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JP7303021B2 - capacitance measurement circuit, capacitance measurement method, power supply circuit, data storage device, power management circuit - Google Patents

capacitance measurement circuit, capacitance measurement method, power supply circuit, data storage device, power management circuit Download PDF

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JP7303021B2
JP7303021B2 JP2019100388A JP2019100388A JP7303021B2 JP 7303021 B2 JP7303021 B2 JP 7303021B2 JP 2019100388 A JP2019100388 A JP 2019100388A JP 2019100388 A JP2019100388 A JP 2019100388A JP 7303021 B2 JP7303021 B2 JP 7303021B2
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Description

本発明は、容量測定回路に関する。 The present invention relates to capacitance measurement circuits.

電子部品には、安定した電源電圧の供給が欠かせない。ソリッドステートドライブやハードディスクなどの記憶装置は、電源電圧が瞬断されると、記憶中のデータの破壊、消失のおそれがある。入力電圧が遮断された後も、負荷がデータ待避などの必要な保護処理を実行する期間、電源電圧を維持することが求められる。このような機能は、電源喪失保護、PLP(Power Loss Protection)、PLI(Power Loss Imminent)、PFP(Power Failure Protection)などと称される。 A stable power supply voltage is essential for electronic components. In a storage device such as a solid state drive or a hard disk, if the power supply voltage is interrupted momentarily, the stored data may be destroyed or lost. Even after the input voltage is cut off, it is required to maintain the power supply voltage during the period when the load performs necessary protection processing such as data saving. Such functions are called power loss protection, PLP (Power Loss Protection), PLI (Power Loss Imminent), PFP (Power Failure Protection), and the like.

図1は、PLP機能を備えるシステムのブロック図である。システム2は、主電源10、負荷20および電源回路30を備える。主電源10は、直流の入力電圧VINを生成する。 FIG. 1 is a block diagram of a system with PLP functionality. System 2 comprises main power supply 10 , load 20 and power supply circuit 30 . A main power supply 10 produces a DC input voltage VIN .

電源回路30は、主電源10と負荷20に設けられる。電源回路30の入力端子VINには、主電源10が生成する入力電圧VINが供給され、出力端子VSYSには負荷20が接続される。 The power supply circuit 30 is provided in the main power supply 10 and the load 20 . The input terminal VIN of the power supply circuit 30 is supplied with the input voltage VIN generated by the main power supply 10, and the load 20 is connected to the output terminal VSYS.

電源回路30は、スイッチSW11,SW12,SW13、バックアップキャパシタCb、コントローラ34を備える。スイッチSW11は、主電源10と負荷20を結ぶ電源ライン38上に設けられる。有効な入力電圧VINが供給される間、スイッチSW11はオンとなり、入力電圧VINが電源電圧VSYSとして負荷20に供給される。スイッチSW13は、入力端子VINとバックアップキャパシタCbの間に設けられる。スイッチSW13がオンとなることで、バックアップキャパシタCbが充電される。 The power supply circuit 30 includes switches SW11, SW12, SW13, a backup capacitor Cb, and a controller . The switch SW11 is provided on a power supply line 38 connecting the main power supply 10 and the load 20 . As long as a valid input voltage V IN is present, the switch SW11 is turned on and the input voltage V IN is provided to the load 20 as the power supply voltage V SYS . The switch SW13 is provided between the input terminal VIN and the backup capacitor Cb. By turning on the switch SW13, the backup capacitor Cb is charged.

スイッチSW12は、バックアップキャパシタCbと出力端子VSYSの間に設けられる。コントローラ34は、入力端子VINの入力電圧VINを監視し、正常状態か電源喪失状態かを判定する。コントローラ34は、電源喪失状態を検出すると、スイッチSW11およびSW13をオフし、SW12をオンする。 The switch SW12 is provided between the backup capacitor Cb and the output terminal VSYS. Controller 34 monitors the input voltage VIN at input terminal VIN to determine whether it is in a normal condition or a power loss condition. When controller 34 detects a power loss condition, it turns off switches SW11 and SW13 and turns on SW12.

バックアップキャパシタCbに劣化や欠損があると、バックアップ動作が行えなくなる。したがって、バックアップキャパシタCbの劣化・欠損を未然に検出することが求められる。 If the backup capacitor Cb is deteriorated or damaged, the backup operation cannot be performed. Therefore, it is required to detect deterioration/loss of the backup capacitor Cb in advance.

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高精度な容量測定回路の提供にある。 The present invention has been made in this context, and one exemplary object of some aspects thereof is to provide a highly accurate capacitance measurement circuit.

本発明のある態様は、キャパシタの容量を測定する容量測定回路に関する。容量測定回路は、基準電圧に比例し、第1抵抗の抵抗値に反比例する電流を、キャパシタにソースし、あるいはキャパシタからシンクする電流源と、基準電圧に反比例し、第1抵抗と相対精度が担保された第2抵抗の抵抗値に比例する周期を有するクロック信号を生成するオシレータと、キャパシタの電圧が、所定電圧幅、変化するのに要する時間を、クロック信号を利用してカウントするタイマー回路と、を備える。 One aspect of the present invention relates to a capacitance measurement circuit that measures capacitance of a capacitor. The capacitance measurement circuit includes a current source that sources into or sinks from the capacitor a current that is proportional to the reference voltage and inversely proportional to the resistance of the first resistor, and a current source that is inversely proportional to the reference voltage and has accuracy relative to the first resistor. An oscillator that generates a clock signal having a period proportional to the guaranteed resistance value of the second resistor, and a timer circuit that counts the time required for the voltage of the capacitor to change by a predetermined voltage width using the clock signal. And prepare.

本発明の別の態様もまた、容量測定回路である。この容量測定回路は、基準電圧に比例し、第1抵抗の抵抗値に反比例する電流をキャパシタにソースし、あるいはキャパシタからシンクする電流源と、基準電圧に反比例し、第1抵抗と相対精度が担保された第2抵抗の抵抗値に比例する周期を有するクロック信号を生成するオシレータと、クロック信号を所定カウント数カウントするカウンタと、カウンタによるカウント中にキャパシタに発生する電圧変動幅を示すデジタル値を生成するA/Dコンバータと、を備える。 Another aspect of the invention is also a capacitance measurement circuit. The capacitance measuring circuit includes a current source that sources into or sinks from the capacitor a current that is proportional to the reference voltage and inversely proportional to the resistance of the first resistor, and a current source that is inversely proportional to the reference voltage and has accuracy relative to the first resistor. An oscillator that generates a clock signal having a period proportional to the guaranteed resistance value of the second resistor, a counter that counts the clock signal for a predetermined number of counts, and a digital value that indicates the voltage fluctuation range generated in the capacitor during counting by the counter. an A/D converter that generates

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Arbitrary combinations of the above constituent elements, and mutual replacement of the constituent elements and expressions of the present invention between methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.

本発明のある態様によれば、キャパシタの容量を正確に測定できる。 According to one aspect of the present invention, the capacitance of the capacitor can be measured accurately.

PLP機能を備えるシステムのブロック図である。1 is a block diagram of a system with PLP functionality; FIG. 実施の形態1に係る容量測定回路を備える半導体装置のブロック図である。1 is a block diagram of a semiconductor device including a capacitance measurement circuit according to Embodiment 1; FIG. 図2の容量測定回路の動作波形図である。3 is an operation waveform diagram of the capacitance measurement circuit of FIG. 2; FIG. 電流源の構成例を示す回路図である。4 is a circuit diagram showing a configuration example of a current source; FIG. オシレータの構成例を示す回路図である。4 is a circuit diagram showing a configuration example of an oscillator; FIG. タイマー回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of a timer circuit. 図6のタイマー回路の動作を説明する図である。7 is a diagram for explaining the operation of the timer circuit of FIG. 6; FIG. 変形例に係るタイマー回路の回路図である。It is a circuit diagram of a timer circuit according to a modification. 実施の形態2に係る容量測定回路を備える半導体装置のブロック図である。10 is a block diagram of a semiconductor device including a capacitance measurement circuit according to a second embodiment; FIG. 図9の容量測定回路の動作波形図である。FIG. 10 is an operation waveform diagram of the capacitance measurement circuit of FIG. 9; 実施の形態に係る電源回路を備えるシステムのブロック図である。1 is a block diagram of a system including a power supply circuit according to an embodiment; FIG. 図11の電源回路の起動時の動作を説明する図である。12 is a diagram for explaining the operation of the power supply circuit of FIG. 11 at startup; FIG. 図11の電源回路の電源遮断時の動作を説明する図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the operation of the power supply circuit of FIG. 11 when power is cut off; 変形例に係る電源回路のブロック図である。It is a block diagram of a power supply circuit according to a modification. PLP機能付きのデータ記憶装置のブロック図である。1 is a block diagram of a data storage device with PLP functionality; FIG. 図15のPLP機能付きの電源回路とPMICを集積化した半導体装置を備えるシステムのブロック図である。16 is a block diagram of a system including a semiconductor device in which the power supply circuit with the PLP function of FIG. 15 and a PMIC are integrated; FIG.

(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさず、あるいは機能を阻害しない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。また、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさず、あるいは機能を阻害しない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In the present specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, as well as a case in which member A and member B are electrically connected. Indirect connection through other members that do not affect the connected state or impede the function is also included. Further, "the state in which the member C is provided between the member A and the member B" means the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as the case where the electrical connection is made. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not affect the state or impede the function.

(実施の形態1)
図2は、実施の形態1に係る容量測定回路500Aを備える半導体装置600Aのブロック図である。容量測定回路500Aは、半導体装置600Aに集積化されている。半導体装置600は、容量測定回路500Aに加えて、基準電圧源602、キャパシタ接続ピン(以下、CAPピン)を備える。基準電圧源602はバンドギャップリファレンス回路などであり、プロセスばらつき、温度変動の影響を受けない一定の基準電圧VREFを生成する。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a block diagram of a semiconductor device 600A including the capacitance measurement circuit 500A according to the first embodiment. The capacitance measurement circuit 500A is integrated in the semiconductor device 600A. The semiconductor device 600 includes a reference voltage source 602 and a capacitor connection pin (hereinafter, CAP pin) in addition to the capacitance measurement circuit 500A. A reference voltage source 602 is a bandgap reference circuit or the like, and generates a constant reference voltage V REF that is not affected by process variations and temperature fluctuations.

容量測定回路500Aは、基準電圧VREFを受け、CAPピンに接続される外付けのキャパシタC1の容量を測定する。 Capacitance measurement circuit 500A receives reference voltage VREF and measures the capacitance of external capacitor C1 connected to the CAP pin.

容量測定回路500Aは、電流源510、オシレータ520、タイマー回路530、コントローラ540を備える。 The capacitance measurement circuit 500A includes a current source 510, an oscillator 520, a timer circuit 530, and a controller 540.

電流源510は、第1抵抗R1を含む。電流源510は、基準電圧VREFに比例し、第1抵抗R1の抵抗値に反比例する電流Iを、キャパシタC1にソースし、あるいはキャパシタC1からシンクする。本実施の形態では、電流源510は、電流シンク型であり、キャパシタC1を定電流Iによって放電する。
=α×VREF/R1 …(1)
電流源510によってキャパシタC1を放電することにより、キャパシタC1には一定の傾きの電圧変化が発生する。αは、温度依存性を有しない定数である。
Current source 510 includes a first resistor R1. Current source 510 sources or sinks current I C to or from capacitor C1 that is proportional to reference voltage V REF and inversely proportional to the resistance of first resistor R1. In this embodiment, the current source 510 is of the current sink type and discharges the capacitor C1 with a constant current IC .
I C =α×V REF /R1 (1)
Discharging the capacitor C1 by the current source 510 causes a voltage change with a constant slope in the capacitor C1. α is a constant that has no temperature dependence.

オシレータ520は、第2抵抗R2を含む。第2抵抗R2は、第1抵抗R1と相対精度が担保されるように形成される。具体的な抵抗R1およびR2は、同じデバイス構造を有し、半導体基板上に隣接して形成される(ペアリング)。 Oscillator 520 includes a second resistor R2. The second resistor R2 is formed so as to ensure relative accuracy with the first resistor R1. Specific resistors R1 and R2 have the same device structure and are formed adjacently (pairing) on a semiconductor substrate.

オシレータ520は、基準電圧VREFに反比例し、第2抵抗R2の抵抗値に比例する周期TCLKを有するクロック信号CLKを生成する。
CLK=β×R2/VREF …(2)
βは、温度依存性を有しない定数である。
クロック信号CLKの周期TCLKの逆数である周波数fは、基準電圧VREFに比例し、第2抵抗R2の抵抗値に反比例する。
f=VREF/(β×R) …(3)
The oscillator 520 generates a clock signal CLK having a period T CLK that is inversely proportional to the reference voltage V REF and proportional to the resistance value of the second resistor R2.
TCLK =β×R2/ VREF (2)
β is a constant that has no temperature dependence.
The frequency f, which is the inverse of the period T CLK of the clock signal CLK, is proportional to the reference voltage V REF and inversely proportional to the resistance of the second resistor R2.
f=V REF /(β×R 2 ) (3)

タイマー回路530は、キャパシタC1の電圧VCAPが、所定の電圧幅ΔV、変化するのに要する時間を、クロック信号CLKを利用してカウントする。ΔVは、温度およびプロセスばらつきの影響を受けない定数である。たとえば電圧幅ΔVは基準電圧VREFにもとづいて生成できる。γは温度依存性を有しない定数である。
ΔV=γ×VREF …(4)
タイマー回路530によって得られるカウント値Nは、キャパシタC1の容量値を表す。
The timer circuit 530 counts the time required for the voltage VCAP of the capacitor C1 to change by a predetermined voltage width ΔV using the clock signal CLK. ΔV is a constant that is independent of temperature and process variations. For example, voltage swing ΔV can be generated based on reference voltage V REF . γ is a constant that has no temperature dependence.
ΔV=γ× VREF (4)
The count value N obtained by timer circuit 530 represents the capacitance value of capacitor C1.

コントローラ540は、容量測定回路500Aを統合的に制御する。コントローラ540はロジック回路で構成できる。 Controller 540 integrally controls capacitance measurement circuit 500A. The controller 540 can be composed of logic circuits.

以上が容量測定回路500Aの基本構成である。続いてその動作を説明する。図3は、図2の容量測定回路500Aの動作波形図である。 The above is the basic configuration of the capacitance measurement circuit 500A. Next, the operation will be explained. FIG. 3 is an operation waveform diagram of the capacitance measurement circuit 500A of FIG.

時刻tより前に、キャパシタC1はとある初期電圧VINITに充電されている。コントローラ540は、時刻tに容量測定を開始する。具体的には、電流源510をイネーブルとして電流IによってキャパシタC1の放電を開始する。またオシレータ520をイネーブルとし、クロック信号CLKの生成を開始する。 Prior to time t0 , capacitor C1 has been charged to some initial voltage V_INIT . Controller 540 begins the capacitance measurement at time t0 . Specifically, current source 510 is enabled to start discharging capacitor C1 with current IC . It also enables the oscillator 520 and starts generating the clock signal CLK.

タイマー回路530はキャパシタ電圧VCAPを監視する。キャパシタ電圧VCAPが、所定電圧幅ΔV変化するのに要する時間Δtは、Δtは式(5)で表される。Cはキャパシタの容量である。
Δt=ΔV×C/I …(5)
A timer circuit 530 monitors the capacitor voltage V CAP . The time Δt required for the capacitor voltage V CAP to change by a predetermined voltage width ΔV is expressed by equation (5). C is the capacitance of the capacitor.
Δt=ΔV×C/I C (5)

この時間Δtを、クロック信号CLKでカウントしたときのカウント数Nは、式(6)で表される。
N=Δt/TCLK
=ΔV×C/(I×TCLK) …(6)
A count number N when this time Δt is counted by the clock signal CLK is represented by the equation (6).
N=Δt/ TCLK
=ΔV×C/( IC × TCLK ) (6)

式(6)に、式(1)(2)を代入すると、式(7)を得る。
N=ΔV×C/(α×VREF/R1×β×R2/VREF
=ΔV×C/(α・β・R2/R1) …(7)
By substituting equations (1) and (2) into equation (6), equation (7) is obtained.
N=ΔV×C/(α× VREF /R1×β×R2/ VREF )
=ΔV×C/(α・β・R2/R1) (7)

2つの抵抗R1,R2はペアリングされており、プロセスばらつき、温度変動に対する相対値の精度は非常に高い。したがってR2/R1の精度は、±1%程度まで高めることができる。またΔV、α、βは、プロセスばらつき、温度変動の影響を受けない定数であるから、式(7)で表されるカウント値は、キャパシタCを、±1%の精度で測定した値となる。 The two resistors R1 and R2 are paired, and the accuracy of the relative value against process variations and temperature fluctuations is very high. Therefore, the accuracy of R2/R1 can be increased to about ±1%. Also, since ΔV, α, and β are constants that are not affected by process variations and temperature fluctuations, the count value represented by Equation (7) is a value obtained by measuring the capacitor C with an accuracy of ±1%. .

以上が容量測定回路500Aの動作である。この容量測定回路500Aによれば、温度変動、プロセスばらつきにかかわらず、非常に高い精度でキャパシタC1の容量値を測定することができる。 The above is the operation of the capacitance measurement circuit 500A. According to this capacitance measurement circuit 500A, the capacitance value of the capacitor C1 can be measured with extremely high accuracy regardless of temperature fluctuations and process variations.

続いて容量測定回路500Aの具体的な構成例を説明する。図4は、電流源510の構成例を示す回路図である。電流源510は、V/I変換回路512、カレントミラー回路514,516を含む。V/I変換回路512は、第1抵抗R1、トランジスタM1、エラーアンプEA1を含む。V/I変換回路512は、式(8)で表される基準電流IREF1を生成する。
REF1=VREF/R1 …(8)
カレントミラー回路514,516は、基準電流IREF1を折り返し、定数倍して定電流Iを生成する。
=K1×K2×IREF1=K1×K2×VREF/R1
カレントミラー回路514,516のミラー比K1,K2は、プロセスばらつき、温度変動の影響を受けない定数であるから、α=K1×K2とすると、定電流Iは、式(1)で表される。なお、図4において、カレントミラー回路514,516を省略してV/I変換回路512を直接、CAPピンと接続詞、キャパシタC1から電流I=IREF1をシンクするようにしてもよい。
Next, a specific configuration example of the capacitance measurement circuit 500A will be described. FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of the current source 510. As shown in FIG. Current source 510 includes a V/I conversion circuit 512 and current mirror circuits 514 and 516 . The V/I conversion circuit 512 includes a first resistor R1, a transistor M1, and an error amplifier EA1. V/I conversion circuit 512 generates reference current I REF1 represented by equation (8).
I REF1 =V REF /R1 (8)
Current mirror circuits 514 and 516 fold back the reference current I REF1 and multiply it by a constant to generate a constant current I C .
I C =K1×K2×I REF1 =K1×K2×V REF /R1
The mirror ratios K1 and K2 of the current mirror circuits 514 and 516 are constants that are not affected by process variations and temperature fluctuations . be. In FIG. 4, the current mirror circuits 514 and 516 may be omitted, and the V/I conversion circuit 512 may directly sink the current I C =I REF1 from the CAP pin, the conjunction, and the capacitor C1.

図5は、オシレータ520の構成例を示す回路図である。オシレータ520は、V/I変換回路522およびキャパシタC2を含む。V/I変換回路522は、第2抵抗R2、トランジスタM2、エラーアンプEA2を含み、式(9)で表される基準電流IREF2を生成する。第2抵抗R2は、電流源510の第1抵抗R1とペアリングされている。
REF2=VREF/R2 …(9)
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of the oscillator 520. As shown in FIG. Oscillator 520 includes a V/I conversion circuit 522 and capacitor C2. The V/I conversion circuit 522 includes a second resistor R2, a transistor M2, and an error amplifier EA2, and generates a reference current IREF2 represented by Equation (9). Second resistor R2 is paired with first resistor R1 of current source 510 .
I REF2 =V REF /R2 (9)

オシレータ520は、基準電流IREF2にもとづく電流によって、キャパシタC2を充電(あるいは放電)し、キャパシタC2に発生する電圧VC2をしきい値と比較することにより、クロック信号CLKを生成する。クロック信号CLKの周期TCLKは、キャパシタC2の容量値に比例し、基準電流IREF2に反比例する。
CLK=δ・C2/IREF2 …(10)
式(10)に、式(9)を代入すると、式(2)を得る。ただし、β=δ・C2である。
Oscillator 520 charges (or discharges) capacitor C2 with a current based on reference current I REF2 , and generates clock signal CLK by comparing voltage V C2 generated in capacitor C2 with a threshold. The period T CLK of the clock signal CLK is proportional to the capacitance value of the capacitor C2 and inversely proportional to the reference current I REF2 .
T CLK = δ·C2/I REF2 (10)
Substituting equation (9) into equation (10) yields equation (2). However, β=δ·C2.

基準電流IREF2にもとづくオシレータ520の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。たとえばオシレータ520は、キャパシタC2およびV/I変換回路522に加えて、電流源524、放電スイッチ526、コンパレータ528を含んでもよい。 The configuration of oscillator 520 based on reference current IREF2 is not particularly limited, and a known technique may be used. For example, oscillator 520 may include current source 524 , discharge switch 526 and comparator 528 in addition to capacitor C 2 and V/I conversion circuit 522 .

電流源524は、基準電流IREF2に比例する電流ICHGによって、キャパシタC2を充電する。放電スイッチ526はコンパレータ528の出力に応じて制御され、キャパシタC2の電圧VC2がしきい値VTHを超えるとオンとなり、キャパシタC2の電荷を放電し、電圧VC2をリセットする。放電スイッチ526に代えて、基準電流IREF2に比例する電流IDISによってキャパシタC2を放電する放電回路を設け、充電と放電を交互に繰り返してもよい。 Current source 524 charges capacitor C2 with a current I CHG proportional to reference current I REF2 . Discharge switch 526 is controlled according to the output of comparator 528 and turns on when voltage V C2 of capacitor C2 exceeds threshold V TH to discharge the charge of capacitor C2 and reset voltage V C2 . Instead of the discharge switch 526, a discharge circuit for discharging the capacitor C2 with a current I_DIS proportional to the reference current I_REF2 may be provided to alternately repeat charging and discharging.

図6は、タイマー回路530の構成例を示す回路図である。タイマー回路530は、分圧回路532、セレクタ534、コンパレータ536、カウンタ538を備える。分圧回路532は、基準電圧VREFを分圧し、第1基準電圧VREFHおよび第2基準電圧をVREFLを生成する。第1基準電圧VREFHおよび第2基準電圧をVREFLの差分が、上述の所定電圧幅ΔVに相当する。分圧回路532は、直列に接続された3個の抵抗R31~R33を含む。抵抗R31~R33は、相互に相対精度が保証されるように、同じ素子構造を有し、半導体基板上に近接して配置される。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of the timer circuit 530. As shown in FIG. The timer circuit 530 includes a voltage dividing circuit 532 , a selector 534 , a comparator 536 and a counter 538 . A voltage divider circuit 532 divides the reference voltage V REF to produce a first reference voltage V REFH and a second reference voltage V REFL . The difference between the first reference voltage V REFH and the second reference voltage V REFL corresponds to the predetermined voltage width ΔV described above. Voltage dividing circuit 532 includes three resistors R31 to R33 connected in series. The resistors R31 to R33 have the same element structure and are arranged close to each other on the semiconductor substrate so as to ensure relative accuracy with each other.

セレクタ534は、2つの基準電圧VREFH,VREFLを受け、一方を選択する。コンパレータ536は、キャパシタC1の電圧VCAPを、セレクタ534の出力電圧VTHと比較する。コントローラ540は、コンパレータ536の出力COMPOUTに応じて、セレクタ534の状態を切り代える。コンパレータ536の出力は、キャパシタ電圧VCAPが所定電圧幅ΔVだけ変化するのに要する時間Δtを表す。カウンタ538は、コンパレータ536の出力にもとづく期間Δt、クロック信号CLKをカウントする。 A selector 534 receives two reference voltages V REFH and V REFL and selects one of them. A comparator 536 compares the voltage V CAP on capacitor C 1 to the output voltage V TH of selector 534 . The controller 540 switches the state of the selector 534 according to the output COMPOUT of the comparator 536 . The output of comparator 536 represents the time Δt required for the capacitor voltage V CAP to change by a predetermined voltage width ΔV. A counter 538 counts the clock signal CLK for a period Δt based on the output of the comparator 536 .

図7は、図6のタイマー回路530の動作を説明する図である。はじめにセレクタ534は、第1基準電圧VREFHを選択しており、VTH=VREFHである。時刻tに、電流源510がイネーブルとなり、キャパシタC1の放電が開始し、キャパシタ電圧VCAPが一定の傾きで低下する。 FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of timer circuit 530 of FIG. Initially, selector 534 has selected the first reference voltage V REFH , where V TH =V REFH . At time t0 , current source 510 is enabled, capacitor C1 begins to discharge, and capacitor voltage V CAP ramps down.

時刻tに、VCAP<VTH(すなわちVCAP<VREFH)となると、コンパレータ536の出力COMPOUTがローとなる。コントローラ540は、コンパレータ536の出力COMPOUTに応答して、セレクタ534の状態を切り替える。これにより、セレクタ534によって第2基準電圧VREFLが選択され、VTH=VREFHとなる。時刻tに、VCAP<VTH(すなわちVCAP<VREFL)となると、コンパレータ536の出力COMPOUTがローとなる。 At time t 1 , when V CAP <V TH (ie, V CAP <V REFH ), the output COMPOUT of comparator 536 goes low. Controller 540 switches the state of selector 534 in response to the output COMPOUT of comparator 536 . As a result, the selector 534 selects the second reference voltage V REFL and V TH =V REFH . At time t 2 , when V CAP <V TH (ie, V CAP <V REFL ), the output COMPOUT of comparator 536 goes low.

カウンタ538は、COMPOUT信号が1回目にローとなるとカウント動作を開始し、2回目にローになるとカウント動作を停止する。カウンタ538の出力Nは、キャパシタ電圧VCAPが所定電圧幅ΔV変化するのに要する時間を表す。 The counter 538 starts counting when the COMPOUT signal goes low for the first time, and stops counting when it goes low for the second time. The output N of counter 538 represents the time required for the capacitor voltage V CAP to change by a predetermined voltage width ΔV.

図6のタイマー回路530は、コンパレータ536がオフセット電圧VOFSを有する場合であっても、その影響を受けずに、所定電圧幅ΔVの変化を測定することができるという利点を有する。この利点は、図8の変形例との対比によって明確となる。 Timer circuit 530 of FIG. 6 has the advantage of being able to measure a change in predetermined voltage width ΔV without being affected by comparator 536 having an offset voltage VOFS . This advantage becomes clear by comparison with the variant of FIG.

図8は、変形例に係るタイマー回路531の回路図である。このタイマー回路531は、2個のコンパレータ536,537を備える。コンパレータ536は、キャパシタ電圧VCAPを第1基準電圧VREFHと比較し、コンパレータ537は、キャパシタ電圧VCAPを第2基準電圧VREFLと比較する。カウンタ538は、コンパレータ536の出力COMPHが変化してからコンパレータ537の出力COMPLが変化するまでの時間を、クロック信号CLKを利用して測定する。 FIG. 8 is a circuit diagram of a timer circuit 531 according to a modification. This timer circuit 531 has two comparators 536 and 537 . A comparator 536 compares the capacitor voltage V CAP to a first reference voltage V REFH and a comparator 537 compares the capacitor voltage V CAP to a second reference voltage V REFL . The counter 538 uses the clock signal CLK to measure the time from when the output COMPH of the comparator 536 changes to when the output COMPL of the comparator 537 changes.

図8では、2個のコンパレータ536、537が、異なるオフセット電圧を有する場合に、電圧幅ΔVが、オフセット電圧の影響を受けることとなる。また2個のコンパレータ536、537が、異なる応答時間(応答遅延)を有する場合に、時間差Δtに誤差が生ずる。図6のタイマー回路530によれば、図8の回路で生ずる問題を解決でき、またコンパレータが1個でよいため、回路面積を小さくできる。なおオフセット電圧が十分に小さく、また応答遅延が十分に短いコンパレータを設計できる場合には、図8のタイマー回路531を採用してもよい。 In FIG. 8, if the two comparators 536, 537 have different offset voltages, the voltage width ΔV will be affected by the offset voltages. Also, when the two comparators 536 and 537 have different response times (response delays), an error occurs in the time difference Δt. According to the timer circuit 530 of FIG. 6, the problem caused by the circuit of FIG. 8 can be solved, and since only one comparator is required, the circuit area can be reduced. Note that the timer circuit 531 of FIG. 8 may be employed if a comparator with a sufficiently small offset voltage and a sufficiently short response delay can be designed.

(実施の形態2)
図9は、実施の形態2に係る容量測定回路500Bを備える半導体装置600Bのブロック図である。容量測定回路500Bは、基準電圧VREFを受け、CAPピンに接続される外付けのキャパシタC1の容量を測定する。
(Embodiment 2)
FIG. 9 is a block diagram of a semiconductor device 600B including a capacitance measurement circuit 500B according to the second embodiment. Capacitance measurement circuit 500B receives reference voltage V REF and measures the capacitance of external capacitor C1 connected to the CAP pin.

容量測定回路500Bは、電流源510、オシレータ520、コントローラ540、カウンタ550、A/Dコンバータ560を備える。電流源510およびオシレータ520については、実施の形態1と同様である。 The capacitance measurement circuit 500B includes a current source 510, an oscillator 520, a controller 540, a counter 550 and an A/D converter 560. Current source 510 and oscillator 520 are the same as in the first embodiment.

コントローラ540は、容量測定回路500Bを制御する。A/Dコンバータ560には基準電圧VREFが与えられており、A/Dコンバータ560のビット数がMであるとき、1LSB相当の電圧(分解能)は、VLSB=VREF/2である。ある任意の電圧Vを入力したときのA/Dコンバータ560の出力のデジタル値Dは、10進数で、式(11)で表される。
=V/VLSB=2×V/VREF …(11)
Controller 540 controls capacitance measurement circuit 500B. A reference voltage V REF is applied to the A/D converter 560, and when the number of bits of the A/D converter 560 is M, the voltage (resolution) corresponding to 1 LSB is V LSB =V REF / 2M. . The digital value DV of the output of the A/D converter 560 when any given voltage V is input is expressed in decimal by Equation (11).
DV =V/ VLSB = 2M *V/ VREF (11)

カウンタ550は、電流源510によるキャパシタC1の放電中(あるいは充電中)に、イネーブルとなり、クロック信号CLKを所定カウント数N,カウントする。A/Dコンバータ560は、カウンタ550によるカウント動作開始時と、カウント完了時に、キャパシタC1の電圧VCAPを取り込み、2つのデジタル値DV1,DV2を生成する。2つのデジタル値DV1,DV2の差分は、TCLK×Nの期間に発生するキャパシタC1の電圧VCAPの変動幅ΔVである。 The counter 550 is enabled while the current source 510 is discharging (or charging) the capacitor C1, and counts the clock signal CLK a predetermined number N of times. The A/D converter 560 takes in the voltage VCAP of the capacitor C1 when the counter 550 starts counting and when the counting ends, and generates two digital values DV1 and DV2 . The difference between the two digital values D V1 and D V2 is the fluctuation width ΔV of the voltage V CAP of the capacitor C1 occurring during the period of T CLK ×N.

以上が容量測定回路500Bの構成である。続いてその動作を説明する。図10は、図9の容量測定回路500Bの動作波形図である。 The above is the configuration of the capacitance measurement circuit 500B. Next, the operation will be explained. FIG. 10 is an operation waveform diagram of the capacitance measurement circuit 500B of FIG.

時刻tより前に、キャパシタC1はとある初期電圧VINITに充電されている。コントローラ540は、時刻tに容量測定を開始する。具体的には、電流源510をイネーブルとして電流IによってキャパシタC1の放電を開始する。またオシレータ520をイネーブルとし、クロック信号CLKの生成を開始する。 Prior to time t0 , capacitor C1 has been charged to some initial voltage V_INIT . Controller 540 begins the capacitance measurement at time t0 . Specifically, current source 510 is enabled to start discharging capacitor C1 with current IC . It also enables the oscillator 520 and starts generating the clock signal CLK.

コントローラ540は、時刻tに、A/Dコンバータ560を動作させる。このときのキャパシタ電圧VCAP1が、デジタル値DV1に変換される。また時刻tにカウンタ550の動作をスタートさせる。カウンタ550におけるカウント数がNに達すると、すなわち時刻tからΔt=TCLK×Nの放電時間の経過後の時刻tに、A/Dコンバータ560が2回目の動作を行い、そのときのキャパシタ電圧VCAP2がデジタル値DV2に変換される。コントローラ540は、2つのデジタル値DV1,DV2の差分ΔDを算出する。ΔDは、キャパシタC1に生ずる電圧変動幅ΔVを量子化したものであり、式(12)で表される。
ΔD=ΔV/VLSB …(12)
Controller 540 operates A/D converter 560 at time t1 . The capacitor voltage V CAP1 at this time is converted into a digital value D V1 . Also, the operation of the counter 550 is started at time t1 . When the number of counts in counter 550 reaches N, that is, at time t2 after the discharge time of Δt=T CLK ×N has elapsed from time t1 , A/D converter 560 performs the second operation, Capacitor voltage V CAP2 is converted to a digital value D V2 . The controller 540 calculates the difference ΔD V between the two digital values D V1 and D V2 . ΔDV is obtained by quantizing the voltage fluctuation width ΔV occurring in the capacitor C1, and is expressed by Equation (12).
ΔD V =ΔV/V LSB (12)

ある期間Δtの間、容量値Cのキャパシタを定電流Iで放電したときの、キャパシタ電圧VCAPの変動幅ΔVは、式(13)で与えられる。
ΔV=Δt×I/C …(13)
The fluctuation width ΔV of the capacitor voltage V CAP when the capacitor having the capacitance value C is discharged with the constant current IC for a certain period Δt is given by the equation (13).
ΔV=Δt×IC/ C (13)

式(12)に、式(13)を代入すると、式(14)を得る。
ΔD=Δt×I/(C×VLSB) …(14)
Substituting equation (13) into equation (12) yields equation (14).
ΔD V =Δt×I C /(C×V LSB ) (14)

式(14)に、
Δt=N×TCLK=N×(β×R2/VREF
=α×VREF/R1
を代入すると、式(15)を得る。
ΔD=N×(β×R2/VREF)×α×VREF/R1/(C×VLSB
=N×α×β×(R2/R1)/(C×VLSB) …(15)
In formula (14),
Δt=N× TCLK =N×(β×R2/ VREF )
I C =α×V REF /R1
Substituting , we obtain the equation (15).
ΔD V =N×(β×R2/V REF )×α×V REF /R1/(C×V LSB )
=N×α×β×(R2/R1)/(C×V LSB ) (15)

2つの抵抗R1,R2はペアリングされており、プロセスばらつき、温度変動に対する相対値の精度は非常に高い。したがってR2/R1の精度は、±1%程度まで高めることができる。またα、β、VLSBは、プロセスばらつき、温度変動の影響を受けない定数であるから、式(15)で表されるデジタル値の差分ΔDは、キャパシタCを、±1%の精度で測定した値となる。 The two resistors R1 and R2 are paired, and the accuracy of the relative value against process variations and temperature fluctuations is very high. Therefore, the accuracy of R2/R1 can be increased to about ±1%. Also, since α, β, and V LSB are constants that are not affected by process variations and temperature fluctuations, the digital value difference ΔD V represented by Equation (15) can be used to measure capacitor C with an accuracy of ±1%. Measured value.

以上が容量測定回路500Bの動作である。この容量測定回路500Bによれば、温度変動、プロセスばらつきにかかわらず、非常に高い精度でキャパシタC1の容量値を測定することができる。 The above is the operation of the capacitance measurement circuit 500B. According to this capacitance measurement circuit 500B, the capacitance value of the capacitor C1 can be measured with very high accuracy regardless of temperature fluctuations and process variations.

続いて容量測定回路500A,500B(以下、500と総称する)の用途を説明する。図11は、実施の形態に係る電源回路100Aを備えるシステム2Aのブロック図である。システム2Aは、主電源10、負荷20および電源回路100Aを備える。主電源10は、所定の第1電圧レベルの直流の入力電圧VINを電源回路100Aに供給する。 Next, the application of the capacitance measurement circuits 500A and 500B (hereinafter collectively referred to as 500) will be described. FIG. 11 is a block diagram of system 2A including power supply circuit 100A according to the embodiment. The system 2A comprises a main power supply 10, a load 20 and a power supply circuit 100A. Main power supply 10 supplies a DC input voltage VIN at a predetermined first voltage level to power supply circuit 100A.

電源回路100Aは、電源IC102AとバックアップキャパシタCbを備える。電源IC102Aは、電源回路100Aの構成要素の主要部を集積化した機能ICである。 The power supply circuit 100A includes a power supply IC 102A and a backup capacitor Cb. The power supply IC 102A is a functional IC in which main components of the power supply circuit 100A are integrated.

電源IC102Aは、入力端子(VINピン)、出力端子(VSYSピン)、キャパシタ接続端子(VCAPピン)を有する。VINピンには、主電源10から、直流の入力電圧VINが供給される。VSYSピンには、負荷20が接続される。VCAPピンには、大容量のバックアップキャパシタCbが接続される。 The power supply IC 102A has an input terminal (VIN pin), an output terminal (VSYS pin), and a capacitor connection terminal (VCAP pin). A DC input voltage VIN is supplied from the main power supply 10 to the VIN pin. A load 20 is connected to the VSYS pin. A large-capacity backup capacitor Cb is connected to the VCAP pin.

第1スイッチSW1は、入力端子VINと出力端子VSYSの間に設けられる。充電回路110は、入力電圧VINを昇圧し、バックアップキャパシタCbを充電する。充電回路110は、たとえば昇圧型のチャージポンプを用いることができる。チャージポンプの昇圧率は特に限定されない。充電回路110は、イネーブル信号CP_ENに応じて、イネーブル、ディセーブルが切り替え可能である。充電回路110は、チャージポンプに変えて昇圧コンバータであってもよい。 The first switch SW1 is provided between the input terminal VIN and the output terminal VSYS. The charging circuit 110 boosts the input voltage VIN to charge the backup capacitor Cb. Charging circuit 110 can use, for example, a step-up charge pump. The boost rate of the charge pump is not particularly limited. The charging circuit 110 can be switched between enabled and disabled according to the enable signal CP_EN. Charging circuit 110 may be a boost converter instead of a charge pump.

第2スイッチSW2は、バックアップキャパシタCbが接続されるVCAPピンと出力端子VSYSの間に設けられる。 The second switch SW2 is provided between the VCAP pin to which the backup capacitor Cb is connected and the output terminal VSYS.

コントローラ130は、電源IC102Aを統合的に制御する。コントローラ130は、入力電圧VINを監視し、正常状態か、電源喪失状態かを判定する。コントローラ130は、正常状態において第1スイッチSW1をオンし、第2スイッチSW2をオフする。これにより出力端子VSYSには、入力電圧VINと等しい出力電圧VSYSが発生する。 The controller 130 comprehensively controls the power supply IC 102A. The controller 130 monitors the input voltage V IN to determine normal conditions or power loss conditions. The controller 130 turns on the first switch SW1 and turns off the second switch SW2 in a normal state. As a result, an output voltage VSYS equal to the input voltage VIN is generated at the output terminal VSYS .

またコントローラ130は正常状態において充電回路110をイネーブルとする。これにより、充電回路110はバックアップキャパシタCbを充電する。コントローラ130は、充電完了後、CP_EN信号をネゲートして、充電回路110の動作を停止してもよい。 The controller 130 also enables the charging circuit 110 under normal conditions. Thereby, the charging circuit 110 charges the backup capacitor Cb. Controller 130 may negate the CP_EN signal to stop operation of charging circuit 110 after charging is complete.

コントローラ130は、入力電圧VINの喪失を検出すると、第1イネーブル信号PLP_ENをアサートする。ソフトスタート回路120は、第1イネーブル信号PLP_ENのアサートに応答して、第2スイッチSW2を緩やかにオンさせる。 Controller 130 asserts a first enable signal PLP_EN when it detects the loss of input voltage VIN . The soft start circuit 120 gently turns on the second switch SW2 in response to the assertion of the first enable signal PLP_EN.

容量測定回路500は、VCAPピンと接続され、外付けのバックアップキャパシタCbの容量を測定する。電源回路100に容量測定回路500を内蔵することにより、バックアップキャパシタCbの容量を正確に測定することができ、測定結果にもとづいて、バックアップキャパシタCbの劣化や欠損を検出することができる。 A capacitance measurement circuit 500 is connected to the VCAP pin and measures the capacitance of an external backup capacitor Cb. By incorporating the capacitance measurement circuit 500 in the power supply circuit 100, the capacitance of the backup capacitor Cb can be accurately measured, and deterioration or loss of the backup capacitor Cb can be detected based on the measurement result.

以上が電源回路100Aの基本構成である。続いて電源回路100Aのさらなる特徴を説明する。コントローラ130は、第1イネーブル信号PLP_ENに先行して、第2イネーブル信号AMP_ENをアサートする。 The above is the basic configuration of the power supply circuit 100A. Further features of the power supply circuit 100A will now be described. The controller 130 asserts the second enable signal AMP_EN prior to the first enable signal PLP_EN.

ソフトスタート回路120は、ソフトスタート電圧生成回路122およびアンプ124を備える。ソフトスタート電圧生成回路122は、第1イネーブル信号PLP_ENのアサートに応答して、時間とともに緩やかに変化するソフトスタート電圧VSSを生成する。アンプ124は、ソフトスタート電圧VSSにもとづいて第2スイッチSW2のゲート信号SW_G2を変化させ、オンの程度を制御する。アンプ124は、ソフトスタート電圧VSSが生成されるより前に、第2イネーブル信号AMP_ENのアサートに応答して、イネーブル状態(アイドル状態)となっている。アイドル状態では、アンプ124によって第2スイッチSW2がオフ状態に維持される。 Soft start circuit 120 includes a soft start voltage generation circuit 122 and an amplifier 124 . The soft-start voltage generation circuit 122 generates a soft-start voltage VSS that slowly changes over time in response to the assertion of the first enable signal PLP_EN. The amplifier 124 changes the gate signal SW_G2 of the second switch SW2 based on the soft start voltage VSS to control the degree of ON. The amplifier 124 is enabled (idle state) in response to the assertion of the second enable signal AMP_EN before the soft start voltage VSS is generated. In the idle state, the amplifier 124 keeps the second switch SW2 off.

図12は、図11の電源回路100Aの起動時の動作を説明する図である。時刻tに入力電圧VINが供給される。時刻tに入力電圧VINが所定のしきい値VTH1を超えると、第1スイッチSW1がオンとなり、出力電圧VSYSが上昇する。またCP_EN信号がアサートされ、充電回路110によってバックアップキャパシタCbが充電され、キャパシタ電圧VCAPが上昇する。起動中、第2スイッチSW2はオフに固定されている。時刻tにバックアップキャパシタCbの充電が完了すると、CP_EN信号がネゲートされ、充電回路110による充電動作が停止し、充電回路110の消費電力が削減される。その後、バックアップキャパシタCbは、E=C・VCAP /2のエネルギーを蓄えるバックアップ電源となる。 FIG. 12 is a diagram for explaining the operation of the power supply circuit 100A of FIG. 11 at startup. An input voltage V IN is provided at time t0 . When the input voltage VIN exceeds a predetermined threshold value VTH1 at time t1 , the first switch SW1 is turned on and the output voltage VSYS rises. Also, the CP_EN signal is asserted, the backup capacitor Cb is charged by the charging circuit 110, and the capacitor voltage V CAP rises. During startup, the second switch SW2 is fixed to be off. When the charging of the backup capacitor Cb is completed at time t2 , the CP_EN signal is negated, the charging operation by the charging circuit 110 is stopped, and the power consumption of the charging circuit 110 is reduced. After that, the backup capacitor Cb becomes a backup power source that stores energy of E=C·V CAP 2 /2.

バックアップキャパシタCbに蓄えられるエネルギーEは、E=C・VCAP /2で表される。Cはバックアップキャパシタの容量であり、VCAPはバックアップキャパシタの充電電圧である。昇圧回路によって充電電圧VCAPを高くすることにより、同じ容量とした場合、エネルギーEを増やすことができ、電源遮断後に負荷が動作し続ける時間を長くできる。あるいは同じエネルギーEを保持するためのバックアップキャパシタCbの容量Cを減らすことができ、システムを低コスト化できる。 The energy E stored in the backup capacitor Cb is represented by E=C·V CAP 2 /2. C is the capacitance of the backup capacitor and V CAP is the charging voltage of the backup capacitor. By increasing the charging voltage V CAP by the booster circuit, the energy E can be increased for the same capacity, and the time for which the load continues to operate after the power is cut off can be lengthened. Alternatively, the capacity C of the backup capacitor Cb for holding the same energy E can be reduced, and the cost of the system can be reduced.

図13は、図11の電源回路100Aの電源遮断時の動作を説明する図である。時刻tに入力電圧VINが遮断される。コントローラ130は、電源喪失状態を検出すると、時刻tに第2イネーブル信号AMP_ENを先行してアサートする。これによりアンプ124がアイドル状態となり、アンプ124によって第2スイッチSW2がオフに維持される。 FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the power supply circuit 100A of FIG. 11 when the power supply is cut off. At time t3 , the input voltage V IN is cut off. When controller 130 detects a power loss condition, it proactively asserts a second enable signal AMP_EN at time t4 . This causes the amplifier 124 to enter an idle state, and the amplifier 124 keeps the second switch SW2 off.

続く時刻tに、コントローラ130は第1イネーブル信号PLP_ENをアサートする。これにより、ソフトスタート電圧VSSが緩やかに変化しはじめる。アンプ124は、ソフトスタート電圧VSSに応じて、第2スイッチSW2のゲート信号SW_G2を変化させ、第2スイッチSW2をオフ状態からオン状態に緩やかに移行させる。 At subsequent time t5 , controller 130 asserts first enable signal PLP_EN. As a result, the soft start voltage VSS begins to change gradually. The amplifier 124 changes the gate signal SW_G2 of the second switch SW2 in accordance with the soft start voltage VSS , and gradually shifts the second switch SW2 from the off state to the on state.

第2スイッチSW2を急峻にオンすると、高電圧VCAPを保持するバックアップキャパシタCbから、出力端子VSYSに接続される外部のキャパシタに大電流(突入電流)が流れるおそれがあるところ、ソフトスタート回路120によって第2スイッチSW2を緩やかにオンすることで、大電流を抑制できる。 If the second switch SW2 is abruptly turned on, a large current (rush current) may flow from the backup capacitor Cb holding the high voltage VCAP to the external capacitor connected to the output terminal VSYS. By gently turning on the second switch SW2, a large current can be suppressed.

またソフトスタート電圧VSSが変化し始める時刻tの時点で、アンプ124はアイドル状態であり、起動が完了しているため、ソフトスタート電圧VSSに直ちに応答することができ、ソフトスタート電圧VSSに対して遅延無く、第2スイッチSW2のゲート信号SW_G2を変化させることができ、第2スイッチSW2をオフ状態からオン状態に緩やかに移行させる。 At time t5 when the soft-start voltage VSS begins to change, the amplifier 124 is in an idle state and has already started up. The gate signal SW_G2 of the second switch SW2 can be changed without delay with respect to SS , and the second switch SW2 is gently shifted from the off state to the on state.

図13には、ソフトスタート電圧VSSの生成開始と同時の時刻t5において、アンプ124をイネーブルとしたときの出力電圧VSYS’が一点鎖線で示される。アンプ124は、時刻tに起動し始めるため、起動が完了する時刻tまでの間は、ソフトスタート電圧VSSに応答できない。したがって時刻t~tの間は、出力端子VSYSに電力が供給されないため、出力電圧VSYS’はΔVだけさらに低下することとなる。本実施の形態では、PLP_EN信号に先行して、AMP_EN信号をアサートしてアンプ124を起動しておくことにより、出力電圧VSYSのドロップ幅ΔVを小さくできる。 In FIG. 13, the output voltage V SYS ' when the amplifier 124 is enabled at time t5 , which coincides with the start of generation of the soft start voltage V SS , is indicated by a dashed line. Since the amplifier 124 starts to start up at time t5 , it cannot respond to the soft start voltage VSS until time t6 when the start-up is completed. Therefore, during time t 5 to t 6 , power is not supplied to the output terminal VSYS, so the output voltage V SYS ′ further drops by ΔV. In the present embodiment, the drop width ΔV of the output voltage VSYS can be reduced by asserting the AMP_EN signal to activate the amplifier 124 prior to the PLP_EN signal.

(変形例)
図14は、変形例に係る電源回路100Bのブロック図である。図11において充電回路110には、第1スイッチSW1を介さずに、入力電圧VINが供給された。これに対して図14の変形例では、充電回路110の入力は、第1スイッチSW1の出力側と接続されており、充電回路110には、第1スイッチSW1を介して入力電圧VINが供給される。その他は図11と同様である。
(Modification)
FIG. 14 is a block diagram of a power supply circuit 100B according to a modification. In FIG. 11, the charging circuit 110 is supplied with the input voltage V IN without passing through the first switch SW1. 14, the input of the charging circuit 110 is connected to the output side of the first switch SW1, and the input voltage V IN is supplied to the charging circuit 110 via the first switch SW1. be done. Others are the same as in FIG.

(用途)
実施の形態に係る電源回路100A,100B(以下、電源回路100と総称する)は、データ記憶装置300に用いることができる。図15は、PLP機能付きのデータ記憶装置300のブロック図である。データ記憶装置300はたとえばSSD(Solid State Drive)であり、電源回路100、PMIC302、コントローラ304やNANDメモリ306、キャッシュメモリ308、インタフェース310を備える。
(Application)
The power supply circuits 100A and 100B (hereinafter collectively referred to as the power supply circuit 100) according to the embodiment can be used in the data storage device 300. FIG. FIG. 15 is a block diagram of a data storage device 300 with PLP functionality. The data storage device 300 is, for example, an SSD (Solid State Drive), and includes a power supply circuit 100 , a PMIC 302 , a controller 304 , a NAND memory 306 , a cache memory 308 and an interface 310 .

データ記憶装置300は、コンピュータに内蔵されてもよいし、ポータブルのSSDであってもよい。あるいはサーバー用であってもよい。 The data storage device 300 may be built in a computer or may be a portable SSD. Or it may be for servers.

電源回路100には、AC/DCコンバータやUSBバス(上述の主電源10、図15に不図示)から、直流の入力電圧VDCを受け、PMIC302に所定の電圧レベルの電源電圧VSYSを供給する。PMIC302は、コントローラ304やNANDメモリ306、キャッシュメモリ308、インタフェース310に電源電圧を供給する。 The power supply circuit 100 receives a DC input voltage V DC from an AC/DC converter or a USB bus (main power supply 10 described above, not shown in FIG. 15), and supplies a power supply voltage V SYS of a predetermined voltage level to the PMIC 302 . do. The PMIC 302 supplies power supply voltage to the controller 304 , NAND memory 306 , cache memory 308 and interface 310 .

なお電源回路100の用途はデータ記憶装置300に限定されず、電源遮断後にも、ある時間、電源電圧を維持すべき用途に利用できる。 Note that the application of the power supply circuit 100 is not limited to the data storage device 300, and can be used for applications in which the power supply voltage must be maintained for a certain period of time even after power is cut off.

図16は、図15のPLP機能付きの電源回路100とPMIC302を集積化した半導体装置200を備えるシステム400のブロック図である。半導体装置200は、PMOSトランジスタM1、M2、ロードスイッチコントローラ202、PLPコントローラ204、チャージポンプ回路206、A/Dコンバータ208、内部電源210、クロック発生器212、インタフェース回路214、シーケンサ216、コンバータコントローラ218、220、LDO(Low Drop Output)回路222、224を備える。半導体装置200は、複数チャンネル(この例では、2チャンネルの降圧コンバータ、2チャンネルのLDO回路)の電源を含むPMICである。 FIG. 16 is a block diagram of a system 400 including a semiconductor device 200 in which the power supply circuit 100 with PLP function and the PMIC 302 of FIG. 15 are integrated. The semiconductor device 200 includes PMOS transistors M1 and M2, a load switch controller 202, a PLP controller 204, a charge pump circuit 206, an A/D converter 208, an internal power supply 210, a clock generator 212, an interface circuit 214, a sequencer 216, and a converter controller 218. , 220 and LDO (Low Drop Output) circuits 222 and 224 . The semiconductor device 200 is a PMIC that includes power supplies of multiple channels (in this example, a 2-channel step-down converter and a 2-channel LDO circuit).

PMOSトランジスタM1は、第1スイッチSW1に相当し、ロードスイッチと称される。ロードスイッチコントローラ202は、図11のコントローラ130の一部の機能を担っており、PMOSトランジスタM1のオン、オフを制御する。またロードスイッチコントローラ202は、PMOSトランジスタM1のバックゲートBGを、VINピン、VSYS_0ピンのうち、電位が高い方につなぎ替える制御を行う。 The PMOS transistor M1 corresponds to the first switch SW1 and is called a load switch. The load switch controller 202 has a part of the functions of the controller 130 in FIG. 11, and controls on/off of the PMOS transistor M1. In addition, the load switch controller 202 performs control to switch the connection of the back gate BG of the PMOS transistor M1 to the VIN pin or the VSYS_0 pin, whichever has the higher potential.

PMOSトランジスタM1のバックゲートBGは、VINピンの電圧VINと、VSYS_0ピンの電圧のOR電源となっており、内部電源210に供給されている。PMOSトランジスタM1がオンする前は、電源としてVINしか存在せず、PLP中は、VSYS_0しか存在しないため、それらのOR電源BGを内部電源210に供給することで、内部電源210を常時動作させることができる。 The back gate BG of the PMOS transistor M1 is an OR power supply of the voltage VIN of the VIN pin and the voltage of the VSYS_0 pin, and is supplied to the internal power supply 210 . Before the PMOS transistor M1 is turned on, only VIN exists as a power supply, and during PLP, only VSYS_0 exists. can be done.

PMOSトランジスタM2は、第2スイッチSW2に相当する。PLPコントローラ204は、図11のソフトスタート回路120およびコントローラ130の機能の一部に対応する。チャージポンプ回路206は図11の充電回路110であり、外付けのフライングキャパシタCfを利用して、入力電圧VINを昇圧し、バックアップキャパシタCbを充電する。図16のVSYS_0ピンは、上述のVSYSピンに相当する。またPLPコントローラ204は、PMOSトランジスタM2のバックゲートを、VSYS_0ピンとVCAPピンのうち、電位が高い方につなぎ替える制御を行う。 The PMOS transistor M2 corresponds to the second switch SW2. PLP controller 204 corresponds to some of the functionality of soft start circuit 120 and controller 130 of FIG. The charge pump circuit 206 is the charging circuit 110 in FIG. 11, and uses an external flying capacitor Cf to boost the input voltage VIN and charge the backup capacitor Cb. The VSYS_0 pin in FIG. 16 corresponds to the VSYS pin described above. Also, the PLP controller 204 performs control to switch the back gate of the PMOS transistor M2 to the VSYS_0 pin or the VCAP pin, whichever has the higher potential.

A/Dコンバータ208は、キャパシタ電圧VCAPや入力電圧VIN、温度情報を示す電圧、第1スイッチSW1に流れる電流を示す検出信号などをデジタル信号に変換する。 The A/D converter 208 converts the capacitor voltage V CAP , the input voltage V IN , the voltage indicating the temperature information, the detection signal indicating the current flowing through the first switch SW1, and the like into digital signals.

内部電源210は、内部電源電圧VDDを生成する電源回路に加えて、それに付随する基準電圧源、パワーオンリセット回路、UVLO(Under Voltage Lockout)回路、サーマルシャットダウン回路などを含む。クロック発生器212は、クロック信号を生成するオシレータである。 The internal power supply 210 includes a power supply circuit that generates an internal power supply voltage VDD , a reference voltage source associated therewith, a power-on reset circuit, a UVLO (Under Voltage Lockout) circuit, a thermal shutdown circuit, and the like. Clock generator 212 is an oscillator that generates a clock signal.

インタフェース回路214は、外部のホストコントローラ402やSSD-ASIC404と通信するためのインタフェースである。半導体装置200はマスターのPMICであり、半導体装置200には、スレーブのPMICが接続されてもよい。この場合、半導体装置200は、インタフェース回路214を利用してスレーブのPMICを制御する。 The interface circuit 214 is an interface for communicating with the external host controller 402 and SSD-ASIC 404 . The semiconductor device 200 may be a master PMIC, and a slave PMIC may be connected to the semiconductor device 200 . In this case, the semiconductor device 200 uses the interface circuit 214 to control the slave PMIC.

シーケンサ216は、外部からの指令にもとづいて、複数の電源の起動シーケンス、シャットダウンシーケンスを制御する。コンバータコントローラ218,220は、降圧コンバータを制御する。LDO回路222,224は、定電流を制御する。降圧コンバータやLDO回路の入力端子には、VSYS_0ピンの電圧が供給される。 A sequencer 216 controls the startup sequence and shutdown sequence of a plurality of power supplies based on commands from the outside. Converter controllers 218 and 220 control the step-down converters. LDO circuits 222 and 224 control constant current. The voltage of the VSYS_0 pin is supplied to the input terminals of the step-down converter and the LDO circuit.

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the scope of claims. Many modifications and changes in arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.

2 システム
10 主電源
20 負荷
Cb バックアップキャパシタ
100 電源回路
102 電源IC
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
VIN 入力端子
VSYS 出力端子
600 半導体装置
602 基準電圧源
C1 キャパシタ
500 容量測定回路
510 電流源
R1 第1抵抗
512 V/I変換回路
514,516 カレントミラー回路
520 オシレータ
R2 第2抵抗
522 V/I変換回路
524 電流源
526 放電スイッチ
528 コンパレータ
530 タイマー回路
532 分圧回路
534 セレクタ
536 コンパレータ
538 カウンタ
540 コントローラ
550 カウンタ
560 A/Dコンバータ
300 データ記憶装置
302 PMIC
304 コントローラ
306 NANDメモリ
308 キャッシュメモリ
310 インタフェース
2 system 10 main power supply 20 load Cb backup capacitor 100 power supply circuit 102 power supply IC
SW1 first switch SW2 second switch VIN input terminal VSYS output terminal 600 semiconductor device 602 reference voltage source C1 capacitor 500 capacitance measurement circuit 510 current source R1 first resistor 512 V/I conversion circuit 514, 516 current mirror circuit 520 oscillator R2 second 2 resistors 522 V/I conversion circuit 524 current source 526 discharge switch 528 comparator 530 timer circuit 532 voltage dividing circuit 534 selector 536 comparator 538 counter 540 controller 550 counter 560 A/D converter 300 data storage device 302 PMIC
304 controller 306 NAND memory 308 cache memory 310 interface

Claims (9)

キャパシタの容量を測定する容量測定回路であって、
基準電圧に比例し、第1抵抗の抵抗値に反比例する電流を、前記キャパシタにソースし、あるいは前記キャパシタからシンクする電流源と、
前記基準電圧に反比例し、前記第1抵抗と相対精度が担保された第2抵抗の抵抗値に比例する周期を有するクロック信号を生成するオシレータと、
前記キャパシタの電圧が、所定の電圧幅、変化するのに要する時間を、前記クロック信号を利用してカウントするタイマー回路と、
を備えることを特徴とする容量測定回路。
A capacitance measurement circuit for measuring the capacitance of a capacitor,
a current source that sources into or sinks from the capacitor a current proportional to the reference voltage and inversely proportional to the resistance of the first resistor;
an oscillator that generates a clock signal having a period that is inversely proportional to the reference voltage and proportional to the resistance value of the first resistor and a second resistor whose relative accuracy is ensured;
a timer circuit that counts the time required for the voltage of the capacitor to change by a predetermined voltage width using the clock signal;
A capacitance measurement circuit, comprising:
前記タイマー回路は、
前記基準電圧を分圧し、第1基準電圧および第2基準電圧を生成する分圧回路と、
前記第1基準電圧と前記第2基準電圧を受け、一方を選択するセレクタと、
前記キャパシタの電圧を、前記セレクタの出力と比較するコンパレータと、
前記コンパレータの出力にもとづく期間、前記クロック信号をカウントするカウンタと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の容量測定回路。
The timer circuit
a voltage dividing circuit that divides the reference voltage to generate a first reference voltage and a second reference voltage;
a selector that receives the first reference voltage and the second reference voltage and selects one of them;
a comparator that compares the voltage of the capacitor with the output of the selector;
a counter that counts the clock signal for a period based on the output of the comparator;
2. The capacitance measurement circuit of claim 1, comprising:
前記タイマー回路は、
前記基準電圧を分圧し、第1基準電圧および第2基準電圧を生成する分圧回路と、
前記キャパシタの電圧を、前記第1基準電圧と比較する第1コンパレータと、
前記キャパシタの電圧を、前記第2基準電圧と比較する第2コンパレータと、
前記第1コンパレータの出力と前記第2コンパレータの出力が規定する期間、前記クロック信号をカウントするカウンタと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の容量測定回路。
The timer circuit
a voltage dividing circuit that divides the reference voltage to generate a first reference voltage and a second reference voltage;
a first comparator that compares the voltage of the capacitor with the first reference voltage;
a second comparator that compares the voltage of the capacitor with the second reference voltage;
a counter that counts the clock signal for a period defined by the output of the first comparator and the output of the second comparator;
2. The capacitance measurement circuit of claim 1, comprising:
キャパシタの容量を測定する容量測定回路であって、
基準電圧に比例し、第1抵抗の抵抗値に反比例する電流を前記キャパシタにソースし、あるいは前記キャパシタからシンクする電流源と、
前記基準電圧に反比例し、前記第1抵抗と相対精度が担保された第2抵抗の抵抗値に比例する周波数を有するクロック信号を生成するオシレータと、
前記クロック信号を所定カウント数カウントするカウンタと、
前記カウンタによるカウント中に前記キャパシタに発生する電圧変動幅を示すデジタル値を生成するA/Dコンバータと、
を備えることを特徴とする容量測定回路。
A capacitance measurement circuit for measuring the capacitance of a capacitor,
a current source that sources into or sinks from the capacitor a current that is proportional to the reference voltage and inversely proportional to the resistance of the first resistor;
an oscillator that generates a clock signal having a frequency that is inversely proportional to the reference voltage and proportional to the resistance value of the first resistor and a second resistor whose relative accuracy is ensured;
a counter that counts the clock signal for a predetermined number of counts;
an A/D converter that generates a digital value indicating a voltage fluctuation range occurring in the capacitor during counting by the counter;
A capacitance measurement circuit, comprising:
バックアップキャパシタが接続されるピンと、
前記バックアップキャパシタを充電し、電源遮断時に前記バックアップキャパシタから負荷に電力を供給するバックアップ電源回路と、
前記バックアップキャパシタの容量を測定する請求項1から4のいずれかに記載の前記容量測定回路と、
を備えることを特徴とする電源回路。
a pin to which the backup capacitor is connected;
a backup power supply circuit that charges the backup capacitor and supplies power from the backup capacitor to a load when power is cut off;
The capacitance measurement circuit according to any one of claims 1 to 4, which measures the capacitance of the backup capacitor;
A power supply circuit comprising:
請求項5に記載の前記電源回路を備えることを特徴とするデータ記憶装置。 A data storage device comprising the power supply circuit according to claim 5 . バックアップキャパシタが接続されるピンと、
複数のDC/DCコンバータと、
前記バックアップキャパシタを充電し、電源遮断時に前記バックアップキャパシタから前記複数のDC/DCコンバータに電力を供給するバックアップ電源回路と、
前記バックアップキャパシタの容量を測定する請求項1から4のいずれかに記載の前記容量測定回路と、
を備えることを特徴とする電源管理回路。
a pin to which the backup capacitor is connected;
a plurality of DC/DC converters;
a backup power supply circuit that charges the backup capacitor and supplies power from the backup capacitor to the plurality of DC/DC converters when power is cut off;
The capacitance measurement circuit according to any one of claims 1 to 4, which measures the capacitance of the backup capacitor;
A power management circuit, comprising:
キャパシタの容量測定方法であって、
基準電圧に比例し、第1抵抗の抵抗値に反比例する電流を、前記キャパシタにソースし、あるいは前記キャパシタからシンクすることにより前記キャパシタの電圧を変化させるステップと、
前記基準電圧に反比例し、前記第1抵抗と相対精度が担保された第2抵抗の抵抗値に比例する周期を有するクロック信号を生成するステップと、
前記キャパシタの電圧が、所定の電圧幅、変化するのに要する時間を、前記クロック信号を利用してカウントするステップと、
を備えることを特徴とする容量測定方法。
A method for measuring the capacitance of a capacitor,
varying the voltage of the capacitor by sourcing to or sinking from the capacitor a current proportional to a reference voltage and inversely proportional to the resistance of a first resistor;
generating a clock signal having a period inversely proportional to the reference voltage and proportional to the resistance value of the first resistor and a second resistor whose relative accuracy is ensured;
counting the time required for the voltage of the capacitor to change by a predetermined voltage width using the clock signal;
A capacitance measurement method, comprising:
キャパシタの容量測定方法であって、
基準電圧に比例し、第1抵抗の抵抗値に反比例する電流を、前記キャパシタにソースし、あるいは前記キャパシタからシンクするステップと、
前記基準電圧に反比例し、前記第1抵抗と相対精度が担保された第2抵抗の抵抗値に比例する周波数を有するクロック信号を生成するステップと、
カウンタにより前記クロック信号を所定カウント数カウントするステップと、
前記基準電圧を基準とするA/Dコンバータによって、前記カウンタによるカウント中、前記キャパシタの電圧の変動幅を、デジタル値に変換するステップと、
を備えることを特徴とする容量測定方法。
A method for measuring the capacitance of a capacitor,
sourcing to or sinking from the capacitor a current proportional to the reference voltage and inversely proportional to the resistance of the first resistor;
generating a clock signal having a frequency inversely proportional to the reference voltage and proportional to a resistance value of the first resistor and a second resistor whose relative accuracy is ensured;
a step of counting the clock signal by a predetermined count number with a counter;
converting the variation width of the voltage of the capacitor into a digital value by an A/D converter based on the reference voltage while the counter is counting;
A capacitance measurement method, comprising:
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