KR100819851B1 - 직류/직류 스탭-업 컨버터 및 그 제어 방법. - Google Patents

직류/직류 스탭-업 컨버터 및 그 제어 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류/직류 스탭-업 컨버터(DC/DC step-up converter)에 관한 것으로, 출력전압을 0부터 증가시키도록 개시 운전하는 직류/직류 스탭-업 컨버터에 관한 것이다.
본 발명에서, 직류/직류 스탭-업 컨버터는 소프트-스타트(soft-start) 회로를 포함하고, 소프트-스타트 방법과 피크 전류 제어(peak-current control)에 의한 전류-모드 제어(current-mode control)를 이용한다. 출력전압은 인덕터에 유입전류(in-rush current)없이 0으로부터 정해진 모양으로 원하는 전압레벨로 출력한다. 소프트-스타트 시간은 2개의 구간으로 나뉜다.
직류/직류 스탭-업 컨버터(DC/DC step-up converter), 유입전류(in-rush current), 소프트-스타트(soft-start)

Description

직류/직류 스탭-업 컨버터 및 그 제어 방법.{DC/DC step-up converter and control method thereof}
도1은 종래의 직류/직류 스탭-업 컨버터의 전압과 전류특성의 예를 도시한 것이다.
도2는 본 발명에 의한 직류/직류 스탭-업 컨버터의 일 실시예를 도시한 것이다.
도3은 도2에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 출력전압과 기준전압의 특성을 도시한 것이다.
도4는 도2에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 제1 및 제2 래치(RS1, RS2)의 출력특성을 도3의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
도5는 도2에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 인덕터 전류와 PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자의 입력특성을 도3과 도4의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
도6은 본 발명에 의한 직류/직류 스탭-업 컨버터의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도7은 도6에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 출력전압과 기준전압의 특성을 도시한 것이다.
도8은 도6에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 제1 및 제2 래치(RS1, RS2)의 출력특성을 도7의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
도9는 도6에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 인덕터 전류와 PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자의 입력특성을 도7과 도8의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
본 발명은 직류/직류 스탭-업 컨버터(DC/DC step-up converter)에 관한 것으로, 출력전압을 0부터 증가시키도록 개시 운전을 하는 직류/직류 스탭-업 컨버터에 관한 것이다.
직류/직류 스탭-업 컨버터는 많은 전력관리 시스템에 있어서 중요한 부분을 차지한다. 많은 장치에 있어서, 장치에 인가되는 공급 전압은 상용 베터리의 전압보다 높아야 하기 때문에, 입력전압을 상승시켜 출력하는 직류/직류 스탭-업 컨버터(DC/DC step-up converter)를 사용하게 된다.
종래의 직류/직류 스탭-업 컨버터는 최대 전류 제어(peak current control)를 이용한 전류 모드 제어 운전(current mode control operation)이 사용되었다. 전류 모드 제어 동작은 저항 분할기(resistor divider)와 같은 피드-백 네트워크(feed-back network)로부터 출력 부하에서의 출력 전압을 측정하여 기준 전압과 비교한다. 이렇게 비교된 전압차에 해당하는 오차는 누적되고, 누정된 오차 정보는 인덕터의 최대 전류 정보와 비교된다. 인덕터의 최대 전류 정보는 전류 측정 회로로부터 얻어질 수 있다. 이러한 비교에 의해 전력 스위치의 듀티 사이클(duty cycle)를 조절하게 된다.
그러나, 종래의 직류/직류 스탭-업 컨버터는 시작 용량에 있어 문제점이 있다. 시작 단계에서 피드백 출력 전압은 일반적인 동작의 기준 전압에 비해 매우 작기 때문에, 컨버터의 전력 스위치는 출력전압을 원하는 동작 점까지 빠르게 증가시키기 위해 많은 기간동안 턴-온되어야 한다. 따라서, 인덕터에는 많은 전류가 흐르고, 많은 에너지가 축적되어 장치에 손상을 입히거나 성능을 열화시키는 위험성을 유발하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래의 많은 직류/직류 스탭-업 컨버터는 파워 스위치의 듀티 사이클을 천천히 증가시켜 소프트-스타트(soft-start) 유입전류(in-rush current)를 줄이는 방법으로 문제를 해결하려 하였다. 도1은 종래의 직류/직류 컨버터의 전압과 전류특성의 예를 도시한 것으로 듀티 사이클 한계가 35%, 45%, 55%, 그리고 65%의 단계로 증가된다. 따라서 인덕터 유입 전류가 그렇게 크지 않다. 그러나 이러한 종래의 소프트-스타트 방법은 다음과 같은 두 가지 문제점이 있다.
첫째, 각 단계에서의 최대 듀티 사이클은 출력전압의 관계에 따라 결정되기 때문에, 컨버터의 스위치는 출력전압을 증가시키기 위해 최대의 듀티 사이클로 운전된다. 따라서 전류 흐름은 출력전압을 증가시키기 위해 필요한 수준보다 훨씬 크게 되어, 인덕터에 예상치 못한 에너지를 저장하게 된다.
둘째, 종래의 직류/직류 스탭-업 컨버터는 출력단에서 정류기로 다이오드를 사용하기 때문에 출력전압은 소프트-스타트시점에서 0으로부터 증가하지 않고, 입력전압수준의 근방에서부터 증가하게 된다. 따라서, 컨버터가 정지 상태에서도 소정의 출력전압을 갖게 된다. 이러한 소정의 출력전압은 부하 회로에 전류의 누수를 유발하고, 예기치 못한 전력소모가 발생하게 된다. 최근에 다이오드 대신 MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor)을 사용한 동기 정류기를 사용한 직류/직류 컨버터가 있다. 동기 정류기는 정지 상태에서 출력전압을 0으로 유지하지만, 소프트-스타트에서 전력 스위치의 듀티 사이클이 점점 증가하여 인덕터에 에너지가 축적되고, 초과 전류가 흐르게 된다. 이는 소프트-스타트의 시작점에서 출력 전압이 입력 전압에 비해 매우 작기 때문이다. 이러한 압력차 때문에, 전류가 감소도록 방전되는 것이 아니라, 주 스위치가 턴-온될 때, 전류가 인덕터에 충전하기 시작해서, 출력 스위치가 턴-온(turn-on)될 때까지 충전된다. 결과적으로, 이러한 전류흐름이 문제점을 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 개시 운전 동안에 예기치 않은 초과 전류가 흐르는 것을 방지하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 출력전압이 입력전압보다 작을 때, 출력 전압을 상승시키기 위해 에너지를 축적할 필요없이 입력전압 그 자체로 충분하도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 출력전압이 입력전압보다 작을 때, 초과 전류를 제거하는 소프트-스타트 방법을 제공하고, 부수적으로, 인덕터의 피크전류를 잘 제어하여, 출력전압이 입력전압보다 크게 될 때, 원치 않는 초과 전류를 줄이는 것에 있다.
본 발명에 의한 직류/직류 스텝-업 컨버터는 인덕터와 상기 인덕터의 양단에 전기적으로 접속된 제1스위치를 포함하는 입력부; 상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되는 제2스위치를 포함하는 제어부; 상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되고, 상기 입력부의 출력신호를 출력하기 위한 제3 스위치와 커패시터를 포함하는 출력부; 및 상기 제1 내지 제3 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 포함하고, 상기 스위치 제어부는, 상기 출력부의 출력전압이 상기 입력부의 입력전압보다 작은 때인 제1 구간에서, 상기 제1 스위치는 온(on)이고, 상기 제2 스위치는 오프(off)이며, 상기 제3 스위치는 스위칭(switching)되도록 제어한다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 제3 스위치는 스위칭되고, 상기 출력부의 출력전압은 0으로부터 기설정된 파형으로 증가시키는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나, 상기 출력부로부터의 궤환신호가 기설정된 기준전압레벨보다 큰 때에 상기 제3 스위치를 턴-오프시키도록 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 출력전압이 입력전압보다 큰 때인 제2 구간에서, 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나, 상기 제3 스위치가 턴-오프된 후 상기 제2 스위치가 다음 스위칭 사이클에서 턴-온되기 전에 상기 제1 스위치가 턴- 온되도록 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 출력전압이 입력전압보다 큰 때인 제2 구간에서, 상기 인덕터에 흐르는 전류가 기설정된 기준전류값보다 큰 때에 상기 제2 스위치를 턴-오프하도록 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 출력전압이 입력전압보다 큰 때인 제2 구간에서, 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나, 상기 출력부로부터의 궤환신호가 기설정된 기준 전압레벨보다 큰 때에, 또는, 스위칭 사이클의 끝에서 상기 제3 스위치를 턴-오프하도록 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 출력전압이 입력전압보다 큰 때인 제2 구간에서, 프리횔링(freewheeling)을 위해 상기 제1 스위치를 턴-오프, 상기 제2 스위치를 턴-오프 그리고 상기 제3 스위치를 턴-오프하도록 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 출력전압이 입력전압보다 큰 때인 제2 구간에서, 상기 제2 스위치를 턴-온, 상기 제1 및 제3 스위치를 턴-오프하고 나서, 인덕터를 흐르는 전류가 기설정된 전류값보다 큰 때에 상기 제2 스위치를 턴-오프, 상기 제3 스위치를 턴-온하고, 그 다음에 상기 제2스위치를 턴-오프, 상기 제3스위치를 턴-온하고, 그 다음에 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 전압레벨보다 큰 때 또는 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않는 때 또는 스위칭 사이클의 끝에서 상기 제3스위치가 턴-오프되고, 그 다음에 상기 제3스위치가 턴-오프, 상기 제1 스위치가 턴-온되고, 그 다음에 다음 스위칭 사이클의 시작에서 상기 제1 스위치가 턴-오 프되도록 순서적으로 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 인덕터의 일단은 상기 제1 및 제3 스위치 각각의 일단과 전기적으로 접속되고, 상기 제3 스위치의 타단은 상기 커패시터에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 인덕터와 상기 제2 스위치에 흐르는 전류를 측정하는 전류센싱회로; 상기 출력부에 접속되어 상기 궤환신호를 발생하는 출력신호궤환부; 상기 인덕터 피크 전류 신호의 기울기를 제어하는 전류 램프 제어 회로; 상기 출력신호궤환부의 출력신호와 상기 전류 램프 제어 회로의 출력신호를 비교하는 제1 비교기; 상기 전류 램프 제어 회로에 의한 신호와 상기 전류센싱회로의 출력신호를 비교하는 제2 비교기; 및 상기 전류센싱회로와 함께 상기 인덕터의 피크 전류를 결정하기 위해 제어루프를 제공하는 증폭기를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 컨버터는 상기 출력부를 둘 이상 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 직류/직류 스텝-업 컨버터의 제어방법은 인덕터와 상기 인덕터의 양단에 전기적으로 접속된 제1스위치를 포함하는 입력부와 상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되는 제2스위치를 포함하는 제어부와 상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되고, 상기 입력부의 출력신호를 출력하기 위한 제3 스위치와 커패시터를 포함하는 출력부 및 상기 제1 내지 제3 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 포함하는 직류/직류 스텝-업 컨버터에서, 상기 출력부의 출력전압이 상기 입력부의 입력전압보다 작은 제1 구간에서, (a) 상기 제1 스위치는 온(on)이고, 상기 제2 스 위치는 오프(off)이며, 상기 제3 스위치는 스위칭(switching)하는 단계; 및 (b) 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나, 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 기준전압레벨보다 큰 때에 상기 제3 스위치가 턴-오프되는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 출력전압이 상기 입력전압보다 큰 제2 구간에서, (c) 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나, 상기 제3스위치가 턴-오프된 후 상기 제2 스위치가 다음 스위칭 사이클에서 턴-온되기 전에 상기 제1 스위치를 턴-온하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 출력전압이 상기 입력전압보다 큰 제2 구간에서, (d) 상기 인덕터에 흐르는 전류가 기설정된 기준전류 값보다 큰 때에 상기 제3 스위치를 턴-오프하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 출력전압이 상기 입력전압보다 큰 제2 구간에서, (e) 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나, 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 전압레벨보다 큰 때, 또는 스위칭 사이클의 끝부분에서 상기 제3스위치를 턴-오프하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 출력전압이 상기 입력전압보다 큰 제2 구간에서, (f) 프리휠링(freewheeling)을 위해 상기 제1스위치는 턴-온, 상기 제2 스위치는 턴-오프 그리고 상기 제3 스위치는 턴-오프하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 출력전압이 상기 입력전압보다 큰 제2 구간에서, (g) 상기 제2 스위치는 턴-온, 상기 제1 및 제3 스위치는 턴-오프하는 단계; (h) 상기 인덕터에 흐르는 전류가 기설정된 기준 전류값보다 큰 때에 상기 제2 스위치가 턴-오프되는 단계; (i) 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 기준전압레벨보다 크거나, 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않는 때에 상기 제3 스위치가 턴-오프되는 단계; (j) 상기 제3 스위치가 턴-오프되고, 상기 제1 스위치가 턴-온되는 단계; 및 (k) 다음 스위칭 사이클의 시작에서 상기 제1 스위치가 턴-오프되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 소프트-스타트(soft-start) 회로를 포함하는 직류/직류 스탭-업 컨버터(이하, 간단히 ‘컨버터’라 한다)이다. 본 발명은 소프트-스타트 방법과 피크-전류 제어와 같은 전류-모드 제어를 이용한다. 출력전압은 인덕터에 유입(in-rush) 전류 없이 0으로부터 정해진 모양으로 원하는 레벨의 전압이 출력된다. 이러한 소프트-스타트 시간은 2개의 구간으로 나뉜다.
제1구간에서는 컨버터가 작동된 후, 0으로부터 상승하는 출력전압이 입력전압보다 작을 때 프리휠(freewheel) 스위치, 비교기(comparator), 저항-피드백망(resister-feedback network), 램프발생기(ramp generator)에 의해 컨버터를 인덕터없는 LDO(Low Drop Output)처럼 작동되도록 한다. 이 구간에서는 주 스위치가 항상 오프(off)상태에 있고, 프리휠 스위치도 항상 온(on)되어 있다. 출력전압이 입력전압보다 작을 때, 이 스위치들로 인해 종래의 컨버터에서 발생하는 유입 전류를 완전히 제거하고, 출력전압이 0으로부터 증가시키게 하는 소트프-스타트 상태를 유지하게 된다.
소프트-스타트의 제2구간은 출력전압이 입력전압에 근접했을 때에 시작한다. 이 구간에서 컨버터의 인덕터에 에너지를 저장하고, 출력전압을 상승시키기 위해 주 스위치를 동작시킨다. 인덕터의 피크 전류를 제한하기 위한 피크전류 제어 방법에 의해 피크전류가 제어되고, 듀티-사이클은 서서히 증가하며, 출력전압은 최종적으로 요구되는 전압에 도달할 때까지 램프 신호를 비례적으로 따라가게 된다.
이러한 두 개 구간의 소프트-스타트에 의해 인덕터로의 유입(in-rush) 전류를 완전히 막을 수 있고, 출력전압을 0으로부터 증가시킬 수 있게 된다.
프리휠 스위치는 인덕터의 양단을 접속시키는 스위치로 프리휠 스위치가 온(on)되면, 인덕터의 양단이 단락(short)된다. "프리휠링(freewheeling)“이라는 단어는 스위치가 턴-온(turn-on)되면, 잔여전류가 스위치와 인덕터에 의해 형성되는 루프에서 프리휠링되는 현상에서 유래한다. 프리휠링이 될 때, 인덕터는 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance; ESR)을 갖고, 스위치는 온-저항(on-resistance)을 갖기 때문에, 인덕터에 충전된 전류는 감소하게 된다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하며 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명에 의한 직류/직류 스탭-업 컨버터의 일 실시예를 도시한 것이다.
본 발명에 의한 직류/직류 스탭-업 컨버터는 인덕터(L1), 인덕터(L1)의 양단에 접속된 프리휠 스위치(10)를 포함하는 입력부, 입력부의 출력신호를 제어하기 위해 인덕터(L1)의 일단과 일단이 접속된 주 스위치(11)를 포함하는 제어부, 입력부의 출력신호를 입력받아 출력하는 출력 스위치(12)와 출력 스위치(12)의 타단과 접속된 커패시터(Co)를 포함하는 출력부, 그리고 스위치들(10,11,12)을 제어하는 스위치 제어부를 포함한다.
인덕터(L1)의 일단은 주 스위치(11)의 일단과 출력 스위치(12)의 일단에 각각 전기적으로 접속되고, 출력 스위치(12)의 타단은 커패시터(Co)와 전기적으로 접속된다.
스위치 제어부에는 출력 전압(V_out)을 피드백(feedback)하는 저항 분할기(R1-R2), 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로(100), 램프 신호(Vramp)를 발생시키는 램프 발생기(150), 전류 램프 신호를 제어하는 전류 램프 제어 회로(140), 제1 래치(RS1)와 제2 래치(RS2), 제1 및 제2 비교기(CP1, CP2), 제3 비교기(PWM_CP), 증폭기(OTA), 디지털 블록(200) 그리고 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 포함한다.
디지털 블록(200)에는 프리휠 스위치(10), 주 스위치(11) 그리고 출력 스위치(12)를 제어하기 위한 게이트 드라이버(110), 스위치 제어 디지털 블록(120)을 포함하고, 디지털 블록(200)은 주파수 발생기(130)에 의해 제어된다.
컨버터의 일반 운전에서, 출력전압(V_out)이 정상상태(steady-state)에 있을 때, 제1비교기(CP1)와 전류램프제어회로(Current ramp control circuit; 140)는 에너지를 절약하기 위해 전류소비가 없는 정지 상태에 있어, 효율을 증가시킨다.
이러한 정상상태에서, 제1비교기(CP1)의 출력(500)은 차단되어 컨버터의 운전에 영향을 미치지 않는다. 제1스위치(S1)는 제1단자(1)에 연결되고, 전류램프제 어회로(140)는 피크전류제어루프의 보상커패시터(compensation capacitor; Cc)의 전압에 영향을 미치지 않는다.
칩활성화(chip-enable) 신호는 컨버터를 동작시키도록 하는 신호이고, 이에 의해 소프트-스타트가 개시된다. 본 발명에서 칩활성화 신호는 시간 0에서 시작한다. 컨버터가 비활성화될 때, 비활성화(disable)신호는 제1래치(RS1)와 제2래치(RS2)를 로우(low)로 리셋하고, 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 각각 제2단자(2)에 연결되며, 새로운 소프트-스타트를 준비한다.
도3과 도7에서 도시된 V_battery는 입력전압(V_in)을 지시한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 소프트-스타트의 운전은 2개의 구간으로 나뉜다. 제1구간은 출력전압이 0으로부터 시작하여 입력전압의 근방까지 증가한다. 제2구간은 제1구간의 다음부터 시작하여 출력전압이 요구된 전압레벨이 될 때까지이다. 그 이후는 안정화된다.
<제1실시예>
본 발명에 의한 제1실시예는 도2 내지 도5에 도시된 도면을 참조하여 설명한다.
도2는 본 발명에 의한 직류/직류 스탭-업 컨버터의 일 실시예를 도시한 것이다.
도3은 도2에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 출력전압과 기준전압의 특성을 도시한 것이다.
도4는 도2에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 제1 및 제2 래치(RS1, RS2)의 출력특성을 도3의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
도5는 도2에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 인덕터 전류와 PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자의 입력특성을 도3과 도4의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
제1실시예에서의 소프트-스타트는 2개의 구간을 포함한다.
제1구간에서는 도2에 도시된 컨버터가 활성화된 후, 출력전압(V_out)은 입력전압(V_in)보다 매우 작으며, 0으로부터 증가한다. 즉, V_out < V_in_d 이다. 여기서, V_in_d=V_in-v이고, v는 출력 스위치(12)가 턴-온(turn-on)될 때, 프리휠 스위치(10)와 출력(output) 스위치(12)에 할당되는 작은 전압을 의미한다. 이러한 v는 소프트-스타트의 안전한 운전을 위해 설정되거나, 제1구간의 끝을 안전하게 감지하기 위한 것이다. 이에 의해 제1비교기(CP2)의 출력은 로우(low)상태가 된다.
칩활성화가 되기 전부터 제1래치(RS1)의 출력(500)은 로우(low)상태이고, 디지털 블럭(200)에 의해 프리휠 스위치(10)는 온(on)상태를 유지하고, 주(main) 스위치(11)는 오프(off)상태를 유지한다. 피크전류제어운전은 수행되지 않는다.
바람직하게는, 프리휠 스위치(10)는 PMOS 스위치, 주스위치(11)는 NMMOS 스위치, 출력 스위치(12)는 PMOS 스위치이다.
바람직하게는, 제1 및 제2 래치(RS1, RS2)는 RS(Reset-Set) 래치이다.
전류센싱회로(100)의 출력(320)과 PWM비교기(PWM_CP)의 출력(520)은 스위치 제어 디지털 블록(120)에서 차단되어 제1구간의 운전에서는 무시된다.
전류센싱회로(100)의 출력(320)은 인덕터(L1) 전류의 상태를 지시한다. 전류센싱회로(100)의 출력(320)은 인덕터(L1) 전류가 0 보다 큰 경우 로우(low)이고, 인덕터(L1) 전류가 0을 지나면 하이(high)로 변화된다. 전류센싱회로(100)의 출력(320)이 하이(high)로 되면, 출력 스위치(12)는 턴-오프된다.
램프발생기(Ramp generator; 150)에 의해 발생된 램프신호(Vramp)는 0으로부터 증가한다. 소프트-스타트에서 램프신호(Vramp)의 전압은 밴드갭기준전압(V-bandgap)보다 작기 때문에, 제3비교기(CP3)의 출력은 로우이고, 제2래치(RS2)의 출력(530)도 로우이며, 제2비교기(CP2)와 제1래치(RS1)도 각각 로우이다. 제2래치(RS2)의 출력(530)인 로우신호에 의해 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)가 각각 제2단자(2)에 연결된다.
증폭기(OTA)의 비반전입력단자(+)와 제1비교기(CP1)의 반전입력단자(-)에 기준전압(Vref_ss400)이 연결되고, 전류램프제어회로(140)에 의해 기준전압(Vref_ss400)은 램프신호(Vramp)가 밴드갭기준전압(V_bandgab)보다 커질 때까지 램프신호(Vramp)를 따라 증가한다.
제1구간에서 제1비교기(CP1)의 출력신호(500)와 주파수 발생기(Frequency generator; 130)의 클록신호(131)는 출력 스위치(12)를 제어하는 데에 사용된다.
제1 구간의 시작에서는 디지털 블록(200)에 의해, 출력 스위치(12)가 턴-온되고, 출력 커패시터(Co)가 충전된다. 스위칭 사이클은 한 주기 동안 프리휠 스위치(10), 주 스위치(11), 출력 스위치(12)를 스위치하는 사이클이다. 출력전압(V_output)의 증가는 저항 분할기(resistor divider; R1-R2)에 의해 분할되고, R1과 R2사이의 피드백전압(Vfb401)은 증가하는 기준전압(Vref_ss400)과 비교된다.
피드백전압(Vfb401)이 기준전압(Vref_ss400)보다 크게 되면, 제1비교기(CP1)의 출력(500)은 로우로부터 하이로 변화되고, 디지털블록(200)에 의해 출력 스위치(12)는 턴-오프된다. 피드백전압(Vfb401)이 기준전압(Vref_ss400)보다 여전히 큰 동안에 출력 스위치(12)는 계속 턴-오프되고, 제1비교기(CP1)의 출력(500)도 계속 하이로 된다.
램프신호(Vramp)가 증가함에 따라 증가되는 기준전압(Vref_ss400)이 피드백전압(Vfb401)보다 크게 되면 출력 스위치(12)가 턴-온된다.
제1구간 동안에는 주 스위치(11)는 오프되고, 프리휠 스위치(10)는 온된다. 프리휠 스위치(10)는 계속 온상태를 유지하고, 출력 스위치(12)가 턴-온되면, 인덕터(L1)의 양단은 연결되어 전류가 출력커패시터(Co)로 흐르는 것을 도와주게 되고, 인덕터(L1)에 매우 작은 전류를 충전하게 된다. 이러한 매우 작은 전류는 출력 스위치(12)가 턴-오프될 때, 프리휠 스위치(10)의 온-저항과 인덕터의 등가직렬저항(Equivalent series resistance; ESR)에 의해 방전된다.
인덕터(L1)에 의해 형성된 루프의 프리휠 전류와 프리휠 스위치(10)는 손실에 기여하게 되지만, 충전된 인덕터 전류는 매우 작기 때문에 무시할 수 있는 정도이다. 바람직하게는 프리휠 스위치(10)의 크기가 충분히 큰 경우, 프리휠 스위치(10)의 온-저항은 거의 제로에 가깝게 되고, 인덕터(L1)에 전류가 충전되지 않는다.
출력전압(V_out)이 입력전압(V_in)-v 보다 작은 경우, 컨버터는 프리휠 스위치(10), 제1비교기(CP1), 저항-피드백망(R1-R2), 디지털 블록(200) 그리고 램프 발생기(150)에 의해 인덕터없는 LDO처럼 작동하게 된다. 여기서, v는 출력 스위치(12)가 턴-온될 때, 프리휠 스위치(10)와 출력 스위치(12)에 할당되는 작은 전압을 의미한다.
이렇게 제1구간에서는 주 스위치(11)는 항상 오프상태이고, 프리휠 스위치(10)는 항상 온상태가 된다. 출력전압(V_out)이 입력전압(V_in)보다 작은 때에는, 이러한 스위치(10,11)의 상태에 의해, 출력전압(V_out)은 0으로부터 증가하게 되어 소프트-스타트로 운전되는 것이 유지되면서, 종래의 컨버터의 인덕터에서 발생되던 유입전류는 완전히 제거하게 된다.
제2구간은 출력전압(V_out)이 입력전압(V_in)에 근접하게 될 때 시작된다. 즉, V_out=V_in-v일 때 제2구간이 시작된다. 여기서 v는 출력 스위치(12)와 프리휠 스위치(10)에 할당되는 전압강하를 의미한다.
제2구간이 시작되면, 인덕터(L1)에 에너지를 저장하기 위해 주 스위치(11)는 온되고, 프리휠 스위치(10)는 오프된다. 전류제어회로(100)에 의해 전류가 0이 됨을 감지한 경우, 출력 스위치(12)를 오프시키며, 프리휠 스위치(10)를 온시킨다.
인덕터의 피크전류를 제한하기 위한 피크전류 제어 방법에 의해 피크전류는 제어되고, 듀티-사이클은 서서히 증가하게 되며, 출력전압(V_out)은 원하는 값에 도달할 때까지 램프신호(Vramp)를 따라 비례적으로 증가한다.
제2구간에서는 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 각각 제2단자(2)에 연결된 상태이므로, 각각 전류램프제어회로(140)와 램프발생기(150)와 연결된다. 따라서 기준전압(Vref_ss400)은 램프신호(Vramp)가 된다. 전류램프제어회로(140)는 버퍼를 포함할 수 있고, 보상 커패시터(Cc)의 전압레벨을 결정하고, 인턱터(L1)의 피크전류를 제한한다.
전류램프제어회로(140)는 도3에 도시된 기준전압(Vref_ss400) 파형을 도5에 도시된 낮은 기울기와 전압레벨에 차를 가진 램프신호(3001)의 파형으로 변화하게 한다. 이것은 증폭기(OTA) 출력의 활동 지역 안에 있어, 전류 센싱 회로(100)에 적합하게 된다. 따라서, PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자(-)의 입력(300)은 전류 램프 제어 회로(140)에 의해 결정되고, 증폭기(OTA)의 출력에 의해 결정되지 않는다.
제1실시예에서의 제2구간에서는 제1비교기(CP1)는 증가하는 출력전압(V_out)을 조정하고, 기준전압(Vref_ss400)을 비례적으로 따라가게 한다.
피크전류정보(310)가 PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자(-)의 입력(300)보다 크게 되면, PWM비교기(PWM_CP)의 출력(520)은 하이로 변경되어, 디지털 블록(200)을 통해, 주 스위치(11)는 턴-오프되고, 출력 스위치(12)는 턴-온된다. 이에 의해 전류는 출력커패시터(Co)에 충전된다.
제1비교기(CP1)는 피드백전압(Vfb401)과 기준전압(Vref_ss400)을 비교한다. 출력전압이 실질적으로는 램프신호(Vramp)에 해당하는 기준전압(Vref_ss400)을 따라 증가하게 하기 위해, 피드백전압(Vfb401)이 기준전압(Vref_ss400)보다 크게 되면, 출력 스위치(12)는 턴-오프된다.
프리휠 스위치(10)는 주 스위치(11)와 출력 스위치(12)가 턴-오프일 때 턴-온되어, 인덕터(L1)와 프리휠 스위치(10)의 루프에 전류가 프리휠되도록 한다.
제2구간에서는 출력전압(V_out)이 입력전압(V_in)보다 작지 않기 때문에, 주 스위치(11)가 턴-온되는 동안에 인덕터 전류가 충전되고, 듀티 사이클의 끝부분에서 피크전류가 감지된다.
피크 인덕터전류는 전류램프제어회로(140)에 의해 미리 결정되고 감지되기 때문에, 인덕터(L1)의 유입전류는 미리 결정되어, 도5에 도시된 바와 같이, 크지 않다. 전류램프제어회로(140)를 조절하여 최대 피크전류를 400mA이하로 유지할 수 있으며, 이정도의 피크전류는 출력전압(V_out)이 원하는 전압레벨로 도달할 수 있도록 한다.
제1실시예에 따른 제2구간에서는 출력전압(V_out)이 제1비교기(CP1)에 의해 기준전압(Vref_ss400)을 따라 비례적으로 증가하도록 조성되고, 피크 인덕터전류는 전류램프제어회로(140)에 의해 미리 결정된다.
램프신호(Vramp)가 밴드갭기준전압(V_bandgap)에 도달하게 될 때, 출력전압(V_out)은 원하는 전압레벨에 도달하게 된다.
제3비교기(CP3)의 출력은 하이로 바뀌고, 제2래치(RS2)의 출력(530)은 도4에 도시된 바와 같이, 하이로 설정된다. 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 각각 제1단자(1)와 연결된다.
결국, 기준전압(Vref_ss400)은 정상상태에 도달하게 되고, 밴드갭기준전압(V_bandgap)과 동일하게 된다. 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 컨버터가 비활성화될 때까지 바뀌지 않는다. 제2구간의 이시점에서는 증폭기(OTA)는 컨버터의 루프를 제어하고, 출력전압(V_out)을 정상상태로 조정한다.
보상 커패시터(Cc)는 소프트-스타트의 끝부분에서 전류램프제어회로(140)에 의해 결정된 전압을 갖게 됨에 따라, 인덕터(L1)에 저장된 잔여 에너지는 도3 및 도5에 도시된 바와 같이, 출력전압(V_out)에 다소의 오버슈트(overshoot)를 주게 된다. 그러나 기준전압(Vref_ss400)이 정상상태에 이르게 됨에 따라, 증폭기(OTA)와 컨버터 루프는 이를 안정화시켜, 인덕터의 피크 전류를 바로 줄일 수 있게 되고, 출력전압(V_out)도 빠른 시간 내에 정상상태에 도달하게 한다. 기준전압(Vref_ss400)의 정상상태는 밴드갭기준전압(V_bandgap)에 한정되지는 않는다.
<제2실시예>
본 발명에 의한 제2실시예는 도6 내지 도9에 도시된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도6은 본 발명에 의한 직류/직류 스탭-업 컨버터의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도7은 도6에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 출력전압과 기준전압의 특성을 도시한 것이다.
도8은 도6에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 제1 및 제2 래치(RS1, RS2)의 출력특성을 도7의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
도9는 도6에 도시된 직류/직류 스탭-업 컨버터의 인덕터 전류와 PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자의 입력특성을 도7과 도8의 시간축과 비교하여 도시한 것이다.
제2실시예는 제1스위치(S1)의 제어신호에 있어 제1실시예와 다른 점을 가지고 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 제1스위치(S1)는 제1래치(RS2)의 출력(530)이 아닌 제1래치(RS1)의 출력(510)에 의해 제어된다. 제1래치(RS1)가 로우인 동안에는 제1스위치(S1)는 제2단자(2)에 연결되어, PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자(-)의 입력은 전류램프제어회로에 의해 결정된다.
제2실시예의 소프트-스타트는 제1실시예와 같이 2개의 구간으로 구성되며, 제1구간은 제1실시예에서의 제1구간과 동일하다. 따라서, 이하에서는 제2실시예의 제2구간에 대해서 설명하기로 한다.
제2구간에서는 제1비교기(CP1)는 사용되지 않고, 소프트-스타트 운전에 영향을 주지 않는다. 따라서, 정지모드에서 제1비교기(CP1)의 출력(500)은 차단되고, 전류소비가 없게 되어 효율이 증가한다.
PWM비교기(PWM_CP)의 반전입력단자(-)의 입력을 증폭기(OTA)의 출력 활동 지역(active region)으로 가져가도록 하기 위해, 전류램프제어회로(140)는 소프트-스타트의 제1구간에서만 사용된다. 따라서, 전류램프제어회로(140)는 밴드갭기준전압(V_bandgap)으로부터 얻어진 고정전압을 위한 전압 버퍼를 포함한다. 제1구간의 끝부분에서는 제2구간에서의 보상 커패시터(Cc)의 초기전압이 설정된다.
제2구간이 시작되고 제1래치(RS1)가 하이로 변경될 때, 제1래치(RS1)의 출력(510)에 의해 제어되는 제1스위치(S1)는 제2단자로부터 증폭기(OTA)와 연결되는 제1단자(1)와 접속된다.
보상 커패시터(Cc)의 최초 전압은 제1구간의 끝부분에서 전류램프제어회로(140)에 의해 증폭기(OTA)의 활동지역으로 설정된다. 출력전압(V_out)은 증가하는 기준전압(Vref_ss400)을 비례적으로 따라가면서 정류된다. 이러한 제어는 피드백 저항 분할기(R1-R2), 증폭기(OTA), 전류센싱회로(100)와 파워스위치(10,11,12)에 의한 전류루프와 전압루프에 의해 구현된다.
제2 구간에서는 주 스위치(11) 턴-온 --> 증폭기(OTA)의 출력전압(300)으로 피크 전류정보를 센싱 --> 주 스위치(11) 턴-오프 --> 출력 스위치(12) 턴-온 --> 인덕터전류가 0으로 방전되는 것을 감지 --> 출력 스위치(12) 턴-오프와 프리휠 스위치(10) 턴-온으로 된다.
제2구간의 시작에서는, 도9에 도시된 바와 같이, 프리휠 스위치(10)가 턴-온되지 않고, CCM(Continuous Conduction Mode)에서 예상보다 큰 인덕터전류가 흐를 수 있다. 이는 출력전압(V_out)이 입력전압(V_in)보다 매우 크지 않고, 보상 커패시터(Cc)의 시작 전압이 작은 인덕터 피크전류가 유지하는 전압레벨보다 크게 설정되어 있기 때문이다. 즉, 주 스위치(11)을 최소 듀티 사이클 동안에 스위칭되도록 유지하기 때문이다.
그러나, 전류는 출력전압(V_out)을 증가시키고, 피드백 전압(Vfb)이 기준전 압(Vref_ss400)보다 크도록 증가하기 때문에, 피크전류는 400mA이하로 그리 크지 않다. 컨버터에서의 루프는 출력전압(V_out)이 기준전압(Vref_ss400)을 따라 비례적으로 증가하도록 하기 때문에, 도7 및 도9에 도시된 바와 같이, 전류를 감소시키게 된다.
출력전압(V_Out)이 램프신호(Vramp)를 비례적으로 따라서 증가하도록 하기 위해, 램프신호(Vramp)이 증가함에 따라, 증폭기(OTA)를 포함한 전압/전류 루프는 출력으로 전하를 충분히 공급할 수 있도록 피크 인덕터전류를 증가시킨다.
램프신호(Vramp)가 밴드갭기준전압(V_bandgap)보다 크게 되는 때, 제3비교기(CP3)의 출력은 하이로 변경하고, 제2래치(RS2)의 출력을 하이로 설정한다. 기준전압(Vref_ss400)은 밴드갭 기준전압(V_bandgap)과 같은 정상상태로 된다. 이때, 기준전압(Vref_ss400)과 비례적으로 따라가는 출력전압(V_out)은 원하는 전압레벨에 도달하여 정상상태가 된다. 여기서, 소프트-스타트는 종료한다.
컨버터가 비활성화되고, 정지모드로 변경될 때, 제1래치(RS1)와 제2래치(RS2)는 로우로 리셋되고, 각각 다음 소프트-스타트에서의 제2비교기(CP2)와 제3비교기(CP3)의 출력으로부터 하이레벨을 기다린다.
본 발명에서는 단일 출력 직류/직류 스탭-업 컨버터를 일시예로 설명하였으나, 다중 출력 직류/직류 컨버터에서 유입 전류없는 소프트-스타트에 대해서도 적용할 수 있다. 따라서, 다중 출력을 갖는 직류/직류 컨버터도 본 발명의 범위에 포함된다.
다중 출력의 경우 다중 출력을 위한 다수의 출력 스위치가 본 발명의 실시예 의 제1 구간과 제2 구간 등에서 출력 스위치(12)와 동일하게 동작하게 된다.
제1 구간에서, 다중 출력을 위한 다른 출력 스위치들은 스위칭 사이클이 시작하거나, 출력 스위치(12)가 턴-오프된 후에 턴-온될 수 있다.
제 2 구간에서, 다중 출력을 위한 다른 출력 스위치들은 주 스위치(11)가 턴-오프되거나, 출력 스위치(12)가 턴-오프된 후에 턴-온될 수 있다.
본 발명에 의하면, 2개 구간의 소프트-스타트에 의해 출력전압을 0으로부터 증가시키는 소프트-스타트를 유지하면서, 인덕터의 유입 전류를 완전히 피할 수 있다.
본 발명에 의하면 개시 운전 동안에 예기치 않은 초과 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면 출력전압이 입력전압보다 작을 때, 출력 전압을 상승시키기 위해 에너지를 축적할 필요없이 입력전압 그 자체로 충분하게 된다.
본 발명에 의하면 출력전압이 입력전압보다 작을 때와 출력전압이 입력전압보다 크게 될 경우에, 초과 전류를 제거할 수 있다.

Claims (17)

  1. 직류/직류 스텝-업 컨버터에 있어서,
    인덕터와 상기 인덕터의 양단에 전기적으로 접속된 제1스위치를 포함하는 입력부;
    상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되는 제2스위치를 포함하는 제어부;
    상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되고, 상기 입력부의 출력신호를 출력하기 위한 제3 스위치와 커패시터를 포함하는 출력부; 및
    상기 제1 내지 제3 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 포함하고,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 출력부의 출력전압이 상기 입력부의 입력전압보다 작은 때인 제1 구간에서, 상기 제1 스위치는 온(on)이고, 상기 제2 스위치는 오프(off)이며, 상기 제3 스위치는 스위칭(switching)되도록 제어하는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구간에서,
    상기 스위치 제어부는 상기 제3 스위치를 스위칭하여, 상기 출력부의 출력전압을 0으로부터 기설정된 파형으로 증가시키는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구간에서,
    상기 스위치 제어부는 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나 또는 상기 출력부로부터의 궤환신호가 기설정된 기준전압레벨보다 큰 때에 상기 제3 스위치를 턴-오프시키도록 제어하는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 출력전압이 입력전압보다 큰 때인 제2 구간에서,
    상기 출력부로부터의 궤환신호가 기설정된 기준 전압레벨보다 큰 때에 상기 제3 스위치를 턴-오프하도록 제어하는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 출력전압이 입력전압보다 큰 때인 제2 구간에서,
    상기 제2 스위치를 턴-온, 상기 제1 및 제3 스위치를 턴-오프하고 나서, 인덕터를 흐르는 전류가 기설정된 전류값보다 큰 때에 상기 제2 스위치를 턴-오프, 상기 제3 스위치를 턴-온하고, 그 다음에 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 전압레벨보다 큰 때 또는 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않는 때 상기 제3스위치가 턴-오프, 상기 제1 스위치가 턴-온되도록 순서적으로 제어하는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터의 일단은 상기 제1 및 제3 스위치 각각의 일단과 전기적으로 접속되고, 상기 제3 스위치의 타단은 상기 커패시터에 전기적으로 접속되는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 인덕터와 상기 제2 스위치에 흐르는 전류를 측정하는 전류센싱회로;
    상기 출력부에 접속되어 궤환신호를 발생하는 출력신호궤환부;
    상기 인덕터 피크 전류 신호의 기울기를 제어하는 전류 램프 제어 회로;
    상기 출력신호궤환부의 상기 궤환신호와 상기 전류 램프 제어 회로의 출력신호를 비교하는 제1 비교기;
    상기 전류 램프 제어 회로의 출력신호와 상기 전류센싱회로의 출력신호를 비교하는 제2 비교기; 및
    상기 전류센싱회로와 함께 상기 인덕터의 피크 전류를 결정하기 위해 제어루프를 제공하는 증폭기
    를 포함하는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는 상기 출력부를 둘 이상 포함하는, 직류/직류 스텝-업 컨버터.
  12. 인덕터와 상기 인덕터의 양단에 전기적으로 접속된 제1스위치를 포함하는 입력부와 상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되는 제2스위치를 포함하는 제어부와 상기 입력부의 일단에 전기적으로 접속되고, 상기 입력부의 출력신호를 출력하기 위한 제3 스위치와 커패시터를 포함하는 출력부 및 상기 제1 내지 제3 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 포함하는 직류/직류 스텝-업 컨버터의 제어방법에 있어서,
    상기 출력부의 출력전압이 상기 입력부의 입력전압보다 작은 제1 구간에서,
    (a) 상기 제1 스위치는 온(on)이고, 상기 제2 스위치는 오프(off)이며, 상기 제3 스위치는 스위칭(switching)하는 단계; 및
    (b) 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않거나, 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 기준전압레벨보다 큰 때에 상기 제3 스위치가 턴-오프되는 단계;를 포함하는 직류/직류 스텝-업 컨버터 제어방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 출력전압이 상기 입력전압보다 큰 제2 구간에서,
    (e) 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 전압레벨보다 큰 때 상기 제3스위치를 턴-오프하는 단계를 더 포함하는 직류/직류 스텝-업 컨버터 제어방법.
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서,
    상기 출력전압이 상기 입력전압보다 큰 제2 구간에서,
    (g) 상기 제2 스위치는 턴-온, 상기 제1 및 제3 스위치는 턴-오프하는 단계;
    (h) 상기 인덕터에 흐르는 전류가 기설정된 기준 전류값보다 큰 때에 상기 제2 스위치가 턴-오프되고, 상기 제3 스위치가 턴-온되는 단계;
    (i) 상기 출력부의 궤환신호가 기설정된 기준전압레벨보다 크거나, 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않는 때에 상기 제1 스위치가 턴-온되고, 상기 제3 스위치가 턴-오프되는 단계를 더 포함하는 직류/직류 스텝-업 컨버터 제어방법.
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