(57)【要約】【課題】供給される電源に基づいて、電源投入からプロセッサの動作開始までの起動シーケンスを切り替えることが可能な半導体装置を提供することにある。【解決手段】半導体装置は、外部端子と、前記外部端子に接続され、前記外部端子の電圧を判定する判定回路と、電源制御回路と、クロック制御回路と、ＣＰＵと、不揮発性メモリと、を含む。前記半導体装置は、前記判定回路の判定結果に基づいて、通常起動と低消費電力起動との一方の起動シーケンスを選択する。【選択図】図１
2020119187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部端子と、
前記外部端子の電圧を判定する判定回路と、
電源制御回路と、
クロック制御回路と、
ＣＰＵと、
不揮発性メモリと、を含み、
前記判定回路の判定結果に基づいて、通常起動と低消費電力起動との一方の起動シーケンスを選択する、半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記通常起動が選択された場合、
前記電源制御回路は、駆動能力を大きい状態、または、自己消費電力を大きい状態にされ、
前記クロック制御回路は、クロックの周波数を高周波の状態、または、前記クロックの分周比を小さくする状態にされ、
前記低消費電力起動が選択された場合、
前記電源制御回路は、駆動能力を小さい状態、または、自己消費電力を小さい状態にされ、
前記クロック制御回路は、前記クロックの周波数を低周波の状態、または、前記クロックの分周比を大きくする状態にされる、半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記低消費電力起動における前記起動シーケンスは、前記通常起動における前記起動シーケンスより長い、半導体装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記起動シーケンスは、電源制御と、クロック制御と、リセット制御と、を含み、
前記起動シーケンスの後、前記ＣＰＵは前記不揮発性メモリに格納された命令を実行する、半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、
基板バイアス制御回路を含み、
前記基板バイアス制御回路は、基板バイアスを生成する機能と、基板バイアスを変更する機能と、を含み、
前記低消費電力起動が選択された場合において、
前記基板バイアス制御回路は、前記電源制御と前記クロック制御と間において、前記基板バイアスを生成し、
前記基板バイアス制御回路は、前記ＣＰＵが前記不揮発性メモリに格納された命令を実行後、前記基板バイアスを変更する、半導体装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記基板バイアス制御回路が前記基板バイアスを生成する時、前記ＣＰＵおよび前記クロック制御回路に対する内部電源の供給が停止されている、半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記通常起動が選択された場合において、
前記基板バイアス制御回路は、前記ＣＰＵが前記不揮発性メモリに格納された命令を実行後、前記基板バイアスを生成し、前記基板バイアスの生成後、前記基板バイアスを変更する、半導体装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記通常起動が選択された場合において、
前記基板バイアス制御回路が前記基板バイアスを生成する時、前記ＣＰＵおよび前記クロック制御回路に対する内部電源の供給が行われている、半導体装置。
【請求項９】
請求項４において、
前記通常起動が選択された場合において、
前記電源制御と、前記クロック制御と、前記リセット制御とが並列的に動作させ、
前記低消費電力起動が選択された場合において、
前記電源制御と、前記クロック制御と、前記リセット制御とが順次処理される、半導体装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記低消費電力起動が選択された場合において、
前記電源制御と前記クロック制御とを部分的にオーバーラップさせて実行させ、前記クロック制御と前記リセット制御とを部分的にオーバーラップさせて実行させる、半導体装置。
【請求項１１】
外部端子と、前記外部端子の電圧を判定する判定回路と、電源制御回路と、クロック制御回路と、ＣＰＵと、不揮発性メモリと、を含み、前記判定回路の判定結果に基づいて、通常起動と低消費電力起動との一方の起動シーケンスを選択する半導体装置と、
第１電源装置と、
前記第１電源装置の電流供給能力より少ない電流供給能力を有する第２電源装置と、
前記半導体装置の電源として、前記第１電源装置と前記第２電源装置のいずれか一方を選択し、前記第１電源装置と前記第２電源装置のいずれか一方の選択に連動して、前記外部端子にハイレベルまたはロウレベルの電圧信号を供給する回路と、を有する、半導体システム。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記回路は、第１スイッチと、第２スイッチと、を含み、
前記第１スイッチが前記第１電源装置を選択した場合、前記第２スイッチは、前記外部端子に前記ハイレベルの電圧信号を供給し、
前記第１スイッチが前記第２電源装置を選択した場合、前記第２スイッチは、前記外部端子に前記ロウレベルの電圧信号を供給する、半導体システム。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記回路は、スイッチ制御回路と、スイッチを含み、
前記スイッチ制御回路が前記第１電源装置を選択した場合、前記スイッチ制御回路は前記外部端子に前記ハイレベルの電圧信号を供給するとともに、前記スイッチを制御して、前記第１電源装置を前記半導体装置の電源に接続し、
前記スイッチ制御回路が前記第２電源装置を選択した場合、前記スイッチ制御回路は前記外部端子に前記ロウレベルの電圧信号を供給するとともに、前記スイッチを制御して、前記第２電源装置を前記半導体装置の電源に接続する、半導体システム。
【請求項１４】
請求項１１において、
前記回路は、前記第１電源装置の発生する電源の電圧を検知する検知回路を含み、
前記検知回路は、前記第１電源装置が電源を発生する場合、前記第１電源装置が発生した電源を前記半導体装置に供給するとともに、前記外部端子に前記ハイレベルの電圧信号を供給し、
前記検知回路は、前記第１電源装置が電源を発生しない場合、前記第２電源装置が発生した電源を前記半導体装置に供給するとともに、前記外部端子に前記ロウレベルの電圧信号を供給する、半導体システム。
【請求項１５】
ヒューズ回路と、
電源制御回路と、
クロック制御回路と、
ＣＰＵと、
不揮発性メモリと、を含み、
前記ヒューズ回路の状態信号に基づいて、起動シーケンスを通常起動と低消費電力起動とのいずれか一方を選択する、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体装置に関し、特に、電源の種類によって起動シーケンスを切り換えることが可能なマイクロコントローラ等の半導体集積回路装置に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
全ての電源がオフの状態から半導体装置を起動する際、リセットが解除されると起動シーケンスを介して通常動作モードに遷移する。通常動作モードから消費電力を低減した動作状態に移行する場合、特開２００７−２５９４６３号公報（特許文献１）によると、プロセッサ（ＣＰＵ）等が実行する命令によって通常動作モードから低消費電力モードに遷移する。
【０００３】
電源がオフの状態から通常動作に遷移するまでの起動シーケンスは、一般的にマイクロコントローラごとに定まっている。用途に応じて、瞬時電流を抑制したマイクロコントローラとパフォーマンスを重視したマイクロコントローラとから選択する。
【０００４】
一方、半導体システムには、太陽電池や振動発電子等の様な十分な電流供給能力を有しない電源が組み合わされる場合と、十分な電流供給能力を有する電源が組み合わされる場合と、がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２５９４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽電池や振動発電子等の様な十分な電流供給能力を有しない電源が組み合わせられた半導体システムでは、搭載するマイクロコントローラの瞬時電流を抑制することが必要である。マイクロコントローラの瞬時電流を抑制することは、マイクロコントローラの起動時間の短縮化とトレードオフの関係にある。つまり、瞬時電流が抑制されたマイクロコントローラを有する半導体システムにおいて、十分な電流供給能力を有しない電源を、十分な電流供給能力を有する電源へ変更した場合でも、瞬時電流が抑制されたマイクロコントローラは高速起動が出来ないという課題がある。
【０００７】
十分な電流供給能力を有しない電源が組み合わせられた半導体システムに、パフォーマンスを重視したマイクロコントローラを搭載すると、電源の供給開始からプロセッサ（ＣＰＵ）等が起動するまでの起動シーケンス、及び通常動作モードを介して低消費電力モードに遷移するまでの過程で、電源の供給電流よりもマイクロコントローラの消費電流が大きくなる恐れがある。もし、マイクロコントローラの消費電流が電源の供給電流を上回ると、マイクロコントローラの安定した起動やマイクロコントローラの動作の継続ができなくなるという課題がある。
【０００８】
十分な電流供給能力を有しない電源が組み合わせられた半導体システムでは、パフォーマンスを重視したマイクロコントローラではなく、瞬時電流を抑制したマイクロコントローラを選択して搭載するのが良い。しかしながら、瞬時電力の抑制はマイクロコントローラの安定した起動動作を得られるが、マイクロコントローラのパフォーマンスを低減するため、一般的に、マイクロコントローラの起動時間が長くなる。
【０００９】
瞬時電流を抑制したマイクロコントローラを搭載する半導体システムでは、電源の供給開始からマイクロコントローラに内蔵するプロセッサ等が実行する命令によってパフォーマンスを重視する動作状態に移行するまでは、マイクロコントローラの消費電流は抑制された動作状態となる。
【００１０】
瞬時電流を抑制したマイクロコントローラを搭載する半導体システムの電源を、十分な電流供給能力を有しない電源から十分な電流供給能力を有する電源に置き換えや切り替えて使用する場合、瞬時電流の抑制ではなく高速動作させる電流供給能力が得られる。しかし、電源の供給開始から起動シーケンスを介して動作状態をパフォーマンス重視に遷移するまでの期間は、瞬時電流を抑制した動作となってしまう。これは起動シーケンス時間が延びることを意味する。
【００１１】
本開示の課題は、供給される電源に基づいて、電源投入からプロセッサの動作開始までの起動シーケンスを切り替えることが可能な半導体装置を提供することにある。
【００１２】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【００１４】
すなわち、半導体装置は、外部端子と、前記外部端子に接続され、前記外部端子の電圧を判定する判定回路と、電源制御回路と、クロック制御回路と、ＣＰＵと、不揮発性メモリと、を含む。前記半導体装置は、前記判定回路の判定結果に基づいて、通常起動と低消費電力起動との一方の起動シーケンスを選択する。
【発明の効果】
【００１５】
上記半導体装置よれば、供給される電源に基づいて、電源投入からプロセッサの動作開始までの起動シーケンスの動作を、瞬時電流を抑制した動作と高速な動作とから選択することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２】実施例１に係る半導体装置の動作フローを説明する図である。
【図３】通常起動と低消費電力起動の消費電力と処理時間を説明する概略図である。
【図４】実施例２に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図５】トランジスタの構成例を示す断面図である。
【図６】実施例２に係る半導体装置の動作フローを説明する図である。
【図７】実施例３に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図８】実施例４に係る通常起動の起動シーケンスを示す図である。
【図９】実施例４に係る低消費電力起動の起動シーケンスを示す図である。
【図１０】変形例に係る低消費電力起動の起動シーケンスを示す図である。
【図１１】応用例１に係る半導体システムの構成例を示す図である。
【図１２】応用例２に係る半導体システムの構成例を示す図である。
【図１３】応用例３に係る半導体システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施形態、および、実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は、実施例１に係る半導体装置の構成を示す図である。半導体装置１は、一例では、マイクロコントローラＭＣＵである。マイクロコントローラＭＣＵは、複数の命令を含む動作プログラムを格納する不揮発性メモリＲＯＭと、命令を実行するプロセッサである中央処理装置ＣＰＵを内蔵する。マイクロコントローラＭＣＵは、また、マイクロコントローラＭＣＵに内蔵する内蔵回路を動作させるために、電源制御回路２やクロック制御回路３を有する。
【００１９】
電源制御回路２は、中央処理装置ＣＰＵや不揮発性メモリＲＯＭなどを駆動するための内部電源電位を生成する機能や、負荷に応じて内蔵回路に供給する電流を調整するための駆動能力を変更する機能をもつ。
【００２０】
クロック制御回路３は、発振器を含み、発振器の発振動作や発振停止の制御、発振器で生成されたクロックの供給先を選択、及び供給するクロックの周波数を制御する。
【００２１】
マイクロコントローラＭＣＵは、電源制御回路２の電源制御やクロック制御回路３のクロック制御により、最大消費電流を抑制した低消費電力動作モードをもつ。
【００２２】
さらに、マイクロコントローラＭＣＵは、外部端子Ｐ１、・・、Ｐｎ、ＰＩＮに接続された入出力回路Ｉ/Ｏを有する。入出力回路Ｉ/Ｏは、外部端子Ｐ１、・・Ｐｎの入力および出力を制御する。外部端子Ｐ１、・・Ｐｎは、マイクロコントローラＭＣＵの外部回路からの制御信号や通信信号の入力、または、外部回路を制御する制御信号の出力に利用される。電源ＰＳは、電源端子を介してマイクロコントローラＭＣＵへ供給される。
【００２３】
入出力回路Ｉ/Ｏは、さらに、外部端子ＰＩＮに接続された判定回路４を有する。判定回路４は、電源ＰＳの投入時に、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベルを判定し、通常起動と低消費電力起動とを選択するため判定信号４１を、電源制御回路２およびクロック制御回路３へ出力する。
【００２４】
つまり、マイクロコントローラＭＣＵは、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベルによって、起動シーケンスとして、通常起動と低消費電力起動とを選択できる機能をもつ。外部端子Ｐ１、・・、Ｐｎの一部、または全部は、電源投入時から、たとえば、判定回路などにより、制御することもできる。
【００２５】
たとえば、電源ＰＳが十分な電流供給能力を有する電源である場合、外部端子ＰＩＮにはハイレベル（Ｈ）の電圧信号Ｖｐが入力され、電源ＰＳが十分な電流供給能力を有しない電源である場合、外部端子ＰＩＮにはロウレベル（Ｌ）の電圧信号Ｖｐが入力されるものとする。
【００２６】
外部端子ＰＩＮにはハイレベルの電圧信号Ｖｐが入力された場合、電源制御回路２の駆動能力を大きい状態または電源制御回路２の自己消費電力を大きい状態とし、クロック制御回路３から発生するクロックの周波数を高周波の状態、または、クロックの分周比を小さくする状態とするような、判定信号４１を生成する。
【００２７】
一方、外部端子ＰＩＮにはロウレベルの電圧信号Ｖｐが入力された場合、判定回路４は、電源制御回路２の駆動能力を小さい状態または電源制御回路２の自己消費電力を小さい状態とし、クロック制御回路３から発生するクロックの周波数を低周波の状態またはクロックの分周比を大きくする状態とするような判定信号４１を生成する。
【００２８】
図２は、実施例１に係る半導体装置の動作フローを説明する図である。図１のマイクロコントローラＭＣＵは、電源投入またはリセット解除時に、外部端子ＰＩＮから判定回路４に入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベルによって、通常起動と低消費電力起動の動作を選択する機能をもつ。なお、複数の外部端子を用いて、３つ以上の起動モードを選択可能としてもよい。
【００２９】
外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベル（Ｖｐ＝Ｈ）により、通常起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除した場合（ステップＳ１）、判定回路４によりモード判定（ステップＳ２）を行った後、マイクロコントローラＭＣＵは通常起動の起動シーケンスの動作を開始する。
【００３０】
通常起動の起動シーケンスでは、マイクロコントローラＭＣＵの内蔵回路の初期化処理として電源制御（ステップＳ３）、クロック制御（ステップＳ４）やリセット制御（ステップＳ５）などを実施し、速やかにＣＰＵ動作（ステップＳ６）を開始できる状態にする。これを、通常起動と呼ぶ。起動シーケンスの時間は、制御の処理時間に加えて、電源や発振器など内蔵回路の安定待ち時間も含む。起動シーケンスの処理が完了すると、中央処理装置ＣＰＵは不揮発性メモリＲＯＭに格納されたプログラムを読み出して命令の実行を開始する。命令に電源制御やクロック制御が含まれていれば、そのプログラムに応じてマイクロコントローラＭＣＵの動作状態を、たとえば、ＣＰＵ動作を低消費電力に切り替える（ステップＳ７）。
【００３１】
一方で、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベル（Ｖｐ＝Ｌ）により、低消費電力起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除した場合（ステップＳ１）、判定回路４によりモード判定（ステップＳ２）を行った後、マイクロコントローラＭＣＵは低消費電力起動の起動シーケンスの動作を開始する。マイクロコントローラＭＣＵは低消費電力起動の起動シーケンス中から電源制御やクロック制御を低消費電力動作に切り替える（ステップＳ３１、Ｓ４１）。その後、リセット制御（ステップＳ５１）を実行し、中央処理装置ＣＰＵは低消費電力動作状態で不揮発性メモリＲＯＭに格納されたプログラムを実行する（ステップＳ６１）。
【００３２】
ステップＳ３１の電源制御では、マイクロコントローラＭＣＵに内蔵する電源回路を低消費電力起動の動作で必要な消費電流に合わせた駆動能力に設定し、電源回路の消費電流を抑制する。また、ステップＳ４１のクロック制御では、マイクロコントローラＭＣＵの動作周波数を低下させて、低消費電力起動の起動シーケンス中のマイクロコントローラＭＣＵ全体の動作電流を抑制する。一般的に、マイクロコントローラＭＣＵを低消費電力で制御をすると（Ｓ３１〜Ｓ６１）、通常動作（Ｓ３〜Ｓ６）よりも処理時間が長くなるため、ＣＰＵ動作（ステップＳ６１）の開始が遅くなる。
【００３３】
図３は、通常起動と低消費電力起動の消費電力と処理時間を説明する概略図である。図３には、電源ＰＳの電圧Ｖの変化と、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐのハイレベル（Ｈ）またはロウレベル（Ｌ）と、時間Ｔと、マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉとが示されている。なお、マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉにおいて、Ｉ１は低消費電力起動時における許容電流量を示し、Ｉ２は通常起動における許容電流量を示しているものとする。低消費電力起動時における許容電流量Ｉ１は、通常起動における許容電流量Ｉ２より小さく設定されている（Ｉ１＜Ｉ２）。
【００３４】
まず、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号ＶｐをハイレベルＨ（Ｖｐ＝Ｈ）として、通常起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除した場合を説明する。
【００３５】
この場合、時刻ｔ１から時刻ｔ２において、電源投入またはリセット解除が行われる。マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉは、電源ＰＳの電圧Ｖの変化にしたがって所定の電流値に変化するが、時刻ｔ１から時刻ｔ２では、消費電流Ｉは許容電流量Ｉ１を超えない程度に流れる。
【００３６】
時刻ｔ２から時刻ｔ３において、通常動作の起動シーケンスが実行される。マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉは、許容電流量Ｉ１を超えるが許容電流量Ｉ２を超えない程度に流れる。
【００３７】
時刻ｔ３から時刻ｔ５において、通常動作のＣＰＵ動作が実行される。マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉは、許容電流量Ｉ２を超えない程度に流れる。この例では、時刻ｔ５以降において、命令実行によって低消費電力動作のＣＰＵ動作が実行され、マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉは、許容電流量Ｉ１を超えない程度に抑制される。
【００３８】
一方、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号ＶｐをロウレベルＬ（Ｖｐ＝Ｌ）として、低消費電力起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除した場合を説明する。
【００３９】
この場合、時刻ｔ１から時刻ｔ２において、電源投入またはリセット解除が行われる。マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉは、電源ＰＳの電圧Ｖの変化にしたがって所定の電流値に変化するが、時刻ｔ１から時刻ｔ２では、消費電流Ｉは許容電流量Ｉ１を超えない程度に流れる。
【００４０】
時刻ｔ２から時刻ｔ４において、低消費電力動作の起動シーケンスが実行される。マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉは、時刻ｔ１から時刻ｔ２における消費電流Ｉより多いものの、許容電流量Ｉ１を超えない程度に流れる。
【００４１】
時刻ｔ４から時刻ｔ５に、低消費電力動作のＣＰＵ動作が実行される。マイクロコントローラＭＣＵの消費電流Ｉは、時刻ｔ２から時刻ｔ４における消費電流Ｉより多いものの、許容電流量Ｉ１を超えない程度に流れる。
【００４２】
十分な電流供給能力を有しない電源ＰＳをもつ半導体システムにマイクロコントローラＭＣＵを搭載し、低い供給電流の電源ＰＳでマイクロコントローラＭＣＵを通常動作の起動シーケンスで動作させてしまうと、マイクロコントローラＭＣＵの最大動作電流が電源ＰＳの供給電流を超えたときに、マイクロコントローラＭＣＵは安定した動作が出来ない場合がある。ＣＰＵ動作の開始後であれば、命令実行によって低消費電力動作モードへ移行することが出来るが、ＣＰＵ動作の開始前に動作する起動シーケンスの消費電流が電源ＰＳの供給能力を超えると、半導体システムの誤動作や故障につながることがある。
【００４３】
しかし、図３に示す様に、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号ＶｐをロウレベルＬ（Ｖｐ＝Ｌ）として、低消費電力起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除すると、時刻ｔ２以降において実行される起動シーケンスの処理から低消費電力動作の動作モードに切り替えることができる。これにより、マイクロコントローラＭＣＵの最大消費電流が低消費電力起動時における許容電流量Ｉ１以下に抑制されるものの、安定したＣＰＵ動作が可能となる。ただし、処理時間が長くなるので、電源投入からＣＰＵ動作の開始までの時間が長くなる。
【００４４】
つまり、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号ＶｐをロウレベルＬ（Ｖｐ＝Ｌ）とした場合、起動シーケンスの時間（時刻ｔ２から時刻ｔ４）が長くなるが、電源投入後から低消費電力動作の動作モードになるので、マイクロコントローラＭＣＵの消費電流が小さくなり、電源供給能力の低い環境（十分な電流供給能力を有しない電源ＰＳ）でも安定してＣＰＵ起動させることができる。
【００４５】
一方、十分な電流供給能力を有する電源ＰＳを使用する場合、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号ＶｐをハイレベルＨ（Ｖｐ＝Ｈ）として、通常起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除すれば、電源投入後からＣＰＵ動作が開始するまでの時間が短縮される（時刻ｔ２から時刻ｔ３）。
【００４６】
なお、実施例１では、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベルの判定を、電源投入またはリセット解除後に実施する構成例を示した。外部端子ＰＩＮは、電源投入またはリセット解除後、入力用の外部端子、出力用の外部端子、または、入出力用の外部端子として使用できるように、外部端子ＰＩＮの機能を変更できるようにしてもよい。
【００４７】
実施例１によれば、以下の1または複数の効果を得ることができる。
【００４８】
１）外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベルを判定することで、マイクロコントローラＭＣＵは、電源投入からＣＰＵ動作開始までの期間（以下、起動シーケンス）において、瞬時電流を抑制した動作（低消費電力起動）と高速な動作（通常起動）とから選択できるようになる。
【００４９】
２）十分な電流供給能力を有しない電源と組み合わせた半導体システムに、マイクロコントローラＭＣＵを搭載する場合、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号ＶｐをロウレベルＬ（Ｖｐ＝Ｌ）とする。これにより、マイクロコントローラＭＣＵの起動シーケンスを、瞬時電流を抑制した動作とすることができる。したがって、マイクロコントローラＭＣＵは、安定した起動を行うことができる。
【００５０】
３）十分な電流供給能力を有する電源と組み合わせた半導体システムに、マイクロコントローラＭＣＵを搭載する場合、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号ＶｐをハイレベルＨ（Ｖｐ＝Ｈ）とする。これにより、マイクロコントローラＭＣＵの起動シーケンスを、高速な動作とすることができる。したがって、マイクロコントローラＭＣＵは、高いパフォーマンスで動作させることができる。
【００５１】
４）起動シーケンス動作の切り替え機能は、電源の電流供給能力に応じて、瞬時電流の抑制した動作と高速な動作とを両立させることができるという効果が得られる。したがって、同じマイクロコントローラＭＣＵを使用しながら通常動作と低消費電力動作を両立させることができる。
【実施例２】
【００５２】
実施例１の構成では、起動シーケンス中の消費電流を抑制することで安定した起動を実現させた。しかし、低消費電力起動で動作させると起動シーケンスの処理時間が長くなり、その期間の積算リーク電流が大きくなる。中央処理装置ＣＰＵで同じ処理をさせるとき、低消費電力起動よりも通常起動で動作させて高速に処理を完了させた方がリーク電流成分を削減できる。実施例２では、この積算リーク電流を低減した低消費電力動作の手段を提供する。
【００５３】
図４は、実施例２に係る半導体装置の構成を示す図である。マイクロコントローラＭＣＵである半導体装置１ａは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）技術を用いたＳＯＴＢ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ＯＮ Ｔｈｉｎ Ｂｕｒｉｅｄ ｏｘｉｄｅ）構造のトランジスタＴＲＳにより構成されている。実施例２では、トランジスタＴＲＳのウェル層（５３）に電圧（以下、基板バイアス電圧ＶＢＢと言う）を印加して、リーク電流を低減させる制御の手法が利用される。
【００５４】
まず、トランジスタＴＲＳの構造について、図５を用いて、簡単に説明する。図５は、ＳＯＴＢ構造のトランジスタＴＲＳの構成例を示す断面図である。
【００５５】
図５には、例示的に、Ｎチャネル型のトランジスタＴＲＳの断面構造が示されている。トランジスタＴＲＳは、単結晶シリコンの様なＰ型基板（Ｐ−ＳＵＢ）５１と、Ｐ型基板５１の上に設けられたＮ型ウェル層（ＤＥＥＰ-Ｎ-ＷＥＬＬ）５２と、Ｎ型ウェル層５２の上に設けられたＰ型ウェル層（Ｐ-ＷＥＬＬ）５３と、を含む。Ｎチャネル型のトランジスタＴＲＳは、３つの素子分離用の絶縁膜５５、５６、５７を有している。絶縁膜５５、５６の間において、Ｐ型ウェル層（Ｐ-ＷＥＬＬ）５３の上には、その膜厚が薄い埋め込み絶縁膜６０が形成されている。絶縁膜６０の上には、トランジスタＴＲＳのドレイン領域となるＮ＋型領域（ｎ＋）６１と、トランジスタＴＲＳのソース領域となるＮ＋型領域（ｎ＋）６２と、Ｎ＋型領域６１とＮ＋型領域６２との間に、チャネル領域６３が設けられる。チャネル領域６３は、たとえば、不純物が導入されていない領域とすることができる。
【００５６】
Ｎ＋型領域６１の上には、ドレイン電極Ｄが選択的に形成される。Ｎ＋型領域６２の上には、ソース電極Ｓが選択的に形成される。チャネル領域６３の上には、ゲート絶縁膜６４を介して、ゲート電極Ｇが形成される。一方、絶縁膜５６、５７の間において、Ｐ型ウェル層５３の上には、Ｐ型ウェル層５３に基板電位ＶＢＢを印加するための埋め込み電極（ＢＥ）６５が形成されている。
【００５７】
図５に示すＮチャネル型のトランジスタＴＲＳでは、チャネル領域６３に不純物を混入しないことにより、低電圧で安定した動作を可能にしており、電力効率良く演算性能を発揮することができる。一方、半導体装置１ａのスタンバイ時には、埋め込み絶縁膜６０下のＰ型ウェル層５３の基板電位を埋め込み電極（ＢＥ）６５によって制御（基板バイアスＶＢＢ制御）することにより、トランジスタＴＲＳのリーク電流を削減し、半導体装置１ａの待機電力を抑えることができる。なお、図５には、Ｎチャネル型のトランジスタＴＲＳの構成例を示したが、同様な思想により、Ｐチャネル型のトランジスタを構成できることは、当業者にとって、容易に理解できるので、Ｐチャネル型のトランジスタの構成例の説明は省略する。半導体装置１ａは、Ｎチャネル型のトランジスタＴＲＳとＰチャネル型のトランジスタとから構成されるＣＭＯＳ回路の複数により構成することができる。
【００５８】
図４に示す様に、マイクロコントローラＭＣＵは、４つの電源ドメイン（Ｐ０〜Ｐ３）で分割されており、各々の電源ドメイン０〜３（Ｐ０〜Ｐ３）に機能が割り当てられている。電源ドメイン０（Ｐ０）は、マイクロコントローラＭＣＵ全体の電源制御を担う電源制御回路２、判定回路４、ＶＢＢ制御回路４１、内部電源回路４２が含まれており、マイクロコントローラＭＣＵの外部から供給される電源ＰＳで動作する。電源ドメイン０（Ｐ０）は、各々の電源ドメイン１〜３（Ｐ１〜Ｐ３）への電源供給をＯＮ/ＯＦＦする機能をもつ。なお、電源ドメイン１〜３（Ｐ１〜Ｐ３）に電源供給をすると、そのドメインに含まれる機能を使用していなくてもリーク電流が発生する。
【００５９】
電源ドメイン１（Ｐ１）〜電源ドメイン３（Ｐ３）に、マイクロコントローラＭＣＵの内蔵機能が割り当てられている。電源ドメイン１（Ｐ１）には、たとえば、中央処理装置ＣＰＵと、揮発性メモリＲＡＭと、クロック制御回路３と、が含まれる。電源ドメイン２（Ｐ２）には、たとえば、通信回路４３と、タイマー回路４４と、が含まれる。電源ドメイン３（Ｐ３）には、たとえば、不揮発性メモリＲＯＭが含まれる。
【００６０】
電源ドメイン０（Ｐ０）には、基板バイアス電圧ＶＢＢの発生する機能と基板バイアス電圧ＶＢＢを切り替える機能とを含む基板バイアス制御回路４１が含まれている。基板バイアス電圧ＶＢＢを切り替えることで、マイクロコントローラＭＣＵのリーク電流が削減される。基板バイアス電圧ＶＢＢを発生させる基板バイアス制御では、マイクロコントローラＭＣＵの内蔵回路を正常に動作継続させるために、基板バイアス電圧ＶＢＢの発生と基板バイアス電圧ＶＢＢの電位の安定待ちが必要である。そのため、ＶＢＢ制御回路４１が基板バイアス制御を開始してからすぐに基板バイアス電圧ＶＢＢを切り替えることが出来ないことに注意する必要がある。
【００６１】
図６は、実施例２に係る半導体装置の動作フローを説明する図である。図４のマイクロコントローラＭＣＵは、図１と同様に、電源投入またはリセット解除時に、外部端子ＰＩＮから判定回路４に入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベルによって、通常起動と低消費電力起動の動作を選択する機能をもつ。
【００６２】
外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベル（Ｖｐ＝Ｈ）により、通常起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除した場合（ステップＳ１）、判定回路４によりモード判定（ステップＳ２）を行った後、マイクロコントローラＭＣＵは通常起動の起動シーケンスの動作を開始する。ステップＳ１およびステップＳ２の期間において、電源ドメインＰ０には電源ＰＳが供給された状態（ＯＮ）であり、電源ドメインＰ１〜Ｐ３には内部電源が供給されない状態（ＯＦＦ）である。
【００６３】
通常起動の起動シーケンスでは、マイクロコントローラＭＣＵの内蔵回路の初期化処理として電源制御（ステップＳ３）やクロック制御（ステップＳ４）などを実施し、速やかにＣＰＵ動作（ステップＳ６）を開始できる状態にする。尚、図６には、図２に示されるリセット制御（ステップＳ５）の記載は省略されている。ステップＳ３では、電源ドメインＰ０には電源ＰＳが供給された状態（ＯＮ）であり、電源ドメインＰ１〜Ｐ３には内部電源が供給されない状態（ＯＦＦ）である。一方、ステップＳ４では、電源ドメインＰ０には電源ＰＳが供給された状態（ＯＮ）であり、電源ドメインＰ１〜Ｐ３には内部電源が供給された状態（ＯＮ）である。
【００６４】
ステップＳ６の後、基板バイアス電圧ＶＢＢを切り替えてリーク電流を削減する低消費電力モードに移行したいとき(ステップＳ９)、ステップＳ９の以前に、基板バイアス制御（ＶＢＢ制御：ステップＳ８）が実施される。ステップＳ８では、基板バイアス電圧ＶＢＢの発生と基板バイアス電圧ＶＢＢの電位の安定待ちが行われる。ステップＳ８の完了後、ステップＳ９において、基板バイアス電圧ＶＢＢの切り替えが行われ、リーク電流を削減する低消費電力モードに移行する。ＶＢＢ制御(ステップＳ８)の期間では、電源ドメインＰ１〜Ｐ３には内部電源が供給された状態（ＯＮ）で待つ必要があるため、電源ドメインＰ１〜Ｐ３に配置された内部回路でリーク電流が発生し続ける。
【００６５】
一方、外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐの電圧レベル（Ｖｐ＝Ｌ）により、低消費電力起動の動作を選択して、電源投入またはリセット解除した場合（ステップＳ１）、判定回路４によりモード判定（ステップＳ２）を行った後、マイクロコントローラＭＣＵは、低消費電力起動の起動シーケンスの動作を開始する。ステップＳ１およびステップＳ２の期間において、電源ドメインＰ０には電源ＰＳが供給された状態（ＯＮ）であり、電源ドメインＰ１〜Ｐ３には内部電源が供給されない状態（ＯＦＦ）である。
【００６６】
低消費電力起動の起動シーケンスでは、電源制御（ステップＳ３１）、基板バイアス制御（ＶＢＢ制御：ステップＳ８１）、および、クロック制御（ステップＳ４１）をこの順序で実行する。電源制御（ステップＳ３１）およびクロック制御（ステップＳ４１）は、図２と同様に、低消費電力動作に切り替えて実行される。
【００６７】
ここで、電源制御（ステップＳ３１）および基板バイアス制御（ＶＢＢ制御：ステップＳ８１）は、電源ドメインＰ０には電源ＰＳが供給された状態（ＯＮ）で、電源ドメインＰ１〜Ｐ３には内部電源が供給されない状態（ＯＦＦ）において、実行される。一方、クロック制御（ステップＳ４１）は、電源ドメインＰ０には電源ＰＳが供給された状態（ＯＮ）で、電源ドメインＰ１〜Ｐ３には内部電源が供給された状態（ＯＮ）で、実行される。
【００６８】
つまり、実施例２では、電源ドメインＰ１〜Ｐ３に内部電源を供給する前に、時間のかかる基板バイアス制御（ＶＢＢ制御：ステップＳ８１）を実施する。ステップＳ８１の期間では、電源ドメインＰ１〜Ｐ３に内部電源が供給されていないので、電源ドメインＰ１〜Ｐ３に対応する内部回路ではリーク電流が発生しない。
【００６９】
クロック制御（ステップＳ４１）の後、中央処理装置ＣＰＵは低消費電力動作状態で不揮発性メモリＲＯＭに格納されたプログラムを実行する（ＣＰＵ動作：ステップＳ６１）。ステップＳ６１の後、ステップＳ９１において、基板バイアス電圧ＶＢＢの切り替えが行われ、リーク電流を削減する低消費電力モードに移行する。
【００７０】
実施例２によれば、実施例１と同様に、低消費電力起動時には、通常起動よりも起動シーケンス時間が長くなる。しかし、ＣＰＵ動作の開始時（ステップＳ６１）には、基板バイアス制御（ステップＳ８１）が完了しているため、すぐに、基板バイアス電圧ＶＢＢの切り替え（ステップＳ９１）を実施することが出来る。
【００７１】
実施例２によれば、以下の効果を得ることができる。
【００７２】
１）低消費電力起動では、ＣＰＵ動作を開始してすぐに基板バイアス電圧の切り替えが可能である。基板バイアス電圧を切り替えることで、内蔵回路のリーク電流が低減する。電源投入またはリセット解除からＣＰＵ動作開始までの時間短縮を優先した通常起動にも対応できる。
【００７３】
２）低消費電力起動を選択すると、電源投入またはリセット解除後の基板バイアス制御（ステップＳ８１）中に、リーク電流が発生しない。このため、電源供給元が蓄電池の場合、蓄電池の寿命を長くできるという効果が得られる。
【実施例３】
【００７４】
図７は、実施例３に係る半導体装置の構成を示す図である。実施例３では、実施例１や実施例２に存在した外部端子ＰＩＮが存在しない。その代わりとして、マイクロコントローラＭＣＵである半導体装置１ｂには、モード切り替えのためのヒューズ回路７が設けられる。ヒューズ回路７の状態により、予め通常起動と低消費電力起動のどちらで動作するか起動シーケンスを選択しておく。電源制御回路２やクロック制御回路３は、このヒューズ回路７の状態信号７１に応じて起動シーケンスの動作を切り替える機能を有する。ヒューズ回路７は、不揮発性メモリＲＯＭで構成してもよい。他の構成は、実施例１と同じであるので、説明は省略する。
【００７５】
実施例３によれば、実施例１や実施例２に存在した外部端子ＰＩＮの制御が不要となるので、外部端子ＰＩＮを削減することができる。したがって、マイクロコントローラＭＣＵに設けられる外部端子の数を削減することができる。
【実施例４】
【００７６】
実施例１の構成では、クロック制御回路３で供給するクロック周波数を低下させることで最大消費電流を抑制した。一方で、起動シーケンスの処理方法を切り替えることでも低消費電力起動を実現することができる。
【００７７】
図８は、実施例４に係る通常起動の起動シーケンスを示す図である。図９は、実施例４に係る低消費電力起動の起動シーケンスを示す図である。図１０は、変形例に係る低消費電力起動の起動シーケンスを示す図である。
【００７８】
マイクロコントローラＭＣＵの起動シーケンスでは、電源制御Ａやクロック制御Ｂのほか、内蔵する回路のリセット制御Ｃが必要である。
【００７９】
図８に示す様に、通常起動では、起動シーケンスの処理時間を短縮するために、電源制御Ａ、クロック制御Ｂ、およびリセット制御Ｃを並列的に動作させる。
【００８０】
図９に示す様に、低消費電力起動では、瞬時電流を抑制するために、これらの処理（電源制御Ａ、クロック制御Ｂ、およびリセット制御Ｃ）を順次処理させる。この処理により、実施例１と同様に、最大消費電流を抑制することが出来る。
【００８１】
図９では、電源制御Ａが完了してから、次のクロック制御Ｂを開始し、クロック制御Ｂが完了してから、次のリセット制御Ｃを開始しているが、これに限定されない。複数の処理（電源制御Ａ、クロック制御Ｂ、およびリセット制御Ｃ）の同時実施による高い瞬時電流の抑制を目的としているため、図１０に示す様に、各々の処理（電源制御Ａ、クロック制御Ｂ、およびリセット制御Ｃ）の一部を他の処理と同時に実施してもよい。つまり、電源制御Ａとクロック制御Ｂとを部分的にオーバーラップさせ、クロック制御Ｂとリセット制御Ｃとを部分的にオーバーラップさせる様にしてもよい。
【００８２】
（応用例）
次に、実施例１の半導体装置１を半導体システムに応用する場合の応用例をいくつか説明する。応用例では、電源ＰＳの選択と外部端子ＰＩＮに入力される電圧信号Ｖｐとを連動させる構成例が示される。
【００８３】
(応用例１)
図１１は、応用例１に係る半導体システムの構成例を示す図である。マイクロコントローラＭＣＵを搭載する半導体システム１０ａでは、十分な電流供給能力を有する電源装置（ここでは、例として、蓄電池）ＰＳ１と十分な電流供給能力を有しない電源装置（ここでは、例として、振動発電素子）ＰＳ２をスイッチ回路ＳＷによって選択する。スイッチ回路ＳＷは、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２とを有する。
【００８４】
第１スイッチＳＷ１は、電源装置ＰＳ１が供給される端子Ａと電源装置ＰＳ２が供給される端子Ｂと、マイクロコントローラＭＣＵの電源ＰＳの供給元とされる端子Ｃとを有し、端子Ａと端子Ｃ、または、端子Ｂと端子Ｃとを選択的に接続する。一方、第２スイッチＳＷ２は、端子Ｃに接続された端子ａと、接地電位（ＧＮＤ）が接続された端子ｂと、マイクロコントローラＭＣＵの外部端子ＰＩＮに接続された端子ｃとを有し、端子ａと端子ｃ、または、端子ｂと端子ｃとを選択的に接続する。
【００８５】
第１スイッチＳＷ１が端子Ａと端子Ｃとを接続した場合、第２スイッチＳＷ２は、それに連動して、端子ａと端子ｃとを接続する。この場合、マイクロコントローラＭＣＵの外部端子ＰＩＮには、ハイレベルの電圧信号Ｖｐが供給される。一方、第１スイッチＳＷ１が端子Ｂと端子Ｃとを接続した場合、第２スイッチＳＷ２は、それに連動して、端子ｂと端子ｃとを接続する。この場合、マイクロコントローラＭＣＵの外部端子ＰＩＮには、ロウレベルの電圧信号Ｖｐが供給される。
【００８６】
十分な電流供給能力を有する電源装置ＰＳ１で駆動させる場合、マイクロコントローラＭＣＵを高速に起動させる通常起動で動作させることが出来る。しかし、十分な電流供給能力を有しない電源装置ＰＳ２を供給する場合、瞬時電流が課題となり、起動シーケンスの消費電流が供給電流を上回るとＣＰＵ動作までの起動が出来ない。ここで、電源供給元（ＰＳ１、ＰＳ２）の選択と連動して、起動シーケンスを変更することで同じマイクロコントローラＭＣＵを使用しながら通常起動と低消費電力起動の両方に対応した半導体システム１０ａを構築することが出来る。
【００８７】
(応用例２)
図１２は、応用例２に係る半導体システムの構成例を示す図である。マイクロコントローラＭＣＵを搭載する半導体システム１０ｂでは、電流供給能力の高い電源装置（ここでは、例として、直流（ＤＣ）電源）ＰＳ１１と、電流供給能力の低い電源装置（ここでは、例として、バックアップ電池）ＰＳ２１の２系統をもつ。電源装置ＰＳ１１からの電源が供給されている場合、スイッチ制御回路１２は、ハイレベルの電圧信号ＶｐをマイクロコントローラＭＣＵの外部端子ＰＩＮに出力する。また、スイッチ制御回路１２は、スイッチＳＷ１１の端子Ａと端子Ｃとを接続することで、電源装置ＰＳ１１がマイクロコントローラＭＣＵの電源ＰＳとして供給される。したがって、バックアップ電池ＰＳ２１からの電源の供給が遮断される。一方、電源装置ＰＳ１１からの電源が供給されていない場合、スイッチ制御回路１２は、ロウレベルの電圧信号ＶｐをマイクロコントローラＭＣＵの外部端子ＰＩＮに出力する。また、スイッチ制御回路１２は、スイッチＳＷ１１の端子Ｂと端子Ｃとを接続することで、電源装置ＰＳ２１からの電源がマイクロコントローラＭＣＵの電源ＰＳとして供給される。このように、電源装置ＰＳ１１の供給の有無をスイッチ制御回路１２により判定して、電源供給元（ＰＳ１１、ＰＳ２１）の切り替え機能をもつスイッチＳＷ１１の制御に連動し、通常起動と低消費電力起動が選択される。これにより、電源供給元（ＰＳ１１、ＰＳ２１）の選択と連動して、起動シーケンスを変更することで、同じマイクロコントローラＭＣＵを使用しながら通常起動と低消費電力起動の両方に対応した半導体システム１０ｂを構築することが出来る。
【００８８】
(応用例３)
図１３は、応用例３に係る半導体システムの構成例を示す図である。半導体システム１０ｃは、電圧の異なる２系統の供給電源ＰＳ１２、ＰＳ２２を有する。電流供給能力の高い電源装置（ここでは、例として、５ＶのＤＣ電源）ＰＳ１２は、電流供給能力の低い電源装置（ここでは、例として、０Ｖ〜３Ｖの電圧を発生可能な磁場発電素子）ＰＳ２２よりも電圧が高い。この電圧を検出する電流量検知／電圧検知回路１３の判定結果に応じて、起動シーケンスを切り替える。
【００８９】
電源装置ＰＳ１２が５Ｖの電源を発生する場合、電流量検知／電圧検知回路１３は、マイクロコントローラＭＣＵの電源ＰＳに５Ｖの電源を供給し、マイクロコントローラＭＣＵの外部端子ＰＩＮにハイレベルの電圧信号Ｖｐを出力する。一方、電源装置ＰＳ１２からの電源の供給が無く、電源装置ＰＳ２２が電源を発生する場合、電流量検知／電圧検知回路１３は、マイクロコントローラＭＣＵの電源ＰＳに電源装置ＰＳ２２の発生する電源を供給し、マイクロコントローラＭＣＵの外部端子ＰＩＮにロウレベルの電圧信号Ｖｐを出力する。
【００９０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９１】
１：半導体装置
２：電源制御回路
３：クロック制御回路
４：判定回路
７：ヒューズ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：半導体システム
１２：スイッチ制御回路
１３：電流量検知／電圧検知回路
４１：ＶＢＢ制御回路
４２：内部電源回路
７１：ヒューズの状態信号
ＰＩＮ：外部端子
ＭＣＵ：マイクロコントローラ
ＣＰＵ：中央処理装置
ＲＯＭ：不揮発性メモリ
ＲＡＭ：揮発性メモリ
Ｉ／Ｏ：入出力回路
Ｖｐ：電圧信号
Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３：電源ドメイン
ＰＳ：電源
ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ１１、ＰＳ２１、ＰＳ１２、ＰＳ２２：電源装置
【図１】
2020119187.tif 000003
【図２】
2020119187.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020119187.tif 000009
【図８】
2020119187.tif 000010
【図９】
2020119187.tif 000011
【図１０】
2020119187.tif 000012
【図１１】
2020119187.tif 000013
【図１２】
2020119187.tif 000014
【図１３】
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