KR100849355B1 - 제어된 다중-출력 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 - Google Patents

제어된 다중-출력 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

유도적인 전기 에너지 저장 수단(L), 스위칭 수단(S0-S7) 및 제어 수단(6,9,31,41,51,61)을 포함하는 다중-출력 DC/DC 업-컨버터(1,10,30,40,50,60)가 개시되어 있다. 제어 수단(6,9,31,41,51,61)은 소정량의 전기 에너지를 에너지 저장 수단(L)으로부터 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)의 출력(A,B,C,D)으로 전송하기 위해 스위칭 수단(S0-S7)을 선택적으로 동작시키기 위하여 배치되며, 이 DC/DC 컨버터는 제어 수단(6,9,31,41,51,61)에 의하여 각 출력(A,B,C,D)의 출력 전압과 연관된 기준 전압을 비교하는 것에 기초하는 스위칭 시퀀스에 따라 출력 전압을 제공하고, 제어 수단(6,9,31,41,51,61)은 출력 개개의 출력 싸이클에 따라 각 출력(A,B,C,D)에 대해 스위칭 수단(S0-S7)을 동작적으로 제어하기 위해 배치되되, 여기서 스위칭 시퀀스는 전기 에너지를 사전결정된 우선 순위의 순서로 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)의 출력(A,B,C,D)으로 전달하기 위해 출력 개개의 스위칭 싸이클로 구성된다.

Description

제어된 다중-출력 ＤＣ/ＤＣ 컨버터{A CONTROLLED MULTI-OUTPUT DC/DC CONVERTER}
본 발명은 다중-출력 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 유도성 전기 에너지 저장 수단, 스위칭 수단 및 제어 수단을 포함하되, 제어 수단은 에너지 저장 수단으로부터의 소정량의 전기 에너지를 DC/DC 컨버터의 출력으로 전송하기 위한 스위칭 수단을 선택적으로 동작시키기 위하여 배치되며, DC/DC 컨버터는 각 출력의 출력 전압을 제어 수단에 의하여 연관된 기준 전압과 비교하는 것에 기초한 스위칭 시퀀스에 따른 출력 전압을 제공한다.
이러한 타입의 DC/DC 컨버터는 미국 특허 5,751,139로부터 알려진다.
이 알려진 컨버터에서 컨버터의 복수 출력의 출력 전압이 연관된 기준 전압 또는 임계 전압 밑으로 떨어진다면, 임계치는 전기 에너지를 어느 출력이 수신할 지를 결정한다. 다시 말해서, 제 1 또는 우선 순위 출력의 출력 전압이 그것의 기준 전압 밑으로 떨어진다면 이 특정 출력이 항상 서비스 -즉, 전기 에너지의 전송- 를 위한 우선 순위를 받는다. 제 1 출력의 출력 전압이 그것의 기준 전압을 초과하 는 경우에는 제 2 출력이 서비스를 위한 우선 순위를 받는다. 제 1 출력 및 제 2 출력의 출력 전압이 그것들의 기준 전압을 초과한다면 제 3 출력이 서비스를 수신하는 등과 같이 이루어진다.
이 타입의 제어 시퀀스는 제 1 출력이 심하게 부하가 걸려 제 1 출력의 출력 전압이 그것의 기준 전압에 미치지 않는 경우, 알려진 다중-출력 DC/DC 컨버터의 제 2, 제 3 및 다른 출력은 어떤 서비스도 수신하지 못하여 이 출력의 출력 전압이 결국은 0으로 떨어지는 고유의 불이익을 갖는다.
발명의 개요
따라서, 본 발명의 목적은 출력 전압이 0으로 떨어지는 것을 사전 예방하는 것으로 서두에 언급한 타입의 다중-출력 DC/DC 컨버터에 대한 향상된 제어 시퀀스를 제안하는 것이다.
이 목적은 출력 개개의 스위칭 싸이클에 따라 각 출력에 대한 스위칭 수단을 효과적으로 제어하도록 제어 수단을 구성하는 것에 의해 달성되는데, 여기서 스위칭 시퀀스는 사전결정된 우선 순위의 순서에 의해 상기 다중-출력 DC/DC 컨버터의 상기 출력으로 전기 에너지를 전송하기 위한 출력 개개의 스위칭 싸이클로 구성된다.
본 발명에 따르면, 다중-출력 DC/DC 컨버터의 출력은 스위칭 싸이클 개개에 의하여 특정 출력으로 각각 서비스되고, 전기 에너지의 전송을 요구하는 출력은 우선 순위의 상호 순서에 따라 서비스된다.
즉, 본 발명에 따라, 출력 전압을 업데이트하기 위하여 전기 에너지의 전송을 요구하는 출력은, 특정 출력으로의 전기 에너지를 전송함에도 불구하고 이 특정 출력의 출력 전압이 그것의 기준 전압보다 아래인 경우에도 서비스를 수신할 것이다. 본 발명에 의해, 출력부의 출력 전압이 서비스 부족 -즉, 전기 에너지의 전달 부족- 으로 인해 0으로 떨어지는 것이 효과적으로 피해질 것이다.
본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 다른 실시예에서, 선택 시퀀스는 다중-출력 DC/DC 컨버터의 출력으로 아무런 에너지도 전송되지 않는 대기 싸이클을 포함한다. 이 대기 싸이클에서 통상적으로 에너지 저장 수단에 아무런 에너지도 저장되지 않는다. 대기 싸이클은 가령 변화하는 로드의 경우에 특정된 전압 레벨에서 출력부의 출력 전압의 매우 효과적인 제어를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 대기 싸이클로부터 시작하여 다중-출력 DC/DC 컨버터의 출력은 사전결정된 우선 순위의 순서로 서비스된다. 즉, 컨버터가 그것의 대기 싸이클에 있을 동안에 복수의 출력이 전기 에너지의 전송을 요구한다면, 각각의 출력은 우선 순위 계획에 따라 서비스된다. 이 우선 순위 계획은 가장 심하게 부하가 걸린 출력이 에너지의 전송에서 우선 순위를 받도록 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 향상은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation:PWM)모드와 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation:PFM)모드 중 하나 또는 둘 모두의 모드 스위칭의 다중-출력 DC/DC 컨버터를 동작시키는 제어 수단에 적용 가능하다.
본 발명은 다중-출력 DC/DC 업 컨버터, 다중-출력 DC/DC 다운 컨버터, 다중-출력 DC/DC 업/다운 컨버터, 다중-출력 DC/DC 인버팅(inverting) 컨버터, 포지티브 및 네거티브 출력을 갖는 다중-출력 DC/DC 컨버터, 복수의 포지티브 및 네거티브 출력을 갖는 다중-출력 DC/DC 업/다운 컨버터를 포함하는 그룹 중 적어도 하나에 한정되지는 않지만 그와 같은 복수의 DC/DC 컨버터 디자인에 관하여 실시될 수 있다.
본 발명은 상기한 것과 같은 다중-출력 DC/DC 컨버터를 포함하는 전원에도 관련되고, 이 전원은 입력 단자에서 입력 전압을 수신하고 다중 출력 단자에서 제어된 출력 전압을 제공하기 위하여 배치된다.
본 발명에 따른 DC/DC 컨버터는 휴대용 전자 기기에만 한정된 것은 아니지만 그와 같은 전자 기기에 적용된다면 특별한 이점이 있다.
본 발명은 이제 첨부하는 도면들의 참조와 함께 더 자세히 설명될 것이며, 여기서 같은 참조 번호는 같거나 유사한 기능을 제공하는 부분을 나타낸다.
도 1은 두 개의 출력을 가지고 본 발명에 따라 배치된 제어 수단을 포함하는 다중-출력 DC/DC 업-컨버터의 회로도를 도시한다.
도 2는 종래의 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation) 모드 스위칭 싸이클을 위한 도 1에 도시된 DC/DC 컨버터에 있는 에너지 저장 수단에서의 전류 흐름(current flow)을 그래프 표현으로 도시한다.
도 3은 펄스 주파수 변조 모드로 작동된 도 1에 도시된 다중-출력 DC/DC 업-컨버터를 위한 본 발명에 따른 스위칭 시퀀스를 모드 상태도로 도시한다.
도 4는 세 개의 출력을 가지고 본 발명에 따라 배치된 제어 수단을 포함하는 다중-출력 DC/DC 업-컨버터를 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 다중-출력 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 제어하기 위한 도 3과 유사한 모드 상태도를 도시한다.
도 6은 다른 출력이 도 3과 비교하여 더 높은 우선 순위를 받는 도 3과 유사한 모드 상태도를 도시한다.
도 7은 종래의 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation:PWM) 모드 스위칭 싸이클을 위한 도 1에 도시된 DC/DC 컨버터의 에너지 저장 수단에서의 전류 흐름을 그래프 표현으로 도시한다.
도 8은 펄스 폭 변조 모드로 작동된 도 1에 도시된 다중-출력 DC/DC 업-컨버터를 위한 본 발명에 따른 스위칭 시퀀스를 모드 상태도로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따라 제어 수단의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 10, 11, 12 및 13은 본 발명에 따라 제어 수단을 포함하는 다중-출력 DC/DC 컨버터의 여러 가지 실시예를 회로도 표현으로 도시한다.
도 1은 다중-출력 DC/DC 업 컨버터(1)를 도시하고, 이 컨버터(1)는 두 개의 출력 A 및 B를 갖는다. 컨버터(1)는 코일 L의 형태를 취하는 유도성 전기 에너지 저장 수단을 포함한다. 코일 L 및 제 1 스위칭 수단 S1은 컨버터(1)의 제 1 입력 단 자(2)와 제 1 출력 단자(4) 사이에 직렬 연결된다. 코일 L 및 제 2 스위칭 수단 S2는 제 1 입력 단자(2)와 제 2 출력 단자(6) 사이에 직렬 연결된다. 코일 L, 제 1 스위칭 수단 S1 및 제 2 스위칭 수단 S2 의 공통의 연결은 스위칭 수단 S0을 통하여 제 2 입력 단자(3) 및 출력 단자(5)로 연결되고, 그것은 출력 A 및 B 둘 모두에 대하여 공통적이다. 제 1 스위칭 수단 S1를 건너서 다이오드 D가 연결된다.
제 1의 그리고 공통의 출력 단자(4,5)에 평활(smoothing) 캐패시터 C1이 병렬 연결되고, 이와 같이, 제 2의 그리고 공통의 출력 단자(6,5)에 제 2 평활 캐패시터 C2가 병렬 연결된다. 제 2 입력 단자(3)와 공통의 출력 단자(5)는 회로의 공통의 전도 부분을 통하여 가령, 전자 기기의 접지(earth) 도체나 매스(mass) 도체를 통하여 연결된다.
컨버터(1)는 입력 단자(2,3)에서의 입력 전압 Vin에 응답하여 출력 A, B 각각에서 제어된 또는 조정된 출력 전압 VoutA 및 VoutB 를 제공하기 위하여 동작된다. 이 를 위하여, 제어기 또는 제어 수단(6)은 펄스 주파수 변조 그리고/또는 펄스 폭 변조 제어 계획에 따라 스위칭 수단 S0 , S1 및 S2를 동작시키기 위하여 제공되며, 여기서 출력 전압 Vout은 입력 전압 Vin보다 더 높다. 스위칭 수단 S0 , S 1 및 S2의 제어는 화살표 (13,14,15)에 의하여 도식적으로 표시된다. 제어 수단(6)에 의한 출력 전압 VoutA 및 VoutB의 측정은 점선 화살표(17,18) 각각에 의해 도식적으로 표시된다.
도 2는 펄스 주파수 변조 모드에서의 종래의 스위칭 싸이클에서 시간 t에 대한 코일 전류 I를 도시하며, 여기서 코일 L을 통한 전류 I는 제로(zero)가 된다. 도 2는 각 출력 A 및 B를 위한 출력 개개의 스위칭 싸이클을 도시한다. 제 1 위상 Φ0에서 스위칭 수단 S0은 닫히고 즉 전류 전도 상태에 있게 되고, 스위칭 수단 S1 및 S2는 열려 비-전류 전도 상태에 있게 된다. 제 1 위상 Φ0 동안 전류는 코일 L을 통하여서만 흐르고 그에 따라 그 동안 전기 에너지를 저장한다.
출력 A를 위한 스위칭 싸이클의 위상 Φ1 동안 스위칭 수단 S0 및 제 2 스위칭 수단 S2는 열리고 제 1 스위칭 수단 S1은 닫힌다. 이 위상에서 코일 L에 누적된 에너지는 제 1 출력 A의 출력 단자(4,5)로 전송되고, 입력 전압 Vin보다 더 높은 출력 전압 VoutA가 생긴다.
제 1 위상 Φ1 다음으로 제 3 위상 Φ3이 따라오는데, 여기서 스위치가 열리고, 코일 L에 남아있는 에너지는 다이오드 D를 경유하여 제 1 출력으로 전송된다. 제 3 위상의 마직막에는 코일에 아무런 에너지도 없게 되는데, 이는 위상 Φ4로 표시된다.
컨버터의 제 2 출력 B로 전기 에너지를 전송하기 위한 스위칭 싸이클은 이와 같이 위상 Φ0을 포함하는데, 여기서 코일 L에 에너지가 저장되고 이어서 스위칭 수단 S0 및 제 1 스위칭 수단 S1이 열리고 제 2 스위칭 수단 S2가 닫히는 제 2 위상 Φ2가 따라온다. 이 제 2 위상 Φ2에서 에너지가 코일 L로부터 제 2 출력 B로 전송 되고, 출력 단자(6,5)에서 출력 전압 VoutB가 생긴다. 출력 전압 VoutB는 입력 전압 Vin보다 더 높다. 상기한 것과 같이, 제 2 위상 Φ2는 제 3 위상 Φ3과 제 4 위상 Φ4가 다음에 온다.
Φ0, Φ1, Φ3 및 Φ0, Φ2, Φ3 싸이클의 평균 수 사이의 비율은 출력 A 및 출력 B 각각으로 전송되는 전기 에너지의 양을 결정한다. 비 Φ1/Φ0 및 Φ2/Φ0는 입력 및 출력 전압에 의해 결정된다. 제 3 위상 Φ3은 제로(zero) 코일 전류 I와 함께 각 싸이클을 종료하기 위하여 추가된다.
본 발명에 따라, 출력 전압 VoutA 및 VoutB는 도 2에 도시된 것처럼 전기 에너지가 컨버터(1)의 출력 A 및 B로 사전결정된 우선 순위의 순서로 전송되는 그러한 방법으로 출력 개개의 스위칭 싸이클로 구성된 스위칭 시퀀스를 따르는 제어 수단(6)에 의해 제어된다. 특정 출력의 출력 전압이 업데이트 되어야 하는 지를 결정하기 위하여, 컨버터(1) 출력의 모든 출력 전압은 각 스위칭 싸이클의 끝에서 측정되고, 코일 L 즉, 에너지 저장 수단에서 아무런 에너지가 없는 위상 동안 지속적으로 측정된다. 도 2에 도시된 위상 Φ4가 그것이다.
도 3은 PFM 모드로 작동된 도 1에 있는 다중-출력 DC/DC 컨버터(1)를 위한 본 발명에 따른 제어 원리의 모드 상태도를 도시한다.
이 모드 상태도는 세 개의 상태를 포함하는데, 전기 에너지가 제 1 출력으로의 스위칭 싸이클 개개를 따라 제 1 출력으로 전송되는, 출력 A로 불리는 제 1 상태, 전기 에너지가 제 2 출력으로의 스위칭 싸이클 개개를 따라 제 2 출력으로 전 송되는, 출력 B로 불리는 제 2 상태 및 어떤 에너지도 전혀 전송되지 않는 대기 싸이클인 제 3 상태가 그것이다. 도면에서 각 상태는 원형 박스(box)에 의해 지정되고 한 상태에서 다른 상태로의 전송은 한 상태의 뒤를 다른 상태가 따르는 조건인 전이(transition) 조건이 수반된 첨가된 화살표에 의해 지정된다.
전이 조건은 출력 전압 VoutA 및 VoutB를 측정하고 출력 A, B의 각각에 연관된 그것의 기준 전압 VrefA 및 VrefB와 이들을 비교함으로써 결정된다. 출력 전압과 기준 또는 임계 전압의 비교는 제어 수단(6)에 의하여 수행된다. 본 예에서 특정 출력의 출력 전압이 그것의 연관된 기준 전압보다 아래로 떨어진다면, 즉 Vout<Vref 이라면, 전이 조건은 로직 "1"로 설정된다. 출력 전압 Vout이 기준 전압 Vref를 초과한다면 전이 조건은 로직 "0"으로 설정된다. 조건 x는 전이 조건의 로직 값이 전이에 대하여 중요하지 않은 소위 "돈 케어(don't care)"를 가리킨다. 여러 가지 출력을 위한 전이 조건은 콤마에 의해 구분된다. 그러므로 가령, 전이 조건 1, 0은 VoutA<VrefA 그리고 VoutB≥VrefB 인 경우를 가리킨다.
대기 상태에 대해, 상태도에서의 전이 조건은:
if(VoutA<VrefA)->출력 A
else if (VoutB<VrefB)->출력 B
else->대기.
출력 A 상태에 대해, 상태도에서 전이 조건은:
if(VoutB<VrefB)->출력 B
else if (VoutA<VrefA)->출력 A
else->대기.
출력 B 상태에 대해 상태도에서의 전이 조건은:
if(VoutA<VrefA)->출력 A
else if (VoutB<VrefB)->출력 B
else->대기.
도 3의 상태도로부터 알 수 있듯이 출력 A가 서비스된 후에 즉, 에너지가 그것의 출력 특정 스위칭 싸이클에 따라 출력 A로 전송된 후에, 만약 요구된다면, 출력 B가 서비스될 것이다. 즉, 그것의 출력 전압 VoutB이 그것의 연관된 기준 전압 VrefB보다 작으면 즉 전이 조건 x, 1이면, 출력 B가 서비스될 것이다. 과부하인 경우에는 둘 모두의 출력이 같은 우선 순위를 갖는 것으로 간주되기 때문에 둘 모두의 출력 전압이 떨어질 것이다. 이는 각 스위칭 싸이클 후에 다른 출력에 다음 싸이클을 위한 제 1 우선 순위를 부여함으로써 구현된다. 그러므로 출력 B 상태로부터 출력 A 상태로의 전이가 발생하고 전이 조건은 1, x이 된다. 그리고 출력 A 상태로부터 출력 B 상태로의 전이가 발생하는 등등, 단지 양 출력이 서비스를 요구하지 않는 경우에만 대기 상태로의 전이가 발생한다.
본 발명에 따른 원리는 세 개의 출력 A, B 및 C를 가지는 다중-출력 DC/DC 업 컨버터(10)를 도시하는 제 4를 참조하여 가장 잘 설명 될 수 있다. 그것은 출력 단자 4, 5를 가지는 출력 A, 출력 단자 6, 5를 가지는 출력 B, 및 제 3 출력 단자 (7)와 공통의 출력 단자(5)를 갖는 출력 C이다. 제 3 스위칭 수단 S3은 코일 L을 제 3 출력 단자(7)로 연결한다. 제 3 평활 캐패시터 C3은 제 3 출력 단자(7)와 공통의 출력 단자(5) 사이를 연결한다. 제어 수단(9)은 에너지 저장 수단 즉, 코일 L로부터 출력 A, B 및 C로의 에너지 전송을 제어하기 위하여 제공된다.
제어 수단(9)에 의한 스위칭 수단 S0, S1, S2 및 S3의 제어는 화살표(13,14, 15,16)에 의해 도식적으로 표시된다. 제어 수단(9)에 의한 출력 A, B 및 C의 출력 전압 Vout의 측정은 점선 화살표(17,18,19) 각각에 의하여 도식적으로 표시된다.
도 1에 도시된 컨버터(1)에 관하여 표시된 것과 마찬가지로, 컨버터(10)의 각 출력 A, B, C는 도 2에 도시된 그래프 표현에 따라 개개의 스위칭 싸이클과 함께 동작된다.
본 발명에 따른 도 4의 다중-출력 DC/DC 컨버터(10)의 출력 A, B 및 C를 서비스하는 방법은 도 5의 모드 상태도에 의해 설명된다.
도 3과 비슷하게 대기 상태가 소개되는데 여기에는 에너지 저장 수단인 코일 L에 아무런 에너지도 없다.
대기 상태에 대하여, 상태도에서의 전이 조건은:
if(VoutA<VrefA)->출력 A
else if (VoutB<VrefB)->출력 B
else if (VoutC<VrefC)->출력 C
else->대기.
출력 A 상태에 대하여 상태도에서의 전이 조건은:
if(VoutB<VrefB)->출력 B
else if (VoutC<VrefC)->출력 C
else if (VoutA<VrefA)->출력 A
else-> 대기.
출력 B 상태에 대하여 상태도에서의 전이 조건은:
if(VoutC<VrefC)->출력 C
else if (VoutA<VrefA)->출력 A
else if (VoutB<VrefB)->출력 B
else->대기.
출력 C 상태에 대하여 상태도에서의 전이 조건은:
if(VoutA<VrefA)->출력 A
else if (VoutB<VrefB)->출력 B
else if (VoutC<VrefC)->출력 C
else->대기.
상태도로부터 알 수 있듯이, 대기 상태로부터 시작하여 우선 순위가 출력 A로의 서비스에게 부여되는데 즉 전이 조건은 1, x, x이다. 출력 A로부터 서비스의 우선 순위는 출력 B에 부여되어, 전이 조건 x, 1, x이고, 출력 B로부터의 우선 순위는 출력 C로의 서비스에게 부여되어, 즉, 전이 조건은 x, x, 1이 된다. 그러므로 본 발명에 따라, 전기 에너지는 사전결정된 우선 순위의 순서로 다중-출력 DC/DC 컨버터의 출력으로 전송되고 모든 출력은 둘 이상의 출력의 출력 전압이 출력 중 하나가 너무 심하게 부하가 걸려서 그것이 지속적으로 에너지 전송을 요구하는 경우에 제로(zero)로 떨어지는 것을 피하기 위하여 서비스를 수신한다.
출력 B가 에너지의 전송을 요구하지 않는, 즉 전이 조건 x, 0, 1일 경우에 출력 A로부터 서비스가 출력 C로 제공될 것으로 이해될 것이다.
도 5에서 대기 상태가 도시됨에도 불구하고, 컨버터(10)가 대기 상태로 들어가는 것이 반드시 요구되지는 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 출력 C가 에너지의 전송을 수신하는 동안 출력 A가 서비스를 요구하면, 다음 스위칭 싸이클은 출력 A를 서비스하여, 다시 말해서 대기 상태로 들어가지 않고 전이 조건 1, x, x일 것이다.
당업자들은, 비록 도 5의 상태도가 출력 B가 출력 A 후에 서비스되고 출력 C가 출력 B 후에 서비스되는 우선 순위의 순서를 도시할지라도, 출력 C가 출력 A 후에 서비스를 위한 우선 순위를 수신할 수 있고 그 때문에 출력 B가 출력 C 후에 서비스 될 것이라는 등등으로 제어 알고리즘이 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이 다.
도 6은 도 1의 컨버터(1)를 위한 모드 상태도를 도시하되, 여기서 출력 B는 도 3에서 도시된 상태도에 비해, 출력 B가 출력 A보다 더 높은 우선 순위를 부여 받는다. 그것은:
if(VoutB<VrefB)->출력 B
else if (VoutA<VrefA)->출력 A
else->대기.
본 발명에 따른 제어 알고리즘은 펄스 주파수 변조 동작 컨버터 및 펄스 폭 변조 동작 컨버터 양 쪽에 응용 가능하다.
도 7은 주파수 폭 변조 모드에서의 통상적인 스위칭 싸이클에서 시간 t에 대한 코일 전류 I를 도시하되, 여기서 코일 L을 통한 전류 I는 제로(zero)가 되지 않는다. 도 7은 각 출력 A 및 B를 위한 출력 개개의 스위칭 싸이클을 도시한다. 제 1 위상 Φ0에서, 스위칭 수단 S0은 닫혀 전류 전도 상태가 되고 스위칭 수단 S1과 S2 는 열려 즉, 비-전류 전도 상태가 된다. 제 1 위상 Φ0 동안 전류는 코일 L을 통해 흐르고 그에 따라 전기 에너지가 그 동안 저장된다.
제 2 위상 Φ1 동안 스위칭 수단 S2는 닫히고 스위칭 수단 S0과 S1은 열린다. 이 위상에서 코일 L에 축적된 전기 에너지는 제 1 출력 A의 출력 단자(4,5)로 전송되고 입력 전압 Vin보다 더 높은 출력 전압 VoutA가 생긴다.
제 3 위상 Φ2 동안 스위칭 수단 S2는 닫히고 스위칭 수단 S0과 S1은 열린다. 이 위상에서, 코일 L에 축적된 에너지는 제 2 출력 B의 출력 단자(6,5)로 전송되고 입력 전압 Vin보다 더 높은 출력 전압 VoutB가 생긴다.
주파수 폭 변조 모드는 출력 A, B 중 하나가 상대적으로 높은 출력 전력을 요구하는 경우에 사용된다. 가령 출력 A가 주(main) 출력으로 간주되면 주파수 폭 변조 모드인 이 출력과 함께 제어기(6)는 듀티 싸이클(duty cycle), 즉 전기 에너지가 코일 L에 저장되는 출력 개개의 스위칭 싸이클의 제 1 위상 Φ0인 시간의 길이 기간을, 완전한 스위칭 시퀀스의 총 기간으로 나눈 값을 출력 A상의 전력 요구에 따라 설정할 것이다. 출력 B의 듀티 싸이클에 대해 세 개의 옵션이 남아 있다. 즉, 출력 A의 입력 및 출력 전압의 비에 관련된 고정된 듀티 싸이클을 사용하는 것과, 출력 B의 입력 및 출력 전압의 비에 관련된 가변 듀티 싸이클과 주 출력 즉 출력 A의 듀티 싸이클을 사용하는 것, 및 주 출력 즉 A를 위한 듀티 싸이클과 같은 듀티 싸이클을 출력 B를 위해 사용하는 것이 있다. 출력 B는 펄스 폭 변조 및 펄스 주파수 변조 둘 모두의 방식으로 제어될 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 펄스 폭 변조 모드에서 작동되는 다중-출력 DC/DC 컨버터(1)를 위한 본 발명에 따른 제어 원리의 모드 상태도를 도시한다.
도 8의 모드 상태도는 2 개의 전환 싸이클인, 출력 A를 위한 전환 싸이클 및 출력 B를 위한 전환 싸이클을 포함하는 4 개의 상태를 포함한다. DC/DC 컨버터는 펄스 폭 변조 모드로 지속적으로 스위칭되고 출력 A로 전력을 전한다. 그리고 출력 B에서 전압이 그것의 참조 레벨 밑으로 떨어지는 때(VoutB<VrefB), 출력 B를 위한 스위칭 싸이클이 시작된다. 출력 B를 위한 이 싸이클 이후에 출력 A를 위한 스위칭 싸이클이 다시 시작된다.
펄스 폭 변조 제어기의 듀티 싸이클은 출력 A를 위한 변환의 싸이클의 위상 Φ0 및 Φ1의 길이를 결정한다. 출력 B의 듀티 싸이클을 위하여, 기술된 옵션 중 하나가 선택될 수 있다. 도 8의 상태도로부터 출력 B에서 출력 전압이 기준 전압을 초과하여 즉, VoutB>VrefB 라면, 출력 A를 위한 변환 싸이클(Φ0,Φ1)은 지속될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서 출력 A, B에 걸쳐 나뉘는 전력의 비는 둘 모두의 변환 싸이클에서 계수기(counter)를 도입함으로써 변경될 수 있다. 그러면 이 계수기는 언제 다른 변환 싸이클로의 전이가 허가되는 지를 결정한다.
도 9는, 블럭 다이어그램에서, 도 1에 도시된 DC/DC 컨버터(1)의 제어 수단(6)의 일 실시예를 본 발명에 따라 도시한다.
비교기 수단(21,22)은 이 출력을 위하여 설정된 기준 전압 Vref에 대하여 특정한 출력의 출력 전압 Vout을 비교하기 위하여 제공된다. 다시 말해서, 비교기 수단(21)은 VoutA를 VrefA에 대하여 비교하고, 비교기 수단(22)은 VoutB를 VrefB에 대하여 비교한다. 비교기 수단(21,22)의 출력은 스위칭 수단 S0, S1 및 S2을 구동하기 위한 제어기 수단(23)으로의 입력 신호로서 제공된다.
당업자는 도 4의 컨버터(10)의 제어 수단(9)이 세 개의 비교기수단과 함께 동작되는 것과 스위칭 수단 S0, S1, S2 및 S3을 조정하기 위하여 배치될 것이라는 것을 이해할 것이다.
본 발명에 따른 제어 원리는 도 2 및 도 5에 도시된 타입의 다중-출력 DC/DC 업 컨버터로 제한되지 않는다.
업-컨버터나 다운-컨버터 또는 둘의 결합으로 배치된 복수 출력을 갖는 여러 가지 다른 DC/DC 컨버터가 본 발명에 따라 제어될 수 있다.
도 10은 위에서 약술한 것처럼, 두 개의 출력 A, B를 가지는 다중-출력 DC/DC 업/다운 컨버터(30)의 회로도와 본 발명의 제어 원리에 따라 컨버터(30)를 동작시키기 위하여 배치된 제어 수단(31)을 도시한다. 도시된 컨버터는 소위 부스트(boost)와 벅(buck) 컨버터의 조합이다. 부스트(업) 모드에서, 스위칭 수단 S1은 닫히고 스위칭 수단 S2는 열린다. 어느 출력이 출력 전력을 수신하느냐에 따라 스위칭 수단 S3과 그리고 S4나 S5 중 하나가 입력 단자에 적용된 입력 전압 Vin을 업-컨버팅 하기 위하여 동작된다.
벅(buck) 모드에서, 스위칭 수단 S1과 S2를 이용하여 입력 전압이 입력 전압보다 더 낮은 출력 전압으로 다운-컨버팅될 수 있도록, 스위칭 수단 S3이 열리고 스위칭 수단 S4 또는 S5 중 하나가 닫힌다. 이 타입의 컨버터는 출원인의 국제 특허 출원 WO 95/34121로부터 알려진다.
도 11은 두 개의 출력 A, B를 갖는 다중-출력 DC/DC 인버팅 컨버터(40)의 회로도인데, 입력 전압 Vin과 비교된 네거티브 출력 전압을 제공하고 제어 수단(41)을 가진다.
도 12는 포지티브 출력 A와 네거티브 출력 B 및 제어 수단(51)을 가지는 다중-출력 DC/DC 컨버터(50)의 회로도를 도시한다.
도 13은 출력 단자(4, 6, 7, 8) 각각에서의 두 개의 포지티브 출력 A 및 B 두 개의 네거티브 출력 C 및 D, 및 제어 수단(61)을 갖는 다중-출력 DC/DC 업/다운 컨버터(60)의 회로도를 도시한다.
도 9, 12 및 13에서 도시된 회로도의 모두에 대하여 제어 수단(41,51,61)은 본 발명과 일치하는 동작을 위하여 배치된다.
당업자는 DC/DC 컨버터(10)에서 가령, 다이오드 D를 건너서 배치될 수 있는 스위칭 수단이 생략될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나 DC/DC 컨버터(10)의 전력 변환 효율을 증대하기 위하여, 분리된 스위칭 수단의 사용은 각각의 다이오드양단간의 상대적으로 큰 전압 저하를 피하기 위하여 바람직하다.
본 발명의 원리에 따라 동작하는 DC/DC 컨버터는 휴대용 전자 기기같은 전자 기기(11)에서 사용될 수 있고, 도 5에 있는 블럭(12)에 의해 도식적으로 표시된 분리된 전원을 구성하기 위하여 배치될 수 있다.

Claims (8)

  1. 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)로서,
    유도성 전기 에너지 저장 수단(L)과 스위칭 수단(S0-S7) 및 제어 수단(6,9,31,41,51,61)을 포함하되,
    상기 제어 수단(6,9,31,41,51,61)은 소정량의 전기 에너지를 상기 에너지 저장 수단(L)로부터 상기 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)의 출력(A,B,C,D)으로 전송하기 위해 상기 스위칭 수단(S0-S7)을 선택적으로 동작시키도록 구성되고, 상기 DC/DC 컨버터는 상기 제어 수단(6,9,31,41,51,61)이 각 출력(A,B,C,D)의 출력 전압과 연관된 기준 전압을 비교하는 것에 기초하는 스위칭 시퀀스에 따라 출력 전압을 제공하되,
    상기 제어 수단(6,9,31,41,51,61)은 출력 개개의 스위칭 싸이클에 따라 각 출력(A,B,C,D)에 대해 상기 스위칭 수단(S0-S7)을 동작적으로 제어하도록 구성되고,
    상기 스위칭 시퀀스는 전기 에너지를 사전결정된 우선 순위의 순서로 상기 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)의 상기 출력(A,B,C,D)으로 전송하기 위해 출력 개개의 스위칭 싸이클로 구성되고,
    전기 에너지는 다음 스위칭 싸이클 동안에는 다음으로 가장 높은 우선순위를 갖는 출력에 전송되는
    다중-출력 DC/DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 시퀀스는 상기 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)의 출력으로 아무런 에너지도 전송되지 않는 대기 싸이클을 포함하는
    다중-출력 DC/DC 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 수단(6,9,31,41,51,61)은 사전결정된 우선 순위의 순서를 따라 상기 대기 싸이클에 이어 상기 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)의 출력(A,B,C,D)으로 전기 에너지를 전송하도록 구성된
    다중-출력 DC/DC 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 수단(6,9,31,41,51,61)은 각 스위칭 싸이클의 끝에서 그리고 상기 대기 싸이클 동안 지속적으로 상기 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)의 각 출력(A,B,C,D)의 상기 출력 전압을 그것의 연관된 기준 전압과 비교하도록 구성되는
    다중-출력 DC/DC 컨버터.
  5. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단(6,9,31,41,51,61)은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation:PWM) 모드와 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation:PFM) 모드 중 하나 또는 둘 모두의 모드에서 동작하도록 구성된
    다중-출력 DC/DC 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    다중-출력 DC/DC 업 컨버터, 다중-출력 DC/DC 다운 컨버터, 다중-출력 DC/DC 업/다운 컨버터, 다중-출력 DC/DC 인버팅 컨버터, 포지티브 및 네거티브 출력을 갖는 다중-출력 DC/DC 컨버터, 복수의 포지티브 및 네거티브 출력을 갖는 다중-출력 DC/DC 업/다운 컨버터를 구비하는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는
    다중-출력 DC/DC 컨버터.
  7. 입력 단자(2,3)에서 입력 전압을 수신하고 전원(12)의 다중 출력 단자(4-8)에서 제어된 출력 전압을 제공하기 위하여 마련되는,
    제 1 항에 따른 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)를 포함하는,
    전원(12).
  8. 제 1 항에 따른 다중-출력 DC/DC 컨버터(1,10,30,40,50,60)를 포함하는
    전자 기기(11).
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