KR100747212B1 - Switch Capacitor Type Converter and method for controlling thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위치 커패시터형 컨버터와 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a converter, and more particularly to a switch capacitor type converter and a control method thereof.
본 발명에 의한 스위치 커패시터형 컨버터는 출력커패시터, 스위치와 커패시터를 포함하는 제1 스위치 커패시터부, 스위치와 커패시터를 포함하는 제2 스위치 커패시터부, 스위치와 커패시터를 포함하는 제3 스위치 커패시터부 및 상기 제1, 제2 및 제3 스위치 커패시터부의 동작과 커패시터 각각의 충전 또는 방전의 기간을 조정하여 상기 출력커패시터의 전압을 일정하게 유지시키는 제어수단을 포함한다.The switch capacitor type converter according to the present invention includes an output capacitor, a first switch capacitor unit including a switch and a capacitor, a second switch capacitor unit including a switch and a capacitor, a third switch capacitor unit including a switch and a capacitor, and the second switch capacitor unit. And control means for maintaining the voltage of the output capacitor constant by adjusting the operation of the first, second and third switch capacitor units and the period of charge or discharge of each capacitor.
컨버터(Converter), 스위치 커패시터(Switch capacitor), 플라잉 커패시터(Flying capacitor) Converters, Switch Capacitors, Flying Capacitors
Description
도 1 은 종래의 스위치 커패시터형 컨버터를 간략히 도시한 것이다.1 shows a simplified illustration of a conventional switch capacitor type converter.
도 2 는 도 1 에 도시된 종래의 스위치 커패시터형 컨버터의 스위치(2,3,4,5)를 제어하기 위한 온/오프(ON/OFF) 신호 파형을 도시한 것이다.FIG. 2 shows an ON / OFF signal waveform for controlling
도 3은 종래의 다른 스위치 커패시터형 컨버터를 간략히 도시한 것이다.3 is a simplified view of another conventional switch capacitor type converter.
도 4는 도 3에 도시된 종래의 다른 스위치 커패시터형 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 온/오프(ON/OFF) 신호 파형을 도시한 것이다.4 illustrates an ON / OFF signal waveform for controlling a switch of another conventional switch capacitor type converter shown in FIG. 3.
도 5는 본 발명에 일 실시예에 의한 스위치 커패시터형 컨버터를 도시한 것이다.Figure 5 shows a switch capacitor type converter according to an embodiment of the present invention.
도 6은 3개의 플라잉 커패시터가 각각 T/3 기간 동안 2 개의 플라잉 캐패시터가 방전하면서, 1개의 플라잉 캐패시터가 충전되는 스위치 신호를 도시한 것이다. Figure 6 shows a switch signal in which one flying capacitor is charged, with three flying capacitors each discharging two flying capacitors during the T / 3 period.
도 7은 본 발명의 다른 실시예로써 N 개 (N 은 3보다 큰 자연수)의 스위치 커패시터부가 연결된 스위치 커패시터형 컨버터를 도시한 것이다.FIG. 7 illustrates a switch capacitor type converter in which N switch capacitor parts (N is a natural number greater than 3) are connected as another embodiment of the present invention.
도 8은 도 7에 도시된 스위치 커패시터형 컨버터에 대한 스위치의 온/오프 신호를 도시한 것이다.FIG. 8 shows the on / off signal of the switch for the switch capacitor type converter shown in FIG.
도 9는 도 8에 도시된 파형을 변형시킨 파형이다.FIG. 9 is a waveform modified from the waveform shown in FIG. 8.
본 발명은 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위치 커패시터형 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a converter, and more particularly to a switch capacitor type converter.
최근 소형화 추세에 따른 저전력 전원 회로에 부합하는 컨버터의 개발이 이루어지고 있다. 이러한 컨버터는 향후 다기능화가 예상되는 DMB , 휴대폰, MP3, 디지털튜너, LCD모듈, DVC 등에 이미 활용되고 있으며, 소비자의 욕구에 부합하기 위한 패널 사이즈의 확장으로 인하여, 이에 따른 부하 전류 소모에 따른 안정적인 전압을 가지며, 큰 전류를 공급할 수 있는 내부 전원 회로인 컨버터가 더욱 필요하게 되었다.Recently, the development of a converter suitable for a low power power circuit according to the miniaturization trend has been made. These converters are already used in DMB, mobile phones, MP3, digital tuner, LCD module and DVC which are expected to be multifunctional in the future, and due to the expansion of panel size to meet consumer's needs, stable voltage due to load current consumption There is a further need for a converter, an internal power supply circuit capable of supplying a large current.
이러한 컨버터로는 스위치 캐패시터형(charge pump 구조) 컨버터가 제안되었으며, 현재까지도 사용되고 있다. As such a converter, a switch capacitor type (charge pump structure) converter has been proposed and is still used.
도 1 은 종래의 스위치 커패시터형 컨버터를 간략히 도시한 것이다.1 shows a simplified illustration of a conventional switch capacitor type converter.
도 1 에 도시된 바와 같이, 스위치 커패시터부는 4개의 스위치(2,3,4,5)와 플라잉(Flying) 커패시터(C1)를 포함한다. 입력단으로 입력 전원(VDD)이 인가되고, 출력단에는 출력커패시터(Cout)가 연결된다.As shown in FIG. 1, the switch capacitor section includes four
제2 스위치(2)의 일단은 입력 전원(VDD)과 연결되고, 그 타단은 플라잉 커패시터(C1)의 일단에 연결된다. 제3 스위치(3)의 일단은 접지 전원과 연결되고, 그 타단은 플라잉 커패시터(C1)의 타단과 연결된다. 제4 스위치(4)의 일단은 플라잉 커패시터(C1)의 일단과 연결되고, 그 타단은 출력커패시터(Cout)에 연결된다. 제5 스위치(5)의 일단은 플라잉 커패시터(C1)의 타단과 연결되고, 그 타단은 입력 전원(VDD)과 연결된다.One end of the second switch 2 is connected to the input power supply VDD, and the other end thereof is connected to one end of the flying capacitor C1. One end of the third switch 3 is connected to the ground power supply, and the other end thereof is connected to the other end of the flying capacitor C1. One end of the fourth switch 4 is connected to one end of the flying capacitor C1, and the other end thereof is connected to the output capacitor Cout. One end of the
도 2 는 도 1 에 도시된 종래의 스위치 커패시터형 컨버터의 스위치(2,3,4,5)를 제어하기 위한 온/오프(ON/OFF) 신호 파형을 도시한 것이다.FIG. 2 shows an ON / OFF signal waveform for controlling
이하에서는 도 1 과 도 2를 이용하여 종래의 스위치 커패시터형 컨버터의 동작을 설명한다.Hereinafter, an operation of a conventional switch capacitor type converter will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
도 2 에서 (a)는 제2 및 제3 스위치(2,3)의 온/오프 신호 파형이고, (b)는 제4 및 제5 스위치(4,5)의 온/오프 신호 파형이다.In FIG. 2, (a) shows the on / off signal waveforms of the second and third switches 2 and 3, and (b) shows the on / off signal waveforms of the fourth and
도 2 에서 도시된 바와 같이, 제2 및 제3 스위치(2,3)가 온이 되면, 제4 및 제5 스위치(4,5)가 오프가 된다. 이와 같은 스위치 동작에 의해 입력 전원(VDD)이 플라잉 캐패시터(C1)를 충전한다. As shown in FIG. 2, when the second and third switches 2 and 3 are turned on, the fourth and
플라잉 캐패시터(C1)는 일정 시간 동안 충전이 되어 입력 전원(VDD)의 전압까지 충전을 한 후, 제4 및 제5 스위치(4,5)가 온이 되고, 제2 및 제3 스위치(2,3)가 오프가 된다. 이때, 플라잉 캐패시터(C1)는 입력 전원(VDD)과의 병렬연결이 분리되며, 입력 전원(VDD)과 플라잉 캐패시터(C1)의 직렬 연결에 의해 전체 전압이 2VDD로 승압 되며, 이 전압이 출력단의 출력커패시터(Cout)로 방전된다. After the flying capacitor C1 is charged for a predetermined time to charge up to the voltage of the input power supply VDD, the fourth and
일반적으로 n개의 외부 캐패시터를 가지면 스위치 커패시터형 컨버터의 출력 전압은 (n+1)VDD 가 된다. In general, with n external capacitors, the output voltage of the switch capacitor type converter is (n + 1) VDD.
그러나, 도 1에 도시된 종래의 스위치 커패시터형 컨버터는 부하 전류(Iout)에 따른 출력 전압 강하가 크다는 문제점이 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 및 제3 스위치(2,3)가 온이 되는 순간, 제4 및 제5 스위치(4,5)가 오프가 되므로, 부하 전류(Iout)가 빠지는 만큼 출력 캐패시터(Cout)에서 누설되게 되며, 결국 출력 캐패시터(Cout)의 전압 강하로 이어진다.However, the conventional switch capacitor type converter shown in FIG. 1 has a problem in that the output voltage drop due to the load current Iout is large. As shown in FIG. 2, since the fourth and
이러한 단점을 보완하기 위한 것으로는 스위치 커패시터부를 병렬로 2개 연결하는 구조가 있다.In order to compensate for this disadvantage, there is a structure in which two switch capacitor units are connected in parallel.
도 3은 종래의 다른 스위치 커패시터형 컨버터를 간략히 도시한 것이다.3 is a simplified view of another conventional switch capacitor type converter.
도 3에 스위치 커패시터형 컨버터는 듀얼(Dual) 스위칭 방식의 컨버터이다.The switch capacitor type converter in FIG. 3 is a dual switching type converter.
도 3에 도시된 스위치 커패시터형 컨버터는 도 1에 도시된 스위치 커패시터부를 2개 병렬로 연결한 구조로.도 1에서의 스위치 커패시터부의 구조설명으로 대치하도록 한다.The switch capacitor type converter shown in FIG. 3 has a structure in which two switch capacitor parts shown in FIG. 1 are connected in parallel. The structure of the switch capacitor part shown in FIG.
도 4는 도 3에 도시된 종래의 다른 스위치 커패시터형 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 온/오프(ON/OFF) 신호 파형을 도시한 것이다.4 illustrates an ON / OFF signal waveform for controlling a switch of another conventional switch capacitor type converter shown in FIG. 3.
이하에서는 도 3과 도 4를 이용하여 종래의 스위치 커패시터형 컨버터의 동작을 설명한다.Hereinafter, the operation of the conventional switch capacitor type converter will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
도 3에서 (a)는 제6, 제7, 제12 및 제13 스위치(6,7,12,13)의 온/오프 신호 파형이고, (b)는 제8, 제9, 제10 및 제11 스위치(8,9,10,11)의 온/오프 신호 파형이다.In FIG. 3, (a) shows the on / off signal waveforms of the sixth, seventh, twelfth, and thirteenth switches 6, 7, 12, and 13, and (b) shows the eighth, ninth, tenth, and eighth signals. 11 The on / off signal waveforms of the switches 8, 9, 10, and 11 are shown.
제6 및 제7 스위치(6,7)가 온이 되고, 제8 및 제9 스위치(8,9)가 오프가 되면, 입력 전원(VDD)이 제1 플라잉 캐패시터(C1)에 충전된다. When the sixth and seventh switches 6 and 7 are turned on and the eighth and ninth switches 8 and 9 are turned off, the input power supply VDD is charged to the first flying capacitor C1.
동시에 제10 및 제11 스위치(10,11)가 오프 되고, 제12 및 제13 스위치( 12,13)가 온이 되면 입력 전원(VDD)과 제2 플라잉 캐패시터(C2)에 충전되어 있던 전압(VDD)이 직렬로 연결되어 전체 전압은 2VDD로 승압되어 출력단의 출력캐패시터(Cout)로 방전된다. At the same time, when the tenth and eleventh switches 10 and 11 are turned off and the twelfth and thirteenth switches 12 and 13 are turned on, the voltages charged in the input power supply VDD and the second flying capacitor C2 ( VDD) is connected in series so that the total voltage is boosted to 2VDD and discharged to the output capacitor Cout of the output terminal.
다음 기간 동안에는, 전술한 스위칭 동작과 반대로 스위치가 동작하게 되고, 이러한 스위치 동작에 의해 출력단 출력캐패시터(Cout)에 전압을 충전시켜주게 된다. During the next period, the switch operates as opposed to the above-described switching operation, thereby charging the output stage output capacitor Cout by this switch operation.
두 개의 제1 및 제2 플라잉 캐패시터(C1,C2)를 이용하여 제1 플라잉 캐패시터(C1)가 충전되는 동안, 제2 플라잉 캐패시터(C2)가 방전을 하며, 다음 동작에서 제1 플라잉 캐패시터(C1)가 방전하는 동안, 제2 플라잉 캐패시터(C2)가 충전된다. 결국, 이러한 동작으로 인하여 부하 전류(Iout)가 빠지는 만큼에 대한 출력단의 출력캐패시터(Cout)의 전압 강하를 방지하는 효과를 가져오게 된다.While the first flying capacitor C1 is charged using two first and second flying capacitors C1 and C2, the second flying capacitor C2 discharges, and in the next operation, the first flying capacitor C1 is discharged. Is discharged, the second flying capacitor C2 is charged. As a result, the operation prevents the voltage drop of the output capacitor Cout of the output terminal as much as the load current Iout falls.
도 1 및 도 3 에서 보여지는 스위치 캐패시터형 컨버터는 부하 전류(Iout)의 변화에 취약한 구조적 문제점을 안고 있다. 도 3 에서 제안된 듀얼 스위칭 방식의 컨버터에서는 모든 주기 동안 출력단의 출력 캐패시터(Cout)로 방전 동작을 하므로 어느 정도 개선 점은 가지고 있으나, 저전력 고효율 회로에 적합한 구조와 갈수록 커지는 패널 사이즈에 따른 부하 전류 증가를 감당하면서 원하는 전압으로 승압할 수 없는 문제점이 있다.The switch capacitor type converter shown in FIGS. 1 and 3 has a structural problem that is vulnerable to a change in the load current Iout. In the dual-switched converter proposed in FIG. 3, the discharge operation is performed to the output capacitor Cout at the output stage during all cycles, but there are some improvements. However, the load current increases according to the structure suitable for the low power and high efficiency circuit and the panel size that increases. There is a problem that can not step up to the desired voltage.
본 발명은 저전력, 고효율 회로에 적합한 구조와 갈수록 커지는 패널 사이즈에 따른 부하 전류의 증가를 감당하면서 원하는 전압으로 승압할 수 있는 스위치 커패시터형 컨버터 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a switch capacitor type converter capable of boosting a desired voltage while maintaining a structure suitable for a low power and high efficiency circuit and increasing a load current according to an increasing panel size, and a control method thereof.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 의한 스위치 커패시터형 컨버터는 출력커패시터; 스위치와 커패시터를 포함하는 제1 스위치 커패시터부; 스위치와 커패시터를 포함하는 제2 스위치 커패시터부; 스위치와 커패시터를 포함하는 제3 스위치 커패시터부; 및 상기 제1, 제2 및 제3 스위치 커패시터부의 커패시터 각각의 충전 또는 방전의 기간을 제어하여 상기 출력커패시터의 전압을 일정하게 유지시키는 제어수단을 포함한다. The present invention is to solve the above problems, the switch capacitor converter according to the present invention is an output capacitor; A first switch capacitor unit including a switch and a capacitor; A second switch capacitor unit including a switch and a capacitor; A third switch capacitor unit including a switch and a capacitor; And control means for controlling the period of charge or discharge of each of the capacitors of the first, second and third switch capacitors to maintain a constant voltage of the output capacitor.
여기서, 상기 제어수단은 상기 제1, 제2 및 제3 스위칭 커패시터부의 동작을 제어하는 것이 바람직하다. Here, the control means preferably controls the operation of the first, second and third switching capacitor.
여기서, 상기 스위치 커패시터부는 상기 커패시터; 일측이 입력단에 연결되고, 타측이 상기 커패시터의 일측에 연결되는 제1 스위치; 일측이 접지에 연결되고, 타측이 상기 커패시터의 타측에 연결되는 제2 스위치; 일측이 출력단에 연결되 고, 타측이 상기 커패시터의 일측에 연결되는 제3 스위치; 및 일측이 상기 입력단에 연결되고, 타측이 상기 커패시터에 타측에 연결되는 제4 스위치; 를 포함하는 것이 바람직하다.Here, the switch capacitor unit; A first switch having one side connected to an input terminal and the other side connected to one side of the capacitor; A second switch having one side connected to the ground and the other side connected to the other side of the capacitor; A third switch having one side connected to an output terminal and the other side connected to one side of the capacitor; And a fourth switch having one side connected to the input terminal and the other side connected to the other side of the capacitor. It is preferable to include.
또한, 상기 제1, 제2 및 제3 스위치 커패시터부는 상기 출력 커패시터와 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.In addition, the first, second and third switch capacitor portion is preferably connected in parallel with the output capacitor.
한편, 상기 스위치 커패시터형 컨버터는 상기 스위치와 커패시터를 포함하는 스위치 커패시터부를 적어도 하나 이상 더 포함하고, 상기 제어수단은 상기 더 포함되는 스위치 커패시터부의 각각의 커패시터의 충전 또는 방전의 기간을 조정하여 상기 출력커패시터의 전압을 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.On the other hand, the switch capacitor type converter further comprises at least one or more switch capacitor unit including the switch and the capacitor, the control means for adjusting the period of charge or discharge of each capacitor of the switch capacitor unit further included the output It is desirable to keep the voltage of the capacitor constant.
전술한 본 발명에 의한 스위치 커패시터형 컨버터의 제어방법은 스위치 커패시터형 컨버터의 스위치 제어방법은 (a) 상기 제1 스위치 커패시터부의 커패시터가 제1 기간 동안 방전되어 상기 출력커패시터를 충전하는 단계; (b) 상기 제2 스위치 커패시터부의 커패시터가 제2 기간 동안 방전되어 상기 출력커패시터를 충전하는 단계; 및 (c) 상기 제3 스위치 커패시터부의 커패시터가 제3 기간 동안 방전되어 상기 출력커패시터를 충전하는 단계; 를 포함한다.The control method of the switch capacitor converter according to the present invention described above comprises the steps of: (a) a capacitor of the first switch capacitor unit is discharged during the first period of the charge capacitor; (b) discharging the capacitor of the second switch capacitor unit during the second period to charge the output capacitor; And (c) discharging the capacitor of the third switch capacitor unit during the third period to charge the output capacitor. It includes.
여기서, 상기 제1 및 제2 기간은 동일한 기간인 것이 바람직하다.Here, the first and second periods are preferably the same period.
여기서, 상기 스위치 커패시터형 컨버터는 스위치와 커패시터를 포함하는 스위치 커패시터부를 N 개 (N 은 자연수) 이상 더 포함하고, 상기 제어수단은 상기 N 개의 스위치 커패시터부의 각각의 커패시터의 충전 또는 방전의 기간을 조정하여 상기 출력커패시터의 전압을 일정하게 유지시키고, 상기 N 개의 스위치 커패시터부 의 커패시터가 각각 소정의 기간 동안 방전되어 상기 출력커패시터를 충전하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Here, the switch capacitor type converter further includes at least N switch capacitors (N is a natural number) including a switch and a capacitor, and the control means adjusts the period of charge or discharge of each capacitor of the N switch capacitors. The voltage of the output capacitor is kept constant, and the capacitors of the N switch capacitor parts are discharged for a predetermined period, respectively, and further comprising the step of charging the output capacitor.
또한, 상기 N 개의 스위치 커패시터부의 상기 N 개의 커패시터 중 M(M은 자연수)개의 커패시터가 동일한 기간 동안 방전되어 상기 출력커패시터를 충전하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that M (M is a natural number) capacitors of the N capacitors of the N switch capacitor units are discharged for the same period to charge the output capacitor.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 5는 본 발명에 일 실시예에 의한 스위치 커패시터형 컨버터를 도시한 것이다.Figure 5 shows a switch capacitor type converter according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 스위치 커패시터형 컨버터는 플라잉 커패시터(C1,C2,C3)를 각각 포함하는 스위치 커패시터부 3개를 병렬로 연결하여 이용한 구조이다. 각각의 스위치 커패시터부의 구조는 도 1에서의 구조와 유사하므로 생략하기로 한다. 다만, 각각의 스위치 커패시터부의 동작과 각각의 스위치를 제어하기 위한 제어수단(26)이 더 포함된다. 이러한 제어수단(26)에 의해 부하 전류(Iout)의 증가를 감당하면서 원하는 전압으로 승압이 가능하게 되어 충전 시간과 방전 시간을 조절하게 되어 효율적인 충전, 방전시간 조절 및 스위칭 동작 신호의 제어를 최적화하게 된다. As shown in FIG. 5, the switch capacitor converter according to the present invention has a structure in which three switch capacitor units including flying capacitors C1, C2, and C3 are connected in parallel. The structure of each switch capacitor portion is similar to that in FIG. 1 and will be omitted. However, a control means 26 for controlling the operation of each switch capacitor unit and each switch is further included. The control means 26 allows the voltage to be increased to the desired voltage while increasing the load current Iout, thereby controlling the charging time and the discharging time to optimize the control of the efficient charging, discharging time and switching operation signals. do.
제어수단(26)은 스위치 커패시터부의 동작과 스위치의 동작을 제어한다.The control means 26 controls the operation of the switch capacitor portion and the operation of the switch.
제어수단(26)이 스위치 커패시터부의 동작을 제어한다 함은 3개의 스위치 커 패시터부 중 2개의 스위치 커패시터부를 동작시키고, 나머지 1개의 스위치 커패시터부는 작동시키지 않는 것이다. 이는 2개의 스위치 커패시터부의 작동만으로도 충분한 부하 전류를 공급하는 경우에 불필요한 전력소모를 줄일 수 있다.The control means 26 controls the operation of the switch capacitor portion means that two switch capacitor portions of the three switch capacitor portions are operated, and the remaining one switch capacitor portion is not operated. This can reduce unnecessary power consumption when supplying sufficient load current by only two switch capacitors.
제어수단(26)이 스위치의 동작을 제어한다 함은 스위치의 온/오프 기간을 조정하는 것을 의미하는 것으로 이에 대한 설명은 도 6과 함께 설명하기로 한다.The control means 26 controls the operation of the switch means adjusting the on / off period of the switch, which will be described with reference to FIG. 6.
도 6은 3개의 플라잉 커패시터가 각각 T/3 기간 동안 2 개의 플라잉 캐패시터가 방전하면서, 1개의 플라잉 캐패시터가 충전되는 스위치 신호를 도시한 것이다. Figure 6 shows a switch signal in which one flying capacitor is charged, with three flying capacitors each discharging two flying capacitors during the T / 3 period.
먼저, 한 주기가 T인 기간에서 최초의 T/3 기간 동안의 동작을 설명한다. First, the operation during the first T / 3 period in the period in which one cycle is T will be described.
제16 및 제17 스위치(16,17)가 온이 되며 제1 플라잉 캐패시터(C1)의 전압을 방전하는 동안 동시에, 제24 및 제25 스위치(24,25)가 온이 되어 플라잉 캐패시터(C3)의 전압을 동시에 방전한다. 제18 및 제19 스위치(18,19) 가 온이 되면서 제2 플라잉 캐패시터(C2)에 전압을 충전하게 된다. While the sixteenth and
결국 이 기간 동안 제1 플라잉 캐패시터(C1) 와 제3 플라잉 캐패시터(C3)가 동시 방전을 하며, 제2 플라잉 캐패시터(C2)는 충전을 하게 된다. As a result, during this period, the first flying capacitor C1 and the third flying capacitor C3 discharge simultaneously, and the second flying capacitor C2 charges.
한 주기가 T인 기간에서 두번째 T/3의 기간에는 제16 및 제17 스위치(16,17)는 그대로 온이 되어 있으며, 제24 및 제25 스위치(24,25)가 오프가 되고, 제22 및 제23 스위치(22,23)가 온이 되어 제3 플라잉 캐패시터(C3)에 충전을 시작한다. 같은 기간에 제18 및 제19 스위치(18,19)가 오프가 되면서, 제20 및 제21 스위치 (20,21)가 온이 되며, 제2 플라잉 캐패시터(C2)가 방전을 시작하게 된다. The 16th and
결국, 이 구간 동안에는 제1 플라잉 캐패시터(C1)와 제2 플라잉 캐패시터(C2)가 동시에 방전을 하며 제3 플라잉 캐패시터(C3)는 충전을 하게 된다. As a result, during this period, the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 discharge simultaneously, and the third flying capacitor C3 charges.
위와 같은 동작을 매 구간 반복하면, 출력단의 출력캐패시터(Cout)에는 항상 3 개의 플라잉 캐패시터 중 2 개가 방전하여 전원을 공급해 주게 되어 출력단의 출력 전압을 승압시켜주게 되며, 나머지 1 개의 플라잉 캐패시터는 T/3 시간 동안 충전을 하게 된다. If the above operation is repeated every interval, the output capacitor Cout of the output stage always discharges two of the three flying capacitors to supply power to boost the output voltage of the output stage, and the remaining one of the flying capacitors is T /. Charge for 3 hours.
이렇게 함으로써, 부하 전류(Iout)의 증가를 감당하면서 원하는 전압으로 승압할 수 있는 스위치 커패시터형 컨버터를 구현하게 된다.In this way, a switch capacitor type converter capable of stepping up to a desired voltage while dealing with an increase in the load current Iout is realized.
본 발명은 단순히 스위치 커패시터부를 2개에서 3개로 증가시키는 것에 있지 않다. 본 발명은 출력 커패시터가 부하 전류의 증가에 의한 변화에도 불구하고 일정한 출력 전압을 유지시켜 주기 위한 것으로, 부하 전류가 증가하게 되면 이에 부합하도록 1개 이상의 플라잉 커패시터가 출력 커패시터를 충전함으로써 출력 전압을 일정하게 유지시켜주게 된다. 또한, 부하 전류에 따라 플라잉 커패시터에 대한 충전을 기간을 조절하여 전력소모를 최소화시킬 수 있게 된다.The present invention does not merely increase the switch capacitor portion from two to three. The present invention is to maintain a constant output voltage despite the change caused by the increase in the load current of the output capacitor, and when the load current increases, one or more flying capacitors to charge the output capacitor to match the output voltage to match Will be kept. In addition, it is possible to minimize the power consumption by adjusting the charging period of the flying capacitor according to the load current.
결국, 본 발명은 부하 전류의 양과 전력소모에 최적화된 효율적인 충,방전 시간 조절 및 스위칭 동작의 제어가 가능한 스위치 커패시터형 컨버터를 제공하게 된다.As a result, the present invention provides a switch capacitor type converter capable of controlling the charging and discharging time and switching operation, which are optimized for the amount of load current and power consumption.
따라서, 본 발명의 기술적 사상은 도 5 및 도 6에 도시된 스위치 커패시터 컨버터의 구조와 그에 대한 스위치의 온/오프신호에 한정되는 것은 아니며 스위치 커패시터 컨버터의 스위치의 온/오프 신호는 주기적이 아닐 수 있으며, 주기적인 경우 한 주기에 하나의 플라잉 커패시터가 2번 이상의 충전기간이 있을 수 있음은 당업자로써 자명한 것이다.Accordingly, the technical idea of the present invention is not limited to the structure of the switch capacitor converter shown in FIGS. 5 and 6 and the on / off signal of the switch thereof, and the on / off signal of the switch of the switch capacitor converter may not be periodic. In the periodic case, it will be apparent to those skilled in the art that one flying capacitor may be provided between two or more chargers in one cycle.
이하에서는 도 1에 도시된 스위치 커패시터부가 4개 이상 병렬로 연결된 구조에 대한 실시예를 들어 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.Hereinafter, an exemplary embodiment of a structure in which four or more switch capacitor units shown in FIG. 1 are connected in parallel will be described.
도 7은 본 발명의 다른 실시예로써 N 개 (N 은 3보다 큰 자연수)의 스위치 커패시터부가 연결된 스위치 커패시터형 컨버터를 도시한 것이다. FIG. 7 illustrates a switch capacitor type converter in which N switch capacitor parts (N is a natural number greater than 3) are connected as another embodiment of the present invention.
N 개의 스위치 커패시터부에는 각각의 스위치 커패시터부마다 플라잉 커패시터(C1 내지 CN)를 포함한다. C1은 제1 플라잉 커패시터이고, CN은 제N 번째 플라잉 커패시터를 의미한다. 그 구조는 도 1에 도시된 스위치 커패시터부의 구조가 병렬로 연결된 것이므로 설명을 생략하기로 한다. 다만, 각각의 스위치 커패시터부의 동작과 각각의 스위치를 제어하기 위한 제어수단(30)이 더 포함된다. 이러한 제어수단(30)에 의해 부하 전류(Iout)의 증가를 감당하면서 원하는 전압으로 승압이 가능하게 되어 충전 시간과 방전 시간을 조절하게 되어 효율적인 충전, 방전시간 조절 및 스위칭 동작 신호의 제어를 최적화하게 된다. The N switch capacitor parts include flying capacitors C1 to CN for each switch capacitor part. C1 is a first flying capacitor, and CN means an Nth flying capacitor. Since the structure of the switch capacitor shown in FIG. 1 is connected in parallel, description thereof will be omitted. However, a control means 30 for controlling the operation of each switch capacitor unit and each switch is further included. The control means 30 allows the voltage to be increased to a desired voltage while increasing the load current Iout, thereby controlling the charging time and the discharging time, thereby optimizing the efficient charging, discharging time control, and control of the switching operation signal. do.
제어수단(30)은 스위치 커패시터부의 동작과 스위치의 동작을 제어한다.The control means 30 controls the operation of the switch capacitor unit and the operation of the switch.
제어수단(30)이 스위치 커패시터부의 동작을 제어한다 함은 N개(N은 4보다 큰 자연수)의 스위치 커패시터부 중 A개(A는 자연수)의 스위치 커패시터부를 동작 시키고, 나머지 N-A개의 스위치 커패시터부는 작동시키지 않는 것이다. 이에 의해 불필요한 전력소모를 줄일 수 있다.The control means 30 controls the operation of the switch capacitor unit by operating the switch capacitor unit of A (N is a natural number) of the N switch capacitor units (N is a natural number greater than 4), and the remaining NA switch capacitor units are It doesn't work. As a result, unnecessary power consumption can be reduced.
제어수단(30)이 스위치의 동작을 제어한다 함은 스위치의 온/오프 기간을 조정하는 것을 의미하는 것으로 이에 대한 설명은 도 8 및 도 9와 함께 설명하기로 한다.The control means 30 controls the operation of the switch means adjusting the on / off period of the switch, which will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
도 8은 도 7에 도시된 스위치 커패시터형 컨버터에 대한 스위치의 온/오프 신호를 도시한 것이다.FIG. 8 shows the on / off signal of the switch for the switch capacitor type converter shown in FIG.
도 6에서의 신호 파형과 유사하며, 플라잉 커패시터가 증가한 만큼 스위치의 개수도 증가하지만 전체적인 온/오프 신호의 동작은 유사하다. Similar to the signal waveform in FIG. 6, the number of switches increases as the flying capacitor increases, but the operation of the overall on / off signal is similar.
즉, N 개의 플라잉 캐패시터를 사용할 시 N-1 개의 플라잉 캐패시터가 동시에 출력 캐패시터에 방전 동작을 하며, 1개의 플라잉 캐패시터가 충전을 한다. That is, when using N flying capacitors, N-1 flying capacitors discharge the output capacitor at the same time, and one flying capacitor charges.
도 8 에 도시된 제1 플라잉 커패시터(C1)의 동작을 살펴보면 T*{(N-1)/N} 시간 동안 방전을 하며 T*(1/N) 시간 동안 충전을 하게 된다. 이는 불필요한 충전 시간을 줄이면서, 반면에 방전시간과 방전하는 플라잉 캐패시터의 개수를 늘려 부하 전류(Iout)의 증가에 따른 출력단의 출력 캐패시터(Cout)의 전압 강하를 효율적으로 줄일 수 있게 된다.Referring to the operation of the first flying capacitor C1 shown in FIG. 8, the battery is discharged for T * {(N-1) / N} time and charged for T * (1 / N) time. This reduces the unnecessary charging time, while increasing the discharge time and the number of flying capacitors to discharge, thereby effectively reducing the voltage drop of the output capacitor Cout of the output terminal due to the increase in the load current Iout.
도 9는 도 8에 도시된 파형을 변형시킨 파형이다.FIG. 9 is a waveform modified from the waveform shown in FIG. 8.
도 9의 스위치 신호 파형은 도 8과 마찬가지로 N 개의 플라잉 캐패시터를 이 용하는 경우, 충전 시간이 2 배 늘어났을 때의 동작을 보여주며, 주기(T)는 같은 조건이다. As shown in FIG. 8, the switch signal waveform of FIG. 9 shows an operation when the charging time is doubled when using N flying capacitors, and the period T is the same condition.
이 경우, 동시에 출력단의 출력캐패시터(Cout)로 방전하는 플라잉 캐패시터의 개수는 N-2 개가 된다. In this case, the number of flying capacitors discharged to the output capacitor Cout at the output stage is N-2.
도 9 의 제1 플라잉 캐패시터(C1)의 동작을 살펴보면, T*(2/N) 시간 동안 충전을 하며, T*{(N-2)/N} 시간 동안 방전을 하게 된다. 이는 앞서 설명된 도 8 과 주기를 같다는 조건에서의 충, 방전 시간을 달리하여 동작하는 것을 보여준다. Referring to the operation of the first flying capacitor C1 of FIG. 9, charging is performed for T * (2 / N) time and discharged for T * {(N-2) / N} time. This shows that the charging and discharging times operate under different conditions as shown in FIG. 8.
따라서, N개의 플라잉 커패시터의 충, 방전 시간을 조절하여, 출력단으로 전달하는 방전 효율을 조절할 수 있다. Therefore, the charging and discharging time of the N flying capacitors may be adjusted to control the discharge efficiency delivered to the output terminal.
이는 부하 전류에 따른 전압 강하를 플라잉 캐패시터의 개수를 변경시키면서 스위칭 동작을 제어하여, 출력 전압을 효율적으로 개선하게 된다.This controls the switching operation while varying the number of flying capacitors with the voltage drop according to the load current, thereby efficiently improving the output voltage.
불필요하게 방전 시간이 길거나, 동시 방전하는 플라잉 캐패시터가 많으면, 충전 시간, T*(1/N) 를 정수 배(M)로 늘려 주어 T*(M/N) 만큼 해주며, 반면에 방전 시간을 T*{(N-M)/N} 만큼 줄여준다. 물론, 동시 방전 플라잉 캐패시터 개수도 N-M 만큼 줄어들게 된다.If the discharge time is unnecessarily long or there are many flying capacitors that discharge simultaneously, the charging time, T * (1 / N), is increased by an integer multiple (M) to make T * (M / N), while the discharge time Reduce by T * {(NM) / N} Of course, the number of simultaneous discharge flying capacitors is also reduced by N-M.
본 발명에 따르면, 부하 전류에 따른 출력단 전압의 전압 강하를 플라잉 캐패시터를 증가시키고, 플라잉 캐패시터의 스위칭 동작을 제어하여, 동시 방전 플라잉 캐패시터의 개수와 플라잉 커패시터의 충전 시간과 방전 시간을 조절하게 되어 효율적인 충전, 방전시간 조절 및 스위칭 동작 신호의 제어를 최적화하게 된다. According to the present invention, the voltage drop of the output terminal voltage according to the load current increases the flying capacitor and controls the switching operation of the flying capacitor, thereby controlling the number of simultaneous discharge flying capacitors, the charging time and the discharge time of the flying capacitor. It will optimize the charge, discharge time control and control of switching operation signals.
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