JP2017084196A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロコンピュータ等の起動時の動作電圧を最適化し、無駄な電力消費防止と高速な動作周波数での動作とを可能にした電源システムを提供すること。【解決手段】電源システムは、動作電圧の最適値を演算可能なボルテージスケーリング対応デバイスと、前記ボルテージスケーリング対応デバイスに電源を供給し、前記ボルテージスケーリング対応デバイスからの制御にて電圧設定可能な電源手段と、前記電源手段の起動と電圧設定制御可能な起動手段とを有し、電源システム起動時は、起動手段より前記電源手段の起動と電圧設定制御を行い、電源システム起動後は、前記ボルテージスケーリング対応デバイスより電源手段の電圧設定制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関し、マイクロコンピュータ等の動作電圧を可変（ボルテージスケーリング）することができる電源システムに関する。

特許文献１には、動作周波数により、ボルテージスケーリング（電圧可変）の演算周期を変更することが記載されている。特許文献２には、監視しているＩＣの温度が所定値を超えた場合、又は、電源オン中のアイドル状態の割合が所定以上になった場合に、ボルテージスケーリング（電圧可変）と周波数の変更とを行うことが記載されている。

特開２００４−２９９８３号公報 特表２００１−５１７３３２号公報

しかしながら、特許文献１及び２では、マイクロコンピュータ等の電源投入直後における、最適な動作電圧と周波数との関係を考慮していない。そのため、動作周波数を高くして起動する場合は、個体ばらつき等のマージンを考慮して動作電圧を高くして起動する必要がある。よって、電圧の最適値を演算するまで動作電流が増加してしまう問題がある。一方、動作電圧を低めで起動する場合は、動作周波数もそれに応じて低くして起動する必要があるため、最適な動作電圧を演算するまでの時間が増加してしまう問題がある。

そこで、本発明は、マイクロコンピュータ等の起動時の動作電圧を最適化し、無駄な電力消費防止と高速な動作周波数での動作とを可能にした電源システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る電源システムは、
動作電圧の最適値を演算可能なボルテージスケーリング対応デバイスと、前記ボルテージスケーリング対応デバイスに電源を供給し、前記ボルテージスケーリング対応デバイスからの制御にて電圧設定可能な電源手段と、前記電源手段の起動と電圧設定制御可能な起動手段と、を有し、電源システム起動時は、起動手段より前記電源手段の起動と電圧設定制御を行い、電源システム起動後は、前記ボルテージスケーリング対応デバイスより電源手段の電圧設定制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、マイクロコンピュータ等の起動時の動作電圧を最適化し、無駄な電力消費防止と高速な動作周波数での動作とを可能にした電源システムを提供することができる。

実施形態１〜４における電源システムの構成の一例を示すブロック図である。 実施形態１における起動マイコン１０２の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態１における起動マイコン１０２の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態１における起動マイコン１０２の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態１における、温度と電圧設定との関係の一例を示す図である。 実施形態１における、温度と電圧設定との関係の一例を示す図である。 実施形態２における起動マイコン１０２の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態２における起動マイコン１０２の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態２における起動マイコン１０２の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態２における、電源システムのオフ時間と電圧設定との関係の一例を示す図である。 実施形態２における、電源システムのオフ時間と電圧設定との関係の一例を示す図である。 実施形態３における、温度と電圧設定との関係の一例を示す図である。 実施形態３における、温度と電圧設定との関係の一例を示す図である。 実施形態４における、電源システムのオフ時間と電圧設定との関係の一例を示す図である。 実施形態４における、電源システムのオフ時間と電圧設定との関係の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［実施形態１］
図１は実施形態１〜４における電源システムの構成の一例を示すブロック図である。

図１において、起動マイコン１０２は、電源部１００の起動と演算マイコン１０３の起動とを制御するマイクロコンピュータである。起動マイコン１０２の電源は、常時通電される電源部１００のＰ０端子より供給されている。演算マイコン１０３は、高速の動作クロックで演算処理等を行うマイクロコンピュータである。演算マイコン１０３の電源は、電源部１００のＰ１端子より供給される。演算マイコン１０３は、個体ばらつき、温度等により、電源電圧の最適値を演算可能なマイクロコンピュータであり、ボルテージスケーリング（電圧可変）に対応している。

起動マイコン１０２のＣＴＲＬ１端子と電源部１００は、制御線１２０で接続されている。ＣＴＲＬ１端子をＨとすることで、電源部１００は、Ｐ１端子より演算マイコン１０３に電力の供給を開始する。

また、電源部１００のＰ１端子は、ＣＯＭ端子からの通信により、電圧を可変することができる。電源部１００のＣＯＭ端子は、起動マイコン１０２及び演算マイコン１０３と通信ライン１２１で接続されており、起動マイコン１０２及び演算マイコン１０３によりＰ１端子の電圧が設定可能である。

通信ライン１２２は、起動マイコン１０２と演算マイコン１０３の通信端子及び起動制御線を含む。温度検出部１０４は、起動マイコン１０２に接続されている温度検出部であり、演算マイコン１０３の温度を測定することができる。

（起動時の動作）
電源システムの起動スイッチが電源オン状態にされると、起動マイコン１０２は、電源システムの起動動作を開始する。以下、図２のフローチャートに沿って、起動マイコン１０２の起動処理を説明する。

ステップＳ１０００において、システム起動処理が開始される。ステップＳ１００１において、起動マイコン１０２は、演算マイコン１０３の起動時電圧を演算する処理を実施する。

ステップＳ１００２において、起動マイコン１０２はステップＳ１００２での演算結果に応じた電圧設定値を電源部１００へ通信を行う。ステップＳ１００３において、起動マイコン１０２のＣＴＲＬ１端子をＨにして電源部１００のＰ１端子の通電を開始させる。

これにより、電源部１００は、ステップＳ１００２で通信された設定の電圧で演算マイコン１０３への通電を開始する。ステップＳ１００４では、通信ライン１２２を使用して演算マイコン１０３のリセット解除をする。これにより、演算マイコン１０３は動作を開始する。

ステップＳ１００５において、起動マイコン１０２は、動作を停止する。起動マイコン１０２の起動処理終了後、演算マイコン１０３は周期的に既知の測定手段により最適な電圧を演算、そして演算値を通信ライン１２１経由で電源部１００に通信することによりＰ０端子の電圧設定を可変する。

（終了時の動作）
電源システムの起動スイッチが電源オフ状態にされると、起動マイコン１０２は、システム終了処理を開始する。以下、図３のフローチャートに沿って、起動マイコン１０２のシステム終了処理を説明する。

ステップＳ１１００において、システム終了処理が開始される。ステップＳ１１０１において、起動マイコン１０２は温度検出部１０４より演算マイコン１０３の温度を測定する（このときの温度をＴ０とする）。

ステップＳ１１０２において、演算マイコン１０３と通信をして設定中の電源部１００の電圧設定値（Ｖ０）を読み込む。ステップＳ１１０３において、通信ライン１２２を使用して演算マイコン１０３の動作を停止させる。

ステップＳ１１０４において、ＣＴＲＬ１端子をＬにして電源部１００のＰ１端子の通電を停止させる。ステップＳ１１０５において、システム終了処理を終了し、電源システムの動作が停止する。

起動マイコン１０２は、ステップＳ１１０２において、演算マイコン１０３と通信して設定中の電源部１００の設定電圧（Ｖ０）を入手しているが、演算マイコン１０３から通信ライン１２１経由で電源部１００へ電源電圧の設定値通信を、起動マイコン１０２も同時に受信しておく方式であっても構わない。

（演算マイコン１０３の起動時電圧の演算）
図２のステップＳ１００１の起動マイコン１０２における、演算マイコン１０３の起動時電圧を演算する処理を、図４のフローチャートに沿って説明を行う。

ステップＳ１２００において、起動マイコン１０２は、演算処理を開始する。ステップＳ１２０１において、起動マイコン１０２は、温度検出部１０４より起動時の温度を測定する（このときの温度をＴ１とする）。

ステップＳ１２０２において、ステップＳ１２０１で測定した温度（Ｔ１）と図３のステップＳ１１０１で測定した温度の差（ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ０）を演算する。図５の表よりΔＴに対する演算マイコン１０３への設定電圧差（ΔＶ）を演算し、図３のステップＳ１１０２で通信により入手した演算マイコン１０３の通電停止時の設定電圧（Ｖ０）とΔＶを加算して演算マイコン１０３の再起動時の設定電圧を演算する。初回の起動時（終了シーケンスを実施していない場合）Ｔ０は初期値あり、この場合は、図６を参照し、起動時の測定温度Ｔ１より演算マイコン１０３の電源設定電圧を演算する。また、ΔＴがプラスの場合も前回の終了時から外部の環境が変わって温度上昇したと考えられるので図６より起動時の測定温度Ｔ１より演算マイコン１０３の電源設定電圧を演算する。

ステップＳ１２０３において、演算マイコン１０３の起動時電圧の演算を終了する。例えば、初回の起動でＴ１＝３３℃であれば、演算マイコン１０３の起動時電圧は１１６０ｍＶとなる。２回目以降の起動においては、前回終了時の温度（Ｔ０）が４５℃、そのときの電圧（Ｖ０）が１１００ｍＶ、再度起動した時の温度（Ｔ１）が３３℃であれば、ΔＴ＝３３−４５＝−１２℃なので図５より、ΔＶ＝４０ｍＶとなり、演算マイコン１０３の起動時電圧は１１００ｍＶ＋４０ｍＶ＝１１４０ｍＶとなる。

また、２回目以降の起動においては、前回終了時の温度（Ｔ０）が３０℃、そのときの電圧（Ｖ０）が１１００ｍＶ、再度起動した時の温度（Ｔ１）が４０℃であれば、ΔＴ＝４０−３０＝１０℃（＞０）なので、図６より演算マイコン１０３の起動時電圧はＴ１＝４０℃なので１１４０ｍＶとなる。

演算マイコン１０３の起動時の電圧を図５及び図６に示す表から演算したが、関数等により演算する方式であっても構わない。

上記の構成により、起動マイコン１０２が演算マイコン１０３の起動時の最適な電圧設定を簡易的に演算するために、演算マイコン１０３は起動時に電圧設定の演算処理が不要となる。よって、演算マイコン１０３の動作周波数を上げた状態、かつ、消費電力の少ない状態で演算マイコン１０３の短時間での立ち上げが可能となる。

なお、図３のＴ１と演算マイコン１０３の起動時電圧の関係を演算マイコン１０３の固体ごとに調整された値としておけば演算マイコン１０３の動作周波数を上げた状態、かつ、消費電力の少なく演算マイコン１０３の短時間での立ち上げが可能となる。

また、起動時の演算マイコン１０３の温度Ｔ１と演算マイコン１０３の起動時電圧の関係は、温度Ｔ１状態での演算マイコン１０３の動作可能電圧バラつきの範囲上限として、演算マイコン１０３内部でボルテージスケーリングの演算をしなくとも確実に動作可能な電圧としてもよい。この場合は、前述のように、図６を固体調整値とした場合よりは消費電力が大きくなるが、温度に対する消費電力の増大を防止し、かつ、高速に演算マイコン１０３を立ち上げることが可能となる。

さらに、起動マイコン１０２の処理を簡略化するために、図４の演算マイコン１０３の起動時電圧の演算結果を、前回終了時電圧（Ｖ０）をそのまま電源部１００に通信する方式であっても構わない。

［実施形態２］
実施形態２における、電源システムの回路構成を示すブロック図について説明する。

実施形態２における電源システムの回路構成を示すブロック図は実施形態１と同じく図１に示す構成であり説明は省略する。

（起動時の動作）
電源システムの起動スイッチが電源オン状態にされると、起動マイコン１０２は、図７のフローチャートに沿って、電源システムの起動動作を開始する。図７のフローチャートの動作は実施形態１における起動動作を示す図２のフローチャートと同じ動作なので説明を省略する。

起動マイコン１０２の起動処理終了後、実施形態１と同様に、演算マイコン１０３は周期的に既知の測定手段により最適な電圧を演算、そして演算値を通信ライン１２１経由で電源部１００に通信することによりＰ０端子の電圧設定を可変する。

（終了時の動作）
電源システムの起動スイッチが電源オフ状態にされると、起動マイコン１０２は、システム終了処理を開始する。以下、図８のフローチャートに沿って、起動マイコン１０２のシステム終了処理を説明する。

ステップＳ２１００において、システム終了処理が開始される。ステップＳ２１０１において、起動マイコン１０２は、次に起動が開始されるまでの時間を計測するために内蔵するタイマをスタートさせる（オフ時間タイマスタート）。

ステップＳ２１０２において、演算マイコン１０３と通信をして設定中の電源部１００の電圧設定値（Ｖ０）を読み込む。ステップＳ２１０３において、通信ライン１２２を使用して演算マイコン１０３の動作を停止させる。

ステップＳ２１０４において、ＣＴＲＬ１端子をＬにして電源部１００のＰ１端子の通電を停止させる。ステップＳ２１０５において、システム終了処理を終了し、電源システムの動作が停止する。

（演算マイコン１０３の起動時電圧の演算）
図７のステップＳ２００１の起動マイコン１０２における、演算マイコン１０３の起動時電圧を演算する処理を、図９のフローチャートに沿って説明する。

ステップＳ２２００において、起動マイコン１０２は、処理をスタートする。ステップＳ２２０１において、起動マイコン１０２は、図８のステップＳ２１０１でスタートさせたタイマの値（Ｔｏｆｆ）を読み込む。

ステップＳ２２０２では、温度検出部１０４より演算マイコン１０３の温度を測定（Ｔ１）する。ステップＳ２２０３では、Ｔｏｆｆの値と図８のステップＳ２１０２で通信により受信した演算マイコン１０３の通電停止時の設定電圧（Ｖ０）とから図１０の表を参照し、演算マイコン１０３の再起動時の設定電圧を演算する。初回の起動時（終了シーケンスを実施していない場合）Ｔｏｆｆは初期値あり、この場合は、図１１を参照しステップＳ２２０２で測定の温度Ｔ１より演算マイコン１０３の電源設定電圧を演算する。

ステップＳ２２０４において、演算マイコン１０３の起動時電圧の演算を終了する。例えば、初回の起動でＴ１＝３３℃であれば、演算マイコン１０３の起動時電圧は１１６０ｍＶとなる。２回目以降の起動においては、前回終了時の電圧（Ｖ０）が１１００ｍＶ、再度起動した時Ｔｏｆｆが２０秒であれば、図１０よりΔＶ＝６０ｍＶとなり、演算マイコン１０３の起動時電圧は１１００ｍＶ＋６０ｍＶ＝１１６０ｍＶとなる。

上記の構成により、起動マイコン１０２が演算マイコン１０３の起動時の電圧設定を簡易的に演算するために、演算マイコン１０３は起動時に電圧設定の演算処理が不要となる。よって、演算マイコン１０３の動作周波数を上げた状態、かつ、消費電力の少ない状態で演算マイコン１０３の短時間での立ち上げが可能となる。

なお、図１１のＴ１と演算マイコン１０３の起動時電圧の関係を演算マイコン１０３の固体ごとに調整された値としておけば演算マイコン１０３の動作周波数を上げた状態、かつ、消費電力の少なく演算マイコン１０３の短時間での立ち上げが可能となる。

また、Ｔ１と演算マイコン１０３の起動時電圧の関係は、温度Ｔ１状態での演算マイコン１０３の固体の動作可能電圧バラつき範囲上限として、演算マイコン１０３内部でボルテージスケーリングの演算をしなくとも確実に動作可能な電圧としてもよい。この場合は、前述のように、図１１を固体調整値とした場合よりは消費電力が大きくなるが、温度に対する消費電力の増大を防止し、かつ、高速に演算マイコン１０３を立ち上げることが可能となる。

［実施形態３］
実施形態３における、電源システムの回路構成を示すブロック図、起動時の動作、終了時の動作は、第１の形態と同じであり、差異である演算マイコン１０３の起動時電圧の演算を行う図１２のΔＴが−３６℃以下の場合を説明する。

実施形態１の図５のΔＴが−３６℃以下の場合はΔＶを１４０ｍＶで制限し温度変化が大きい場合 演算マイコン１０３の動作が安定する設定としている。一方、実施形態３の図１２のΔＴが−３６℃以下の場合は、図１３を参照し再起動時の温度検出部１０４の測定値Ｔ１より演算マイコン１０３の電源設定電圧を演算する。

以上により、温度変化が大きい場合でも演算マイコン１０３の電源設定電圧を初回起動時と同じ設定とすることで、演算マイコン１０３の動作が安定させることが可能となる。

また、実施形態１と同様に、起動マイコン１０２が演算マイコン１０３の起動時の最適な電圧設定を簡易的に演算するために、演算マイコン１０３は起動時に電圧設定の演算処理が不要となる。よって、演算マイコン１０３の動作周波数を上げた状態、かつ、消費電力の少ない状態で演算マイコン１０３の短時間での立ち上げが可能となる。

［実施形態４］
実施形態４における、電源システムの回路構成を示すブロック図、起動時の動作、終了時の動作は第２の形態と同じであり、差異である演算マイコン１０３の起動時電圧の演算を行う図１４のＴｏｆｆが３６秒以下の場合を説明する。

実施形態２の図１０のＴｏｆｆが３６秒以下の場合はΔＶを１４０ｍＶで制限し、オフ時間大きい場合 演算マイコン１０３の動作が安定する設定としている。一方、実施形態４の図１４のＴｏｆｆが３６秒以下の場合は、図１５を参照し再起動時の温度検出部１０４の測定値 Ｔ１より演算マイコン１０３の電源設定電圧を演算する。

以上により、オフ時間が大きい場合（演算マイコンの状態変化が大きい場合）でも演算マイコン１０３の電源設定電圧を初回起動時と同じ設定とすることで、演算マイコン１０３の動作が安定させることが可能となる。

また、実施形態２と同様に、起動マイコン１０２が演算マイコン１０３の起動時の最適な電圧設定を簡易的に演算するために、演算マイコン１０３は、起動時に電圧設定の演算処理が不要となる。よって、演算マイコン１０３の動作周波数を上げた状態、かつ、消費電力の少ない状態で演算マイコン１０３の短時間での立ち上げが可能となる。

１００ 電源部、１０２ 起動マイコン、１０３ 演算マイコン、１０４ 温度検出部

Claims (11)

1. 動作電圧の最適値を演算可能なボルテージスケーリング対応デバイスと、
   前記ボルテージスケーリング対応デバイスに電源を供給し、前記ボルテージスケーリング対応デバイスからの制御にて電圧設定可能な電源手段と、
   前記電源手段の起動と電圧設定制御可能な起動手段と、
   を有し、
   電源システム起動時は、起動手段より前記電源手段の起動と電圧設定制御を行い、
   電源システム起動後は、前記ボルテージスケーリング対応デバイスより電源手段の電圧設定制御を行うことを特徴とする電源システム。
2. 前記ボルテージスケーリング対応デバイスごとの動作電圧の最適値を起動手段は記憶し、電源システム起動時は前記起動手段が記憶した電圧設定値で前記電源手段を起動させることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 電源システム終了時に前記ボルテージスケーリング対応デバイスが設定している電源手段の電圧設定値を前記起動手段は記憶し、電源システム起動時は起動手段が記憶した電圧設定値で前記電源手段を起動させることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
4. 前記起動手段は、電源システム終了前に前記ボルテージスケーリング対応デバイスが設定している電源手段の電圧設定値と前記ボルテージスケーリング対応デバイスの温度を記憶し、
   電源システム再起動時は、前記起動手段が記憶した電圧設定値と前記ボルテージスケーリング対応デバイスの再起動時と記憶した温度との差より、再起動時の前記電源手段の設定電圧を演算し、演算した設定電圧で前記電源手段を起動させることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
5. 電源システム再起動時は前記起動手段が記憶した前記ボルテージスケーリング対応デバイスの再起動時と記憶した温度との差が所定以上の場合は再起動時の前記電源手段の設定電圧を制限することを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
6. 電源システム再起動時は前記起動手段が記憶した前記ボルテージスケーリング対応デバイスの再起動時と記憶した温度との差が所定以上の場合は、再起動時の前記電源手段の設定電圧を初回起動時と同じにすることを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
7. 前記起動手段は、電源システム終了時に前記ボルテージスケーリング対応デバイスが設定している電源手段の電圧設定値を記憶し、
   電源システム再起動時は、前記起動手段が記憶した電圧設定値と再起動までの経過時間により、再起動時の前記電源手段の設定電圧を演算し、演算した設定電圧で前記電源手段を起動させることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
8. 電源システム再起動時、再起動までの経過時間が所定以上であれば、再起動時の前記電源手段の設定電圧を制限することを特徴とする請求項７に記載の電源システム。
9. 電源システム再起動時、再起動までの経過時間が所定以上であれば、再起動時の前記電源手段の設定電圧初回起動と同じにすることを特徴とする請求項７に記載の電源システム。
10. 前記起動手段は、初回起動時の前記電源手段の設定電圧を、記憶された値で起動させることを特徴とする請求項４又は請求項７に記載の電源システム。
11. 前記起動手段は、初回起動時の前記ボルテージスケーリング対応デバイスの温度より前記電源手段の設定電圧を演算し、演算した設定電圧で前記電源手段を起動させることを特徴とする請求項４又は請求項７に記載の電源システム。