DE10333251B4

DE10333251B4 - Kommunikations-Halbleiterbaustein und Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE10333251B4
Application number: DE10333251A
Authority: DE
Inventors: Armin Mrasek; Fan Yung Ma
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: US20050063432A1; DE10333251A1; US7899333B2

Abstract

Kommunikations-Halbleiterbaustein (1),
wobei der Kommunikations-Halbleiterbaustein zum Senden oder Empfangen von Kommunikationssignalen ausgestaltet ist,
wobei der Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) Temperaturerfassungsmittel (20) zum Erfassen einer Sperrschicht-Temperatur einer Halbleiter-Schaltungsanordnung auf dem Halbleiter-Kommunikationsbaustein (1) umfasst,
wobei die Temperaturerfassungsmittel (20) in den Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) integriert sind, und
wobei die Temperaturerfassungsmittel (20) ein Bandlücken-Element (30) umfassen, welches Transistor-Elemente (31, 32) aufweist und derart ausgestaltet ist, dass die Ausgangsspannung des Bandlücken-Elements (30) proportional zu der Sperrschicht-Temperatur in den Transistor-Elementen (31, 32) variiert.

Description

Die Erfindung betrifft auf Halbleitern basierende Kommunikationsbausteine, wie z. B. xDSL-Breitband-Transceiver-Bausteine.
In üblichen Kommunikations-Halbleiterbausteinen, z. B. xDSL-Breitband-Transceivern, verwendete Schaltungsanordnungen beinhalten sowohl analoge als auch digitale Komponenten, von denen beide, insbesondere jedoch die analogen, in ihrer Funktion von einer Sperrschicht-Temperatur eines Halbleiter-Schaltungselements abhängen. Typischerweise wird ein ordnungsgemäßer Betrieb für einen bestimmten Bereich der Sperrschicht-Temperatur gewährleistet, z. B. –40°C bis 125°C.
Die Sperrschicht-Temperatur wird bestimmt durch die Umgebungstemperatur, die Leistungsaufnahme der Halbleiter-Schaltungsanordnung und den Wärmewiderstand der Halbleiter-Schaltungsanordnung in ihrer jeweiligen Umgebung, so dass, vorausgesetzt der Wärmewiderstand und die Leistungsaufnahme sind bekannt, es genügen würde die Umgebungstemperatur zu messen, um sicherzustellen, dass der Kommunikations-Halbleiterbaustein innerhalb des zulässigen Bereichs der Sperrschicht-Temperatur betrieben wird. Nach dem Stand der Technik ist die Sperrschicht-Temperatur in einem Kommunikations-Halbleiterbausteins einem Anwender oder einer Steuereinheit eines Kommunikationssystems nicht direkt zugänglich, weshalb herkömmlich im Datenblatt des Kommunikations-Halbleiterbausteins ein erlaubter Bereich der Umgebungstemperatur spezifiziert ist. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist seine begrenzte Genauigkeit, die verursacht wird durch die Abhängigkeit des Wärmewiderstands von Einflüssen wie durch Konvektion oder Lüfter hervorgerufener Luftzug, dem Layout und der Temperatur der Leiterplatte, auf der der Kommunikations-Halbleiterbaustein angebracht ist, sowie dadurch, dass die oben genannten Einflüsse und damit der Wärmewiderstand aber auch die Umgebungstemperatur nicht für alle in einer Vorrichtung, z. B. einem Gehäuse oder Schaltschrank, eingebauten Kommunikations-Halbleiterausteine gleich ist. Des Weiteren kostet die exakte Bestimmung des Wärmewiderstandes Zeit und Ressourcen und erfordert eine detaillierte Simulation des thermischen Verhaltens der Halbleiter-Schaltungsanordnung und ihrer Umgebung.
Aus der DE 101 55 250 A1 ist es bekannt, den Stromverbrauch bei der Datenübertragung gemäß einem xDSL-Übertragungsverfahren zu optimieren, um beispielsweise die Wärmeentwicklung durch die verwendeten Kommunikationsbauteile zu reduzieren. Hierdurch ist es möglich, den Bedarf an Kühlvorrichtungen gering zu halten und die Packungsdichte auf einer Karte mit Kommunikationsbauteilen zu erhöhen. Der Stromverbrauch wird optimiert, indem bei einer Verringerung der aktuellen Nutzdatenlast mindestens eine der Trägerfrequenzen abgeschaltet wird.
Aus der DE 690 31 740 T2 ist eine Vorrichtung zum Erfassen einer Überhitzung in Leistungs-Halbleiterschaltungen bekannt. Es wird eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung mit einem einfachen Schaltungsaufbau vorgeschlagen, welche auf demselben Substrat wie die Halbleiterschaltung ausgebildet sein kann. Durch die Überhitzungs-Erfassungsschaltung soll die Gefahr verringert werden, dass das Bauteil mit der Halbleiterschaltung übermäßig erhitzt und im Extremfall zerstört wird. Es wird daher abweichend von herkömmlichen thermischen Sensoren, welche ein Ausgangssignal liefern, das ich über einen breiten Temperaturbereich linear ändert, eine Temperatur-Erfassungsschaltung vorgeschlagen, die ein Ausgangssignal erzeugt, dass sich über einen relativ kleinen Temperaturbereich stark ändert. Es kommt dabei eine Temperatur-Erfassungsschaltung zum Einsatz, welche auf einem in Sperrrichtung vorgespannten Übergang basiert, der einen Leckstrom in Sperrrichtung aufweist, wobei der Leckstrom in Sperrrichtung temperaturabhängig ist. Der temperaturabhängige Leckstrom in Sperrrichtung wird verstärkt und abhängig von dem verstärkten Leckstrom eine Spannung erzeugt, welche mit einem Schwellenwert verglichen wird. Ein Überschreiten des Schwellenwerts zeigt an, dass die integrierte Schaltung überhitzt ist. Eine Temperaturerfassung über einen weiten Bereich, z. B. für eine Regelung der Umgebungstemperatur, ist mit einer solchen Temperatur-Erfassungsschaltung jedoch problematisch.
Angesichts der oben genannten Probleme wurde die vorliegende Erfindung gemacht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kommunikations-Halbleiterbaustein bereitzustellen, bei dem die zuvor beschriebenen Probleme beseitigt sind.
Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe durch einen Kommunikations-Halbleiterbaustein 1 mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Ein Halbleiter-Kommunikationsbaustein umfasst Mittel zum Senden oder Empfangen von Kommunikationssignalen. Um die direkte Messung der Sperrschicht-Temperatur in einem Kommunikations-Halbleiterbaustein zu ermöglichen, sind gemäß der vorliegenden Erfindung Temperaturerfassungsmittel zur Erfassung der Sperrschicht-Temperatur einer Halbleiter-Schaltungsanordnung, im einfachsten Fall eines Halbleiter-Schaltungselements, in den Kommunikations-Halbleiterbaustein integriert. Ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem umfasst mindestens einen derartigen Kommunikations-Halbleiterbaustein und eine Steuereinheit, wobei die Sperrschicht-Temperatur von der Steuereinheit ausgewertet wird.
Die in den Kommunikations-Halbleiterbaustein integrierten Temperaturerfassungsmittel umfassen erfindungsgemäß ein Bandlücken-Element, welches derart ausgestaltet ist, dass eine Ausgangsspannung des Bandlücken-Elements abhängig von der Sperrschicht-Temperatur variiert und sich als besonderer Vorteil eine Proportionalität der Ausgangsspannung zur Sperrschicht-Temperatur in Transistor-Elementen des Bandlücken-Elements ergibt, wodurch die Auswertung des Ausgangssignals der Temperaturerfassungsmittel vereinfacht wird.
Die Temperaturerfassungsmittel können darüber hinaus ein Analog-Digitalwandler-Element zur Umwandlung der analogen Ausgangsspannung des Bandlücken-Elements in ein Digitalsignal umfassen. Dadurch kann bei Einsatz des Kommunikations-Halbleiterbausteins in einem digitalen Kommunikationssystem die Auswertung der Sperrschicht-Temperatur mit minimalem zusätzlichen Aufwand durch die Steuereinheit, die zunächst zur Verarbeitung der digitalen Kommunikationssignale ausgelegt ist, mit erfolgen.
Ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem umfasst vorzugsweise mindestens einen erfindungsgemäßen Kommunikations-Halbleiterbaustein und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit kann auf die an den jeweiligen Kommunikations-Halbleiterbausteinen gemessene Sperrschicht-Temperatur zugreifen. Die Steuereinheit kann derart ausgestaltet sein, dass die an dem jeweiligen Kommunikations-Halbleiterbaustein gemessene Sperrschicht-Temperatur zur Steuerung der Umgebungstemperatur des Kommunikations-Halbleiterbausteins über regelbare Kühlvorrichtungen, wie zum Beispiel Lüfter, oder zur Umschaltung des Kommunikations-Halbleiterbausteins auf eine niedrige Leistung oder einen Energiesparbetrieb, falls die an dem jeweiligen Kommunikations-Halbleiterbaustein gemessene Sperrschicht-Temperatur einen Grenzwert überschreitet, verwendet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Kommunikationssystem Schnittstellenmittel umfassen, so dass die an dem jeweiligen Kommunikations-Halbleiterbaustein gemessene Sperrschicht-Temperatur externen Geräten zugänglich ist. Dies ermöglicht die Aufzeichnung der Temperaturdaten, z. B. für Analysezwecke oder zur richtigen Dimensionierung von Kühlvorrichtungen des Kommunikationssystems.
Gegenüber dem Stand der Technik ist es bei dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem von Vorteil, dass die Sperrschicht-Temperatur an jedem einzelnen Kommunikations-Halbleiterbaustein direkt gemessen werden kann, um so einen Betrieb des Kommunikations-Halbleiterbausteins innerhalb des zulässigen Bereichs der Sperrschicht-Temperatur zu gewährleisten. Darüber hinaus können die an den jeweiligen Kommunikations-Halbleiterbausteinen gemessenen Werte der Sperrschicht-Temperatur verwendet werden, um über regelbare Kühlvorrichtungen die Umgebungstemperatur des Kommunikations-Halbleiterbausteins zu steuern, oder ein Umschalten des Kommunikations-Halbleiterbausteins auf einen Energiesparbetrieb, der durch eine niedrigere Leistung gekennzeichnet ist, zu veranlassen, so dass Fehlfunktionen oder Beschädigungen des Kommunikations-Halbleiterbausteins vermieden werden. Der zulässige Bereich der Sperrschicht-Temperatur kann aufgrund der gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung der Sperrschicht-Temperatur deutlich besser ausgeschöpft werden als im Falle der herkömmlichen indirekten Bestimmung der Sperrschicht-Temperatur über die Umgebungstemperatur, wodurch der Betrieb bei höheren Leistungen möglich wird. In der Entwicklungsphase eines Kommunikationssystems ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass etwaige Kühlvorrichtungen auf einfache Art und Weise richtig dimensioniert werden können, wodurch Zeit und Kosten gespart werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Breitband-Kommunikationssystemen, wie zum Beispiel einer xDSL-Verbindungskarte, wobei die Kommunikations-Halbleiterbausteine in diesem Fall als xDSL-Breitband-Transceiver-Bausteine ausgestaltet sind, und vorzugsweise mehrere derartige xDSL-Breitband-Transceiver-Bausteine auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt.
Die Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines auf einer Leiterplatte angeordneten erfindungsgemäßen Kommunikationssystems, das als xDSL-Verbindungskarte ausgestaltet ist,
2 ist eine schematische Darstellung eines Kommunikations-Halbleiterbausteins und einer Datenverbindung mit einer Steuereinheit,
3 ist eine schematische Darstellung von Temperaturerfassungsmitteln auf Basis eines Bandlücken-Elements, welches gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz kommen kann.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kommunikationssystems 10 in Form einer xDSL-Verbindungskarte. Acht Kommunikations-Halbleiterbausteine 1 in Form von xDSL-Breitband-Transceiver-Bausteinen sind auf einer Leiterplatte 11 angeordnet. Das Kommunikationssystem 10 verfügt des Weiteren über eine Steuereinheit 12, eine Steckerleiste 16, die eine Datenverbindung mit externen Geräten ermöglicht, und an verschiedenen Positionen der Leiterplatte 11 angeordnete regelbare Lüfter 18, 19 als Kühlvorrichtungen, die durch die Steuereinheit 12 geregelt werden können. Die Kommunikations-Halbleiterbausteine 1 sind über einen externen Datenbus 14 mit der Steuereinheit 12 verbunden.
Jeder Kommunikations-Halbleiterbaustein 1 stellt, wie in 2 dargestellt, vier Kommunikationskanäle 22 zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen bereit. Zu sendende Daten werden in digitaler Form von dem externen Datenbus 14 über einen internen Datenbus 24 des Kommunikations-Halbleiterbausteins 10 den jeweiligen Kommunikationskanälen 22 zugeführt, bzw. empfangene Daten werden von den jeweiligen Kommunikationskanälen 22 auf den externen Datenbus 14 geleitet. Auf dem Kommunikations-Halbleiterbaustein 1 integrierte Temperaturerfassungsmittel 20 zur Erfassung einer Sperrschicht-Temperatur einer Halbleiter-Schaltungsanordnung auf dem Kommunikations-Halbleiterbaustein geben ein mit der Sperrschicht-Temperatur variierendes Ausgangssignal, zum Beispiel in Form eines 8-Bit-Datenwortes, über den internen Datenbus 24 auf den externen Datenbus 14.
Im Folgenden wird die Funktion der in den Kommunikations-Halbleiterbaustein 1 integrierten Temperaturerfassungsmittel 20 erläutert.
Wie in 3 dargestellt umfassen die Temperaturerfassungsmittel 20 ein Bandlücken-Element 30, das im Wesentlichen durch eine Verschaltung von Transistor-Elementen 31, 32, die bei unterschiedlichen Kollektorstromstärken betrieben werden, gebildet wird. Das Bandlücken-Element enthält dafür zusätzlich Widerstands-Elemente 33, 34 und ein Verstärker-Element 38, welches gemäß 3 als Summenverstärker verschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Bandlücken-Elements 30 ist dabei der Sperrschicht-Temperatur der in der Schaltungsanordnung verwendeten Transistor-Elemente 31, 32 proportional. Ein Analog-Digitalwandler-Element 36 wandelt die Ausgangsspannung in ein 8-Bit-Datenwort, das über den internen Datenbus des Kommunikations-Halbleiterbausteins 1 auf den externen Datenbus 14 des Kommunikationssystems 10 geleitet wird. Diese Ausführungsform der Temperaturerfassungsmittel 20 besitzt den Vorteil, dass das Ausgangssignal im Wesentlichen proportional zur Sperrschicht-Temperatur ist und in digitaler Form zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt wird.
Das digitale Ausgangssignal der Temperaturerfassungsmittel 20 wird über den externen Datenbus 14, wie in 3 dargestellt, von der Steuereinheit 12 des Kommunikationssystems 10 ausgewertet. Die Steuereinheit 12 des Kommunikationssystems 10 bestimmt aus dem Wert des 8-Bit-Datenworts die Sperrschicht-Temperatur des jeweiligen Kommunikations-Halbleiterbausteins 1, was zum Beispiel die Bestimmung einer Sperrschicht-Temperaturverteilung auf der Leiterplatte 11 oder dem Kommunikationssystem 10 ermöglicht.
Im Folgenden werden die eine Verarbeitung der Temperaturdaten betreffenden Merkmale der Steuereinheit 12 erläutert, wobei die Funktionen der Steuereinheit 12 zum Beispiel in Form einer Verwaltungssoftware des Kommunikationssystems 10 in der Steuereinheit 12 implementiert sein können. Die Steuereinheit 12 kann, falls die an einem Kommunikations-Halbleiterbaustein 1 gemessene Sperrschicht-Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, die Kühlleistung eines in der Nähe des betreffenden Kommunikations-Halbleiterbausteins 1 befindlichen Lüfters 18, 19 erhöhen oder den betreffenden Kommunikations-Halbleiterbaustein 1 in einen Energiesparmodus versetzen, indem sie die Leistung des betreffenden Kommunikations-Halbleiterbausteins 1 auf einen im Verhältnis zum Normalbetrieb niedrigeren Wert reduziert, so dass die Sperrschicht-Temperatur wieder unter den vorgegebenen Grenzwert zurückgeht. Über eine Datenverbindung zu externen Geräten, die über die an der Leiterplatte 11 angebrachte Steckerleiste 16 ermöglicht wird, ist die Temperatur jedes einzelnen Kommunikations-Halbleiterbausteins 1 den externen Geräten zugänglich. Dies ermöglicht es, die Temperatur jedes Kommunikations-Halbleiterbausteins 1 bzw. die Sperrschicht-Temperaturverteilung in dem Kommunikationssystem 10 zu Analysezwecken oder zur richtigen Dimensionierung der Kühlvorrichtungen 18, 19 in der Entwicklungsphase des Kommunikationssystems 10 aufzuzeichnen.

Claims

Kommunikations-Halbleiterbaustein (1), wobei der Kommunikations-Halbleiterbaustein zum Senden oder Empfangen von Kommunikationssignalen ausgestaltet ist, wobei der Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) Temperaturerfassungsmittel (20) zum Erfassen einer Sperrschicht-Temperatur einer Halbleiter-Schaltungsanordnung auf dem Halbleiter-Kommunikationsbaustein (1) umfasst, wobei die Temperaturerfassungsmittel (20) in den Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) integriert sind, und wobei die Temperaturerfassungsmittel (20) ein Bandlücken-Element (30) umfassen, welches Transistor-Elemente (31, 32) aufweist und derart ausgestaltet ist, dass die Ausgangsspannung des Bandlücken-Elements (30) proportional zu der Sperrschicht-Temperatur in den Transistor-Elementen (31, 32) variiert.
Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Temperaturerfassungsmittel (20) ein Analog-Digitalwandler-Element (36) zur Umsetzung der Ausgangsspannung des Bandlücken-Elements (30) in ein Digitalsignal umfassen.
Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) in Form eines Breitband-Transceiver-Bausteins ausgestaltet ist.
Kommunikationssystem (10), umfassend mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbaustein (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, und eine Steuereinheit (12), wobei die Steuereinheit Zugriff auf durch die Temperaturerfassungsmittel (20) des mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbausteins (1) bereitgestellten Werte der Sperrschicht-Temperatur hat.
Kommunikationssystem (10) gemäß Anspruch 4 umfassend einen Datenbus (14), wobei die Steuereinheit (12) sich außerhalb des mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbausteins (1) befindet und derart ausgestaltet ist, dass die Steuereinheit die durch die Temperaturerfassungsmittel (20) des mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbausteins (1) über den Datenbus (14) bereitgestellten Werte der Sperrschicht-Temperatur auswerten kann.
Kommunikationssystem (10) gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Steuereinheit (12) derart ausgestaltet ist, dass sie ein Umschalten des mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbausteins (1) auf einen Energiesparbetrieb veranlassen kann, falls die durch die Temperaturerfassungsmittel (20) des mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbausteins (1) bereitgestellten Werte der Sperrschicht-Temperatur einen Grenzwert überschreiten.
Kommunikationssystem (10) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, umfassend mindestens eine Kühlvorrichtung (18, 19), wobei die Steuereinheit (12) derart ausgestaltet ist, dass sie abhängig von den durch die Temperaturerfassungsmittel (20) des mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbausteins (1) bereitgestellten Werte der Sperrschicht-Temperatur die Umgebungstemperatur des mindestens einen Kommunikations-Halbleiterbausteins (1) durch Regelung der mindestens einen Kühlvorrichtung (18, 19) steuern kann.
Kommunikationssystem (10) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Kommunikationssystem (10) als eine xDSL-Verbindungskarte ausgestaltet ist.