JP7282486B2 - 半導体システム - Google Patents

Description

本開示は、発電装置で発電された電源電圧で駆動する半導体装置に関する。

以前より、ソーラ発電、熱発電、装置自体が揺り動かされることで運動エネルギーを取り込んで発電を行う自動巻発電など、種々の発電装置が提案されている。

そして、当該発電装置を用いて駆動する電子機器が提案されている（特許文献１）。

特許第５４５８６９２号公報

上記文献では、太陽電池の発電電力を２種類の充電素子に振り分ける機能を有する構成が提案されているが、一方で、電子機器の起動時には、大きい電力が必要とされるがその対策は施されていない。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡易な方式で安定的に起動動作を実行することが可能な半導体装置を提供する。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本開示のある局面に従う半導体装置は、発電装置で発電された電源電圧で駆動する半導体装置であって、半導体装置は、電源ノードから電源電圧の供給を受ける負荷回路と、電源ノードと前記負荷回路との間に設けられるスイッチと、スイッチと並列に電源ノードと接続される第１のコンデンサと、電源ノードの電圧レベルに基づいてスイッチを制御するスイッチ制御回路とを備える。

一実施例によれば、本開示の半導体装置は、簡易な方式で安定的に起動動作を実行することが可能である。

実施形態１に従うソーラシステム１の概要を説明する図である。 実施形態１に従うマイコン２０の起動シーケンスの一例を説明する図である。 比較例となるソーラシステム１＃の概要を説明する図である。 比較例となるソーラシステム１＃における動作例を説明する図である。 実施形態１に従う電圧検出回路１２の構成を説明する図である。 実施形態１に従うソーラシステム１における動作例を説明する図である。 実施形態１に基づくソーラシステム１における動作例を説明する図である。 比較例としてソーラシステム１＃の動作例を説明する別の図である。 実施形態２に従うソーラシステム１Ｐの概要を説明する図である。 実施形態２に従うソーラシステム１Ｐにおける動作例を説明する図である。 実施形態２に従うソーラシステム１Ｐの動作について説明するフロー図である。 実施形態３に従うソーラシステム１Ｑの概要を説明する図である。 ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウェハに形成されたＭＯＳＦＥＴの構造を説明する図である。 バックバイアス電圧ＶＳＵＢとＭＯＳトランジスタのオフ状態でのリーク電流Ｉｏｆｆの関係の説明する図である。 しきい値電圧とバックバイアス電圧との関係を説明する図である。 実施形態３に従うソーラシステム１Ｑにおける動作例を説明する図である。

実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に従うソーラシステム１の概要を説明する図である。

図１を参照して、ソーラシステム１は、発電装置である太陽電池２と、太陽電池２で発電された電源電圧の供給を受けて駆動する制御機器５とを含む。

一例として制御機器５は、半導体装置である。
制御機器５は、電源モジュール１０と、マイコン２０とを含む。

本例においては、マイコン２０の負荷として抵抗素子ＲＭＣＵを示している。
電源モジュール１０は、逆流防止用ダイオードＤ１と、コンデンサ１５と、スイッチＳＷと、電圧検出回路１２と、フリップフロップ１４とを含む。

逆流防止用ダイオードＤ１は、太陽電池２とノードＮ０との間に設けられる。
電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧と基準電圧とを比較して比較結果をフリップフロップ１４に出力する。

ノードＮ０は、コンデンサ１５と接続される。したがって、太陽電池２で発電された電源電圧は、コンデンサ１５に充電することが可能である。本例においては、コンデンサ１５が設けられる構成について説明するが、コンデンサに限られず２次電池とすることも可能である。また、制御機器５に内蔵される形態に限られず外側で接続する形態としても良い。

スイッチＳＷは、コンデンサ１５と並列にノードＮ０と接続され、ノードＮ０と内部ノードＮ１との間に設けられる。スイッチＳＷは、フリップフロップ１４の出力に従って制御される。

電圧検出回路１２は、制御信号ｓｅｔをフリップフロップ１４に出力する。また、電圧検出回路１２は、制御信号ｒｅｓｅｔをフリップフロップ１４に出力する。フリップフロップ１４は、制御信号ｓｅｔの入力に従ってデータを１にセットする。これに基づきフリップフロップ１４は、スイッチＳＷを導通させる。電圧検出回路１２およびフリップフロップ１４は、スイッチＳＷを制御するスイッチ制御回路を構成する。

また、電圧検出回路１２は、制御信号ｒｅｓｅｔをマイコン２０のリセット信号として出力する。

一方、フリップフロップ１４は、制御信号ｒｅｓｅｔの入力に従ってデータを０にリセットする。これに基づきスイッチＳＷを非導通に設定する。

図２は、実施形態１に従うマイコン２０の起動シーケンスの一例を説明する図である。
図２を参照して、一例として電源電圧の電圧レベルの上昇に伴い電圧レベルが電圧Ｖｓｔａｒｔ以上となった場合にメモリから初期値が読み出される。次に、各機能が初期化される。そして、ユーザプログラムの初期化動作が実行される。そして、ユーザプログラムにより低電力モードに移行する。マイコン２０におけるユーザプログラムによる低電力モードに移行するまでは消費電流が大きい。一方でマイコン２０における低電力モードにおいては消費電流は小さい。すなわち、起動時の消費電力は、定常時の消費電力よりも大きい。また、マイコン２０の定常時の消費電力は、太陽電池２の発電量よりも小さい。

図３は、比較例となるソーラシステム１＃の概要を説明する図である。
図３を参照して、ソーラシステム１＃は、ソーラシステム１と比較して電源モジュールの構成が異なる。ソーラシステム１＃の電源モジュール１０＃は、電圧検出回路１２＃と、逆流防止用ダイオードＤ１のみが設けられており、スイッチＳＷおよびフリップフロップ１４およびコンデンサ１５等は設けられていない。

当該構成においては、電圧検出回路１２＃は、ノードＮ０の電圧の低下を検知して、制御信号ｒｅｓｅｔを出力する。具体的には、電圧検出回路１２＃は、ノードＮ０の電圧が電圧Ｖｒｅｓｅｔ以下となったか否かを検出し、電圧Ｖｒｅｓｅｔ以下であると判断した場合には制御信号ｒｅｓｅｔをマイコン２０に出力する。

図４は、比較例となるソーラシステム１＃における動作例を説明する図である。
図４（Ａ），（Ｂ）には電源電圧が不安定な場合の例が示されている。

図４（Ａ）に示されるように、時刻Ｔ１に電圧Ｖｓｔａｒｔに到達した場合にマイコン２０の起動シーケンス動作が実行される。一方、時刻Ｔ２に電圧Ｖｒｅｓｅｔに電圧が低下した場合が示されている。これにより、電圧検出回路１２＃は、電圧が低下したために制御信号Ｒｅｓｅｔを出力する。これによりマイコン２０における起動シーケンス動作が停止する。

そして、時刻Ｔ３に再び電圧Ｖｓｔａｒｔに到達した場合にマイコン２０の起動シーケンス動作が実行される。一方、時刻Ｔ４に電圧Ｖｒｅｓｅｔに電圧が低下した場合が示されている。これにより、電圧検出回路１２＃は、電圧が低下したために制御信号Ｒｅｓｅｔを出力する。これによりマイコン２０における起動シーケンス動作が停止する。

図４（Ｂ）は、起動シーケンス動作に従って流れる電流ＩＣＣが示されている。
したがって、当該動作の繰り返しによりマイコン２０の起動シーケンス動作が完了しない可能性がある。

図４（Ｃ），（Ｄ）には負荷が重い場合の例が示されている。
図４（Ｃ）に示されるように、時刻Ｔ５に電圧レベルはＶｓｔａｒｔに到達していない。したがって、起動シーケンス動作が実行されない。

図４（Ｄ）に示されるように電流ＩＣＣも初期状態を維持した状態である。
したがって、マイコン２０の負荷が重い場合にも起動シーケンス動作が実行されない可能性がある。

図５は、実施形態１に従う電圧検出回路１２の構成を説明する図である。
図５を参照して、電圧検出回路１２は、基準電圧発生回路１２０と、比較器１２２，１２４とを含む。

基準電圧発生回路１２０は、基準電圧Ｖｓｔａｒｔ，Ｖｒｅｓｅｔを生成する。
比較器１２２は、ノードＮ０の電圧と基準電圧Ｖｓｔａｒｔとを比較して、比較結果に基づく信号を制御信号Ｓｅｔとして出力する。

比較器１２４は、ノードＮ０の電圧と基準電圧Ｖｒｅｓｅｔとを比較して、比較結果に基づく信号を制御信号Ｒｅｓｅｔとして出力する。

フリップフロップ１４は、制御信号Ｓｅｔに従ってデータをセットし、制御信号Ｒｅｓｅｔに従ってデータをリセットする。具体的には、フリップフロップ１４は、制御信号Ｓｅｔに従ってデータをセット（「１」）し、制御信号Ｒｅｓｅｔに従ってデータをリセット（「０」）する。当該フリップフロップ１４のデータに従ってスイッチＳＷがオン／オフ（導通／非導通）状態に設定される。

図６は、実施形態１に従うソーラシステム１における動作例を説明する図である。
図６に示されるように、時刻Ｔ１０に電圧Ｖｓｔａｒｔに到達した場合にマイコン２０の起動シーケンス動作が実行される。

この場合、電圧検出回路１２は、フリップフロップ１４のデータをセットする。
これに伴いスイッチＳＷが導通する。そして、スイッチＳＷが導通した後に電流ＩＣＣが流れ出す。

図６（Ａ）に示されるように、これに伴いノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが低下し始める。また、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵはスイッチＳＷの導通に従い上昇する。ノードＮ０と内部ノードＮ１の電圧は同じ電圧レベルとなる。一方で、ノードＮ０にはコンデンサ１５が接続されている。コンデンサ１５は、太陽電池２により充電されている。電圧ＶＣＣ＿ＥＨは、コンデンサ１５に充電された電荷が放電されて緩やかに電圧レベルが下降する。

本例においては、時刻Ｔ１１に起動シーケンス動作が完了して低電力モードに移行した場合が示されている。

図６（Ｂ）に示されるように、低電力モードにおいて、電流ＩＣＣは、電流Ｉｒｅｇｕｌａｒの値に維持される。

実施形態１に従う制御機器５のスイッチＳＷは、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｓｔａｒｔに到達した場合に導通する。

したがって、当該状態になるまで太陽電池２は、スイッチＳＷがオフしているためマイコン２０である負荷と接続されていない。したがって、電源投入時の初期においてマイコン２０の負荷が重く電圧レベルが低いために起動シーケンス動作を実行できないという問題を回避することが可能である。

また、ノードＮ０はコンデンサ１５と接続されている。したがって、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｓｔａｒｔに到達するまでの間にコンデンサ１５は充電されている。

したがって、スイッチＳＷがオンして、電圧ＶＣＣ＿ＥＨが低下した場合であってもコンデンサ１５に充電された電荷が放電されることにより電圧ＶＣＣ＿ＥＨの低下の速度を緩めることが可能である。すなわち、急峻な電圧ドロップを抑制することが可能である。

したがって、起動シーケンス動作を確実に完了させることが可能である。
図７は、実施形態１に基づくソーラシステム１における動作例を説明する図である。

本例においては、太陽電池２の発電能力が一時的に低下して、電流Ｉｒｅｇｕｌａｒを下回った場合について説明する。

図７（Ａ）には、時刻Ｔ１６に定常状態でも内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵ（ＶＣＣ＿ＥＨ）が低下して、マイコン２０がリセットする電圧Ｖｒｅｓｅｔまで低下した場合が示されている。これに伴い、電圧検出回路１２が制御信号Ｒｅｓｅｔを出力する。フリップフロップ１４は、制御信号Ｒｅｓｅｔに従ってデータをリセットする。したがって、スイッチＳＷがオフする。これにより消費電力が小さくなるので、太陽電池２が回復すればノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨの電圧が上昇する。

そして、電圧ＶＣＣ＿ＥＨは、電圧Ｖｓｔａｒｔまで復帰することが可能である。
そして、時刻Ｔ１７において、電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｓｔａｒｔに到達した場合に、スイッチＳＷをオンする。そして、マイコン２０は、起動シーケンス動作を実行する。

これにより、持続的にマイコン２０を動作させることが可能である。
図８は、比較例としてソーラシステム１＃の動作例を説明する別の図である。

図８に示されているように、時刻Ｔ２０において、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵ（ＶＣＣ＿ＥＨ）が低下した場合が示されている。電圧検出回路１２＃は、制御信号Ｒｅｓｅｔを出力する。これに伴い、マイコン２０の再起動動作が実行される。

マイコン２０の再起動動作に従い電流Ｉｓｔａｒｔまで増加する。
この時点で太陽電池２が回復して、太陽電池２からの発電電流ＩＳＣが電流Ｉｒｅｇｕｌａｒを上回った場合でも、発電電流ＩＳＣが電流Ｉｓｔａｒｔを超えられなければ電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが下がることになる。

したがって、電圧を回復できなくなり、起動シーケンス動作を完了するための電圧が確保できない。

それゆえ、実施形態１に従う制御機器５のスイッチＳＷを設けた構成により、太陽電池２の発電能力が一時的に低下して、電流Ｉｒｅｇｕｌａｒを下回った場合についても安定的に起動シーケンス動作を再開することが可能である。

（実施形態２）
図９は、実施形態２に従うソーラシステム１Ｐの概要を説明する図である。

図９を参照して、ソーラシステム１Ｐは、ソーラシステム１と比較してマイコン２０をマイコン２０＃に置換するとともに、マイコン２０＃と並列に内部ノードＮ１と接続されるコンデンサ３０を設けた点が異なる。その他の構成については同様であるのでその詳細な説明については繰り返さない。本例においては、コンデンサ３０が設けられる構成について説明するが、コンデンサに限られず２次電池とすることも可能である。また、制御機器５＃に内蔵される形態に限られず外側で接続する形態としても良い。

マイコン２０＃は、マイコン２０と比較して電圧検出回路２４をさらに含む。
電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧レベルを検出して、検出結果に基づいて起動信号を出力する。具体的には、電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧レベルが電圧Ｖｍｃｕ以上であるか否かを判断する。電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧レベルが電圧Ｖｍｃｕ以上であると判断した場合に起動信号を出力する。

マイコン２０＃は、起動信号に従って活性化されて起動シーケンス動作を実行する。
図１０は、実施形態２に従うソーラシステム１Ｐにおける動作例を説明する図である。

図１０（Ａ）に示されるように、時刻Ｔ１２に電圧Ｖｓｔａｒｔに到達する。この場合、電圧検出回路１２は、フリップフロップ１４のデータをセットする。これに伴いスイッチＳＷが導通する。

そして、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが上昇する。内部ノードＮ１にはコンデンサ３０が接続されている。コンデンサ３０は、太陽電池２により充電される。そして、ノードＮ０と内部ノードＮ１の電圧は同じ電圧レベルとなる。

電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕ以上となった場合に起動信号を出力する。

これに伴いマイコン２０＃は、起動信号に従って活性化されて起動シーケンス動作を実行する。

実施形態１に従う構成ではマイコン２０のための起動信号を持たない構成であり、電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵの上昇に伴い起動開始となるので、電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵの電圧が低い場合に起動シーケンスを開始して不安定となる可能性がある。一方で、実施形態２に従う構成では電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕ以上の場合に起動シーケンスを開始する。したがって、起動シーケンスを安定的に開始することが可能である。

図１０（Ｂ）に示されるように、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕ以上となった場合に電流ＩＣＣが流れ出す場合が示されている。

図１０（Ａ）に示されるように、電流ＩＣＣが流れ出すことにより、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが低下し始める。一方で、ノードＮ０にはコンデンサ１５が接続されている。また、ノードＮ０にはスイッチＳＷを介してコンデンサ３０が接続されている。コンデンサ１５，３０は、太陽電池２により充電されている。電圧ＶＣＣ＿ＥＨは、コンデンサ１５，３０に充電された電荷が放電されて緩やかに電圧レベルが下降する。

本例においては、時刻Ｔ１３に起動シーケンス動作が完了して低電力モードに移行した場合が示されている。

図１０（Ｂ）に示されるように、低電力モードにおいて、電流ＩＣＣは、電流Ｉｒｅｇｕｌａｒの値に維持される。

実施形態２に従う制御機器５＃のスイッチＳＷは、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｓｔａｒｔに到達した場合に導通する。

したがって、当該状態になるまで太陽電池２は、スイッチＳＷがオフしているためマイコン２０である負荷と接続されていない。したがって、電源投入時の初期においてマイコン２０＃の負荷が重く電圧レベルが低いために起動シーケンス動作を実行できないという問題を回避することが可能である。

そして、内部ノードＮ１の電圧が電圧Ｖｍｃｕ以上となった場合にマイコン２０＃が活性化される。また、内部ノードＮ１はコンデンサ３０と接続されている。したがって、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕに到達するまでの間にコンデンサ３０は充電されている。

それゆえ、起動信号によりマイコン２０＃が活性化されて、電圧ＶＣＣ＿ＥＨが低下した場合であってもコンデンサ１５，３０に充電された電荷が放電されることにより電圧ＶＣＣ＿ＥＨの低下の速度を緩めることが可能である。すなわち、急峻な電圧ドロップを抑制することが可能である。したがって、起動シーケンス動作をより確実に完了させることが可能である。

図１１は、実施形態２に従うソーラシステム１Ｐの動作について説明するフロー図である。

図１１を参照して、コンデンサ１５の充電が実行される（ステップＳ２）。これに伴いノードＮ０の電圧レベルが上昇する。

次に、電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｓｔａｒｔに到達したか否かを検出する（ステップＳ４）。

ステップＳ４において、電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｓｔａｒｔに到達しない場合には、ステップＳ２に戻り上記処理を繰り返す。

一方、ステップＳ４において、電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｓｔａｒｔに到達したと判断した場合には、フリップフロップ１４をセットする。これに従いスイッチＳＷをオンする（ステップＳ６）。

次に、電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕ以上か否かを検出する（ステップＳ８）。

ステップＳ８において、電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕ以上であることを検出しない場合には、ステップＳ８の状態を維持する。

一方、ステップＳ８において、電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕ以上であると判断した場合には、起動信号を出力してマイコン２０＃の起動シーケンス動作を開始する（ステップＳ１０）。

次に、電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｒｅｓｅｔよりも大きいか否かを検出する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２において、電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｒｅｓｅｔよりも大きい場合には、ステップＳ１４に進む。

そして、マイコン２０＃は、起動シーケンス動作が完了しているか否かを判断する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４において、マイコン２０＃は、起動シーケンス動作が完了していないと判断した場合（ステップＳ１４においてＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り上記処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１４において、マイコン２０＃は、起動シーケンス動作が完了したと判断した場合（ステップＳ１４においてＹＥＳ）には、ユーザプログラムを開始する（ステップＳ１６）。ユーザプログラムにより低電力モードに移行することが可能である。

そして、処理を終了する（エンド）。
ステップＳ１２において、電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｒｅｓｅｔよりも大きくない、すなわち小さいことを検出した場合（ステップＳ１２においてＮＯ）には、ステップＳ１８に進む。

電圧検出回路１２は、ノードＮ０の電圧ＶＣＣ＿ＥＨが電圧Ｖｒｅｓｅｔより小さいと判断した場合には、フリップフロップ１４をリセットする。これに従いスイッチＳＷをオフする（ステップＳ１８）。そして、ステップＳ２に戻る。

（実施形態３）
図１２は、実施形態３に従うソーラシステム１Ｑの概要を説明する図である。

図１２を参照して、ソーラシステム１Ｑは、ソーラシステム１Ｐと比較してマイコン２０をマイコン２０＃Ａに置換する。

マイコン２０＃Ａは、バックバイアス制御回路２６と、コンデンサＣＢＰ，ＣＢＮとをさらに含む。なお、本例においては、コンデンサＣＢＰ，ＣＢＮを設ける構成について説明するが、特に当該構成に限られずウェルの寄生容量としても良い。また、制御機器５＃Ａに内蔵される形態に限られず外側で接続する形態としても良い。

バックバイアス制御回路２６は、ＭＯＳトランジスタのバックバイアスを制御する。
図１３は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウェハに形成されたＭＯＳＦＥＴの構造を説明する図である。

図１３を参照して、ＳＯＩウェハに形成されたＭＯＥＦＥＴはＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳのウェルのバックバイアス電圧を変化させることでＭＯＳトランジスタがＯＦＦの時のリーク電流を抑制することが可能である。

バックバイアス制御回路２６は、ＰＭＯＳ用のバックバイアス制御回路２６Ａと、ＮＭＯＳ用のバックバイアス制御回路２６Ｂとを含む。

支持基盤（ｐＳＵＢ）内にＤｅｅｐ ｎウェルを形成し、その中にｐウェルとｎウェルを形成する。ＰＭＯＳ用とＮＭＯＳ用のバックバイアス制御回路２６Ａ，２６Ｂは、電源電圧からＰＭＯＳおよびＮＭＯＳトランジスタのそれぞれのバックバイアス電圧ＶＢＰ，ＶＢＮを生成し、ｎウェルとｐウェルにそれぞれ供給する。

ここで、バイアス変動量ＶＢＢとすると、ＰＭＯＳトランジスタのバックバイアス電圧ＶＢＰは、電源電圧＋ＶＢＢに設定され、ＮＭＯＳトランジスタのバックバイアス電圧ＶＢＮは接地電圧ＧＮＤ－ＶＢＢに設定される。つまり、ＮＭＯＳトランジスタのバックバイアス電圧ＶＳＵＢは負の電圧となる。

図１４は、バックバイアス電圧ＶＳＵＢとＭＯＳトランジスタのオフ状態でのリーク電流Ｉｏｆｆの関係の説明する図である。

図１４に示されるように、ＭＯＳトランジスタではリーク電流の支配的な要因はサブスレッショルドリーク電流である。

ＮＭＯＳトランジスタの場合はバックバイアス電圧を負にすることでリーク電流を小さくすることが可能である。また、ＰＭＯＳトランジスタの場合は正にすることでリーク電流を小さくすることが可能である。

ここで、リーク電流はバックバイアス電圧の変化に対して、指数関数的に変化する。
このため、バックバイアス電圧が０Ｖ近辺でリーク電流の変化量が大きく、バックバイアス電圧を大きくしていくと変化量は小さくなる。

図１５は、しきい値電圧とバックバイアス電圧との関係を説明する図である。
図１５に示されるように、ＮＭＯＳトランジスタの場合はバックバイアス電圧を負にすることでしきい値の絶対値が大きくなり、ＰＭＯＳトランジスタの場合は逆にバックバイアス電圧を正にすることでしきい値の絶対値が大きくなる。

バックバイアス電圧の印加状態ではリーク電流を低減できるので、待機状態の回路の消費電流を低減できる。一方、ＭＯＳトランジスタのしきい値ＶＴＨが高くなるので、例えばクロックを生成する回路のクロック周波数を低くする必要がある。

バックバイアス電圧の解除状態では待機状態の回路の消費電流が大きくなる。一方、クロックを生成する回路のクロック周波数を高くすることが可能である。

図１６は、実施形態３に従うソーラシステム１Ｑにおける動作例を説明する図である。
図１６（Ａ）に示されるように、時刻Ｔ１４に電圧Ｖｓｔａｒｔに到達する。この場合、電圧検出回路１２は、フリップフロップ１４のデータをセットする。これに伴いスイッチＳＷが導通する。

そして、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが上昇する。内部ノードＮ１にはコンデンサ３０が接続されている。コンデンサ３０は、太陽電池２により充電される。そして、ノードＮ０と内部ノードＮ１の電圧は同じ電圧レベルとなる。

電圧検出回路２４は、内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが電圧Ｖｍｃｕ以上となった場合に起動信号を出力する。

これに伴いマイコン２０＃は、起動信号に従って活性化されて起動シーケンス動作を実行する。

マイコン２０＃Ａの内部ノードＮ１の電圧ＶＣＣ＿ＭＣＵが０Ｖの場合には、バックバイアス制御回路２６は動作していない。したがって、バックバイアス電圧ＶＢＰおよびＶＢＮは、０Ｖである。すなわち、バックバイアス解除状態である。この時点ではマイコン２０＃Ａは消費電力が大きくなる。

マイコン２０＃Ａが起動シーケンス動作を開始するとともに、バックバイアス制御回路２６は起動信号に従って動作する。これにより、バックバイアス制御回路２６は、コンデンサＣＢＰ，ＣＢＮを充電する。バックバイアス電圧ＶＢＰ，ＶＢＮは、バックバイアス印加状態の電圧まで引き上げる。

なお、この期間の電流Ｉｓｔａｒｔが太陽電池２の発電電流ＩＳＣを上回った場合であってもコンデンサ１５および３０に充電された電荷により不足分は補うことが可能である。

起動シーケンス動作が完了し、バックバイアス電圧ＶＢＰ，ＶＢＮがバックバイアス印加状態の電圧となれば、マイコン２０＃Ａは低電力な状態に移行する。

この時のマイコン２０＃Ａの定常的な電流Ｉｒｅｇｕｌａｒが発電電流ＩＳＣよりも小さければ以降はコンデンサの電荷に依存せず太陽電池２の発電能力でマイコン２０＃Ａの本体の消費電流を支えることができるので、コンデンサの容量に関係なく持続的にマイコン２０＃Ａを動作させることが可能である。

以上、本開示を実施形態に基づき具体的に説明したが、本開示は、実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１，１Ｐ，１Ｑ ソーラシステム、２ 太陽電池、５，５＃，５＃Ａ 制御機器、１０ 電源モジュール、１２，２４ 電圧検出回路、１４ フリップフロップ、１５，３０，ＣＢＮ，ＣＢＰ コンデンサ、２０ マイコン、２６ バックバイアス制御回路、１２０ 基準電圧発生回路、１２２，１２４ 比較器、Ｄ１ 逆流防止用ダイオード。

Claims (8)

1. 発電装置と、
   前記発電装置で発電された電源電圧で駆動する半導体装置とを備え、
   前記半導体装置は、
   電源ノードから前記電源電圧の供給を受ける負荷回路と、
   前記電源ノードと前記負荷回路との間に設けられるスイッチと、
   前記スイッチと並列に前記電源ノードと接続される第１のコンデンサと、
   前記電源ノードの電圧レベルに基づいて前記スイッチを制御するスイッチ制御回路とを備え、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記電源ノードの電圧レベルと第１の基準電圧とを比較する第１の比較器と、
   前記電源ノードの電圧レベルと第２の基準電圧とを比較する第２の比較器と、
   前記第１の比較器の比較結果に基づく信号に従ってセットして前記スイッチを導通に設定し、前記第２の比較器の比較結果に基づく信号に従ってリセットして前記スイッチを非導通に設定するＲＳフリップフロップ回路とを含み、
   前記負荷回路の起動時の消費電力は、定常時の消費電力よりも大きく、
   前記スイッチ制御回路は、前記第２の比較器の出力に基づいて前記負荷回路をリセットするリセット信号を出力する、半導体システム。
2. 前記負荷回路の定常時の消費電力は、前記発電装置の発電量よりも小さい、請求項１記載の半導体システム。
3. 前記スイッチ制御回路は、前記第１および第２の基準電圧を生成する基準電圧生成回路をさらに含む、請求項１または２記載の半導体システム。
4. 前記半導体装置は、前記スイッチと前記負荷回路との間の内部ノードと接続される第２のコンデンサをさらに含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体システム。
5. 前記半導体装置は、前記内部ノードの電圧レベルを検出し、検出結果に基づいて前記負荷回路を起動する起動信号を出力する電圧検出回路をさらに備え、
   前記負荷回路は、前記起動信号に従い、起動シーケンス動作を実行し、
   前記起動シーケンス動作が実行されたあと、前記スイッチ制御回路は、前記第２の比較器の比較結果に基づく信号に従って前記スイッチを非導通にする、請求項４記載の半導体システム。
6. 前記負荷回路は、ＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を調整するバックバイアス電圧を制御するバックバイアス制御回路を含む、請求項５記載の半導体システム。
7. 前記バックバイアス制御回路は、前記起動信号に基づいて前記ＭＯＳトランジスタの閾値電圧の絶対値が大きくなるように設定する、請求項６記載の半導体システム。
8. 前記起動信号に基づいて前記負荷回路を構成するＮＭＯＳトランジスタに負のバックバイアス電圧を印加し、前記負荷回路を構成するＰＭＯＳトランジスタに正のバックバイアス電圧を印加することにより消費電力は減少する、請求項７記載の半導体システム。

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