(57)【要約】【課題】異常発生時に周辺回路への障害の波及を物理的に防止すると共に、内部異常状態を検出し、異常検出に応じてレギュレータの動作を停止させて異常発生前に周辺回路への障害波及を防止する機能を持つ直流レギュレータの実現。【解決手段】高電位側入力電圧端子+Vddと低電位側入力電圧端子間に直列に接続されたヒューズF1、ハイサイドスイッチS1およびローサイドスイッチS2と、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを制御する制御部31-37と、を有し、ヒューズは、ハイサイドスイッチが形成されるシリコン基板上に形成されており、制御部は、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチの導通を制御し、制御状態に応じて、ヒューズを利用して入力電流を検出し、検出した入力電流に基づいてハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチの劣化を検出する直流レギュレータ。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電位側入力電圧端子と低電位側入力電圧端子間に直列に接続されたヒューズ、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチと、
前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを制御する制御部と、を備え、
前記ヒューズは、前記ハイサイドスイッチが形成されるシリコン基板上に形成されていることを特徴とする直流レギュレータ。
【請求項２】
前記ヒューズは、前記シリコン基板上に離れて形成された２つの電極と、前記２つの電極間に形成された複数の帯状のポリシリコン膜と、を有することを特徴とする請求項１に記載の直流レギュレータ。
【請求項３】
前記ヒューズは、隣接する前記帯状のポリシリコン膜を、中間部分で接続するように設けられたポリシリコン膜の連結部を有することを特徴とする請求項２に記載の直流レギュレータ。
【請求項４】
前記ヒューズは、前記シリコン基板上に離れて形成された第１および第２の電極と、前記第１および第２の電極の中間に形成された分離した複数の中継電極と、前記第１の電極と前記複数の中継電極間にそれぞれ形成された複数の帯状のポリシリコン膜と、前記複数の中継電極と前記第２の電極間にそれぞれ形成された複数のスイッチング素子と、を有し、
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子の接続を制御し、前記複数のスイッチング素子の接続状態に応じて、前記ヒューズの電流容量が異なることを特徴とする請求項２に記載の直流レギュレータ。
【請求項５】
前記制御部は、前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを、同時には導通しないように、交互に導通させるように制御し、
前記制御部は、前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチが非導通であるように制御した時に検出した前記入力電流が正常値を超えた時に、前記ハイサイドスイッチが劣化したと判定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレギュレータ。
【請求項６】
前記制御部は、前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを、同時には導通しないように、交互に導通させるように制御し、
前記制御部は、前記ローサイドスイッチが非導通である状態で、前記ハイサイドスイッチを導通させた後に検出した前記入力電流が正常値を超えた時に、前記ローサイドスイッチが劣化したと判定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレギュレータ。
【請求項７】
前記制御部は、前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを、同時には導通しないように、交互に導通させるように制御し、
前記制御部は、前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチが非導通であるように制御した時に検出した、前記ハイサイドスイッチから前記高電位側入力電圧端子に向かう電流が正常値を超えた時に、異常と判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレギュレータ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のレギュレータと、
前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチの接続ノードと、低電位側入力電圧端子間に接続されたローパスフィルタと、を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項９】
高電位側入力電圧端子と低電位側入力電圧端子間に直列に接続されたヒューズ、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチと、
前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを制御する制御部と、を備え、
前記ヒューズは、前記ハイサイドスイッチが形成されるシリコン基板上に形成されている直流レギュレータの異常監視方法であって、
前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを、同時には導通しないように、交互に導通させるように制御し、
前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチが非導通であるように制御した時に、前記ヒューズを利用して入力電流を検出し、検出した前記入力電流が正常値を超えた時に、前記ハイサイドスイッチが劣化したと判定することを特徴とする直流レギュレータの異常監視方法。
【請求項１０】
高電位側入力電圧端子と低電位側入力電圧端子間に直列に接続されたヒューズ、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチと、
前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを制御する制御部と、を備え、
前記ヒューズは、前記ハイサイドスイッチが形成されるシリコン基板上に形成されている直流レギュレータの異常監視方法であって、
前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを、同時には導通しないように、交互に導通させるように制御し、
前記ローサイドスイッチが非導通である状態で、前記ハイサイドスイッチを導通させた後に、前記ヒューズを利用して入力電流を検出し、検出した前記入力電流が正常値を超えた時に、前記ローサイドスイッチが劣化したと判定することを特徴とする直流レギュレータの異常監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流レギュレータおよびＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流レギュレータは、入力端子の一方（高電位側）と出力端子間にハイサイドスイッチング素子、および入力端子の他方（低電位側）と出力端子間にローサイドスイッチング素子を持ち、電圧変換を行うものである。直流レギュレータには、スイッチング素子の制御と温度や電圧等を測定する計測回路が組込まれている。計測回路は、スイッチング素子や入出力電圧/電流の異常を検出すると異常検出信号を発生し、制御回路に異常検出信号を送る。これを受けた制御回路は、レギュレータ自身の動作を停止させることで異常状態が継続しないような制御を行う。
【０００３】
スイッチング素子故障によるショートの発生または、制御回路の故障でスイッチング素子が閉状態になってしまうと、入力電圧端子とグランド間に大電流が流れる。この時に、素子内部の計測回路が動作し異常の検出および、直流レギュレータ動作の停止が実行できた時には、故障が外部周辺へ波及しないため問題はない。
【０００４】
しかし、故障が以下の（１）から（３）のような場合、直流レギュレータとして異常停止動作をすることができないため故障が周辺回路までに波及する。
（１）ゲートドライバ内で入力電圧と制御回路電源がショートし計測回路や制御回路用電圧が失われた場合。
（２）スイッチング素子の故障時に急激な発熱があり、直流レギュレータとしての異常時動作に入る前に制御回路の故障が誘発されて動作不能となった場合。
（３）直流レギュレータ動作中に、制御部の故障があり２個のスイッチング素子が同時期に閉状態となった場合。
【０００５】
また、これまでは、スイッチング素子の経時的な特性変化を監視していないためスイッチング素子が破損状態に陥ってからの異常検出となる場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２６７３７１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８６６３９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２４６１９０号公報
【特許文献４】特開２００２−０２７７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態によれば、異常発生時に周辺回路への障害の波及を物理的に防止すると共に、内部異常状態を検出し、異常検出に応じてレギュレータの動作を停止させて異常発生前に周辺回路への障害波及を防止する機能を持つ直流レギュレータが実現される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様の直流レギュレータは、高電位側入力電圧端子と低電位側入力電圧端子間に直列に接続されたヒューズ、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチと、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを制御する制御部と、を有する。ヒューズは、ハイサイドスイッチが形成されるシリコン基板上に形成される。
【０００９】
第２の態様の異常監視方法は、高電位側入力電圧端子と低電位側入力電圧端子間に直列に接続されたヒューズ、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチと、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを制御する制御部と、を有する直流レギュレータにおける異常を監視する。ヒューズは、ハイサイドスイッチが形成されるシリコン基板上に形成されている。異常の監視は、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを、同時には導通しないように、交互に導通させるように制御し、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチが非導通であるように制御した時に、ヒューズを利用して入力電流を検出する。検出した前記入力電流が正常値を超えた時に、ハイサイドスイッチが劣化したと判定する。また、ローサイドスイッチが非導通である状態で、ハイサイドスイッチを導通させた後に、ヒューズを利用して入力電流を検出し、検出した入力電流が正常値を超えた時に、ローサイドスイッチが劣化したと判定する。
【発明の効果】
【００１０】
実施形態によれば、異常が発生した場合に、周辺回路への障害波及を防止すると共に、スイッチング素子の劣化を検出して異常の発生を予測する直流レギュレータが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一般的な直流レギュレータの構成および直流レギュレータを利用した電気回路を示す図である。
【図２】図２は、入力電流を監視する部分の回路構成を示す図である。
【図３】図３は、実施形態の直流レギュレータの構成および直流レギュレータを利用した電気回路を示す図である。
【図４】図４は、ヒューズおよびハイサイドスイッチ（スイッチング素子）の構成例を示す図である。
【図５】図５は、ヒューズの変形例を示す図であり、（Ａ）がヒューズのパターンを、（Ｂ）が回路を、示し、（Ｃ）は溶断が早くなることを説明する図である。
【図６】図６は、電流容量を可変としたヒューズおよびハイサイドスイッチ（スイッチング素子）の変形例を示す図である。
【図７】図７は、制御回路内に設けられるヒューズ容量可変機能と即断機能を行う制御部分の構成を示す図である。
【図８】図８は、図７の制御部分によるヒューズの動作を示すタイムチャートである。
【図９】図９は、実施形態の直流レギュレータで、入力電流を監視する部分の回路構成を示す図である。
【図１０】図１０は、Ｆ１電流判定部における上記の判定動作を示す図である。
【図１１】図１１は、制御回路における異常電流監視処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施形態を説明する前に、一般的な直流レギュレータについて説明する。
図１は、一般的な直流レギュレータの構成および直流レギュレータを利用した電気回路を示す図である。
【００１３】
電気回路は、直流レギュレータ１１と、ローパスフィルタ１２と、負荷１３と、を有する。直流レギュレータ１１は、入力電圧Ｖｉｎ（例えば１２Ｖ）の直流電源からの電力を、電圧変換してローパスフィルタ１２に出力する。ローパスフィルタ１２は、図示のように、インダクタンス素子Ｌと容量Ｃを有し、直流レギュレータ１１から出力される出力パルス列を平均化して、出力電圧Ｖｏｕｔ（例えば１Ｖ）の直流電力を、負荷１３に出力する。負荷１３は、例えば、ＣＰＵ等を含む電子回路である。ローパスフィルタ１２については広く知られているので、説明は省略する。
【００１４】
直流レギュレータ１１は、ハイサイドスイッチＳ１と、ローサイドスイッチＳ２と、発振回路３１と、制御回路３２と、基準電圧源３３と、ＰＷＭコンパレータ３４と、ゲートドライバ３５と、ゲートドライバ３６と、誤差検出回路３７と、を有する。直流レギュレータ１１は、さらに、入力電圧監視部２１と、入力電流監視用抵抗２２と、入力電流監視部２３と、温度監視センサ２４と、出力電圧／電流監視部２５と、を有する。
【００１５】
ハイサイドスイッチＳ１およびローサイドスイッチＳ２は、例えば、電力用ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子で形成される。発振回路（ＯＳＣ）３１は、のこぎり波状の信号を出力する。ＰＷＭコンパレータ３４は、のこぎり波状の信号と基準電圧源３３の出力する基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、Ｖｒｅｆより高い場合にＳ１をオンする信号をゲートドライバ３５に出力する。ＰＷＭコンパレータ３４は、Ｓ１がオフしている期間に適宜Ｓ２をオンする信号をゲートドライバ３６に出力する。この駆動信号は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号と呼ばれる。ゲートドライバ３５およびゲートドライバ３６は、ＰＷＭ信号に応じて、Ｓ１とＳ２を同時にはオンしないように駆動する。これにより、直流レギュレータ１１からローパスフィルタ１２へ出力パルス列が供給され、ローパスフィルタ１２の容量Ｃが充電される。誤差検出回路３７は、図示のように、オペアンプを使用した増幅回路を有し、ローパスフィルタ１２の出力電圧と目標電圧Ｖｒｅｆｏとの誤差を検出し、ＰＷＭコンパレータ３４に誤差信号を出力する。ＰＷＭコンパレータ３４は、誤差信号に応じてのこぎり波状の信号と基準電圧Ｖｒｅｆの関係を変化させ、ＰＷＭ信号のオン／オフ比を変化させる。具体的には、ローパスフィルタ１２の出力電圧が目標電圧より低い時にはＳ１のオン期間を長くし、Ｓ２のオン期間を短くし、ローパスフィルタ１２の出力電圧が目標電圧より高い時にはＳ１のオン期間を短くし、Ｓ２のオン期間を長くする。ＰＷＭ制御による直流レギュレータの動作は広く知られているので、これ以上の説明は省略する。
【００１６】
図１の直流レギュレータは、入出力の電圧／電流およびスイッチＳ１およびＳ２の温度等を測定する計測回路が組込まれている。入力電圧監視部２１は、入力電圧Ｖｉｎを検出し、検出した電圧が所定の電圧範囲外の場合には入力電圧異常信号を出力する。入力電流監視用抵抗２２は、高側の入力電圧端子とＳ１の経路に設けられる。入力電流監視部２３は、入力電流監視用抵抗２２の両端の電圧を検出することにより、入力電流を検出し、検出した入力電流が所定の電流範囲外の場合には入力電流異常信号を出力する。温度監視センサ２４は、Ｓ１およびＳ２の温度を検出し、検出した温度が所定の温度範囲外の場合には温度異常信号を出力する。出力電圧／電流監視部２５は、ローパスフィルタ１２の出力電圧および出力電流を検出し、検出した出力電圧および出力電流が所定の範囲外の場合には出力異常信号を出力する。なお、ここでは、出力電流検出用抵抗の図示を省略している。図１では、入力電圧/電流の監視、Ｓ１およびＳ２の温度監視および出力電圧/電流の監視を行う例を挙げたが、一般的には計測回路の回路規模と直流レギュレータのコストからバランスを取り実装する計測機能を決める。
【００１７】
制御回路３２は、例えば、ＣＭＯＳ論理(logic)で形成され、コマンド／ステータスバスを介して外部ＣＰＵに接続されている。制御回路３２は、入力電圧異常信号、入力電流異常信号、温度異常信号および出力異常信号を受け、外部からコマンドに応じて、基準電圧源３３および発振回路３１を制御する。制御回路３２は、コマンド／ステータスバスに制御状態を出力すると共に、異常発生時には異常アラーム信号を外部に出力する。なお、図示していないが、制御回路３２は、ＰＷＭコンパレータ３４を介してまたはＰＷＭコンパレータ３４を介さずに直接、ゲートドライバ３５および３６を制御して、Ｓ１およびＳ２をオフ状態にすることができる。制御回路３２は、上記の異常検出信号を受けると、その信号に応じて、Ｓ１およびＳ２の動作を制御して、直流レギュレータ１１自体の動作を停止させることで異常状態が継続しないように制御を行う。
【００１８】
図２は、入力電流を監視する部分の回路構成を示す図である。
入力電流監視部２３は、オペアンプ４１と、コンパレータ４２と、電流検出基準電圧源Ｖｒｅｆｉと、増幅回路を形成する２個の抵抗と、を有する。２個の抵抗およびオペアンプ４１は、入力電流監視用抵抗２２の両端の電圧を増幅し、電圧値ＩＶ１を出力する増幅回路を形成する。コンパレータ４２は、増幅回路の出力する電圧値ＩＶ１を電流検出基準電圧Ｖｒｅｆｉと比較し、Ｖｒｅｆｉを超えた場合に、出力をオン（論理値１）になる入力電流異常信号を出力する。コンパレータ４２の出力形式は、オープンコレクタまたはオープンドレイン構成であり、入力電流異常信号は、制御回路３２のインバータに入力し、制御回路３２に取り込まれる。
【００１９】
制御回路３２は、取り込んだ入力電流異常信号の論理値の変化に応じて、直流レギュレータ１１の異常停止処理を実行すると共に外部に異常アラーム信号を出力する。外部ＣＰＵ等のホスト回路は、割込み等により異常アラーム発生を認識し、直流レギュレータ１１の状況をステータスから判断して直流レギュレータ１１を切り離すか、リスタート（再起動）するかのコマンドを直流レギュレータ１１に対して発行する。なお、一般的な直流レギュレータでは、監視部（計測部）や制御・駆動に関係する回路は、入力電圧とは別である通常の論理回路等に供給される５Ｖ、３．３Ｖまたは１Ｖなどの電源電圧で動作する。
他の監視部も類似の回路構成を有するが、実施形態には直接関係しないので、説明は省略する。
【００２０】
図１に示した直流レギュレータ１１で、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の故障によるショートの発生、または制御回路３２の故障でスイッチング素子Ｓ１およびＳ２が閉状態になると、高電位側入力電圧端子（＋（Ｖｄｄ））とグランド間に大電流が流れる。この時に、直流レギュレータ１１内部の監視部（計測回路）が動作し、異常の検出およびレギュレータ動作の停止が実行できた時には故障が外部周辺へ波及しないため特に問題は生じない。
【００２１】
しかし、以下の（１）から（３）のような状態に陥る故障が発生した場合、直流レギュレータとしての異常停止動作が行われず、故障が周辺回路までに波及する。
【００２２】
（１）図１に示したゲートドライバ３５内で入力電圧と制御回路電源がショートし、監視回路（計測回路）や制御回路３２用電圧が失われてしまった場合。
【００２３】
（２）スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の故障時に急激な発熱があり、直流レギュレータとしての異常時動作に入る前に制御回路３２の故障が誘発されて動作不能となった場合。
【００２４】
（３）直流レギュレータの動作中に、制御回路３２に故障が発生し、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を同時期に閉状態とする駆動信号が発生した場合。
【００２５】
以上の３つの場合には、異常停止動作が実行されず、実行しても停止しない状態になり、周辺回路に障害が波及し、大きな故障になる。
【００２６】
また、一般的な直流レギュレータでは、上記のように、入出力の電圧／電流およびスイッチング素子Ｓ１およびＳ２の温度等を測定する計測回路が組込まれているが、スイッチング素子の経時的な特性変化を監視していない。スイッチング素子は徐々に劣化し、ある時点で破損するが、経時的な特性変化を監視していないため、スイッチング素子が破損状態に陥ってから異常を検出することになる。スイッチング素子の劣化があらかじめ検出できれば、スイッチング素子が破損状態に陥る前に異常発生に対処できる。
【００２７】
実施形態の直流レギュレータは、同期整流型で、内部の電力変換用スイッチング素子の劣化などによりレギュレータを実装するＰＣＢや周辺回路素子に過大電流が流れ、ＰＣＢや周辺回路素子を破損(焼損)させてしまう事を防止する機能を有する。
【００２８】
図３は、実施形態の直流レギュレータの構成および直流レギュレータを利用した電気回路を示す図である。
電気回路は、図１に示したのと同様に、直流レギュレータ１１と、ローパスフィルタ１２と、負荷１３と、を有する。各部の構成および機能は、図１のものと同じなので、説明は省略する。
【００２９】
直流レギュレータ１１は、ハイサイドスイッチＳ１と、ローサイドスイッチＳ２と、発振回路３１と、制御回路３２と、基準電圧源３３と、ＰＷＭコンパレータ３４と、ゲートドライバ３５と、ゲートドライバ３６と、誤差検出回路３７と、を有する。直流レギュレータ１１は、さらに、入力電圧監視部２１と、入力電流監視部２３と、温度監視センサ２４と、出力電圧／電流監視部２５と、ヒューズＦ１と、を有する。このように、実施形態の直流レギュレータ１１は、入力電流監視用抵抗２２の代わりにヒューズＦ１を設けたことが図１の直流レギュレータと異なる。また、実施形態の直流レギュレータ１１は、後述するように、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の特性の劣化を検出することが、図１の直流レギュレータと異なり、他の部分は同じである。ヒューズＦ１は、直流レギュレータ１１の入力電流が連続して過電流となった場合に高電位側入力端子＋（Ｖｉｎ）からの入力電流を遮断する。
【００３０】
実施形態の直流レギュレータ１１は、第一に、異常状態を早期に検出して動作を停止することにより、周辺回路への障害波及を防ぐ。しかし、制御回路等に異常が発生し、異常状態の検知から直流レギュレータとしての動作停止ができない時の対応として電気的なヒューズＦ１を直流レギュレータ内部に配置して動作を停止し、物理的に周辺回路への障害の波及を防止する。ただし、ヒューズの溶断時間が長いと、ヒューズが溶断するまでの間に周辺回路へ障害が波及する可能性が高まるため、ヒューズの溶断時間を短くすることが望ましい。また、実施形態では、ヒューズＦ１を入力電流監視に利用する。
【００３１】
図４は、ヒューズＦ１およびハイサイドスイッチ（スイッチング素子）Ｓ１の構成例を示す図である。
図４に示すように、シリコン基板５０は、第１端子部５１と、第２端子部５３と、第３端子部５５と、第１端子部５１と第２端子部５３の間のヒューズ素子部と、第２端子部５３と第３端子部５５の間のスイッチング素子部５４Ａと、に分けられる。第１端子部５１、第２端子部５３および第３端子部５５は、シリコン基板５０上に形成された電極である。第１端子部５１および第２端子は、例えばポリシリコンで作られる。ヒューズ素子部には、第１端子部５１と第２端子部５３を接続するように並列に複数のヒューズ５２が形成される。複数のヒューズ５２がヒューズＦ１を形成する。ヒューズ５２は、第１端子部５１と第２端子部５３の間に形成されたポリシリコンの帯であり、所定の抵抗値を有し、所定の電流値異常の電流が流れると発熱により溶断する。ヒューズ５２は、溶断するように、溝にヒューズ５２の帯を形成するか、ヒューズ５２の帯に隣接して溝を形成し、ヒューズ５２の帯および溝の上に空間を形成するように封止材を設けることが望ましい。また、所望の抵抗値が得られるように、ポリシリコンに燐粒子等を分散した材料でヒューズ５２の帯を形成するようにしてもよい。
【００３２】
スイッチング素子部５４Ａは、複数のトランジスタ領域５４を含み、各トランジスタ領域５４にはＭＯＳＦＥＴが形成される。形成された複数のＭＯＳＦＥＴは、ドレインが第２端子部５３に接続され、ソースが第３端子部５５に接続され、ゲートは共通に接続されて図示していない経路でゲートドライバ３５に接続される。この場合の接続は、必要に応じてビア（ｖｉａ）を介して接続する。スイッチング素子部５４Ａにおいて形成された複数のＭＯＳＦＥＴおよび配線の上に保護膜が形成され、さらにその上にヒューズ素子部と共通に封止材が設けられる。
【００３３】
入力電流監視部２３は、図４の第１端子部５１と第２端子部５３の電圧を検出することにより、入力電流を検出する。
図４に示したヒューズＦ１は、複数の帯状ヒューズ５２からなり、ヒューズ溶断まで時間が各々の帯状ヒューズで異なり、すべての帯状ヒューズ５２が溶断して、ヒューズＦ１が遮断するまでの時間が長くなることが考えられる。そこで、以下に示すような変形例のヒューズＦ１を使用するようにしてもよい。
【００３４】
図５は、ヒューズＦ１の変形例を示す図であり、（Ａ）がヒューズのパターンを、（Ｂ）が回路を、示し、（Ｃ）は溶断が早くなることを説明する図である。
図５の（Ａ）に示すように、変形例のヒューズＦ１では、隣接するヒューズ５２の帯を中間部分で接続する接続部５６を設ける。接続部５６は、例えば、ヒューズ５２と同様に、シリコン基板５０上にポリシリコンで形成される。
【００３５】
上記のような変形例のヒューズＦ１は、図５の（Ｂ）に示すように、抵抗を接続した形で表すことができる。抵抗５２Ａおよび５２Ｂは、１本のヒューズ５２の左側部分と右側部分の抵抗成分を表す、接続線５６Ｃは、接続部５６の抵抗成分を表し、接続部５６は短いため抵抗値が小さいので、配線として示している。
【００３６】
図５の（Ｃ）に示すように、抵抗成分の一か所で溶断が発生すると、隣接する抵抗成分に大きな電流が流れるため、その抵抗成分が溶断し、それに隣接する抵抗成分にさらに大きな電流が流れ、溶断部分が急速に拡がる。このように、変形例のヒューズＦ１は、溶断発生箇所から隣接部分に溶断が拡がり易い構造を有しており、溶断時間が短くなり、周辺回路への障害波及を防止する。
【００３７】
さらに、実施形態の直流レギュレータを使用する電気回路の用途によって、直流レギュレータに接続される負荷の大小が異なり、負荷の大小により、レギュレータの入力電流は異なる。そのため、広い範囲の入力電流に対応できる直流レギュレータが望まれる。そこで、直流レギュレータ１１のヒューズＦ１が対応する電流容量を可変とすることで、直流レギュレータの適用範囲を広げることができる。
【００３８】
図６は、電流容量を可変としたヒューズＦ１およびハイサイドスイッチ（スイッチング素子）Ｓ１の変形例を示す図である。
【００３９】
図６のヒューズＦ１およびスイッチング素子Ｓ１も、シリコン基板上に形成され、図４と同様に、第１端子部５１と、第２端子部５３と、第２端子部５３の右側のスイッチング素子部５４Ａと、第１端子部５１と第２端子部５３の間のヒューズ素子部と、を有する。図６のヒューズ素子部は、中間に設けられたスイッチ電極５７Ａ−５７Ｃを有する。ヒューズ素子部は、第１端子部５１とスイッチ電極５７Ａ−５７Ｃを接続する帯の幅が異なる複数の帯状ヒューズ５２Ａ−５２Ｃと、スイッチ電極５７Ａ−５７Ｃと第２端子部５３を接続する複数のヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃと、を有する。複数の帯状ヒューズ５２Ａ−５２Ｃは、図４の帯状ヒューズ５２と同様の方法で形成され、帯の幅が異なるので、電流容量が異なり、例えば電流容量が４：２：１であるように設定される。複数のヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃは、スイッチング素子部５４Ａに形成されるＭＯＳＦＥＴスイッチと同様に形成される。スイッチング素子部５４Ａおよび複数のヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃを形成する複数のＭＯＳＦＥＴおよび配線の上には保護膜が形成され、さらにその上に複数の帯状ヒューズ５２Ａ−５２Ｃを含めて被覆するように封止材が設けられる。
【００４０】
図６のヒューズＦ１は、複数のヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃのオン・オフを設定することにより、ヒューズの電流容量を変化させることができる。例えば、ヒューズ接続用スイッチ５８Ｃのみをオンにした場合には電流容量は最小となり、スイッチ５８Ｂのみをオンにした場合には電流容量は最小値の２倍となり、スイッチ５８Ａのみをオンにした場合には電流容量は最小値の４倍となる。従って、ヒューズの電流容量は７段階で変えることができる。図６に示した変形例のヒューズを使用することにより、広い範囲の入力電流に対応できる。
【００４１】
また、図６に示した変形例のヒューズは、ハイサイドスイッチＳ１とは別にヒューズ接続用スイッチを有している。ヒューズ接続用スイッチを、直流レギュレータの異常状態信号、スイッチング素子の特性監視機能から検出した異常電流検出信号によってオフ（ＯＦＦ）することにより、直流レギュレータの入力電流を即断することができる。これにより、周辺回路への障害波及防止を、ヒューズのみで行う場合よりも確実に行うことができる。但し、ヒューズ接続用スイッチで異常停止できない場合には、レギュレータ動作の停止は、ヒューズにより行われることになる。
【００４２】
図７は、制御回路３２内に設けられるヒューズ容量可変機能と即断機能を行う制御部分の構成を示す図である。
この制御部分は、コマンドレジスタ６１と、ヒューズ接続レジスタ６２と、デフォルト(Default)・ヒューズ接続レジスタ６３と、ＮＯＲゲート６４と、設定値切替保持回路（ＦＦ）６５と、データ切換機６６と、ＮＯＲゲート６７と、デコーダ６８と、を有する。
【００４３】
コマンドレジスタ６１は、コマンド／ステータスバスを介して、外部ＣＰＵ等からヒューズの設定値のコマンドを受け、設定値をヒューズ接続レジスタ６２に出力すると共に、設定動作を行う間設定リセット信号を出力する。ヒューズ接続レジスタ６２は、コマンドレジスタ６１からヒューズの設定値を受けて保持する。
【００４４】
デフォルト・ヒューズ接続レジスタ６３は、直流レギュレータの起動時など、まだヒューズの設定値が指示されていない状態であらかじめ決められたヒューズの設定値のデフォルト値を記憶する。デフォルト値は、デフォルト値設定用の直流レギュレータパッケージの２ビット分のピンの値（論理値の０または１）で設定される。
【００４５】
ＮＯＲゲート６４は、直流レギュレータのパワーオン（Ｐｏｎ）時のリセット信号とコマンドレジスタ６１からのリセット信号を受ける。ＮＯＲゲート６４は、いずれかのリセット信号がアクティブの時には設定値切替保持回路（ＦＦ）６５をリセットし、両方のリセット信号が非アクティブの時にはＦＦ６５をセット状態にする。
【００４６】
設定値切替保持回路（ＦＦ）６５は、リセット時には選択信号“０”を出力し、セット後、外部から入力されるヒューズ設定指示が入力された時に、選択信号 “１”を出力するように変化する。
【００４７】
データ切替機６６は、コマンドレジスタ６１からヒューズの設定値を、デフォルト・ヒューズ接続レジスタ６３からヒューズのデフォルト設定値を受ける。データ切替機６６は、選択信号が“０”の時にはデフォルト設定値を選択して保持し、選択信号が“１”の時にはコマンドレジスタ６１が受けたヒューズの設定値を保持する。
【００４８】
ＮＯＲゲート６７は、通常はデコーダ６８を動作状態（イネーブル）にするが、後述する制御部がアラーム検出処理で生成した異常アラーム信号または異常電流検出信号が発生すると、デコーダ６８を非動作状態にする信号を出力する。
【００４９】
デコーダ６７は、データ切替機６６の出力する設定値またはデフォルト設定値をデコードして、ヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃのオン・オフを制御する。
【００５０】
図８は、図７の制御部分によるヒューズＦ１の動作を示すタイムチャートである。
パワーオン時には、レギュレータを含む全体の電源電圧Ｖｃｃが投入され、制御回路３２が動作可能な状態になり、図７の制御部分も動作状態になり、直流レギュレータのＰｏｎリセット信号が供給される。この状態で異常状態であるかの確認が行われ、異常がなければ、コマンド／ステータスバスを介して、リセット信号が供給される。これに応じて、データ切替機６６はデフォルト設定値を出力し、ヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃがデフォルト接続状態に設定される。これに応じて、直流レギュレータ１１の入力電圧Ｖｄｄが立ち上がり、出力電圧Ｖｏｕｔも立上る。その後、コマンド／ステータスバスを介して、ヒューズの設定値が送信され、外部からヒューズ設定指示が入力されると、ヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃが設定値に応じた状態に設定され、その状態が維持される。
【００５１】
その後、動作中には異常が発生したかを監視しており、異常が確認され、異常状態が確定すると、ヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃの接続状態に設定されているスイッチをオフ（ＯＦＦ）する。この場合、直流レギュレータの出力電圧Ｖｏｕｔはオフ状態の値（通常は０Ｖ）に低下する。異常が確認されたが、その後異常状態が消滅したことが確認された場合には、ヒューズ接続用スイッチ５８Ａ−５８Ｃを設定されている接続状態に復帰させる。この場合、Ｖｏｕｔはオン状態の電圧に復帰する。
【００５２】
実施形態の直流レギュレータは、さらにスイッチング素子に使われるＭＯＳＦＥＴの特性劣化を監視している。スイッチング素子に使われるＭＯＳＦＥＴは、動作環境またはＭＯＳＦＥＴのプロセス瑕疵により特性が経時的に劣化することがある。ＭＯＳＦＥＴの絶縁抵抗の変化を、直流レギュレータの内部で監視すればＭＯＳＦＥＴの特性劣化状況を検出して判定することができるため、直流レギュレータ動作を停止すれば、ヒューズが溶断してしまう様な激しい故障の発生を防止できる。
【００５３】
図９は、実施形態の直流レギュレータで、入力電流を監視する部分の回路構成を示す図である。
実施形態の直流レギュレータの制御回路３２は、図２の回路と類似の構成を有するが、入力電圧/電流の監視、Ｓ１およびＳ２の温度監視および出力電圧/電流の監視に加えて、ＭＯＳＦＥＴの特性劣化状況を検出して判定することが、図２の回路と異なる。
【００５４】
図９に示すように、実施形態の直流レギュレータの制御回路３２は、オペアンプ４１の出力する入力電流に対応する電圧信号を受ける。制御回路３２は、入力されたＦ１を流れる電流を示す信号から異常を判定するＦ１電流判定部７０を有する。
【００５５】
Ｆ１電流判定部７０は、Ｓ１およびＳ２のゲートに所定の駆動信号が印加された時の入力電流から、Ｓ１およびＳ２の絶縁性および貫通電流の判定を行う。
【００５６】
図１０は、Ｆ１電流判定部７０における上記の判定動作を示す図である。
Ｓ１およびＳ２のゲートには図示のゲート信号が印加される。Ｓ１とＳ２は、同時にはオン（ＯＮ）状態（導通状態）にならないように、交互にオンする。したがって、Ｓ２がオフ（ＯＦＦ）状態（絶縁状態）になった後、Ｓ１が所定期間オン状態になる。その後、Ｓ１がオフ状態になった後、Ｓ２がオン状態になる。ここで、Ｓ２がオフ状態になった後Ｓ１がオン状態になるまでの時間をデッドタイムと称する。
【００５７】
Ｆ１電流判定部７０は、入力端子からＳ１に流れる電流（プラス電流）を劣化判定用信号とし、Ｓ１から入力端子に流れる反対方向の電流（マイナス電流）を貫通電流判定用信号として管理する。
【００５８】
電流波形１は、Ｓ１およびＳ２が正常の場合の、ゲート信号の変化に応じた劣化判定用信号の変化を示す。Ｓ１およびＳ２がオフであるデッドタイムの電流はゼロであり、Ｓ１がオンになると電流は増加し、Ｓ１がオフになると電流はゼロになる。
【００５９】
電流波形２は、Ｓ１がオフにしても絶縁しない状態に劣化し、Ｓ２が正常のである場合の劣化判定用信号の変化を示す。デッドタイムにおいてもＳ１が完全には絶縁しないために、電流が流れる。この電流が大きくなると、Ｓ１が劣化したと判定する。
【００６０】
電流波形３は、Ｓ２がオフにしても絶縁しない状態に劣化し、Ｓ１が正常のである場合の劣化判定用信号の変化を示す。Ｓ２がオフし、Ｓ１がオンしている状態で、電流は、正常であれば電流波形１のように増加するが、この場合Ｓ２のリーク(leak)電流分かさ上げされ、図示のように、最初から大きな値になる。従って、Ｓ１がオンしてから短時間後の電流が、電流波形１の電流よりある程度異常大きな場合には、Ｓ１が劣化したと判定する。
【００６１】
電流波形４は、Ｓ１とＳ２の両方が劣化した場合を示し、電流波形２と３を合わせた波形になる。
【００６２】
電流波形５は、貫通電流判定用信号を示す。正常であれば、Ｓ１から入力端子に電流が逆流することは無く、貫通電流判定用信号はゼロである。しかし、何らかの原因で、直流レギュレータの出力端子の電圧（出力電圧）Ｖｏｕｔが入力端子の電圧（入力電圧）Ｖｄｄより大きくなる異常が発生すると、Ｓ１の寄生ダイオードを通して逆流が生じ、貫通電流判定用信号がゼロでなくなる。したがって、Ｓ１がオフしているデッドタイムにおいて、貫通電流判定用信号が所定値以上になれば異常と判定する。
以上が、制御回路においてヒューズＦ１を利用した異常電流監視処理である。
【００６３】
図１１は、制御回路における異常電流監視処理を示すフローチャートである。
ステップＳ１１で、パワーを投入する（パワーオン）。
ステップＳ１２で、図８で説明したように、直流レギュレータ内の初期化を行う。
ステップＳ１３で、図８で説明したように、直流レギュレータの動作を開始する。
【００６４】
ステップＳ１４で、Ｓ１の劣化を判定する。この判定は、デッドタイムにおける劣化判定用信号が正常値以下であれば正常と判定し、正常値より大きければ異常と判定する。異常と判定された場合には、Ｓ１異常回数カウンタを１増加し、正常と判定された場合には、Ｓ１異常回数カウンタをクリアする。
【００６５】
ステップＳ１５で、Ｓ２の劣化を判定する。この判定は、図１０でＳ１がオンになった後の所定時間における劣化判定用信号が正常値以下であれば正常と判定し、正常値より大きければ異常と判定する。異常と判定された場合には、Ｓ２異常回数カウンタを１増加し、正常と判定された場合には、Ｓ２異常回数カウンタをクリアする。
【００６６】
ステップＳ１６で、貫通電流の有無を判定する。この判定は、デッドタイムにおける貫通電流判定用信号が許容値以下（絶対値が所定値以下）であれば正常と判定し、許容値より大きければ異常と判定する。異常と判定された場合には、貫通異常回数カウンタを１増加し、正常と判定された場合には、貫通異常回数カウンタをクリアする。
【００６７】
ステップＳ１７では、上記のＳ１異常回数カウンタ、Ｓ２異常回数カウンタまたは貫通異常回数カウンタのいずれかのカウント値が、停止回数を超えたかを判定する。超えた場合にはステップＳ１８に進み、超えていなければステップＳ１４に戻る。
【００６８】
ステップＳ１８では、異常電流検出信号をオン（ＯＮ）にする。
ステップＳ１９では、制御回路３２が、前述のレギュレータ停止処理を行う。
【００６９】
以上説明した実施形態の直流レギュレータおよびそれを使用した電気回路では、以下のような効果が得られる。
（１）ヒューズが設けられるため、直流レギュレータ内の制御回路が働かなくとも不測の大電流を遮断することができ、周辺への障害波及を防止することができる。
【００７０】
（２）レギュレータ異常発生時に、異常検出信号をオンして、ヒューズ接続用スイッチをオフすることにより、直流レギュレータ動作を直ぐに停止（即断）することができるため周辺への障害波及を防ぐことができる。
【００７１】
（３）直流レギュレータ用に、ＰＣＢ上にヒューズ等の電流遮断機能を別に設ける必要が無くなり、ＰＣＢに搭載する部品の点数を減らすことができ故障率の低減が図れる。また、ＰＣＢ上に外部ヒューズを設けた場合、使用環境（温度、大気含有物）により使用経過時間でヒューズ材の特性劣化が発生し、ＰＣＢや装置の電源断や電源投入ができなくなる障害原因となる。これに対して、実施形態の直流レギュレータでは、ヒューズを直流レギュレータ素子内に設けるため使用環境の影響を受けにくい特性を持たせることができる。
【００７２】
（４）電力変換素子（スイッチング素子）の故障解析（ＦＡ:Fail Analysis）の精度が向上し、素子の劣化状態を解析可能になる。故障発生時の過電流を遮断することにより、故障初期段階のサンプルを得ることができるため故障個所の解析精度をあげることができる。これにより、故障が直流レギュレータ自体の性能不足か、直流レギュレータを使用する側の回路条件に誤りがあるのかを切り分けることができ、故障への対応方法を明確に切り分けることが可能となる。
【００７３】
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に、記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００７４】
１１    直流レギュレータ
１２    ローパスフィルタ
１３    負荷
２１    入力電圧監視部
２３    入力電流監視部
２４    温度監視センサ
２５    出力電圧／電流監視部
３１    発振回路
３２    制御回路
３３    基準電圧源
３４    ＰＷＭコンパレータ
３５、３６    ゲートドライバ
３７    誤差検出回路
Ｓ１    ハイサイドスイッチ
Ｓ２    ローサイドスイッチ
Ｆ１    ヒューズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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