KR101022360B1 - Ｄｃ-ｄｃ 컨버터의 ｐｗｍ 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치는, DC-DC 컨버터의 출력 전압과 소정 기준 전압의 전압차에 대응하는 전압을 출력하는 에러 앰프; 상기 에러 앰프의 출력 전압에 따라 상승 기울기가 달라지는 톱니파형 신호를 출력하는 톱니파 발생부; 및 상기 톱니파형 신호와 클록 신호를 입력으로 하고, 출력을 상기 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 신호로서 제공하는 앤드 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＤＣ-ＤＣ 컨버터의 ＰＷＭ 제어 장치{PWM control apparatus for DC-DC converter}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로 보다 상세하게는 톱니파형 신호를 이용하여 PWM 제어 신호를 발생시키는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 DC-DC 컨버터는 외부로부터 입력되는 직류 전원을 부하가 요구하는 소정의 직류 전원으로 변환하는 장치이다. DC-DC 컨버터는 대표적으로, 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter), 포워드 컨버터(forward converter), 플라이백 컨버터(flyback converter) 등이 있다. 이러한 DC-DC 컨버터는 보통 PWM(pulse width modulation) 제어를 통하여 원하는 출력 전압을 얻는다.
도 1은 벅 컨버터(10)와 기존의 PWM 제어 장치(20)의 회로도를 나타낸다.
PWM 제어 장치(20)가 벅 컨버터(10)의 스위칭 소자인 FET에 온/오프가 반복되는 PWM 제어 신호를 인가하면, 스위칭 소자가 온 되어 있는 동안 입력 전원이 출력에 연결되고 오프 되어 있는 동안은 끊어지게 되는 것이 주기적으로 반복되고, 펄스 모양의 전압이 LC 필터를 통해 평활화되어 직류 전압을 출력하게 된다.
PWM 제어 장치(20)는 벅 컨버터(10)의 출력 전압을 피드백받고, 이를 소정의 기준 전압(Vref)과의 비교를 통하여 PWM 제어를 수행한다. 종래의 PWM 제어 장치(20)는 벅 컨버터(10)의 출력 전압과 기준 전압(Vref)의 전압차에 대응하는 전압을 출력하는 에러 앰프(21)와, 고정된 톱니파형 신호를 발생시키는 톱니파 발생기(22)와, 에러 앰프(21)의 출력 전압과 톱니파형 신호를 비교하여 온/오프 펄스를 출력하는 비교기(23)와, 비교기(23)의 출력을 벅 컨버터(10)의 스위칭 소자에 전달하는 버퍼(24)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 이러한 종래의 PWM 제어 장치(20)의 동작을 설명하기 위한 도면으로서, 에러 앰프(21)의 출력 신호(ⓐ), 톱니파 발생기(22)의 출력 신호(ⓑ), 비교기(23)의 출력 신호(ⓒ)를 나타낸다.
에러 앰프(21)의 출력 신호(ⓐ)는 벅 컨버터(10)의 출력 전압의 크기에 따라서 다른 값이 출력된다. 예컨대, 출력 전압의 크기에 따라 도시된 바와 같이 서로 다른 레벨로 출력된다. 비교기(23)는 출력 신호(ⓐ)와 톱니 파형 신호(ⓑ)를 비교하여, 톱니 파형 신호(ⓑ)가 출력 신호(ⓐ)보다 큰 구간에서는 온 신호를, 톱니 파형 신호(ⓑ)가 출력 신호(ⓐ)보다 작은 구간에서는 오프 신호를 출력한다. 따라서 비교기(23)에서는 도시된 바와 같이 에러 앰프(21)의 각 출력 신호(ⓐ)에 대응하는 각 신호(ⓒ)가 나오게 된다. 즉, 벅 컨버터(10)의 출력 전압의 크기에 따라 PWM 제어 신호의 온/오프 듀티가 변화되어 벅 컨버터(10)의 출력 전압을 일정하게 유지시키게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 새로운 방식으로 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 조절할 수 있는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치는, DC-DC 컨버터의 출력 전압과 소정 기준 전압의 전압차에 대응하는 전압을 출력하는 에러 앰프; 상기 에러 앰프의 출력 전압에 따라 상승 기울기가 달라지는 톱니파형 신호를 출력하는 톱니파 발생부; 및 상기 톱니파형 신호와 클록 신호를 입력으로 하고, 출력을 상기 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 신호로서 제공하는 앤드 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 톱니파형 신호는 상기 클록 신호가 하이인 동안에 상기 상승 기울기로 상승하는 파형 신호일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 톱니파 발생부는, 커패시터; 상기 클록 신호가 하이인 동안에 상기 커패시터에 전압을 충전시키고, 상기 클록 신호가 로우가 되면 상기 커패시터에 충전된 전압을 방전시키는 제1 충전부; 및 상기 에러 앰프의 출력 전압에 따라 상기 커패시터에 전압을 충전시키는 제2 충전부를 포함하고, 상기 커패시터의 전압을 상기 톱니파형 신호로서 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 충전부는, 드레인이 상기 커패시터의 일단에 연결되고, 소스가 접지에 연결되는 제1 FET; 상기 클록 신호를 반전시켜 상기 제1 FET의 게이트에 인가하는 제1 반전기; 및 상기 반전된 클록 신호를 반전시켜 상기 커패시터의 일단에 제공하는 제2 반전기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 충전부는, 상기 에러 앰프의 출력 전압을 분배하는 전압 분배부; 및 드레인이 상기 커패시터의 일단에 연결되고, 상기 전압 분배부의 출력 전압이 게이트에 인가되며, 소스가 전원 측에 연결되는 제2 FET를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전압 분배부의 출력 전압은 상기 제2 FET의 리니어 구간에 대응되도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 PWM 제어 장치는, 상기 앤드 게이트의 출력 신호를 반전시켜 상기 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 신호로서 제공하는 반전기를 더 포함할 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 새로운 방식으로 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 조절한다. 또한, 종래의 PWM 제어 장치는 집적 회로로 구현되는 비교기가 구비되어야 하지만, 본 발명에 의한 PWM 제어 장치는 비교기가 구비되지 않으므로 소모전력이 낮고 소형화에 유리하다.
도 1은 벅 컨버터(10)와 기존의 PWM 제어 장치(20)의 회로도를 나타낸다.
도 2는 종래의 PWM 제어 장치(20)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(10)의 PWM 제어 장치(100)의 회로도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어 장치(100)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(10)의 PWM 제어 장치(100)의 회로도를 나타낸다. 본 실시예에서 DC-DC 컨버터(10)는 벅 컨버터를 예로 들어 설명하나, PWM 제어 장치(100)는 PWM 제어로 동작하는 다른 방식의 DC-DC 컨버터에도 적용 가능함은 물론이다.
PWM 제어 장치(100)는, DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압(v0)과 소정 기준 전압(vref)의 전압차에 대응하는 전압을 출력하는 에러 앰프(110)와, 에러 앰프(110)의 출력 전압에 따라 상승 기울기가 달라지는 톱니파형 신호를 출력하는 톱니파 발생부(120)와, 톱니파형 신호와 클록 신호(CLK)를 입력으로 하여 이를 앤드 연산하여 출력하는 앤드 게이트(130)와, 앤드 게이트(130)의 출력 신호를 반전시켜 DC-DC 컨버터(10)의 PWM 제어 신호로, 즉 스위칭 소자인 FET의 게이트 측으로 제공하는 반전기(I3)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예에서는 편의상 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압이 에러 앰프(110)에 직접 입력되는 것으로 하였으나, DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압을 저항에 의해 전압 분배시켜 에러 앰프(110)에 입력되도록 할 수도 있다. 에러 앰프(110)의 기준 전압(vref)은 요구되는 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압에 따라서 적절한 값으로 설정될 수 있다. DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압과 기준 전압(vref)의 차이는 미세하므로 에러 앰프(110)는 그 전압차를 증폭하여 출력한다.
종래의 PWM 제어 장치(20)는 고정된 톱니파형 신호를 발생시키나, 본 실시예에 따른 PWM 제어 장치(100)의 톱니파 발생부(120)는 에러 앰프(110)의 출력 전압에 따라 상승 기울기가 달라지는 톱니파형 신호를 발생시킨다. 또한, 본 실시예에서 톱니파형 신호는 클록 신호(CLK)가 하이인 동안에 상승 기울기로 상승하고 클록 신호가 로우가 됨과 동시에 급격히 하강하며, 에러 앰프(110)의 출력 전압이 클수록 상승 기울기가 큰 톱니파형 신호이다. 도 4 (a)는 이러한 톱니파형 신호와 클록 신호를 나타낸다. 앤드 게이트(130)는 입력되는 두 신호가 모두 특정 임계값 이상일 때 하이 신호를 출력하는 소자로서, 앤드 게이트(130)는 이러한 톱니파형 신호와 클록 신호를 입력받아 앤드 연산하여 출력한다. 도 4 (a)에 앤드 게이트(130)의 임계값이 함께 도시된다. 도 4 (b)는 앤드 게이트(130)의 출력을 나타내고, 도 4 (c)는 반전기(I3)의 출력, 즉 DC-DC 컨버터(10)에 입력되는 PWM 제어 신호를 나타낸다. 도 4 (a) 및 (c)에서 온 듀티는 톱니파형 신호의 상승 기울기가 클수록 작아지고(흑색 그래프), 톱니 파형 신호의 상승 기울기가 작아질수록 커짐을 알 수 있다(청색 그래프). 즉, 톱니파형 신호는 에러 앰프(110)의 출력 전압이 클수록 상승 기울기가 크기 때문에, 에러 앰프(110)의 출력 전압이 클수록 DC-DC 컨버터(10)에 입력되는 PWM 제어 신호의 온 듀티는 작아지게 된다. 따라서 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압을 일정하게 유지시키는 PWM 제어가 이루어지게 된다.
벅 컨버터는 PWM 제어 신호의 온 듀티가 클수록 출력 전압이 증가한다. 따라서 본 실시예에서는 반전기(I3)로 인하여 에러 앰프(110)의 출력 전압이 클수록 DC-DC 컨버터(10)에 입력되는 PWM 제어 신호의 온 듀티를 작아지게 하여 PWM 제어를 수행한다. 부스트 컨버터는 벅 컨버터와 달리 PWM 제어 신호의 온 듀티가 클수록 출력 전압이 감소하는 방식이다. 따라서 본 실시예에 따른 PWM 제어 장치(100)를 부스트 컨버터에 적용하려면 반전기(I3)를 구비하지 않거나, 반전기(I3)를 버퍼로 교체하여 적용하면 된다.
이하에서는, 톱니파 발생부(120)의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
도 3을 참조하면, 톱니파 발생부(120)는 제1 커패시터(C1), 클록 신호(CLK)가 하이인 동안에 제1 커패시터(C1)에 전압을 충전시키고, 클록 신호(CLK)가 로우가 되면 제1 커패시터(C1)에 충전된 전압을 방전시키는 제1 충전부(121)와, 에러 앰프(110)의 출력 전압에 따라 제1 커패시터(C1)에 전압을 충전시키는 제2 충전부(122)를 포함한다. 그리고 톱니파 발생부(120)는 제1 커패시터(C1)의 전압을 톱니파형 신호로서 앤드 게이트(130)로 출력한다.
제1 충전부(121)는 제1 FET(Q1), 제1 반전기(I1), 제2 반전기(I2)로 구성된다. 제1 FET(Q1)의 드레인은 제1 커패시터(C1)의 일단에 연결되고, 소스는 접지된다. 제1 커패시터(C1)의 타단은 접지된다. 제1 반전기(I1)는 클록 신호(CLK)를 반전시켜 제1 FET(Q1)의 게이트에 인가하고, 제2 반전기(I2)는 제1 반전기(I1)에 의해 반전된 클록 신호를 다시 반전시켜 제1 커패시터(C1)의 일단에 제공한다. 제1 커패시터(C1)의 일단은 앤드 게이트(130)와 연결된다. 따라서 제1 커패시터(C1) 양단의 전압이 앤드 게이트(130)의 입력, 즉 톱니파형 신호가 된다.
제2 충전부(122)는 에러 앰프(110)의 출력 전압을 분배하는 전압 분배부(123)와 제2 FET(Q2)로 구성된다. 전압 분배부(123)의 출력 전압, 즉 저항(R2)의 전압은 제2 FET(Q2)의 게이트에 인가된다. 따라서 에러 앰프(110)의 출력 전압은 (R2/R1+R2)의 비율로 제2 FET(Q2)의 게이트에 인가된다. 제2 FET(Q2)는 드레인이 제1 커패시터(C1)의 일단에 연결되고, 소스는 저항(R3)을 통하여 전원(Vcc)에 연결된다.
상기된 회로 구성에 따른 톱니파 발생부(120)의 구체적인 동작을 설명한다.
클록 신호가 하이이면, 제1 반전기(I1)의 출력은 로우가 되므로 제1 FET(Q1)는 오프가 되어 제1 FET(Q1) 의 소스와 드레인 사이는 오픈이 된다. 동시에 제2 반전기(I2)에 의해 제1 커패시터(C1)의 일단(도 3에서 '노드 A'로 표시함)에는 하이 상태의 클록 신호가 인가된다. 따라서 클록 신호의 하이 상태에 대응하는 전압이 제1 커패시터(C1)의 양단에 인가되어 제1 커패시터(C1)에는 점차 전압이 충전되면서 노드 A의 전압이 상승된다. 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스를 충분히 큰 값으로 하면 원하는 라이징 타임(rising time)을 가지고 노드 A의 전압이 상승되도록 할 수 있다.
클록 신호가 로우이면, 제1 반전기(I1)의 출력은 하이가 되므로 제1 FET(Q1)는 온이 되어 제1 FET(Q1) 의 소스와 드레인 사이는 단락이 되고, 제2 반전기(I2)의 출력 역시 로우가 되어 노드 A는 접지가 된다. 따라서 제1 커패시터(C1)에 충전된 전압은 방전되어 노드 A의 전압은 로우를 출력하게 된다.
한편, 에러 앰프(110)의 출력 전압이 일정 비율로 분배된 전압이 제2 FET(Q2)의 게이트에 인가됨에 따라서 제2 FET(Q2)의 전류량이 변환된다. 여기서, 제2 FET(Q2)는 게이트에 인가되는 전압에 따라서 전류량이 리니어하게 변화하는 리니어 구간으로 동작하도록 전압 분배부(123)가 설계된다. 즉, 에러 앰프(110)의 출력 전압의 범위을 알고, 제2 FET(Q2)의 리니어 구간의 게이트 인가 전압 범위를 알면, 전압 분배부(123)의 출력 전압이 제2 FET(Q2)의 리니어 구간의 게이트 인가 전압 범위가 되도록 저항(R1) 및 저항(R2)의 각 저항값을 설계할 수 있다. 그리고 저항(R3)는 제2 FET(Q2)의 전류량을 결정한다.
따라서 에러 앰프(110)의 출력 전압이 클수록, 즉 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압과 기준 전압(vref)의 전압차가 클수록 제2 FET(Q2)에는 많은 전류가 흐르게 된다. 따라서 클록 신호가 하이인 동안에 제1 충전부(121)가 제1 커패시터(C1)에 전압을 충전하는 것과 더불어, 제2 FET(Q2)에 흐르는 전류로 인해 제1 커패시터(C1)에 전압이 충전된다. 그리고 이 전류는 에러 앰프(110)의 출력 전압이 클수록 많이 흐르므로, 결국 에러 앰프(110)의 출력 전압이 클수록 더 많은 전압이 충전된다. 따라서 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압과 기준 전압(vref)의 전압차가 클수록 노드 A의 전압이 상승하는 상승 기울기는 더 커지게 된다. 즉, 도 4를 참조하면, 상승 기울기가 다른 세 톱니파형이 도시되어 있는데, 이는 제2 충전부(122)의 동작으로 인해 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압과 기준 전압(vref)의 전압차에 따라 상승 기울기가 다른 톱니파형 신호이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 톱니파형 신호와 클록 신호(CLK)를 앤드 연산하고, 반전시켜 DC-DC 컨버터(10)에 PWM 제어 신호로서 제공함으로써 PWM 제어가 이루어지게 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. DC-DC 컨버터의 출력 전압과 소정 기준 전압의 전압차에 대응하는 전압을 출력하는 에러 앰프;
    상기 에러 앰프의 출력 전압에 따라 상승 기울기가 달라지는 톱니파형 신호를 출력하는 톱니파 발생부; 및
    상기 톱니파형 신호와 클록 신호를 입력으로 하고, 출력을 상기 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 신호로서 제공하는 앤드 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 톱니파형 신호는 상기 클록 신호가 하이인 동안에 상기 상승 기울기로 상승하는 파형 신호인 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 톱니파 발생부는,
    커패시터;
    상기 클록 신호가 하이인 동안에 상기 커패시터에 전압을 충전시키고, 상기 클록 신호가 로우가 되면 상기 커패시터에 충전된 전압을 방전시키는 제1 충전부; 및
    상기 에러 앰프의 출력 전압에 따라 상기 커패시터에 전압을 충전시키는 제2 충전부를 포함하고,
    상기 커패시터의 전압을 상기 톱니파형 신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 충전부는,
    드레인이 상기 커패시터의 일단에 연결되고, 소스가 접지에 연결되는 제1 FET;
    상기 클록 신호를 반전시켜 상기 제1 FET의 게이트에 인가하는 제1 반전기; 및
    상기 반전된 클록 신호를 반전시켜 상기 커패시터의 일단에 제공하는 제2 반전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 충전부는,
    상기 에러 앰프의 출력 전압을 분배하는 전압 분배부; 및
    드레인이 상기 커패시터의 일단에 연결되고, 상기 전압 분배부의 출력 전압이 게이트에 인가되며, 소스가 전원 측에 연결되는 제2 FET를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압 분배부의 출력 전압은 상기 제2 FET의 리니어 구간에 대응되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 앤드 게이트의 출력 신호를 반전시켜 상기 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 신호로서 제공하는 반전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
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