JP2006522496A

JP2006522496A - 熱イオン冷却システムを有する電力回路

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Publication number: JP2006522496A
Application number: JP2006509737A
Authority: JP
Inventors: ナザレノロセッティ
Original assignee: フェアーチャイルドセミコンダクターコーポレイション
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2006-09-28
Also published as: WO2004091948A2; KR20050110038A; DE112004000583T5; US6809417B1; US20040195675A1; WO2004091948A3; TWI301880B; TW200500582A

Abstract

【課題】熱イオン冷却システムを有する電力回路を提供する。
【解決手段】システムは、電圧レギュレータ及び電圧レギュレータを冷却するための熱整流デバイスを含む。熱整流デバイスは、熱コレクタ、及び電圧レギュレータと熱コレクタとの間に形成されている熱バリヤーを含む。補助電圧発生器は、電圧レギュレータの電子が熱バリヤーを通って熱コレクタ上へトンネルできるようにする。電圧レギュレータは、共用されている基体、及び安定化電圧を発生する電力トランジスタを含むことができる。若干の実施の形態においては、コントローラは、電力トランジスタ、補助電圧発生器、及びファンを制御することによって、温度を所定の範囲内に維持する。若干の実施の形態においては、負荷は熱イオン冷却システムと共に集積化し、負荷自体を熱整流デバイスによって冷却できるようにすることができる。

Description

本発明は電力回路の冷却システムに関し、より特定的には電圧レギュレータ及び／または負荷の熱イオン冷却に関する。

電子回路においては、電流の流れによって抵抗性回路要素が熱を発生することは不可避である。近代的な電子回路においては、フィーチャのサイズが縮小され続けている。それに相応して電流密度及び固有抵抗が増加し、発生する熱を急速に増加させている。動作を維持するためには、増加した熱の量を回路から除去する必要がある。

冷却システムは、圧縮機によって冷却材流体を弁及びパイプラインを通して循環させることに基づくことができる。今日の殆どの冷却技術は、この設計に基づいている。しかしながら、流体、弁、電動機、及び他の可動部分を電子回路内に使用するには、かなり両立し難い技術を統合する必要がある。従って、他の冷却システムが求められている。

電子冷却システムは、受動システム及び能動システムに大別することができる。受動システムは、典型的に熱源（電子回路）をヒートシンクに結合する。ある場合には、熱源をコールドプレートと呼び、ヒートシンクをホットプレートと呼ぶ。これらのシステムにおいては、熱は、基本的な熱力学の法則に従って温度または熱勾配によって駆動され、より熱い源からより冷たいシンクへ導かれる。若干のシステムにおいては、ヒートシンクは環境と直接接触し、熱伝導及び熱対流によって過大な熱を交換する。他のシステムにおいては、ヒートシンクはファンによって、または類似の方法によって冷却される。例えば、今日の多くのコンピュータにおいては、マイクロプロセッサはファンによって冷却されている。

しかしながら、これらのシステムにおいては、典型的に熱伝達速度が遅い。更に、受動システムは、熱をより冷たい場所からより熱い場所へ伝達させることはできない。従って源は常にシンクよりもより熱いままである。

能動システムは、源からシンクまでの熱の伝達を高める能動的なヒートポンプ、またはその同等品を使用する。従って、熱の流れは、熱勾配だけによって熱を伝達する受動システムよりも高速である。更に、これらの能動システムは、熱をより冷たい源からより暖かいシンクまで伝達させるように動作することができる。

若干の能動システムにおいては、ヒートポンプが源の“熱い”電子を、ヒートシンクとして働く回路の遠隔領域まで駆動する。熱い電子を遠くへ駆動することによって熱は熱源から去るように伝達されるが、屡々、原子が、及びホスト材料の若干の電子でさえも、熱を源領域へ戻すように導く。この逆流は、これらのシステムの効率に大きい限界を課す。

要約すれば、そして一般的に言えば、本発明の実施の形態は、熱イオン冷却システムを有する電力回路を含む。若干の実施の形態は、電圧レギュレータ、及びこの電圧レギュレータを冷却するように動作可能な熱整流デバイスを含む。熱整流デバイスの若干の実施の形態は、熱コレクタ、及び電圧レギュレータと熱コレクタとの間に形成されている熱バリヤーを含み、電圧レギュレータからの電子は、補助電圧によって熱バリヤーを横切って熱コレクタ上へトンネルできるようにされる。

若干の実施の形態においては、熱整流デバイスは、熱コレクタ、及び電圧レギュレータと熱コレクタとの間に形成されている熱バリヤーを含む。熱バリヤーは、熱が熱コレクタから電圧レギュレータへ逆流するのを防ぐ。補助電圧発生器は補助電圧を電圧レギュレータと熱コレクタとの間に印加し、電圧レギュレータの熱い電子を、熱バリヤーを通して熱コレクタ上へトンネルできるようにする。若干の実施の形態は、更に、熱コレクタに結合されているヒートシンク、及びヒートシンクを冷却するファンを含んでいる。若干の実施の形態は、電圧レギュレータ及び熱整流デバイスを制御するコントローラを含む。

若干の実施の形態においては、電圧レギュレータは、電圧コントローラ及び１個またはそれ以上の電力トランジスタを含む。電力回路は、電圧コントローラ及び電力トランジスタが共用している共用基体上に位置決めすることができる。若干の実施の形態における電圧コントローラは、電力トランジスタ、補助電圧発生器、及びヒートシンクを冷却するために位置決めされているファンの少なくとも１つを制御することによって、電力トランジスタ、熱コレクタ、ヒートシンク、及び共用基体の少なくとも１つの温度を所定の範囲内に維持する。

若干の実施の形態においては、負荷は、負荷自体が熱整流デバイスによって冷却され得るように冷却システムと統合されている。若干の実施の形態においては、電圧レギュレータは、5,000Ｗ／ｃｍ²より高い電力密度で動作することができる。

本発明を、及びさらなる特色及び長所を、より完全に理解して頂くために、以下に添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態、及びそれらの長所は、添付した図１−６を参照することによって最良に理解されよう。添付図面においては、類似の、及び対応する部品に対しては類似の番号を付してある。

図１は、電圧レギュレータを熱イオン的に冷却するための本発明の実施の形態によるシステム２のブロック図である。システム２において、電圧レギュレータ４は熱整流デバイスに結合されている。これらの各要素は、幾つかの構成要素を含むことができる。

図２は本発明の実施の形態による熱整流デバイス８と電圧レギュレータ４との組合わせの例を示している。電圧レギュレータ４が動作している時、それは熱を発生する。即ち、電圧レギュレータ４は熱源になる。図示のように、熱整流照は、熱バリヤー１６及び熱コレクタ２０を含む。熱バリヤー１６は真空ギャップであることも、または熱伝導度の低い材料で形成することもできる。熱コレクタ２０は、リソグラフィック技術によって形成することができる。若干の実施の形態においては、熱コレクタ２０は、銅のような熱伝導度の良好な金属で形成することができる。他の実施の形態においては、良好な熱伝導度を有する広範なクラスの金属または他の層を付着させることができる。熱バリヤー１６は、電圧レギュレータ４を熱コレクタ２０から距離ｄだけ分離させる。若干の実施の形態においては、この距離ｄは、約１ｎｍ乃至30ｎｍの範囲内にあることができる。ｄの値は、主として、含まれる材料の仕事関数に依存して選択される。この距離は極めて小さいので、製造中に精密な制御が必要になる。

１つの技術によれば、真空ギャップは、特別なリフトオフ技術によって形成させることができる。この“熱イオン”技術では、先ず二重層構造を形成させる。異なる熱膨張係数を有する２つの層は、弱い付着だけによって結合されている。従って、適当な熱処理を遂行すると２つの層は互いに剥離する。これにより、互いに向き合っている層の内面が露出され、それらの間の真空ギャップによって分離される。剥離する前の２つの層は互いに重なり合っているから露出された表面は互いの不規則性を追跡し、従って、それらの距離ｄは層全体を通してほぼ一定になる。この技術の詳細に関しては、J. Edelsonの米国特許第6,089,311号、及びA. Tavkhelidzeの米国特許第6,417,060 B2に開示されているので参照されたい。

二重層構造の一方の層は、熱源として働く電圧レギュレータ４に結合されている。他方の層は、熱コレクタ２０に結合されている。熱イオン冷却システムは、熱い電子を電圧レギュレータ４のような熱源から抽出し、それらを熱バリヤー１６を横切って熱コレクタ２０上へトンネルさせるように動作する。

補助電圧発生器２８は、電圧レギュレータ４と熱コレクタ２０との間に結合されている。補助電圧発生器２８は、電圧レギュレータ４と熱コレクタ２０との間に補助電圧Ｖ_auxを印加することができる。補助電圧Ｖ_auxが存在しない場合には、真空ギャップは十分に大きい電位バリヤーであり、電子はそれを通って何れの方向へもトンネルすることができず、真空ギャップは極めて効率的な熱絶縁体、即ちバリヤーになる。補助電圧発生器２８によって電圧レギュレータ４と熱コレクタ２０との間に十分に大きい補助電圧Ｖ_auxが印加されると、電圧レギュレータ４から熱コレクタ２０までの矢印によって示されているように、その電位差によって電圧レギュレータ４の熱い電子は熱バリヤー１６を通って熱コレクタ２０上へトンネルできるようになる。この電子の流れが回路を完成させ、補助リンク３２を通って流れる電流は図示のように補助電圧発生器２８へ戻る。

熱イオン冷却システムの上述した動作中には、補助電圧の極性のために電子はトンネルして戻ることを許されないので、熱は熱シンクから熱バリヤー１６を通って源へ戻ることはない。更に、熱コレクタ２０の原子は、熱バリヤー１６を通って何れの方向へもトンネルすることはできない。これらの特色によって、熱バリヤー１６は極めて効率的な熱絶縁体になる。また、熱伝達中の熱の逆流は本質的に阻止されるので、デバイス８は実際的に熱整流デバイスになる。

熱バリヤー１６を通ってトンネルした熱い電子は、それらのエネルギを熱コレクタ２０のより冷たい電子及び原子へ解放する。この熱は、ヒートシンク２４へ導かれ、伝達される。若干の実施の形態においては、ヒートシンク２４は熱伝導度が良好な金属で形成されている。また、ヒートシンク２４は、大きい表面が得られるリブ付きの構造に形成することができ、周囲環境との熱交換が効率的に行われ得るようになっている。若干の実施の形態においては、例えばファンによってヒートシンクの付加的な冷却を遂行することができる。ヒートシンクは、冷却用液体を循環させる冷却システムを含む何れかの公知の冷却システムに結合することができる。

熱整流デバイス８の効率を熱力学的検討から計算し、他の冷却技術と比較することができる。これらの技術を次のようなセットアップにおいて比較して見よう。１Ｗのエネルギを室温（Ｔ_source＝300Ｋ）の電圧レギュレータ４から熱コレクタ２０（Ｔ_source＝573Ｋ）へ伝達する。このセクションにおいては、電圧レギュレータ４を熱源４と呼ぶことにする。

熱力学の法則によれば、このプロセスの理想的な、即ちカルノー効率は52％である。簡単な計算によって、この理想的な場合には、１Ｗを熱源４から熱コレクタ２０まで伝達するには0.92Ｗが必要であることが分かる。

最新の圧縮機及び流体循環器システムを使用する技術は、52％のカルノー効率の45％に達することができる。換言すれば、これらの最新技術を用いて１Ｗを源からシンクまで伝達するには、2.05Ｗが必要である。これは、合計電力供給効率が33％であると言い換えることができる。この合計電力供給効率は、η＝（除去されたエネルギ）／（除去されたエネルギ＋必要な仕事）として定義されるものである。しかしながら、前述したように、これらのシステムは流体、圧縮機、弁、及び可動部分を使用しており、これらを電子回路製造技術と共に統合することを困難にしている。

若干の全電子式冷却システムは、ペルチエ効果に基づいている。しかしながら、ペルチエに基づく冷却システムは、現在ではカルノーサイクルの効率の５％で動作する。従ってペルチエ効果を使用するシステムは、熱源４から熱コレクタ２０まで１Ｗを伝達するのに18.4Ｗを必要とする。これは、電力供給効率がη＝５％であると言い換えることができる。この低い効率値は、現在のシステムにおいては、多くとも100Ｗ／ｃｍ²の電力密度を発生するチップだけを適切に冷却できることを意味している。

熱イオン冷却技術を使用した場合、本発明の一実施の形態によれば、カルノー効率の70％を達成することができる。換言すれば、１Ｗの電力を伝達するのに、僅か1.32Ｗを必要とするだけである。これは、電力供給効率がη＝43％であると言い換えることができる。従って、熱イオン冷却技術の効率は、現在使用されている冷却技術よりもかなり優れている。更に、熱イオン冷却システムは、統合容易なリソグラフィック技術によって製造することができる。これら全ての理由から、本発明の実施の形態による熱イオン冷却システムが約1,000Ｗ／ｃｍ²乃至約5,000Ｗ／ｃｍ²の範囲内の電力密度を発生するチップを十分に冷却することができる。

更に、この熱イオン冷却システムは能動冷却システムであるから、熱源４は熱コレクタ２０よりも冷たいことができる。若干の実施の形態においては、電圧レギュレータ４のような熱源は周囲温度より約10°Ｃ高いことができ、一方熱コレクタ２０及びヒートシンク２４は30°Ｃの周囲温度において約80℃乃至約300°Ｃの範囲内であることができる。

図３は、本発明の実施の形態により熱イオン的に冷却された電圧レギュレータの例を示している。電圧レギュレータ４及び熱整流デバイス８は、共用基体３６上に形成されている。共用基体３６は、例えば半導体材料、シリコンダイ、ウェーハ、または他のモノリシック構造であることができる。共用基体３６は更に、他のマイクロエレクトロニック及びメカニックシステム、またはＭＥＭＳを含む。当分野においては、マイクロ・機械的電動機、センサ、アクチュエータ、及び電子回路を含む多種のＭＥＭＳが知られている。

電圧レギュレータ４は、電圧コントローラ１４及び電力トランジスタ４０を含む。若干の実施の形態においては、電圧コントローラ１４及び電力トランジスタ４０は、共用基体３６の同一の側に形成されている。図示の実施の形態においては、電圧コントローラ１４と電力トランジスタ４０とは、共用基体３６の反対側に形成されている。

電圧コントローラ１４は集積回路であることができる。電圧コントローラ１４及び電力トランジスタ４０が共用基体３６の反対側にある実施の形態においては、電圧コントローラ１４と電力トランジスタ４０との間の電気接続はバイア１７を含むことができる。バイア１７は、共用基体３６を横切って形成されたスルーホールである。バイア１７は、共用基体３６の両側上に形成されたリードに結合することができる。電圧コントローラ１４及び電力トランジスタ４０は、バイア１７、またはリードの何れかに直接結合することができる。

他の実施の形態においては、電圧コントローラ１４は、共用基体３６の電力トランジスタと同一の側に形成されている。これらの実施の形態は、電気接続のためのバイアを含まないことができるが、共用基体３６上に形成されたリードは含むことができる。

電力トランジスタ４０は、ボール結合アレイ４４、またははんだボールアレイを通してバイア１７またはリードに結合することができる。電力トランジスタ４０は、別々に形成される。即ち、電力トランジスタ４０は大きい電流及び電圧を取扱うので、電力トランジスタ４０は“離散”されている。従って、電力トランジスタ４０は効率的な冷却を必要とする。更に、電力トランジスタ４０は、低電力集積回路とは異なる技術によって形成される。電圧コントローラ１４のトランジスタは、より小さい電流または電圧で動作するので、共用基体３６内に形成することができる。

若干の実施の形態においては、電力トランジスタ４０は、高電圧、大電流を取扱うのに適する離散した二重拡散ＭＯＳ（ＤＭＯＳ）トランジスタである。若干の実施の形態においては、電力トランジスタ４０が取扱う電流は、約0.1Ａ乃至約100Ａの範囲内にある。若干の実施の形態においては、電力トランジスタ４０は、ＭＯＳ、ＪＦＥＴ、ＮＰＮ、ＰＮＰ、ＰＭＯＳ、またはＮＭＯＳトランジスタとして形成、または実現することができる。電力トランジスタ４０は、フリップチップアーキテクチャを有することができる。若干の実施の形態においては、電圧コントローラ１４及び電力トランジスタ４０は集積化することができる。

若干の実施の形態においては、熱整流デバイス８は、電力トランジスタ４０に近接して形成されている。熱整流デバイス８は、補助電圧源２８、熱バリヤー１６、熱コレクタ２０、及びヒートシンク２４を含む。熱バリヤー１６は、共用基体３６と熱コレクタ２０との間に形成されている。熱コレクタ２０は、熱を効率的にヒートシンク２４まで導くために形成されている。

熱伝導体板３７を、共用基体３６内に形成することができる。熱伝導体板３７の一部分は電力トランジスタ４０の下に位置しているが、電力トランジスタ４０によってカバーされていない領域にまで伸びている。電力トランジスタ４０が発生する熱は、電力トランジスタ４０の下の領域内の熱伝導体板３７の電子を加熱する。これらの熱い電子は、補助電圧発生器２８の補助電圧によって、電力トランジスタ４０の下から電力トランジスタ４０によってカバーされていない領域へ駆動される。

熱伝導体板３７のカバーされていない領域内の熱い電子は、補助電圧発生器２８の補助電圧によって熱バリヤー１６をトンネルして通り抜け、熱コレクタ２０まで駆動される。熱コレクタ２０において、これらの熱い電子はそれらの熱エネルギを他の電子及び原子へ解放する。熱は、熱コレクタ２０からヒートシンク２４へ伝達される。熱は、ヒートシンク２４から周囲環境へ伝達される。補助電圧発生器２８と熱コレクタ２０との間の結合を図４に示す。

若干の実施の形態においては、熱整流デバイス８は電力トランジスタ４０と直接接触させて形成することができる。

補助電圧発生器２８は、補助電圧コントローラ３９及び補助電力トランジスタ４２を含む。図示の実施の形態においては、図３に示すように、補助電圧コントローラ３９は、共用基体３６の補助電力トランジスタ４２とは反対の側上に形成されている。これらの実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９と補助電力トランジスタ４２とを電気的に結合するために、バイア４１を形成することができる。若干の実施の形態においては、補助リード３２（図示してない）を共用基体３６の一方の側、または両側上に形成し、バイア４１と補助電力トランジスタ４２及び補助電圧コントローラ３９との間を電気的に接続することができる。

若干の実施の形態においては、補助電力トランジスタ４２及び電力トランジスタ４０は、熱イオン的に冷却されている電圧レギュレータ２の動作中にそれらの温度を互いに接近させるように選択される。

他の実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９は、共用基体３６の補助電力トランジスタ４２と同一の側に形成することができる。これらの実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９と補助電力トランジスタ４２とを電気的に結合するために、補助リード３２（図示してない）を形成することができる。

図３に示す実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９が、冷却システムの回路の所定の部分の温度を所定の範囲内に維持できるようになっている。この所定の部分は、例えば、電力トランジスタ４０であることができる。補助電圧コントローラ３９は、例えば、補助電圧発生器２８が発生する補助電圧Ｖ_auxを制御することによって、所定の部分の温度を所定の温度範囲内に維持することができる。若干の実施の形態においては、ヒートシンク２４は、ファンによって付加的に冷却される。これらの実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９はファンをも制御することができる。

若干の実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９は、回路の複数の部分に結合されている複数の熱センサを含むことができ、またはそれらと共に動作させることができる。これらのセンサは、感知した温度に応答して信号を補助電圧コントローラ３９へ供給する。センサの信号に応答して、補助電圧コントローラ３９は制御動作を開始することができる。

例えば、もし電力トランジスタ４０の温度が所定の温度より高く上昇したことをセンサが感知すれば、センサは補助電圧コントローラ３９へ信号を送る。それに応答して補助電圧コントローラ３９は、より多くの熱い電子を熱伝導体板３７から熱バリヤー１６を通して熱コレクタ２０へ駆動するために補助電圧Ｖ_auxを増加させるか、またはヒートシンク２４を冷却するファンの速度を増加させるか、または電力トランジスタ４０の駆動電圧を低下させるか、または上述した制御動作の何等かの組合わせを開始することができる。他の実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９は、電圧レギュレータ４から負荷へ送給される電圧に従って、上述した制御動作の１つまたはそれ以上を遂行する。若干の実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９の複数の制御機能を、分離したコントローラによって遂行させることができる。

図４は、共用基体３６面を上方から見た時の熱整流デバイス８を示している。補助電力トランジスタ４２は、リンク３１を通して受動回路４５に結合されている。若干の実施の形態においては、受動回路４５はローパスフィルタを含んでいる。ローパスフィルタの例を図５に示す。受動回路４５は、補助リンク３２を通して、図示されているヒートシンク２４の下に位置している熱コレクタ２０に結合することができる。補助電力発生器２８は、補助電圧Ｖ_auxを熱コレクタ２０と熱伝導体板３７との間に印加して熱い電子のための回路を完成させる。

図５は、受動回路４５の例としてのローパスフィルタを示している。受動回路４５は、リンク３１を通して補助電力トランジスタ４２に結合されている。補助電力トランジスタ４２は、バイア４１を通して補助電圧コントローラ３９に結合されている。ローパスフィルタは、例えば、当分野においては公知のローパスフィルタのための多くのレイアウトの何れか１つの抵抗４６、キャパシタ４７、及びインダクタ４８を含むことができる。

図６は、負荷に結合されている本発明の実施の形態による電圧レギュレータ４の回路図である。電圧レギュレータ４及び電力トランジスタ４０は、入力レール５３に結合されている。入力レール５３上の入力電圧Ｖ_inは、約５Ｖ乃至約200Ｖの範囲内、例えば12Ｖであることができる。入力レール５３上の入力電流Ｉ_inは、約１Ａ乃至約30Ａの範囲内、例えば10Ａであることができる。入力電圧Ｖ_inは、電圧コントローラ１４及び電力トランジスタ４０の両方を駆動することができる。若干の実施の形態においては、入力レール５３と接地６２との間に２個の電力トランジスタ４０が直列に結合されている。他の実施の形態においては、１個の電力トランジスタだけを、または２個より多くの電力トランジスタを使用することができる。安定化された電圧Ｖ_regが、電力トランジスタ４０の間の出力端子６３から出力される。電圧コントローラ１４は、安定化電圧Ｖ_regを所定の範囲内に維持するために、電力トランジスタ４０を制御する。若干の実施の形態においては、安定化電圧Ｖ_regは、約0.5Ｖ乃至約５Ｖであり、例えば1.1Ｖである。安定化電流Ｉ_regは、10Ａ乃至200Ａであり、例えば100Ａである。安定化電圧Ｖ_regは、フィルタ６５に印加することができる。フィルタ６５は、例えばローパスフィルタであることができる。フィルタ６５の出力は、負荷７０に結合されている。

負荷７０は、限定するものではないが、電力増幅器、ＣＰＵ、衛星受信機、及び低雑音増幅器を含むさまざまな電子回路の何れかであることができる。前述したように、小型化が進むにつれて、これらの回路の全てに益々効率的な冷却が必要である。

若干の実施の形態においては、必要に応じて増幅器を回路内に、例えば電圧コントローラ１４と電力トランジスタ４０との間に含ませることができる。

若干の実施の形態においては、負荷７０は、共用基体３６上に形成することができる。負荷７０は、電力トランジスタ４０と同一の側に、または電力トランジスタ４０とは反対の側に形成することができる。これらの実施の形態においては、熱整流デバイス８も負荷７０を冷却することができる。例えば、熱伝導体板３７を負荷７０まで延長し、負荷７０と熱伝導体板３７との間に熱結合を確立することができる。この実施の形態の動作中、熱い負荷７０は熱伝導体板３７内に熱い電子を作り、これらの電子は補助電圧Ｖ_auxによって熱バリヤー１６を通して熱コレクタ２０へ駆動される。

補助電圧コントローラ３９は、冷却システムの回路の所定の部分を所定温度範囲内に維持することができるようになっている。この所定の部分は、電力トランジスタ４０、または負荷７０であることができる。補助電圧コントローラ３９は、例えば、補助電圧発生器２８が発生する補助電圧Ｖ_auxを制御することによって、上記所定の部分の温度を所定の温度範囲内に維持することができる。若干の実施の形態においては、ヒートシンク２４はファンによって付加的に冷却される。これらの実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９はファンを制御することもできる。

例えば、もし電力トランジスタ４０または負荷７０の温度が所定の温度より高く上昇したことをセンサが感知すれば、センサは補助電圧コントローラ３９へ信号を送る。それに応答して補助電圧コントローラ３９は、より多くの熱い電子を熱伝導体板３７から熱バリヤー１６を通して熱コレクタ２０へ駆動するために補助電圧Ｖ_auxを増加させることができる。代替として、補助電圧コントローラ３９は、ヒートシンク２４を冷却するファンの速度を増加させることができる。最後に、補助電圧コントローラ３９は、電力トランジスタ４０の駆動電圧Ｖ_inを、従って負荷７０に印加される安定化電圧Ｖ_auxを低下させることができる。補助電圧コントローラ３９は、上述した制御動作の何等かの組合わせをも開始することができる。他の実施の形態においては、補助電圧コントローラ３９は、負荷７０へ送給される安定化電圧Ｖ_regに従って、上述した制御動作の１つまたはそれ以上を遂行する。

以上に、本発明及びその長所を詳細に説明したが、特許請求の範囲に記載されている本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、種々の変化、置換、及び代替を考案できることが理解されよう。即ち、本明細書に含まれる説明は、基本的記述として役立つことを意図してなされたものである。特定の説明が、可能な全ての実施の形態を明確に記述しているのではなく、多くの代替が暗示されていることを理解されたい。またこの特定の説明は本発明の包括的な本質を完全に説明してはおらず、どのように各フィーチャまたは要素が広範な機能を、または種々の代替または等価要素を実際に表し得るかを明確に示してはいない。再度、この説明には暗示が含まれている。本発明をデバイス向き用語で記述してある場合、デバイスの各要素は１つの機能を暗示的に遂行する。説明または用語は、特許請求の範囲を限定することを意図してはいない。

本発明の一実施の形態による熱イオン的に冷却されている電圧レギュレータのブロック図である。電圧レギュレータと組合わされた本発明の実施の形態による熱整流デバイスの例を示す図である。本発明の一実施の形態による熱イオン的に冷却されている電圧レギュレータの例を示す図である。本発明の一実施の形態による熱整流デバイスに結合されている受動回路の例を示す図である。本発明の一実施の形態による受動回路の例としてのローパスフィルタを示す図である。集積された負荷を有する本発明の実施の形態による熱イオン冷却システムを示す図である。

Claims

熱イオン冷却システムを有する電力回路であって、
電圧レギュレータと、
前記電圧レギュレータを冷却するように動作可能な熱整流デバイスと、
を含み、
前記熱整流デバイスは、
熱コレクタと、
前記電圧レギュレータと前記熱コレクタとの間に位置決めされている熱バリヤーとを含み、
前記電圧レギュレータと前記熱コレクタとの間に印加する電圧によって、電子を前記電圧レギュレータから前記熱バリヤーを横切って前記熱コレクタ上へトンネルさせること可能にする、
ことを特徴とする電力回路。
前記熱バリヤーは、少なくとも１つの真空ギャップ及び低熱伝導度を有する層を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力回路。
前記熱バリヤーは、前記熱コレクタから前記電圧レギュレータへの熱の逆流を阻止するように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の電力回路。
前記電圧レギュレータと前記熱コレクタとの間に電圧を印加して、電子を前記電圧レギュレータから前記熱バリヤーを横切って前記熱コレクタへトンネルさせるように動作可能な電圧発生器を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力回路。
前記熱コレクタに結合されているヒートシンクを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力回路。
前記ヒートシンクはリブ付き金属構造を含み、
前記熱コレクタは金属層を含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の電力回路。
前記ヒートシンクを冷却するように動作可能なファンを含むことを特徴とする請求項５に記載の電力回路。
前記熱イオン冷却システムの電力供給効率は、カルノー効率に接近していることを特徴とする請求項１に記載の電力回路。
前記電圧レギュレータは、
電圧コントローラと、
少なくとも１個の電力トランジスタと、
を含み、
前記電圧コントローラは、前記少なくとも１個の電力トランジスタの電圧を制御するように動作可能である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力回路。
前記少なくとも１個の電力トランジスタは、
少なくとも１個のＭＯＳ、ＤＭＯＳ、ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ、ＪＦＥＴ、ＮＰＮ、及びＰＮＰトランジスタからなる、
ことを特徴とする請求項９に記載の電力回路。
前記少なくとも１個の電力トランジスタ及び前記熱整流デバイスに熱的に結合されている熱伝導体板を含むことを特徴とする請求項９に記載の電力回路。
前記電圧コントローラ及び前記少なくとも１個の電力トランジスタによって共用される共用基体を含むことを特徴とする請求項９に記載の電力回路。
前記電圧コントローラ及び前記少なくとも１個の電力トランジスタは、前記共用基体の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の電力回路。
前記電圧コントローラは、バイアを介して前記少なくとも１個の電力トランジスタに結合されていることを特徴とする請求項１３に記載の電力回路。
前記電圧コントローラ及び前記少なくとも１個の電力トランジスタは、前記共用基体の同一側に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の電力回路。
前記熱整流デバイスは、前記共用基体上に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の電力回路。
前記熱整流デバイスは、
前記熱バリヤーにまたがって電圧を印加するように動作可能な補助電圧発生器を含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の電力回路。
前記補助電圧発生器は、
補助電圧コントローラと、
少なくとも１個の電力トランジスタと、
を含むことを特徴とする請求項１７に記載の電力回路。
前記補助電圧コントローラ及び前記少なくとも１個の補助電力トランジスタは、前記共用基体の反対側上に形成されており、バイアを通して結合されていることを特徴とする請求項１８に記載の電力回路。
前記電圧レギュレータと、前記補助電圧発生器とに熱的に結合されている熱伝導体板を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の電力回路。
前記補助電圧発生器は、受動回路を通して前記熱コレクタに結合されていることを特徴とする請求項１７に記載の電力回路。
前記受動回路は、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項２１に記載の電力回路。
前記補助電圧発生器は、前記熱コレクタ、前記ヒートシンク、前記少なくとも１個の電力トランジスタ、前記補助電圧発生器、及び前記共用基体の少なくとも１つの温度を、所定の範囲内に維持するように動作可能であることを特徴とする請求項１７に記載の電力回路。
前記コントローラは、前記熱コレクタ、前記ヒートシンク、前記少なくとも１個の電力トランジスタ、前記補助電圧発生器、及び前記共用基体の少なくとも１つの温度を、前記電力トランジスタ、前記電圧発生器、及び前記ヒートシンクを冷却するように位置決めされているファンの少なくとも１つを制御することによって所定の範囲内に維持することを特徴とする請求項２３に記載の電力回路。
前記少なくとも１個の電力トランジスタは、入力レールと接地との間に直列に結合され且つ前記電圧コントローラによって制御される２個の離散した電力トランジスタからなることを特徴とする請求項９に記載の電力回路。
前記電圧レギュレータは、前記２個の離散した電力トランジスタの間に位置決めされ且つ安定化電圧を供給するように動作可能な出力端子を含むことを特徴とする請求項２５に記載の電力回路。
前記電力回路と共に集積されている負荷を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の電力回路。
前記負荷は、電力増幅器、ＣＰＵ、衛星受信機、及び低雑音増幅器の１つであることを特徴とする請求項２７に記載の電力回路。
前記熱イオン冷却システムは、前記負荷を冷却するように動作可能であることを特徴とする請求項２７に記載の電力回路。
前記熱イオン冷却システムは、前記負荷に印加される電圧を制御することによって温度を所定の範囲内に維持することを特徴とする請求項２９に記載の電力回路。
熱イオン冷却システムを有する電力回路であって、
電圧レギュレータ手段と、
前記電圧レギュレータ手段を冷却するように動作可能な熱整流手段と、
を含み、
前記熱整流手段は、
熱コレクタ手段と、
前記電圧レギュレータ手段と前記熱コレクタ手段との間に位置決めされている熱バリヤー手段とを含み、
前記電圧レギュレータと前記熱コレクタとの間に印加する電圧によって、電子を前記電圧レギュレータ手段から前記熱バリヤー手段を横切って前記熱コレクタ手段上へトンネルさせることを可能にする、
ことを特徴とする電力回路。
電力回路を熱イオン冷却する方法であって、
電圧レギュレータを準備するステップと、
前記電圧レギュレータを冷却するように動作可能な熱整流デバイスを準備するステップと、
を含み、
前記熱整流デバイスは、
熱コレクタと、
前記電圧レギュレータと前記熱コレクタとの間に位置決めされている熱バリヤーとを含み、
前記電圧レギュレータと前記熱コレクタとの間に印加する電圧によって、電子を前記電圧レギュレータから前記熱バリヤー手段を横切って前記熱コレクタ上へトンネルさせることを可能にする、
ことを特徴とする方法。
前記電圧レギュレータと前記熱コレクタとの間に電圧を印加して、電子を前記電圧レギュレータから前記熱バリヤー手段を横切って前記熱コレクタ上へトンネルさせることを可能にするステップを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。