型DC/DCコンバータと、交流電圧(Vac)から前記入力電圧を生成するように構成される入力回路(106)と、を備える(第12の構成)。 また、本発明の一態様に係る車両(X)は、第11の構成の絶縁型DC/DCコンバータと、前記入力電圧を出力するように構成されるバッテリと、を備える(第13の構成)。

選択図 図5出願人が指定した本件の代表的な図

1 半導体装置 1A チップ 1B チップ 2 第1素子 3 クランプ回路 4 スイッチ 5 抵抗 6 保護部 7 電流制御回路 8 内部レギュレータ 9 ロジック部 10 駆動部 11 第2素子 12 UVLO部 13 プリレギュレータ 14 定電流源 15 コンパレータ 16 電流付加部 17 タイミング制御部 18,19 設定部 20 I-V変換部 21 サンプルホールド回路 22 コンパレータ 23 V-I変換部 71 デプレッションMOSトランジスタ 72 定電流回路 73 逆流防止ダイオード 100 絶縁型DC/DCコンバータ 101 ヒューズ 102 コンデンサ 103 フィルタ 104 整流回路 105 コンデンサ 106 入力回路 110 AC/DCコンバータ C1 入力キャパシタ C2 電源用キャパシタ CM1~CM11 カレントミラー CMA カレントミラー Co 出力キャパシタ D1,D2 ダイオード DM11,DM12 MOSトランジスタ R1 入力抵抗 R5 抵抗 R11,R12 抵抗 RG ゲート駆動レギュレータ SW スイッチ T1~T8 電極 Tclp クランプ端子 Tdr ドレイン端子 Tgd グランド端子 Tr トランス Tsr ソース端子 Tvcc 電源端子 X 車両 X11~X18 電子機器 w1 1次巻線 w2 2次巻線 w3 補助巻線

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