JP2018117080A - 半導体集積回路、半導体システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体集積回路の内部の急峻な電圧ノイズを低減する技術を提供すること。【解決手段】半導体集積回路100は、出力電圧のフィードバックを用いて第1の基準電圧Vref1に基づいて出力電圧を制御する電源供給装置20から供給される電源電圧V3、および、第1の基準電圧より低い値に設定された第2の基準電圧Vref2を比較する電圧比較回路11と、電圧比較回路11による比較結果に基づいて電源電圧を制御する制御回路12と、を備える。【選択図】図10
Description
本発明は、半導体集積回路に供給される電源電圧を制御する技術に関する。
半導体集積回路には、その動作電圧に応じた電源電圧が供給される必要がある。例えば図6に示すように、半導体集積回路は、外部のDC(Direct Current)/DCコンバータの出力電圧端子およびフィードバック電圧端子に接続される。DC/DCコンバータは、出力電圧V2を半導体集積回路に出力する。半導体集積回路の内部において、負荷に供給される電源電圧V3がリモートセンスされ、DC/DCコンバータにフィードバックされる。DC/DCコンバータは、フィードバック電圧Vfbkおよび基準電圧Vref1に基づいて、出力電圧V2を制御する。なお、図示したDC/DCコンバータ内部の回路構成は一例であり、公知であるため、ここでは説明を省略する。これにより、半導体集積回路の内部では、配線抵抗R3が存在しても、リモートセンスノードの電圧V3は、DC/DCコンバータにフィードバックされることで、基準電圧Vref1に制御される。
このような電源電圧の制御に関連する技術の一例が、特許文献1に記載されている。この関連技術は、電力を調整して負荷側に出力する電力調整部と、出力電圧を検出して調整を制御する調整制御部とを有するシリーズレギュレータにおいて、負荷側への出力電流の検出結果に応じて、電圧を変動させて電力調整部へ電力を供給する。
また、電源電圧の制御に関連する技術の他の一例が、特許文献2に記載されている。この関連技術は、半導体集積回路の内部に、電源生成回路と、機能モジュールと、コンデンサとを有する。コンデンサは、電源生成回路の4辺の外側に配置される。また、コンデンサの一方の電極は、電源生成回路の出力部に接続され、他方の電極は、基準電位に接続される。また、機能モジュールは、コンデンサの外側に配置される。そして、機能モジュールには、電源生成回路によって生成された電源電圧が動作電源として供給される。
また、電源電圧の制御に関連する技術として、電流を制御する技術の一例が、特許文献3に記載されている。この関連技術は、ユーザ設定の電流制限値を検出し、検出信号に応じて電流を制限する。
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、消費電力を抑えるために定電圧化が要求される。そのため、電源電圧に対するノイズの許容度が減少してきている。一方で、半導体集積回路の高集積化に伴い、回路素子のスイッチングによるピーク電流量の予測が難しくなっている。そのため、半導体集積回路内において許容範囲外の急峻な電流変化が発生する可能性がある。このような半導体集積回路内での急峻な電流変化による電圧降下に対し、外部のDC/DCコンバータでは追随できない場合がある。この場合、半導体集積回路の内部に想定外の電圧ノイズが発生して動作不良を起こす可能性がある。
この問題について、図面を参照して説明する。前述したように、図6において、DC/DCコンバータは、フィードバック電圧Vfbkおよび基準電圧Vref1に基づいて、半導体集積回路に出力する出力電圧V2を制御する。これにより、半導体集積回路の内部では、リモートセンスノードの電圧V3が、基準電圧Vref1に保たれる。
ここで、半導体集積回路の内部の負荷に流れる電流I1が急激に変化したとする。このとき、DC/DCコンバータ内のインダクタンスL1の電流I(L1)は、図7に示すように、この急激なI1の変化に充分に追従できない。このため、供給電流は、DC/DCコンバータ内の容量C1から供給される必要がある。その結果、図8に示すように、半導体集積回路の内部において電圧V3には、大きな電圧降下(すなわち、電圧ノイズ)が発生してしまう。このようなDC/DCコンバータが追随するまでの時間は、図9に示すように、DC/DCコンバータの一巡伝達関数T(s)のゲインが1(0dB)になる時の周波数fcにより決まっている。そのため、DC/DCコンバータの安定性を考慮すると、追随するまでの時間を小さくして電圧ノイズを低減することは困難である。
ここで、特許文献1に記載された関連技術は、半導体集積回路の外部のシリーズレギュレータにおいて電力調整部への入力電圧を制御する構成である。そのため、この関連技術を用いて、半導体集積回路の内部における急峻な電流変化による電圧ノイズを低減することは難しい。
また、特許文献2に記載された関連技術を用いて、半導体集積回路の内部の急峻な電圧ノイズをコンデンサで除去するためには、大量のコンデンサを必要とする。この場合、この関連技術は、大量のコンデンサを接続するための線路にインダクタンスを発生させることになる。したがって、この関連技術を用いて、半導体集積回路の内部の急峻な電圧ノイズを低減することは難しい。
また、特許文献3に記載された関連技術は、電流を制御する技術であるため、半導体集積回路の内部の急峻な電圧ノイズを低減するために適用することは難しい。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、半導体集積回路の内部の急峻な電圧ノイズを低減する技術を提供することを目的とする。
本発明の半導体集積回路は、出力電圧のフィードバックを用いて第1の基準電圧に基づき前記出力電圧を制御する電源供給装置から供給される電源電圧、および、前記第1の基準電圧より低い値に設定された第2の基準電圧を比較する電圧比較回路と、前記電圧比較回路による比較結果に基づいて前記電源電圧を制御する制御回路と、を備える。
また、本発明の半導体システムは、上述の半導体集積回路と、前記電源供給装置と、を備える。
また、本発明の方法は、半導体集積回路において、出力電圧のフィードバックを用いて第1の基準電圧に基づき前記出力電圧を制御する電源供給装置から供給される電源電圧、および、前記第1の基準電圧より低い値に設定された第2の基準電圧を比較し、比較結果に基づいて前記電源電圧を制御する。
本発明は、半導体集積回路の内部の急峻な電圧ノイズを低減する技術を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の実施の形態としての半導体システム1の構成を図1に示す。図1において、半導体システム1は、半導体集積回路10と、電源供給装置20とを備える。半導体集積回路10は、電源供給装置20の電源出力端子およびフィードバック電圧端子に接続される。
電源供給装置20は、電源出力端子に接続された半導体集積回路10に対して、出力電圧V2を出力する。また、電源供給装置20は、半導体集積回路10からフィードバック電圧端子に入力されるフィードバック電圧Vfbkを用いて、第1の基準電圧Vref1に基づき出力電圧V2を制御する。これにより、半導体集積回路10内の電源電圧は、第1の基準電圧Vref1に保たれるよう制御される。例えば、電源供給装置20は、図6に背景技術で示したようなDC/DCコンバータによって構成可能である。
半導体集積回路10には、電源供給装置20から電源電圧が供給される。電源供給装置20から供給された電源電圧は、半導体集積回路10内部で負荷に供給される。また、負荷に供給される電源電圧V3がリモートセンスされ、電源供給装置20にフィードバックされる。
また、半導体集積回路10は、電圧比較回路11と、制御回路12とを有する。
電圧比較回路11は、半導体集積回路10内の電源電圧V3および第2の基準電圧Vref2を比較する。第2の基準電圧Vref2は、第1の基準電圧Vref1より低い値に設定されている。具体的には、電圧比較回路11は、電源電圧V3および第2の基準電圧Vref2が入力され、入力された2つの電圧の比較結果を制御回路12に出力する比較器によって構成される。電源電圧V3に第2の基準電圧Vref2を下回る電圧ノイズが発生した場合、電圧比較回路11は、そのノイズレベルを制御回路12に出力することになる。ノイズレベルは、電源電圧V3が第2の基準電圧Vref2を下回った程度である。
制御回路12は、電圧比較回路11による比較結果に基づいて電源電圧を制御する。例えば、制御回路12は、電圧比較回路11から入力されるノイズレベルに応じて、電源電圧V3を上昇させるよう制御すればよい。具体的には、制御回路12は、可変抵抗によって構成可能である。この場合、制御回路12は、比較結果として入力されるノイズレベルが大きいほど可変抵抗の抵抗値を小さくするよう構成される。このようなデジタル制御可能な可変抵抗は、半導体集積回路10内に容易に実現可能である。
以上のように構成された半導体システム1の動作について具体的に説明する。ここでは、制御回路12は、図2に示すように、可変抵抗RV1により構成されるものとする。
図3は、半導体集積回路10内の負荷に流れる電流I1の変化の一例を示している。電流I1がILレベルの間は、半導体集積回路10内の電源電圧V3は、電源供給装置20により第1の基準電圧Vref1に保たれるよう制御されている。この場合、電圧比較回路11は、電源電圧V3が第2の基準電圧Vref2を下回っていないことを表す比較結果を、制御回路12に出力する。制御回路12は、電源電圧V3が第2の基準電圧Vref2を下回っていない場合、可変抵抗RV1の抵抗値をRHのまま変化させない。
ここで、電流I1がILレベルからIHレベルに遷移したとする。そして、電源供給装置20がこの電流変化に充分に追随できない場合、電源電圧V3は、一旦降下することになる。そこで、電圧比較回路11は、電源電圧V3と第2の基準電圧Vref2との比較結果として、電源電圧V3が第2の基準電圧Vref2より下回っている程度を表すノイズレベルを、制御回路12に出力する。そして、制御回路12は、電圧比較回路11から出力されるノイズレベルに基づいて、図4に示すように、可変抵抗RV1を制御する制御電圧V4を発生させる。これにより、可変抵抗RV1の抵抗値は、RHから、より小さいRLに変化する。その結果、電源電圧V3は、I1×(RH−RL)分上昇することになる。
ここで、半導体集積回路10内に電圧比較回路11および制御回路12が無い場合は、図8に示したように、電源電圧V3は、電源供給装置20による制御が完了するまで大きな電圧降下を起こす。
これに対して、半導体集積回路10が電圧比較回路11および制御回路12を有する場合、電源電圧V3は、I1×(RH−RL)分上昇する。これにより、図5に示すように、電源電圧V3の電圧降下が、図8に比べて低減される。
このような制御回路12による制御は、半導体集積回路10内における制御であるため、外部の電源供給装置20による電源電圧の制御よりも早い時点での制御が可能である。つまり、電流I1の急峻な変化により一旦降下した電源電圧V3は、制御回路12の制御により一時的に上昇し、最終的には、電源供給装置20の制御により、第1の基準電圧Vref1に制御される。
以上で、半導体システム1の動作の説明を終了する。
次に、本発明の実施の形態の効果について述べる。
本実施の形態の半導体システムは、半導体集積回路の内部の急峻な電圧ノイズを低減することができる。
その理由について説明する。本実施の形態では、半導体集積回路には、出力電圧のフィードバックを用いて第1の基準電圧に基づき出力電圧を制御する電源供給装置から電源電圧が供給される。そして、半導体集積回路の内部において、電圧比較回路が、内部の電源電圧および第2の基準電圧を比較する。そして、半導体集積回路の内部において、制御回路が、電圧比較回路による比較結果に基づいて電源電圧を制御するからである。
このように、本実施の形態は、半導体集積回路の内部で、電圧比較回路により電源電圧に発生するノイズレベルを検出する。そして、外部の電源供給装置では充分に追随できないほどのノイズが発生した場合には、半導体集積回路の内部の制御回路が、ノイズレベルに応じて電源電圧を高めるよう制御する。例えば、制御回路が可変抵抗によって構成される場合、制御回路は、ノイズレベルが大きいほど可変抵抗の抵抗値を小さくするよう制御する。これにより、本実施の形態では、急峻な電圧ノイズに対し、半導体集積回路の外部に接続された電源供給装置による第1の基準電圧への制御よりも小さな反応時間で、一時的に電源電圧を高めることができ、電圧ノイズを低減する。
なお、本発明の実施の形態において、第2の基準電圧は、第1の基準電圧に対して、電源供給装置による制御で対応可能なノイズレベルより低い値が設定されることが望ましい。これにより、本実施の形態は、半導体集積回路の内部の電源電圧が降下しても、第2の基準電圧までは降下していない場合は、制御回路による制御を行わない。この場合、半導体集積回路の内部の電源電圧が、電源供給装置により第1の基準電圧に制御されるまでの反応時間は、充分に迅速であることが期待されるからである。一方、本実施の形態は、半導体集積回路の内部の電源電圧が第2の基準電圧よりも降下した場合、制御回路による制御を行うことで、電源供給装置による第1の基準電圧への制御よりも小さな反応時間で、一時的に電源電圧を高めることができる。
また、本発明の実施の形態において、電源供給装置が、DC/DCコンバータよって構成される例について説明したが、これに限られない。また、本発明の実施の形態において、制御回路が、可変抵抗によって構成される例について説明したが、これに限られない。
また、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、様々な態様で実施されることが可能である。
最後に、本発明の実施の形態の最小構成について説明する。本発明の実施の形態の最小構成は、図10に示すように、半導体集積回路100によって構成される。図10において、半導体集積回路100は、電圧比較回路101と、制御回路102とを含む。
電圧比較回路101は、出力電圧のフィードバックを用いて第1の基準電圧に基づき出力電圧を制御する電源供給装置から供給される電源電圧V3および第2の基準電圧Vref2を比較する。第2の基準電圧Vref2は、第1の基準電圧より低い値に設定される。
制御回路102は、電圧比較回路101による比較結果に基づいて電源電圧を制御する。
このように構成された半導体集積回路100は、次のように動作する。すなわち、電圧比較回路101は、電源電圧V3および第2の基準電圧Vref2を比較し、比較結果を制御回路102に入力する。制御回路102は、入力される比較結果に基づいて、電源電圧V3を制御する。
これにより、本発明の実施の形態の最小構成である半導体集積回路100は、半導体集積回路の内部において、急峻な電圧ノイズを低減することができる。
1 半導体システム
10、100 半導体集積回路
20 電源供給装置
11、101 電圧比較回路
12、102 制御回路
10、100 半導体集積回路
20 電源供給装置
11、101 電圧比較回路
12、102 制御回路
Claims (4)
- 出力電圧のフィードバックを用いて第1の基準電圧に基づき前記出力電圧を制御する電源供給装置から供給される電源電圧、および、前記第1の基準電圧より低い値に設定された第2の基準電圧を比較する電圧比較回路と、
前記電圧比較回路による比較結果に基づいて前記電源電圧を制御する制御回路と、
を備えた半導体集積回路。 - 前記制御回路は、前記電源電圧が前記第2の基準電圧を下回った程度を表すノイズレベルに応じて、前記電源電圧を上昇させることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
- 請求項1または請求項2に記載の半導体集積回路と、
前記電源供給装置と、
を備えた半導体システム。 - 半導体集積回路において、出力電圧のフィードバックを用いて第1の基準電圧に基づき前記出力電圧を制御する電源供給装置から供給される電源電圧、および、前記第1の基準電圧より低い値に設定された第2の基準電圧を比較し、比較結果に基づいて前記電源電圧を制御する方法。
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