(57)【要約】【課題】本発明は、周囲温度に影響されない過電流保護を実現することが可能な過電流保護回路を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る過電流保護回路３０は、パワートランジスタ１０に繋がる金属配線の寄生抵抗成分を利用した出力電流検出用の抵抗Ｒ１と；一対のバイポーラトランジスタＱ１、Ｑ２から成り、各々のエミッタ間に抵抗Ｒ１の両端電圧が印加される第１のカレントミラー回路と；トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電流Ｉ１、Ｉ２を所定のミラー比に維持する第２のカレントミラー回路（Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２）と；トランジスタのコレクタ電圧Ｖ２に応じてオン／オフされ、その一端から過電流保護信号ＯＣＰが引き出されるスイッチ素子Ｎ３と；を集積化して成る構成とされている。【選択図】図１
2009011112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子に繋がる金属配線の寄生抵抗成分を利用した出力電流検出用の抵抗と；
一対のバイポーラトランジスタから成り、各々のエミッタ間に前記抵抗の両端電圧が印加される第１のカレントミラー回路と；
前記一対のバイポーラトランジスタのコレクタ電流を所定のミラー比に維持する第２のカレントミラー回路と；
前記バイポーラトランジスタのコレクタ電圧に応じてオン／オフされ、その一端から過電流保護信号が引き出されるスイッチ素子と；
を集積化して成ることを特徴とする過電流保護回路。
【請求項２】
１次電源系と、前記１次電源系から電力供給を受けて駆動される２次電源系と、前記２次電源系から電力供給を受けて駆動される負荷系と、を有する電子機器であって、
前記２次電源系の過電流保護手段として、請求項１に係る過電流保護回路を有して成ることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に集積化された過電流保護回路、及び、これを用いた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、過電流保護回路の一従来例を示す図である。
【０００３】
図３に示すように、従来の過電流保護回路は、一般に、パワートランジスタＴｒａと並列に接続されたモニタトランジスタＴｒｂを用いて、出力電流Ｉｏと同等の挙動を示すモニタ電流Ｉｍを生成し、これを抵抗Ｒａに流し込むことでモニタ電圧Ｖｍに変換した後、比較器ＣＭＰで所定の基準電圧Ｖｒｅｆと比較することにより、過電流保護信号ＯＣＰを生成する構成とされていた。
【０００４】
なお、過電流保護回路に関連する従来技術としては、特許文献１〜３などを挙げることができる。
【特許文献１】特開平５−２８４７３３号公報
【特許文献２】特開２０００−９１８５４号公報
【特許文献３】特開２００５−３２８６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
確かに、上記従来の過電流保護回路であれば、パワートランジスタＴｒａがその安全動作領域（ＡＳＯ［Area of Safe Operation］）を超えて破壊され、半導体装置が発煙・発火することを未然に防止することが可能である。
【０００６】
しかしながら、上記従来の過電流保護回路は、パワートランジスタＴｒａに流れる出力電流Ｉｏを直接的に検出するのではなく、これと同等の挙動を示すモニタ電流Ｉｍを検出することで、出力電流Ｉｏを間接的に検出する構成とされていたため、入力電圧Ｖｃｃに対する依存性が大きく、過電流保護動作点にばらつきを生じやすかった。
【０００７】
また、上記従来の過電流保護回路において、パワートランジスタＴｒａは、大きな出力電流Ｉｏが流れることに伴い、少なからず発熱するが、モニタトランジスタＴｒｂには、微小なモニタ電流Ｉｍしか流れないため、ほとんど発熱しない。そのため、パワートランジスタＴｒａ及びモニタトランジスタＴｒｂの各温度特性に応じて、両者のオンスレッショルド電圧に差違が生じ、過電流保護動作点にばらつきを生じるおそれがあった。
【０００８】
また、上記従来の過電流保護回路において、パワートランジスタＴｒａの温度特性とモニタトランジスタＴｒｂの温度特性との間に製造ばらつき等が生じていた場合には、仮に両者の温度条件が同一であったとしても、出力電流Ｉｏとモニタ電流Ｉｍの挙動が整合せず、過電流保護動作点にばらつきを生じるおそれがあった。
【０００９】
また、上記従来の過電流保護回路は、モニタ電流Ｉｍを抵抗Ｒａに流し込むことで、モニタ電圧Ｖｍを生成する構成とされていたため、抵抗Ｒａの温度特性が過電流保護動作点に直接影響を及ぼしていた。そのため、抵抗Ｒａの温度特性が製品毎に大きく異なる場合には、過電流保護動作点に大きなばらつきを生じるおそれがあった。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑み、周囲温度に影響されない過電流保護を実現することが可能な過電流保護回路、及び、これを用いた電子機器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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る過電流保護回路は、パワー素子に繋がる金属配線の寄生抵抗成分を利用した出力電流検出用の抵抗と；一対のバイポーラトランジスタから成り、各々のエミッタ間に前記抵抗の両端電圧が印加される第１のカレントミラー回路と；前記一対のバイポーラトランジスタのコレクタ電流を所定のミラー比に維持する第２のカレントミラー回路と；前記バイポーラトランジスタのコレクタ電圧に応じてオン／オフされ、その一端から過電流保護信号が引き出されるスイッチ素子と；を集積化して成る構成（第１の構成）とされている。
【００１２】
また、本発明に係る電子機器は、１次電源系と、前記１次電源系から電力供給を受けて駆動される２次電源系と、前記２次電源系から電力供給を受けて駆動される負荷系と、を有する電子機器であって、前記２次電源系の過電流保護手段として、上記第１の構成から成る過電流保護回路を有して成る構成（第２の構成）とされている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る過電流保護回路であれば、周囲温度に影響されない過電流保護を実現することがとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明に係る過電流保護回路を備えた半導体装置を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、半導体装置１は、パワートランジスタ１０と、制御回路２０と、過電流保護回路３０と、を集積化して成る。
【００１６】
パワートランジスタ１０は、電源電圧Ｖｃｃが印加される入力端子ＩＮと、負荷（本図では不図示）が接続される出力端子ＯＵＴとの間に接続され、制御回路２０からの指示に応じてオン／オフ制御されるパワー素子であり、本実施形態では、Ｎチャネル型電界効果トランジスタが用いられている。
【００１７】
制御回路２０は、パワートランジスタ１０のオン／オフ制御を行う主体であり、過電流保護信号ＯＣＰの論理に応じて、パワートランジスタ１０を強制的にオフとするか否かを判断する機能を備えている。
【００１８】
図１に即して具体的に述べると、制御回路２０は、過電流保護信号ＯＣＰの論理がハイレベルであるときには、パワートランジスタ１０に流れる出力電流Ｉｏに過電流が生じていないと判断して、通常通りにパワートランジスタ１０のオン／オフ制御を行う。一方、制御回路２０は、過電流保護信号ＯＣＰの論理がローレベルであるときには、パワートランジスタ１０に流れる出力電流Ｉｏに過電流が生じていると判断して、パワートランジスタ１０を強制的にオフとする。
【００１９】
このような過電流保護動作により、パワートランジスタ１０がその安全動作領域（ＡＳＯ［Area of Safe Operation］）を超えて破壊され、半導体装置１が発煙・発火することを未然に防止することが可能となる。
【００２０】
過電流保護回路３０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタＱ１、Ｑ２と、Ｎチャネル型電界効果トランジスタＮ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３と、定電流源ＣＳ１とを有して成る。
【００２１】
抵抗Ｒ１は、入力端子ＩＮからパワートランジスタ１０のドレインに至る金属配線（例えばアルミニウム配線）に寄生する配線抵抗成分であり、抵抗Ｒ１に相当する配線区間については、所望の抵抗値Ｒを得るために、金属配線の幅が他よりも狭く形成されている。
【００２２】
トランジスタＱ１のエミッタは、パワートランジスタ１０のドレイン（抵抗Ｒ１の一端に相当）に接続されている。トランジスタＱ２のエミッタは、入力端子ＩＮ（抵抗Ｒ１の他端に相当）トランジスタＱ１、Ｑ２のベースは互いに接続されており、その接続ノードは、トランジスタＱ１のコレクタに接続されている。
【００２３】
トランジスタＮ０のドレインは、定電流源ＣＳ１の出力端に接続されている。トランジスタＮ１のドレインは、トランジスタＱ１のコレクタに接続されている。トランジスタＮ２のドレインは、トランジスタＱ２のコレクタに接続されている。トランジスタＮ０、Ｎ１、Ｎ２のゲートは互いに接続されており、その接続ノードは、トランジスタＮ０のドレインに接続されている。トランジスタＮ３のドレインは、抵抗Ｒ２を介して、入力端子ＩＮに接続される一方、過電流保護信号ＯＣＰの引出端として、制御回路２０の過電流保護信号入力端に接続されている。トランジスタＮ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３のソースは、いずれも接地されている。
【００２４】
上記構成から成る過電流保護回路３０の動作について詳細に説明する。
【００２５】
過電流保護回路３０では、トランジスタＱ１、及び、トランジスタＱ２によって、第１のカレントミラー回路が形成されており、また、トランジスタＮ０、トランジスタＮ１、及び、トランジスタＮ２によって、第２のカレントミラー回路が形成されている。
【００２６】
なお、トランジスタＮ１、Ｎ２には、定電流源ＣＳ１で生成される基準電流Ｉｒｅｆをミラーする形で、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２（トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電流）が流されており、トランジスタＮ１、Ｎ２は、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２が所定のミラー比（Ｉ１：Ｉ２＝ａ：ｂ）を有するように設計されている。
【００２７】
上記構成から成る過電流保護回路３０において、出力電流Ｉｏが所定の閾値（過電流検出値）よりも小さい場合には、抵抗Ｒ１での電圧降下が小さく、トランジスタＱ１のエミッタ電圧が高くなるので、トランジスタＱ１には電流が流れやすくなる。しかしながら、トランジスタＱ１に流れる第１電流Ｉ１、及び、トランジスタＱ２に流れる第２電流Ｉ２には、基準電流Ｉｒｅｆに対して、所定のミラー比が設定されている。そのため、トランジスタＮ１のドレインに現れる第１電圧Ｖ１、及び、トランジスタＮ２のドレインに現れる第２電圧Ｖ２は、それぞれ、上記のミラー比を維持するように低下する。その結果、出力電流Ｉｏが所定の閾値に達するまでは、トランジスタＮ３がオフ状態とされ、過電流保護信号ＯＣＰは、抵抗Ｒ２にプルアップされてハイレベルとなる。
【００２８】
一方、出力電流Ｉｏが所定の閾値（過電流検出値）に達した場合には、抵抗Ｒ１での電圧降下が大きく、トランジスタＱ１のエミッタ電圧が低くなるので、トランジスタＱ１には電流が流れにくくなる。しかしながら、先述のように、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２には、基準電流Ｉｒｅｆに対して、上記所定のミラー比が設定されているため、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２は、そのミラー比を維持するように上昇する。その結果、出力電流Ｉｏが所定の閾値に達すると、トランジスタＭ３がオフ状態からオン状態に遷移され、過電流保護信号ＯＣＰの論理値は、ハイレベルからローレベルに遷移される。
【００２９】
このように、パワートランジスタ１０の入力側に繋がる金属配線の寄生抵抗成分を過電流検出用の抵抗Ｒ１とした構成であれば、パワートランジスタ１０に出力電流Ｉｏが流れると、これに応じた電圧降下が抵抗Ｒ１に生じるため、入力端子ＩＮとパワートランジスタ１０のドレインとの電圧差（すなわち、抵抗Ｒ１の両端間電圧）を所定の閾値と比較することで、過電流保護信号ＯＣＰを生成することが可能となる。
【００３０】
また、パワートランジスタ１０の入力側に繋がる金属配線の寄生抵抗成分を過電流検出用の抵抗Ｒ１とした構成であれば、モニタトランジスタが不要となるだけでなく、パワートランジスタ１０に流れる出力電流Ｉｏを全てモニタすることが可能となる。
【００３１】
また、配線抵抗を利用することで、別途の抵抗素子を用いた場合に比べて、コンタクトの抵抗成分を削減することができるので、高精度な低抵抗を実現することが可能となる。
【００３２】
また、本実施形態の過電流保護回路３０であれば、抵抗Ｒ１（金属配線）の温度特性とバイポーラトランジスタＱ１、Ｑ２の温度特性を利用して、過電流保護回路３０における出力電流検出部の温度特性をフラットとすることが可能となる。以下では、このような作用・効果について、詳細な説明を行う。
【００３３】
まず、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２との間には、ダイオード方程式により、以下の（１）式が成立する。
【００３４】
【数１】
2009011112.tif 000003
【００３５】
上記（１）式中、熱電圧ＶT、及び、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒは、以下の（２）式で示すように、絶対温度Ｔの関数として表される。なお、（２）式中、ｋはボルツマン係数、ｑは電子の電荷量、αは抵抗Ｒ１の温度定数を示している。
【００３６】
【数２】
2009011112.tif 000004
【００３７】
ここで、過電流保護回路３０における出力電流検出部の温度特性は、（１）式を温度Ｔで全微分することにより、以下の（３）式で表される。
【００３８】
【数３】
2009011112.tif 000005
【００３９】
上記の（３）式から分かるように、本実施形態の過電流保護回路３０においては、抵抗Ｒ１（金属配線）の温度特性とバイポーラトランジスタＱ１、Ｑ２の温度特性とが互いにキャンセルし合い、出力電流検出部の温度特性がフラット（ｄＩｏ／ｄＴ＝０）となる。
【００４０】
これと同時に、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２のミラー比もトランジスタＭ３のオンスレッショルド電圧に合わせて微調整することにより、過電流保護回路３０が周囲温度に依存することなく動作するようになる。
【００４１】
従って、周囲温度が変化しても、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２の電流比にずれが生じにくくなり、延いては、過電流保護動作点にばらつきが生じにくくなるので、周囲温度に影響されない過電流保護を実現することが可能となる。
【００４２】
また、過電流保護回路３０を搭載した半導体装置１であれば、過電流保護動作点のばらつきが小さくなるので、パワートランジスタ１０の安全動作領域（ＡＳＯ）に不必要なマージンを持たせる必要がなくなる。従って、チップ面積（パワートランジスタ１０の素子サイズ）を縮小することができるので、チップコストを削減し、延いては、利益率を向上することが可能となる。
【００４３】
図２は、過電流保護回路の適用対象となるアプリケーションの一例を示す図（一般的な電源系統図）である。
【００４４】
図２に示すアプリケーションは、１次電源系Ａと、１次電源系Ａから電力供給を受けて駆動される２次電源系Ｂと、２次電源系Ｂから電力供給を受けて駆動される負荷系Ｃと、を有して成るセットである。
【００４５】
なお、図２に示すように、１次電源系Ａとしては、ＤＣ／ＤＣコンバータ（或いは、ＡＣ／ＤＣコンバータ）Ａ１などが考えられる。また、２次電源系Ｂとしては、低電圧降下型（ＬＤＯ［Low Drop-Out］レギュレータＢ１、モータドライバＢ２、ハイサイドスイッチＢ３、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ（或いは低電圧降下型レギュレータ）Ｂ４などが考えられる。また、負荷系Ｃとしては、メモリカードＣ１、モータＣ２、ＵＳＢ機器（ＵＳＢコネクタを含む）Ｃ３、及び、信号処理装置（信号処理ＩＣ）Ｃ４などが考えられる。
【００４６】
また、電源能力（必要電力）の関係について述べると、１次電源系Ａ（過電流保護動作点）＞２次電源系Ｂ（過電流保護動作点）＞負荷系Ｃとなる。従って、２次電源系Ｂの過電流保護動作点に大きなばらつきが存在する場合には、１次電源系Ａの電源能力に不必要なマージンを持たせておかねばならず、大きな負荷となる。
【００４７】
これに対して、２次電源系Ｂの各構成要素Ｂ１〜Ｂ４に具備される過電流保護手段として、本発明に係る過電流保護回路３０を用いれば、過電流保護動作点のばらつきが小さくなるので、１次電源系Ａの電源能力を必要最小限に抑えることが可能となる。また、周囲温度の影響を考慮せずに済むので、セットの設計が容易となる。
【００４８】
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明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。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、パワー素子を備えた半導体装置全般（電源ＩＣなど）に有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】は、本発明に係る過電流保護回路を備えた半導体装置を示す図である。
【図２】は、過電流保護回路の適用対象となるアプリケーションを示す図である。
【図３】は、過電流保護回路の一従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    半導体装置
１０    パワートランジスタ（Ｎチャネル型電界効果トランジスタ）
２０    制御回路
３０    過電流保護回路
ＩＮ    入力端子
ＯＵＴ    出力端子
Ｒ１    抵抗（配線抵抗成分）
Ｒ２    抵抗
Ｑ１、Ｑ２    ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ
Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３    Ｎチャネル型電界効果トランジスタ
ＣＳ１    定電流源
Ｉｏ    出力電流
Ｉｒｅｆ    基準電流
Ｉ１、Ｉ２    第１、第２電流
Ｖ１、Ｖ２    第１、第２電圧
ＯＣＰ    過電流保護信号
Ａ    １次電源系
Ａ１    ＤＣ／ＤＣコンバータ（或いはＡＣ／ＤＣコンバータ）
Ｂ    ２次電源系
Ｂ１    低電圧降下型レギュレータ（ＬＤＯレギュレータ）
Ｂ２    モータドライバ
Ｂ３    ハイサイドスイッチ
Ｂ４    ＤＣ／ＤＣコンバータ（或いはＬＤＯレギュレータ）
Ｃ    負荷系
Ｃ１    メモリカード
Ｃ２    モータ
Ｃ３    ＵＳＢ機器
Ｃ４    信号処理装置（信号処理ＩＣ）
【図１】
2009011112.tif 000006
【図２】
2009011112.tif 000007
【図３】
2009011112.tif 000008