KR100779785B1 - 디지털 이중루프 출력전압조정기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이중 디지털 제어루프를 포함하는 디지털 제어시스템을 가진 스위치 모드 전압조정기에 관한 것이다. 상기 전압조정기는 전압조정기의 각 입출력 터미널 사이에서 전원을 전달하는 적어도 하나의 전원스위치와, 전압조정기의 출력에 응답하여 전원스위치의 동작을 제어하도록 구성된 디지털 제어기를 포함한다. 디지털 제어기는 이중 디지털 제어루프를 포함하는데, 제1 디지털 제어루프는 보다 낮은 조정 정확성을 갖고 높은 속도를 제공하며 제2 제어루프는 더 낮은 속도를 갖고 높은 정확성을 갖는다. 따라서, 디지털 제어시스템은 높은 속도 및 높은 조정정확성을 갖는 이점을 제공한다.
펄스폭 변조, 회로, 루프, 디지털, 전압

Description

디지털 이중루프 출력전압조정기{DIGITAL DOUBLE-LOOP OUTPUT VOLTAGE REGULATION}
도 1은 종래의 디지털 제어회로를 가지는 스위치 모드전압조정기를 도시한 것이다.
도 2는 제2 아날로그제어루프를 가진 디지털 제어회로를 구비하는 스위치 모드전압조정기를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 디지털 이중루프 제어회로를 갖는 스위치 모드 전압조정기를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 디지털 이중루프 제어회로에서 사용되는 디지털 필터의 바람직한 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 디지털 이중루프 제어회로를 갖는 스위치 모드 전압조정기를 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 디지털 이중루프 제어회로에서 사용되는 디지털 필터의 바람직한 실시예를 도시한 것이다.
종래의 스위치 모드 전압조정기는 직류 전압레벨을 다른 직류 전압레벨로 전환할 수 있다. 스위치 모드 전압조정기는, 부하와 연결된 출력 유도자로의 전류 흐름을 스위칭하는 것에 의해 그 출력 유도자에 선택적으로 에너지를 저장함으로써 해당 부하에 대해 조정된 직류 출력전압을 제공한다. 벅(buck)변환기는 일반적으로 금속 산화막 반도체(MOSFET) 트랜지스터에 의해 제공되는 두 개의 전원스위치를 포함하는 스위치 모드 전압조정기의 한 형태이다. 부하와 병렬로 연결된 필터 축전기는 출력 전류의 리플(ripple)을 감소시킨다. 펄스폭 변조(이하 'PWM'이라 함) 제어회로가 상기 출력 유도자에서의 전류 흐름을 제어하는 또 다른 방법으로 전원스위치의 게이팅(gating)을 제어하는데 이용된다. PWM 제어회로는 부하 상태의 변화에 응답하여 전원 스위치들에 인가되는 듀티 사이클(duty cycle)을 조정하기 위해 출력전압을 반영한 피드백 신호 및/또는 전류레벨을 사용한다.
종래의 PWM 제어회로는 연산 증폭기 및 비교기 등의 아날로그 회로요소를 이용하여 구성된다. 하지만 디지털 회로가 보다 적은 물리적 공간을 차지하며 보다 적은 전력을 드로잉(drawing)하기 때문에 아날로그 회로요소 대신에 디지털 회로를 사용하는 것이 바람직하다. 종래의 디지털 PWM 제어회로는 제어되는 신호(예를 들면 출력전압(V0)) 및 기준전압 사이의 차이를 나타내는 오차신호를 생성하는 감산기를 포함한다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 상기 오차신호를 디지털 신호로 변환한다. 상기 디지털 오차신호가, 전압조정 피드백 루프에 안정화를 제공하는 전송 함수(H(z))를 갖는 루프 보상필터에 제공된다. 디지털 PWM은 비례 펄스폭 변조 신호(proportional pulse width modulated signal)를 생성하며 상기 전압 조정기의 전원 스위치를 제어하는데 사용된다.
상기 PWM 제어회로의 복잡도를 낮추기 위하여 디지털 신호의 비트를 작은 수로 유지하는 것이 바람직하다. 하지만 그와 동시에 디지털 신호의 비트는 출력 측정치의 정확한 제어를 유지하기 위하여 충분히 높은 해상도를 제공할 만큼 클 필요가 있다. 상기 출력전압이 넓은 범위에 걸쳐 프로그램 가능하도록 하는 것이 필요한 경우, 감산기의 작은 직류 오차를 유지하는 것이 보다 어려우며 따라서 셋포인트 정확도 오차가 증가한다. 상기 회로가, 조정가능한 이득 및 오프셋을 제공함으로써 넓은 범위에 걸쳐 정확하게 될 수 있는 반면, 그런 경우 비용과 복잡성이 추가된다. 또한, 상기 직류변환기(ADC)는 부하 상태변화에 따라 매우 빠르게 반응할 필요가 있고 상기 피드백 루프의 신속한 과도 응답(transient response)을 가능하게 할 필요가 있다. 전류 마이크로프로세서는 20A/㎲까지의 공급 전류 슬루율을 보이고, 장래의 마이크로프로세서는 350A/㎲이상의 슬루율(slew rate)에 이를 것으로 예상되는데, 이는 전압조정기에 의한 매우 빠른 응답을 요구한다. 종종, 빠른 응답 시간과 직류 정밀도는 모순되는 요청이다. 또한 디지털 신호의 비트사이즈는 상기 전송함수(H(z))를 구현하는 디지털 회로의 복잡성 및 관련 금액에 영향을 미친다.
따라서, 상기한 종래기술의 단점을 극복하기 위해 스위치 모드 전압조정기를 디지털방식으로 제어하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는, 보다 나은 반복성과 정확성을 가진 디지털 회로를 이용하여 스위치 모드 전압조정기를 제어하기 위한 이중루프 출력전압 제어회로를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 디지털 제어 시스템을 가진 스위치 모드 전압조정기에 관한 것이다. 일반적으로 전압조정기는 상기 전압조정기의 각 압력 및 출력 터미널 사이에서 전원을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 전원스위치 및 전압조정기의 출력에 응답하여 해당 전압스위치의 동작을 제어하도록 구성된 디지털 제어기를 포함한다. 상기 디지털 제어기는 이중 디지털 제어루프를 포함하며, 제1 제어루프는 높은 속도와 낮은 조정정확도를 갖고 제2 제어루프는 높은 정확도와 낮은 속도를 갖는다. 따라서, 본 발명은 높은 속도 및 높은 정확도의 이점을 제공한다.
보다 상세하게, 제1 디지털 제어루프는 전압조정기의 제1 출력 측정치와 기준값 간의 차이를 나타내는 제1 디지털 오차신호를 제공하는 제1 아날로그-디지털 변환기를, 제1 디지털 오차신호를 기초로 한 디지털 제어출력을 제공하는 제1 디지털 필터 및 제어신호를 전원 스위치들로 제공하는 디지털 펄스폭 변조기를 포함한다. 제어 신호는 디지털 제어출력과 대응하는 펄스폭을 갖는다. 제2 디지털 제어루프는 전압조정기의 제2 출력 측정치를 제공하는 제2 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 제2 디지털 제어루프는 제2 출력 측정치와 상기 기준값 간의 차이를 나타내는 제2 디지털 오차신호를 제공한다. 제2 아날로그-디지털 변환기는 제1 아날로그-디지털 변환기보다 높은 해상도를 갖는다. 제2 디지털 오차신호는 제1 출력 측정치의 정확도를 향상시키기 위해 제1 디지털 제어루프에 인가된다.
본 발명의 일 실시예에서는, 직렬 인터페이스가 제1 및 제2 디지털 제어루프와 동작가능하게 연결되어 기준값을 정의하는 기준 데이터를 수신한다. 직렬 인터페이스는 제2 출력 측정치에 대응하는 모니터 데이터를 전송한다. 직렬 인터페이스는 계수 데이터를 수신하여 계수 데이터를 제1 디지털 필터에 제공하며, 계수 데이터는 제1 디지털 필터의 필터 특징들을 정의한다. 디지털-아날로그 변환기는 상기 직렬 인터페이스와 연결되어 기준 데이터를 기준값으로 변환시킨다.
당업자라면 다음의 바람직한 실시예에 관한 설명을 참조하여 스위치 모드 전압조정기를 디지털 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관하여, 그리고 추가적인 이점 및 목적들에 관하여 충실히 이해할 수 있을 것이다. 참조된 도면을 통해 발명을 보다 상세하게 설명하겠다.
본 발명은 스위치 모드 전압조정기를 제어하기 위한 디지털 이중루프 전압조정회로를 제공한다.
도 1에는 종래의 디지털 제어회로를 가진 스위치 모드 전압조정기(10)가 도시되어있다. 전압조정기(10)는 입력 직류 전압(Vin)을, 저항부하(20(Rload))에 인가되는 출력 직류 전압(V0)으로 변환하기 위한 벅(buck) 변환기 토폴로지(topology)를 포함한다. 전압조정기(10)는 금속산화막반도체(MOSFET)장치에 의해 제공되는 한 쌍의 전원스위치(12, 14)를 포함한다. 상단 측 전원스위치(12)의 드레인(drain) 터미널은 입력전압(Vin)과 연결되며 하단 측 전원스위치(14)의 소스 터미널은 접지와 연결되고, 전원스위치(12)의 소스 터미널 및 전원스위치(14)의 드레인 터미널은 서로 연결되어 위상노드(phase node)를 정의한다. 출력 유도자(16)는 그 위상노드와, 출력전압(V0)을 제공하는 터미널 사이에 직렬 연결되고 축전기(18)는 저항성 부하(Rload)와 병렬로 연결된다. 각각의 드라이버(22, 24)는 번갈아 전원 스위치(12, 14)의 게이트 터미널을 구동한다. 디지털 제어회로(30)(후술함)는 드라이버(22, 24)의 동작을 제어한다. 전원스위치(12, 14)의 개폐는 위상노드에서 전반적으로 직사각형 파형을 가지는 중간전압을 제공하며 출력 유도자(16)에 의해 형성된 필터와 축전지(18)는 그 직사각형 파형을 실질적 직류 출력전압(V0)으로 변환한다.
디지털 제어회로(30)는 전압조정기(10)의 출력부분으로부터 피드백 신호를 수신한다. 도 1에서 도시된 바에 의하면, 피드백 신호는 출력전압(V0)에 대응하지만, 이와 달리(또는 부가적으로) 피드백 신호가 저항부하(Rload)에 의해 드로잉된 출력 전류 또는 이들의 조합에 대응할 수 있음을 알아야한다. 상기 피드백 경로는 탐지된 출력전압(V0)을 대표 전압수준(representative voltage level)으로 감소시키기 위해 저항기(26, 28)에 의해 제공되는 전압분배기를 더 포함한다. 디지털 제어회로(30)는 출력전압(V0)(또는 출력전류)을 바람직한 수준으로 조정하도록 제어된 듀티 사이클을 갖는 펄스폭 변조 파형을 제공한다. 예시적 전압조정기(10)가 벅 변환기 토폴로지를 가지는 것으로 도시되어 있으나, 디지털 제어회로(30)를 이용하는 전압조정기(10)의 피드백 루프제어의 이용은 또 다른 공지의 전압조정기 토폴로지, 예컨대 부스트 및 벅부스트 변환기 등에 대해서도, 분리되거나(isolate) 분리되지 않은 구성으로서 동등하게 적용 가능하다는 점을 알아야 한다.
보다 상세하게 디지털 제어회로(30)는 감산기(32), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(34), 디지털 필터(36) 및 디지털 펄스폭 변조기(이하 'DPWM'이라 함)를 포함한다. 감산기(32)는 피드백 신호(즉 출력전압(V0)) 및 전압기준(Ref)을 입력으로 수신하며 아날로그 전압 오차신호(Ref-V0)를 제공한다. ADC(34)는 전압 오차신호의 디지털 표시를 생성한다. 디지털 필터(36)는 전압 오차신호를 DPWM에 제공되는 디지털 출력으로 변환하는 전달함수(H(I))를 가지며, 이 DPWM은 디지털 출력을 비례 펄스폭을 가진 파형으로 변환한다. 상술한 바와 같이 DPWM(38)에 의해 생성된 펄스 변조 파형은 각각의 드라이버(22, 24)를 통하여 상기 전원스위치(12, 14)의 게이트 터미널과 연결된다. 디지털 필터(36)는 적합한 입력을 통해 선택적으로 수정될 수 있는 필터계수(이로써 디지털 필터의 성능 특성을 변경함)를 갖는 무한 임펄스 응답(IIR)필터를 포함한다. 상술한 바와 같이 종래의 디지털 제어회로(30)의 문제점은 감산기(32)가 한정된 고정정확성(static accuracy)을 갖는 점이다.
디지털 제어회로(30)의 출력전압 셋포인트 정확성을 향상시키기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 아날로그 제어루프(40)가 추가될 수 있다. 제2 제어루프는 증폭기(46) 및 적분기(integrator, 48)를 포함한다. 제1 제어루프와 같이, 제2 제어루프(40)는 출력전압(V0)에 대응하는 전압조정기(10)의 출력부로부터 피드백 신호를 수신한다. 피드백 경로는 탐지된 출력전압(V0)을 대표 전압레벨로 감소시키기 위해 저항기(42, 44)에 의해 제공되는 전압분배기를 더 포함한다. 피드백 신호는 증폭기(46)의 인버팅(inverting) 입력 터미널에 제공되고, 증폭기의 비인버팅(non-inverting) 입력 터미널은 기준전압에 연결된다. 증폭기(46)는 감산기(32) 보다 낮은 대역폭을 갖도록 선택되고, 이로써 보다 낮은 속도와 더 높은 정확도를 가지게 된다. 증폭기(46)의 출력은 적분기(48)에 제공되며, 차례로 적분기(48)는 조정 전압을 적합한 저항기를 통해 제1 루프의 감산기(32)로 제공한다. 적분기(48)는 제2 제어루프의 오차신호가 정상상태 동작 동안 0에서 머무르게 한다. 제2 제어루프가 정상상태 조건에서 높은 직류 정확도를 제공하는 반면, 제1 제어루프는 고속의 과도 응답을 제공한다.
도 3에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 디지털 이중루프 제어회로를 가진 스위치 모드 전압조정기가 도시되어 있다. 디지털 제어회로는 호스트 시스템과 양방향 데이터통신을 가능하게 하는 직렬 인터페이스(52)를 포함하여, 디지털 제어회로, 그리고 그에 따른 전압조정기의 동작을 제어하기 위한 데이터를 수신하고, 호스트 시스템으로 상태 정보를 전송한다. 디지털-아날로그 변환기(56)는 직렬 인터페이스(52)에 연결된다. 직렬 인터페이스(52)를 통해 호스트 시스템으로부터 제공되는 디지털 기준값은 디지털-아날로그 변환기(56)에 의해 기준전압으로 변환되고 차례로 출력전압(V0)의 표시에 비교하기 위해 감산기(32)로 제공된다. 상기와 같은 방법으로 호스트 시스템은 기준전압을 정리할 수 있고 이로써 출력전압(V0)을 제어한다. 또한, 직렬 인터페이스(52)는 호스트 시스템으로부터 디지털 필터(36)로 필터 계수값을 송신하여 디지털 필터(36)의 특성을 제어한다. 이러한 점에서, 디지털 제어회로는 도 1과 관련해 전술한 회로와 실질적으로 동일한 제1 제어루프를 포함한다.
제2 디지털 제어루프는 아날로그-디지털 변환기(58) 및 디지털 필터회로(70)에 의해 제공된다. 아날로그-디지털 변환기(58)는 출력전압(V0)(저항기(62, 68)에 의해 제공되는 전압분배기에 의해 대표 전압레벨로 감소됨)에 대응하는 피드백 신호를 수신하며, 아날로그-디지털 변환기(58)는 모니터링 회로(54)를 통해 직렬 인터페이스(52)에 연결된다. 이와 같이, 아날로그-디지털 변환기(58)는 출력전압의 정확한 디지털 측정치를 제공하며 상기 제공된 정보는 모니터링 회로 및 직렬 인터페이스(52)를 통해 호스트 시스템에 다시 전달될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 디지털-아날로그 변환기(56)는 모니터링 아날로그-디지털 변환기(58) 보다 훨씬 낮은 해상도를 가진다. 디지털-아날로그 변환기(56)의 해상도는, 다른 부하(Rload)의 특정 공급 전압요구에 대응하도록 선택된다. 아날로그-디지털 변환기(34)는 작은 변환범위를 갖지만 빨라야 한다. 일부 잔여 리플 전압이 조정기의 출력에 항상 존재하며 아날로그-디지털 변환기(34)는 빠른 응답속도를 가져야만하므로, 리플 전압은 필터링 될 수 없다(이는 변환과정을 감속시킬 것이기 때문이다). 그러므로 리플은 제1 루프에서 추가적 오차신호를 추가한다. 모니터링 아날로그-디지털 변환기(58)는 낮은 샘플링 속도로 실행할 수 있지만 정확해야만 한다. 정확도를 높이기 위하여 모니터링 아날로그-디지털 변환기(58)는 안티-에일리어싱필터를 포함할 것이며, 이는 또한 그 입력에서, 조정기의 출력에서 보이는 리플 전압을 감소시킬 것이다. 아날로그-디지털 변환기(58)는 진정한 출력의 평균값을 측정하고 본질적으로 아날로그-디지털 변환기(34) 보다 좋은 정확도를 가진다.
디지털 필터회로(70)는 디지털 비교기(76), 디지털 필터(74), 및 가변 저항기(72)를 포함한다. 디지털 비교기(76)는 제1 입력에서 호스트 시스템에 의해 제공된 디지털 기준값을 수신하고 제2 입력에서 출력전압(V0)의 디지털 측정치를 수신하며, 디지털 오차값을 생성한다. 디지털 오차값은 디지털 필터(74)를 통과하여 가변 저항기(72)의 세팅을 제어한다. 가변 저항기(72)는 저항기(28, 64)에 의해 정의된 전압분배기의 일부분이다. 따라서, 감산기(32)에 제공되는 출력전압(V0)의 대표는 가변 저항기(72)의 세팅을 제어함으로써 조정될 수 있다.
도 4에서 디지털 필터회로(70)의 일 실시예를 보다 상세히 도시하였다. 상술한 바와 같이, 디지털 기준값은 아날로그-디지털 변환기(58)의 모니터링 출력보다 낮은 해상도를 가질 것이다. 도 4에 도시된 실시예에서, 기준신호는 9비트의 해상도를 가지며 모니터링 출력은 12비트의 해상도를 갖는다. 디지털 비교기(82)는 두 개의 12비트 입력을 갖는 것으로 도시되어 있다. 기준신호는 이를 모니터링 출력과 동일한 폭으로 스케일링하기 위해 8로 승산한다(예를 들면, 세 개의 트레일링(trailing) 0비트 추가에 의해). 디지털 비교기(82)는 상기 값들을 비교하고 두 개의 출력을 생성한다(즉 A〉B, 및 A〈B). 두 개의 신호는 적분기로 작동하는 업/다운계수기(84)를 제어한다. 따라서, 계수기는 기준신호가 모니터링 출력을 초과할 때(즉 A〉B) 증분되고, 모니터링 출력이 기준 신호를 초과할 때(즉 A < B) 감분된다. 계수기(84)는 오버롤(over-roll) 하지 않도록 선택된다(즉 계수기는 0 밑으로 내려가지 않으며 최고치일 때 정지한다). 도 4에 도시된 바와 같이, 계수기(84)는 0 내지 15의 범위를 갖는 4비트의 해상도를 갖는다.
가변 저항기는 전계효과트랜지스터(861-864)로 형성되는데, 전계효과트랜스터(861-864)는 각각 접지된 소스 터미널과 저항기(882-885)와 각기 연결된 드레인 터미널들을 갖는다. 저항기(881, 921-924)는 직렬로 서로 연결되고 트랜지스터(861-864) 중 연속하는 것들 사이에 존재한다. 트랜지스터(861-864)의 게이트 터미널들이 계수기(84)의 4비트 출력의 각 비트에 연결된다. 각각의 전계효과트랜지스터(861-864)를 활성화시킴으로써, 저항기들 중 관련된 것들을 병렬로 연결시키고 가변 저항기의 유효 저항은 변한다. 저항기의 값은 계수기가 0에서 15로 변화할 때 출력전압이 변화(예를 들면 -2% 내지 +2%)하도록 선택될 수 있다.
계수기(84)는 제1 디지털 제어루프의 PWM 주파수 보다 실질적으로 낮은 주파수를 갖는 신호에 의해 클록(clock)된다. 본 발명의 실시예에서 계수기(84)는 PWM 주파수 보다 100 내지 1000배 낮은 주파수 범위를 갖는 신호에 의해 클로킹된다. 따라서, 제2 디지털 제어루프는 제1 디지털 제어루프보다 실질적으로 속도가 낮지만, 모니터링 아날로그-디지털 변환기(58)의 더 큰 해상도의 관점에서 더 높은 정확성을 제공한다.
디지털 비교기(82) 및 계수기(84)는 단순한 디지털 회로이기 때문에, 이들 회로를, 양 디지털 제어루프를 모두 포함하는 단일의 디지털 제어 회로 내에 구현하는 것이 비교적 용이하다. 이러한 실시예의 약점은 디지털 필터(74)가 여전히 아날로그 회로, 즉 가변 저항기(72)에서 작동한다는 점이다. 따라서, 디지털 수정값이 제1 디지털 제어루프를 작동하기 전에 아날로그 신호로 역전환 된다. 또한, 전체 디지털 회로를 사용하여 구현될 수 있은 제어회로를 갖는 것이 더 바람직하다.
도 5에는 본 발명에 의한 제2 실시예에 따라 디지털 이중루프 제어회로를 갖는 스위치 모드 전압조정기가 도시되어 있다. 본 실시예는 디지털 비교기(102), 디지털 필터(104), 및 가산기(106)를 갖는 디지털 필터회로(100)를 포함하는 점에서 전술한 실시예와 다르다. 전술한 실시예에서와 같이, 디지털 비교기(102)는 제1 입력에서, 호스트 시스템에 의해 제공되는 디지털 기준값을 수신하고, 제2 입력에서 출력전압(V0)의 디지털 측정치를 수신하며, 디지털 오차값을 생성한다. 디지털 오차값은 디지털 필터(104)를 통과하며 가산기(106)에 디지털값을 제공한다. 가산기는 필터링된 디지털값과 디지털 기준값을 결합하여 조정된 디지털 기준값을 생성한다. 조정된 디지털 기준값은 디지털-아날로그 변환기(56)에 제공되고, 디지털-아날로그 변환기(56)는 디지털 기준값을 기준 전압으로 변환하며, 그런 다음 기준 전압이 감산기(32)로 제공되어 출력전압(V0) 표시와 비교된다. 따라서, 디지털 필터(104)는 제1 제어루프의 저항기 분배기를 이용하는 대신에 기준전압을 직접 수정한다.
기준 디지털-아날로그 변환기(56)가 모니터링 아날로그-디지털 변환기(58) 보다 낮은 해상도를 가지기 때문에, 조정된 디지털 기준값은 디지털-아날로그 변환기의 이산지점 사이에서 저하될 수 있고, 이는 제2 디지털 제어 루프가 훨씬 더 낮은 주파수에서 동작한다는 사실에 의해 더욱 심화된다. 따라서, 본 발명에 의한 실시예에서, 디지털 필터회로(100)는 기준 디지털-아날로그 변환기(56)의 해상도를 실질적으로 증가시키도록 구성된다. 또한, 디지털 필터회로(100)는 제1 디지털 제어회로(100)가 저통과 로패스 필터 특징을 갖는 점을 이용한다. 특히 디지털 기준값이 하나씩 충분히 빠르게 위 아래로 스위칭될 수 있는 경우, 제1 디지털 제어루프는 스위칭 기준값의 평균값을 내고 기준 디지털-아날로그 변환기(56)의 출력에서 평균 기준값을 제시할 것이다.
보다 구체적으로, 도 6은 도 5의 디지털 필터회로(100)를 보다 상세하게 도시하고 있다. 디지털 필터회로는 디지털 기준값의 디더링을 제공하는 위상 누산기를 포함한다. 디지털 필터회로는 계수기(112), 가산기(114, 116, 120) 및 위상변환기(118)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도 4의 실시예와 같이, 디지털 비교기(102)는 모니터된 기준값들을 비교하고 두 개의 출력을 생성한다(즉 A〉B, A〈B). 두 개의 신호는 적분기로 작동하는 업/다운 계수기(112)를 제어한다. 따라서, 계수기는 기준신호가 모니터링 출력을 초과할 때(A〉B) 증분되고 모니터링 출력이 기준신호를 초과할 때(A〈B) 감분된다.
계수기(112)는 6비트의 디지털 오차값을 생성하는데, 이 6비트는 최상위 2비트가 가산기(114)에 제공되고 최하위 4비트가 가산기(12)에 제공되도록 분할된다. 최하위 비트들은 정정신호의 일부분이라 간주되어 시간에 걸쳐 위상 레지스터(118)에 의해 디더링된다. 위상 레지스터(118)는 4비트 오차값의 연속적인 합을 저장한다. 위상 레지스터(118)와 결합된 가산기(120)는 위상 누산기를 제공하고, 위상 누산기에서는 오차값의 하위 4비트가 위상값에 가산된 다음 해당 위상 레지스터로 피드백된다. 가산기(12)가 오버플로될 때마다, 자리올림 비트를 생성하며 가산기(116)에 제공되는 캐리 비트가 생성된다. 가산기(114)에 의해 생성된 디지털 오차값으로 부터의 캐리를 가산함으로써, 가산기(116)는 디지털 오차값(E(5:0))의 분수 부분을 디더링한다.
예로써, 디더링된 기준의 평균값은 0, 1/16, 2/16, ... 15/16, ... 3 14/16등의 범위의 증분으로 설정될 수 있다. 따라서, 디지털-아날로그 변환기(56)의 해상도는, 높은 해상도를 갖는 디지털-아날로그 변환기를 요구하지 않고서 더 정확한 방법으로 제1 루프의 출력전압을 제어할 수 있도록 부분량(fractional amounts)으로 프로그램될 수 있다.
따라서, 상술한 바람직한 실시예에 의한 스위치 모드 전압조정기를 디지털 제어하기 위한 시스템 및 방법은 이상에서 본 발명의 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
본 발명에 의한 스위치 모드 전압조정기를 디지털방식으로 제어하는 시스템 및 방법을 제공함으로써 상기한 종래기술의 단점을 극복하는 효과가 있다.
또한 보다 나은 반송성과 정확성을 가진 디지털 회로를 이용하는 스위치 모드 전압조정기를 제어하기 위한 이중루프 출력전압 제어회로를 제공하는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 전압조정기로서,
    전압조정기의 각각의 입력 및 출력 터미널 사이에서 전원을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 전원스위치; 및
    상기 전압조정기의 출력에 응답하여 상기 적어도 하나의 전원스위치의 동작을 제어하도록 구성된 디지털 제어기를 포함하고,
    상기 디지털 제어기는
    상기 전압조정기의 제1 출력 측정치와 기준값 간의 차이를 나타내는 제1 디지털 오차신호를 제공하는 제1 아날로그-디지털 변환기, 상기 제1 디지털 오차신호를 기초로 한 디지털 제어출력을 제공하는 제1 디지털 필터, 및 상기 디지털 제어출력과 대응하는 펄스폭을 가지는 제어신호를 상기 적어도 하나의 전원 스위치로 제공하는 디지털 펄스폭 변조기를 포함한 제1 디지털 제어루프; 및
    상기 전압조정기의 제2 출력 측정치를 제공하는 제2 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 제2 디지털 제어루프 - 상기 제2 디지털 제어루프는 상기 제2 출력 측정치와 상기 기준값 간의 차이를 나타내는 제2 디지털 오차신호를 제공하며 상기 제2 아날로그-디지털 변환기는 상기 제1 아날로그-디지털 변환기보다 높은 해상도를 가지며 상기 제2 디지털 오차신호는 상기 제1 출력 측정치의 정확도를 향상시키고 상기 전압조정기의 조정을 개선하기 위해 상기 제1 디지털 제어루프에 인가됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 디지털 제어루프와 동작가능하게 연결되고 상기 기준값을 정의하는 기준 데이터를 수신하도록 구성된 직렬 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직렬 인터페이스는 상기 제2 출력 측정치에 대응하는 모니터 데이터를 전송하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 직렬 인터페이스는 계수 데이터를 수신하고 상기 계수데이터를 상기 제1 디지털 필터에 제공하며, 상기 계수 데이터는 상기 제1 디지털 필터의 필터 특징들을 정의하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 직렬 인터페이스와 동작가능하게 연결된 디지털-아날로그 변환기 - 상기 디지털-아날로그 변환기는 상기 기준데이터를 상기 기준값으로 전환함 - 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 디지털 제어루프는 상기 제1 출력 측정치와 상기 기준값 사이의 차이를 나타내는 아날로그 오차 신호를 제공하는 감산기를 더 포함하고, 상기 아날로그 오차 신호는 상기 아날로그-디지털 변환기에 제공되는 전압조정기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 디지털 제어루프는 상기 제2 출력 측정치와 상기 기준값을 수신하며 상기 제2 디지털 오차신호를 제공하는 디지털 비교기(comparator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 디지털 제어루프는 상기 디지털 비교기와 동작가능하게 연결된 결합하는 계수기(counter)를 더 포함하고, 상기 계수기는 상기 제2 출력 측정치가 상기 기준값 보다 적다면 제1 방향으로 계수하고 상기 제2 출력 측정치가 상기 기준값 보다 높으면 반대방향으로 계수하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 디지털 제어루프는 상기 출력 터미널들과 동작가능하게 연결되고 상기 제1 출력 측정치를 조정하도록 상기 계수기에 응답하는 가변 저항기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 디지털 제어루프는 상기 출력터미널들과 동작가능하게 연결되고 상기 제1 출력 측정치를 조정하도록 상기 제2 디지털 오차신호에 응답하는 가변 저항기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 디지털 제어루프는 상기 제2 디지털 오차신호를 이용하여 상기 기준값을 조정하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 디지털 제어루프는 상기 기준값의 디더링(dithering)을 제공하는 위상누산기(phase accumulator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 아날로그-디지털 변환기는 상기 제2 아날로그-디지털 변환기 보다 실질적으로 더 높은 속도로 클록킹되는(clocked) 것을 특징으로 하는 전압조정기.
  14. 전압조정기 - 상기 전압조정기는 상기 전압조정기의 입력 및 출력 터미널들 간에 전원을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 전원스위치를 포함함 - 를 제어하는 방법으로서,
    상기 전압조정기의 제1 출력 측정치와 제2 출력 측정치를 수신하는 단계;
    상기 제1 출력 측정치와 기준값 간의 차이를 나타내는 제1 디지털 오차신호를 제공하기 위해 상기 제1 출력 측정치를 샘플링하는 단계;
    디지털 제어출력을 제공하기 위해 제1 디지털 오차신호를 필터링하는 단계;
    상기 적어도 하나의 전원스위치 제어신호 - 상기 제어 신호는 상기 디지털 제어출력과 대응하는 펄스폭을 가짐 - 를 제공하는 단계;
    상기 제2 출력 측정치와 기준값 간의 차이를 나타내는 제2 디지털 오차신호를 제공하기 위해 상기 제2 출력 측정치를 샘플링하는 단계; 및
    상기 제2 디지털 오차신호를 사용하는 상기 제1 출력 측정치를 조정하는 단계를 포함하되,
    상기 첫번째 샘플링 단계는 상기 두번째 샘플링 단계 보다 실질적으로 더 높은 속도 및 더 낮은 해상도로 수행되는 전압조정기 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기준값을 정의하는 기준데이터를 수신하는 단계를 더 포함하는 전압조정기 제어방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2 출력 측정치와 대응하는 모니터 데이터를 전송하는 단계를 더 포함하는 전압조정기 제어방법.
  17. 제14항에 있어서,
    계수데이터를 수신하는 단계 - 상기 계수 데이터는 상기 필터링 단계에서 이용됨 - 를 더 포함하여 이루어지는 전압조정기 제어방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 기준데이터를 상기 기준값으로 변환하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 전압조정기 제어방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 출력 측정치와 상기 기준값 간의 차이를 나타내는 아날로그 오차신호를 제공하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 전압조정기 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제2 디지털 오차신호를 이용하여 상기 기준값을 조정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 전압조정기 제조방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 기준값을 디더링하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 전압조정기 제조방법.
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