KR100468659B1

KR100468659B1 - 센스펫을스위치로이용하는펄스폭변조제어기

Info

Publication number: KR100468659B1
Application number: KR1019970046170A
Authority: KR
Inventors: 최낙춘; 서맹호
Original assignee: 페어차일드코리아반도체 주식회사
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 2005-03-16
Also published as: KR19990024806A

Abstract

저항산포나 온도변화에 무관하게 센스펫의 드레인-소스 전류가 일정량을 유지할 수 있도록 구성된 센스펫을 내장한 전류 모드 PWM 제어기의 피드백 제어회로를 개시한다.

센스펫을 내장한 피드백 제어 회로를 구비한 전류 모드 PWM 제어기에 있어서, 상기 피드백 제어 회로의 피드백단을 단일 핀으로하여 제어할 때 저항 변화에 무관하게 일정량의 센스펫 전류로 유지하기 위해 상기 피드백단의 전류값(I1)을 기준전압(Vref)/저항(R)의 값으로 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 센스펫을 스위치로 이용하는 PWM 제어기를 제공한다.

상기 피드백 제어 회로는 사용된 저항을 모두 동일 계열의 저항을 사용함으로써 저항의 공정산포나 온도변화에 동일한 저항변화를 갖도록한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 센스펫을 스위치로 이용하는 전류 모드 PWM 제어기에서 피드백단을 단일 핀으로 제어하여 저항의 공정산포나 온도변화에 의한 저항변화에도 센스펫의 피크 드레인-소스 전류를 일정하게 제어한다.

Description

센스펫을 스위치로 이용하는 펄스폭변조 제어기{PWM controller using sensefet as switch}

본 발명은 반도체 집적회로에 관한 것으로, 특히, 센스펫(sensfet)을 스위치로 이용하는 전류 모드 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: 이하 "PWM"라 함) 제어기에 관한 것이다.

일반적으로, 전류 모드 PWM 제어기는 센스펫을 스위치로 이용한다. 센스펫은 모스펫(MOSFET)의 소스 면적의 일부를 분리하여 또 하나의 단자인 센스 단자로 해 놓은 모스펫을 말한다. 그 센스펫의 센스 단자 전압을 턴온시의 게이트-소스 전압이나 드레인-소스 전압보다 충분히 작게 유지해 주면 턴온시의 센스 단자전류는 드레인전류에 비례하여 흐르게 된다. 통상 센스 단자전류는 드레인전류에 비해 아주 작게 흐르므로 전류의 감지가 쉬워지는 장점을 갖는다.

도 1은 종래 기술의 센스펫을 스위치로 이용하는 전류 모드 PWM 제어기의 피드백 제어 회로의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 센스펫을 내장한 피드백 제어 회로는 포토커플러(photocoupler:101)와, 피드백 커패시터(Cf)와, 피드백단(100)과, 전압 분할 저항(R1, R2)과, 비교기(comparator:110)와, 발진기(oscillator:112)와, 그 클럭이 셋트단자(S)에 입력되는 RS 플립플롭(114)과, 오아(OR)게이트(116)와, 센스펫의 게이트에 신호를 인가하는 버퍼(Q1, Q2)와, 스위치 역할을 하는 센스펫(120), 및 센스펫의 센스단자와 연결된 저항(Rs) 및 피드백 전원(Vf)으로 구성되어 있다. 상기 피드백단(100)은 피드백 단자(V9)와, 피드백 전류원(I1)과, 피드백단 출력단자(Vfb), 및 한쌍의 역전류 방지 다이오드(105, 106)를 구비한다.

그 동작을 보면, 발진기(112)의 클럭(clock) 신호가 알-에스 플립플롭(RS Flip Flop:114)의 셋트단자(S)에 입력되면 센스펫의 게이트(gate)단자에는 하이(high)가 출력된다. 게이트가 하이로 되면 드레인-소스 전류(Ids)전류가 흐르는데, 보통 드레인단에 인덕터(inductor)가 연결되어 있기 ??문에, Ids 전류는 일정한 기울기를 가지고 서서히 증가한다. 이때 센스단자 전압(Vcs)은 센스 전류(Is)와 센스저항(Rs)의 곱인 Vcs = Is × Rs 가 된다.

센스단자 전압(Vcs)와 전원(Vf)의 합인 Vcs+Vf가 피브백 전압 Vfb에서 저항 R1과 R2로 분할된 Vr1 전압에 이르면 비교기(110)가 비교하여 리셋(R) 신호를 발생시킨다. 이때 게이트가 로우(low)가 되어 센스펫 스위치는 턴오프(turn-off)된다. 이와 같은 동작을 반복하여 제어하는 것이 전류 모드(Current Mode) PWM의 동작이다.

한편, 전류 모드 PWM 제어기에 있어서, 센스펫이 턴온(turn-on)될때, 도 1 과 같은 구조로 센스펫에 흐르는 전류를 감지하기 위해 집적회로(IC)내부에 설계된 저항을 이용할 시 피드백 전류(I1)의 값이 센스펫의 최대 전류를 결정한다.

그런데, I1이 도 1에서와 같이 일정한(Constant) 값을 갖는다면 센스펫(120)의 최대 피크전류 Ids(p)는 여러 요인들에 의해 큰 변화율을 갖게 된다. 그 중에서도 특히 저항의 공정산포나 집적회로(IC) 내부의 온도변화에 의한 영향은 매우 커서, 이 요인들에 대한 영향을 고려해주지 않거나 잘못 고려하게 되면 정확한 Ids(p)를 조절할 수 없게된다.

왜냐하면 센스펫의 특성상 Vcs에 걸리는 전압에 반비례하는 Ids(p)가 흐르는데, 도 1과 같은 기존의 회로에서는 I1을 일정하게 공급하므로 저항 R1의 변동이 발생하면 Vr1의 전압이 변하고 Vcs 전압이 변하게 되어 Ids(p)가 변하게 된다.

좀 더 자세히 보면, 도 1에서 I1을 일정한(constant) 전류원으로 설계한 이유는 R1과 Rs가 다른 값이지만 동일 계열의 저항으로 설계하여 저항의 공정산포나 온도변화에 대한 영향을 없애는데 있었다. 그리고 I1의 전류를 온도변화에 일정하면서 공정산포에 따라 상온에서 일정전류가 되도록 저항을 트리밍(trimming)하여저항산포에 관계없이 일정한 전류를 공급하도록 하였다.

그러나, 센스펫(120)의 특성상 Vcs 전압에 따라 센스펫(120)의 드레인-소스 피크 전류(Ids(p))는 반비례적으로 흐르게 되어 있어 만일 Vr1의 전압이 변하게 되면 Vcs 전압이 변하게되어 Ids(p)전류는 저항산포나 온도변화에 따라 Vr1 전압이 변하면 일정할 수 없다.

이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

[수학식 1]

Vr1 = Ir1 × R1------ 정상일 경우

[수학식 2]

Vr1' = Ir1 × (R1±r1) = (Ir1×r1)

(여기서 ±r1은 저항산포나 온도에 의한 변화)

위와 같이 Vr1에서 Vr1'로 전압이 변함으로 인해

[수학식 3]

가 되어 Vcs가 ±(Ir1×r1)만큼 변하게 됨에 따라 센스펫(120)의 전류 Ids(p)는 일정량을 유지하지 못하고 변동을 갖게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 저항산포나 온도변화에 무관하게 센스펫의 드레인-소스 전류가 일정량을 유지할 수 있도록 구성된 센스펫을 내장한 전류 모드 PWM 제어기의 피드백 제어회로를 제공하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 센스펫을 내장한 피드백 제어 회로를 구비한 전류 모드 PWM 제어기에 있어서, 상기 피드백 제어 회로의 피드백단을 단일 핀으로하여 제어할 때 저항 변화에 무관하게 일정량의 센스펫 전류로 유지하기 위해 상기 피드백단의 전류값(I1)을 기준전압(Vref)/저항(R)의 값으로 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 센스펫을 스위치로 이용하는 PWM 제어기를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 센스펫을 스위치로 이용하는 전류 모드 PWM 제어기에서 저항의 공정산포나 온도변화에 의한 저항변화에도 센스펫의 피크 드레인-소스 전류를 일정하게 제어할 수 있도록 피드백단을 단일 핀으로 제어한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 센스펫을 스위치로 이용하는 전류 모드 PWM 제어기의 피드백 제어 회로의 회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 센스펫을 내장한 피드백 제어 회로는 포토커플러(photocoupler:201)와, 피드백 커패시터(Cf)와, 피드백단(200)과, 전압 분할 저항들(R2, R1)과, 비교기(comparator:210)와, 발진기(oscillator:212)와, RS 플립플롭(214)과, 오아 및 노아게이트(216)와, 센스펫의 게이트에 신호를 인가하는 버퍼(Q1, Q2)와, 스위치 역할을 하는 센스펫(220), 및 센스펫의 센스단자와 연결된 저항(Rs)과 피드백 전원(Vf)으로 구성되어 있다.

상기 포토커플러(201)는 전류흐름(Io)에 의해 생성된 광을 매개수단으로 하여 신호를 전달한다. 상기 피드백 커패시터(Cf)는 상기 피드백단(200)에 의해 공급된 전하를 저장하여 일정 전위차를 유지한다. 상기 피드백단(200)은 단일핀으로 제어되며 피드백 단자(V9)와, 전류가 기준전압(Vref)/저항(R)의 값으로 공급하는 피드백 전류원(I1)과, 피드백단 출력단자(Vfb)와, 한쌍의 역전류 방지 다이오드(205, 206)를 구비한다. 상기 전압 분할 저항(R2, R1)들은 상기 피드백단(200)에 의해 전송된 전압을 분할한다. 상기 비교기(210)는 상기 전압 분할 저항(R1, R2)들에 의해 분할된 전압과 상기 센스펫의 센스단자에 연결된 오프셋 전원(Vf)의 전압을 비교한다. 상기 발진기(212)는 발진 클럭을 생성한다. 상기 RS 플립플롭(214)은 상기 발진기 신호와 상기 비교기 신호를 받아 저장하고 출력한다. 상기 오아 및 노아게이트(216)는 상기 발진기 신호와 상기 RS 플립플롭 신호를 받아 버퍼(Q1, Q2)를 구동한다. 상기 버퍼(Q1, Q2)는 상기 오아 및 노아게이트(216)의 신호에 따라 상기 센스펫(220)의 게이트를 구동한다. 상기 센스펫(220)은 전류 모드 PWM 제어기에서 스위치로 작용한다. 상기 오프셋 전원(Vf)은 전압을 {기준전압(Vref)/저항(R)}×오프셋 저항(Rf) 의 값으로 유지한다.

본 발명은 저항산포나 온도변화에 의한 저항값의 변동에 무관하게 일정한 Ids(p)를 얻기위하여 전류원 I1을 I1=(Vref/R)으로 설계하였다. 도 1의 경우는 저항산포나 온도변화에 의해 Vr1의 전압이 변동하였는데 도 2 의 경우 R, R1, Rf, Rs를 모두 동일계열의 저항으로 설계하였기 때문에 만일 저항산포나 온도의 변화에 의해 저항값이 변하게 되면 모두 동일한 비율로 저항값이 변하게 된다.

만일 저항이 20% 증가했다고 하면 전류 I1은 20% 감소하나 저항 R1도 마찬가지로 20% 증가하여 결국 전압 Vr1은 일정한 전압을 유지한다. 이를 수식으로 나타내면

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

[수학식 7]

이다.

따라서, 저항산포나 온도변화에 무관하게 Vr1은 항상 일정한 전압을 유지함으로 인해 Vcs의 전압을 일정하게 제어하게 되어 센스펫의 전류 Ids(p)를 항상 일정하게 제어할 수 있게된다.

여기서 기준전압 Vref는 온도변화에 일정한 값을 갖도록 설계되었다.

오프-셋(offset) 전압 Vf = (Vref×Rf)/R 은 2차측 전압이 높아져 포토커플러가 완전히 포화(saturation) 되었을 때(Vce(sat)) 완전히 스위치의 동작을 턴오프(turn off)하기 위한 오프-셋 전압이다. Vf 전압의 크기는 다음과 같다.

[수학식 8]

[수학식 9]

[수학식 10]

따라서, Vf는 Vr1(sat) 보다 크거나 같으면 된다.

이상과 같이 본 발명에서는 Ids(p)를 집적회로(IC) 내부 저항산포나 온도변화에 무관하게 제어하는데 그 목적이 있다.

도 3은 전류 모드 PWM 제어기의 동작 신호도이다. 도 2와 도 3을 참조하여 동작 신호도를 설명하면 다음과 같다. 발진기(212)의 클럭(clock) 신호가 알-에스 플립플롭(214)의 셋트단자(S)에 입력되면 센스펫의 게이트(gate)단자에는 하이와 로우가 출력된다.

게이트가 하이로 되면 드레인-소스 전류(Ids)전류가 흐르는데, 보통 드레인단에 인덕터(inductor)가 연결되어 있기 때문에, Ids 전류는 일정한 기울기를 가지고 서서히 증가한다. 이때 센스단자 전압(Vcs)은 센스 전류(Is)와 센스저항(Rs)의 곱인 Vcs = Is × Rs 가 된다. 센스단자 전압(Vcs)와 오프셋 전원(Vf)의 합인 Vcs+Vf가 피브백 전압 Vfb에서 저항 R1과 R2로 분할된 Vr1 전압에 이르면 비교기(210)가 비교하여 리셋(R) 신호(comparator out)를 발생시킨다. 이때 게이트가 로우(low)가 되어 센스펫 스위치는 턴오프(turn-off)된다. 이와 같은 동작을 반복하여 제어하는 것이 전류 모드(Current Mode) PWM의 동작이다.

본 발명이 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야의 통상적 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 센스펫을 스위치로 이용하는 전류 모드 PWM 제어기에서 피드백단을 단일 핀으로 제어하여 저항의 공정산포나 온도변화에 의한 저항변화에도 센스펫의 피크 드레인-소스 전류를 일정하게 제어한다.

도 1은 종래 기술의 센스펫을 스위치로 이용하는 전류 모드 PWM 제어기의 피드백 제어 회로의 회로도이다.

도 2는 본 발명에 따른 센스펫을 스위치로 이용하는 전류 모드 PWM 제어기의 피드백 제어 회로의 회로도이다.

도 3은 전류 모드 PWM 제어기의 동작 신호도이다.

Claims

센스펫을 내장한 피드백 제어 회로를 구비한 펄스폭변조 제어기에 있어서,

상기 피드백 제어 회로의 피드백단을 단일 핀으로하여 제어할 때 저항 변화에 무관하게 일정량의 센스펫 전류로 유지하기 위해 상기 피드백단의 전류값(I1)을 기준전압(Vref)/저항(R)의 값으로 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 센스펫을 스위치로 이용하는 펄스폭변조 제어기.
제 1 항에 있어서, 상기 피드백 제어 회로는 사용된 저항을 모두 동일 계열의 저항을 사용함으로써 저항의 공정산포나 온도변화에 동일한 저항변화를 갖도록한 것을 특징으로 하는 센스펫을 스위치로 이용하는 펄스폭변조 제어기.
센스펫을 내장한 피드백 제어 회로를 구비한 전류 모드 PWM 제어기에 있어서,

전류흐름에 의해 생성된 광을 매개수단으로 하여 신호를 전달하는 포토커플러와;

저항의 공정산포나 온도변화에 의한 저항변화에도 센스펫의 피크 전류를 일정하게 제어할 수 있도록 단일핀으로 제어되는 피드백단과;

상기 피드백단에 의해 공급된 전하를 저장하여 일정 전위차를 유지하는 피드백 커패시터와;

상기 피드백단에 의해 전송된 전압을 분할하는 전압 분할 저항들과;

상기 전압 분할 저항들에 의해 분할된 전압과 센스펫의 센스단자에 연결된 오프셋 전원(Vf)의 전압을 비교하는 비교기와;

발진 클럭을 생성하는 발진기와;

상기 발진기 신호와 상기 비교기 신호를 받아 저장하고 출력하는 알에스 플립플롭과;

상기 발진기 신호와 상기 알에스 플립플롭 신호를 받아 버퍼를 구동하는 오아 및 노아게이트와;

상기 오아 및 노아게이트의 신호에 따라 상기 센스펫의 게이트를 구동하는 버퍼와;

전류 모드 펄스폭변조 제어기에서 스위치로 작용하는 센스펫과;

상기 센스펫 단자와 접지사이에 연결된 센스단자 저항; 및

상기 비교기에 전압을 인가하는 오프셋 전원을 구비한 것을 특징으로 하는 센스펫을 내장한 피드백 제어 회로.
제 3 항에 있어서, 상기 피드백단은 피드백 단자와, 전류가 기준전압(Vref)/저항(R)의 값으로 공급하는 피드백 전류원과, 상기 피드백 전류원에 연결된 한쌍의 역전류 방지 다이오드 및 피드백단 출력단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 센스펫을 내장한 피드백 제어 회로.
제 3 항에 있어서, 상기 오프셋 전원은 전압이 {기준전압(Vref)/저항(R)}×오프셋 저항(Rf) 값인 것을 특징으로 하는 센스펫을 내장한 피드백 제어 회로.
제 3 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 피드백 제어 회로는 사용된 저항을 모두 동일 계열의 저항을 사용함으로써 저항의 공정산포나 온도변화에 동일한 저항변화를 갖도록한 것을 특징으로 하는 센스펫을 내장한 피드백 제어 회로.