KR100679993B1

KR100679993B1 - 차지펌프방식의 디씨/디씨 컨버터 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100679993B1
Application number: KR1020050042052A
Authority: KR
Inventors: 김동철; 최낙춘
Original assignee: 주식회사 동운아나텍
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2007-02-09
Also published as: KR20060119302A

Abstract

본 발명은 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 외부로부터 입력되는 입력전원을 커패시터를 통해 승압하여 출력하는 차지펌프회로와 상기 차지펌프회로의 상기 출력전원을 피드백하여 상기 출력전원의 전압크기를 조절하는 피드백부를 포함하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 입력전원의 전압에 따라 상기 출력전원의 승압비율을 결정하여 모드신호와 상기 출력전원의 전압을 조절하기 위한 출력전압 조절신호를 출력하는 입력전압감지부와; 상기 모드신호에 따라 상기 차지펌프회로의 상기 커패시터 충전 및 방전을 위한 스위칭신호를 출력하는 모드선택부와; 상기 출력전압 조절신호에 따라 상기 차지펌프회로의 출력전압이 조절되도록 상기 피드백부에 기준전압 조절신호를 출력하는 기준전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 하나의 커패시터를 갖는 차지펌프회로를 이용하여 커패시터에 충전되는 전원을 조절함으로써 다양한 전압 출력모드를 구현하고 있으며, 입력전압의 변화에 따라 모드를 제어하고 출력전압 또한 가변 제어함으로써, 별도의 커패시터를 추가하지 아니하고도 다양한 전압출력모드를 구현할 수 있고 입력전압의 변화에 연동하여 출력전압을 가변 제어함으로써 DC/DC 컨버터의 구동효율을 향상시킬 수 있다.

Description

차지펌프방식의 디씨/디씨 컨버터 및 그 제어방법{DC/DC CONVERTOR WITH CHARGE PUMP AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

도 1은 종래의 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 구성도,

도 2는 도 1의 차지펌프회로의 동작 상태도,

도 3은 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 제어블록도,

도 4는 도 3의 차지펌프 스위칭회로의 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 회로 구성예,

도 6은 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 모드신호의 파형도,

도 7a, 7b, 7c는 각 모드 별 스위칭신호의 파형도,

도 8a, 8b, 8c는 각 모드 별 차지펌프 스위칭회로의 동작 상태도,

도 9는 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 입력전압에 따른 출력전압의 제어 그래프,

도 10은 입력전압, 모드, 출력전압의 변화에 따른 종래 차지펌프회로의 효율과 본 발명의 제어에 따른 차지펌프회로의 효율을 도시한 그래프,

도 11은 입력전압 감지부 및 기준전압 제어부의 동작상태를 도시한 그래프이다.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

12 : 피드백부 14 : 비교기

16 : 증폭기 18 : 저주파 발진부

20 : 모드 및 출력 제어부 32 : 입력전압 감지부

24 : 모드선택부 26 : 기준전압 제어부

28 : 고주파 발진부 30 : 차지펌프회로

32 : 커패시터 34 : 차지펌프 스위칭회로

36 : 차지펌프 구동회로 42 : 제1토글스위치

44 : 제2토글스위치

본 발명은 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 특히, 차지펌프(Charge-Pump)방식의 DC/DC 컨버터에 있어서 별도의 커패시터를 추가하지 아니하고도 다양한 전압 출력모드를 구현할 수 있고 입력전압의 변화에 연동하여 출력전압을 가변 제어함으로써 구동효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.

DC/DC 컨버터는 전압 부스터(booster)라고도 불리는 회로로서 외부로부터 입 력되는 전원을 소정 배수로 변압하여 정전원을 공급하며, 그 구동방식에 따라 인덕터방식(Inductive-Based) 또는 차지펌프방식(Charge Pump-Based)으로 구분할 수 있다.

도 1은 종래의 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 개략적인 구성도이다. 종래 기술에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터는 커패시터(Cc)를 갖는 차지펌프회로(3)와 발진기(oscillator)(1)를 구비한다.

차지펌프회로(3)는 발진기(1)에서 생성되는 클럭신호(clk)에 따라 커패시터(Cc)에 전원을 충전 및 출력함으로써 입력전압(Vin)을 소정 배수 정도로 승압하여 출력전압(Vout)을 생성한다.

차지펌프회로(3)의 회로구성 및 그 승압기능을 도 2의 회로도를 참조하여 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 차지펌프회로(3)의 승압은 기본적으로 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4를 교번적으로 스위칭하여 커패시터(Cc)에 전하를 충전(charging)하고 이를 펌핑(pumping)함으로써 이루어진다. 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4를 제어하는데 필요한 스위칭신호로는 발진기(1)에서 출력되는 일정 주기의 클럭신호(clk)가 사용된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 커패시터(Cc)를 충전하는 경우 클럭신호에 따라 스위치 Q1과 Q4가 턴온되고 Q2와 Q3는 오프된다. 이에 따라 커패시터(Cc)의 일단은 입력 전원(Vin)과 연결되고 타단은 그라운드로 연결되어 커패시터(Cc)에 입력전원의 전압 Vin이 충전된다.

한편, 출력전압(Vout)을 공급하는 경우 클럭신호에 따라 스위치 Q2와 Q3가 턴온되고 Q1과 Q4는 오프된다. 이에 따라 입력전압(Vin)과 커패시터(Cc)에 충전된 충전전압이 출력전압(Vout)으로 공급되어 입력전압(Vin)의 2배의 출력전압(Vout)을 생성할 수 있다(Vout= 2Vin). 이를 2배의 입력전압이 전달된다고 해서 2배 모드(Mode)라고 하며 이때 차지펌프회로의 효율(η)은 아래의 <제1식>과 같이 표현된다.

<제1식>

η ≒ ( Vout x Iout / Vin x Iout x Mode ) x 100 %

상기 제1식과 같이 효율 η는 출력전압(Vout)에 비례하고 입력전압(Vin)에 반비례하며 또한 모드에 반비례한다. 따라서, 출력전압(Vout)이 증가할수록 효율은 증가하나 응용회로의 동작 영역으로 출력전압(Vout)을 증가시키는 데는 한계가 있다.

한편, 출력전압(Vout)과 입력전압(Vin)이 일정한 경우, 효율 η는 모드에 반비례하므로 모드 즉, 증폭률을 하향 설정하면 효율은 증가하나 다음의 <제2식>의 조건을 만족해야 한다.

<제2식>

Mode x Vin > Vout

상기 <제2식>을 만족하지 못하면 원하는 출력전압(Vout)을 얻을 수 없기 때문에 차치펌프의 효율을 개선하기 위해서는 출력전압(Vout)과 입력전압(Vin) 및 모드의 세 가지 변수를 적절히 설정하여야 한다.

그런데 이러한 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 경우 커패시터를 이용하여 용 이하게 디자인할 수 있다는 장점이 있어 널리 사용되고 있으나 입력전압의 변동에 효율이 급격히 변화하는 문제점이 있다. 또한, 커패시터의 개수에 따라 출력전압이 제한적이기 때문에 한 개의 충전용 커패시터를 이용하여 DC/DC 컨버터 회로를 구현하는 경우 한 주기 내에 Vout = 2 Vin의 형태로 충전되는 2배 모드 밖에는 구현할 수 없으므로 다양한 모드의 구현을 위해서는 2개 이상의 충전용 커패시터를 사용하여야 함으로 커패시터, 스위치 등의 부품이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차지펌프(Charge-Pump) 방식의 DC/DC 컨버터에 있어서 별도의 커패시터를 추가하지 아니하고도 다양한 전압출력모드를 구현할 수 있고 입력전압의 변화에 연동하여 출력전압을 가변 제어함으로써 구동효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법은, 외부로부터 입력되는 입력전원을 커패시터를 통해 승압하여 출력하는 차지펌프회로와 상기 차지펌프회로의 상기 출력전원을 피드백하여 상기 출력전원의 전압크기를 조절하는 피드백부를 포함하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 입력전원의 전압에 따라 상기 출력전원의 승압비율을 결정하여 모 드신호와 상기 출력전원의 전압을 조절하기 위한 출력전압 조절신호를 출력하는 입력전압감지부와; 상기 모드신호에 따라 상기 차지펌프회로의 상기 커패시터 충전 및 방전을 위한 스위칭신호를 출력하는 모드선택부와; 상기 출력전압 조절신호에 따라 상기 차지펌프회로의 출력전압이 조절되도록 상기 피드백부에 기준전압 조절신호를 출력하는 기준전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 입력전압감지부는, 고주파 클럭신호를 발생하는 고주파 발진부와; 상기 고주파 클럭신호를 분주하는 한 개 이상의 토글스위치와; 상기 입력전원의 전압에 따라 상기 토글스위치를 통해 상기 고주파 발진부에서 출력되는 상기 클럭신호를 분주하고 상기 분주된 신호를 합하여 상기 입력전원에 따라 각기 상이한 모드신호를 생성하는 논리연산회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 입력전압감지부는, 상기 출력전압이 입력전압의 1.25배 증폭된 크기를 갖는 1.25배 모드와, 상기 출력전압이 입력전압의 1.5배 증폭된 크기를 갖는 1.5배 모드와, 상기 출력전압이 입력전압의 1.75배 증폭된 크기를 갖는 1.75배 모드신호를 출력하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모드선택부는, 상기 입력전압감지부가 출력하는 상기 모드신호에 따라, 상기 모드신호에 따라 상기 차지펌프회로의 상기 커패시터 충전 및 방전을 위한 스위칭신호를 출력하는 것이 가능하다.

여기서, 상기 차지펌프회로는, 상기 스위칭신호에 따라 상기 커패시터가 온/오프 되는 한 주기에, 상기 입력전원을 상기 커패시터에 충전한 후 입력전원과 상기 커패시터에 출전된 충전전원을 출력하여 상기 입력전원의 2배의 전압을 갖는 출 력전압(2Vin)이 출력하는 것이 가능하다.

그리고 상기 피드백부는, 기준신호 출력을 위한 저주파 발진부와; 상기 차지펌프회로의 상기 출력전원을 증폭하는 증폭기와; 상기 증폭기의 출력신호를 입력받아, 상기 저주파 발진부의 상기 기준신호와 상기 입력전압감지부의 상기 출력전압 조절신호와 비교하여 상기 차지펌프회로의 출력전압을 상기 입력전압에 비례하여 증감하도록 피드백신호를 출력하는 비교기를 포함하는 것이 가능하다.

여기서, 상기 저주파 발진부는 톱니파 내지는 삼각파를 출력하는 것이 가능하다.

한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 분야에 따르면, 외부로부터 입력되는 입력전원을 커패시터를 통해 승압하여 디스플레이장치의 구동을 위한 출력전원으로 출력하는 차지펌프회로와 상기 차지펌프회로의 상기 출력전원을 피드백하여 상기 출력전원의 전압크기를 조절하는 피드백부를 포함하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 제어방법에 있어서, 상기 입력전원의 전압에 따라 상기 출력전원의 승압비율을 결정하는 단계와; 상기 입력전원의 전압에 따라 상기 출력전원의 전압을 비례적으로 조절하여 설정하는 단계와; 상기 승압비율에 따라 상기 차지펌프회로에 입력되는 상기 입력전원을 증폭하고 상기 출력전원의 전압을 상기 입력전원의 전압에 따라 비례적으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차 지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법에 대해서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 제어블럭도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명은 하나의 충전용 커패시터(Cc)(32)를 통해 다양한 모드의 구동전원을 출력하는 차지펌프회로(30)와, 차지펌프회로(30)에서 생성된 전원의 출력전압(Vout)을 감지하여 피드백하는 피드백부(12)와, 입력전압(Vin)의 크기와 피드백부(12)를 통해 감지되는 출력전압(Vout)의 크기에 따라 차지펌프회로(30)의 동작을 제어하여 다양한 전압출력모드를 구현하고 입력전압의 변화에 연동하여 출력전압을 가변 제어하는 모드 및 출력 제어부(20)를 포함한다.

피드백부(12)는 차지펌프회로(30)에서 출력된 전원과 기준전압값(Vref)을 차동 증폭하는 증폭기(16)와, 증폭기(16)의 출력 및 저주파 발진부(18)의 출력을 상호 비교하여 모드 및 출력제어부(20)에 비교값(comp)을 입력하는 비교기(14)로 구성된다. 여기서, 저주파 발진부(18)는 톱니파 내지는 삼각파를 출력하여 모드 및 출력제어부(20)로 피드백 되는 출력의 기준출력 신호로 제공한다. 이러한 구성에 따라, 피드백부(12)는 모드 및 출력 제어부(20)가 제공하는 기준전압값(Vref)을 기준으로 차지펌프회로(30)의 출력전압(Vout)을 감지하여 그 결과값을 다시 모드 및 출력 제어부(20)에 피드백한다.

차지펌프회로(30)는 충전용 커패시터(Cc)(32)를 충전 및 방전하기 위한 차지펌프 스위칭회로(34)와 차지펌프 스위칭회로(34)를 제어하는 차지펌프 구동회로(36)를 포함한다. 여기서, 차지펌프 스위칭회로(34)는 도 4와 같이 구성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 차지펌프 스위칭회로(34)는 하나의 충전용 커패시터 (Cc)(32)와 4개의 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)로 구성되어 각 스위치를 교번적으로 온/오프하여 입력전압(Vin)을 충전용 커패시터(Cc)(32)에 충전하고 이를 펌핑(pumping)하여 출력전압(Vout)을 공급한다. 스위치 Q1, Q2는 각각 그 일단이 입력전원(Vin)에 공통적으로 접속되고, 스위치 Q1의 타단은 충전용 커패시터(Cc)(32) 및 출력전압(Vout)을 전달하는 스위치 Q3에 접속된다. 스위치 Q2의 타단은 충전용 커패시터(Cc)(32) 및 그라운드와 연결된 스위치 Q4에 접속된다. 이에, Q1과 Q4가 턴온되고 Q2와 Q3는 오프되면 커패시터(Cc)(32)에 입력전원(Vin)이 충전되며, Q2와 Q3가 턴온되고 Q1과 Q4가 오프되면 입력전원(Vin) 및 커패시터(Cc)(32)의 충전 전원이 출력전압(Vout)으로 출력된다. 여기서, 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4는 차지펌프 구동회로(36)에서 출력되는 q1in, q2in, q3in, q4in 신호에 의해 온/오프 제어된다.

모드 및 출력제어부(20)는 입력전압(Vin)과 피드백부(12)를 통해 감지되는 출력전압(Vout)에 따라, 차지펌프 구동회로(36)에 제어신호를 인가하여 다양한 모드를 구현하는 한편, 각 모드에 따라 출력전압(Vout)이 입력전압(Vin)에 비례적으로 증감하도록 제어한다. 즉, 입력전압(Vin)의 변화에 따라 출력전압(Vout)을 비례적으로 가변시킴으로써 전체 효율(η)이 감소하는 것을 방지한다.

이러한 모드 및 출력제어부(20)는 클럭신호 제공을 위한 고주파 발진부(28)와, 입력전압(Vin)의 크기에 따라 고주파 발진부(28)의 신호를 분주하여 모드신호를 생성하여 모드선택부(24)에 제공하고 각 모드가 입력전압(Vin) 별로 감지될 때 출력전압(Vout) 조절신호 기준전압 제어부(26)로 제공하는 입력전압 감지부(22)와, 입력전압 감지부(22)로부터 입력된 모드신호에 따라 차지펌프회로(30)에 해당 모드 신호를 입력하는 모드선택부(24)와, 입력전압 감지부(22)로부터 입력된 출력전압(Vout) 조절신호에 따라 피드백부(12)의 피드백 기준전압(Vref)을 제어하는 기준전압 제어부(26)를 포함한다.

이러한 구성에 따라, 모드 및 출력 제어부(20)는 입력전압(Vin)의 변화에 연동하여 하나의 충전용 커패시터(Cc)(32)를 갖는 차지펌프회로(30)의 동작을 제어함으로써 다양한 전압출력모드를 구현하는 한편, 차지펌프회로(30)의 출력을 피드백부(12)를 통해 감지하여 출력전압을 가변 제어한다.

도 5는 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터(10)의 회로 구성을 예시한 것으로서, 도 4의 차지펌프 스위칭회로(34)를 제외한, 피드백부(12)와, 입력전압 감지부(22)와, 모드 및 출력제어부(20)와, 차지펌프 구동회로(36)의 회로를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 회로 동작은 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식을 이용하여 스위칭 듀티(Duty)를 불연속적으로 조절(burst mode)함으로써 출력(Vout)을 제어한다.

피드백부(12)는 출력전압(Vout)에 비례적인 값을 갖는 FB 전압을 증폭기(16)의 네거티브 입력(Negative(-) Input)으로 받고 이 전압이 제어하고자 하는 기준전압(Vref)을 파서티브 입력(Positive(+) Input)으로 입력받아 그 전압 차를 증폭하여 출력신호(cmp)를 발생한다. 비교기(14)는 출력신호(cmp)와 삼각파(또는 톱니파)의 폭을 비교하여 그 결과값(COMP)을 차지펌프회로(30)의 제어를 위한 피드백값으로 출력한다. 여기서 출력되는 결과값(COMP)의 펄스 파형은 저주파 발진부(18)의 주파수로 결정되며 고주파발진부(28)의 스위칭 동작은 결과값(COMP)의 펄스파형에 따라 제어된다. 이에 따라, 본 발명의 회로는 결과값(COMP)의 펄스 폭에 따라 고주파 스위칭 동작하여 최종 출력전압(Vout)이 제어된다.

입력전압 감지부(22) 및 기준전압 제어부(26)의 회로동작은 다음과 같다. 입력전압 감지부(22)는 입력전압(Vin)을 감지하여 그 구간마다 s1, s2, s3 신호를 출력하여 스위치(switch)를 동작시키며 스위치의 동작에 따라 각각의 기준전압(Vref)인 Vref1, Vref2, Vref3, Vref4가 출력된다. 즉, 입력전압 감지부(22)가 입력전압(Vin)의 크기에 따라 출력하는 s1, s2, s3 신호에 따라 기준전압 제어부(26)는 각 입력전압(Vin)에 비례하는 기준전압(Vref)인 Vref1, Vref2, Vref3, Vref4를 출력한다. 더불어 입력전압 감지부(22)의 출력 s1, s2, s3는 입력 전압에 따른 모드를 제어하기 위해 모드선택부(24)에 공급된다.

모드선택부(24)는 s1, s2, s3 신호와 고주파 발진부(28)의 클럭신호(clock0)를 토글스위치(Toggle Switch)(42, 44)를 통해 파형 변화시켜 생성하거나 생성된 각 모드신호를 합하여 모드신호 A Signal, B Signal, C Signal, D Signal를 생성해 낸다. 예를 들어, A 모드는 Vout = 1.5Vin인 모드로서, 사용되는 모드신호 A Signal은 고주파 발진부(28)의 클럭신호(Clock0)를 제1토글스위치(42)를 통해 변형한 신호이다. B 모드는 Vout = 1.75Vin인 모드로서, 모드신호 A Signal을 제2토글스위치(44)를 통해 다시 한번 변형한 신호이다. C 모드는 Vout = 1.25Vin인 모드로서, 모드신호 C Signal은 모드신호 A Signal 과 B Signal 을 합한 신호를 사용할 수 있다. 그리고 D 모드는 LDO(Low Drop Out)모드로서, C 모드신호인 C Signal을 반전(invering)시켜 생성할 수 있으며, 이러한 각 모드에 따른 모드신호 파형은 도 6에 도시된 바와 같다.

한편, 차지펌프 구동회로(36)는 모드선택부(24)의 모드신호 A Signal, B Signal, C Signal, D Signal를 각 게이트를 통해 조합하여 차지펌프 스위칭회로(34)의 Q1, Q2, Q3, Q4의 온/오프 제어를 위한 스위칭신호 q1in, q2in, q3in, q4in를 생성한다.

여기서, 고주파 발진부(28)의 동작은 저주파발진부(18)와 증폭기(16)의 출력을 비교한 결과값(COMP)에 따라 출력을 제어하고 각 모드 별로 출력전압(Vout)이 입력전압(Vin)에 비례하도록 구성함으로써, 차지펌프회로(30)의 효율 저하문제를 해결할 수 있다.

도 7a, 7b, 7c는 각 모드에 따라 차지펌프 구동회로(36)에서 출력되는 스위칭신호의 파형도이다. 이들 각 신호에서 하이(High)상태일 경우에는 기본 모드인 2배 모드(Vou=2Vin)로 동작하는 상태가 되고 로우(Low)상태일 경우에는 출력전압(Vout)이 접지(Ground)와 연결되는 상태가 된다. 즉, 이들 각 모드 신호에 따른 차지펌프 스위칭회로(34)의 동작은 도 8a, 8b, 8c에 도시된 바와 같다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 스위칭신호가 하이상태일 경우 Q1과 Q4 및 Q3와 Q4가 교번적으로 스위칭 동작하여 커패시터(Cc)(32)에 전하를 충전(charging)한 후 입력전압(Vin)과 충전전압을 출력하는 2배 모드로 동작한다. 그리고, 스위칭신호가 로우상태일 경우 Q3과 Q4가 턴온되고 Q1과 Q2가 오프되어 출력전압(Vout)이 접지(Ground)와 연결되는 상태로 전환됨으로써, 각각의 모드에 따른 전압을 출력한다.

도 7a 및 도 8a는 모드신호 A signal에 따라 동작하는 Vout = 1.5Vin인 1.5배 모드로 동작하는 경우를 도시한 것이다. 사용되는 모드신호 A Signal은 고주파 발진부(28)의 클럭신호(Clock0)를 제1토글스위치(42)로 전달한 신호이다. 모드신호 A Signal에 따라, 차지펌프 구동회로(36)에서 출력되는 스위칭신호 q1in, q2in, q3in, q4in는 도 7a에 도시된 바와 같으며, 이에 따라 차지펌프 스위칭회로(34)는 도 8a와 같이 동작한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, Q1과 Q4 및 Q3와 Q4가 교번적으로 스위칭 동작하여 커패시터(Cc)(32)에 전하를 충전(charging)한 후 입력전압(Vin)과 충전전압을 출력하여 2Vin이 출력되고, 스위칭신호가 로우상태일 경우 Q3과 Q4가 턴온되고 Q1과 Q2가 오프되어 출력전압(Vout)이 접지(Ground)와 연결되는 상태로 전환됨으로, 출력전압(Vout)이 4주기 동안 받는 전압의 크기가 6Vin 이 되므로 6/4 = 1.5 가 되어 Vout = 1.5Vin이 된다.

도 7b 및 도 8b는 모드신호 B signal에 따라 동작하는 Vout = 1.75Vin인 1.75배 모드로 동작하는 경우를 도시한 것이다. 사용되는 모드신호 B Signal은 모드신호 A Signal을 제2토글스위치(44)로 전달하여 생성된다. 이에 따라, 차지펌프 구동회로(36)에서 출력되는 스위칭신호 q1in, q2in, q3in, q4in는 도 7b에 도시된 바와 같으며, 이에 따라 차지펌프 스위칭회로(34)는 도 8b와 같이 동작한다. 도 8b에 도시된 바와 같이, Q1과 Q4 및 Q3와 Q4가 교번적으로 스위칭 동작하여 커패시터(Cc)(32)에 전하를 충전(charging)한 후 입력전압(Vin)과 충전전압을 출력하여 2Vin이 출력되고, 스위칭신호가 로우상태일 경우 Q3과 Q4가 턴온되고 Q1과 Q2가 오프되어 출력전압(Vout)이 접지(Ground)와 연결되는 상태로 전환됨으로, 출력전압 (Vout)이 4주기 동안 받는 전압의 크기가 7Vin이 되므로 7/4 = 1.75 가 되어 Vout = 1.75 Vin 이 된다.

도 7c 및 도 8c는 모드신호 C signal에 따라 동작하는 Vout = 1.25Vin인 1.25배 모드로 동작하는 경우를 도시한 것이다. 사용되는 모드신호 C Signal은 모드신호 A Signal 과 B Signal을 합하여 생성된다. 이에 따라, 차지펌프 구동회로(36)에서 출력되는 스위칭신호 q1in, q2in, q3in, q4in는 도 7c에 도시된 바와 같으며, 이에 따라 차지펌프 스위칭회로(34)는 도 8c와 같이 동작한다. 도 8c에 도시된 바와 같이, Q1과 Q4 및 Q3와 Q4가 교번적으로 스위칭 동작하여 커패시터(Cc)(32)에 전하를 충전(charging)한 후 입력전압(Vin)과 충전전압을 출력하여 2Vin이 출력되고, 스위칭신호가 로우상태일 경우 Q3과 Q4가 턴온되고 Q1과 Q2가 오프되어 출력전압(Vout)이 접지(Ground)와 연결되는 상태로 전환됨으로, 출력전압(Vout)이 4주기 동안 받는 전압의 크기가 5Vin이 되므로 5/4 = 1.25가 되어 Vout = 1.25 Vin 이 된다.

한편, 기준전압 제어부(26)는 출력전압(Vout)을 피드백 제어하는 증폭기(16)의 파서티브(Positive)핀에 입력되는 기준전압(Vref)을 가변 제어함으로써 입력전압(Vin)에 따라 모드 선택 시, 도 9과 같이 출력전압(Vout)을 제어한다. 도 9의 그래프에서 모드 1은 1.75배 모드(B 모드), 모드 2는 1.5배 모드(A 모드), 모드 3은 1.25배 모드(C 모드), 모드 4는 LDO(Low Drop Out)모드(D 모드)를 뜻한다.

즉, 출력전압(Vout)의 값을 입력전압(Vin)에 비례적으로 보상함으로써 상술하였던 <제1식>에 따른 효율을 보상한다.

여기서 출력전압(Vout)은 LED를 구동시킬 수 있어야 하며 LED의 광도가 일정하게 유지되도록 공급되어야 한다. 이에, 통상 LED로 공급되는 출력전압(Vout)의 전원라인에는 FET스위치가 개재되어 LED에 일정 전류를 공급한다. 이에, 출력전압(Vout)과 LED의 구동전압(Vf) 및 LED구동을 위한 FET스위치의 턴온전압(Vds(sat))는 다음의 <제3식>을 만족하도록 해야 한다.

<제3식>

Vout ≥ Vf + Vds(sat)

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 차지펌프방식의 효율 그래프는 도 10에 도시된 바와 같다.

도 10은 입력전압(Vin), 모드, 출력전압(Vout)의 변화에 따른 종래 차지펌프방식의 효율과 본 발명의 제어에 따른 차지펌프회로의 효율을 그래프로 도시한 것이다. 도 10의 그래프에서 모드 1은 1.75배 모드(B 모드), 모드 2는 1.5배 모드(A 모드), 모드 3은 1.25배 모드(C 모드), 모드 4는 LDO(Low Drop Out)모드(D 모드)를 뜻한다.

η1과 η2는 종래의 차지펌프방식의 DC/DC컨버터의 효율을 도시한 것으로서, η1은 출력전압(Vout)과 모드가 일정한 경우 얻을 수 있는 일반적인 효율을 나타낸 것이고, η2 본 발명을 적용하여 출력전압(Vout)이 일정하고 입력전압(Vin)에 따라 앞 서 설명했던 <제1식>을 만족하는 조건에서 모드가 가변 될 경우의 효율을 나타낸 것이다. 종래의 효율인 η1과 본 발명에 따른 효율인 η2의 변화에서 확인할 수 있듯이 각 모드를 입력전압(Vin)에 따라 가변하는 경우 효율을 상승시킬 수 있고, 또한, 입력전압(Vin)에 따라 각 모드 별로 출력전압(Vout)을 달리하여 제어할 경우 효율을 최대로 높일 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터는 각 모드 별로 출력전압(Vout)을 달리 제어하고 있으며 이러한 제어를 수행하는 경우 실험적으로 얻을 수 있는 효율은 그래프 상의 η3과 같다. η3은 각 모드를 입력전압(Vin)에 따라 가변하는 한편 각 모드 별로 출력전압(Vout)도 비례적으로 가변 제어하는 경우의 효율을 도시한 것으로서, 출력전압(Vout)을 일정하게 유지하는 η2보다 효율이 개선되었음을 알 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터에서 입력전압(Vin)에 따른 기준전압(Vref)의 변동상태를 도시한 것이다. 그래프에 도시된 바와 같이, 피드백부(12)의 차동 증폭기(16)의 (+)입력은 주어진 전압 중 가장 낮은 전압을 기준으로 하여 구성되며, 이에 따라 입력전압 감지부(22)는 입력전압(Vin)을 감지하여 그 구간마다 s1, s2, s3 신호를 출력하여 기준전압(Vref)은 굵은 점선과 같이 변화된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법은 하나의 커패시터를 갖는 차지펌프회로를 이용하여 커패시터에 충전되는 전원을 조절함으로써 다양한 전압 출력모드를 구현하고 있으며, 입력전압의 변화에 따라 모드를 제어하고 출력전압 또한 가변 제어하고 있다.

이상, 본 발명에 따른 실시 예는 상술한 것에 한정되지 아니하고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터 및 그 제어방법은, 하나의 커패시터를 갖는 차지펌프회로를 이용하여 다양한 전압 출력모드를 구현하고 있으며 입력전압의 변화에 따라 증폭모드 및 출력전압을 가변 제어하고 있다.

이에 따라, 별도의 커패시터를 추가하지 아니하고도 다양한 전압출력모드를 구현할 수 있고 입력전압의 변화에 연동하여 출력전압을 가변 제어함으로써 구동효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

외부로부터 입력되는 입력전원의 전압을 커패시터를 통해 승압하여 출력하는 차지펌프회로와 상기 차지펌프회로의 상기 출력전원을 피드백하여 상기 출력전원의 전압크기를 조절하는 피드백부를 포함하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터에 있어서,

상기 입력전원의 전압에 따라 상기 출력전원의 승압비율을 결정하여 모드신호와 상기 출력전원의 전압을 조절하기 위한 출력전압 조절신호를 출력하는 입력전압감지부와;

상기 모드신호에 따라 상기 차지펌프회로의 상기 커패시터 충전 및 방전을 위한 스위칭신호를 출력하는 모드선택부와;

상기 출력전압 조절신호에 따라 상기 차지펌프회로의 출력전압이 조절되도록 상기 피드백부에 기준전압 조절신호를 출력하는 기준전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 입력전압감지부는,

고주파 클럭신호를 발생하는 고주파 발진부와;

상기 고주파 클럭신호를 분주하는 한 개 이상의 토글스위치와;

상기 입력전원의 전압에 따라 상기 토글스위치를 통해 상기 고주파 발진부에서 출력되는 상기 클럭신호를 분주하고 상기 분주된 신호를 합하여 상기 입력전원에 따라 각기 상이한 모드신호를 생성하는 논리연산회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터.
제 2 항에 있어서,

상기 입력전압감지부는,

상기 출력전압이 입력전압의 1.25배 증폭된 크기를 갖는 1.25배 모드와, 상기 출력전압이 입력전압의 1.5배 증폭된 크기를 갖는 1.5배 모드와, 상기 출력전압이 입력전압의 1.75배 증폭된 크기를 갖는 1.75배 모드신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터.
제 3 항에 있어서,

상기 모드선택부는,

상기 입력전압감지부가 출력하는 상기 모드신호에 따라, 상기 모드신호에 따라 상기 차지펌프회로의 상기 커패시터 충전 및 방전을 위한 스위칭신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 차지펌프회로는,

상기 스위칭신호에 따라 상기 커패시터가 온/오프 되는 한 주기에, 상기 입력전원을 상기 커패시터에 충전한 후 입력전원과 상기 커패시터에 출전된 충전전원 을 출력하여 상기 입력전원의 2배의 전압을 갖는 출력전압(2Vin)이 출력하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 피드백부는,

기준신호 출력을 위한 저주파 발진부와;

상기 차지펌프회로의 상기 출력전원을 증폭하는 증폭기와;

상기 증폭기의 출력신호를 입력받아, 상기 저주파 발진부의 상기 기준신호와 상기 입력전압감지부의 상기 출력전압 조절신호와 비교하여 상기 차지펌프회로의 출력전압을 상기 입력전압에 비례하여 증감하도록 피드백신호를 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터.
제 6 항에 있어서,

상기 저주파 발진부는 톱니파 내지는 삼각파를 출력하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터.
외부로부터 입력되는 입력전원을 커패시터를 통해 승압하여 디스플레이장치의 구동을 위한 출력전원으로 출력하는 차지펌프회로와 상기 차지펌프회로의 상기 출력전원을 피드백하여 상기 출력전원의 전압크기를 조절하는 피드백부를 포함하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 제어방법에 있어서,

상기 입력전원의 전압에 따라 상기 출력전원의 승압비율을 결정하는 단계와;

상기 입력전원의 전압에 따라 상기 출력전원의 전압을 비례적으로 조절하여 설정하는 단계와;

상기 승압비율에 따라 상기 차지펌프회로에 입력되는 상기 입력전원을 증폭하고 상기 출력전원의 전압을 상기 입력전원의 전압에 따라 비례적으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차지펌프방식의 DC/DC 컨버터의 제어방법.