KR20050110038A - 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로 - Google Patents

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KR20050110038A
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Abstract

열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로가 제공된다. 본 시스템은 전압 레귤레이터와, 이 전압 레귤레이터를 냉각시키기 위한 열 조정 기기를 포함한다. 열 조정 기기는 히트 콜렉터 및 히트 배리어를 포함하며, 히트 배리어는 전압 레귤레이터와 히트 콜렉터 사이에 형성된다. 보조 전압 발생기는 전압 레귤레이터의 전자가 히트 배리어를 통과하여 히트 콜렉터 상으로 터널링할 수 있도록 한다. 전압 레귤레이터는 공유 기판과 파워 트랜지스터를 포함하고, 조정된 전압을 발생한다. 일부 실시예에서, 컨트롤러는 파워 트랜지스터, 보조 전압 발생기 및 팬을 제어함으로써 온도를 소정 범위로 유지한다. 일부 실시예에서, 부하는 열이온 냉각 시스템과 함께 통합되어, 부하 자체가 열 조정 기기에 의해 냉각될 수 있다.

Description

열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로{POWER CIRCUITRY WITH A THERMIONIC COOLING SYSTEM}
본 발명은 전원 회로의 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 전압 레귤레이터 및/또는 부하의 열이온 냉각에 관한 것이다.
전자 회로에 있어서, 전류의 흐름은 반드시 저항성 회로 소자의 발열을 수반한다. 현재의 전자 회로에서, 구성 크기가 끊임없이 감소하고 있다. 이에 따라, 전류 밀도 및 저항이 증가되어, 발생된 열의 급속한 증가를 초래하고 있다. 증가된 양의 열은 지속 가능한 동작을 위해 회로로부터 제거되어야 한다.
냉각 시스템은 밸브 및 파이프라인의 시스템을 통한 컴프레셔(compressor)에 의해 순환하는 냉각 유체에 기초하여 이루어질 수 있다. 현재의 냉동 기술은 이 설계에 기초하고 있다. 그러나, 유체, 밸브, 모터 및 전자 회로 내의 다른 이동 가능한 부품을 이용하는 것은 호환 가능하지 않은 기술보다는 이러한 기술의 통합을 필요로 한다. 따라서, 다른 냉각 시스템도 고려된다.
전자 냉각 시스템은 수동형 시스템과 능동형 시스템으로 분류될 수 있다. 수동형 시스템은 통상적으로 발열원(전자 회로)을 히트 싱크(heat sink)에 연결시킨다. 간혹, 발열원은 콜드 플레이트(cold plate)로 지칭되고, 히트 싱크는 핫 플레이트(hot plate)로 지칭된다. 이들 시스템에서, 발열은 열역학의 기본 법칙에 따라 더 고온의 발열원에서 온도 구배 또는 열구배에 의해 구동된 더 냉각된 싱크로 전도된다. 일부 시스템에서, 히트 싱크는 열전도 및 열대류에 의해 과잉의 열을 교체하는 환경에 직접 접촉한다. 다른 시스템에서, 히트 싱크는 팬에 의해 또는 유사 방법에 의해 냉각된다. 예컨대, 오늘날의 컴퓨터의 대부분은 마이크로프로세서를 팬으로 냉각시킨다.
그러나, 이들 시스템에서, 열전달의 속도는 통상적으로 저속이다. 더욱이, 수동형 시스템은 더 냉각된 장소로부터의 열을 더 고온의 장소로 전달할 수 없다. 따라서, 발열원은 항상 히트 싱크보다 더 고온을 유지한다.
능동형 시스템은 발열원에서 히트 싱크로의 열전달을 향상시키는 히트 펌프 또는 그 등가물을 채용한다. 따라서, 열의 흐름은 열구배에 의해서만 열이 전달되는 수동형 시스템에서보다 더 빠르게 된다. 더욱이, 이들 능동형 시스템은 더 냉각된 발열원으로부터의 열을 더 고온의 히트 싱크로 전달하도록 작용할 수 있다.
일부 능동형 시스템에서, 히트 펌프는 발열원의 "고온의" 전자를 히트 싱크로서 작용하는 회로의 원격 지역으로 보낸다. 고온 전자를 멀리 보냄으로써 열이 발열원으로부터 먼쪽으로 전달되기는 하지만, 간혹 주재료(host material)의 원자 또는 전자의 일부가 열을 다시 발열원 지역으로 전도하기도 한다. 이러한 역류는 이들 시스템의 효율에 강력한 한계를 야기한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열이온적으로 냉각된 전압 레귤레이터의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 레귤레이터와 협동하는 열 조정 기기의 일례의 실시를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열이온적으로 냉각된 전압 레귤레이터의 일례의 실시를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열 조정 기기에 연결된 수동형 회로의 일례의 실시를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 수동형 회로의 일례의 실시를 예시하고 있는, 저역 통과 필터를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 통합된 부하를 갖는 열이온 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예를 간략하면서도 전반적으로 설명하면, 본 발명의 실시예는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로를 포함한다. 일부 실시예는 전압 레귤레이터와, 이 전압 레귤레이터를 냉각시키도록 작동할 수 있는 열 조정 기기(heat rectifying device)를 포함한다. 열 조정 기기의 일부 실시예는 히트 콜렉터(heat collector)와 히트 배리어(heat barrier)를 포함하며, 히트 배리어는 전압 레귤레이터와 히트 콜렉터 사이에 형성되며, 전압 레귤레이터로부터의 전자가 보조 전압에 의해 히트 배리어를 통과하여 히트 콜렉터 상으로 터널링할 수 있게 된다.
일부 실시예에서, 열 조정 기기는 히트 콜렉터와 히트 배리어를 포함하며, 히트 배리어는 전압 레귤레이터와 히트 콜렉터 사이에 형성된다. 히트 배리어는 히트 콜렉터로부터 전압 레귤레이터로의 열의 역류를 방지한다. 전압 레귤레이터와 히트 콜렉터 간에는 보조 전압 발생기에 의해 보조 전압이 인가되어, 전압 레귤레이터의 고온의 전자가 히트 배리어를 관통하여 히트 콜렉터 상으로 터널링할 수 있게 된다. 일부 실시예는 또한 히트 콜렉터에 연결된 히트 싱크와, 이 히트 싱크를 냉각시키기 위한 팬을 포함한다. 일부 실시예는 전압 레귤레이터와 열 조정 기기를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
일부 실시예에서, 전압 레귤레이터는 전압 컨트롤러와 하나 이상의 파워 트랜지스터를 포함한다. 전원 회로는 전압 컨트롤러와 파워 트랜지스터에 의해 공유되는 공유 기판 상에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 전압 컨트롤러는 파워 트랜지스터, 보조 전압 발생기 및 히트 싱크를 냉각시키도록 위치된 팬 중의 적어도 하나를 제어함으로써 파워 트랜지스터, 히트 콜렉터, 히트 싱크 및 공유 기판 중의 적어도 하나의 온도를 소정의 범위로 유지한다.
일부 실시예에서, 부하는 냉각 시스템과 함께 통합되어, 부하 자체가 열 조정 기기에 의해 냉각될 수 있게 된다. 일부 실시예에서, 전압 레귤레이터는 5,000 W/㎠ 이상의 파워 밀도를 취급할 수 있다.
본 발명과 추가의 특징 및 장점을 더욱 구체적으로 이해하기 위하여 이하의 설명에서는 첨부 도면이 참조된다.
본 발명의 실시예 및 이들 실시예의 장점은 첨부 도면의 도 1 내지 도 6을 참조함으로써 최상으로 이해된다. 여러 도면에 걸쳐 유사 부분 및 대응 부분에는 유사한 도면 부호가 부여되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 전압 레귤레이터를 열이온적으로 냉각하기 위한 시스템(2)의 블록도이다. 열이온 냉각 시스템(2)에서, 전압 레귤레이터(4)는 열 조정 기기(8)에 연결되어 있다. 이들 구성요소의 각각은 여러 개의 부품을 포함하고 있을 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 레귤레이터(4)와 협동하는 열 조정 기기(8)의 일례의 실시를 예시하는 도면이다. 전압 레귤레이터(4)는 작동시에 열을 발생하여 발열원이 된다. 도시된 바와 같이, 열 조정 기기(8)는 히트 배리어(16) 및 히트 콜렉터(20)를 포함한다. 히트 배리어(16)는 진공 갭이거나, 또는 낮은 열전도율을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 히트 콜렉터(20)는 리소그래피 기술에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 콜렉터(20)는 구리와 같은 우수한 열전도율을 갖는 재료로 구성된다. 다른 실시예에서, 우수한 열전도율을 갖는 다양한 종류의 금속 또는 다른 층이 가해질 수 있다. 히트 배리어(16)는 전압 레귤레이터(4)를 거리 d 만큼 히트 콜렉터(20)로부터 분리하며, 이 거리는 일부 실시예에서는 약 1㎚ 내지 약 30㎚의 범위가 될 것이다. 거리 d의 값은 다른 요소들 중에서도 함유된 재료의 일함수에 좌우되어 선택된다. 이 거리는 매우 작으며, 제조 동안에 상당한 제어를 필요로 한다.
한 가지 기술에 따르면, 진공 갭은 특수한 리프트-오프(lift-off) 기술에 의해 형성될 수 있다. "열이온" 기술에서는 먼저 이중층 구조가 형성된다. 2개의 층은 낮은 접착에 의해서만 결속되며, 상이한 열팽창 계수를 갖는다. 따라서, 적합한 열 처리가 수행될 때, 2개의 층은 서로 분리된다. 이 현상은 서로 대면하고 있는 층의 내표면을 노출시켜, 이들 내표면 사이가 진공 갭에 의해 분리된다. 이들 2개의 층이 분리되기 이전에서는 서로 겹쳐져 있기 때문에, 노출된 표면이 서로의 불규칙성을 따르게 되고, 그에 따라 이들의 거리 d는 층의 전반에 걸쳐 대략 일정하게 된다. 이 기술에 대한 상세한 내용은 J. Edelson에게 허여된 미국특허번호 제6,089,311호 및 A. Tavkhelidze에게 허여된 미국특허번호 제6,417,060 B2호에 개시되어 있으며, 이들 특허는 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조되어 있다.
이중층 구조의 층 중의 한 층은 발열원으로서 작용하는 전압 레귤레이터(4)에 연결된다. 다른 층은 히트 콜렉터(20)에 연결된다. 열이온 냉각 시스템은 전압 레귤레이터(4)와 같은 발열원으로부터 고온의 전자를 추출하고 이들을 히트 배리어(16)을 통과하여 히트 콜렉터(20)로 터널링하도록 함으로써 작동한다.
보조 전압 발생기(28)는 전압 레귤레이터(4)와 히트 콜렉터(20) 사이에 연결되어, 전압 레귤레이터(4)와 히트 콜렉터(20) 사이에 보조 전압 Vaux를 인가할 수 있다. 보조 전압 Vaux이 없다면, 진공 갭이 충분히 큰 전위 장벽이 되어, 전자가 어떠한 방향으로도 이 전위 장벽을 관통하여 터널링할 수 없게 되므로, 진공 갭은 매우 효율적인 열 절연체 또는 장벽이 된다. 보조 전압 발생기(28)에 의해 전압 레귤레이터(4)와 히트 콜렉터(20) 사이에 충분히 큰 보조 전압 Vaux이 인가될 때, 그 전위차에 의하여 전압 레귤레이터(4)에서 히트 콜렉터(20)로 화살표에 의해 나타내진 바와 같이 전압 레귤레이터(4)의 고온의 전자가 히트 배리어(16)를 관통하여 히트 콜렉터(20) 상으로 터널링하게 된다. 이 전자의 흐름은 회로를 완성하며, 도시된 바와 같이 전류가 보조 링크(32)를 통해 보조 전압 발생기(28)로 흐르게 된다.
열이온 냉각 시스템의 전술된 동작 동안, 보조 전압의 극성에 의하여 전자가 역으로 터널링하도록 되지 않기 때문에, 열은 히트 싱크로부터 히트 배리어(16)를 관통하여 발열원 상으로 역으로 전도되지 않는다. 또한, 히트 콜렉터(20)의 원자 또한 히트 배리어(16)를 관통하여 터널링할 수 없다. 이러한 구성에 의해 히트 배리어(16)는 매우 효율적인 열 절연체가 된다. 또한, 열전달 동안에 열의 역류가 필수적으로 제거되기 때문에, 기기(8)는 실제로 열 조정 기기가 된다.
고온의 전자가 히트 배리어(16)를 관통하여 터널링된 후, 이들 전자는 자신의 에너지를 히트 콜렉터(20)의 더 냉각된 원자 및 전자에 넘겨준다. 그리고나서, 이 열은 히트 싱크(24)에 전도 및 전달된다. 일부 실시예에서, 히트 싱크(24)는 우수한 열전도율을 갖는 금속으로 구성된다. 또한, 히트 싱크(24)는 큰 표면을 제공하기 위해 리브형 구조(ribbed structure)로 형성되어, 주변 환경과의 열 교환이 효율적으로 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 싱크의 추가의 냉각은 예컨대 팬에 의해 수행될 수 있다. 냉각액이 순환되는 냉각 시스템을 포함한 어떠한 공지의 냉각 시스템에 히트 싱크를 연결하는 것도 가능하다.
열 조정 기기(8)의 효율은 열역학적 고려사항으로부터 계산되어, 다른 냉각 기술에 비교될 수 있다. 이러한 다른 냉각 기술은 다음의 설정, 즉 1와트의 에너지가 실온에서의 전압 레귤레이터(4)(Tsource = 300K)에서 히트 콜렉터(20)(Tcollector = 573K)로 전달되는 설정에서 비교될 것이다. 이 과정에서, 전압 레귤레이터(4)는 발열원(4)으로서 지칭될 것이다.
열역학의 법칙에 따르면, 이 공정의 이상적인 효율 또는 카르노(Carnot) 효율은 52% 이다. 간편한 계산에 의하여, 이러한 이상적인 경우에 발열원(4)으로부터의 1W를 히트 콜렉터(20)로 전달하는데에는 0.92W가 요구되는 것으로 판명되었다.
에어 컴프레셔 및 유체 순환기 시스템의 상태를 이용하는 기술은 52%의 카르노 효율의 45%에 도달할 수 있다. 즉, 발열원으로부터의 1W를 에어 시스템의 이러한 상태로 히트 싱크에 전달하는데 2.05W가 요구된다. 이 결과치는 33%의 총전원공급 효율이 된다. 여기서, 총전원공급 효율은 η = [감소된 에너지]/[감소된 에너지 + 요구된 일]으로서 정의된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이들 시스템은 유체, 컴프레셔, 밸브 및 움직이는 부품을 사용하기 때문에, 전자 회로 제조 기술로 이들을 통합하는 것이 곤란하게 된다.
모두가 전자 부품으로 이루어지는 일부 냉각 시스템은 펠티어 효과(Peltier effect)에 기초한다. 그러나, 펠티어-기반 냉각 시스템은 현재 카르노 사이클의 효율의 5%로 작동한다. 따라서, 펠티어 효과를 활용하는 시스템은 발열원(4)으로부터의 1W를 히트 콜렉터(20)에 전달하기 위해서는 18.4W를 필요로 한다. 이것은 η=5% 전원공급 효율을 뜻한다. 이러한 낮은 효율값은 현재의 시스템에서는 기껏해야 100W/㎠ 전력 밀도를 발생하는 칩(chip)만이 적합하게 냉각된다는 것을 의미한다.
본 발명의 일실시예에 따라 열이온 냉각 기술을 이용하면, 카르노 효율의 70% 가 달성될 수 있다. 즉, 1W의 전력을 전달하는데 불과 1.32W가 요구된다. 이것은 η=43%의 전원공급 효율을 뜻한다. 따라서, 열이온 냉각 기술의 효율은 현재 사용되고 있는 냉각 기술에 비해 현저하게 우월하다. 더욱이, 열이온 냉각 시스템은 집적이 용이한 리소그래피 기술에 의해 제조될 수 있다. 이러한 모든 이유로, 본 발명의 실시예에 따른 열이온 냉각 시스템은 약 1,000W/㎠ 내지 약 5,000W/㎠ 범위의 전력 밀도를 발생하는 칩을 적절하게 냉각할 수 있다.
더욱이, 이 열이온 냉각 시스템이 능동형 냉각 시스템이기 때문에, 발열원(4)은 히트 콜렉터(20)보다 더 냉각될 수 있다. 일부 실시예에서, 전압 레귤레이터(4)와 같은 발열원은 주변 온도보다 약 10℃ 이상이 되는 반면, 히트 콜렉터(20) 및 히트 싱크(24)는 30℃의 주변 온도에서 약 80℃ 내지 약 300℃의 범위에 있게 될 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열이온으로 냉각된 전압 레귤레이터의 일례의 실시를 예시하는 도면이다. 전압 레귤레이터(4) 및 열 조정 기기(8)는 공유 기판(36) 상에 형성된다. 공유 기판(36)은 예컨대, 실리콘 다이, 웨이퍼 또는 다른 모노리식(monolithic) 구조와 같은 반도체 재료로 이루어질 것이다. 공유 기판(36)은 또한 다른 미소기전 시스템, 즉 MEMS(micro-electronic mechanical system)를 포함할 수 있다. 미소기전 시스템으로는 미소-기계 모터, 센서, 액츄에이터 및 전자 회로를 포함한 매우 다양한 것이 본 기술 분야에 알려져 있다.
전압 레귤레이터(4)는 전압 컨트롤러(14) 및 파워 트랜지스터(40)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전압 컨트롤러(14) 및 파워 트랜지스터(40)는 공유 기판(36)의 동일 측면 상에 형성된다. 도시된 실시예에서, 전압 컨트롤러(14) 및 파워 트랜지스터(40)는 공유 기판(36)의 반대측 상에 형성된다.
전압 컨트롤러(14)는 집적 회로가 될 수 있다. 전압 컨트롤러(14) 및 파워 트랜지스터(40)가 공유 기판(36)의 반대측 상에 존재하는 실시예에서, 전압 컨트롤러(14)와 파워 트랜지스터(40) 간의 전기 접속부는 비아(via)(17)를 포함할 수 있다. 비아는 공유 기판(36)을 가로질러 형성된 관통홀이다. 비아(17)는 공유 기판(36)의 반대측 상에 형성된 리드에 연결될 수도 있다. 전압 컨트롤러(14) 및 파워 트랜지스터(40)는 비아(17) 또는 리드 중의 하나에 직접 연결될 수도 있다.
다른 실시예에서, 전압 컨트롤러(14)는 파워 트랜지스터와 동일한 공유 기판(36)의 측면 상에 형성된다. 이들 실시예는 전기 접속을 위해 비아를 포함하지 않고, 공유 기판(36) 상에 형성된 리드를 포함할 수도 있다.
파워 트랜지스터(40)는 볼 본드 어레이(44)(ball bond array) 또는 솔더 볼 어레이(solder ball array)를 통해 비아(17) 또는 리드에 연결될 수 있다. 파워 트랜지스터(40)는 큰 전류 및 전압을 다루기 때문에 분리적으로, 즉 이산적으로 형성된다. 따라서, 파워 트랜지스터(40)는 효율적인 냉각을 필요로 한다. 또한, 파워 트랜지스터(40)는 저전력 집적 회로의 기술과는 상이한 기술에 의해 형성된다. 전압 컨트롤러(14)의 트랜지스터는 더 작은 전류 또는 전압으로 작동되며, 따라서 공유 기판(36)에 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 파워 트랜지스터(40)는 높은 전압과 많은 전류를 취급하기에 적합한 이산적 이중 확산 MOS(DMOS : Discrete double diffusion MOS) 트랜지스터이다. 일부 실시예에서, 파워 트랜지스터(40)에 의해 취급되는 전류는 약 0.1 암페어 내지 약 100 암페어의 범위에 있다. 일부 실시예에서, 파워 트랜지스터(40)는 MOS, JFET, NPN, PNP, PMOS 또는 NMOS 트랜지스터로 형성되거나 이들 트랜지스터 내에 구현될 수 있다. 파워 트랜지스터(40)는 플립-칩 아키텍쳐(flip-chip architecture)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서는 전압 컨트롤러(14) 및 파워 트랜지스터(40)가 통합될 수 있다.
일부 실시예에서, 열 조정 기기(8)는 파워 트랜지스터(40)에 인접하여 형성된다. 열 조정 기기(8)는 보조 전압 소스(28), 히트 배리어(16), 히트 콜렉터(20), 및 히트 싱크(24)를 포함한다. 히트 배리어(16)는 공유 기판(36)과 히트 콜렉터(20) 사이에 형성된다. 히트 콜렉터(20)는 열을 히트 싱크(24)로 효율적으로 전도하도록 형성된다.
열도전체판(37)이 공유 기판(36)에 형성될 수 있다. 열도전체판(37)은 부분적으로는 파워 트랜지스터(40) 아래에 놓이지만, 파워 트랜지스터(40)에 의해 덮여지지 않은 영역까지 연장한다. 파워 트랜지스터(40)에 의해 발생된 열은 파워 트랜지스터(40) 아래의 영역에 있는 열도전체판(37)의 전자를 가열시킨다. 이들 고온의 전자는 보조 전압 발생기(28)의 보조 전압에 의해 파워 트랜지스터(40)의 하부 영역에서 파워 트랜지스터(40)에 의해 덮혀지지 않은 영역으로 이동된다.
열도전체판(37)의 고온의 전자는 보조 전압 발생기(28)의 보조 전압에 의해 히트 배리어(16)를 통과하여 히트 콜렉터(20) 상으로 터널링에 의해 이동된다. 히트 콜렉터(20)에서, 이들 고온의 전자는 자신의 열에너지를 다른 전자와 원자에 넘겨준다. 히트 콜렉터(20)의 열은 히트 싱크(24)에 전달된다. 이 열은 히트 싱크(24)에서 주변 환경으로 전달된다. 보조 전압 발생기(28)와 히트 콜렉터(20) 간의 연결은 도 4에 도시된 바와 같이 될 것이다.
일부 실시예에서, 열 조정 기기(8)는 파워 트랜지스터(40)와 직접 접촉하는 형태로 형성될 수도 있다.
보조 전압 발생기(28)는 보조 전압 컨트롤러(39) 및 보조 파워 트랜지스터(42)를 포함한다. 도시된 실시예에서는 보조 전압 컨트롤러(39)가 도 3에 도시된 바와 같이 보조 파워 트랜지스터(42)의 반대측의 공유 기판(36) 상에 형성되어 있다. 이들 실시예에서, 비아(41)는 보조 전압 컨트롤러(39)를 보조 파워 트랜지스터(42)에 전기적으로 접속하도록 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 리드(32)(도시되지 않음)가 공유 기판(36)의 한측면 또는 양측면 상에 형성되어, 비아(41), 보조 파워 트랜지스터(42) 및 보조 전압 컨트롤러(39) 간의 전기 접촉을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 보조 파워 트랜지스터(42)와 파워 트랜지스터(40)는 열이온으로 냉각된 전압 레귤레이터(2)의 작동 동안 이들의 온도가 서로의 온도에 근접하도록 선택된다.
다른 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)는 보조 파워 트랜지스터(42)와 동일한 공유 기판(36)의 측면 상에 형성될 수 있다. 이들 실시예에서, 보조 리드(32)(도시되지 않음)가 보조 전압 컨트롤러(39)를 보조 파워 트랜지스터(42)에 전기적으로 접속시키도록 형성될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)는 냉각 시스템의 회로의 소정의 부분을 소정의 온도 범위 내에서 유지하도록 할 수 있다. 이 소정의 부분은 예컨대 파워 트랜지스터(40)가 될 수도 있다. 보조 전압 컨트롤러(39)는 예컨대 보조 전압 발생기(28)에 의해 발생된 보조 전압 Vaux을 제어함으로써 소정 부분의 온도를 소정 온도 범위로 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 싱크(24)는 팬에 의해 추가로 냉각된다. 이들 시스템에서, 보조 전압 컨트롤러(39) 또한 팬을 제어할 수도 있다.
일부 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)는 회로의 일부에 접속된 열센서를 포함하거나 이 열센서와 관련하여 동작할 수도 있다. 이들 센서는 감지된 온도에 응답하여 보조 전압 컨트롤러(39)에 신호를 제공한다. 센서의 신호에 응답하여, 보조 전압 컨트롤러(39)는 제어 동작을 개시할 것이다.
예컨대, 파워 트랜지스터(40)의 온도가 소정 온도 이상으로 상승한다는 것을 센서가 감지하면, 센서는 보조 전압 컨트롤러(39)에 신호를 전송한다. 이 신호에 응답하여, 보조 전압 컨트롤러(39)는 더 많은 고온의 전자가 열도전체판(37)으로부터 히트 배리어(16)를 통해 히트 콜렉터(20)로 이동하도록 보조 전압 Vaux을 증가시키거나, 히트 싱크(24)를 냉각시키는 팬의 속도를 증가시키거나, 파워 트랜지스터(40)의 구동 전압을 강하시키거나, 또는 상기 제어 동작의 조합을 개시할 수 있다. 다른 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)는 전압 레귤레이터(4)에 의해 부하에 전달된 전압에 따라 상기 제어 동작 중의 하나 이상의 동작을 수행한다. 일부 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)의 제어 기능은 별도의 컨트롤러에 의해 수행될 수 있다.
도 4는 공유 기판(36)의 평면에서 관측한 열 조정 기기(8)를 예시하는 도면이다. 보조 파워 트랜지스터(42)는 링크(31)를 통해 수동형 회로(45)에 연결된다. 일부 실시예에서, 수동형 회로(45)는 저역 통과 필터를 포함한다. 저역 통과 필터의 일례의 실시가 도 5에 도시되어 있다. 수동형 회로(45)는 보조 링크(32)를 통해 히트 콜렉터(20)에 접속될 수 있으며, 이 히트 콜렉터는 도시된 히트 싱크(24) 아래에 위치되어 있다. 보조 파워 발생기(28)는 히트 콜렉터(20)와 열도전체판(37) 사이에 보조 전압 Vaux를 제공하며, 이에 의해 고온의 전자를 위한 회로를 완성한다.
도 5는 수동형 회로(45)의 일례의 실시로서 저역 통과 필터를 예시한다. 수동형 회로(45)는 링크(31)를 통해 보조 파워 트랜지스터(42)에 연결된다. 보조 파워 트랜지스터(42)는 비아(41)를 통해 보조 전압 컨트롤러(39)에 연결된다. 저역 통과 필터는 저역 통과 필터를 위한 다수의 레이아웃 중의 임의의 한 레이아웃으로 예컨대 레지스터(46), 커패시터(47) 및 인덕터(48)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 부하에 접속된 전압 레귤레이터(4)에 대한 회로도를 예시한다. 전압 레귤레이터(4) 및 파워 트랜지스터(40)는 입력 레일(53)에 연결된다. 입력 레일(53)의 입력 전압 Vin은 약 5V 내지 약 20V의 범위에 있을 수 있으며, 예컨대 12V 가 된다. 입력 레일(53)의 입력 전류 Iin은 약 1A 내지 약 30A의 범위에 있을 수 있으며, 예컨대 10A가 된다. 입력 전압 Vin은 전압 컨트롤러(14)와 파워 트랜지스터(40) 양자를 구동할 수도 있을 것이다. 일부 실시예에서는 입력 레일(53)과 그라운드(62) 사이에 직렬로 연결된 2개의 파워 트랜지스터(40)가 존재한다. 다른 실시예는 단지 하나의 파워 트랜지스터를 이용할 수도 있고, 또 2개 이상의 파워 트랜지스터를 이용할 수도 있다. 조정된 전압 Vaux은 파워 트랜지스터(40) 사이의 출력 단자(63)에서 외부에 연결된다. 전압 컨트롤러(14)는 조정된 전압 Vaux을 소정 범위 내에서 유지하기 위해 파워 트랜지스터(40)를 제어한다. 일부 실시예에서, 조정된 전압 Vaux은 약 0.5V와 약 5V 사이이며, 예컨대 1.1V이다. 조정된 전류 Iaux로는 10A와 200A 사이, 예컨대 100A가 가능하다. 조정된 전압 Vaux은 필터(65)에 의해 수신될 수 있다. 필터(65)로는 예컨대 저역 통과 필터가 가능하다. 필터(65)의 출력은 부하(70)에 접속된다.
부하(70)는 파워 증폭기, CPU, 위성 수신기 및 저잡음 증폭기를 포함한 다양한 전자 회로 중의 어떠한 것도 가능하며, 이러한 전자 회로는 기재된 것만으로 제한되지는 않는다. 전술한 바와 같이, 소형화로의 진전에 따라, 이들 회로의 전부는 점차적으로 높은 효율의 냉각을 필요로 한다.
일부 실시예에서, 증폭기는 요구된 바대로, 예컨대 전압 컨트롤러(14)와 파워 트랜지스터(40)의 사이에 회로에 포함될 수 있다.
일부 실시예에서, 부하(70)가 마찬가지로 공유 기판(36) 상에 형성된다. 부하(70)는 파워 트랜지스터(40)와 동일한 측면 상에 형성되거나, 또는 파워 트랜지스터(40)의 반대측 상에 형성될 수 있다. 이들 실시예에서, 열 조정 기기(8) 또한 부하(70)를 냉각시킬 수 있다. 예컨대, 열도전체판(37)이 부하(70)까지 연장하여, 부하(70)와 열도전체판(37) 간에 열적 연결이 구축될 수 있다. 본 실시예의 동작 동안, 고온의 부하(70)는 열도전체판(37)에 고온의 전자를 생성하며, 이 전자는 보조 전압 Vaux에 의해 히트 배리어(16)를 통해 히트 콜렉터(20)로 이동된다.
보조 전압 컨트롤러(39)는 냉각 시스템의 회로의 소정 부분을 소정의 온도 범위 내로 유지하도록 할 수 있다. 이 소정 부분은 예컨대 파워 트랜지스터(40) 또는 부하(70)가 될 수 있다. 보조 전압 컨트롤러(39)는 예컨대 보조 전압 발생기(28)에 의해 생성된 보조 전압 Vaux을 제어함으로써 소정 부분의 온도를 소정의 온도 범위로 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 싱크(24)는 팬에 의해 추가로 냉각된다. 이들 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)는 또한 팬을 냉각할 수도 있다.
일부 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)는 회로의 일부분에 접속된 열센서를 포함하거나 이 열센서와 관련하여 동작할 수도 있다. 이들 센서는 감지된 온도에 응답하여 보조 전압 컨트롤러(39)에 신호를 제공한다. 센서의 신호에 응답하여, 보조 전압 컨트롤러(39)가 제어 동작을 개시할 수도 있다.
예컨대, 파워 트랜지스터(40) 또는 부하(70)의 온도가 소정 온도 이상인 것으로 센서가 감지하면, 센서는 보조 전압 컨트롤러(39)에 신호를 전송한다. 이 신호에 응답하여, 보조 전압 컨트롤러(39)는 더 많은 고온의 전자를 열도전체판(37)으로부터 히트 배리어(16)를 통해 히트 콜렉터(20)로 보내기 위해 보조 전압 Vaux을 증가시킬 수 있다. 이와 달리, 보조 전압 컨트롤러(39)는 히트 싱크(24)를 냉각시키는 팬의 속도를 증가시킬 수 있다. 최종적으로, 보조 전압 컨트롤러(39)는 파워 트랜지스터(40)의 구동 전압 Vin을 강하시켜, 그에 따라 부하(70)에 의해 수신된 조정된 전압 Vaux을 강하시킬 수 있다. 보조 전압 컨트롤러(39)는 또한 상기의 제어 동작의 어떠한 조합도 개시할 수 있다. 다른 실시예에서, 보조 전압 컨트롤러(39)는 부하(70)에 전달된 조정된 전압 Vaux에 따라 한 가지 이상의 상기 제어 동작을 수행한다.
본 발명과 본 발명의 장점을 상세히 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 정신 및 사상으로부터 일탈하지 않고서도 다양한 변경, 수정 및 교체가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 본 명세서에 포함된 설명은 기본적인 설명으로서 제공된 것으로 이해되어야 한다. 구체적인 설명이 모든 가능한 실시예를 명확히 예시하지는 않을 것이며, 다수의 대안도 가능할 것이다. 또한, 본 명세서의 상세한 설명은 본 발명의 진정한 성질을 완전하게 설명하지도 않을 것이며, 각각의 특징 또는 구성요소가 더 넓은 기능 또는 매우 다양한 대안의 구성요소 혹은 등가의 구성요소를 실제로 어떻게 대표하는지를 나타내지도 않을 것이며, 이들은 상세한 설명에 암시적으로 포함되어 있다. 본 발명이 장치를 위주로 하는 용어로 설명되어 있는 곳에서, 장치의 각각의 구성요소는 기능을 수행하는 것으로 생각하여야 한다. 본 명세서의 상세한 설명과 용어는 청구범위의 기술사상을 제한하지는 않는다.

Claims (33)

  1. 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로에 있어서,
    전압 레귤레이터; 및
    상기 전압 레귤레이터를 냉각시키도록 동작 가능한 열 조정 기기
    를 포함하며, 상기 열 조정 기기는,
    히트 콜렉터; 및
    상기 전압 레귤레이터와 상기 히트 콜렉터 사이에 위치되는 히트 배리어를 포함하며,
    전자가 상기 전압 레귤레이터와 상기 히트 콜렉터 간에 인가된 전압에 의해 상기 전압 레귤레이터로부터 상기 히트 배리어를 통과하여 상기 히트 콜렉터 상으로 터널링하도록 될 수 있는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트 배리어는 진공 갭과 낮은 열전도율의 층 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히트 배리어는 상기 히트 콜렉터에서 상기 전압 레귤레이터로의 열의 역류를 방지하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 레귤레이터와 상기 히트 콜렉터 간에 전압을 인가하도록 동작할 수 있고, 상기 전자가 상기 전압 레귤레이터로부터 상기 히트 배리어를 통과하여 상기 히트 콜렉터 상으로 터널링할 수 있도록 하는 전압 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 히트 콜렉터에 연결된 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 리브형 금속 구조물을 포함하며,
    상기 히트 콜렉터는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 히트 싱크를 냉각시키도록 동작 가능한 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열이온 냉각 시스템의 전원공급 효율이 카르노 효율에 근접하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압 레귤레이터는,
    전압 컨트롤러; 및
    적어도 하나의 파워 트랜지스터를 포함하며,
    상기 전압 컨트롤러가 상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터의 전압을 제어하도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터는 MOS, DMOS, PMOS, NMOS, JFET, NPN 및 PNP 트랜지스터 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터와 상기 열 조정 기기에 열적으로 연결된 열도전체판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전압 컨트롤러와 상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터에 의해 공유되는 공유 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 컨트롤러와 상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터는 상기 공유 기판의 반대측 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전압 컨트롤러가 비아에 의해 상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터에 연결되는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전압 컨트롤러와 상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터가 상기 공유 기판의 동일 측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 열 조정 기기가 상기 공유 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열 조정 기기가 상기 히트 배리어 양단에 전압을 제공하도록 동작할 수 있는 보조 전압 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 보조 전압 발생기는 보조 전압 컨트롤러와, 적어도 하나의 보조 파워 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 보조 전압 컨트롤러와 상기 적어도 하나의 보조 파워 트랜지스터는 상기 공유 기판의 반대측 상에 형성되고, 비아를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 전압 레귤레이터 및 상기 보조 전압 발생기에 열적으로 연결된 열도전체판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 보조 전압 발생기는 수동형 회로를 통해 상기 히트 콜렉터에 연결되는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 수동형 회로는 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 보조 전압 발생기는 상기 히트 콜렉터, 히트 싱크, 적어도 하나의 파워 트랜지스터, 보조 전압 발생기 및 공유 기판 중의 적어도 하나의 것의 온도를 소정의 범위로 유지하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 히트 콜렉터, 히트 싱크, 적어도 하나의 파워 트랜지스터, 보조 전압 발생기 및 공유 기판 중의 적어도 하나의 것의 온도를, 상기 파워 트랜지스터와 상기 전압 발생기와 상기 히트 싱크를 냉각시키도록 위치된 팬 중의 적어도 하나를 제어함으로써, 소정 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  25. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터는, 입력 레일과 그라운드 사이에 직렬로 연결되고 상기 전압 컨트롤러에 의해 제어되는 2개의 이산적으로 위치된 파워 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전압 레귤레이터는, 상기 2개의 이산적으로 위치된 파워 트랜지스터 사이에 위치되고 조정된 전압을 제공하도록 동작할 수 있는 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 전원 회로와 함께 통합되는 부하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 부하는 전력 증폭기, CPU, 위성 수신기 및 저잡음 증폭기 중의 하나인 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 열이온 냉각 시스템은 상기 부하를 냉각시키도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 열이온 냉각 시스템은 상기 부하에 인가된 전압을 제어함으로써 온도를 소정 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  31. 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로에 있어서,
    전압 레귤레이터 수단; 및
    상기 전압 레귤레이터 수단을 냉각시키도록 동작 가능한 열 조정 수단
    을 포함하며, 상기 열 조정 수단은,
    히트 콜렉터 수단; 및
    상기 전압 레귤레이터 수단과 상기 히트 콜렉터 수단 사이에 위치된 히트 배리어 수단을 포함하며,
    전자가 상기 전압 레귤레이터 수단과 상기 히트 콜렉터 수단 사이에 인가된 전압에 의해 상기 전압 레귤레이터 수단으로부터 상기 히트 배리어 수단을 통과하여 상기 히트 콜렉터 수단 상으로 터널링하도록 될 수 있는 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로.
  32. 전원 회로의 열이온 냉각 방법에 있어서,
    전압 레귤레이터를 제공하는 단계; 및
    상기 전압 레귤레이터를 냉각시키도록 동작 가능한 열 조정 기기를 제공하는 단계
    를 포함하며, 상기 열 조정 기기는,
    히트 콜렉터; 및
    상기 전압 레귤레이터와 상기 히트 콜렉터 사이에 위치된 히트 배리어를 포함하며,
    전자가 상기 전압 레귤레이터와 상기 히트 콜렉터 사이에 인가된 전압에 의해 상기 전압 레귤레이터로부터 상기 히트 배리어를 통과하여 상기 히트 콜렉터 상으로 터널링하도록 될 수 있는 전원 회로의 열이온 냉각 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    전자가 상기 전압 레귤레이터로부터 상기 히트 배리어를 통과하여 상기 히트 콜렉터 상으로 터널링하도록 하기 위해 상기 전압 레귤레이터와 상기 히트 콜렉터 사이에 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 회로의 열이온 냉각 방법.
KR1020057019094A 2003-04-07 2004-04-06 열이온 냉각 시스템을 구비한 전원 회로 KR20050110038A (ko)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/408,471 2003-04-07
US10/408,471 US6809417B1 (en) 2003-04-07 2003-04-07 Power circuitry with a thermionic cooling system

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