JP5697777B2 - Data processing system - Google Patents
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Description
本発明は、データ処理システムに関し、特に、中央処理装置を有するデータ処理装置を用いたデータ処理システムに関する。 The present invention relates to a data processing system, and more particularly to a data processing system using a data processing apparatus having a central processing unit.
近年において、半導体基板上に構成する中央処理装置(CPU:Central Processing Unit)を含むデータ処理装置のプロセス微細化に伴い、トランジスタの耐圧電圧の低下、およびオフリーク電流の増加の課題が生じている。 In recent years, with the miniaturization of processes of data processing devices including a central processing unit (CPU: Central Processing Unit) configured on a semiconductor substrate, there are problems of lowering the withstand voltage of transistors and increasing off-leakage current.
その一方、データ処理装置を用いる機器においては、外的要因(通信規格等)のためにデータ処理装置に供給する動作電圧が比較的高電圧(5V程度)から比較的低電圧(3V)、さらには低消費電力化を考慮した低電圧(1.8V)までの広い電圧範囲で動作することが求められている。 On the other hand, in a device using a data processing device, the operating voltage supplied to the data processing device due to external factors (communication standards, etc.) is relatively high voltage (about 5V) to relatively low voltage (3V). Are required to operate in a wide voltage range up to a low voltage (1.8 V) considering low power consumption.
広い電圧範囲で動作するために、データ処理装置は、内部に複数の電源回路(レギュレータ)を有し、外部供給電圧から内部動作電圧を生成し、内部の機能ブロックへ供給することが行われ(特許文献1を参照)、中央処理装置の動作モードに基づく信号により電源回路の動作状態を決定している(特許文献2を参照)。 In order to operate in a wide voltage range, the data processing apparatus has a plurality of power supply circuits (regulators) inside, generates an internal operating voltage from an external supply voltage, and supplies it to an internal functional block ( The operation state of the power supply circuit is determined by a signal based on the operation mode of the central processing unit (see Patent Document 2).
また、低消費電力化のために、データ処理装置は、外部供給電圧を低下させた電圧を内部電圧として使用し、動作が不必要な期間において、低消費電力状態へ遷移させる間欠動作を行っている。低消費電力状態では、データ処理装置の内部の機能ブロックへ供給するクロックおよび電源を制御している。具体的には、供給するクロックの周波数を低下させたり、供給する電源電圧を低下させたり、あるいはクロックや電源の供給を停止させたりしている(特許文献3および特許文献4を参照)。 In order to reduce power consumption, the data processing apparatus uses a voltage obtained by reducing the external supply voltage as an internal voltage, and performs an intermittent operation for transitioning to a low power consumption state during a period when the operation is unnecessary. Yes. In the low power consumption state, the clock and power supplied to the functional blocks inside the data processing apparatus are controlled. Specifically, the frequency of the clock to be supplied is reduced, the power supply voltage to be supplied is reduced, or the supply of the clock and power is stopped (see Patent Document 3 and Patent Document 4).
このような降圧電源回路を内蔵して内部動作電圧を生成する場合、降圧電源回路自体の消費する自己消費電力が低消費電力化において問題となる。 When such an internal voltage is generated by incorporating such a step-down power supply circuit, self-power consumption consumed by the step-down power supply circuit itself becomes a problem in reducing power consumption.
たとえば、特許文献1の図2に記載の降圧電源回路において、外部供給電圧を内部動作電圧まで降下させるドライバMOSトランジスタ40は、消費電力が最大となる動作状態での自己消費電力を小さくするために、当該動作状態でのオン抵抗が最小となるように設計される。 For example, in the step-down power supply circuit described in FIG. 2 of Patent Document 1, the driver MOS transistor 40 that lowers the external supply voltage to the internal operating voltage reduces the self-power consumption in the operating state where the power consumption is maximum. The on-resistance in the operating state is designed to be minimum.
また、外部供給電圧が低電圧である場合にも駆動能力を確保するために、MOSトランジスタ40のゲート電極のWサイズを大きくし、出力MOSトランジスタ40のゲート電極に内部動作電圧よりも高い電圧を印加するためにゲート絶縁膜圧を厚くする。その結果、ドライバMOSトランジスタ40のゲート電極容量が大きくなる。間欠動作を行なう際に、低消費電力状態から通常動作状態へ遷移する際には、内部の機能ブロックへ供給する内部動作電圧の電圧レベルの上昇が遅くなってしまうという問題がある。また、通常動作状態から低消費電力状態へ遷移する際には、内部の機能ブロックへ供給していた電荷の接地電位への引抜が遅れ、内部供給電圧の不測の上昇を招くという問題がある。 Further, in order to ensure driving capability even when the external supply voltage is low, the W size of the gate electrode of the MOS transistor 40 is increased, and a voltage higher than the internal operating voltage is applied to the gate electrode of the output MOS transistor 40. In order to apply, the gate insulating film pressure is increased. As a result, the gate electrode capacitance of the driver MOS transistor 40 is increased. When performing an intermittent operation, there is a problem that when the transition from the low power consumption state to the normal operation state is performed, the increase in the voltage level of the internal operation voltage supplied to the internal functional block is delayed. Further, when transitioning from the normal operation state to the low power consumption state, there is a problem that the extraction of the charge supplied to the internal functional block to the ground potential is delayed, leading to an unexpected increase in the internal supply voltage.
それゆえに、本発明の目的は、間欠動作を行なう際に内部の機能ブロック(負荷回路)へ供給する内部動作電圧の電圧レベルを迅速に上昇させることができるデータ処理システムを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a data processing system capable of quickly increasing the voltage level of an internal operating voltage supplied to an internal functional block (load circuit) when performing an intermittent operation.
本発明の一実施形態のデータ処理装置は、中央処理装置を含み、かつ供給される電力で動作する負荷回路と、外部電源電圧を降圧し、出力ノードが負荷回路に接続される降圧電源回路とを備え、降圧電源回路は、外部電源電圧を降圧する第1の降圧部と、出力ノードからグランドまでの補助経路を流れるバイアス電流の大きさを制御するバイアス電流制御回路とを含み、データ処理装置は、さらに、負荷回路において消費する電流量が相対的に大きく変化する動作状態の変化に先行して、バイアス電流の大きさを増加させる制御部と備える。 A data processing apparatus according to an embodiment of the present invention includes a central processing unit, a load circuit that operates with supplied power, a step-down power supply circuit that steps down an external power supply voltage and has an output node connected to the load circuit The step-down power supply circuit includes a first step-down unit that steps down the external power supply voltage, and a bias current control circuit that controls the magnitude of the bias current flowing through the auxiliary path from the output node to the ground. Is further provided with a controller that increases the magnitude of the bias current prior to a change in the operating state in which the amount of current consumed in the load circuit changes relatively greatly.
本発明の一実施形態によれば、間欠動作を行なう際に内部の機能ブロック(負荷回路)へ供給する内部動作電圧の電圧レベルを迅速に上昇させることができる。 According to an embodiment of the present invention, the voltage level of the internal operating voltage supplied to the internal functional block (load circuit) when performing intermittent operation can be quickly increased.
本発明の実施形態では、データ処理装置内の中央処理装置などの機能ブロックにおいて動作に必要な電流量の比較的大きな変化を伴う動作状態の変化に先行して、降圧電源回路の出力ドライバMOSトランジスタが流すことができる電流量を増加させるためのバイアス電流の大きさを制御する例を説明する。 In an embodiment of the present invention, an output driver MOS transistor of a step-down power supply circuit precedes a change in operating state accompanied by a relatively large change in the amount of current required for operation in a functional block such as a central processing unit in a data processing device. An example of controlling the magnitude of the bias current for increasing the amount of current that can be supplied will be described.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
[第1の実施形態]
図1は、データ処理装置を有するデータ処理システムの一例を示した図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a data processing system having a data processing device.
図1を参照して、データ処理システム1は、プリント配線基板18と、プリント配線基板18上に搭載されたデータ処理装置2と、センサ4と、通信部6と、タイマ8と、バッテリ12とを含む。データ処理装置2にはバッテリ12の電圧が電源電圧Vccとして供給される。
Referring to FIG. 1, a data processing system 1 includes a printed
図2は、中央処理装置CPUを有するデータ処理装置の概略構成図である。図2には一般的なマイクロコンピュータの構成に加えて、本願発明に特有の機能部を記載している。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a data processing apparatus having a central processing unit CPU. FIG. 2 shows functional units unique to the present invention in addition to a general microcomputer configuration.
図2を参照して、データ処理装置2は、中央処理装置CPUと、メモリ22と、データやアドレスを転送するバス21と、データ転送部(ダイレクトメモリアクセスコントローラ)DMACと、アナログ・デジタル変換部ADCと、割込コントローラINTCと、シリアル通信部SCIOと、システムコントローラSYSCと、クロック回路26と、電源回路24と、電圧検出部10とを含む。
Referring to FIG. 2, a
メモリ22は、フラッシュメモリ23と、ROM(Read Only Memory)30と、RAM(Random Access Memory)31とを含む。メモリ22は、データおよびプログラムを格納する。
The
中央処理装置CPUは、メモリ22に格納されているプログラムを順次実行し、データ処理装置2全体の動作制御を行なう。
The central processing unit CPU sequentially executes the programs stored in the
シリアル通信部SCIOは、外部から入力されたデータをメモリ22に格納する。
アナログ・デジタル変換部(ADC)は、外部から入力されたアナログ信号をデジタル値に変換し、メモリ22に格納する。
The serial communication unit SCIO stores data input from the outside in the
The analog / digital converter (ADC) converts an analog signal input from the outside into a digital value and stores it in the
データ転送部DMACは、シリアル通信部SCIOやアナログ・デジタル変換部ADCのデジタルデータをメモリ22に格納する際に、バス21を経由したデータ転送を制御する。
The data transfer unit DMAC controls data transfer via the
割込コントローラINTCは、外部または内部の機能部が発行する割込信号を受けて、中央処理装置CPUに対する割込を発行させる。中央処理装置CPUは、割込内容に応じた処理を行なう。 The interrupt controller INTC receives an interrupt signal issued by an external or internal functional unit and issues an interrupt to the central processing unit CPU. The central processing unit CPU performs processing according to the interrupt contents.
クロック回路26は、低速クロック発振器LOCO、および高速クロック発振器HOCOを含む複数のクロックソースを含む。クロック回路26は、データ処理装置2の動作クロックCLKを発生させ、データ処理装置2内部の各機能部に応じた周波数の動作クロックを各機能部に供給する。
The
電源回路24は、外部供給電圧Vccを降圧または昇圧して、データ処理装置内の各構成要素へ供給する。電源回路24は、外部供給電源電圧Vccを降圧して内部動作電圧Vddなどを生成する降圧電源回路52を含む。
The
電圧検出部10は、外部供給電源電圧Vccの電圧変化に応じてパワーオンリセット動作の契機となるリセット信号を生成するパワーオンリセット回路PORと、外部供給電源電圧Vccの電圧低下に応じて割込み信号またはリセット信号を生成する電圧低下検出回路LVDとを有する。
The
システムコントローラSYSCは、データ処理装置全体の動作を制御する。システムコントローラSYSCは、中央処理装置CPUを含むデータ処理装置内の各機能ブロック(すなわち負荷回路)へのクロックおよび電源の供給を制御する。また、システムコントローラSYSCは、降圧電源回路52を制御する。
The system controller SYSC controls the operation of the entire data processing apparatus. The system controller SYSC controls supply of a clock and power to each functional block (that is, a load circuit) in the data processing device including the central processing unit CPU. Further, the system controller SYSC controls the step-down
図1、図2を参照して、センサ4は、アナログ・デジタル変換部ADCに入力されるアナログ信号を生成する。 With reference to FIGS. 1 and 2, the sensor 4 generates an analog signal to be input to the analog / digital conversion unit ADC.
通信部6は、端子14を経由してシステム外部とのデータ通信制御を行い、データをシリアル通信部SCIOに入力しまたはシリアル通信部SCIOからデータを受領する。
The communication unit 6 performs data communication control with the outside of the system via the
タイマ8は、データ処理装置2の設定する時間の経過に応じてデータ処理装置2に対して割込信号を発行する。
The timer 8 issues an interrupt signal to the
データ処理装置2には、外部に接続されたバッテリ12により動作電源電圧Vccが供給される。
The
(降圧電源回路)
図3は、第1の実施形態の降圧電源回路を表わす図である。
(Step-down power supply circuit)
FIG. 3 is a diagram illustrating the step-down power supply circuit according to the first embodiment.
図3を参照して、この降圧電源回路52は、降圧部50を備える。
降圧部50は、差動オペアンプ51を有する。
With reference to FIG. 3, the step-down
The step-down
差動オペアンプ51は、PチャネルMOSトランジスタTR1,TR2,TR5,TR7と、NチャネルMOSトランジスタTR4,TR3,TR6,TR8とで構成される。NチャネルMOSトランジスタTR6のゲートには、基準電圧Vrefが入力される。また、NチャネルMOSトランジスタTR3のゲートには、降圧電源回路52の出力ノードN4の降圧電圧Vddが入力される。
The differential
降圧部50は、さらに、NチャネルMOSトランジスタTR3とNチャネルMOSトランジスタTR6の接続ノードN2と、グランドGNDとの間に設けられたNチャネルMOSトランジスタTR9を備える。降圧部50は、さらに降圧電源回路52の出力ノードN4と、グランドGNDとの間に設けられたNチャネルMOSトランジスタTR10を備える。
The step-down
降圧部50は、さらに外部電源電圧ノードVccと降圧電源回路52の出力ノードN4との間に設けられるサイズの大きな出力MOSトランジスタTR40を備える。出力MOSトランジスタTR40は、NチャネルDMOS(double-diffused MOS)トランジスタで構成される。差動オペアンプ51の出力ノードN1は、出力MOSトランジスタTR40のゲートに接続される。差動オペアンプ51は、基準電圧Vrefと降圧電圧Vddの電位差に応じた電圧を出力MOSトランジスタTR40のゲートに印加する。
The step-down
降圧電源回路52の出力ノードN4は、負荷回路99に接続され、出力ノードN4の降圧電圧Vddが負荷回路99に供給される。
The output node N4 of the step-down
降圧電源回路52は、出力ノードN4と負荷回路99への経路と並列の補助経路RTに設けられるバイアス電流制御回路41を備える。すなわち、外部供給電圧ノードVccとグランドGNDとの間に、出力MOSトランジスタTR40のドレイン−ソース経路とバイアス電流制御回路41とが直列に接続される。
The step-down
バイアス電流制御回路41は、降圧電源回路52の出力ノードN4とグランドGNDとの間に、直列に接続されたNチャネルMOSトランジスタTR11とNチャネルMOSトランジスタTR12とを備える。
Bias current control circuit 41 includes an N channel MOS transistor TR11 and an N channel MOS transistor TR12 connected in series between output node N4 of step-down
NチャネルMOSトランジスタTR11のゲートには、バイアス制御信号icontが入力される。バイアス制御信号icontの大きさは、通常動作状態から低消費電力状態へ遷移するとき、および低消費電力状態から通常動作状態へ遷移するときに、「H」レベルに活性化される。 A bias control signal icont is input to the gate of the N-channel MOS transistor TR11. The magnitude of the bias control signal icont is activated to “H” level when transitioning from the normal operation state to the low power consumption state and when transitioning from the low power consumption state to the normal operation state.
一方、NチャネルMOSトランジスタTR9のゲート、NチャネルMOSトランジスタTR10のゲート、NチャネルMOSトランジスタTR12のゲートには、制御信号vbiasが入力される。制御信号vbiasは、通常動作状態および低消費電力状態の最初と最後の期間で「H」レベルであり、低消費電力状態の最初と最後を除く期間で、「L」レベルである。 On the other hand, control signal vbias is input to the gate of N channel MOS transistor TR9, the gate of N channel MOS transistor TR10, and the gate of N channel MOS transistor TR12. The control signal vbias is “H” level in the first and last periods of the normal operation state and the low power consumption state, and is “L” level in the period excluding the first and last of the low power consumption state.
したがって、通常動作状態から低消費電力状態へ遷移するとき、および低消費電力状態から通常動作状態へ遷移するとき、つまり、負荷回路99おいて動作に必要な電流量の比較的大きな変化を伴う動作状態が変化するときに、バイアス電流制御回路41を通じて、出力ノードN4からグランドGNDへの補助経路RTを流れるバイアス電流Ibが増加する。
Therefore, when transitioning from the normal operation state to the low power consumption state and when transitioning from the low power consumption state to the normal operation state, that is, operations involving a relatively large change in the amount of current required for operation in the
(降圧電源回路52の動作タイミング)
図4は、データ処理装置の通常動作状態から低消費電力状態へ遷移するときと、低消費電力状態から通常動作状態へ遷移するときの動作を説明するための図である。
(Operation timing of step-down power supply circuit 52)
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the data processing apparatus when transitioning from the normal operation state to the low power consumption state and when transitioning from the low power consumption state to the normal operation state.
図4を参照して、通常動作状態では、比較的消費電力が高い状態である。通常動作状態では、中央処理装置CPUは、高速クロック発振器HOCOから出力される50MHzのクロック信号に同期して動作する。また、データ処理装置2内の他の機能ブロックも動作する。
Referring to FIG. 4, in the normal operation state, the power consumption is relatively high. In the normal operation state, the central processing unit CPU operates in synchronization with a 50 MHz clock signal output from the high-speed clock oscillator HOCO. In addition, other functional blocks in the
低消費電力状態では、比較的消費電力が小さい状態である。低消費電力状態では、中央処理装置CPUには、クロック信号の供給が停止される。 In the low power consumption state, the power consumption is relatively small. In the low power consumption state, the supply of the clock signal to the central processing unit CPU is stopped.
(a) 通常動作状態から低消費電力状態への遷移について
中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99が、通常動作状態から低消費電力状態へ遷移する場合、状態遷移に先行して、システムコントローラSYSCは、バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontを「H」レベルに活性化する。
(A) Transition from the normal operation state to the low power consumption state When the
バイアス電流制御回路41は、バイアス制御信号Icontの活性化に応答して、降圧電源回路52の出力ノードN4からグランドGNDへ流れる電流量を増加させる。
The bias current control circuit 41 increases the amount of current flowing from the output node N4 of the step-down
これにより、出力ノードN4の電圧は低下するが、中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99へ流れている電流量が相対的に大きく、出力MOSトランジスタTR40のドレイン−ソース経路のオン抵抗は十分に低下しているため、この電圧低下は限定的であり、出力MOSトランジスタTR40のゲート電極への印加電圧はほとんど変化しない。この状態において、中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99が低消費電力状態へ遷移する。中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99への電流供給が不要になったことによって出力ノードN4での電荷滞留が生じるが、この電荷滞留は、バイアス電流制御回路41を介してグランドGNDへ放出できる電流量を増加させているため、出力ノードN4での電圧上昇を抑制することができる。
As a result, the voltage at the output node N4 decreases, but the amount of current flowing to the
中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99が低消費電力状態への遷移を完了し、さらに出力ノードN4での電荷滞留の解消にかかる所定時間だけ待ってから、システムコントローラSYSCは、制御信号vbiasを「L」レベルに設定し、バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontを「L」レベルに非活性化する。
After the
中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99が低消費電力状態に遷移をしても、割込コントローラINTCなどの動作を行っている機能ブロックは存在するため、負荷回路99全体としては所定量の電流を消費している。バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontの非活性化後は、降圧電源回路52は、負荷回路99が必要とする所定量の電流を供給し、出力ノードN4の電位Vddを一定に維持する程度の電圧を出力MOSトランジスタTR40のゲート電極に印加する。
Even if the
(b) 低消費電力状態から通常動作状態への遷移について
中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99が、低消費電力状態から通常動作状態へ遷移する場合、状態遷移に先行してシステムコントローラSYSCは、制御信号vbiasを「H」レベルに設定し、バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontを「H」レベルに活性化する。
(B) Transition from the low power consumption state to the normal operation state When the
バイアス電流制御回路41は、バイアス制御信号Icontの活性化に応答して、降圧電源回路52の出力ノードN4からグランドGNDへ流れる電流量を増加させる。出力MOSトランジスタTR40は、低消費電力状態の負荷回路99が必要とする所定量の電流を供給する程度の電圧をゲート電極へ印加しているため、バイアス電流制御回路41によってグランドGNDへ流れるバイアス電流Ibが増加すると、出力ノードN4の電圧が低下する。出力ノードN4の電圧低下に応答して、差動オペアンプ51は、出力MOSトランジスタTR40のゲート電極の印加電圧を高くして、出力MOSトランジスタTR40を流れる電流量を増加させる。この状態になってから、中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99が通常動作状態に遷移しても、中央処理装置CPUなどを含む負荷回路99が必要する電流を出力MOSトランジスタTR40は供給することができ、出力ノードN4の電圧低下を抑制することができる。
The bias current control circuit 41 increases the amount of current flowing from the output node N4 of the step-down
(データ処理システムの動作タイミング)
図5は、データ処理システムの動作タイミングを表わす図である。
(Data processing system operation timing)
FIG. 5 is a diagram showing the operation timing of the data processing system.
図2および図5を参照して、第1の期間TP1では、データ処理装置2がタイマ8により一定時間間隔で起動し、所定の処理を行った後に低消費電力状態に遷移することを繰返している。また、所定のイベントが生じたことを契機とする第2の期間においては、そのイベントに対応するための処理が行われる。
2 and 5, in the first period TP1, the
このように動作するデータ処理システムとして、たとえば、電力メータに用いられるデータ処理システムが該当する。 As a data processing system that operates in this way, for example, a data processing system used in a power meter is applicable.
すなわち、このデータ処理システムは、所定時間(たとえば24時間)毎に電力使用量を記録(たとえば処理時間0.1秒)または通知する。そして、このデータ処理システムは、月毎に使用電力量を電力会社へ通知(たとえば処理時間1秒)する。 That is, the data processing system records (for example, processing time 0.1 second) or notifies the power usage amount every predetermined time (for example, 24 hours). The data processing system notifies the power company of the amount of power used every month (for example, processing time is 1 second).
第1の期間TP1では、割込コントローラINTCが、タイマ8からの通知を受信し、中央処理装置CPUへ割込み通知を発生させる。中央処理装置CPUは、割込み通知を受けると、低消費電力状態から通常動作状態へ遷移する。この通常動作状態では、中央処理装置CPUは、電力使用量記録処理(処理1)や、数分ごとの記録した電力使用量の通知処理(処理2)を行なう。 In the first period TP1, the interrupt controller INTC receives the notification from the timer 8 and generates an interrupt notification to the central processing unit CPU. When receiving the interrupt notification, the central processing unit CPU transitions from the low power consumption state to the normal operation state. In this normal operation state, the central processing unit CPU performs a power consumption recording process (Process 1) and a notification process (Process 2) of the recorded power usage every few minutes.
第2の期間TP2では、割込コントローラINTCが、ユーザからの要求などの所定のイベントが発生すると、中央処理装置CPUへ割込み通知を発生させる。中央処理装置CPUは、割込み通知を受けると、低消費電力状態から通常動作状態へ遷移する。この通常動作状態では、中央処理装置CPUは、1ヶ月分の記録した電力使用量の通知処理(処理3)を行ない、または制御プログラムの更新処理を行なう。 In the second period TP2, when a predetermined event such as a request from the user occurs, the interrupt controller INTC generates an interrupt notification to the central processing unit CPU. When receiving the interrupt notification, the central processing unit CPU transitions from the low power consumption state to the normal operation state. In this normal operation state, the central processing unit CPU performs notification processing (processing 3) of the recorded power consumption for one month, or performs control program update processing.
(低消費電力状態から通常動作状態への遷移)
図6は、データ処理システムが、低消費電力状態から通常動作状態へ遷移する際の動作を説明するための図である。
(Transition from low power consumption state to normal operation state)
FIG. 6 is a diagram for explaining an operation when the data processing system transitions from the low power consumption state to the normal operation state.
まず、割込コントローラINTCは、タイマ8からの通知((1)に示す)を受けて、システムコントローラSYSCに対して、中央処理装置CPUを低消費電力状態から通常動作状態へ遷移させるように通知する((2)に示す)。 First, the interrupt controller INTC receives the notification from the timer 8 (shown in (1)) and notifies the system controller SYSC to shift the central processing unit CPU from the low power consumption state to the normal operation state. (Shown in (2)).
システムコントローラSYSCは、割込コントローラINTCからのこの通知に応答して、バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontの出力を開始する、すなわち「H」レベルに活性化する((3)に示す)。 In response to this notification from the interrupt controller INTC, the system controller SYSC starts outputting the bias control signal Icont to the bias current control circuit 41, that is, activates to the “H” level (shown in (3)). ).
システムコントローラSYSCは、降圧電源回路52の出力MOSトランジスタTR40が流すことができる電流量が増加するまでの所定時間を待機した後、中央処理装置CPUに対して通常動作状態への遷移指示を発行する((4)に示す)。
The system controller SYSC waits for a predetermined time until the amount of current that can be supplied by the output MOS transistor TR40 of the step-down
割込コントローラINTCは、中央処理装置CPUが通常動作状態への遷移が完了したことに応答して、中央処理装置CPUに対して割込み通知を発行する((5)に示す)。 The interrupt controller INTC issues an interrupt notification to the central processing unit CPU in response to the completion of the transition of the central processing unit CPU to the normal operation state (shown in (5)).
中央処理装置CPUは、割込コントローラINTCからの割込み通知に応答して、処理を開始する((6)に示す)。 The central processing unit CPU starts processing in response to the interrupt notification from the interrupt controller INTC (shown in (6)).
システムコントローラSYSCは、中央処理装置CPUが通常動作状態への遷移が完了し、かつ降圧電源回路52の出力ノードN4での電圧降下の発生が抑制できるまでの所定時間経過を待って、バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontの出力を停止する、すなわち「L」レベルに非活性化する。
The system controller SYSC waits for the elapse of a predetermined time until the central processing unit CPU completes the transition to the normal operation state and the occurrence of the voltage drop at the output node N4 of the step-down
(通常動作状態から低消費電力状態への遷移)
図7は、データ処理システムが、通常動作状態から低消費電力状態へ遷移する際の動作を説明するための図である。
(Transition from normal operation state to low power consumption state)
FIG. 7 is a diagram for explaining an operation when the data processing system transits from the normal operation state to the low power consumption state.
中央処理装置CPUは、処理を完了すると((1)に示す)、システムコントローラSYSCへ低消費電力状態へ遷移することを要求する((2)に示す)。 When the central processing unit CPU completes the process (shown in (1)), it requests the system controller SYSC to transition to the low power consumption state (shown in (2)).
システムコントローラSYSCは、中央処理装置CPUからのこの要求に応答して、バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontの出力を開始して(つまり「H」レベルに活性化して)、バイアス電流制御回路41がグランドGNDへ流すことのできるバイアス電流Ibの量を増加させる((3)に示す)。 In response to this request from the central processing unit CPU, the system controller SYSC starts outputting the bias control signal Icont to the bias current control circuit 41 (that is, activated to the “H” level) to control the bias current. The amount of the bias current Ib that the circuit 41 can flow to the ground GND is increased (shown in (3)).
その後、システムコントローラSYSCは、中央処理装置CPUに対して低消費電力状態への遷移指示を発行する((4)に示す)。 Thereafter, the system controller SYSC issues a transition instruction to the low power consumption state to the central processing unit CPU (shown in (4)).
その後、システムコントローラSYSCは、中央処理装置CPUの動作が停止したことによって生じる電荷滞留が解消されるのに要する所定時間が経過した後、バイアス電流制御回路41へのバイアス制御信号Icontの出力を停止する(つまり、「L」レベルに非活性化する)((5)に示す)。 Thereafter, the system controller SYSC stops outputting the bias control signal Icont to the bias current control circuit 41 after a predetermined time required for eliminating the charge retention caused by the stop of the operation of the central processing unit CPU. (That is, deactivated to “L” level) (shown in (5)).
以上のように、第1の実施形態によれば、通常動作状態から低消費電力状態への遷移、および低消費電力状態から通常動作状態への遷移の際に、遷移に先行して、負荷回路への経路とは別の補助経路を流れるバイアス電流を増加させ、かつ遷移後所定時間経過後バイアス電流の増加を停止させる。これによって、負荷回路の内部動作状態に応じて、適切なタイミングで負荷回路が必要とする電流を供給でき、また負荷回路に供給する電圧の不測の低下や上昇を抑制することができる。 As described above, according to the first embodiment, the load circuit precedes the transition in the transition from the normal operation state to the low power consumption state and in the transition from the low power consumption state to the normal operation state. The bias current flowing in the auxiliary path different from the path to is increased, and the increase of the bias current is stopped after a predetermined time has elapsed after the transition. Thereby, the current required by the load circuit can be supplied at an appropriate timing according to the internal operation state of the load circuit, and an unexpected decrease or increase in the voltage supplied to the load circuit can be suppressed.
[第2の実施形態]
図8は、第2の実施形態の降圧電源回路を表わす図である。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a diagram illustrating a step-down power supply circuit according to the second embodiment.
この降圧電源回路62は、第1降圧部60と、第2降圧部61と、バイアス電流制御回路41とを備える。
The step-down
バイアス電流制御回路41は、図3に示すものと同様である。
第1降圧部60は、図3の降圧部50とほぼ同様の構成を有する。第1降圧部60が、図3の降圧部50と相違する点は、以下である。
The bias current control circuit 41 is the same as that shown in FIG.
The first step-down
第1降圧部60は、PチャネルMOSトランジスタTR1およびPチャネルMOSトランジスタTR2のゲートと、外部電源電圧ノードVccとの間に設けられたPチャネルMOSトランジスタTR21を備える。PチャネルMOSトランジスタTR21のゲートには、制御信号/pdが入力される。制御信号/pdが「L」レベルになると、PチャネルMOSトランジスタTR21がオンとなり、その結果、PチャネルMOSトランジスタTR1およびPチャネルMOSトランジスタTR2がオフとなり、電流が流れないので、電力消費を削減できる。
First step-down
第1降圧部60は、PチャネルMOSトランジスタTR5およびPチャネルMOSトランジスタTR7のゲートと、外部電源電圧ノードVccとの間に設けられたPチャネルMOSトランジスタTR22を備える。PチャネルMOSトランジスタTR22のゲートには、制御信号/pdが入力される。制御信号/pdが「L」レベルになると、PチャネルMOSトランジスタTR22がオンとなり、その結果、PチャネルMOSトランジスタTR5およびPチャネルMOSトランジスタTR7がオフとなり、電流が流れないので、電力消費を削減できる。
First step-down
第1降圧部60は、外部電源電圧ノードVccと出力MOSトランジスタTR40との間に設けられたPチャネルMOSトランジスタTR23を備える。PチャネルMOSトランジスタTR23のゲートには、制御信号pdが入力される。
First step-down
第1降圧部60は、出力トランジスタTR40のゲートとグランドGNDとの間に設けられたNチャネルMOSトランジスタTR24を備える。NチャネルMOSトランジスタTR24のゲートには、制御信号pdが入力される。
The first step-down
制御信号pdが「H」レベルになると、PチャネルMOSトランジスタTR23はオフとなり、出力MOSトランジスタTR40がオフとなる。これによって、出力MOSトランジスタTR40に電流が流れず、電力消費を削減できる。 When the control signal pd becomes “H” level, the P-channel MOS transistor TR23 is turned off and the output MOS transistor TR40 is turned off. As a result, no current flows through the output MOS transistor TR40, and power consumption can be reduced.
また、第2の実施形態では、NチャネルMOSトランジスタTR9のゲート、NチャネルMOSトランジスタTR10のゲート、およびNチャネルMOSトランジスタTR12のゲートに入力される制御信号vbiasは、第1の実施形態と同様に、通常動作状態および低消費電力状態の最初と最後の期間で「H」レベルであり、低消費電力状態の最初と最後を除く期間で、「L」レベルである。これによって、低消費電力状態では、これらのトランジスタに電流が流れず、電力消費を削減できる。 In the second embodiment, the control signal vbias input to the gate of the N-channel MOS transistor TR9, the gate of the N-channel MOS transistor TR10, and the gate of the N-channel MOS transistor TR12 is the same as in the first embodiment. “H” level in the first and last periods of the normal operation state and the low power consumption state, and “L” level in the period excluding the first and last of the low power consumption state. Thus, in the low power consumption state, no current flows through these transistors, and power consumption can be reduced.
通常動作状態および低消費電力状態の最初と最後の期間ででは、図9に示すように、システムコントローラSYSCは、制御信号vbiasを「H」レベルに設定し、制御信号pdを「L」レベルに設定し、制御信号/pdを「H」レベルに設定する。これによって、出力MOSトランジスタTR40、PチャネルMOSトランジスタTR1,TR2,TR5,TR7、NチャネルMOSトランジスタTR9,TR10,TR12がオンとなり、第1降圧部60での降圧動作が実行される。
In the first and last periods of the normal operation state and the low power consumption state, as shown in FIG. 9, the system controller SYSC sets the control signal vbias to the “H” level and the control signal pd to the “L” level. Then, the control signal / pd is set to the “H” level. As a result, the output MOS transistor TR40, the P channel MOS transistors TR1, TR2, TR5, TR7 and the N channel MOS transistors TR9, TR10, TR12 are turned on, and the step-down operation in the first step-down
また、低消費電力状態の最初と最後を除く期間では、システムコントローラSYSCは、図9に示すように、制御信号vbiasを「L」レベルに設定し、制御信号pdを「H」レベルに設定し、制御信号/pdを「L」レベルに設定する。これによって、出力MOSトランジスタTR40、PチャネルMOSトランジスタTR1,TR2,TR5,TR7、NチャネルMOSトランジスタTR9,TR10,TR12がオフとなり、第1降圧部60での降圧動作が実行されないが、リーク電流を抑制することが可能となる。
Further, in the period excluding the first and last in the low power consumption state, the system controller SYSC sets the control signal vbias to the “L” level and the control signal pd to the “H” level as shown in FIG. The control signal / pd is set to the “L” level. As a result, the output MOS transistor TR40, the P-channel MOS transistors TR1, TR2, TR5, TR7 and the N-channel MOS transistors TR9, TR10, TR12 are turned off, and the step-down operation in the first step-down
第2降圧部61は、図3の差動オペアンプ51と同様の差動オペアンプ54を有する。
第2降圧部61は、外部電源電圧ノードVccと降圧電源回路の出力ノードN4との間に設けられるサイズの小さな出力MOSトランジスタTR25を備える。出力MOSトランジスタTR25は、PチャネルMOSトランジスタで構成される。差動オペアンプ54の出力ノードは、出力MOSトランジスタTR25のゲートに接続される。差動オペアンプ54は、基準電圧Vrefと降圧電圧Vddの電位差に応じた電圧を出力MOSトランジスタTR25のゲートに印加する。
The second step-down
The second step-down
第2降圧部61は、データ処理装置に外部電源が供給されている間は常時動作し、負荷回路99に降圧電圧Vddを供給する。第2降圧部61は、中央処理装置CPUが低消費電力状態にある期間にも、負荷回路99に含まれる動作状態にある割込コントローラINTCやシステムコントローラSYSCなどが動作するために必要となる電流を供給する。
The second step-down
以上のように、第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、負荷回路の内部動作電圧の電圧レベルを迅速に上昇させることができる。また、第2の実施形態では、通常動作状態では、第1降圧部と第2降圧部によって降圧動作が実行され、低消費電力状態では、第2降圧部のみで降圧動作が実行される。 As described above, according to the second embodiment, similarly to the first embodiment, the voltage level of the internal operating voltage of the load circuit can be quickly increased. In the second embodiment, the step-down operation is executed by the first step-down unit and the second step-down unit in the normal operation state, and the step-down operation is executed only by the second step-down unit in the low power consumption state.
[第3の実施形態]
図10は、第3の実施形態の降圧電源回路を表わす図である。
[Third Embodiment]
FIG. 10 is a diagram illustrating a step-down power supply circuit according to the third embodiment.
図10を参照して、この降圧電源回路72が、図8の降圧電源回路と相違する点は、バイアス電流制御回路である。
Referring to FIG. 10, this step-down
図10のバイアス電流制御回路42は、降圧電源回路72の出力ノードN4とグランドGNDとの間に、直列に接続されたNチャネルDMOSトランジスタTR31とNチャネルMOSトランジスタTR12とを備える。
The bias current control circuit 42 of FIG. 10 includes an N-channel DMOS transistor TR31 and an N-channel MOS transistor TR12 connected in series between the output node N4 of the step-down
NチャネルMOSトランジスタTR12のゲートには、バイアス制御信号icontが入力される。バイアス制御信号icontの大きさは、第1および第2の実施形態と同様に、通常動作状態から低消費電力状態へ遷移するとき、および低消費電力状態から通常動作状態へ遷移するときに、遷移に先行して「H」レベルに活性化され、遷移後所定時間経過してから、「L」レベルに比活性化される。 A bias control signal icont is input to the gate of the N-channel MOS transistor TR12. As in the first and second embodiments, the magnitude of the bias control signal icont changes when transitioning from the normal operation state to the low power consumption state and when transitioning from the low power consumption state to the normal operation state. The signal is activated to “H” level prior to the transition to “L” level after a predetermined time elapses after the transition.
NチャネルDMOSトランジスタTR31のゲートは、出力ノードN4に接続される。
出力ノードN4の電圧が高いときには、NチャネルDMOSトランジスタTR31はオン抵抗が小さくなり、バイアス電流制御回路42に流れるバイアス電流Ibが増加する。一方、出力ノードN4の電圧が低いときには、NチャネルDMOSトランジスタTR31のオン抵抗は大きくなり、バイアス電流制御回路42に流れるバイアス電流Ibは減少する。
N channel DMOS transistor TR31 has its gate connected to output node N4.
When the voltage at output node N4 is high, N-channel DMOS transistor TR31 has a low on-resistance, and bias current Ib flowing through bias current control circuit 42 increases. On the other hand, when the voltage at output node N4 is low, the on-resistance of N-channel DMOS transistor TR31 increases and the bias current Ib flowing through bias current control circuit 42 decreases.
以上のように、第3の実施形態によれば、第2の実施形態と同様の効果が得られる。
(変形例)
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば以下のような変形例の含む。
As described above, according to the third embodiment, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
(Modification)
The present invention is not limited to the above embodiment, and includes, for example, the following modifications.
(1) 遷移
本発明の実施形態では、データ処理装置内の中央処理装置などの機能ブロックにおいて動作に必要な電流量の比較的大きな変化を伴う動作状態の変化として、通常動作状態から低消費電力状態への遷移、および低消費電力状態から通常動作状態への遷移について説明した。そして、通常動作状態では、中央処理装置CPUに高速クロック発振器HOCOが供給され、低消費電力状態では、中央処理装置CPUにクロックが供給されないものとしたが、これに限定するものではない。
(1) Transition In the embodiment of the present invention, as a change in the operation state accompanied by a relatively large change in the amount of current required for operation in a functional block such as a central processing unit in the data processing device, power consumption is reduced from the normal operation state. The transition to the state and the transition from the low power consumption state to the normal operation state have been described. In the normal operation state, the high-speed clock oscillator HOCO is supplied to the central processing unit CPU. In the low power consumption state, the clock is not supplied to the central processing unit CPU. However, the present invention is not limited to this.
一般に、データ処理装置内の中央処理装置などの機能ブロックにおいて動作に必要な電流量の比較的大きな変化を伴う動作状態の変化として、相対的に低消費電力状態から相対的に高消費電力状態への遷移、または相対的に高消費電力状態から相対的に低消費電力状態への遷移が該当する。 Generally, from a relatively low power consumption state to a relatively high power consumption state as a change in operation state accompanied by a relatively large change in the amount of current required for operation in a functional block such as a central processing unit in a data processing device. Or a transition from a relatively high power consumption state to a relatively low power consumption state.
このような相対的に低消費電力状態と相対的に高消費電力状態の間の遷移の例として、前述のもの以外に、たとえば、クロック分周比の変更によるクロック回路から出力されるクロックの周波数が変化することとしてもよい。すなわち、クロック分周比の変更によって、相対的に高消費電力状態では、中央処理装置CPUに高周波数のクロックが供給され、相対的に低消費電力状態では、中央処理装置CPUに低周波数のクロックが供給されるものとしてもよい。 As an example of the transition between the relatively low power consumption state and the relatively high power consumption state, in addition to the above, for example, the frequency of the clock output from the clock circuit by changing the clock division ratio May be changed. That is, by changing the clock division ratio, a high-frequency clock is supplied to the central processing unit CPU in a relatively high power consumption state, and a low-frequency clock is supplied to the central processing unit CPU in a relatively low power consumption state. May be supplied.
また、このような遷移の別の例として、クロックソースの変更によってクロック回路から出力されるクロックの周波数が変化することとしてもよい。すなわち、相対的に高消費電力状態では、中央処理装置CPUに高速クロック発振器HOCOからのクロックが供給され、相対的に低消費電力状態では、中央処理装置CPUに低速クロック発振器LOCOからのクロックが供給されることととしてもよい。 As another example of such a transition, the frequency of the clock output from the clock circuit may be changed by changing the clock source. That is, in the relatively high power consumption state, the clock from the high-speed clock oscillator HOCO is supplied to the central processing unit CPU, and in the relatively low power consumption state, the clock from the low-speed clock oscillator LOCO is supplied to the central processing unit CPU. It may also be done.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 データ処理システム、2 データ処理装置、4 センサ、6 通信部、8 タイマ、12 バッテリ、14 端子、18 プリント配線基板、21 バス、22 メモリ、23 フラッシュメモリ、24 電源回路、26 クロック回路、30 ROM,31 RAM、41,42 バイアス電流制御回路、50 降圧部、51,54 差動オペアンプ、52 降圧電源回路、60 第1降圧部、61 第2降圧部、99 負荷回路、ADC アナログ・デジタル変換部、CPU 中央処理装置、DMAC データ転送部、INTC 割込コントローラ、LVD 電圧低下検出回路、POR パワーオンリセット回路、SCIO シリアル通信部、SYSC システムコントローラ、HOCO 高速クロック発振器、LOCO 低速クロック発振器、TR1〜TR12,TR21〜TR25,TR31,TR40 MOSトランジスタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Data processing system, 2 Data processing apparatus, 4 Sensor, 6 Communication part, 8 Timer, 12 Battery, 14 terminal, 18 Printed wiring board, 21 Bus, 22 Memory, 23 Flash memory, 24 Power supply circuit, 26 Clock circuit, 30 ROM, 31 RAM, 41, 42 Bias current control circuit, 50 step-down unit, 51, 54 differential operational amplifier, 52 step-down power supply circuit, 60 first step-down unit, 61 second step-down unit, 99 load circuit, ADC analog / digital conversion Unit, CPU central processing unit, DMAC data transfer unit, INTC interrupt controller, LVD voltage drop detection circuit, POR power-on reset circuit, SCIO serial communication unit, SYSC system controller, HOCO high-speed clock oscillator, LOCO low-speed clock oscillator, TR1 T R12, TR21 to TR25, TR31, TR40 MOS transistors.
Claims (4)
バッテリと、
センサと、
タイマと、
通信部と、
前記バッテリから動作電源電圧を供給され、前記タイマにより間欠的に起動により、その消費電流量が相対的に小さい低消費電力状態からその消費電流量が相対的に大きい高消費電力状態へ遷移されて前記センサからの出力を処理し、その処理されたデータを前記通信部へ供給し、その後、前記高消費電力状態から前記低消費電力状態へ遷移する様に制御されるデータ処理装置とを備え、
前記データ処理装置は、
中央処理装置を含み、供給される電力で動作する負荷回路と、
前記動作電源電圧を降圧し、出力ノードが前記負荷回路に接続される降圧電源回路とを備え、
前記降圧電源回路は、
前記動作電源電圧を降圧する第1の降圧部と、
前記出力ノードからグランドまでの補助経路を流れるバイアス電流の大きさを制御するバイアス電流制御回路とを備え、
前記データ処理装置は、さらに、前記負荷回路が前記低消費電力状態から前記高消費電力状態へ遷移する際及び、前記高消費電力状態から前記低消費電力状態へ遷移する際、遷移に先行して前記バイアス電流の大きさを増加させる制御部と備える、データ処理システム。 A data processing system,
Battery,
A sensor,
A timer,
A communication department;
When the operation power supply voltage is supplied from the battery and intermittently started by the timer, a transition is made from a low power consumption state with a relatively small current consumption amount to a high power consumption state with a relatively large current consumption amount. A data processing device that processes the output from the sensor, supplies the processed data to the communication unit, and is then controlled to transition from the high power consumption state to the low power consumption state;
The data processing device includes:
A load circuit including a central processing unit and operating with supplied power;
A step-down power supply circuit that steps down the operating power supply voltage and has an output node connected to the load circuit;
The step-down power supply circuit includes:
A first step-down unit for stepping down the operating power supply voltage;
A bias current control circuit for controlling the magnitude of the bias current flowing through the auxiliary path from the output node to the ground,
The data processing device further precedes a transition when the load circuit transitions from the low power consumption state to the high power consumption state and from the high power consumption state to the low power consumption state. A data processing system comprising a control unit for increasing the magnitude of the bias current.
基準電圧と、前記出力ノードとの電位差を増幅する差動オペアンプと、
前記出力ノードと外部電源ノードとの間に設けられ、ゲートが前記差動オペアンプの出力に接続される出力トランジスタとを備えた、請求項1記載のデータ処理システム。 The first step-down unit
A differential operational amplifier for amplifying a potential difference between a reference voltage and the output node;
The data processing system according to claim 1, further comprising: an output transistor provided between the output node and an external power supply node and having a gate connected to an output of the differential operational amplifier.
前記動作電源電圧を降圧する第2の降圧部を備え、
前記第1の降圧部は、前記高消費電力状態においてのみ動作し、
前記第2の降圧部は、前記高消費電力状態および前記低消費電力状態において動作する、請求項1記載のデータ処理システム。 The step-down power supply circuit further includes a second step-down unit that steps down the operating power supply voltage,
The first step-down unit operates only in the high power consumption state,
The data processing system according to claim 1, wherein the second step-down unit operates in the high power consumption state and the low power consumption state.
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