KR100892210B1 - 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법 - Google Patents

차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법 Download PDF

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Abstract

차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법으로서, 입력 전압이 모드 변환점에 접근하면, 일정한 시간마다 차지 펌프를 저배율의 모드로 변환시켜서, 노이즈 신호, 부하 변화 또는 부정확한 차지 펌프의 등가 저항값으로 인해 발생되는 오판을 개선시킨다.

Description

차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법{MODE TRANSITION CONTROL METHOD AND CIRCUIT FOR A CHARGE PUMP}
도 1은 서로 다른 배율 모드로 작동하는 차지 펌프의 효율 곡선이다.
도 2는 본 발명의 실시예이다.
도 3은 도 2의 차지 펌프(30)의 양방향 모드 변환 상태도이다.
도 4는 도 2의 모드 변환 타이머(36)의 실시예이다.
도 5는 모드 결정 논리(38)의 실시예이다.
도 6은 도 2의 모드 상승 감시기(342)의 실시예이다.
도 7은 도 2의 모드 하강 감시기(344)의 실시예이다.
도면 부호
10: 1.5배 모드의 효율 곡선 12: 1배 모드의 효율 곡선
14: 모드 상승 곡선 16: 모드 하강 곡선
18: LED 구동 장치 20: 커런트 소스
22: LED 24: 트랜지스터
26: 트랜지스터 28: 연산 증폭기
30: 차지 펌프 32: 모드 변환 조절 회로
34: 모드 감시기 342: 모드 상승 감시기
3422: 비교기 344: 모드 하강 감시기
3442: 커런트 소스 3444: 커런트 소스
3446: 비교기 36: 모드 변환 타이머
3602: OR 게이트 3604: AND 게이트
3606: 인버터 3608: NAND 게이트
3610: 충방전 회로 3612: 커런트 소스
3614: 인버터 3616: 충방전 회로
3618: 커런트 소스 3620: 인버터
3622: 인버터 3624: 인버터
38: 모드 결정 논리 3802: 논리 회로
3804: 플립플롭 40: AND 게이트
42: 재설정 타이머 50: 1배 모드
52: 1.5배 모드 54: 2배 모드
본 발명은 차지 펌프에 관한 것으로, 특히 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법에 관한 것이다.
본 발명 목적은 큰 이력 전압을 사용할 필요없이, 차지 펌프의 모드 변환에 대한 오판을 방지할 수 있는 차지 펌프 모드 변환 조절 회로 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 다른 목적은, 외적인 노이즈 신호나 부하의 변화로 인하여 발생되는 전압상의 오차를 탐지하여 제거할 수 있는 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 또다른 목적은, 차지 펌프의 등가 저항값을 정확히 계산할 필요가 없는 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법을 제공하는 것이다.
현재의 전자 회로는 주로 한개 이상의 직류 전압의 전원 공급이 필요하기 때문에 많은 시스템을 사용해 전원을 변환시키고 있으며, 차지 펌프는 바로 그 중의 하나이다. 차지 펌프는 커패시터와 발진기가 조합된 일종의 회로로서, 직류로 입력되는 전압을 높이거나 낮추어 출력시킨다.
도 1은 부스터형 차지 펌프의 1배 모드 및 1.5배 모드에서의 효율 곡선도이다. 그중 곡선 10은 1.5배 모드의 효율 곡선이며, 곡선 12는 1배 모드의 효율 곡선이다.
차지 펌프는 일반적으로 전지를 사용하여 입력 전압을 제공하며, 사용 시간의 증가에 따라 전지의 전압은 갈수록 낮아진다. 전지가 부하에 충분한 전압을 공급할 수 없으면 차지 펌프는 높은 배율의 모드로 변환되는데, 예를 들어 1배 모드에서 1.5배 모드로 변환되며, 파선(14)에서 보는 바와 같다. 이와 반대로 전압이 점점 상승하거나 또는 부하가 낮아지는 등등의 조건이 성립하면, 차지 펌프는 낮은 배율의 모드로 변환되는데, 예를 들어, 1.5배 모드에서 1배 모드로 변환되며, 파선(16)에서 보는 바와 같다.
우리가 알고 있는 기술중에서 언제 배율 모드를 변환시켜야 하는지를 판단하려면 반드시 차지 펌프의 등가 저항값을 계산해야 하나, 계산상 자주 정확성, 온도 반응이나 노이즈 신호등의 방해 요소가 오차를 조성하여 모드 변환 판단에 영향을 끼치므로, 이력 전압을 도입하여 펌프 모드의 변환 시기를 지연시킴으로 해서 일시적인 오판을 피하기도 한다.
그러나 이력 전압이 너무 커서 모드 변환 시기가 너무 오래 지연되면 칩 작업 효율상의 손실을 초래할 수 있으며, 너무 작으면 또 판단 오류를 초래할 수도 있다. 일반적으로 만약 비교적 정확한 차지 펌프 등가 저항값을 계산해 낼 수 있다면 비교적 적은 이력 전압을 사용할 수 있다. 반대로, 등가 저항값의 계산 정확도가 낮다면 비교적 큰 이력 전압을 사용해야만 모드 변환의 오판을 방지할 수 있다. 또한, 정확한 등가 저항값을 얻고 싶으면 반드시 비교적 복잡한 회로로 계산을 해야 한다.
그렇기 때문에 차지 펌프의 등가 저항값을 정확히 계산할 필요가 없고 또 큰 이력 전압을 사용할 필요도 없이, 모드 변환에 대한 오판을 방지할 수 있는 차지 펌프 모드 변환 조절 회로와 방법이 요구된다.
도 2는 본 발명의 실시예로서, LED 구동 장치(18)중에서 차지 펌프(30)가 입력 전압 Vin을 출력 전압 Vout로 변환시켜 LED(22)를 구동시키고, 커런트 소스(20)는 입력 전압 Vin과 트랜지스터(24) 사이에 연결되어 LED(22)의 포지티브 단자에 입력 전압 Vin을 연결시키고, 네거티브 단자는 트랜지스터(26)를 통해 출력 단자 Vout를 연결시키며, 연산 증폭기(28)는 비교 노드 (node) A와 B의 전압 VA와 VB를 사용한다. 전압 VA와 VB가 같지 않으면 연산 증폭기(28)는 신호 Vfb를 트랜지스터(24와 26)의 게이트로 출력시켜, 트랜지스터(24와 26)를 통과하는 전류 I1 와 Iout을 조절하며, 더 나아가 평형 노드 A와 B의 전압 VA와 VB까지 조절한다. 모드 변환 조절 회로(32)는 감시 노드 B의 전압 VB와 연산 증폭기(28)가 출력하는 신호 Vfb에 의해 차지 펌프(30) 조작의 배율 모드를 결정한다.
도 3은 도 2의 차지 펌프(30)의 양방향 모드 변환 상태도이다. 도 2와 3에 따르면, 구동 장치(18)가 가동될 때 모드 변환 조절 회로(32)가 차지 펌프(30)의 배율 모드를, 예를 들어 1배 모드(50)로 설정하고, 다시 필요에 따라 차지 펌프(30)의 배율 모드를 변환한다.
차지 펌프(30)가 1배 모드(50)에서 조작될 때 만약 모드 변환 조절 회로(32)가 모드 상승 조건에 도달하면, 차지 펌프(30)의 배율 모드는 1.5배 모드(52)로 변환되며, 그렇지 않다면 1배 모드(50)에서 유지된다.
차지 펌프(30)가 1.5배 모드(52)에서 조작될 때 모드 변환 조절 회로(32)가 모드 상승 조건에 달하면 차지 펌프(30)의 배율 모드는 2배 모드(54)로 변환되며, 모드 하강 조건에 이르면 차지 펌프(30)의 배율 모드는 1배 모드(50)로 내려가지만, 모드 상승 조건에도 이르지 않고 모드 하강 조건에도 이르지 않으면 원래의 1.5배 모드(52)에서 유지된다.
차지 펌프(30)가 2배 모드(54)에서 조작될 때 모드 변환 조절 회로(32)가 모드 하강 조건에 이르면 차지 펌프(30)의 배율 모드는 1.5배 모드(52)로 변환되며, 그렇지 않으면 2배 모드(54)에서 유지된다.
도 2는 모드 변환 조절 회로(32) 중에서 모드 감시기(34)는, 감시 노드 B상의 전압 VB와 연산 증폭기(28)가 출력하는 신호 Vfb가 모드 상승 조건에 도달했을 때, 모드 상승 감시기(342)가 모드 상승 신호 U를 모드 결정 논리(38)에 발생시키며, 모드 하강 조건에 도달했을 때에는, 모드 하강 감시기(344)가 모드 하강 신호 D를 모드 결정 논리(38)에 발생시킨다. 재설정 타이머(42)는 주기적인 간격, 예를 들어 100ms의 간격으로 펄스 신호 RS를 출력하고, AND 게이트(40)는 모드 하강 신호 D와 재설정 타이머(42)의 재설정으로 공급되는 펄스 신호 RS에 따라서, 수정된 모드 하강 신호 DB를 출력한다. 모드 변환 타이머(36)는 신호 U와 DB에 따라 모드 변환 신호 tt를 만들어서 모드 결정 논리(38)로 하여금 모드 선택 신호 x1, x1.5 또는 x2를 출력할 것인지를 결정하게 한다. 모드 결정 논리(38)는 모드 상승 신호 U와 모드 하강 신호 D에 따라서 모드 선택 신호 x1, x1.5 또는 x2를 결정하고, 이렇게 결정된 모드 선택 신호는 x1 모드, x1.5 모드 및 x2 모드 중에서 차지 펌프(30)의 동작 모드를 결정하는 데 이용될 수 있다.
도 4는 도 2의 모드 변환 타이머(36)의 실시예로서, 그중 OR 게이트(3602)는 신호 DB와 U에 따라 신호 S1을 출력하며, AND 게이트(3604)는 신호 S1과 이네이블 신호 EN에 따라 신호 S2를 출력한다. 소프트 스타트 신호 soft_start는 인버터(3606)를 통해 신호 S3를 발생하며, NAND 게이트(3608)는 신호 S2 , S3과 VC2'에 따라 신호 S4를 출력하며, 모드 변환 신호 tt를 만들도록 충방전 회로(3610)의 충방전을 조절한다. 충방전 회로(3616)는 신호 tt에 의해 타이밍 신호 VC2 '를 출력하도록 조절된다.
충방전 회로(3610) 중에서 커런트 소스(3612)와 스위치(SW1)는 입력 전압 Vin과 접지 GND 사이에 직렬 연결되어 있으며, 커패시터(C1)와 스위치(SW1)는 병렬 연결되어 있고, 신호 S4에 의해 변환 스위치(SW1)를 조절하여 커런트 소스(3612)가 커패시터(C1) 충방전에 대해 신호 VC1을 발생시키게 하고, 신호 VC1은 인버터(3614)를 통해 모드 변환 신호 tt를 형성한다.
충방전 회로(3616) 중에서 커런트 소스(3618)와 스위치(SW2)는 입력 전압 Vin과 접지 GND 사이에 직렬 연결되어 있으며, 커패시터(C2)와 스위치(SW2)는 병렬 연결되어 있고, 신호 tt에 의해 변환 스위치(SW2)를 조절하여 커런트 소스(3618)가 커패시터(C2) 충방전에 대해 신호 VC2를 발생시키게 하고, 인버터(3620, 3622와 3624)는 지연 회로를 형성하여 신호 VC2 로부터 신호 VC2'를 얻는 것을 지연시킨다.
도 5는 모드 결정 논리(38)의 실시예로서, 그중 논리 회로(3802)는 모드 상승 신호 U와 모드 하강 신호 D에 따라 신호 S5를 플립플롭(3804)에게 만들어 주며, 신호 tt가 저레벨에서 고레벨로 변환할 때 플립플롭(3804)은 트리거된다.
만약 이때 신호 S5가 고레벨이면 출력 단자 Q에 의해 신호가 만들어져 모드 결정 논리(38)가 신호 x1.5를 선택해 차지 펌프(30)에게 주고, 만약 S5가 저레벨이면 출력 단자
Figure 112009004330812-pat00008
에 의해 신호가 만들어져 모드 결정 논리(38)가 신호 x1을 선택해 차지 펌프(30)에게 주며, 플립플롭(3804)이 트리거된 후, 그 출력 단자 Q는 트리거때의 레벨을 다음에 플립플롭(3804)이 다시 트리거될 때까지 유지한다.
이 실시예는 모드 변환 신호 tt의 모드 결정 논리(38)에서의 용도를 설명하기 위한 것이기 때문에 모드 결정 논리(38)의 모든 회로를 나타내지는 않았다.
도 6은 도 2의 모드 상승 감시기(342)의 실시예로서, 비교기(3422)가 감시하는 신호 Vfb를 포함하고 있으며, 모드 상승 조건에 도달하면, 즉 Vfb>(Vin-VTP)이면(VTP는 소정의 전압임) 비교기(3422)는 모드 상승 신호 U를 출력한다.
도 7은 도 2의 모드 하강 감시기(344)의 실시예로서, 커런트 소스(3422)가 공급하는 전류 I2는 전기 저항 R1을 통해 전압 V1을 만들며, 도 2에서 보이는 바와 같이 전류 I2와 트랜지스터(26)를 통한 전류 Iout은 비례 관계를 가지고 있다.
I2=Iout x (1/k) 수학식 1
그중, k는 상수이며, 저항 R1은 다음과 같다.
R1= k x (Req+Rdrop) 수학식 2
그중, Req 는 차지 펌프 30의 등가 저항값이고 Rdrop 은 트랜지스터(26)의 통전 저항값이며, 서로 다른 배율 모드하에서 차지 펌프(30)는 서로 다른 등가 저항값 Req를 갖는다. 수학식 1과 2로 아래와 같이 전압 V1을 얻을 수 있다.
V1=Iout x (Req+Rdrop) 수학식 3
커런트 소스(3444)가 공급하는 전류 Ihyst는 전기 저항 R2를 통해 이력 전압 Vhyst를 만드는데, 이 실시예에서 전류 Ihyst는 전류 I2보다 많이 작으므로 수학식 3에서는 계산을 하지 않았고, 비교기(3446)가 감시하는 노드 B상의 전압 VB는 모드 하강 조건에 도달하면, 즉, VB>(V1+Vhyst)이면, 비교기(3446)는 모드 하강 신호 D를 출력한다.
도 2 내지 도 7에서, 입력 전압 Vin이 상승해서 모드 변환점에 접근할 때, 예를 들어 3.5V이면, 차지 펌프(30)의 등가 저항값 Req를 정확하게 계산해 낼 수 없고 비교적 적은 이력 전압 Vhyst을 사용하는 상황하에서, 모드 감시기(34)는 미리 차지 펌프(30)의 배율 모드를 낮출 수 있다. 예를 들어 1.5배 모드에서 1배 모드로 변환되면 차지 펌프(30)는 1배 모드로 변환되는데, 만약 이때의 차지 펌프(30)의 출력 전압 Vout이 다이오드(22)를 구동시키기에 충분하다면 현재의 배율 모드를 유지하지만, 그와 반대라면, 즉시 모드 상승 신호 U를 출력하여 차지 펌프(30)를 1.5배 모드로 변환시킨다. 1.5배 모드로 변환되면, 비록 모드 감시기(34)가 또 바로 모드 하강 신호 D를 모드 결정 논리 38에 출력하지만, 반드시 일정 시간을 기다려 수정된 모드 하강 신호 DB가 나타나야만이 비로소 다시 차지 펌프(30)가 1.5배 모드에서 1배 모드로 돌아오고 상술한 과정을 반복하게 된다.
바꾸어 말하면, 입력 전압 Vin이 모드 변환점에 접근할 때 모드 변환 조절 회로(32)는 일정한 시간마다 차지 펌프(30)를 1배율 앞의 배율 모드로 변환시킨다는 것이다. 예를 들어, 2배 모드에서 1.5배 모드로 변환되거나, 1.5배 모드에서 1배 모드로 변환되며, 출력 전압 Vout이 다이오드(22)를 구동시키기에 충분한지 검측하며, 만약 부족하다면 즉시 이전의 배율 모드로 변환시킨다. 그렇기 때문에 차지 펌프(30)의 등가 저항값을 정확히 계산하지 못하거나 비교적 작은 이력 전압 Vhyst을 사용하는 상황일지라도, 심지어 이력 전압 Vhyst을 사용하지 않더라도, 역시 오판 방지를 이룰 수 있고 외부의 노이즈 신호나 부하의 변화가 일으키는 전압 검측상의 오차를 제거할 수 있다. 또한 차지 펌프(30)의 등가 저항값 Req을 정확히 계산할 필요가 없기 때문에 복잡한 계산 회로가 필요 없으므로 모드 변환 조절 회로(32)의 복잡도를 낮출 수 있다.
본 발명에 따르면, 일종의 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로 및 방법은, 모드 감시기를 사용해 그 차지 펌프에 모드 상승 신호나 모드 하강 신호가 나타나는지를 감시하는데, 모드 결정 논리는 그 모드 상승 신호나 모드 하강 신호에 따라서 모드 선택 신호를 나타내어, 차지 펌프가 많은 배율 모드 중의 하나를 결정할 수 있게 하는 것을 포함하며, 게이트 회로는 일정한 참고 시간마다 모드 하강 신호에서 수정된 모드 하강 신호를 나타내며, 모드 변환 타이머가 모드 상승 신호와 수정된 모드 하강 신호에 따라서 모드 변환 신호를 모드 결정 논리에 나타내어, 모드 선택 신호를 출력할지 결정하도록 한다.

Claims (5)

  1. 복수의 배율 모드에서 동작할 수 있는 차지 펌프의 모드 변환 조절 방법으로서,
    (a) 모드 상승 신호 및 모드 하강 신호를 결정하기 위해 상기 차지 펌프를 감시하는 단계;
    (b) 수정된 모드 하강 신호를 생성하기 위해 상기 모드 하강 신호를 주기적으로 게이팅(gating)하는 단계;
    (c) 상기 모드 상승 신호 및 상기 모드 하강 신호에 따라 모드 선택 신호를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 차지 펌프를 상기 복수의 배율 모드 사이에서 전환시키기 위해 상기 모드 상승 신호 및 상기 수정된 모드 하강 신호에 따라 상기 모드 선택 신호를 출력할 지를 결정하는 단계를 포함하는, 차지 펌프의 모드 변환 조절 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (d)는:
    상기 모드 상승 신호, 상기 수정된 모드 하강 신호 및 타이밍 신호에 따라 조절 신호를 발생시키는 단계;
    상기 모드 선택 신호를 출력할 지를 결정하는 모드 변환 신호를 발생시키기 위해 상기 조절 신호 하에서 제1 커패시터를 충방전하는 단계; 및
    상기 타이밍 신호를 발생시키기 위해 상기 모드 변환 신호의 조절 하에서 제2 커패시터를 충방전하는 단계를 포함하는, 차지 펌프의 모드 변환 조절 방법.
  3. 복수의 배율 모드에서 동작할 수 있는 차지 펌프의 모드 변환 조절 장치로서,
    모드 상승 신호를 결정하기 위해 상기 차지 펌프를 감시하는 모드 상승 감시기;
    모드 하강 신호를 결정하기 위해 상기 차지 펌프를 감시하는 모드 하강 감시기;
    수정된 모드 하강 신호를 생성하기 위해 상기 모드 하강 신호를 게이팅하는 게이트 회로;
    상기 모드 상승 신호 및 상기 모드 하강 신호에 따라 모드 선택 신호를 결정하는 모드 결정 논리; 및
    상기 차지 펌프를 상기 복수의 배율 모드 사이에서 전환하기 위해 상기 모드 선택 신호를 출력할 지를 결정하기 위해, 상기 모드 상승 신호 및 상기 수정된 모드 하강 신호에 따라 상기 모드 결정 논리에 모드 변환 신호를 제공하는 모드 변환 타이머를 포함하는, 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 게이트 회로는:
    주기적 재설정 신호를 발생시키는 재설정 타이머; 및
    상기 수정된 모드 하강 신호를 발생시키기 위해 상기 주기적 재설정 신호의 조절 하에 상기 모드 하강 신호를 게이팅하는 AND 게이트를 포함하는, 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 모드 변환 타이머는:
    상기 모드 상승 신호, 상기 수정된 모드 하강 신호 및 타이밍 신호에 따라 조절 신호를 발생시키는 논리 회로;
    상기 조절 신호 하에서 상기 모드 변환 신호를 발생시키는 제1 충방전 회로; 및
    상기 모드 변환 신호의 조절 하에서 상기 타이밍 신호를 발생시키는 제2 충방전 회로를 포함하는, 차지 펌프의 모드 변환 조절 회로.
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