JP4406405B2

JP4406405B2 - 温度感知システム

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Inventors: 宗博吉田
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Description

本発明は、電子装置に一般に係り、更に詳しくは集積回路のような装置の温度を感知するための温度感知システムに関する。

マイクロプロセッサのような集積回路はますます複雑になっている。より多くの機能が特定の集積回路によって実行されるようになるとともに、これらの装置を形成する回路部品（例えばトランジスタ、ダイオード、抵抗器等）はますます微細化されている。回路部品と機能の数の増大に伴って、これらの集積回路によって消費される電力量も増加する。回路の増加した電力消費量によって、回路内に発生される熱量も同様に増加する。この熱は、装置の性能に悪影響を与える恐れがあり、装置を故障させさえする。

電子装置中の熱量の増大は危険を招くため、これらの装置内の温度を検知できることがしばしば必要になる。従って、危険な高温を検知するか、あるいは装置内の温度を測定するために、いくつかの装置には温度感知回路が組み込まれている。例えば、この温度感知回路は、温度を感知し且つ温度が予め設定したしきい値を越えるか否かを判断するために集積回路に組み入れられている。もし、集積回路の温度がこのしきい値を越える場合には、是正処置（例えば、回路内の活動性を低くするか、回路をシャットダウンする）を行うことにより発熱量を低下させて温度をより安全なレベルにする。

上記温度感知回路を実現する１つの方法は、熱の変化に敏感な装置か回路を設け、基準電圧とこの装置によって生成された電圧とを比較することである（特許文献１参照）。例えば、ダイオードをこの目的のために使用することができる。熱を感知可能な装置／回路の電圧が基準電圧と等しい時、温度はこの電圧に対応する既知の温度と等しい。もし、熱を感知可能な装置／回路の電圧が基準電圧より小さい（あるいはより大きい）ならば、温度は既知の温度より低い（あるいはより高い）。

熱を感知可能な装置／回路中の温度と電圧との関係は一般に良く知られている。しかし、正確に装置／回路の温度を決定するためには、正確に装置／回路の電圧を知ることが必要である。基準電圧はこの目的のために使用される。基準電圧の精度が高いほど温度を決定できる精度が高くなる。

従来、上記温度感知回路は、温度に依存しない一定の基準電圧を使用して設計されている。一般的には、バンドギャップリファレンス回路がこの目的のために使用され、この基準電圧源が非常に安定していて製造誤差や温度などの変動に対して鈍感であることを利用する。その結果、基準電圧源は、通常、比較的多くの構成部分を含んでおり、それが実装されるチップ上において比較的大きな領域を占有する複雑な回路になる。このため、チップ上の占有面積が小さく、回路の簡単化を図れる温度感知システム及びその温度感知方法が望まれている。
特開２００１−０３５１７７

この発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、チップ上の占有面積が小さく、回路の簡単化を図れる温度感知システムを提供することにある。

上述した問題の少なくとも１つは、この発明の様々な実施形態によって解決される。概説すれば、この発明は、熱を感知可能な装置の電圧が、一定ではなく温度の関数として変化する基準電圧と比較される場合に、温度センサの複雑さとサイズを縮小するためのシステムを含んでいる。

一実施形態は、基準電圧発生器、温度センサ及びコンパレータを含む温度感知システムを備えている。上記基準電圧発生器は、温度の既知の関数として変化する一定値ではない基準電圧を生成するように構成されている。上記温度センサは、温度の既知の関数として更に変化するセンサ電圧を生成するように構成されている。上記基準電圧と上記センサ電圧の関数は、既知の温度／電圧で交差する。上記コンパレータは、上記センサ電圧と上記基準電圧とを比較し、上記センサ電圧と上記基準電圧の比較に基づいた比較出力信号を生成するように構成されている。この信号の遷移は基準温度を示す。

他の実施形態は、基準電圧発生器、温度センサ及びコンパレータを更に有する温度感知システムを含んでいる。この実施形態中の基準電圧発生器は、多数の一定値ではない基準電圧（温度の異なる既知の関数としてそれぞれ変化する）を生成するように構成されている。上記温度センサは、温度の既知の関数として更に変化するセンサ電圧を生成するように構成されている。１つ以上のコンパレータが上記センサ電圧と各々の基準電圧を比較するために使用され、対応する比較出力信号を生成する。各信号の遷移は、対応する基準温度に達したことを示す。

別の他の実施形態は、基準電圧源を備え、温度センサを備え、基準電圧源と温度センサによって生成された信号を比較し、温度感知信号が基準信号より高いか低いかを示す温度指示信号を生成する方法を含んでいる。この方法では、基準電圧源は、温度の既知の関数として増加し、製造バラツキに影響を受けない基準電圧を与える。温度センサは、温度の既知の関数として減少し、製造バラツキに影響を受けないセンサ電圧を与える。一実施形態では、センサ電圧が基準電圧未満である場合、温度指示信号は活性化されず、センサ電圧が基準電圧より大きな場合に活性化される。別の他の実施形態では、感知温度が基準温度と等しい時、センサ信号を多数の基準信号と比較するようにしている。

更に、多数の追加の実施形態が可能である。

この発明によれば、チップ上の占有面積が小さく、回路の簡単化を図れる温度感知システムが得られる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
概略的に言えば、この発明は熱を感知可能なデバイスの電圧が、一定値ではなく温度の関数として変化する基準電圧と比較される場合、温度センサの複雑さとサイズを低減するためのシステムと方法を含んでいる。一実施形態では、ダイオードは温度の関数として減少する第１の電圧を生成するために使用される。温度の関数として働くように増加する１つ以上の基準電圧が発生される。そして、上記第１の電圧は基準電圧と比較される。上記第１の電圧が基準電圧のうちの１つと等しい場合、ダイオードと基準電圧発生器の温度は、既知の温度と等しい。この既知の温度は、どの異なる基準電圧とも異なる。上記第１の電圧と基準電圧の比較の結果は、一定の基準電圧を使用する従来方式と同様に使用することができる。

この発明の実施形態に係るシステムは、従来のシステムに対して幾つかの利点を備えている。例えば、温度の上昇に伴って増大する基準電圧を生成するのは、温度変化に対して一定の基準電圧を生成するのよりも一般的に容易である。従って、基準電圧発生器は通常それほど複雑ではない。あまり複雑でない回路は少数の回路部品で済むので、それは通常従来の基準電圧発生器よりチップ上のより少ない占有面積で済む。更に、本実施形態に係るシステムは、第１の電圧と基準電圧との間の差が従来のシステムより大きい。これは、第１の電圧（それは温度の上昇に伴って低下する）が、一定のままであるのではなく、温度の上昇に伴って増大する電圧と比較されるからである。より大きな電圧差は、従来システム中のより小さな電圧差から増幅するのがより簡単である。

この発明の様々な実施形態について詳細に説明する前に、温度を感知する従来のシステムと電子装置について簡潔に説明する。図１は、先行技術に係る温度感知回路の構成を説明するためのブロック図である。この図において、基準電圧発生器１０は、温度の全域にわたって一定な基準電圧Ｖ_ｒｅｆを生成する。トリミング回路２０は、一定の基準電圧Ｖ_ｒｅｆの値を調節するために基準電圧発生器１０に特徴的に結合されている。このトリミング回路２０は、しばしば回路の製造バラツキのために必要である。

温度感知素子３０は、この感知素子の温度に応じて変化する電圧Ｖ_ｓｅｎｓを生成する。この感知素子には例えばダイオードを用いることができ、またこの温度感知素子３０によって生成された対応する電圧は感知素子の温度の上昇に伴って低下する。上記基準電圧発生器１０によって生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆ、及び温度感知素子３０によって生成された温度に依存する電圧Ｖ_ｓｅｎｓはともにコンパレータ４０に供給される。このコンパレータ４０は、温度感知素子３０から供給される電圧Ｖ_ｓｅｎｓが基準電圧発生器１０から供給される基準電圧Ｖ_ｒｅｆより高いか低いかを判断するように構成されている。

上記コンパレータ４０は、２つの受け取った電圧の関係に依存してアクティブな状態にされる（あるいはアクティブな状態にされない)２値出力信号を生成する。一般的には、コンパレータ４０は、温度感知素子３０によって発生された電圧が基準電圧発生器１０の基準電圧Ｖ_ｒｅｆより低い（つまり、感知された温度が基準電圧に対応する温度より高い)場合に、ハイレベルの信号を発生するように構成されている。その後、コンパレータ４０によって生成された信号は、このコンパレータ４０からの信号がアクティブな状態にされている時に是正処置をとるように構成された制御回路５０に供給される。例えば、感知温度が基準温度より高く、信号がアクティブな状態にされる場合、制御回路５０は動作速度を低下させるか、あるいは温度感知システムが実装されている回路をシャットダウンする。

図２は、上記図１のシステムに示された基準電圧発生器１０によって生成された一定の基準電圧Ｖ_ｒｅｆと、温度感知素子３０によって提供された熱依存電圧Ｖ_ｓｅｎｓとの間の関係を説明するための図である。この図２は、温度（水平軸）に対する電圧（垂直軸）のグラフである。基準電圧Ｖ_ｒｅｆが回路の温度に拘わらず一定であることはこの図から見てとれる。一方、温度感知素子３０によって提供された電圧Ｖ_ｓｅｎｓは、温度の上昇に伴って低下する。これらの２本の電圧直線は温度Ｔ０、電圧Ｖ０（＝Ｖ_ｒｅｆ）で交差する。

図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、感知された温度と基準温度との間の関係の関数としてコンパレータ４０によって発生された出力信号について説明するための図である。（ａ）図は、感知温度Ｔ_ｓｅｎｓを時間の関数として示している。この（ａ）図には一定の基準温度Ｔ_ｒｅｆも示している。（ｂ）図は、コンパレータ４０の出力信号を時間の関数として示している。時刻ｔ１以前には、感知温度は基準温度未満である。従って、コンパレータ４０から出力される２値出力信号はロウレベルである。感知温度は徐々に上昇し、時刻ｔ１になると感知温度と基準温度が等しくなる。その後、時刻ｔ１＋Δｔの期間は感知温度が上昇し続け、基準温度より高くなる。このように感知温度が基準温度より高くなると、２値出力信号はハイレベルになる。感知温度が低下し、後の時刻ｔ２に感知温度が基準温度未満になった時、２値出力信号は再びロウレベルになる。

図４は、図１中の基準電圧発生器１０の構成例を示している。この回路は温度に依存しない電圧を生成することを目指したもので、バンドギャップレファレンス回路として知られている。回路４００は、正の温度係数電圧発生器４１０、負の温度係数電圧発生器４２０、及びこれらの２つの電圧を温度に依存しない電圧を発生するのに適切な割合で合成するように構成された混合回路４３０から成る。換言すれば、混合回路４３０は、温度に依存しない電圧を生成するために、電圧発生器４２０の負の温度係数と電圧発生器４１０の正の温度係数の均衡をとる。

図５は、図1の中の温度感知素子３０としての使用に相応しい回路を説明するための図である。この回路は定電流源５１０及びダイオード５２０を含んでいる。定電流源５１０は、電圧源（例えばＶｄｄ）とダイオード５２０のアノードとの間に結合されている。ダイオード５２０のカソードは接地（例えばＶｓｓ）に結合される。上記センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓは、定電流源５１０とダイオード５２０間のノードで測定される。

上述したように、この発明により提供されるシステムは、一定値でない基準電圧を供給する点が従来のシステムと異なっている。これは、それが従来のシステムよりはるかに単純で、従来の定電圧設計より非常に少ないスペースで済むように基準電圧発生器の設計を修正することを可能にする。更に、基準電圧発生器が温度の上昇に伴って高くなる電圧を提供するために幾つかの実施形態に設計されているので、温度感知素子によって生成されたこの基準電圧と電圧の間の差は一定の基準電圧と温度感知素子の電圧の間の差より大きい。電圧差がより高いので、増幅する方が簡単で、それによってコンパレータの２値出力信号を生成することをより簡単にする。

図６は、この発明の一実施形態に係る温度感知システムの構成を説明するためのブロック図である。このシステムの構成は、図１で説明したシステムの構成に類似しているが、幾つかの相違がある。このシステム６００中では、基準電圧Ｖ_ｒｅｆは正の温度係数電圧発生器６１０によって与えられる。図１に示したシステムのような一定の基準電圧を生成するのではなく、正の温度係数電圧発生器６１０は温度の関数として変化する基準電圧Ｖ_ｒｅｆを生成する。これによって、本実施形態においては、図１のシステムのような製造バラツキによる基準電圧の調節を行うためのトリミング回路が不要になる。

一実施形態では、一定の基準電圧を発生するのではなく、正の温度係数電圧発生器６１０によって生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆが温度の関数として上昇する。一定値ではない基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、先行技術システムで典型的に発生される一定の基準電圧と同じくらい正確に知られているので、図６の実施形態は基準電圧が温度変化する性質の結果として先行技術システムと同様に正確になる。実際、温度の関数としての基準電圧曲線の正の勾配は、基準電圧と一定の基準電圧に起因する温度センサ電圧との間のより大きな相違点によって起こるため、温度センサ電圧が基準電圧より高いか低いかを判断する方が簡単である。従って、本実施形態は、先行技術システムよりこの点で正確であると言える。

上記システム６００は、正の温度係数電圧発生器６１０に加えて、温度感知素子６２０、コンパレータ６３０及び制御回路６４０を含んでいる。正の温度係数電圧発生器６１０によって生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆ、及び温度感知素子６２０によって生成された感知電圧Ｖ_ｓｅｎｓは、コンパレータ６３０に供給される。コンパレータ６３０はこれらの２つの電圧を比較し、感知電圧が基準電圧以上かあるいは以下かを示す出力信号を生成する。コンパレータ６３０によって生成された信号は制御回路６４０に供給され、この制御回路６４０で信号を処理し、温度感知システムが実装されるデバイスに供給される制御信号を発生する。これらの制御信号は、温度感知素子６３０によって感知された温度に依存するデバイス（例えば、速度を落としているかデバイスをシャットダウンしている）の操作に作用する。また、対応する信号はコンパレータ６３０によって出力する。

図６における正の温度係数電圧発生器６１０は、図４の中の温度係数電圧発生器４１０とほぼ等価である。負の温度係数電圧を発生する温度感知素子６２０は、例えば図５に示した先行技術で使用される温度感知素子とほぼ等価である。

図７は、温度によって変化する基準電圧と一実施形態に係るセンサ電圧との関係を説明するための図である。この図７は電圧対温度のグラフである。正の温度係数電圧発生器６１０及び温度感知素子６２０によって生成された電圧Ｖ_ｓｅｎｓ，Ｖ_ｒｅｆがこのグラフ上にプロットされている。上記センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓは、例えば定電流が流れるダイオードを使って電圧降下を起こすことにより生成できる。この電圧はダイオードの温度の上昇に伴って低下する。従って、センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓのプロットは負の勾配を持つことになる。正の温度係数電圧発生器６１０は、他方では基準電圧Ｖ_ｒｅｆのプロットの正の勾配の結果として起こる温度上昇として増大する電圧を生成するように構成されている。正の温度係数電圧発生器６１０の典型的な構成は、より詳細には後述するようなものである。

図７には、基準電圧Ｖ_ｒｅｆのプロット、及び特定の温度と電圧に対応する特定の点でのセンサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓへの基準電圧Ｖ_ｒｅｆの交点が示されている。図７では、この交点に対応する温度と電圧はＴ０とＶ０によってそれぞれ示される。基準電圧とセンサ電圧の両方が、デバイスの半導体材料のバンドギャップエネルギーに基づくので、これらの電圧は比較的高い精度で知られている。従って、電圧プロットの交点（Ｖ０，Ｔ０）も比較的良い精度で知られている。

図８（ａ），（ｂ）は、一実施形態に係る、感知温度と基準温度の関係の関数としてコンパレータ６３０によって発生された出力信号を説明するための図である。図８（ａ），（ｂ）は、時間の関数としてのコンパレータ６３０の出力とともに、時間の関数として温度感知素子６２０の温度の図示を含んでいる。（ａ）図に示される温度感知素子６２０の温度は、図３（ａ）で説明した温度と同じである。（ｂ）図に示されるコンパレータ６３０によって生成された出力信号が、先行技術システムでのコンパレータによって発生された出力信号と同じである（図３（ｂ）を参照）。正の温度係数電圧発生器６１０の出力電圧Ｖ_ｒｅｆと温度感知素子６２０の出力電圧Ｖ_ｓｅｎｓとに基づいて生成され、温度感知素子６２０の温度の関数としてのコンパレータ６３０の出力は、一定ではない基準電圧Ｖ_ｒｅｆの使用によって影響を受けない。従って、システム６００は先行技術システム中で使用されるのと同じ制御回路６４０を使用することができる（図１の参照符号５０を参照）。

図９は、図６中の正の温度係数電圧発生器６１０の構造を説明するための図である。この回路９００は、オペアンプ９１０、３つのＰＭＯＳトランジスタ９２０，９３０，９４０、２つの抵抗器９５０，９６０及び多数のダイオード９７０，９８０〜９８２から成る。この図９では、３つのダイオード９８０〜９８２だけが明示的に示されているが、Ｎが典型的に２以上である場合には、直列ダイオード９８０〜９８２がＮ個のダイオードを含んでも良い。

トランジスタ９２０のソースは、電源電圧Ｖｄｄに結合される。このトランジスタ９２０のドレインはダイオード９７０のアノードに結合される。上記ダイオード９７０のカソードは接地Ｖｓｓに結合される。トランジスタ９３０のソースも電源電圧Ｖｄｄに結合される。しかし、このトランジスタのドレインは抵抗器９５０の一端に結合される。抵抗器９５０の他端は、各々のダイオード９８０〜９８２のアノードに結合される。各々のダイオード９８０〜９８２のカソードは接地Ｖｓｓに結合される。トランジスタ９４０のソースも電源電圧Ｖｄｄに結合される。このトランジスタ９４０のドレインは抵抗器９６０の一端に結合される。抵抗器９６０の他端は接地Ｖｓｓに結合される。

各々のトランジスタ９２０，９３０及び９４０のゲートは、オペアンプ９１０の出力端に結合される。各々のトランジスタ９２０，９３０及び９４０が同一の場合、同じ量の電流はこれらのトランジスタの各々の電流通路を通って流れる。上記オペアンプ９１０の反転入力端はトランジスタ９２０のドレインに結合され、このオペアンプ９１０の非反転入力端はトランジスタ９３０のドレインに結合される。上記トランジスタ９２０のドレインの電圧Ｖ_ａはダイオード９７０のＰＮ接合を介した電位である。上記トランジスタ９３０のドレインの電圧Ｖ_ｂは、抵抗器９５０を介した電位、及びダイオード９８０〜９８２（それらは実際上ダイオード９１０より大きな断面積を備えた単一のＰＮ接合と同じ）のＰＮ接合のうちの幾つかを介した電位である。

ダイオードの特有の振る舞いはＩ〜Ｉ_ｓｅｘｐ（ｑＶ_ｂｅ／ｋＴ）として表現することができる。上記ダイオード９７０を流れる電流がダイオード９８０〜９８２を流れる電流の和と同等である場合、
Ｉ_ｓｅｘｐ（ｑＶ_ｃ／ｋＴ）＝Ｎ×Ｉ_ｓｅｘｐ（ｑＶ_ｃ／ｋＴ）
Ｖ_ｃは抵抗器９５０とダイオード９８０〜９８２との間のノードの電圧、Ｎはダイオード９８０〜９８２の数。そして、抵抗器９５０を横切った電圧は次のように表現することができる。

ΔＶ_ｆ＝Ｖ_ａ−Ｖ_ｃ＝ｌｎＮ×ｋＴ／ｑ
その後、トランジスタ９３０による電流がトランジスタ９４０を流れる電流と同じであるので、基準電圧は次のように表現することができる。

Ｖ_ｒｅｆ＝ΔＶ_ｆ×Ｒ_２／Ｒ_１
ここで、Ｒ_１は抵抗器９５０の抵抗値、Ｒ_２は抵抗器９６０の抵抗値である。従って、基準電圧は、抵抗値Ｒ_１とＲ_２の適切な選択によって目標値にセットすることができる。

回路９００は、温度感知素子によって生成された負の温度係数を持ったセンサ電圧と比較している時、センサ温度が基準温度より高いか低いかを示す単一の２進出力の結果として生ずる単一の基準電圧を生成する。このシステムは、それが実装される電子装置の温度が予め設定したしきい値にいつ達したか示すのに有用であるが、このシステムは温度が安全レベルにいつ低下したかに関しては情報を提供しない。従って、異なる多数の基準電圧を用いる実施形態を提供することが有用である。これによって、電子装置のためのより多くの温度情報を得ることができる。

図９の回路では、第１トランジスタ９２０と第１ダイオード９７０は図５に示した回路における温度センサとして使用できる。図５におけるトランジスタ９２０は定電流源５１０に相当する。その一方で、ダイオード９７０はダイオード５２０に相当する。トランジスタ９２０のドレインから出力される電圧Ｖ_ａは、センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓに相当する。ダイオード９７０による電流は一定ではない。しかし、ダイオード９７０の電圧交点は、およそ−１．５ｍＶ／Ｋの負の温度係数を持っている。

上述したように、正の温度係数電圧発生器９００は潜在的に負の温度係数電圧Ｖ_ａを発生することができ、センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓとして図６中のコンパレータ６３０に供給することができる。

図１０は、この発明の他の実施形態に係る温度感知システムの構造を説明するブロック図である。システム１０００は、正の温度係数電圧発生器１０１０が２つの基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１，Ｖ_ｒｅｆ２を生成する以外はシステム９００と同様であり、２つの異なるコンパレータ１０３０，１０３５にこれらの電圧Ｖ_ｒｅｆ１，Ｖ_ｒｅｆ２を供給する。また、温度感知素子１０２０は同様に、これらのコンパレータ１０３０，１０３５の両方へ感知温度に対応する電圧Ｖ_ｓｅｎｓを供給する。その後、コンパレータ１０３０は上記センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓを第１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１と比較し、またコンパレータ１０３５は上記センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓを第２の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２と比較する。各々のコンパレータ１０３０及び１０３５は、制御回路１０４０にそれぞれ個別に２進出力信号を供給し、コンパレータから受け取った信号を処理し、電子装置の操作に作用する（例えば、遅くするまたはシャットダウンする）制御信号を発生する。

図１１は、上記図１０に示した実施形態に係るシステムにおけるセンサ電圧と２つの基準電圧との関係を説明するための図である。この図１１では、電圧対温度を図示している。センサ電圧Ｖ_ｓｅｎｓ、第１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１及び第２の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２をグラフ上にプロットしている。前の実施形態でのように、センサ電圧は負の温度係数を持っており、その一方で基準電圧は正の温度係数を持っている。センサ電圧のプロットが第１の基準電圧（温度Ｔ１及び電圧Ｖ１）のプロットと交差する１つのポイントと、第２の基準電圧（温度Ｔ２及び電圧Ｖ２）のプロットと交差する１つのポイントがある。

図１２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、上記図１０に示した実施形態に係る温度感知システムにおいて、センサ温度と基準温度の関数としてコンパレータ１０３０，１０３５によって生成された出力信号について説明するための図である。上記図１２（ａ），（ｂ）では、温度感知素子の温度が、最初にＴ２（第２の基準温度）より低い温度からＴ１（第１の基準温度）より高い温度に上昇する。初期状態では、コンパレータ１０３０，１０３５の出力は両方ともロウレベルである。温度感知素子の温度がＴ２を超えると、コンパレータ１０３５（コンパレータ２）の出力はロウレベルからハイレベルになる。温度感知素子の温度がＴ１を通る時、コンパレータ１０３０（コンパレータ１）の出力がハイレベルになる。少し遅れて、温度感知素子の温度はＴ１より高い温度からＴ２より低い温度まで減少する。温度感知素子がＴ１より下がった時、コンパレータ１０３０の出力はハイレベルからロウレベルになる。そして、温度感知素子の温度がＴ２以下に下がった時、コンパレータ１０３５の出力もロウレベルになる。

この実施形態では、温度感知システムが実装されるデバイスにとって安全でない、つまり温度感知システムが作動するより高い基準温度Ｔ１を高温しきい値と見なす。より低い基準温度Ｔ２は、低温しきい値（それ以下になると動作を再開するデバイスにとって安全な温度）と見なす。従って、制御回路１０４０は、センサの温度がＴ１を超過する場合にデバイスをシャットダウンさせ（あるいはその動作規模を縮小する）、センサの温度がＴ２以下に低下した場合にデバイスの動作を再開させることができることを示す制御信号をアクティブな状態にするように構成されている。そのような２値信号（制御出力）が図１２（ｂ）に示されている。制御出力がロウレベルの場合にデバイスは通常作動し、制御出力がハイレベルの場合にはデバイスをシャットダウンさせる（あるいは速度を落とす）。

図１３は、この発明の一実施形態に係る制御回路について説明するための図である。図１３に示されるように、制御回路１３００はコンパレータ１０３０及び１０３５によって発生された２値信号を受け取るように構成されている。これらの信号に基づいて、制御回路１３００は、図１２（ｂ）に示したような制御信号を発生する。

制御回路１３００はインバータ１３１０、第１，第２遅延素子１３２０，１３３０、ＮＡＮＤゲート１３４０，１３５０，１３６０，１３７０、及びインバータ１３８０，１３９０を含んでいる。上記遅延素子１３２０，１３３０は、センサ温度がまさに基準温度のうちの１つに近い場合に、ノイズによる不必要なスイッチングを防ぐために設けられている。従って、遅延素子１３２０，１３３０はノイズフィルタとして働く。これら遅延素子１３２０，１３３０の遅延の時定数は、フィルタされるノイズの時定数によって決定される。

コンパレータ１０３０（コンパレータ１）の出力は、インバータ１３１０に供給される。その後、反転した信号が、ＮＡＮＤゲート１３４０と遅延素子１３２０の両方に供給される。遅延素子１３２０はＮＡＮＤゲート１３４０に反転した信号を供給する前にこの信号を遅らせる。コンパレータ１０３５（コンパレータ２）の出力は、遅延素子１３３０並びにＮＡＮＤゲート１３５０の一方の入力端に供給される。上記遅延素子１３３０は、ＮＡＮＤゲート１３５０に信号を供給する前にこの信号を遅らせる。その後、ＮＡＮＤゲート１３４０，１３５０の出力は、１対のＮＡＮＤゲート１３６０，１３７０を用いて構成されたフリップフロップ回路へ入力される。その後、フリップフロップ回路の出力は、制御回路の出力で制御信号を駆動するための縦続接続されたインバータ１３８０，１３９０に供給される。

図１４は、この発明の一実施形態に係る２つの基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１，Ｖ_ｒｅｆ２を生成する正の温度係数電圧発生器について説明するための図である。回路１４００の構成は、回路９００の構成に類似している。システム１４００はソースが電源電圧Ｖｄｄに接続され、ドレインがダイオード１４７０のアノードに接続された第１トランジスタ１４２０を含んでいる。上記ダイオード１４７０のカソードは接地Ｖｓｓに接続されている。また、第２トランジスタ１４３０のソースは電源電圧Ｖｄｄに接続され、ドレインは抵抗器１４５０の一端に接続されている。抵抗器１４５０の他端はダイオード１４８０〜１４８２のアノードに接続されている。上記ダイオード１４８０〜１４８２のカソードは接地Ｖｓｓに接続される。第３トランジスタ１４４０のソースは電源電圧Ｖｄｄに接続され、ドレインは抵抗器１４６０の一端に接続される。この抵抗器１４６０の他端は抵抗器１４６５の一端に接続される。抵抗器１４６５の他端は、接地Ｖｓｓに接続される。

回路１４００と回路９００の相違点は、単一の抵抗器９６０ではなく、第３トランジスタ１４４０と接地Ｖｓｓ間に直列接続されている２つの抵抗器１４６０，１４６５を設けたことである。これによって、回路１４００は、トランジスタ１４４０と抵抗器１４６０間のノードから第１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１、及び抵抗器１４６０と抵抗器１４６５間のノードから第２の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２を供給することができる。本実施形態は、追加の基準電圧を供給するために第３トランジスタと接地間に追加の抵抗器を設けたものである。この抵抗器には、単純な抵抗器ではなく抵抗値を変化できる素子を設けることも可能である。このように構成すれば、基準電圧のうちの１つの値を調節できる。

上述したように、本発明の実施形態は従来の温度感知システムに比べて、電子装置（例えば集積回路）中の本質的により少ないスペースで済む。従って、本実施形態はコストを低減でき、実装を簡単化できる。従って、設計者は、希望の位置に高い自由度で本温度感知システムを配置することができ、あるいはデバイス中に多数の温度センサを更に実装することができる。

図１５は、この発明の一実施形態に係る電子装置、及びデバイスの機能ユニット内の多数の温度センサの配置について説明するための図である。この図１５には、ここに記述されたより小さく、より単純な温度センサの配置に利用可能な様々なオプションの例が示されている。これらのオプションは、全て図１５中に含まれているが、特定の実施形態を抽出して任意に使用することもできる。

図１５に描かれた集積回路１５００は、基板１５１０上に構築された多数の機能ユニット１５２０，１５３０〜１５３５，１５４０を有している。集積回路１５００は更に多数の温度センサ１５５０〜１５５８を含んでいる。他の実施形態は、機能ユニットのサブセットだけに温度センサを含んでいるが、機能ユニットの各々が対応する温度センサをそこに集積化しても良い。各々の機能ユニット中の温度センサは、対応する機能ユニットの「ホットスポット」に、あるいはそのホットスポットの近くに配置している。機能ユニットとは別に基板のエッジの近くに配置される温度センサ（１５５６）が更に設けられている。この温度センサは環境温度を示すか、基準として機能ユニットへ集積化された温度センサに使用することができる「クールスポット」を提供するために用いることもできる。デバイスの異なる機能ユニットが異なる時に異なる仕事量を経験するかもしれないので、機能ユニットのうちのいくつかは異なる時に多かれ少なかれ熱（従ってより高い経験あるいは低温）を発生する。

従って、機能ユニットの各々中の個別の温度センサの使用は、デバイスをより有効にコントロールするため、デバイスの状態及び（または）動作についてのよりよい理解をそのために提供する。例えば、機能ユニットのうちの１つが過熱しているが、他のものはそうではない場合、他のものが動作し続けている間に過熱した機能ユニットだけの動作規模を縮小するかシャットダウンすることができる。個別のセンサは、多重プロセッサデバイス（例えば機能ユニット１５３０〜１５３５）中のプロセッサのような多数の同様な、または同一の機能ユニットを持っているデバイスに特に利用できる。これらのデバイスでは、感知温度は対応する機能ユニットの負荷を示し、従って負荷平衡（load-balancing）目的に使用できる。言い換えれば、より温度の低い機能ユニットに対して追加の動作をさせ、より温度の高い機能ユニットに対しては動作規模を縮小するかシャットダウンさせる操作を行う。同様または同一の機能ユニットの場合には、温度センサは同様／同一の機能ユニットの各々中の同一の位置に配置するべきであると考えられる。

これらの技術の熟練者は、情報と信号が様々な異なる工学と技術のうちのどれでも使用して表わせることを理解する。例えば、上記の記述の全体にわたって引用されたデータ、指示、コマンド、情報、原因、ビット及びシンボルは、電圧、電流、電磁波、磁場、素粒子あるいはそれの任意の組み合わせによって表わされる。

これらの熟練者は、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェアあるいは両方の組み合わせとして様々な実例となる論理的なブロック、モジュール、回路及びここに示された実施形態に関して記述されたアルゴリズムステップが実装されることを更に認識できる。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明白に説明するために、様々な実例となる構成要素、ブロック、モジュール、回路及びステップは、それらの機能性の点から一般的に上述した。そのような機能性が実装されるかどうかは、ハードウェアまたはソフトウェアが総合体系に課された特定のアプリケーション及びデザイン制約に依存する。当業者は、各特定のアプリケーションの方法を変える際に記述された機能性を実行する。しかし、そのような実施決定は本発明の範囲からの新しい試みを引き起こすとは解釈されるべきではない。

様々な実例となる論理的なブロック、モジュール及びここに示された実施形態に関して記述された回路は、汎用プロセッサ、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）あるいは他のプログラマブルロジックデバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア部品あるいはそれのここに記述された関数を行うことを目指した任意の両者で遂行されるかもしれないし実行されるかもしれない。汎用プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、ステートマシンあるいはその他同種のものを用いることができる。プロセッサもまた計算するデバイス（例えばＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数個のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと関連する１つ以上のマイクロプロセッサあるいは他のそのような構成）の組み合わせとして実装できる。

ここに示された実施形態に関して記述された方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェア、プロセッサによって実行されたソフトウェアモジュール、あるいは２つの組み合わせで直接具体化できる。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＦＲＯＭ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭあるいは周知の記憶媒体が適用できる。典型的な記憶媒体はプロセッサに結合される。プロセッサが情報を読み出すことができるもの、また記憶媒体に情報をプログラムする。その代わり、記憶媒体はプロセッサに不可欠である。プロセッサと記憶媒体はＡＳＩＣ中に設けられていても良いし、ＡＳＩＣはユーザ端末中に存在しても良い。あるいは、プロセッサと記憶媒体はユーザ端末の個々の構成要素として存在しても良い。

本発明によって提供される利益と効果について、特定の実施形態に関して上述した。これらの利益と効果、及びそれらを生じさせるもっと明白な素子や限定も、いずれかの重大な特徴、要求された特徴、あるいは本質的な機能、及び特許請求の範囲の全てとして解釈することはできない。ここで使用された「含む」や「備える」等の用語、あるいは他の変形は、それらの用語に続く要素あるいは制限を非排他的に含んでいると解釈されるように意図される。従って、１組の要素を含むシステム、方法あるいは他の実施形態は、それらの要素だけに制限されるものではなく、明らかにリストされない他の要素を含んでいる、あるいは特許請求の範囲に記載された実施形態に固有のものである。

上記実施形態に開示された記述は、どんな当業者も本発明を製造するか使用を可能にするために提供される。これらの実施形態への様々な変形は当業者にとって容易に明白である。また、ここで明らかにされた総括的な法則は、発明の精神か有効範囲から外れずに、他の実施形態にも適用できる。従って、本発明は、ここに示された実施形態に制限されるものではなく、ここに示され特許請求の範囲に詳しく述べられた法則及び新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

すなわち、この発明の一実施形態に係る温度感知システムは、温度の第１の関数として変化する一定値ではない第１の基準電圧を発生するように構成された基準電圧発生器と、温度の第２の関数として変化する一定値ではないセンサ電圧を発生するように構成された温度センサと、前記センサ電圧及び前記第１の基準電圧を受けて前記センサ電圧と前記第１の基準電圧とを比較し、前記センサ電圧と前記第１の基準電圧との比較に基づいた第１の比較出力信号を生成するように構成された第１のコンパレータとを具備する。

そして、望ましい実施形態としては次のものがあげられる。

（ａ）前記温度センサは、電流源に直列に結合されたダイオードを含む。

（ｂ）前記温度センサ及び前記基準電圧発生器は、オペアンプと、第１，第２及び第３トランジスタと、第１ＰＮ接合と、断面積が前記第１ＰＮ接合の断面積よりも大きい第２ＰＮ接合と、第１，第２抵抗器とを含み、前記第１，第２及び第３トランジスタの各々のソースはそれぞれ電圧源に接続され、前記第１，第２及び第３トランジスタの各々のゲートはそれぞれ前記オペアンプの出力端に接続され、前記第１トランジスタのドレインは前記オペアンプの反転入力端に結合され、前記第２トランジスタのドレインは前記オペアンプの非反転入力端に結合され、前記第１ＰＮ接合は、前記第１トランジスタのドレインと接地間に結合され、前記第１抵抗器と前記第２ＰＮ接合は、前記第２トランジスタのドレインと接地間に直列に結合され、前記第２抵抗器は、前記第３トランジスタのドレインと接地間に結合され、前記第１の基準電圧は、前記第３トランジスタのドレイン電圧を含み単一の回路に集積化される。

（ｃ）前記第２抵抗器は、複数の直列接続された抵抗器を含み、１つ以上の追加の基準電圧が複数の直列接続されている抵抗器の隣接したものの間の１つ以上の対応ノードで生成される。

（ｄ）前記第１ＰＮ接合はダイオードを含み、前記第２ＰＮ接合は並列接続された複数のダイオードのアレイを含む。

（ｅ）前記第１の関数は、ケルビン温度に比例する。

（ｆ）前記第１のコンパレータは、前記センサ電圧と前記第１の基準電圧との間の差を増幅するように構成された差動増幅器を含む。

（ｇ）前記基準電圧発生器は、温度の第３の関数として変化する一定値ではない第２の基準電圧を更に生成するように構成される。

（ｈ）前記センサ電圧及び前記第２の基準電圧を受けて前記センサ電圧と前記第２の基準電圧とを比較し、前記センサ電圧と前記第２の基準電圧の比較に基づいた第２の比較出力信号を生成するように構成された第２のコンパレータを更に具備する。

（ｉ）前記第１，第２の比較出力信号を受け、且つ前記第１，第２の比較出力信号に応答して電子装置の制御操作のための１つ以上の制御信号を生成するように構成された制御回路を更に具備する。

（ｊ）前記制御回路は、前記センサ電圧が前記第１，第２の基準電圧より高い時にアクティブではない状態からアクティブな状態に遷移し、前記センサ電圧が前記第１，第２の基準電圧より低い時にアクティブな状態からアクティブではない状態に遷移する制御信号を生成するように構成されている。

上述したように、この発明の１つの側面によれば、チップ上の占有面積が小さく、回路の簡単化を図れる温度感知システムが得られる。

以上、一実施形態を用いてこの発明の説明を行ったが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

先行技術に係る温度感知回路の構成を説明するためのブロック図である。基準電圧発生器によって生成された一定の基準電圧と、図１のシステム中の温度感知素子によって生成された温度依存電圧間の関係を説明するための図である。図１のシステム中の感知された温度と基準温度間の関数としてコンパレータによって生成された出力信号を説明するための図である。図１のシステム中で使用するにふさわしい典型的な基準電圧発生器の構成を説明するための図である。この発明の一実施形態に係る温度感知素子を説明するための図である。この発明の一実施形態に係る温度感知システムの構成を説明するためのブロック図である。この発明の一実施形態に係る温度変化基準電圧とセンサ電圧との関係を説明するための図である。この発明の一実施形態に係る感知温度と基準温度との関係の関数としてコンパレータによって生成された出力信号を説明するための図である。この発明の一実施形態に係る温度感知システムの構成を説明するための図である。この発明の他の実施形態に係る温度感知システムの構成を説明するためのブロック図である。図１０の実施形態に係るセンサ電圧と２つの基準電圧との関係を説明するための図である。図１０の実施形態に係るセンサ温度基準温度の関数として１ペアのコンパレータによって生成された出力信号を説明するための図である。この発明の一実施形態に係る制御回路を説明するための図である。この発明の一実施形態に係る２つの基準電圧を生成する温度感知システムを説明するための図である。この発明の一実施形態に係る電子装置、及び装置の機能ユニット内の多数の温度センサの配置を説明するための図である。

符号の説明

１０…基準電圧発生器、２０…トリミング回路、３０，６２０，１０２０…温度感知素子、４０，６３０，１０３０，１０３５…コンパレータ、５０，６４０，１０４０…制御回路、４１０，６１０，１０１０…正の温度係数電圧発生器、４２０…負の温度係数電圧発生器、４３０…混合回路、１５００…集積回路、１５１０…基板、１５２０，１５３０〜１５３５、１５４０…機能ユニット、１５５０〜１５５８…温度センサ。

Claims

温度の第１の関数として変化する一定値ではない第１の基準電圧を発生するように構成された基準電圧発生器と、
温度の第２の関数として変化する一定値ではないセンサ電圧を発生するように構成された温度センサと、
前記センサ電圧及び前記第１の基準電圧を受けて前記センサ電圧と前記第１の基準電圧とを比較し、前記センサ電圧と前記第１の基準電圧との比較に基づいた第１の比較出力信号を生成するように構成された第１のコンパレータとを具備し、
前記温度センサ及び前記基準電圧発生器は、オペアンプと、第１、第２及び第３トランジスタと、第１ダイオードと、断面積が前記第１ダイオードの断面積よりも大きい第２ダイオードと、第１、第２抵抗器とを含み、
前記第１、第２及び第３トランジスタの各々のソースはそれぞれ電圧源に接続され、
前記第１、第２及び第３トランジスタの各々のゲートはそれぞれ前記オペアンプの出力端に接続され、
前記第１トランジスタのドレインは前記オペアンプの反転入力端に結合され、前記第２トランジスタのドレインは前記オペアンプの非反転入力端に結合され、
前記第１ダイオードは、前記第１トランジスタのドレインと接地間に結合され、
前記第１抵抗器と前記第２ダイオードは、前記第２トランジスタのドレインと接地間に直列に結合され、
前記第２抵抗器は、前記第３トランジスタのドレインと接地間に結合され、
前記第１の基準電圧は前記第３トランジスタのドレイン電圧であり、前記センサ電圧は前記第１トランジスタのドレイン電圧であることを特徴とする温度感知システム。