WO2025154570A1 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to semiconductor integrated circuits.
- Semiconductor integrated circuits such as class D amplifiers, DC/DC converters, and motor drivers are equipped with a switching circuit (inverter) that includes a high-side transistor and a low-side transistor. If the output node of the switching circuit has a ground fault (short circuit to ground) and the high-side transistor is turned on, an overcurrent will flow through the high-side transistor. For this reason, semiconductor integrated circuits are sometimes equipped with a ground fault detection circuit.
- a semiconductor integrated circuit comprises a power supply line, an output line and a ground line, a constant voltage line generating a constant voltage lower than the input voltage of the power supply line, an output stage including a high-side transistor connected between the power supply line and the output line and a low-side transistor connected between the output line and the ground line, and a ground fault detection circuit that detects a ground fault in the output line.
- the ground fault detection circuit includes a first resistor having a first end connected to the power supply line, a second resistor having a first end connected to the power supply line, a first switch connected between the second end of the first resistor and the output line and turned on when the high-side transistor is on, a current source, a P-type first transistor having a first electrode connected to the second end of the first resistor and a control electrode and a second electrode connected to the current source, a P-type second transistor having a first electrode connected to the second end of the second resistor and a control electrode connected to the control electrode of the first transistor, a current mirror group including a multi-stage current mirror circuit that mirrors the current flowing through the second transistor and operates using a constant voltage as the power supply voltage, a third resistor connected to the output node of the current mirror group, and a determination circuit that generates a ground fault detection signal based on the result of comparing the voltage drop of the third resistor with a predetermined threshold voltage.
- FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor integrated circuit according to an embodiment.
- FIG. 2 is a circuit diagram of the ground fault detection circuit according to the embodiment.
- FIG. 3 is a circuit diagram for explaining the ground fault detection by the ground fault detection circuit.
- FIG. 4 is a circuit diagram of a ground fault detection circuit according to a comparative technique.
- FIG. 5 is a block diagram of an audio system.
- FIG. 6 is a block diagram of a step-down converter.
- a semiconductor integrated circuit comprises a power supply line, an output line and a ground line, a constant voltage line generating a constant voltage lower than the input voltage of the power supply line, an output stage including a high-side transistor connected between the power supply line and the output line and a low-side transistor connected between the output line and the ground line, and a ground fault detection circuit detecting a ground fault in the output line.
- the ground fault detection circuit includes a first resistor having a first end connected to the power supply line, a second resistor having a first end connected to the power supply line, a first switch connected between the second end of the first resistor and the output line and turned on when the high-side transistor is on, a current source, a P-type first transistor having a first electrode connected to the second end of the first resistor and a control electrode and a second electrode connected to the current source, a P-type second transistor having a first electrode connected to the second end of the second resistor and a control electrode connected to the control electrode of the first transistor, a current mirror group including a multi-stage current mirror circuit that mirrors the current flowing through the second transistor and operates using a constant voltage as the power supply voltage, a third resistor connected to the output node of the current mirror group, and a determination circuit that generates a ground fault detection signal based on the result of comparing the voltage drop of the third resistor with a predetermined threshold voltage.
- the ground fault detection circuit may further include a second switch connected between the second end of the first resistor and the power supply line and turned on when the low-side transistor is on.
- the first transistor and the second transistor are bipolar transistors
- the high-side transistor, the low-side transistor, and the current mirror group may be MOS transistors.
- constructing the first transistor and the second transistor from bipolar transistors enables high-speed ground fault detection.
- the semiconductor integrated circuit may be an audio class D amplifier.
- the semiconductor integrated circuit may be a switching regulator.
- the semiconductor integrated circuit may be for use in a vehicle.
- the minimum operating voltage of the semiconductor integrated circuit may be 4.5V or less.
- the ground fault detection circuit 240 is enabled in a high output state in which the high-side transistor MH is on and the low-side transistor ML is off. In the enabled state, the ground fault detection circuit 240 can detect a ground fault abnormality in the switching terminal SW, and when a ground fault abnormality is detected, it asserts the ground fault detection signal GDET (for example, to a high level). The gate signal of the high-side transistor MH is supplied to the ground fault detection circuit 240 as an active high enable signal EN.
- the second switch SW2 is connected between the power supply line 202 and the second end of the first resistor R1, and is turned on when the high-side transistor MH is turned off.
- the determination circuit 250 generates the ground fault detection signal GDET based on the result of comparing the voltage drop (detection voltage) Vdet across the third resistor R3 with a predetermined threshold voltage Vth. Specifically, the determination circuit 250 asserts the ground fault detection signal GDET when Vdet>Vth.
- the judgment circuit 250 includes a comparator 252, a filter 254, a filter 256, and an AND gate 258.
- the comparator 252 compares the detection voltage Vdet with a predetermined threshold voltage Vth.
- the filter 254 is a low-pass filter that removes high-frequency components from the output signal COMP of the comparator 252. Noise components are removed by the filter 254.
- the level shifter 246 level-shifts down the gate signal of the high-side transistor MH, which is the enable signal EN.
- the filter 256 is a low-pass filter that removes high-frequency components from the output of the level shifter 246.
- the output of the filter 256 becomes a mask signal MSK that is at a high level when the ground fault detection circuit 240 is enabled.
- the AND gate 258 takes the logical product of the output of the filter 254 and the mask signal MSK, and outputs it as the ground fault detection signal GDET.
- ground fault detection circuit 240 The above is the configuration of the ground fault detection circuit 240. Next, we will explain the operation of the ground fault detection circuit 240.
- FIG. 3 is a circuit diagram explaining the ground fault detection of the ground fault detection circuit 240.
- the switching terminal SW is shorted to the ground (ground fault) via the ground fault path 2, and a short current flows via the high-side transistor MH.
- a short current Ishort flows via the first resistor R1, the first switch SW1, and the ground fault path 2.
- This detection current Idet is reflected by the current mirror circuits CM1 and CM2, and the detection current Idet' is supplied to the third resistor R3.
- the current amplification factor ⁇ is the product of the mirror ratios of the current mirror circuits CM1 and CM2.
- the current amplification factor ⁇ may be set to 1 or a value greater than 1.
- Vdet A voltage drop occurring in the third resistor R3 due to the flow of the current Idet' is a detection voltage Vdet, which is expressed by equation (4).
- a ground fault in the switching terminal SW can be detected by the ground fault detection circuit 240. Further advantages of the ground fault detection circuit 240 become clear when compared with comparative technologies.
- FIG. 4 is a circuit diagram of a ground fault detection circuit 240R according to a comparative technique.
- the ground fault detection circuit 240R is the same as the ground fault detection circuit 240 in FIG. 2 except that the current mirror group 244 is omitted, and a third resistor R3 is directly connected to the collector of the second transistor Q2.
- Vdet A voltage drop occurring across the third resistor R3 due to the flow of the current Idet is a detection voltage Vdet, which is expressed by equation (5).
- the ground fault detection circuit 240R asserts the ground fault detection signal GDET when Vdet>Vth. We will explain the problem that occurs in the ground fault detection circuit 240R.
- V CC the lower limit voltage of the power supply voltage V CC is expressed by the following equation.
- Vds is the drain-source voltage of the NMOS transistor on the input side of the current mirror circuit CM1.
- the NMOS transistor of the current mirror circuit CM1 must operate in the saturation region, and the drain-source voltage Vds of the NMOS transistor must be greater than the pinch-off voltage Vp.
- the semiconductor integrated circuit 200 including the ground fault detection circuit 240 according to the embodiment can meet such requirements.
- the audio system 400 includes an audio IC 200C, a speaker 402, a filter 404, a bootstrap capacitor C BS , and a battery 410.
- Audio IC 200C is a class D amplifier and includes a high-side transistor MH, a low-side transistor ML, a high-side driver 210, a low-side driver 220, level shifters 230 and 232, a ground fault detection circuit 240, and a pulse width modulator 310.
- the high-side transistor MH is connected between the power supply pin VCC and the switching pin SW
- the low-side transistor ML is connected between the switching pin SW and the ground pin GND.
- the pulse width modulator 310 converts the audio signal V_AUD into a PWM (pulse width modulated) signal and generates the control signals HIN and LIN.
- the level shifter 232 is provided as a dummy to align the delay amount between the high side and the low side.
- the level shifter 232 may be omitted.
- the low-side driver 220 drives the low-side transistor ML according to the output of the level shifter 232.
- the ground fault detection circuit 240 including the current mirror group 244 it becomes possible to detect a ground fault even when the battery voltage V BAT is low.
- the step-down converter 500 may be a diode rectifier type, in which case a rectifier diode is connected instead of the low-side transistor ML, and the low-side driver 220 is omitted.
- This disclosure relates to semiconductor integrated circuits.
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- Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)
Abstract
Description
本開示は、半導体集積回路に関する。 This disclosure relates to semiconductor integrated circuits.
D級アンプやDC/DCコンバータ、モータドライバなどの半導体集積回路は、ハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタを含むスイッチング回路(インバータ)を備える。スイッチング回路の出力ノードが地絡(接地に対するショート)した状態で、ハイサイドトランジスタがオンとなると、ハイサイドトランジスタに過電流が流れてしまう。そのため、半導体集積回路には、地絡検出回路が設けられる場合がある。 Semiconductor integrated circuits such as class D amplifiers, DC/DC converters, and motor drivers are equipped with a switching circuit (inverter) that includes a high-side transistor and a low-side transistor. If the output node of the switching circuit has a ground fault (short circuit to ground) and the high-side transistor is turned on, an overcurrent will flow through the high-side transistor. For this reason, semiconductor integrated circuits are sometimes equipped with a ground fault detection circuit.
[概要]
本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、入力電圧が低下した低電圧状態においても、動作可能な地絡検出回路を備える半導体集積回路の提供にある。
[overview]
The present disclosure has been made in light of such a situation, and an exemplary purpose of an embodiment of the present disclosure is to provide a semiconductor integrated circuit including a ground fault detection circuit that can operate even in a low-voltage state where the input voltage drops.
本開示のある態様に係る半導体集積回路は、電源ライン、出力ラインおよび接地ラインと、電源ラインの入力電圧よりも低い定電圧が発生する定電圧ラインと、電源ラインと出力ラインの間に接続されたハイサイドトランジスタおよび出力ラインと接地ラインの間に接続されたローサイドトランジスタを含む出力段と、出力ラインの地絡を検出する地絡検出回路と、を備える。地絡検出回路は、電源ラインと接続された第1端を有する第1抵抗と、電源ラインと接続された第1端を有する第2抵抗と、第1抵抗の第2端と出力ラインの間に接続され、ハイサイドトランジスタがオンであるときにオンとなる第1スイッチと、電流源と、第1抵抗の第2端と接続された第1電極を有し、電流源と接続された制御電極および第2電極を有するP型の第1トランジスタと、第2抵抗の第2端と接続された第1電極を有し、第1トランジスタの制御電極と接続された制御電極を有するP型の第2トランジスタと、第2トランジスタに流れる電流を折り返す複数段のカレントミラー回路を含み、定電圧を電源電圧として動作する、カレントミラー群と、カレントミラー群の出力ノードに接続された第3抵抗と、第3抵抗の電圧降下と、所定のしきい値電圧との比較結果にもとづき、地絡検出信号を生成する判定回路と、を備える。 A semiconductor integrated circuit according to one embodiment of the present disclosure comprises a power supply line, an output line and a ground line, a constant voltage line generating a constant voltage lower than the input voltage of the power supply line, an output stage including a high-side transistor connected between the power supply line and the output line and a low-side transistor connected between the output line and the ground line, and a ground fault detection circuit that detects a ground fault in the output line. The ground fault detection circuit includes a first resistor having a first end connected to the power supply line, a second resistor having a first end connected to the power supply line, a first switch connected between the second end of the first resistor and the output line and turned on when the high-side transistor is on, a current source, a P-type first transistor having a first electrode connected to the second end of the first resistor and a control electrode and a second electrode connected to the current source, a P-type second transistor having a first electrode connected to the second end of the second resistor and a control electrode connected to the control electrode of the first transistor, a current mirror group including a multi-stage current mirror circuit that mirrors the current flowing through the second transistor and operates using a constant voltage as the power supply voltage, a third resistor connected to the output node of the current mirror group, and a determination circuit that generates a ground fault detection signal based on the result of comparing the voltage drop of the third resistor with a predetermined threshold voltage.
[詳細な説明]
(実施形態の概要)
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
Detailed Description
(Overview of the embodiment)
A summary of some exemplary embodiments of the present disclosure will be described. This summary is intended to provide a simplified overview of some concepts of one or more embodiments for a basic understanding of the embodiments as a prelude to the detailed description that follows, and is not intended to limit the scope of the invention or disclosure. This summary is not an exhaustive overview of all possible embodiments, and is not intended to identify key elements of all embodiments or to delineate the scope of some or all aspects. For convenience, the term "one embodiment" may be used to refer to one embodiment (example or variant) or multiple embodiments (examples or variants) disclosed in this specification.
一実施形態に係る半導体集積回路は、電源ライン、出力ラインおよび接地ラインと、電源ラインの入力電圧よりも低い定電圧が発生する定電圧ラインと、電源ラインと出力ラインの間に接続されたハイサイドトランジスタおよび出力ラインと接地ラインの間に接続されたローサイドトランジスタを含む出力段と、出力ラインの地絡を検出する地絡検出回路と、を備える。地絡検出回路は、電源ラインと接続された第1端を有する第1抵抗と、電源ラインと接続された第1端を有する第2抵抗と、第1抵抗の第2端と出力ラインの間に接続され、ハイサイドトランジスタがオンであるときにオンとなる第1スイッチと、電流源と、第1抵抗の第2端と接続された第1電極を有し、電流源と接続された制御電極および第2電極を有するP型の第1トランジスタと、第2抵抗の第2端と接続された第1電極を有し、第1トランジスタの制御電極と接続された制御電極を有するP型の第2トランジスタと、第2トランジスタに流れる電流を折り返す複数段のカレントミラー回路を含み、定電圧を電源電圧として動作する、カレントミラー群と、カレントミラー群の出力ノードに接続された第3抵抗と、第3抵抗の電圧降下と、所定のしきい値電圧との比較結果にもとづき、地絡検出信号を生成する判定回路と、を備える。 A semiconductor integrated circuit according to one embodiment comprises a power supply line, an output line and a ground line, a constant voltage line generating a constant voltage lower than the input voltage of the power supply line, an output stage including a high-side transistor connected between the power supply line and the output line and a low-side transistor connected between the output line and the ground line, and a ground fault detection circuit detecting a ground fault in the output line. The ground fault detection circuit includes a first resistor having a first end connected to the power supply line, a second resistor having a first end connected to the power supply line, a first switch connected between the second end of the first resistor and the output line and turned on when the high-side transistor is on, a current source, a P-type first transistor having a first electrode connected to the second end of the first resistor and a control electrode and a second electrode connected to the current source, a P-type second transistor having a first electrode connected to the second end of the second resistor and a control electrode connected to the control electrode of the first transistor, a current mirror group including a multi-stage current mirror circuit that mirrors the current flowing through the second transistor and operates using a constant voltage as the power supply voltage, a third resistor connected to the output node of the current mirror group, and a determination circuit that generates a ground fault detection signal based on the result of comparing the voltage drop of the third resistor with a predetermined threshold voltage.
この構成によると、カレントミラー群を挿入したことにより、電源電圧が低い低電圧状態において、地絡検出が可能となる。 With this configuration, by inserting a group of current mirrors, it becomes possible to detect ground faults even when the power supply voltage is low.
一実施形態において、地絡検出回路は、第1抵抗の第2端と電源ラインの間に接続され、ローサイドトランジスタがオンであるときにオンとなる第2スイッチをさらに備えてもよい。 In one embodiment, the ground fault detection circuit may further include a second switch connected between the second end of the first resistor and the power supply line and turned on when the low-side transistor is on.
一実施形態において、第1トランジスタおよび第2トランジスタはバイポーラトランジスタであり、ハイサイドトランジスタ、ローサイドトランジスタおよびカレントミラー群は、MOSトランジスタであってもよい。MOSトランジスタよりもバイポーラトランジスタの方が高速である半導体プロセスを用いる場合、第1トランジスタと第2トランジスタをバイポーラトランジスタで構成することで、高速な地絡検出が可能となる。 In one embodiment, the first transistor and the second transistor are bipolar transistors, and the high-side transistor, the low-side transistor, and the current mirror group may be MOS transistors. When using a semiconductor process in which bipolar transistors are faster than MOS transistors, constructing the first transistor and the second transistor from bipolar transistors enables high-speed ground fault detection.
一実施形態において、第1トランジスタ、第2トランジスタ、ハイサイドトランジスタ、ローサイドトランジスタおよびカレントミラー群は、MOSトランジスタであってもよい。 In one embodiment, the first transistor, the second transistor, the high-side transistor, the low-side transistor, and the current mirror group may be MOS transistors.
一実施形態において、半導体集積回路は、オーディオD級アンプであってもよい。 In one embodiment, the semiconductor integrated circuit may be an audio class D amplifier.
一実施形態において、半導体集積回路は、スイッチングレギュレータであってもよい。 In one embodiment, the semiconductor integrated circuit may be a switching regulator.
一実施形態において、半導体集積回路は、車載用であってもよい。 In one embodiment, the semiconductor integrated circuit may be for use in a vehicle.
一実施形態において、半導体集積回路の最低動作電圧は4.5V以下であってもよい。 In one embodiment, the minimum operating voltage of the semiconductor integrated circuit may be 4.5V or less.
(実施形態)
以下、好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、開示および発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示および発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the drawings. The same or equivalent components, parts, and processes shown in each drawing will be given the same reference numerals, and duplicated descriptions will be omitted as appropriate. In addition, the embodiments are illustrative and do not limit the disclosure and invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the disclosure and invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which component A is connected to component B" includes not only cases in which component A and component B are directly physically connected, but also cases in which component A and component B are indirectly connected via other components that do not substantially affect their electrical connection state or impair the function or effect achieved by their combination.
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に接続された(設けられた)状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "a state in which component C is connected (provided) between components A and B" includes not only cases in which components A and C, or components B and C, are directly connected, but also cases in which they are indirectly connected via other components that do not substantially affect their electrical connection state or impair the function or effect achieved by their combination.
また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタ、インダクタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは回路定数(抵抗値、容量値、インダクタンス)を表すものとする。 In addition, in this specification, the symbols attached to electrical signals such as voltage signals and current signals, or circuit elements such as resistors, capacitors, and inductors, represent the respective voltage values, current values, or circuit constants (resistance values, capacitance values, inductances) as necessary.
図1は、実施形態に係る半導体集積回路200の回路図である。半導体集積回路200は、電源端子VCC、スイッチング端子SW、接地端子GND、ブートストラップ端子BSを有する。電源端子VCCには、電源電圧(入力電圧)VCCが供給され、接地端子GNDは接地される。スイッチング端子SWには、スピーカのコイル、モータのコイルやインダクタなどの誘導性素子が接続される。ブートストラップ端子BSとスイッチング端子SWの間には、ブートストラップキャパシタCBSが接続される。 1 is a circuit diagram of a semiconductor integrated circuit 200 according to an embodiment. The semiconductor integrated circuit 200 has a power supply terminal VCC, a switching terminal SW, a ground terminal GND, and a bootstrap terminal BS. A power supply voltage (input voltage) VCC is supplied to the power supply terminal VCC, and the ground terminal GND is grounded. An inductive element such as a speaker coil, a motor coil, or an inductor is connected to the switching terminal SW. A bootstrap capacitor CBS is connected between the bootstrap terminal BS and the switching terminal SW.
半導体集積回路200は、スイッチング端子SWに、ハイレベル電圧VCC、ローレベル電圧0V、ハイインピーダンス状態のいずれかを発生させる。 The semiconductor integrated circuit 200 generates, at the switching terminal SW, one of a high-level voltage V CC , a low-level voltage of 0 V, or a high impedance state.
半導体集積回路200は、電源ライン202、出力ライン(スイッチングラインともいう)204、接地ライン206、ブートストラップライン208、整流素子209、ハイサイドドライバ210、ローサイドドライバ220、レベルシフタ230、地絡検出回路240を備える。 The semiconductor integrated circuit 200 includes a power supply line 202, an output line (also called a switching line) 204, a ground line 206, a bootstrap line 208, a rectifier element 209, a high-side driver 210, a low-side driver 220, a level shifter 230, and a ground fault detection circuit 240.
電源ライン202は、電源端子VCCと接続される。出力ライン204は、スイッチング端子SWと接続される。接地ライン206は接地端子GNDと接続される。ブートストラップライン208は、ブートストラップ端子BSと接続される。ブートストラップ端子BSには、整流素子209を介して、図示しない電源回路が生成する定電圧VREGが供給される。整流素子209は、カソードがブートストラップライン208と接続され、アノードに定電圧VREGを受けるダイオードでありうる。整流素子209は、ハイサイドトランジスタMHと同期してスイッチングする同期整流スイッチであってもよい。整流素子209と外付けのブートストラップキャパシタCBSはブートストラップ回路を形成しており、ブートストラップライン208に、スイッチング端子SW(出力ライン204)に発生するスイッチング電圧VSWよりもVREG-Vfだけ高いブートストラップ電圧VBSを発生させる。Vfは整流素子209の順方向電圧である。 The power supply line 202 is connected to a power supply terminal VCC. The output line 204 is connected to a switching terminal SW. The ground line 206 is connected to a ground terminal GND. The bootstrap line 208 is connected to a bootstrap terminal BS. A constant voltage V REG generated by a power supply circuit (not shown) is supplied to the bootstrap terminal BS via a rectifier element 209. The rectifier element 209 may be a diode whose cathode is connected to the bootstrap line 208 and whose anode receives the constant voltage V REG . The rectifier element 209 may be a synchronous rectifier switch that switches in synchronization with the high-side transistor MH. The rectifier element 209 and an external bootstrap capacitor C BS form a bootstrap circuit, which generates a bootstrap voltage V BS in the bootstrap line 208, which is higher by V REG -Vf than the switching voltage V SW generated in the switching terminal SW (output line 204). Vf is the forward voltage of the rectifying element 209 .
ハイサイドトランジスタMHおよびローサイドトランジスタMLは、NチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。ハイサイドトランジスタMHは、電源ライン202と出力ライン204の間に接続され、ローサイドトランジスタMLは、出力ライン204と接地ライン206の間に接続される。 The high-side transistor MH and the low-side transistor ML are N-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs). The high-side transistor MH is connected between the power supply line 202 and the output line 204, and the low-side transistor ML is connected between the output line 204 and the ground line 206.
レベルシフタ230は、制御信号HINを、レベルシフトアップし、ハイサイドドライバ210に受け渡す。ハイサイドドライバ210は、制御信号HINに応じて、ハイサイドトランジスタMHを駆動する。ローサイドドライバ220は、制御信号LINに応じてローサイドトランジスタMLを駆動する。 The level shifter 230 level-shifts up the control signal HIN and passes it to the high-side driver 210. The high-side driver 210 drives the high-side transistor MH in response to the control signal HIN. The low-side driver 220 drives the low-side transistor ML in response to the control signal LIN.
ハイサイドトランジスタMHがオン、ローサイドトランジスタMLがオフのとき、スイッチング電圧VSWはハイレベル電圧VCCであり、ハイサイドトランジスタMHがオフ、ローサイドトランジスタMLがオンのとき、スイッチング電圧VSWはローレベル電圧0Vである。ハイサイドトランジスタMH、ローサイドトランジスタMLが両方オフのとき、スイッチング端子SWはハイインピーダンスとなる。 When the high-side transistor MH is on and the low-side transistor ML is off, the switching voltage V SW is a high-level voltage V CC , and when the high-side transistor MH is off and the low-side transistor ML is on, the switching voltage V SW is a low-level voltage 0 V. When both the high-side transistor MH and the low-side transistor ML are off, the switching terminal SW becomes high impedance.
地絡検出回路240は、ハイサイドトランジスタMHがオン、ローサイドトランジスタMLがオフであるハイ出力状態においてイネーブル状態となる。地絡検出回路240は、イネーブル状態において、スイッチング端子SWの地絡異常を検出可能であり、地絡異常を検出すると、地絡検出信号GDETをアサート(たとえばハイレベル)する。地絡検出回路240には、アクティブハイのイネーブル信号ENとして、ハイサイドトランジスタMHのゲート信号が供給される。 The ground fault detection circuit 240 is enabled in a high output state in which the high-side transistor MH is on and the low-side transistor ML is off. In the enabled state, the ground fault detection circuit 240 can detect a ground fault abnormality in the switching terminal SW, and when a ground fault abnormality is detected, it asserts the ground fault detection signal GDET (for example, to a high level). The gate signal of the high-side transistor MH is supplied to the ground fault detection circuit 240 as an active high enable signal EN.
図2は、実施形態に係る地絡検出回路240の回路図である。地絡検出回路240は、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2、電流源242、第1抵抗R1、第2抵抗R2、第1トランジスタQ1、第2トランジスタQ2、カレントミラー群244、レベルシフタ246、判定回路250を備える。 2 is a circuit diagram of a ground fault detection circuit 240 according to an embodiment. The ground fault detection circuit 240 includes a first switch SW1, a second switch SW2, a current source 242, a first resistor R1, a second resistor R2, a first transistor Q1, a second transistor Q2, a current mirror group 244, a level shifter 246, and a determination circuit 250.
定電圧ライン203には、電源ライン202の電源電圧(入力電圧)VCCよりも低い定電圧VREGDが発生する。たとえば半導体集積回路200が車載回路である場合、電源電圧VCCは12Vであり、定電圧VREGDは、5V、3.3Vあるいは1.5Vであり得る。 A constant voltage VREGD lower than the power supply voltage (input voltage) VCC of the power supply line 202 is generated in the constant voltage line 203. For example, when the semiconductor integrated circuit 200 is an in-vehicle circuit, the power supply voltage VCC may be 12V, and the constant voltage VREGD may be 5V, 3.3V, or 1.5V.
第1抵抗R1の第1端は、電源ライン202と接続される。第2抵抗R2の第1端は、電源ライン202と接続される。 The first end of the first resistor R1 is connected to the power supply line 202. The first end of the second resistor R2 is connected to the power supply line 202.
第1スイッチSW1は、第1抵抗R1の第2端と出力ライン204の間に接続される。第1スイッチSW1は、ハイサイドトランジスタMHがオンであるときにオンとなる。たとえば第1スイッチSW1は、NMOSトランジスタであり、そのゲートには、ハイサイドトランジスタMHのゲート信号が供給される。 The first switch SW1 is connected between the second end of the first resistor R1 and the output line 204. The first switch SW1 is turned on when the high-side transistor MH is on. For example, the first switch SW1 is an NMOS transistor, and the gate of the first switch SW1 is supplied with the gate signal of the high-side transistor MH.
第2スイッチSW2は、電源ライン202と第1抵抗R1の第2端の間に接続され、ハイサイドトランジスタMHがオフであるときにオンとなる。 The second switch SW2 is connected between the power supply line 202 and the second end of the first resistor R1, and is turned on when the high-side transistor MH is turned off.
第1スイッチSW1がオン、第2スイッチSW2がオフのとき、地絡検出回路240がイネーブル状態となる。第1スイッチSW1がオフ、第2スイッチSW2がオンであるとき、地絡検出回路240がディセーブル状態となる。 When the first switch SW1 is on and the second switch SW2 is off, the ground fault detection circuit 240 is enabled. When the first switch SW1 is off and the second switch SW2 is on, the ground fault detection circuit 240 is disabled.
第1トランジスタQ1は、PNP型バイポーラトランジスタであり、第1電極(エミッタ)が、第1抵抗R1の第2端と接続される。第1トランジスタQ1の第2電極(コレクタ)および制御電極(ベース)は、電流源242と接続される。電流源242は、たとえば電流源243及びカレントミラー回路CM10を含み、定電流Icをシンクする。 The first transistor Q1 is a PNP bipolar transistor, and its first electrode (emitter) is connected to the second end of the first resistor R1. The second electrode (collector) and control electrode (base) of the first transistor Q1 are connected to the current source 242. The current source 242 includes, for example, a current source 243 and a current mirror circuit CM10, and sinks a constant current Ic.
第2トランジスタQ2は、第1トランジスタQ1と同型のPNP型バイポーラトランジスタであり、第1電極(エミッタ)が第2抵抗R2の第2端と接続され、制御電極(ベース)が、第1トランジスタQ1の制御電極(ベース)と接続される。 The second transistor Q2 is a PNP bipolar transistor of the same type as the first transistor Q1, with a first electrode (emitter) connected to the second end of the second resistor R2 and a control electrode (base) connected to the control electrode (base) of the first transistor Q1.
カレントミラー群244は、複数段のカレントミラー回路を含み、第2トランジスタQ2に流れる電流Idetを折り返す。この例では、カレントミラー回路の段数は2であり、2個のカレントミラー回路CM1,CM2を含む。なお、カレントミラー回路の個数は、電流を折り返すためには偶数個であればよく、4段、6段、8段であってもよい。カレントミラー群244は、定電圧ライン203と接続され、定電圧VREGDを電源電圧として動作する。 The current mirror group 244 includes multiple stages of current mirror circuits and reflects the current Idet flowing through the second transistor Q2. In this example, the number of stages of the current mirror circuit is two, and includes two current mirror circuits CM1 and CM2. Note that the number of current mirror circuits may be an even number in order to reflect the current, and may be four, six, or eight stages. The current mirror group 244 is connected to the constant voltage line 203 and operates using the constant voltage VREGD as a power supply voltage.
第3抵抗R3は、カレントミラー群244の出力ノード245と接地ライン206の間に接続される。第3抵抗R3には、カレントミラー群244の出力電流Idet’に比例した電圧降下が発生する。
Vdet=R3×Idet’
The third resistor R3 is connected between the output node 245 of the current mirror group 244 and the ground line 206. A voltage drop proportional to the output current Idet′ of the current mirror group 244 occurs across the third resistor R3.
Vdet=R3×Idet'
判定回路250は、第3抵抗R3の電圧降下(検出電圧)Vdetと、所定のしきい値電圧Vthとの比較結果にもとづき、地絡検出信号GDETを生成する。具体的には判定回路250は、Vdet>Vthのときに地絡検出信号GDETをアサートする。 The determination circuit 250 generates the ground fault detection signal GDET based on the result of comparing the voltage drop (detection voltage) Vdet across the third resistor R3 with a predetermined threshold voltage Vth. Specifically, the determination circuit 250 asserts the ground fault detection signal GDET when Vdet>Vth.
本実施形態において判定回路250は、コンパレータ252、フィルタ254、フィルタ256、ANDゲート258を含む。コンパレータ252は、検出電圧Vdetと、所定のしきい値電圧Vthを比較する。フィルタ254はローパスフィルタであり、コンパレータ252の出力信号COMPの高周波成分を除去する。フィルタ254によって、ノイズ成分が除去される。レベルシフタ246は、イネーブル信号ENであるハイサイドトランジスタMHのゲート信号をレベルシフトダウンする。フィルタ256はローパスフィルタであり、レベルシフタ246の出力の高周波成分を除去する。フィルタ256の出力は、地絡検出回路240がイネーブル状態においてハイレベルとなるマスク信号MSKとなる。ANDゲート258は、フィルタ254の出力とマスク信号MSKとの論理積をとり、地絡検出信号GDETとして出力する。 In this embodiment, the judgment circuit 250 includes a comparator 252, a filter 254, a filter 256, and an AND gate 258. The comparator 252 compares the detection voltage Vdet with a predetermined threshold voltage Vth. The filter 254 is a low-pass filter that removes high-frequency components from the output signal COMP of the comparator 252. Noise components are removed by the filter 254. The level shifter 246 level-shifts down the gate signal of the high-side transistor MH, which is the enable signal EN. The filter 256 is a low-pass filter that removes high-frequency components from the output of the level shifter 246. The output of the filter 256 becomes a mask signal MSK that is at a high level when the ground fault detection circuit 240 is enabled. The AND gate 258 takes the logical product of the output of the filter 254 and the mask signal MSK, and outputs it as the ground fault detection signal GDET.
以上が地絡検出回路240の構成である。続いて地絡検出回路240の動作を説明する。 The above is the configuration of the ground fault detection circuit 240. Next, we will explain the operation of the ground fault detection circuit 240.
図3は、地絡検出回路240の地絡検出を説明する回路図である。スイッチング端子SWが、地絡経路2を介して接地に対してショート(地絡)しており、ハイサイドトランジスタMHを介してショート電流が流れる。このとき、地絡検出回路240においては、第1抵抗R1、第1スイッチSW1および地絡経路2を介してショート電流Ishortが流れる。 FIG. 3 is a circuit diagram explaining the ground fault detection of the ground fault detection circuit 240. The switching terminal SW is shorted to the ground (ground fault) via the ground fault path 2, and a short current flows via the high-side transistor MH. At this time, in the ground fault detection circuit 240, a short current Ishort flows via the first resistor R1, the first switch SW1, and the ground fault path 2.
第1抵抗R1には、ショート電流Ishortと電流源242が生成する電流Icの合計電流が流れるから、第1トランジスタQ1のエミッタの電圧Veは、式(1)で表される。
Ve=Vcc-R1×(Ishort+Ic) …(1)
Since the sum of the short-circuit current Ishort and the current Ic generated by the current source 242 flows through the first resistor R1, the emitter voltage Ve of the first transistor Q1 is expressed by equation (1).
Ve=Vcc-R1×(Ishort+Ic)...(1)
第1トランジスタQ1のベースエミッタ間電圧と第2トランジスタQ2のベースエミッタ間電圧は実質的に等しいから、第2トランジスタQ2のエミッタにも、第1トランジスタQ1のエミッタ電圧Veと同じ電圧が発生する。このとき第2抵抗R2には、式(2)で表される検出電流Idetが流れる。
Idet=Ve/R2=R1×(Ishort+Ic)/R2 …(2)
Since the base-emitter voltage of the first transistor Q1 and the base-emitter voltage of the second transistor Q2 are substantially equal, a voltage equal to the emitter voltage Ve of the first transistor Q1 is generated at the emitter of the second transistor Q2. At this time, a detection current Idet expressed by the equation (2) flows through the second resistor R2.
Idet=Ve/R2=R1×(Ishort+Ic)/R2…(2)
R1=R2とするとき、
Idet=(Ishort+Ic) …(2’)
となる。
When R1=R2,
Idet=(Ishort+Ic)...(2')
It becomes.
この検出電流Idetが、カレントミラー回路CM1,CM2によって折り返され、検出電流Idet’が第3抵抗R3に供給される。カレントミラー群244の電流増幅率をαとするとき、検出電流Idet’は、式(3)で表される。
Idet’=Idet×α …(3)
電流増幅率αは、カレントミラー回路CM1、CM2のミラー比の積である。電流増幅率αは1としてもよいし、1より大きな値としてもよい。
This detection current Idet is reflected by the current mirror circuits CM1 and CM2, and the detection current Idet' is supplied to the third resistor R3. When the current amplification factor of the current mirror group 244 is α, the detection current Idet' is expressed by the following equation (3).
Idet'=Idet×α...(3)
The current amplification factor α is the product of the mirror ratios of the current mirror circuits CM1 and CM2. The current amplification factor α may be set to 1 or a value greater than 1.
電流Idet’が流れることにより第3抵抗R3に発生する電圧降下が検出電圧Vdetとなり、式(4)で表される。
Vdet=Idet’×R3=α×(Ishort+Ic)×R3 …(4)
A voltage drop occurring in the third resistor R3 due to the flow of the current Idet' is a detection voltage Vdet, which is expressed by equation (4).
Vdet=Idet'×R3=α×(Ishort+Ic)×R3...(4)
しきい値電圧Vthは、地絡が発生していないとき(Ishort=0)における検出電圧Vdetよりも高く、地絡が発生したとき(Ishort>0)における検出電圧Vdetよりも低くなるように定められる。地絡が発生し、大きなショート電流Ishortが流れると、Vdet>Vthとなり、地絡検出信号GDETがアサートされる。 The threshold voltage Vth is set so that it is higher than the detection voltage Vdet when no ground fault occurs (Ishort = 0) and lower than the detection voltage Vdet when a ground fault occurs (Ishort > 0). When a ground fault occurs and a large short circuit current Ishort flows, Vdet > Vth, and the ground fault detection signal GDET is asserted.
このように実施形態に係る半導体集積回路200によれば、地絡検出回路240によってスイッチング端子SWの地絡を検出することができる。地絡検出回路240のさらなる利点は、比較技術との対比によって明確となる。 In this way, according to the semiconductor integrated circuit 200 of the embodiment, a ground fault in the switching terminal SW can be detected by the ground fault detection circuit 240. Further advantages of the ground fault detection circuit 240 become clear when compared with comparative technologies.
図4は、比較技術に係る地絡検出回路240Rの回路図である。地絡検出回路240Rは、図2の地絡検出回路240から、カレントミラー群244を省略したものであり、第2トランジスタQ2のコレクタに、第3抵抗R3が直接接続されている。 FIG. 4 is a circuit diagram of a ground fault detection circuit 240R according to a comparative technique. The ground fault detection circuit 240R is the same as the ground fault detection circuit 240 in FIG. 2 except that the current mirror group 244 is omitted, and a third resistor R3 is directly connected to the collector of the second transistor Q2.
電流Idetが流れることにより第3抵抗R3に発生する電圧降下が検出電圧Vdetとなり、式(5)で表される。
Vdet=Idet×R3=(Ishort+Ic)×R3 …(4)
A voltage drop occurring across the third resistor R3 due to the flow of the current Idet is a detection voltage Vdet, which is expressed by equation (5).
Vdet=Idet×R3=(Ishort+Ic)×R3…(4)
地絡検出回路240Rは、Vdet>Vthのときに地絡検出信号GDETをアサートする。地絡検出回路240Rにおいて生ずる問題を説明する。 The ground fault detection circuit 240R asserts the ground fault detection signal GDET when Vdet>Vth. We will explain the problem that occurs in the ground fault detection circuit 240R.
地絡検出回路240Rの電源電圧VCCの下限電圧について検討する。地絡状態においいて、以下の関係式が成り立つ必要がある。
VCC>(R2+R3)×Idet=R2×Idet+R3×Idet
地絡状態においてR3×Idetは、しきい値電圧Vthより高い。
R3×Idet>Vth
判定回路250における正確な電圧比較のためには、Vthを1V以上、好ましくは2~3V程度とすることが望ましい。
R3×Idet>Vth≧2V
Consider the lower limit voltage of the power supply voltage V CC of the ground fault detection circuit 240R. In a ground fault state, the following relational expression must be satisfied.
V CC >(R2+R3)×Idet=R2×Idet+R3×Idet
In a ground short state, R3×Idet is higher than the threshold voltage Vth.
R3×Idet>Vth
For accurate voltage comparison in the determination circuit 250, it is desirable to set Vth to 1V or more, preferably to about 2 to 3V.
R3×Idet>Vth≧2V
地絡状態において、R2×Idet≒3.5Vとすると、
VCC>3.5V+2V=5.5V
となり、最低動作電圧VCC(MIN)は5.5Vとなる。したがって、電源電圧VCCが5V以下で動作することが要求されるアプリケーションでの使用は難しい。
In a ground fault state, if R2 × Idet ≈ 3.5 V,
V CC >3.5V+2V=5.5V
Therefore, the minimum operating voltage V CC (MIN) is 5.5 V. Therefore, it is difficult to use this device in applications that require operation at a power supply voltage V CC of 5 V or less.
図2の地絡検出回路240に戻る。図2の地絡検出回路240では、電源ライン202と接地ラインの間に、第2抵抗R2、第2トランジスタQ2、カレントミラー回路CM1が接続される。したがって、電源電圧VCCの下限電圧は、以下の式で表される。
VCC>R2×Idet+Vds
Vdsは、カレントミラー回路CM1の入力側のNMOSトランジスタのドレインソース間電圧である。カレントミラー回路CM1のNMOSトランジスタは飽和領域で動作する必要があり、NMOSトランジスタのドレインソース間電圧Vdsは、ピンチオフ電圧Vpより大きくなければならない。このピンチオフ電圧Vpは、NMOSトランジスタのオーバードライブ電圧Vgs-Vth(NMOS)であり、たとえば0.1V程度まで小さくできる。R2×Idet≒3.5V、Vds>0.1Vとすると、
VCC>R2×Idet+Vds=3.6V
となり、最低動作電圧VCC(MIN)は3.6Vとなる。これは、比較技術の5.5Vに比べて大幅に低く、電源電圧VCCが5V以下で動作することが要求されるアプリケーションでの使用が可能となる。
Returning to the ground fault detection circuit 240 in Fig. 2, in the ground fault detection circuit 240 in Fig. 2, a second resistor R2, a second transistor Q2, and a current mirror circuit CM1 are connected between the power supply line 202 and the ground line. Therefore, the lower limit voltage of the power supply voltage V CC is expressed by the following equation.
V CC >R2×Idet+Vds
Vds is the drain-source voltage of the NMOS transistor on the input side of the current mirror circuit CM1. The NMOS transistor of the current mirror circuit CM1 must operate in the saturation region, and the drain-source voltage Vds of the NMOS transistor must be greater than the pinch-off voltage Vp. This pinch-off voltage Vp is the overdrive voltage Vgs-Vth (NMOS) of the NMOS transistor, and can be reduced to, for example, about 0.1 V. If R2×Idet≈3.5 V and Vds>0.1 V, then
V CC >R2×Idet+Vds=3.6V
Therefore, the minimum operating voltage V CC (MIN) is 3.6 V. This is significantly lower than 5.5 V of the comparative technology, and enables use in applications that require operation at a power supply voltage V CC of 5 V or less.
たとえば車載部品には、緊急時に動作することが要求されるIC(Integrated Circuit)があり、このようなICは、VCC=4.5Vで動作することが要求される。実施形態に係る地絡検出回路240を備える半導体集積回路200はこのような要求をクリアすることができる。 For example, in-vehicle components include ICs (Integrated Circuits) that are required to operate in an emergency, and such ICs are required to operate at V CC = 4.5 V. The semiconductor integrated circuit 200 including the ground fault detection circuit 240 according to the embodiment can meet such requirements.
地絡検出回路240の変形例を説明する。 A modified example of the ground fault detection circuit 240 is described.
第2スイッチSW2は、ハイサイドトランジスタMHと同様にNMOSトランジスタで構成してもよい。あるいは第2スイッチSW2は省略してもよい。 The second switch SW2 may be configured with an NMOS transistor, similar to the high-side transistor MH. Alternatively, the second switch SW2 may be omitted.
判定回路250の構成は図2のそれに限定されない。電圧比較に、電圧コンパレータ以外の回路要素を用いてもよい。例えばMOSトランジスタを電圧比較手段として用いてもよい。 The configuration of the determination circuit 250 is not limited to that shown in FIG. 2. Circuit elements other than a voltage comparator may be used for voltage comparison. For example, a MOS transistor may be used as the voltage comparison means.
カレントミラー群244のカレントミラー回路の個数は奇数個であってもよい。この場合、第3抵抗R3を、カレントミラー群244の出力ノードと定電圧ライン203の間に設ければよい。 The number of current mirror circuits in the current mirror group 244 may be an odd number. In this case, a third resistor R3 may be provided between the output node of the current mirror group 244 and the constant voltage line 203.
続いてスイッチング回路の用途を説明する。 Next, we will explain the uses of switching circuits.
図5は、オーディオシステム400のブロック図である。オーディオシステム400は、オーディオIC200C、スピーカ402、フィルタ404、ブートストラップキャパシタCBS、バッテリ410を備える。 5 is a block diagram of an audio system 400. The audio system 400 includes an audio IC 200C, a speaker 402, a filter 404, a bootstrap capacitor C BS , and a battery 410.
オーディオIC200Cは、D級アンプであり、ハイサイドトランジスタMH、ローサイドトランジスタML、ハイサイドドライバ210、ローサイドドライバ220、レベルシフタ230、232、地絡検出回路240、パルス幅変調器310を備える。ハイサイドトランジスタMHは、電源ピンVCCとスイッチングピンSWの間に接続され、ローサイドトランジスタMLは、スイッチングピンSWと接地ピンGNDの間に接続される。 Audio IC 200C is a class D amplifier and includes a high-side transistor MH, a low-side transistor ML, a high-side driver 210, a low-side driver 220, level shifters 230 and 232, a ground fault detection circuit 240, and a pulse width modulator 310. The high-side transistor MH is connected between the power supply pin VCC and the switching pin SW, and the low-side transistor ML is connected between the switching pin SW and the ground pin GND.
パルス幅変調器310は、オーディオ信号VAUDを、PWM(パルス幅変調)信号に変換し、制御信号HINおよびLINを生成する。 The pulse width modulator 310 converts the audio signal V_AUD into a PWM (pulse width modulated) signal and generates the control signals HIN and LIN.
制御信号HINは、レベルシフタ230によってレベルシフトアップされ、ハイサイドドライバ210に供給される。 The control signal HIN is level-shifted up by the level shifter 230 and supplied to the high-side driver 210.
レベルシフタ232は、ハイサイドとローサイドとで遅延量を揃えるためにダミーとして設けられている。レベルシフタ232は省略してもよい。ローサイドドライバ220は、レベルシフタ232の出力に応じて、ローサイドトランジスタMLを駆動する。 The level shifter 232 is provided as a dummy to align the delay amount between the high side and the low side. The level shifter 232 may be omitted. The low-side driver 220 drives the low-side transistor ML according to the output of the level shifter 232.
オーディオシステム400は車載用であってもよい。この場合、電源ピンVCCには、電源電圧VCCとして、車載バッテリ410からのバッテリ電圧VBATが供給される。車載バッテリの電圧VBATは、12~14Vを定格とするが、バッテリ電圧VBATが4.5V以下まで低下した場合であっても、オーディオIC200Cが動作を維持することが求められる。 The audio system 400 may be for use in a vehicle. In this case, a battery voltage V BAT from an in-vehicle battery 410 is supplied to the power supply pin VCC as the power supply voltage V CC . The voltage V BAT of the in-vehicle battery is rated at 12 to 14 V, but even if the battery voltage V BAT drops to 4.5 V or lower, the audio IC 200C is required to maintain operation.
図5のオーディオシステム400によれば、カレントミラー群244を備える地絡検出回路240を用いることで、バッテリ電圧VBATが低下した状態においても、地絡を検出することが可能となる。 According to the audio system 400 of FIG. 5, by using the ground fault detection circuit 240 including the current mirror group 244, it becomes possible to detect a ground fault even when the battery voltage V BAT is low.
図6は、降圧コンバータ500のブロック図である。降圧コンバータ500は、コントローラIC200Dおよび降圧コンバータの主回路510を備える。降圧コンバータ500は、入力ライン502に発生する電源電圧VCCを、所定の電圧レベルを有する出力電圧VOUTに降圧し、出力ライン504に接続される負荷(不図示)に供給する。主回路510は、ハイサイドトランジスタMH、ローサイドトランジスタML、インダクタL2、出力キャパシタC2を含む。 6 is a block diagram of a step-down converter 500. The step-down converter 500 includes a controller IC 200D and a step-down converter main circuit 510. The step-down converter 500 steps down a power supply voltage V CC generated on an input line 502 to an output voltage V OUT having a predetermined voltage level, and supplies the output voltage V OUT to a load (not shown) connected to an output line 504. The main circuit 510 includes a high-side transistor MH, a low-side transistor ML, an inductor L2, and an output capacitor C2.
コントローラIC200Dは、ハイサイドトランジスタMH、ローサイドトランジスタML、ハイサイドドライバ210、ローサイドドライバ220、レベルシフタ230、地絡検出回路240、フィードバック回路320を備える。抵抗R21,R22は、出力電圧VOUTを分圧し、分圧後のフィードバック電圧VFBをコントローラIC200DのフィードバックピンFBに供給する。 The controller IC 200D includes a high-side transistor MH, a low-side transistor ML, a high-side driver 210, a low-side driver 220, a level shifter 230, a ground fault detection circuit 240, and a feedback circuit 320. Resistors R21 and R22 divide the output voltage VOUT , and supply the divided feedback voltage VFB to a feedback pin FB of the controller IC 200D.
フィードバック回路320は、フィードバック電圧VFBが所定の基準電圧VREFに近づくように、デューティサイクルが調節されるPWM信号を生成する。フィードバック回路320は、PWM信号に応じて、制御信号HINおよびLINを生成する。レベルシフタ230は、制御信号HINをレベルシフトし、ハイサイドドライバ210に供給する。また制御信号LINはローサイドドライバ220に直接供給される。フィードバック回路320とローサイドドライバ220の間に、ダミーのレベルシフタを挿入してもよい。 The feedback circuit 320 generates a PWM signal whose duty cycle is adjusted so that the feedback voltage VFB approaches a predetermined reference voltage VREF . The feedback circuit 320 generates control signals HIN and LIN in response to the PWM signal. The level shifter 230 level-shifts the control signal HIN and supplies it to the high-side driver 210. The control signal LIN is also directly supplied to the low-side driver 220. A dummy level shifter may be inserted between the feedback circuit 320 and the low-side driver 220.
降圧コンバータ500はダイオード整流型であってもよく、その場合、ローサイドトランジスタMLに代えて整流ダイオードが接続され、ローサイドドライバ220は省略される。 The step-down converter 500 may be a diode rectifier type, in which case a rectifier diode is connected instead of the low-side transistor ML, and the low-side driver 220 is omitted.
降圧コンバータ500は車載用であってもよい。この場合、電源ピンVCCには、電源電圧VCCとしてバッテリ電圧VBATが供給される。車載バッテリの電圧VBATは、12~14Vを定格とするが、バッテリ電圧VBATが4.5V以下まで低下した場合であっても、降圧コンバータ500が動作を維持することが求められる場合がある。 The step-down converter 500 may be for use in a vehicle. In this case, the power supply pin VCC is supplied with a battery voltage V BAT as the power supply voltage VCC. The voltage V BAT of the vehicle battery is rated at 12 to 14 V, but there are cases where the step-down converter 500 is required to continue operating even if the battery voltage V BAT drops to 4.5 V or lower.
図6の降圧コンバータ500によれば、上述した地絡検出回路240を用いることで、バッテリ電圧VBATが低下した状態においても地絡を検出することが可能となる。 According to the step-down converter 500 of FIG. 6, by using the above-mentioned ground fault detection circuit 240, it becomes possible to detect a ground fault even in a state where the battery voltage V BAT is low.
(付記)
本明細書には以下の技術が開示される。
(Additional Note)
The present specification discloses the following techniques:
(項目1)
電源ライン、出力ラインおよび接地ラインと、
前記電源ラインの入力電圧よりも低い定電圧が発生する定電圧ラインと、
前記電源ラインと出力ラインの間に接続されたハイサイドトランジスタおよび前記出力ラインと前記接地ラインの間に接続されたローサイドトランジスタを含む出力段と、
前記出力ラインの地絡を検出する地絡検出回路と、
を備え、
前記地絡検出回路は、
前記電源ラインと接続された第1端を有する第1抵抗と、
前記電源ラインと接続された第1端を有する第2抵抗と、
前記第1抵抗の第2端と前記出力ラインの間に接続され、前記ハイサイドトランジスタがオンであるときにオンとなる第1スイッチと、
電流源と、
前記第1抵抗の前記第2端と接続された第1電極を有し、前記電流源と接続された制御電極および第2電極を有するP型の第1トランジスタと、
前記第2抵抗の前記第2端と接続された第1電極を有し、前記第1トランジスタの前記制御電極と接続された制御電極を有するP型の第2トランジスタと、
前記第2トランジスタに流れる電流を折り返す複数段のカレントミラー回路を含み、前記定電圧を電源電圧として動作する、カレントミラー群と、
前記カレントミラー群の出力ノードと前記接地ラインの間に接続された第3抵抗と、
前記第3抵抗の電圧降下と、所定のしきい値電圧との比較結果にもとづき、地絡検出信号を生成する判定回路と、
を備える、半導体集積回路。
(Item 1)
A power supply line, an output line and a ground line;
a constant voltage line generating a constant voltage lower than the input voltage of the power supply line;
an output stage including a high-side transistor connected between the power supply line and an output line and a low-side transistor connected between the output line and the ground line;
a ground fault detection circuit for detecting a ground fault in the output line;
Equipped with
The ground fault detection circuit includes:
a first resistor having a first end connected to the power supply line;
a second resistor having a first end connected to the power supply line;
a first switch connected between the second end of the first resistor and the output line, the first switch being turned on when the high-side transistor is turned on;
A current source;
a first transistor of P type having a first electrode connected to the second end of the first resistor, and having a control electrode and a second electrode connected to the current source;
a second transistor of P type having a first electrode connected to the second end of the second resistor and having a control electrode connected to the control electrode of the first transistor;
a current mirror group including a multi-stage current mirror circuit that folds back a current flowing through the second transistor and operates using the constant voltage as a power supply voltage;
a third resistor connected between the output node of the current mirror group and the ground line;
a determination circuit that generates a ground fault detection signal based on a result of comparing a voltage drop across the third resistor with a predetermined threshold voltage;
A semiconductor integrated circuit comprising:
(項目2)
前記地絡検出回路は、前記第1抵抗の第2端と前記電源ラインの間に接続され、前記ローサイドトランジスタがオンであるときにオンとなる第2スイッチをさらに備える、項目1に記載の半導体集積回路。
(Item 2)
2. The semiconductor integrated circuit according to item 1, wherein the ground fault detection circuit further includes a second switch connected between a second end of the first resistor and the power supply line and turned on when the low-side transistor is on.
(項目3)
前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタはバイポーラトランジスタであり、前記ハイサイドトランジスタ、前記ローサイドトランジスタおよび前記カレントミラー群は、MOSトランジスタである、項目1または2に記載の半導体集積回路。
(Item 3)
3. The semiconductor integrated circuit according to item 1, wherein the first transistor and the second transistor are bipolar transistors, and the high-side transistor, the low-side transistor, and the current mirror group are MOS transistors.
(項目4)
前記第1トランジスタ、前記第2トランジスタ、前記ハイサイドトランジスタ、前記ローサイドトランジスタおよび前記カレントミラー群は、MOSトランジスタである、項目1または2に記載の半導体集積回路。
(Item 4)
3. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the first transistor, the second transistor, the high-side transistor, the low-side transistor, and the current mirror group are MOS transistors.
(項目5)
オーディオD級アンプである、項目1から4のいずれかに記載の半導体集積回路。
(Item 5)
5. The semiconductor integrated circuit according to any one of items 1 to 4, which is an audio class D amplifier.
(項目6)
スイッチングレギュレータである、項目1から4のいずれかに記載の半導体集積回路。
(Item 6)
5. The semiconductor integrated circuit according to any one of items 1 to 4, which is a switching regulator.
(項目7)
車載用である、項目1から6のいずれかに記載の半導体集積回路。
(Item 7)
7. The semiconductor integrated circuit according to any one of items 1 to 6, which is for in-vehicle use.
(項目8)
最低動作電圧が4.5V以下である、項目7に記載の半導体集積回路。
(Item 8)
8. The semiconductor integrated circuit according to item 7, wherein the minimum operating voltage is 4.5 V or less.
本開示に係る実施形態について、具体的な用語を用いて説明したが、この説明は、理解を助けるための例示に過ぎず、本開示あるいは請求の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって規定されるものであり、したがって、ここでは説明しない実施形態、実施例、変形例も、本発明の範囲に含まれる。 Although specific terms have been used to describe the embodiments of the present disclosure, this description is merely an example to aid understanding and does not limit the scope of the present disclosure or the claims. The scope of the present invention is defined by the claims, and therefore, embodiments, examples, and modifications not described herein are also included within the scope of the present invention.
本開示は、半導体集積回路に関する。 This disclosure relates to semiconductor integrated circuits.
200 半導体集積回路
210 ハイサイドドライバ
220 ローサイドドライバ
230 レベルシフタ
MH ハイサイドトランジスタ
ML ローサイドトランジスタ
VCC 電源端子
SW スイッチング端子
GND 接地端子
BS ブートストラップ端子
202 電源ライン
203 定電圧ライン
204 出力ライン
206 接地ライン
208 ブートストラップライン
209 整流素子
240 地絡検出回路
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
R1 第1抵抗
R2 第2抵抗
R3 第3抵抗
Q1 第1トランジスタ
Q2 第2トランジスタ
242 電流源
244 カレントミラー群
246 レベルシフタ
250 判定回路
252 コンパレータ
254,256 フィルタ
258 ANDゲート
200C オーディオIC
200D コントローラIC
400 オーディオシステム
402 スピーカ
404 フィルタ
410 バッテリ
500 降圧コンバータ
502 入力ライン
504 出力ライン
510 主回路
200 Semiconductor integrated circuit 210 High-side driver 220 Low-side driver 230 Level shifter MH High-side transistor ML Low-side transistor VCC Power supply terminal SW Switching terminal GND Ground terminal BS Bootstrap terminal 202 Power supply line 203 Constant voltage line 204 Output line 206 Ground line 208 Bootstrap line 209 Rectifier element 240 Ground fault detection circuit SW1 First switch SW2 Second switch R1 First resistor R2 Second resistor R3 Third resistor Q1 First transistor Q2 Second transistor 242 Current source 244 Current mirror group 246 Level shifter 250 Judgment circuit 252 Comparator 254, 256 Filter 258 AND gate 200C Audio IC
200D Controller IC
400 Audio system 402 Speaker 404 Filter 410 Battery 500 Step-down converter 502 Input line 504 Output line 510 Main circuit
Claims (8)
前記電源ラインの入力電圧よりも低い定電圧が発生する定電圧ラインと、
前記電源ラインと出力ラインの間に接続されたハイサイドトランジスタおよび前記出力ラインと前記接地ラインの間に接続されたローサイドトランジスタを含む出力段と、
前記出力ラインの地絡を検出する地絡検出回路と、
を備え、
前記地絡検出回路は、
前記電源ラインと接続された第1端を有する第1抵抗と、
前記電源ラインと接続された第1端を有する第2抵抗と、
前記第1抵抗の第2端と前記出力ラインの間に接続され、前記ハイサイドトランジスタがオンであるときにオンとなる第1スイッチと、
電流源と、
前記第1抵抗の前記第2端と接続された第1電極を有し、前記電流源と接続された制御電極および第2電極を有するP型の第1トランジスタと、
前記第2抵抗の前記第2端と接続された第1電極を有し、前記第1トランジスタの前記制御電極と接続された制御電極を有するP型の第2トランジスタと、
前記第2トランジスタに流れる電流を折り返す複数段のカレントミラー回路を含み、前記定電圧を電源電圧として動作する、カレントミラー群と、
前記カレントミラー群の出力ノードに接続された第3抵抗と、
前記第3抵抗の電圧降下と、所定のしきい値電圧との比較結果にもとづき、地絡検出信号を生成する判定回路と、
を備える、半導体集積回路。 A power supply line, an output line and a ground line;
a constant voltage line generating a constant voltage lower than the input voltage of the power supply line;
an output stage including a high-side transistor connected between the power supply line and an output line and a low-side transistor connected between the output line and the ground line;
a ground fault detection circuit for detecting a ground fault in the output line;
Equipped with
The ground fault detection circuit includes:
a first resistor having a first end connected to the power supply line;
a second resistor having a first end connected to the power supply line;
a first switch connected between the second end of the first resistor and the output line, the first switch being turned on when the high-side transistor is turned on;
A current source;
a first transistor of P type having a first electrode connected to the second end of the first resistor, and having a control electrode and a second electrode connected to the current source;
a second transistor of P type having a first electrode connected to the second end of the second resistor and having a control electrode connected to the control electrode of the first transistor;
a current mirror group including a multi-stage current mirror circuit that folds back a current flowing through the second transistor and operates using the constant voltage as a power supply voltage;
a third resistor connected to the output node of the current mirror group;
a determination circuit that generates a ground fault detection signal based on a result of comparing a voltage drop across the third resistor with a predetermined threshold voltage;
A semiconductor integrated circuit comprising:
Applications Claiming Priority (2)
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| JP2021022818A (en) * | 2019-07-26 | 2021-02-18 | 東芝デバイス&ストレージ株式会社 | Driver circuit with overcurrent protection function and method for controlling driver circuit with overcurrent protection function |
-
2025
- 2025-01-07 WO PCT/JP2025/000128 patent/WO2025154570A1/en active Pending
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