JP3734797B2 - バックアップコンデンサの充電および放電フェーズを制御する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、データ処理ユニットを有するデータ支持体のバックアップコンデンサ（Ｓｔｕｅｔｚｋｏｎｄｅｎｓａｔｏｒ）の充電フェーズおよび放電フェーズを制御する方法に関し、バックアップコンデンサは、データ処理ユニットの電圧供給入力と接続される。本方法は、データ処理ユニットとバックアップコンデンサとを供給電位から分離する工程、そのデータ処理ユニット内で演算を実行する工程、およびバックアップコンデンサを供給電圧と接続し、これによってバックアップコンデンサを充電する工程を包含する。
【０００２】
本方法の背景には、秘密の暗号データを処理するデータ処理ユニットが、電力消費を計算する間、暗号データが逆推測され得ないように設計されなければならないという事実がある。特に、「Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ」（ＳＰＡ）および「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｏｗｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ」（ＤＰＡ）として公知の解析方法が適用され得ることによって阻止されるべきである。計算サイクルの間、計算機の電圧供給をバッファすることによって、危険な演算が実行される間、計算機の電流プロファイルが隠される。しかしながら、バックアップコンデンサの放電レベルから、データ処理ユニット内のバッファ期間の間に行われた活動の量が読み取られ得る。バックアップコンデンサの、先行する放電レベルに依存する、次に続くさらなる充電電流に基づいて、処理された秘密のデータ、または、場合によっては、固有のアルゴリズム処理が逆推測され得る恐れがある。
【０００３】
従って、本発明の課題は、バックアップコンデンサがさらに充電される際に、計算サイクル中の電力消費が逆推測され得ないように、バックアップコンデンサを用いてデータ処理ユニットをバッファすることである。さらに、この方法を実行するための回路構成が提示される。
【０００４】
本課題は、方法に関しては、バックアップコンデンサを充電する前に、定電流を用いて、このバックアップコンデンサを所与の電圧になるように放電することを特徴とする、冒頭で述べたような方法によって解決される。
【０００５】
回路構成に関しては、本課題は、切り換え可能な定電流源を介して放電可能であるバックアップコンデンサを有する回路構成によって解決される。ここで、このバックアップコンデンサは、供給電位、比較器および制御ユニットと接続可能であり、この比較器は、その第１の入力がバックアップコンデンサと接続可能であり、かつ第２の入力に基準電圧が存在する。制御ユニットは、この比較器の出力と接続される。この制御ユニットによって、バックアップコンデンサを供給電位と接続するためのスイッチ、および定電流源と接続するためのスイッチが制御可能である。
【０００６】
バックアップコンデンサを所与の電圧になるように放電することによって、コンデンサを充電する際に行われる充電は、常に同じである。従って、計算サイクルによるバックアップコンデンサの充電状態の逆推測は、もはや不可能である。
【０００７】
特に有利なのは、定電流を用いて、バックアップコンデンサを所与の電圧になるように放電することである。なぜなら、このことは、所与の電圧に達したことを検出する回路構成においてデッドタイムが存在することを前提としなければならないからである。このデッドタイムにおいて、バックアップコンデンサは、さらに放電される。放電が定電流を用いて行われない場合、放電フェーズの終了後のバックアップコンデンサの電圧は、従来技術による方法および回路構成よりもはるかに小さい程度であるとしても、演算の実行終了後の放電レベルに再び依存する。回路構成の有利な実施形態において、定電流を用いる放電は、電流ミラー回路によって実現され得る。
【０００８】
さらに、バックアップコンデンサの放電が、抵抗器およびトランジスタの直列接続を介して行われる場合、有利である。なぜなら、これによって、トランジスタと抵抗器との間で取り出される電圧が、バンドギャップ基準の特定の電圧と比較され得るように設定され得る分圧器が形成されるからである。
【０００９】
本発明は、以下において、例示の実施形態を用いてより詳細に説明される。
【００１０】
図１は、本発明の方法が実行され得る回路構成の原理的構造を示す。データ支持体のデータ処理ユニット１は、供給電圧ＶＣＣと直接的に接続されるのではなく、供給電圧入力６は、第１のスイッチＳ１によって供給電圧ＶＣＣから分離し得る。さらに、バックアップコンデンサＣが供給電圧入力６と接続される。従って、第１のスイッチＳ１が開かれると、バックアップコンデンサＣによってデータ処理ユニット１の電圧供給が行われる。データ処理ユニット１がバックアップコンデンサＣによって供給され得る間、動作継続時間は、コンデンサＣのキャパシタンス、およびデータ処理ユニット１の電力消費に依存する。この構成の目的は、データ処理ユニット１内の危険な、すなわち、セキュリティ関連の演算を実行する際に、このユニットを供給電圧ＶＣＣから切り離し、これによって、データ処理ユニット１を有する回路全体の電流消費に基づいて、秘密鍵が逆推測され得ることを回避することである。しかしながら、演算の実行が終了した後、スイッチＳ１が再び閉じられると、コンデンサＣは充電される。しかしながら、充電電流に基づいて、秘密の演算が実行されている間にどれだけの充電がコンデンサＣから取り出されたのかが認識され得る。
【００１１】
これを回避するために、コンデンサＣが特定の電圧値になるように放電された後にのみ、再び定格電圧になるように充電される。これについて考えられ得る可能性は、コンデンサＣを、適切な回路によって生成された定電圧になるように放電することである。しかしながら、これは、定電圧源が容量性負荷に切り換えられることを意味する。定電圧源は、実際上、理想的ではなく、供給電圧によって供給されるので、この解決策においても、コンデンサＣの電圧レベルに依存する供給電流が見出される。従って、このような回路は、秘密の演算中の電流消費を完全に隠すために適切ではない。
【００１２】
これに対して、本発明によると、電圧がコンデンサＣを介して所定の下位限界値に達するまで、コンデンサＣは、定電流源３を介して放電される。次に、放電経路は、スイッチＳ２によって遮断され、スイッチＳ１が閉じられて、コンデンサＣを再び充電する。電圧の下位限界値の検出は、比較器２を介して行われる。この比較器は、その電圧を、コンデンサＣを介して基準電圧Ｕ_ｒｅｆと比較する。比較器２の出力において、制御ユニット４が接続され、この制御ユニットは、スイッチＳ１およびスイッチＳ２の制御を担う。この制御ユニット４自体は、秘密の演算の実行が開始される前、およびその終了後、データ処理ユニット１によって制御される。従って、スイッチＳ１が開かれて、バックアップコンデンサＣを介してデータ処理ユニット１に電圧供給が行われるのはいつか、および放電工程、すなわち、スイッチＳ２が閉じられるのはいつかが示される。放電工程の終了は、比較器２によって、独立して検出され、従って、スイッチＳ２を開き、スイッチＳ１を閉じる時点が確定される。さらに、制御ユニット４は、さらなる入力５を介して、例えば、初期条件を確定するさらなる回路によって制御可能である。
【００１３】
抵抗器Ｒを介してコンデンサが放電する場合、コンデンサの電圧は、さらなる措置を用いないならばｅ関数に従って降下する。図１の回路構成におけるように、ここで、コンデンサの下位の所与の電圧に達したことを比較器２が確認した場合、スイッチＳ２が開かれるまで、まだいくらか時間がかかる。この時間の間、コンデンサＣは、さらに放電される。比較器２およびスイッチＳ２のデッドタイムは、確かに、常に同じではあるが、コンデンサＣの電圧は、ｅ関数にて降下するので、コンデンサＣの実際の最終電圧は、依然として、その先行する充電レベルに依存する。
【００１４】
従って、本発明による実施形態における放電は、定電流を介して行われる、これは定電流源３によって保証されるので、比較器２およびスイッチＳ２のデッドタイムの間は、コンデンサＣ上の電圧は、確かに、依然としてさらに低下するが、その最終値は、前の充電状態と関係がない。
【００１５】
図２は、次に、定電流源を実現するための、本発明による電流ミラーを有する回路構成、ならびに論理積回路（Ｕｎｄ−Ｇｌｉｅｄ）１１、二相発生器１２、および制御ユニットを実現するためのフリップフロップ１３を含む構成の、より具体的な実施形態を示す。データ処理ユニット１の電圧供給入力６は、図１の例示の実施形態におけるように、供給電圧ＶＣＣと接続される。バックアップコンデンサＣも提供され、スイッチＳ１が開かれた場合、このコンデンサを介して、データ処理ユニット１の電圧供給が確実にされる。図１と異なって、比較器２の反転しない入力は、コンデンサＣまたは電圧供給入力６と直接的に接続されるのではなく、抵抗器Ｒと、直列接続されたトランジスタＴ４との間で電圧が取り出される。従って、コンデンサＣの放電は、抵抗器ＲとトランジスタＴ４とを介して行われ、ここで、これらの抵抗器とトランジスタは、放電中、分圧器を形成する。抵抗器ＲとトランジスタＴ４との間での電圧の取り出しが選択されるのは、比較器２によって、基準電圧Ｕ_ｒｅｆとの電圧の比較が行われるからであり、この基準電圧Ｕ_ｒｅｆは、バンドギャップ基準によって生成されるからである。バンドギャップ基準の電圧は、通常、１．２０３Ｖであり、他方、コンデンサＣが放電されて至る電圧は、有利には、２．０Ｖである。従って、抵抗器ＲおよびトランジスタＴ４から生成される分圧器は、抵抗器において約０．８Ｖの電圧が降下するように提供されなければならない。電圧がコンデンサＣにて直接的に取り出される場合、バンドギャップ基準との比較は不可能である。
【００１６】
定電流源は、基準分岐において抵抗器Ｒ_ＳおよびトランジスタＴ３、ならびにトランジスタＴ４を有する電流ミラー回路によって実現される。基準分岐において、抵抗器Ｒ_ＳおよびトランジスタＴ３は直列接続され、定電圧Ｖ_{ｋｏｎｓｔ}と基準電位０との間に存在する。従って、抵抗器Ｒ_Ｓの大きさおよび定電圧Ｖ_{ｋｏｎｓｔ}によって、どのような電流が基準分岐内を流れるかが確定される。これによって、どのような電流がトランジスタＴ４を通って流れ得るかが、さらに決定される。トランジスタＴ４の制御端子（Ｓｔｅｕｅｒａｎｓｃｈｌｕｓｓ）と基準電位との間に接続されるトランジスタＴ１によって、トランジスタＴ４が接続される。トランジスタＴ３の制御端子とトランジスタＴ４の制御端子との間に接続されるトランジスタＴ２によって、電流ミラー回路はスイッチオンおよびスイッチオフされ得る。
【００１７】
コンデンサＣがまだ下位電圧レベルでない場合、比較器２の比較イベントはＨｉｇｈ−Ｓｉｇｎａｌである。スイッチＳ１が開かれた場合、フリップフロップが元に戻ってセットされ、そのフリップフロップ１３の負の出力ｑｎはＨＩＧＨである。ここで、さらに、セキュリティ関連の演算が終了し、コンデンサが放電され得ることがデータ処理ユニット１によって信号で伝えられた場合、データ処理ユニット１の出力１４はＨＩＧＨになり、この信号は、第３の入力信号として論理積回路１１に存在する。これによって、論理積回路１１の出力における電圧レベルは、ＨＩＧＨに跳ね上がり、続いて、放電工程に入る。二相発生器１２を介して、論理積回路１１の出力信号から、時間的に遅延された２つの信号１６および１５が生成される。最初に、信号１６を介してトランジスタＴ１が開かれて、トランジスタＴ４が導通され得る。第２の信号１５を用いて、トランジスタＴ２が導通されて、電流ミラー回路がアクティブにされ、抵抗器Ｒ_Ｓを通じて電流を放電分岐内にミラー化する。放電電流ｉ_Ｄは一定であるので、抵抗器Ｒにて一定の電圧が降下する。この電圧は、本例示の実施形態において、０．８Ｖに設定される。コンデンサＣにおける元の電圧が２．４Ｖ、および抵抗器Ｒにおける電圧降下が０．８Ｖである場合、比較器２の反転しない入力において、１．６Ｖの電圧が存在し、他方、基準電圧Ｕ_ｒｅｆは１．２Ｖである。コンデンサが２Ｖの電圧になるように放電されて初めて、比較器２の反転しない入力における電圧は、反転する入力における電圧よりも小さくなる。この瞬間にて、比較器２の出力信号が降下し、論理積回路１１の入力におけるこのＬＯＷ信号によって、その出力もＬＯＷに跳ね上がる。続いて、トランジスタＴ１は導通するようにスイッチされ、放電トランジスタＴ４が遮断され、コンデンサＣの放電が終了される。スイッチＳ１が閉じられた後、次に、コンデンサＣは再び充電され得る。
【００１８】
当然、このような機能のために、回路構成の種々の実施形態が可能であるが、バックアップコンデンサＣが一定の電流Ｉ_Ｄによって放電される限り、これらの回路は本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明による回路構成の第１の模式図を示す。
【図２】 図２は、本発明による回路構成のより具体的な第２の実施形態を示す。

Claims (5)

1. データ処理ユニット（１）を有するデータ支持体のバックアップコンデンサ（Ｃ）の充電および放電フェーズを制御する方法であって、該バックアップコンデンサ（Ｃ）は、該データ処理ユニット（１）の電圧供給入力（６）と接続され、該方法は、
   該データ処理ユニット（１）および該バックアップコンデンサ（Ｃ）を供給電位（ＶＣＣ）から分離する工程と、
   該データ処理ユニット（１）において演算を実行する工程と、
   該バックアップコンデンサ（Ｃ）を該供給電位（ＶＣＣ）と接続し、これによって、該バックアップコンデンサ（Ｃ）を充電する工程と、を包含する方法であって、
   該バックアップコンデンサ（Ｃ）を充電する前に、一定の電流（ｉ_Ｄ）を用いて、該バックアップコンデンサ（Ｃ）が所与の電圧になるように放電することを特徴とする、方法。
2. 請求項１に記載の方法を実行するための回路構成であって、
   スイッチ可能な定電流源（３）を介して放電可能であるバックアップコンデンサ（Ｃ）であって、該バックアップコンデンサ（Ｃ）は、供給電位（ＶＣＣ）と接続可能である、コンデンサと、
   第１の入力が該バックアップコンデンサと接続され、第２の入力において基準電圧（Ｕ_ｒｅｆ）が存在する、比較器（２）と、
   該比較器（２）の出力と接続される制御ユニット（４；１１、１２、１３）であって、該制御ユニット（４；１１、１２、１３）によって、該バックアップコンデンサ（Ｃ）を該供給電位（ＶＣＣ）と接続するためのスイッチＳ１、および該定電流源（３；ＲＳ、Ｔ３、Ｔ４）に接続するためのスイッチ（Ｓ２；Ｔ４）が制御可能である、制御ユニットと、
   を備える、回路構成。
3. 前記定電流源（３）は、電流ミラー回路であることを特徴と
   する、請求項２に記載の回路構成。
4. 前記制御ユニットは、フリップフロップ（１３）と論理積回路（１１）とを備え、該フリップフロップ（１３）の出力（ｑｎ）は、該論理積回路の第１の入力に接続され、該論理積回路（１１）の第２の入力と接続される制御入力が提供され、前記比較器（２）の前記出力は、該論理回路の第３の入力と接続されることを特徴とする、請求項２または３に記載の回路構成。
5. 前記バックアップコンデンサ（Ｃ）の放電は、抵抗器（Ｒ）とトランジスタ（Ｔ４）との直列接続を介して実行されて、分圧器が形成され、該トランジスタ（Ｔ４）と該抵抗器（Ｒ）との間で取り出される電圧が、前記比較器（２）によってバンドギャップ前記基準電圧（Ｕ_ｒｅｆ）と比較されることを特徴とする、請求項２に記載の回路構成。

Images