KR100595447B1

KR100595447B1 - Ｄｃ-ｄｃ 컨버터 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100595447B1
Application number: KR1020040020845A
Authority: KR
Inventors: 차재덕
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2006-07-03
Also published as: US20050212497A1; KR20050095440A; JP2005287293A; CN1674423B; US7285941B2; CN1674423A

Abstract

본 발명은, 외부로부터 입력되는 직류전원을 부하가 요구하는 소정의 직류전원으로 변환하여 상기 부하에 공급하는 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 DC-DC 컨버터는, 한 쌍의 스위치가 상호 직렬로 연결된 스위치블럭에 적어도 하나의 스위치가 병렬로 접속되어, 입력되는 직류전원의 공급을 단속하는 스위칭부와; 상기 부하에 흐르는 부하전류를 감지하는 전류감지부와; 상기 전류감지부에 의해 감지된 부하전류의 크기에 따라 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 변경하도록 상기 스위칭부를 제어하는 제어부FMF 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 경부하시 발생하는 불필요한 스위칭을 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

Description

ＤＣ-ＤＣ 컨버터 및 그 제어방법{DC-DC CONVERTER AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

도 1은 종래의 DC-DC 컨버터의 회로도,

도 2는 대전류를 필요로 하는 부하에 대응하기 위한 DC-DC 컨버터의 회로도,

도 3은 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 회로도,

도 4는 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 제어흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 20, 30 : 암(arm) 11, 13, 21, 23, 31, 33 : 스위치

40 : 부하 42 : 인덕터

44 : 커패시터 46 : 전류감지부

48 : PWM 제어부 50 : 제어부

52 : 인버터 54, 60: PWM신호라인 56, 58, 62, 64 : 앤드게이트

본 발명은, DC-DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 는, 경부하시 발생하는 불필요한 스위칭을 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있는 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 DC-DC 컨버터는 외부로부터 입력되는 직류전원을 부하가 요구하는 소정의 직류전원으로 변환한다. 이러한 DC-DC 컨버터에는 입력직류전원을 승압하기 위한 부스트형(boost type) 컨버터와, 입력직류전원을 강압하기 위한 벅형(buck type) 컨버터 등이 있다.

이하에서는 동기형 벅 컨버터(synchronous buck converter)를 예로 들어 설명한다.

동기형 벅 컨버터는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어부(미도시)에서 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 교번적으로 동작하여 입력직류전원(V_IN) 공급을 단속하는 한 쌍의 스위치(300, 302)와, 스위치(300, 302) 사이의 공통노드(common node)에 접속된 인덕터(316)와, 인덕터(316)와 접지 사이에 접속된 커패시터(318)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 동기형 벅 컨버터의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

동기형 벅 컨버터는 각 스위치(300, 302)의 턴온/턴오프 상태에 따라 두 가지 모드로 동작된다.

제1모드는 상측 스위치(300)가 턴온되고, 하측 스위치(302)가 턴오프될 때의 동작모드로서, 입력단으로부터의 직류전원(V_IN)이 인덕터(316)에 인가됨으로써 인덕터(316)에 흐르는 전류는 증가하게 되고, 이로 인해 인덕터(316)에는 에너지가 축 적됨과 아울러 상기 에너지는 출력단으로 전달되어 출력전압(Vout)이 증가한다.

제2모드는 상측 스위치(300)가 턴오프되고 하측 스위치(302)가 턴온될 때의 동작모드로서, 인덕터(316) 및 커패시터(318)를 통해 폐회로가 형성된다. 이 때, 인덕터(316)에 흐르는 전류는 상측 스위치(300)가 다음 주기에서 턴온될 때까지 폐회로를 통하여 계속 흘러 감소하게 되므로 출력전압(Vout)은 감소하게 된다.

이러한 원리를 기초로 하여 도시되지 않은 제어부는 부하(320)에 출력되는 출력전압(Vout)을 감지하여 출력전압(Vout)이 낮으면 상측 스위치(300)의 도통시간을 늘리고 하측 스위치(302)의 도통시간을 줄여 출력전압(Vout)을 증가시키도록 하며, 출력전압(Vout)이 높으면 상측 스위치(300)의 도통시간을 줄이고 하측 스위치(302)의 도통시간을 늘려 출력전압(Vout)을 감소시키도록 한다. 즉, 제어부는 출력전압(Vout)에 따라 각 스위치(300, 302)에 출력되는 PWM 신호의 듀티비(duty ratio)를 조정함으로써 일정한 전압이 부하(320)에 공급되도록 한다.

상측 스위치(300)와 하측 스위치(302) 사이에는 상측 스위치(300)와 하측 스위치(302)가 동시 턴온 되어 입력단으로부터 접지로 전류가 흘러들어가는 현상(shoot through 혹은 arm short)을 방지하기 위해 인버터(314) 이후에 지연회로(미도시)를 사용하여 휴지시간(dead time)을 준다.

그런데, 모바일 전자기기의 CPU는 비교적 대전류를 필요로 하므로, 이에 대응하기 위한 CPU-VRM(Voltage Regulator Module)은 도 1의 상하측 스위치(300, 302)에 각각 병렬로 N개의 스위치를 연결하는 구성을 가지게 된다.

도 2에 상하측에 각각 3개의 스위치가 병렬 연결된 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타내었다.

도 2에 도시된 회로에서, 상측 스위치들(341, 344, 347)은 제어부로부터 출력되는 PWM 신호에 의해 동시에 턴온/턴오프되며, 하측 스위치들(351, 354, 357)은 인버터(360) 이후의 지연회로(미도시)에 의한 휴지시간(dead time)으로 인해 상측 스위치들(341, 344, 347)과 교번적으로 턴온/턴오프된다.

그러나, 이러한 회로는 경부하시 즉, 낮은 부하전류 상태에서도 병렬연결된 모든 스위치(341, 344, 347, 351, 354, 357)가 불필요한 스위칭을 하여 스위칭손실이 발생하게 된다. 즉, 효율을 저하시킨다.

따라서, 본 발명의 목적은, 경부하시 발생하는 불필요한 스위칭을 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있는 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

삭제

상기 목적은, 본 발명에 따라, 외부로부터 입력되는 직류전원을 부하가 요구하는 소정의 직류전원으로 변환하여 상기 부하에 공급하는 DC-DC 컨버터에 있어서, 한 쌍의 스위치가 상호 직렬로 연결된 스위치블럭에 적어도 하나의 스위치가 병렬로 접속되어, 입력되는 직류전원의 공급을 단속하는 스위칭부와; 상기 부하에 흐르는 부하전류를 감지하는 전류감지부와; 상기 전류감지부에 의해 감지된 부하전류의 크기에 따라 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 변경하도록 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터에 의해 달성된다.
여기서, 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 스위치를 구동하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하고, 상기 부하전류의 크기에 따라 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 변경하도록 상기 PWM 신호를 상기 스위칭부에 선택적으로 공급하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 PWM 신호 및 상기 부하전류의 크기에 따라 상기 스위치를 인에이블/디스에이블시키기 위한 인에이블/디스에이블신호를 발생하는 PWM 제어부와; 상기 PWM 제어부로부터 발생된 상기 PWM 신호를 소정 개수의 스위치에 전달하는 PWM신호라인과; 상기 PWM 제어부로부터의 상기 PWM 신호와 상기 인에이블/디스에이블신호를 논리조합하여 나머지 다른 스위치에 각각 출력하는 적어도 하나의 논리로직을 포함하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 제어부는 상기 부하전류의 크기가 작을수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 감소시키고, 상기 부하전류의 크기가 클수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 증가시키는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 분야에 따르면, 외부로부터 입력되는 직류전원을 부하가 요구하는 소정의 직류전원으로 변환하여 상기 부하에 공급하는 DC-DC 컨버터의 제어방법에 있어서, 한 쌍의 스위치가 상호 직렬로 연결된 스위치블럭에 적어도 하나의 스위치가 병렬로 접속되어, 입력되는 직류전원의 공급을 단속하는 스위칭부를 마련하는 단계와; 상기 부하에 흐르는 부하전류를 감지하는 단계와; 상기 감지단계에서 감지된 부하전류의 크기에 따라 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 변경하도록 상기 스위칭부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 제어방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 스위칭부를 제어하는 단계는, 상기 스위치를 구동하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계와; 상기 부하전류의 크기에 따라 상기 PWM 신호를 상기 스위치블럭에 선택적으로 공급하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스위칭부를 제어하는 단계는 상기 부하전류의 크기가 작을수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 감소시키고, 상기 부하전류의 크기가 클수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 증가시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 회로도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 DC-DC 컨버터는, 상하 교번적으로 동작하여 입력직류전원(V_IN)의 공급을 단속하는 한 쌍의 스위치로 구성된 스위치블록(이하, "암(arm)(10, 20, 30)"이라 함)이 복수 개 병렬로 배치된 스위칭부와, 스위칭부의 온/오프 동작에 의해 출력되는 전원을 평활시켜 부하(40)에 공급하는 인덕터(42) 및 커패시터(44)와, 부하(40)에 흐르는 부하전류(Iout)를 감지하는 전류감지부(46)와, 전류감지부(46)에 의해 감지된 부하전류(Iout)의 크기에 따라 인에이블되는 암(10, 20, 30)의 수를 변경하도록 스위칭부를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

스위칭부는 입력직류전원(V_IN)과 접지 사이에 직렬로 연결된 한 쌍의 스위치(11, 13; 21, 23; 31, 33)로 각각 구성된 암(arm)(10, 20, 30)이 병렬로 복수 개 배치되어 있으며, 각 암(10, 20, 30)의 상측 스위치들(11, 21, 31) 및 하측 스위치들(13, 23, 33)들은 각각 제어부(50)의 제어에 따라 턴온/턴오프되도록 구동된다. 여기서, 스위치들(11, 13, 21, 23, 31, 33)은 보통 MOSFET을 많이 사용한다.

상측 스위치들(11, 21, 31)과 하측 스위치들(13, 23, 33) 사이의 공통노드에는 인덕터(42)와 커패시터(44)로 구성된 로우패스필터(low pass filter)가 연결된다.

전류감지부(46)는 부하(40)에 흐르는 부하전류(Iout)를 감지하는 부분으로서, 종래에 제시된 여러 가지 기술이 적용될 수 있다. 예를 들면, 전류미러(current mirror), 전류센서 등을 사용하거나 상측 스위치(11, 21, 31)의 턴온시 상측 스위치(11, 21, 31)를 통해 흐르는 부하전류(Iout)에 의해 발생된 전압강하를 감지함으로써 검출 가능하다.

제어부(50)는 출력전압(Vout)의 크기에 따라 듀티비를 조절하여 PWM 신호를 발생하며, 전류감지부(46)에 의해 감지된 부하전류(Iout)의 크기에 따라 암(10, 20, 30)을 선택적으로 인에이블/디스에이블시키기 위한 B-ARM 신호 및 C-ARM 신호를 발생하는 PWM 제어부(48)와; PWM 제어부(48)로부터 발생된 PWM 신호를 어느 하나의 암(10)에 전달하기 위한 PWM신호라인(54, 60)과; PWM 제어부(48)로부터의 PWM 신호를 B-ARM 신호 및 C-ARM 신호와 각각 앤드조합하여 나머지 다른 암들(20, 30)에 각각 출력하는 복수의 앤드게이트(56, 58, 62, 64)를 포함한다.

여기서, 앤드게이트(56, 58, 62, 64)의 입력인 B-ARM 신호 및 C-ARM가 하이신호일 때 PWM 신호가 암들(20, 30)로 출력되어 암(20, 30)의 인에이블이 가능하게 된다.

물론, 하단 스위치들(13, 23, 33)에는 인버터(52) 이후의 지연회로(미도시)에 의해 PWM 신호가 지연되어 출력되는 것은 종래와 동일하다.

PWM 제어부(48)는 부하전류(Iout)의 크기가 소정의 제1레벨 이하인 경우 B-ARM = 0, C-ARM = 0을 출력하고, 소정의 제1레벨을 초과하고 소정의 제2레벨 이하인 경우에는 B-ARM = 1. C-ARM = 0을 출력하며, 소정의 제2레벨을 초과하는 경우에는 B-ARM = 1, C-ARM = 1을 출력한다. 여기서, 0은 로우신호로서 디스에이블신호이며, 1은 하이신호로서 인에이블신호를 나타낸다.

PWM 제어부(48)로부터 B-ARM = 0, C-ARM = 0이 출력될 때, 어느 하나의 암(10)의 스위치(11, 13)는 PWM 신호라인(54, 60)을 통해 PWM 신호를 항상 입력받아 인에이블되나, 나머지 다른 암들(20, 30)의 스위치들(21, 23, 31, 33)은 디스에이블된다.

또한, PWM 제어부(48)로부터 B-ARM = 1. C-ARM = 0이 출력될 때, 스위치(11, 13)뿐만 아니라 B-ARM 인에이블신호에 의해 PWM 신호를 입력받는 암(20)의 스위치(21, 23)도 인에이블된다.

그리고, PWM 제어부(48)로부터 B-ARM = 1, C-ARM = 1이 출력될 때, 모든 암(10, 20, 30)의 스위치(11, 13, 21, 23, 31, 33)가 인에이블된다.

결국, 제어부(50)는 전류감지부(46)에 의해 감지된 부하전류(Iout)의 크기에 따라 B-ARM 신호 및 C-ARM 신호를 조절하여 부하전류(Iout)의 크기가 작을수록 인에이블되는 암(10, 20, 30)의 수가 적게 되도록 한다.

또한, 제어부(50)는 종래와 같이 출력전압(Vout)을 감지하여 PWM 신호의 듀 티비를 조정하여 출력전압(Vout)이 일정하게 나오도록 한다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 다른 DC-DC 컨버터의 제어흐름을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 일단, I1 < I2 임을 가정하자.

전류감지부(46)는 부하(40)에 흐르는 부하전류(Iout)를 감지한다(100). PWM 제어부(48)는 전류감지부(46)에 의해 감지된 부하전류(Iout)가 I1 이하인지를 판단한다(102). 부하전류(Iout)가 I1 이하이면, PWM 제어부(48)는 B-ARM 신호 및 C-ARM 신호로 로우(low) 신호를 출력한다(104).

PWM 신호는 PWM신호라인(54, 60)을 통해 암(10)의 스위치(11, 13)에 인가되고, 각 앤드게이트(56, 58, 62, 64)에 입력된 PWM 신호는 B-ARM 신호 및 C-ARM 신호와의 앤드조합에 의해 로우신호로 출력되어 나머지 다른 암들(20, 30)의 스위치(21, 23, 31, 33)는 디스에이블시킨다. 즉, 암(10)의 스위치(11, 13)만 인에이블된다(106).

반면, 부하전류(Iout)가 I1을 초과하고 I2 이하인 경우에, PWM 제어부(48)는 B-ARM 신호로 하이신호, C-ARM 신호로 로우신호를 출력한다(108, 110). 이에, B-ARM 신호가 입력되는 앤드게이트(56, 62)의 출력단으로는 PWM 신호가 통과하게 된다. 따라서, 암(10, 20)의 스위치들(11, 13, 21, 23)이 인에이블 된다(112).

한편, 부하전류(Iout)가 I2를 초과하는 경우에는 PWM 제어부(48)는 B-ARM 신호로 하이신호, C-ARM 신호로 하이신호를 출력하여(14, 116), 모든 스위치(11, 13, 21, 23, 31, 33)가 인에이블되도록 한다(118).

즉, 제어부(50)는 부하전류(Iout)가 작을수록 인에이블되는 암(10, 20, 30) 의 개수를 줄이도록 하여 경부하시 불필요한 스위칭을 최소화하도록 한다.

한편, 전술한 실시예에서는 제어부(50)가 PWM 제어부(48), PWM신호라인(54, 60), 앤드게이트(56, 58, 62, 64)를 포함하는 구성으로 상술하였으나, 이에 한정되지 않으며 제어부(50)는 전류감지부(46)에 의해 감지된 부하전류(Iout)의 크기에 따라 인에이블되는 스위치(11, 13, 21, 23, 31, 33)의 수를 조절하는 구성이면 어떠한 것도 가능하다.

한편, 전술한 실시예에서는 부하전류(Iout)의 크기에 따라 암(10, 20, 30)을 선택적으로 인에이블시켜 짝수 배의 스위치를 인에이블시켰으나, 이에 한정되지 않으며 부하전류(Iout)의 크기에 따라 인에이블되는 스위치의 개수는 전체 스위치 개수 범위 내에서 조정 가능하다.

또한, 전술한 실시예에서는 상하측의 스위치(11, 13, 21, 23, 31, 33)가 모두 N-채널 MOSFET인 것으로 상술하였으나, 상측 스위치(11, 21, 31)는 P-채널 MOSFET인 것도 가능하다. 이러한 경우 인버터(52)를 따로 마련하지 않아도 된다.

한편, 전술한 실시예에서의 부하전류(Iout) 구간 조정은 스위치의 개수에 따라 조정 가능하다.

한편, 전술한 실시예에서는 동기형 벅 컨버터를 예로 들어 설명하였으나, 부스트 컨버터 등도 적용 가능하다.

이와 같이, 본 발명은 부하전류(Iout)의 크기에 따라 인에이블되는 스위치의 수를 조정함으로써, 스위칭손실을 저감하여 컨버터의 효율을 증대하도록 한다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명의 사상 내에서 당업자 에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 경부하시 발생하는 불필요한 스위칭을 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있는 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법이 제공된다.

Claims

외부로부터 입력되는 직류전원을 부하가 요구하는 소정의 직류전원으로 변환하여 상기 부하에 공급하는 DC-DC 컨버터에 있어서,

한 쌍의 스위치가 상호 직렬로 연결된 스위치블럭에 적어도 하나의 스위치가 병렬로 접속되어, 입력되는 직류전원의 공급을 단속하는 스위칭부와;

상기 부하에 흐르는 부하전류를 감지하는 전류감지부와;

상기 전류감지부에 의해 감지된 부하전류의 크기에 따라 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 변경하도록 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 상기 스위치를 구동하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하고, 상기 부하전류의 크기에 따라 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 변경하도록 상기 PWM 신호를 상기 스위칭부에 선택적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
제2항에 있어서,

상기 제어부는,

상기 PWM 신호 및 상기 부하전류의 크기에 따라 상기 스위치를 인에이블/디 스에이블시키기 위한 인에이블/디스에이블신호를 발생하는 PWM 제어부와;

상기 PWM 제어부로부터 발생된 상기 PWM 신호를 소정 개수의 스위치에 전달하는 PWM신호라인과;

상기 PWM 제어부로부터의 상기 PWM 신호와 상기 인에이블/디스에이블신호를 논리조합하여 나머지 다른 스위치에 각각 출력하는 적어도 하나의 논리로직을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어부는 상기 부하전류의 크기가 작을수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 감소시키고, 상기 부하전류의 크기가 클수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
외부로부터 입력되는 직류전원을 부하가 요구하는 소정의 직류전원으로 변환하여 상기 부하에 공급하는 DC-DC 컨버터의 제어방법에 있어서,

한 쌍의 스위치가 상호 직렬로 연결된 스위치블럭에 적어도 하나의 스위치가 병렬로 접속되어, 입력되는 직류전원의 공급을 단속하는 스위칭부를 마련하는 단계와;

상기 부하에 흐르는 부하전류를 감지하는 단계와;

상기 감지단계에서 감지된 부하전류의 크기에 따라 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 변경하도록 상기 스위칭부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 제어방법.
제5항에 있어서,

상기 스위칭부를 제어하는 단계는,

상기 스위치를 구동하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계와;

상기 부하전류의 크기에 따라 상기 PWM 신호를 상기 스위치블럭에 선택적으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 제어방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 스위칭부를 제어하는 단계는 상기 부하전류의 크기가 작을수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 감소시키고, 상기 부하전류의 크기가 클수록 인에이블되는 상기 스위치블럭의 수를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 제어방법.