KR100745856B1

KR100745856B1 - 전원 전압 발생기

Info

Publication number: KR100745856B1
Application number: KR1020017008175A
Authority: KR
Inventors: 벡커롤프에프피
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2007-08-02
Also published as: EP1149461A1; KR20010089714A; WO2001031769A1; US6448751B1; JP2003513600A

Abstract

본 발명은 전자 회로(60)에 제 2 공급 전압(V_DD2)을 제공하는 전원 전압 발생기(1)에 관한 것이다. 전압 변환기(50)는 제 1 공급 전압(V_DD1)을 수신하고 이것을 상기 제 2 공급 전압(V_DD2)으로 변환하며, 그 출력 전압(V_DD2)은 하한(V_LOW)과 상한V_HIGH) 사이의 제어 범위에서 변동한다. 전압 파라미터 소스 회로(3)는 전자 회로(60)의 최소 공급 전압 값(V_min)과 실질적으로 동일한 전압 파라미터 신호(V_LOW)를 발생하고, 상기 전압 파라미터 신호(V_LOW)를 변환기(50)의 파라미터 입력부(53)로 공급한다. 전압 파라미터 소스 회로(3)는 PLL 내에 통합된 VCO(10)를 포함한다. 전압 파라미터 신호(V_LOW)는 VCO(10)에 대한 제어 신호(V_contr)로부터 유도된다.

Description

전원 전압 발생기{DEVICE FOR PROVIDING A SUPPLY VOLTAGE}

본 발명은 전원 전압을 제공하는 것에 관한 것으로, 특히, 전자 회로용 전원, 특히 집적 회로의 일부를 위한 전원으로서 DC 전압을 제공하는 것에 관한 것이다.

일반적으로, 예를 들어 이동 전화에 사용되는 회로와 같은 배터리 구동형 회로(battery-operated circuitry)에서, 에너지 소비는 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 이런 이유로, 전자 회로, 특히, 집적 회로의 요소들을 가능한 한 저전압에서 동작하도록 설계하는 경향이 있다. 예를 들면, 집적 회로의 많은 요소들은 1.3 V의 공급 전압으로 동작할 수 있다. 그러나, 집적 회로의 일부 요소들은 올바르게 동작하기 위해, 예를 들어 3 V의 보다 높은 동작 전압을 필요로 할 수도 있다. 이러한 회로에 있어서, 보다 낮은 공급 전압(V_DD1)을 위한 배터리와 같은 전력원을 제공하여, DC/DC 변환기와 같은 변환기에 의해 보다 낮은 공급 전압(V_DD1)으로부터 보다 높은 공급 전압(V_DD2)을 유도하는 것이 통상적이다. 그러나, 보다 높은 전압을 위한 배터리와 같은 전력원을 제공하여, DC/DC 변환기 또는 선형 조정기(linear regulator)와 같은 전압 변환기에 의해 보다 높은 공급 전압으로부터 보다 낮은 공급 전압을 유도하는 것도 알려져 있다. 이하에서, 본 발명은 DC/DC 변환기에 의해 보다 낮은 공급 전압(V_DD1)으로부터 보다 높은 공급 전압(V_DD2)이 유도되는 예시에 대해서 설명하겠지만, 본 발명이 그러한 실시예에 제한되지 않음을 유의하라.

전자 회로에 대한 공급 전압은 전자 회로가 올바르게 동작하기 위해 소정의 최소값(V_min)을 가질 필요가 있다. 그러한 최소값(V_min)은 회로의 설계 특성으로서 간주될 수 있다. 만약 그러한 회로에 대한 공급 전압이 최소 공급 전압(V_min)보다 높다면, 그 회로는 단지 최적의 에너지 소비보다 작은 에너지로 올바르게 동작할 것이다. 따라서, 전압 변환기의 출력 전압(V_DD2)이 일정하며 그 크기가 V_min와 같으면 바람직할 것이다. 그러나, 실제에 있어서는, 전압 변환기의 출력 전압이 일정하지 않고 하한(V_LOW)과 상한(V_HIGH) 사이의 제어 범위에서 변동(fluctuation)하도록 제어된다. 본원 명세서에서, 하한(V_LOW)은 최소 공급 전압(V_min)과 거의 같도록 선택되며, 차(V_HIGH-V_LOW)는 제어 마진으로서 간주된다. 따라서, 원칙적으로 변환기는 두 개의 동작 파라미터, 즉, V_HIGH 및 V_LOW를 요구한다. 사실상, V_HIGH는 고정치 △V=V_HIGH-V_LOW를 더함으로서 V_LOW로부터 유도될 수 있으며, 그러면, 변환기는 단지 하나의 입력 파라미터 V_LOW만을 필요로 한다.

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통상적으로, 변환기의 제어 범위의 경계는 고정된다. 따라서, 가능한 제조 공차(tolerance)를 고려하기 위해, V_LOW는 V_min에 비해 비교적 높게 선택되어야 한다. 이것이 암시하는 것은 대부분의 애플리케이션의 경우 비교적 높은 에너지가 소비된다는 것이다.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 중요한 특징에 따르면, 전압 변환기는 DC/DC 변환기의 제어 범위의 하한(V_LOW)에 대한 적절한 값을 나타내는 입력 신호를 수신하기 위한 파라미터 입력을 포함하며, 전압 변환기는 입력 전압(V_DD1)으로부터 유도된 출력 전압(V_DD2)이 파라미터 입력에서 수신된 파라미터 신호로부터 유도된 하한(V_LOW)과 같도록 제어한다는 점에서 전압 변환기는 제어가능하다. 바람직하게는, 그 파라미터 신호의 전압 레벨은 V_LOW와 동일하다.

설계 특성인 V_min과는 달리, V_LOW는 에너지 소비와 안전 마진(safety margin) 사이의 수용가능한 균형을 달성하기 위해 적절히 설정되어야 하는 동작 파라미터이다. 만약, V_LOW의 값이 너무 높게 선택되면, 집적 회로의 평균 에너지 소비가 지나치게 높게 될 것이다. 반면에, V_LOW의 값이 V_min보다 낮게 되면, 집적 회로에 대한 공급 전압은 V_min보다 낮게 되며, 이 경우 집적 회로는 올바르지 않게 동작하거나 전혀 동작하지 않을 것이다.

이와 관련된 문제는, V_min의 정확한 실제 값이 특히 프로세스 "내역(history)", 즉, 전압 변환기의 제조 동안 정확한 프로세스 상태에 의존하여, 각 전압 변환기마다 상이할 수도 있다는 것이다. 또한, V_min은 일정하지 않고, 특히 집적 회로의 온도에 의존한다. 따라서, 전압 변환기에 제어 파라미터(V_LOW)를 제공하는 파라미터 소스를 갖는 것이 바람직하며, 상기 파라미터 소스는 전술한 의존성을 고려한다.

본 발명의 다른 목적은 그러한 파라미터 소스를 제공하는 것이다.

본 발명의 중요한 특징에 따르면, 제어 파라미터(V_LOW)를 제공하는 파라미터 소스는 그 출력 신호의 특성이 전자 회로의 V_min의 특성과 실질적으로 일치한다는 점이다. 바람직한 실시예에서, 파라미터 소스는 일정한 주파수를 발생시키도록 제어되는 전압 제어형 발진기(VCO)를 포함하는데, 이 VCO는 전자 회로와 동일한 칩 내에서 구현되며, 제어 파라미터(V_LOW)는 제어 전압으로부터 유도되어 VCO로 제공된다. 보다 바람직한 실시예에서, 상기 전압 제어형 발진기는 VCO를 제어하기 위해 위상 동기 루프(PLL) 내에 결합된다.

US-A-5.359.300호는 무선 페이저에 사용하기 위한 PLL을 개시하고 있는데, 여기서 PLL의 기능은 페이저를 위한 주파수를 발생하는 것이다. PLL의 부품들은 배터리에 의해 공급된 제 1 공급 전압(V_DD1) 상에서 동작한다. PLL의 하나의 부품(특히 PLL의 전하 펌프)은 제 2 공급 전압(V_DD2)을 공급받는다. 본원 명세서에서, DC/DC 변환기는 PLL의 일부로서 PLL의 올바른 기능을 얻도록 하는 작용만 한다. DC/DC 변환기는 부스터 코일(booster coil)을 스위칭하는 스위칭 트랜지스터를 포함하며, 이 스위칭 트랜지스터는 PLL의 주파수 신호로부터 유도되는 주파수 신호에 의해 제어된다. 그러나, 상기 공보는 본 발명의 개념은 개시하지 않거나 시사하고 있지 않다. 특히, 상기 공보는 본 발명의 기본적인 문제, 즉, 전자 회로가 소정의 최소 공급 전압(V_min)을 가질 필요가 있다는 점에 대해서는 언급하고 있지 않으며, 변환기의 제어 범위의 하한(V_LOW)을 나타내는 파라미터 신호에 의해 제어되는 전압 변환기를 개시함으로서 상기 문제에 대한 해법을 제공하지도 않고 있다.

본 발명의 전술한 특징들 및 다른 특징들과 이점들은 도면을 참조한 본 발명에 따른 제어 회로의 바람직한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. 상기 도면에서 동일 참조 부호는 같거나 유사한 부분을 나타낸다.

도 1은 파라미터 소스를 구비한 전압 변환기를 갖는 전원 전압 발생기를 개략적으로 도시한 기능적인 블록도.

도 2는 전압 변환기의 변환 동작을 개략적으로 도시한 도면.

도 1은 본 발명에 따른 전원 전압 발생기(1)의 기능적인 블록도를 개략적으로 도시한 것으로서, 공급 전압(V_DD2)을 칩 회로(60)에 공급하도록 설계된다. 상기 칩 회로(60)는, 예를 들어, 이동 전화 애플리케이션, 또는 최소 전원 소모(minimum power supply drain)가 가장 중요한 다른 유형의 전자 장비 내의 회로일 수도 있다. 특히, 전자 칩 회로(60)에 대한 공급 전압(V_DD2)은 올바르게 동작하기 위해 전자 칩 회로(60)에 대해 소정의 최소값(V_min)을 가질 필요가 있다. 반면에, 낮은 에너지 소비를 위해, 공급 전압(V_DD2)은 가능한 한 낮아야 한다. 따라서, 전원 전압 발생기(1)는 이러한 요건들이 만족되도록 하는 방식으로 공급 전압(V_DD2)을 발생시키도록 설계되며, 이에 대해서는 보다 상세히 설명될 것이다.

전원 전압 발생기(1)는 전압 변환기(50)를 포함하는데, 도시된 실시예에서 전압 변환기는 DC/DC 변환기이며, 제 1 공급 전압(V_DD1)을 수신하는 제 1 전압 입력(51)과, 제 2 공급 전압(V_DD2)을 전달하는 제 2 전압 출력(52)을 갖는다. 원칙적으로, 전압 변환기는 도 2에 도시된 바와 같이 하한(V_LOW)과 상한(V_HIGH) 사이의 제어 범위에서 변동하도록 제어되는 임의 유형의 공지된 전압 변환기일 수 있다. 따라서, 전압 변환기의 구성 및 동작은 본원 명세서에서 더 이상 상세히 설명하지 않겠다. 그러나, 하한(V_LOW)이 고정된 값인 종래의 전압 변환기와는 달리, 본 발명에 따른 전압 변환기(50)는 변환기의 제어 범위의 하한(V_LOW)에 대한 적절한 값을 나타내는 입력 파라미터 제어 신호를 수신하는 파라미터 입력(53)을 포함하며, 상기 전압 변환기(50)는 또한 입력 전압(V_DD1)으로부터 유도된 그 출력 전압(V_DD2)이, 적어도 상기 파라미터 입력에서 수신된 파라미터 신호로부터 유도된 하한(V_LOW)과 동일하게 되도록 제어한다.

상기 전원 전압 발생기(1)는 제어 파라미터 신호(V_LOW)를 발생하는 전압 파라미터 소스 회로(3)를 더 포함하고, 상기 전압 파라미터 소스 회로(3)는 전압 변환기(50)의 파라미터 입력(53)에 접속된 출력(2)을 갖는다.

도 1의 바람직한 실시예에서, 파라미터 신호의 전압 레벨은 V_LOW와 동일하다.

전압 파라미터 소스 회로(3)는 VCO 신호(f_VCO)를 제공하는 전압 제어형 발진기(10)를 포함하며, VCO 신호(f_VCO)는 VCO 신호(f_VCO)가 실질적으로 안정한 신호가 되는 방식으로 제어 전압 신호(V_contr)에 의해 제어된다. 제어 파라미터 신호(V_LOW)는 제어 전압 신호(V_contr)로부터 유도된다. 바람직하게, 도 1에 도시된 바와 같이, 전압 파라미터 소스 회로(3)는 버퍼 증폭기(40)를 포함하는데, 버퍼 증폭기는 그 입력(41)에서 제어 전압 신호(V_contr)를 수신하고, 그 출력에서 버퍼링되고 증폭된 제어 전압 신호(V_contr)를 제공한다. 도 1의 일례에서, 버퍼 증폭기(40)는 버퍼 증폭기(40)의 입력에 연결된 비반전 입력과, 버퍼 증폭기(40)의 출력(42)에 연결된 출력을 갖는 opamp(43)를 포함한다. opamp(43)의 출력은 신호 분할 레지스터 쌍(47, 48)을 통해 opamp(43)의 반전 입력으로 궤환된다.

도 1에 도시된 바람직한 실시예에서, VCO(10)의 제어는 위상 동기 루프 구성 에 VCO(10)를 합체시킴으로서 달성되며, 이에 대해서는 후술한다.

VCO 출력 신호는 분할기(11)에 공급되며, 상기 분할기는 분할된 신호(f_VOCO/N)를 위상 및 주파수 검출기(30)의 제 1 입력에 공급한다. 수정(21)을 포함하는 발진기(20)는 출력 신호(f_ref)를 발생하며, 상기 출력 신호는 필요한 경우 제 2 분할기를 통해, 위상 검출기(30)의 제 2 입력에 연결되지만, 상기 제 2 분할기는 회로의 단순화를 위해 도시하지 않았다. 위상 검출기(30)는 두 개의 입력 신호(f_VCO/N 및 f_ref)를 비교하여 에러 신호를 출력하며, 상기 에러 신호는 제어 신호로서 전하 펌프(31)에 인가된다.

전하 펌프(31)는 전압 신호를 출력하며, 상기 전압 신호는 위상 검출기(30)의 출력 신호에 의존하며, 바람직하게는 루프 필터(32)를 통하여 VCO(10)의 제어 입력으로 궤환되어 제어 신호(V_contr)로서 VCO(10)의 출력 신호(f_VCO)의 주파수를 제어한다. 제어 신호(V_contr)의 크기는 VCO(10)의 출력 신호(f_VCO)가 발진기(20)의 출력 신호(f_ref)를 추종하도록 된다. 원칙적으로, 발진기(20)의 출력 신호(f_ref)는 안정된 신호이므로, 제어 신호(V_contr)의 크기는 상수 값을 가질 것이다. 제어 신호(V_contr)는 위상 동기 루프 회로의 출력 신호(V_OUT)로서 간주된다.

DC/DC 변환기(50)는, 예를 들어, 배터리(도시되지 않음)와 같은 전원으로부터 제 1 공급 전압(V_DD1)을 수신하고, 상기 회로(1)로부터 수신된 입력 제어 파라미터 신호(V_LOW)에 따라서 상기 제 1 입력 공급 전압(V_DD1)을 제 2 공급 전압(V_DD2)으로 변환한다. 전술한 바와 같이, 제 2 공급 전압(V_DD2)은 V_LOW와 (V_LOW+△V) 사이의 제어 범위 내에서 제어되며, V_LOW는 회로(60)에 의해 요구된 최소 공급 전압(V_min)과 거의(또는 정확히) 동일하도록 설정된다. VCO 제어 신호(V_contr)로부터 유도되는 동작 파라미터(V_LOW)는 버퍼 증폭기(40)의 이득 인자의 적절한 설정에 의해 회로(60)의 특유한 최소 공급 전압(V_min)에 매칭되며, 이는 당업자에게 명백할 것이다. V_contr과 V_LOW 사이의 적절한 관계는 opamp 회로가 아닌 다른 수단에 의해 달성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 버퍼 증폭기(40)는, 제조 후 조정을 위해 소프트웨어에 의해 설정될 수 있는 소프트웨어 제어가능 증폭기로 대체될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 회로(60)에 의해 요구된 최소 공급 전압(V_min)은 일정하지 않다. 예를 들면, 상기 최소 공급 전압은 회로(60)의 칩의 수정의 온도 및 상기 회로(60)의 칩의 제조에 이용된 제조 공정에 의존한다. 이러한 의존성을 참작하여, 전압 파라미터 소스 회로(3)의 VCO(10)는 회로(60)와 동일 칩 상에서 구현된다. 특정 실시예에서, 전체 전원 전압 발생기(1)는 회로와 동일 칩 상에서 구현된다. 분할된 VCO 신호(f_VCO/N)를 발진기 기준 주파수(f_ref)에 맞게 유지하기 위해 필요한 VCO 제어 신호(V_contr)의 레벨은 회로(60)가 필요로 한 최소 공급 전압(V_min)과 동일한 파라미터들에 의존하며, 이들 의존성은 동일하거나 적어도 유사하다. 예를 들면, 만약 수정의 온도가 증가하면, 올바른 동작을 위해 회로(60)에 의해 요구된 최소 공급 전압(V_min)이 증가하며, VCO 제어 신호(V_contr) 역시 증가한다. 또한, 보다 저속의 트랜지스터를 생산하는 제조 공정에 있어서, 올바른 동작을 위해 회로(60)에 의해 요구된 최소 공급 전압(V_min)은 더 높아지며, VCO 제어 신호(V_contr) 역시 더 높아진다.

따라서, 조건을 변경하는 경우에도, 회로(60)에 대한 제 2 공급 전압(V_DD2)은 에너지 소비와 안전 마진(safety margin) 사이의 허용가능한 균형이 유지되도록 적응적으로 발생한다.

본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부한 청구범위에 정의된 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않고 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims

제 1 공급 전압(V_DD1)을 수신하기 위한 제 1 전압 입력부(51) 및 제 2 공급 전압(V_DD2)을 제공하는 제 2 전압 출력부(52)를 갖는 제어가능한 전압 변환기(50)를 포함하는 전원 전압 발생기(1)로서,

상기 전압 변환기(50)는 하한(V_LOW)과 상한(V_HIGH) 사이의 제어 범위 내에서 그의 출력 전압(V_DD2)의 레벨을 제어하도록 구성되며,

상기 전압 변환기(50)는 상기 하한(V_LOW)에 대해 적절한 값을 나타내는 입력 파라미터 제어 신호를 수신하기 위한 파라미터 입력부(53)를 더 포함하는 전원 전압 발생기(1).
전자 회로(60)에 제 2 공급 전압(V_DD2)을 제공하는 전원 전압 발생기(1)로서,

제어가능한 전압 변환기(50)와,

상기 전자 회로(60)의 최소 전압 값(V_min)과 실질적으로 같은 전압 파라미터 신호(V_LOW)를 발생하는 전압 파라미터 소스 회로(3)를 포함하고,

상기 전압 파라미터 소스 회로(3)는 상기 전압 변환기(50)에 대한 파라미터 입력(53)으로서 제공되는 출력을 갖는 전원 전압 발생기(1).
제 2 항에 있어서,

상기 전압 파라미터 소스 회로(3)는 그 출력 신호의 특성이 상기 전자 회로(60)의 V_min의 특성과 실질적으로 매칭되도록 설계되는 전원 전압 발생기(1).
제 2 항에 있어서,

상기 전압 파라미터 소스 회로(3)는 일정한 주파수를 발생하도록 제어되는 전압 제어형 발진기(VCO)(10)를 포함하고, 상기 VCO(10)는 상기 전자 회로(60)와 동일한 칩 내에 구현되며, 상기 제어 파라미터(V_LOW)는 상기 VCO(10)에 대한 상기 제어 전압으로부터 유도되는 전원 전압 발생기(1).
제 4 항에 있어서,

상기 전압 제어형 발진기(10)는 상기 VCO(10)를 제어하는 위상 동기 루프(PLL) 내에 통합되는 전원 전압 발생기(1).
제 5 항에 있어서,

상기 전압 제어형 발진기(10)는 VCO 신호(f_VCO)를 제공하고,

상기 전압 제어형 발진기(10)는 상기 VCO 신호(f_VCO)가 실질적으로 안정된 신호가 되도록 제어 전압 신호(V_contr)에 의해 제어되며,

상기 제어 신호(V_LOW)는 상기 제어 전압 신호(V_contr)로부터 유도되는 전원 전압 발생기(1).
제 6 항에 있어서,

상기 전압 파라미터 소스 회로(3)는, 입력부(41)에서 상기 제어 전압 신호(V_contr)를 수신하고 출력부(42)에서 증폭된 전압 신호를 상기 제어 파라미터 신호(V_LOW)로서 제공하는 증폭기(40)를 포함하며, 상기 제어 파라미터 신호(V_LOW)는 상기 제어 전압 신호(V_contr)와 실질적으로 이득 인자만큼만 차이가 나는 전원 전압 발생기(1).
제 7 항에 있어서,

상기 증폭기(40)의 이득 인자는 소프트웨어에 의해 사전 설정될 수 있는 전원 전압 발생기(1).
제 5 항에 있어서,

상기 VCO(10)의 출력은 분할기(11)를 통해 위상 및 주파수 검출기(30)의 제 1 입력부에 결합되고,

상기 전압 파라미터 소스 회로(3)는 수정(21)을 포함하는 발진기(20)를 더 포함하며, 상기 발진기의 출력부는 상기 위상 및 주파수 검출기(30)의 제 2 입력부에 결합되며,

상기 위상 및 주파수 검출기(30)의 출력 신호는 제어 신호로서 전하 펌프(31)에 인가되며,

상기 전하 펌프(31)의 출력 신호는, 루프 필터(32)를 통해 상기 VCO(10)의 상기 출력 신호(f_VCO)의 주파수를 제어하기 위한 VCO(10)의 제어 입력부로, 제어 신호(V_contr)로서 궤환되는 전원 전압 발생기(1)