调节器用半导体集成电路以及风扇电动机系统的制作方法

本发明涉及在构成直流电源装置和转换直流电压的例如串联调节器那样的电压调节器的半导体集成电路(调节器用ic)以及使用该半导体集成电路的风扇电动机系统中有效利用的技术。

背景技术：

作为对设置在直流电压输入端子与输出端子之间的晶体管进行控制并输出所希望的电位的直流电压的电源装置，有串联调节器(以下简称为调节器)。作为该调节器的用途，例如有用于向安装于汽车、计算机上的设备冷却用送风装置(风扇电动机系统)供给直流电源的电源装置。

送风装置具备使风扇旋转的电动机和驱动器ic(电动机驱动器)，调节器向驱动器ic供给电源电压。在风扇的转速控制方式中有使调节器的输出电压(电源电压)发生变化的方式、通过pwm(脉冲宽度调制)脉冲来控制驱动电路的方式。

在送风装置中，若在向驱动电路供给电源电压的状态下产生风扇的旋转停止的所谓旋转锁定状态，则被冷却的设备有可能会异常地发热且损坏。因此，以往提出与电动机驱动器相关的发明(例如专利文献1)，该电动机驱动器具备在检测到锁定状态的情况下输出使电动机的驱动信号停止一定时间的保护信号的锁定检测电路。另外，还提出了旋转控制用控制器根据来自霍尔元件或编码器的信号来检测旋转锁定状态的电动机系统。

另一方面，以往关于调节器，虽然存在具备检测输出端子的短路状态的功能和过电流保护功能的调节器，但未提出具备检测电动机的锁定状态的电路的调节器。另外，作为与具备短路异常检测功能以及过电流保护功能(电流限制电路)的调节器ic相关的发明，例如有专利文献2所记载的发明。

专利文献1：日本特开2015-70727号公报

专利文献2：日本特开2017-45096号公报

在使用了专利文献1所记载的具备锁定检测电路的电动机驱动器的电动机系统中，若电动机驱动器发生故障，则无法在电源装置侧对其进行检测，因此存在无法避免设备的异常发热的课题。

另外，在构成旋转控制用控制器(微型计算机)根据来自霍尔元件或编码器的信号能够检测旋转锁定状态的电动机系统的情况下，需要使用具备霍尔元件、编码器的电动机，并且需要设置用于使来自电动机侧的信号输入微型计算机的配线，因此产生导致成本上升的课题。

技术实现要素：

本发明是着眼于所述那样的课题而完成的，其目的在于，在构成串联调节器那样的直流电源装置的半导体集成电路(调节器用ic)中，即使在具有电动机锁定检测功能的电动机驱动器发生了故障的情况下，也能够检测电动机的旋转锁定状态。

本发明的另一目的在于，提供一种能够不导致成本上升地构成能够检测旋转锁定状态的电动机系统的调节器用ic。

为了实现所述目的，本发明提出一种调节器用半导体集成电路，具备连接在被输入直流电压的电压输入端子与输出端子之间的电压控制用晶体管以及根据输出的反馈电压来控制所述电压控制用晶体管的控制电路，

该调节器用半导体集成电路构成为，具备：

第一晶体管，其与所述电压控制用晶体管并联设置，流过与流过所述电压控制用晶体管的电流成比例缩小后的电流；

第一比较电路，其判定流过所述第一晶体管的电流和预定的电流值的大小；以及

第一输出端子，其用于将所述第一比较电路的判定结果输出到外部，

该调节器用半导体集成电路构成为在比预先设定的旋转锁定检测电流值小的电流流过所述第一晶体管时，所述第一比较电路的输出反相。

本申请的另一发明是一种调节器用半导体集成电路，具备连接在被输入直流电压的电压输入端子和连接有外部的负载的输出端子之间的电压控制用晶体管、以及根据输出的反馈电压来控制所述电压控制用晶体管的控制电路，用于构成向旋转驱动电动机的驱动电路提供工作电压的电源装置，

调节器用半导体集成电路构成为，在流过所述电压控制用晶体管的电流小于预先设定的旋转锁定检测电流值时，将表示异常的标志置位。

根据具有所述结构的调节器用半导体集成电路，在作为负载而在输出端子连接电动机驱动器的情况下，能够检测电动机驱动器的旋转锁定状态并向外部输出检测信号(标志)，因此即使在电动机驱动器发生了故障的情况下，控制系统的微型计算机那样的控制装置(cpu)也能够识别电动机的旋转锁定状态的产生。

在此，优选具备用于连接将流过所述第一晶体管的电流转换为电压的第一电流-电压转换元件的第一外部端子，

所述第一比较电路构成为，将通过与所述第一外部端子连接的所述第一电流-电压转换元件进行转换后的电压和相当于所述预定的电流值的电压进行比较。

根据该结构，具备连接将与流过电压控制用晶体管的电流成比例的电流转换为电压的元件(电阻)的外部端子，因此能够根据系统任意且高精度地设定成为旋转锁定状态的判断基准的电流值。

另外，优选构成为，第一电容元件与所述第一电流-电压转换元件并联连接到所述第一外部端子。

根据该结构，在电动机驱动器作为负载与输出端子连接的情况下，能够防止由于在电动机驱动器的稳定状态下随着电动机的驱动而在输出电流中出现的变动(噪声)的影响，第一比较电路的输出错误地反相的情况。

进而，优选构成为，具备：

第二晶体管，其与所述电压控制用晶体管和所述第一晶体管并联设置，且流过与流过所述电压控制用晶体管的电流成比例缩小后的电流；

第二电流-电压转换元件，其将流过所述第二晶体管的电流转换为电压；以及

第二比较电路，其比较由所述第二电流-电压转换元件进行转换后的电压和相当于将预先设定的短路异常检测电流值进行电流-电压转换后的电压的第二比较电压，并判定大小，

在比预先设定的所述短路异常检测电流值大的电流流过所述第二晶体管时，所述第二比较电路的输出反相。

根据该结构，能够检测与输出端子连接的负载(电动机驱动器)的短路状态并向外部输出检测信号。

并且，优选构成为，具备延迟所述第二比较电路的输出的延迟电路，能够从所述第一输出端子输出取所述第一比较电路的输出信号和由所述延迟电路进行了延迟的信号的逻辑和而得到的信号作为异常检测信号。

根据该结构，能够防止由于电源接通时的冲击电流使第二比较电路的输出反相，并且由于从共通的输出端子输出旋转锁定检测信号和短路异常检测信号，因此减少设置于ic的外部端子的数量，能够减小芯片尺寸。

进而，优选构成为具备用于连接构成所述延迟电路的第二电容元件的第二外部端子。

根据该结构，能够根据系统任意且高精度地设定延迟电路的延迟时间。

根据本发明，在构成串联调节器那样的直流电源装置的半导体集成电路(调节器用ic)中，即使在具有电动机锁定检测功能的电动机驱动器发生了故障的情况下，也能够检测电动机的旋转锁定状态。另外，具有能够实现不导致成本上升而能够构成可检测旋转锁定状态的电动机系统的调节器用ic的效果。

附图说明

图1是表示本发明的调节器用ic的一实施方式的电路结构图。

图2是表示将图1的调节器作为电动机驱动器的电源装置来使用的风扇电动机系统的结构例的功能框图。

图3是表示在图2的风扇电动机系统中发生了电动机的旋转锁定时的调节器用ic的输出电流和输出电压的变化的时序图。

图4是表示发生电动机的旋转锁定时的调节器用ic的输出电流和输出电压以及ic的外部端子的电压变化的时序图。

附图标记的说明

10：调节器ic、11：误差放大器(控制电路)、12：基准电压电路、13：偏置电路、14：过电流保护电路、15：旋转锁定检测用比较器、16：短路检测电路、17：延迟电路、18：或门、cmp1：短路检测用比较器、q1：电压控制用晶体管、q2，q3，q4：电流镜晶体管。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的优选实施方式进行说明。

图1表示作为应用了本发明的直流电源装置的串联调节器的一个实施方式。此外，在图1中，由点划线包围的部分在单晶硅那样的半导体芯片上形成为半导体集成电路(调节器ic)10，在该调节器ic10的输出端子out连接有电容器co而作为供给稳定的直流电压的直流电源装置(ldo)发挥功能。

在本实施方式的调节器ic10中，如图1所示，在被施加直流电压vin的电压输入端子in与输出端子out之间连接有由pnp双极型晶体管组成的电压控制用的晶体管q1，在输出端子out与被施加接地电位gnd的接地线之间串联连接有将输出电压vout进行分压的泄放电阻r1、r2。

由该泄放电阻r1、r2进行分压后的电压vfb被反馈到作为控制所述电压控制用的晶体管q1的基极端子的控制电路的误差放大器(放大电路)11的同相输入端子。并且，误差放大器11根据输出的反馈电压vfb和预定的参照电压vref之间的电位差来控制电压控制用的晶体管q1，控制成使输出电压vout成为所希望的电位。

另外，在本实施方式的调节器ic10中设置有：基准电压电路12，其用于产生对所述误差放大器11的反相输入端子施加的参考电压vref；偏置电路13，其使工作电流流过误差放大器11和基准电压电路12；以及过电流保护电路(电流限制器)14，其与所述电压控制用晶体管q1的基极端子连接并用于限制输出电流。

基准电压电路12能够由串联的电阻以及齐纳二极管、双极型的情况下的带隙电路、cmos的情况下的cmos基准电压电路(例如耗尽型mosfet+增强型mosfet)等构成。在偏置电路13中设置有根据从芯片外部的微型计算机(cpu)等向外部端子cnt输入的接通断开控制信号cont来供给或切断对误差放大器11的偏置电流的功能。过电流保护电路14在因负载的异常等导致输出电流增加而输出电压降低并且误差放大器11为了通过晶体管q1流过较多的电流而要降低基极电压时，通过施加钳位来限制输出电流，以使基极电流不会变大为预定以上。

进而，在本实施方式的调节器ic10中，设置有与所述电压控制用的晶体管q1并联设置并与q1构成电流镜电路的pnp双极型晶体管q2、q3、q4，对作为这些晶体管q2、q3、q4的控制端子的基极端子施加与向电压控制用的晶体管q1的基极端子施加的电压相同的电压。由此，在q2、q3、q4中，根据元件的尺寸比n流过与q1的集电极电流成比例的电流(1/n的电流)。晶体管q1是将同一尺寸的晶体管以n个并联方式连接而构成的，例如在q2、q3、q4分别由1个晶体管构成的情况下，设定为流过与元件的个数成比例的电流。

另外，在本实施方式的调节器ic10中设置有用于连接在芯片的外部进行电流-电压转换的电阻rlk的外部端子p1、用于连接电容器cd的外部端子p2以及用于连接上拉电阻rp的外部端子p3，所述电流镜晶体管q2的集电极端子与外部端子p1连接。

调节器ic10具备：旋转锁定检测用的比较器15，其将反相输入端子与所述外部端子p1连接，向同相输入端子施加参照电压vref1；短路检测电路16，其具备与所述晶体管q3串联的电阻r3以及r3和q3的连接节点的电位被施加到反相输入端子的比较器cmp1，检测输出端子的短路异常；以及延迟电路17，其用于延迟短路检测电路16的输出(短路异常检测信号)。

此外，在调节器ic10中设置取所述延迟电路17的输出与所述比较器15的输出之间的逻辑和的或门18、或门18的输出电压被施加给基极端子且集电极端子与所述外部端子p3连接的集电极开路形式的npn晶体管q5。与外部端子p2连接的电容器cd设定延迟电路17的延迟时间。

当所述旋转锁定检测用的比较器15的输出或短路检测电路16(比较器cmp1)的输出变化为高电平时，晶体管q5成为接通状态，电流流过上拉电阻rp，外部端子p3的电压变化为低电平，这作为异常检测信号err向cpu供给。

短路检测电路16在输出端子短路且在晶体管q1和q3中流过大的电流时，电阻r3的电压下降量变多。并且，当比较器cmp1的反相输入端子的电位变得比施加给同相输入端子的参考电压vref2高时，比较器cmp1的输出变化为低电平。

延迟电路17由恒流源ic0、串联连接在该恒流源ic0与接地点之间的电阻r4、与该电阻r4并联连接的开关晶体管qs、比较器cmp2以及将比较器cmp2的输出和所述短路异常检测用的比较器cmp1的输出通过反相器inv进行反相后的信号作为输入的与门g1构成，在晶体管qs的基极端子输入短路异常检测用的比较器cmp1的输出电压。

该延迟电路17在短路异常检测用的比较器cmp1的输出为低电平的通常的动作状态下，向晶体管qs的基极端子施加高电平而处于接通的状态，电容器cd成为被放电的状态。并且，比较器cmp1检测伴随输出端子的短路状态的大电流，当输出变化为高电平时，晶体管qs断开。

于是，外部端子p1的电容器cd慢慢被充电，连接节点n1的电位逐渐上升。并且，若连接节点n1的电位经过预定的时间而变得高于比较器cmp2的参照电压vref3，则比较器cmp2的输出从低电平变化为高电平。由此，在检测到短路异常时，晶体管q5接通，电流流过上拉电阻rp，外部端子p3的电位从高电平变化为低电平，向cpu输出短路异常检测信号。

另外，延迟电路17的延迟时间被设定为比在电源上升时流过冲击电流的期间稍长的时间。通过设置上述那样的延迟电路17，能够不出现伴随冲击电流检测的误检测脉冲。

另外，通过在恒流源ic0与电阻r4的连接节点n1上连接所述外部端子p2的外置电容cd，能够在不增加芯片尺寸的情况下增大延迟时间。

所述外部端子p1的外置电阻rlk例如如图2所示，在由使风扇旋转的电动机21、对该电动机21进行旋转驱动的驱动器(电动机驱动用ic)22、向该驱动电路供给作为工作电压的电源电压的电源装置(ldo+co)10组成的风扇电动机系统中，在通过电动机21发生旋转锁定而流过驱动器22的电流下降到例如几ma那样的较小的电流值以下时，设定电阻值以使调节器ic10的外置电阻rlk的两端子间电压成为参照电压vref1以下的电压。

另外，在图2的风扇电动机系统中，作为驱动器22也可以使用具有旋转锁定检测功能的ic。由此，具有能够进行基于驱动器和ldo的双重保护，提高系统的安全性的优点。另外，电动机21和驱动器22可以是不同的部件，也可以构成为收纳于1个壳体中的产品(电动机驱动器)20。

如上所述，在本实施方式中，为了设定利用外置电阻rlk检测旋转锁定的电流值，能够根据所使用的系统任意地设定检测电流值(阈值)。另外，通过设置外部端子p1并将电阻rlk设为外置元件，电阻值的精度高且能够提高温度依赖性，能够高精度地设定检测电流值。

但是，也能够将电阻rlk以及电容器ck内置于ic来省略外部端子p1。由此，能够减少ic的外部端子(管脚)数。

另外，在所述外部端子p1上，与所述外置电阻rlk并联连接有电容器clk。在本实施例的被供给调节器的输出的负载为电动机驱动器的情况下，从调节器ic10输出的电流iout伴随电动机的旋转如图3的(b)的期间t1、t2那样上下变动，与之相应，流过晶体管q2以及电阻rlk的电流也变动，而在vlock中产生须状的噪声，由此，比较器15有可能误检测，但通过与电阻rlk并联地设置所述电容器clk，能够吸收须状的噪声来防止比较器15的误检测动作。另外，在图3中，t1是旋转锁定开始的定时，t2是旋转锁定结束的定时。

另外，在本实施方式的调节器中，通过在短路检测电路16的后级设置延迟电路17，短路检测电路16检测在ic的电源接通时向与输出端子out连接的电容器co流入的冲击电流，能够防止输出(短路异常检测信号)向高电平变化而从外部端子p3输出异常检测信号err。另外，由于能够将用于设定延迟时间的电容器cd内置于ic，或者通过cpu(软件)来设定冲击电流的延迟，因此也能够删除电容器cd而省略外部端子p2。由此，能够减少ic的外部端子(管脚)数。

过电流保护电路14在基于电流镜晶体管q4的集电极电流检测过电流状态时，通过限制流过输出控制用晶体管q1的电流来发挥过电流保护功能。具有这样的功能的过电流保护电路在从前提出了各种电路形式的电路，在本实施例中能够使用与以往相同的电路形式的过电流保护电路，因此省略详细的结构说明。

另外，在图1的实施例的调节器ic中，构成为从共用的端子p3输出在比较器15检测到旋转锁定时输出的信号和在短路检测电路16检测出短路异常时输出的信号，但也可以构成为设置2个外部端子，作为不同的检测信号(标志)来输出。另外，在图1中虽然将短路检测电路16和过电流保护电路14构成为不同的电路，但也可以设为在过电流保护电路14中代用短路检测电路16的比较器(cmp1)的结构，由此能够简化电路。

接着，使用图4的时序图来说明本实施方式的调节器ic10的动作。另外，图4表示在接通电源而开始调节器的动作后不久的期间进行稳定的动作后产生旋转锁定状态又返回到稳定动作状态，之后发生短路状态，再次恢复到稳定动作状态的情况下的定时。

如图4所示，当在定时t11输入电压vin上升，在定时t12从外部使控制端子cnt的信号cont变为高电平时，调节器ic10开始动作，进行控制使得输出电压vout上升并成为预定的电压。此外，在到输出电压vout上升为止的过渡期中，冲击电流(急流)向与输出端子连接的电容器co流动，但之后，稳定电流根据负载的状态而流动(期间ta)。

在本实施例的调节器中，在刚接通电源之后的期间t1中流过比稳定电流大的冲击电流，由此，从短路检测电路16输出短路检测信号，但由于设置有延迟电路17，因此能够防止晶体管q5的接通即异常检测信号err变化为低电平的情况。

另一方面，若在稳定动作状态下作为不可用的电动机产生了锁定状态，则如期间t2那样，输出电流iout急剧减少(定时t13)。于是，流过电流镜晶体管q2的电流也同样地减少，因此外部端子p1的电压vlock低于锁定检测阈值(vref1)，比较器15检测到该情况，其输出变化为高电平。其结果是，晶体管q5接通并且从外部端子p3输出的信号err变化为低电平，接收该信号的cpu能够检测到发生了旋转锁定。而且，若检测到旋转锁定，则能够通过停止由风扇冷却的设备或装置整体的动作或限制动作来避免事故。

之后，当在时刻t14解除锁定状态时，调节器ic10重新开始稳定动作，输出电流iout增加。

另外，在时刻t15，若在输出端子或负载电路中发生短路，则输出电流iout及晶体管q3的电流isc增大，短路检测电路16检测出该情况，比较器cmp1的输出反相而使晶体管qs断开。因此，外部端子p2的外置电容器cd通过延迟电路17内的恒流源ci0进行充电，节点n1的电位vcd慢慢增加，若超过延迟阈值(vref3)，则比较器cmp2的输出变化为高电平(定时t16)。而且，此时以反相器inv的输出为高电平(比较器cmp1的输出为低电平)为条件，与门g1的输出变化为高电平，将晶体管q5接通，从外部端子p3输出的信号err变化为低电平并向cpu通知检测到异常的情况。

另外，如上所述，本实施方式的调节器ic10在调节器ic10的动作刚开始之后流过冲击电流，短路检测电路16的输出因该冲击电流而变化为高电平并使晶体管q5接通，通过设置延迟电路17来防止异常检测信号err变化为低电平，但关于冲击电流已知有一种设置软启动电路来限制冲击电流的技术，在设置软启动电路的情况下，不需要所述延迟电路17以及外部端子p2。另外，在接收异常检测信号err的cpu侧，也可以通过执行进行忽略电源刚接通后的短路检测脉冲的处理的死区程序来应对。

以上，基于实施例具体地说明了由本发明人完成的发明，但本发明并不限定于所述实施例。例如，在所述实施方式中，构成为根据输入到外部端子cnt的接通/断开控制信号cont来对调节器ic10进行接通/断开控制，但例如也可以将日本特开2019-185732号公报所记载的公知的输出电压变更电路设置于调节器ic内，从而构成输出电压可变型电源装置。

另外，在所述实施方式中，构成为在检测到旋转锁定状态的情况下从外部输出端子输出异常检测信号，但也可以构成为在ic内部设置如状态寄存器那样的临时存储单元，在检测到旋转锁定状态的情况下将存储某些信息的标志置位，cpu通过读入该标志能够识别旋转锁定的产生。此外，在所述实施方式中，过电流保护电路(电流限制电路)14和短路检测电路16构成为不同的电路，但也可以如日本特开2017-45096号公报中也记载的那样，构成为共通的电路。

另外，在所述实施例中，示出了使用双极型晶体管作为电压控制用晶体管q1和电流镜晶体管q2～q4的例子，但也可以代替双极型晶体管而使用mosfet。另外，在所述实施例中，在芯片内部设置将输出电压进行分压的泄放电阻r1、r2，但也可以构成为设置由外置电阻组成的分压电路，使在芯片外部进行分压后的电压从外部端子向误差放大器11输入，也可以构成为仅将泄放电阻r1、r2中的r2作为外置电阻来连接。