KR102325564B1 - 전자 장치의 동적 열 관리 방법 - Google Patents

전자 장치의 동적 열 관리 방법 Download PDF

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Abstract

전자 장치의 동적 열 관리 방법은, 전자 장치의 로컬 지점의 온도를 측정하여 로컬 온도를 제공하는 단계, 상기 로컬 지점과 열적으로 연결된 상기 전자 장치의 기준 지점의 온도를 측정하여 기준 온도를 제공하는 단계, 상기 로컬 온도에 기초하여 상기 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시키는 단계 및 상기 목표 온도에 기초하여 상기 전자 장치의 파워 레벨을 제어하는 단계를 포함한다. 로컬 온도를 참조하여 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시킴으로써 전자 장치의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있다. 상기 로컬 온도가 비교적 낮은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 높게 설정하여 전자 장치의 성능을 최대한 보장하고 상기 로컬 온도가 비교적 높은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 낮게 설정하여 전자 장치의 안정성을 추구할 수 있다.

Description

전자 장치의 동적 열 관리 방법{Method of dynamic thermal management for electronic device}
본 발명은 전자 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자 장치의 동적 열 관리 방법에 관한 것이다.
최근의 전자 장치는 시스템 온 칩(SOC: system on chip)과 같은 집적 회로를 포함한다. 시스템 온 칩은 여러 가지 반도체 부품들이 하나로 집적되는 하나의 칩 또는 그 칩에 집적된 시스템을 말한다. 시스템 온 칩의 집적도 향상에 따라서 더 많은 부품들이 하나의 칩에 집적되고 시스템 온 칩의 동작 속도도 점진적으로 증가하는 추세이다. 집적도와 동작 속도가 증가할수록 시스템 온 칩을 포함하는 전자 장치의 동작 상태에 따른 온도의 증가 또는 감소를 모니터링하고 제어하는 온도 관리(temperature management) 또는 열적 관리(thermal management)가 점점 더 어려워지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 전자 장치의 온도를 효율적으로 제어하기 위한 동적 열 관리 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 일 목적은, 온도를 효율적으로 제어하기 위한 열 관리 방법을 수행하는 전자 장치를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 동적 열 관리 방법은, 전자 장치의 로컬 지점의 온도를 측정하여 로컬 온도를 제공하는 단계, 상기 로컬 지점과 열적으로 연결된 상기 전자 장치의 기준 지점의 온도를 측정하여 기준 온도를 제공하는 단계, 상기 로컬 온도에 기초하여 상기 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시키는 단계 및 상기 목표 온도에 기초하여 상기 전자 장치의 파워 레벨을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 휴대용 전자 장치의 동적 열 관리 방법은, 휴대용 전자 장치의 열원(heat source)에 인접한 핫 스팟(hot spot)의 온도를 측정하여 로컬 온도를 제공하는 단계, 상기 로컬 지점과 열적으로 연결된 상기 전자 장치의 하우징 케이스의 온도를 측정하여 기준 온도를 제공하는 단계, 상기 로컬 온도가 증가할 때 상기 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 감소하는 단계 및 상기 목표 온도에 기초하여 상기 휴대용 전자 장치의 동작 전압 및 동작 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 동적 열 관리 방법은, 로컬 지점과 기준 지점이 서로 열적으로 연결된(thermally coupled) 경우, 로컬 온도를 참조하여 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시킴으로써 전자 장치의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있다. 상기 로컬 온도가 비교적 낮은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 높게 설정하여 전자 장치의 성능을 최대한 보장하고 상기 로컬 온도가 비교적 높은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 낮게 설정하여 전자 장치의 안정성을 추구할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 동적 열 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 온도 관리 회로의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 온도 관리 회로를 포함하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 전자 장치에 포함되는 온도 관리 유닛의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 목표 온도의 결정 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 목표 온도를 일정하게 유지하는 경우의 전자 장치의 온도 관리 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서 목표 온도를 변화하는 경우의 전자 장치의 온도 관리 방법을 나타내는 도면이다.
도 8, 9 및 10은 본 발명의 실시예들에 따른 목표 온도의 결정 방법들을 나타내는 도면들이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 12는 도 11의 전자 장치에 포함되는 로컬 온도 센서의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 13은 도 12의 로컬 온도 센서에 포함되는 온도 검출부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 14는 도 11의 전자 장치에 포함되는 기준 온도 센서의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 온도 관리 방법을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 온도 관리 회로의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 동적 열 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 전자 장치의 로컬 지점의 온도를 측정하여 로컬 온도를 제공한다(S100). 상기 로컬 지점과 열적으로 연결된(thermally coupled) 상기 전자 장치의 기준 지점의 온도를 측정하여 기준 온도를 제공한다(S200). 로컬 지점과 기준 지점이 "열적으로 연결"되었다는 것은 상기 로컬 지점과 상기 기준 지점 사이에 일정한 열 전도율을 갖는 열 전달 경로가 존재하고, 상기 로컬 지점과 상기 기준 지점 중 한 지점의 온도 변화가 다른 지점의 온도에 영향을 미치는 것을 나타낸다. 로컬 지점과 기준 지점은 전자 장치의 동작 시나리오에 적합하도록 설정될 수 있다. 로컬 온도와 기준 온도는 다양한 형태의 온도 센서를 이용하여 제공될 수 있다. 로컬 지점과 기준 지점의 설정 및 온도 센서의 실시예들은 도 11 내지 도 14를 참조하여 후술한다.
상기 로컬 온도에 기초하여 상기 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화한다(S300). 상기 목표 온도에 기초하여 상기 전자 장치의 파워 레벨을 제어한다(S400).
최근 반도체 소자를 응용한 전자제품의 소형화, 박형화, 고속화 및 고성능 경향에 따라 반도체 패키지도 소형화 및 고밀도화 되고 있다. 고밀도 반도체 패키지의 고속 및 고성능 구동은 반도체 패키지의 내부에서 더 많은 열을 발생시키므로 패키지 외부로의 방열 특성은 반도체 패키지 및 이를 구비하는 전자제품의 동작 안정성과 제품 신뢰성을 확보하는 데 필수적이다.
모바일 전자 장치와 같은 전자 장치의 작동 시 발생한 열로 인해 모바일 장치에 포함된 반도체 칩과 하우징 케이스의 표면 온도가 올라가게 된다. 반도체 칩의 온도가 높아지면 반도체 칩이 제대로 작동하지 않거나(Malfunction) 제품 신뢰성(Reliability) 및 수명(lifetime)에 문제가 발생하고, 하우징 케이스의 표면 온도가 높아지면 사용자에게 불쾌감을 주거나 화상을 입힐 수 있다. 반도체 집적 회로 또는 반도체 칩을 구비하는 전자 장치를 최적으로 구동하기 위해 반도체 칩을 포함한 전자 장치의 온도가 설정된 목표 온도(target temperature)를 넘으면 반도체 칩의 구동을 소프트웨어적으로 제한하는 동적 열 관리(dynamic thermal management, DTM) 방식이 이용될 수 있다.
예를 들면, DTM 방식에 따라서, 전자 장치에 포함된 반도체 칩의 목표 온도 및/또는 전자 장치를 둘러싸는 하우징 케이스의 목표 온도를 미리 설정하고 반도체 칩의 동작온도가 칩 목표 온도를 넘거나 하우징 케이스의 온도가 케이스 목표 온도를 넘는 경우 상기 반도체 칩의 성능 또는 파워 레벨을 자동으로 제한할 수 있다.
일반적으로 DTM을 위해 온도를 참조하는 지점은 가장 발열이 심하다고 생각되는 위치를 선택하는데, 전자 장치의 동작 시나리오(scenario)에 따라 온도가 가장 높은 위치는 변화하므로, 한 지점의 온도를 기준으로 DTM을 하면, 실제 반도체 칩의 최대 온도는 지나치게 높아질 위험성이 존재한다. 또한, 목표 온도를 특정한 값에 고정시키는 경우에는 전자 장치의 급변하는 동작 환경에 대처하기가 곤란하다.
본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 동적 열 관리 방법은, 로컬 지점과 기준 지점이 서로 열적으로 연결된(thermally coupled) 경우, 로컬 온도를 참조하여 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시킴으로써 전자 장치의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있다. 상기 로컬 온도가 비교적 낮은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 높게 설정하여 전자 장치의 성능을 최대한 보장하고 상기 로컬 온도가 비교적 높은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 낮게 설정하여 전자 장치의 안정성을 추구할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 온도 관리 회로의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 전자 장치(1000)의 온도 관리 회로는 온도 관리 유닛(TMU: temperature management unit or thermal management unit)(100), 기준 온도 센서(reference temperature sensor)(SNR)(200) 및 적어도 하나의 로컬 온도 센서(local temperature sensor)(SNL)(300)를 포함한다. 도 2에는 편의상 1개의 로컬 온도 센서만을 도시하였으나 로컬 온도 센서의 개수는 전자 장치(1000)의 구성에 따라서 다양하게 변경될 수 있다. 온도 관리 회로 이외의 전자 장치(1000)의 다른 구성 요소들은 도시를 생략하였다.
전자 장치(1000)는 애플리케이션 프로세서 또는 시스템 온 칩(SoC: system on chip)을 포함할 수 있고, 시스템 온 칩은 각각의 고유 기능에 의해 구분될 수 있는 복수의 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)의 각각은 CPU(central processing unit)와 메모리 콘트롤러 등이 포함되는 코아 블록(CORE_BLK), 디스플레이 콘트롤러 블록(DISP_BLK), 파일 시스템 블록(FSYS_BLK), GPU(graphic processing unit) 블록(G3D_BLK), 이미지 신호 프로세서 블록(ISP_BLK), 멀티 포맷 코덱 블록(MFC_BLK) 등의 하나일 수 있다.
이러한 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)은 각각 독립적인 열원으로서 작용할 수 있다. 따라서 전자 장치(1000)의 전체적인 온도 관리뿐만 아니라 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)의 각각의 온도를 모니터링하고 제어하는 것이 요구될 수 있다.
기준 온도 센서(200)는 전자 장치(1000)의 기준 지점(RS)의 온도를 측정하여 기준 온도(TR)를 제공한다. 로컬 온도 센서(300)는 전자 장치(1000)의 로컬 지점(LS)의 온도를 측정하여 로컬 온도(TL)를 제공한다. 기준 지점(RS)과 로컬 지점(LS)은 공간적으로 이격되며 일정한 열 전도율을 갖는 매질을 통해 서로 열적으로 연결된다.
온도 관리 유닛(100)은 로컬 온도(TL) 및 기준 온도(TR)에 기초하여 목표 온도(TRT) 및 온도 정보(DTI)를 제공한다. 본 발명의 실시예들에 따라서, 온도 관리 유닛(100)은 로컬 온도(TL)에 기초하여 기준 온도(TR)의 한계치에 해당하는 목표 온도(TRT)를 변화시킨다. 온도 관리 유닛(100)으로부터 제공되는 온도 정보(DTI) 및 목표 온도(TRT)에 기초하여 전자 장치(1000)의 파워 레벨을 제어할 수 있다.
로컬 지점(LS)은 전자 장치(1000) 내의 열원(heat source) 또는 열 어그레서(heat aggressor)에 인접한 핫 스팟(hot spot)에 해당하고, 기준 지점(RS)은 로컬 지점(LS)의 온도에 의해 영향을 받는 지점에 해당할 수 있다. 즉 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)는 로컬 지점(LS)의 로컬 온도(TL)보다 낮을 수 있다.
일 실시예에서, 로컬 지점(LS)은 발열량이 많은 프로세서에 인접한 지점일 수 있고, 기준 지점(RS)은 전자 장치(1000)의 하우징 케이스의 일 지점일 수 있다. 이 경우, 도 11 내지 14를 참조하여 후술하는 바와 같이, 기준 온도 센서(200)는 비접촉식 온도 센서로 구현되고, 로컬 온도 센서(300)는 상기 프로세서 내에 또는 상기 프로세서와 인접하여 동일한 반도체 다이(semiconductor die)에 함께 집적되는 온 칩 센서로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 온도 관리 회로를 포함하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 전자 장치(1000)는 온도 관리 유닛(TMU)(100), 기준 온도 센서(SNR)(200), 적어도 하나의 로컬 온도 센서(SNL)(300), 프로세서(400), 전력 관리 유닛(PMU: power management unit)(500), 클록 제어 유닛(CCU: clock control unit)(600) 및 전압 제어 유닛(VCU: voltage control unit)(700)을 포함할 수 있다. 도 3에는 편의상 1개의 로컬 온도 센서만을 도시하였으나 로컬 온도 센서의 개수는 전자 장치(1000)의 구성에 따라서 다양하게 변경될 수 있다. 도 3에 도시된 각 구성 요소들의 위치는 도시의 편의를 위한 것이며 전자 장치(1000)의 다른 구성 요소들은 도시를 생략하였다.
전술한 바와 같이, 기준 온도 센서(200)는 전자 장치(1000)의 기준 지점(RS)의 온도를 측정하여 기준 온도(TR)를 제공한다. 로컬 온도 센서(300)는 전자 장치(1000)의 로컬 지점(LS)의 온도를 측정하여 로컬 온도(TL)를 제공한다. 기준 지점(RS)과 로컬 지점(LS)은 공간적으로 이격되며 일정한 열 전도율을 갖는 매질을 통해 서로 열적으로 연결된다.
온도 관리 유닛(100)은 로컬 온도(TL) 및 기준 온도(TR)에 기초하여 목표 온도(TRT) 및 온도 정보(DTI)를 제공한다. 본 발명의 실시예들에 따라서, 온도 관리 유닛(TMU)은 로컬 온도(TL)에 기초하여 기준 온도(TR)의 한계치에 해당하는 목표 온도(TRT)를 변화시킨다. 온도 관리 유닛(100)은 프로세서(400)로부터 제공되는 제어 신호(TCTR)에 의해 초기화되고 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 온도 관리 유닛(100)은 로컬 온도(TL) 및/또는 기준 온도(TR)가 특정 조건을 만족하는 경우 트리핑 신호(TRP)를 발생할 수 있으며, 예를 들어, 온도 관리 유닛(100)은 기준 온도(TR)가 목표 온도(TRT)보다 과도하게 높아지는 경우에 트리핑 신호(TRP)를 발생할 수 있다. 전력 관리 유닛(500)은 트리핑 신호(TRP)에 응답하여 전자 장치(1000)의 전원을 차단할 수 있다.
프로세서(400)는 목표 온도(TRT) 및 온도 정보(DTI)에 기초하여 전자 장치(1000)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(TCTR, PCTR)를 발생한다. 온도 정보(DTI)는 전술한 기준 온도(TR) 및 로컬 온도(TL)에 관한 정보를 포함할 수 있다. 프로세서(400)는 DVFS(Dynamic Voltage & Frequency Scaling) 모듈을 이용하여 DVFS 방식으로 전자 장치(1000)의 전력을 관리할 수 있다.
DVFS 방식은 프로세서의 동작 상태에 따라서 전압 및/또는 주파수를 동적으로 변화시키는 방식을 말한다. 일 실시예에서, DVFS 모듈(410)은 프로세서(400)에 의해 실행되는 소프트웨어를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, DVFS 모듈(410)은 하드웨어 및/또는 펌웨어로부터 형성될 수도 있다.
DVFS 모듈(410)은 전자 장치(1000)의 동작 상태에 따라서 복수의 파워 레벨들 중에서 현재의 동작 상태에 상응하는 동작 파워 레벨을 결정할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 파워 레벨은 동작 전압과 동작 주파수 중 적어도 하나로서 표현될 수 있다. 즉 동작 전압과 동작 주파수 중 적어도 하나를 변경함으로써 파워 레벨을 변경할 수 있다. 동작 전압은 전원 전압일 수 있고 동작 주파수는 동작 클록 신호의 주파수일 수 있다.
DVFS 모듈(410)은 프로세서(500)의 작업부하(workload), 전자 장치(1000)의 동작 온도와 같은 동작 상태(operating state or operating condition)를 모니터링하여 현재의 동작 상태에 상응하는 동작 파워 레벨을 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(500)의 작업부하가 증가하면, DVFS 모듈(410)은 프로세서(500)의 동작 전압 및/또는 동작 주파수가 증가하도록 동작 파워 레벨을 상승시킬 수 있다. 반면에 프로세서(500)의 작업 부하가 감소하면, DVFS 모듈(410)은 프로세서(500)의 동작 전압 및/또는 동작 주파수가 감소하도록 동작 파워 레벨을 하강시킬 수 있다.
한편, DVFS 모듈(410)은 온도 정보(DTI) 및 목표 온도(TRT)에 기초하여 적정 동작 온도 범위를 초과하여 온도 상승으로 인한 정상 동작이 문제가 될 경우 전자 장치(1000)의 동작 전압 및 또는 동작 주파수가 감소하도록 동작 파워 레벨을 하강시킬 수 있다.
이와 같은 방식으로 전자 장치(1000)의 안정적인 동작을 보장하는 온도 범위 내에서 파워 레벨을 제어함으로써 전력 장치(1000)의 성능을 최적화할 수 있다.
전력 관리 유닛(500)은 프로세서(400)로부터의 제어 신호(PCTR)에 응답하여 시스템 온 칩(20)의 전원 전압 및 동작 주파수 중 적어도 하나를 조절하도록 전압 제어 유닛(600) 및 클록 제어 유닛(700)을 제어 할 수 있다. 일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 전력 관리 유닛(500) 외부의 전압 제어 유닛(600) 및/또는 클록 제어 유닛(700)을 제어하기 위한 제어 신호들(VCTR, CCTR)을 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 관리 유닛(500)은 전압 제어 유닛(600) 및/또는 클록 제어 유닛(700)을 그 내부에 포함할 수도 있다.
전압 제어 유닛(600)은 도 2의 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)에 필요한 전원 전압들(VOP1, VOP2)을 공급할 수 있다. 전압 제어 유닛(600)은 적어도 하나의 전압 레귤레이터를 포함할 수 있고, 파워 서플라이 또는 전력 관리 집적 회로(PMIC: power management integrated circuit)로 지칭될 수도 있다. 실시예에 따라서, 전압 제어 유닛(600)은 프로세서(400) 등이 집적되는 반도체 칩과는 별개의 칩으로 구현될 수도 있고, 전압 제어 유닛(600)의 적어도 일부 구성 요소는 상기 프로세서(400)와 동일한 반도체 칩에 포함될 수도 있다.
클록 제어 유닛(700)은 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)에 제공되는 동작 클록 신호들(OCK1, OCK2)을 발생한다. 클록 제어 유닛(700)은 위상 고정 루프(PLL: phase-locked), 지연 고정 루프(DLL: delay-locked loop), 클록 체배기(clock multiplier), 클록 분배기(clock divider), 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
전력 관리 유닛(500)은 전압 제어 신호(VCTR) 및 클록 제어 신호(CCTR)를 발생하여 동작 파워 레벨에 상응하는 동작 전압 및 동작 주파수를 제공하도록 전압 제어 유닛(600) 및 클록 제어 유닛(600)을 제어할 수 있다. 파워 레벨의 변경은 동작 전압 및 동작 주파수 중 적어도 하나를 변경하는 것일 수 있다.
한편 전력 관리 유닛(500)은 전자 장치(1000)의 일부분의 파워 레벨을 다른 부분들과 독립적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)이 서로 다른 파워 도메인들에 각각 속하는 경우에는 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)에 제공되는 동작 전압들(VOP1, VOP2)은 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 또한 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)이 서로 다른 클록 도메인들에 각각 속하는 경우에는 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)에 제공되는 동작 클록 신호들(OCK1, OCK2)은 서로 독립적으로 제어될 수 있다.
도 4는 도 3의 전자 장치에 포함되는 온도 관리 유닛의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 온도 관리 유닛(100)은 센서 제어부(sensor controller)(120), 레지스터부(registor unit)(140), 온도 샘플링부(temperature sampler)(160) 및 목표 온도 발생부(target temperature generator)(180)를 포함하여 구현될 수 있다.
온도 샘플링부(160)는 기준 온도 센서(200) 및 로컬 온도 센서(300)로부터 제공되는 기준 온도(TR) 및 로컬 온도(TL)를 샘플링하여 제공한다. 온도 샘플링부(160)는 센서 제어부(120)로부터의 타이밍 신호에 응답하여 주기적으로 또는 비주기적으로 기준 온도(TR) 및 로컬 온도(TL)를 샘플링할 수 있다.
레지스터부(140)는 도 3의 프로세서(400)에서 제공되는 제어 신호(TCTR)에 기초하여 동작 정보, 온도 정보(DTI) 및 목표 온도(TRT)를 저장한다. 온도 정보(DTI)는 현재의 기준 온도(TR) 및 로컬 온도(TL)에 관한 정보를 포함할 수 있다. 또한, 레지스터부(140)는 전술한 트리핑 신호(TRP)와 같은 인터럽트 신호를 발생할 수 있다. 레지스터부(140)에 저장되는 동작 정보는 온도 관리 유닛(100)의 인에이블 상태값(enable status value), 인터럽트 상태값(interrupt status value), 온도 센싱의 타이밍 제어 값 등을 포함할 수 있다.
목표 온도 발생부(180)는 로컬 온도(TL)에 기초하여 기준 온도(TR)의 한계치에 해당하는 목표 온도(TRT)를 발생할 수 있다. 목표 온도 발생부(180)는 전술한 바와 같이 로컬 온도(TL)의 변화에 따라서 목표 온도(TRT)를 변화시킬 수 있다. 이와 같이 변화하는 목표 온도(TRT)에 기초하여 전자 장치(1000)의 파워 레벨을 제어함으로써 전자 장치의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 목표 온도의 결정 방법을 나타내는 도면이다.
도 5에는 로컬 온도(TL)에 관계없이 목표 온도(TRT)를 일정하게 유지하는 제1 경우(TRT1) 및 본 발명의 실시예들에 따라서 로컬 온도(TL)가 증가할 때 목표 온도(TRT)를 감소하는 경우(TRT2)가 도시되어 있다. 도 4의 목표 온도 발생부(180)는 로컬 온도 센서(SNL)로부터 제공되는 로컬 온도(TL)가 증가할 때 목표 온도(TRT)를 감소할 수 있다.
도 5에는 로컬 온도(TL)가 증가할수록 일정한 기울기를 가지고 목표 온도(TRT)를 감소시키는 실시예가 도시되어 있다. 목표 온도(TRT)의 변화 방식은 반드시 도 5의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 도 8 내지 도 10에 예시된 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다. 이와 같이, 로컬 온도(TL)가 비교적 낮은 경우에는 목표 온도(TRT)를 상대적으로 높게 설정하여 전자 장치의 성능을 최대한 보장하고 로컬 온도(TL)가 비교적 높은 경우에는 목표 온도(TRT)를 상대적으로 낮게 설정하여 전자 장치의 안정성을 추구할 수 있다.
도 6은 목표 온도를 일정하게 유지하는 경우의 전자 장치의 온도 관리 방법을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서 목표 온도를 변화하는 경우의 전자 장치의 온도 관리 방법을 나타내는 도면이다.
도 6에는 도 5의 제1 경우(TRT1)와 같이 목표 온도(TRT)를 일정하게 유지하는 경우의 로컬 온도(TL) 및 기준 온도(TR)가 도시되어 있다. 도 6에서 제1 기준 온도(TR1) 및 제1 로컬 온도(TL1)는 목표 온도(TRT)를 약 83℃로 고정시켰을 경우에 해당하고, 제2 기준 온도(TR2) 및 제2 로컬 온도(TL2)는 목표 온도(TRT)를 약 77℃로 고정시켰을 경우에 해당한다.
일반적으로 동적 열관리(DTM)를 위해 온도를 참조하는 로컬 지점(LS)은 가장 발열이 심하다고 판단되는 지점을 선택할 수 있는데, 전자 장치의 동작 시나리오에 따라서 발열이 가장 심한 위치, 즉 온도가 가장 높은 위치는 변화할 수 있고 실제로 핫 스팟에 상응하는 로컬 위치(LS)의 로컬 온도(TL)는 지나치게 높아질 위험이 존재한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 목표 온도(TRT)를 약 83℃로 고정시켰을 경우에는, DVFS 방식에 따른 파워 레벨의 상승으로 인한 온도 상승 과정에서 오버슈팅이 발생하여 제1 로컬 온도(TL1)는 약 125℃까지 급상승할 수 있다. 급격하게 과도한 온도가 유발되는 경우에는 로컬 지점(LS)의 회로가 제대로 동작하지 않거나 나아가 회로에 치명적인 손상이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 목표 온도(TRT)를 약 77℃로 낮추어 고정시켰을 경우에는 제2 로컬 온도(TL2)의 최대 값을 120℃ 이하로 유지할 수 있다. 그러나, 목표 온도(TRT)를 낮은 값으로 고정시키는 경우에는 DVFS 방식에 따른 파워 레벨이 과도하게 제한되어 전자 장치의 성능이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 다시 말해, 현재의 동작 환경을 고려하지 않고 목표 온도(TRT)를 안전하게 낮은 값으로 고정시키는 경우에는 동작 전압 및/또는 동작 주파수가 필요 이상으로 낮게 설정될 수 있다. 이와 같이 파워 레벨이 필요 이상으로 낮게 설정되는 경우에는 동작 속도가 감소하여 전자 장치의 성능이 감소한다.
도 7에는 본 발명의 실시예들에 따라서 도 5의 제2 경우(TRT2)와 같이 로컬 온도(TL)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변화시키는 경우의 로컬 온도(TL) 및 기준 온도(TR)가 도시되어 있다. 도 7에서 제3 기준 온도(TR3) 및 제3 로컬 온도(TL3)는 로컬 온도(TL)가 증가할 때 목표 온도(TRT)를 감소하는 경우에 해당한다.
도 5의 제2 경우(TRT2)와 같이 로컬 온도(TL)가 높아짐에 따라서 목표 온도(TRT)를 낮추는 방식으로 온도를 제어하게 되면 도 7에 도시된 바와 같이 온도의 오버슈팅을 낮출 수 있다. 또한 목표 온도(TRT)를 낮은 온도로 고정시키지 않아도 되므로 전자 장치의 성능을 감소시키지 않고 유지할 수 있다.
도 7에서 원으로 표시한 고온도 영역(REG)은 전체 동작 시간 중 아주 작은 부분에 해당한다. 고온도 영역(REG)에 해당하는 짧은 시간 동안에는 목표 온도(TRT)를 낮추어 로컬 온도(TL)가 과도하게 오버슈팅되는 것을 방지하고 그 밖의 대부분의 시간 동안에는 목표 온도(TRT)를 높여서 전자 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 동적 열 관리 방법은, 로컬 지점과 기준 지점이 서로 열적으로 연결된(thermally coupled) 경우, 로컬 온도를 참조하여 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시킴으로써 전자 장치의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있다. 상기 로컬 온도가 비교적 낮은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 높게 설정하여 전자 장치의 성능을 최대한 보장하고 상기 로컬 온도가 비교적 높은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 낮게 설정하여 전자 장치의 안정성을 추구할 수 있다.
도 8, 9 및 10은 본 발명의 실시예들에 따른 목표 온도의 결정 방법들을 나타내는 도면들이다. 도 8, 9 및 10에서 가로축은 로컬 지점(LS)의 로컬 온도(TL)를 나타내고 세로축은 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)의 한계치에 해당하는 목표 온도(TRT)를 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 목표 온도(TRT)를 변화시키는 방법은 로컬 온도(TL)의 경계 값(T0)을 설정하고, 로컬 온도(TL) 및 경계 값(T0)에 기초하여 목표 온도(TRT)의 변화를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 도 4의 목표 온도 발생부(180)는 로컬 온도(TL)가 경계 값(T0)보다 작은 경우에는 로컬 온도(TL)에 관계 없이 목표 온도(TRT)를 일정하게 유지하고 로컬 온도(TL)가 경계 값(T0)보다 큰 경우에는 로컬 온도(TL)가 증가할수록 목표 온도(TRT)를 감소할 수 있다.
다른 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 도 4의 목표 온도 발생부(180)는 로컬 온도(TL)가 경계 값(T0)보다 작은 경우에는 로컬 온도(TL)가 증가할수록 제1 기울기로 목표 온도(TRT)를 감소하고, 로컬 온도(TL)가 경계 값(T0)보다 큰 경우에는 로컬 온도(TL)가 증가할수록 상기 제1 기울기보다 큰 제2 기울기로 목표 온도(TRT)를 감소할 수 있다. 도 9를 참조하면 상기 제1 기울기는 tan(θ1)에 해당하고 상기 제2 기울기는 tan(θ2)에 해당한다.
도 8 및 9를 참조하여 로컬 온도(TL)에 대하여 하나의 경계 값(T0)을 설정하는 실시예를 설명하였으나, 당업자는 로컬 온도(TL)에 대하여 복수의 경계 값들을 설정하고 구간 별로 목표 온도(TRT)의 변경 방식을 결정할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 8 및 9의 경계 값(T0), θ1, θ2 등의 값들은 전자 장치의 초기화 과정에서 제어 신호(TCTR)를 통하여 도 4의 레지스터부(140)에 제공되어 저장될 수 있다. 경계 값(T0), θ1, θ2 등의 값들은 전자 장치의 동작 시나리오에 따라서 서로 다르게 설정될 수 있으며 전자 장치의 설계 과정 및/또는 테스트 과정을 통하여 적합한 값들로 결정될 수 있다.
도 10을 참조하면, 목표 온도(TRT)를 변화시키는 방법은 로컬 온도(TL)의 복수의 온도 구간들(TSEC1, TSEC2, TSEC3, TSEC4)을 설정하고, 복수의 온도 구간들(TSEC1, TSEC2, TSEC3, TSEC4)의 각각에 대하여 목표 온도(TRT)의 구간 온도 값들(TY1, TY2, TY3, TY4)을 설정할 수 있다. 도 10에는 편의상 로컬 온도(TL)에 대한 4개의 온도 구간들을 도시하였으나, 온도 구간들의 개수 및 구간 길이 등은 전자 장치의 동작 시나리오에 따라서 다양하게 결정될 수 있다.
도 4의 목표 온도 발생부(180)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 로컬 온도(TL)가 증가할 때 목표 온도(TRT)의 구간 온도 값들(TY1, TY2, TY3, TY4)을 순차적으로 감소할 수 있다.
일 실시예에서 로컬 온도(TL)의 온도 구간들(TSEC1, TSEC2, TSEC3, TSEC4)의 구간 길이는 모두 동일하게 설정될 수 있다. 다른 실시예에서, 로컬 온도(TL)의 온도 구간들(TSEC1, TSEC2, TSEC3, TSEC4) 중 적어도 2개의 구간 길이는 서로 다르게 설정할 수 있다.
일 실시예에서 목표 온도(TRT)의 구간 온도 값들(TY1, TY2, TY3, TY4) 사이의 간격들(dTY1, dTY2, dTY3)은 모두 동일하게 결정될 수 있다. 다른 실시예에서, 목표 온도(TRT)의 구간 온도 값들(TY1, TY2, TY3, TY4) 사이의 간격들(dTY1, dTY2, dTY3) 중 적어도 2개는 서로 다르게 결정될 수 있다.
온도 구간들(TSEC1, TSEC2, TSEC3, TSEC4)의 설정을 위한 로컬 온도(TL)의 경계 값들(TX1, TX2, TX3, TX4, TX5) 및 구간 온도 값들(TY1, TY2, TY3, TY4)은 전자 장치의 동작 시나리오에 따라서 서로 다르게 설정될 수 있으며 전자 장치의 설계 과정 및/또는 테스트 과정을 통하여 적합한 값들로 결정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 동적 열 관리 방법은, 로컬 지점과 기준 지점이 서로 열적으로 연결된(thermally coupled) 경우, 로컬 온도를 참조하여 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시킴으로써 전자 장치의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있다. 상기 로컬 온도가 비교적 낮은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 높게 설정하여 전자 장치의 성능을 최대한 보장하고 상기 로컬 온도가 비교적 높은 경우에는 상기 목표 온도를 상대적으로 낮게 설정하여 전자 장치의 안정성을 추구할 수 있다.
이하 도 11 내지 도 14를 참조하여, 로컬 지점(LS)이 휴대용 전자 장치의 내부에 포함되는 반도체 칩의 핫 스팟에 상응하고 기준 지점(RS)이 상기 휴대용 전자 장치의 하우징 케이스의 일 지점에 상응하는 경우의 실시예들을 설명한다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 11을 참조하면, 전자 장치(1010)는 휴대용 전자 장치일 수 있으며 하우징 케이스(1020) 및 그 내부에 장착되는 반도체 패키지(1030)를 포함할 수 있다. 반도체 패키지(1030)는 내부 회로(12)를 구비하는 패키지 기판(10) 상에 실장되어 내부회로(12)와 전기적으로 연결되는 반도체 칩(20), 하우징 케이스(1020) 상의 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)를 검출하는 기준 온도 센서(30), 반도체 칩(20) 상의 로컬 지점(LS)의 로컬 온도(TL)를 검출하는 로컬 온도 센서(60) 및 로컬 온도(TL)와 기준 온도(TR)에 기초하여 반도체 칩(20)의 동작을 제어하는 온도 관리 유닛(40)을 포함할 수 있다.
패키지 기판(10)은 상면과 하면에 배치된 도전성 구조물들을 전기적으로 연결하는 회로패턴인 내부회로(12)를 구비하고 소정의 강도를 갖는 평판형상의 기판을 포함한다. 예를 들면, 패키지 기판(10)은 절연성 및 내열성 물질을 포함하고 소정의 강도를 갖는 평판형상의 기판 몸체(11)와 기판 몸체(11)의 내부에 배치된 다수의 내부 회로(12)를 포함한다.
내부 회로(12)는 상기 몸체(11)의 상면 및 하면에 노출된 접속패드와 연결되고 상기 접속패드와 상기 내부 회로(12)를 통하여 상기 반도체 칩(20) 및 외부 접속체(미도시)가 서로 전기적으로 연결된다. 상면에 배치된 상기 접속패드는 상기 반도체 칩(20)과 접촉하고 하면에 배치된 상기 접속패드는 상기 외부 접속체가 연결되는 접속단자(13)와 연결된다. 예를 들면, 상기 접속단자(13)는 솔더 볼을 포함한다.
상기 몸체(11)는 에폭시 수지 기판, 폴리이미드 기판과 같은 열경화성 수지 계통이나 평판이나 액정 폴리에스테르 필름이나 폴리아미드 필름과 같은 내열성 유기필름이 부착된 평판을 포함한다. 상기 내부회로(12)는 상기 몸체(11)의 내부에 패턴형상으로 배치되고 전원공급을 위한 전원배선과 접지 배선 및 신호전송을 위한 신호배선을 포함한다. 각 배선들은 상기 몸체의 상면 및 하면에 각각 형성된 다수의 층간 절연막에 의해 서로 구분되어 배치될 수 있다. 패키지 기판(10)은 상기 회로패턴이 인쇄공정에 의해 형성된 인쇄 회로기판(printed circuit board, PCB)을 포함할 수 있다.
반도체 칩(20)은 상기 회로기판(1100) 상에 배치되어 외부로부터 에너지를 공급받아 증폭이나 발진과 같은 전기적 작동을 통하여 열에너지를 발생시키는 적어도 하나의 능동소자를 포함한다. 예를 들면, 상기 반도체 칩(20)은 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판 상에 다수의 층간 절연막을 매개로 적층된 다수의 도전성 구조물(미도시)과 층간절연막에 의해 상기 도전성 구조물과 분리되어 배치되고 상기 도전성 구조물로 신호를 전달하는 배선 구조물(미도시)을 포함한다. 상기 도전성 구조물과 배선 구조물은 보호막에 의해 외부환경으로 보호된다.
반도체 칩(20)은 다이의 활성면이 상기 패키지 기판(10)의 상면을 향하도록 뒤집어(flipping) 지게 배치되고 상기 패키지 기판(10)의 접속패드와 상기 활성면 상에 배치된 반도체 칩(20)의 콘택 패드(미도시)는 솔더 범프와 같은 접속 구조물(21)을 통하여 서로 연결된다. 상기 접속 구조물(21)은 리플로우 공정에 의해 상기 패키지 기판(10) 상에 압착되고 상기 반도체 칩(20)의 활성면과 상기 패키지 기판(10)과의 이격공간은 언더 필링막(미도시)에 의해 매립될 수 있다. 이에 따라, 상기 접속 구조물(21)에 의해 상기 반도체 칩(20)과 패키지 기판(10)을 전기적으로 연결시키고 패키지 기판(10)에 반도체 칩(20)을 안정적으로 고정할 수 있다. 반도체 칩(20)은 봉지재(50)에 의해 패키지 기판(10)에 고정되고 외부 환경으로부터 보호된다.
예를 들면, 봉지재(50)는 반도체 칩(20)을 덮도록 상기 패키지 기판(10)의 전면에 형성된 절연성 수지를 구비하는 몰딩부 및 상기 반도체 칩(20)과 상기 패키지 기판(10) 사이를 매립하고 상기 반도체 칩(20)을 상기 기판 몸체(11)에 고정하는 언더 필링막을 포함한다.
도시되지는 않았지만, 반도체 칩(20)의 활성면이 상방을 향하도록 배치되는 페이스 업(face up) 구조로 배치되고 본딩 와이어와 같은 연결배선에 의해 상기 패키지 기판(10)과 연결될 수도 있다. 상기 반도체 칩(20)은 단일 칩 패키지로 구성될 수도 있고 다수의 칩이 적층된 적층 칩 패키지를 포함할 수도 있다. 특히, 적층 칩 패키지는 본딩 와이어 또는 관통전극과 같은 다양한 접속수단을 통하여 전기적으로 서로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)를 검출하는 기준 온도 센서(30)는 비접촉식 온도 센서로 구현될 수 있다. 비접촉식 기준 온도 센서(30)는 반도체 패키지(1030)의 내부에 배치되어 반도체 패키지(1030)와 이격된 하우징 케이스(1020) 상의 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)를 검출한다. 예를 들어, 비접촉식 기준 온도 센서(30)는 도 14를 참조하여 후술하는 바와 같이 기준 지점(RS)으로부터 방출되는 적외선 복사열을 이용하여 하우징 케이스(1020)의 표면온도를 검출하는 적외선 온도 센서를 포함할 수 있다.
반도체 패키지(1030)는 상기 반도체 칩(20)의 로컬 온도(TL)를 검출하는 로컬 온도 센서(60)를 포함한다. 반도체 패키지(1030)의 온도는 주로 반도체 칩(20)의 구동시 발생하는 열에 의해 결정되므로 로컬 온도 센서(60)는 반도체 칩(20)과 접촉하여 직접 로컬 지점(LS)의 로컬 온도(TL)를 검출한다. 예를 들어, 접촉식 로컬 온도 센서(60)는 도 12 및 13을 참조하여 후술하는 바와 같이 로컬 지점(LS)의 로컬 온도(TL)를 검출하는 온 칩 온도 센서를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 온도 관리 유닛(40)은 로컬 온도(TL) 및 기준 온도(TR)에 기초하여 온도 정보(DTI) 및 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)의 한계치에 해당하는 목표 온도(TRT)를 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라서 온도 관리 유닛(40)은 로컬 온도(TL)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변경할 수 있다.
도 12는 도 11의 전자 장치에 포함되는 로컬 온도 센서의 일 실시예를 나타내는 블록도이고, 도 13은 도 12의 로컬 온도 센서에 포함되는 온도 검출부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 12를 참고하면, 로컬 온도 센서(60)는 로컬 지점(LS)의 로컬 온도(TL)에 비례하는 전압 신호(VPTAT) 및 전류 신호(IPTAT) 중 적어도 하나를 출력하는 온도 검출부(DET)(62) 및 온도 검출부(62)의 출력을 디지털 신호로 변환하여 n 비트의 로컬 온도(TL)를 발생하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC: analog-to-digital converter)(64)를 포함하여 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 온도 검출부(62)는 도 13에 도시된 바와 같이 결합된 제1 및 제2 피모스 트랜지스터들(M1, M2), 피드백 증폭기(AMP), 저항(R) 및 제1 및 제2 바이폴라 트랜지스터들(B1, B2)을 포함하여 구현될 수 있다. 저항(R)의 양단에 걸리는 전압(dVBE)은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
dVBE = VBE1 - VBE2
= VT*Ln(Ic1/Is1) - VT*Ln(n*Ic2/Is2)
= VT*Ln(n)
수학식 1에서 Is1 및 Is2는 각각 제1 및 제2 바이폴라 트랜지스터들(B1, B2)의 역방향 포화 전류(reverse saturation current)이고, Ic1 및 Ic2는 각각 제1 및 제2 바이폴라 트랜지스터들(B1, B2)에 흐르는 전류이며, n은 제1 및 제2 바이폴라 트랜지스터들(B1, B2)의 이득비(gain ratio)이고, VT는 온도 전압(temperature voltage)으로서 절대온도에 비례한다. 수학식 1에서 Ln(n)은 상수이므로 저항(R)의 양단에 걸리는 전압 dVBE 및 저항(R)에 흐르는 전류 I2는 온도 변화에 대해서 비례하는 특성을 갖는다.
이와 같이 온도에 비례하는 전압 dVBE 및 전류 I2에 기초하여 온도 검출부(62)는 전압 신호(VPTAT) 및 전류 신호(IPTAT) 중 적어도 하나를 출력할 수 있다.
도 12 및 13을 참조하여 설명한 온 칩 온도 센서는 핫 스팟에 해당하는 회로와 동일한 반도체 다이에 집적될 수 있고, 전술한 기준 온도 센서로서 이용될 수 있다.
도 14는 도 11의 전자 장치에 포함되는 기준 온도 센서의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면 비접촉식 기준 온도 센서(30)는 하우징 케이스(1020) 상의 기준 지점(RS)으로부터 발생되는 적외선 복사열을 흡수하여 기전력을 발생하는 적외선 반응형(Infrared Ray (IR)-responsive) 열전쌍(thermocouple)(31), 열전쌍(31)의 단자와 연결되어 상기 기전력을 측정하는 측정부(32) 및 측정된 상기 기전력으로부터 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)를 수득하고 수득된 기준 온도(TR)를 제공하는 검출부(33)를 포함한다.
열전쌍(31)은 물리적 성질이 상이한 제1 및 제2 금속 배선(31a, 31b)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 금속배선(31a, 31b)의 일단은 서로 접합되어 접합부를 형성하고 이와 대응하는 타단은 분리되어 상기 측정부(32)로 연결된다. 상기 접합부가 가열되는 경우 제베크 효과에 의해 상기 제1 및 제2 배선(31a, 31b)을 따라 열기전력이 발생하고 상기 열기전력은 측정부(32)에 의해 측정된다. 이때, 상기 열전쌍(31)의 접합부는 상기 외부 열원의 복사열을 흡수할 수 있는 위치에 배치된다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 배선(312a, 31b)을 구성하는 금속물질의 쌍은 백금-백금 로듐, 철-콘스탄탄 및 구리-콘스탄탄 중의 어느 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, 비접촉식 기준 온도 센서(30)는 하우징 케이스(1020)의 기준 지점(RS)과 접촉하지 않고 이격되어 이로부터 방출되는 적외선 복사열을 이용하여 하우징 케이스(1020)의 표면온도, 즉 기준 온도(TR)를 검출한다.
DTM 방식에 따라서, 휴대용 전자 장치에 포함된 구동 칩의 한계온도와 휴대용 전자 장치를 둘러싸는 하우징인 케이스의 한계온도를 미리 설정하고 구동 칩의 동작온도가 칩 한계온도를 넘거나 케이스의 온도가 케이스 한계온도를 넘는 경우 상기 구동 칩의 성능을 자동으로 제한할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라서, 구동 칩의 동작 온도에 기초하여 케이스의 목표 온도를 변화시킴으로써 휴대용 전자 장치의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 온도 관리 방법을 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따라서 로컬 온도(TL)에 기초하여 목표 온도(TRT)가 변화될 수 있다. 즉 로컬 온도(TL)가 증가할수록 목표 온도(TRT)를 감소할 수 있다.
일 실시예에서, 전자 장치의 파워 레벨은 기준 온도(TR) 및 목표 온도(TRT)를 비교하고 상기 비교 결과에 기초하여 DVFS를 수행하는 방식으로 제어할 수 있다. DVFS는 전술한 바와 같이 전자 장치의 동작 전압 및 동작 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 것으로 이해될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 기준 온도(TR)가 목표 온도(TRT)보다 작은 제1 시점(t1) 이전 및 제2 시점(t2) 이후에는 제1 DVFS 방식(DVFS1)으로 파워 레벨을 제어하고 기준 온도(TR)가 목표 온도(TRT)보다 큰 제1 시점(t1)과 제2 시점(t2) 사이에는 제2 DVFS 방식(DVFS2)으로 파워 레벨을 제어할 수 있다. 제2 DVFS 방식(DVFS2)에서는 제1 DVFS 방식(DVFS1)과 비교하여 파워 레벨을 더 낮게 설정할 수 있고, 결과적으로 로컬 온도(TL)가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 온도 관리 회로의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 전자 장치(1100)의 온도 관리 회로는 온도 관리 유닛(TMU)(100), 기준 온도 센서(SNR)(200) 및 복수의 로컬 온도 센서들 (SNL1, SNL2, SNL3)(310, 320, 330)을 포함한다. 도 16에는 편의상 3개의 로컬 온도 센서만을 도시하였으나 로컬 온도 센서의 개수는 전자 장치(1100)의 구성에 따라서 다양하게 변경될 수 있다. 온도 관리 회로 이외의 전자 장치(1100)의 다른 구성 요소들은 도시를 생략하였다.
전자 장치(1100)는 시스템 온 칩(SoC: system on chip)을 포함할 수 있고, 시스템 온 칩은 각각의 고유 기능에 의해 구분될 수 있는 복수의 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)의 각각은 CPU(central processing unit)와 메모리 콘트롤러 등이 포함되는 코아 블록(CORE_BLK), 디스플레이 콘트롤러 블록(DISP_BLK), 파일 시스템 블록(FSYS_BLK), GPU(graphic processing unit) 블록(G3D_BLK), 이미지 신호 프로세서 블록(ISP_BLK), 멀티 포맷 코덱 블록(MFC_BLK) 등의 하나일 수 있다.
이러한 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)은 각각 독립적인 열원으로서 작용할 수 있다. 따라서 전자 장치(1000)의 전체적인 온도 관리뿐만 아니라 서브 블록들(BLK1, BLK2, BLK3, BLK4)의 각각의 온도를 모니터링하고 제어하는 것이 요구될 수 있다.
기준 온도 센서(200)는 전자 장치(1100)의 기준 지점(RS)의 온도를 측정하여 기준 온도(TR)를 제공한다. 로컬 온도 센서들(310, 320, 330)은 전자 장치(1100)의 로컬 지점들(LS1, LS2, LS3)의 온도를 측정하여 로컬 온도들(TL1, TL2, TL3)을 제공한다. 기준 지점(RS)은 로컬 지점들(LS1, LS2, LS3)과 공간적으로 이격되며 일정한 열 전도율을 갖는 매질을 통해 서로 열적으로 연결된다.
온도 관리 유닛(100)은 로컬 온도들(TL1, TL2, TL3) 및 기준 온도(TR)에 기초하여 목표 온도(TRT) 및 온도 정보(DTI)를 제공한다. 본 발명의 실시예들에 따라서, 온도 관리 유닛(100)은 로컬 온도들(TL1, TL2, TL3)에 기초하여 기준 온도(TR)의 한계치에 해당하는 목표 온도(TRT)를 변화시킨다. 온도 정보(DTI) 및 목표 온도(TRT)에 기초하여 전자 장치(1100)의 파워 레벨을 제어할 수 있다.
로컬 지점들(LS1, LS2, LS3)은 전자 장치(1100) 내의 열원(heat source) 또는 열 어그레서(heat aggressor)에 인접한 핫 스팟(hot spot)에 해당하고, 기준 지점(RS)은 로컬 지점(LS)의 온도에 의해 영향을 받는 지점에 해당할 수 있다. 즉 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)는 로컬 지점(LS)의 로컬 온도(TL)보다 낮을 수 있다.
일 실시예에서, 수학식 2와 같이, 복수의 로컬 온도들(TL1, TL2, TL3) 중에서 최대 로컬 온도(TLm)를 결정할 수 있다.
[수학식 2]
TLm=MAX{TL1, TL2, TL3}
최대 로컬 온도(TLm)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변화시킬 수 있다. 로컬 온도가 높을수록 기준 온도에 미치는 영향이 크다고 간주될 수 있으므로, 최대 로컬 온도(TLm)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변화시킬 수 있다. 최대 로컬 온도(TLm)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변화시키는 것은 하나의 로컬 온도(TL)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변화시키는 것과 동일하게 구현될 수 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.
다른 실시예에서, 수학식 3과 같이, 복수의 로컬 온도들(TL1, TL2, TL3)의 평균에 해당하는 평균 로컬 온도(TLa)를 결정할 수 있다.
[수학식 3]
TLa=(TL1+TL2+TL3)/3
평균 로컬 온도(TLa)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변화시킬 수 있다. 복수의 열원들이 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)에 영향을 미치는 경우 이를 모두 고려하여 목표 온도(TRT)를 변화시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 수학식 4와 같이, 복수의 로컬 온도들(TL1, TL2, TL3)에 가중치들(W1, W2, W3)을 곱한 값들의 평균에 해당하는 가중 평균 로컬 온도(TLwa)를 결정할 수 있다.
[수학식 4]
TLwa=(W1*TL1+W2*TL2+W3*TL3)/3
가중 평균 로컬 온도(TLwa)에 기초하여 목표 온도(TRT)를 변화시킬 수 있다. 복수의 열원들이 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)에 영향을 미치는 정도는 가중치들(W1, W2, W3)로 표현될 수 있다. 일 실시예에서, 가중치들(W1, W2, W3)은 기준 지점(RS)과 로컬 지점들(LS1, LS2, LS3) 사이의 열 전도율들에 상응할 수 있다. 복수의 열원들이 기준 지점(RS)의 기준 온도(TR)에 영향을 미치는 정도를 고려함으로써 목표 온도(TRT)를 더욱 정밀하게 변화시킬 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치를 나타내는 블록도이다.
도 17을 참조하면, 모바일 장치(1200)는 어플리케이션 프로세서(1210), 통신(Connectivity)부(1220), 메모리 장치(1230), 비휘발성 메모리 장치(1240), 사용자 인터페이스(1250) 및 파워 서플라이(1260)를 포함한다. 실시예에 따라, 모바일 장치(1200)는 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템 등과 같은 임의의 모바일 시스템일 수 있다.
어플리케이션 프로세서(1210)는 인터넷 브라우저, 게임, 동영상 등을 제공하는 어플리케이션들을 실행할 수 있다. 통신부(1220)는 외부 장치와 무선 통신 또는 유선 통신을 수행할 수 있다. 메모리 장치(1230)는 어플리케이션 프로세서(1210)에 의해 처리되는 데이터를 저장하거나, 동작 메모리(Working Memory)로서 작동할 수 있다. 비휘발성 메모리 장치(1240)는 모바일 장치(1200)를 부팅하기 위한 부트 이미지를 저장할 수 있다. 사용자 인터페이스(1250)는 키패드, 터치 스크린과 같은 하나 이상의 입력 장치, 및/또는 스피커, 디스플레이 장치와 같은 하나 이상의 출력 장치를 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1260)는 모바일 장치(1200)의 동작 전압을 공급할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(1210)는 전술한 바와 같은 동적 열 관리(DTM)를 수행하기 위한 회로를 포함할 수 있다. DTM 회로는 모바일 장치(1200)의 로컬 지점의 온도를 측정하여 로컬 온도를 제공하고, 상기 로컬 지점과 열적으로 연결된 상기 전자 장치의 기준 지점의 온도를 측정하여 기준 온도를 제공한다. DTM 회로는 상기 로컬 온도에 기초하여 상기 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 변화시키고, 모바일 장치(1200)는 상기 변화하는 목표 온도에 기초하여 모바일 장치(1200)의 파워 레벨을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 온도 관리가 요구되는 전자 장치 및 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예들은 메모리 카드, 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 컴퓨터(computer), 노트북(laptop), 핸드폰(cellular), 스마트폰(smart phone), MP3 플레이어, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 TV, 디지털 카메라, 포터블 게임 콘솔(portable game console) 등과 같은 전자 기기에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 로컬 온도 센서에 의해, 전자 장치의 열원(heat source)에 인접한 핫 스팟(hot spot)에 해당하는 로컬 지점의 온도를 측정하여 로컬 온도를 제공하는 단계;
    기준 온도 센서에 의해, 상기 로컬 지점과 열적으로 연결된 상기 전자 장치의 하우징 케이스에 해당하는 기준 지점의 온도를 측정하여 기준 온도를 제공하는 단계;
    온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도가 증가할 때 상기 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 감소하는 단계; 및
    프로세서에 의해, 상기 목표 온도에 기초하여 상기 전자 장치의 파워 레벨을 제어하는 단계를 포함하는 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 목표 온도를 감소하는 단계는,
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도의 경계 값을 설정하는 단계; 및
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도 및 상기 경계 값에 기초하여 상기 목표 온도를 감소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 경계 값에 기초하여 상기 목표 온도를 감소하는 단계는,
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도와 상기 경계 값을 비교하는 단계;
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도가 상기 경계 값보다 작은 경우, 상기 로컬 온도에 관계 없이 상기 목표 온도를 일정하게 유지하는 단계; 및
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도가 상기 경계 값보다 큰 경우, 상기 로컬 온도가 증가할수록 상기 목표 온도를 감소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 경계 값에 기초하여 상기 목표 온도를 감소하는 단계는,
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도와 상기 경계 값을 비교하는 단계;
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도가 상기 경계 값보다 작은 경우, 상기 로컬 온도가 증가할수록 제1 기울기로 상기 목표 온도를 감소하는 단계; 및
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도가 상기 경계 값보다 큰 경우, 상기 로컬 온도가 증가할수록 상기 제1 기울기보다 큰 제2 기울기로 상기 목표 온도를 감소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 목표 온도를 감소하는 단계는,
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도의 복수의 온도 구간들을 설정하는 단계; 및
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 복수의 온도 구간들의 각각에 대하여 상기 목표 온도의 구간 온도 값들을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 로컬 온도가 증가할 때 상기 목표 온도의 구간 온도 값들을 순차적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 로컬 온도를 제공하는 단계는,
    복수의 로컬 온도 센서들에 의해, 상기 전자 장치의 복수의 로컬 지점들의 온도를 측정하여 복수의 로컬 온도들을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 목표 온도를 감소하는 단계는,
    상기 온도 관리 유닛에 의해, 상기 복수의 로컬 온도들에 기초하여 상기 목표 온도를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
  10. 로컬 온도 센서에 의해, 휴대용 전자 장치의 열원(heat source)에 인접한 핫 스팟(hot spot)의 온도를 측정하여 로컬 온도를 제공하는 단계;
    기준 온도 센서에 의해, 상기 핫 스팟과 열적으로 연결된 상기 휴대용 전자 장치의 하우징 케이스의 온도를 측정하여 기준 온도를 제공하는 단계;
    온도 관리 유닛에 의해, 상기 로컬 온도가 증가할 때 상기 기준 온도의 한계치에 해당하는 목표 온도를 감소하는 단계; 및
    프로세서에 의해, 상기 목표 온도에 기초하여 상기 휴대용 전자 장치의 동작 전압 및 동작 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 휴대용 전자 장치의 동적 열 관리 방법.
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