JP2015119311A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の電源電圧VDD1を供給する第1電源6と、VDD1以上の第2電源電圧VDD2を供給する第2電源15と、VDD1の供給を受けて動作する第1回路ブロック1と、VDD2の供給を受けて動作する第2回路ブロック11と、VDD1用の信号をVDD2用の信号に変換するかまたはVDD2用の信号をVDD1用の信号に変換するレベル変換器21,22と、第1電源6を制御してVDD1を変化させる電源制御回路7と、VDD1が低下した時に、レベル変換器が正常に機能しなくなるVDD1よりも高い第1余裕電圧で第1誤動作信号Warningを生成するレベル変換器監視回路31と、を有し、電源制御回路は、VDD1が第1余裕電圧より低くならないように第1電源を制御する半導体装置。
【選択図】図8
Description
図1は、回路全体に電源電圧を供給する単一電源に対してAVS技術を適用する半導体装置の概略構成を示す図である。
このAVS技術によれば、第1Domain1の遅延量Delayが、限界より小さければVDD1を低下させ、限界より大きくなるとVDD1を上昇させる。
”START”から始まり、“POWERFULL”では、VDD1が上昇し、例えば、最大値1.2Vまで上昇する。
上記のように、AVS制御技術を適用してVDD1を低下させる場合、第1Domain1が正常に動作する範囲でVDD1を低下させるので、第1Domain1は正常に動作する。しかし、VDD1とVDD2の差が大きくなった場合は、レベルシフタ21および22、特にVDD1の信号からVDD2の信号にレベル変換するレベルシフタ21が動作しなくなってしまうという問題が生じる。
以下に説明する実施形態の多電源AVS制御を行う半導体装置では、誤動作を発生しないように電源電圧を制御しながら、消費エネルギを低減する。
第1実施形態の半導体装置は、複数の回路ブロックを有し、複数の回路ブロックにそれぞれ電源電圧を供給する複数の電源を有し、多電源AVS技術を適用する半導体装置である。
図9は、第1実施形態で実行されるAVS技術における制御を説明する図である。図9の上側は、電源電圧VDDの変化に対する回路(トランジスタ)の遅延量Delayの変化を示し、トランジスタの動作速度がSlowの場合とFastの場合を示している。図9の下側は、電源電圧VDDの変化に対する回路消費エネルギの変化例を示し、トランジスタの動作速度がSlowの場合とFastの場合を示している。図9の上側は、図6の(B)と同じであり、Delayが要求動作周波数ラインより小さく、VDD1がレベルシフタ最小動作可能電圧より大きい範囲が動作可能範囲であり、VDD1がこの範囲内に入るように制御を行う。VDD1がレベルシフタ最小動作可能電圧より小さくなるとレベルシフタに誤動作が発生し、動作中に誤動作することは望ましくないので、レベルシフタ最小動作可能電圧より少し大きい電圧を第1余裕電圧として設定する。そして、レベルシフタモニタ回路31は、VDD1が第1余裕電圧より低くなると誤動作して警告信号Warningを発生する。
さらに、PMU7は、警告信号Warningを受け取ったら、電源6にVDD1を上げるように指示を出す。
レベルシフタモニタ回路31は、入力信号生成回路32と、レプリカ回路33と、誤動作回路34と、比較回路35と、を有する。入力信号生成回路32は、PMU7からの制御信号ENが高レベル(High)の時に、0/1に交互に変化するVDD1用の信号を発生する。レプリカ回路33は、レベルシフタ21と同じ回路構成および特性を有する回路で、VDD1およびVDD2を供給され、入力信号生成回路32から入力するVDD1用の信号をVDD2用の信号にレベルシフトする。誤動作回路34は、レベルシフタ21と同じ回路構成を有し、VDD1およびVDD2を供給され、入力信号生成回路32から入力するVDD1用の信号をVDD2用の信号にレベルシフトするが、VDD1が第1余裕電圧より低くなると誤動作する。言い換えれば、誤動作回路34は、レプリカ回路33が誤動作する電圧より高い電圧で誤動作する。比較回路35は、レプリカ回路33の出力する0/1に交互に変化するVDD2用の信号と、誤動作回路34の出力する0/1に交互に変化するVDD2用の信号とが、一致するかを判定する。レプリカ回路33と誤動作回路34は、ともにレベルシフタであり、入力信号生成回路32から同じ信号が入力される。したがって、レプリカ回路33と誤動作回路34が共に正常に動作する場合には、比較回路35は、一致を検出する。もし、比較回路35の出力Yが不一致を示す場合には、レプリカ回路33と誤動作回路34の一方が誤動作している、具体的にはより高いVDD1で誤動作する誤動作回路34が誤動作したと判定される。
入力信号生成回路32は、NANDゲート41と、FF42と、インバータ43と、を有する。NANDゲート41は、PMU7からの制御信号ENが高レベルの時に、PLL8からの内部クロックCLKを通過させてVDD1用の信号として出力し、ENが低レベルの時には、遮断して高レベルに固定した信号を出力する。FF42とインバータ43は、1/2分周回路を形成し、ENが高レベルの時には内部クロックCLKを1/2分周した信号を出力する。
誤動作回路34は、レベルシフタ21と同じ回路構成および特性を有するレベルシフタ61を有し、入力信号を、VDD2用の信号にレベルシフトしてYLSWRとして出力するが、VDD1が、VDDminより高い第1余裕電圧より低くなると誤動作する。言い換えれば、VDD1を低下させた場合に、レベルシフタ61は、レベルシフタ51より先に誤動作する。
図12の(A)は、レベルシフタ21と同じ構成のレベルシフタ61を、VDD1およびVDD2には、レベルシフタ21と同様に直接接続するが、GNDには抵抗R1を介して接続したものである。これにより、レベルシフタ61に供給される電源電圧が実効的に低下し、レベルシフタ61は、VDD1が、VDDminより高い第1余裕電圧より低くなると誤動作する。
“POWERFULL”状態では、レベルシフタ21、22およびVDD1に接続される第1Domain1の内部回路の動作が確実に保障できる高い電圧にVDD1の電圧を設定する。例えば、VDD1=1.2Vにする。これにより、回路に誤動作を生じることなく電源制御を行うことが可能になる。
“VDDDOWN”状態では、一定周期ごとにPMU7が電源6にVDD1を所定量ずつ下げる命令を繰り返し出す。例えば、PMU7は、10μ秒ごとにVDD1=VDD1−25mVとする命令を出す。ここで、トリガ(Trigger)TNの時には“VDDDOWN”状態を維持し、トリガTWの時には“VDDUP”状態に遷移する。
トリガTWは、遅延モニタ回路5の出力Delayが要求動作周波数ラインを越えるか、またはレベルシフタモニタ回路31が警告信号Warningを出力する場合に出力される。
PMU7は、トリガ(Trigger)生成部81と、電源(Power Supply)制御部84と、を有する。トリガ(Trigger)生成部81は、カウンタ82と、コンパレータ(比較器)83と、を有する。カウンタ82は、システムクロックSYSCLKが高レベルの間動作状態になり、レベルシフタモニタ回路31の出力する図13に示す警告信号Warningをカウントする。コンパレータ83は、カウンタ82のカウント値を所定の値と比較して多い場合に内部トリガTRIGを出力する。これにより、レベルシフタモニタ回路31の出力Yへのノイズによる影響を除いて、警告信号Warningを確実に判定できる。
“POWERFULL”では、VDD1が上昇し、例えば、最大値1.2Vまで上昇する。この間、レベルシフタモニタ31は動作状態になっていないので、レベルシフタモニタ31の出力Yは低レベルで、カウンタ82の出力するカウント値はゼロであり、コンパレータ83の出力するTRIGも低レベルである。
次に説明する第2実施形態では、VDD1の頻繁な変動が抑制される。
第2実施形態のPMU7は、トリガ生成部81が、カウンタ85およびコンパレータ86をさらに有し、電源制御部87が、コンパレータ83および86の出力から電源6の制御信号Up/Down/Holdを生成することが、第1実施形態と異なる。他は、第1実施形態と同じである。
開始から“VDDDOWN”に遷移するまでは、図16の第1実施形態と同じなので、説明は省略する。
この時、誤動作回路34のレベルシフタ62は依然誤動作し、レベルシフタモニタ31の出力YHは0/1を繰り返しており、カウント値COUNTHは基準値以上(ここでは5)であり、TRIGHは高レベルになる。したがって、電源制御部84はVDD1の増加を指示する指令Upを出力し、これに応じて、状態は“VDDUP”に遷移し、VDD1を単位量上昇させる。VDD1が上昇するので、レベルシフタモニタ31の出力YWは低レベルになり、カウント値がゼロになるので、状態は“VDDHOLD”に遷移する。以下このような動作を繰り返す。これにより、VDD1は、第1余裕電圧と第2余裕電圧の間に安定的に維持され、第1余裕電圧より低くなった場合も第2余裕電圧より高くなった場合も、第1余裕電圧と第2余裕電圧の間に戻るように制御される。
さらに、誤動作回路は、動作可能最小電圧VDDminより高い電圧で誤動作し、誤動作が容易に検知できれば、どのような回路でもよい。
2、4 FF(フリップフロップ)
3 組合せ論理回路(Combinational Logic)
5 遅延モニタ回路
6 第1回路ブロック用電源(Power Supply)
7 電源制御回路(PMU: Power Management Unit)
8 PLL
11 第2回路ブロック(第2Domain)
12 SRAM素子
21、22 レベルシフタ
31 レベルシフタモニタ回路
33 レプリカ回路
34 誤動作回路
35 比較回路
Claims (8)
- 第1の電源電圧を供給する第1電源と、
前記第1の電源電圧以上の第2電源電圧を供給する第2電源と、
前記第1電源から前記第1の電源電圧の供給を受けて動作する第1回路ブロックと、
前記第2電源から前記第2の電源電圧の供給を受けて動作する第2回路ブロックと、
前記第1電源および前記第2電源から前記第1の電源電圧および前記第2の電源電圧の供給を受けて動作し、前記第1の電源電圧用の信号を前記第2の電源電圧用の信号に変換するかまたは前記第2の電源電圧用の信号を前記第1の電源電圧用の信号に変換するレベル変換器と、
前記第1電源を制御して前記第1の電源電圧を変化させる電源制御回路と、
前記第1の電源電圧が低下した時に、前記レベル変換器が正常に機能しなくなる前記第1の電圧よりも高い第1余裕電圧で第1誤動作信号を生成するレベル変換器監視回路と、を備え、
前記電源制御回路は、前記第1の電源電圧が前記第1余裕電圧より低くならないように前記第1電源を制御することを特徴とする半導体装置。 - レベル変換器監視回路は、前記第1余裕電圧で誤動作する第1誤動作レベル変換器を少なくとも1つ有し、前記レベル変換器が正常に動作し且つ前記第1誤動作レベル変換器が正常に動作しない場合に第1誤動作未然検知信号を生成する請求項1に記載の半導体装置。
- レベル変換器監視回路は、前記第1余裕電圧よりも高い第2余裕電圧で誤動作する第2誤動作レベル変換器を少なくとも1つ有し、前記第2誤動作レベル変換器が正常に動作しない場合に第2誤動作未然検知信号を生成する請求項2に記載の半導体装置。
- 前記電源制御回路は、前記第1誤動作未然検知信号および前記第2誤動作未然検知信号を受けない場合には前記第1の電源電圧を単位量ずつ低下させ、前記第1誤動作未然検知信号を受けず且つ前記第2誤動作未然検知信号を受けると前記第1の電源電圧を維持し、前記第1誤動作未然検知信号を受けると前記第1の電源電圧を単位量ずつ増加させる、ように前記第1電源を制御する請求項3に記載の半導体装置。
- 前記電源制御回路は、動作開始時には、前記第1の電源電圧を、前記第1回路ブロックおよび前記レベル変換器が誤動作することのない電圧に設定する請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1誤動作レベル変換器は、前記レベル変換器と同一の構造を有し、前記レベル変換器よりも大きな抵抗値の抵抗を介して前記第1電源に接続されている請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第2誤動作レベル変換器は、前記レベル変換器と同一の構造を有し、前記レベル変換器の前記第1電源への接続抵抗よりも大きく、前記第1誤動作レベル変換器の前記第1電源への接続抵抗よりも大きい抵抗を介して前記第1電源に接続されている請求項3に記載の半導体装置。
- 前記第1の電源電圧が低下した時に、遅延量が増加する遅延パスを有し、前記遅延パスの遅延量が所定値を超えると動作限界信号を生成する動作監視回路を、さらに備え、
前記電源制御回路は、前記第1の電源電圧を単位量ずつ低下させる時に、前記動作限界信号が発生すると、前記第1の電源電圧を単位量ずつ増加するように前記第1電源を制御することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。
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