Circuit for measuring temperature, and method

本発明は、温度測定回路及び方法に関し、更に詳しくは、温度変化に応じて電流が変化する半導体素子を用いた温度測定回路及び方法に関する。

昨今、マイクロプロセッサをはじめとして、ＬＳＩ（Large Scale Integrated）チップの発熱に対する制御が重要になっている。 ＬＳＩにおいて、電力低減などの制御を行わないと、ＬＳＩの温度上昇が著しく、場合によっては、冷却が十分に行えないことがある。 或いは、温度上昇によって、ＬＳＩの信頼性が大きく損なわれることもある。 特に、こうした問題は、ＬＳＩプロセスの世代で微細化が進むと顕著である。

上記問題を回避するために、ＬＳＩ内部でジャンクション温度を観測し、その観測値に応じて適切な動作や処理を行う必要が出てきている。 例として、２００４年のＩＳＳＣＣ国際会議でＩＢＭが発表したスロットリング技術などが挙げられる。 この技術では、温度があるしきい値を超えると、命令発行のレートを落とす制御を行う。 レートを落とすことで、ＬＳＩの動作率が下がり、一定値以上に温度が上がることを防ぐことができる。

上記したような制御を実現するためには、温度測定回路を半導体集積装置に搭載する必要がある。 温度測定回路には、種々のＬＳＩに搭載できるように小面積で、かつ、十分な精度を有することが要求される。

温度測定に用いる回路の一例が特許文献１に記載されている。 図６に、特許文献１に記載の過熱検出回路の原理的な回路を示す。 温度検出用ダイオード２１１は、温度変化に伴って順方向電圧が変化する。 温度検出用ダイオード２１１は、電流源２１２に直列に接続され、温度検出用ダイオード２１１には、電流源２１２から一定の電流が供給される。 特許文献１では、温度検出用ダイオード２１１に一定の電流を流した状態で、温度検出用ダイオード２１１の両端の電圧を測定し、温度検出を行う。

ダイオードの両端の電圧を用いた温度検出以外の温度検出として、特許文献２及び特許文献３に記載の方式がある。 特許文献２では、トランジスタをミラー構成にし、測定個所を流れる電流の温度変化を、別のトランジスタの電流に置き換えて観測する。 特許文献３では、抵抗を用い、その抵抗に流れる電流の温度変化をプローブし、温度変化量を検出する。

特開２００３−２９４５４２号公報

特開２００２−２８９７８９号公報

特開昭５９−２０４７２９号公報

図６の構成では、温度を精度よく検出するためには、電流源２１２から、常に一定の電流を供給する必要がある。 しかしながら、温度検出用ダイオード２１１や途中の配線には寄生抵抗が存在し、電流源２１２が生成する電流は、寄生抵抗に分岐して流れることになる。 このため、電流源２１２は、温度検出用ダイオード２１１に対して定電流源として機能しなくなる可能性がある。 また、抵抗は温度に依存して変化し、抵抗の温度変化が温度測定に対して誤差となって現れることになる。 こうした誤差を補正するためには、専用の回路素子を用意する必要があり、回路規模が大幅に増加するデメリットがあった。

また、特許文献２では、ミラー構成のトランジスタを用いているが、微細化が進んだ世代では、トランジスタの電流自体のばらつきが大きくなるので、ミラー構成のトランジスタがそのまま同じ特性を有するとは限らない。 このため、温度検出の精度に問題が残る。 特許文献３については、抵抗も微細化が進むとばらつきが大きくなり、温度検出精度は高くない。 また、抵抗自身が発熱するため、その発熱が温度検出に影響を与える可能性があるという点も問題となる。

本発明は、回路規模を増大させることなく、高精度に温度測定が可能な温度測定回路及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の温度測定回路は、両端に一定電圧が印加され、温度変化に伴い電流が変化するダイオードと、前記ダイオードを流れる電流に基づいて温度測定を行う測定部とを備えることを特徴とする。

本発明の半導体集積回路は、両端に一定電圧が印加され、温度変化に伴い電流が変化するダイオードと、該ダイオードを流れる電流に基づいて温度測定を行う測定部とを有する温度測定回路と、前記温度測定回路が測定した温度と所定のしきい値とを比較し、前記測定された温度が所定のしきい値以上となっているか否かを示す信号を出力する比較回路とを備えることを特徴とする。

本発明の温度測定方法は、温度変化に伴い電流が変化するダイオードの両端に一定電圧を印加し、前記ダイオードを流れる電流に基づいて温度測定を行うことを特徴とする。

本発明の温度測定回路、半導体集積回路、及び、温度測定方法は、回路規模を増大させることなく、高精度に温度測定を行うことができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 図１は、本発明の一実施形態の温度測定回路を示している。 温度測定回路１０は、ダイオード１１と、抵抗１２、１３、トランジスタ１４、容量１５、インバータ回路１６、１７、及び、カウンタ１８を有する。

抵抗１２と抵抗１３とは、ＬＳＩ内の電源４１（高電位側）と電源４２（低電位側：ＧＮＤ）との間に互いに直列に挿入される。 抵抗１２と抵抗１３との接続ノードの電位、つまりは、電源４１と電源４２との間の電位差を抵抗１２と抵抗１３とで分圧した電位を、電位４３とする。 電位４３は、抵抗１２及び抵抗１３の抵抗値にばらつきがあったとしても、一定の電位に保持される。 すなわち、抵抗１２及び抵抗１３の抵抗値にばらつきがあったとしても、そのばらつきは相対的にずれるので、電位４３自体は同じ電位に保つことが可能である。 また、温度変化に対しても、同様に、相対的に同時に変化するため、問題とはならない。

ダイオード１１は、電源４１と、抵抗１２と抵抗１３との接続ノード（電位４３）との間に接続される。 電源４１の電位と電位４３とは一定の電位であるので、ダイオード１１の両端に印加される電圧は一定である。 ダイオード１１は、ＰＮ接合のダイオードであり、温度変化に伴って、電圧−電流特性が変化する。

図２に、ダイオード１１の電圧−電流特性を示す。 同図には、温度Ｔ０のときの電圧−電流特性と、温度Ｔ１のときの電圧−電流特性とを示している。 ダイオード１１の両端の電圧がＶ０のとき、温度Ｔ０では、ダイオード１１を流れる電流はＩ０となる。 また、ダイオード１１の両端の電圧がＶ０のとき、温度が温度Ｔ０から温度Ｔ１に変化すると、ダイオード１１を流れる電流はＩ０からＩ１に変化する。 このように、ダイオード１１の両端の電圧を一定に保つとき、ダイオード１１を流れる電流は、温度変化に依存して変化する。 従って、ダイオード１１を流れる電流を測定することで、温度測定が可能である。

トランジスタ１４、容量１５、インバータ回路１６、１７、及び、カウンタ１８は、ダイオード１１を流れる電流に基づいて温度測定を行う測定部１９を構成する。 トランジスタ１４及び容量１５は、それぞれ、ダイオード１１の陰極と電源４２（ＧＮＤ）との間に接続される。 インバータ回路１６は、入力が容量１５に接続され、出力はインバータ回路１７の入力に接続される。 インバータ回路１７の出力は、カウンタ１８に接続される。 カウンタ１８は、インバータ回路１７の出力に基づいて、カウント動作を行う。

トランジスタ１４には、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ：Metal Oxide Semiconductor）を用いる。 トランジスタ１４は、制御端子から入力される信号に従ってオン／オフが制御されるスイッチング素子である。 トランジスタ１４は、温度測定開始前は、オンに制御される。 この状態では、ダイオード１１を流れる電流は、トランジスタ１４を介して、電源４２（ＧＮＤ）に流れる。 トランジスタ１４は、温度測定開始時にオンからオフに変化する。 トランジスタ１４がオフになると、ダイオード１１を流れる電流は容量１５に流れ、容量１５の充電が開始される。

インバータ回路１６、１７は、それぞれ入力レベルを反転して出力する。 容量１５の充電が進み、容量１５の電圧がインバータ回路１６のしきい値電圧Ｖｔを超えると、インバータ回路１６の出力論理が、１（Ｈレベル）から０（Ｌレベル）に反転する。 これに伴い、インバータ回路１７の出力論理が、０から１に反転する。 カウンタ１８は、トランジスタ１４がオフになってから、インバータ回路１７の出力論理が１になるまで、カウント動作を行う。 つまり、カウンタ１８は、容量１５の充電開始から、容量の電圧が所定のしきい値電圧Ｖｔになるまでの間の時間をカウントする。

図３に、各部の動作波形を示す。 時刻ｔ０で、トランジスタ１４のゲート電位が０Ｖに変化し、トランジスタ１４がオフして、容量１５の充電が開始する。 このとき、インバータ回路１７の出力論理は０である。 カウンタ１８は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、カウント動作を行う。 時刻ｔ１で、容量１５の電圧がインバータ回路１６のしきい値電圧Ｖｔを超えると、インバータ回路１７の出力は１に変化する。 カウンタ１８は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までのカウント値を出力する。

トランジスタ１４がオフになってからインバータ回路１７の出力論理が１になるまでの時間は、容量１５の充電電流で決まる。 容量１５の充電電流（ダイオード１１を流れる電流）は、温度に依存して変化するので、カウンタ１８のカウント値は、ダイオード１１を流れる電流の変化に応じて変化する。 温度測定回路１０は、カウンタ１８のカウント値を、温度測定結果として出力する。

本実施形態では、温度変化に伴い電流が変化するダイオード１１の両端に一定電圧を印加し、ダイオード１１を流れる電流に基づいて温度測定を行う。 ダイオード１１の両端に一定の電圧を印加することは、ダイオード１１に一定の電流を流すことよりも、容易に実現可能である。 また、ダイオード１１の両端に印加する電圧の温度変化に対する変動は、ダイオード１１に一定電流を流す際の電流の温度変化に対する変動よりも小さい。 本実施形態では、温度測定回路１０を構成する素子の温度変化やバラツキに対する耐性が強く、微細化が進んだプロセス世代においても、精度の高い温度測定が可能である。 また、本実施形態では、誤差を補正するための専用の回路素子を用いる必要がなく、回路規模を増大させずに、高精度な温度測定が可能である。

引き続き、温度測定回路１０を搭載する半導体集積回路について説明する。 図４に、図１の温度測定回路１０を含む半導体集積回路を示す。 半導体集積回路は、温度測定回路１０と、比較回路２０と、カウンタ３０とを有する。 比較回路２０は、温度測定回路１０の温度測定結果と、所定のしきい値とを比較する。 比較回路２０は、比較結果に応じて、温度測定結果が所定のしきい値以上となっているか否かを示す信号を出力する。 カウンタ３０は、比較回路２０が、温度測定結果がしきい値以上となっている旨を出力する期間をカウントする。

比較回路２０は、温度測定回路１０のカウンタ１８が出力するカウント値と、所定温度に対応したカウント値である所定のしきい値とを比較する。 比較回路２０は、カウンタ１８のカウント値がしきい値よりも小さいときは０を、しきい値以上のときは１を出力する。 カウンタ３０は、比較回路２０の出力が１の期間をカウントする。 つまり、カウンタ３０は、温度測定回路１０が出力する温度測定結果がしきい値以上の期間をカウントする。

図５に、半導体集積回路の各部の動作波形を示す。 温度測定回路１０の温度測定結果は、（ａ）に示すように変化する。 比較回路２０は、時刻ｔ１０で、温度測定回路１０の温度測定結果がしきい値以上となると、出力を１に変化させる。 カウンタ３０は、比較回路２０の出力が１になることで、カウント値をカウントアップする。 カウンタ３０は、比較回路２０の出力が１の期間は、カウント動作を継続する。

比較回路２０は、時刻ｔ１１で、温度測定回路１０の温度測定結果がしきい値よりも小さくなると、出力を０に変化させる。 カウンタ３０は、比較回路２０の出力が０になることで、カウント動作を停止する。 カウンタ３０は、（ｂ）に示すように、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までカウント動作を行う。 カウンタ３０のカウント値は、温度測定結果がしきい値以上となっている期間の長さに応じた値となる。 言い換えれば、カウンタ３０のカウント値は、半導体集積回路の温度がしきい値以上となっている時間の長さに相当する値になる。

本実施形態では、温度測定回路１０を小面積で実現できるので、半導体集積回路内の任意の箇所に、配置場所に留意せずに、温度測定回路１０を配置することができる。 マイクロプロセッサなどは、場所よって温度が異なる場合が多い。 特に、基板にＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いた場合、こうした傾向が顕著となる。 半導体集積回路内の複数の位置に温度測定回路１０を配置し、各位置での温度を測定することで、場所に応じた半導体集積回路の温度を測定することが可能になる。

一般的に、半導体集積回路内で構成されているメモリなどのデバイス素子は、ある温度以上となっていた時間により、長期的な信頼性（寿命）が決まる。 カウンタ３０のカウント値は、温度がしきい値以上となっていた期間の長さを表すので、カウンタ３０の積算されたカウント値を監視することで、半導体集積回路内のデバイスの信頼性を判断可能である。 例えば、カウンタ３０の積算カウント値が一定のカウント値に達したときに、熱にさらされたデバイスに対して保守交換などの対応を行うことで、半導体集積回路の信頼性向上を実現できる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の温度測定回路、半導体集積回路、及び、温度測定方法は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態の温度測定回路を示すブロック図。

ダイオードの電圧−電流特性を示すグラフ。

温度測定回路の各部の動作波形を示す図。

半導体集積回路を示すブロック図。

半導体集積回路の各部の動作波形を示す図。

特許文献１に記載の過熱検出回路の原理的な構成を示す回路図。

符号の説明

１０：温度測定回路１１：ダイオード１２、１３：抵抗１４：トランジスタ１５：容量１６、１７：インバータ回路１８：カウンタ１９：測定部２０：比較回路３０：カウンタ４１、４２：電源４３：電位