JP2009165218A - Power regeneration circuit - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a power that regenerates power by temporarily storing a part of charges from a circuit that discharges charges in a semiconductor integrated circuit (LSI) or the like and supplying the temporarily stored charges to a circuit that requires it. This relates to the regenerative circuit.
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。 Recently, reduction of power consumed by LSI itself is one of the most important issues, and devices that can operate with low power consumption are being actively studied. Among them, by regenerating part of the charge that was thrown away during the refresh operation of a DRAM (dynamic memory cell) that needs to be rewritten (refreshed) for holding data at regular intervals, There are attempts to reduce power consumption.
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。
For example, in
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
Further, for example, in
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。
The regeneration method disclosed in
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。
As described above, in the regeneration method disclosed in
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。 This problem will be described with reference to FIG. In this example, it is assumed that one capacitor is used for charge accumulation, and the charge of the first drive signal line is accumulated in a capacitor (storage capacitor) having the same capacity as the ground capacitance of the first drive signal line. Think.
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。 As shown in FIG. 4A, when the potential of the first drive signal line is Vcc and the storage capacitor is empty, the first drive signal line and the storage capacitor are electrically connected. As shown in FIG. 4B, 1/2 of the charge accumulated in the first drive signal line moves to the storage capacitor, and the ground potential becomes 1/2 Vcc.
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。 Next, when the first drive signal line and the storage capacitor are disconnected and the storage capacitor and the second drive signal line are connected, the ground potential becomes 1/4 Vcc as shown in FIG. ½ of the charge of the storage capacitor is used for charging the second drive signal line, and in all the steps, ¼ of the original charge of the first drive signal line is used for charging the second drive signal line. It was reused. In FIG. 4C, the charge remaining on the first drive signal line is discharged by connecting the first drive signal line to the ground line.
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。 The charge recycling rate when a capacitor is used for charge storage is determined by the ratio of the signal line capacitance to the storage capacitor capacitance. If the storage capacitor capacity is k times the signal line capacity, the charge recycling rate η is η = k / (1 + k) 2 . For this reason, it can be seen that the charge re-use rate when the capacitor is used for charge storage is maximum when k = 1 shown in FIG.
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。 Thus, when a capacitor is used for charge storage, even if a charge storage capacitor having an optimum capacity is used, only ¼ of the charge of the original first drive signal line is used as the second drive signal line. It is difficult to increase the charge recycling efficiency.
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。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a power regeneration circuit capable of improving charge recycling efficiency and further reducing power consumption of an LSI or the like. There is to do.
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設けたものである。 In order to achieve such an object, the present invention relates to a secondary battery, a first switch circuit provided between the secondary battery and the first circuit for discharging electric charge, A second switch circuit provided between the required second circuit, a charge timing to the secondary battery of the charge discharged from the first circuit via the first switch circuit, and a second switch circuit And a drive circuit for controlling the discharge timing of the charge charged from the secondary battery to the second circuit via the.
この発明によれば、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。 According to the present invention, when the first circuit and the secondary battery are connected via the first switch circuit, the discharge electric charge from the first circuit is sent to the secondary battery, and the secondary battery is generated by the discharge electric charge. Is charged. Next, when the second circuit and the secondary battery are connected via the second switch circuit, the charge of the secondary battery is sent to the second circuit. In this case, unlike the charge storage capacitor, the secondary battery can send all of the charged charges to the second circuit. Thereby, for example, when the electromotive force of the secondary battery is set to 1/2 of the power supply voltage Vcc of the first circuit and the second circuit, the secondary battery is charged with 1/2 of the charge of the first circuit. This half charge is sent to the second circuit, and the charge recycling efficiency is increased.
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。また、本発明の一例として、第1の回路および第2の回路を、DRAMもしくはその駆動信号線とすることが考えられる。第1の回路および第2の回路をDRAMもしくはその駆動信号線とする場合、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および第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の制御によって、DRAMのリフレッシュを行うようにする。 In the present invention, when the electromotive force of the secondary battery is ½ of the power supply voltage of the first circuit and the second circuit, the charge recycling efficiency can be maximized. Further, as an example of the present invention, the secondary battery may be a micro secondary battery formed on a semiconductor substrate. As an example of the present invention, the first circuit and the second circuit may be DRAMs or their drive signal lines. When the first circuit and the second circuit are DRAMs or their drive signal lines, the charging timing of the discharge from the first circuit to the secondary battery and the charge from the secondary battery to the second circuit The DRAM is refreshed by controlling the discharge timing.
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。 According to the present invention, a secondary battery is provided in place of the charge storage capacitor, and charging timing of the secondary battery discharged from the first circuit (circuit that discharges the charge) via the first switch circuit and Since the drive circuit controls the discharge timing of the charge from the secondary battery to the second circuit (the circuit that requires charge) via the two switch circuits, all of the charge of the secondary battery Is sent to the second circuit, the charge recycling efficiency can be increased, and the power consumption of the LSI or the like can be further reduced.
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。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〔Basic principle〕
FIG. 1 is a diagram for explaining the basic principle of a power regeneration circuit according to the present invention. In this example, one secondary battery is used for charge accumulation, and the electromotive force of the secondary battery (storage secondary battery) is the maximum ground voltage (power supply voltage) Vcc of the first and second drive signal lines. It is assumed that it is 1/2.
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。 As shown in FIG. 1A, in the state where the potential of the first drive signal line is Vcc and the storage secondary battery is empty, an electrical connection is established between the first drive signal line and the storage secondary battery. 1B, as shown in FIG. 1B, 1/2 of the charge accumulated in the first drive signal line is released to the storage secondary battery, and the storage secondary battery is charged by this released charge. It will be a thing.
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。 Next, when the first drive signal line and the storage secondary battery are disconnected and the storage secondary battery and the second drive signal line are connected, as shown in FIG. All of the charge of the battery is discharged to the second drive signal line, and the ground potential of the second drive signal line becomes 1/2 Vcc. Thereby, all of the charge of the storage secondary battery is used for charging the second drive signal line, and in all the steps, ½ of the original charge of the first drive signal line is used for the second drive signal line. It was reused for charging. In FIG. 1C, the charge remaining on the first drive signal line is discharged by connecting the first drive signal line to the ground line.
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。 The charge recycle rate when a secondary battery is used for charge storage is determined by the electromotive force of the secondary battery. In this case, the charge reuse rate η is maximized when the electromotive force of the secondary battery is ½ Vcc. That is, when the electromotive force of the secondary battery is m times the signal line voltage, the charge recycling rate η is η = 1−m when m ≧ 0.5, and η = m when m <0.5. Therefore, the electromotive force of the secondary battery is maximized when it is 1/2 Vcc.
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。 As described above, when a secondary battery is used for charge accumulation, assuming that the secondary battery has an electromotive force of ½ Vcc, ½ of the original charge of the first drive signal line is used as the second drive signal line. It will be possible to send. As a result, compared to the case where a capacitor is used for charge accumulation, the charge recycling efficiency is increased, and the power consumption of the LSI or the like can be further reduced.
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。 Further, it is particularly necessary to use a boosting means such as a charge pump in order to transfer the charge from the first drive signal line where the original charge has accumulated to the secondary battery to the second drive signal line. Instead, it is sufficient to simply connect the circuit with a switch or the like.
〔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。
Embodiment
FIG. 2 is a diagram showing a main part of an embodiment of a power regeneration circuit according to the present invention based on the basic principle described above. In the figure,
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。
Inside the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
In the
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。
In this embodiment, the
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。
Since the micro secondary battery is also described in, for example, Patent Document 5 and the like, detailed description thereof is omitted here. Patent Document 5 discloses, as an example of a micro secondary battery, a solid thin film secondary battery using a porous film formed on a part of the surface of a semiconductor element substrate by surface modification of the semiconductor element substrate itself as a negative electrode active material. It is shown. In this embodiment, such a micro secondary battery is used as the
〔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。
[Charging the secondary battery (charging process)]
The
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。
Then, after the charging of the
〔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。
[Discharge from secondary battery (discharge process)]
The
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。
Then, after the discharge from the
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。
When refreshing the DRAM, the
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0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。
In the
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。
FIG. 3 shows a basic configuration of a power regeneration circuit according to the present invention. A
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。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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
を備えることを特徴とする電力回生回路。 A secondary battery;
A first switch circuit provided between the secondary battery and a first circuit for discharging electric charge;
A second switch circuit provided between the secondary battery and a second circuit requiring electric charge;
Charge timing of the discharge from the first circuit via the first switch circuit to the secondary battery and charge from the secondary battery to the second circuit via the second switch circuit And a drive circuit for controlling the discharge timing of the power regeneration circuit.
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。 The power regeneration circuit according to claim 1,
The secondary battery has an electromotive force that is ½ of a power supply voltage of the first circuit and the second circuit.
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。 In the power regeneration circuit according to claim 1 or 2,
The secondary battery is a micro secondary battery created on a semiconductor substrate. An electric power regeneration circuit.
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る
ことを特徴とする電力回生回路。 In the electric power regeneration circuit described in any one of Claims 1-3,
The first circuit and the second circuit are dynamic memory cells or their drive signal lines. A power regeneration circuit.
前記駆動回路は、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および前記第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の制御によって、前記第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。 The power regeneration circuit according to claim 4,
The driving circuit controls the first dynamic type by controlling charging timing of the discharge charge from the first circuit to the secondary battery and discharging timing of the charge charge from the secondary battery to the second circuit. A power regeneration circuit characterized by refreshing a memory cell.
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