JP7239367B2 - 基準電圧回路、半導体装置、および故障検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、基準電圧回路、半導体装置、および故障検出方法に関し、特に故障検出機能を備えた基準電圧回路、該基準電圧回路を含む半導体装置、およびを該基準電圧回路における故障検出方法に関する。

故障検出機能を備えた半導体装置の分野として、例えば電池の分野が挙げられる。同分野の従来技術としては、例えば特許文献１に開示されたパック電池が知られている。特許文献１に開示されたパック電池は、直列に接続された複数の電池の電圧を検出するアナログフロントエンドと、該アナログフロントエンドに接続されてアナログフロントエンドからアナログの電圧信号が入力されるマイコンとを備えるパック電池であって、マイコンがアナログフロントエンドから入力される電圧信号を切り換えてアナログフロントエンド、またはマイコンの故障判定を行う。また、アナログフロントエンドはマイコンで制御される入力スイッチと、該入力スイッチを介して複数の電池に接続された電池の電圧検出回路を備えており、マイコンが入力スイッチを切り換えて、各々の電池電圧と直列に接続されている電池のトータル電圧とを検出して、電圧検出回路の故障を判定している。さらに、マイコンが、入力されるアナログの電圧信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、該Ａ／Ｄコンバータに第１の基準電圧を入力する第１の基準電圧回路を備え、アナログフロントエンドは、マイコンに第１の基準電圧と異なる電圧である第２の基準電圧を出力する第２の基準電圧回路を備え、マイコンが第１の基準電圧と第２の基準電圧を切り換えて、第１の基準電圧、第２の基準電圧またはＡ／Ｄコンバータの故障を判定する。

一方、故障検出機能を備えた基準電圧回路を含む半導体装置の一例として、電池監視ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）が挙げられる。図６は、該電池監視ＩＣを備えた従来技術に係る電池監視システムを示している。図６に示すように、従来技術に係る電池監視システムは、ｎ個の電池セル、および電池監視ＩＣを含んで構成されている。
該電池監視ＩＣは、各々の電池セルに対応して設けられた２系統のセル電圧測定回路（経路Ａ、経路Ｂ）を備えている。

各々のセル電圧測定回路は対応する電池セルに端子Ｖｎ、Ｖｎ－１を介して接続されたセル選択ＳＷ（スイッチ）、該セル選択ＳＷに接続されたアナログレベルシフタ、該アナログレベルシフタに接続されたプリアンプ、該プリアンプに接続されたＡ／Ｄ（アナログ／デジタル変換回路）、および基準電圧回路であるＶＲＥＦ１回路、またはＶＲＥＦ２回路（以下、総称する場合は「ＶＲＥＦ回路」）を含んで構成されている。

また、電池監視ＩＣは電源端子ＶＣＣに接続された電源の電圧を安定化し、安定化された電圧を電源端子ＶＤＤから出力するＲＥＧ回路（安定化回路）を備え、該ＲＥＧ回路で安定化された電圧がＶＲＥＦ１回路およびＶＲＥＦ２回路に供給されている。図６に示すように、ＶＲＥＦ１回路、ＶＲＥＦ２回路の出力電圧はＡ／Ｄの電源として使用されるとともに、ＶＲＥＦ１回路の出力電圧はＴＳＤ回路 (サーマルシャットダウン回路)に接続されている。つまり、ＴＳＤ回路はＶＲＥＦ１回路の出力電圧を参照する構成となっている。

図７は、基準電圧回路２０２（図７では、「ＶＲＥＦ１回路」と表記）、および基準電圧回路２０２の接続先であるＴＳＤ回路２０１、Ａ／Ｄ２０６の詳細を示した回路図（以下、「従来技術に係る構成」）である。図７に示すように、基準電圧回路２０２で生成された基準電圧ＶＲＥＦ１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２で構成された抵抗ラダー２０３によって分圧され、分圧ＶＲＥＦ＿ＲがＴＳＤ本体回路２０４に供給されている。ＴＳＤ回路本体２０４では分圧ＶＲＥＦ＿Ｒを閾値電圧と比較することによって、ＴＳＤ機能（サーマルシャットダウン機能）を実現している。なお、サーマルシャットダウン機能とは、異常温度を検出した際に、当該ＩＣを安全なモードに移行する機能をいう。

また、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒは、プリアンプ２０５を介してＡ／Ｄ２０６にも接続されている。分圧ＶＲＥＦ＿ＲはＡ／Ｄ２０６でアナログデジタル変換され、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒ（つまり、基準電圧ＶＲＥＦ１）が正常か異常かを判定する自己診断経路の参照信号とされる。

特開２００９－１４５１３９号公報

しかしながら、上記従来技術に係る構成では、基準電圧回路２０２の出力電圧である基準電圧ＶＲＥＦ１が異常電圧となった場合に、ＴＳＤ回路２０１の動作が異常となるという問題があった。機能安全規格ＩＳＯ２６２６に準じてこの問題に対応する場合、基準電圧回路を含めた測定経路を冗長化し、一方の基準電圧回路が故障した場合にもう一方の基準電圧回路に切り替えられる構成が要求される。しかしながら、このような構成を基準電圧を要する機能の全てに適用すると、全ての回路を２系統搭載する必要があり、回路の大きさの増大に起因して半導体装置の大きさ（いわゆるチップサイズ）が大きくなるという問題があった。この点、特許文献１に係るパック電池もこのような問題を検討したものではない。

本発明は、上記の事情を踏まえ、回路の大きさの増大を抑制しつつ、回路異常の検出の冗長性が確保される基準電圧回路、半導体装置、および故障検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る基準電圧回路は、予め定められた基準電圧を出力する複数の基準電圧発生回路と、前記複数の基準電圧発生回路から出力された複数の基準電圧のうちのいずれかを選択して、被供給回路に供給する基準電圧選択部と、を含み、前記基準電圧選択部は、複数のスイッチが直列に接続された直列回路であって一端が前記複数の基準電圧発生回路のいずれかに接続され他端が前記基準電圧選択部の出力とされた直列回路を複数並列に接続した並列回路を備えるものである。

上記課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、上記の基準電圧回路と、前記基準電圧選択部で選択された基準電圧が供給されるとともに、供給された前記基準電圧の測定部を備える被供給回路と、前記測定部の測定結果を用いて前記基準電圧選択部の故障の有無を検出する検出回路と、を含むものである。

上記課題を解決するため、本発明に係る故障検出方法は、複数のスイッチが直列に接続された直列回路であって一端が複数の電源のいずれかに接続され他端が共通の出力とされた直列回路を複数並列に接続した並列回路を備えるスイッチ回路において、前記スイッチを導通状態に設定したにもかかわらず遮断状態となっている遮断故障、または前記スイッチを遮断状態に設定したにもかかわらず導通状態となっている導通故障、の何れかを検出する故障検出方法であって、検出の対象となる検出対象直列回路に含まれるスイッチをすべて導通状態とし、他の前記直列回路に含まれるスイッチをすべて遮断状態とした場合に、前記出力が予め定められた第１の条件を充足する場合に前記検出対象直列回路に含まれるスイッチの何れかに前記遮断故障が発生していることを検出し、複数の前記直列回路の各々について、該直列回路に含まれるスイッチのうちいずれかを検出対象スイッチとするとともに該検出対象スイッチを遮断状態とし、他のスイッチをすべて導通状態とした場合に、前記出力が予め定められた第２の条件を充足する場合に前記検出対象スイッチのいずれかに前記導通故障が発生していることを検出するものである。

本発明によれば、回路の大きさの増大を抑制しつつ、回路異常の検出の冗長性が確保される基準電圧回路、半導体装置、および故障検出方法を提供することが可能となる、という効果を奏する。

実施の形態に係る基準電圧回路、および基準電圧の供給先回路の構成を示す回路図である。 実施の形態に係る基準電圧切替スイッチの動作を説明する回路図の一部である。 実施の形態に係る基準電圧切替スイッチの動作を説明する回路図の一部である。 実施の形態に係る基準電圧切替スイッチの動作を説明する回路図の一部である。 実施の形態に係る基準電圧切替スイッチの動作を説明する回路図の一部である。 従来技術に係る電池監視システムの構成を示すブロック図である。 従来技術に係る基準電圧回路、および基準電圧の供給先回路の構成を示す回路図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下の実施の形態では、本発明に係る半導体装置として本発明に係る基準電圧回路を含む半導体装置を例示し、故障検出方法として該基準電圧回路に用いられるスイッチの故障検出方法を例示して説明する。

図１は、本実施の形態に係る基準電圧回路１１、および基準電圧回路１１で生成された基準電圧が供給される回路である被供給回路１２を含む半導体装置１０の回路図を示している。

図１に示すように、基準電圧回路１１は、基準電圧発生回路３０１（図１では、「ＶＲＥＦ１回路」と表記）、基準電圧発生回路３０２（図１では、「ＶＲＥＦ２回路」と表記）、および基準電圧切替スイッチ３１１（図１では、「基準電圧切替ＳＷ」と表記）を含んで構成されている。また、被供給回路１２は、ＴＳＤ回路３１２、プリアンプ３０９、およびＡ／Ｄ３１０を含んで構成されている。すなわち、本実施の形態は、ＴＳＤ回路を２系統で冗長化するのではなく、基準電圧切替スイッチ３１１を設けて、基準電圧異常に対するＴＳＤ機能の冗長性を高めている。

基準電圧発生回路３０１からは基準電圧ＶＲＥＦ１が出力され、基準電圧発生回路３０２からは基準電圧ＶＲＥＦ２が出力される。基準電圧発生回路３０１と基準電圧発生回路３０２は基本的に同じ回路であり、基準電圧ＶＲＥＦ１と基準電圧ＶＲＥＦ２は等しい電圧とされている。また、基準電圧切替スイッチ３１１は、スイッチ３０３（図１では、「ＳＷ＿Ａ」と表記）、スイッチ３０４（図１では、「ＳＷ＿Ｂ」と表記）、スイッチ３０５（図１では、「ＳＷ＿Ｃ」と表記）、スイッチ３０６（図１では、「ＳＷ＿Ｄ」と表記）の４個のスイッチを備えている。基準電圧回路１１においては、基準電圧切替スイッチ３１１によって基準電圧ＶＲＥＦ１および基準電圧ＶＲＥＦ２のいずれかが選択され、基準電圧ＶＲＥＦＯＵＴとして出力される。

一方、ＴＳＤ回路３１２は、ＴＳＤ回路本体３０８、および抵抗ラダー３０７を含んで構成されている。抵抗ラダー３０７は直列に接続された抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２を備え、基準電圧ＶＲＥＦＯＵＴが抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧された分圧ＶＲＥＦ＿ＲがＴＳＤ回路本体３０８に供給される。また、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒは、プリアンプ３０９を介してＡ／Ｄ３１０にも送られる。

すなわち、本実施の形態では、基準電圧発生回路３０１、３０２と、抵抗ラダー３０７を組み込んだＴＳＤ回路３１２との間に、スイッチ３０３、３０４、３０５、３０６を含む基準電圧切替スイッチ３１１が接続されている。基準電圧切替スイッチ３１１は、機能安全規格ＩＳＯ２６２６の要求を充足するために、スイッチを２直列、すなわち、２個のスイッチの直列回路を２個並列接続した構成（以下、「２経路の２直列」という場合がある）としている。これは、機能安全規格ＩＳＯ２６２６では、一つの故障によりシステムの安全を脅かすような機能損失が「ある許容範囲以内」であることが求められているので、上記２経路の２直列を採用することによりスイッチ機能の冗長化を図っているためである。

つまり、本実施の形態では、基準電圧の異常に対するＴＳＤ機能の冗長性を高めるために基準電圧発生回路３０１、３０２を切り替える基準電圧切替スイッチ３１１を設けている。ここで、機能安全規格２６２６に準拠するためには、追加した基準電圧切替スイッチ３１１の故障も検出する必要がある。既存のＴＳＤ回路３１２の自己診断機能に加え、基準電圧切替スイッチ３１１の故障検出も実現するために、本実施の形態では、基準電圧切替スイッチ３１１の構成が２経路の２直列とされている。

次に、図２から図５を参照して、本実施の形態に係る基準電圧回路、半導体装置、および故障検出方法、すなわち、既存のＴＳＤ回路３１２の自己診断機能と、追加した基準電圧切替スイッチ３１１の自己診断機能の動作についてより詳細に説明する。基準電圧切替スイッチ３１１の故障診断は、スイッチ３０３、３０４、３０５、３０６のオン／オフ（導通／遮断）を各々のスイッチに接続された各制御信号によって設定し、基準電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２の分圧ＶＲＥＦ＿Ｒが予め定められた規格値と一致するか否かに基づいて正常、異常が判定され、故障の検出が実行される。

図２から図５は、上記基準電圧切替スイッチ３１１の故障診断の動作（手順）を示している。まず、各スイッチのオフ故障の検出（以下、「オフ故障検出」という場合がある）について説明する。オフ故障検出では、基準電圧切替スイッチ３１１の設定パターンとして２つの設定パターンを設定して行う。なお、本実施の形態において、「オフ故障」とは、オン状態に設定したにもかかわらずオフ状態となっている故障をいう。

図２は、オフ故障検出における第１の設定パターを示している。すなわち、第１の設定パターンでは、図２に示すように、スイッチ３０３、３０４をオン、スイッチ３０５、３０６をオフとする。そして、この際の分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧をＡ／Ｄ３１０でデジタル信号に変換し、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒが予め定められた規格を充足するか否かに基づいてスイッチ３０３、３０４にオフ故障が発生しているか否かが検出される。

ここで、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの規格の具体例の一例について説明する。本実施の形態では、基準電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２、ＶＲＥＦＯＵＴの標準値を一例として４．３Ｖとし、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの標準値を一例として１．２Ｖとしている。一方、基準電圧ＶＲＥＦＯＵＴが出力されていない場合は、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒは０Ｖとなる。そのため、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの規格の一例として、本実施の形態では、１．２Ｖを中心として設けた上限値と下限値の範囲（以下、「第１の規格」）と、０Ｖに予め定められた許容範囲を見込んで設けた範囲（以下、「第２の規格」）を設定している。

図２に示す設定パターンにおいて、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値が上記第１の規格を充足する場合はスイッチ３０３、３０４のいずれもが正常である（スイッチ３０３、３０４にオフ故障が発生していない）ことが検出され、上記第２の規格を充足する場合はスイッチ３０３、３０４の少なくとも一方は故障している（スイッチ３０３、３０４の少なくとも一方にオフ故障が発生している）ことが検出される。

図３は、オフ故障検出において設定する第２の設定パターンを示している。第２の設定パターンでは、図３に示すように、スイッチ３０３、３０４をオフ、スイッチ３０５、３０６をオンとする。そして、Ａ／Ｄ変換した分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値を測定することによって、スイッチ３０５、３０６にオフ故障が発生しているか否かを検出する。上記同様、この際の分圧ＶＲＥＦ＿Ｒが第１の規格を充足する場合はスイッチ３０５、３０６のいずれにもオフ故障は発生していないことが検出され、第２の規格を充足する場合はスイッチ３０５、３０６の少なくとも一方にオフ故障が発生していることが検出される。

次に、図４および図５を参照して、基準電圧切替スイッチ３１１におけるオン故障の検出手順（方法）について説明する。オン故障の検出も、オフ故障の検出と同様、基準電圧切替スイッチ３１１の設定パターンとして２つのパターンを設定して実行される。なお、本実施の形態において、「オン故障」とは、オフ状態に設定したにもかかわらずオン状態となっている故障をいう。

図４は、オン故障検出における第１のパターンを示している。図４に示すように、第１のパターンでは、スイッチ３０３、３０５をオンに設定し、スイッチ３０４、３０６をオフに設定する。設定後、Ａ／Ｄ変換された分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値を測定し、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値に基づいてスイッチ３０４、３０６に異常が発生しているか否か（スイッチ３０４、３０６にオン故障が発生しているか否か）が検出される。その際、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値が第１の規格を充足する場合は、スイッチ３０４および３０６の少なくとも一方に異常が発生している（オン故障が発生している）ことが検出され、第２の規格を充足する場合は、スイッチ３０４および３０６のいずれもが正常である（オン故障が発生していない）ことが検出される。

図５は、オン故障検出における第２のパターンを示している。図５に示すように、第２のパターンでは、スイッチ３０４、３０６をオンに設定し、スイッチ３０３、３０５をオフに設定する。設定後、Ａ／Ｄ変換された分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値を測定し、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値に基づいてスイッチ３０３、３０５に異常が発生しているか否か（スイッチ３０３、３０５にオン故障が発生しているか否か）を検出する。その際、分圧ＶＲＥＦ＿Ｒの電圧値が第１の規格を充足する場合は、スイッチ３０３および３０５の少なくとも一方に異常が発生している（オン故障が発生している）ことが検出され、第２の規格を充足する場合は、スイッチ３０３および３０５のいずれもが正常である（オン故障が発生していない）ことが検出される。

以上のように、基準電圧切替スイッチ３１１に含まれるスイッチを２経路の２直列とすることで、スイッチの故障検出時に基準電圧発生回路の冗長性が失われる危険性、すなわち、スイッチ構成を２経路の１直列とすると、片側のスイッチがオン固着した場合に２経路の基準電圧発生回路がショートする危険性を回避しつつ、スイッチの「オフ故障検出」および「オン故障検出」が可能となる。

以上詳述したように、本実施の形態によれば、基準電圧切替スイッチのオフ故障検出、およびオン故障検出が可能となっている。また、ＴＳＤ回路を２経路搭載することなく、基準電圧切替スイッチの構成を２経路の２直列のとすることで、チップサイズ増加を抑制しつつ、基準電圧異常に対するＴＳＤ機能の冗長性を高めることが可能となっている。

なお、上記の実施の形態では、本発明をＴＳＤ回路に適用した形態を例示して説明したが、これに限られず、基準電圧の測定回路を含んだ被供給回路（上記実施の形態における抵抗ラダー、プリアンプ、Ａ／Ｄに相当）であれば、いずれの回路にも適用可能である。

また、上記実施の形態では、本発明を２経路に冗長化した基準電圧回路のスイッチの故障検出に適用した形態を例示して説明したが、例えばスイッチ本体とスイッチの制御信号、規格値格納用レジスタを追加すれば、２経路だけではなく、３経路以上に冗長化した基準電圧回路のスイッチの故障検出にも適用可能である。

さらに、本実施の形態に係る故障検出方法では、基準電圧発生回路の冗長化に適用した形態を例示して説明したが、これに限られず、他の目的を有する電圧の冗長化一般に適用することが可能である。

１０ 半導体装置
１１ 基準電圧回路
１２ 被供給回路
２０１ ＴＳＤ回路
２０２ 基準電圧回路
２０３ 抵抗ラダー
２０４ ＴＳＤ回路本体
２０５ プリアンプ
２０６ Ａ／Ｄ
３０１、３０２ 基準電圧発生回路
３０３、３０４、３０５、３０６ スイッチ
３０７ 抵抗ラダー
３０８ ＴＳＤ本体回路
３０９ プリアンプ
３１０ Ａ／Ｄ
３１１ 基準電圧切替スイッチ
３１２ ＴＳＤ回路
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２、ＶＲＥＦＯＵＴ 基準電圧
ＶＲＥＦ＿Ｒ 分圧

Claims (4)

1. 予め定められた基準電圧を出力する複数の基準電圧発生回路と、
   前記複数の基準電圧発生回路から出力された複数の基準電圧のうちのいずれかを選択して、被供給回路に供給する基準電圧選択部と、を含み、
   前記基準電圧選択部は、複数のスイッチが直列に接続された直列回路であって一端が前記複数の基準電圧発生回路のいずれかに接続され他端が前記基準電圧選択部の出力とされた直列回路を複数並列に接続した並列回路を備える
   基準電圧回路と、
   前記基準電圧選択部で選択された基準電圧が供給されるとともに、供給された前記基準電圧の測定部を備える被供給回路と、
   前記測定部の測定結果を用いて前記基準電圧選択部の故障の有無を検出する検出回路と、を含む
   半導体装置。
2. 前記検出回路は、前記複数のスイッチの前記直列回路ごとの導通、遮断の組み合わせを変えることによって前記基準電圧選択部の故障の有無を検出し、
   前記故障が、前記スイッチを導通状態に設定したにもかかわらず遮断状態となっている遮断故障、または前記スイッチを遮断状態に設定したにもかかわらず導通状態となっている導通故障、の何れかである
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記検出回路は、前記検出の対象となる検出対象直列回路に含まれるスイッチをすべて導通状態とし、他の前記直列回路に含まれるスイッチをすべて遮断状態とした場合に、前記測定結果が予め定められた第１の条件を充足する場合に前記検出対象直列回路に含まれるスイッチの何れかに前記遮断故障が発生していることを検出し、
   複数の前記直列回路の各々について、該直列回路に含まれるスイッチのうちいずれかを検出対象スイッチとするとともに該検出対象スイッチを遮断状態とし、他のスイッチをすべて導通状態とした場合に、前記測定結果が予め定められた第２の条件を充足する場合に前記検出対象スイッチのいずれかに前記導通故障が発生していることを検出する
   請求項２に記載の半導体装置。
4. 複数のスイッチが直列に接続された直列回路であって一端が複数の電源のいずれかに接続され他端が共通の出力とされた直列回路を複数並列に接続した並列回路を備えるスイッチ回路において、前記スイッチを導通状態に設定したにもかかわらず遮断状態となっている遮断故障、または前記スイッチを遮断状態に設定したにもかかわらず導通状態となっている導通故障、の何れかを検出する故障検出方法であって、
   検出の対象となる検出対象直列回路に含まれるスイッチをすべて導通状態とし、他の前記直列回路に含まれるスイッチをすべて遮断状態とした場合に、前記出力が予め定められた第１の条件を充足する場合に前記検出対象直列回路に含まれるスイッチの何れかに前記遮断故障が発生していることを検出し、
   複数の前記直列回路の各々について、該直列回路に含まれるスイッチのうちいずれかを検出対象スイッチとするとともに該検出対象スイッチを遮断状態とし、他のスイッチをすべて導通状態とした場合に、前記出力が予め定められた第２の条件を充足する場合に前記検出対象スイッチのいずれかに前記導通故障が発生していることを検出する
   故障検出方法。

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