KR100812842B1 - 부하 의존형 가변 주파수 전압 조정기 - Google Patents

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Abstract

펄스 폭 변조 전압 조정기는 펄스 폭 변조 회로 및 제어 회로(103)로 구성된다. 제어 회로는 부하 전류가 증가하는 경우 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 감소시키고, 부하 전류가 감소하는 경우 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 증가시키도록 동작가능하다.
Figure R1020057012263
펄스 폭 변조 전압 조정기, 펄스 폭 변조 회로, 제어 회로, 부하 전류, 펄스 폭 변조 주파수

Description

부하 의존형 가변 주파수 전압 조정기{LOAD-DEPENDENT VARIABLE FREQUENCY VOLTAGE REGULATOR}
본 발명은 일반적으로 전압 조정기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 부하 의존형 가변 주파수 펄스 폭 변조된 전압 조정기에 관한 것이다.
프로세서 및 다른 집적 회로와 같은 전자 장치 컴포넌트들은 통상적으로 집적 회로를 작동시키는 전력을 끌어오는 전원을 필요로 한다. 전원은 이상적으로 정전압을 제공하고, 공급된 전압을 떨어뜨리지 않고 이를 공급하는 다양한 장치들에 전력을 공급하기에 충분한 전류를 제공할 수 있다. 전류의 변화하는 정도를 요구하는 부하(load)에 정전압을 제공하는 업무는 전압 조정기로 알려진 전자 회로에 의해 통상적으로 행해진다. 전압 조정기는 통상적으로, 충분한 전력이 회로에 제공되어 공급된 전력 신호의 전압이 소정의 레벨로 또는 그 레벨에 바로 근접하게 유지됨을 보장하기 위한 부하 조건에서 변화에 반응하도록 설계된다.
전압 조정기는 통상적으로, 조정기 자체에서 공급되는 전압보다 큰 전압이 공급되어, 전압 조정기의 업무는 큰 전압을 제공하는 전원을 사용하여 일정하게 더 낮은 전압을 갖는 전원을 생성하는 것이다. 일례로는, 3.3V로 구동하는 프로세서를 구비한 개인용 컴퓨터가 있다. 전원 및 전압 조정기는 월 아웃릿(wall outlet) 전원 접속에 의해 제공된 120V의 교류를, 프로세서의 전원에 이용되는 거의 정전압의 3.3V 직류 신호로 변환하도록 함께 작동한다.
전압 조정기를 설계하는 하나의 방법은 공급된 고 전압 신호를 에너지 저장 필터를 공급하는 펄스 폭 변조된 신호로 변화시켜, 결과 출력 신호의 전압이 펄스 폭 변조 회로 내에 생성된 고 전압 펄스들의 폭에 의존하게 하는 것이다. 펄스들이 넓어질수록, 더 많은 에너지 및 전원이 에너지 저장 필터로 전송되어, 더 높은 전압 출력 신호가 된다. 전압 조정기 상의 부하가 변화하기 때문에, 그리고 변화한 부하가 변화한 전류를 요구할 것이고, 그로 인해 전압 조정기에 의해 변화한 전원이 제공되기 때문에, 펄스들의 폭도 또한 특정 전압 레벨에서 전압 조정기 회로에 의해 제공된 전원을 변화시키도록 변경될 수 있다. 더 많은 전류를 인출하여 더 많은 전원을 인출하도록 부하가 변화함에 따라, 에너지 저장 필터 회로에 더 많은 전원을 공급하여 더 높은 전류 레벨에서 소정의 전압을 유지하도록 펄스들의 폭이 증가되어야 한다. 그러므로, 이들과 같은 회로는 통상적으로 인출된 전류와 전압 레벨을 모니터하고, 그에 따라, 펄스 폭 변조 회로에 의해서 생성된 펄스들의 폭을 조정한다.
펄스 폭 변조 회로에 의해 생성된 펄스들의 주파수는 전압 조정기 회로의 효율 및 크기를 포함하는, 다수의 인자(factor)들을 고려함으로써 결정된다. 너무 낮은 주파수를 선택하면 물리적 크기가 상대적으로 크고, 출력 신호에 있어서 상당한 리플(ripple) 또는 전압 변동을 생성하는 컴포넌트가 되는 반면, 너무 높은 주파수를 선택하면 전압 조정기 회로 내의 다양한 전자 컴포넌트의 전자 상태에서 결 과적으로 큰 변화로부터의 손실로 인해 전체 효율이 낮아지게 된다.
그러므로, 폭 넓게 다양한 부하 조건을 통해 정전압을 제공할 수 있는 최소 리플과 고 효율을 제공하는 전압 조정기 회로가 바람직하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 펄스 폭 변조된 전압 조정기 회로의 블럭도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 폭 변조된 전압 조정기 회로를 작동시키는 방법의 흐름도이다.
본 발명의 샘플 실시예의 다음의 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하는 첨부한 도면이 참조되고, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 샘플 실시예들을 예시적으로 도시한다. 이들 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세히 기술되며, 다른 실시예들이 이용될 수 있고 본 발명의 정신 또는 범주에서 벗어나지 않고 논리적, 기계적, 전기적 및 다른 변화들이 일어날 수 있음은 물론이다. 그러므로, 다음의 상세한 설명은 제한적 의미로 취해지지 않으며, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 규정된다.
본 발명은 다양한 실시예들에서, 전류 부하 조건의 변화에 응답하여 전압 조정기 회로의 펄스 폭 변조 주파수를 변경하도록 동작가능한 제어 회로를 구비한 펄스 폭 변조 전압 조정기 회로를 제공한다. 이 제어 회로는, 부하 전류가 증가하는 경우 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 감소시키고, 부하 전류가 감소하는 경우 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 증가시키도록 동작가능하여, 부하 조건을 변화시키면서 애플리케이션에서의 전압 조정기의 효율을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 펄스 폭 변조된 전압 조정기 회로의 블럭도를 도시한다. 입력 전압(101)은 소정의 출력 전압보다 전압이 더 크고, 전력단(power stage) 회로(102)에 공급된다. 펄스 폭 변조 제어 회로(103)는 전력단 회로(102)에 가변 펄스 폭의 신호를 제공하며, 이후에 전력단 회로가 104에서 도시한 바와 같은 그 출력 전력 신호에 이를 인가한다. 전력단 회로(102)로부터의 펄스 폭 변조된 전력 신호가 출력 회로(105)에 공급되어, 소정의 조정된 전압 레벨을 갖는 상대적으로 일정한 전압 출력 신호(106)를 생성하도록 필터링된다.
몇몇 실시예들에서 출력 회로(105)는 커패시터들 및 인덕터들과 같은 반응 컴포넌트들로 구성되며, 전력 또는 에너지를 최소로 감소시키면서, 펄스 폭 변조된 신호(104)를 정전압 신호(106)로 필터링하거나 형성하는 역할을 한다. 일례의 출력 회로는 용량성 필터(capacitive filter)로 구성되며, 커패시터들은 펄스 폭 변조된 신호(104)의 펄스들에 에너지를 저장하고 상대적으로 일정한 전압 출력 신호(106)를 제공한다.
출력 신호(106)의 전압 및 전류는 모니터되고 펄스 폭 변조 제어 회로(103)에 공급되는데, 이 펄스 폭 변조 제어 회로는 몇몇 실시예들에서 프로세서 또는 클록(107)에 의해 공급된 기준 클록 신호로부터 동작하는 다른 디지털 로직이다. 제어 회로는 출력 전압을 모니터하고, 듀티 사이클(duty cycle) 또는 전력단 회로(102)에 제공하는 펄스의 펄스 폭을 변경하여, 필터링될 때의 출력 신호(104)가 106에서 소정의 출력 전압이 되게 한다. 본 발명의 펄스 폭 변조 제어 회로(103)는 또한 출력 전압 신호(106)로부터 인출된 전류를 모니터하고, 반응하여 전력단 회로(102)에서 생성하고 제공하는 펄스 신호의 주파수를 변경한다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 펄스 폭 주파수는 클록(107), 공급된 전압 신호(106)로부터 인출된 감지된 전류, 및 수리적 알고리즘 또는 룩업 테이블(lookup table)의 응용으로부터 얻어진다.
펄스 신호(104)의 주파수는, 낮은 전류 부하에서 펄스 트레인(pulse train)의 주파수가 상대적으로 높아지도록 변경되어, 출력 전압 신호(106)에서 최소 리플이 되어 물리적 사이즈를 감소시키고 출력 회로(105)의 요구사항을 필터링한다. 상대적으로 높은 펄스 폭 변조 주파수는 또한 출력 전압 신호(106)에서의 전이(transient) 또는 변화에 응답하여 더욱 빠른 제어 회로를 허용하여, 보다 적은 리플로 더욱 안정적이고 바람직한 출력 전압 신호(106)를 생성한다. 그러나, 전류 부하가 증가함에 따라, 전압 조정기 회로 및 스위칭 내의 전기 용량 및 전도 손실이 효율을 감소시켜, 전압 조정기 회로는 상당량의 전력을 소모한다.
그러므로, 보다 높은 부하 전류 레벨에서, 펄스 폭 변조된 전력 신호(104)의 주파수가 감소되어, 스위칭과 다른 손실을 낮추게 한다. 이는, 차례로, 더욱 효율적인 전체 전압 조정기 회로가 되며, 공급된 전압 입력 신호(101)로부터 출력 전압 신호(106)를 생성하는데 있어서 전력 소모가 줄어들게 된다.
룩업 테이블을 사용하는 본 발명의 일 실시예에서, 룩업 테이블을 포함하는 엔트리들의 수와 엔트리들의 값은 출력 신호 조정의 소정의 정도(degree)가 유지되는 것을 보장하도록 특정된다. 하나의 다른 예에서, 이것은 출력 전압 신호(106) 내의 리플 전류를 최대 허용가능 리플 전류 레벨 이하로 유지하는 것을 포함한다. 부하 전류가 변화함에 따라 펄스 폭 변조 제어 회로의 주파수가 룩업 테이블에 따라 변화하지만, 출력 신호(106)의 전압은 전력단에 공급된 펄스 폭 변조된 신호의 듀티 사이클을 변경하면서 모든 주파수에 걸쳐서 유지된다.
본 발명의 일 실시예의 초기 측정치는, 단지 출력 전류만을 변경하고 입력 및 출력 전압 레벨을 고정하면서 200kHz와 1MHz 사이에서 펄스 폭 변조 주파수를 변경함으로써 전압 조정기 효율이 80% 이하로 떨어지지 않게 하는 한편, 1MHz로 동작하는 고정된 주파수 조정기 회로는 70% 가까운 효율을 나타내어 통상의 프로세서 전압 조정기 애플리케이션에서의 최대 전류에서 대략 40W의 소실을 가져올 수 있음을 보여준다. 이것은, 본 발명의 가변 주파수 펄스 폭 변조된 전압 조정기가 어떻게 손실 전력을 감소시키고 전압 조정을 더욱 효율적으로 하는지를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 폭 변조된 전압 조정기 회로를 작동시키는 방법의 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에서, 흐름도에 도시한 방법은 프로세서에서 구현되는 한편, 다른 실시예에서는 조합 논리 회로 또는 다른 회로를 통해 구현된다.
201에서, 가변 주파수 펄스 폭 변조된 전압 조정기 회로의 출력 전압 신호가 모니터 되어 인출된 전류가 결정될 수 있다. 202에서는, 201에서 판독된 인출된 전류가 검출된 특정 전류에 대한 소정의 펄스 폭 변조 회로 주파수를 결정하기 위해서 룩업 테이블과 함께 사용되어 진다. 203에서는, 전압 조정기 회로의 전류 동작 주파수가 202에서의 룩업 테이블 내에서 발견된 소정의 주파수인지 여부를 결정하고, 소정의 주파수와 전류 주파수가 동일하지 않다면, 펄스 폭 변조 회로의 동작 주파수는 204에서 소정의 주파수로 변화된다. 이후에, 프로세스는, 201로 되돌아가서 전압 조정기 회로의 전류 출력이 반복적으로 또는 지속적으로 모니터되도록 반복되며, 동작 주파수는 소정의 주파수가 되도록 지속적으로 변화된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 구성 요소(202)는 룩업 테이블이 사용되지 않도록 변경되지만, 소정의 리플과 전이 응답 특성을 제공하면서 전압 조정기 회로의 효율을 극대화하는 알고리즘이 사용된다. 이러한 알고리즘은 프로세서나 다른 디지털 로직을 통해 몇몇 실시예들에서 적용되지만, 다른 실시예들에서는 아날로그 필터와 같은 다른 회로를 통해 구현된다. 룩업 테이블이 사용되는 몇몇 실시예에서, 룩업 테이블을 포함하는 엔트리들의 수와 엔트리들의 값은 인출된 전류에서의 변화에 대한 전압 조정기 회로의 소정의 반응에 기초하여 선택된다.
본 발명의 가변 주파수 펄스 진폭 변조된 전압 조정기는 몇몇 실시예에서 전원 또는 컴퓨터 인쇄 회로 마더보드와 같은 전자 회로 어셈블리의 일부일 수 있다. 통상의 컴퓨터가 다양한 출력 전압들에 다른 전류 능력을 제공하는 여러 가지 전압 조정기들을 구비한 전원을 갖는다고 해도, 때때로 마더보드 또는 다른 전자 회로 어셈블리 상에 그 이상의 전압 조정 또는 감소를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 1.6V 또는 3.3V로 구동하는 프로세서를 구비한 컴퓨터에서, 전원 신호는 많은 경우 프로세서 근방에서 동작하며 단지 프로세서만을 공급하는 전압 조정기에 의해 제공되어, 프로세서는 다른 회로들과 분리된 잘 조정되고 차단된 전원 신호를 수신한다. 그러므로, 가변 주파수 펄스 폭 변조된 전압 조정기와 일체화된 마더보드, 마더보드 칩셋, 프로세서 모듈, 및 다른 회로 어셈블리는 이들의 향상된 효율과 다른 유리한 특성으로 인해 바람직하며, 본 발명의 범주 내에 있다.
본 명세서에 나타낸 예제들은 본 발명에 따른 가변 주파수 펄스 폭 변조된 전압 조정기 회로가 어떻게 향상된 효율 및 감소된 전력 소모를 제공할 수 있는지를 설명한다. 특정 실시예들이 예시되고 기술되었다고 해도, 당업자라면 동일한 목적을 달성하기 위해 계산된 임의의 구성이 도시된 특정 실시예들을 대체할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이 출원은 본 발명의 임의의 적응 또는 변동을 커버하도록 의도된다. 본 발명은 특허청구범위 및 그 동등물의 전체 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (23)

  1. 펄스 폭 변조 전압 조정기로서,
    펄스 폭 변조 회로와,
    부하 전류(load current)가 증가하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 감소시키고, 상기 부하 전류가 감소하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 상기 펄스 변조 주파수를 증가시키도록 작동 가능하며, 또한 상기 펄스 폭 변조 전압 조정기의 펄스 폭 및 주파수 양쪽을 독립하여 변경하도록 작동 가능한 제어 회로
    를 포함하는 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 다양한 부하 전류 레벨들에 대한 펄스 폭 변조 회로 주파수를 결정하기 위해 룩업 테이블(lookup table)을 사용하는 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 프로세서를 포함하는 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 또한 전압 조정기 회로 출력 전압의 변동에 응하여 상기 펄스 폭 변조 회로의 듀티 사이클(duty cycle)을 변화시키도록 작 동 가능한 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 최저 펄스 폭 변조 회로 주파수를 최소 주파수로 제한하도록 작동 가능한 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 최소 주파수는 200kHz 내지 1MHz 사이의 값을 갖는 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 또한 최고 펄스 폭 변조 회로 주파수를 최대 주파수로 제한하도록 작동 가능한 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 회로는 전류 부하없이 상기 최대 주파수로 작동하는 펄스 폭 변조 전압 조정기.
  9. 펄스 폭 변조 전압 조정기 회로의 동작을 조정(regulate)하는 방법으로서,
    부하 전류가 증가하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 감소시키는 단계와,
    상기 부하 전류가 감소하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 상기 펄스 변조 주파수를 증가시키는 단계
    를 포함하며, 상기 펄스 폭 변조 전압 조정기는 상기 펄스 폭 변조 전압 조 정기의 펄스 폭 및 주파수 양쪽을 독립하여 변경하도록 작동 가능한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 다양한 부하 전류 레벨들에 대한 펄스 폭 변조 회로 주파수를 결정하기 위해 룩업 테이블을 사용하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 전압 조정기 회로의 동작은 제어 회로를 통해 실행되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 회로는 프로세서를 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 전압 조정기 회로 출력 전압의 변동에 응하여 상기 펄스 폭 변조 회로의 듀티 사이클을 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 최저 펄스 폭 변조 회로 주파수를 최소 주파수로 제한하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 최소 주파수는 200kHz 내지 1MHz 사이의 값을 갖는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 최고 펄스 폭 변조 회로 주파수를 최대 주파수로 제한하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 회로는 전류 부하없이 상기 최대 주파수로 작동하는 방법.
  18. 전압 조정 모듈을 포함하는 전자 회로 어셈블리로서, 상기 전압 조정 모듈은,
    펄스 폭 변조 회로와,
    부하 전류가 증가하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 감소시키고, 상기 부하 전류가 감소하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 상기 펄스 변조 주파수를 증가시키도록 작동 가능하며, 또한 상기 전압 조정 모듈의 펄스 폭 및 주파수 양쪽을 독립하여 변경하도록 작동 가능한 제어 회로
    를 포함하는 전자 회로 어셈블리.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어 회로는 프로세서를 포함하는 전자 회로 어셈블리.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제어 회로는 또한 전압 조정기 회로 출력 전압의 변동에 응하여 상기 펄스 폭 변조 회로의 듀티 사이클을 변화시키도록 작동 가능한 전자 회로 어셈블리.
  21. 프로세서 및 전압 조정 모듈을 포함하는 컴퓨터 시스템으로서, 상기 전압 조정 모듈은,
    펄스 폭 변조 회로와,
    부하 전류가 증가하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 펄스 변조 주파수를 감소시키고, 상기 부하 전류가 감소하는 경우 상기 펄스 폭 변조 회로의 상기 펄스 변조 주파수를 증가시키도록 작동 가능하며, 또한 상기 전압 조정 모듈의 상기 펄스 폭 및 주파수 양쪽을 독립하여 변경하도록 작동 가능한 제어 회로
    를 포함하는 컴퓨터 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제어 회로는 프로세서를 포함하는 컴퓨터 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 상기 제어 회로는 또한 전압 조정기 회로 출력 전압의 변동에 응하여 상기 펄스 폭 변조 회로의 듀티 사이클을 변화시키도록 작동 가능한 컴퓨터 시스템.
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