KR100588707B1 - 스위칭 레귤레이터, 디씨/디씨 변환기, 및 스위칭레귤레이터를 구비한 엘에스아이 시스템 - Google Patents

스위칭 레귤레이터, 디씨/디씨 변환기, 및 스위칭레귤레이터를 구비한 엘에스아이 시스템 Download PDF

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Abstract

동기정류방식의 스위칭 레귤레이터는 전원(Vdd)과 접지(Vss) 사이에 직렬로 배치된 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)와, 스위치(SW1, SW2)의 온 오프를 제어하는 스위치 제어부(1)와, 출력 노드 전위(Vnd)를 평활화시키는 평활회로(4)를 구비한다. 제어회로(10)는 제 1 스위치(SW1)를 온시키는 사이에, 돌입전류 발생을 검지하기 위한 기준이 되는 제 1 기준전위(Vr1)를 출력 노드 전위(Vnd)가 밑돈 것을 신호(Sc1)가 나타냈을 때, 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 한다. 즉 제 1 스위치(SW1)의 온 저항에 따른 전압 강하를 이용하여 돌입전류의 검지를 실시하므로, 돌입전류 검지를 위한 저항소자를 설치할 필요가 없다.

Description

스위칭 레귤레이터, 디씨/디씨 변환기, 및 스위칭 레귤레이터를 구비한 엘에스아이 시스템{SWITCHING REGULATOR, DC/DC CONVERTER, AND LSI SYSTEM WITH SWITCHING REGULATOR}
본 발명은 스위칭 레귤레이터에 있어서 전원 투입 시, 이른바 초기동작 시의 돌입전류, 또는 출력전압 평활용 용량의 단락 고장 시 등에 생기는 과잉전류를 검지하여 억제하기 위한 기술에 관한 것이다.
일반적으로 직류 전원전압을 다른 직류전압으로 변환하는 스위칭 레귤레이터에 있어서, 돌입전류나 과잉전류의 억제가 큰 과제의 하나로 되어 있다. 여기서 돌입전류라는 것은 전원 투입 시와 같은 초기동작 시에서, 전원에 접속된 스위치가 온 상태로 되었을 때, 출력전압 평활용 용량을 충전시키기 위하여 급격히 흐르는 전류를 말한다. 또한 과잉전류라는 것은 출력전압 평활용 용량이 단락 고장을 일으켰을 경우 등에 있어서, 전원에 접속된 스위치가 온 상태일 때 전원으로부터 부하를 향하여 지나치게 흐르는 전류를 말한다. 이 돌입전류 및 과잉전류를 억제하지 않으면, 평활회로 내의 인덕터로 흐르는 전류가 그 최대 정격값을 초과해 버려 성능 열화, 경우에 따라서는 파손이 생길 우려가 있다. 여기서 본원 명세서에서는, 특별히 오해가 생기지 않을 때는 돌입전류 및 과잉전류를 총칭하여 돌입전류로 칭하기로 한다.
돌입전류의 억제를 목적으로 하여 다음과 같은 회로구성이 제안되었다.
도 11은 종래의 스위칭 레귤레이터 회로구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 11에서 돌입전류 검지회로(50)는 돌입전류 검지용 저항소자(51)를 갖고, 돌입전류 검출기(52)는 이 저항소자(51)의 양단 전압에 의하여 돌입전류의 유무를 검지한다. 돌입전류 검출기(52)는, 정상(定常)동작 시에는 온 저항이 작은 스위칭 소자(53)를 온 상태로 하는 한편, 돌입전류를 검지하였을 때는 스위칭 소자(53)를 오프 상태로 하여 돌입전류 억제용 저항 소자(54)로 전류가 흐르도록 한다. 돌입전류 억제용 저항 소자(54)는 저항값이 큰 저항기나, 과열에 반응하여 전류를 차단하는 온도 퓨즈 저항기 등으로 구성된다(일특개평 9-121546호 공보 참조).
도 12는 종래의 스위칭 레귤레이터 회로구성의 다른 예로서, 초기동작에서 톱니파에 의한 스위칭 펄스폭 가변 제어를 실시하는 것을 나타내는 도면이다. 도 12에서 선택기(56)는 절환 제어회로(57)의 지시에 따라 초기동작 시에는 톱니파를, 통상동작 시에는 기준전위를 선택 출력한다. 이로써 초기동작 시에는 도 13에 도시한 바와 같이 전반은 톱니파와 출력전압(Vout)의 비교에 따라, p형 MOS 트랜지스터 스위치(SW1) 온 신호의 펄스폭이 짧아지고, 출력전압(Vout)이 상승함에 따라 서서히 그 펄스폭이 길어진다. 그 결과 초기동작 시의 돌입전류를 억제할 수 있다.
또 도 14도 도 12와 마찬가지로 초기동작 시의 돌입전류를 톱니파를 이용하여 억제하는 스위칭 레귤레이터 회로구성의 예를 나타내는 도면이다. 도 14의 구성에서는 초기동작 시는 순환경로(1)를 사용하고, 정상동작 시는 순환경로(2)를 사 용하여 스위칭 소자(61, 62)의 온 오프를 제어한다. 그리고 톱니파 발생회로(63)에 의하여 톱니파(STW)를 발생시키고 스위칭 온/오프 듀티를 서서히 바꾸면서 초기화 동작을 실시함으로써, 초기동작 시의 돌입전류를 억제한다(일특개평 5-56636호 공보 참조).
- 해결과제 -
그러나 종래의 스위칭 레귤레이터의 구성에서는 다음과 같은 문제가 있다.
먼저 도 11과 같이 돌입전류 억제회로를 이용하는 구성에서는, 전력변환 효율이 저하되는 문제가 있다. 즉 도 11의 구성에서는 전원으로부터의 전류 패스에 돌입전류 검지용 저항소자(51)를 삽입시키므로, 이 저항소자(51)에 따라 저항 손실이 생기고, 그 만큼 스위칭 레귤레이터의 전력변환 효율이 열화되어 버린다.
또한 도 12 및 도 14와 같이 톱니파를 이용하여 초기동작을 실행하는 구성에서는, 초기동작에서의 돌입전류는 억제할 수 있어도 정상동작에서의 과잉전류를 검지 억제할 수는 없다. 또 초기화에 필요한 시간이 길어진다는 문제도 있다. 더욱이 회로구성 상, 초기동작과 정상동작을 구별하는 신호를 생성할 필요가 생긴다.
본 발명은 스위칭 레귤레이터로서 높은 전력변환 효율을 유지하면서 돌입전류 및 과잉전류를 억제하고, 초기화에 요하는 시간을 종래보다 단축 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명은 동기정류방식의 스위칭 레귤레이터로서, 제 1 전위를 공급하는 제 1 전원과 상기 제 1 전위보다 낮은 제 2 전위를 공급하는 제 2 전원 사이에 설치되며, 상기 제 1 전원 측으로부터 순차 직렬로 배치된 제 1 및 제 2 스위치와, 상기 제 1 및 제 2 스위치의 온 오프를 제어하는 스위치 제어부와, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 사이의 출력 노드 전위를 평활화시키는 평활회로를 구비하고, 상기 스위치 제어부는 상기 제 1 스위치를 온 상태로 한 경우에서, 상기 출력 노드 전위가 돌입전류 또는 과잉전류의 발생을 검지하기 위한 기준이 되는 제 1 기준전위를 밑돌 때는 상기 제 1 스위치를 오프 상태로 하도록 구성된 것이다.
본 발명에 의하면, 제 1 스위치가 온 상태의 경우에서 출력 노드 전위가 제 1 기준전위보다 밑돌 때, 돌입전류 또는 과잉전류가 발생한 것으로 판단하여 제 1 스위치가 오프 상태로 된다. 즉 돌입전류 또는 과잉전류의 발생이, 제 1 스위치의 온 저항에 의한 전압 강하를 이용하여 검지되고, 검지되었을 때 제 1 스위치를 오프 상태로 함으로써 돌입전류 또는 과잉전류를 차단한다. 이 때문에 돌입전류 또는 과잉전류의 검지를, 검지용 저항소자를 별도 설치하지 않고, 즉 스위칭 레귤레이터의 전력변환 효율의 열화를 초래하는 일없이 실현할 수 있다. 더욱이 초기동작에서 정상시와 다른 제어가 필요 없고 초기동작에서의 돌입전류도 정상동작에서의 과잉전류도 마찬가지로 억제할 수 있다.
그리고 상기 본 발명에 관한 스위칭 레귤레이터의 스위치 제어부는, 상기 제 1 기준전위를 생성하는 제 1 기준전위 생성회로와, 상기 제 1 기준전위 생성회로에 의하여 생성된 제 1 기준전위와 상기 출력 노드 전위를 비교하는 제 1 전위 비교기와, 상기 제 1 전위 비교기의 비교 결과를 유효로 하는 유효기간을 설정하는 유효 기간 설정회로를 구비하고, 또 상기 유효기간 설정회로에 의하여 설정된 유효기간에서 상기 제 1 전위 비교기에 의하여 상기 출력 노드 전위가 상기 제 1 기준전위를 밑도는 것이 검지되었을 때, 상기 제 1 스위치를 오프 상태로 하는 것이 바람직하다.
더욱이 상기 유효기간 설정회로는 유효기간의 개시 시기를 상기 제 1 스위치가 온 상태로 된 후, 소정 기간을 경과한 시기로 설정하는 것이 바람직하다.
또 상기 본 발명에 관한 스위칭 레귤레이터의 스위치 제어부는, 상기 제 1 스위치를 오프 상태로 한 다음에 온 상태로 하기까지의 기간에서, 상기 제 2 스위치를 소정 기간 온 상태로 하는 것이 바람직하다.
이로써 제 1 스위치를 오프 상태로 하는 사이에 제 2 스위치를 소정 기간 온 상태로 함으로써, 제 2 전원으로부터 평활회로를 향하여 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서 초기동작에 있어서 평활회로의 출력전압을 소정의 설정 전압까지 인상하기 위하여 필요한 시간, 즉 초기화에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
그리고 상기 제 2 스위치를 온 상태로 하는 기간은, 일정 기간으로 설정되는 것이 바람직하다. 또한 상기 제 2 스위치를 온 상태로 하는 기간은, 상기 평활회로의 출력전압에 따라 가변으로 설정되는 것이 바람직하다. 더욱이 상기 스위치 제어부는 상기 제 2 스위치를 온 상태로 한 경우에 있어서, 상기 출력 노드 전위가 상기 제 2 스위치의 온 기간 종료 시기를 정하기 위한 기준으로 되는 제 2 기준전위를 웃돌 때는, 상기 제 2 스위치를 오프 상태로 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 본 발명에 관한 스위칭 레귤레이터와, 상기 스위칭 레 귤레이터로부터 공급된 전압에 의하여 동작하는 LSI 코어부를 구비한 LSI 시스템으로 한다.
또 본 발명은 상기 본 발명에 관한 스위칭 레귤레이터를 구성하는 DC/DC 변환기로서, 제 1 전위를 공급하는 제 1 전원과 상기 제 1 전위보다 낮은 제 2 전위를 공급하는 제 2 전원 사이에 설치되며, 상기 제 1 전원 측으로부터 순차 직렬로 배치된 제 1 및 제 2 스위치와, 상기 제 1 및 제 2 스위치의 온 오프를 제어하는 스위치 제어부를 구비하고, 상기 스위치 제어부는 상기 제 1 스위치를 온 상태로 한 경우에 있어서, 상기 출력 노드 전위가 돌입전류 또는 과잉전류의 발생을 검지하기 위한 기준이 되는 제 1 기준전위를 밑돌 때는 상기 제 1 스위치를 오프 상태로 하도록 구성된 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 스위칭 레귤레이터의 구성을 나타내는 회로도.
도 2는 도 1의 스위칭 레귤레이터의 동작을 나타내는 도면.
도 3은 초기동작에서의 인덕터 전류(IL)의 시간 변화를 나타내는 그래프로서, (a)는 본 발명의 실시형태에 관한 도면이고 (b)는 종래의 구성에 관한 도면.
도 4는 도 1의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 내부 구성을 나타내는 도면.
도 5는 도 1의 스위칭 레귤레이터의 동작을 나타내는 도면으로서, 유효 기간의 설정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 5의 제어회로에서 온 기간 설정회로의 다른 회로 구성을 나타내는 도면.
도 7은 도 1의 스위칭 레귤레이터의 변형형태의 회로 구성을 나타내는 도면.
도 8은 도 7의 스위칭 레귤레이터의 동작을 나타내는 도면.
도 9는 도 7의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 내부 구성을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명에 관한 스위칭 레귤레이터를 이용하여 구성된 LSI 시스템의 예를 나타내는 도면.
도 11은 종래의 스위칭 레귤레이터 회로 구성의 일례를 나타내는 도면.
도 12는 종래의 스위칭 레귤레이터 회로 구성의 다른 예를 나타내는 도면.
도 13은 도 12의 스위칭 레귤레이터의 초기동작을 나타내는 도면.
도 14는 종래의 스위칭 레귤레이터 회로 구성의 다른 예를 나타내는 도면.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 스위칭 레귤레이터의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 1에서 SW1은 p형 MOS 트랜지스터로 이루어지는 제 1 스위치, SW2는 n형 MOS 트랜지스터로 이루어지는 제 2 스위치이고, 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)는 제 1 전위로서의 전원전위(Vdd)를 공급하는 제 1 전원(이하'전원(Vdd)'으로 표기)과, 제 2 전위로서의 접지전위(Vss)를 공급하는 제 2 전원(이하'전원(Vss)'으로 표기) 사이에 직렬로 설치된다. 3은 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)가 모두 오프 상태일 때 전원(Vss)으로부터 전류를 흐르게 하기 위한 다이오드이고, 4는 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2) 사이의 출력 노드 전위(Vnd)를 평활화하는 평활회로이다. 평활회로(4)는 인덕터(5)와 출력전압 평활용 용량(6)으로 구성되며, 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)의 스위칭 동작에 따라 구형파(矩形波)로 된 전위(Vnd)를 일정 전압으로 평활화한다. 평활회로(4)에 의하여 평활화된 전압은 출력전압(Vout)으로서 출력 부하(7)로 공급된다.
또한 10은 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)의 스위칭 동작을 제 1 및 제 2 스위칭 신호(Sp, Sn)에 의하여 제어하는 제어회로, 11은 돌입전류 검지를 위한 기준이 되는 제 1 기준전위(Vr1)를 생성하는 제 1 기준전위 생성회로, 12는 제 1 기준전위 생성회로(11)에 의하여 생성된 제 1 기준전위(Vr1)와 출력 노드 전위(Vnd)를 비교하는 제 1 전위 비교기이다. 제어회로(10)와 제 1 기준전위 생성회로(11) 및 제 1 전위 비교기(12)에 의하여 스위치 제어부(1)가 구성된다. 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)와 스위치 제어부(1) 및 다이오드(3), 평활회로(4)에 의하여 본 실시형태에 관한 스위칭 레귤레이터가 구성된다.
본 실시형태의 특징은, 제 1 스위치(SW1)의 온 저항에 의한 전압 강하를 이용하여 돌입전류의 발생 유무를 검지하는 것이다. 기본적으로 제어회로(10)는 출력전압(Vout)과, 참조전압 생성회로(9)에 의하여 생성된 참조전압(Vref)의 비교 결과를 나타내는 제어신호(Sdt)에 기초하여 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)의 스위칭 동작을 제어한다. 그리고 제 1 전위 비교기(12)로부터 출력되는 제 1 판정신호(Sc1)에 기초하여 돌입전류 억제를 위한 제어를 한다.
도 1에 나타내는 스위칭 레귤레이터의 동작에 대하여 설명하기로 한다. 먼저 초기동작에 대하여 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 여기서 초기동작 전은, 출력전압 평활용 용량(6)이 충전되지 않는 것으로 한다.
먼저 제어회로(10)는 제 1 스위칭 신호(Sp)를 'L'로 하여 제 1 스위치(SW1)를 온 상태로 한다(도 2의 A). 이로써 전원(Vdd)으로부터 평활회로(4)를 향하여 전류가 흘러, 용량(6)의 충전이 개시된다. 이 때 돌입전류가 발생한다(도 2의 B). 돌입전류는 전원(Vdd)으로부터 제 1 스위치(SW1)를 거쳐 흐르기 때문에, 출력 노드 전위(Vnd)는 제 1 스위치(SW1)의 온 저항을 포함하는, 전원(Vdd)으로부터 출력 노드까지의 전 저항성분(Rp)에 의하여 전원전위(Vdd)부터 다음 수학식 1로 나타나는 전압(Vdrop)만큼 강하한다(도 2의 C). 여기서 I는 돌입전류의 전류값이다.
Vdrop＝Rp×I
그래서 설정된 유효기간(상세는 후술) 내에, 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준전위(Vrf)를 밑돈 것을 제 1 판정신호(Sc1)가 나타낼 때, 즉 'H'로 되었을 때, 제어회로(10)는 돌입전류가 설정 제한값을 초과한 것으로 하여 제 1 스위치(SW1)를 강제적으로 오프 상태로 한다.
이 때문에 출력 노드 전위(Vnd)는 급격히 접지전위(Vss) 이하까지 강하하여(도 2의 D), 다이오드(3)가 온 상태로 됨으로써 이번에는 전원(Vss)으로부터 평활회로(4)를 향하여 전류가 흐른다. 이 때 다이오드(3)에서의 손실을 저감시키기 위하여, 제어회로(10)는 제 2 스위치(SW2)를 소정 기간 온 상태로 한다(도 2의 E). 이로써 인덕터(5)로 흐르는 전류(IL)는 감소해 간다. 그리고 제어회로(10)는 제 2 스위치(SW2)를 오프 상태로 한 후, 다시 제 1 스위치(SW1)를 온 상태로 한다(도 2의 F). 이 때 상술한 바와 같이 유효기간 내에 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준 전위(Vr1)를 밑돈 것을 제 1 판정신호(Sc1)가 나타낼 때(도 2의 G) 즉 'H'로 되었을 때, 다시 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 한 후, 제 2 스위치(SW2)를 소정 기간동안 온 상태로 한다.
이상과 같은 동작을 반복함으로써, 돌입전류를 억제하면서 초기화 동작을 실행할 수 있다.
또 정상동작 시는 다음과 같이 동작을 한다. 출력전압(Vout)과 참조전압(Vref)의 비교 결과를 나타내는 제어신호(Sdt)가 제어회로(10)로 피드백되어, 제어회로(10)는 PWM 제어방식에 따라 제 1 스위치(SW1)와 제 2 스위치(SW2)를 번갈아 온 오프 한다. 이로써 출력전압(Vout)은 일정하게 유지된다. 이 경우에도 제어회로(10)는, 유효기간 내에 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준전위(Vr1)를 밑돈 것을 제 1 판정신호(Sc1)가 나타낼 때는, 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 함으로써 과잉전류를 억제한다.
이상과 같이 본 실시형태에 의하면 저항소자를 새로 설치하는 일없이 돌입전류를 검지 억제할 수 있으므로, 높은 전력변환 효율을 유지할 수 있게 된다.
또 본 실시형태에 의하여, 초기화에 필요한 시간이 대폭 단축된다. 도 3은 초기동작에서 인덕터 전류(IL)의 시간 변화를 나타내는 그래프로서, (a)는 본 실시형태, (b)는 도 12 및 도 14에 도시한 바와 같은 톱니파를 이용한 종래의 구성에 관한 도면이다. 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 본 실시형태에서는, 인덕터(5)에 거의 설정 상한값인 전류(IL)를 보내면서 초기동작을 실행할 수 있다. 초기화에 필요한 시간은, 출력전압 평활용 용량(6)을 충전하기 위하여 필요한 전하량(도 3의 사선부분의 면적에 상당)을 공급하기 위하여 필요한 시간이므로, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 실시형태에 의하여 초기화에 필요한 시간은 대폭 단축된다.
도 4는 제어회로(10)의 내부 구성을 나타내는 도면이다. 도 4에서 21은 제 1 판정신호(Sc1)를 유효로 하는 유효기간을 설정하기 위한 유효기간 설정회로이고, 23은 제 2 스위치(SW2)의 온 기간을 설정하기 위한 온 기간 설정회로이다.
통상동작 시, 온 기간 설정회로(23)의 출력신호는 'L'인 채이며, OR 게이트(26)의 출력신호는 제어신호(Sdt)와 동일하게 된다. 즉 제어회로(10)는 돌입전류가 발생하지 않을 때, 제어신호(Sdt)에 따라 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)의 스위칭 동작을 제어한다.
유효기간 설정회로(21)로부터 출력되는 유효기간 신호(Sv1)는 NOR 게이트(21a)의 입력이 모두 'L'일 때만 'H'로 된다. 즉 유효기간 신호(Sv1)는 제 1 스위칭 신호(Sp)가 'L'로 된 다음에 인버터(21b)의 신호 전파시간만큼 지연되어 'H'로 되고, 제 1 스위칭 신호(Sp)가 'H'로 되면 'L'로 된다. 유효기간 신호(Sv1)가 'H'인 기간이 유효기간으로 된다. 신호(Sv1)가 'H'인 사이에 제어신호(Sc1)가 'H'로 되면, AND 게이트(22)의 출력이 'H'로 된다. 온 기간 설정회로(23)는 AND 게이트(22)의 출력이 'H'로 되면, 카운터(25)에 의하여 설정된 일정 기간동안 출력을 'H'로 한다. 이로써 제어신호(Sdt)의 논리 레벨에 상관없이 OR 게이트(26)의 출력신호는 일정 기간 'H'로 되고, 이에 따라 제 2 스위치(SW2)가 일정 기간 온 상태로 된다.
(유효기간 설정)
도 5는 도 1의 스위칭 레귤레이터의 동작을 나타내는 도면으로서, 제 1 판정신호(Sc1)를 유효로 하는 유효기간 설정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에서 (1)과 (2)는 돌입전류가 발생하였을 때의 전압과 신호의 파형이고, (3)은 돌입전류가 발생하지 않을 때의 전압과 신호의 파형을 나타낸다.
먼저 (1)의 경우에 대하여 설명하기로 한다. 제어회로(10)는 제 1 스위칭 신호(Sp)를 'L'로 하여 제 1 스위치(SW1)를 온 상태로 한다(도 5의 H). 이로써 출력 노드 전위(Vnd)는 전원전위(Vdd)까지 상승하는데, 그 과정에서 제 1 기준전위(Vr1)를 초과하여(도 5의 I) 제 1 판정신호(Sc1)가 'L'로 된다. 한편 제 1 스위칭 신호(Sp)의 지연신호(Sp-delay)는, 2개 인버터(21b)의 신호 전파시간만큼 지연되어 'L'로 된다(도 5의 J). 이 때문에 유효기간 신호(Sve)는 제 1 스위칭 신호(Sp)가 'L'로 된 다음에, 2개 인버터(21b)의 신호 전파시간에 상당하는 지연시간을 두고 'H'로 된다. 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준전위(Vr1)를 초과하기까지 필요한 시간은, 부하 전류값이나 용량(6)의 충전상태, 즉 출력전압(Vout)에 따라 다르다. 따라서 유효기간 신호(Sve)의 지연시간은, 출력 노드 전위(Vnd)가 유효기간 개시 시기까지 확실하게 제 1 기준전위(Vr1)를 초과할 정도로, 충분히 길게 설정할 필요가 있다.
유효기간 신호(Sve)가 'H'인 사이(도 5의 K)에 돌입전류가 흘러 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준전위(Vr1)를 밑돌면(도 5의 L), 제 1 판정신호(Sc1)는 'H'로 되고(도 5의 M), 제어회로(10)는 제 1 스위칭 신호(Sp)를 강제적으로 'H'로 하여 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 한다(도 5의 N). 유효기간 신호(Sve)는 제 1 스 위치(SW1)가 오프 상태로 됨에 따라 곧 'L'로 되어 유효기간이 종료한다.
다음으로 (2)의 경우에 대하여 설명하기로 한다. 제어회로(10)는 제 1 스위칭 신호(Sp)를 'L'로 하여 제 1 스위치(SW1)를 온 상태로 한다(도 5의 O). 이로써 출력 노드 전위(Vnd)가 상승하지만, 이미 돌입전류 또는 과잉전류가 흐르는 경우에는, 출력 노드 전위(Vnd)는 제 1 기준전위(Vr1)까지 달하지 않는다(도 5의 P). 이 때 제어회로(10)는, 유효기간 신호(Sve)가 'H'로 되었을 때(도 5의 Q) 제 1 판정신호(Sc1)가 'H'인 채이므로(도 5의 R), 즉시 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 한다. 이 경우 제 1 스위치(SW1)는 제 1 스위칭 신호(Sp)가 'L'로 된 다음에 2개 인버터(21b)의 신호 전파시간만큼 온 상태로 되므로, 이 사이에 흘러 버리는 돌입전류를 고려하여, 제 1 기준전위(Vr1)는 여유분을 주어 설정할 필요가 있다.
다음으로 (3)의 경우에 대하여 설명하기로 한다. (1), (2)와 마찬가지로, 제어회로(10)는 제 1 스위칭 신호(Sp)를 'L'로 하여 제 1 스위치(SW1)를 온 상태로 한다(도 5의 T). 이로써 출력 노드 전위(Vnd)는 전원전위(Vdd)까지 상승한다. 그 과정에서 출력 노드 전위(Vnd)는 제 1 기준전위(Vr1)를 초과하여 판정신호(Sc1)는 'L'로 된다. 그 후 유효기간 신호(Sve)가 'H'로 된다(도 5의 U). 그러나 돌입전류가 발생하지 않는 통상동작 시는 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준전위(Vr1)까지 저하하지 않으므로(도 5의 V), 제 1 판정신호(Sc1)는 'L'인 채이다. 그리고 제어회로(10)는 제어신호(Sdt)에 따라 제 1 스위칭 신호(Sp)를 'H'로 하여 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 한다(도 5의 W). 이에 따라 유효기간 신호(Sve)도 즉시 'L'로 된다. 그 후, 바로 제 1 판정신호(Sc1)가 'H'로 되어도(도 5의 X), 유효 기간 신호(Sve)가 'L'이므로 스위칭 레귤레이터는 통상동작을 계속할 수 있다.
즉 유효기간을 설치함으로써, 초기동작에서의 돌입전류와 통상동작에서의 과잉전류 양쪽을 검지할 수 있다.
(제 2 스위치(SW2)의 온 기간 설정)
제 2 스위치(SW2)의 온 기간이 지나치게 긴 경우에는 인덕터(5)로 흐르는 전류(IL)는 서서히 작아져, 나아가서는 반대 방향으로 흐르게 된다. 이 때문에 출력 전압(Vout)이 좀처럼 상승하지 않아, 초기화에 필요한 시간이 길어진다.
한편 제 2 스위치(SW2)의 온 기간이 지나치게 짧은 경우에는, 다음에 제 1 스위치(SW1)가 온 하였을 때 인덕터(5)로 흐르는 전류(IL)는 충분히 크므로, 도 5의 (2)와 같이 제 1 스위치(SW1)를 즉시 오프 상태로 해야 되고, 이 온 기간에 흐르는 돌입전류를 고려한 여유분을 제 1 기준전위(Vr1)에 대하여 충분히 취해야 된다. 또 다음 제 1 스위치(SW1)의 온 기간도 짧아지므로 결과적으로 스위칭 주기가 빨라져, 이에 따른 충방전 손실도 무시할 수 없게 된다. 이와 같이 제 2 스위치(SW2)의 온 기간은 초기화에 필요한 시간이나 효율에 대하여 매우 중요한 요소이다.
그래서 본 실시형태에서 제 2 스위치(SW2)의 온 기간 설정은 다음과 같이 실시하는 것으로 한다. 제 2 스위치(SW2)가 온인 기간에 인덕터(5)를 흐르는 전류(IL)의 감소 정도는, 인덕터(5)의 양단 전압, 즉 출력 노드 전위(Vnd)와 출력전압(Vout)의 차이(거의 출력전압(Vout)에 상당)에 의존한다. 따라서 출력전압(Vout)이 낮은 경우에서, 인덕터(5)로 흐르는 전류(IL)가 충분히 하강하는 일정 기간을 제 2 스위치(SW2)의 온 기간으로 설정한다. 즉 제 1 스위치(SW1)가 다음에 온 상태로 되었을 때 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준전위(Vr1)를 초과할 수 있는 값까지, 인덕터(5)로 흐르는 전류(IL)의 양을 충분히 내리는데 필요한 시간으로 설정하면 된다.
또한 제 2 스위치(SW2)의 온 기간은, 출력전압(Vout)에 따라 가변으로 설정하여도 된다.
제 2 스위치(SW2)가 온 상태일 때 인덕터(5)로 흐르는 전류(IL)의 감소 정도는 출력전압(Vout)이 낮을 때는 작고 출력전압(Vout)이 높을 때는 크다. 이 사실을 고려하면, 초기동작에서 출력전압(Vout)이 낮을 때는 제 2 스위치(SW2)의 온 기간을 길게 설정해 두고, 출력전압(Vout)이 상승함에 따라 서서히 제 2 스위치(SW2)의 온 기간을 짧게 하는 것이 바람직하다. 이 경우 초기동작 당초의 제 2 스위치(SW2)의 온 기간은, 상술한 기간으로 설정하면 된다. 제 2 스위치(SW2)의 온 기간을 이와 같이 출력전압(Vout)에 따라 가변으로 설정함으로써, 초기화에 필요한 시간을 단축할 수 있게 된다.
도 6은 상기 제어를 가능하게 하기 위한 온 기간 설정회로의 회로구성을 나타내는 도면이다. 도 6에 나타낸 온 기간 설정회로(23A)에서는 4개의 카운터(25a~25d)를 설치하고, 각 카운터(25a~25d)에 대응하여 예를 들어 4, 3, 2, 1㎲와 같이 4종류의 온 기간이 설정 가능하다. 신호(A, B)의 값은 출력전압(Vout)에 따라, 예를 들어 표 1과 같이 설정하면 된다.
Figure 112000022148393-pct00001
(실시형태의 변형형태)
도 7은 본 실시형태에 관한 스위칭 레귤레이터의 변형형태의 회로구성을 나타내는 도면이다. 도 7에서 도 1과 마찬가지 구성요소에는 도 1과 동일 부호를 부여한다. 도 7에서는 제 2 스위치(SW2)의 온 기간 종료 시기를 정하기 위한 기준이 되는 제 2 기준전위(Vr2)를 생성하는 제 2 기준전위 생성회로(13)와, 출력 노드 전위(Vnd)와 제 2 기준전위(Vr2)를 비교하는 제 2 전위 비교회로(14)를 구비한다. 제어회로(10A)와, 제 1 및 제 2 기준전위 생성회로(11, 13) 그리고 제 1 및 제 2 전위 비교회로(12, 14)에 의하여 스위치 제어부(2)가 구성된다.
본 변형형태의 특징은 제 2 스위치(SW2)의 온 기간을 미리 소정의 기간으로 설정하는 대신, 출력 노드 전위(Vnd)가 제 2 기준전위(Vr2)에 달하기까지 제 2 스위치(SW2)를 온 상태로 하는 것이다. 제어회로(10A)는 기본적으로 출력전압(Vout)과, 참조전압 생성회로(9)에 의하여 생성된 참조전압(Vref)과의 비교 결과를 나타내는 제어신호(Sdt)에 기초하여 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)의 스위칭 동작을 제어한다. 그리고 제 1 전위 비교기(12)로부터 출력되는 제 1 판정신호(Sc1)에 기초하여 돌입전류 억제를 위한 제어를 실시하는 동시에, 제 2 전위 비교기(14)로부 터 출력되는 제 2 판정신호(Sc2)에 기초하여 제 2 스위치(SW2)의 온 기간 종료 시기를 설정한다.
도 7에 나타내는 스위칭 레귤레이터의 동작에 대하여 도 8을 참조하여 설명하기로 한다. 돌입전류 또는 과잉 전류가 흘러, 유효기간 내에 출력 노드 전위(Vnd)가 제 1 기준전위(Vr1)를 밑돌면(도 8의 A), 제어회로(10A)는 제 1 판정신호(Sc1)의 'H'를 검지하여 제 1 스위칭 신호(Sp)를 'H'로 하여 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 한다(도 8의 B). 그 후 제어회로(10A)는 제 2 스위칭 신호(Sn)를 'H'로 하여 제 2 스위치(SW2)를 온 상태로 하는데, 그 온 기간은 미리 설정되지는 않는다. 출력 노드 전위(Vnd)가 제 2 기준전위(Vr2)를 웃돌면(도 8의 C), 제 2 판정신호(Sc2)는 'H'로 되고 제어회로(10A)는 제 2 판정신호(Sc2)의 'H'를 검지하여 제 2 스위칭 신호(Sn)를 'L'로 하고, 제 2 스위치(SW2)를 오프 상태로 한다(도 8의 D).
스위칭 레귤레이터의 초기동작을 신속히 실행하기 위해서는, 제 2 스위치(SW2)의 온 기간은 출력 노드 전위(Vnd)가 접지전위(Vss)를 초과하지 않는 범위에서 될 수 있는 대로 긴 것이 바람직하다. 따라서 본 변형형태와 같이 제 2 스위치(SW2)의 온 기간 종료 시기를 출력 노드 전위(Vnd)와 제 2 기준전위(Vr2)의 비교에 따라 정함으로써, 돌입전류를 억제하면서 초기화에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
또 본 변형형태에서도, 초기동작 시와 정상동작 시 양쪽에서 돌입전류 또는 과잉전류를 억제할 수 있음은 물론이다.
도 9는 도 7의 제어회로(10A)의 회로구성을 나타내는 도면이다. 도 9에서는, 도 1의 제어회로(10)의 회로구성을 나타내는 도 4와 마찬가지 구성요소에는 도 4와 동일 부호를 부여한다. 도 9에서는 도 4의 온 기간 설정회로(23) 대신, 제 2 판정신호(Sc2)와, NAND 게이트(22)의 출력신호를 입력으로 하는 2입력 NAND 게이트(29)가 설치된다.
여기서 상기 실시형태 또는 변형형태에서 제 1 기준전위(Vr1)의 설정을 변경 가능하게 구성하여도 된다. 이로써 평활회로(4)의 인덕터(5) 선택폭을 넓히거나 시스템 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또 제 2 기준전위(Vr2)의 설정을 변경 가능하게 구성하여도 된다.
도 10은 본 발명에 관한 스위칭 레귤레이터를 이용하여 구성된 LSI 시스템의 예를 나타내는 도면이다. 도 10에서 LSI(30)는 LSI 코어부(31)와 DC/DC 변환기(32)를 구비하며, 외장부품으로서 다이오드(3) 및 평활회로(4)를 구비한다. 33a~33c는 LSI(30)의 패드이다. DC/DC 변환기(32)는 예를 들어 상기 실시형태 또는 변형형태에서 나타낸 바와 같은 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)와 스위치 제어부(1 또는 2)를 구비한 것으로, DC/DC 변환기(32)와 다이오드(3) 및 평활회로(4)에 의하여 본 발명에 관한 스위칭 레귤레이터가 구성된다. DC/DC 변환기(32)는 패드(33a, 33b)로 공급된 전원전위(Vdd, Vss)를, 상기 실시형태 또는 변형형태에 관한 동작에 의하여 전압(Vnd)으로 변환시켜 패드(33c)로 출력한다. 평활회로(4)는 DC/DC 변환기(32)의 출력전압(Vnd)을 평활화하여 전압(Vout)으로서 출력한다. 평활회로(4)의 출력전압(Vout)은 LSI 코어부(31)의 내부 전원전압으로서 공급된다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 제 1 스위치의 온 저항에 따른 전압 강하를 이용하여 돌입전류의 발생이 검지되므로, 검지용 저항소자를 별도 설치하지 않고, 즉 스위칭 레귤레이터의 전력변환 효율의 열화를 초래하는 일없이 돌입전류의 검지를 실현할 수 있다. 더욱이 초기동작에 있어서 정상시와 다른 제어가 필요 없으므로, 정상동작에서의 과잉전류도 초기동작에서의 돌입전류와 마찬가지로 억제할 수 있다.
또 제 1 스위치를 오프 상태로 하는 사이에 제 2 스위치를 소정 기간 온 상태로 함으로써, 초기화에 필요한 시간을 단축할 수 있다.

Claims (9)

  1. 동기정류방식의 스위칭 레귤레이터로서,
    제 1 전위를 공급하는 제 1 전원과 상기 제 1 전위보다 낮은 제 2 전위를 공급하는 제 2 전원 사이에 설치되며, 상기 제 1 전원 측으로부터 순차 직렬로 배치된 제 1 및 제 2 스위치와,
    상기 제 1 및 제 2 스위치의 온 오프를 제어하는 스위치 제어부와,
    상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 사이의 출력 노드 전위를 평활화시키는 평활회로를 구비하고,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 제 1 스위치를 온 상태로 한 경우에서, 상기 출력 노드 전위가 돌입전류 또는 과잉전류의 발생을 검지하기 위한 기준이 되는 제 1 기준전위를 밑돌 때는 상기 제 1 스위치를 오프 상태로 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  2. 청구항 1 기재의 스위칭 레귤레이터에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 제 1 기준전위를 생성하는 제 1 기준전위 생성회로와,
    상기 제 1 기준전위 생성회로에 의하여 생성된 제 1 기준전위와, 상기 출력 노드 전위를 비교하는 제 1 전위 비교기와,
    상기 제 1 전위 비교기의 비교 결과를 유효로 하는 유효기간을 설정하는 유효기간 설정회로를 구비하고, 또,
    상기 유효기간 설정회로에 의하여 설정된 유효기간에서 상기 제 1 전위 비교기에 의하여 상기 출력 노드 전위가 상기 제 1 기준전위를 밑돈 것이 검지되었을 때, 상기 제 1 스위치를 오프 상태로 하는 것임을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  3. 청구항 2 기재의 스위칭 레귤레이터에 있어서,
    상기 유효기간 설정회로는,
    유효기간의 개시 시기를 상기 제 1 스위치가 온 상태로 된 후, 소정 기간을 경과한 시기로 설정하는 것임을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  4. 청구항 1 기재의 스위칭 레귤레이터에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 제 1 스위치를 오프 상태로 한 다음에, 온 상태로 하기까지의 기간에서, 상기 제 2 스위치를 소정 기간 온 상태로 하는 것임을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  5. 청구항 4 기재의 스위칭 레귤레이터에 있어서,
    상기 제 2 스위치를 온 상태로 하는 기간은, 일정 기간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  6. 청구항 4 기재의 스위칭 레귤레이터에 있어서,
    상기 제 2 스위치를 온 상태로 하는 기간은, 상기 평활회로의 출력전압에 따라 가변으로 설정되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  7. 청구항 4 기재의 스위칭 레귤레이터에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 제 2 스위치를 온 상태로 한 경우에서, 상기 출력 노드 전위가 상기 제 2 스위치의 온 기간 종료 시기를 정하기 위한 기준이 되는 제 2 기준전위를 웃돌 때는 상기 제 2 스위치를 오프 상태로 하는 것임을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  8. 청구항 1 기재의 스위칭 레귤레이터와,
    상기 스위칭 레귤레이터로부터 공급된 전압에 의하여 동작하는 LSI 코어부를 구비한 LSI 시스템.
  9. 제 1 전위를 공급하는 제 1 전원과 상기 제 1 전위보다 낮은 제 2 전위를 공급하는 제 2 전원 사이에 설치되며, 상기 제 1 전원 측으로부터 순차 직렬로 배치된 제 1 및 제 2 스위치와,
    상기 제 1 및 제 2 스위치의 온 오프를 제어하는 스위치 제어부를 구비하고,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 제 1 스위치를 온 상태로 한 경우에 있어서, 상기 출력 노드 전위가 돌입전류 또는 과잉전류의 발생을 검지하기 위한 기준이 되는 제 1 기준전위를 밑돌 때는 상기 제 1 스위치를 오프 상태로 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC/DC변환기.
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