KR100574121B1 - 스위치형 용량성 변압기 - Google Patents

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Abstract

입력 단자(I)와 기준 단자(RF) 사이의 입력 전압(Ui)을, 출력 단자(O)와 기준 단자(RF) 사이의 출력 전압(Uo)으로 변환시키기 위한 스위치형 용량성 변압기(a switched capacitive voltage converter)에 관한 것이다. 변압기는 단지 두 개의 커패시터(C1, C2) 및 5개의 스위치(S1-S5)를 구비하고, 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)는 입력 단자(I)와 출력 단자(O) 사이에 직렬로 접속된다. 제 3 스위치(S3) 및 제 5 스위치(S5)는 또한 입력 단자(I)와 출력 단자(O) 사이에 접속된다. 제 1 커패시터(C1)는 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)에 공통인 노드와, 제 3 스위치(S3)와 제 5 스위치(S5)에 공통인 노드 사이에 접속된다. 제 4 스위치(S4)는 제 3 노드(S3) 및 제 5 스위치(S5)에 공통인 노드와, 기준 단자(RF) 사이에 접속된다. 제 2 커패시터(C2)는 출력 단자(O)와 기준 단자(RF) 사이에 접속된다. 본 명세서에 개시된 변압기는 업 변압기, 다운 변압기 및 버퍼로서 동작할 수 있다.

Description

스위치형 용량성 변압기{COMBINED CAPACITIVE UP/DOWN CONVERTER}
본 발명은 입력 단자와 기준 단자 간의 입력 전압을 출력 단자와 기준 단자 간의 출력 전압으로 변환시키는 스위치형 용량성 변압기(a switched capacitive voltage converter)에 관한 것이다.
서두에서 정의된 유형의 스위치형 용량성 변압기는 본 기술 분야에 알려져 있다. 스위치형 용량성 변압기는 고효율이 중요한 사항인 배터리 전력 공급형 장치에서 사용되는데, 상기 스위치형 용량성 변압기는 고효율을 가질 뿐만 아니라 에너지 저장을 위해 코일을 사용하는 변압기와는 달리 낮은 레벨의 전자계(EM 필드)를 발생한다.
소정의 용도에서는 입력 전압을 보다 높은 출력 전압으로 변환시킬 필요가 있다. 이들 용도를 위해 예를 들면, 유럽 특허 출원 명세서 EP 0 461 717 A1에서 기술된 바와 같은 스위치형 용량성 변압기를 사용할 수 있다. 다른 용도를 위하여 입력 전압을 보다 낮은 출력 전압으로 변환시키는 것이 바람직할 수 있다. 후자의 용도를 위해 예를 들면, 미국 특허출원 제 4,389,704호에 기술된 바와 같은 스위치형 용량성 변압기를 사용할 수 있다.
또한, 소정의 순간에는 입력 전압이 보다 높은 출력 전압으로 변환되고, 또다른 순간에는 입력 전압이 보다 낮은 출력 전압으로 변환되는 효율성의 이유로 예 를 들면, 소위 클래스 G 오디오 증폭기를 사용한다.
상기 유럽 특허출원 명세서에서 기술된 스위치형 용량성 변압기의 단점은 업 변압기(an up converter) 및 다운 변압기(a down converter)로서 단독으로 동작할 수 있지만 복합형 업/다운 변압기로서 동작할 수는 없다는 데 있다.
스위치형 용량성 업/다운 변압기는 본 기술분야에 알려져 있지만, 이들은 독립형 업 변압기와 독립형 다운 변압기로 구성된다. 단점은 비교적 상당수의 구성요소를 필요로 한다는 데 있다. 특히, 집적회로(IC) 내에서 사용될 때에, 이들 소자가 필요한 칩 영역의 비교적 큰 부분을 차지하므로 용량성 소자의 수를 최소화하는 것이 중요하다.
종래기술에 따른 전술한 용량성 업/다운 변압기의 다른 단점은 외부 구성요소의 접속을 위한 비교적 큰 수의 IC 핀을 필요로 한다는 데 있다.
종래기술에 따른 전술한 용량성 업/다운 변압기의 또다른 단점은 비교적 많은 전력을 낭비한다는 데 있다.
본 발명의 목적은 전술한 단점들을 가지지 않는 복합형 용량성 업/다운 변압기를 제공하는 데 있다. 이를 위하여, 본 발명에 따라서, 서두에서 정의된 유형의 스위치형 용량성 변압기는, 제 1 용량성 소자, 출력 단자와 기준 단자 사이에 접속된 제 2 용량성 소자, 입력 단자와 제 1 용량성 소자의 제 1 전극 사이에 접속된 제 1 스위칭 수단, 출력 단자와 제 1 용량성 소자의 제 1 전극 사이에 접속된 제 2 스위칭 수단, 출력 단자와 제 1 용량성 소자의 제 2 전극 사이에 접속된 제 3 스위칭 수단, 제 1 용량성 소자의 제 2 전극과 기준 단자 사이에 접속된 제 4 스위칭 수단, 입력 단자와 제 1 용량성 소자의 제 2 전극 사이에 접속된 제 5 스위칭 수단을 구비하는 것으로 특징지워지는 스위치형 용량성 변압기이다. 따라서, 단지 두 개의 용량성 소자 및 5 개의 스위칭 수단을 가진 스위치형 용량성 변압기는 선택시에 다음의 세 모드, 업 변환, 다운 변환 또는 버퍼링 중에 한 모드로 동작하는 데, 버퍼링 모드에서 출력 전압은 입력 전압과 사실상 동일하다. 종래기술에 따른 스위치형 용량성 변압기와 대조적으로, 본 발명에 따른 스위치형 용량성 변압기는 항상 전술한 모드들중의 한 모드로만 동작하므로, 전류 소비가 작다. 스위치형 용량성 변압기가 동작하는 모드는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 스위칭 수단을 제어하는 스위칭 신호의 형태에 의해 세 모드들 중에서 결정된다.
서두에서 정의된 스위치형 용량성 변압기는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스위칭 수단이 제 1 용량성 소자의 제 1 전극을 입력 단자로 그리고 제 1 용량성 소자의 제 2 전극을 출력 단자로 선택적으로 접속시키거나 제 1 용량성 소자의 제 1 전극을 출력 단자로 그리고 제 1 용량성 소자의 제 2 전극을 기준 단자로 선택적으로 접속시킨다. 따라서, 이것은 스위치형 용량성 변압기가 다운 변환 모드일 시에 가능하다.
서두에서 정의된 스위치형 용량성 변압기는 제 1, 제 2, 제 4 및 제 5 스위칭 수단이 제 1 용량성 수단의 제 1 전극을 입력 단자로 그리고 제 1 용량성 수단의 제 2 전극을 기준 단자로 선택적으로 접속시키거나 제 1 용량성 소자의 제 1 전극을 출력 단자로 그리고 제 1 용량성 소자의 제 2 전극을 입력 단자로 선택적으로 접속시킨다. 따라서, 이것은 스위치형 용량성 변압기가 업 변환 모드일시에 가능하다.
서두에서 정의된 스위치형 용량성 전압 변압기는 제 1 및 제 2 스위칭 수단이 입력 단자를 출력 단자에 접속시키도록 적응된다는 특징을 더 가진다. 따라서, 이것은 스위치형 용량성 변압기가 버퍼링 모드일시에 가능하다.
스위치형 용량성 전압 변압기가 항상 동일한 모드, 예를 들면, 업 변환이도록 하기 위하여 스위칭 신호의 형태를 고정시킬 수 있다. 그러나, 모드가 입력 전압값 및 바람직한 출력 전압값의 각각에 의존하도록 만들 수도 있다. 이런 식으로, 출력 전압을 조정할 수 있으므로, 원하는 모드가 자동적으로 설정된다.
서두에서 정의된 스위치형 용량성 변압기는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 스위칭 수단들중의 적어도 하나를 DMOS 트랜지스터로써 구현할 수 있다는 특징을 더 가진다. 본 발명에 따르는 스위치형 용량성 변압기에서 전술한 스위칭 수단은 각종 유형의 스위치를 갖출 수 있는 데, 예를 들면, 트랜지스터에 의해 구현될 수 있다. 스위칭 수단이 DMOS 트랜지스터(이중 확산형 MOS 트랜지스터)를 사용하는 경우, DMOS 트랜지스터가 낮은 순방향 저항을 가지므로 스위칭 손실이 낮아진다는 이점을 가진다. DMOS 트랜지스터를 사용하는 다른 이유는 고 전압 및 큰 전류를 다룰 수 있기 때문이다.
DMOS 트랜지스터는 그들의 드레인-소스 채널과 반-병렬(anti-parallel) 접속된 진성 다이오드를 가진다. 소정 상황에서, 진성 다이오드는 스위치형 용량성 변압기가 최적의 방식으로 동작하지 않는 결과로 원치않게 전도성이 될 수 있다. 이러한 위험을 피하기 위하여, 서두에서 정의된 스위치형 용량성 변압기는 제 1, 제 2 ,제 3, 제 4, 제 5 스위칭 수단들중의 적어도 하나가 역-직렬(anti-series) 접속된 DMOS 트랜지스터에 의해 구현되는 특징을 더 가진다.
도 1은 본 발명에 따라서 스위치형 용량성 변압기의 실시예의 전기회로를 도시한 도면.
도 2는 스위치형 용량성 변압기가 다운 변환 모드일 때의 동작을 설명하기 위하여 도 1의 스위치형 용량성 변압기의 실시예의 전기회로를 도시한 도면.
도 3은 스위치형 용량성 변압기가 업 변환 모드일 때의 동작을 설명하기 위하여 도 1의 스위치형 용량성 변압기의 실시예의 전기회로를 도시한 도면.
도 4는 스위치형 용량성 변압기가 버퍼 모드일 때의 동작을 설명하기 위하여 도 1의 스위치형 용량성 변압기의 실시예의 전기회로를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따라서 스위치형 용량성 변압기의 특정 형태를 도시한 도면.
본 발명은 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 도면에서 동일한 기능 또는 목적을 가진 부분 또는 요소들은 동일한 참조번호를 가진다.
도 1은 본 발명에 따르는 스위치형 용량성 변압기(이후로부터 변압기로 참조)의 실시예의 전기회로를 도시한다. 변압기는 입력 단자 및, 입력 전압(Ui)을 수신하기 위한 기준 단자(RF)를 가진다. 변압기는 전압원(VS)로부터 공급받은 입력 전압(Ui)을, 출력 단자(O)와 기준 단자(RF) 사이의 출력 전압(Uo)으로 변환시킨다. 변압기는 제 1 내지 제 5 스위치(S1-S5)를 가진 제 1 내지 제 5 스위칭 수단을 더 포함한다. 변압기는 제 1 용량성 소자, 즉, 제 1 커패시터(C1) 및, 제 2 용량성 소자, 즉, 제 2 커패시터(C2)를 더 포함한다. 제 1 스위치(S1)은 입력 단자(I)에 접속된 한 단부와, 제 1 커패시터(C1)의 제 1 전극에 접속된 다른 단부를 가진다. 제 2 스위치(S2)는 제 1 커패시터(C1)의 제 1 전극에 접속된 한 단부와, 출력 단자(O)에 접속된 다른 단부를 가진다. 제 3 스위치(S3)는 제 1 커패시터(C1)의 제 2 전극에 접속된 한 단부와, 출력 단자(O)에 접속된 다른 단부를 가진다. 제 5 스위치(S5)는 입력 단자(I)에 접속된 한 단부와, 제 1 커패시터(C1)의 제 2 전극에 접속된 다른 단부를 가진다. 제 4 스위치(S4)는 제 1 커패시터(C1)의 제 2 전극과 기준 단자(RF) 사이에 접속된다. 제 2 커패시터(C2)는 출력 단자(O)와 기준 단자(RF) 사이에 접속된다. 스위치(S1-C5)의 각각은 주기적으로 개방(open) 및 패쇄(close) 상태를 교번하거나, 혹은 영구히 개방 또는 패쇄 상태일 수 있다. 따라서, 변압기는 세 개의 가능한 모드를 가지는 데, 즉, 업 변환 모드, 다운 변환 모드 또는, 버퍼 모드를 가진다.
도 2는 변압기가 다운 변환 모드일시에 상황을 도시한다. 이 모드에서, 제 1 내지 제 4 스위치(S1-S4)는 주기적으로 개방 및 패쇄를 교번하며, 제 5 스위치(S5)는 영구히 개방된다. 제 1 스위치(S1) 및 제 3 스위치(S3)는 (참조번호 "f"로 지시되는 바와 같이) 서로 동일 위상으로 개방 및 패쇄되고, 제 2 스위치(S2) 및 제 3 스위치(S3)는 (참조번호 "fb"로 지시되는 바와 같이) 서로 반대되는 위상으로 개방 및 패쇄된다. 출력 전압(Uo)는 수학식(1)에 의해 계산될 수 있다.
U0={2*C1*C2/(C1+C2)2}*Ui
수학식 (1)에서, C1 및 C2는 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)의 용량성값을 나타낸다. 출력 전압(Uo)는 많아야 입력 전압(Ui)의 절반값과 동일하다. 이것은 용량성값 C1이 용량성값 C2와 동일할 때에 도달하게 된다.
도 3은 변압기가 업 변환 모드일시의 상황을 도시한다. 이 모드에서, 제 1 스위치(S1), 제 2 스위치(S2), 제 4 스위치(S4) 및 제 5 스위치(S5)는 주기적으로 개방 및 패쇄를 교번하며, 제 3 스위치(S3)는 영구히 개방된다. 제 2 스위치(S2) 및 제 5 스위치(S5)는 (참조번호 "f"로 지시되는 바와 같이) 서로 동일위상으로 개방 및 패쇄되고, (참조번호 "fb"로 지시되는 바와 같이) 제 1 스위치(S1) 및 제 4 스위치(S4)는 제 2 스위치(S2) 및 제 5 스위치(S5)에 대하여 반대 위상으로 개방 및 패쇄된다. 출력 전압(Uo)은 (대략) 입력 전압(Ui) 보다 두배 높다.
도 4는 변압기가 버퍼 모드일시에 상황을 도시한다. 이 모드에서, 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)는 영구히 패쇄되고, 제 3 스위치(S3) 및 제 5 스위치(S5)는 영구히 개방된다. 제 4 스위치(S4)가 영구히 패쇄되거나, 영구히 개방되거나 혹은, 주기적으로 교번하며 개방 및 패쇄되든지 간에 상관없으며, 모든 경우에, 변압기는 버퍼 모드이고, 출력 전압(Uo)은 (사실상) 입력 전압 Ui와 동일하다. 그러나, 제 4 스위치(S4)는 영구히 패쇄되도록 유지시키는 것이 바람직하다. 이 경우에, 제 1 커패시커(C1) 및 제 2 커패시터(C2)는 병렬배치되어 함께 출력 전압 Uo에 대한 평활 용량성을 형성한다.
도 5는 본 발명에 따르는 변압기의 특정 형태를 도시한다. 제 1 내지 내지 제 5 스위치(S1 - S5)는 DMOS 트랜지스터로 형성된다. DMOS 트랜지스터에서 진성 다이오드의 원치않는 전도를 방지하기 위하여, 스위치(S1 - S5) 중의 하나 또는 그이상의 스위치를 직렬 접속이 아닌 DMOS 트랜지스터로써 구현할 수 있다. 도 5에서, 예를 들면, 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)를 이렇게 하였다.
제 1 내지 제 5 스위치(S1 - S5)의 경우에, 릴레이, 다이오드, 트랜지스터 및 사이리스터와 같은 다양한 전자 구성요소를 사용할 수 있다. 본 발명에 따르는 변압기는 집적회로로서 구현될 수 있으며, 개별 구성요소에 의해서도 또한 가능하다.

Claims (6)

  1. 입력 단자(I)와 기준 단자(RF) 간의 입력 전압(Ui)을 출력 단자(O)와 상기 기준 단자(RF) 간의 출력 전압(Uo)으로 변환시키는 스위치형 용량성 변압기(a switched capacitive voltage converter)에 있어서,
    제 1 용량성 소자(C1)와,
    상기 출력 단자(O)와 상기 기준 단자(RF) 사이에 접속된 제 2 용량성 소자(C2)와,
    상기 입력 단자(I)와 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 제 1 전극 사이에 접속된 제 1 스위칭 수단(S1)과,
    상기 출력 단자(O)와 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 1 전극 사이에 접속된 제 2 스위칭 수단(S2)과,
    상기 출력 단자(O)와 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 제 2 전극 사이에 접속된 제 3 스위칭 수단(S3)과,
    상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 2 전극과 상기 기준 단자(RF) 사이에 접속된 제 4 스위칭 수단(S4)과,
    상기 입력 단자(I)와 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 2 전극 사이에 접속된 제 5 스위칭 수단(S5)을 포함하는
    스위치형 용량성 변압기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 수단(S1), 제 2 스위칭 수단(S2), 제 3 스위칭 수단(S3) 및 제 4 스위칭 수단(S4)은,
    상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 1 전극을 상기 입력 단자(I)로 그리고 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 2 전극을 상기 출력 단자(O)로 선택적으로 접속시키거나,
    상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 1 전극을 상기 출력 단자(O)로 그리고 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 2 전극을 상기 기준 단자(RF)로 선택적으로 접속시키는
    스위치형 용량성 변압기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 수단(S1), 제 2 스위칭 수단(S2), 제 4 스위칭 수단(S4) 및 제 5 스위칭 수단(S5)은,
    상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 1 전극을 상기 입력 단자(I)로 그리고 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 2 전극을 상기 기준 단자(RF)로 선택적으로 접속시키거나,
    상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 1 전극을 상기 출력 단자(O)로 그리고 상기 제 1 용량성 소자(C1)의 상기 제 2 전극을 상기 입력 단자(I)로 선택적으로 접속시키는
    스위치형 용량성 변압기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 수단(S1) 및 상기 제 2 스위칭 수단(S2)는 상기 입력 단자(I)를 상기 출력 단자(O)에 접속시키는
    스위치형 용량성 변압기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 수단(S1), 제 2 스위칭 수단(S2), 제 3 스위칭 수단(S3), 제 4 스위칭 수단(S4) 및 제 5 스위칭 수단(S5) 중 적어도 하나의 스위칭 수단은 DMOS 트랜지스터에 의해 구현되는
    스위치형 용량성 변압기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 수단(S1), 제 2 스위칭 수단(S2), 제 3 스위칭 수단(S3), 제 4 스위칭 수단(S4) 및 제 5 스위칭 수단(S5) 중 적어도 하나의 스위칭 수단은 역-직렬(anti-series)로 접속된 DMOS 트랜지스터에 의해 구현되는
    스위치형 용량성 변압기.
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