KR100880924B1 - 직류 대 직류 전압 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압 변환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 칩에 집적하여 사용할 수 있는 직류 대 직류 전압 변환 장치에 관하여 개시한다. 개시된 본 발명의 직류 대 직류 전압 변환 장치는 고정된 기준 전압과 입력 전압을 대응되는 기준 전류 및 입력 전류로 변환하고 기준 전류와 입력 전류의 크기를 비교하여 제어신호를 출력하는 전류 비교기; 제어신호에 응답하여 차지 펌핑 동작을 수행하여 목표 전압에 대응되게 출력 전압을 변환시키는 차지펌프; 및 출력 전압을 분배하여 전류 비교기로 피드백되는 입력 전압을 출력하는 입력 전압 제공부;를 포함함으로써, 면적 및 소모를 개선하는 효과가 있다.

Description

직류 대 직류 전압 변환 장치{DC-DC Voltage converter}

본 발명은 전압 변환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 칩에 집적하여 사용할 수 있는 직류 대 직류 전압 변환 장치에 관한 것이다.

최근 휴대용 기기의 사용이 폭발적으로 증가하고 있으며, 휴대용 기기의 휴대성을 도모하기 위하여 휴대용 기기에 실장되는 모든 부품의 소형화가 진행되고 있다. 그 중에서도 큰 부피를 차지하는 전압 변환 장치도 소형화를 위한 개발이 활발히 이루어지고 있다.

전압 변환 장치 중 직류 대 직류(DC-DC) 전압 변환 장치는 인덕터와 다이오드를 사용한 펄스폭변환기(Pulse width modulator) 방식과 스위치 및 캐패시터를 이용한 차지 펌프(Charge pumpp) 방식으로 구분되며, 펄스폭변환기 방식의 경우 반도체 칩에 실장하는데 한계가 있기 때문에 반도체 칩에는 차지 펌프 방식으로 구현되는 DC-DC 전압 변환기가 많이 이용된다.

종래의 DC-DC 전압 변환 장치는 목표 전압을 출력하기 위해 기준 전압과 출력 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 스위치를 제어하는 제어신호를 발생하여 캐패시터를 동작시켜서 전하를 펌핑함으로써 고전압을 생성하는 방식으로 구동된다. 이에 따라, 종래의 DC-DC 전압 변환 장치는 기준 전압과 출력 전압을 비교하기 위한 전압 비교기를 구성한다.

한편, 종래의 DC-DC 전압 변환 장치는 전압 비교기가 목표 전압에 대응하여 설정된 기준 전압을 출력 전압과 비교하도록 구성되므로, 서로 다른 레벨의 목표 전압에 상응하여 서로 다른 레벨의 기준 전압이 설정되어야 한다. 따라서, 종래의 DC-DC 전압 변환기는 기준 전압을 제공하기 위한 별도의 회로를 구비하여야 하므로 칩의 면적이 증가하는 문제점이 있다.

그리고, 종래의 DC-DC 전압 변환 장치는 목표 전압이 높아질수록 기준 전압과 출력 전압이 높아지게 되어 전압 비교기의 소비 전력이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 DC-DC 전압 변환 장치는 기준 전압과 비교되는 출력 전압이 안정화되지 않으므로 출력 전압이 목표 전압에 도달했을 때 드리프팅 에러(Drifting error)가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 기준 전압과 입력 전압을 전류로 변환하여 비교함으로써 제어신호를 생성하는 전류 비교기를 구비하고, 상기 기준 전압으로 밴드갭 기준 전압 발생기에서 출력되는 고정된 전압을 사용하고, 상기 전류 비교기에서 상기 기준 전압 및 상기 입력 전압을 인가받는 트랜지스터 간의 W/L 비율을 조절하여 임의의 목표 전압을 설정함으로써 면적을 개선하는 직류 대 직류 전압 변환 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 출력 전압을 분배하고 안정화시켜 상기 입력 전압으로 제공함으로써 낮은 전압에 대응되는 전류를 비교하여 소비 전류를 개선하며, 목표 전압에 도달하였을 때 발생하는 드리프팅 에러를 개선하는 직류 대 직류 전압 변환 장치를 제공한다.

본 발명의 직류 대 직류 전압 변환 장치는 고정된 기준 전압과 입력 전압을 대응되는 기준 전류 및 입력 전류로 변환하고 상기 기준 전류와 입력 전류의 크기를 비교하여 제어신호를 출력하는 전류 비교기; 상기 제어신호에 응답하여 차지 펌핑 동작을 수행하여 목표 전압에 대응되게 출력 전압을 변환시키는 차지펌프; 및 상기 출력 전압을 분배하여 상기 전류 비교기로 피드백되는 상기 입력 전압을 출력하는 입력 전압 제공부;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 기준 전압은 밴드갭 기준 전압 발생 장치에서 출력되는 전압이다.

상기 전류 비교기는, 상기 기준 전압과 상기 입력 전압을 대응되는 상기 기준 전류와 상기 입력 전류로 변환하는 전류 변환부; 상기 기준 전류와 상기 입력 전류의 크기를 비교하는 전류 비교부; 및 상기 전류 비교부의 출력을 구동하여 상기 제어신호를 출력하는 출력부;를 포함한다.

상기 전류 변환부는, 제 1 노드와 접지단 사이에 연결되며 상기 기준 전압에 의해 동작하여 상기 기준 전류를 생성하는 기준 전류 발생 트랜지스터; 및 제 2 노드와 상기 접지단 사이에 연결되며 상기 입력 전압에 의해 동작하여 상기 입력 전 류를 생성하는 입력 전류 발생 트랜지스터;를 포함한다.

상기 전류 변환부는, 상기 기준 전류 발생 트랜지스터와 상기 입력 전류 발생 트랜지스터 간의 폭과 길이의 비율(W/L)을 조절하여 상기 목표 전압을 설정함이 바람직하다.

상기 기준 전류 발생 트랜지스터와 상기 입력 전류 발생 트랜지스터 간의 폭과 길이의 비율(W/L)은 상기 출력 전압이 상기 목표 전압과 같을 때 상기 기준 전류와 동일한 크기의 상기 입력 전류가 발생하도록 설정됨이 바람직하다.

전원 전압단과 상기 제 1 및 제 2 노드 사이에 각각 연결되고 게이트가 공동으로 상기 제 1 노드와 연결된 제 1 및 제 2 PMOS 트랜지스터를 포함하고, 상기 제 1 노드의 전압에 의해 상기 제 1 및 제 2 노드로 전원 전압을 공급하며, 상기 기준 전류 및 상기 입력 전류를 비교한 결과를 상기 제 2 노드로 출력함이 바람직하다.

상기 입력 전압 제공부는, 상기 출력 전압을 분배한 분배 전압을 제공하는 전압 분배기; 및 상기 분배 전압의 지터를 제거하여 안정된 상기 입력 전압을 제공하는 안정화부;를 포함하다.

상기 분배 전압은 파워다운 신호에 의해 상기 출력 전압을 직렬 연결된 다수의 저항성 트랜지스터들에 의해 분배된 전압이다.

바람직하게는 상기 저항성 트랜지스터 각각은 동일한 사이즈로 구성되어 동일한 저항비를 갖는다.

상기 안정화부는 로우 패스 필터를 포함함이 바람직하다.

본 발명은 직류 대 직류 전압 변환 장치에서 출력되는 출력 전압을 분배하고 분배된 전압을 안정화시킨 입력 전압을 기준 전압과 비교하여 제어신호를 생성하는 직류 대 직류 전압 변환 장치를 제공함으로써 전류 소모를 개선하고 목표 전압 근처에서 발생하는 드리프팅 에러를 개선하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 밴드갭 기준 전압 발생기에서 출력되는 고정된 전압을 기준 전압으로 사용하고, 임의의 목표 전압을 상기 기준 전압 및 입력 전압을 입력받는 트랜지스터 간의 W/L 비율을 조절하여 설정하고, 상기 기준 전압 및 상기 입력 전압을 전류로 변환하여 비교함으로써 면적을 개선하는 효과가 있다.

본 발명은 밴드갭 기준 전압 발생기에서 출력되는 고정된 전압을 기준 전압으로 사용하여 임의의 목표 전압을 출력하는 직류 대 직류(DC-DC) 전압 변환 장치에 관하여 개시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 전압 변환 장치는, 전류 비교기(10), 차지펌프(12) 및 입력 전압 제공부(14)를 포함한다.

전류 비교기(10)는 기준 전압 VREF와 입력 전압 VIN을 수신하여 대응되는 전류로 변환하여 비교한 결과에 따라 제어신호 PUMP_EN을 출력한다.

차지펌프(12)는 제어신호 PUMP_EN에 응답하여 스위치를 제어하여 캐패시터로 전하를 밀거나, 캐패시터로부터 전하를 당기는 차지 펌핑 동작을 수행하여 출력 전압 VOUT을 변환시킨다. 제어 신호 PUMP_EN에 의해 출력 전압 VOUT을 목표 전압 VTOG으로 변환시키는 장치로 당업자에게는 주지의 구성이므로 구체적인 설명은 생 략하기로 한다.

입력 전압 제공부(14)는 차지펌프(12)의 출력 전압 VOUT을 분배 및 안정화시켜 전류 비교기(10)로 피드백되는 입력 전압 VIN을 출력한다.

도 2를 참조하여 본 발명의 DC-DC 전압 변환 장치의 전류 비교기(10)를 살펴보면, 전류 비교부(10)는 기준 전압 VREF와 입력 전압 VIN을 대응되는 기준 전류 Iref와 입력 전류 Iin로 변환하는 전류 변환부(20), 기준 전류 Iref와 입력 전류 Iin을 비교하는 전류 비교부(22) 및 전류 비교부(22)의 출력을 제어신호 PUMP_EN로 출력하는 출력부(24)를 포함한다.

전류 변환부(20)는 노드 ND1, ND2와 접지단 VSS 사이에 각각 연결된 NMOS 트랜지스터(N1, N2)를 포함한다. 입력 전압 VIN과 기준 전압 VREF이 각 NMOS 트랜지스터(N1, N2)의 게이트로 인가되면, 각 NMOS 트랜지스터(N1, N2)로 입력 전압 VIN과 기준 전압 VREF에 상응하는 입력 전류 Iin 및 기준 전류 Iref가 흐르게 된다.

여기서, 기준 전압 VREF는 밴드갭 기준 전압 발생기(미도시)에서 출력되는 고정된 전압이다. 따라서, 기준 전류 Iref는 NMOS 트랜지스터(N2)의 채널 폭 W에 대한 채널 길이 L의 비율 즉, W/L 비율에 의해 다음 수학식 1 과 같이 조절될 수 있다.

수학식 1에서, NMOS 트랜지스터(N2)의 W/L은 "β(W/L)ref"이고, "Vt1"은 NMOS 트랜지스터(N2)의 문턱 전압이다.

그리고, 입력 전류 Iin은 NMOS 트랜지스터(N1)의 W/L 비율에 의해 수학식 2와 같이 조절될 수 있다.

수학식 2에서, NMOS 트랜지스터(N1)의 W/L은 "β(W/L)in"이고 "Vt2"는 NMOS 트랜지스터(N1)의 문턱 전압이다.

한편, 입력 전압 VIN은 후술될 입력 전압 제공부(14)에서 출력 전압 VOUT을 분배한 전압으로 다음 수학식 3이 성립한다.

한편, 본 발명의 DC-DC 전압 변환 장치의 목표 전압 VOUT은 출력 전압 VOUT이 목표 전압 VTOG과 같을 때의 입력 전류 Iin과 기준 전류 Iref가 동일해지도록 NMOS 트랜지스터(N1, N2) 간의 W/L 비율을 조절함으로써 설정될 수 있다. 목표 전압 VOUT을 설정하기 위한 NMOS 트랜지스터(N1, N2) 간의 W/L 비율은 다음 수학식 4와 같이 성립될 수 있다.

상술한 바와 같이, NMOS 트랜지스터(N1, N2) 간의 W/L 비율을 조절함으로써 목표 전압 VTOG를 설정할 수 있으므로, 고정된 기준 전압 VREF을 사용할 수 있다. 그 결과 본 발명의 DC-DC 전압 변환 장치는 기준 전압 VREF를 제공하기 위한 별도의 회로가 필요치 않으므로 면적이 개선되는 효과가 있다.

전류 비교부(22)는 전원 전압단 VDD와 노드 ND1, ND2 사이에 각각 연결된 PMOS 트랜지스터(P1, P2)를 포함한다. PMOS 트랜지스터(P1, P2) 각각은 노드 ND1의 전압을 게이트로 인가받아 노드 ND1, ND2로 전원 전압 VDD를 공급하며, 전류 변환부(20)에서 흐르는 입력 전류 Iin 및 기준 전류 Iref를 비교하여 그 결과를 노드 ND2로 출력한다.

예를 들어, 입력 전류 Iin가 기준 전류 Iref 보다 크면 즉, 출력 전압 VOUT이 목표 전압 VTOG 보다 크면, 노드 ND2의 출력은 로직 하이(high)가 된다. 반대로 입력 전류 Iin가 기준 전류 Iref 보다 작으면 즉, 출력 전압 VOUT이 목표 전압 VTOG 보다 작으면 노드 ND2의 출력은 로직 로우(low)가 된다.

출력부(24)는 인버터들(IV1 내지 IV4)를 포함하며 노드 ND2의 출력을 구동 및 래치하여 제어신호 PUMP_EN을 출력한다. 즉, 노드 ND2의 출력이 로직 하이면 제어신호 PUMP_EN을 로직 로우로 출력하고, 노드 ND2의 출력이 로직 로우이면 제어신호 PUMP_EN을 로직 하이로 출력한다.

다시 도 1을 참조하면, 입력 전압 제공부(14)는 차지펌프(12)의 출력 전압 VOUT을 분배하여 분배 전압 VDIV를 출력하는 전압 분배기(16) 및 분배 전압 VIN의 지터 성분을 상쇄시켜 안정된 입력 전압 VIN을 출력하는 안정화부(18)를 포함한다.

도 3을 참조하여 본 발명의 DC-DC 전압 변환 장치의 전압 분배기(16)를 살펴보면, 전압 분배기(16)는 출력 전압 VOUT과 노드 ND3 사이에 직렬 연결되는 다수의 저항성 트랜지스터(R1 ~ RM; M은 자연수) 및 노드 ND3과 접지단 VSS 사이에 연결된 NMOS 트랜지스터(N3)를 포함한다.

저항성 트랜지스터(R1 ~ RM) 각각은 서로 동일한 사이즈로 구성되어 저항비로써 출력 전압 VOUT를 분해하고, NMOS 트랜지스터(N3)는 게이트로 인가되는 파워다운 신호 PD에 의해 출력 전압 VOUT과 접지단 VSS 간의 전류 경로를 형성함으로써 분배 전압 VDIV가 출력된다. 예를 들어, 출력 전압단 VOUT에서 N번째와 N+1 번째 사이의 노드 ND4에서 출력되는 분배 전압 VDIV는 출력 전압 VOUT에서 N * 저항성 트랜지스터의 저항비를 뺀 전압이 된다. 여기서, N은 자연수이다.

이와 같이, 출력 전압 VOUT을 분배하여 낮아진 분배 전압 VDIV를 입력 전압 VIN으로 제공함으로써 전류 비교기(10)는 비교되는 입력 전류 Iin 및 기준 전류 Iref를 낮출 수 있으므로 소자의 크기 및 소비 전류를 감소시킬 수 있다.

안정화부(18)는 출력 전압 VOUT이 목표 전압 VTOG을 통과했을 때 피드백되는 입력 전압 VIN에 발생하는 지터 성분을 제거하기 위해 로우 패스 필터 등으로 구성될 수 있다. 로우 패스 필터의 구성은 당업계에 주지된 구성이므로 설명은 생략하기로 한다.

도 4a를 참조하면, 목표 전압 VTOG 근처에서 입력 전압 VIN에 지터가 발생하는 경우 출력되는 제어 신호 PUMP_EN가 안정화되지 않음을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 DC-DC 전압 변환 장치는 안정화부(18)를 구비하여 목표 전압 VTOG 근처에서 입력 전압 VIN의 지터를 제거함으로써 도 4b와 같이 안정적인 제어 신호 PUMP_EN를 출력한다. 그 결과, 출력 전압 VOUT의 리플(Ripple)이 감소하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 전압 변환 장치의 블록 구성도.

도 2는 도 1의 전류 비교기의 상세 회로도.

도 3은 도 1의 전압 분배기의 상세 회로도.

도 4a 내지 도 4b는 목표 전압 근처에서 입력 전압에 발생하는 지터에 의한 제어신호의 안정성을 비교하기 위한 파형도.

Claims (11)

1. 고정된 기준 전압과 입력 전압을 대응되는 기준 전류 및 입력 전류로 변환하고 상기 기준 전류와 입력 전류의 크기를 비교하여 제어신호를 출력하는 전류 비교기;

   상기 제어신호에 응답하여 차지 펌핑 동작을 수행하여 목표 전압에 대응되게 출력 전압을 변환시키는 차지펌프; 및

   상기 출력 전압을 분배하여 상기 전류 비교기로 피드백되는 상기 입력 전압을 출력하는 입력 전압 제공부;

   를 포함하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기준 전압은 밴드갭 기준 전압 발생 장치에서 출력되는 전압인 직류 대 직류 전압 변환 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전류 비교기는,

   상기 기준 전압과 상기 입력 전압을 대응되는 상기 기준 전류와 상기 입력 전류로 변환하는 전류 변환부;

   상기 기준 전류와 상기 입력 전류의 크기를 비교하는 전류 비교부; 및

   상기 전류 비교부의 출력을 구동하여 상기 제어신호를 출력하는 출력부;

   를 포함하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 전류 변환부는,

   제 1 노드와 접지단 사이에 연결되며 상기 기준 전압에 의해 동작하여 상기 기준 전류를 생성하는 기준 전류 발생 트랜지스터; 및

   제 2 노드와 상기 접지단 사이에 연결되며 상기 입력 전압에 의해 동작하여 상기 입력 전류를 생성하는 입력 전류 발생 트랜지스터;

   를 포함하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전류 변환부는,

   상기 기준 전류 발생 트랜지스터와 상기 입력 전류 발생 트랜지스터 간의 폭과 길이의 비율(W/L)을 조절하여 상기 목표 전압을 설정하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 기준 전류 발생 트랜지스터와 상기 입력 전류 발생 트랜지스터 간의 폭과 길이의 비율(W/L)은 상기 출력 전압이 상기 목표 전압과 같을 때 상기 기준 전 류와 동일한 크기의 상기 입력 전류가 발생하도록 설정되는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 전류 비교부는,

   전원 전압단과 상기 제 1 및 제 2 노드 사이에 각각 연결되고 게이트가 공동으로 상기 제 1 노드와 연결된 제 1 및 제 2 PMOS 트랜지스터를 포함하고, 상기 제 1 노드의 전압에 의해 상기 제 1 및 제 2 노드로 전원 전압을 공급하며, 상기 기준 전류 및 상기 입력 전류를 비교한 결과를 상기 제 2 노드로 출력하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 전압 제공부는,

   상기 출력 전압을 분배한 분배 전압을 제공하는 전압 분배기; 및

   상기 분배 전압의 지터를 제거하여 안정된 상기 입력 전압을 제공하는 안정화부;

   를 포함하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 분배 전압은 파워다운 신호에 의해 상기 출력 전압을 직렬 연결된 다수 의 저항성 트랜지스터들에 의해 분배하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 저항성 트랜지스터 각각은 동일한 사이즈로 구성되어 동일한 저항비를 갖는 직류 대 직류 전압 변환 장치.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 안정화부는 로우 패스 필터를 포함하는 직류 대 직류 전압 변환 장치.

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