KR100729845B1 - Digital pulse width modulation generator with clock divider and clock synthesizer - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 디지털 PWM 발생기의 블록다이어그램.1 is a block diagram of a digital PWM generator in accordance with the present invention.
도 2는 분주된 클럭신호를 이용한 합성된 출력 신호.2 is a synthesized output signal using a divided clock signal.
도 3은 외부 MCU와의 연계동작 및 비교기를 이용한 부하변동 신호의 입력.3 is an input of a load change signal using a linking operation and a comparator with an external MCU.
도 4는 디지털 PWM을 적용한 플라이백 SMPS의 회로도.4 is a circuit diagram of a flyback SMPS to which digital PWM is applied.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명** Description of symbols on the main parts of the drawings *
1: 클럭발생부 2: 클럭분주기1: clock generator 2: clock divider
3: 클럭선택부 4: 클럭합성부3: clock selector 4: clock synthesizer
5: 클럭제어부 6: 펄스폭조절부5: clock control unit 6: pulse width control unit
7: 통신지원부 10: 디지털PWM발생기7: Communication support department 10: Digital PWM generator
본 발명은 디지털 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation ; 이하에서 PWM이라 지칭) 발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스위칭 모드 전원(Switching Mode Power Supply : 이하에서 SMPS로 지칭)을 구현하기 위해 많이 사용되는 아날 로그 방식의 PWM 발생기를 기준클럭에 대하여 클럭분주 및 클럭합성 방법을 이용하여 PWM 신호를 발생시키기 위한 디지털 PWM 발생기에 관한 것이다.The present invention relates to a digital pulse width modulation (PWM) generator, and more particularly, to implement a switching mode power supply (hereinafter referred to as SMPS). An analog PWM generator is a digital PWM generator for generating a PWM signal using a clock division and clock synthesis method with respect to a reference clock.
정보가전기기에 흔히 사용되고 있는 종래의 SMPS에 사용되었던 아날로그 방식의 PWM 발생기는 톱니파와 부하단에서 선택된 신호를 비교하여 PWM 신호의 폭을 결정하여 발생시키는 방식 또는 기준클럭을 래치방식을 이용하여 스킵하도록 하는 방식을 사용하였고, 특허로 등록되거나 공개되어 있는 디지털 PWM 관련 회로들은 기준 주파수를 이용하여 카운팅 하여 펄스폭을 결정하게 하는 방식과, 톱니파와 비교하는 전압을 카운터에 의해 설계하는 방식들을 이용한 회로들이다. The analog PWM generator used in the conventional SMPS, where information is commonly used in electrical equipment, compares the selected signal at the sawtooth wave and the load stage to determine the width of the PWM signal or to skip the reference clock using the latch method. Digital PWM-related circuits, which are patented or published, are circuits using a method of counting using a reference frequency to determine a pulse width and a method of designing a voltage comparing with a sawtooth wave by a counter. .
그러나, 이러한 부하변동 신호를 톱니파 발생기와 비교하여 PWM 신호의 펄스폭을 조절하는 종래의 SMPS는 톱니파 발생회로를 꾸며 주어야 하는 번거로움과 외부 시스템이 디지털 시스템일 경우 호환성이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.However, the conventional SMPS, which adjusts the pulse width of the PWM signal by comparing the load fluctuation signal with the sawtooth wave generator, has a problem in that it is inconvenient to decorate the sawtooth wave generation circuit and the compatibility becomes poor when the external system is a digital system.
따라서, 본 발명은 정보가전기기에 흔히 사용되고 있는 SMPS장치에 사용되고 있는 아날로그 PWM 발생기를 클럭분주 및 클럭합성을 이용하여 디지털화 함으로써 제어가 용이해지고, 디지털 가전기기 또는 일반 가전기기 내부의 MCU(Micro Control Unit)와의 디지털 통신을 이용한 상호 연동 동작이 가능하도록 한 클럭분주 및 클럭합성을 이용한 디지털 PWM 발생기를 제공함에 있다. Accordingly, the present invention facilitates the control by digitizing the analog PWM generator used in the SMPS device, which is commonly used for information electronic appliances, by using clock division and clock synthesis, and microcontrol unit (MCU) in a digital home appliance or a general home appliance. The present invention provides a digital PWM generator using clock division and clock synthesis to enable interoperation with digital communication.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 시스템 내부 기준클럭을 발생시켜주는 클럭발생부와; 상기 클럭발생부에서 생성된 기준클럭을 이용하여 N개의 클럭으로 분주시켜주는 클럭분주기와; 상기 클럭분주기를 거쳐 분주된 여러 클럭의 신호 중 클럭제어부에서 보내주는 제어 신호에 따라 몇몇의 클럭을 선택적으로 클럭합성부로 보내주는 클럭선택부와; SMPS 외부의 시스템에서 선택된 제어 신호 또는 명령어 등을 해석하여 클럭선택부로 제어신호를 보내거나 SMPS 내부의 부하변동을 체크하여 일반모드일때 클럭선택부를 제어하는 클럭제어부와; 클럭선택부에서 선택된 신호들을 합성하여 PWM 신호로 만들어주는 클럭합성부와; SMPS의 부하변동 신호를 해석하여 클럭제어부로 보내주는 펄스폭 조절부로 구성됨을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, the clock generation unit for generating a system internal reference clock; A clock divider for dividing the clock into N clocks using the reference clock generated by the clock generator; A clock selector for selectively sending a plurality of clocks to a clock synthesizer according to a control signal transmitted from a clock controller among a plurality of clock signals divided through the clock divider; A clock controller which analyzes a control signal or a command selected by an external system of the SMPS and sends a control signal to the clock selector or checks a load variation inside the SMPS to control the clock selector when the normal mode is selected; A clock synthesizer for synthesizing the signals selected by the clock selector into a PWM signal; It is characterized by consisting of a pulse width adjusting unit for analyzing the load change signal of the SMPS and sending it to the clock control unit.
본 발명에 따르면, 기준클럭을 플립플롭을 이용하여 상승에지 또는 하강에지를 이용하여 2배수 또는 그 이상의 배수로 크기를 키우고 이 신호들의 조합을 통하여 PWM 신호를 발생하도록 하는 것이 바람직하다.According to the present invention, it is preferable to increase the size of the reference clock by a multiple of two or more by using a rising edge or a falling edge by using a flip-flop and generating a PWM signal through a combination of these signals.
또한, 본 발명은, 기준클럭을 래치 또는 게이트들의 조합회로를 이용하여 2배수 또는 그 이상의 배수로 크기를 키우고 이 신호들의 조합을 통하여 PWM 신호를 발생하도록 하는 것이 바람직하지만, 카운터를 이용하여 2배수 또는 그 이상의 배수로 크기를 키우고 이 신호들의 조합을 통하여 PWM 신호를 발생할 수도 있다.In addition, although the present invention preferably increases the size of the reference clock by a multiple of two or more using a combination circuit of latches or gates, and generates a PWM signal through the combination of these signals, It is also possible to increase the size by more than a few times and generate a PWM signal through a combination of these signals.
또한 PWM 신호를 발생하는 방식은 여러 다른 클럭신호들을 'AND'나 'OR' 게이트 등의 기본게이트 등을 이용하여 합성할 수도 있다.In addition, the PWM signal generation method may be synthesized using a basic gate such as 'AND' or 'OR' gate.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 디지털 PWM 발생회로내의 펄스폭조절부로의 부하변동 신호의 입력을 M개의 비교기나 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여 인가시켜줄 수도 있다.According to another feature of the invention, the input of the load change signal to the pulse width control unit in the digital PWM generation circuit may be applied using M comparators or analog to digital converter (ADC).
또한 본 발명은 디지털 PWM 발생회로에 통신지원회로를 내장하여 외부에서 클럭제어부를 제어할 수 있도록 하거나, 이를 모니터링 할 수도 있고, 외부에서 클럭제어부 이외의 블록을 제어하거나, 이를 모니터링 할 수도 있다.In addition, the present invention may be embedded in the digital PWM generation circuit communication support circuit to control the clock control unit from the outside, or may monitor this, may control the block other than the clock control unit from the outside, or monitor this.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 디지털PWM발생기(10)는 시스템 내부클럭을 발생시켜주는 클럭발생부(1)와, 이 클럭발생부(1)에서 생성된 클럭을 이용하여 여러 주기의 클럭으로 분주시켜주는 클럭분주기(2)와, 상기 클럭분주기(2)를 거쳐 분주된 여러 클럭의 신호 중 클럭제어부(5)에서 보내주는 제어 신호에 따라 몇몇의 클럭을 선택적으로 클럭합성부로 보내주는 클럭선택부(3)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the
또한 본 발명은 SMPS 외부의 시스템에서 선택된 제어 신호 또는 명령어 등을 해석하여 클럭선택부(3)로 제어신호를 보내거나 SMPS 내부의 부하변동을 체크하여 일반모드일때 클럭선택부(3)를 제어하는 클럭제어부(5)와, 클럭선택부(3)에서 선택된 신호들을 합성하여 PWM 신호로 만들어주는 클럭합성부(4)와, SMPS의 부하변동 신호를 해석하여 클럭제어부(5)로 보내주는 펄스폭 조절부(6) 및 외부의 MCU와의 통신 지원을 위한 통신 지원부(7)를 포함한다.In addition, the present invention analyzes a control signal or a command selected from a system outside the SMPS to send a control signal to the
도 1에 도시된 바와 같이 클럭발생부(1)에서 생성된 기준클럭은 클럭분주기(2)에서 플립플롭을 이용하여 N개의 서로 다른 클럭으로 분주를 하게 된다. 상승에지 클럭이나 하강에지 클럭을 이용하여 기준클럭을 2배의 주기로 분주하고 다시 이를 2배 주기의 클럭으로 분주하는 방식을 이용하여 N개의 서로 다른 클럭을 발생하게 된다. As shown in FIG. 1, the reference clock generated by the
한편 부하단에서 선택된 신호의 크기를 여러 크기가 다른 기준전압으로 구성 된 M개의 비교기들을 거쳐 펄스폭조절부(6)의 인코더 블록으로 보냄으로써 아날로그적인 부하단의 신호를 디지털적인 신호로 바꾸게 된다. Meanwhile, the signal of the analog load stage is converted into a digital signal by sending the magnitude of the signal selected at the load stage to the encoder block of the pulse
한편 부하단에서 선택된 신호를 서로 다른 M개의 비교기 대신 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여 디지털 신호로 변경시켜 펄스폭조절부에 인가하는 방식을 사용할 수도 있다.Alternatively, the signal selected at the load stage may be converted into a digital signal using an analog to digital converter (ADC) instead of M different comparators and applied to the pulse width controller.
그리고, 펄스폭조절부(6)의 인코딩된 신호에 따른 PWM 신호의 펄스폭을 디코더블럭에서 결정하여 클럭제어부(5)로 보내게 된다. The pulse width of the PWM signal according to the encoded signal of the pulse
클럭제어부(5)는 결정된 펄스폭과 현재의 상태 등을 고려하여 클럭선택 제어신호를 출력하게 된다. 이때의 현재상태란 일반적인 정상동작모드(신호의 스킵이 없는 상태)와 저전력화모드(일반적으로 스킵모드나 버스트모드가 이에 해당 함) 등으로 구분된 상태를 말한다. The
도 2는 일반적인 스킵모드나 버스트모드에 해당하는 PWM 신호를 합성한 모습이다. 선택된 클럭신호들은 클럭합성부에서 합성되어 PWM 신호를 발생하게 된다. 이때 출력전류를 증가시키기 위해 드라이버단을 거쳐 발생시키기도 한다. 2 is a view illustrating synthesis of a PWM signal corresponding to a general skip mode or a burst mode. The selected clock signals are synthesized by the clock synthesizer to generate a PWM signal. At this time, it is also generated through the driver stage to increase the output current.
도 4는 일반적인 플라이백 SMPS 구조에 디지털 PWM을 적용한 회로이다. 부하단에서 선택된 2개의 신호를 비교기 또는 ADC를 이용하여 디지털신호로 변경하여 디지털 PWM에 인가되도록 하였고, 이 신호를 분석하여 펄스폭조절부(6)에서는 펄스폭을 조절하게 되고, 클럭제어부(5)에서는 조절된 펄스폭에 맞게 클럭을 합성하도록 제어하게 된다. 파워 MOSFET(M1)을 구동하기 위해서는 전류량 증가가 필요하기 때문에 디지털 PWM에서 출력되는 PWM 신호는 드라이버단을 거쳐 MOSFET(M1)으로 인 가되도록 하였다. 4 is a circuit applying digital PWM to a typical flyback SMPS structure. The two signals selected at the load stage are converted into digital signals using a comparator or an ADC to be applied to the digital PWM. The signals are analyzed and the
따라서, 본 발명은 디지털 시스템과의 호환성을 높이기 위하여 SMPS 내부에서 제어역할을 하는 PWM 발생회로를 디지털화 함으로써 PWM 발생회로를 간략화 하였고, 디지털 PWM 구현을 통한 외부 디지털 시스템과의 호환성을 높일 수 있는 것이다.Accordingly, the present invention simplifies the PWM generation circuit by digitizing the PWM generation circuit which acts as a control inside the SMPS in order to increase the compatibility with the digital system, and improves the compatibility with the external digital system by implementing the digital PWM.
이상에서와 같이 종래의 SMPS의 톱니파 또는 래치구조의 아날로그 PWM 방식에서 기준클럭을 분주하여 합성하는 방식의 디지털 PWM 회로로 변경함으로써 외부의 디지털 시스템과의 호환성이 높아지며, 그 회로의 크기를 줄일 수 있는 매우 유용한 발명이다. As described above, by changing from a conventional sawtooth wave or latch structure analog PWM method of SMPS to a digital PWM circuit that divides and synthesizes a reference clock, compatibility with an external digital system is increased, and the size of the circuit can be reduced. It is a very useful invention.
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2006
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