电子控制装置的制作方法

本发明涉及进行汽车的发动机等的控制的电子控制装置，特别涉及对于从安装于控制对象的各种传感器和操作开关(以下记作传感器等)对电子控制装置输入的信号路径，具有用于保护内部电路和传感器等不受浪涌和蓄电池连接异常影响的保护单元的电子控制装置。

背景技术：

近年来，汽车的性能提高显著，与此同时车辆中搭载的电子控制装置的数量增加。另一方面，为了由轻量化实现的燃耗改善和确保车厢空间，能够对电子控制装置分配的车内空间减少，要使电子控制装置小型化这样的要求正在增强。

作为使电子控制装置小型化的方法，使作为单独元件安装在印刷基板上的元件集成为集成电路(IC)的方法是有效的。特别是，上述电阻器和电容器构成的保护电路对于数十个输入端子分别安装，所以其安装需要相当大的印刷基板面积，将其集成而实现的小型化效果显著。

但是，要将该保护电路集成的情况下，因为以下理由而存在电容器的集成困难的课题。即，上述现有的保护电路中使用的电容器，为了吸收浪涌的能量而需要一定以上的电容值(例如数十～数百nF)。但是，要在IC内实现这样大容量的电容器时需要非常大的芯片面积，存在与集成实现的小型化的优势相比成本不合的课题。

作为应对该课题的保护电路的方式，例如，已知如专利文献1的图8所示的、在输入端子与电源/GND之间配置有二极管的保护电路。通过在保护电路中使用二极管，不是自身吸收浪涌的能量，而是采用将其释放至电源/GND的动作，能够抑制二极管自身需要的能量耐量。元件的能量耐量大致与芯片上的面积成比例，所以能够抑制保护电路所需的芯片面积，能够抑制成本。

另外，作为类似的结构，一般也使用了使用ggMOS(栅极接地金属氧化物半导体晶体管)或晶闸管结构代替二极管的方式。作为使用包括二极管的这些元件的保护电路中的共同点，可以列举在通常时各元件内的PN结受到反向偏压，在施加浪涌时PN结受到正向偏压，或者MOS结构或晶闸管结构成为导通而进行将浪涌释放至电源或GND、或吸收的动作这一点。

但是，这些保护电路方式对于施加浪涌是有效的，但不能够直接应对蓄电池连接异常导致的施加负电压。即，对输入端子经由传感器等施加极性相反的Vb电源时，无法阻止从GND向输入端子流过大电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-3072076号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明的目的在于提供一种电子控制装置，其具有能够对于施加浪涌和蓄电池连接异常双方保护内部电路和传感器等、并且可集成的保护电路。

用于解决课题的技术方案

电子控制装置的特征为，包括：能够与外部的传感器和开关连接的输入端子；和用于内部电路的供电的电源配线和GND配线，在所述输入端子与所述电源配线或GND配线之间连接有包含PN结的保护元件，在所述保护元件与所述电源配线或GND配线之间还串联连接有保护电阻器。

发明效果

根据本发明，能够提供一种电子控制装置，其具有能够对于施加浪涌和蓄电池连接异常双方保护内部电路和传感器等、并且可集成的保护电路。

附图说明

图1是表示电子控制装置和传感器等的一般的电路结构的电路框图。

图2是表示对图1所示的电子控制装置施加浪涌时的影响的图。

图3是表示图1所示的电子控制装置中发生蓄电池连接异常时的影响的图。

图4是表示现有的电子控制装置中使用的保护电路的结构例的电路框图。

图5是表示将现有的集成保护电路应用于电子控制装置时的结构的电路框图。

图6是表示第一实施方式中的电子控制装置1的结构的电路框图。

图7是表示静电引起的浪涌施加条件的例子的图。

图8是表示第一实施方式中的实现方式下的集成保护电路41的截面结构的图。

图9是表示第一实施方式中的实现方式下的集成保护电路41的截面结构的图。

图10是表示第二实施方式中的电子控制装置1的结构的电路框图

具体实施方式

[电子控制装置的概要]

以往，作为高度控制汽车的发动机等的单元，使用从与发动机等的控制对象连接的各种传感器等输入控制对象的状态、从操作开关输入来自驾驶员的操作，按内部的微型计算机等运算单元得到的运算结果对控制对象中搭载的致动器等进行操作从而实现要求的控制的电子控制装置。

这样的电子控制装置具有输入端子，在该输入端子上连接上述传感器等，进行规定的信号的输入。在图1中示出表示电子控制装置和传感器等的一般的连接结构的图。其中，图1中因为纸面的原因，传感器等和与其对应的输入端子仅示出了各1个，但实际上一般安装数十个传感器等与输入端子的组合。

一般而言，电子控制装置连接有与蓄电池(大多情况下为标定电压12V的铅蓄电池)的正电位连接的配线(以下记作Vb电源)和与负电位连接的配线(以下记作GND)作为其电源，成为内部的电路用经由内部的电源电路生成的低电压的内部电源进行动作的结构。另外，传感器等有用电子控制装置的内部电源进行动作的(未图示)，也有如图1所示地不经由电子控制装置而是与Vb电源连接进行动作的。

[对电子控制装置施加的异常输入]

以上是关于电子控制装置的概要，但对该输入端子施加的不仅有规定的信号，有时也会施加异常的输入。该异常的输入可能是各种各样的，主要的可以列举施加浪涌(图2)和蓄电池连接异常(图3)。

[施加浪涌及其影响]

施加浪涌指的是车辆组装、维护时等从人体等受到的静电、和使用时等从附近的装置等经由电磁、电容耦合受到的脉冲浪涌等的施加。以下将其合记作“浪涌”。

另一方面，在电子控制装置的内部，使用了微型计算机等用微细加工技术制造的、对浪涌的耐性不高的电路(以下记作内部电路)。如果采用将电子控制装置的输入端子与这些内部电路直接连接的结构，则存在内部电路被浪涌破坏、不能进行正确动作的风险。

[用保护电路进行浪涌保护]

为了防止该情况，一般在输入输出端子与内部电路之间具备保护电路。即使对输入输出端子施加浪涌，也能够如图2所示地由保护电路将该浪涌释放至电源或GND、或者吸收，从而防止对内部电路产生影响。

[蓄电池连接异常及其影响]

另外，蓄电池连接异常指的是用作Vb电源的蓄电池在维护时误将极性相反地连接等连接异常。发生这样的连接异常的情况下，Vb电源相对于GND成为相反极性(负电压)，从GND向Vb电源流过异常电流。

该异常电流的路径如图3所示可以考虑各种路径。一般而言，多采取对策使通过电源电路的路径的异常电流在电源电路内被切断，但经由输入端子的路径的异常电流需要另外采取对策。如果不切断经由输入端子的路径的异常电流，则存在连接的传感器等被大电流破坏的风险。另外，即使传感器等没有被破坏，在保护电路自身因烧毁等而被破坏的情况下，也不再能够对在其他机会施加的浪涌进行保护。

[用保护电路进行蓄电池连接异常保护]

为了防止该情况，上述保护电路一般也具备切断经由该输入端子的异常电流的功能。即，即使对输入输出端子施加相反极性的Vb电源，也能够通过保护电路切断大电流，而防止对连接的传感器等产生影响。

[现有的保护电路]

如上所述的保护电路能够用各种方式实现，但以往使用例如图4所示的使用了电阻器和2个电容器的保护电路。该保护电路具有在施加浪涌时用电容器C1和C2吸收浪涌的能量、并且在蓄电池连接异常时R1切断从内部电路向输入端子的异常电流的功能，能够用该保护电路保护内部电路和传感器等不受浪涌和蓄电池连接异常影响。一般而言，这些电阻器和电容器作为个别元件安装在印刷基板上。在图5中示出表示将现有的集成保护电路应用于电子控制装置时的结构的电路框图。

以下参考附图说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

以下，对于本发明的第一实施方式的电子控制装置，用图6进行说明。图6是表示本发明的第一实施方式中的电子控制装置1的结构的电路框图。

[电子控制装置1的结构]

电子控制装置1中，传感器等2经由输入配线91与输入端子81连接，蓄电池3的正极经由Vb电源配线92与Vb电源端子82连接，蓄电池3的负极经由GND配线93与GND端子83连接，并且，其内部由保护电路4和内部电路5、和电源电路6、和未图示的输出电路构成。另外，传感器等与Vb电源配线92和GND配线93、和输入配线91连接。

保护电路4由二极管D1和D2、保护电阻器R1和R2、电容器C1和C2构成，在输入端子81与内部电源94之间串联地插入二极管D1和保护电阻器R1，在输入端子81与GND配线93之间串联地插入二极管D2和保护电阻器R2。另外，在二极管D1与保护电阻器R1之间的配线95与GND配线93之间插入电容器C1，在二极管D2与保护电阻器R2之间的配线96与GND配线93之间插入电容器C2。其中，用虚线49包围的部分是集成为集成电路的部分(后述)。

内部电路5由微型计算机等构成，与输入端子91、内部电源94、GND配线93和未图示的输出电路连接。电源电路6与Vb电源配线92、GND配线93和内部电源94连接。另外，未图示的输出电路经由未图示的输出端子与未图示的致动器连接。

[通常动作时的动作]

首先，说明通常动作时的电子控制装置1和保护电路4的动作。如“背景技术”所述，电子控制装置1的作用是与未图示的控制对象的状态和来自驾驶员的输入相应地进行控制运算，经由未图示的致动器实现要求的控制。为了实现这一点，电子控制装置1等进行以下动作。

传感器等2对输入配线91输出与控制对象的状态或来自驾驶员的输入相应的信号。内部电路5通过输入端子81从输入配线91读取该信号，用内部的微型计算机等进行控制运算，经由未图示的输出电路驱动致动器，进行要求的控制。另外，电源电路6用从Vb电源配线92得到的比较高电压(14[V]左右)的Vb电源，生成适合内部电路动作的电压(5[V]、3.3[V]等)的内部电源，对内部电源配线94供电。

此处，保护电路4不进行积极的动作，使来自输入端子81的信号直接通过而对内部电路5传达。这是因为要求保护电路4在通常时对输入的信号不进行干涉，仅在后述的异常时动作而进行保护动作。

具体而言，通常时输入配线91的电位Vin处于GND电位与内部电源的电位Vcc之间，所以二极管D1和D2受到反向偏压而不流过电流。另外，在电源接入最初电容器C1通过保护电阻器R1充放电至内部电源的电位Vcc，电容器C2通过保护电阻器R2充放电至GND电位。充放电收敛后稳定在该状态，不流过电流。

[对电子控制装置施加的浪涌]

如“背景技术”所述，施加的浪涌中存在来自人体等的静电和从附近的装置等经由电磁、电容耦合而受到的脉冲浪涌，具有高电压但持续时间短、并且浪涌源的阻抗比较高这样的特征。

例如，作为面向汽车设备的静电试验标准的ISO10605中，作为车载设备可承受的静电施加条件之一，示出了充电至±8[kV]的电容330[pF]的蓄电电容器Cs的电荷通过电阻值2[kΩ]的放电电阻Rs对输入配线91和输入端子81施加的条件。在图7中，示出表示该浪涌源7与电子控制装置1的关系的图。

施加了这样的浪涌的情况下，电子控制装置1内的保护电路4通过使该浪涌释放至内部电源配线94或GND配线93而保护内部电路5。此时的动作在施加正电压的浪涌时和施加负电压的浪涌时不同，所以以下对其分别说明。

[施加正电压浪涌时的保护电路4的动作]

对输入端子81施加正电压的浪涌时，输入配线91的电位Vin比内部电源的电位Vcc高，二极管D1受到正向偏压而在正向流过浪涌电流，该浪涌电流流入电容器C1。

此时，输入配线91的电位Vin被限制为对电容器C1的电压Vc1加上二极管D1的正向电压Vf1得到的电压。二极管D1的正向电压Vf1一般能够限制在数十V以下，电容器C1的Vc1的电压也能够通过使电容器C1的容量充分大而得到抑制，所以结果能够将输入配线91的电位Vin抑制为比浪涌源7的蓄电电容器Cs的充电电压更低的电压，能够保护内部电路5。

另外，施加浪涌不限于仅有1次，所以需要使受浪涌充电的电容器C1的电荷迅速放电。这通过对内部电源的配线94通过保护电阻器R1放电而实现。

[施加负电压浪涌时的保护电路4的动作]

对输入端子81施加负电压的浪涌的情况下，输入配线91的电位Vin比GND电位低，二极管D2受到正向偏压而在正向流过浪涌电流，该浪涌电流从电容器C2流出。

此时，输入配线91的电位Vin被限制为对电容器C2的电压Vc2加上二极管D2的正向电压Vf2得到的电压。由此，能够与施加正电压浪涌时同样地将输入配线91的电位Vin抑制为比浪涌源7的蓄电电容器Cs的充电电压低的电压，能够保护内部电路5。另外，受浪涌充电的电容器C2的电荷通过保护电阻器R2对GND配线93放电。

以上是施加浪涌时的保护电路4的动作。

[关于电容器C1和C2的电容的制约]

以上说明中，叙述了电容器C1和C2的容量需要充分大，对于关于该电容值的制约进行说明。

关于电容器C1和C2的电容值，在设预想对电子控制装置施加的浪涌的最大电荷量为Qs[C]，内部电路和传感器等的输入端子的耐压与二极管D1和D2的耐压中较低一方为Vmax时，上述电容器的电容Cs需要满足不等式[Cs≥Qs/Vmax]。

这是因为电容器C1或C2因施加浪涌而充电，其充电电压增大时输入端子81的电压也与其相应地升高，超过内部电路和电容器等的输入端子81的耐压、和受到反向偏压一方的二极管(施加正电压浪涌时为D2，施加负电压浪涌时为D1)的耐压中的某一方时存在将其破坏的风险。

举出具体数值，浪涌的电荷量Qs例如在如图7举出的静电施加条件下，是蓄电电容器Cs的电容值(330pF)与充电电压(8kV)的积即约2.64[nC]。另外，对于内部电路和传感器等的输入端子的耐压和上述PN结的耐压，依赖于使用的传感器和内部电路、保护电路中使用的部件和半导体工艺，但特别在半导体中为了确保大于100V的耐压而需要特殊工艺，成本提高，所以本实施例中设Vmax为100[V]。

此时，根据以下计算式可知电容器C1和C2的电容值Cs需要0.264[μF]以上。

[Cs≥Qs/Vmax＝2.64[nC]/100[V]＝0.0264[μF]]

[蓄电池连接异常时的保护电路4的动作]

接着，说明作为蓄电池连接异常、蓄电池3极性相反地连接的情况下的保护电路4的动作。蓄电池3极性相反地连接时，Vb电源相对于GND电位成为相反极性(负电压)，从GND配线93向Vb电源配线92流过异常电流，所以需要将其抑制为充分小的值。

此处，假设通过电源电路6的路径的异常电流能够在电源电路6内切断。另外，关于从GND配线93通过内部电路5到达输入端子81的路径，因为内部电路5的输入一般是高阻抗，所以能够在此处切断异常电流。

剩余的是从GND配线93通过保护电路4到达输入端子81的路径，存在通过电容器C2和二极管D2的路径1、和通过保护电阻器R2和二极管D2的路径2。此处，对于路径1，因为电容器C2不能直流地通过电流，所以能够切断异常电流。另外，对于路径2，能够使保护电阻器R2的电阻值Rp为充分高的值从而将异常电流抑制为较低的值。

根据以上所述，能够在所有可能的路径将蓄电池连接异常导致的异常电流抑制为充分小的值，能够保护传感器等2和保护电路4自身。

[关于保护电阻器R2的电阻值的制约]

以上说明中，叙述了保护电阻器R2的电阻值Rp需要充分大，对于关于该电阻值的制约进行说明。

保护电阻值R2的电阻值Rp，在设蓄电池电压为Vb、包含保护电阻器R2的封装体的容许损耗为P时，需要满足不等式[Rp≥Vb×Vb/P]。这是因为电阻值Rp较小时保护电阻器R2中流过的异常电流较大，超过封装体的容许损耗P时会导致保护电阻器R2烧毁等，存在丧失对在其他机会施加的浪涌的保护能力的风险。

举出具体数值，蓄电池电压Vb在用发电机对蓄电池3充电时成为比较高的电压，该电压一般是14[V]左右。另外，包含保护电阻器R2的封装体的容许损耗P取决于使用的封装体，但一般而言超过1[W]时需要特别的散热结构，成本提高，所以本实施例中设容许损耗P为1[W]。

此时，根据以下计算式可知保护电阻器R2的电阻值Rp需要196[Ω]以上。

[Rp≥Vb×Vb/P＝14[V]×14[V]/1[W]＝196[Ω]]

[关于保护电阻器R2的电阻值的其他制约]

另外，关于保护电阻器R2的电阻值的制约在该制约以外，也存在能够将异常电流抑制为比容许从输入配线91对传感器等2流入的电流值更小的值这一重要的制约，这很大程度上依赖于选定的传感器等2的规格，难以一概而论地决定，所以此处不计算其数值。

以上是本实施方式中的电子控制装置1中施加浪涌时和蓄电池连接异常时的保护电路4的动作。

[保护电路4在集成电路中的实现方式(体硅)]

接着，说明为了电子控制装置1的小型化而将保护电路4的一部分集成在体硅芯片中时的安装方式。集成的对象是图6中41所示的虚线内部示出的元件、即二极管D1、D2和保护电阻器R1、R2。此后，将41的虚线内的保护电路记作集成保护电路41。另外，C1和C2如“发明要解决的课题”所述不适合在集成电路中安装，所以此处不包括在集成保护电路41的对象内。

首先，对于本实现方式的集成保护电路41的截面结构，用图8进行说明。图8是表示本安装方式的集成保护电路41的截面结构的图。

集成保护电路41大体分为形成半导体元件的器件层42和配线层43，在器件层42形成二极管D1和二极管D2，在配线层43形成保护电阻器R1和R2和连接集成保护电路41内外的元件的配线。

对器件层42的结构进行详细说明，首先，器件层42整体以p型半导体的p-sub(p型衬底)区域421作为衬底，在其中形成n型区域422、进而在其内部形成p型区域423而用其界面的PN结构成二极管D1。另外，在其他场所形成n型区域424、进而在其内部形成p型区域425、进而在内部形成n型区域426，用p型区域425与n型区域426的界面的PN结构成二极管D2。

另外，在配线层43中用多晶硅配线形成保护电阻器R1和R2，并且形成用于与集成保护电路41的外部连接的端子431。

[用使用PN结的分离层分离GND配线与保护元件]

这些元件在配线层43内基本上与图6的电路框图同样地连接，但存在两个追加的连接。第一个追加连接，是p-sub区域421在配线层与GND配线93连接这一点。这是因为p-sub区域421与哪一个电位都不连接时，存在周围的元件和配线之间通过浮游电容和寄生二极管造成不良影响的可能性，所以需要使电位固定。

第二个追加连接，是n型区域424与配线95连接这一点。由此，n型区域424通过保护电阻器R1偏压为内部电源电位Vcc，n型区域424与p-sub区域421之间的PN结4251、和n型区域424与p型区域425之间的PN结4252双方受到反向偏压，由此起到使p-sub区域421与二极管D2分离的分离层的作用。

如果该分离层不存在，则二极管D2的阳极即p型区域425会经由p-sub区域421与GND配线93导通，在蓄电池连接异常时不能用保护电阻器R2抑制异常电流。由于存在该分离层，而能够确保二极管D2与GND配线93之间的绝缘，使保护电阻器R2有效地发挥作用。

以上是将集成保护电路41集成在体硅芯片中时的安装方式。

[保护电路4在集成电路中的其他安装方式(SOI)]

接着，作为集成保护电路41的集成的其他方式，说明在SOI(Silicon On Insulator：绝缘层上硅)的芯片中集成时的安装方式。

首先，对于本实现方式的集成保护电路41的截面结构，用图9进行说明。图9是表示本实现方式的集成保护电路41的截面结构的图。

集成保护电路41大体分为衬底层44、BOX层45、SOI层46和配线层43，在SOI层46形成二极管D1和D2，在配线层43形成保护电阻器R1和R2、和连接集成保护电路41内外的元件的配线。

衬底层44由硅构成，具有作为上部的层的衬底的作用，在本电路中不形成电路元件和配线。BOX层45也称为氧化膜层，由硅氧化膜构成。该层具有使基板层42与上部的SOI层46电绝缘的作用，该层存在是SOI芯片的特征。SOI层46由硅构成，相当于在体硅中安装时的器件层42，是形成半导体元件的层。另外，配线层43是与在体硅中安装时的配线层43相同的结构。

对SOI层46的结构进行详细说明，首先，SOI层46整体由p型半导体区域461构成基础，在其中夹着槽状氧化物469形成n型区域462、进而在其内部形成p型区域463而用其界面的PN结构成二极管D1。另外，在其他场所同样夹着槽状氧化物469形成p型区域465、进而在其内部形成n型区域466，用p型区域465与n型区域466的界面的PN结构成二极管D2。

这些元件在配线层43内基本上与图6的电路框图同样地连接。但是作为追加连接，p型半导体区域461和基板层42为了固定电位而与GND配线93连接。

[用BOX层45和槽状氧化物469使GND配线与保护元件分离]

本实现方式中，二极管D2与GND配线93之间的绝缘，通过BOX层45和槽状氧化物469实现。本实现方式与在体硅中安装时用反向偏压的PN结实现的绝缘方式相比，寄生电容更小，并且寄生元件引起的不良影响的风险较小等，能够确保更高的绝缘性能。

以上是将集成保护电路41集成在SOI芯片中时的安装方式。

(第二实施方式)

接着，对于本发明的第二实施方式的电子控制装置，从与第一实施方式中的结构的差异方面进行说明。图10是表示本实施方式中的电子控制装置1的结构的电路框图。

本实施方式中的电子控制装置1，具有基本上与第一实施方式中的电子控制装置1相同的结构，但在保护电路4、特别是集成保护电路41内形成有追加的电路。即，在二极管D1、D2和保护电阻器R1、R2的后级，形成有保护电阻器R3、二极管D3和D4。

[通常动作时的保护电路4的动作]

首先，说明通常动作时的保护电路4的动作。通常动作时的动作在本实施方式中也与第一实施方式的基本上相同。即，保护电路4不进行积极的动作，使来自输入端子81的信号直接通过而对内部电路5传达。具体而言，通常时输入配线91的电位Vin处于GND电位与内部电源的电位Vcc之间，所以二极管D1和D2以及D3和D4都受到反向偏压而不流过电流，对输入信号不进行干涉。

[施加浪涌时的保护电路4的动作]

施加浪涌时，与第一实施方式共通的部分、即二极管D1、D2、保护电阻器R1、R2和电容器C1、C2的动作不变。不同的部分在于追加部分即保护电阻器R3、二极管D3和D4进一步实现追加的保护功能这一点。

即，如第一实施例所述，施加浪涌时的输入配线91的电位Vin被二极管D1或D2抑制在数十V以下，但本实施例中通过如下所述的动作，能够将内部电路5的输入配线97的电位抑制在更低的电压。

即，施加正电压的浪涌时，二极管D3受到正向偏压，浪涌电流通过保护电阻器R3流向内部电源配线94。此时，在保护电阻器R3中电压下降，能够使输入配线97的电位与输入配线91的电位相比降低。

另外，施加负电压的浪涌时，二极管D4受到正向偏压，浪涌电流通过保护电阻器R3从GND配线93流过。此时，在保护电阻器R3中电压下降，能够使输入配线97的电位与输入配线91的电位相比升高(减小与GND电位的差)。

以上是本实施方式中的保护电路4的动作，能够通过该动作更有效地保护内部电路5。

其中，第一、第二实施方式中的保护电路4为了简化说明而记载了输入端子81为1个的情况，但对于输入端子的数量为2个以上的情况也能够同样适用。该情况下，能够采用使电容器C1和C2、保护电阻器R1和R2对于各输入端子共用的结构。

另外，如以上说明的各种变形例可以分别单独地应用，也可以任意组合地应用。

附图标记说明

1：电子控制装置，2：传感器等，3：蓄电池，4：保护电路，5：内部电路，6：电源电路，7：浪涌源

41：集成保护电路，42：器件层，43：配线层，44：基板层，45：BOX层，46：SOI层

D1、D2、D3、D4：二极管，R1、R2、R3：保护电阻器，C1、C2：电容器

81：输入端子，91：输入配线，92：Vb电源配线，93：GND配线，94：内部电源配线。