KR101176179B1 - 전압 변환 모드 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전압 컨버터에서 전압 변환의 모드를 제어하기 위한 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전압 변환 모드 제어 장치는 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 전압 변환부; 전압원으로부터 전압 변환부로 입력되는 입력 전류값을 검출하는 입력 센서부; 전압 변환부로부터 부하로 출력되는 출력 전류값을 검출하는 출력 센서부; 및 입력 전류값 및 출력 전류값에 기초하여 전압 변환부의 전력 효율을 결정하고, 전력 효율에 따라 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시키는 제어부를 포함함으로써, 전압 변환의 효율을 극대화하고 모바일 기기의 사용시간을 연장시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

전압 변환 모드 제어 장치 및 그 제어 방법{Apparatus and method for controlling a voltage converting mode}
도 1은 일반적인 전압 컨버터의 일종인 직류-직류 컨버터의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치의 구체적인 예시 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 효율의 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 전압 컨버터에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 전압 컨버터(특히, 직류-직류 컨버터)에서 전압 변환의 모드를 제어하기 위한 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전압 컨버터는 입력 전압을 변환하여 입력 전압과 상이한 출력 전압을 발생시키는 회로를 말한다.
도 1은 일반적인 전압 컨버터의 일종인 직류-직류 컨버터의 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전압원(110)에 의해 공급되는 직류 입력 전압은 전압 변환부(100)(직류-직류 컨버터)에서 입력 전압과 상이한 직류 출력 전압으로 변환되어 부하(120)에 공급된다. 이러한 직류-직류 컨버터는 배터리를 소스로 하는 모바일 기기 등 매우 다양한 분야에서 폭넓게 사용된다.
전압 컨버터에는 직류 전압을 직류 전압으로 변환하는 직류-직류 컨버터, 교류 전압을 교류 전압으로 변환하는 교류-교류 컨버터, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 직류-교류 컨버터, 및 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 컨버터 등이 있다.
또한, 전압 컨버터에는 스위칭 방식 컨버터와 리니어 방식 컨버터가 있다. 스위칭 방식 컨버터는 입력 전압을 스위칭에 의해 공급 주기를 조절함으로써 출력 전압을 발생시킨다. 스위칭 방식 컨버터는 일반적으로 부하가 고전력을 사용하는 경우에 효율적이다.
스위칭 방식 컨버터는 다시 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식과 펄스 주파수 변조(PFM: Pulse Frequency Modulation) 방식으로 나누어진다. PWM 방식은 일정 주파수로 발진하는 클럭 신호에 동기하여 일정한 주기로 스위칭 동작을 행하는 방식이다. 또한, PFM 방식은 부하 전력에 따라 스위칭 주기를 변동하는 방식이다.
리니어 방식 컨버터는 입력 전압에서 일정한 전압을 감쇄시킴으로써 원하는 크기의 출력 전압을 발생시키는 컨버터이다. 리니어 방식 컨버터는 LDO(Low Drop Out) 방식 등이 있으며, 일반적으로 부하가 저전력을 사용하는 경우에 효율적이다.
일반적으로 전압 컨버터는 특정 입력 및 특정 부하에서만 가장 좋은 전력 효율을 나타내며(도 6 참조), 부하의 크기가 감소할수록 스위칭 손실이 증가되므로 전력 효율이 감소하게 된다. 따라서, 입력 전압, 출력 전압, 또는 부하의 크기의 변화에 따라 전압 변환의 효율을 최대화할 수 없고, 이로 인해 모바일 기기 등의 사용시간을 극대화할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 전력 효율에 따라 전압 변환 모드를 전환하도록 함으로써, 전압 변환의 효율을 최대화할 수 있도 록 하는 전압 변환 모드 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리를 소스로 하는 모바일 기기의 사용시간을 연장시키고, 열로 인한 스트레스를 최소화하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치는 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 전압 변환부; 전압원으로부터 상기 전압 변환부로 입력되는 입력 전류값을 검출하는 입력 센서부; 상기 전압 변환부로부터 부하로 출력되는 출력 전류값을 검출하는 출력 센서부; 및 상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 전력 효율을 결정하고, 상기 전력 효율에 따라 상기 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 듀티값을 결정하고, 상기 듀티값에 기초하여 상기 전력 효율을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 전압 변환부는 직류-직류 변환기인 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 전압 변환부를 PWM 모드로 동작시키기 위한 PWM 제어부;
상기 전압 변환부를 PFM 모드로 동작시키기 위한 PFM 제어부; 및 상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 전력 효율을 결정하고, 상기 전력 효율에 따라서 상기 PWM 제어부 또는 상기 PFM 제어부를 선택적으로 동작시키는 스위칭 모드 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 스위칭 모드 선택부는 상기 전력 효율이 제1 경계값 이상이면 상기 PWM 제어부를 동작시키고, 상기 전력 효율이 상기 제1 경계값 미만이면 상기 PFM 제어부를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 제어부는 상기 전압 변환부를 리니어 모드로 동작시키기 위한 리니어 모드 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 리니어 모드 제어부는 상기 PFM 모드에서의 스위칭 주파수가 제2 경계값 이하로 감소하면 상기 전압 변환부를 상기 리니어 모드로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 리니어 모드 제어부는 LDO 모드 제어부이고, 상기 리니어 모드는 LDO 모드이며, 및 상기 제2 경계값은 가청 주파수인 것을 특징으로 한다.
상기 입력 센서부는 저항 및 비교기를 포함하거나 또는 홀 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 출력 센서부는 저항 및 비교기를 포함하거나 또는 홀 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전압 변환부는 표준 벅 컨버터(standard buck converter)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법은 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 전압 변환부의 전압 변환 모드 제어 방법에 있어서, 전압원으로부터 상기 전압 변환부로 입력되는 입력 전류값을 검출하는 단계; 상기 전압 변환부로부터 부하로 출력되는 출력 전류 값을 검출하는 단계; 상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 전력 효율을 결정하는 단계; 및 상기 전력 효율에 따라 상기 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법을 실행하기 위한 프로그램을 저장한 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체는, 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 전압 변환부의 전압 변환 모드 제어 방법에 있어서, 전압원으로부터 상기 전압 변환부로 입력되는 입력 전류값을 검출하는 단계; 상기 전압 변환부로부터 부하로 출력되는 출력 전류값을 검출하는 단계; 상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 전력 효율을 결정하는 단계; 및 상기 전력 효율에 따라 상기 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시키는 단계를 포함하는 방법을 실행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치는 전압 변환부(200), 입력 센서부(230), 출력 센서부(240) 및 제어부(250)를 포함한다.
전압원(210)은 입력 센서부(230)를 거쳐서 전압 변환부(200)에 일정한 크기의 전압을 제공한다. 전압원(210)은 예를 들어 직류 전압을 제공하는 배터리이거나 또 다른 전압원(미도시됨)으로부터 입력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 제공하는 어댑터일 수 있다.
전압 변환부(200)는 전압원(210)으로부터 입력 센서부(230)를 거쳐서 입력되는 입력 전압을 변환하여 입력 전압과 상이한 출력 전압을 발생시킨다. 예를 들어, 직류-직류 컨버터가 전압 변환부(200)에 해당할 것이다. 그러나, 반드시 직류-직류 컨버터에 한정될 필요는 없으며, 교류-교류 컨버터, 직류-교류 컨버터 및 교류-직류 컨버터에도 적용될 수 있을 것이다.
또한, 전압 변환부(200)는 제어부(250)의 제어에 따라 스위칭 방식 및 리니어 방식 등 여러 종류의 방식으로 입력 전압을 출력 전압으로 변환한다. 전압 변환부(200)는 예를 들어 스위칭 방식 또는 리니어 방식으로 동작하기 위해서 별개의 회로로 구현될 수 있으나, 필요에 따라서는 일부 또는 전체의 회로를 공유하도록 구현될 수도 있다. 전압 변환부(200)는 표준 벅 컨버터(standard buck converter) 등으로 구현될 수 있다. 표준 벅 컨버터로 구현된 전압 변환부(200)의 동작에 대해서는 도 5에서 구체적으로 설명될 것이다.
부하(220)는 전압 변환부(200)에 의해 전압 변환되어 출력되는 출력 전압을 인가받는다. 부하(220)는 액정 디스플레이 장치, 프로세서 등 다양한 전자 소자일 수 있다.
입력 센서부(230)는 전압원(210)으로부터 전압 변환부(200)로 입력되는 입력 전류값을 검출한다. 입력 센서부(230)는 예를 들어 저항 및 비교기로 구성되거나 또는 홀(hall) 센서 등으로 구성될 수 있다.
입력 센서부(230)는 이상적으로 내부 저항이 거의 0에 가깝기 때문에, 전압원(210)의 전압과 전압 변환부(200)의 입력 전압은 거의 동일하다. 또한, 전압원(210)으로부터 입력되는 전류는 이상적으로는 입력 센서부(230)를 통하여 전압 변환부(200)로만 흐르며, 제어부(250)로는 흐르지 않는다. 입력 센서부(230)의 구체적인 예시 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.
출력 센서부(240)는 전압 변환부(200)로부터 부하(220)로 출력되는 출력 전류값을 검출한다. 출력 센서부(240)는 입력 센서부(230)와 유사하게 저항 및 비교기로 구성되거나 또는 홀 센서 등으로 구성될 수 있다.
출력 센서부(250)는 입력 센서부(230)에서 설명한 것과 유사한 이유로, 부하(220)에 인가되는 전압과 전압 변환부(200)의 출력 전압은 거의 동일하다. 또한, 전압 변환부(200)로부터 출력되는 전류는 이상적으로는 출력 센서부(240)를 통하여 부하(220)로만 흐르며, 제어부(250)로는 흐르지 않는다. 출력 센서부(230)의 구체적인 예시 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.
제어부(250)는 입력 센서부(230)에 의해 검출되는 입력 전류값 및 출력 센서부(240)에 의해 검출되는 출력 전류값에 기초하여 전압 변환부(200)의 전력 효율을 결정한다. 여기서, 입력 전류값을 검출하는 이유는 전압원(210)의 전압은 일정하지 않고 변할 수 있기 때문이다.
전력 효율을 결정하는 한 방법으로서, 제어부(250)는 입력 전류값 및 출력 전류값에 기초하여 스위칭 방식(즉, PWM 모드 또는 PFM 모드)에서의 펄스의 듀티값을 결정하고, 그 듀티값과 스위칭 손실 등을 고려하여 전력 효율을 결정할 수 있을 것이다. 이 경우에는 입력 전압과 출력 전압 간의 전압차는 고려할 필요가 없다.
또한, 전력 효율을 결정하는 다른 방법으로서, 제어부(250)는 입력 전류값 및 출력 전류값 뿐만 아니라 입력 전압과 출력 전압 간의 전압차를 검출(도시되지 않음)함으로써 전력 효율을 결정할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 전압원(210)과 부하(220)를 OP 앰프의 입력단에 연결하고, 그 출력값을 제어부(250)에서 수신함으로써 전력 효율을 결정하는 것이 가능할 것이다. 다만, 전력 효율을 결정하는 방법은 상술한 방법에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 방법이 있을 수 있다.
상술한 방법으로 결정된 전력 효율에 따라, 제어부(250)는 전압 변환부(200)의 전압 변환 모드를 그대로 유지시키거나 또는 다른 모드로 전환시킨다. 전압 변환 모드는 예를 들어 PWM 모드 및 PFM 모드와 같은 스위칭 모드, 또는 LDO 모드와 같은 리니어 모드 등 다양한 모드가 존재할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치는 전압 변환부(300), 입력 센서부(330), 출력 센서부(340), 스위칭 모드 선택부(350), PWM 제어부(360), 및 PFM 제어부(370)를 포함한다.
전압 변환부(300), 입력 센서부(330), 출력 센서부(340)는 각각 도 2의 전압 변환부(200), 입력 센서부(230), 출력 센서부(240)에 대응되는 것이므로 그에 대한 설명은 생략한다. 또한, 스위칭 모드 선택부(350), PWM 제어부(360), 및 PFM 제어부(370)는 도 2의 제어부(250)에 해당되는 구성요소이다.
PWM 제어부(360)는 전압 변환부(300)가 PWM 모드로 동작하도록 제어한다. 즉, PWM 제어부(360)는 전압 변환부(300)의 스위칭을 제어하여(예를 들어, BJT의 베이스 전류를 조절하여 BJT를 스위치로 동작시킨다.) 입력 전압을 PWM 방식으로 변환할 수 있도록 한다. 일반적으로, PWM 모드는 일정 범위 내에서 부하의 크기가 클수록 전력 효율이 높아진다. PWM 제어부(360)에 의하여 전압 변환부(300)가 스위칭 방식으로 동작하는 과정(예를 들어, 표준 벅 컨버터의 동작 과정)은 당업자에게 널리 알려져 있는 것이므로 구체적인 설명은 하지 않기로 한다.
PFM 제어부(370)는 전압 변환부(300)가 PFM 모드로 동작하도록 제어한다. PFM 모드는, PWM 모드와 비교할 때, 일정 범위 내에서 부하의 크기가 작을 때 스위칭 손실을 줄이기 위하여 사용할 수 있는 이점이 있다. 한편, 본 명세서에서, PFM 모드는 펄스 스킵핑 변조(PSM: Pulse Skipping Modulation) 모드를 포함하는 개념으로 사용할 것이다.
스위칭 모드 선택부(350)는 입력 센서부(330)에서 검출되는 입력 전류값 및 출력 센서부(340)에서 검출되는 출력 전류값에 기초하여 전압 변환부(300)의 전력 효율을 결정한다. 전력 효율을 결정하는 방법은 상술된 바와 같다.
일반적인 스위칭 컨버터 방식에서 전력 손실은 주로 스위칭 손실 및 드라이브 손실에 의해서 발생된다. 그런데, 스위칭 방식에서 드라이브 손실은 전력 컨버팅 커패서티에 따라 차이가 있지만 일반적으로 스위칭 손실보다 휠씬 적다고 볼 수 있다. 따라서 스위칭 방식에서의 효율은 어느 정도 스위칭 횟수를 줄이느냐에 따라 효율이 결정된다.
스위칭 모드 선택부(350)는 결정된 전력 효율에 따라서 PWM 제어부(360) 또는 PFM 제어부(370)를 선택적으로 동작시킨다. 스위칭 모드 선택부(350)는, 스위칭 모드를 선택하는 기준으로서, 전력 효율이 제1 경계값 이상이면 PWM 제어부(360)를 동작시키고, 전력 효율이 제1 경계값 미만이면 PFM 제어부(370)를 동작시킨다.
예를 들어, PWM 모드는 전력 효율이 90%가 되는 지점까지만 이루어지도록 하고, 전력 효율이 90% 이하인 경우에는 스위칭 손실을 줄이기 위하여 PFM 모드 또는 PSM 모드로 진입시킬 수 있다. 다만, 제1 경계값은 상황에 따라서 다르게 설정하는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치는 전압 변환부(400), 입력 센서부(430), 출력 센서부(440), 스위칭 모드 선택부(450), PWM 제어부(460), PFM 제어부(470), 및 리니어 모드 제어부(480)를 포함한다.
전압 변환부(400), 입력 센서부(430), 출력 센서부(440), 스위칭 모드 선택부(450), PWM 제어부(460), 및 PFM 제어부(470)는 각각 도 3의 전압 변환부(300), 입력 센서부(330), 출력 센서부(340), 스위칭 모드 선택부(350), PWM 제어부(360), 및 PFM 제어부(370)에 대응되는 것이므로 그에 대한 설명은 생략한다. 또한, 스위칭 모드 선택부(450), PWM 제어부(460), PFM 제어부(470), 및 리니어 모드 제어부(480)는 도 2의 제어부(250)에 해당되는 구성요소이다.
리니어 모드 제어부(480)는 전압 변환부(400)를 리니어 모드로 동작시키기 위한 구성요소이다. 리니어 모드 제어부(480)는 펄스 주파수 변조 모드에서 스위칭 주파수가 제2 경계값 이하로 감소하면 전압 변환부(400)를 리니어 모드로 동작시킨다. 스위칭 주파수가 제2 경계값 이하로 감소하는지 여부는 리니어 모드 제어부(480) 내부에서 검출되거나, 또는 리니어 모드 제어부(480) 외부에 위치한 별도의 검출 회로에서 검출되거나, 또는 PFM 제어부에서 검출될 수 있다. 펄스 주파수 변조 모드에서 스위칭 주파수가 제2 경계값 이하로 감소하면, 전압 변환부(400)는 리니어 모드 제어부(480)에 의해 리니어 모드로 전환되며 PFM 제어부는 비활성화된다.
리니어 모드 제어부(480)는 로우 드롭 아웃(LDO) 모드 제어부일 수 있고, 이 경우 전압 변환부(400)는 로우 드롭 아웃 모드로 동작된다.
또한, 상술된 제2 경계값은 상황에 따라 다양한 값으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 제2 경계값을 가청 주파수로 놓음으로써 스위칭 주파수가 약 20KHz 이하로 떨어질 때 발생하는 소음을 방지할 수 있다.
일반적으로 리니어 방식의 전압 컨버터의 경우, 입력 전압과 출력 전압의 차이는 리니어 레귤레이터의 자체적인 소모에 의해서 발생되므로 전력 손실이 많이 발생한다. 즉, 리니어 방식에서 전력 손실 = ((Vin-Vo)*Io) + (드라이브 손실))(Vin: 입력 전압, Vo: 출력 전압, Io: 출력 전류)로 표현될 수 있다. 일반적인 LDO 방식에서 드라이브 손실은 상대적으로 적으므로 실제 전력 손실은 1) 입력 및 출력의 전압차, 2) 출력 전류에 의해서 결정된다. 따라서, 출력 전류가 작은 경우 에는 리니어 방식이라고 하더라도 전력 효율은 어느 정도 높게 된다.
도 5는 도 4의 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 장치의 구체적인 예시 회로를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전압 변환 모드 제어 장치는 표준 벅 컨버터(500), 입력 센서(530), 출력 센서(540), 제어부(545)를 포함한다.
표준 벅 컨버터(500)는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT) Tr, 다이오드 D, 인덕터 L 및 커패시터 C를 포함한다. BJT Tr, 다이오드 D, 인덕터 L, 커패시터 C의 파라미터는 표준 벅 컨버터 토폴로지의 형식이며, 모든 값은 스위칭 컨버터에 맞도록 조절하면 된다. 또한, 일반적인 스위칭 컨버터의 주파수는 수백 KHz이므로 다이오드 D, 인덕터 L 및 커패시터 C는 리니어 모드에서는 출력 필터용으로 사용하면 된다. 리니어 방식의 경우 스위치의 액티브 영역을 제어함으로써 출력 전압을 제어할 수 있다. 따라서, 리니어 방식 및 스위칭 방식에 대하여 표준 벅 컨버터(500)는 주 전원 경로를 공유하게 된다.
입력 센서(530)는 저항 R1 및 제1 OP 앰프를 포함한다. 따라서, 저항 R1의 저항값 및 저항 R1의 양단 간의 전압이 알려지면 저항 R1에 흐르는 전류를 알 수 있게 된다.
출력 센서(540)는 저항 R2 및 제2 OP 앰프를 포함한다. 입력 센서(530)와 유사하게 출력 센서(540)는 저항 R2에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
제어부(545)는 스위칭 모드 선택부(550), PWM 제어부(560), PFM 제어부(570), 리니어 모드 제어부(580), 제1 MOSFET(565) 및 제2 MOSFET(575)를 포함한 다.
스위칭 모드 선택부(580)는 입력 센서(530)에서 검출되는 입력 전류값 및 출력 센서(540)에서 검출되는 출력 전류값에 기초하여 표준 벅 컨버터(500)의 전력 효율을 결정한다. 또한, 결정된 전력 효율에 따라서 스위칭 모드 선택부(580)는 MOSFET(565, 575)를 통해서 PWM 제어부(560) 또는 PFM 제어부(570)를 선택적으로 동작시킨다.
리니어 모드 제어부(580)는 펄스 주파수 변조 모드에서 스위칭 주파수가 제2 경계값 이하로 감소하면 표준 벅 컨버터(500)를 리니어 모드로 동작시킨다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 효율의 그래프를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 입력 전압 Vin이 각각 2.7V, 3.6V, 4.2V이고 출력 전압 Vout이 3.3V일 때 각 모드에서의 전력 효율의 변화를 나타낸다.
PWM 모드에서는 Iout이 감소하면 전력 효율도 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, PFM 모드에서는 Iout이 감소하여도 PWM 모드와 비교할 때 전력 효율이 상대적으로 느리게 감소한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 예를 들어 전력 효율이 90%가 되는 지점을 기준으로 PWM 모드 또는 PFM 모드로 전환되므로 전압 컨버터의 전력 효율을 극대화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서 LDO 모드는 출력 전류가 매우 작은 지점에서만 활성화하게 되므로 전력의 손실은 매우 작게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐 름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 전압 변환 모드 제어 장치는 전압원으로부터 전압 변환부로 입력되는 입력 전류값을 검출한다(단계 710). 전환 변환부는 직류-직류 변환기와 같은 것으로 표준 벅 컨버터 등으로 구현된다. 또한, 입력 전류값은 저항 및 비교기를 이용하거나 또는 홀 센서를 이용하여 검출할 수 있다.
다음으로, 전압 변환부로부터 부하로 출력되는 출력 전류값을 검출한다(단계 720). 출력 전류값은 저항 및 비교기를 이용하거나 또는 홀 센서를 이용하여 검출할 수 있다.
그리고나서, 검출되는 입력 전류값 및 출력 전류값에 기초하여 전압 변환부의 전력 효율을 결정한다(단계 730). 전력 효율을 결정하는 방법은 상술된 바와 같다.
마지막으로, 결정된 전력 효율에 따라 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시킨다(단계 740).
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 단계 810 내지 단계 830은 각각 도 7의 단계 710 내지 단계 730에 대응되는 것으로, 구체적인 설명은 생략한다.
단계 840에서는, 전압 변환 모드 제어 장치는 전력 효율이 제1 경계값 이상인지 판단한다. 여기서, 전력 효율이 제1 경계값 이상이면 PWM 모드로 전환시키고(단계 850), 전력 효율이 제1 경계값 미만이면 PFM 모드로 전환한다(단계 860). 제 1 경계값은 예를 들어 90% 등일 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 단계 910 내지 단계 930은 각각 도 7의 단계 710 내지 단계 730에 대응되는 것이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
전압 변환 모드 제어 장치는 전력 효율이 제1 경계값 이상인지 판단하고(단계 940), 제1 경계값 이상이면 PWM 모드로 전환시킨다(단계 950). 제1 경계값은 예를 들어 90%일 수 있다.
전력 효율이 제1 경계값 미만이면 PFM 모드로 전환한다(단계 960). 그리고나서, PFM 모드에서 스위칭 주파수가 제2 경계값 이하로 감소하면(단계 970), 전압 변환부를 리니어 모드로 전환한다(단계 980). 리니어 모드는 예를 들어 LDO 모드 등이 있다.
제2 경계값은 바람직하게는 가청 주파수가 된다. 이것은 PFM 모드에서 스위칭 주파수가 가청 주파수(약 20KHz)이하로 떨어지면, 소음이 발생하여 전압 컨버터의 사용에 불편을 야기하기 때문이다.
또한, 본 발명은 컴퓨터로 판독가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터로 판독가능한 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터 넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
상술한 내용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 실시예들을 만들어 내는 것이 가능하다. 그러므로, 상기 실시예들은 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되고, 청구범위에 기재되어 있는 발명의 특징들의 범위 내에서 자유로이 변경될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전압 변환 모드 제어 장치 및 그 제어 방법에 따르면, 전압 컨버터의 전력 효율에 따라서 전압 변환 모드를 PWM 방식, PFM 방식, 또는 LDO 방식 등으로 상호전환하도록 함으로써, 전압 변환의 효율을 극대화하고, 배터리를 소스로 하는 모바일 기기의 사용시간을 연장시키며, 열로 인한 스트레스를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 전압 변환부;
    전압원으로부터 상기 전압 변환부로 입력되는 입력 전류값을 검출하는 입력 센서부;
    상기 전압 변환부로부터 부하로 출력되는 출력 전류값을 검출하는 출력 센서부; 및
    상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 전력 효율을 결정하고, 상기 결정된 전력 효율에 따라 상기 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시키는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 전압 변환부를 펄스 폭 변조(PWM) 모드로 동작시키기 위한 펄스 폭 변조 제어부;
    상기 전압 변환부를 펄스 주파수 변조(PFM) 모드로 동작시키기 위한 펄스 주파수 변조 제어부;
    상기 전력 효율에 따라서 상기 펄스 폭 변조 제어부 또는 상기 펄스 주파수 변조 제어부를 선택적으로 동작시키는 스위칭 모드 선택부; 및
    상기 전압 변환부를 리니어 모드로 동작시키기 위한 리니어 모드 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 듀티값을 결정하고, 상기 듀티값에 기초하여 상기 전력 효율을 결정하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환부는 직류-직류 컨버터인 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 모드 선택부는 상기 전력 효율이 제1 경계값 이상이면 상기 펄스 폭 변조 제어부를 동작시키고, 상기 전력 효율이 상기 제1 경계값 미만이면 상기 펄스 주파수 변조 제어부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 모드 제어부는 상기 펄스 주파수 변조 모드에서의 스위칭 주파수가 제2 경계값 이하로 감소하면 상기 전압 변환부를 상기 리니어 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 리니어 모드 제어부는 로우 드롭 아웃(LDO) 모드 제어부이고, 상기 리니어 모드는 로우 드롭 아웃 모드이며, 및 상기 제2 경계값은 가청 주파수인 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입력 센서부는 저항 및 비교기를 포함하거나 또는 홀 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 출력 센서부는 저항 및 비교기를 포함하거나 또는 홀 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환부는 표준 벅 컨버터(standard buck converter)인 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 장치.
  12. 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 전압 변환부의 전압 변환 모드 제어 방법에 있어서,
    전압원으로부터 상기 전압 변환부로 입력되는 입력 전류값을 검출하는 단계;
    상기 전압 변환부로부터 부하로 출력되는 출력 전류값을 검출하는 단계;
    상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 전력 효율을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 전력 효율에 따라 상기 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시키는 단계를 포함하고,
    상기 전압 변환부의 전압 변환 모드를 전환시키는 단계는 상기 전력 효율이 제1경계값 이상이면 펄스 폭 변조 모드로 전환시키고, 상기 전력 효율이 제1경계값 미만이면 펄스 주파수 변조 모드로 전환시키고, 상기 펄스 주파수 변조 모드에서의 스위칭 주파수가 제2경계값 이하로 감소하면 리니어 모드로 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 변환부의 전력 효율을 결정하는 단계는 상기 입력 전류값 및 상기 출력 전류값에 기초하여 상기 전압 변환부의 듀티값을 결정하고, 상기 듀티값에 기초하여 상기 전력 효율을 결정하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전압 변환부는 직류-직류 변환기인 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서,
    상기 리니어 모드는 로우 드롭 아웃 모드이고, 상기 제2 경계값은 가청 주파수인 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 입력 전류값을 검출하는 단계는 저항 및 비교기를 이용하거나 또는 홀 센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 출력 전류값을 검출하는 단계는 저항 및 비교기를 포함하거나 또는 홀 센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 전압 변환부는 표준 벅 컨버터(standard buck converter)인 것을 특징으로 하는 전압 변환 모드 제어 방법.
  22. 제12항 내지 제14항 및 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항의 전압 변환 모드 제어 방법을 실행하기 위한 프로그램을 저장한 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체.
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