KR100726926B1 - 스위치 모드 전원 공급 장치를 위한 능동 감쇠 제어 - Google Patents

스위치 모드 전원 공급 장치를 위한 능동 감쇠 제어 Download PDF

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Abstract

스위치 모드 전원 공급 장치에서 기생 소자들로 인한 회로 잡음을 억제하기 위한 방법들 및 장치들이 개시된다. 개시된 실시예들은 제어가능 저항, 전류원 및 삼상태 전력 장치들과 같은 능동 제어 감쇠 장치들을 이용하여 요구되는 감쇠를 달성하고 전력 손실을 최소화한다.
능동 감쇠 제어, 스위치 모드 전원 공급 장치, 링잉, 벅 회로, 동기 정류기

Description

스위치 모드 전원 공급 장치를 위한 능동 감쇠 제어{ACTIVE DAMPING CONTROL FOR A SWITCH MODE POWER SUPPLY}
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 벅 회로(buck circuit) 및 이와 관련된 두 개의 통상적인 링잉(ringing)을 도시한 개략도.
도 2는 일부 기생 링잉을 억제하기 위한 종래 기술에 따른 RC 완충기법을 나타낸 도면.
도 3은 기생 링잉에 대한 등가 회로가 Lr 및 Cr을 구성하는 2차 시스템인 도면.
도 4는 링잉을 억제하기 위해 보통의 벅 회로에 능동 감쇠 저하을 사용하는 본 발명의 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단순화된 동기 벅 회로에 대한 개략도.
도 6은 동기 벅 회로에서의 발명의 실시예의 동작 단계들을 도시하는 도면.
도 7은 동기 벅 회로에서의 발명의 실시예의 상이한 동작 단계들을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 링잉을 억제하기 위해 보통의 벅 회로에서의 능동 감쇠 전류원을 사용하는 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 단순화된 동기 벅 회로에 대한 개략도.
도 10은 동기 벅 회로에서의 능동 감쇠 스킴의 일 실시예의 동작 단계들을 도시하는 도면.
도 11은 동기 벅 회로에서의 능동 감쇠 스킴의 일 실시예의 상이한 동작 단계들을 도시하는 도면.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 스텝 다운 컨버터의 블록도.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명을 상이한 토폴로지에 적용한 예를 도시하는 도면.
도 14는 본 발명의 실시예에 기초하여 일반화된 회로를 도시하는 도면.
도 15는 종래 기술에 따른 게이트 전압 및 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 게이트 전압의 예 및 스위치 출력에 대한 그 효과를 도시하는 도면.
본 출원은 2004년 12월 28일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 제60/639,739호에 대해 우선권을 주장한다.
이하에 기술된 실시예들은 일반적으로 스위치 모드 전원 공급 장치 및 스위칭 조절기와 관련된 것으로, 특히 기생 소자로 인한 회로 잡음을 억제하기 위한 방 법 및 장치에 관한 것이다.
높은 효율로 인해 스위치 모드 전원 공급 장치(Switch Mode Power Supply; SMPS)는 CPU, DRAM 및 ASIC과 같은 전력 전자 회로에서 인기가 높다. 선형 조절기에서 사용되는 전원 장치와 대비하여, SMPS의 전원 장치는 ON 또는 OFF 스위칭 컴포넌트로서 동작한다. 그러므로, 도전 손실이 최소화된다. 그러나, 이러한 전원 장치의 스위칭 동작은 통상적으로 다음의 이유 중의 적어도 하나로 인한 바람직하지 않은 고주파 진동을 유발한다.
a. 회로 보드 레이아웃 및 전원 장치 패키지의 기생 인덕턴스;
b. 전원 스위칭 장치에 고유한 기생 커패시턴스 및
c. 캐패시터 내의 직렬 저항 또는 인덕턴스
통상적으로, SMPS는 적어도 두 개의 스위칭 장치로 구성되는데, 제1 장치는 출력 전압을 조절하도록 능동적으로 제어된다. 제1 장치는 보통 "메인 스위치"로 지칭된다. 제2 장치는 수동적으로 또는 능동적으로 제어할 수 있는 "정류기"로 지칭된다. 하나의 통상적으로 발견되는 고주파 진동은 전원 장치 중의 하나의 스위칭 노드에 존재한다. 이러한 진동 주파수는 정상 스위칭 주파수보다 훨씬 높기 때문에, 일반적으로 제공되는 인덕터 및 캐패시터의 필터 네트워크는 이러한 링잉을 효과적으로 억제할 수 없다. 결과적으로, 출력에는 고주파 리플(ripple)이 발생하고, 이로 인해 전자기 간섭(ElectroMagnetic Interference; EMI) 문제가 발생할 수도 있다. 종래 기술에 따르면, 링잉 문제를 억제하기 위해 수동 RC "완충기(snubber)"를 채용했다. 다소간은 효과적이지만, RC 완충기는 전력 손실을 심각하 게 증가시킨다.
SMPS는 그 높은 효율로 인해 ASIC, DRAM 및 다른 전자 장치에 전원을 공급하는데 인기가 높다. SMPS 토폴로지를 선택하기 위해서는 입력 및 출력 전압의 관계를 고려해야 한다. 한 가지 예는 3.3V 레일에 전원을 공급하기 위해 단일-셀 리튬 이온 전지를 사용하는 디지털 카메라와 같은 휴대용 장치인데, 이 경우 충전 후의 전지 전압은 약 4.2V이고 카메라가 기능을 멈추기 전에는 전압이 2.7V 로 떨어진다. 또한, 제한된 크기 및 무게에도 불구하고 전지 사용 수명을 극대화하기 위해 전체 동작 범위 동안 적절한 효율이 요구된다. 이러한 애플리케이션들은, 출력 전압보다 높거나, 낮거나 또는 같은 입력 전압으로 효율적이고 자동적인 방법으로 동작할 수 있는 SMPS를 요구한다.
입력 전압이 출력 전압보다 높게 유지된다면, "벅(buck)" 컨버터를 사용할 수 있다. 반면, 항상 입력 전압이 출력 전압보다 낮게 유지된다면, "부스트(boost)" 컨버터를 사용할 수 있다. 잘 알려진 "벅-부스트" 컨버터는 출력 전압 보다 높거나, 낮거나 또는 같은 입력 전압에 대해 자동적으로 동작할 수 있지만, 넓은 입력 전압 범위에 대하여 고효율을 유지할 수 없다. 벅-부스트 컨버터는 입력 전압이 출력 전압에 가까운 경우에는 어느 정도의 효율을 갖지만, 입력 전압이 출력 전압보다 높은 경우에는 벅 컨버터보다 낮은 효율을 가지고, 입력 전압이 출력 전압보다 낮은 경우에는 부스트 컨버터보다 훨씬 낮은 효율을 갖는다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 적절한 감쇠를 얻고, 전력 손실을 최소화하기 위하여 제어 가능한 저항, 전류원 및 삼상 전원 장치와 같은 능동적으로 제어되는 감쇠 장치를 사용한다.
이하에서 본 발명의 다양한 실시예들이 기술될 것이다. 이하의 기술은 완벽한 이해를 위한 구체적인 사항 및 이들 실시예를 실시 가능하도록 하는 설명을 제공한다. 그러나, 당업자라면 이러한 많은 상세 정보 없이도 본 발명을 실시할 수 있음을 이해할 것이다. 부가적으로, 다양한 실시예들의 관련 설명을 불필요하게 혼동시키지 않기 위해, 일부 주지의 구조 또는 기능에 대해서는 자세히 도시 또는 기술하지 않을 것이다.
이하에서 설명하는 기재에서 사용되는 용어는, 본 발명의 특정 실시예의 상세한 설명과 관련하여 사용되었다 할지라도 합리적인 정도의 가장 넓은 방법으로 해석될 것을 의도하고 있다. 이하에서 일부 단어들을 강조할 수도 있지만, 임의의 제한적인 의미로 해석되도록 의도하는 임의의 단어는 발명의 상세한 설명 부분에서 명백하고도 구체적으로 정의될 것이다.
본 명세서에 개시된 바와 같이 본 발명의 실시예 및 그 애플리케이션에 대한 기재는 예시적일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니다. 실시예들의 변화 및 변경이 가능하며, 본 명세서에 개시된 실시예들의 실질적인 대체물 또는 실시예의 다양한 요소들의 등가물들이 당업자에게 알려져 있다. 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고, 개시된 실시예들의 변화 및 변경이 이루어질 수 있다.
이하의 설명에서, 본 발명의 실시예에 대한 완벽한 이해를 제공하기 위해 몇몇 구체적인 상세 사항이 제시된다. 특히, 전체 논의에 걸쳐 벅 회로가 사용된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 하나 이상의 구체적인 사항이 없더라도 부스트, 플라이백(flyback), SPEIC, Zeta, 포워드(forward), 홀 브릿지(haL bridge), 풀 브릿지(full bridge), 푸시풀(pushpull) 등(이에 제한되지 않음)을 포함하는 상이한 회로 토폴로지에도 실시될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 다양한 실시예의 다른 측면을 모호하게 하는 것을 방지하기 위하여 주지의 구현예 또는 동작은 자세히 도시 또는 설명하지 않는다.
도 1a는 단순화된 종래의 벅 회로 및 두 개의 통상적으로 발견되는 기생 링잉을 도시한다. 벅 회로의 메인 (상단) 스위치(SW1)가 ON으로 켜지면, SW1에 의해 형성된 루프 영역의 등가 기생 인덕턴스, 정류기(D) 및 입력 캐패시턴스(CIN)가 D에 걸쳐 등가 기생 캐패시턴스로 공명한다. 이러한 링잉은 스위치 노드(N)가 큰 마진만큼 오버슈트(VIN)하도록 할 수도 있는데, 이로 인해 높은 출력 스위칭 스파이크 및 정류기(D)의 고장이 발생할 수도 있다. 이러한 링잉은 매우 높은 주파수를 가지며, 출력에서 스위칭 스파이크로서 나타날 수도 있다. 이러한 현상이 도 1b의 파형에 도시되어 있다. 이는 사례-1 링잉으로 지칭된다.
사례-2 링잉으로 지칭되는 제2 기생 링잉은, 도 1c에 도시된 바와 같이 인덕터 전류가 "불연속"이 된 직후에 적은 부하 조건에서 발생한다. 이러한 경우에, 출력 필터 인덕터(L)는 D의 기생 캐패시턴스와 공명한다. 도 2는 이러한 기생 링잉을 억제하기 위한 종래의 RC 완충 스킴을 도시한다.
도 3은, 인덕터(Lr) 및 캐패시터(Cr)을 구성하는 2차 시스템인, 기생 링잉을 위한 등가 회로를 도시한다. Lr은 사례-1의 SW1, D 및 CN과 사례-2의 출력 인덕터(L)로 형성되는 루프의 전체 누설 인덕턴스이다. Cr은 D의 등가 기생 캐패시턴스이다. Cr에 대한 진동을 감쇠시키기 위하여, D(또는 Cr)에 대한 병렬 RC 완충 네트워크를 갖는 것이 바람직하다. RD는
Figure 112005077274512-pat00001
보다 작도록 선택되고, CD는 도전 손식을 저감하기 위해 RD로의 DC 전류를 차단하는데 사용된다.
경험적으로, RD가 효과적으로 링잉을 감쇠시킬 수 있도록, Cr의 적어도 3배가 되도록 CD를 선택한다. 더 큰 Cr 또는 더 작은 RD는 감쇠를 보다 효율적으로 만들지만, 또한 전력 손실을 증가시킨다. 노드(N)가 스위칭하므로, CD는 매 주기에서 방전 및 충전하고, 결과적으로 불필요한 전력 손실이 발생한다. 그리고, 등가 기생 인덕턱스(Lr)가 두 사례에서 상이하므로, 동작의 범위에 대하여 RD를 최적화하기 어렵다.
도 4는, 링잉을 억제하기 위하여 보통의 벅 회로에서 능동 감쇠 저항을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 스킴을 도시한다. RD는 메인 스위치(SW1) 또는 정류기(D)와 병렬로 배치된다. RD는 다음과 같이 제어된다.
a. 메인 스위치(SW1)가 ON인 경우, RD는 무한(오픈 회로)이고,
b. D가 OFF인 경우, 사례-1 및/또는 사례-2에 대한 링잉의 진폭 및 안정화 시간(settling time)을 최소화하도록 RD가 변화한다.
감쇠 효과를 최대화하고, 정상 동작 동안에 부가적인 전력 손실을 최소화하기 위하여 스위치 노드(N) 파형을 감시하거나, 인덕터(L) 전류를 측정하거나, 또는 RD 값을 사전 프로그래밍함으로써 RD를 제어할 수 있다. RD는 감쇠 효과를 최대화하기 위해 링잉의 시작점에서는 작고, 부가적인 전력 손실을 최소화하기 위해 링잉의 끝점에서는 보다 큰 것이 이상적이다. RD가 메인 스위치(SW1)와 병렬인 경우에 있어서, 메인 스위치(SW1)는 사례-2 링잉을 억제하기 위한 능동 감쇠 장치를 구현하기 위해 선형 영역으로 구동될 수 있다.
고출력 전류 또는 저출력 전압 애플리케이션을 위해, "보통의" 정류기를 대체하여 저 전도 드롭 제어 가능한 전력 반도체 장치(low conduction drop controllable power semiconductor device; 당업계에서는 동기화 정류기로 지칭됨)를 사용하는 것이 바람직하다. 개시된 실시예에서, 보통의 동기화 스위치 및 능동 감쇠 저항 모두로서 동기화 정류기를 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동기화 벅 회로에 대한 개략도를 도시한다. 이러한 애플리케이션에서, 이전에 설명한 바와 같이 메인 스위치(SW1)는 능동 감쇠 저항으로 사용될 수 있다.
각각의 전력 반도체 장치는 ON, OFF 및 선형의 세 가지 동작 영역(또는 모드)을 가진다는 점에 주의해야 한다. ON 단계에서, 전력 반도체 장치는 최소 임피던스를 갖고, 최소 도전 전력 손실을 갖는다. OFF 단계에서, 전력 장치는 전류를 도통하지 않는다. 선형 단계에서, 전력 장치는 ON 단계의 적어도 10배의 저항을 갖는다.
도 6은 사례-2 링잉을 억제하기 위해 낮은 부하에서의 세 가지 동작 단계의 동기화 벅 회로의 실시예를 도시한다.
a. 메인 스위치(SW1)는 ON, 동기화 스위치(SW2)는 OFF이다. 인덕터(L) 전류는 증가한다.
b. 메인 스위치(SW1)는 OFF, SW2는 ON이다. 인덕터(L) 전류는 감소한다.
c. 인덕터(L) 전류가 0을 지나거나, 부의 값을 가지면, SW2는 ON 상태로부터 선형 상태로 천이하고, 따라서 정상의 ON상태 저항보다 훨씬 높지만 OFF 저항보다는 작은 저항을 제공한다. 이러한 저항은 링잉을 억제하도록 프리셋되거나 변조될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 사례-2 링잉의 시작점에서는 낮은 선형 저항이 존재하고, 링잉의 끝점에서는 높은 저항이 존재한다.
도 7은 사례-2 링잉을 억제하기 위해 세 가지 동작 단계를 갖는 동기화 벅 회로의 다른 실시예를 도시한다.
a. 메인 스위치(SW1)는 ON, 동기화 스위치(SW2)는 OFF이다. 인덕터(L) 전류는 증가한다.
b. 메인 스위치(SW1)는 OFF, SW2는 ON이다. 인덕터(L) 전류는 감소한다.
c. 인덕터(L) 전류가 0을 지나거나, 부의 값을 가지면, SW2는 꺼지고, SW1은 OFF 상태에서 선형 상태로 천이하며, 따라서 정상적인 ON 상태 저항보다는 훨씬 크고, OFF 저항보다는 작은 저항을 제공한다. 이러한 저항은 링잉을 억제하도록 프 리셋되거나 변조될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 사례-2 링잉의 시작점에서는 낮은 선형 저항이 존재하고, 링잉의 끝점에서는 높은 저항이 존재한다.
도 8은 링잉을 억제하기 위해 보통의 벅 회로에서 능동 감쇠 전류원을 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스킴을 도시한다. 전류원(Id)은 스위치(SW1) 또는 정류기(D)와 병렬로 배치될 수 있다. Id는 다음과 같이 제어된다.
a. 메인 스위치(SW1)가 ON인 경우, Id는 0이고,
b. D가 OFF인 경우, 사례-1 및/또는 사례-2에 대한 링잉의 진폭 및 안정화 시간을 최소화하도록 Id가 변화한다.
감쇠 효과를 최대화하고, 정상 동작 동안에 부가적인 전력 손실을 최소화하기 위하여 스위치 노드(N) 파형을 감시하거나, 인덕터(L) 전류를 측정하거나, 또는 Id 값을 사전 프로그래밍함으로써 전류원(Id)을 제어할 수 있다. Id는 감쇠 효과를 최대화하기 위해 링잉의 시작점에서는 작고, 부가적인 전력 손실을 최소화하기 위해 링잉의 끝점에서는 보다 큰 것이 일반적이다. Id가 메인 스위치(SW1)와 병렬인 경우에 있어서, 메인 스위치(SW1)는 사례-2 링잉을 억제하기 위한 능동 감쇠 장치를 구현하기 위해 선형 영역으로 구동될 수 있다.
고출력 전류 또는 저출력 전압 애플리케이션을 위해, 보통의 정류기를 대체하여 동기화 정류기를 사용하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 동기화 정류기는 보통의 동기화 스위치 및 능동 감쇠 전류원 모두가 될 수 있다.
도 9는 단순화된 동기화 벅 회로에 대한 개략적인 다이어그램을 도시한다. 이러한 애플리케이션에서, 전술한 바와 같이 능동 감쇠 전류원으로 메인 스위치 (SW1)를 사용할 수 있다.
도 10은 사례-2 링잉을 억제하기 위해 적은 부하에서 세 가지 동작 단계를 갖는 동기화 벅 회로에서의 능동 감쇠 스킴의 일 실시예를 도시한다.
a. 메인 스위치(SW1)는 ON, 동기화 스위치(SW2)는 OFF이다. 인덕터(L) 전류는 증가한다.
b. 메인 스위치(SW1)는 OFF, SW2는 ON이다. 인덕터(L) 전류는 감소한다.
c. 인덕터(L) 전류가 0을 지나거나, 부의 값을 가지면, SW2는 ON 단계에서 선형 단계로 천이하고, 따라서 정상적인 ON 상태 전류보다는 훨씬 적고, OFF 전류보다는 큰 전류가 흐른다. 이러한 전류원의 레벨은 링잉을 억제하도록 프리셋되거나 변조될 수 있다. 사례-2 링잉의 시작점에서는 높은 전류 레벨을 갖고, 링잉의 끝점에서는 낮은 전류 레벨을 갖는 것이 바람직하다.
도 11은 사례-2 링잉을 억제하기 위해 적은 부하에서 세 가지 동작 단계를 갖는 동기화 벅 회로에서의 능동 감쇠 스킴의 다른 실시예를 도시한다.
a. 메인 스위치(SW1)는 ON, 동기화 스위치(SW2)는 OFF이다. 인덕터(L) 전류는 증가한다.
b. 메인 스위치(SW1)는 OFF, SW2는 ON이다. 인덕터(L) 전류는 감소한다.
c. 인덕터(L) 전류가 0을 지나거나, 부의 값을 가지면, SW2는 꺼지고, SW1은 OFF 단계에서 선형 단계로 천이하며, 따라서 정상적인 ON 상태 전류보다는 훨씬 적고, OFF 전류보다는 큰 전류가 흐른다. 이러한 전류원의 레벨은 링잉을 억제하도록 프리셋되거나 변조될 수 있다. 사례-2 링잉의 시작점에서는 높은 전류 레벨을 갖고, 링잉의 끝점에서는 낮은 전류 레벨을 갖는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 스텝 다운 컨버터의 블록도를 도시한다. 전력 장치(P1 및 P2) 모두는 스위칭 장치 및 능동 감쇠 컴포넌트로서 동작을 수행할 수 있고, 이들 장치들 중의 적어도 하나는 (1)ON, (2)OFF 및 (3)선형 영역의 세 가지 영역에서 동작할 수 있다. P1 및 P2는 인덕터를 구동하기 위해 회로의 동작 상태를 차례로 변경한다. P1 및 P2는 동시에 ON이 되지 않음에 주의해야 한다.
제어 회로는 출력 전압 피드백에 기초하여 출력 전압을 변조하기 위하여 P1의 동작 상태를 능동적으로 제어한다. 또한, P1 또는 P2를 선형 영역에서 구동하여 능동적으로 링잉을 감쇠시키기 위해, 제어 회로는 회로 동작 상태, 특히 기생 링잉을 유발하는 상태를 검출한다. 그 결과, 제안된 회로는 낮은 전력 손실로 최대로 적은 노이즈를 달성할 수 있다. 도 15는 링잉을 감쇠시키기 위한 게이트 전압 제어의 일 예 및 스위치 출력에 대한 그 효과를 도시한다.
도 13은 본 발명의 태양들을 상이한 토폴로지에 적용한 예들을 도시한다.
도 14는 본 발명의 일부 태양에 기초하여 일반화된 회로를 도시한다. 요약하면, 상기 회로는 두 개의 삼상 전력 반도체 장치 및 제어 장치를 갖는 전력 단계를 포함하는데, 적어도 하나의 장치는 삼상인, 적어도 하나의 인덕터, 하나의 입력 캐패시터 및 하나의 출력 캐패시터로 동작한다. 제어 장치는 전력 단계로부터 피드백을 수신하고, 전력 반도체 장치 중의 적어도 하나를 구동하여 출력 전압을 변조하고 회로 노이즈 및 전력 손실을 최소화하기 위해 제어 신호를 생성한다.
명세서 및 청구항 전체에 걸쳐, 본문에서 명시적으로 다른 사항을 요구하고 있지 않다면, "구비하다", "구비하는" 및 유사한 단어들은 제외하거나 배타적인 의미에 반대되는 포괄적인 의미로 사용된 것으로서, 즉 "포함하지만, 이에 제한되지 않는다"는 의미로 사용된 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "접속된", "결합된" 또는 이들의 변형어들은 둘 또는 그 이상의 요소들 사이에서 직접 또는 간접으로 접속 또는 결합된 것을 의미한다. 요소들 사이의 접속의 결합은 물리적이거나, 논리적이거나 이들의 조합이 될 수 있다.
부가적으로, 본 출원서에서 사용된 "본 명세서에서", "이상에서", "이하에서" 및 유사 인용어들은 본 출원서 전체를 지칭하는 것이고, 본 출원서의 특정한 일부분을 의미하는 것이 아니다. 본문의 문맥 상으로, 단수 또는 복수를 사용하는 이상의 발명의 상세한 설명의 단어들은 복수 또는 단수를 포함할 수 있다. 둘 이상의 항목의 목록을 참조함에 있어서, "또는"이라는 단어는 목록 내의 임의의 아이템, 목록 내의 모든 아이템 및 목록 내의 아이템의 임의의 조합으로 해석될 수 있다.
이상의 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명은 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하거나, 이에 국한되는 것이 아니다. 본 발명의 특정 실시예 또는 예들은 예시적인 목적으로 기술되었지만, 당업자가 인식하는 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
본 명세서에 제공된 내용은 상술한 시스템뿐만 아니라, 다른 시스템에도 적용될 수 있다. 상술한 다양한 실시예들의 요소 및 동작들을 결합하어 추가적인 실 시예를 제공할 수 있다.
상술한 발명의 상세한 설명을 참고하여 본 발명에 변경을 가할 수 있다. 이상의 설명이 본 발명의 특정 실시예를 기술하고, 최적의 모드를 설명하고 있지만, 문언상의 기재에 불구하고, 본 발명은 다양한 방법으로 실시될 수 있다. 상술한 보상 시스템의 상세 사항은 구현 상세 정보에 있어 상당히 달라질 수 있지만, 역시 본 명세서에 개시된 본 발명에 포섭된다.
위에서 지적한 바와 같이, 본 발명의 특정한 특징 또는 태양을 기술하는 경우에 사용된 특정 용어들은, 해당 용어와 연관된 발명의 임의의 특정한 특성, 특징 또는 태양에 제한되도록 사용되는 것이 아님을 주의해야 한다. 일반적으로, 이하의 청구항에서 사용되는 용어는, 상술한 발명의 상세한 설명 부분에서 명시적으로 제한하고 있는 것이 아니라면, 명세서에 개시된 특정 실시예로 본 발명을 제한하도록 해석되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 개시된 실시예뿐만 아니라, 청구항의 발명을 실시 또는 구현하는 모든 균등한 방법을 포함한다.
본 발명의 여러 태양들이 청구항 형태로 이하에서 제시되어 있지만, 발명자는 임의의 수의 청구항 형태로 본 발명의 다양한 태양들을 고려하고 있다. 따라서, 발명자는 본 발명의 다른 태양들에 대한 부가적인 청구항에 대한 권리를 얻기 위해 출원서를 제출한 후에도 부가적인 청구항을 부가할 수 있는 권리를 유보한다.
본 발명은 적절한 감쇠를 얻고, 전력 손실을 최소화하는 능동적으로 제어되는 감쇠 장치를 제공한다.

Claims (32)

  1. 기생 소자에 기인한 링잉(ringing) 및 회로 잡음을 억제하기 위한 능동 제어 감쇠 장치(actively controlled damping device)를 이용하는 스위치 모드 전원 공급 장치(switch mode power supply; SMPS)에 있어서,
    입력 전압을 상기 SMPS에 접속시키기 위한 제1 및 제2 입력 전압 포트;
    부하를 상기 SMPS의 조절 출력 전압(regulated output voltage)에 접속시키기 위한 제1 및 제2 출력 전압 포트 - 상기 제1 및 제2 출력 전압 포트 사이에는 출력 캐패시터가 접속됨 -;
    출력 인덕터 - 상기 출력 인덕터의 제2 측은 상기 제1 출력 전압 포트에 접속됨 -;
    제1 측은 상기 제1 입력 전압 포트에 접속되고, 제2 측은 상기 출력 인덕터의 제1 측에 접속된 스위치(SW);
    제1 측은 상기 SW의 상기 제2 측에 접속되고, 제2 측은 상기 제2 입력 전압 포트 및 상기 제2 출력 전압 포트에 접속된 정류기; 및
    상기 SW의 제1 및 제2 측 사이, 또는 상기 정류기의 제1 및 제2 측 사이에 접속된 제어가능 저항(controllable resistor) - 상기 제어가능 저항은, SW가 온(ON)인 경우에는 상기 제어가능 저항이 현저히 커지게 되고(개회로), SW가 오프(OFF)인 경우에는 상기 제어가능 저항이 링잉의 안정 시간(settling time) 및 진폭을 최소화하도록 변경되도록 제어됨 -
    을 포함하는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어가능 저항은, 상기 SW의 제2 측에서의 파형을 모니터링하거나, 출력 인덕터 전류를 측정하거나, 또는 정상 동작 동안 감쇠 효과를 극대화하고 전력 손실을 최소화하도록 상기 제어가능 저항 값들을 미리 프로그래밍함으로써 제어되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어가능 저항은, 감쇠 효과를 최대화하기 위하여 링잉의 초기에는 보다 작게 되고, 추가적인 전력 손실을 최소화하기 위하여 링잉의 종단에 근접하여 보다 크게 되며,
    상기 제어가능 저항이 SW와 병렬인 경우, 상기 SW는 링잉을 억제하도록 선형 영역(linear region)으로 구동되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    고출력 전류 또는 저출력 전압 인가를 위하여, 저전도 강하 제어가능 전력 반도체 장치(low conduction drop controllable power semiconductor device; 동기 정류기)가 상기 정류기로서 사용되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 동기 정류기가 정규 동기 스위치 및 능동 감쇠 저항으로서 사용되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정류기와, 상기 정류기와 병렬로 접속된 상기 제어가능 저항이 동기 스위치(SS)에 의해 대체되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    부하가 적은 상태에서, SW 및 SS는,
    출력 인덕터 전류를 증가시키기 위해서, SW는 ON, SS는 OFF로 되고,
    출력 인덕터 전류를 감소시키기 위해서, SW는 OFF, SS는 ON으로 되며,
    상기 출력 인덕터 전류가 0을 교차하거나 음전류로 된 후, SS가 ON 상태에서 선형 상태로 천이되어, 정상 ON 상태 저항보다는 높지만 OFF 저항보다는 낮은 저항을 제공하도록 제어되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어가능 저항은, 저항이 링잉의 초기에는 보다 낮고 링잉의 종단에는 보다 높게 되어 링잉을 억제하도록 사전 설정되거나 조절되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    부하가 적은 상태에서, SW 및 SS는,
    출력 인덕터 전류를 증가시키기 위해서, SW는 ON, SS는 OFF로 되고,
    출력 인덕터 전류를 감소시키기 위해서, SW는 OFF, SS는 ON으로 되며,
    상기 출력 인덕터 전류가 0을 교차하거나 음전류로 된 후, SS는 OFF로 전환되고, SW는 OFF 상태에서 선형 상태로 천이되어, 정상 ON 상태 저항보다는 높지만 OFF 저항보다는 낮은 저항을 제공하도록 제어되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어가능 저항은 전류원(Id)으로 대체되며,
    상기 전류원(Id)은,
    SW가 ON인 경우 Id는 실질적으로 0이 되고, SW가 OFF인 경우 Id는 링잉의 안정 시간 및 진폭을 최소화하도록 변경되도록 제어되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    고출력 전류 또는 저출력 전압 인가를 위하여, 동기 정류기가 상기 정류기로서 사용되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전류원(Id)은, 상기 SW의 제2 측의 파형을 모니터링하거나, 출력 인덕터 전류를 측정하거나, 또는 정상 동작 동안 감쇠 효과를 극대화하고 추가적인 전력 손실을 최소화하도록 상기 전류원(Id) 값들을 미리 프로그래밍함으로써 제어되며,
    전류원(Id)이 SW와 병렬인 경우, SW는 선형 영역으로 구동되어 링잉을 억제하기 위하여 능동 감쇠 장치를 구현하는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    부하가 적은 상태에서, SW 및 SS는,
    출력 인덕터 전류를 증가시키기 위해서, SW는 ON, SS는 OFF로 되고,
    출력 인덕터 전류를 감소시키기 위해서, SW는 OFF, SS는 ON으로 되며,
    상기 출력 인덕터 전류가 0을 교차하거나 음전류로 된 후, SS가 ON 상태에서 선형 상태로 천이되어, 정상 ON 상태 전류보다는 낮지만 OFF 전류보다는 높은 전류를 통과시키도록 제어되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    부하가 적은 상태에서, SW 및 SS는,
    출력 인덕터 전류를 증가시키기 위해서, SW는 ON, SS는 OFF로 되고,
    출력 인덕터 전류를 감소시키기 위해서, SW는 OFF, SS는 ON으로 되며,
    상기 출력 인덕터 전류가 0을 교차하거나 음전류로 된 후, SS는 OFF로 전환되고, SW는 OFF 상태에서 선형 상태로 천이되어, 정상 ON 상태 전류보다는 낮지만 OFF 전류보다는 높은 전류를 통과시키도록 제어되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 출력 전압 포트는 접지되는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  16. 기생 링잉 및 회로 잡음을 억제하기 위한 능동 제어 감쇠 장치를 이용하는 스위칭 조절기(switching regulator)에 있어서,
    입력 전압을 상기 스위칭 조절기에 접속시키기 위한 제1 및 제2 입력 전압 포트 - 상기 제1 및 제2 입력 전압 포트 사이에는 입력 캐패시터가 접속됨 -;
    부하를 상기 스위칭 조절기의 조절 출력 전압에 접속시키기 위한 제1 및 제2 출력 전압 포트 - 상기 제1 및 제2 출력 전압 포트 사이에는 출력 캐패시터가 접속됨 -;
    출력 인덕터 - 상기 출력 인덕터의 제2 측은 상기 제1 출력 전압 포트에 접속됨 -;
    제1 측은 상기 제1 입력 전압 포트에 접속되고, 제2 측은 상기 출력 인덕터의 제1 측에 접속된 제1 삼상태(tri-state) 전력 장치 - 상기 제1 삼상태 전력 장치는 스위칭 장치 및 능동 감쇠 컴포넌트로서 동작할 수 있음 -;
    제1 측은 상기 제1 삼상태 전력 장치의 상기 제2 측에 접속되고, 제2 측은 상기 제2 입력 전압 포트 및 상기 제2 출력 전압 포트에 접속된 제2 삼상태 전력 장치 - 상기 제2 삼상태 전력 장치는 스위칭 장치 및 능동 감쇠 컴포넌트로서 동작할 수 있음 -; 및
    상기 제1 삼상태 전력 장치의 회로 동작 상태를 능동 제어하여, 출력 전압 피드백에 기초하여 출력 전압을 조절하고, 링잉을 능동적으로 감쇠시키기 위하여 기생 링잉으로 하여금 상기 삼상태 전력 장치들을 선형 영역에 있도록 하는 상태들을 포함하는 회로 동작 상태들을 검출하는 제어 회로
    를 포함하고,
    상기 삼상태 전력 장치들 중 적어도 하나는 ON, OFF 및 선형 영역들로 동작하도록 구성되며,
    상기 제1 및 제2 삼상태 전력 장치는 교대로 동작 상태를 변경시켜 출력 인덕터를 구동하는 스위칭 조절기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 출력 전압 포트들은 입력 전압 포트들로서 사용되고, 상기 입력 전압 포트들은 출력 전압 포트들로서 사용되는 스위칭 조절기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제2 삼상태 전력 장치는 상기 출력 인덕터와 위치를 바꾸는 스위칭 조절기.
  19. 회로 잡음과 기생 링잉을 억제하기 위하여 능동 제어 감쇠 장치들을 이용하는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)에 있어서,
    입력 전압을 상기 SMPS에 접속시키기 위한 제1 및 제2 입력 전압 포트 - 상기 제1 및 제2 입력 전압 포트 사이에는 입력 캐패시터가 접속됨 -;
    부하를 상기 SMPS의 조절 출력 전압에 접속시키기 위한 제1 및 제2 출력 전압 포트 - 상기 제1 및 제2 출력 전압 포트 사이에는 출력 캐패시터가 접속됨 -;
    상기 제1 및 제2 입력 전압 포트 사이에 직렬로 접속된 제1 인덕터 및 제1 삼상태 전력 장치;
    상기 제1 및 제2 출력 전압 포트 사이에 직렬로 접속된 제2 인덕터 및 제2 삼상태 전력 장치;
    상기 제1 삼상태 전력 장치와 상기 제1 인덕터의 접속점과 상기 제2 삼상태 전력 장치 및 상기 제2 인덕터의 접속점의 사이에 결합된 브리징 캐패시터(bridging capacitor);
    상기 제1 삼상태 전력 장치의 동작 상태를 능동 제어하여, 출력 전압 피드백에 기초하여 출력 전압을 조절하고, 링잉을 능동적으로 감쇠시키기 위하여 기생 링잉으로 하여금 상기 삼상태 전력 장치들을 선형 영역에 있도록 하는 상태들을 포함하는 회로 동작 상태들을 검출하는 제어 회로
    를 포함하는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    각각의 삼상태 전력 장치는 스위칭 장치 및 능동 감쇠 컴포넌트로 동작할 수 있으며,
    상기 삼상태 전력 장치들 중 적어도 하나는 ON, OFF 및 선형 영역들로 동작하도록 구성되며,
    상기 삼상태 전력 장치들은 교대로 회로 동작 상태를 변경시키는 스위치 모드 전원 공급 장치.
  21. 메인 스위치를 가지는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS) 회로 내의 기생 소자에 기인한 회로 잡음 및 링잉을 억제하는 방법으로서,
    상기 메인 스위치에 감쇠 장치를 연결하는 단계;
    상기 스위치 모드 전원 공급 장치의 출력에서의 출력 신호를 모니터링하는 단계; 및
    상기 출력 신호 파형의 링잉의 안정 시간 및 진폭이 실질적으로 최소가 되도록 상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계
    를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 감쇠 장치는 제어가능 저항을 포함하고 상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는,
    상기 메인 스위치가 ON일 때마다, 상기 제어가능 저항에 개회로(무한) 임피던스를 제공하는 단계; 및
    상기 메인 스위치가 OFF일 때마다, 상기 출력 신호 파형의 링잉의 안정 시간 및 진폭이 실질적으로 최소가 될 때까지 상기 제어가능 저항의 임피던스를 변경하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는,
    감쇠 효과를 최대화하기 위해 링잉의 초기에서 상기 제어가능 저항의 임피던스를 제1 값으로 변경하는 단계;
    추가적인 전력 손실을 최소화하기 위해 링잉의 종단에서 상기 제어가능 저항의 임피던스를 상기 제1 값보다 실질적으로 큰 제2 값으로 변경하는 단계; 및
    상기 제어가능 저항이 상기 메인 스위치에 전기적으로 병렬로 결합될 때마다, 링잉을 실질적으로 억제하도록 상기 메인 스위치를 선형 영역에 구동시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 출력 신호를 모니터링 하는 단계는,
    상기 메인 스위치(SW)에 전기적으로 결합된 인덕터의 출력 전류를 측정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 출력신호를 모니터링하는 단계는,
    상기 메인 스위치의 출력에서의 출력 파형을 모니터링하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는,
    정상 동작 동안 감쇠 효과를 최대화하고 전력 손실을 최소화하기 위해 상기 감쇠 장치를 미리 프로그래밍하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 감쇠 장치는 상기 메인 스위치(SW)에 전기적으로 직렬 연결된 동기 스위치(SS)를 포함하고, 상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는,
    상기 메인 스위치가 ON이고 상기 동기 스위치(SS)가 OFF일 때마다, 인덕터 출력 전류를 증가시키는 단계;
    상기 메인 스위치가 OFF이고 상기 동기 스위치가 ON일 때마다, 인덕터 출력 전류를 감소시키는 단계; 및
    인덕터 출력 전류가 0을 교차하거나 음전류가 된 후, 상기 동기 스위치(SS)는 ON 상태에서 선형 상태로 천이되어, 정상 ON 상태 저항보다는 높지만 OFF 상태 저항보다는 낮은 저항을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경시키는 단계는, 적은 부하(light load)가 걸리는 동안 상기 메인 스위치 및 동기 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어하는 단계는,
    상기 메인 스위치가 ON이고 상기 동기 스위치가 OFF일 때마다, 인덕터 전류를 증가시키는 단계;
    상기 메인 스위치가 OFF이고 상기 동기 스위치가 ON일 때마다, 상기 인덕터 전류를 감소시키는 단계; 및
    인덕터 출력 전류가 0을 교차하거나 음전류가 된 후, 상기 동기 스위치를 끄고 상기 메인 스위치를(SW)를 OFF 상태에서 선형 상태로 천이시키는 단계, 및 정상 ON 상태 임피던스보다는 높지만 OFF 상태 임피던스보다는 낮은 임피던스를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 감쇠 장치는 전류원을 포함하고, 상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는,
    상기 메인 스위치(SW)가 ON일 때마다, 상기 전류원의 임피던스를 실질적으로 0으로 감소시키는 단계; 및
    상기 메인 스위치(SW)가 OFF일 때마다, 상기 출력 신호의 링잉의 안정 시간 및 진폭을 최소화하도록 상기 전류원을 변경시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는, 상기 메인 스위치 및 동기 스위치(SS)를 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어하는 단계는,
    상기 메인 스위치가 ON이고 상기 동기 스위치가 OFF일 때마다, 인덕터 전류를 증가시키는 단계;
    상기 메인 스위치가 OFF이고 상기 동기 스위치가 ON일 때마다, 상기 인덕터 전류를 감소시키는 단계; 및
    상기 인덕터 전류가 0을 교차하거나 음전류로 된 후, 상기 동기 스위치를 끄고 상기 동기 스위치(SS)를 ON 상태에서 선형 상태로 천이시켜 정상 ON-상태 임피던스보다는 높지만 OFF 상태 임피던스보다는 낮은 임피던스를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는, 상기 메인 스위치 및 동기 스위치(SS)를 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어하는 단계는,
    상기 메인 스위치가 ON이고 상기 동기 스위치가 OFF일 때마다, 인덕터 전류를 증가시키는 단계;
    상기 메인 스위치가 OFF이고 상기 동기 스위치가 ON일 때마다, 상기 인덕터 전류를 감소시키는 단계; 및
    상기 인덕터 전류가 0을 교차하거나 음전류로 된 후, 상기 동기 스위치를 끄고 상기 메인 스위치(SW)를 OFF 상태에서 선형 상태로 천이시켜 정상 ON-상태 임피던스보다는 높지만 OFF 상태 임피던스보다는 낮은 임피던스를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  32. 제21항에 있어서,
    상기 감쇠 장치는 상기 메인 스위치 대신에 사용되는 제1 삼상태 전력 장치 및 상기 제1 삼상태 전력 장치에 전기적으로 결합된 제2 삼상태 전력 장치를 더 포함하고, 상기 감쇠 장치의 임피던스를 변경하는 단계는,
    상기 출력 신호에서 링잉이 발생했다는 것을 검출하는 피드백 신호를 수신하면, 상기 출력 신호의 링잉을 감쇠시키기 위해 상기 제1 삼상태 전력 장치 또는 상기 제2 삼상태 전력 장치 중 하나 또는 이들 모두를 선형 동작 모드에서 구동시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
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