KR20030001346A - 집적 회로와 안정화 파워 서플라이 및 초전 축전기를사용하는 방법 - Google Patents

집적 회로와 안정화 파워 서플라이 및 초전 축전기를사용하는 방법 Download PDF

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KR20030001346A
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페르너프레데릭에이
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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

안정화 파워 서플라이는 초전 축전기를 포함한다. 이런 파워 서플라이는 집적 회로에 통합될 수 있다.

Description

집적 회로와 안정화 파워 서플라이 및 초전 축전기를 사용하는 방법{POWER SUPPLY INCLUDING PYROELECTRIC CAPACITOR}
본 발명은 파워 서플라이(power supplies)에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 집적 회로에 통합될 수 있는 안정화(regulated) 파워 서플라이에 관한 것이다.
집적 회로의 소형화 및 집적화는 진행중인 추세다. 반도체 제조 기법은 단일 칩에 수 백만의 트랜지스터를 갖는 집적 회로를 생산하기 위해 이용된다. 매 해가 지날수록, 트랜지스터의 수는 증가한다.
그러나, 집적 회로에 대한 고전압 파워 서플라이는 소형화하기에 어려움이 있어 왔다. 전통적인 자기-기반 변압기(magnetic-based voltage transformers)는 집적회로에 통합되기에는 크기가 너무 크다. 전압 체배기(voltage doublers) 또한 너무 크며, 전형적으로 저전압(예로, 5 볼트)에서 고전압(예로, 100 볼트)을 생성하기 위해 매우 많은 단계를 필요로 한다. 압전(piezoelectric) 변압기는 밀리미터 스케일(millimeter scale)로 상승(step up)된 전압을 제공할 수 있으나, 집적회로에 통합되기에는 여전히 크기가 너무 크다.
필드-방사(field-emitting) 메모리 장치, 복사 검파 감지기(radiation detection sensors) 그리고 다수의 다른 칩-기반 장치는 보통 고전압에서 작동한다. 다수의 이러한 장치는 파워 서플라이가 집적회로에 통합될 수 있도록 충분히 소형화될 수 있을 경우 크기는 극적으로 감소될 수 있다.
본 발명의 일 측면을 따르면, 안정화 파워 서플라이는 초전 축전기(pyroelectric capacitor)를 포함하고 있다. 이 파워 서플라이는 집적 회로에 통합될 수 있다. 본 발명의 다른 측면과 이점은 본 발명의 원리를 예를 들어 설명하는 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면에서 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 서플라이의 블록도,
도 2는 파워 서플라이에 대한 축전기 온도의 도면,
도 3은 집적 회로의 일부인 가열기 및 초전 축전기를 도시하는 도면,
도 4는 집적 회로 파워 서플라이의 실시예를 도시하는 도면,
도 5는 안정화 전압을 생성하기 위해 초전 축전기를 사용하는 방법의 흐름도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 파워 서플라이12 : 초전 축전기
14 : 금속 극판20 : 가열기
114 : 두꺼운 필드 산화물116 : 실리콘 기판
118 : 다이오드
예시 목적을 위해 도면에 도시된 것처럼, 본 발명은 초전 축전기를 포함하는 안정화 파워 서플라이에서 구현된다. 파워 서플라이는 크리스탈 크기에 비례하는 최대 파워 용량(maximum power capability)을 갖는 안정화 출력 전압에 제공한다. 20과 200 볼트 사이의 전압은, 초전 축전기에서 사용된 초전 물질의 유형에 따라, 저전압(예로, 3-10 볼트)으로부터 생성될 수 있고, 온도가 1-5°C의 범위에서 증가한다. 작은 크기(small size), 디자인의 단순성, 그리고 고 전압 범위로 인해 파워 서플라이가 집적 회로에 통합될 수 있다.
도 1을 참조하면, 파워 서플라이(10)는 제 1 및 제 2 금속 극판(metal plate)(14, 16) 그리고 극판(14, 16)사이의 유전체(18)를 포함하는 초전 축전기(12)를 포함하고 있다. 유전체(18)는 초전 물질로 이루어져 있고, 초전 물질은 온도에 좌우되는 자체(built-in) 분극화를 포함하고 있다. 온도 변화가 분극화의 세기를 변화시키므로 분극화는 온도에 의해 좌우된다. 초전 물질은 영역(A), 두께(d) 그리고 크리스탈 두께 방향의 분극화 방향을 갖는 얇고 평평한 크리스탈일수 있다. 초전 축전기(12)는 또한 특정 초전 물질의 특성인 영역(A), 두께(d) 그리고 관련 유전 상수 그리고 분극화를 가지고 있다.
분극화 변화는 분극화 변화의 규형을 맞추기 위해 외부 전류가 흐르게 한다. 금속 극판(14, 16)에서의 전압(Vc)은 초전 축전기(12)의 정전 용량, 두 개의 금속 판(14, 16)에 연결된 회로 임피던스(circuit impedance), 그리고 초전 물질에 적용된 온도 조건의 결과물이다. 일반적으로, 초전 물질의 온도가 증가함에 따라, 양의 변위 전류(positive displacement current)는 초전 물질 밖으로 흐르고 축전기 전압(Vc)을 상승시킨다. 일반적으로, 초전 물질의 온도가 감소함에 따라, 전류는 초전 물질로 흐르고 축전기 전압(Vc)을 감소시킨다. 변위 전류(I)는 분극화 축을 따라 I=pA(dT/dt)로 발생하고, 여기서 p는 물질-의존(material dependent) 초전 계수이며, A는 분극화 축에 수직인 크리스탈 영역이고, dT/dt는 온도 변화율이다. 그러므로 변위 전류와 축전기 전압(Vc)은 온도에는 의존적이지 않고, 오히려 시간 함수로서 온도 변화에 의존적이다.
유전체 두께(d)는 디자인 파라미터(design parameter)이다. 즉, 초전 물질 두께를 증가시키면 정전 용량이 감소되고 최대 전압 용량은 증가되는 반면, 초전 물질 두께가 감소하면 정전 용량이 증가되고 최대 전압 용량은 감소된다. 최대 전압 용량은 사용되는 특정 초전 물질에 의존적이다. 예를 들어, LiNbO3크리스탈은 온도가 섭씨 1도 증가할 때마다 33볼트를 발생시킬 수 있고, LiTaO3크리스탈은 섭씨 1도마다 46볼트를 발생시킬 수 있으며, Li2SO2H2O는 섭씨 1도마다 141볼트를 발생시킬 수 있다. 이들 크리스탈은 전압 발생기(12)가 초전 물질의 온도가 1 - 5°C 증가 할 때 20에서 200 볼트를 발생시키는 것을 가능하게 해준다. 나중에 설명하듯이, 비교적 저전압(예로, 1.5-10 볼트)만이 이러한 고전압을 발생시키기 위해 필요하다.
파워 서플라이(10)는 초전 축전기(12)에 매우 근접해 있는 가열기(20)를 포함하고 있다. 가열기(20)는 초전 물질에서 작고 균일한 온도 변화를 일으킨다. 예를 들어, 가열기(20)는 축전기(12)와 접촉하는 열-방산 요소(heat-dissipative element)(예로, 저항)일 수도 있다. 초전 물질의 온도는 파워가 방산 요소에 공급될 때 증가하고, 초전 물질의 온도는 방산 요소에 파워가 단절될 때 감소한다.
도 2를 또한 참조하기로 한다. 제어 회로(22)는 가열기(20)가 초전 물질(16)의 온도 변화를 일으키게 한다. 방산 요소에 대한 회로(22)는 전기 파워의 펄스(P)를 방산 요소에 보낼 수 있다. 전기 펄스는 방산 요소가 열 펄스(pulse of heat)를 초전 물질(16)에 보내게 한다. 열 펄스는 초전 물질의 온도를 증가시키게 하고 전류가 초전 물질 밖으로 흐르게 한다("가열 주기"로 지칭되는 시간 주기 동안). 펄스 사이의 시간동안("냉각 주기"), 초전 물질로부터의 열은 주위 환경으로 방산되고, 초전 물질은 주위 환경의 온도에 가깝게 냉각된다. 가열 및 냉각 주기의 시리즈는 하나의 긴 가열 주기에 비해 선호된다(긴 가열 주기는 집적 회로 칩상에서 과열(over-temperature) 상황을 유발할 수 있다).
전기적 펄스의 진폭과 주파수는 또한 축전기 전압(Vc) 크기(magnitude)를 결정한다. 주파수는 킬로-헤르쯔(kilo-Hertz) 단위 또는 그 미만의 비교적 낮을 수있다(열 시간 상수가 킬로 헤르쯔 범위내에 있기 때문에). 열 펄스의 진폭은 초전 축전기(12)가 견딜 수 있는 최대 온도와 관련있다. 초전 물질의 더 높은 온도는 더 효율적인 냉각 주기(예로, 방산 요소에 파워가 단절될 때의 시간 주기)로 귀착될 것이다. 회로(22)의 디자인은 가열 주기동안 출력 부하에 전달되어야 할 전하량과, 냉각 주기(예로, 가열 주기 사이)동안 초전 물질의 회복(recovery)을 고려해야 한다. 이러한 시간 관계는 부하 전압에 직접적인 관련이 있다.
제어 회로(22)는 또한 냉각 주기동안 전하 회복을 제공한다. 초전 물질을 통한 전류 흐름은 변위 전류이다, 즉 물리적 전류가 아니다. 물리적 전류는 제어 회로(22)에서 초전 축전기(12)로 흘러서 냉각 동안의 초전 물질의 분극화 변화에 의해 생성된 전하 균형 관계를 만족시킨다. 초전 물질의 온도가 증가할 경우, 양의 전류가 출력 회로(24)로 흐른다. 초전 물질이 냉각될 경우, 제어 회로(22)는 전류가 역으로 초전 축전기로 흐르게 한다. 하나의 온도 주기로부터의 순 전하 교환(net charge exchange)은 0이고, 출력부에 공급된 모든 전하는 냉각 주기동안 되돌아온다. 그러므로 제어 회로(22)는 초전 축전기(12)를 "재충전" 시킨다.
출력 회로(24)는 가열 주기동안에 동작한다. 초전 물질의 온도가 가열 주기동안 상승할 경우, 초전 물질로부터의 전하는 출력 회로(24)로 흐르고, 출력 회로(24)는 초전 축전기(12)의 출력을 정류한다.
출력 회로(24)로부터의 피드백(feedback)은 제어 회로(22)에서 가열기 회로(20)로의 파워 펄스의 시퀀스를 결정하기 위해 사용된다. 출력 전압(Vout)은 기준 전압(Vref)과 비교된다. 출력 전압이 기준 전압보다 더 낮을 경우, 파워 펄스는 초전 축전기(12)가 출력 회로(24)에 전하를 제공하도록 하기 위해 공급되어 출력 전압(Vout)은 상승한다. 출력 전압(Vout)이 기준 전압(Vref)보다 더 높을 경우, 콘트롤 신호(24)는 가열기(20)에 파워 펄스를 보내지 않고, 따라서 초전 축전기(12)는 주변 온도에 가깝게 냉각된다. 출력 회로(24)에는 어떠한 전하도 공급되지 않으며, 출력 회로(24)가 부하에 전하를 공급하는동안 출력 전압(Vout)은 감소될 수 있게 된다.
파워 서플라이(10)는 다수의 상이한 응용에 사용될 수도 있다. 그러나, 그것의 작은 크기, 디자인의 단순성, 낮은 파워 요구, 그리고 고전압 범위로 인해 파워 서플라이(10)가 집적회로에 통합될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 도 3은 집적 회로(12)의 일부분인 초전 축전기(12)와 가열기(20)를 도시하고 있다. 가열기(20)는 초전 축전기(12)와 접촉하는 박막 저항(thin film resistor)을 포함하고 있다. 두꺼운 필드 산화물(thick field oxide)(114)이 실리콘 기판(116)상에 형성될 수 있고, 박막 저항은 필드 산화물(114)위에 형성되며, 초전 축전기(12)는 박막 저항상에 형성된다. 이러한 구조는 가열기(20)와 초전 축전기(12) 사이의 양호한 열 결합을 가지고 있다. 이 구조는 또한 기판(116)에 좋지 않은 열 결합을 가지고 있어서 가열기(20)으로부터의 대부분의 열 펄스는 초전 물질에 결합된다. 기판에서 흩어져 있는 저항은 구현하는데는 비용이 적게 드나, 초전 물질을 가열하기 위해 더 많은 파워를 요구한다. 초전 축전기(12)에 열을 전달하기 위해 저항 대신 트랜지스터(transistors)(기판에 있는 박막 트랜지스터 혹은 트랜지스터)가 사용될 수도 있다. 파워 소스의 분리가요구될 경우 가열기(20)에 전달되는 파워는 집적 회로(112)의 VDD 파워 서플라이 또는 별개의 가열기 파워 서플라이로부터 발생할 수 있다.
초전 물질의 영역 구성은 가열기(20)의 영역 구성을 따를 수도 있다. 크리스탈이 집적 회로의 표면에 접착될 경우, 정규 형태(regular shape)(예로, 정 사각형 또는 직사각형)가 선호된다. 초전 크리스탈이 기판상에서 성장하거나 증착되고 사진 석판 처리(photolithography process)를 사용해 패터닝(patterned)될 경우, 크리스탈의 표면 형태는 가열기(20)를 커버하는 어떠한 복잡한 형태라도 될 수 있다. 냉각 주기동안, 초전 물질로부터의 열은 집적 회로 패키징(packaging) 물질에 방산된다.
박막 저항 또는 다른 열-방산 요소는 폴리 실리콘(poly sillicon ) 또는 텅스텐(tungsten) 같은 거의 어떠한 저항 물질로도 이루어질 수 있다. 초전 축전기 크리스탈이 기계적으로 칩상에 배치될 경우, 개별 와이어(discrete wire)를 이용해 또는 빔-리드(beam-lead)의 일부로서 크리스탈 상부에 전도체를 부가할 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 4는 집적 회로(112)에 대한 파워 서플라이의 특정 실시예를 도시하고 있다. 제어 회로(22)와 출력 회로(24)는 실리콘 기판(116)내에 제조될 수 있다. 출력 회로(24)는 초전 축전기(12)의 출력을 정류하기 위한 다이오드(118)와 출력 필터(120)(예로, 축전기 및 저항)를 포함하고 있다. 출력 회로(24)는 출력 회로(24)의 출력에서 전압 레벨을 감지하고 피드백(Fbk)을 제어 회로(22)에 제공하기 위한 감지 회로(122)를 더 포함한다. 감지 회로(122)는 저항 사다리(ladder)로 도시되고, 출력 필터(120)의 일부를 형성한다.
제어 회로(22)는 감지된 출력 전압을 기준 전압(Vref)에 비교하기 위한 비교기(124)와 파워 펄스 시리즈를 비교기(124)로부터의 출력에 따라 가열기(20)에 전달하기 위한 펄스 발생기(126)를 포함하고 있다. 펄스 발생기(126)는 클록(clock)과 게이트(gate)를 포함할 수도 있다. 클록은 고정된 주파수의 펄스를 발생시키고, 게이트는 출력 전압(Vout)이 기준 전압(Vref)보다 낮을 경우 소정의 펄스를 통과시킨다.
가열기(20)로의 전기 펄스의 진폭과 주파수를 제어하는 대신에 더 정교한 제어 회로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 가변 주파수/진폭 발생기가 사용될 수 있다. 진폭은 가열 주기 마다 가열기(20)에 전달된 순시 파워(instantaneous power) 를 제어하기 위해 변할 수도 있고, 주파수는 가열과 냉각 기간의 지속 시간을 제어하기 위해 변할 수도 있다. 가열 듀티 사이클(duty cycle)의 증가(즉, 전체 사이클에 대한 가열 사이클 기간의 비의 증가)는 출력 전압(Vout)을 증가시킬 것이고, 가열 듀티 사이클의 감소는 출력 전압(Vout)을 감소시킬 것이다. 주파수 증가는 초전 축전기(12)의 평균 온도를 상승시킬 것이다. 초전 물질(12)과 주위와의 보다 큰 온도차이에서 동작함으로써, 냉각 주기는 더 효율적일 것이고 고 출력 전압(Vout)을 생성할 것이다.
제어 회로(22)는 또한 냉각 주기 동안 전하 회복을 제공하기 위한 다이오드(128)를 포함하고 있다. 다이오드(128)는 초전 축전기(12)와 충전 전압(Vg)을 제공하는 소스 사이에 연결되어 있다. 축전기 전압(Vc)이 출력 전압(Vc)보다 더 클 경우, 파워가 출력 회로(24)에 전달된다. 축전기 전압(Vc)이냉각 주기 동안 회복 전압(Vc)보다 더 작을 경우, 전류는 다이오드(128)를 통해 회복 전압 소스에서 초전 축전기(12)로 흘러서 전하는 회복된다.
기준 전압(Vref)과 충전 전압(Vg)을 제공하는 소스는 집적 회로(112)에 내부적 또는 외부적일 수 있다. 충전 전압(Vg)은 바이어스 전압(예로 정규 저전압(normal low voltage) 파워 서플라이 VDD) 또는 초전 축전기(12)의 저 전압 레벨을 제한하기 위한 그리고 가열 주기 동안 축전기 전압(Vc) 증가 속도를 증가시키기 위한 소정의 다른 충전 전압으로 설정된다.
제어 회로(22)는 축전기 전압(Vc)이 출력 전압(Vout)과 회복 전압(Vout) 사이를 스윙(swing) 하는 시간 주기 동안 전하를 회복시키지도 또는 축전기를 충전시키지도 않는다. 더 높은 회복 전압(Vout)은 파워 서플라이(10)의 더 나은 효율을 유발한다. 기준 전압(Vg)을 설정하기 위해 가장 높은 가용 파워 서플라이 전위를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
도 5는 전술한 회로를 사용하는 일반적인 방법을 도시하고 있다. 열 펄스는 초전 축전기(21)에 보내지고, 축전기 전압은 기준 전압과 비교되며, 열 펄스는 비교(214)에 따라 조정된다. 열 펄스는 펄스 폭, 진폭, 주파수의 변경에 의해 조정된다.
반도체 칩에 통합된 고전압 소스에 대한 많은 응용이 있다. 이들 응용에는 필드 이미터(field emitter) 메모리 장치와 방사 검파기등이 있다.
본 발명은 전술한 그리고 예시된 특정 실시예에 제한 받지 않는다. 대신, 본 발명은 다음의 청구항에 따라 해석된다.
본 발명에 따르면, 안정화 파워 서플라이는 초전 축전기를 포함하고, 그런 파워 서플라이는 소형이어서 집적 회로에 통합될 수 있다.

Claims (19)

  1. 초전 축전기를 포함하는 안정화 파워 서플라이(regulated power supply)를 구비한
    집적 회로(integrated circuit).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축전기에 열적으로 결합된 가열기와, 상기 가열기가 상기 초전 축전기에 열 펄스(heat pulses)를 인가하도록 하는 회로를 더 포함하는
    집적 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가열기가 상기 초전 축전기의 극판상에 박막 방산 요소(thin film dissipating element)를 포함하는
    집적 회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    기판과 상기 기판상에 있는 열 장벽(thermal barrier)을 더 포함하되, 상기 박막 방산 요소가 상기 열 장벽상에 형성된
    집적 회로.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 회로가
    상기 파워 서플라이의 출력 전압을 감지하는 전압 감지기(voltage sensor)와,
    상기 출력 전압을 기준 전압에 비교하는 비교기(comparator)와,
    상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 더 작을 경우 상기 가열기에 펄스를 제공하는 펄스 발생기(pulse generator)를 포함하는
    집적 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전압 감지기가 저항 사다리(resistor ladder)를 포함하고, 상기 파워 서플라이가 상기 축전기의 출력을 정류하는 정류기를 포함하되, 상기 저항 사다리가 상기 정류기의 일부를 형성하는
    집적 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    파워 서플라이 출력 전압이 회복 전압(recovery voltage) 아래로 떨어질 경우 냉각(cooling) 동안 상기 초전 축전기 상의 전하의 균형을 맞추기 위한 회로를 더 포함하는
    집적 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회로가 상기 축전기와 회복 전압 단자(recovery voltage terminal) 사이에 연결된 다이오드를 포함하는
    집적 회로.
  9. 초전 축전기와,
    상기 초전 축적기와 열적인 통신(thermal communication)을 하는 열 방산 요소와,
    상기 방산 요소에 전기적 펄스를 보내고 상기 펄스를 조정하여 상기 파워 서플라이의 출력을 안정화하는 피드백 회로(feedback circuit)를 포함하는
    안정화 파워 서플라이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열기가 초전 축적기의 극판상에 박막 방산 요소를 포함하는
    안정화 파워 서플라이.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 피드백 회로가
    상기 파워 서플라이 출력에 결합된 전압 감지기와,
    상기 전압 감지기의 출력을 기준 값에 비교하는 비교기와,
    상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 더 작을 경우 상기 열 방산 요소에 펄스를 제공하는 펄스 발생기를 포함하는
    안정화 파워 서플라이.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전압 감지기가 저항 사다리를 포함하고, 상기 파워 서플라이가 상기 축전기의 출력을 정류하기 위한 정류기를 더 포함하되, 상기 저항 사다리가 상기 정류기의 일부를 형성하는
    안정화 파워 서플라이.
  13. 제 9 항에 있어서,
    출력 전압이 회복 전압 아래로 떨어질 경우 냉각 동안 초전 축전기 상의 전하를 회복하는 회로를 더 포함하는
    안정화 파워 서플라이.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 회로가 상기 축전기와 회복 전압 단자 사이에 연결되어 있는 다이오드를 포함하는
    안정화 파워 서플라이.
  15. 초전 축전기와,
    상기 축전기에 열 펄스를 보내는 수단과,
    축전기 전압을 기준 전압에 비교하는 수단과,
    상기 비교에 응답하여 상기 열 펄스를 조정하는 수단을 포함하는
    안정화 파워 서플라이.
  16. 안정화 파워 서플라이로서 초전 축전기를 사용하는 방법으로서,
    상기 축전기에 열 펄스를 전송하는 단계와,
    축전기 전압을 기준 전압에 비교하는 단계와,
    상기 비교에 응답하여 상기 열 펄스를 조정하는 단계를 포함하는
    초전 축전기 사용 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    펄스 폭이 조정되는
    초전 축전기 사용 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 열 펄스의 주파수가 조정되는
    초전 축전기 사용 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 열 펄스의 진폭이 조정되는
    초전 축전기 사용 방법.
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