(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次電池と、
前記２次電池と電荷を放出する第１の回路との間に設けられた第１のスイッチ回路と、
前記２次電池と電荷を必要とする第２の回路との間に設けられた第２のスイッチ回路と、
前記第１のスイッチ回路を介する前記第１の回路からの放出電荷の前記２次電池への充電タイミングと前記第２のスイッチ回路を介する前記第２の回路への前記２次電池からの充電電荷の放電タイミングとを制御する駆動回路とを備え、
前記第１の回路および前記第２の回路は、
ダイナミック型メモリセルもしくはその駆動信号線であり、
前記駆動回路は、
前記第１の回路に残されている電荷を接地線に放出するタイミングを前記充電タイミングとし、
前記第２の回路に電荷を注入するタイミングを前記放電タイミングとし、
前記充電タイミングで前記第１のスイッチ回路を介して前記第１の回路からの放出電荷の前記２次電池への充電を行った後、
前記放電タイミングで前記第２のスイッチ回路を介して前記第２の回路への前記２次電池からの充電電荷の放電を行う
ことを特徴とする電力回生回路。
【請求項２】
請求項１に記載された電力回生回路において、
前記２次電池は、その起電力が前記第１の回路および前記第２の回路の電源電圧の１／２である
ことを特徴とする電力回生回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された電力回生回路において、
前記２次電池は、半導体基板上に作成されたマイクロ２次電池である
ことを特徴とする電力回生回路。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載された電力回生回路において、
前記駆動回路は、
前記充電タイミングで前記第１の回路からの放出電荷の前記２次電池への充電を行った後、前記放電タイミングで前記第２の回路への前記２次電池からの充電電荷の放電を行うことにより、前記ダイナミック型メモリセルのリフレッシュを行う
ことを特徴とする電力回生回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体集積回路（ＬＳＩ）などにおいて、電荷を放出する回路からの電荷の一部を一時蓄積し、この一時蓄積した電荷を必要とする回路に供給することにより電力の回生を行う電力回生回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、ＬＳＩ自身が消費する電力の低減は最重要課題の一つであり、低消費電力で動作可能なデバイスの検討が活発に行われている。その中には、一定時間毎に記憶保持のための再書き込み（リフレッシュ）を行う必要があるＤＲＡＭ（ダイナミック型メモリセル）のリフレッシュ動作時に捨てている電荷の一部を回生することにより、ＬＳＩの消費電力を低減する試みがある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＤＲＡＭのリフレッシュ動作時に、第１の駆動信号線に蓄えられている電荷のすべてを接地線に放出する代わりに、その電荷の一部をスイッチを介して第２の駆動信号線に回生することによって、電源から第２の駆動信号線に供給する電荷量を低減する方法が示されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、第１の駆動信号線に蓄えられた電荷を直接第２の駆動信号線に回生するのではなく、一旦キャパシタに蓄積した後に、そのキャパシタに蓄積された電荷を必要に応じて第２の駆動信号線に回生する方法が示されている。また、これと同種の回生方法が特許文献３，４などにも示されている
【０００５】
特許文献２に示された回生方法は、電荷放出のタイミングと次段への電荷注入のタイミングが必ずしも同時でなくても良いことや、電荷を受け渡しする駆動信号線の組み合わせが任意に選びやすい点などから、特許文献１に示された回生方法よりも自由度が高い。
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２９５４７７号公報（特許第３２５５９４７号）
【特許文献２】特開平１０−３０２４６６号公報
【特許文献３】特開２００６−１７２５３５号公報
【特許文献４】特開平９−１４６４９０号公報（特許第３２４１５７７号）
【特許文献５】特開２００４−２８１５９３号公報（特許第３９８９３８９号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、特許文献２に示された回生方法では、ひとつの駆動信号線から放出される電荷を、一時的に蓄積し、次に駆動信号線をチャージする際に再利用することで、ＬＳＩの総消費電力を低減することが期待できる。しかし、この回生方法では、電荷蓄積デバイスとしてキャパシタを用いているので、電荷の再利用効率を高くすることが難しいという問題があった。
【０００８】
図４を用いてこの問題について説明する。この例では、電荷の蓄積に１個のキャパシタを用いるものとし、第１の駆動信号線の電荷を第１の駆動信号線の対地容量と同じ容量を持つキャパシタ（蓄積キャパシタ）に蓄積する場合を考える。
【０００９】
図４（ａ）に示すように、第１の駆動信号線の電位がＶｃｃで、蓄積キャパシタが空である状態で、第１の駆動信号線と蓄積キャパシタとの間を電気的に接続すると、図４（ｂ）に示すように、第１の駆動信号線に溜まっていた電荷の１／２が蓄積キャパシタに移動し、対地電位が１／２Ｖｃｃとなる。
【００１０】
次に、第１の駆動信号線と蓄積キャパシタとの間を切断し、蓄積キャパシタと第２の駆動信号線とを接続すると、図４（ｃ）に示すように、対地電位は１／４Ｖｃｃとなり、蓄積キャパシタの電荷の１／２が第２の駆動信号線の充電に使われ、全工程では、もともとの第１の駆動信号線の電荷の１／４が第２の駆動信号線の充電に再利用されたことになる。なお、図４（ｃ）において、第１の駆動信号線に残された電荷は、第１の駆動信号線を接地線に接続することによって、放出している。
【００１１】
電荷蓄積にキャパシタを用いた場合の電荷の再利用率は、信号線容量と蓄積キャパシタ容量との比によって決定される。蓄積キャパシタ容量が信号線容量のｋ倍であるとすると、電荷再利用率ηは、η＝ｋ／（１＋ｋ）2 となる。このため、電荷蓄積にキャパシタを用いた場合の電荷の再利用率は、図４に示したｋ＝１の場合が最大であることがわかる。
【００１２】
このように、電荷蓄積にキャパシタを用いた場合、最適な容量を持つ電荷蓄積用キャパシタを用いたとしても、もともとの第１の駆動信号線の電荷の１／４しか第２の駆動信号線に送ることができず、電荷の再利用効率を高くすることが難しい。
【００１３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電荷の再利用効率を高め、ＬＳＩなどの消費電力をさらに低減することができる電力回生回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような目的を達成するために本発明は、２次電池と、２次電池と電荷を放出する第１の回路との間に設けられた第１のスイッチ回路と、２次電池と電荷を必要とする第２の回路との間に設けられた第２のスイッチ回路と、第１のスイッチ回路を介する第１の回路からの放出電荷の２次電池への充電タイミングと第２のスイッチ回路を介する第２の回路への２次電池からの充電電荷の放電タイミングとを制御する駆動回路とを備え、第１の回路および第２の回路は、ダイナミック型メモリセルもしくはその駆動信号線であり、駆動回路は、第１の回路に残されている電荷を接地線に放出するタイミングを充電タイミングとし、第２の回路に電荷を注入するタイミングを放電タイミングとし、充電タイミングで第１のスイッチ回路を介して第１の回路からの放出電荷の２次電池への充電を行った後、放電タイミングで第２のスイッチ回路を介して第２の回路への２次電池からの充電電荷の放電を行うことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、第１の回路に残されている電荷を接地線に放出するタイミングで、第１の回路と２次電池とを第１のスイッチ回路を介して接続すると、第１の回路からの放出電荷が２次電池に送られ、この放出電荷によって２次電池が充電される。次に、第２の回路に電荷を注入するタイミングで、第２の回路と２次電池とを第２のスイッチ回路を介して接続すると、２次電池の充電電荷が第２の回路へ送られる。この場合、２次電池は、電荷蓄積用キャパシタと異なり、充電電荷の全てを第２の回路へ送ることが可能である。これにより、例えば、２次電池の起電力を第１の回路および第２の回路の電源電圧Ｖｃｃの１／２とし、２次電池に第１の回路の電荷の１／２を充電させた場合、この１／２の電荷が第２の回路へ送られるものとなり、電荷の再利用効率が高まる。
【００１６】
本発明において、２次電池の起電力を第１の回路および第２の回路の電源電圧の１／２とすると、電荷の再利用効率を最大とすることが可能となる。また、本発明の一例として、２次電池を、半導体基板上に作成されたマイクロ２次電池とすることが考えられる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電荷蓄積キャパシタの代わりに２次電池を設け、第１の回路および第２の回路をダイナミック型メモリセルもしくはその駆動信号線とし、第１のスイッチ回路を介する第１の回路（電荷を放出する回路）からの放出電荷の２次電池への充電タイミングと第２のスイッチ回路を介する第２の回路（電荷を必要とする回路）への２次電池からの充電電荷の放電タイミングとを駆動回路によって制御するようにしたので、２次電池の充電電荷の全てを第２の回路へ送るようにして、電荷の再利用効率を高め、ＬＳＩなどの消費電力をさらに低減することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔基本原理〕
図１はこの発明に係る電力回生回路の基本原理を説明する図である。この例では、電荷の蓄積に１個の２次電池を用いるものとし、この２次電池（蓄積２次電池）の起電力が第１および第２駆動信号線の最大対地電圧（電源電圧）Ｖｃｃの１／２であるものとする。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、第１の駆動信号線の電位がＶｃｃで、蓄積２次電池が空である状態で、第１の駆動信号線と蓄積２次電池との間を電気的に接続すると、図１（ｂ）に示すように、第１の駆動信号線に溜まっていた電荷の１／２が蓄積２次電池に放出され、この放出電荷によって蓄積２次電池が充電されるものとなる。
【００２０】
次に、第１の駆動信号線と蓄積２次電池との間を切断し、蓄積２次電池と第２の駆動信号線とを接続すると、図１（ｃ）に示すように、蓄積２次電池の充電電荷の全てが第２の駆動信号線に放電され、第２の駆動信号線の対地電位が１／２Ｖｃｃとなる。これにより、蓄積２次電池の充電電荷の全てが第２の駆動信号線の充電に使われ、全工程では、もともとの第１の駆動信号線の電荷の１／２が第２の駆動信号線の充電に再利用されたことになる。なお、図１（ｃ）において、第１の駆動信号線に残された電荷は、第１の駆動信号線を接地線に接続することによって、放出している。
【００２１】
電荷蓄積に２次電池を用いた場合の電荷の再利用率は２次電池の起電力によって決定される。この場合、電荷再利用率ηは、２次電池の起電力が１／２Ｖｃｃの場合に最大となる。すなわち、２次電池の起電力が信号線電圧のｍ倍とすると、電荷再利用率ηは、ｍ≧０．５の時には、η＝１−ｍ、ｍ＜０．５の時には、η＝ｍとなるため、２次電池の起電力が、１／２Ｖｃｃの時に最大となる。
【００２２】
このように、電荷蓄積に２次電池を用いた場合、２次電池の起電力を１／２Ｖｃｃとすると、もともとの第１の駆動信号線の電荷の１／２を第２の駆動信号線に送ることができるようになる。これにより、電荷蓄積にキャパシタを用いた場合と比較し、電荷の再利用効率が高まるものとなり、ＬＳＩなどの消費電力をさらに低減することができるようになる。
【００２３】
また、もともとの電荷が溜まっていた第１の駆動信号線から２次電池へ、２次電池から第２の駆動信号線へ、電荷を移送するため、チャージポンプなどの昇圧手段を用いる必要は特になく、単純にスイッチ等で回路を接続するだけでよい。
【００２４】
〔実施の形態〕
図２は上述した基本原理に基づく本発明に係る電力回生回路の一実施の形態の要部を示す図である。同図において、１０１は電荷を放出する回路（第１の回路）であり、１０２は電荷を必要とする回路（第２の回路）であり、第１の回路１０１と第２の回路１０２との間に本発明に係る電力回生回路１０３が接続されている。
【００２５】
電力回生回路１０３の内部には、トランジスタなどで形成される第１のスイッチ回路１０４および第２のスイッチ回路１０５と、２次電池１０６と、駆動回路１０７とが設けられている。
【００２６】
第１のスイッチ回路１０４は、固定接点１０４ａと可動接点１０４ｂ〜１０４ｄとを備え、固定接点１０４ａが第１の回路１０１に接続され、可動接点１０４ｂが開放端子とされ、可動接点１０４ｃが２次電池１０６の正極性側に接続され、可動接点１０４ｄが接地されている。
【００２７】
第２のスイッチ回路１０５は、固定接点１０５ａと可動接点１０５ｂ〜１０５ｄとを備え、固定接点１０５ａが第２の回路１０２に接続され、可動接点１０５ｂが開放端子とされ、可動接点１０５ｃが２次電池１０６の正極性側に接続され、可動接点１０５ｄが電源電圧Ｖｃｃの供給ラインに接続されている。
【００２８】
駆動回路１０７は、第１のスイッチ回路１０４における固定接点１０４ａと可動接点１０４ｂ〜１０４ｄとの間の接続状態および第２のスイッチ回路１０５における固定接点１０５ａと可動接点１０５ｂ〜１０５ｄとの間の接続状態を制御する機能を有している。駆動回路１０７は、初期状態において、第１のスイッチ回路１０４における固定接点１０４ａと可動接点１０４ｂとの間を接続状態とし、第２のスイッチ回路１０５における固定接点１０５ａと可動接点１０５ｂとの間を接続状態とする。
【００２９】
なお、電力回生回路１０３において、２次電池１０６の負極性側は接地されており、２次電池１０６の起電力は１／２Ｖｃｃとされている。また、第１の回路１０１および第２の回路１０２の電源電圧はＶｃｃとされている。
【００３０】
また、この実施の形態において、第１の回路１０１および第２の回路１０２は、ＤＲＡＭもしくはその駆動信号線とされている。また、電力回生回路１０３において、２次電池１０６は、半導体基板上に形成されたマイクロ２次電池とされている。
【００３１】
マイクロ２次電池は、例えば特許文献５などにも記載されているので、ここでの詳細な説明は省略する。特許文献５には、マイクロ２次電池の一例として、半導体素子基板それ自体の表面改質により半導体素子基板の表面の一部に形成した多孔質膜を負極活物質とする固体薄膜２次電池が示されている。本実施の形態では、このようなマイクロ２次電池を、２次電池１０６として用いる。
【００３２】
〔２次電池への充電（充電工程）〕
駆動回路１０７は、第１の回路１０１から電荷を放出する必要が生じた場合、スイッチ回路１０４の固定接点１０４ａと可動接点１０４ｃとを接続する。これにより、固定接点１０４ａが可動接点１０４ｃを介して２次電池１０６の正極性側に接続され、第１の回路１０１の端子電位（固定接点１０４ａの電位）が２次電池１０６の起電力（１／２Ｖｃｃ）と等しくなるまで、第１の回路１０１から２次電池１０６に対して、電荷の移動が起こる。すなわち、第１の回路１０１からの放出電荷がスイッチ回路１０４を介して２次電池１０６に流れ込み、２次電池１０６の充電が行われる。
【００３３】
そして、駆動回路１０７は、２次電池１０６の充電を終了した後、必要に応じてスイッチ回路１０４の固定接点１０４ａを可動接点１０４ｄに接続し、第１の回路１０１に残された電荷の接地線への放出を行い、しかる後に固定接点１０４ａを可動接点１０４ｂに接続し、スイッチ回路１０４における固定接点１０４ａと可動接点１０４ｂ〜１０４ｄとの間の接続状態を初期状態に戻す。
【００３４】
〔２次電池からの放電（放電工程）〕
駆動回路１０７は、第２の回路１０２に電荷を供給する必要が生じた場合、スイッチ回路１０５の固定接点１０５ａと可動接点１０５ｃとを接続する。これにより、固定接点１０５ａが可動接点１０５ｃを介して２次電池１０６の正極性側に接続され、第２の回路１０２の端子電位（固定接点１０５ａの電位）が２次電池１０６の起電力（１／２Ｖｃｃ）と等しくなるまで、２次電池１０６から第２の回路１０２に対して、電荷の移動が起こる。すなわち、２次電池１０６からの充電電荷がスイッチ回路１０５を介して第２の回路１０２へ流れ込み、２次電池１０６からの放電が行われる。
【００３５】
そして、駆動回路１０７は、２次電池１０６からの放電を終了した後、必要に応じてスイッチ回路１０５の固定接点１０５ａを可動接点１０５ｄに接続し、第２の回路１０２の端子電位が電源電圧Ｖｃｃになるまで電荷の注入を行い、しかる後に固定接点１０５ａを可動接点１０５ｂに接続し、スイッチ回路１０５における固定接点１０５ａと可動接点１０５ｂ〜１０５ｄとの間の接続状態を初期状態に戻す。
【００３６】
駆動回路１０７は、ＤＲＡＭのリフレッシュを行う際、上述した充電工程と放電工程とを繰り返すことにより、第１の回路１０１から放出される電荷の一部を第２の回路１０２の充電に再利用する。この場合、上述した本発明の基本原理でも説明したように、もともとの第１の回路１０１の電荷の１／２を第２の回路１０２に送ることができるので、電荷蓄積にキャパシタを用いた場合と比較し、電荷の再利用効率が高まるものとなる。
【００３７】
なお、図２に示した電力回生回路１０３では、スイッチ回路１０４および１０５として固定接点と３つの可動接点とを備えた３路タイプのスイッチ回路を用いるようにしたが、必ずしもこのような３路タイプのスイッチ回路としなくてもよい。また、２次電池１０６をマイクロ２次電池としたが、必ずしもマイクロ２次電池としなくてもよい。
【００３８】
図３に本発明に係る電力回生回路の基本構成を示す。本発明に係る電力回生回路２００は、２次電池２０１と、２次電池２０１と電荷を放出する回路（第１の回路）２０２との間に設けられた第１のスイッチ回路２０３と、２次電池２０１と電荷を必要とする回路（第２の回路）２０４との間に設けられた第２のスイッチ回路２０５と、第１のスイッチ回路２０３を介する第１の回路２０２からの放出電荷の２次電池２０１への充電タイミングと第２のスイッチ回路２０５を介する第２の回路２０４への２次電池２０１からの充電電荷の放電タイミングとを制御する駆動回路２０６とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る電力回生回路の基本原理を説明する図である。
【図２】本発明に係る電力回生回路の一実施の形態の要部を示す図である。
【図３】本発明に係る電力回生回路の基本構成を示す図である。
【図４】電荷蓄積にキャパシタを用いた場合の問題を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０１…第１の回路（電荷を放出する回路）、１０２…第２の回路（電荷を必要とする回路）、１０３…電力再生回路、１０４…第１のスイッチ回路、１０５…第２のスイッチ回路、１０６…２次電池、１０７…駆動回路、２００…電力再生回路、２０１…２次電池、２０２…電荷を放出する回路（第１の回路）、２０３…第１のスイッチ回路、２０４…電荷を必要とする回路（第２の回路）、２０５…第２のスイッチ回路、２０６…駆動回路。
【図１】
0005145932.tif 000002
【図２】
0005145932.tif 000003
【図３】
0005145932.tif 000004
【図４】
0005145932.tif 000005