KR100860757B1 - Ｄｃ/ｄｃ 변환기 및 이를 포함하는 전원 및 휴대용 전자장치 - Google Patents

Ｄｃ/ｄｃ 변환기 및 이를 포함하는 전원 및 휴대용 전자장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도성 전기 에너지 저장 수단(L) 및 스위칭 수단(S1,S2) 및 제어 수단(6)을 포함하는 DC/DC 변환기(1)에 관한 것이다. 상기 제어 수단(6)은 최대 및 최소 듀티 싸이클(Dmin,Dmax)을 포함하는 2 상태 스위칭 싸이클에 따라, 바람직한 출력 전압(Vout)을 제공하기 위해, 소정량의 전기 에너지를 상기 에너지 저장 수단(L)으로부터 상기 DC/DC 변환기(1)의 출력으로 전달하는 스위칭 수단(S1,S2)을 선택적으로 동작시킨다.

Description

ＤＣ/ＤＣ 변환기 및 이를 포함하는 전원 및 휴대용 전자 장치{A SINGLE REFERENCE DC/DC CONVERTER}
본 발명은 유도성 전기 에너지 저장 수단 및 스위칭 수단 및 제어 수단을 포함하는 DC/DC 변환기에 관한 것이며, 여기서 제어 수단은 바람직한 출력 전압을 제공하기 위해, 소정량의 전기 에너지를 에너지 저장 수단으로부터 DC/DC 변환기의 출력으로 전달하는 스위칭 수단을 선택적으로 동작시킨다.
이러한 타입의 DC/DC 변환기는 본 출원인의 명의로 국제 특허 출원 번호 WO 95/34121에 알려져 있다.
실제로, 상기 타입의 DC/DC 변환기는 전기 에너지가 에너지 저장 수단에 연속적으로 저장되는 연속 또는 PWM(펄스 폭 변조) 모드로, 또는 전기 에너지가 완전히 방전될 수 있는 불연속 또는 PFM(펄스 주파수 변조) 모드로 동작 될 수 있다.
PWM 모드로 동작되는 단일 출력 DC/DC 변환기에서, 통상적인 스위칭 싸이클은 에너지가 에너지 저장 수단 내에 저장되는 제 1 상태와 에너지가 에너지 저장 수단으로부터 변환기의 출력으로 전달되는 제 2 상태를 포함한다. PWM 모드로 동 작되는 DC/DC 변환기의 출력 전력은 제 1 상태의 길이와 스위칭 싸이클의 총 길이(즉, 제 1 상태 및 제 2 상태의 총합)의 비율인, 그의 듀티 싸이클에 의해 제어된다.
알려진 DC/DC 변환기의 출력 전압을 제어하기 위해, 상부 출력 전압 기준 레벨 및 하부 출력 전압 기준 레벨을 포함하는 전압 윈도우(voltage window)가 요구된다. 상기 전압 윈도우를 사용하여 출력 전압을 제어하는 것은 출력 전압에서의 랜덤한 저 주파수 리플(a random low frequency ripple) 및 출력 전압에서의 스프레딩(spreading)을 발생시킨다. 이러한 효과는 전압 윈도우를 줄임으로써 감소될 수 있지만, 이러한 감소는 사용된 전압 비교기들에서의 프로세스 스프레딩(process spreading)으로 인해 한정된다.
리플의 크기는 에너지 저장 수단을 충전 및 방전하는 전류와 직접적으로 관련되며 변환기가 동작되는 듀티 싸이클과 직접적으로 관련된다. 비교적 큰 양의 전기 에너지가 에너지 저장 수단에 저장되고 그로부터 방전됨을 암시하는, 고 듀티 싸이클(a high duty cycle)은 전류를 증가시키며 이로써 출력 리플도 증가시키는 반면, 보다 적은 에너지 전달을 암시하는 저 듀티 싸이클은 전류를 감소시키며 이로써 출력 전압에서의 저 주파수 리플을 감소시킨다. 에너지 저장 수단이 비교적 높은 전류로 방전된다면, 스위칭 싸이클의 제 2 상태 동안 비교적 큰 전압 강하가 발생한다. 제어를 위해서, 제 2 상태 동안 출력 전압이 측정될 때, 듀티 싸이클 및 방전 전류는 측정의 정확성에 직접적인 부정적인 영향을 줄 것이다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 출력 전압을 제어하기 위해 단일 전압 기준 레벨을 사용하여 전압 측정의 리플 전압에 대한 의존성을 줄이는, 상술된 타입의 DC/DC 변환기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 제어 수단이 최소 및 최대 듀티 싸이클을 포함하는 2 상태 스위칭 싸이클에 따라 전기 에너지를 전달하기 위해 스위칭 수단을 동작적으로(operatively) 제어하는, 본 발명에 따른 DC/DC 변환기로 성취된다.
본 발명은, 출력 전압이 기준 전압에 의해 세트된 그의 바람직한 값보다 클 동안에는 변환기에 그리 강하게 로딩하지 않고, 후속하는 스위칭 싸이클 동안에 더 적은 에너지가 에너지 저장 수단에 전달되어 상술된 바와 같이 출력 전압에서의 전압 리플을 줄인다는 통찰에 기초한다. 오직, 출력 전압이 그의 바람직한 값 아래로 떨어질 경우에만, 출력 전압을 그의 필요한 레벨로 회복하기 위해, 보다 큰 양의 전기 에너지가 후속하는 스위칭 싸이클 동안 에너지 저장 수단에 저장되어야 한다. 이로써, 변환기의 매우 안정한 제어를 제공하는, 단일 기준 전압 및 2 상태 듀티 싸이클 제어를 이용하여, 제어 수단이 비교적 단순한 설계로 될 수 있으면서, 전체 전압 리플은 감소된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, DC/DC 변환기는 입력 전압 Vin을 수신하는 제 1 및 제 2 입력 단자와, 출력 전압 Vout를 제공하는 제 1 및 제 2 출력 단자와, 제 1 및 제 2 접속 단부━상기 제 1 접속 단부는 상기 제 1 입력 단자에 접속됨━를 갖는, 유도성 전기 에너지 저장 수단으로서의 코일과, 상기 코일의 제 2 접속 단부로부터 상기 제 2 입력 단자까지의 도전 경로를 제공하도록 동작적으로(operatively) 접속된 제 1 스위칭 수단과, 상기 코일의 제 2 접속 단부로부터 상기 제 1 출력 단자까지의 도전 경로를 제공하도록 동작적으로 접속된 제 2 스위칭 수단과, 상기 제 2 스위칭 수단에 병렬 접속되어, 상기 코일의 제 2 접속 단부로부터 상기 제 1 출력 단자까지의 도전 경로를 제공하는 다이오드 수단과, 상기 제 1 및 제 2 출력 단자 간에 접속된 캐패시터 수단과, 상기 출력 전압 Vout을 제공하기 위해, 최대 및 최소 듀티 싸이클(Dmin,Dmax)을 포함하는 2 상태 스위칭 싸이클에 따라 소정량의 전기 에너지를 상기 에너지 저장 수단으로부터 상기 DC/DC 변환기(1)의 출력으로 전달하기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 수단을 폐쇄된 또는 도전성 상태 및 개방된 또는 비도전성 상태로 동작적으로 스위칭하는 제어 수단과, 최소 및 최대 듀티 싸이클에 따라 상기 스위칭 수단을 스위칭하는 제어 수단에 제어 신호를 제공하기 위해 상기 출력 전압 Vout를 기준 전압 Vref와 비교하는 비교 수단을 포함한다.
바람직하게는, MOS(금속 산화물 반도체) 트랜지스터 수단으로 구성된 스위칭 수단이 사용되며, 상기 스위칭 수단의 제어 단자(게이트)는 트랜지스터의 도전성 또는 비도전성 상태를 제어하는 제어 수단에 접속된다.
본 발명에 따른 DC/DC 변환기가 여기에만 한정되지는 않지만 배터리 전력 장치와 같은 휴대용 전자 장치 내에서 사용된다면 특히 유리하다.
본 발명은 예시적인 실시예로서 DC/DC 업 변환기를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 출력 DC/DC 업 변환기의 회로도,
도 2는 도 1에 도시된 DC/DC 업 변환기의 출력에서의 출력 전압의 그래프,
도 3은 도 1에 도시된 DC/DC 업 변환기 내의 유도성 에너지 저장 수단 내의 전류 흐름의 그래프,
도 4는 PWM 모드로 동작되는 도 1에 도시된 DC/DC 업 변환기에 대한 본 발명에 따른 스위칭 시퀀스(switching sequence)를 모드 상태 도면으로 도시한 도면.
도 1은 단일 출력을 갖는, 본 발명에 따라 동작되는 DC/DC 업 변환기(up-converter)의 도면이다.
변환기(1)는 코일(L)의 형태를 취하는 유도성 전기 에너지 저장 수단 및 제 1 입력 단자(2)와 제 2 입력 단자(3) 간에 직렬 접속된 제 1 스위칭 수단(S1)을 포함한다. 코일(L)과 제 1 스위칭 수단(S1)의 접속부는 제 2 스위칭 수단(S2)을 통해 제 1 출력 단자(4)에 접속된다. 다이오드(D)는 제 2 스위칭 수단(S2)에 병렬 접속되며 제 1 입력 단자(2)로부터 제 1 출력 단자(4)까지의 전류 도전 경로를 제공한다. 제 2 입력 단자(3) 및 제 2 출력 단자(5)는 가령 전자 장치의 어쓰(earth) 또는 매스(mass)와 같은 공통 도전 경로를 통해 접속된다. 평활 캐패시터(C)는 제 1 및 제 2 출력 단자(4,5) 간에 접속된다.
변환기(1)는 입력 단자(2,3)에서의 입력 전압 Vin에 응답하여 출력 단자(4,5)에서의 제어된 또는 조정된 출력 전압 Vout를 제공한다. 이를 위해, 스위칭 시퀀스에 따라 제 1 및 제 2 스위칭 수단(S1,S2)을 동작시키는 제어기 또는 제어 수단(6)이 제공되며, 출력 전압 Vout이 입력 전압 Vin보다 높다. 제 1 및 제 2 스위칭 수단(S1,S2)의 제어는 각기 화살표(7,8)로 표시된다.
비교 수단(9)의 입력 단자(10)에 제공된 단일 기준 전압 Vref와 출력 전압 Vout를 비교하는 비교 수단(9)이 제공된다. 비교 수단(9)의 출력은 화살표(11)로 표시된 바처럼, 제어 수단(6)의 입력에 접속된다.
도 3은 펄스 폭 변조(PWM)에 대한 통상적인 스위칭 싸이클에서의 시간 t에 대한 코일 전류(I)를 도시하며, 여기서 코일(L)을 통한 전류(I)는 제로가 되지 않는다. 제 1 상태 φ1 동안, 에너지는 코일(L) 내에 저장 또는 비축되며, PWM 스위칭 싸이클의 제 2 상태 φ2 에서는, 저장된 에너지가 변환기(1)의 출력 단자(4,5)로 전달된다. 제 1 상태 φ1에서는, 제 1 스위칭 수단(S1)이 폐쇄, 즉 도전성 상태가 되며, 제 2 스위칭 수단(S2)은 개방, 즉 비도전성 상태가 된다. 제 1 상태 φ1 동안, 전류는 그 내부에 전기 에너지를 저장하는 코일(L)을 통해서만 흐른다. 이 상태 동안에는, 코일(L)을 통한 전류(I)는 증가된다. 제 2 상태 φ2 에서는, 제 1 스위칭 수단(S1)은 개방되며 제 2 스위칭 수단(S2)은 폐쇄된다. 이 상태에서는, 코일을 통한 전류(I)는 에너지가 변환기(1)의 출력 단자(4,5) 간에 접속된 부하(12)로 전달되기 때문에 떨어진다. 이는 도 2에 도시된 바와 같은 출력 전압 Vout에서의 리플을 형성하며, 상기 리플의 주파수는 변환기(1)의 스위칭 주파수와 동일하다.
출력 전압에서의 리플(20)은 또한 출력 캐패시터(C)의 충전 및 방전 및 이 캐패시터(C)의 등가 직렬 저항(ESR)을 통한 전류에 의해 발생된다. 리플(20)의 크기는 변환기(1)의 듀티 싸이클에 의해 제어되는 코일 전류(I)와 직접적으로 관련된다.
듀티 싸이클 D는 D = t1/(t1+t2) = t1/T 로 규정된다.
여기서 t1은 제 1 스위칭 수단(S1)이 폐쇄될 때 제 1 상태 φ1의 시간의 길이이며,
t2는 제 2 스위칭 수단(S2)이 폐쇄될 때 제 2 상태 φ2의 시간의 길이이며,
T = t1 + t2 이다.
본 발명에 따라, 최소값 Dmin 및 최대값 Dmax를 갖는 2 상태 듀티 싸이클 이후에, 제 1 및 제 2 스위칭 수단(S1,S2)을 스위칭하는 제어 수단이 구성된다.
여기서, Dmax = t1max/(t1max + t2min)가 되는데,
t1max는 t1의 시간에서의 최대 길이이고
t2min은 t2의 시간에서의 최소 길이이며,
또한, Dmin = t1min/(t1min + t2max)가 되며,
t1min은 t1의 시간에서의 최소 길이이고,
t2max은 t2의 시간에서의 최대 길이이며,
또한, T = t1max + t2min = t1min + t2max 이다.
도 2에 도시된 바처럼, 출력 전압 Vout는 화살표(15,16,17,18,19)로 도시된 바처럼, 변환 싸이클의 끝부분에서(T=t)의 샘플 순간(sample moments)에서 측정된다. 본 발명에 따라, 샘플 순간에서의 출력 전압 Vout가 샘플 순간(15,18)에서처럼 기준 레벨 Vref 보다 크다면, 후속 스위칭 싸이클은 최소 듀티 싸이클 Dmin을 가질 것이다. 샘플 순간에서의 출력 전압 Vout가 샘플 순간(16,17,19)에서처럼 기 준 레벨 Vref 보다 낮다면, 후속 스위칭 싸이클은 최대 듀티 싸이클 Dmax를 가질 것이다.
따라서, 본 발명에 따라 2 상태 싸이클로 스위칭 수단을 제어함으로써, 단일 기준 레벨 Vref가 출력 전압 Vout를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 단일 기준 DC/DC 변환기 제어 수단(6)의 동작을 설명하는 상태도이다.
최대 듀티 싸이클 Dmax의 상태 φ1에서 시작하면, 싸이클 동안의 시간 t가 t1max보다 크다면, 스위칭 수단(S1,S2)은 도면에서 상태 φ2, Dmax인, 최대 듀티 싸이클을 갖는 변환 싸이클의 상태 φ2로 변환된다. 듀티 싸이클의 끝부분에서, 즉 t＞T 에서, 출력 전압 Vout가 기준 전압 Vref보다 작다면, 즉 Vout ＜ Vref이면, 제어 수단(6)은 최대 듀티 싸이클 Dmax를 갖는 변환 싸이클에서 유지된다.
마찬가지로, 제어 수단(6)이 최소 듀티 싸이클, 즉 상태 φ1, Dmin의 변환 싸이클에서 동작하고 t＞t1min이면, 스위칭 수단(S1,S2)은 상태 φ2로 스위칭되며, 에너지는 변환기(1)의 출력으로 전달된다. 듀티 싸이클의 끝부분에서, 즉 t＞T이고 Vout ＞ Vref이면, 변환기는 최소 듀티 싸이클 Dmin을 갖는 변환 싸이클에서 유지된다.
변환 싸이클의 끝부분에서, 즉 t＞T에서 출력 전압 Vout ＜ Vref이면, 제어 수단은 최소 듀티 싸이클 Dmin을 갖는 상태 φ2로부터 최대 듀티 싸이클 Dmax를 갖는 변환 싸이클의 상태 φ1로 변환될 것이다. 한편, t＞T 이며, Vout ＞Vref이면, 제어 수단(6)은 최대 듀티 싸이클 Dmax를 갖는 변환 싸이클의 상태 φ2에서 최소 듀티 싸이클을 갖는 변환 싸이클의 상태 φ1로 변할 것이다.
도 1에 도시된 DC/DC 업 변환기에서, 제 2 스위칭 수단(S2)은 선택사양적이며 DC/DC 변환기(1)의 전력 변환 효율을 증가시키는데 사용된다.
본 발명의 원리에 따라 동작하는 DC/DC 변환기는 도 1에서 점선으로 표시된, 휴대용 전자 장치(13)와 같은 전자 장치 내에서 또는 전자 장치와 함께 사용될 수 있으며, 또한 도 1에서 점선으로 표시된 개별 전원(14)을 형성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 유도성 전기 에너지 저장 수단(L) 및 스위칭 수단(S1,S2) 및 제어 수단(6)을 포함하는 DC/DC 변환기(1)━상기 제어 수단(6)은 소망하는 출력 전압(Vout)을 제공하기 위해, 소정량의 전기 에너지를 상기 에너지 저장 수단(L)으로부터 상기 DC/DC 변환기(1)의 출력으로 전달하기 위하여 스위칭 수단(S1,S2)을 선택적으로 동작시킴━에 있어서,
    상기 제어 수단(6)은 최대 및 최소 듀티 싸이클(Dmin,Dmax)을 포함하는 2 상태 스위칭 싸이클에 따라 전기 에너지를 전달하기 위해, 상기 출력 전압(Vout)과 기준 전압(Vref)의 비교에 응답하여 상기 스위칭 수단(S1,S2)을 동작적으로(operatively) 제어하고,
    상기 스위칭 수단(S1,S2)은 상기 출력 전압(Vout)이 상기 기준 전압(Vref)보다 낮으면, 최대 듀티 싸이클(Dmax)이 후속 스위칭 싸이클에서 사용되고, 상기 출력 전압(Vout)이 상기 기준 전압(Vref)보다 높으면, 최소 듀티 싸이클(Dmin)이 후속 스위칭 싸이클에서 사용되도록 제어되는
    DC/DC 변환기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단(6)은 펄스 폭 변조(PWM) 모드 스위칭 싸이클에서 상기 출력 전압(Vout)을 제어하는
    DC/DC 변환기.
  4. 입력 전압 Vin을 수신하는 제 1 및 제 2 입력 단자(2,3)와,
    출력 전압 Vout를 제공하는 제 1 및 제 2 출력 단자(4,5)와,
    제 1 및 제 2 접속 단부━상기 제 1 접속 단부는 상기 제 1 입력 단자(2)에 접속됨━를 갖는, 유도성 전기 에너지 저장 수단으로서의 코일(L)과,
    상기 코일(L)의 제 2 접속 단부로부터 상기 제 2 입력 단자(3)까지의 도전 경로를 제공하도록 동작적으로(operatively) 접속된 제 1 스위칭 수단(S1)과,
    상기 코일(L)의 제 2 접속 단부로부터 상기 제 1 출력 단자(4)까지의 도전 경로를 제공하도록 동작적으로 접속된 제 2 스위칭 수단(S2)과,
    상기 제 2 스위칭 수단(S2)에 병렬 접속되어, 상기 코일의 제 2 접속 단부로부터 상기 제 1 출력 단자(4)까지의 도전 경로를 제공하는 다이오드 수단(D)과,
    상기 제 1 및 제 2 출력 단자(4,5) 간에 접속된 캐패시터 수단(C)과,
    상기 출력 전압 Vout을 제공하기 위해, 최대 및 최소 듀티 싸이클(Dmin,Dmax)을 포함하는 2 상태 스위칭 싸이클에 따라 소정량의 전기 에너지를 상기 에너지 저장 수단으로부터 상기 DC/DC 변환기(1)의 출력으로 전달하기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 수단(S1,S2)을 폐쇄된 상태 또는 도전성 상태 및 개방된 상태 또는 비도전성 상태로 동작적으로 스위칭하는 제어 수단(6)과,
    상기 최소 및 최대 듀티 싸이클(Dmin,Dmax)에 따라 상기 스위칭 수단(S1,S2)을 스위칭하는 상기 제어 수단(6)에 제어 신호를 제공하기 위해 상기 출력 전압 Vout를 기준 전압 Vref와 비교하는 비교 수단(9)을 포함하는
    DC/DC 변환기.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 스위칭 수단(S1,S2)은 반도체 스위칭 수단을 포함하는
    DC/DC 변환기.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 수단(6)은 상기 DC/DC 변환기(1)의 입력 단자(2,3)에서의 입력 전압(Vin)보다 높은 상기 DC/DC 변환기(1)의 출력 단자(4,5)에서의 출력 전압(Vout)을 제공하는 업 변환 모드에서 동작하도록 구성되는
    DC/DC 변환기.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 따른 DC/DC 변환기(1)를 포함하는 전원(14).
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 따른 DC/DC 변환기(1)를 포함하는 휴대용 전자 장치(13).
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 스위칭 수단(S1,S2)은 MOS(금속 산화물 반도체) 트랜지스터 수단을 포함하는
    DC/DC 변환기.
KR1020027012223A 2001-01-18 2001-12-14 Ｄｃ/ｄｃ 변환기 및 이를 포함하는 전원 및 휴대용 전자장치 KR100860757B1 (ko)

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