JP4271505B2 - Voltage conversion circuit, semiconductor integrated circuit device including the same, and portable terminal - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路の動作に最適な電源電圧を供給する電圧変換回路、ならびにそれを備えている半導体集積回路装置および携帯端末に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、動作クロックに従って演算処理等が実行される集積回路においては、製造プロセスのばらつきや、電源変動、温度変化等に対して、常に正常な動作を行わせるために、大きな設計マージンを設ける必要がある。つまり、各種の変動等によって遅延時間が増加しても、集積回路全体の動作が1クロック内に収まるように設計する必要がある。それに加え、すべての条件が最悪になっても動作するよう、集積回路には充分高い電源電圧が印加される。
【0003】
しかしながら、これらの大きな設計マージンや高い電源電圧の印加は、集積回路の高速化や低消費電力化の妨げとなる。そこで、集積回路の動作状況を検知し、該集積回路の動作に必要最低限の電源電圧を与えられるように、電源電圧の制御を行う電圧変換回路の開発が進められている。
【0004】
図23は、典型的な従来技術の電圧変換回路1の概略構成図である。この電圧変換回路1は、特開平10−242831号公報に開示されているものである。本図に示すように、この電圧変換回路1は、デューティ比制御回路2、バッファ回路3、フィルタ回路4、クリティカルパス回路5、遅延回路6、正否判定回路7および加算器8を備えて構成されている。
【0005】
前記デューティ比制御回路2は、バッファ回路3からの出力電圧の可変動作を制御する回路であり、カウンタ11と比較回路12とを有している。カウンタ11は、0〜2n −1(例えば、n=6の場合は0〜63)までの数を、供給されたクロック信号(図示せず)の周期毎に1ずつカウントアップし、そのカウント数をnビットの信号NAとして比較回路12に送出する。なお、カウント数2n −1の次は、0に復帰する。また、比較回路12には、前記信号NAの他に、加算器8からnビットの信号NBが入力されている。
【0006】
比較回路12は、バッファ回路3を構成するPMOSトランジスタmpおよびNMOSトランジスタmnのオン/オフ制御を行う回路であり、各トランジスタmp,mnのゲートには、比較回路12から制御信号x1,x2がそれぞれ供給されている。なお、比較回路12は、信号NAが0となったときに制御信号x1,x2の電圧レベルをLレベルとし、信号NAが信号NBと一致したときに制御信号x1,x2の電圧レベルをHレベルとする。
【0007】
バッファ回路3において、PMOSトランジスタmpのソースにはHレベルの第1の電源電圧(ここではVDD)が印加されており、NMOSトランジスタmnのソースにはLレベルの第2の電源電圧(ここでは接地電圧)が印加されている。また、両トランジスタmp,mnのドレインは互いに接続されており、その接続ノードはバッファ回路3の出力端とされている。
【0008】
したがって、制御信号x1,x2がLレベルである場合、PMOSトランジスタmpはオンとなり、NMOSトランジスタmnはオフとなるので、バッファ回路3の出力電圧は、第1の電源電圧(VDD)に等しくなる。一方、制御信号x1,x2がHレベルである場合、PMOSトランジスタmpはオフとなり、NMOSトランジスタmnはオンとなるので、バッファ回路3の出力電圧は、第2の電源電圧(接地電圧)に等しくなる。すなわち、バッファ回路3の出力電圧は、信号NAが0のときに立ち上がり、信号NAが信号NBに等しくなったときに立ち下がるパルス状の電圧信号v1となる。
【0009】
この電圧信号v1は、インダクタlおよびキャパシタcから成るフィルタ回路4によって平滑化されて、出力電圧v2となる。この出力電圧v2は、同一基板上に形成された内部回路(図示せず)に対して供給され、前記内部回路の駆動電圧として利用される。また、出力電圧v2は、クリティカルパス回路5の電源電圧としても利用される。
【0010】
前記したバッファ回路3を構成するPMOSトランジスタmpがオンとなり、NMOSトランジスタmnがオフとなる時間(すなわち、制御信号x1,x2がLレベルである時間)をオン時間T1とし、PMOSトランジスタmpがオフとなり、NMOSトランジスタmnがオンとなる時間(すなわち、制御信号x1,x2がHレベルである時間)をオフ時間T2とすると、フィルタ回路4の出力電圧v2は、一般に、次の(1)式によって求めることができる。
【0011】
v2=(T1/(T1+T2))*VDD …(1)
ここで、上式中のオン時間T1(右辺分子)は、前記電圧信号v1のパルス幅を表しており、オン時間T1とオフ時間T2との和T1+T2(右辺分母)は、前記電圧信号v1のパルス周期を表している。すなわち、出力電圧v2を所望とする前記集積回路の動作に必要最低限の電源電圧に制御するためには、電圧信号v1におけるパルス幅とパルス周期との比(以下、デューティ比と呼ぶ)を制御すればよいことが理解される。
【0012】
そこで、上記構成から成る電圧変換回路1では、加算器8から比較回路12に入力される信号NBの値を変えることによって、オン時間T1(パルス幅)を変化させ、バッファ回路3から出力される電圧信号v1のデューティ比を制御している。これによって、前記内部回路に供給する駆動電圧(出力電圧v2)を制御することができる。(以下では、このようなデューティ比制御方式をパルス幅変調(PWM)方式と呼ぶ。)また、信号NBを最適値に設定する手段としては、クリティカルパス回路5の動作速度を検出する方法が採用されている。
【0013】
クリティカルパス回路5は、出力電圧v2が供給される内部回路の中でも信号の遅延が最も大きいと考えられるパス回路を複製した回路である。前述した通り、このクリティカルパス回路5の電源電圧としては、フィルタ回路4の出力電圧v2が印加されている。すなわち、電源供給の対象となる内部回路の駆動電圧が、このクリティカルパス回路5によってモニタされることになる。なお、ここでは、クリティカルパス回路5の動作可能電圧が前記内部回路の動作可能電圧であると仮定している。
【0014】
フィルタ回路4の出力電圧v2によってクリティカルパス回路5が動作可能である場合、クリティカルパス回路5は正否判定回路7に対して所定のデータを送出する。このとき、正否判定回路7には、クリティカルパス回路5から送出された前記データが直接入力されるだけでなく、遅延回路6によって前記データを予め定める時間だけ遅延させた遅延データも入力される。
【0015】
正否判定回路7に対してクリティカルパス回路5から直接データが入力されない場合、該正否判定回路7は対象としている内部回路が正常に動作していない、すなわち前記内部回路の駆動電圧(フィルタ回路4の出力電圧v2)が低過ぎると判断し、駆動電圧v2を上げるために信号NBの値を1だけ増加する信号s1を加算器8に送出する。
【0016】
これに対して、正否判定回路7に対して遅延回路6を介した遅延データが入力された場合、該正否判定回路7は対象としている内部回路に遅延を与えても正常に動作している、すなわち前記内部回路の駆動電圧は高過ぎると判断し、駆動電圧を下げるために信号NBの値を1だけ減少させる信号s2を加算器8に送出する。
【0017】
さらにまた、正否判定回路7に対して、クリティカルパス回路5から直接データは入力されるが、遅延回路6を介した遅延データは入力されない場合、該正否判定回路7は対象としている内部回路には最適な駆動電圧が供給されていると判断して、加算器8には前記信号s1,s2を送出しない。
【0018】
正否判定回路7から信号s1が入力された場合、加算器8は信号NBの現在値に1を加えた値をデューティ比制御回路2に供給する。一方、正否判定回路7から信号s2が入力された場合、加算器8は信号NBの現在値に−1を加えた値をデューティ比制御回路2に供給する。
【0019】
このように、上記構成から成る電圧変換回路1においては、クリティカルパス回路5、遅延回路6および正否判定回路7によって、電源供給の対象としている内部回路の動作速度を検出し、検出した動作速度が速過ぎる場合には前記内部回路の駆動電圧(出力電圧v2)を下げるように、逆に検出した動作速度が遅過ぎる場合には前記内部回路の駆動電圧を上げるように、電圧信号v1のデューティ比を制御している。
【0020】
以上のように、特開平10−242831号公報で示されているような、クリティカルパス回路5の動作速度を検出する回路とデューティ比制御回路2とを用いた電圧変換回路1は、出力電圧v2の可変範囲が広く、一般的な集積回路の降圧回路として有益であることが理解される。
【0021】
しかしながら、上述の従来技術では、デューティ比を制御するために用いるカウンタ回路11は、前記電圧信号v1の周波数の64倍の周波数で高速動作するので、それ自身での消費電力が高いという問題がある。たとえば、前記パルス状の電圧信号v1の周波数を1MHzとすると、64MHzにもなる。
【0022】
一般に、内部回路の電源電圧が低い場合や負荷電流が小さい場合は、集積回路全体の消費電力が小さくなるので、降圧回路自体の消費電力の比率は相対的に大きくなる。そのため、降圧回路自体の消費電力も削減する必要があり、上記技術に基づく降圧回路では、内部回路が低電源電圧で動作する場合には不利である。たとえば、電源電圧0.5Vで駆動するデバイスを用いた内部回路の消費電力は、電源電圧3Vで駆動するデバイスを用いた内部回路の消費電力に比べて、1/36となる。このように、前記内部回路の電源電圧や負荷電流が小さい場合は、消費電力における前記降圧回路の影響が極めて大きくなる。
【0023】
また、出力電圧v2の可変範囲を広くするために必要となる加算器8等の制御に必要な回路の規模が大きくなるという問題がある。このことは、降圧回路全体の回路規模の増加を招き、これによってもまた、降圧回路自体の消費電力の増加を引き起こす。
【0024】
以上のことから、本件発明者は、特開2002−153050号公報や特開2002−223564号公報において、出力電圧の低電圧化に適した、回路規模や消費電力を削減した降圧回路を提案している。それらの従来技術による電圧変換回路21を、図24に示す。図24において、図23の構成に対応する部分には、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。この電圧変換回路21では、パルス信号生成回路22が前記スイッチ回路3を駆動する。前記パルス信号生成回路22は、基準パルス信号生成回路23と、遅延回路24と、遅延時間制御回路25と、スイッチタイミング制御回路26とを備えて構成されている。
【0025】
前記基準パルス信号生成回路23で生成された予め定める単位時間の基準パルス信号v3は、遅延回路24に与えられ、遅延時間制御回路24で設定された遅延時間だけ遅延された遅延パルス信号v4が作成される。前記遅延パルス信号v4は、スイッチタイミング制御回路26に与えられ、前記制御信号x1,x2の電圧レベルをLレベルとする。前記遅延パルス信号v4は、トリガ用に前記基準パルス信号生成回路22へフィードバックされ、該基準パルス信号生成回路22は、この遅延パルス信号v4に応答して、次の基準パルス信号v3を出力する。
【0026】
したがって、前記スイッチ回路3において、PMOSトランジスタmpは遅延された遅延パルス信号v4が入力されている間だけオンし、こうして遅延回路24での遅延時間の周期で、前記予め定める単位時間の基準パルス信号v3の期間だけオンデューティとなるパルス周波数変調(PFM)でスイッチ回路3が駆動され、前記遅延時間制御回路24で設定された遅延時間が短くなる程、高い周波数、したがって前記出力電圧v2が高くなる。
【0027】
【特許文献1】
特開平10−242831号公報(公開日:平成10年9月11日)
【0028】
【特許文献2】
特開2002−153050号公報(公開日:平成14年5月24日)
【0029】
【特許文献3】
特開2002−223564号公報(公開日:平成14年8月9日)
【0030】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術では、前記特開平10−242831号のような高速なカウンタ回路11が必要とならず、回路規模や消費電力が小さく、出力電圧の低電圧化に適した電圧変換回路を実現することができる。しかしながら、前記特開平10−242831号では、制御信号x1,x2は、パルス幅変調されるのに対して、これらの特開2002−153050号や特開2002−223564号では、上述のようにパルス周波数変調される。
【0031】
ここで、出力電圧のリップル電圧は、パルス周波数によって変化し、該パルス周波数の2乗に反比例する。したがって、遅延時間が長くなってパルス周期が長くなる程、該リップル電圧は大きくなる。すると、図24では図示していないけれども、前記遅延時間制御回路24が遅延時間を決定するにあたって参照するレプリカ回路の判定結果に誤りが生じる可能性があり、前記出力電圧v2を供給する内部回路の動作が不安定になるという問題がある。
【0032】
本発明の目的は、内部回路の動作を安定させつつ、出力電圧の低電圧化に適した回路規模や消費電力の小さい電圧変換回路ならびにそれを備える半導体集積回路装置および携帯端末を提供することである。
【0033】
【課題を解決するための手段】
本発明の電圧変換回路は、スイッチ回路が電源電圧をスイッチングし、その出力電圧を平滑化して出力するとともに、パルス信号生成回路が、所望とする出力電圧を得るためのスイッチパルス信号を生成し、前記スイッチ回路のトランジスタに与えるようにした電圧変換回路において、前記パルス信号生成回路は、一定周波数で、基準となる基準パルス信号を発生する基準パルス信号生成回路と、前記基準パルス信号を遅延する遅延回路と、前記遅延回路での遅延時間を設定する遅延時間制御回路と、前記遅延回路からの遅延パルス信号と前記基準パルス信号との遷移を検知し、前記遅延回路での遅延時間に応じた時間幅を有する前記スイッチパルス信号を生成し、前記トランジスタを駆動する駆動回路とを含むことを特徴とする。
【0034】
上記の構成によれば、集積回路内に形成される降圧コンバータなどとして実現される電圧変換回路において、スイッチ回路のトランジスタの制御端子に与えるスイッチパルス信号を作成するにあたって、そのパルス信号生成回路を、一定周波数で、基準となる基準パルス信号を発生する基準パルス信号生成回路と、前記基準パルス信号を遅延する遅延回路と、前記遅延回路での遅延時間を設定する遅延時間制御回路と、前記遅延回路からの遅延パルス信号と前記基準パルス信号との遷移を検知し、前記遅延回路での遅延時間に応じた時間幅を有する前記スイッチパルス信号を生成し、前記トランジスタに与える駆動回路とを備えて構成する。
【0035】
したがって、遅延回路の遅延時間を制御することによって、前記スイッチパルス信号のパルス幅を変化させることができ、こうしてパルス幅変調(デューティ制御)で出力電圧を制御することができ、出力電圧のリップル電圧を一定に抑制することができる。これによって、前記出力電圧を供給する内部回路の動作を安定させることができる。また、そのようなパルス幅変調制御を、シフトレジスタなどで構成される遅延回路や、論理回路などで構成される駆動回路で実現することができ、高速なカウンタ回路が必要とならず、回路規模や消費電力が小さく、出力電圧の低電圧化に適した電圧変換回路を実現することができる。
【0036】
また、本発明の電圧変換回路では、前記遅延回路は、前記基準パルス信号を予め定める時間分遅延する基本遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号を入力とし、その内部信号を取出すことができる1または複数の出力端子を有する追加遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号または前記追加遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択し、前記遅延パルス信号として出力する選択回路とを備え、前記遅延時間制御回路は、前記選択回路を選択制御ずることで、前記駆動回路に、前記所望とする出力電圧を得るための時間幅を有するスイッチパルス信号を生成させることを特徴とする。
【0037】
上記の構成によれば、基本遅延回路によって大きく遅延時間を調節し、追加遅延回路によって遅延時間を細かく調整することができるので、少ない選択チャネル数(選択データビット数)で、遅延時間、したがって出力電圧を大きく変化させることができるとともに、細かく調整することもできる。
【0038】
さらにまた、本発明の電圧変換回路では、前記遅延回路は、前記基準パルス信号を予め定める時間分遅延する基本遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号を入力とし、その内部信号を取出すことができる1または複数の出力端子を有する追加遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号または前記追加遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択する第1の選択回路と、前記第1の選択回路からの出力信号を任意時間遅延し、1または複数の出力端子を有する任意時間遅延回路と、前記第1の選択回路からの出力信号または前記任意時間遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択し、前記遅延パルス信号として出力する第2の選択回路とを備え、前記遅延時間制御回路は、前記第1および第2の選択回路を選択制御することで、前記駆動回路に、前記所望とする出力電圧を得るための時間幅を有するスイッチパルス信号を生成させることを特徴とする。
【0039】
上記の構成によれば、第1の選択回路の少ない選択チャネル数(選択データビット数)で、基本遅延回路によって大きく遅延時間を調節し、追加遅延回路によって遅延時間を細かく調整した上に、さらに第2の選択回路および任意時間遅延回路によって、遅延時間をより一層細かく調整することができる。したがって、高精度な出力電圧制御が可能となる。
【0040】
また、本発明の電圧変換回路は、前記駆動回路は、スイッチパルス生成回路と、スイッチタイミング制御回路と、昇圧レベルシフタと、起動信号生成回路と、起動制御回路とを備えるものであって、前記電源電圧よりも低い前記平滑化された出力電圧を、前記基準パルス信号生成回路、前記遅延回路、前記遅延時間制御回路、前記スイッチパルス生成回路および前記スイッチタイミング制御回路の電源電圧として印加するとともに、入力電源電圧で駆動される昇圧レベルシフタ、起動信号生成回路および起動制御回路によって、前記スイッチ回路は電源電圧を強制的にスイッチングし、前記基準パルス信号生成回路、遅延回路、遅延時間制御回路、スイッチパルス生成回路およびスイッチタイミング制御回路への電源電圧を立ち上げることを特徴とする。
【0041】
上記の構成によれば、降圧コンバータとして用いられる電圧変換回路において、昇圧レベルシフタを設けて、スイッチ回路のトランジスタを駆動する等で高電圧が必要となる部分以外の、主にロジック回路で構成される基準パルス信号生成回路、遅延回路、遅延時間制御回路および駆動回路の電源電圧には、平滑化された出力電圧を与え、これによって電圧変換回路自体の消費電力を削減する。
【0042】
一方、該電圧変換回路の出力電圧を電源とすると、長時間動作を停止した後は起動しなくなるので、起動信号生成回路と起動制御回路とをさらに設け.入力電源電圧で駆動されるこれらの回路によって、起動時には、前記スイッチ回路を強制的にスイッチングさせ、前記基準パルス信号生成回路、遅延回路、遅延時間制御回路および駆動回路への電源電圧を立ち上げる。こうして、起動不良を招くことなく、電圧変換回路自体の消費電力を削減することができる。
【0043】
さらにまた、本発明の電圧変換回路では、前記遅延回路、前記基本遅延回路、前記追加遅延回路および前記任意時間遅延回路は、単位時間の遅延を行う単位時間遅延素子を1個以上直列に接続して成ることを特徴とする。
【0044】
上記の構成によれば、遅延回路の構成が簡単になるとともに、設計の変更も容易になる。
【0045】
また、本発明の電圧変換回路では、前記単位時間遅延素子は、フリップフロップ回路であることを特徴とする。
【0046】
上記の構成によれば、遅延時間の設定が容易になり、前記遅延回路の設計が容易になる。
【0047】
さらにまた、本発明の電圧変換回路では、前記駆動回路は、スイッチパルス生成回路と、バッファ回路から成るスイッチ制御回路とを備えて構成され、前記スイッチパルス生成回路が、フリップフロップ回路で構成されていることを特徴とする。
【0048】
上記の構成によれば、前記駆動回路を構成するスイッチパルス生成回路の回路構成を簡単にすることができる。
【0049】
また、本発明の電圧変換回路では、前記スイッチ回路は、P型トランジスタおよびN型トランジスタの直列回路が一対の電源ライン間に直列に接続されて成り、前記駆動回路は、任意の遅延時間を有し、相互に直列に接続される2つの遅延回路と、1段目の遅延回路の出力を論理否定するインバータ回路と、入力信号と2段目の遅延回路の出力信号との論理和の否定演算を行う論理和の否定回路とを有し、前記インバータ回路の出力を第1の制御信号として前記スイッチ回路のP型トランジスタの制御端子に出力し、前記論理和の否定回路の出力を第2の制御信号として前記スイッチ回路のN型トランジスタの制御端子に出力するスイッチパルス生成回路を備えていることを特徴とする。
【0050】
上記の構成によれば、P型トランジスタおよびN型トランジスタの直列回路が一対の電源ライン間に直列に接続されて成るスイッチ回路を制御するにあたって、入力信号に応答して、N型トランジスタがオンからオフに切換わった後、1段目の遅延回路の遅延時間だけ遅れてP型トランジスタがオフからオンに切換わり、P型トランジスタがオンからオフに切換わった後、2段目の遅延回路の遅延時間だけ遅れてN型トランジスタがオフからオンに切換わる。
【0051】
したがって、前記2つの遅延時間は、2つのトランジスタが同時にオンすることが無いデッドタイムとなり、前記スイッチ回路の貫通電流を抑えることができ、電圧変換回路自体の低消費電力化を図ることができる。
【0052】
さらにまた、本発明の電圧変換回路では、前記遅延時間制御回路は、前記出力電圧を電源電圧として供給される内部回路の動作速度を、外部から供給されるクロック信号に同期して検出するレプリカ回路と、前記レプリカ回路から出力される動作速度を示す信号を入力信号とし、検出された動作速度に応じて、前記遅延回路の複数の出力端子のうち1つの出力端子を選択するための選択信号を出力する選択信号生成回路とを備えていることを特徴とする。
【0053】
上記の構成によれば、集積回路を構成する内部回路の動作状況をレプリカ回路で検知して、該内部回路の動作に必要最低限の駆動電圧を供給できるので、集積回路の低消費電力化に貢献することができる。
【0054】
また、本発明の電圧変換回路では、前記レプリカ回路は、動作状態を検出するためのパルスを発生する動作状態検出パルス生成回路と、前記動作状態検出パルス生成回路からの入力パルスに対して、前記内部回路の中で、信号の遅延が最も大きいと考えられるパス回路と同等の遅延を行うとともに、複数に分割されるクリティカルパス回路と、前記クリティカルパス回路の各部分から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスに応答してラッチし、その出力信号を動作状態信号として前記選択信号生成回路に送出するラッチ回路とを備えて構成されることを特徴とする。
【0055】
上記の構成によれば、たとえばクリティカルパス回路が2つに分割され、ラッチ回路のラッチタイミングが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期と1周期とに設定される場合、クリティカルパス回路全体の出力パルスが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期以内に追従している場合、前記内部回路の動作周波数が高過ぎる、すなわち前記出力電圧が高過ぎると判定することができ、またクリティカルパス回路の前半の出力パルスでも、前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの1周期以内に追従していない場合、前記内部回路の動作周波数が低過ぎる、すなわち前記出力電圧が低過ぎると判定することができ、クリティカルパス回路の前半の出力パルスが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期以内に追従しており、かつ後半の出力パルスが前記半周期以内に追従しておらず、1周期以内で追従している場合、前記内部回路の動作周波数が最適、すなわち前記出力電圧が最適と判定することができ、クリティカルパス回路の前半の出力パルスが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期以内に追従しておらず、かつ後半の出力パルスは1周期以内で追従している場合、前記内部回路は、現状では動作可能であるものの、僅かな環境変化で動作不能になる、すなわち出力電圧がもう少し高い方が好ましいと判定することができる。
【0056】
そして、ラッチ回路の出力で、前記内部回路の動作周波数が高過ぎる、すなわち出力電圧が高過ぎる場合は前記遅延時間を短くし、動作周波数が低過ぎる、すなわち出力電圧が低過ぎる場合は前記遅延時間を長くし、動作周波数が最適、すなわち前記出力電圧が最適である場合は前記遅延時間を維持し、動作可能であるものの、動作周波数が少し低い、すなわち出力電圧がもう少し高い方が好ましい場合は前記遅延時間を長くすることで、前記出力電圧を最適に制御することができる。
【0057】
このようにクリティカルパス回路の分割数と、ラッチ回路のラッチタイミング数との設定によって、種々の動作状態を検出し、最適な制御を行うことができる。前記のようにクリティカルパス回路の動作状態を4つに分類した場合、前記内部回路の動作状態をきめ細かく検知することが可能となり、いかなるプロセスばらつきや環境変化にも適切に対応でき、最適な出力電圧の供給を行うことで集積回路全体の低消費電力化に貢献することができる。
【0058】
さらにまた、本発明の電圧変換回路では、前記クリティカルパス回路は2つに分割され、前記ラッチ回路は、前半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期後にラッチする第1のラッチ回路と、 後半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期後にラッチする第2のラッチ回路と、前記後半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの1周期後にラッチする第3のラッチ回路とを備えて構成されることを特徴とする。
【0059】
上記の構成によれば、3つのラッチ回路からの8種類の組合わせの出力から、上述の4つの動作状態以外を、前記クリティカルパス回路自体が適切に動作していない状態であると判定することができ、前記内部回路をより安定して動作させることが可能となる。また、前記レプリカ回路の故障等を早期に発見できるので、迅速な善後処置を施すことが可能となる。
【0060】
また、本発明の電圧変換回路では、前記選択信号生成回路は、前記レプリカ回路が検出した動作速度の履歴を表すフラグ信号を生成するフラグ信号生成回路を有し、前記レプリカ回路の出力信号から要求される遅延時間の増減動作と、前記レプリカ回路の出力信号および前記フラグ信号から要求される遅延時間の増減動作とのうち、いずれかを選択し、前記遅延回路の出力端子の選択を行うことを特徴とする。
【0061】
上記の構成によれば、前記レプリカ回路の動作状態の履歴を表すフラグ信号を導入することで、出力電圧の制御機能を高めることができる。たとえば、前記レプリカ回路の動作周波数が高過ぎる場合や低過ぎる場合は、前記フラグ信号の値に拘わらず、前記レプリカ回路の出力信号から要求される遅延時間の増減動作を行うことで、目標とする動作周波数(出力電圧)に速やかに変化させることができる。一方、目標とする動作周波数付近では前記フラグ信号を参照し、たとえばレプリカ回路の出力信号から遅延時間を維持することが要求されるとき、遅延時間を増大させてきた場合には、その遅延時間が内部回路に要求される最低限の電圧に対応しており、その遅延時間を維持するのに対して、遅延時間を減少させてきた場合には、さらに減少させて、前記最低限の電圧に低下させることが可能である場合もあり、前記レプリカ回路の出力信号から要求される遅延時間の維持動作とは異なり、減少動作をさらに継続させる。
【0062】
このようにして、出力電圧を、内部回路が安定動作する最小電圧に維持することが可能となり、消費電力を最小に抑制することができる。
【0063】
さらにまた、本発明の半導体集積回路装置は、前記の電圧変換回路を備えていることを特徴とする。
【0064】
上記の構成によれば、近年、前記半導体集積回路装置を構成する内部回路の消費電力低減に伴って、集積回路全体の消費電力に占める降圧回路の消費電力比率が相対的に増大しており、上記構成から成る電圧変換回路を、外部電源電圧から半導体集積回路装置の駆動電圧を生成する前記降圧回路として用いることで、該降圧回路自体の消費電力を低減でき、前記内部回路の低消費電力性を損なうことなく、前記半導体集積回路装置全体の低消費電力化に貢献することができる。
【0065】
また、本発明の携帯端末は、前記の半導体集積回路装置を備えていることを特徴とする。
【0066】
上記の構成によれば、近年、前記携帯端末の駆動時間の長時間化の要求は高まるばかりであり、上記構成から成る電圧変換回路を搭載した半導体集積回路装置を信号処理LSI等として携帯端末に用いることで、該携帯端末全体の低消費電力化に貢献することができる。
【0067】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の第1の形態について、図1〜図5に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【0068】
図1は、本発明の実施の第1の形態の電圧変換回路31の電気的構成を示すブロック図である。この電圧変換回路31は、携帯端末等に搭載される半導体集積回路装置内に形成され、外部から供給される電源電圧VDDを、内部回路の電源電圧V2に降圧して出力する降圧回路である。この電圧変換回路31は、大略的に、パルス信号生成回路32と、スイッチ回路33と、フィルタ回路34とを備えて構成される。
【0069】
前記パルス信号生成回路32は、後述するように、所望とするデューティ比の制御信号X1,X2を生成する回路であり、その制御信号X1,X2はスイッチ回路33に与えられる。前記スイッチ回路33は、従来のスイッチ回路4と同様に、PMOSトランジスタMPおよびNMOSトランジスタMNの直列回路が一対の電源ライン間に直列に接続されて構成され、前記パルス信号生成回路32からの制御信号X1,X2に応答して、前記MOSトランジスタMP,MNが相反動作を行い、前記電源電圧VDDをスイッチングした電圧信号V1をフィルタ回路34へ出力する。前記PMOSトランジスタMPのソース端子は外部電源VDDに、NMOSトランジスタMNのソース端子は接地GNDにそれぞれ接続され、これらのトランジスタMP,MNのゲート端子にはそれぞれ前記パルス信号生成回路32からの制御信号X1,X2が入力され、ドレイン端子は出力端子となり、パルス状の前記電圧信号V1を出力する。
【0070】
前記電圧信号V1は、フィルタ回路34のインダクタLの一方の端子に与えられ、このインダクタLの他方の端子は出力端子となって出力電圧V2を出力し、内部の各回路に供給されるとともに、接地GNDとの間にキャパシタCが介在されている。したがって、前記PMOSトランジスタMPがオンすると、NMOSトランジスタMNはオフし、外部電源VDDからの電圧が出力端子に出力されるとともに、インダクタLに磁気エネルギが蓄積され、前記PMOSトランジスタMPがオフすると、NMOSトランジスタMNはオンし、インダクタLに蓄積されていた磁気エネルギが該NMOSトランジスタMNを介して出力される。キャパシタCは、前記出力電圧V2を平滑化する。
【0071】
こうして、前記パルス信号生成回路32からの制御信号X1,X2が入力されると、PMOSトランジスタMPおよびNMOSトランジスタMNは、交互にオンオフ動作を行い、その出力の電圧信号V1を該フィルタ回路34で平滑化して、所望の内部電源電圧V2を得ることができ、該フィルタ回路34は低域通過フィルタ(以下、LPF)として機能する。ここでは、LPFとしてLC回路を用いているが、勿論、RC回路等どのような構成でも構わない。
【0072】
注目すべきは、この電圧変換回路31は、基準パルス信号生成回路41と、遅延回路42と、遅延時間制御回路43と、駆動回路44とを備えて構成されることである。前記駆動回路44は、スイッチパルス生成回路45と、スイッチ制御回路46とを備えて構成される。前記基準パルス信号生成回路41で生成され、予め定める周波数(周期)で出力され、パルス周期よりも充分短い予め定める単位時間の基準パルス信号V3は、遅延回路42に与えられ、遅延時間制御回路43で設定された遅延時間だけ遅延された遅延パルス信号V4が作成される。
【0073】
前記遅延パルス信号V4および基準パルス信号V3は、前記駆動回路44のスイッチパルス生成回路45に与えられ、該スイッチパルス生成回路45は、それらのパルス信号V3,V4の遷移を検知し、前記基準パルス信号V3のアクティブタイミングでアクティブとなり、前記遅延パルス信号V4のアクティブタイミングで非アクティブとなるスイッチパルスV5が生成される。したがって、前記スイッチパルスV5は、一定周波数で、前記遅延時間制御回路43で設定された遅延時間だけアクティブとなるパルス幅変調された信号となる。
【0074】
前記スイッチパルスV5は、スイッチ制御回路46に与えられ、図1の構成では、前記制御信号X1,X2をLレベルとして、該スイッチパルスV5のアクティブの期間だけ、スイッチ回路33に前記電源電圧VDDを出力させ、残余の非アクティブの期間は、前記制御信号X1,X2をHレベルとして、GND電位を出力させる。
【0075】
図2は、前記遅延回路42の一構成例を示すブロック図である。この遅延回路42は、基本遅延回路47と、追加遅延回路48と、選択回路49とを備えて構成される。
【0076】
前記基本遅延回路47は、任意のM段のフリップフロップなどから成り、入力された前記基準パルス信号V3に対して、単位時間のM倍の遅延を行う回路である。前記追加遅延回路48は、同様に任意のN段のフリップフロップなどから成り、基本遅延回路47の出力信号を入力とし、その入力信号に対して単位時間のN倍の遅延を行う一方、1単位時間からN単位時間までの単位時間の任意の整数倍の遅延時間の出力を取出す端子を備えている回路である。図2では、単位時間分遅延させる回路の具体例として、簡便な構成の前記フリップフロップを用いているけれども、勿論、フリップフロップの種類は問わないし、その他の構成による遅延回路でも構わない。
【0077】
前記選択回路49は、遅延時間制御回路43から与えられた選択信号に応答して、この図2の構成では、基本遅延回路47の出力端子と追加遅延回路48の各出力端子とから引出された複数の遅延信号のうち、1つの遅延信号を選択し、前記遅延パルス信号V4として出力する回路である。前記遅延時間制御回路43は、クリティカルパス回路のレプリカ回路の判定結果や出力電圧V2などに応じて、前記遅延回路42の遅延時間を制御する信号を生成する回路であり、前記遅延パルス信号V4の遅延時間、すなわちスイッチパルスV5のアクティブ期間を設定する。
【0078】
前記基準パルス信号生成回路41は、内部クロック信号ICLKを用い、一定期間毎にパルス幅が前記内部クロック信号ICLKの1クロック相当となる基準パルス信号V3を生成する。この基準パルス信号生成回路41には、前記一定期間毎に、パルス幅が前記内部クロック信号ICLKの1クロック相当のパルス信号が生成可能であれば、どのような回路構成が用いられてもよく、たとえば前記内部クロック信号ICLKをカウントする低速のカウンタ回路を用い、該カウンタ回路がカウントアップし、カウンタの全ビットが“H”となっている1クロック周期だけパルスを出力し、前記全ビットが“H”となった後は、リセットして、再びカウント動作を行うような回路などでもよい。
【0079】
選択回路49は、基本遅延回路47の最終段のフリップフロップの出力であるD0と、追加遅延回路48の各段のフリップフロップの出力D1〜D3とから、遅延時間制御回路43から受取った制御信号に対応した出力を選択する。前記内部クロック信号ICLKは、これらの基本遅延回路47および追加遅延回路48を構成するシフトレジスタを駆動するクロック信号でもあるが、集積回路の外部から与えられたもの、外部クロック信号を分周することによって得たもの、または集積回路の内部の発振回路で生成されたもの等、どのような手段で生成されたものでも構わない。
【0080】
図3は、前記スイッチパルス生成回路45の具体的な一構成例を示すブロック図である。前述したように、スイッチパルス生成回路45は、入力された前記遅延パルス信号V4と前記基準パルス信号V3との遷移を検知し、遅延回路42における遅延時間相当の時間幅を持つスイッチパルスV5を生成する回路であり、SRラッチを用いることで実現することができる。この図3に示す通り、SRラッチは、2つのインバータINV1,INV2と、2つのNANDゲートG1,G2とで構成され、回路構成が簡単であるので、実現が容易である。勿論、SRラッチ以外のラッチ回路を用いてもよい。
【0081】
図4は、前記スイッチ制御回路46の具体的な一構成例を示すブロック図である。スイッチ制御回路46は、スイッチパルス生成回路45で生成されたスイッチパルスV5に、前記PMOSトランジスタMPおよびNMOSトランジスタMNのゲート端子を駆動するのに充分な駆動力を与えるための、バッファ回路BUF1、BUF2を備えて構成されている。
【0082】
図5は、上述のように構成される電圧変換回路31における遅延回路42およびスイッチパルス生成回路45の動作を説明するための波形図である。前記図2で示すように、基本遅延回路47の遅延段数M=6、追加遅延回路48の遅延段数N=3として、以下説明する。したがって、基本遅延回路47および追加遅延回路48は、それぞれフリップフロップを6つおよび3つ直列に接続したシフトレジスタ構成を採る。また、基本遅延回路47の最終段のフリップフロップの出力をD0とし、追加遅延回路48を構成する3つのフリップフロップの各出力を、それぞれ入力側からD1、D2、D3とする。
【0083】
ここで、前記基準パルス信号生成回路41からの基準パルス信号V3が、内部クロック信号ICLKの32周期毎にパルスが出力される信号であるとする。したがって、遅延パルス信号V4は、前記基準パルス信号V3を、図5において実線で示すように、基本遅延回路47でM単位時間(ここでは6単位時間)遅延された後、図5において破線で示すように、追加遅延回路48でN単位時間(ここでは0〜3単位時間)遅延されたパルス信号となる。すなわち、遅延時間制御回路43の制御信号によって、パルスの遅延時間は、M〜(M+N)単位時間の間で変化させることができ、図2の構成では、6〜9単位時間となる。
【0084】
スイッチパルス生成回路45は、基準パルス信号V3の立ち上がりエッジで“H”となり、遅延パルス信号V4の立ち上がりエッジで“L”となるよう構成されており、ここで生成されたスイッチパルスV5は、遅延パルス信号V4の遅延時間に相当するパルス幅Pwを有するパルス信号となる。すなわち、パルスがM+N単位時間遅延されるとすると、パルス幅はM+Nとなる。ここで、パルス周期Tは32であるので、デューティ比は(M+N)/32となり、内部電源電圧V2は、
V2=((M+N)/32)*VDD
となる。
【0085】
たとえば図5の場合、電源電圧VDDが2Vであるとすると、Nが0の場合、デューティ比は6/32となるので、内部電源電圧V2は375mVとなる。Nが1の場合、デューティ比は7/32となり、内部電源電圧V2は437.5mVとなる。Nが2の場合、デューティ比は8/32となり、内部電源電圧V2は500mVとなる。Nが3の場合、デューティ比は9/32となり、内部電源電圧V2は562.5mVとなる。つまり、この場合の遅延回路42の出力端子の選択による内部電源電圧V2の可変幅は、187.5mVとなる。
【0086】
以上のように、本発明によるこの電圧変換回路31は、前記選択回路49の選択チャネル数に選択可能な出力電圧V2の数が制限されるけれども、図23の従来技術における高速なカウンタ11などの制御回路を用いることなく、内部電源電圧V2の制御を行うことが可能である。これによって、従来に比べて電圧変換回路の回路規模の縮小や動作周波数、したがって該電圧変換回路31の消費電力の低減を図ることができるので、出力電圧V2の低電圧化に適した回路規模や消費電力の小さい電圧変換回路を実現することができる。
【0087】
また、パルス周期T、すなわちパルス周波数は一定であり、パルス幅(デューティ比)が変化するパルス幅変調方式であるので、出力電圧V2のリップル電圧は常に一定であり、図1および図2では図示していないけれども、前記遅延時間制御回路42が遅延時間を決定するにあたって参照するレプリカ回路の判定結果に誤りは生じず、前記出力電圧V2を供給する内部回路の動作を安定にすることができる。
【0088】
さらにまた、前記遅延回路42を、基本遅延回路47と追加遅延回路48とで構成し、前記基本遅延回路47によって大きく遅延時間を調節し、追加遅延回路48によって遅延時間を細かく調整することで、選択回路49は、少ない選択チャネル数で、遅延時間、したがって出力電圧V2を大きく変化させることができるとともに、細かく調整することもできる。
【0089】
本発明の実施の第2の形態について、図6〜図16に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【0090】
図6は、本発明の実施の第2の形態の電圧変換回路51の電気的構成を示すブロック図である。この電圧変換回路51は、前述の図1で示す電圧変換回路31に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。注目すべきは、この電圧変換回路51では、パルス信号生成回路52の遅延回路62での遅延時間の調整単位が小さくなっていることである。このパルス信号生成回路52は、前記基準パルス信号生成回路41と、前記遅延回路62と、遅延時間制御回路63と、前記スイッチパルス生成回路45と、前記スイッチ制御回路46とを備えて構成されている。
【0091】
前記遅延回路62は、前記基本遅延回路47と、前記追加遅延回路48と、選択回路64とを備えて構成される。基本遅延回路47は、前述のように、入力された基準パルス信号V3を遅延して、単位時間のM倍の遅延を行う回路である。追加遅延回路48も、前述のように、基本遅延回路47の出力信号を入力とし、その入力信号に対して単位時間のN倍の遅延を行う一方、1単位時間からN単位時間までの単位時間の任意の整数倍の遅延時間の出力を取出す端子を複数備えている回路である。
【0092】
一方、選択回路64は、第1の選択回路である前記選択回路49と、第2の選択回路である選択回路65と、任意時間遅延回路66とを備えて構成されている。前記選択回路49は、遅延時間制御回路63から与えられた第1の選択信号に応答し、前述のように、基本遅延回路47の最終段のフリップフロップの出力端子と追加遅延回路48の各段のフリップフロップの出力端子とから引出された複数の遅延信号のうち、1つの遅延信号を選択し、出力する回路である。
【0093】
これに対して、第2の選択回路65は、遅延時間制御回路63から与えられた第2の選択信号に応答し、第1の選択回路49の出力信号と任意時間遅延回路66の出力信号のうち、1つの信号を選択し、出力する回路である。任意時間遅延回路66は、第1の選択回路64の出力信号を入力とし、外部からの制御信号によって設定された、もしくは内部で予め設定された遅延を行い、遅延出力を取出す端子を複数備えている回路である。遅延時間制御回路63は、遅延回路62の遅延時間を制御する信号を生成する回路であり、後述するようなクリティカルパス回路のレプリカ回路の判定結果や、出力電圧V2などに応じて、内部回路が安定に動作するための遅延パルス信号V4の遅延時間、すなわちスイッチパルスV5のアクティブ期間を設定する。
【0094】
図7は、前記遅延回路62の具体的な一構成例を示すブロック図である。図2に対応する部分には、同一の参照符号を付して示す。注目すべきは、選択回路64において、前記第1の選択回路49からの出力信号は、第2の選択回路65a,65bを順次介して前記スイッチパルス生成回路45に与えられるようになっており、各選択回路65a,65bにおいて、前記任意時間遅延回路66としてのネガティブエッジトリガのフリップフロップ66aと、フリップフロップ66bとを経由するか否かが選択されることである。なお、ここでは、前記任意時間遅延回路66として、簡易な構成であるフリップフロップを用いているけれども、勿論、フリップフロップの種類は問わないし、その他の構成による遅延回路でも構わない。
【0095】
前記第1の選択回路49は、前記遅延時間制御回路66からの第1の選択信号S0,S1に応答して、基本遅延回路47および追加遅延回路48の出力D0,D1,D2,D3のいずれか1つを選択して、1段目の第2の選択回路65aおよびフリップフロップ66aに入力する。フリップフロップ66aは、第1の選択回路49からの出力信号に対して、内部クロック信号ICLKの半周期分の遅延動作を行う。そして、第2の選択回路65aが、第1の選択回路49からの直接の出力信号と、前記フリップフロップ66aで半周期遅延した出力信号とのいずれかを、前記遅延時間制御回路66からの第2の選択信号SHに応答して選択する。
【0096】
同様に、フリップフロップ66bは、第2の選択回路65aからの出力信号を、内部クロックICLK2でラッチする。この内部クロックICLK2は、前記内部クロックICLKの2倍の周波数を有しており、したがって該フリップフロップ66bは、第2の選択回路65aからの出力信号に対して、内部クロック信号ICLKの1/4周期分の遅延動作を行うことになる。2段目の第2の選択回路65bは、第2の選択回路65aの出力信号と、その出力信号をフリップフロップ66bで1/4周期遅延した出力信号とのいずれかを、前記遅延時間制御回路66からの第2の選択信号SQに応答して選択する。
【0097】
したがって、前記遅延時間制御回路63は、出力D0,D1,D2,D3のいずれかを選択する第1の選択信号S0,S1と、選択回路64において、半周期遅延した信号を選択する第2の選択信号SHと、1/4周期遅延した信号を選択する第2の選択信号SQとを出力する。遅延回路62からの前記遅延パルス信号V4として、出力D0,D1,D2,D3のいずれかを、たとえばそのまま選択したい場合は第2の選択信号SH,SQを共に”L”とすればよく、半周期遅延したい場合は第2の選択信号SHのみを”H”とし、1/4周期遅延したい場合は第2の選択信号SQのみを”H”とし、3/4周期遅延したい場合は第2の選択信号SH,SQを共に”H”とすればよい。
【0098】
このようにして、この電圧変換回路51では、前記電圧変換回路31に比べて、内部電源電圧V2の可変精度は4倍となる。すなわち、遅延パルス信号V4の遅延の可変幅が、内部クロックICLKの1周期毎であったものが、1/4周期毎に細分化されたためである。こうして、フリップフロップ66a,66bおよび第2の選択回路65a,65bを付加するという僅かな回路変更によって、出力電圧V2の可変精度の大幅な向上を図ることができる。
【0099】
図8は、前記遅延時間制御回路63の具体的な一構成例を示すブロック図である。この遅延時間制御回路63は、大略的に、レプリカ回路71と、選択信号生成回路72とを備えて構成されている。
【0100】
前記レプリカ回路71は、動作状態検出パルス生成回路73と、クリティカルパス回路74と、ラッチ回路75とを備えて構成されている。レプリカ回路71は、大略的に、動作状態検出パルス生成回路73で生成したパルス信号をクリティカルパス回路74に入力し、それに応答して該クリティカルパス回路74から出力されたパルス信号をラッチ回路75でラッチし、その出力信号を動作状態信号として選択信号生成回路72に送出するものである。
【0101】
前記動作状態検出パルス生成回路73は、後述するクリティカルパス回路74に入力するパルス信号を生成する回路であり、内部回路を駆動する所望の動作クロック信号からパルス信号を生成する。
【0102】
前記クリティカルパス回路74は、内部回路のクリティカルパス、すなわち信号の遅延が最も大きいと考えられるパス回路と同等の遅延を行う回路であり、プロセスばらつきや動作環境変化に対応するために、内部回路と同一のプロセス技術を用いて作成される。そのため、該クリティカルパス回路74の電源電圧としては、フィルタ回路34の出力電圧V2が印加される。つまり、該クリティカルパス回路74は、内部回路の電源電圧V2をモニタするものであり、その出力信号は、内部回路の動作状態を示すものである。なお、このクリティカルパス回路74として用いる回路は、インバータ回路を複数個直列接続した、所謂、インバータチェーンが好適であるが、インバータ回路の代わりにNAND回路やNOR回路を用いても構わない。
【0103】
図9は、前記レプリカ回路71の具体的な一構成例を示すブロック図である。一般にレプリカ回路では、クリティカルパス回路が所望の時間、すなわち動作周波数の1周期間内に、パルス信号を出力できるかどうかをモニタし、パルス信号が検出できれば「動作可能」(以下”OK”)を示す信号を出力し、検出できなければ「動作不可」(以下”NG”)を示す信号を出力する。
【0104】
本発明では、より最適な制御を目指すために、クリティカルパス回路74の動作速度が速すぎる状態である「速度超過」(以下”Fast”)と、僅かな環境変化で動作時に”NG”が出力される可能性があると判断される状態である「危険」(以下”Warn”)の検出を追加し、”OK”、”NG”、”Fast”、”Warn”の4状態を検出することとした。
【0105】
上記の4つの動作状態の検出を行うために、遅延時間を1としたクリティカルパス回路74を、前半クリティカルパス回路74aと、後半クリティカルパス回路74bとの2つに分割し、それぞれの遅延時間を0.5+αと0.5−αとする。つまり、前半クリティカルパス回路74aの遅延時間を後半クリティカルパス回路74bの遅延時間よりも若干長くするように分割する。そして、レプリカ回路71は、遅延回路62の遅延パルス信号V4を選択する直前の動作状態を検出すればよい。すなわち、現在の前記電源電圧V2に対応した内部回路の動作状態を検出し、次回に選択回路64において遅延パルス信号V4として選択する出力を決定する。
【0106】
図10は、前記動作状態検出パルス生成回路73の信号波形図である。前記動作状態検出パルス生成回路73は、フリップフロップ73a,73b,73cと、ANDゲート73d,73eとを備えて構成される。先ず、入力信号RepEnbを、内部回路の動作クロック信号である外部からの動作クロック信号ECLKで駆動されるフリップフロップに73aに入力する。フリップフロップ73aの出力信号RPLは、前記クリティカルパス回路74に入力される一方、前記動作クロック信号ECLKで駆動されるネガティブエッジトリガフリップフロップ73bと、ポジティブエッジトリガフリップフロップ73cとにそれぞれ入力される。
【0107】
したがって、前記ネガティブエッジトリガフリップフロップ73bの出力N1は、信号RPLに対して動作クロック信号ECLKの半周期分遅延して反転した信号となり、ポジティブエッジトリガフリップフロップ73cの出力N2は、信号RPLに対して動作クロック信号ECLKの1周期分遅延して反転した信号となる。これによって、ANDゲート73dからの信号N1と信号RPLとの論理積信号は、内部回路の動作クロック信号ECLKの半周期分のパルス幅を有するパルス信号EV1となる。また、ANDゲート73eからの信号N2と信号RPLとの論理積信号は、内部回路の動作クロック信号ECLKの1周期分に相当するパルス幅を有するパルス信号EV2となる。これらのパルス信号EV1とパルス信号EV2とは、後述するように、それぞれ前半クリティカルパス回路74aおよび後半クリティカルパス回路74bの出力信号RAおよびRBをラッチする信号としてそれぞれ用いられる。
【0108】
最終的に、レプリカ回路74は、ラッチ回路75aで、前半クリティカルパス回路74aからの信号RAを前記パルス信号EV1のネガティブエッジでラッチした信号LAと、ラッチ回路75bで、後半クリティカルパス回路74bからの信号RBを前記パルス信号EV1のネガティブエッジでラッチした信号LBと、ラッチ回路75cで、前記信号RBを前記パルス信号EV2のネガティブエッジでラッチした信号LCとを、前記選択信号生成回路72へ出力する。
【0109】
図11は、レプリカ回路71における各動作状態の判定方法を示す信号波形図である。図11(a)で示す前記各信号RPL,EV1,EV2に応答して、先ず”Fast”と判定される場合は、図11(b)で示すように、前半クリティカルパス回路74aの出力信号RAがパルス信号EV1の立下りエッジによって、ラッチ回路75aで”H”レベルにラッチされる。また、後半クリティカルパス回路74bの出力信号RBがパルス信号EV1の立下りエッジによって、ラッチ回路75bで”H”レベルにラッチされる。さらに、信号RBもパルス信号EV2の立下りエッジによって、ラッチ回路75cで”H”レベルにラッチされる。
【0110】
したがって、この状態は、クリティカルパス回路74の遅延時間が動作クロック信号ECLKの半周期分未満であり、充分過ぎるほど高速に動作していると判断できる。そこで、この状態を”Fast”と判断する。この時、レプリカ回路71からの出力LA,LB,LCは、総て”H”となる。
【0111】
次に、”OK”と判定される場合は、図11(c)で示すように、前半クリティカルパス回路74aの出力信号RAがパルス信号EV1の立下りエッジによって、ラッチ回路75aで”H”レベルにラッチされる。また、後半クリティカルパス回路74bの出力信号RBがパルス信号EV1の立下りエッジによって、ラッチ回路75bで”L”レベルにラッチされる。さらに、信号RBがパルス信号EV2の立下りエッジによって、ラッチ回路73cで”H”レベルにラッチされる。
【0112】
したがって、この状態は、前半クリティカルパス回路74aが、動作クロック信号ECLKの半周期分以内の遅延時間で動作し、またクリティカルパス回路74全体も、動作クロック信号ECLKの半周期分より長く、1周期分よりも短い遅延時間で動作していることを示している。そこで、この状態を”OK”と判断する。この時、レプリカ回路71からの出力LA,LB,LCは、それぞれ”H”,”L”,”H”となる。
【0113】
続いて、”Warn”と判定される場合は、図11(d)で示すように、前半クリティカルパス回路74aの出力信号RAがパルス信号EV1の立下りエッジによって、ラッチ回路75aで”L”レベルにラッチされる。また、後半クリティカルパス回路74bの出力信号RBがパルス信号EV1の立下りエッジによって、ラッチ回路75bで”L”レベルにラッチされる。さらに、信号RBがパルス信号EV2の立下りエッジによって、ラッチ回路75cで”H”レベルにラッチされる。
【0114】
したがって、この状態は、前半クリティカルパス回路74aの遅延時間が動作クロック信号ECLKの半周期分以内には収まらないが、クリティカルパス回路74全体は、動作クロック信号ECLKの1周期分よりも短い遅延時間で動作していることを示している。このため、動作マージンに余裕が無い状態であり、僅かな環境変化等によって動作しなくなる可能性が高いので、この状態を”Warn”と判断する。この時、レプリカ回路71からの出力LA,LB,LCは、それぞれ”L”,”L”,”H”となる。
【0115】
最後に、”NG”と判定される場合は、図11(e)で示すように、前半クリティカルパス回路74aの出力信号RAがパルス信号EV1の立下りエッジによって、ラッチ回路75aで”L”レベルにラッチされる。また、後半クリティカルパス回路74bの出力信号RBがパルス信号EV2の立下りエッジによって、ラッチ回路75bで”L”レベルにラッチされる。さらに、信号RBもパルス信号EV2の立下りエッジによって、ラッチ回路75cで”L”レベルにラッチされる。
【0116】
したがって、この状態は、クリティカルパス回路74の遅延時間が動作クロック信号ECLKの1周期分を超えていることを示し、内部回路が動作しない可能性が極めて高いので、この状態を”NG”と判断する。この時、レプリカ回路71からの出力LA,LB,LCは、総て”L”となる。
【0117】
以上のように、レプリカ回路71の出力LA,LB,LCの組合せによって、クリティカルパス回路74の動作状態を4つに分類した場合、内部回路の動作状態をきめ細かく検知することが可能となり、いかなるプロセスばらつきや環境変化にも適切に対応でき、最適な出力電圧の供給を行うことで集積回路全体の低消費電力化に貢献することができる。
【0118】
一方、前記レプリカ回路71の出力LA,LB,LCの組合せは、図12で示す表にまとめられる。この時、上記に示されていない出力LA,LB,LCの組合せ、たとえば、”L”,”H”,”L”などは、クリティカルパス回路74自体が適切に動作していない可能性が極めて高いので、”NG”と判断することにしている(「動作しているが、間に合っていない」という上記例と区別するために、図中では”(NG)”と表記している)。これによって、前記内部回路をより安定して動作させることが可能となる。また、前記レプリカ回路71の故障等を早期に発見できるので、迅速な善後処置を施すことが可能となる。
【0119】
そして、前記選択信号生成回路72では、前記レプリカ回路71の出力LA,LB,LCに基づき、前記遅延回路62の出力を選択する選択信号を生成する。たとえば、信号LA,LB,LCが動作状態”Fast”を示す場合、内部電源電圧を1段下げる、すなわち遅延時間を1段短くするような選択信号を生成する。また、信号LA,LB,LCが動作状態”OK”を示す場合は、内部電源電圧を維持する、すなわち遅延時間を維持するような選択信号を生成する。また、信号LA,LB,LCが動作状態”Warn”および”NG”を示す場合は、内部電源電圧を1段上げる、すなわち遅延時間を1段長くするような選択信号を生成する。
【0120】
ところで、内部電源電圧の可変幅が大きい場合、内部電源電圧の1段の上げ下げだけで、”OK”または”Warn”の範囲を飛び越えてしまう可能性がある。一方、内部電源電圧の可変幅が充分小さい場合、”OK”または”Warn”の範囲内に内部電源電圧値が複数存在する可能性がある。この時、回路全体を安定動作させつつ消費電力を最小とするのは、”OK”判定となる複数の内部電源電圧値のうち、最も低い内部電源電圧値を選択している場合である。
【0121】
そこで、”OK”となる最小出力電圧を求めるために、”OK”判定時において、内部電源電圧をさらに1段下げることが可能かどうか判定するために、動作状態の過去の履歴を表すフラグ信号WFを設ける。以上の検討に基づいた選択信号生成回路72の具体的な一構成例を、図13に示す。
【0122】
この選択信号生成回路72は、前記遅延回路62に対して、前記選択信号S0,S1,SH,SQを出力する回路であり、係数生成回路81と、4ビット加算器82と、4ビットレジスタ83と、信号RepEnbを生成するカウンタ回路84とを備えて構成されている。
【0123】
係数生成回路81は、前記レプリカ回路71からの出力LA,LB,LCと、4ビットレジスタ83からの出力信号CNTを入力とし、4ビット信号COEFを生成する回路である。
【0124】
4ビット加算器82は、前記係数生成回路81で生成された信号COEFと、前回の選択位置を示す数値を記憶した4ビットレジスタ83の出力信号CNTとを入力として、新しい選択位置を示す数値を演算する。
【0125】
4ビットレジスタ83は、クロック信号として、前記基準パルス信号V3を用い,前記4ビット加算器82からの出力をラッチする。これは、前記基準パルス信号V3が、遅延回路62における出力選択の直前に立上る周期信号であり、選択信号生成回路72から出力される前記選択信号S0,S1,SH,SQは、出力選択の直前に決定すればよいからである。
【0126】
前記4ビットレジスタ83は、ネガティブエッジトリガのフリップフロップを用いて構成されている。また、この4ビットレジスタ83の各フリップフロップは、起動時に”H”にリセットされる(リセット信号線は図示せず)。したがって、リセット時には全選択信号S0,S1,SH,SQが”H”になるので、遅延回路62の出力としては、遅延時間が最大となる出力D3が選択され、さらに内部クロックICLKの3/4周期だけ遅延される。その結果、リセット時には、内部電源電圧V2として、その最大値が生成されることとなる。このことは、内部回路が確実に動作をすることを保証する。前記選択信号SHには、4ビットレジスタ83の出力信号CNTの下から2ビット目を、選択信号SQには最下位ビットを、それぞれ用いる。
【0127】
図14は、前記係数生成回路81の具体的な一構成例を示すブロック図である。この係数生成回路81は、WF信号生成回路85と、係数信号生成回路86とを備えて構成されている。WF信号生成回路85は、レプリカ回路71の出力LA,LB,LCから、前記フラグ信号WFを生成する回路である。カウンタ回路86は、前記基準パルス信号V3をカウントアップすることで、レプリカ回路71および該係数生成回路81で用いる信号RepEnbを生成する回路である。
【0128】
前記フラグ信号WFは、以下のように決定される。前記レプリカ回路71の出力LA,LB,LCが動作状態”Warn”を示す場合、フラグ信号WFを”H”とする。前記出力LA,LB,LCが動作状態”Fast”を示す場合、フラグ信号WFを”L”とする。前記出力LA,LB,LCが示す動作状態が、これらの”Warn”または”Fast”でない場合、フラグ信号WFはそのまま維持される。すなわち、WF信号生成回路85は、図15の真理値表を論理回路として実装することで実現される。前記フラグ信号WFは、前記基準パルス信号V3に同期して決定すればよく、1周期前のフラグ信号WFの値を”WF0”と称している。
【0129】
一方、前記係数信号生成回路86は、レプリカ回路71からの出力LA,LB,LCおよび前記WF信号生成回路85からのフラグ信号WFから、係数信号COEFを生成する回路である。この係数信号生成回路86において、前記係数信号COEFは、以下のように決定される。
【0130】
レプリカ回路71の出力LA,LB,LCが動作状態”NG”を示す場合、フラグ信号WFに拘わらず、内部電源電圧V2を1段上げるよう、信号CNTを”+1”する係数COEFとして、(0001)bを出力する。また、レプリカ回路71の出力LA,LB,LCが動作状態”Warn”を示す場合も同様に、フラグ信号WFに拘わらず、係数COEFとして、(0001)bを出力する。
【0131】
一方、レプリカ回路71の出力LA,LB,LCが動作状態”OK”を示し、且つフラグ信号WFが”H”である場合、内部電源電圧V2を維持するために、係数COEFとして、(0000)bを出力する。また、レプリカ回路71の出力LA,LB,LCが動作状態”OK”を示し、且つフラグ信号WFが”L”である場合、内部電源電圧V2を1段下げるよう、信号CNTを”−1”する係数COEFとして、(1111)bを出力する。
【0132】
さらにまた、レプリカ回路71の出力LA,LB,LCが動作状態”Fast”を示す場合は、フラグ信号WFに拘わらず、内部電源電圧V2を1段下げるよう、係数COEFとして、(1111)bを出力する。係数信号生成回路86は、図16の真理値表を論理回路として実装することで実現される。
【0133】
これらのWF信号生成回路85および係数信号生成回路86による内部電源電圧V2の制御方法について、以下に具体的に説明する。前述のように、動作状態の判定結果が”OK”となる内部電源電圧値が複数存在する可能性がある。そこで、動作状態の判定が”OK”の場合でも、条件によっては内部電源電圧V2を1段下げるようにする。
【0134】
すなわち、内部回路が動作するように徐々に内部電源電圧V2を上げていった場合、レプリカ回路71の動作状態判定は、”NG”→”Warn”→”OK”と変遷する。この場合は、動作状態判定”Warn”を経ているので、フラグ信号WFは”H”である。したがって、動作状態判定が”OK”となっても、”H”のフラグ信号WFに従い、内部電源電圧V2は下げないようにする。これによって、内部電源電圧V2は一定値に維持される。
【0135】
もし、フラグ信号WFによる制御を行わない場合は、”Warn”と”OK”との判定が交互に行われることなり、内部電源電圧V2が上下して、回路動作の不安定要因となる恐れがある。
【0136】
これに対して、動作環境の変化等によって、動作状態判定が”Fast”となり、内部電源電圧V2を下げる場合を考える。レプリカ回路71の動作状態判定は、”Fast”→”OK”へと変遷する。この場合は、動作状態判定が”Fast”となった時点で,フラグ信号WFは”L”にリセットされているので、動作状態判定が”OK”となっても、”L”のフラグ信号WFに従い、内部電源電圧V2を下げるように制御が行われる。その後、内部電源電圧V2が下がったことによって動作状態判定が”Warn”になり、フラグ信号WFが”H”に切換わり、上述のように内部電源電圧V2を1段上げ、その後、動作状態判定が”OK”となっても、フラグ信号WFが”H”であるので、内部電源電圧V2を下げないで維持される。
【0137】
以上をまとめると、動作状態判定が”OK”の場合に、フラグ信号WFが”L”のときは内部電源電圧V2を1段下げるようにするが、フラグ信号WFが”H”のときは内部電源電圧V2はそのまま維持することになる。これによって、前述のように内部電源電圧V2は、内部回路が安定動作している”OK”判定での最小電圧値となり、その結果、消費電力を最小に抑制することができる。
【0138】
上述の例は、基本遅延段数M=6、可変遅延段数N=3の場合について述べたけれども、勿論、M≧1、N≧1の場合に有効である。また、任意時間遅延回路66は出力端子数が2つの場合について述べたけれども、勿論、出力端子数が1つ以上の場合に有効である。
【0139】
本発明の実施の第3の形態について、図17〜図22に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【0140】
図17は、本発明の実施の第3の形態の電圧変換回路におけるスイッチ制御回路46aの電気的構成を示すブロック図である。このスイッチ制御回路46aは、前述の図4で示すスイッチ制御回路46に代えて用いられる。このスイッチ制御回路46aは、スイッチタイミング制御回路91と、昇圧レベルシフタ92,93と、起動制御回路94,95と、起動信号生成回路96と、バッファ回路97,98とを備えて構成されている。
【0141】
先ず、スイッチタイミング制御回路91について、その具体的な構成例を図18に示す。スイッチタイミング制御回路91は、2つの遅延回路99,100と、インバータINV3と、NORゲートG3とを備えて構成される。そして、前記スイッチパルスV5を入力信号とし、遅延回路99によって遅延させた出力信号V5aをインバータINV3で論理否定した出力X1aをPMOSトランジスタMP用の昇圧レベルシフタ72に出力する一方、遅延回路99の出力信号V5aを遅延回路100によってさらに遅延させ、その出力信号V5bとスイッチパルスV5とをNORゲートG3によってNOR演算を行い、その出力X2aをNMOSトランジスタMN用の昇圧レベルシフタ93に出力する回路である。
【0142】
図19は、上述のように構成されるスイッチタイミング制御回路91の動作を説明するための波形図である。ここで、前記遅延回路99,100での遅延時間を、共にDTとする。前記スイッチパルスV5に対して、信号V5a,V5bは、順次前記遅延時間DTだけ遅れており、中間の信号V5aがインバータINV3で反転されて、ローアクティブのPMOSトランジスタMP用の出力X1aとなる。これに対して、NORゲートG3によって、最も速く遷移するスイッチパルスV5と、最も遅く遷移する信号V5bとのパルス幅が加算されるとともに、反転されて、ハイアクティブのNMOSトランジスタMN用の出力X2aとなる。
【0143】
したがって、前記図19から、周知のように、前記PMOSトランジスタMPがオンするのはゲート入力信号X1が”L”の時であるので、該PMOSトランジスタMPがオンするのは、中間の信号V5aがアクティブとなる期間W2のみである。一方、NMOSトランジスタMNがオンするのはゲート入力信号X2が”H”の時であるので、該NMOSトランジスタMNがオンするのは、前記スイッチパルスV5が非アクティブであり、かつ信号V5bが非アクティブである期間W0,W0’のみである。また、前記スイッチパルスV5と信号V5bとの一方のみがアクティブである期間W1,W1’は、両方のトランジスタMP,MNはオフしている。
【0144】
このように、PMOSトランジスタMPがオンする期間とNMOSトランジスタMNがオンする期間とが切換わる間に、両方のトランジスタMP,MNがオフする期間を設けることで、スイッチ回路33に貫通電流が流れることを防ぐことができ、余分な電力消費を抑えることができる。なお、前記遅延回路99,100は、入力された信号を遅延させる機能を有する回路であれば、どのような回路でも構わない。
【0145】
ところで、一般に、集積回路の消費電力は、電源電圧の二乗に比例するので、内部回路が0.5Vという低電源電圧で動作するような場合、該内部回路の消費電力は大幅に削減することができる。しかしながら、その内部回路の低消費電力性を損なうことが無いよう、電圧変換回路自体の消費電力も削減する必要がある。
【0146】
そこで、前記電圧変換回路51では、内部電源電圧V2の検知回路であるレプリカ回路71のクリティカルパス回路74は該内部電源電圧V2で駆動しているけれども、前記昇圧レベルシフタ92,93を用いることで、前記基準パルス信号生成回路41からスイッチタイミング制御回路91までの制御回路部分もこの内部電源電圧V2で駆動することができる。これによって、電圧変換回路自体の消費電力を大幅に削減でき、集積回路全体としても、低消費電力となる。勿論、同様の構成を、前述の電圧変換回路31に適用することもできる。
【0147】
図20は、前記昇圧レベルシフタ92,93の具体的な一構成例を示すブロック図である。この昇圧レベルシフタ92,93は、前記スイッチタイミング制御回路91からの低振幅(V2レベル)の出力X1a,X2aを、トランジスタMP,MNが動作可能なVDDレベルの出力X1b,X2bに変換して出力する。ここでは、低電圧側回路を構成するトランジスタとして、DTMOS(Dynamic Threshold MOS)トランジスタを用いている。このデバイスは、前記0.5V程度の電源電圧で動作するので、このデバイスを用いて集積回路を作製することで、前述のように低消費電力化が実現されている。
【0148】
この昇圧レベルシフタ92,93は、2段のインバータINV11,INV12と、レベルシフタSHと、さらに2段のインバータINV21,INV22とを備えて構成されている。
【0149】
前記インバータINV11,INV12は、前記フィルタ回路34の出力電圧V2を電源とするインバータであり、前記スイッチパルス生成回路45からの上述のようにして制御されたデューティ比のスイッチパルスV5を順次反転する。したがって、インバータINV11は、PMOSトランジスタQP11およびNMOSトランジスタQN11の直列回路が前記出力電圧V2の電源ライン間に直列に接続されて構成され、これらのトランジスタQP11,QN11のベースに前記出力X1a,X2aが与えられ、ドレインが出力端となり、前記出力X1a,X2aと逆相の反転出力が導出される。同様に、インバータINV12は、PMOSトランジスタQP12およびNMOSトランジスタQN12を備えて構成され、ベースに前記インバータINV11の出力が与えられ、ドレインからは前記出力X1a,X2aと同相の正転出力が導出される。
【0150】
前記レベルシフタSHは、電源電圧VDDを電源とし、前記インバータINV11,INV12からの出力を、前記電源電圧VDDに増幅して出力する。したがって、このレベルシフタSHは、PMOSトランジスタQP31およびNMOSトランジスタQN31の直列回路ならびにPMOSトランジスタQP32およびNMOSトランジスタQN32の直列回路が前記電源電圧VDDの電源ライン間に並列に接続され、一方のドレイン接続端が他方のPMOSトランジスタのゲートに接続されて構成される。NMOSトランジスタQN31,QN32および前記インバータINV11,INV12を構成するPMOSトランジスタQP11,QP12およびNMOSトランジスタQN11,QN12は、前記DTMOSトランジスタから成る。前記インバータINV11の出力はNMOSトランジスタQN31のゲートに与えられ、前記インバータINV12の出力はNMOSトランジスタQN32のゲートに与えられ、トランジスタQP32,QN32のドレインが出力端となる。したがって、前記出力X1a,X2aと同相で、レベルシフトされた出力が導出される。
【0151】
前記インバータINV21,INV22は、前記電源電圧VDDを電源とするインバータであり、前記トランジスタQP32,QN32のドレインからの出力を順次反転する。したがって、インバータINV21は、PMOSトランジスタQP21およびNMOSトランジスタQN21の直列回路が前記電源電圧VDDの電源ライン間に直列に接続されて構成され、これらのトランジスタQP21,QN21のベースに前記レベルシフタSHの出力が与えられ、ドレインが出力端となる。同様に、インバータINV22は、PMOSトランジスタQP22およびNMOSトランジスタQN22を備えて構成され、ベースに前記インバータINV21の出力が与えられ、ドレインからは前記出力X1a,X2aと同相の正転出力の前記出力X1b,X2bが出力される。
【0152】
このようにして、前記スイッチタイミング制御回路91よりも前段側の回路を低電圧動作化しても、この昇圧レベルシフタ92,93によって出力される出力X1b,X2bは昇圧され、前記2つのトランジスタMP,MNは確実な動作を行うことができる。
【0153】
図21は、前記起動制御回路94,95およびバッファ回路97,98の具体的な構成例を示すブロック図である。前記起動制御回路94は、前記昇圧レベルシフタ92からの出力X1bを入力とするインバータINV31aと、そのインバータINV31aの出力信号と起動信号生成回路96からの制御信号RSTHとを入力信号とするNAND回路Gaとを備えて構成される。NAND回路Gaは、前記制御信号RSTHのレベルがVDDレベルに等しいとき、前記昇圧レベルシフタ92からの出力X1bをそのまま出力する。これに対して、前記制御信号RSTHのレベルがGNDレベルに等しいとき、該NAND回路Gaは、前記出力X1bに関わらず、VDDレベルを出力する。
【0154】
前記NAND回路Gaの出力信号は、インバータから成るバッファ回路BUFaで、反転されるとともに電流駆動能力が高められて前記制御信号X1となり、前記PMOSトランジスタMPのゲートを駆動する。
【0155】
同様に、前記起動制御回路95は、インバータINV31bと、NAND回路Gbとを備えて構成される。NAND回路Gbの出力信号は、インバータから成るバッファ回路BUFbを介して前記制御信号X2となり、前記NMOSトランジスタMNのゲートを駆動する。
【0156】
図22は、前記起動信号生成回路96の具体的な一構成例を示すブロック図である。ここでは、電源電圧VDDの立ち上がりを捉えて、RCの時定数分だけ出力をGNDレベルにする回路を示している。すなわち、電源電圧VDDの電源ライン間に、抵抗RsおよびコンデンサCsの直列回路が接続され、前記コンデンサCsの充電電圧が、シュミット・トリガ・インバータSTI1,STI2を介して、前記制御信号RSTHとして出力される。前記抵抗Rsには並列に、電源遮断時に前記コンデンサCsを放電させるダイオードDが接続されている。
【0157】
したがって、この起動信号生成回路96は、パワーオンリセット回路を構成し、前記制御信号RSTHがLレベルとなるリセット期間は、抵抗RsおよびコンデンサCsの時定数によって決定される。
【0158】
次に、起動時における起動制御回路94,95および起動信号生成回路96の動作について説明する。起動時においては、出力電圧V2は0Vであるので、前述のようにこの出力電圧V2を用いる基準パルス信号生成回路41や遅延回路62等は動作できない。一方、これらの起動制御回路94,95やバッファ回路97,98および起動信号生成回路96には電源電圧VDDが供給され始めるので、動作を開始する。
【0159】
これによって、起動信号生成回路96から前記リセット信号RSTHが出力され、スイッチ回路33からの電圧信号V1は、リセット期間Trsthの間、VDDレベルになる。前記図22で示す回路の場合、前記リセット期間Trsthは、RおよびCの値の積を時定数として決定される。この間、フィルタ回路34の出力電圧V2は上昇を続け、基準パルス信号生成回路41や遅延回路62等が動作を行うことが可能となるレベルに達すると、これらの回路41,62等は動作を開始する。
【0160】
前記リセット期間Trsthが終了すると、前記出力電圧V2は徐々に低下するが、基準パルス信号生成回路41、遅延回路62、スイッチパルス生成回路45、スイッチタイミング制御回路91および昇圧レベルシフタ92,93は動作を続け、制御信号X1,X2を連続的に出力する。その結果、スイッチ回路33のからの電圧信号V1が所望のデューティ比を有するパルス信号となれば、この電圧変換回路は、安定動作状態となる。
【0161】
このようにして、起動制御のための構成を、起動信号生成回路96と起動制御回路94,95との簡単な構成で実現することができる。なお、前記起動信号生成回路96としては、前記図22で示したようなRC回路のみならず、タイマ回路や、オシレータとカウンタ回路との組合わせなど、どのような回路を用いても構わない。
【0162】
【発明の効果】
本発明の電圧変換回路は、以上のように、集積回路内に形成される降圧コンバータなどとして実現される電圧変換回路において、スイッチ回路のトランジスタの制御端子に与えるスイッチパルス信号を作成するにあたって、そのパルス信号生成回路を、一定周波数で、基準となる基準パルス信号を発生する基準パルス信号生成回路と、前記基準パルス信号を遅延する遅延回路と、前記遅延回路での遅延時間を設定する遅延時間制御回路と、前記遅延回路からの遅延パルス信号と前記基準パルス信号との遷移を検知し、前記遅延回路での遅延時間に応じた時間幅を有する前記スイッチパルス信号を生成し、前記トランジスタに与える駆動回路とを備えて構成する。
【0163】
それゆえ、遅延回路の遅延時間を制御することによって、前記スイッチパルス信号のパルス幅を変化させることができ、こうしてパルス幅変調(デューティ制御)で出力電圧を制御することができ、出力電圧のリップル電圧を一定に抑制することができる。これによって、前記出力電圧を供給する内部回路の動作を安定させることができる。また、そのようなパルス幅変調制御を、シフトレジスタなどで構成される遅延回路や、論理回路などで構成される駆動回路で実現することができ、高速なカウンタ回路が必要とならず、回路規模や消費電力が小さく、出力電圧の低電圧化に適した電圧変換回路を実現することができる。
【0164】
また、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記遅延回路を、前記基準パルス信号を予め定める時間分遅延する基本遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号を入力とし、その内部信号を取出すことができる1または複数の出力端子を有する追加遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号または前記追加遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択し、前記遅延パルス信号として出力する選択回路とを備えて構成し、前記遅延時間制御回路が、前記選択回路を選択制御することで、前記駆動回路に、前記所望とする出力電圧を得るための時間幅を有するスイッチパルス信号を生成させる。
【0165】
それゆえ、基本遅延回路によって大きく遅延時間を調節し、追加遅延回路によって遅延時間を細かく調整することができるので、少ない選択チャネル数(選択データビット数)で、遅延時間、したがって出力電圧を大きく変化させることができるとともに、細かく調整することもできる。
【0166】
さらにまた、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記遅延回路を、前記基準パルス信号を予め定める時間分遅延する基本遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号を入力とし、その内部信号を取出すことができる1または複数の出力端子を有する追加遅延回路と、前記基本遅延回路からの出力信号または前記追加遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択する第1の選択回路と、前記第1の選択回路からの出力信号を任意時間遅延し、1または複数の出力端子を有する任意時間遅延回路と、前記第1の選択回路からの出力信号または前記任意時間遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択し、前記遅延パルス信号として出力する第2の選択回路とを備えて構成し、前記遅延時間制御回路が、前記第1および第2の選択回路を選択制御ずることで、前記駆動回路に、前記所望とする出力電圧を得るための時間幅を有するスイッチパルス信号を生成させる。
【0167】
それゆえ、第1の選択回路の少ない選択チャネル数(選択データビット数)で、基本遅延回路によって大きく遅延時間を調節し、追加遅延回路によって遅延時間を細かく調整した上に、さらに第2の選択回路および任意時間遅延回路によって、遅延時間をより一層細かく調整することができる。したがって、高精度な出力電圧制御が可能となる。
【0168】
また、本発明の電圧変換回路は、以上のように、降圧コンバータとして用いられる電圧変換回路において、昇圧レベルシフタを設けて、スイッチ回路のトランジスタを駆動する等で高電圧が必要となる部分以外の、主にロジック回路で構成される基準パルス信号生成回路、遅延回路、遅延時間制御回路および駆動回路の電源電圧には、平滑化された出力電圧を与え、これによって電圧変換回路自体の消費電力を削減する一方、該電圧変換回路の出力電圧を電源とすると、長時間動作を停止した後は起動しなくなるので、起動信号生成回路と起動制御回路とをさらに設け.入力電源電圧で駆動されるこれらの回路によって、起動時には、前記スイッチ回路を強制的にスイッチングさせ、前記基準パルス信号生成回路、遅延回路、遅延時間制御回路および駆動回路への電源電圧を立ち上げる。
【0169】
それゆえ、起動不良を招くことなく、電圧変換回路自体の消費電力を削減することができる。
【0170】
さらにまた、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記遅延回路、前記基本遅延回路、前記追加遅延回路および前記任意時間遅延回路を、単位時間の遅延を行う単位時間遅延素子を1個以上直列に接続して構成する。
【0171】
それゆえ、遅延回路の構成が簡単になるとともに、設計の変更も容易になる。
【0172】
また、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記単位時間遅延素子を、フリップフロップ回路とする。
【0173】
それゆえ、遅延時間の設定が容易になり、前記遅延回路の設計が容易になる。
【0174】
さらにまた、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記駆動回路を、スイッチパルス生成回路と、バッファ回路から成るスイッチ制御回路とを備えて構成し、前記スイッチパルス生成回路を、フリップフロップ回路で構成する。
【0175】
それゆえ、前記駆動回路を構成するスイッチパルス生成回路の回路構成を簡単にすることができる。
【0176】
また、本発明の電圧変換回路は、以上のように、P型トランジスタおよびN型トランジスタの直列回路が一対の電源ライン間に直列に接続されて成るスイッチ回路を制御するにあたって、入力信号に応答して、N型トランジスタがオンからオフに切換わった後、1段目の遅延回路の遅延時間だけ遅れてP型トランジスタがオフからオンに切換わり、P型トランジスタがオンからオフに切換わった後、2段目の遅延回路の遅延時間だけ遅れてN型トランジスタがオフからオンに切換わるようにする。
【0177】
それゆえ、前記2つの遅延時間は、2つのトランジスタが同時にオンすることが無いデッドタイムとなり、前記スイッチ回路の貫通電流を抑えることができ、電圧変換回路自体の低消費電力化を図ることができる。
【0178】
さらにまた、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記遅延時間制御回路を、前記出力電圧を電源電圧として供給される内部回路の動作速度を、外部から供給されるクロック信号に同期して検出するレプリカ回路と、前記レプリカ回路から出力される動作速度を示す信号を入力信号とし、検出された動作速度に応じて、前記遅延回路の複数の出力端子のうち1つの出力端子を選択するための選択信号を出力する選択信号生成回路とを備えて構成する。
【0179】
それゆえ、集積回路を構成する内部回路の動作状況をレプリカ回路で検知して、該内部回路の動作に必要最低限の駆動電圧を供給できるので、集積回路の低消費電力化に貢献することができる。
【0180】
また、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記レプリカ回路を、動作状態を検出するためのパルスを発生する動作状態検出パルス生成回路と、前記動作状態検出パルス生成回路からの入力パルスに対して、前記内部回路の中で、信号の遅延が最も大きいと考えられるパス回路と同等の遅延を行うとともに、複数に分割されるクリティカルパス回路と、前記クリティカルパス回路の各部分から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスに応答してラッチし、その出力信号を動作状態信号として前記選択信号生成回路に送出するラッチ回路とを備えて構成する。
【0181】
それゆえ、たとえばクリティカルパス回路が2つに分割され、ラッチ回路のラッチタイミングが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期と1周期とに設定される場合、クリティカルパス回路全体の出力パルスが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期以内に追従している場合、前記内部回路の動作周波数が高過ぎる、すなわち前記出力電圧が高過ぎると判定することができ、またクリティカルパス回路の前半の出力パルスでも、前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの1周期以内に追従していない場合、前記内部回路の動作周波数が低過ぎる、すなわち前記出力電圧が低過ぎると判定することができ、クリティカルパス回路の前半の出力パルスが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期以内に追従しており、かつ後半の出力パルスが前記半周期以内に追従しておらず、1周期以内で追従している場合、前記内部回路の動作周波数が最適、すなわち前記出力電圧が最適と判定することができ、クリティカルパス回路の前半の出力パルスが前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期以内に追従しておらず、かつ後半の出力パルスは1周期以内で追従している場合、前記内部回路は、現状では動作可能であるものの、僅かな環境変化で動作不能になる、すなわち出力電圧がもう少し高い方が好ましいと判定することができ、ラッチ回路の出力で、前記内部回路の動作周波数が高過ぎる、すなわち出力電圧が高過ぎる場合は前記遅延時間を短くし、動作周波数が低過ぎる、すなわち出力電圧が低過ぎる場合は前記遅延時間を長くし、動作周波数が最適、すなわち前記出力電圧が最適である場合は前記遅延時間を維持し、動作可能であるものの、動作周波数が少し低い、すなわち出力電圧がもう少し高い方が好ましい場合は前記遅延時間を長くすることで、前記出力電圧を最適に制御することができる。
【0182】
これによって、クリティカルパス回路の分割数と、ラッチ回路のラッチタイミング数との設定によって、種々の動作状態を検出し、最適な制御を行うことができ、いかなるプロセスばらつきや環境変化にも適切に対応でき、最適な出力電圧の供給を行うことで集積回路全体の低消費電力化に貢献することができる。
【0183】
さらにまた、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記クリティカルパス回路が2つに分割され、前記ラッチ回路を、前半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期後にラッチする第1のラッチ回路と、後半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期後にラッチする第2のラッチ回路と、前記後半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの1周期後にラッチする第3のラッチ回路とを備えて構成する。
【0184】
それゆえ、3つのラッチ回路からの8種類の組合わせの出力から、上述の4つの動作状態以外を、前記クリティカルパス回路自体が適切に動作していない状態であると判定することができ、前記内部回路をより安定して動作させることが可能となる。また、前記レプリカ回路の故障等を早期に発見できるので、迅速な善後処置を施すことが可能となる。
【0185】
また、本発明の電圧変換回路は、以上のように、前記選択信号生成回路が、前記レプリカ回路の動作状態の履歴を表すフラグ信号を生成するフラグ信号生成回路を有し、前記フラグ信号の値によって、前記レプリカ回路の出力信号から要求される遅延時間の増減動作と、それとは異なる遅延時間の増減動作とのうち、いずれかを選択し、前記遅延回路の出力端子の選択を行う。
【0186】
それゆえ、前記レプリカ回路の動作状態の履歴を表すフラグ信号を導入することで、出力電圧の制御機能を高めることができる、出力電圧を、内部回路が安定動作する最小電圧に維持することが可能となり、消費電力を最小に抑制することができる。
【0187】
さらにまた、本発明の半導体集積回路装置は、以上のように、前記の電圧変換回路を、外部電源電圧から半導体集積回路装置の駆動電圧を生成する降圧回路として用いる。
【0188】
それゆえ、該降圧回路自体の消費電力を低減でき、前記内部回路の低消費電力性を損なうことなく、前記半導体集積回路装置全体の低消費電力化に貢献することができる。
【0189】
また、本発明の携帯端末は、以上のように、前記の半導体集積回路装置を備える。
【0190】
それゆえ、該携帯端末全体の低消費電力化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1の形態の電圧変換回路の電気的構成を示すブロック図である。
【図2】図1で示す電圧変換回路における遅延回路の一構成例を示すブロック図である。
【図3】図1で示す電圧変換回路におけるスイッチパルス生成回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図4】図1で示す電圧変換回路におけるスイッチ制御回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図5】図1で示す電圧変換回路における遅延回路およびスイッチパルス生成回路の動作を説明するための波形図である。
【図6】本発明の実施の第2の形態の電圧変換回路の電気的構成を示すブロック図である。
【図7】図6で示す電圧変換回路における遅延回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図8】図6で示す電圧変換回路における遅延時間制御回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図9】図8で示す遅延時間制御回路におけるレプリカ回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図10】図9で示すレプリカ回路における動作状態検出パルス生成回路の信号波形図である。
【図11】図9で示すレプリカ回路における各動作状態の判定方法を示す信号波形図である。
【図12】前記図11で示すレプリカ回路の動作状態をまとめた表である。
【図13】図8で示す遅延時間制御回路における選択信号生成回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図14】図13で示す選択信号生成回路における係数生成回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図15】図14で示す係数生成回路におけるWF信号生成回路の真理値表である。
【図16】図14で示す係数生成回路における係数信号生成回路の真理値表である。
【図17】本発明の実施の第3の形態の電圧変換回路におけるスイッチ制御回路の電気的構成を示すブロック図である。
【図18】図18で示すスイッチ制御回路におけるスイッチタイミング制御回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図19】図19で示すスイッチタイミング制御回路の動作を説明するための波形図である。
【図20】図17で示すスイッチタイミング制御回路におけるレベルシフタの具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図21】図17で示すスイッチタイミング制御回路における起動制御回路およびバッファ回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図22】図17で示すスイッチタイミング制御回路における起動信号生成回路の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【図23】典型的な従来技術の電圧変換回路の概略構成図である。
【図24】他の従来技術の電圧変換回路のブロック図である。
【符号の説明】
31,51 電圧変換回路
32,52 パルス信号生成回路
33 スイッチ回路
34 フィルタ回路
41 基準パルス信号生成回路
42,62 遅延回路
43,63 遅延時間制御回路
44 駆動回路
45 スイッチパルス生成回路
46,46a スイッチ制御回路
47 基本遅延回路
48 追加遅延回路
49 選択回路(第1の選択回路)
64 選択回路
65;65a,65b 選択回路(第2の選択回路)
66 任意時間遅延回路
66a,66b フリップフロップ
71 レプリカ回路
72 選択信号生成回路
73 動作状態検出パルス生成回路
73a,73b,73c フリップフロップ
73d,73e ANDゲート
74 クリティカルパス回路
74a 前半クリティカルパス回路
74b 後半クリティカルパス回路
75 ラッチ回路
75a ラッチ回路(第1のラッチ回路)
75b ラッチ回路(第2のラッチ回路)
75c ラッチ回路(第3のラッチ回路)
81 係数生成回路
82 4ビット加算器
83 4ビットレジスタ
84 カウンタ回路
85 WF信号生成回路
86 係数信号生成回路
91 スイッチタイミング制御回路
92,93 昇圧レベルシフタ
94,95 起動制御回路
96 起動信号生成回路
97,98 バッファ回路
99,100 遅延回路
BUF1,BUF2 バッファ回路
C キャパシタ
L インダクタ
MN NMOSトランジスタ
MP PMOSトランジスタ
INV1,INV2,INV3 インバータ
INV11,INV12;INV21,INV22 インバータ
G1,G2 NANDゲート
G3 NORゲート
SH レベルシフタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage conversion circuit that supplies a power supply voltage that is optimal for the operation of an integrated circuit, and a semiconductor integrated circuit device and a portable terminal that include the voltage conversion circuit.
[0002]
[Prior art]
In general, in an integrated circuit in which arithmetic processing or the like is performed according to an operation clock, it is necessary to provide a large design margin in order to always perform normal operation against variations in manufacturing processes, power supply fluctuations, temperature changes, and the like. is there. In other words, it is necessary to design so that the operation of the entire integrated circuit can be accommodated within one clock even if the delay time increases due to various fluctuations. In addition, a sufficiently high power supply voltage is applied to the integrated circuit so that it operates even when all conditions are worst.
[0003]
However, these large design margins and application of a high power supply voltage hinder the speeding up of integrated circuits and the reduction in power consumption. Therefore, development of a voltage conversion circuit that controls the power supply voltage is progressing so that the operation status of the integrated circuit is detected and the minimum power supply voltage necessary for the operation of the integrated circuit can be applied.
[0004]
FIG. 23 is a schematic configuration diagram of a typical conventional
[0005]
The duty
[0006]
The
[0007]
In the
[0008]
Therefore, when the control signals x1 and x2 are at the L level, the PMOS transistor mp is turned on and the NMOS transistor mn is turned off, so that the output voltage of the
[0009]
The voltage signal v1 is smoothed by the
[0010]
The time when the PMOS transistor mp constituting the
[0011]
v2 = (T1 / (T1 + T2)) * VDD (1)
Here, the on time T1 (right numerator) in the above equation represents the pulse width of the voltage signal v1, and the sum T1 + T2 (right side denominator) of the on time T1 and off time T2 is the voltage signal v1. Represents the pulse period. That is, in order to control the output voltage v2 to the minimum power supply voltage necessary for the operation of the integrated circuit, the ratio between the pulse width and the pulse period in the voltage signal v1 (hereinafter referred to as the duty ratio) is controlled. It will be understood that
[0012]
Therefore, in the
[0013]
The
[0014]
When the
[0015]
When data is not directly input from the
[0016]
On the other hand, when the delay data through the
[0017]
Furthermore, when data is directly input from the
[0018]
When the signal s1 is input from the
[0019]
As described above, in the
[0020]
As described above, the
[0021]
However, in the above-described prior art, the
[0022]
In general, when the power supply voltage of the internal circuit is low or the load current is small, the power consumption of the entire integrated circuit is small, so that the power consumption ratio of the step-down circuit itself is relatively large. Therefore, it is necessary to reduce the power consumption of the step-down circuit itself, and the step-down circuit based on the above technique is disadvantageous when the internal circuit operates with a low power supply voltage. For example, the power consumption of an internal circuit using a device driven with a power supply voltage of 0.5V is 1/36 compared to the power consumption of an internal circuit using a device driven with a power supply voltage of 3V. Thus, when the power supply voltage and load current of the internal circuit are small, the influence of the step-down circuit on the power consumption becomes extremely large.
[0023]
There is also a problem that the scale of the circuit necessary for controlling the
[0024]
In view of the above, the present inventors have proposed a step-down circuit with a reduced circuit scale and power consumption that is suitable for lowering the output voltage in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2002-153050 and 2002-223564. ing. FIG. 24 shows the
[0025]
The reference pulse signal v3 of a predetermined unit time generated by the reference pulse
[0026]
Accordingly, in the
[0027]
[Patent Document 1]
JP 10-242831 A (publication date: September 11, 1998)
[0028]
[Patent Document 2]
JP 2002-153050 A (publication date: May 24, 2002)
[0029]
[Patent Document 3]
JP 2002-223564 A (publication date: August 9, 2002)
[0030]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described conventional technique does not require the high-
[0031]
Here, the ripple voltage of the output voltage varies depending on the pulse frequency and is inversely proportional to the square of the pulse frequency. Therefore, the longer the delay time and the longer the pulse period, the larger the ripple voltage. Then, although not shown in FIG. 24, an error may occur in the determination result of the replica circuit referred to when the delay
[0032]
An object of the present invention is to provide a voltage conversion circuit with a small circuit size and low power consumption suitable for lowering the output voltage while stabilizing the operation of the internal circuit, and a semiconductor integrated circuit device and a portable terminal including the voltage conversion circuit. is there.
[0033]
[Means for Solving the Problems]
In the voltage conversion circuit of the present invention, the switch circuit switches the power supply voltage, smooths and outputs the output voltage, and the pulse signal generation circuit generates a switch pulse signal for obtaining a desired output voltage, In the voltage conversion circuit provided to the transistor of the switch circuit, the pulse signal generation circuit includes a reference pulse signal generation circuit that generates a reference pulse signal serving as a reference at a constant frequency, and a delay that delays the reference pulse signal. A delay time control circuit for setting a delay time in the delay circuit, a delay time control circuit for detecting a transition between the delay pulse signal from the delay circuit and the reference pulse signal, and a time corresponding to the delay time in the delay circuit And a drive circuit for generating the switch pulse signal having a width and driving the transistor.
[0034]
According to the above configuration, in the voltage conversion circuit realized as a step-down converter or the like formed in the integrated circuit, when generating the switch pulse signal to be applied to the control terminal of the transistor of the switch circuit, the pulse signal generation circuit is A reference pulse signal generation circuit that generates a reference pulse signal serving as a reference at a constant frequency, a delay circuit that delays the reference pulse signal, a delay time control circuit that sets a delay time in the delay circuit, and the delay circuit A drive circuit that detects a transition between the delayed pulse signal from the reference pulse signal and the reference pulse signal, generates the switch pulse signal having a time width corresponding to a delay time in the delay circuit, and supplies the switch pulse signal to the transistor To do.
[0035]
Therefore, by controlling the delay time of the delay circuit, the pulse width of the switch pulse signal can be changed, and thus the output voltage can be controlled by pulse width modulation (duty control), and the ripple voltage of the output voltage. Can be kept constant. As a result, the operation of the internal circuit that supplies the output voltage can be stabilized. In addition, such pulse width modulation control can be realized by a delay circuit configured by a shift register or a drive circuit configured by a logic circuit, so that a high-speed counter circuit is not required, and the circuit scale In addition, it is possible to realize a voltage conversion circuit that consumes less power and is suitable for lowering the output voltage.
[0036]
In the voltage conversion circuit of the present invention, the delay circuit can receive a basic delay circuit that delays the reference pulse signal by a predetermined time and an output signal from the basic delay circuit, and take out an internal signal thereof. An additional delay circuit having one or a plurality of output terminals that can be selected, and one of an output signal from the basic delay circuit or an output signal from each output terminal of the additional delay circuit is selected and output as the delayed pulse signal The delay time control circuit causes the drive circuit to generate a switch pulse signal having a time width for obtaining the desired output voltage by selectively controlling the selection circuit. It is characterized by.
[0037]
According to the above configuration, the delay time can be adjusted largely by the basic delay circuit, and the delay time can be finely adjusted by the additional delay circuit, so that the delay time and therefore the output can be reduced with a small number of selected channels (number of selected data bits). The voltage can be changed greatly and can be finely adjusted.
[0038]
Furthermore, in the voltage conversion circuit of the present invention, the delay circuit receives a basic delay circuit that delays the reference pulse signal by a predetermined time and an output signal from the basic delay circuit, and takes out an internal signal thereof. An additional delay circuit having one or a plurality of output terminals, and a first selection circuit that selects one of an output signal from the basic delay circuit or an output signal from each output terminal of the additional delay circuit; The output signal from the first selection circuit is delayed for an arbitrary time, the arbitrary time delay circuit having one or a plurality of output terminals, and the output signal from the first selection circuit or each output of the arbitrary time delay circuit A second selection circuit that selects one of the output signals from the terminals and outputs the selected signal as the delayed pulse signal, and the delay time control circuit includes the first and second selection circuits. By selecting the control, to the drive circuit, characterized in that to produce a switch pulse signal having a time width to obtain an output voltage to said desired.
[0039]
According to the above configuration, the delay time is largely adjusted by the basic delay circuit, the delay time is finely adjusted by the additional delay circuit, and the delay time is finely adjusted by the number of selection channels (number of selected data bits) of the first selection circuit. The delay time can be further finely adjusted by the second selection circuit and the arbitrary time delay circuit. Therefore, highly accurate output voltage control is possible.
[0040]
The voltage conversion circuit of the present invention is The drive circuit includes a switch pulse generation circuit, a switch timing control circuit, a boost level shifter, a start signal generation circuit, and a start control circuit, The smoothed output voltage lower than the power supply voltage is supplied to the reference pulse signal generation circuit, the delay circuit, and the delay time control circuit. The switch pulse generation circuit and the switch timing control circuit And is driven by the input power supply voltage Boost level shifter, start signal generation circuit and start control circuit The switch circuit forcibly switches the power supply voltage, the reference pulse signal generation circuit, the delay circuit, and the delay time control circuit , Switch pulse generation circuit and switch timing control circuit It is characterized by raising the power supply voltage to.
[0041]
According to the above configuration, in a voltage conversion circuit used as a step-down converter, a boost level shifter is provided, and the circuit is mainly configured by a logic circuit other than a portion that requires a high voltage by driving a transistor of a switch circuit. A smoothed output voltage is applied to the power supply voltages of the reference pulse signal generation circuit, the delay circuit, the delay time control circuit, and the drive circuit, thereby reducing the power consumption of the voltage conversion circuit itself.
[0042]
On the other hand, if the output voltage of the voltage conversion circuit is used as a power supply, it will not start after it has stopped operating for a long time, so a start signal generation circuit and a start control circuit are further provided. By these circuits driven by the input power supply voltage, the switch circuit is forcibly switched at the time of startup, and the power supply voltage to the reference pulse signal generation circuit, the delay circuit, the delay time control circuit and the drive circuit is raised. In this way, the power consumption of the voltage conversion circuit itself can be reduced without causing a start-up failure.
[0043]
Furthermore, in the voltage conversion circuit of the present invention, the delay circuit, the basic delay circuit, the additional delay circuit, and the arbitrary time delay circuit are connected in series with one or more unit time delay elements that perform a unit time delay. It is characterized by comprising.
[0044]
According to the above configuration, the configuration of the delay circuit is simplified and the design can be easily changed.
[0045]
In the voltage conversion circuit of the present invention, the unit time delay element is a flip-flop circuit.
[0046]
According to said structure, the setting of delay time becomes easy and the design of the said delay circuit becomes easy.
[0047]
Furthermore, in the voltage conversion circuit according to the present invention, the drive circuit includes a switch pulse generation circuit and a switch control circuit including a buffer circuit, and the switch pulse generation circuit includes a flip-flop circuit. It is characterized by being.
[0048]
According to said structure, the circuit structure of the switch pulse generation circuit which comprises the said drive circuit can be simplified.
[0049]
In the voltage conversion circuit of the present invention, the switch circuit includes a series circuit of a P-type transistor and an N-type transistor connected in series between a pair of power supply lines, and the drive circuit has an arbitrary delay time. AND operation of two delay circuits connected in series with each other, an inverter circuit that logically negates the output of the first-stage delay circuit, and a logical OR operation of the input signal and the output signal of the second-stage delay circuit An output of the inverter circuit is output as a first control signal to the control terminal of the P-type transistor of the switch circuit, and the output of the OR circuit of the logical sum is a second control signal. A switch pulse generation circuit that outputs a control signal to a control terminal of an N-type transistor of the switch circuit is provided.
[0050]
According to the above configuration, in controlling a switch circuit in which a series circuit of a P-type transistor and an N-type transistor is connected in series between a pair of power supply lines, the N-type transistor is turned on in response to an input signal. After switching to OFF, the P-type transistor is switched from OFF to ON with a delay of the delay time of the first-stage delay circuit, and after the P-type transistor is switched from ON to OFF, The N-type transistor is switched from off to on after a delay time.
[0051]
Therefore, the two delay times are dead times in which the two transistors are not turned on at the same time, the through current of the switch circuit can be suppressed, and the power consumption of the voltage conversion circuit itself can be reduced.
[0052]
Furthermore, in the voltage conversion circuit of the present invention, the delay time control circuit detects the operation speed of an internal circuit supplied with the output voltage as a power supply voltage in synchronization with a clock signal supplied from the outside. And a signal indicating the operation speed output from the replica circuit as an input signal, and a selection signal for selecting one output terminal among the plurality of output terminals of the delay circuit according to the detected operation speed. And a selection signal generation circuit for outputting.
[0053]
According to the above configuration, the operation state of the internal circuit constituting the integrated circuit can be detected by the replica circuit, and the minimum driving voltage necessary for the operation of the internal circuit can be supplied, thereby reducing the power consumption of the integrated circuit. Can contribute.
[0054]
In the voltage conversion circuit of the present invention, the replica circuit includes an operation state detection pulse generation circuit that generates a pulse for detecting an operation state, and the input pulse from the operation state detection pulse generation circuit In the internal circuit, the delay is equivalent to that of the path circuit considered to have the largest signal delay, the critical path circuit divided into a plurality of parts, and the pulse signal output from each part of the critical path circuit And a latch circuit that latches in response to a pulse from the operation state detection pulse generation circuit and sends the output signal to the selection signal generation circuit as an operation state signal.
[0055]
According to the above configuration, for example, when the critical path circuit is divided into two and the latch timing of the latch circuit is set to the half cycle and one cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit, the critical path circuit When the entire output pulse follows within a half cycle of the pulse from the operating state detection pulse generation circuit, it can be determined that the operating frequency of the internal circuit is too high, that is, the output voltage is too high, If the output pulse of the first half of the critical path circuit does not follow within one cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit, the operating frequency of the internal circuit is too low, that is, the output voltage is too low. The output pulse in the first half of the critical path circuit is a pulse from the operation state detection pulse generating circuit. If the output pulse in the latter half does not follow within the half cycle and follows within one cycle, the operating frequency of the internal circuit is optimal, that is, the output voltage Can be determined to be optimal, the output pulse of the first half of the critical path circuit does not follow within the half cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit, and the output pulse of the second half follows within one cycle. In this case, it can be determined that the internal circuit is operable at present, but becomes inoperable with a slight environmental change, that is, it is preferable that the output voltage is slightly higher.
[0056]
If the operating frequency of the internal circuit is too high, that is, if the output voltage is too high, the delay time is shortened, and if the operating frequency is too low, that is, if the output voltage is too low, the delay time. If the operating frequency is optimal, i.e., the output voltage is optimal, the delay time is maintained and operation is possible, but the operating frequency is slightly lower, i.e., if the output voltage is slightly higher, it is preferable By increasing the delay time, the output voltage can be optimally controlled.
[0057]
As described above, various operation states can be detected and optimum control can be performed by setting the number of divisions of the critical path circuit and the number of latch timings of the latch circuit. When the operation state of the critical path circuit is classified into four as described above, it becomes possible to detect the operation state of the internal circuit in detail, can appropriately cope with any process variation and environmental change, and the optimum output voltage. Can contribute to lower power consumption of the entire integrated circuit.
[0058]
Furthermore, in the voltage conversion circuit of the present invention, the critical path circuit is divided into two, and the latch circuit converts the pulse signal output from the first half critical path circuit into a half of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit. A first latch circuit that latches after a period; a second latch circuit that latches a pulse signal output from the second half critical path circuit after a half period of a pulse from the operation state detection pulse generation circuit; and the second half critical path circuit And a third latch circuit that latches the pulse signal output from the operation state detection pulse generation circuit after one cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit.
[0059]
According to said structure, it determines with the said critical path circuit itself being in the state which is not operating | operating other than the above-mentioned 4 operation state from the output of 8 types of combinations from 3 latch circuits. Therefore, the internal circuit can be operated more stably. In addition, since a failure or the like of the replica circuit can be detected at an early stage, it is possible to perform a quick post-treatment.
[0060]
In the voltage conversion circuit of the present invention, the selection signal generation circuit may be the replica circuit. Of the detected operation speed A flag signal generation circuit for generating a flag signal representing a history, and an increase / decrease operation of a delay time required from an output signal of the replica circuit; Required from the output signal of the replica circuit and the flag signal One of the delay time increasing / decreasing operations is selected, and the output terminal of the delay circuit is selected.
[0061]
According to said structure, the control function of an output voltage can be improved by introduce | transducing the flag signal showing the log | history of the operation state of the said replica circuit. For example, if the operation frequency of the replica circuit is too high or too low, the target is obtained by increasing or decreasing the delay time required from the output signal of the replica circuit regardless of the value of the flag signal. The operating frequency (output voltage) can be quickly changed. On the other hand, referring to the flag signal near the target operating frequency, for example, when it is required to maintain the delay time from the output signal of the replica circuit, if the delay time is increased, the delay time is increased. It corresponds to the minimum voltage required for the internal circuit and maintains the delay time, but if the delay time has been reduced, it is further reduced to the minimum voltage. Unlike the operation for maintaining the delay time required from the output signal of the replica circuit, the decreasing operation is further continued.
[0062]
In this way, the output voltage can be maintained at the minimum voltage at which the internal circuit operates stably, and the power consumption can be minimized.
[0063]
Furthermore, a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes the voltage conversion circuit.
[0064]
According to the above configuration, the power consumption ratio of the step-down circuit relative to the power consumption of the entire integrated circuit has been relatively increased in recent years with the reduction in power consumption of the internal circuits constituting the semiconductor integrated circuit device. By using the voltage conversion circuit configured as described above as the step-down circuit that generates the drive voltage of the semiconductor integrated circuit device from the external power supply voltage, the power consumption of the step-down circuit itself can be reduced, and the low power consumption of the internal circuit This can contribute to the reduction in power consumption of the entire semiconductor integrated circuit device without impairing the above.
[0065]
In addition, a portable terminal of the present invention includes the semiconductor integrated circuit device described above.
[0066]
According to the above configuration, in recent years, there has been an increasing demand for longer driving time of the mobile terminal, and a semiconductor integrated circuit device equipped with a voltage conversion circuit having the above configuration is used as a signal processing LSI or the like in a mobile terminal. By using it, it is possible to contribute to lower power consumption of the entire mobile terminal.
[0067]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The following describes the first embodiment of the present invention with reference to FIGS.
[0068]
FIG. 1 is a block diagram showing an electrical configuration of a voltage conversion circuit 31 according to the first embodiment of the present invention. The voltage conversion circuit 31 is a step-down circuit that is formed in a semiconductor integrated circuit device mounted on a portable terminal or the like, and steps down the power supply voltage VDD supplied from the outside to the power supply voltage V2 of the internal circuit and outputs it. The voltage conversion circuit 31 is generally configured to include a pulse
[0069]
The pulse
[0070]
The voltage signal V1 is applied to one terminal of the inductor L of the
[0071]
Thus, when the control signals X1 and X2 from the pulse
[0072]
It should be noted that the voltage conversion circuit 31 includes a reference pulse
[0073]
The delayed pulse signal V4 and the reference pulse signal V3 are supplied to a switch
[0074]
The switch pulse V5 is supplied to the
[0075]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the
[0076]
The
[0077]
In response to the selection signal given from the delay
[0078]
The reference pulse
[0079]
The
[0080]
FIG. 3 is a block diagram showing a specific configuration example of the switch
[0081]
FIG. 4 is a block diagram showing a specific configuration example of the
[0082]
FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of the
[0083]
Here, it is assumed that the reference pulse signal V3 from the reference pulse
[0084]
The switch
V2 = ((M + N) / 32) * VDD
It becomes.
[0085]
For example, in the case of FIG. 5, assuming that the power supply voltage VDD is 2V, when N is 0, the duty ratio is 6/32, so the internal power supply voltage V2 is 375 mV. When N is 1, the duty ratio is 7/32 and the internal power supply voltage V2 is 437.5 mV. When N is 2, the duty ratio is 8/32 and the internal power supply voltage V2 is 500 mV. When N is 3, the duty ratio is 9/32 and the internal power supply voltage V2 is 562.5 mV. That is, in this case, the variable width of the internal power supply voltage V2 by selecting the output terminal of the
[0086]
As described above, according to the voltage conversion circuit 31 of the present invention, although the number of selectable output voltages V2 is limited by the number of selection channels of the
[0087]
Further, since the pulse period T, that is, the pulse frequency is constant and the pulse width (duty ratio) is changed, the ripple voltage of the output voltage V2 is always constant. FIG. 1 and FIG. Although not shown, no error occurs in the determination result of the replica circuit referred to when the delay
[0088]
Furthermore, the
[0089]
The following describes the second embodiment of the present invention with reference to FIGS.
[0090]
FIG. 6 is a block diagram showing an electrical configuration of the
[0091]
The
[0092]
On the other hand, the
[0093]
On the other hand, the
[0094]
FIG. 7 is a block diagram showing a specific example of the configuration of the
[0095]
In response to the first selection signals S0, S1 from the delay
[0096]
Similarly, the flip-
[0097]
Therefore, the delay
[0098]
In this way, in the
[0099]
FIG. 8 is a block diagram showing a specific configuration example of the delay
[0100]
The
[0101]
The operation state detection
[0102]
The
[0103]
FIG. 9 is a block diagram showing a specific configuration example of the
[0104]
In the present invention, in order to achieve more optimal control, “overspeed” (hereinafter referred to as “Fast”) in which the operation speed of the
[0105]
In order to detect the above four operating states, the
[0106]
FIG. 10 is a signal waveform diagram of the operation state detection
[0107]
Therefore, the output N1 of the negative edge trigger flip-
[0108]
Finally, the
[0109]
FIG. 11 is a signal waveform diagram showing a method for determining each operation state in the
[0110]
Therefore, in this state, it can be determined that the delay time of the
[0111]
Next, when it is determined as “OK”, as shown in FIG. 11C, the output signal RA of the first half
[0112]
Therefore, in this state, the first half
[0113]
Subsequently, when it is determined as “Warn”, as shown in FIG. 11D, the output signal RA of the first-half
[0114]
Therefore, in this state, the delay time of the first-half
[0115]
Finally, when it is determined as “NG”, as shown in FIG. 11E, the output signal RA of the first half
[0116]
Therefore, this state indicates that the delay time of the
[0117]
As described above, when the operation state of the
[0118]
On the other hand, combinations of outputs LA, LB, and LC of the
[0119]
The selection
[0120]
By the way, when the variable width of the internal power supply voltage is large, there is a possibility that the range of “OK” or “Warn” may be jumped by only increasing or decreasing the internal power supply voltage by one stage. On the other hand, if the variable width of the internal power supply voltage is sufficiently small, there may be a plurality of internal power supply voltage values within the range of “OK” or “Warn”. At this time, the power consumption is minimized while the entire circuit is stably operated when the lowest internal power supply voltage value is selected from among a plurality of internal power supply voltage values that are determined to be “OK”.
[0121]
Therefore, in order to determine the minimum output voltage that is “OK”, a flag signal that represents the past history of the operating state is used to determine whether or not the internal power supply voltage can be further lowered by one step when determining “OK”. WF is provided. A specific configuration example of the selection
[0122]
The selection
[0123]
The
[0124]
The 4-
[0125]
The 4-
[0126]
The 4-
[0127]
FIG. 14 is a block diagram showing a specific configuration example of the
[0128]
The flag signal WF is determined as follows. When the outputs LA, LB, and LC of the
[0129]
On the other hand, the coefficient
[0130]
When the outputs LA, LB, and LC of the
[0131]
On the other hand, when the outputs LA, LB, and LC of the
[0132]
Furthermore, when the outputs LA, LB, LC of the
[0133]
A method for controlling the internal power supply voltage V2 by the WF
[0134]
That is, when the internal power supply voltage V2 is gradually raised so that the internal circuit operates, the operation state determination of the
[0135]
If the control by the flag signal WF is not performed, the determination of “Warn” and “OK” is performed alternately, and the internal power supply voltage V2 may rise and fall, which may cause unstable circuit operation. is there.
[0136]
On the other hand, consider a case where the operating state determination is “Fast” due to a change in the operating environment and the internal power supply voltage V2 is lowered. The operation state determination of the
[0137]
In summary, when the operation state determination is “OK”, the internal power supply voltage V2 is lowered by one stage when the flag signal WF is “L”, but when the flag signal WF is “H” The power supply voltage V2 is maintained as it is. Thus, as described above, the internal power supply voltage V2 becomes the minimum voltage value in the “OK” determination that the internal circuit is stably operating, and as a result, the power consumption can be suppressed to the minimum.
[0138]
The above example describes the case where the number of basic delay stages M = 6 and the number of variable delay stages N = 3, but of course, it is effective when M ≧ 1 and N ≧ 1. Further, although the arbitrary
[0139]
The following describes the third embodiment of the present invention with reference to FIGS.
[0140]
FIG. 17 is a block diagram showing an electrical configuration of the
[0141]
First, a specific configuration example of the switch
[0142]
FIG. 19 is a waveform diagram for explaining the operation of the switch
[0143]
Accordingly, as is well known from FIG. 19, since the PMOS transistor MP is turned on when the gate input signal X1 is "L", the PMOS transistor MP is turned on when the intermediate signal V5a is turned on. Only the period W2 during which it becomes active. On the other hand, since the NMOS transistor MN is turned on when the gate input signal X2 is “H”, the NMOS transistor MN is turned on when the switch pulse V5 is inactive and the signal V5b is inactive. Only periods W0 and W0 ′ are. In the period W1, W1 ′ in which only one of the switch pulse V5 and the signal V5b is active, both transistors MP, MN are off.
[0144]
As described above, by providing a period in which both the transistors MP and MN are turned off while the period in which the PMOS transistor MP is turned on and the period in which the NMOS transistor MN is turned on, a through current flows through the
[0145]
In general, the power consumption of an integrated circuit is proportional to the square of the power supply voltage. Therefore, when the internal circuit operates at a low power supply voltage of 0.5 V, the power consumption of the internal circuit can be greatly reduced. it can. However, it is necessary to reduce the power consumption of the voltage conversion circuit itself so as not to impair the low power consumption of the internal circuit.
[0146]
Therefore, in the
[0147]
FIG. 20 is a block diagram showing a specific configuration example of the
[0148]
The step-up
[0149]
The inverters INV11 and INV12 are inverters that use the output voltage V2 of the
[0150]
The level shifter SH uses the power supply voltage VDD as a power supply, amplifies the output from the inverters INV11 and INV12 to the power supply voltage VDD, and outputs the amplified power supply voltage VDD. Therefore, in the level shifter SH, a series circuit of the PMOS transistor QP31 and the NMOS transistor QN31 and a series circuit of the PMOS transistor QP32 and the NMOS transistor QN32 are connected in parallel between the power supply lines of the power supply voltage VDD, and one drain connection terminal is connected to the other. Connected to the gate of the PMOS transistor. The NMOS transistors QN31 and QN32 and the PMOS transistors QP11 and QP12 and the NMOS transistors QN11 and QN12 constituting the inverters INV11 and INV12 are formed of the DTMOS transistors. The output of the inverter INV11 is applied to the gate of the NMOS transistor QN31, the output of the inverter INV12 is applied to the gate of the NMOS transistor QN32, and the drains of the transistors QP32 and QN32 serve as output terminals. Therefore, a level-shifted output is derived in phase with the outputs X1a and X2a.
[0151]
The inverters INV21 and INV22 are inverters using the power supply voltage VDD as a power supply, and sequentially invert the outputs from the drains of the transistors QP32 and QN32. Therefore, the inverter INV21 is configured by connecting a series circuit of a PMOS transistor QP21 and an NMOS transistor QN21 in series between the power supply lines of the power supply voltage VDD, and the output of the level shifter SH is given to the bases of these transistors QP21 and QN21. The drain becomes the output terminal. Similarly, the inverter INV22 includes a PMOS transistor QP22 and an NMOS transistor QN22, the output of the inverter INV21 is given to the base, and the output X1b, which is a normal output in phase with the outputs X1a and X2a, is provided from the drain. X2b is output.
[0152]
In this way, even when the circuit upstream of the switch
[0153]
FIG. 21 is a block diagram showing a specific configuration example of the
[0154]
The output signal of the NAND circuit Ga is inverted by the buffer circuit BUFa composed of an inverter and the current driving capability is enhanced to become the control signal X1, which drives the gate of the PMOS transistor MP.
[0155]
Similarly, the
[0156]
FIG. 22 is a block diagram showing a specific configuration example of the activation
[0157]
Therefore, the activation
[0158]
Next, operations of the
[0159]
As a result, the reset signal RSTH is output from the activation
[0160]
When the reset period Trsth ends, the output voltage V2 gradually decreases, but the reference pulse
[0161]
In this way, the configuration for the startup control can be realized by a simple configuration of the startup
[0162]
【The invention's effect】
As described above, in the voltage conversion circuit realized as a step-down converter or the like formed in an integrated circuit, the voltage conversion circuit of the present invention is configured to generate a switch pulse signal to be applied to the control terminal of the transistor of the switch circuit. The pulse signal generation circuit includes a reference pulse signal generation circuit that generates a reference pulse signal serving as a reference at a constant frequency, a delay circuit that delays the reference pulse signal, and a delay time control that sets a delay time in the delay circuit. A circuit that detects a transition between a delay pulse signal from the delay circuit and the reference pulse signal, generates the switch pulse signal having a time width corresponding to a delay time in the delay circuit, and applies the drive to the transistor And a circuit.
[0163]
Therefore, by controlling the delay time of the delay circuit, the pulse width of the switch pulse signal can be changed, and thus the output voltage can be controlled by pulse width modulation (duty control), and the ripple of the output voltage. The voltage can be kept constant. As a result, the operation of the internal circuit that supplies the output voltage can be stabilized. In addition, such pulse width modulation control can be realized by a delay circuit configured by a shift register or a drive circuit configured by a logic circuit, so that a high-speed counter circuit is not required, and the circuit scale In addition, it is possible to realize a voltage conversion circuit that consumes less power and is suitable for lowering the output voltage.
[0164]
In addition, as described above, the voltage conversion circuit of the present invention has the delay circuit as an input having a basic delay circuit that delays the reference pulse signal by a predetermined time and an output signal from the basic delay circuit. An additional delay circuit having one or a plurality of output terminals capable of extracting a signal, and one of an output signal from the basic delay circuit or an output signal from each output terminal of the additional delay circuit, and A selection circuit that outputs as a delayed pulse signal, and the delay time control circuit selectively controls the selection circuit so that the drive circuit has a time width for obtaining the desired output voltage. A switch pulse signal is generated.
[0165]
Therefore, the delay time can be adjusted greatly by the basic delay circuit and the delay time can be finely adjusted by the additional delay circuit, so that the delay time and therefore the output voltage can be changed greatly with a small number of selected channels (number of selected data bits). And can be finely adjusted.
[0166]
Furthermore, as described above, in the voltage conversion circuit of the present invention, the delay circuit receives as input the basic delay circuit that delays the reference pulse signal by a predetermined time and the output signal from the basic delay circuit. An additional delay circuit having one or a plurality of output terminals capable of taking out an internal signal, and one of selecting an output signal from the basic delay circuit or an output signal from each output terminal of the additional delay circuit. 1 selection circuit, an output signal from the first selection circuit, an arbitrary time delay circuit having one or more output terminals, and an output signal from the first selection circuit or the arbitrary time And a second selection circuit that selects one of the output signals from each output terminal of the delay circuit and outputs the selected signal as the delayed pulse signal, and the delay time control circuit includes the first delay circuit. Preliminary second selection circuit by selectively controlling cheat things, to the drive circuit to generate a switching pulse signal having a time width to obtain an output voltage to said desired.
[0167]
Therefore, the delay time is largely adjusted by the basic delay circuit, the delay time is finely adjusted by the additional delay circuit, and the second selection is further performed with the small number of selection channels (number of selected data bits) of the first selection circuit. The delay time can be further finely adjusted by the circuit and the arbitrary time delay circuit. Therefore, highly accurate output voltage control is possible.
[0168]
Further, as described above, the voltage conversion circuit of the present invention is a voltage conversion circuit used as a step-down converter, except for a portion that requires a high voltage by providing a step-up level shifter and driving a transistor of a switch circuit. A smoothed output voltage is applied to the power supply voltage of the reference pulse signal generation circuit, delay circuit, delay time control circuit, and drive circuit mainly composed of logic circuits, thereby reducing the power consumption of the voltage conversion circuit itself. On the other hand, if the output voltage of the voltage conversion circuit is used as a power supply, it will not start after the operation has been stopped for a long time. By these circuits driven by the input power supply voltage, the switch circuit is forcibly switched at the time of startup, and the power supply voltage to the reference pulse signal generation circuit, the delay circuit, the delay time control circuit and the drive circuit is raised.
[0169]
Therefore, the power consumption of the voltage conversion circuit itself can be reduced without causing a start-up failure.
[0170]
Furthermore, as described above, the voltage conversion circuit according to the present invention includes one unit time delay element that performs a delay of unit time for the delay circuit, the basic delay circuit, the additional delay circuit, and the arbitrary time delay circuit. The above is connected in series.
[0171]
Therefore, the configuration of the delay circuit is simplified and the design can be easily changed.
[0172]
In the voltage conversion circuit of the present invention, the unit time delay element is a flip-flop circuit as described above.
[0173]
Therefore, the delay time can be easily set and the delay circuit can be easily designed.
[0174]
Furthermore, in the voltage conversion circuit of the present invention, as described above, the drive circuit includes a switch pulse generation circuit and a switch control circuit including a buffer circuit, and the switch pulse generation circuit includes a flip-flop. Consists of a circuit.
[0175]
Therefore, the circuit configuration of the switch pulse generation circuit constituting the drive circuit can be simplified.
[0176]
In addition, as described above, the voltage conversion circuit of the present invention responds to an input signal when controlling a switch circuit in which a series circuit of a P-type transistor and an N-type transistor is connected in series between a pair of power supply lines. After the N-type transistor is switched from on to off, the P-type transistor is switched from off to on after a delay time of the first delay circuit, and after the P-type transistor is switched from on to off. The N-type transistor is switched from OFF to ON with a delay of the delay time of the second-stage delay circuit.
[0177]
Therefore, the two delay times are dead times in which the two transistors are not turned on at the same time, the through current of the switch circuit can be suppressed, and the power consumption of the voltage conversion circuit itself can be reduced. .
[0178]
Furthermore, as described above, the voltage conversion circuit of the present invention synchronizes the operating time of the internal circuit supplied with the output voltage as the power supply voltage with the clock signal supplied from the outside. The replica circuit to be detected and a signal indicating the operation speed output from the replica circuit are used as input signals, and one output terminal is selected from the plurality of output terminals of the delay circuit according to the detected operation speed. And a selection signal generation circuit that outputs a selection signal for the purpose.
[0179]
Therefore, the operation state of the internal circuit constituting the integrated circuit can be detected by the replica circuit, and the minimum drive voltage necessary for the operation of the internal circuit can be supplied, which contributes to the reduction in power consumption of the integrated circuit. it can.
[0180]
In addition, as described above, the voltage conversion circuit of the present invention includes an operation state detection pulse generation circuit that generates a pulse for detecting an operation state, and an input pulse from the operation state detection pulse generation circuit. On the other hand, a delay equivalent to that of the path circuit considered to have the largest signal delay among the internal circuits is performed, and the critical path circuit divided into a plurality of parts is output from each part of the critical path circuit. And a latch circuit that latches the pulse signal in response to a pulse from the operation state detection pulse generation circuit and sends the output signal as an operation state signal to the selection signal generation circuit.
[0181]
Therefore, for example, when the critical path circuit is divided into two and the latch timing of the latch circuit is set to the half cycle and one cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit, the output pulse of the entire critical path circuit Can be determined that the operating frequency of the internal circuit is too high, that is, the output voltage is too high, and the critical path circuit Even in the first half of the output pulse, if it does not follow within one cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit, it is determined that the operation frequency of the internal circuit is too low, that is, the output voltage is too low. Output pulse of the first half of the critical path circuit is a half cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit If the output pulse in the latter half does not follow within the half cycle and follows within one cycle, the operating frequency of the internal circuit is optimal, that is, the output voltage is optimal. The output pulse of the first half of the critical path circuit does not follow within the half cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit, and the output pulse of the second half follows within one cycle. In this case, the internal circuit is operable at present, but becomes inoperable due to a slight environmental change, that is, it can be determined that a slightly higher output voltage is preferable. If the operating frequency is too high, that is, the output voltage is too high, the delay time is shortened, and if the operating frequency is too low, that is, the output voltage is too low, the delay time is If the operating frequency is optimal, i.e., the output voltage is optimal, the delay time is maintained and operation is possible, but the operating frequency is slightly lower, i.e. if the output voltage is slightly higher, the delay is preferred. By increasing the time, the output voltage can be optimally controlled.
[0182]
As a result, various operation states can be detected and optimal control can be performed by setting the number of divisions of the critical path circuit and the number of latch timings of the latch circuit, and it can respond appropriately to any process variations and environmental changes. In addition, by supplying an optimum output voltage, it is possible to contribute to a reduction in power consumption of the entire integrated circuit.
[0183]
Furthermore, in the voltage conversion circuit according to the present invention, as described above, the critical path circuit is divided into two, and the latch circuit uses the pulse signal output from the first critical path circuit as the operation state detection pulse generation circuit. A first latch circuit that latches after a half cycle of the pulse from the second latch circuit, and a second latch circuit that latches a pulse signal output from the latter critical path circuit after a half cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit; And a third latch circuit that latches the pulse signal output from the latter critical path circuit after one cycle of the pulse from the operation state detection pulse generation circuit.
[0184]
Therefore, it is possible to determine that the critical path circuit itself is in a state in which the critical path circuit itself is not operating properly other than the above four operation states from the outputs of the eight combinations from the three latch circuits. It becomes possible to operate the internal circuit more stably. In addition, since a failure or the like of the replica circuit can be detected at an early stage, it is possible to perform a quick post-treatment.
[0185]
Further, in the voltage conversion circuit of the present invention, as described above, the selection signal generation circuit includes a flag signal generation circuit that generates a flag signal indicating the history of the operation state of the replica circuit, and the value of the flag signal Thus, either the delay time increasing / decreasing operation required from the output signal of the replica circuit or a different delay time increasing / decreasing operation is selected, and the output terminal of the delay circuit is selected.
[0186]
Therefore, by introducing a flag signal indicating the history of the operation state of the replica circuit, the output voltage control function can be enhanced, and the output voltage can be maintained at the minimum voltage at which the internal circuit operates stably. Thus, power consumption can be minimized.
[0187]
Furthermore, as described above, the semiconductor integrated circuit device according to the present invention uses the voltage conversion circuit as a step-down circuit that generates a drive voltage for the semiconductor integrated circuit device from an external power supply voltage.
[0188]
Therefore, the power consumption of the step-down circuit itself can be reduced, and the overall power consumption of the semiconductor integrated circuit device can be reduced without impairing the low power consumption of the internal circuit.
[0189]
Moreover, the portable terminal of this invention is provided with the said semiconductor integrated circuit device as mentioned above.
[0190]
Therefore, it is possible to contribute to lower power consumption of the entire mobile terminal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an electrical configuration of a voltage conversion circuit according to a first embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing an example of the configuration of a delay circuit in the voltage conversion circuit shown in FIG.
3 is a block diagram illustrating a specific configuration example of a switch pulse generation circuit in the voltage conversion circuit illustrated in FIG. 1. FIG.
4 is a block diagram showing a specific configuration example of a switch control circuit in the voltage conversion circuit shown in FIG. 1. FIG.
5 is a waveform diagram for explaining operations of a delay circuit and a switch pulse generation circuit in the voltage conversion circuit shown in FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing an electrical configuration of a voltage conversion circuit according to a second embodiment of the present invention.
7 is a block diagram illustrating a specific configuration example of a delay circuit in the voltage conversion circuit illustrated in FIG. 6;
8 is a block diagram showing a specific example of the configuration of a delay time control circuit in the voltage conversion circuit shown in FIG.
9 is a block diagram showing a specific configuration example of a replica circuit in the delay time control circuit shown in FIG.
10 is a signal waveform diagram of an operation state detection pulse generation circuit in the replica circuit shown in FIG. 9;
11 is a signal waveform diagram showing a method for determining each operation state in the replica circuit shown in FIG. 9;
12 is a table summarizing operation states of the replica circuit shown in FIG.
13 is a block diagram showing a specific configuration example of a selection signal generation circuit in the delay time control circuit shown in FIG.
14 is a block diagram illustrating a specific configuration example of a coefficient generation circuit in the selection signal generation circuit illustrated in FIG. 13;
15 is a truth table of the WF signal generation circuit in the coefficient generation circuit shown in FIG.
16 is a truth table of a coefficient signal generation circuit in the coefficient generation circuit shown in FIG.
FIG. 17 is a block diagram showing an electrical configuration of a switch control circuit in a voltage conversion circuit according to a third embodiment of the present invention.
18 is a block diagram showing a specific example of the configuration of a switch timing control circuit in the switch control circuit shown in FIG.
FIG. 19 is a waveform diagram for explaining the operation of the switch timing control circuit shown in FIG. 19;
20 is a block diagram illustrating a specific configuration example of a level shifter in the switch timing control circuit illustrated in FIG.
FIG. 21 is a block diagram showing a specific example of the configuration of a start control circuit and a buffer circuit in the switch timing control circuit shown in FIG.
22 is a block diagram showing a specific example of the configuration of a start signal generation circuit in the switch timing control circuit shown in FIG.
FIG. 23 is a schematic configuration diagram of a typical prior art voltage conversion circuit.
FIG. 24 is a block diagram of another conventional voltage conversion circuit.
[Explanation of symbols]
31, 51 Voltage conversion circuit
32, 52 pulse signal generation circuit
33 Switch circuit
34 Filter circuit
41 Reference pulse signal generation circuit
42, 62 delay circuit
43, 63 Delay time control circuit
44 Drive circuit
45 Switch pulse generation circuit
46, 46a Switch control circuit
47 Basic delay circuit
48 Additional delay circuit
49 Selection circuit (first selection circuit)
64 selection circuit
65; 65a, 65b selection circuit (second selection circuit)
66 Arbitrary time delay circuit
66a, 66b flip-flop
71 Replica circuit
72 Selection signal generation circuit
73 Operation state detection pulse generation circuit
73a, 73b, 73c flip-flop
73d, 73e AND gate
74 Critical Path Circuit
74a First critical path circuit
74b Late critical path circuit
75 Latch circuit
75a Latch circuit (first latch circuit)
75b Latch circuit (second latch circuit)
75c Latch circuit (third latch circuit)
81 Coefficient generation circuit
82 4-bit adder
83 4-bit register
84 Counter circuit
85 WF signal generation circuit
86 Coefficient signal generation circuit
91 Switch timing control circuit
92,93 Boost Level Shifter
94,95 Start-up control circuit
96 Start-up signal generation circuit
97, 98 Buffer circuit
99,100 delay circuit
BUF1, BUF2 buffer circuit
C capacitor
L inductor
MN NMOS transistor
MP PMOS transistor
INV1, INV2, INV3 inverter
INV11, INV12; INV21, INV22 Inverter
G1, G2 NAND gate
G3 NOR gate
SH level shifter
Claims (13)
前記パルス信号生成回路は、
一定周波数で、基準となる基準パルス信号を発生する基準パルス信号生成回路と、
前記基準パルス信号を遅延する遅延回路と、
前記遅延回路での遅延時間を設定する遅延時間制御回路と、
前記遅延回路からの遅延パルス信号と前記基準パルス信号との遷移を検知し、前記遅延回路での遅延時間に応じた時間幅を有する前記スイッチパルス信号を生成し、前記トランジスタを駆動する駆動回路とを含むものであり、
前記遅延回路は、
前記基準パルス信号を予め定める時間分遅延する基本遅延回路と、
前記基本遅延回路からの出力信号を入力とし、その内部信号を取出すことができる1または複数の出力端子を有する追加遅延回路と、
前記基本遅延回路からの出力信号または前記追加遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択し、前記遅延パルス信号として出力する選択回路とを備え、
前記遅延時間制御回路は、前記選択回路を選択制御することで、前記駆動回路に、前記所望とする出力電圧を得るための時間幅を有するスイッチパルス信号を生成させることを特徴とする電圧変換回路。The switch circuit switches the power supply voltage, smooths and outputs the output voltage, and the pulse signal generation circuit generates a switch pulse signal for obtaining a desired output voltage and supplies it to the transistor of the switch circuit In the voltage converter circuit
The pulse signal generation circuit includes:
A reference pulse signal generation circuit for generating a reference pulse signal serving as a reference at a constant frequency;
A delay circuit for delaying the reference pulse signal;
A delay time control circuit for setting a delay time in the delay circuit;
A drive circuit for detecting a transition between the delay pulse signal from the delay circuit and the reference pulse signal, generating the switch pulse signal having a time width corresponding to a delay time in the delay circuit, and driving the transistor; It is intended to include,
The delay circuit is
A basic delay circuit for delaying the reference pulse signal by a predetermined time;
An additional delay circuit having one or a plurality of output terminals capable of receiving an output signal from the basic delay circuit and taking out the internal signal;
A selection circuit that selects one of the output signal from the basic delay circuit or the output signal from each output terminal of the additional delay circuit, and outputs the delayed pulse signal;
The delay time control circuit selectively controls the selection circuit to cause the drive circuit to generate a switch pulse signal having a time width for obtaining the desired output voltage. .
前記パルス信号生成回路は、
一定周波数で、基準となる基準パルス信号を発生する基準パルス信号生成回路と、
前記基準パルス信号を遅延する遅延回路と、
前記遅延回路での遅延時間を設定する遅延時間制御回路と、
前記遅延回路からの遅延パルス信号と前記基準パルス信号との遷移を検知し、前記遅延回路での遅延時間に応じた時間幅を有する前記スイッチパルス信号を生成し、前記トランジスタを駆動する駆動回路とを含むものであり、
前記遅延回路は、
前記基準パルス信号を予め定める時間分遅延する基本遅延回路と、
前記基本遅延回路からの出力信号を入力とし、その内部信号を取出すことができる1または複数の出力端子を有する追加遅延回路と、
前記基本遅延回路からの出力信号または前記追加遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択する第1の選択回路と、
前記第1の選択回路からの出力信号を任意時間遅延し、1または複数の出力端子を有する任意時間遅延回路と、
前記第1の選択回路からの出力信号または前記任意時間遅延回路の各出力端子からの出力信号のうち、1つを選択し、前記遅延パルス信号として出力する第2の選択回路とを備え、
前記遅延時間制御回路は、前記第1および第2の選択回路を選択制御ずることで、前記駆動回路に、前記所望とする出力電圧を得るための時間幅を有するスイッチパルス信号を生成させることを特徴とする電圧変換回路。The switch circuit switches the power supply voltage, smooths and outputs the output voltage, and the pulse signal generation circuit generates a switch pulse signal for obtaining a desired output voltage and supplies it to the transistor of the switch circuit In the voltage converter circuit
The pulse signal generation circuit includes:
A reference pulse signal generation circuit for generating a reference pulse signal serving as a reference at a constant frequency;
A delay circuit for delaying the reference pulse signal;
A delay time control circuit for setting a delay time in the delay circuit;
A drive circuit for detecting a transition between the delay pulse signal from the delay circuit and the reference pulse signal, generating the switch pulse signal having a time width corresponding to a delay time in the delay circuit, and driving the transistor; It is intended to include,
The delay circuit is
A basic delay circuit for delaying the reference pulse signal by a predetermined time;
An additional delay circuit having one or a plurality of output terminals capable of receiving an output signal from the basic delay circuit and taking out the internal signal;
A first selection circuit that selects one of the output signal from the basic delay circuit or the output signal from each output terminal of the additional delay circuit;
An arbitrary time delay circuit that delays the output signal from the first selection circuit for an arbitrary time, and has one or a plurality of output terminals;
A second selection circuit that selects one of the output signal from the first selection circuit or the output signal from each output terminal of the arbitrary time delay circuit and outputs the selected signal as the delayed pulse signal;
The delay time control circuit causes the drive circuit to generate a switch pulse signal having a time width for obtaining the desired output voltage by selectively controlling the first and second selection circuits. A characteristic voltage conversion circuit.
前記パルス信号生成回路は、
一定周波数で、基準となる基準パルス信号を発生する基準パルス信号生成回路と、
前記基準パルス信号を遅延する遅延回路と、
前記遅延回路での遅延時間を設定する遅延時間制御回路と、
前記遅延回路からの遅延パルス信号と前記基準パルス信号との遷移を検知し、前記遅延回路での遅延時間に応じた時間幅を有する前記スイッチパルス信号を生成し、前記トランジスタを駆動する駆動回路とを含むものであり、
前記駆動回路は、スイッチパルス生成回路と、スイッチタイミング制御回路と、昇圧レベルシフタと、起動信号生成回路と、起動制御回路とを備えるものであって、
前記電源電圧よりも低い前記平滑化された出力電圧を、前記基準パルス信号生成回路、前記遅延回路、前記遅延時間制御回路、前記スイッチパルス生成回路および前記スイッチタイミング制御回路の電源電圧として印加するとともに、
入力電源電圧で駆動される昇圧レベルシフタ、起動信号生成回路および起動制御回路によって、前記スイッチ回路は電源電圧を強制的にスイッチングし、前記基準パルス信号生成回路、遅延回路、遅延時間制御回路、スイッチパルス生成回路およびスイッチタイミング制御回路への電源電圧を立ち上げることを特徴とする電圧変換回路。The switch circuit switches the power supply voltage, smooths and outputs the output voltage, and the pulse signal generation circuit generates a switch pulse signal for obtaining a desired output voltage and supplies it to the transistor of the switch circuit In the voltage converter circuit
The pulse signal generation circuit includes:
A reference pulse signal generation circuit for generating a reference pulse signal serving as a reference at a constant frequency;
A delay circuit for delaying the reference pulse signal;
A delay time control circuit for setting a delay time in the delay circuit;
A drive circuit for detecting a transition between the delay pulse signal from the delay circuit and the reference pulse signal, generating the switch pulse signal having a time width corresponding to a delay time in the delay circuit, and driving the transistor; It is intended to include,
The drive circuit includes a switch pulse generation circuit, a switch timing control circuit, a boost level shifter, a start signal generation circuit, and a start control circuit,
Applying the smoothed output voltage lower than the power supply voltage as a power supply voltage for the reference pulse signal generation circuit, the delay circuit, the delay time control circuit , the switch pulse generation circuit, and the switch timing control circuit ,
The switch circuit forcibly switches the power supply voltage by a boost level shifter driven by an input power supply voltage, a start signal generation circuit, and a start control circuit , and the reference pulse signal generation circuit, delay circuit, delay time control circuit , switch pulse A voltage conversion circuit characterized by raising a power supply voltage to a generation circuit and a switch timing control circuit.
前記駆動回路は、
任意の遅延時間を有し、相互に直列に接続される2つの遅延回路と、
1段目の遅延回路の出力を論理否定するインバータ回路と、
入力信号と2段目の遅延回路の出力信号との論理和の否定演算を行う論理和の否定回路とを有し、
前記インバータ回路の出力を第1の制御信号として前記スイッチ回路のP型トランジスタの制御端子に出力し、前記論理和の否定回路の出力を第2の制御信号として前記スイッチ回路のN型トランジスタの制御端子に出力するスイッチパルス生成回路を備えていることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の電圧変換回路。The switch circuit is formed by connecting a series circuit of a P-type transistor and an N-type transistor in series between a pair of power supply lines,
The drive circuit is
Two delay circuits having an arbitrary delay time and connected in series with each other;
An inverter circuit that logically negates the output of the first stage delay circuit;
A logical sum negation circuit for performing a logical sum negation operation between the input signal and the output signal of the second-stage delay circuit;
The output of the inverter circuit is output as a first control signal to the control terminal of the P-type transistor of the switch circuit, and the output of the logical sum negation circuit is used as a second control signal to control the N-type transistor of the switch circuit. voltage conversion circuit according to any one of claim 1 to 6, characterized in that it comprises a switching pulse generation circuit which outputs to the terminal.
前記出力電圧を電源電圧として供給される内部回路の動作速度を、外部から供給されるクロック信号に同期して検出するレプリカ回路と、
前記レプリカ回路から出力される動作速度を示す信号を入力信号とし、検出された動作速度に応じて、前記遅延回路の複数の出力端子のうち1つの出力端子を選択するための選択信号を出力する選択信号生成回路とを備えていることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の電圧変換回路。The delay time control circuit includes:
A replica circuit for detecting the operation speed of the internal circuit supplied as the power supply voltage in synchronization with a clock signal supplied from the outside;
A signal indicating the operation speed output from the replica circuit is used as an input signal, and a selection signal for selecting one output terminal among the plurality of output terminals of the delay circuit is output according to the detected operation speed. voltage conversion circuit according to any one of claim 1 to 7, characterized in that and a selection signal generating circuit.
動作状態を検出するためのパルスを発生する動作状態検出パルス生成回路と、
前記動作状態検出パルス生成回路からの入力パルスに対して、前記内部回路の中で、信号の遅延が最も大きいと考えられるパス回路と同等の遅延を行うとともに、複数に分割されるクリティカルパス回路と、
前記クリティカルパス回路の各部分から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスに応答してラッチし、その出力信号を動作状態信号として前記選択信号生成回路に送出するラッチ回路とを備えて構成されることを特徴とする請求項8記載の電圧変換回路。The replica circuit is
An operation state detection pulse generation circuit for generating a pulse for detecting the operation state;
A critical path circuit that performs a delay equivalent to a path circuit considered to have the largest signal delay in the internal circuit with respect to an input pulse from the operation state detection pulse generation circuit, and is divided into a plurality of ,
A latch circuit that latches a pulse signal output from each part of the critical path circuit in response to a pulse from the operation state detection pulse generation circuit, and sends the output signal to the selection signal generation circuit as an operation state signal; The voltage conversion circuit according to claim 8, comprising:
前記ラッチ回路は、
前半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期後にラッチする第1のラッチ回路と、
後半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの半周期後にラッチする第2のラッチ回路と、
前記後半クリティカルパス回路から出力されたパルス信号を前記動作状態検出パルス生成回路からのパルスの1周期後にラッチする第3のラッチ回路とを備えて構成されることを特徴とする請求項9記載の電圧変換回路。The critical path circuit is divided into two,
The latch circuit is
A first latch circuit that latches a pulse signal output from the first half critical path circuit after a half cycle of a pulse from the operation state detection pulse generation circuit;
A second latch circuit for latching a pulse signal output from the second half critical path circuit after a half cycle of a pulse from the operation state detection pulse generating circuit;
The third claim 9, characterized in that it is configured with a latch circuit for latching a pulse signal outputted from the second half of the critical path circuit after one cycle of the pulse from the operating state detection pulse generating circuit Voltage conversion circuit.
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