KR100731393B1

KR100731393B1 - 스위칭 레귤레이터

Info

Publication number: KR100731393B1
Application number: KR1020000024604A
Authority: KR
Inventors: 마시코다케시
Original assignee: 세이코 인스트루 가부시키가이샤
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2007-06-21
Also published as: TW498595B; CN1179473C; US6542344B1; CN1523742A; CN1273450A; CN1523743A; HK1032682A1; JP2000324807A; KR20010014888A

Abstract

스위칭 레귤레이터는 스위칭 레귤레이터의 입력에 연결된 입력 전원 공급부와, 입력 전원 공급부와 스위칭 레귤레이터의 출력부에 연결된 장치 사이에 배치되고, 입력 전원 공급부에서 장치로 에너지 공급을 중단하기 위한 적어도 하나의 입출력 절단 스위치와, 입출력 절단 스위치가 승압 동작을 시작하기 위해 턴온(turn on)시 입력 전원 공급부로부터 출력 콘덴서로 흐르는 러시 전류(rush current)를 제한하기 위한 장치를 포함한다.

Description

스위칭 레귤레이터{SWITCHING REGULATOR}

도1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 입출력 절단 스위치를 가진 초퍼형 승압(chooper type step-up) 스위칭 레귤레이터의 전 회로를 도시하는 회로도,

도2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 입출력 절단 스위치 부분의 특정회로 예1을 도시하는 회로도,

도3은 입출력 개방 스위치를 가진 종래의 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터의 전 회로를 도시하는 회로도,

도4는 종래의 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터의 전 회로를 도시하는 회로도,

도5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 입출력 절단 스위치 부분의 특정회로 예2를 도시하는 회로도,

도6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 입출력 절단 스위치를 가진 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터의 특정회로 예1을 도시하는 회로도,

도7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 입출력 절단 스위치를 가진 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터의 특정회로 예2를 도시하는 회로도,

도8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 입출력 절단 스위치를 가진 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터의 특정회로 예를 도시하는 회로도이다.

본 발명은 시작시 흐르는 러시 전류를 감소시킬 수 있는 스위칭 레귤레이터에 관한 것이다.

일반적으로, 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터는, 도4의 회로도에 도시된 바와같이, 주로 인덕터(403), 정류 장치(404), 평활 콘덴서(405), 스위칭 장치(407), 및 제어 회로(406)로 구성된다. 이렇게 구성된 스위칭 레귤레이터에서는, 스위칭 장치(407)가 승압 동작을 멈추기 위해 턴오프(turn off) 되더라도, 에너지는 불가피하게 인덕터(403)와 정류 장치(404)를 통해서 입력 전원 공급부(401)에서 장치(402)로 공급된다.

상기의 상황에서, 도3에 도시된 바와같이, 스위치(310)는 입력 전원 공급부(301)와 인덕터(303) 사이에 배치되고, 스위치(311)는 인덕터(303)와 스위칭 장치(307) 사이에 배치되고, 스위치(312)는 스위칭 장치(307)와 정류 장치(304) 사이에 배치되고, 스위치(313)는 정류 장치(304)와 평활 콘덴서(305) 사이에 배치되고, 스위치(314)는 평활 콘덴서(305)와 장치(302) 사이에 배치되고, 여기서 각각의 스위치는 승압 동작을 멈출 때 입력 전원 공급부(301)에서 장치(302)로 에너지의 공급을 방해하기 위해서 턴오프 되는 종래의 알려진 스위칭 레귤레이터가 있다.

그러나, 종래의 스위칭 레귤레이터에서는, 스위치(310), 스위치(311), 스위치(312), 스위치(313) 또는 스위치(314)가 승압 동작을 시작하기 위해서 턴온될때, 입력 전원 공급(301)으로부터 평활 콘덴서(305)와 장치에 부가된 콘덴서(309)로 많은 러시 전류가 불가피하게 흘러, 입력 공급 전압이 떨어지거나, 정류 장치, 평활 콘덴서 등이 러시 전류에 의해서 손상된다는 악 영향을 가져온다.

상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 종래의 스위칭 레귤레이터에서 상기 문제를 해결하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 러시 전류를 억제할 수 있는 스위칭 레귤레이터를 공급하는 것이고, 여기서 입력 전원 공급부에서 장치까지 에너지 공급을 중단하기 위한 스위치는 종래의 스위칭 레귤레이터에서와 같이 스위치가 턴온 하자마자 무한히 전류가 흐르는 것을 허용하기 위해서 비전도 상태에서 전도상태로 갑자기 변화되지 않고, 전류를 제한하는 스위치 또는 주어진 기간 동안에 전류가 흐르는 것을 제한하는 스위치가 적용된다.

상기 목적을 성취하기 위해서, 본 발명에 따라, 스위칭 레귤레이터에 있어서,

스위칭 레귤레이터의 입력부에 연결된 입력 전원 공급부와,

입력 전원 공급부와 스위칭 레귤레이터의 출력부에 연결된 장치 사이에 배치되고, 입력 전원 공급부에서 장치로 에너지의 공급을 중단하기 위한 적어도 하나의 입출력 절단 스위치와,

입출력 절단 스위치가 승압 동작을 시작하기 위해서 턴온 될때 입력 전원 공급부로부터 출력 콘덴서로 흐르는 러시 전류를 제한하기 위한 수단을 포함하는 스위칭 레귤레이터가 제공된다.

또한, 본 발명에 따라, 스위칭 레귤레이터에서, 입출력 절단 스위치의 러시 전류 제한 수단은 흐를수 있는 전류의 제한값을 설정하기 위해서 출력 절단 스위치에 부가된 전류 제한 기능을 가진다.

또, 본 발명에 따라, 스위칭 레귤레이터에서, 입출력 절단 스위치의 러시 전류 제한 수단은 출력 절단 스위치로서 트랜지스터를 가지고, 상기 트랜지스터는 주어진 기간 동안에 흐르는 전류를 제한하기 위해서 적분 증폭 회로의 방식과 동일한 방식으로 동작한다.

또한, 본 발명에 따라서, 스위칭 레귤레이터에서, 입출력 절단 스위치의 러시 전류 제한 수단은 온타임(on-time)과 오프타임(off-time)을 제어하기 위해서 출력 절단 스위치의 온오프 동작(on/off operation)을 반복하고, 그것에 의해서 흐를수 있는 전류를 제한한다.

이제, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예가 더욱 상세히 설명된다.

(제 1 실시예)

도1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터를 도시하는 회로도이다. 회로에서, 인덕터(103), 정류 장치(104), 평활 콘덴서(105), 스위칭 장치(107), 및 제어 회로(106)는 종래의 스위칭 레귤레이터에서와 동일하다. 전류를 제한하는 스위치는 입력 전원 공급부(101)와 장치(102) 사이에 배치된 스위치(110), 스위치(111), 스위치(112), 스위치(113), 및 스위치(114)중의 하나가 적용된다. 이 구조는, 입력 전원 공급부(101)와 장치(102) 사이에 배치된 스위치가 턴 오프되어 승압 동작이 정지하는 것으로부터, 상기 스위치가 턴 온되어 승압 동작이 시작할 때 까지, 입력 전원 공급부(101)에서 평활 콘덴서(105) 및 장치(102)에 부가된 콘덴서(109)로 흐르는 러시 전류를 제한할 수 있다. 도2는 전류를 제한하는 스위치의 특정예를 도시한다. 스위치는 전류 제한 저항기(204), 스위치(202), 및 스위치(203)로 구성된다. 승압 동작을 시작할 때, 스위치(202)가 최초로 턴온하고, 평활 콘덴서(105)및 장치에 부가된 콘덴서(109)는 전류 제한 저항기(204)를 통해 입력 전원 공급부(101)에 의해서 충전되고, 스위치(203)는 충전 동작이 완료된 후 턴온된다. 이 경우, 입력 공급 전압이 VIN이고 전류 제한 저항이 R이라 가정하면, 콘덴서(105)와 콘덴서(109)에서 흐르는 최대 충전 전류 Icharge는 다음 식으로 나타내어 진다.

Icharge = VIN/R … (1)

이렇게, 전류 제한은 아무런 문제없이 충전 전류를 발생하기 위해서 전류 제한 저항기 R을 그러한 전류 제한 저항으로 설정함으로서 실현된다.

비슷하게, 도 5에 도시된 스위치의 예에서, 전류 제한은 스위치(503)가 최초로 턴온하고 스위치(502)가 충전 동작후에 턴온하는 그러한 방식으로 실현될 수 있다.

전류 제한 저항기는 전류를 제한하는 다른 소자로 대체될 수 있고 스위치가 전자 스위치 장치인 트랜지스터로 형성된다면 명확히 같은효과가 얻어질 수 있다. 또한, 전류를 제한하는 스위치가 적용된다면 전류 제한 저항기를 사용하지 않고 명 확히 같은효과를 얻을수 있다.

(제 2 실시예)

도6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터를 도시한 회로도이다. 제 1 실시예로부터 제 2 실시예의 차이점은 스위치가 주어진 기간 동안에 전류 흐름을 제한할 수 있는 것이다. 제 1 실시예와 같이, 도6에 도시된 이 구조는, 입력 전원 공급부(601)와 장치(602) 사이에 배치된 스위치가 턴오프할 때의 승압 동작의 정지로부터, 스위치가 턴 온하여 승압 동작이 개시될 때 까지, 입력 전원 공급부(601)로부터 평활 콘덴서(605) 및 장치(602)에 부가된 콘덴서(609)로 흐르는 러시 전류를 제한할 수 있다.

도6은 주어진 기간 동안에 흐르는 전류를 제한할 수 있는 스위치(610)의 특정예를 도시한다. 스위치(610)는 트랜지스터(611), 콘덴서(612), 저항기(613), 및 스위치(614)로 구성된다. 스위치(614)가 턴온시 승압 동작의 시작에서, 적분 증폭 회로의 것과 같은 동작이, 스위치(614)가 천천히 턴온 할수 있도록 하기 위해서, 트랜지스터(611)에 콘덴서(612)와 저항기(613)를 부가함으로써 얻어진다.

도6에 도시된 저항기(615)와 스위치(616)는 승압 동작이 멈출때 트랜지스터(611)를 턴오프하기 위한 예로써 적용된다.

스위치(614)가 턴온시, 콘덴서(612)에 충전된 전하는 저항기(613)를 통해 GND로 방전되고, 트랜지스터(611)가 턴온하는 게이트 전압(gate valtage)이 임계값 VTH로 설정될 때, 트랜지스터(611)의 게이트 전압(617)은 트랜지스터(611)를 턴온하기 위해서 임계값까지 강하한다. 트랜지스터(611)가 턴온시, 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이트의 출력부인 트랜지스터(611)의 드레인 전압(drain voltage)(618)은 상승하고, 콘덴서(612)는 충전되어 트랜지스터(611)의 게이트 전압(617)이 상승하고, 트랜지스터(611)의 온 동작(on-operation)이 억제되어, 그 결과 초펴형 승압 스위칭 레귤레이터의 출력 전압(618)이 천천히 상승한다. 콘덴서(612)의 용량이 Cc이고 저항기(163)에 의해서 제한된 방전 전류값이 ic라고 가정하면, 출력 전압(618)이 0 V에서 입력 공급 전압(VIN)으로 상승하는 동안의 기간(tc)은 다음의 식으로 나타내어 진다.

tc = Cc × VIN/ic … (2)

이렇게, 전류 제한은 출력 전압 상승 주기(tc)를 설정함으로서 실현되어, 콘덴서(105)와 콘덴서(109)에서 러시 전류 흐름은 값 발생에 아무런 문제가 없게 된다.

트랜지스터(611)가 MOS 전계 효과 트랜지스터(MOS field effect transistor)를 형성하는 예가 기술된다. 그러나, 만일 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)가 사용되면 명백히 같은효과가 적용되고, 저항기(613)는 전류를 제한하는 다른 소자로 대체될 수 있다. 또한, 스위치(614)가 전자 스위칭 장치인 트렌지스터에 의해서 대체된다면 같은 효과가 얻어지고, 저항기(613)와 스위치(614)의 위치가 변하면 같은 효과가 얻어진다.

또, 트랜지스터(611)의 게이트(617)와 소오스(source)(618) 사이에 존재하는 기생 용량(parasitic capacitance)이 콘덴서(612)로서 적용되면 명백히 같은 효과가 얻어진다.

또한, 같은 효과가 도7에 도시된 구조의 예에서도 실현될 수 있다.

(제 3 실시예)

도8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초퍼형 승압 스위칭 레귤레이터를 도시하는 회로도이다. 전류를 제한하는 스위치는 제 1 실시예와 같이 사용되나, 제 1 실시예로부터 본 실시예의 차이점은 전류 제한 방법에 있다. 더 명확히, 방법은 입력 전원 공급부(801)와 장치(802) 사이에 배치된 인덕터(803)가 사용되고, 스위칭 장치(811)와 다이오드(813)는, 입력 전원 공급부(801)로부터 평활 콘덴서(805) 및 장치(802)로 부가된 콘덴서(809)로 러시 전류 흐름을 제한하는 온오프 기간을 제어하기 위해서 사용된다.

스위치(811)가 턴온된 후에 기간을 ton, 인덕터(803)의 인덕턴스를 L, 입력 전압 공급부(814)의 전압을 VIN, 출력부(815)의 전압을 Vout이라 가정하면, 스위치(811) 턴온후에 시간(t)에 따라 증가하는 입력 전원 공급부(801)로부터 콘덴서(805) 및 콘덴서(809)로 흐르는 전류 i는 다음 식으로 나타내어 진다.

i = (VIN-Vout)/L × ton …(3)

상기 식(3)으로부터 명백한 바와같이, 전류 i는 스위치(811)의 온타임에 의해서 조절될 수 있다.

또한, 스위치(811)가 턴오프 된후 기간을 toff, 다이오드(813)의 순방향 전압 강하(forward voltage drop)를 VF라 가정하면, 스위치(811)가 턴오프후에 시간(t)에따라 감소하는 다이오드(813)로부터 콘덴서(805)와 콘덴서(809)로 흐르는 전류 -i는 다음 식으로 나타내어 진다.

- i = (Vout - VF)/L × toff …(4)

상기 식(4)로부터 명백한 바와같이, 전류 -i는 스위치(811)의 오프 타임에 의해서 비슷하게 조절될수 있다.

따라서, 전류 제한은 전류 제어 회로(812)에 의해서 스위치(811)의 온오프 타임을 조절함으로써 실현될수 있어, 콘덴서(805)와 콘덴서(809)로 흐르는 러시 전류는 값 발생에 아무런 문제가 되지 않는다.

트랜지스터(811)가 MOS 전계 효과 트랜지스터를 형성하는 예가 기술되었다. 그러나, 만일 트랜지스터(811)가 다른 스위칭 장치로 대체되어도 같은 효과가 명백히 적용되고, 다이오드(813)가 다른 정류 장치로 대체되어도 동일한 효과가 얻어진다.

본 발명의 양호한 실시예의 전술한 설명은 예시와 설명을 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태에 본 발명을 한정하는 것이 아니라 상기 가설에 비추어 또는 본 발명의 실행으로부터 얻어질 수 있는 변형 및 변화가 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리와 실제적 적용을 설명하기 위해서 선택되고 기술되며 당해 기술분야의 숙련된 자는 고려된 특정 사용에 적합하게 각종 실시예와 변형에 본 발명을 사용할 수 있다. 본 발명의 범주를 첨부된 특허청구범위, 그리고 그 균등물에 의해서 한정하려고 의도된다

상술한 바와같이, 본 발명에 따른 스위칭 레귤레이터는 승압 동작이 멈추는 상태로부터 승압 동작이 시작할 때 평활 콘덴서 및 장치에 부가된 콘덴서로 흐르는 러시 전류가 억제되고, 그것에 의해서 입력 공급 전압이 강하하고 정류 장치, 평활 콘덴서 등이 손상되는 역 효과를 방지하는 이점이 있다.

Claims

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입력 전원 공급부로부터의 에너지를 인덕터, 정류 장치 및 스위칭 장치에 의해 승압하여 외부 장치에 공급하는 동시에, 상기 입력 전원 공급부와 상기 외부 장치 사이에 전류 제한 수단을 설치한 스위칭 레귤레이터에 있어서, 상기 전류 제한 수단을 상기 에너지의 공급을 제한하는 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 드레인과 상기 트랜지스터의 게이트 사이에 설치한 콘덴서(容量)와, 상기 게이트에 접속하는 전류 제한 수단에 의해 구성하고, 상기 입력 전원 공급부로부터 상기 외부 장치에 에너지의 공급을 개시할 때에, 상기 콘덴서에 축적하는 전하량을 상기 전류 제한 수단에 의해 제한하여 상기 게이트의 전위를 제어함으로써, 상기 에너지의 공급을 제한하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
제1항에 있어서, 상기 전류 제한 수단은 저항과, 상기 저항과 직렬 접속하는 스위치 수단으로 이루어지고, 상기 스위치 수단을 온함으로써 상기 입력 전원 공급부로부터 상기 외부 장치에 에너지의 공급을 개시하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.