半导体集成电路、音频输出装置、电子设备及保护方法与流程

本发明涉及过电流保护技术。

背景技术：

为了保护电路元件，半导体集成电路中设置有过电流保护电路。图1是具备功率晶体管的半导体集成电路2的框图。半导体集成电路2具备作为

pmos晶体管的功率晶体管4、驱动电路6、过电流保护电路8。功率晶体管4设置在电源端子vdd和输出端子out之间。输出端子out连接有负载10。

在功率晶体管4导通的状态下，若输出端子out短路(对地短路)，则功率晶体管4会流过大电流。过电流保护(ocp：overcurrentprotection)电路8监测流经功率晶体管4的电流，超过规定的阈值电流iocp时，将保护信号socp置于有效。驱动电路6锁存保护信号socp的有效，并使功率晶体管4截止(锁存停止)。

技术实现要素：

图2是示出电源电压vdd和输出电流iout的关系的图。横轴的vmin、vmax是保证工作范围的最低电压以及最大电压。图中，示出三条线(i)、(ii)、(iii)。为了简便，考虑功率晶体管4全导通的状态时，则vout≒vdd。线(i)示出保证工作区域的上限，是根据由负载10所规定的负载线(ロードライン)来规定的。

iout＝vout/rl≒vdd/rl

rl是负载阻抗。功率晶体管的导通电阻ron相比于负载阻抗rl足够小而可以忽略。

上侧的线(ii)规定应判断为过电流状态的区域，表示输出端子out对地短路时的电压-电流特性。输出端子和接地之间的对地短路路径的阻抗小至几十mω，因此输出端子的电压vout为接近0v。此时，功率晶体管4的漏极源极间电压实质上与电源电压vdd相等，在vdd＞vgs－vth的区域中，mosfet在饱和区域工作，这时的漏极电流(即输出电流iout)用

iout＝β[1/2(vgs－vth)²]

表示。β为常数。为了简便，若将栅极电压vg设为一定，则vgs＝vdd－vg成立，因此以下式进行近似，上侧的线(ii)被基于该近似式规定。此外，在图2中将线(ii)简化成直线绘出。

iout＝β[1/2(vdd－vth)²]

在比线(i)靠下侧的保证工作区域中，过电流保护不发挥功能，在比线(ii)靠上侧的保护区域中，过电流保护必须工作。因此，过电流保护的阈值iocp需要规定在保证工作区域的最大电流ia和保护区域的最低电流ib之间。

但是由图2可知，若进一步降低最低工作电压vmin，则电流ia和ib的间隔变窄，难以进行阈值iocp的设定。或者，若负载10的阻抗rl降低，则规定保证工作区域的上限的线(i)向上侧移动，难以进行阈值iocp的设定。

(iii)示出受到mosfet的偏差等的影响，特性(ii)向电流减少的方向变动的状况。在这样的状况中，在减压状态下，即使发生对地短路状态，输出电流iout也低于过电流阈值iocp，可能发生过电流保护不发挥功能的状况。

此外，不能将该问题理解为本领域技术人员的一般性认识，这是本发明技术人员独自认识到的。

本发明是鉴于这样的课题而提出的，其一方案的例示性目的之一在于提供一种在减压状态下仍具有有效的过电流保护功能的半导体集成电路。

本发明的一个方案涉及半导体集成电路。半导体集成电路具备：输出端子，应与负载连接；高侧晶体管，是源极与电源线连接、漏极与输出端子连接的pmos晶体管；第一过流保护电路，将与流经高侧晶体管的电流对应的第一电流检测信号和与电源线的电源电压具有正相关性的第一阈值相比较，生成表示比较结果的第一过电流保护信号；以及驱动电路，根据第一过电流保护信号，使高侧晶体管截止。

此外，上述构成要素的任意组合、以及将本发明的表现形式在方法和装置等之间转换后的方案，作为本发明的方案也是有效的。

根据本发明，在减压状态下能够防止过电流保护的丧失。

附图说明

图1是具备功率晶体管的半导体集成电路的框图。

图2是示出电源电压vdd和输出电流iout的关系的图。

图3是实施方式的半导体集成电路的功能框图。

图4是说明图3的半导体集成电路的工作的图。

图5的(a)～(c)是说明变形例的半导体集成电路的工作的图。

图6是变形例的半导体集成电路的电路图。

图7是示出第一ocp电路的构成例的电路图。

图8是示出第一ocp电路的更加具体的构成例的图。

图9是实施方式的具备音频放大器的音频输出装置的框图。

图10是示出btl形式的音频放大器的框图。

图11的(a)～(c)是电子设备的外观图。

附图标记说明

100音频放大器

102放大器

110运算放大器

112输出级

114差动放大级

120偏置电路

150第一ocp电路

200音频输出装置

202电声变换元件

400半导体集成电路

402输出级

410驱动电路

412差动放大级

414锁存电路

416保护晶体管

420ocp电路

420h第一ocp电路

420l第二ocp电路

430电流检测电路

431、432复制晶体管

440比较电路

cs1第一电流源

cs2第二电流源

442电流镜电路

444变换器

450阈值调节电路

600显示器装置

602壳体

700组合音响

702壳体

800小型信息终端

802壳体

804显示器

具体实施方式

下面，基于优选的实施方式参照附图说明本发明。对各附图所示的相同或等同的构成要素、构件、处理标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。另外，实施方式并非限定发明而仅是示例，并非实施方式中记载的全部特征或其组合都是发明的本质性内容。

在本说明书中，所谓“部件a与部件b连接的状态”，除了部件a与部件b物理性直接地连接的情况外，还包括部件a与部件b介由不对电连接状态产生影响的、或者不妨碍功能的其他构件间接地连接的情况。

同样地，所谓“部件c设置在部件a和部件b之间的状态”，除了部件a和部件c，或者部件b和部件c直接连接的情况之外，还包括经由对电连接状态不产生影响的、或者不妨碍功能的其他部件而间接连接的情况。

图3是实施方式的半导体集成电路400的功能框图。半导体集成电路400具备高侧晶体管mh、驱动电路410、过电流保护(ocp：overcurrentprotection)电路420h。半导体集成电路400具有接受电源电压vdd的电源端子vdd、连接有负载10的输出(out)端子。

高侧晶体管mh是pmos晶体管，源极与电源线(电源端子)vdd连接，漏极与out端子连接。驱动电路410调节高侧晶体管mh的栅极电压vgh，控制负载10的电气状态。在本实施方式中，流经高侧晶体管mh的电流(称为源电流isrc)是被供给至负载10的输出电流iout。

第一ocp电路420h将与流经高侧晶体管mh的源电流isrc对应的第一电流检测信号ics1，和与电源线的电源电压vdd具有正相关性的第一阈值iocp1相比较，生成表示比较结果的第一ocp信号socp1。例如，第一ocp信号socp1在过电流状态(ics1＞iocp1)下，被置于有效(高)，在正常状态(ics1＜iocp1)下被置于无效(低)。

第一ocp电路420h能够功能性地包括电流检测电路430、比较电路440、阈值调节电路450。电流检测电路430生成与源电流isrc对应的电流检测信号ics1。比较电路440将电流检测信号ics1与第一阈值iocp1相比较，生成第一ocp信号socp1。阈值调节电路450改变第一阈值iocp1，以使第一阈值iocp1具有电源电压依赖性，更具体而言使得第一阈值iocp1和电源电压vdd具有正相关性。优选地，阈值iocp1相对于电源电压vdd呈线性变化。电流检测信号ics1以及阈值iocp1可以为电流信号，也可以为电压信号。另外阈值调整电路450的输出信号可以是具有电源电压依赖性的阈值iocp1本身，也可以是用于使在比较电路440的内部生成的阈值iocp1根据电源电压而改变的信号(例如图7、图8的基准电流iref0)。

驱动电路410响应于第一ocp信号socp1的置于有效，使高侧晶体管mh变为截止。更具体而言，若第一ocp信号socp1置于有效，则触发器(锁存)保持状态，将高侧晶体管mh的栅极电压vgh设为高(使栅极源极间电压为零)，使高侧晶体管mh阻断。

以上为半导体集成电路400的构成。接着说明其工作。图4是说明图3的半导体集成电路400的工作的图。横轴表示电源电压vdd，纵轴表示输出电流iout(源电流isrc)。图4中示出与图2对应的三条直线(i)～

(iii)。即，(i)是保证工作区域的上限，(ii)表示对地短路时的特性(典型值)，(iii)表示考虑了mosfet的偏差时的对地短路时的特性。

优选地，第一阈值iocp1相对于电源电压vdd的倾斜度(diocp1/dvdd)与保证工作区域的上限(负载线(i))的倾斜度相等，或大于保证工作区域的上限。另外，第一阈值iocp1相对于电源电压vdd的倾斜度(diocp1/dvdd)与短路状态的负载线(ii)的倾斜度相等，或小于短路状态的负载线(ii)的倾斜度。

在本实施方式中，过电流保护的阈值iocp1示出相对于电源电压vdd正相关，即向右上升的特性。由此，在应保证工作的电源电压范围vmin～vmax中，尤其在减压状态下，对地短路状态的特性(ii)、(iii)不与阈值iocp1相交而保持在其上侧，因此产生对地短路时，isrc＞iocp1，能够施加过电流保护。

另外，在全部电源电压范围vmin～vmax中，过电流阈值iocp1位于比保证工作区域靠上侧的位置，因此不会因过电流保护而限制投入给负载10的电力。

进而，根据实施方式的半导体集成电路400，存在能够扩大保证工作区域的优点。即，即便将最低电压vmin设定为更低的最低电压vmin’，阈值iocp1也不与负载线(i)、(iii)的任一者相交，维持在其之间的范围。

另外，若增大投入负载10的电力(即减小负载阻抗)，则负载线(i)如单点划线(iv)所示那样向上侧变位，但阈值iocp1不与负载线(i)～(iv)的任一者相交，维持在其之间的范围。

像这样通过半导体集成电路400，在横轴上能够将保证工作区域向低电压方向扩大，在纵轴上能够进一步向重负载方向扩大。

在图4中，是使阈值iocp1针对电源电压线性变化的，但并不限定于此。图5的(a)～(c)是说明变形例的半导体集成电路400的工作的图。如图5的(a)所示，阈值iocp1也可以相对于电源电压vdd呈台阶状地变化。或者如图5的(b)所示，阈值iocp1可以相对于电源电压vdd呈非线性变化。或者如图5的(c)所示，阈值iocp1可以是斜率不同的直线的组合。

图6是变形例的半导体集成电路400a的电路图。半导体集成电路400a具有由高侧晶体管mh和低侧晶体管ml形成的推挽形式的输出级402。低侧晶体管ml是n沟道mosfet，漏极与out端子连接，源极与接地(gnd)端子连接。

驱动电路410调节高侧晶体管mh、低侧晶体管ml的栅极电压vgh、vgl，控制负载10的电气状态。将流经低侧晶体管ml的电流称为灌电流isink。流经负载10的电流iout用iout＝isrc－isink表示。

第一ocp电路420h将源电流isrc与阈值iocp1相比较，生成与比较结果相应的第一ocp信号socp1。同样地，第二ocp电路420l将与流经低侧晶体管ml的灌电流isink相应的电流检测信号ics2与阈值iocp2相比较，生成与比较结果相应的第二ocp信号socp2。两个阈值iocp1、iocp2的至少一者具有电源电压依赖性，优选两者都具有电源电压依赖性。可以使两个阈值iocp1、iocp2联动，也可以使其为相同的值。

根据该变形例，在out端子对电源短路(与电源线短路)的情况下，也能够适当地保护低侧晶体管ml。另外，在减压状态下，能够维持过电流保护的功能。

接着，说明第一ocp电路420h(第二ocp电路420l)的构成例。图7是示出第一ocp电路420h的构成例的电路图。ocp电路420包括电流检测电路430、比较电路440和阈值调节电路450。

电流检测电路430包括输出级402的复制(replica)电路。该复制电路包括高侧晶体管mh的复制晶体管431和低侧晶体管ml的复制晶体管432。复制晶体管431、432的栅极与晶体管mh、ml的栅极共通地连接。复制晶体管431中流动与流经高侧晶体管mh的源电流isrc成比例的检测电流isrc’。该检测电流isrc’作为电流检测信号ics1被供给至比较电路440。阈值调节电路450生成具有电源电压依赖性的基准电流iref0(vdd)。比较电路440是电流比较器，将检测电流isrc’和与基准电流iref0相应的阈值iocp1相比较，输出与比较结果相应的第一ocp信号socp1。

驱动电路410具备差动放大级412、锁存(latch)电路414、保护晶体管416。差动放大级412控制高侧晶体管mh、低侧晶体管ml的栅极电压vgh、vgl。

保护晶体管416设置在高侧晶体管mh的栅极源极间，在正常状态(非过电流状态)下截止。锁存电路414在第一ocp信号socp1置于有效时将其锁存，向保护晶体管416的栅极输出低电平来使保护晶体管416导通。由此，高侧晶体管mh的栅极源极间短路，高侧晶体管mh截止。

图8是示出第一ocp电路420h的更具体的构成例的图。锁存电路414也可以是监测第一ocp信号socp1，当其被置于有效持续了规定时间时输出低电平的计时器锁存电路。

比较电路440包括第一电阻r21、第二电阻r22、电流镜电路442、第一电流源cs1、第二电流源cs2。第一电阻r21设置在复制晶体管431和电源线之间。电流镜电路442将第一电阻r21以及第二电阻r22作为源极负载(或发射极负载)。第一电流源cs1与电流镜电路442的输入侧的晶体管m21连接，第二电流源cs2与电流镜电路442的输出侧的晶体管m22连接。基于电流镜电路442和第二电流源cs2的连接节点(晶体管m22的漏极)的电压，生成第一ocp信号socp1。

晶体管m21(m22)的栅极电压根据第一电阻r21、晶体管m21以及基准电流iref1而定，为vdd－r21×iref1－vth。vth是晶体管m21的栅极源极间电压。

在电流检测信号isrc’足够小的状态下，晶体管m21、m22的漏极电压实质上相等，维持某程度高的电压电平。

电流检测信号isrc’增大时，第二电阻r22的电压降增加，晶体管m22的源极电压降低，该栅极源极间电压减少。为了维持相同的基准电流iref2，晶体管m22的漏极源极间电压增大，因而晶体管m22的漏极电压降低。例如可以将晶体管m22的漏极电压由变换器444二值化，作为第一ocp信号socp1。第一ocp信号socp1的电平变化时的电流检测信号isrc’相当于阈值iocp1，该阈值iocp1被基于基准电流iref1、iref2而规定。

如上所述，阈值调节电路450生成具有电源电压依赖性的基准电流iref0。具有电源电压依赖性的基准电流iref的生成方法没有特别地限定，能够使用公知的各种电路。

该基准电流iref0在比较电路440的阈值iocp1中导入电源电压依赖性。第一电流源cs1、第二电流源cs2复制与基准电流iref相应的基准电流iref0，生成基准电流iref1、iref2。电源电压vdd降低，基准电流iref0减少时，基准电流iref1、iref2也减少。由此，比较电路440中的阈值iocp1具有电源电压依赖性。

接着，说明半导体集成电路400的用途。

图9是实施方式的具备音频放大器100的音频输出装置200的框图。音频输出装置200具备电声变换元件202以及音频放大器100。

音频放大器100与上述的半导体集成电路400对应。音频放大器100主要具备运算放大器110、偏置电路120、第一ocp电路150，是集成于一个半导体基板(芯片)的功能ic(integratedcircuit：集成电路)。

运算放大器110与多个电阻r11～r14一起形成放大器102。在图9中示出了非反相型的放大器102，但并不限定于此，也可以是反相型。

音频放大器100的关闭(sdb)管脚被输入关闭(sdb)信号。音频放大器100在sdb信号为第一电平(例如低)时为关闭状态，第二电平(例如高)时关闭解除。

偏置电路120生成放大器102的偏置电压vbias。偏置电路120被经由偏置(bias)管脚外装有电容器c11。偏置电路120响应关闭解除而开始偏置电压vbias的生成。偏置电压vbias按照电容器c11确定的时间常数缓慢上升。偏置电压vbias被供给至放大器102。

运算放大器110包括输出级112以及差动放大级114。输出级112是包括高侧晶体管mh以及低侧晶体管ml的推挽形式，对应于图6的输出级402。另外，差动放大级114对应于图6的驱动电路410。差动放大级114控制输出级112，使得非反相输入端子(+)和反相输入端子(-)的电压接近。

第一ocp电路150对应于图6的ocp电路420h，将流经输出级112的高侧晶体管mh的源电流isrc与过电流阈值iocp相比较，若源电流isrc超过过电流阈值iocp则使ocp信号socp1置于有效。差动放大级114响应ocp信号socp1的置于有效，使高侧晶体管mh截止。音频放大器100还能够具备检测低侧晶体管ml的过电流状态的第二ocp电路420l。

以上，基于实施方式说明了本发明。本领域技术人员应该理解，该实施方式是例示，可对其各构成要素或者各处理过程的组合进行各种变形例，并且这样的变形例也处于本发明的范围内。以下对这样的变形例进行说明。

(变形例1)

在实施方式中说明了单端的音频放大器100，但本发明也能够应用在btl形式的音频放大器中。图10是示出btl形式的音频放大器100a的框图。音频放大器100a具备放大器102p、102n。放大器102p、102n各自的构成与上述的放大器102相同，但电阻r13没有接地而与彼此的输入连接。

(变形例2)

在实施方式中，说明了由mos晶体管构成的音频放大器，但也可以由双极型晶体管构成一部分晶体管。在这种情况下，将栅极、源极、漏极替换为基极、发射极、集电极即可。

(变形例3)

在实施方式中，将阈值电流iocp1、iocp2设为不具有温度依赖性，但并不限定于此。高侧晶体管mh或低侧晶体管ml的导通电阻ron具有温度依赖性，温度系数为正。也就是说，温度升高时，图4的负载线(ii)、(iii)向下侧变位。在此，阈值电流iocp1、iocp2也可以具有负的温度特性。在温度升高，在短路状态下流经的电流减小的状况中，通过降低阈值iocp1、iocp2，进行稳健的保护。

(变形例4)

在第一ocp电路420h中，用于将与电流isrc相应的检测信号ics1与阈值iocp1相比较的方法并不进行限定。例如可以将电流isrc转换为电压的检测信号，和与阈值iocp1对应的阈值电压vocp1相比较，使阈值电压vocp1具有电源电压依赖性即可。关于第二ocp电路420l也是同样。

(变形例5)

作为音频放大器100的用途，例示了音频放大器，但并不限定于此，电源电路或电机驱动器等、在输出级具有功率晶体管，在过电流状态下应锁存停止的电路中能够广泛地利用本发明。

(用途)

最后，说明音频输出装置200的应用。图11的(a)～(c)是电子设备1的外观图。图11的(a)是作为电子设备1的一个例子的显示器装置600。显示器装置600具备壳体602、扬声器2。音频输出装置200内置于壳体，驱动扬声器2。扬声器2相当于电声变换元件202。

图11的(b)是作为电子设备1的一个例子的组合音响700。组合音响700具备壳体702、扬声器2。音频输出装置200内置于壳体702，驱动扬声器2。

图11的(c)是作为电子设备1的一个例子的小型信息终端800。小型信息终端800是智能手机、平板终端、音频播放器、数码照相机、数码摄像机等。小型信息终端800具备壳体802、扬声器2、显示器804。音频输出装置200内置于壳体802，驱动扬声器2。

基于实施方式，使用具体的语句说明了本发明，但实施方式仅是表示本发明的原理，应用的一个侧面，在不脱离权利要求中规定的本发明的思想的范围内，可以对实施方式进行很多变形例或配置的变更。