(57)【要約】【課題】スタンバイ状態やレジューム機能が必要な回路において、簡単な回路の追加によって回路のオフリーク電流を低減して消費電力を削減でき、電池の寿命を大きく伸ばし得る消費電力削減回路を提供する。【解決手段】動作待機状態または内部データを保持するレジューム機能を必要とし、オフリーク電流削減の対象となる目標回路１０と、目標回路に電源を供給する電源端子１１と、電源端子と目標回路の電源ノードとの間の電源ラインに直列に挿入されたオフリーク電流削減用の抵抗素子Ｒと、抵抗素子に並列に接続され、目標回路の通常動作モード／動作待機モードに対応してオン／オフ制御される抵抗バイパス用のスイッチ素子ＳＷとを具備している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作待機状態または内部データを保持するレジューム機能を有する目標回路と、
前記目標回路に電源を供給する電源端子と、
前記電源端子と前記目標回路の電源ノードとの間の電源ラインに直列に挿入された抵抗素子と、
前記抵抗素子に並列に接続され、前記目標回路の通常動作モード／動作待機モードに対応してオン／オフ制御されるスイッチ素子と
を具備することを特徴とする消費電力削減回路。
【請求項２】
前記電源端子の電圧をモニタする電圧モニタ回路と、
前記目標回路の動作待機モードにおいて前記電圧モニタ回路のモニタ結果に基づいて前記スイッチ素子をオン制御する制御回路と
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の消費電力削減回路。
【請求項３】
前記抵抗素子として、複数の抵抗値を選択可能な抵抗素子あるいは抵抗値を変化可能な抵抗素子が用いられており、
前記電源端子の電圧をモニタする電圧モニタ回路と、
前記目標回路の動作待機モードにおいて前記電源端子の電圧に基づいて前記抵抗素子の抵抗値を変化させる制御回路と
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の消費電力削減回路。
【請求項４】
半導体チップ上に形成され、前記電源端子はチップ外部の電源に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の消費電力削減回路。
【請求項５】
前記電源は電池電源であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の消費電力削減回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消費電力削減回路に係り、特にオフリーク電流削減回路に関するもので、待機状態が必要なロジック回路、レジューム機能が必要な記憶回路等、あるいはそのような回路を内蔵した半導体集積回路（ＬＳＩ）に使用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩのロジック回路の設計において、回路の通常動作による動的な消費電流ではなく、回路の動作を止めているにも拘らず電源・接地間に流れる静的な電流リーク（オフリーク電流）が発生する。このオフリーク電流は、製造プロセスの世代が進むにつれて益々増大し、問題が顕著になっている。特に、回路に電源を供給する装置がバッテリーや電池のように電荷容量が有限である場合には、オフリーク電流による消費は、電源の寿命の低下につながり、装置の使用寿命を議論するうえで無視できなくなる。この場合、上記電源は容量的に寿命を持ったものを対象としているが、説明の都合上、以下、「電池」と表現することにする。
【０００３】
一方、電子機器の動作を停止させている場合、完全に電源の供給を止めてしまうのではなく、内部の状態を保持し、動作待機させた状態（スタンバイ状態）にすることがある。この場合、内部状態を保持したまま待機しているので、一般的な使い方としては、次に使用する時には停止させた時点と同じ状態から再開させる動作（レジューム動作）などの用途が考えられる。あるいは、使用者が直接操作をしていないが、使用者の操作を待ち受けしているような用途に利用できる。これらのいずれにおいても、内部状態を保持するために電源を供給し続けなければならないが、実際に操作をしていない待機状態であるので、この時の消費電力は極力抑えたいと考える。
【０００４】
ここで、消費電力削減の対象となる回路は、通常の論理回路だけではなく、内部のデータを保持する記憶回路などを含むこともある。この場合、電池が消費されて電源電圧が下がってくると、記憶回路の内部データを保持できなくなってしまうという問題が発生する。データが保持できなくなる時点で、機器としてはレジューム動作が不可能になるので、電池は寿命となる。つまり、電池に蓄えられた電荷を全て使い果たした時が寿命ではなく、データ保持機能が使えなくなった時が寿命である。
【０００５】
これらの問題に対し、従来の手法では、トランジスタの閾値電圧を工夫するなどの、製造プロセスの面での対策、あるいは論理回路のセルレベルでの回路構造の工夫によって、リーク電流を削減するための対策を講じてきたが、どの方法についても手法が大掛かりである。
【０００６】
なお、特許文献１には、２つの電源電圧を使用する内部データラッチ回路を内蔵するＬＳＩにおいて、スリープ時には、内部データラッチ回路に供給する電源電圧の一方として、通常動作時の電源電圧からダイオードで降下させた電圧を供給する点が開示されている。これにより、スリープ時に内部データラッチ回路で使用する電源電圧が低下しても、内部データラッチ回路がデータを保持しながらリーク電流を低減することができる。しかし、電源電圧の降下量をダイオードで規定すると、内部データラッチ回路の電源電圧が通常動作時の電源電圧よりもダイオードの順方向電圧分だけ低い値になるので、通常動作時の電源電圧がある程度高くないと、スリープ時の内部データラッチ回路の所要の電源電圧を確保できない。また、スリープ時の内部データラッチ回路の電源電圧が低い値に固定されるので、リーク電流を適切に低減することができない。
【特許文献１】特開２００３−１１００２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前記した従来の問題点を解決すべくなされたもので、スタンバイ状態やレジューム機能が必要な回路において、簡単な回路の追加によって回路のオフリーク電流を低減して消費電力を削減でき、従来の手法に比べて電池の寿命を大きく伸ばし得る消費電力削減回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の消費電力削減回路は、動作待機状態または内部データを保持するレジューム機能を有する目標回路と、前記目標回路に電源を供給する電源端子と、前記電源端子と前記目標回路の電源ノードとの間の電源ラインに直列に挿入された抵抗素子と、前記抵抗素子に並列に接続され、前記目標回路の通常動作モード／動作待機モードに対応してオン／オフ制御されるスイッチ素子とを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スタンバイ状態やレジューム機能が必要な回路において、簡単な回路の追加によって回路のオフリーク電流を低減して消費電力を削減でき、従来の手法に比べて電池の寿命を大きく伸ばし得る消費電力削減回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。この説明に際して、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１１】
まず、本発明の消費電力削減回路の概要を説明する。前述したように回路の動作を完全に停止させた場合に電源・接地間に流れるオフリーク電流は、通常動作による動的な消費電流ではなく、完全に静的な消費電流である。本発明では、オフリーク電流削減の対象となる目標回路の電源電圧を下げ、全体の消費電流を下げるように、目標回路のスタンバイ状態では目標回路の電源ラインに抵抗素子を挿入し、抵抗素子のオン／オフを切り換えたり、抵抗値を制御したりすることでオフリークの低減を実現している。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の消費電力削減回路の第１の実施形態を示す回路図である。図１において、１０はオフリーク電流削減の対象となる目標回路であり、具体的には、スタンバイ状態を必要とするロジック回路、または内部データを保持するレジューム機能を必要とする記憶回路等である。１１は目標回路１０に電源を供給する電源端子であり、この電源端子１１には例えば電池電源１２が接続される。電源端子１１と目標回路１０の電源ノードとの間の電源ライン１３には、直列にリーク電流削減用の抵抗素子Ｒが挿入されている。そして、抵抗素子Ｒに並列に抵抗バイパス用のスイッチ素子ＳＷが接続されており、このスイッチ素子ＳＷは目標回路１０の通常動作モード／スタンバイモード（スタンバイ状態）に対応してオン／オフ制御される。なお、消費電力削減回路をＬＳＩに適用する場合には、各構成要素を同じ半導体チップ上に形成し、電源端子１１にチップ外部の電池電源１２を接続する。
【００１３】
上記構成の消費電力削減回路において、通常動作時には、スイッチ素子ＳＷがオン状態に制御される。この場合、抵抗素子Ｒによる電圧降下はなく、電池電源１２の電圧（電源電圧VDD）がほぼそのまま目標回路１０に供給される。この時、抵抗素子Ｒが目標回路１０の実動作に影響を与えることはない。
【００１４】
これに対して、目標回路１０のスタンバイ状態時には、スイッチ素子ＳＷがオフ状態に制御され、目標回路１０の電源ラインに直列に抵抗素子Ｒが挿入される。これにより、電源ライン１３に流れる目標回路１０のリーク電流により抵抗素子Ｒの両端間に電圧降下が生じ、電源ライン１３に流れるリーク電流を低減することが可能になる。つまり、電源・接地間の抵抗値が目標回路１０のオフ抵抗と抵抗素子Ｒとの和になり、抵抗素子Ｒによる抵抗値の増加分に応じてリーク電流による消費電力を減らすことが可能になる。この場合、目標回路１０に印加される電源電圧は、抵抗素子Ｒによる電圧降下分だけ電源電圧VDDよりも低くなる。
【００１５】
図２は、図１中の電池電源１２をコンデンサモデルに置き換えて、目標回路１０のスタンバイ状態における電池電源の放電特性（相対時間と電池電圧との関係、目標回路のオフリーク）をシミュレーションした結果を示す放電曲線Ａを、電源ラインに抵抗素子Ｒとスイッチ素子ＳＷが挿入されていない従来例の放電曲線Ｂと対比して示している。
【００１６】
図２から分かるように、本実施形態の消費電力削減回路の放電曲線Ａにおいては、目標回路１０のスタンバイ状態における電池電源１２の初期値１．５０Ｖから、時間が経過するにつれて１．１５Ｖまで低下している。つまり、電圧低下量は約０．３５Ｖである。これは従来例の放電曲線Ｂにおける１．５０Ｖから０．３０Ｖまでの電圧低下量（約１．２０Ｖ）に比べて約３０％であり、放電特性が大幅に改善している。換言すれば、目標回路１０のスタンバイ状態におけるオフリーク電流が大幅に低減していることが分かる。
【００１７】
上記した消費電力削減回路によれば、簡単な回路の追加によって、スタンバイ状態が必要なロジック回路、レジューム機能が必要な記憶回路、またはそれらを内蔵するＬＳＩにおけるオフリーク電流を低減して消費電力を削減することが可能になる。電源として例えば電池電源を使用する場合には、従来例の回路に比べて電池の寿命を大きく伸ばし、電池を長時間使用することが可能になる。
【００１８】
＜第２の実施形態＞
内部状態を保持する必要がある目標回路、例えばスタティック型半導体メモリ(SRAM)においては、内部データを保持するために電源電圧を常に印加しておく必要がある。また、この時の最低電源電圧も決められており、データ保持可能な電源電圧の限界値が存在する。SRAMに流れるオフリーク電流によって電池電源の電力を消費していくと、電源電圧は徐々に下がり、前述した第１の実施形態のようにスタンバイ状態の時にスイッチ素子ＳＷをオフした時、SRAMに印加される電源電圧は電源電圧よりも抵抗素子Ｒにおける電圧降下分だけ低くなる。つまり、この電圧降下分だけSRAMに印加される電源電圧は内部保持可能な電圧に近づくので、内部保持可能な最低電源電圧に対するマージンが少なくなり、やがて内部データを保持できなくなる。なお、SRAMのスタンバイ状態の時にスイッチ素子ＳＷをオンしたままにすると、最低電源電圧に対するマージンは大きい反面、元々のリーク電流がSRAMに流れ、オフリーク電流が多い場合には電池電源の電力の消費速度が速くなる。
【００１９】
上記した問題を解消するために、第２の実施形態では、内部状態を保持する必要がある目標回路に対するリーク電流の低減方法として、リーク電流削減用の抵抗素子Ｒのバイパス用のスイッチ素子ＳＷを動的にオン／オフを切り換えるように制御する。
【００２０】
図３は、本発明の消費電力削減回路の第２の実施形態を示す回路図であり、目標回路１０ａがSRAMなどの記憶回路であり、電源端子１１に例えば電池電源１２が接続されて使用される。
【００２１】
図４は、図３の消費電力削減回路におけるシーケンス制御の一例を示すフローチャートである。図３の回路は、図１を参照して前述した回路に対して、さらに、電源端子１１の電圧をモニタする電圧モニタ回路３１と、目標回路１０ａのスタンバイ状態において電圧モニタ回路３１のモニタ結果に基づいてスイッチ素子ＳＷをオン／オフ制御する制御回路３２とが付加されている。制御回路３２は、例えば図４に示すシーケンス制御が可能なように、例えばアナログ回路により構成する、例えば同じＬＳＩ内に搭載されるレジューム機能制御用のマイコン（図示せず）に制御機能を持たせる、等のようにしてもよい。制御回路３２としてマイコンを使用すれば、複雑な制御を容易に実現することが可能になるが、常に動作可能となるように、マイコンには所要の電源電圧を常に供給する必要がある。
【００２２】
次に、図３の消費電力削減回路の動作を、図４を参照して説明する。この消費電力削減回路において、目標回路１０ａがスタンバイ状態に入る際に、電源端子１１の電源電圧を電圧モニタ回路３１でモニタできるように構成しておく。制御回路３２は、電圧モニタ回路３１でモニタした結果のモニタ値と、予め設定した閾値（データ保持の限界電圧程度の値）VREFとをアナログ的に比較し、モニタ値が閾値VREFよりも高い場合には、抵抗素子Ｒによる電圧降下があってもデータ保持が可能であると判定し、スイッチ素子ＳＷをオフしてオフリーク電流をより減らすようにする。
【００２３】
これに対して、制御回路３２は、モニタ値が閾値VREFよりも低い場合には、抵抗素子Ｒによる電圧降下によってデータ保持ができない状態であると判定し、スイッチ素子ＳＷをオンし、抵抗素子Ｒをバイパスさせる。つまり、第１の実施形態におけるスイッチ素子ＳＷのオン／オフの切り換えの判定を、その時の電源電圧のモニタ値に基づいて実施し、それらをうまく使い分けることにより、オフリーク電流による消費電力をより低減させることが可能になる。
【００２４】
＜第２の実施形態の変形例１＞
前述した第２の実施形態では、スタンバイ状態要求を受けてスタンバイ状態に入る際にスイッチ素子ＳＷのオン／オフを判定する場合を説明したが、これに限らず、スタンバイ状態中に電源電圧をモニタし、それに応じてスイッチ素子ＳＷを切り替える構成を有するものであれば、制御回路３２のシーケンス制御を任意に変更することが可能である。
【００２５】
例えば図５のフローチャートに示すシーケンス制御は、前述した図４のフローチャートに示すシーケンス制御と比べて、スタンバイ状態中に常に電源電圧をモニタし、動作再開要求を受けた時は動的にスイッチ素子ＳＷを切り換えるようにしたものである。
【００２６】
＜第３の実施形態＞
前述した第２の実施形態では、リーク電流削減用の抵抗素子Ｒの値は製造時に決まる固定値であって、抵抗バイパス用のスイッチ素子ＳＷをオン／オフするかどうかのみを制御している。つまり、電圧モニタ回路を用意しておき、電源電圧が目標回路１０ａのデータ保持の限界電圧に近ければ、スイッチ素子ＳＷをオン状態に制御しており、リーク電流削減用の抵抗素子Ｒの値がある一定値と零の２種類のみ用意されている場合と等価である。第３の実施形態では、第２の実施形態によるリーク電流対策をさらに進め、スタンバイ状態における電源電圧のモニタ値によってデータ保持機能の限界電圧値と関連付けてリーク電流削減用の抵抗値を動的に細かく可変させる場合について説明する。
【００２７】
図６（ａ）は、本発明の消費電力削減回路の第３の実施形態を示す回路図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の消費電力削減回路におけるリーク電流削減用抵抗値の切り換えの基準として複数用意された閾値と目標回路のデータ保持限界電圧との関係を示す。また、図７は、図６（ａ）の消費電力削減回路におけるシーケンス制御のフローチャートを示している。
【００２８】
図６（ａ）の回路は、目標回路１０ａの電源ライン１３に、抵抗値が異なるいくつかのリーク電流削減用の抵抗素子Ｒ、本例では６個の抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６を直列に挿入し、それらを選択制御するスイッチ素子、本例では６個のスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６を並列に接続しておき、電圧モニタ回路による電源電圧のモニタ値に応じてリーク電流削減用抵抗として所望の抵抗値を選択するようにスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６を制御回路（図示せず）により切換制御する。この場合、図７に示すように、電源電圧のモニタ値が閾値１よりも高い時には、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６を全てオフにしておき、リーク電流が少なくなるようにしておく。この状態において、電源電圧のモニタ値が低下して閾値１よりも低くなり、現状の抵抗値では目標回路１０ａでのデータ保持が困難になってきた場合、モニタ値が閾値２（＜閾値１）よりも高い時には例えばスイッチ素子ＳＷ１をオンし、抵抗値をそれまでより若干小さくして、データ保持を可能とする。この状態において、電源電圧のモニタ値がさらに低下して閾値２よりも低くなり、現状の抵抗値では目標回路１０ａでのデータ保持が困難になってきた場合、モニタ値が閾値３（＜閾値２）よりも高い時にはさらに例えばスイッチ素子ＳＷ２をオンし、抵抗値をそれまでより若干小さくして、データ保持を可能とする。以下、同様の要領で、モニタ値に応じてデータ保持機能の限界電圧値と関連付けてリーク電流削減用の抵抗値を動的に細かく低下させていく。
【００２９】
このような制御は、前述した第２の実施形態と異なり、スタンバイ状態の時にリーク電流削減用の抵抗値を単純に零に制御するのではないので、電池の寿命は前述した第２の実施形態よりもさらに長くなる。この動作を電源電圧が下がっていくにつれて繰り返し、電源ラインの抵抗値を少しずつ切り換えることによって、データ保持機能を継続しつつ、消費電力をより削減することができる。結果として、従来に比べて電池を長時間使用することが可能になり、電池の寿命を大きく伸ばすことができる。本実施形態の消費電力削減回路は、製造プロセスに絡むような大掛かりな対策を必要としないので、殆んどコストアップを伴うことなく実現可能である。
【００３０】
なお、リーク電流削減用抵抗の抵抗値の切り換えは、待機状態に遷移する際に実施するだけでもよいし、さらには、例えば図７に示すシーケンス制御のように、スタンバイ状態中に常に電源電圧をモニタしておき、その過程で動作再開要求を受けた時に動的に実施するようにしても良い。
【００３１】
＜第３の実施形態の変形例＞
前述した第２の実施形態では、抵抗値が異なるいくつかのリーク電流削減用の抵抗素子を直列に設け、それらを選択制御するスイッチ素子を並列に接続しておき、電源電圧のモニタ値に応じて所望の抵抗値を選択するようにスイッチ素子を切換制御する場合を説明したが、これに限らず、抵抗素子として可変抵抗素子を用い、この可変抵抗素子の抵抗値を電源電圧のモニタ値に応じて変化させるように変形しても良い。
【００３２】
図８は、第３の実施形態の変形例を示す回路図であり、目標回路１０ａがSRAMなどの記憶回路であり、電源端子１１に例えば電池電源１２が接続されて使用される。この回路は、図６を参照して前述した回路に対して、目標回路１０ａの電源ラインに、可変抵抗素子として例えばＮＭＯＳトランジスタ８１を直列に挿入し、そのゲートに電池電源１２の電圧を印加して、電源電圧のモニタ値に応じて可変抵抗素子を所望の抵抗値に制御するように変更したものである。
【００３３】
図９は、図８の消費電力削減回路において電池電源１２をコンデンサモデルに置き換えてスタンバイ状態における電池電源の放電特性をシミュレーションした結果を示す放電曲線Ａ３を、図１に示した第１の実施形態の放電曲線Ａ１、図６に示した第２の実施形態の放電曲線Ａ２と対比して示している。図９によれば、本実施形態の消費電力削減回路においては、目標回路１０ａのスタンバイ状態における電池電源１２の初期値１．５０Ｖから、時間の経過とともに０．８５Ｖまで低下するまでの所要時間が長くなり、放電特性が緩やかになっている。換言すれば、電池電源の寿命が長くなっていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の消費電力削減回路の第１の実施形態の回路図。
【図２】図１中の目標回路のスタンバイ状態における電池の放電特性をシミュレーションした結果を示す放電曲線Ａを従来例の放電曲線Ｂと対比して示す特性図。
【図３】本発明の消費電力削減回路の第２の実施形態の回路図。
【図４】図３の消費電力削減回路におけるシーケンス制御の一例を示すフローチャート。
【図５】図３の消費電力削減回路におけるシーケンス制御の他の例を示すフローチャート。
【図６】本発明の消費電力削減回路の第３の実施形態の回路図および消費電力削減回路におけるリーク電流削減用抵抗値の切り換えの基準として複数用意された閾値と目標回路のデータ保持限界電圧との関係を示す図。
【図７】図６の消費電力削減回路におけるシーケンス制御の一例を示すフローチャート。
【図８】第３の実施形態の変形例の回路図。
【図９】図８の消費電力削減回路のスタンバイ状態における電池の放電特性をシミュレーションした結果を示す放電曲線Ａ３を図１の消費電力削減回路の放電曲線Ａ１、図６の消費電力削減回路の放電曲線Ａ２と対比して示す特性図。
【符号の説明】
【００３５】
１０、１０ａ…目標回路、１１…電源端子、１２…電池電源、３１…電圧モニタ回路、３２…制御回路、Ｒ…抵抗素子、ＳＷ…スイッチ素子。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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