半导体器件、系统及控制方法、电荷泵电路、车辆与流程

相关申请的交叉引用

在此通过引用并入2016年3月9日提交的日本专利申请第2016-045322号公布内容的全部，包括说明书、附图和摘要。

本发明涉及半导体器件、电荷泵电路、半导体系统、车辆及半导体器件的控制方法,例如，涉及适用于防止由过电流流动导致晶体管及配线退化的半导体器件、电荷泵电路、半导体系统、车辆及半导体器件的控制方法。

背景技术：

日本未审查专利申请公布文献第2007-82364号公开了电荷泵电路的结构。所述电荷泵电路包括输出恒定电压的恒压输出电路、控制电路及由所述控制电路控制的升压电路，该升压电路具有输入单元，所述恒压输出电路的输出被提供至所述输入单元。进一步地，所述恒压输出电路包括过电流检测电路及过电流保护电路，所述过电流检测电路在等于或大于预定值的电流流动持续预定的时间段或更长的时间段的情况下检测出过电流，所述过电流保护电路基于所述过电流检测电路的检测结果执行保护所述恒压输出电路的操作。

技术实现要素：

在日本未审查专利申请公布文献第2007-82364号公开的电荷泵电路的结构中，仅仅提供检测过电流在恒压输出电路中流动的电路而不考虑所述过电流是否在对升压电路进行开关控制的控制电路中流动。因此，在所述控制电路的输出端与电源电压线短路(即，发生电源故障)的情况下，就不可能检测到所述过电流在控制电路中流动。那么，就会存在控制电路中设置的晶体管及配线退化的问题。根据本申请说明书的描述以及附图，其他问题及新颖性特征将变得明显。

根据一种实施方式，半导体器件包括：第一晶体管，其设置在高电位侧电压端和第一输出端之间，通过降低电源电压而产生的恒定电压提供至所述高电位侧电压端；第二晶体管，其设置在低电位侧电压端和所述第一输出端之间，参考电压提供至所述低电位侧电压端；控制电路，控制所述第一晶体管和所述第二晶体管的导通/断开；升压电路，通过使用所述第一输出端的电压来升高电源电压从而产生输出电压；及过电压检测电路，所述过电压检测电路检测使所述高电位侧电压端与所述第一晶体管相互连接的电源线路的过电压。所述控制电路，在所述过电压检测电路检测出所述过电压时，至少以断开所述第二晶体管这样的方式来控制所述第二晶体管。

根据另一实施方式，半导体器件的控制方法包括如下步骤：控制第一晶体管和第二晶体管中的每一个的导通/断开，从而定期地将第一输出端的电压切换为恒定电压或者参考电压，其中，所述第一晶体管设置在高电位侧电压端和第一输出端之间，通过降低电源电压而产生的恒定电压提供至所述高电位侧电压端，所述第二晶体管设置在低电位侧电压端和所述第一输出端之间，所述参考电压提供至所述低电位侧电压端；通过使用所述第一输出端的电压升高所述电源电压，从而产生输出电压；及至少以下述方式控制所述第二晶体管：当检测到使所述高电位侧电压端与所述第一晶体管相互连接的电源线路的过电压时，使所述第二晶体管断开。

根据所述实施方式，可提供可防止由过电流流动导致晶体管及配线退化或损坏的半导体器件、电荷泵电路、半导体系统、车辆及半导体器件的控制方法。

附图说明

图1示出了根据第一实施方式的包括电荷泵电路的半导体系统的结构示例。

图2示出了设置在图1所示的电荷泵电路中的过电压检测电路的具体的结构示例。

图3示出了图1中所示的半导体系统的变形例。

图4示出了根据第二实施方式的包括电荷泵电路的半导体系统的结构示例。

图5示出了图4中所示的半导体系统的变形例。

具体实施方式

以下结合附图对实施方式进行描述。由于附图是简化的，因此，实施方式的技术范围不应根据对附图的描述进行狭窄解释。相同的元件采用相同的附图标记，并且省略冗余的描述。

为了方便起见，根据需要，下文的实施方式可分为多个部分或多个实施方式进行描述。然而，除非另有说明，这些部分或实施方式不是彼此独立的，而是彼此关联的，其中一个部分或一种实施方式可以是另一部分或另一实施方式的一部分或整体的变形例、应用实例、具体描述、补充描述等。并且，在下面的实施方式中，当提及元件的数字(包括数目、数值、数量、范围等)时，该数字并不限于特定的数量，而是可以等于、多于或少于该特定的数量，除非另有特别说明或原理上显然该数字应限定为特定数量，或其它情形。

而且，在接下来的实施方式中，组成元件(包括操作步骤等)不总是必需的，除非另有特别说明或者原理上显然是必需的或其它情形。类似地，在接下来的实施方式中，当提及组成元件的形状、位置关系等时，可理解的是，与其形状等基本近似或类似的也包括在内，除非另有特别说明或者原理上显然不是，或其它别的情形。这也适用于上面的数字(包括数目、数值、数量、范围等)。

第一实施方式

图1示出了根据第一实施方式的包括电荷泵电路1的半导体系统sys1的结构示例。根据本实施方式的电荷泵电路1及包含所述电荷泵电路1的半导体系统sys1包括过电压检测电路，所述过电压检测电路用于检测由驱动控制电路的输出端的电源故障产生的过电压，所述驱动控制电路定期切换施加于升压电路的电容器元件c1的电压。当所述过电压检测电路检测到电源线路w1的过电压时，就迅速控制设置在驱动控制电路中输出级的晶体管tr1和tr2以使晶体管tr1和tr2断开。通过这种操作，根据本实施方式的电荷泵电路1及包含所述电荷泵电路1的半导体系统sys1可防止由于过电流流动导致晶体管及配线退化。以下进行具体描述。

如图1所示，所述半导体系统sys1包括电荷泵电路1及恒压产生电路cvg1。例如，所述半导体系统sys1安装在车辆上。

<恒压产生电路cvg1>

恒压产生电路cvg1降低电池的电源电压vbat以产生恒定电压vin。当电池安装在车辆上时，在多数情况下，电池的电源电压vbat通常是12v或者24v。在本实施方式中，作为例子，描述了恒定电压vin为7v，充分低于电源电压vbat的情况。电源电压vbat由电荷泵电路1和除了电荷泵电路1之外的周边电路(安装在车辆上的另外的电子器件)这两者使用，因此，电源电压vbat可处在高电压水平(例如，12v)或者电源电压可在较宽的范围内变化(例如，最大值为40v)。因此，通过使用恒压产生电路cvg1，例如，处在非常高的电压水平的电源电压vbat下降至电荷泵电路1中使用的电压水平，或者，例如，电压水平可在宽范围内变化的电源电压vbat稳定在可在电荷泵电路1中使用的电压水平。

<电荷泵电路1>

电荷泵电路1升高电源电压vbat以产生输出电压vout。

具体而言，电荷泵电路1包括位于半导体芯片(半导体器件)chp1上的二极管d1和d2、驱动控制电路10及过电压检测电路dt1，还包括位于所述半导体芯片chp1外部的电容器元件c1和c2。所述驱动控制电路10包括控制电路ctl1、栅极驱动电路dr1和dr2、晶体管tr1和tr2、电阻器元件r1和r2。进一步地，在所述半导体芯片chp1上，沿所述芯片的外周设有外部连接端子t1～t6。所述二极管d1、d2及电容器元件c1、c2形成升压电路。

向作为所述外部连接端子之一的高电位侧电压端t2提供由恒压产生电路cvg1产生的恒压电压vin。向作为所述外部连接端子之一的低电位侧电压端t6提供参考电压(本实施例中的接地电压gnd)。

晶体管tr1为p沟道mos晶体管，并且设置在所述高电位侧电压端t2与输出端(第一输出端)t3之间，所述输出端t3为所述外部连接端子之一。晶体管tr2为n沟道mos晶体管，并且设置在所述低电位侧电压端t6与所述输出端t3之间。

电阻器元件r1设置在所述晶体管tr1的栅极和源极之间。电阻器元件r2设置在所述晶体管tr2的栅极(控制端)和源极(第一端)之间。

控制电路ctl1为控制晶体管tr1和tr2导通/断开的电路。

具体而言，在升压操作期间，所述控制电路ctl1输出定期变化至h电平或l电平的控制信号s1和s2，所述控制信号s1和s2与定期变化至h电平或l电平的脉冲信号p1同步。

栅极驱动电路dr1根据所述控制信号s1产生驱动信号ds1，并将所述驱动信号ds1施加于晶体管tr1的栅极。在本实施例中，当控制信号s1处于h电平时，栅极驱动电路dr1将其输出置于高阻抗状态，并且当控制信号s1处于l电平时，栅极驱动电路dr1将驱动信号ds1设置在l电平。当栅极驱动电路dr1的输出处于高阻抗状态时，将恒定电压vin通过电阻器元件r1施加于晶体管tr1的栅极，从而使晶体管tr1断开。另一方面，当栅极驱动电路dr1的输出处于l电平时，使晶体管tr1导通。

栅极驱动电路dr2根据所述控制信号s2产生驱动信号ds2，并将所述驱动信号ds2施加于晶体管tr2的栅极。在本实施例中，当控制信号s2处于h电平时，栅极驱动电路dr2将驱动信号ds2设置在h电平，并且当控制信号s2处于l电平时，栅极驱动电路dr2将其输出置于高阻抗状态。当栅极驱动电路dr2的输出处于h电平时，使晶体管tr2导通。另一方面，当栅极驱动电路dr2的输出处于高阻抗状态时，将接地电压gnd通过电阻器元件r2施加于晶体管tr2的栅极，从而使晶体管tr2断开。

通过这种结构，在升压操作期间，晶体管tr1和tr2以互补的方式重复地导通、断开。实际上，优选的是，晶体管tr1和tr2以带有死区时间(deadtime)的互补的方式反复地导通及断开。换言之，当晶体管tr2从断开状态切换至导通状态时，优选的是，在晶体管tr1从导通状态切换至断开状态并且经过死区时间之后，晶体管tr2从断开状态切换至导通状态。类似地，当晶体管tr1从断开状态切换至导通状态时，优选的是，在晶体管tr2从导通状态切换至断开状态之后，并且死区时间过后，晶体管tr1从断开状态切换至导通状态。这一结构可以防止晶体管tr1和tr2同时瞬间处于导通状态，从而可防止由于贯穿电流(throw-current)流动导致晶体管tr1和tr2及配线退化或损坏。

例如，在晶体管tr1处于导通状态并且晶体管tr2处于断开状态的情况下，从输出端t3输出被提供至高电位侧电压端t2的恒定电压vin。另一方面，在晶体管tr1处于断开状态并且晶体管tr2处于导通状态的情况下，从输出端t3输出被提供至低电位侧电压端t6的接地电压gnd。也就是说，在升压操作期间，输出端t3的电压具有恒定电压vin值及接地电压gnd值的任何一个，所述恒定电压vin值及接地电压gnd值定期地进行切换。

向电压输入端t1(其为所述外部连接端子之一)提供来自电池的电源电压vbat。进一步地，将输出电压vout从电压输出端t5(其为所述外部连接端子之一)输出至外部。

从电压输入端t1至电压输出端t5正向设置二极管d1、d2，其中电源电压vbat从外部提供至所述电压输入端t1，所述电压输出端t5将输出电压vout输出至外部。外部连接端子t4与位于二极管d1和d2之间的节点n1连接。在接下来的描述中，为了简化描述，不考虑二极管d1和d2之间的正向电压。可选地，二极管d1和d2可由两个晶体管代替。在这种情况下，有必要以与二极管d1、d2的导通状态和断开状态的切换时序相同的时序切换两个晶体管的导通状态和断开状态。

电容器元件c1和c2设置在半导体芯片chp1的外部。具体而言，电容器元件c1设置在半导体芯片chp1的外部，位于外部连接端子t4和输出端t3之间。电容器元件c2设置在半导体芯片chp1的外部，位于电压输出端t5和接地电压端gnd之间。

输出端t3的电压通过电容器元件c1施加于二极管d1和d2之间的节点n1。

在电荷泵电路1的升压操作中，由二极管d1和d2及电容器元件c1和c2形成的升压电路通过使用驱动控制电路10的输出电压(输出端t3的电压)来升高电源电压vbat，从而产生输出电压vout。

具体而言，首先，控制电路ctl1控制以使晶体管tr1断开并且使晶体管tr2导通。这使接地电压gnd通过晶体管tr2从低电位侧电压端t6提供至输出端t3。并且，将电源电压vbat通过二极管d1从电压输入端t1提供至节点n1。也就是说，将接地电压gnd提供至电容器元件c1的一端，而将电源电压vbat提供至电容器元件c1的另一端。因此，对应于电源电压vbat的电荷充入电容器元件c1中。

其后，控制电路ctl1控制以使晶体管tr1导通并且使晶体管tr2断开。这使恒定电压vin通过晶体管tr1从高电位侧电压端t2提供至输出端t3。也就是说，提供至电容器元件c1一端的电压由接地电压gnd切换为恒定电压vin。由于此时对应于电源电压vbat的电荷已经充入电容器元件c1中，因此，电容器元件c1另一端的电压(节点n1处的电压)升高至通过在电源电压vbat上叠加恒定电压vin获得的电压水平。该升高的电压通过二极管d2提供至电压输出端t5，并作为输出电压vout输出至外部。通过电容器元件c2平滑所述输出电压vout。

在电荷泵电路1的升压操作中，这些操作是重复的。

<过电压检测电路dt1>

过电压检测电路dt1是检测电源线路w1上节点n2处的过电压的电路，所述电源线路w1将高电位侧电压端t2与晶体管tr1彼此连接。例如，在输出端t3与电源vbat线路短路(即，发生电源故障)的情况下，电流从输出端t3流向晶体管tr1的寄生二极管、电源线路w1及高电位侧电压端t2。因此，电源线路w1的电压水平超过了恒定电压vin。当电源线路w1的电压水平达到高于恒定电压vin的预定电压时，过电压检测电路dt1向控制电路ctl1输出表示产生了过电压的检测结果。

当过电压检测电路dt1检测到过电压时，控制电路ctl1强制终止升压操作，并控制晶体管tr1和tr2以使这两个晶体管tr1和tr2断开。这就防止了过电流流动导致晶体管tr1和tr2及配线的退化。特别地，由于非常大的电流流过晶体管tr2是很可能的，因此，检测电源线路w1的过电压并迅速断开晶体管tr2是非常有效的。

<过电压检测电路dt1的具体结构示例>

图2示出了过电压检测电路dt1的具体结构示例。

如图2所示，过电压检测电路dt1包括电阻器元件r11和r12、预定电压源vg1及比较器cmp1。

电阻器元件r11和r12串联地设置在电源线路w1上的节点n2与低电位侧电压端t6之间。比较器cmp1将电阻器元件r11和r12之间的节点n3处的电压(即，通过这些电阻器将电源线路w1上的电压进行分压而获得的电压)与预定电压源vg1输出的预定电压vc相比较。比较器cmp1的比较结果输出至控制电路ctl1，作为过电压检测电路dt1的检测结果。

例如，在节点n3处的电压低于预定电压源vg1输出的预定电压vc的情况下，比较器cmp1输出l电平的比较结果。所述l电平的比较结果输出至控制电路ctl1，作为表明还没有产生过电压的检测结果。在节点n3处的电压等于或者高于预定电压vc的情况下，比较器cmp1输出h电平的比较结果。所述h电平的比较结果输出至控制电路ctl1，作为表明产生了过电压的检测结果。

过电压检测电路dt1并不限于图2所示的电路结构，而是可适当变化为具有等同功能的另一结构。

如上所述，根据本实施方式的电荷泵电路1和包含所述电荷泵电路1的半导体系统sys1设有用于检测过电压的过电压检测电路，所述过电压由定期切换施加于升压电路的电容器元件c1的电压的驱动控制电路的输出端的电源故障产生。当过电压检测电路检测到过电压时，根据本实施方式的电荷泵电路1及包含所述电荷泵电路1的半导体系统sys1控制设置在驱动控制电路的输出级的晶体管tr1和tr2，从而迅速地断开晶体管tr1和tr2。通过这种操作，例如，根据本实施方式的电荷泵电路1及包含所述电荷泵电路1的半导体系统sys1可防止过电流流动导致的晶体管及配线退化。特别地，由于非常大的电流流过晶体管tr2是很可能的，因此，检测电源线路w1的过电压并迅速断开晶体管tr2是非常有效的。

在本实施方式中，作为例子描述了以下情况，其中，通过将栅极驱动电路dr1的输出设置成高阻抗状态从而断开晶体管tr1，并且通过将栅极驱动电路dr2的输出设置成高阻抗状态从而断开晶体管tr2。然而，所述结构并不限于此。可采用下述结构，在所述结构中，栅极驱动电路dr1输出h电平的驱动信号ds1以断开晶体管tr1，并且从栅极驱动电路dr2输出l电平的驱动信号ds2以断开晶体管tr2。在这种情况下，电阻器元件r1和r2不是必需的。但是，当发生异常时，例如，当检测到过电压时，在驱动电路dr1和dr2受到损害的情况下，优选的是，通过与驱动控制电路dr1和dr2分开设置的电阻器元件r1和r2更准确地断开晶体管tr1和tr2。

此外，在本实施方式中，作为例子描述了以下情况，其中，过电压检测电路dt1监测使高电位侧电压端t2与晶体管tr1彼此连接的电源线路w1上节点n2处的电压，从而检测过电压。然而，过电压检测电路dt1的结构并不限于此。过电压检测电路dt1可配置成直接监测输出端t3的电压，从而检测过电压。在这种情况下，应当注意的是，输出端t3的电压定期发生变化。

<半导体系统sys1的变形例>

图3示出了半导体系统sys1的变形例，作为半导体系统sys1a。当与半导体系统sys1相比较时，半导体系统sys1a包括替代电荷泵电路1的电荷泵电路1a。当与电荷泵电路1相比较时。电荷泵电路1a进一步包括晶体管tr3。电荷泵电路1a中的半导体芯片chp1a及驱动控制电路10a分别对应电荷泵电路1中的半导体芯片chp1和驱动控制电路10。

具体而言，晶体管tr3为n沟道mos晶体管，并且晶体管tr3设置在晶体管tr2的栅极和源极之间。

控制电路ctl1不仅控制晶体管tr1和tr2的导通/断开，还控制晶体管tr3的导通/断开。换言之，控制电路ctl1不仅输出控制晶体管tr1和tr2的导通/断开的控制信号s1和s2，还输出控制晶体管tr3的导通/断开的控制信号s3。控制信号s3被提供至晶体管tr3的栅极。

例如，在升压操作中，控制电路ctl1输出处于l电平的控制信号s3以断开晶体管tr3。另一方面，当检测到过电压时，控制电路ctl1输出处于h电平的控制信号s3以导通晶体管tr3。这样，当检测到电源线路w1的过电压时，蓄积在晶体管tr2栅极的电荷通过处于导通状态的晶体管tr3快速放电至低电位侧电压端t6。由此，迅速断开晶体管tr2。相应地，可以更加有效地防止由于过电流流动导致的晶体管tr2和配线退化或损坏。

电荷泵电路1a及包含所述电荷泵电路1a的半导体系统sys1a的其它结构与电荷泵电路1及包含所述电荷泵电路1的半导体系统sys1的结构相同，因此，省略其描述。

如上所述，根据本实施方式的电荷泵电路1a及包含所述电荷泵电路1a的半导体系统sys1a进一步包括晶体管tr3，所述晶体管tr3设置在晶体管tr2的栅极和源极之间，并且在检测到过电压时导通。由于这种结构，当检测到过电压时，蓄积在晶体管tr2的栅极的电荷通过处于导通状态的晶体管tr3快速放电至低电位侧电压端t6，从而，迅速断开晶体管tr2。因此，更加有效地防止过电流导致的晶体管tr2和配线退化或损坏。

第二实施方式

图4示出了根据第二实施方式的包含电荷泵电路2的半导体系统sys2的结构示例。当与半导体系统sys1相比较时，半导体系统sys2包括替代电荷泵电路1的电荷泵电路2。当与电荷泵电路1相比较时，电荷泵电路2进一步包括位于半导体芯片上的栅极驱动电路dr3及晶体管(开关元件)tr4。电荷泵电路2中的半导体芯片chp2对应于电荷泵电路1中的半导体芯片chp1。

具体而言，晶体管tr4是与晶体管tr1导电类型不同的n沟道mos晶体管，并且设置在电源线路w1上，位于电源线路w1上的节点n2(过电压检测电路dt1连接于该节点)与高电位侧电压端之间。

当过电压检测电路dt1还没有检测到过电压时，栅极驱动电路dr3执行控制以导通晶体管tr4，并且当过电压检测电路dt1检测到过电压时，栅极驱动电路dr3执行控制以断开晶体管tr4。

通过这种控制，可中断电流从输出端t3经由晶体管tr1的寄生二极管及电源线路w1流向高电位侧电压端t2的路径。因此，不仅可防止过电流导致的晶体管tr1及电源线路w1退化，还可防止过电流的供给破坏恒压产生电路cvg1。进一步地，在将由恒压产生电路cvg1产生的恒定电压vin提供至另一电路而不是电荷泵电路2的情况下，可防止另一电路的介质击穿。

在输出端t3发生电源故障期间，电流继续从输出端t3经由晶体管tr1的寄生二极管及电源线路w1流向过电压检测电路dt1。因此，过电压检测电路dt1可继续将晶体管tr1和tr4置于各自的断开状态。

<半导体系统sys2的变形例>

图5示出了半导体系统sys2的变形例，作为半导体系统sys2a。当与半导体系统sys2相比较时，半导体系统sys2a包括替代电荷泵电路2的电荷泵电路2a。当与电荷泵电路2相比较时，电荷泵电路2a进一步包括晶体管tr3。电荷泵电路2a中的半导体芯片chp2a及驱动控制电路10a分别对应于电荷泵电路2中的半导体芯片chp2和驱动控制电路10。

具体而言，晶体管tr3为n沟道mos晶体管，并且设置在晶体管tr2的栅极与源极之间。

已经详细描述了晶体管tr3。此外，电荷泵电路2a及包含所述电荷泵电路2a的半导体系统sys2a的其它结构与电荷泵电路2及包含所述电荷泵电路2的半导体系统sys2的结构相同，因此，省略其描述。

如上所述，根据本实施方式的电荷泵电路2a及包含所述电荷泵电路2a的半导体系统sys2a进一步包含晶体管tr3，所述晶体管tr3设置在晶体管tr2的栅极与源极之间，并且在检测到过电压时导通。由于这种结构，当检测到过电压时，蓄积在晶体管tr2的栅极的电荷通过处于导通状态的晶体管tr3快速放电至低电位侧电压端t6，从而，迅速断开晶体管tr2。因此，更加有效地防止过电流流动导致的晶体管tr2和配线退化。

如上所述，根据上述第一实施方式和第二实施方式的电荷泵电路及包含所述电荷泵电路的半导体系统包含过电压检测电路，所述过电压检测电路用于检测由驱动控制电路(所述驱动控制电路定期切换施加于升压电路的电容器元件c1的电压)的输出端t3的电源故障产生的过电压。当过电压检测电路检测到过电压时，根据第一实施方式和第二实施方式的电荷泵电路及包含所述电荷泵电路的半导体系统执行控制以迅速断开设置在驱动控制电路的输出级的晶体管tr1和tr2。由于这种结构，例如，根据本实施方式的电荷泵电路1和包含所述电荷泵电路1的半导体系统sys1可防止过电流流动导致的晶体管及配线的退化。特别地，由于非常大的电流流过晶体管tr2是很可能的，因此，检测电源线路w1的过电压并迅速断开晶体管tr2是非常有效的。

进一步地，根据以上描述的第一实施方式和第二实施方式的电荷泵电路及包含所述电荷泵电路的半导体系统进一步包含设置在晶体管tr2的栅极和源极之间的晶体管tr3，并且当检测到过电压时导通所述晶体管tr3。由于这种结构，当检测到过电压时，蓄积在晶体管tr2栅极中的电荷通过处于导通状态的晶体管tr3快速放电至低电位侧电压端t6，从而，迅速关闭晶体管tr2。因此，可更加有效地防止过电流流动导致的晶体管tr2和配线退化或损坏。

在上面的描述中，由本申请的发明人做出的本发明已经基于实施方式进行了具体的描述。然而，本发明并不限于前述的实施方式，在不脱离本发明的实质的范围内可以各种不同的方式对本发明进行改变。

例如，在根据上述实施方式的半导体器件中，可颠倒半导体衬底、半导体层或扩散层(扩散区)的导电类型(p型或者n型)。因此，假设n型及p型中的一种导电类型是第一导电类型，另一导电类型为第二导电类型，那么第一导电类型和第二导电类型可分别为p型和n型，或者n型和p型。