KR100874001B1 - 하이브리드 디지털-아날로그 스위치드 파워 서플라이 - Google Patents

하이브리드 디지털-아날로그 스위치드 파워 서플라이 Download PDF

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Abstract

파워 서플라이 출력을 나타내는 입력 신호에 응답하여 보상 에러 신호를 제공하는 제어 루프와; 그리고 상기 보상 에러 신호에 응답하여 선택적인 반복율을 가지는 구동 회로에 대해 가변의 듀티 사이클 구동 신호를 발생시키는 PWM 신호 발생기를 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이가 개시된다. 상기 제어 루프는 디지털 회로에 의해 구현되고, 상기 PWM 신호 발생기는 아날로그 회로에 의해 구현된다.
Figure R1020067020713
파워 서플라이

Description

하이브리드 디지털-아날로그 스위치드 파워 서플라이 {HYBRID DIGITAL-ANALOG SWITCHED POWER SUPPLY}
본 출원은 2004년 3월 1일 출원된 미국 가출원 제60/549,316호(발명의 명칭 : 디지털-아날로그 하이브리드 PWM)에 기초한 것으로서 그 우선권을 주장하며, 이 가출원의 내용은 본 명세서에 참고로서 반영된다.
본 발명은 스위치 모드 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 파워 서플라이에 관한 것으로, 특히 순수한 디지털 구현으로 인해 생기는 단점을 회피하는 하이브리드 디지털 아날로그 구현을 가지는 그러한 파워 서플라이에 관한 것이다.
본 발명은 본 기술분야에서 숙련된 자에 의해 이미 잘 알려진 바와 같이 통상적인 동기식 벅 컨버터(synchronous buck converter)와 관련해서 서술되지만, 어떠한 스위칭 파워 서플라이 토폴로지(topology)에도 본 발명을 적용시킬 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다. 따라서, AC-DC 전환, DC-AC 전환 등을 위한 동기식 및 비동기식 파워 서플라이, 그리고 전자 파워 서플라이, 모터 구동, 조명(lighting) 및 다른 적절한 응용분야에서도 본 발명을 사용할 수 있다.
스위칭 파워 서플라이는 전자 디바이스(device), 조명 및 모터 구동 기기 분야에서 수많은 응용제품이 있다. 몇 가지 기본적인 형태는 본 기술 분야에서 숙련된 자들에 의해 잘 알려져 있다. 스위칭 파워 서플라이의 기술분야가 발달함에 따라, 다양한 시스템 컴포넌트(system component)들이 처음으로 아날로그로 구현되었다.
도 1은 단일 위상 아날로그 스위칭 파워 서플라이(100)의 일반적인 구조를 간단한 형태로 예시한 도면이다. 설명의 일관성을 위하여, 도시된 토폴로지는 동기식 벅 컨버터에 관한 것으로 기술되어 있지만은 이것은 단지 예시적인 것임을 이해하야 할 것이다.
예시된 디바이스(100)는 하이-사이드(high-side) 스위치(105)와, 스위치 노드(115)에서 상기 하이-사이드 스위치에 연결된 로우-사이드(low-side) 스위치(110)와, 상기 스위치 노드(115)에 연결된 출력 인덕터(120)와, 그리고 상기 출력 인덕터(120)에 연결된 출력 커패시터(125)를 포함한다. 하이-사이드와 로우-사이드 스위치들(105, 110)은 전력 MOSFET, IGBT 또는 다른 바이폴라 트랜지스터, 또는 높은 도통 상태와 사실상 비-도통 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 다른 적절한 디바이스일 수 있다.
DC 전력은 본 기술 분야에서 숙련된 자들에게 잘 알려진 여느 통상적인 형태의 적절한 정류 회로(도시되지 않음)를 통하여 AC 소스로부터 DC 버스(150)에 제공된다.
동작에 있어서, 하이-사이드 및 로우-사이드 스위치들(105, 110)에 대한 게이트 구동 신호들은 제어 회로(130)에 의해 각각 버스 (140)과 (145)에 제공되어 부하(135) 양단에서 원하는 출력 전압이 발생되게 한다. 상기 부하(135)는 예를 들어, 컴퓨터 또는 전기 모터와 같은 전자 디바이스일 수 있다. 이러한 목적을 위해. 제어 회로(130)는 상기 스위치들의 온 오프 시간(듀티 사이클(duty cycle))을 제어하는 논리 회로를 포함한다.
듀티 사이클 제어는 일반적으로 에러 신호와 비교되는 반복적인 삼각 파형(repetitive triangular wave form)으로부터 도출된 펄스 폭 변조에 의해 제공되어 PWM 듀티 사이클 펄스를 발생한다. 상기 PWM 듀티 사이클 펄스는 적절한 게이트 구동 회로에 제공된다.
적절하게 조절된 전압을 제공하면서도 필요한 부하 전류를 충족시키기 위하여, 적절한 피드백 조절 루프(155)가 제공되는바, 이것에 의해 부하 전류 혹은 출력 전압 등의 관련 동작 파라미터들을 나타내는 신호들이 제어 회로(130)에 전송된다. 제어 회로(130)는 이들 신호들을 이용하여 보상(compensation), 필터링(filtering) 또는 그 밖의 신호 처리를 제공하고, 스위치들(105, 110)의 스위칭 시간을 제어한다.
예시된 구성 및 그 동작 방식은 본 기술 분야에서 숙련된 자들에게 잘 알려져 있으며, 간결성을 위해 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 필요한 부하 전류가 도 1의 회로에 의해 제공될 수 있는 전류를 초과하거나 혹은 대형 산업용 모터에 동력을 공급하는 경우, 도 2에 도면 부호 200으로 도시한 바와 같이, 다수의 회로들을 결합하여 사용할 수 있다. 여기서, 다수의 출력 위상들(205a, 205b,..., 205n)은 개별의 인덕터들(215a, 등)과 출력 커패시터(125)를 통하여 부하(135)에 공급된다. 상기 부하가 다중-위상 모터인 경우, 각각의 위상(205a, 205b,..., 205n)은 개별의 LC 회로를 통해 상기 모터의 위상 권선(winding)들 중 하나에 공급된다.
파워 서플라이는 적절한 다중-위상 제어회로(210)에 의해 제어되고, 그리고 본 기술 분야에서 숙련된 자들이면 이해할 수 있는 바와 같이 어느 적절한 설계의 피드백 회로(도시되지 않음)에 의해 제어된다.
비록 아날로그 기술을 사용하여 구현되는 스위칭 파워 서플라이가 널리 사용되고 있지만은, 테스트와 측정, 기계 제어, 모터 제어, 및 통신은 아날로그 방식보다는 디지털 방식이 많은 장점들을 갖는 것으로 인식되고 있다. 이러한 장점들은 지능형 장애 분석(intelligent fault resolution), 정확한 타이밍, 유닛-대-유닛 반복능력, 시간과 온도에 대한 컴포넌트의 드리프트(component drift)의 결여, 펌웨어(firmware) 설계 제어 및 복잡한 기능을 구현하는데 있어서의 정확성 등과 같은 것이다. 이러한 것들이 잘 알려지게 됨에 따라, 파워 서플라이 설계에 디지털 기술을 응용하는 것이 진지하게 고려되기 시작했다.
도 3은 디지털 기술을 사용하여 구현된 스위칭 PWM 파워 서플라이의 구조를 (동기식 벅 컨버터의 예시적인 문맥에서 다시) 도시한 것이다. 여기서, 스위칭은 양의(positive) DC 버스(308)와 그라운드(310) 사이에, 또는 응용에 따라서는 양의 그리고 음의(negative) DC 버스들 사이에, 연결된 하이-사이드와 로우-사이드 스위치들(302, 304)(MOSFET로 도시됨)에 의해 수행된다. 상기 스위치들 사이의 공통 노드(306)는 인덕터(312)를 통해 출력 커패시터(314)에 연결되어 부하(316)를 구동한다.
데드 타임(dead time) 제어 회로(364), 게이트 드라이버들(366, 368)뿐만 아니라 기타 다른 종래의 또는 원하는 회로를 포함하는 게이트 구동 유닛(318)이, 단자(320)에서, 도면부호 322로 표시한 (이하 더욱 자세하게 서술될) PWM 로직으로부터의 PWM 듀티 사이클 제어 신호들을 수신한다.
디지털방식으로 구현되는 스위칭 파워 서플라이에 있어서, 상기 제어 루프는 일반적으로 하나 또는 그 이상의 센서들(도시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 이것의 출력은 시그널링 경로(signaling path)(354)에 제공되고, 어떤 종래의 또는 원하는 설계의 A/D 컨버터(352)에서 디지털화된다. A/D 컨버터(352)의 출력은 신호 버스(356)를 통해 디지털 컨디셔닝 유니트(digital conditioning unit)(358)에 제공된다. 이것은 프로그램된 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, ASIC, 또는 다른 적절한 또는 원하는 방식으로 실행될 수 있어서, 디지털 필터링과, 그리고 아날로그 또는 디지털 스위칭 파워 서플라이 제어 루프(비-선형 제어 기능들 또는 룩업 테이블(lookup table)을 포함하나 이것에 한정되지 않는다.)에서 통상적으로 채택되는 어떤 적절한 또는 원하는 보상 알고리즘에 따른 보상을 제공한다. 이것은 신호 버스(360) 상에 보상 피드백 신호(compensated feedback signal)를 수치적 형태로 나타낸 에러 "신호"를 발생시킨다.
신호 버스(360)상의 수치적 에러 정보는 디지털 로직 유닛(322)에 직접 인가되며, 이 디지털 로직 유닛(322)은 스위치들(302, 304)에 대해 PWM 게이트 구동 신호들을 발생시킨다. 이 디지털 로직 유닛(322)은 다운 카운터(down counter)(362)와, 그리고 카운터(362)를 구동하고 분할기 회로(328)를 통해 래칭 회로(326)를 세트(set)하기 위해 연결된 마스터 클록(324)을 포함한다. 래치(326)에 대한 리세트(reset) 신호는 카운터(362)의 "바로우(borrow)" 또는 언더플로우(underflow) 출력에 의해 제공된다. 그 다음에, 상기 래치 리세트 출력은 사이클 시작 신호를 카운터(362)에 제공하여 버스(360)에 에러 신호를 적재(load)한다. 래치 회로(326)의 출력은 앞서 서술한 게이트 구동 회로(318)에 제공되는 PWM 듀티 사이클 펄스들을 발생시키는데 사용된다.
도시된 바와 같이, 8 비트 논리가 채택된다. 마스터 클록(324)은 256 Mhz에서 동작하고, 이것에 의해 다운 카운터(362)는 256 Mhz로 클록된다. 분할기(328)는 256로 나누기 기능을 제공하고, 이것에 의해 1 Mhz 신호가 PWM 래치(326)를 세트하기 위해 제공된다.
모터 구동, 조명 및 다른 저 주파수 스위칭 응용기기에 대한 디지털 제어 기술의 채택은 잘 진행되어 왔으나, 고 주파수 스위칭 파워 서플라이 설계에 대한 디지털 제어의 채택은 잠재적인 이익에도 불구하고, 높은 단가로 인하여 느리게 진행되어 왔다.
또한, 파워 서플라이가 급속한 부하 과도현상(rapid load transients)을 수용하기 위해, 그리고 높은 정확성으로 양호한 출력 전압 안정성을 제공하기 위해, 높은 스위칭 주파수에서 동시에 동작되는 경우에 디지털 구현으로 인한 본질적인 제한이 존재한다. 이러한 문제점은 진정한 디지털 PWM에 대한 펄스 폭에서의 어떤 증가분이 메인 클록 주파수보다 더 짧을 수 없기 때문에 발생한다. 예를 들어, 100 Mhz 클록에 의해 구동되는 PWM 시스템을 고려해 보면, 그 최소 펄스 폭 변화가 10 ns이다. 1 Mhz PWM 주파수의 경우, 스위칭 간격 펄스 폭은 대략 100 ns 이고, 따라서, 개별적인 듀티 사이클 단계 변화(10 ns)는 스위칭 간격의 단지 10%일 수 있다. 대부분의 경우에, 이것은 간단히 말하면 원하는 정확성을 제공할 수 없다. 상기 PWM 주파수가 100 Khz로 감소 될지라도, 단계 변화는 단지 1 %이고, 이것은 많은 파워 서플라이들에 대해 부적합하다.
따라서, 분명한 것은 상기 서술된 제한이 없이 디지털 기술의 장점을 제공하는 디지털 파워 서플라이를 구현할 필요가 있다는 것이다.
본 발명은 상기의 필요성을 충족하는 하이브리드 스위칭 파워 서플라이를 제공하는 데 있다. 여기서, 하이-사이드 및 로우-사이드 스위치들에 대한 PWM 구동은 아날로그 기술로 구현되며, 반면에 제어 루프는 디지털 기술로 구현된다. 이는 디지털 회로의 최대 사용을 허용하고, 그리고 아날로그 구성을 최소화하며, 반면에 1 MHz 또는 그 이상의 PWM 간격 주파수에서 조차, 0.1 % 또는 그 이하의 PWM 분석(resolution)을 용이하게 한다.
도 1은 종래의 단일 위상 아날로그 스위칭 파워 서플라이의 기본 구성과 동작을 도시한 블록도이다.
도 2는 종래의 다중-위상 아날로그 스위칭 파워 서플라이의 기본 구성과 동작을 도시한 블록도이다.
도 3은 디지털 기술을 사용하여 구현되는 단일 위상 스위칭 파워 서플라이의 기본 구성과 동작을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 디지털-아날로그 PWM 파워 서플라이의 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 디지털-아날로그 PWM 파워 서플라이의 구조를 도면 부호 400으로 도시한 도면이다. 편의를 위해, 도 3의 모든-디지털 구현에서와 동일한 구성요소는, 도 4에서 도 3에서와 같은 동일한 도면 부호가 배정되었다.
따라서, 스위칭은 양의 DC 버스(308)와 그라운드(310) 사이에 연결된 하이-사이드와 로우-사이드 MOSFET 스위치들(Q1, Q2)에 의해 수행되는 데, 상기 스위치들 사이에 공통 노드(306)는 부하(316)를 구동하기 위하여 인덕터(312)를 통해 출력 커패시터(314)에 연결된다.
도 3에서와 같이 구성된 게이트 구동 유닛(318)은, 도면 부호 402로 표기되며 이하 더욱 상세히 서술될 아날로그 PWM 논리 유닛으로부터의 PWM 듀티사이클 제어신호를 단자(320)에서 수신한다.
도 3에서와 같이, 본 발명에 따르면, 제어 루프(350)는 디지털방식으로 구현된다. 따라서, 하나 또는 그 이상의 센서 출력이 시그널링 경로(354)에 제공되며, 어떤 통상적인, 또는 원하는 설계의 A/D 컨버터(352)에 의해 디지털화되어, 8 비트 또는 다른 원하는 분석을 갖는 출력 신호를 발생시킨다. A/D 컨버터(352)의 출력은 신호 버스(356)를 통해 디지털 컨디셔닝 유닛(358)에 제공된다. 다시, 도 3에서와 같이, 이것은 프로그램된 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, ASIC, 또는 다른 적절한 또는 원하는 방식으로 실행될 수 있어서, 디지털 필터링과, 그리고 아날로그 또는 디지털 스위칭 파워 서플라이 제어 루프(필요한 경우, 비-선형 제어 기능들 또는 룩업 테이블을 포함한다.)에서 통상적으로 채택되는 어떤 적절한 또는 원하는 보상 알고리즘에 따른 보상을 제공한다.
본 발명에 따르면, 신호 버스(360) 상의 보상 디지털 피드백 에러 신호는 디지털 대 아날로그(D/A) 컨버터(404)에 의해 아날로그 형태로 다시 변환되어,아날로그 펄스 폭 변조기(402)에서 사용된다.
PWM 유닛(402)이 어떤 적절한 또는 원하는 설계일지라도, 도 4에 도시된 바와 같이 바람직한 일 실시예는 래칭 회로(408)를 세트하기 위해 연결된 마스터 클록(406)을 포함한다. 개략적으로 도시된 전류 소스(410)는 타이밍 커패시터(412)를 충전하기 위해 연결된다. 그라운딩 스위치(414)는, 예를 들어 래치(408)가 세트되는 경우에는 폐쇄되고, 래치(408)가 클리어(clear)되면 개방되도록 구성된 트랜지스터는, 타이밍 커패시터(412)에 대해 방전 사이클을 제어한다.
커패시터(412) 양단의 전압은 타이밍 비교기(418)의 입력(416)에서 기준 전압과 비교되는바, 그 출력은 래치(408)를 리세트하기 위해 결합된다. 비교기(418)의 목적은 PWM 타이밍 사이클이 시작할 수 있도록 타이밍 커패시터(412)가 방전되면 래치(408)를 클리어하는 것이다.
커패시터(412) 양단 전압은 또한 PWM 비교기 회로(422)의 제 1 입력(420)에서 제공된다. 이것은 단자(424)에서 D/A 컨버터(404)에 의해 제공되는 아날로그 에러 신호와 커패시터(412)에서의 전하의 누적을 나타내는 상승 전압과 비교하여 PWM 듀티 사이클 펄스들을 발생시킨다. 그 다음에 이들은 상기 서술된 게이트 구동회로(318)에 제공된다.
본 발명의 핵심 장점은 상기 PWM 분석이 어떠한 클록 속도에도 구애받지 않는다는 것이다. 보여진 실시예는 8 비트 분석을 사용하지만, 다른 더 크거나 더 적은 분석도 가능하다. 상기 분석은 실시예의 1 Mhz 스위칭 주파수와는 관련이 없고, 상기 주파수는 PWM 분석에 아무런 영향을 미치지 않으면서 더 높거나 더 낮을 수 있다.
비록 본 명세서에서는 본 발명의 특정 실시예만을 제시하였지만은, 다른 많은 변형, 수정 및 다른 사용이 가능함이 본 기술분야에서 숙련된 자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서의 특정 개시 내용으로만 한정되지 않으며, 오로지 첨부된 특허 청구의 범위에 의해서만 한정되는 것이 바람직하다.

Claims (8)

  1. 스위치 모드 파워 서플라이에 있어서,
    DC 소스에 연결된 반도체 스위칭 회로와;
    상기 반도체 스위칭 회로에 연결되어 부하를 구동하도록 된 출력 회로와;
    상기 반도체 스위칭 회로를 제어하는 동작을 하는 구동 회로와;
    제어 루프와, 여기서 상기 제어 루프는
    상기 파워 서플라이 출력을 나타내는 아날로그 신호를 입력으로서 수신하고 다중 비트 출력 신호를 제공하는 A/D 컨버터와,
    상기 A/D 컨버터로부터의 상기 다중 비트 출력 신호에 응답하여 다중 비트 디지털 에러 신호를 발생시키는 디지털방식으로 구현되는 프로세싱 유닛과, 그리고
    상기 다중 비트 디지털 에러 신호를 입력으로서 수신하고 상기 다중 비트 디지털 에러 신호를 나타내는 아날로그 출력 신호를 제공하는 D/A 컨버터를 포함하여 구성되며; 그리고
    상기 D/A 컨버터로부터의 상기 아날로그 출력 신호에 응답하여 상기 구동 회로에 대해 가변의 듀티 사이클 구동 신호를 발생시키는 PWM 신호 발생기를 포함하여 구성되며, 여기서 상기 PWM 신호 발생기는
    기준 전압을 표시하는 동작을 하는 제 1 비교기와, 그리고
    상기 D/A 컨버터로부터의 상기 아날로그 출력 신호와 상기 기준 전압을 수신하고, 상기 가변의 듀티 싸이클 구동 신호의 듀티 싸이클을 표시하는 출력을 제공하는 동작을 하는 제 2 비교기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 신호 발생기는 삼각파 발생기를 더 포함하고,
    상기 제 2 비교기는 제 1 입력으로서 상기 삼각파 발생기로부터의 출력을 수신하고, 제 2 입력으로서 상기 D/A 컨버터의 출력을 수신하는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 디지털방식으로 구현되는 프로세싱 유닛은 선택된 보상 알고리즘에 따라서 상기 A/D 컨버터로부터의 상기 다중 비트 출력 신호에 대한 보상을 제공하는 동작을 하는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  4. 스위치 모드 파워 서플라이에 있어서,
    DC 소스에 연결된 반도체 스위칭 회로와;
    상기 반도체 스위칭 회로에 연결되어 부하를 구동하도록 된 출력 회로와;
    상기 반도체 스위칭 회로를 제어하도록 동작을 하는 구동 회로와;
    상기 스위치 모드 파워 서플라이의 아날로그 출력을 입력 신호로서 수신하여 보상 에러 신호(compensated error signal)를 제공하는, 디지털 회로로 구현된 제어 루프와; 그리고
    상기 보상 에러 신호를 수신하여 상기 구동 회로에 대해 가변의 듀티 사이클 구동 신호를 발생시키는, 아날로그 회로로 구현된 PWM 신호 발생기를 포함하여 구성되며,
    상기 PWM 신호 발생기는 기준 전압을 표시하는 동작을 하는 제 1 비교기와, 그리고 상기 보상 에러 신호와 상기 기준 전압을 수신하고, 상기 가변의 듀티 싸이클 구동 신호의 듀티 싸이클을 표시하는 출력을 제공하는 동작을 하는 제 2 비교기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어 루프는 선택된 보상 알고리즘에 따라서 상기 파워 서플라이의 출력을 나타내는 신호에 대한 보상을 제공하는 동작을 하는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 DC 소스에 연결된 하이-사이드와 로우-사이드 반도체 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 PWM 신호 발생기는 삼각파 발생기를 더 포함하며,
    상기 제 2 비교기는 제 1 입력으로서 상기 삼각파 발생기로부터의 출력을 수신하고, 제 2 입력으로서 아날로그 형태의 상기 보상 에러 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  8. 제 7항에 있어서,
    아날로그 형태의 상기 보상 에러 신호는 상기 제어 루프의 출력에 연결된 D/A 컨버터에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 파워 서플라이.
KR1020067020713A 2004-03-01 2005-02-28 하이브리드 디지털-아날로그 스위치드 파워 서플라이 KR100874001B1 (ko)

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