TW526440B - Method for controlling the charging and discharging phases of a backup capacitor - Google Patents

Description

526440 抽 3 日 ΐΐ| Α7 ^11f] 7ti B7 --—------ 五、發明説明（1 ) 本發明是關於控制一支援電容器充電及放電狀態之方 法，係用於具有資料處理單元的資料媒體，支援電容器係 連接至資料處理單元的電壓供應輸入，此方法具有下列步 騾： - 資料處理單元及支援電容器與供應電位隔離； - 資料處理單元中，執行算術運算；以及 - 支援電容器連接至供應電位，如此便可充電支援電容 器。 此方法的背景是，需要設計用來處理秘密鑰匙資料的資 料處理單元，以致於不能從計算運作期間的功率消耗取得 ，鑰匙資料的結果。特別而言，如此可用來防止其使用稱為 「簡單功率分析」（Simple Power Analysis，簡稱SPA)及 「差動功率分析」（Differential Power Analysis，簡稱 DP A ) 的分析方法。當一直執行緊要的算術運算時，在計算週期 的期間，緩衝送至算術與邏輯單元的電壓供應，會隱藏算 術與邏輯單元的電流輪廓。然而，從支援電容器的放電位 準，即可在緩衝週期的期間，分辨資料處理單元中的作業 次數。這會有風險，因為之後的重新充電電流，其取決於 支援電容器之先前的放電位準，可用來取得已處理過的秘 密資料之結果，或者是可取得專屬算術處理之結果。 WO 00/13300提出具有暫時能量儲存、主要能量儲存及 切換裝置的電源供應裝置。在電源供應輸入與主要能量儲 存之間之暫時能量儲存的另一種轉換，可防止連接於輸出 端之資料處理單元中的算術運算結果，因為於電源供應輸 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） °! I ^ 526440 A7 ： B7 - 五、發明説明（2 ) 入端所量測到的電流輪廓而取得。可藉由在重新充電之 前，先放電至限定的位準之暫時能量儲存的優點，而提升 防護。然而，在放電運作之前，取決於暫時能量儲存的初 始電壓充電狀態之放電電流，係意謂其不能完全防止電流 輪廓分析。 德國專利DE 199 07 575 A1揭露了傳送供應電流的電流 配置。在各種不同的恆定電流之間的轉換，會產生電流輪 廓，其能防止連接至電源供應單元之資料處理安裝的運作 顯示出來。然而，藉由這種電流配置，也不能提供電流輪 廓分析的完全防護。 因此，本發明的目的就是在資料處理單元中，使用支援 電容器來提供緩衝，以致於當支援電容器重新充電時，在 計算週期的期間，不能取得功率消耗的結果。除此之外， 會指定完成此方法的電路配置。 就方法而言，此目的的達成係藉由序論中所提及的方法 型式，其特徵為，在支援電容器充電之前，支援電容器會 放電至具有恆定電流的指定電壓。 就電路配置而言，此目的的達成係藉由一種電路配置， 其具有：支援電容器，其係藉由可切換的恆定電流源來放 電，此支援電容器係連接至供應電位；比較器，其第一輸 入係連接至支援電容器，並施加參考電壓於其第二輸入； 以及控制單元，其係連接至比較器的輸出端，此控制單元 可啟動用於連接支援電容器至供應電位的開關以及用於切 換恆定電流源的開關。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

526440 A7 B7 五、發明説明（3 ) 將支援電容器放電至指定電壓，係意謂當此電容器充電 時，開始的電荷總是相同。因此，在計算週期之後，不能 再取得支援電容器之充電狀態的結果。 特別有助益的是，因為對於用來偵測已到達預定電壓的 電路配置而言，必需假設會有失效時間，所以支援電容器 會放電至具有恆定電流的指定電壓。此時，支援電容器還 可進一步放電。如果放電不是以恆定電流來完成，則在放 電狀態結束後，支援電容器的電壓會再次取決於已執行完 算數運算後的放電位準，雖然程度會比基於先前技藝的方 法或電路配置來得小。在一種有助益的電路配置之細部改 ;良中’具有怪定電流的放電可由電流鏡電路來產生。 也有助益的是，如果支援電容器係藉由包括電阻器及電 晶體的爭聯電路來放電，這樣會形成分壓器，其配置可比 較連接於電晶體與電阻器之間的電壓，與帶隙參考的特定 電壓。 底下將使用具體實施例的例子，更詳細地解釋本發明。 在圖式中： 圖1 繪示的是本發明電路配置之第一種線路圖；以及 圖2繪示的是本發明電路配置之第二種更具體的細部改 良。 圖1繪示的是電路配置的基本設計，其可用來完成本發 明的方法。用於資料媒體的資料處理單元1不是直接連接 至供應電壓VCC，而是直接連接至供應電壓輸入6，這樣 可以藉由第一開關S 1，而與供應電壓V C C隔離。除此之 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 裝 玎 線 526440 A7 B7 五、發明説明（4 ) 外，支援電容器C係連接至供應電壓輸入6。當第一開關 S 1關閉時，資料處理單元1的電壓供應，會由支援電容器 C來提供。可由支援電容器C供應之資料處理單元1上的運 作週期，係取決於電容器C的電容量以及資料處理單元1 的功率消耗。此配置的目的就是當一直執行該資料處理單 元中之緊要的（亦即有關安全性）的算術運算時，將來自 供應電壓V C C的資料處理單元1解耦合（decouple )，因此 可防止取得秘密鑰匙的結果，其中此秘密鑰匙係以含有資 料處理單元1之全部電路的功率消耗為基礎。然而，當已 執行完算術運算，如果開關S 1再次開啟，則電容器C會充 ，電，然而當一直執行秘密算術運算時，充電電流會用來顯 示已自電容器C取得多少電荷。 為了防止這種情形，電容器C會放電至特定的電壓值， 之後會再次充電至額定的電壓。一種可達成這樣之設想方 式是，將電容器C放電至恆定電壓，其中此恆定電壓係由 合適的電路所產生。然而，這意謂恆定電壓源會轉移到電 容器負載。實際上，因為恆定電壓源不是理想的，並且係 由供應電壓來提供電源，所以這種解決方式也會產生供應 電流，其取決於電容器C的電壓位準。因此，在秘密算術 運算的期間，這樣的電路並不適於完全隱藏功率消耗。 相較之下，基於本發明，電容器C會經由恆定電壓源3放 電，直到通過電容器C的電壓到達定義的下限值。然後， 開關S 2會使放電路徑中斷，並且開關S 1會開啟，因此會 再次對電容器C充電。藉由比較器2比較通過電容器C的電 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

五、發明説明（5 526440 壓人參考私壓Uref ’可偵測出電壓的下限值。連接於比 器2的輸出端的是控制單元4，其會控制開關“及。。‘ =開t執仃秘！^術運算之前，以及已執行完秘密算術運 彳，控制單元4本身會由資料處理單元1來啟動。這係 表示當需關閉開關S1日寺，以及當需執行放電運作，㈣ 開關S2開啟時，資料處理單元1的電壓供應會由支援兩容 :C來提供。比較器2會自動偵測放電運作的結束，：此 曰限足開關S2的關閉時間，以及開關“的開啟時 外’控制單元4可由額外輸入5來啟動，例如藉由额外 路來限定初始狀況。 八 當電容器經由電阻器R放電時’通過電容器的電壓降係 根據電子函數（e_funeti()n)，而不用額外的量測。如*ι =路配置中’如果比較器2目前已衫達成電容器;下 扎疋電壓，則在關閉開關S2之前，會花—些時間。 訂 這段時間的期肖，電容器c還可進一步放電。雖然比較 2及開關S2的失效時間永遠相同，但是在電予函數中= 過電容器⑶電壓降係意謂電容器c之實際最終電壓二 取決於其先前的充電位準。 仍… 不因此，在-個本發明的具體實施例中，放電係藉由恒 其係由怪定電流源3來確認)而產生，這意謂雖然在 二較器2及開關S2之失效時間的期間，通過電容器。的兩 i仍然還會下降，但是其最終值與先前的充電狀態無關广 圖2績不的是本發明之含有電流鏡電路的電路配置 具體的細部改良’係、用來產生缺電流源，而配置包括用 -8 - 本紙張尺^^中國國家標準χ齡董) 526440

h-M L.,. · 五、發明説明（6 2生控制單元的及閘11、：相（tWG_Phase)產生器12 二^器⑴資科處理單元^ 供應電壓V Γ Γ，^接至 閉時，也奸供:具體實施例的例子。當開1S1關 逆到〜： 電容器c ’其係用來確認電壓供應會 接至兒谷詻C或電壓供應輸入ό，而是電壓合 钿::電，器R與奉接的電晶體丁4之間。因此電容器C; :兒P且為R與電晶體丁4來放電，並且在放電期間，會與 7 :形成分壓器。因為藉由比較器2的電壓比較需要使用 來執行，而此參考電壓Uref會藉由帶隙參考 /產生，所以會選擇在電阻器R與電晶體T4之間的電壓分 接頭（tap)。帶隙參考的電壓通常為12〇3 v，而電容器c 放私所品的私壓最好為2·〇 v。分壓器包括電阻器R與電晶 體丁4，因此需要提供約〇·8 v的電壓降通過電阻器。如果 ^壓直接連接於電容器C，則與帶隙參考比較的^式將不 恆定電流源係由電流鏡電路產生，電流鏡電路包含參考 路徑中的電阻器Rs及電晶體Τ3 ,並且還包含電晶體τ4。 在參考路徑中，電阻器、係與電晶體Τ3串接，並且位於 恆足電壓Vc_t與參考地電位〇之間。因此，電阻器Rs及恆 定電壓VeQnst的大小會限定在參考路徑中之流動電流的大 小。這意明也可決定出流經電晶體τ 4的電流。電晶體T J 係連接於電晶體T 4的控制連接處與參考地電位之間，其 用來切換電晶體T4。電晶體T1係連接於電晶體丁3的控制 -9 - ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）

五、發明説明（7 ) 526440 連接處與電晶體T4的控制連接處之間，其能開啟及關閉 電流鏡的功能。 當電容器C還不在其下限電壓位準時，來自比較器2的比 較結果為高位準訊號。當開關S 1關閉時，正反器會重 置，並且正反器13的無效輸出9!!為高位準。如果資料處 理單元1目别的額外訊號顯示已完成有關安全性的算數運 算，並且電容器可放電，則資料處理單元i的輸出丨4為高 位準，並且此訊號會用來當作及閘"的第三輸入訊號。這 會使及閘11的輸出電壓位準改變為高位 放電的運作。二相產生器12係用來產生二個訊末= 15，其用來使來自及閘"的輸出訊號產生時間的延遲。 首先，電晶體丁1會因為訊號16而關閉，其意謂電晶體丁斗 會，啟。第二訊號15會開啟電晶體T2，其意謂電流鏡電 路=成活動，並且映出的電流會經由電阻器&而到達放電 \ 因為放包私流lD為固定，所以通過電阻器R的電壓 降為固定，在此具體實施例的例子中，該電壓降係設定為 ?:8 V。因為通過電容器c的原始電壓為2·4 v及通過電阻 :R的山電壓降為〇·8 V，所以此刻施加至比較器2的非反相 輸入叙電壓為1.6V，而參考電壓Uref4l.2 ν。唯

It放電至2 V電壓時，比較器2的非反相輸入端之電； ;=相輸入端的電壓。料’來自比較器2的輸出訊 唬曰下降，並且於及閘U輸入的此低位準訊 變為低位準。接下來電晶體丁1會開啟：:= 放電的電晶體T4會關閉’並且完成電容器c的放電。當開 本紙張尺度適用 -10- 526440

關二1已開啟時、，此刻電容EC可再次充電。 田…：對於這樣的運作而言，只要支援電容器c係藉由 恆定電流iD [省略原文的部份]來放電，各種不同細部改良 的電路配置都是可行的，而本發明係涵蓋這些電路。 參考符號清單 2 3 4 5 6 11 12 13 14 15，16 S 1 5 S2 R Rs C Uref τ 1、T2vcc 資料處理單元 比較器 恆定電流源 控制單元 控制輸入 電壓供應輸入 及閘 二相產生器 正反器 控制輸出 來自二相產生器的輸出訊號 開關 電阻器 用於電流鏡的電阻器 支援電容器 參考電壓 、丁 3、τ 4電晶體 供應電壓

裝 訂 線

Claims (1)

1. 526440 申請專利範圍 ι· 一種控制一支援電容器（c)之充電及放電狀態之方法， 係用於具有一資料處理單元（1)的一資料媒體，該支援 電容器（c)係連接至該資料處理單元⑴的一電壓供應輸 入（6 )，该方法具有下列步驟： -將该貝料處理單元（1)及該支援電容器（c)與一供應 電位（VCC)隔離， 、心 -在该^料處理單元（1 )中，執行算術運算， "將該支援電容器（C)連接至該供應電位（VCC)，而這 樣會充電該支援電容器（C)， 其特徵為 在該支援電容器（C)充電之前，該支援電容器（c)會放電 至具有一怪定電流（iD )的一指定電壓。 2. —種實行申請專利範圍第丨項方法之電路配置，具有： _ 一支援電容器（c )，其係藉由可切換的一恆定電流源 (3)來放電，該支援電容器（c)係連接至一供應電位 (VCC)， 一比較器（2)，其第一輸入係連接至該支援電容器， 並施加一參考電壓（uref)於其第二輸入， -一控制單元（4 ; η、12、13)，其係連接至該比較 器（2)的輸出端’該控制單元（4 ; 11、I]、13)可啟 動用於連接該支援電容器（C)至該供應電位（vcc)的 一開關S 1，以及啟動用於切換該恆定電流源（3 ; R S、T 3、T 4 )的一開關（S 2 ; T 4 )。 3·如申請專利範圍第2項之電路配置， -12 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)一 526440

   A8 B8 C8 申请專利粑圍

   其特徵為 該恆定電流源（3)為一電流鏡電路。 4.如申請專利範圍第2或3項之電路配置， 其特徵為 该控制單元具有一正反器（丨3 )及一及閘（丨i )，該正反器 (1 3 )的一輸出（qn)係連接至該及閘（丨j )的一第一輸入 端’而提供的一控制輸入端係連接至該及閘（丨丨）的一第 二輸入端，而該比較器（2 )的輸出端係連接至該及閘（丨j ) 的一第三輸入端。 5·如申請專利範圍第2項之電路配置， 袭 其特徵為 訂 m支援電容器（C )係藉由一串聯電路來放電，該串聯電 路包括一電阻器（R)及一電晶體（T4)，以致於會形成一 分壓器，並且該比較器（2)會比較連接於該電晶體（τ4) 與該電阻器（R)之間的電壓與一帶隙參考的電壓（1;咐）。 線 -13- 表紙張尺度it财® ®家料(CNS) A4規格(21GX 297/>董）一 ~----