PICマイコンの電力消費の源

【概要】

　PICマイコンの消費電流はCMOS構造によるICの特徴をそのまま持っています。
つまり、動作中の消費電流は、CMOSを構成するトランジスタのスイッチング時の貫通電流が
大部分となり。静止している待機中の消費電流はリーク電流によるものとなります。

CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor

【CMOS ICの動作電流の源】

PICが動作している間の消費電流は、CMOS構造の「貫通電流」に大部分支配されます。
この貫通電流とは、下記のようなCMOS構造に起因するものです。

　CMOS構造の論理ゲートは、下図のようにｐチャネル（上側)とｎチャネル（下側)のMOSFETを
相補型に配置したインバータゲートを基本構成として構成されています。
　この構成の回路で、InputがGND電位の場合は、ハイサイド（上側)のトランジスタがオンとなり、
ローサイド（下側)のトランジスタがオフとなって、出力はHighとなります。
逆にInputがVdd電位の場合には、ローサイドがオンとなり、ハイサイドがオフとなって、出力は
Lowとなります。
いずれの状態でもどちらかのトランジスタがオフですから、VddとGND間には電流が流れないため
CMOS構造のICは非常に消費電流が少なくなります。


　このCMOS構造での動作時の消費電流は、下図のように、両方のトランジスタのオン、オフが
入れ替わる瞬間にだけ２つの理由で現れます。
　ひとつは両方のトランジスタのオンからオフ、あるいはその逆への切替には動作遅延があること
によるもので、切り替わる瞬間に、両方のトランジスタがともに電流が流れる状態となり、Vddから
GNDに電流が流れてしまいます。これを「貫通電流」と呼んでいます。
もうひとつは、MOSFETトランジスタを切り替えるために必要なゲートのドライブ電流です。


　このように、CMOS構成のICの動作時の消費電流は大部分スイッチングする瞬間に発生します。
この消費電流の大きさは、スイッチングの遅延に依存し、下記式のような関係で表されます。
Cは入力ゲートの寄生容量や、出力側の負荷容量などの合計で、ほとんどチップの製造プロセスで
決まってしまいますので、ユーザがコントロール不能なものです。
したがって、ユーザがコントロールできるのもは、電圧とスイッチング周波数、つまりクロック周波数
ということになります。


消費電流を少なくするには

　V：電源電圧
　ｆ：クロック周波数

を下げることが必要

【待機時の消費電流の源】

　動作中の消費電流は、上述のように電源電圧とクロック周波数で決定されますが、
待機中はクロックが停止していますから、スイッチングによる消費電流は存在しません。
この間の消費電流は、下図のような、トランジスタのドレインとソース間に流れる非常にわずかな
「漏れ電流」、「リーク電流」だけとなります。


　このリーク電流は、ICの製造プロセスや、内部配置などで決まってしまいますが、それ以外に
電源電圧（Vdd)と温度に比例して増加します。
したがって、待機時の消費電流の削減には、少ないリーク電流の製品を選択し、電源電圧を
低くすることが必要ということになります。