KR101185410B1

KR101185410B1 - 전류 제한 보호를 구비한 ｄｃ/ｄｃ 컨버터

Info

Publication number: KR101185410B1
Application number: KR1020060002854A
Authority: KR
Inventors: 에릭 영
Original assignee: 리니어 테크놀러지 코포레이션
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2012-09-25
Also published as: EP1679780B1; EP1679780A2; JP2006197794A; KR20060081668A; US7710700B2; EP1679780A3; JP4864463B2; US20060152874A1

Abstract

DC 전압 입력과 연결되고 부하에 연결가능한 컨버터는 제1 접속점과 제2 접속점 사이에 연결되는 신호 응답 스위치를 포함한다. 전류 흐름은 상기 부하를 바이패스 하기 위하여 상기 스위치에 의하여 단락 상태에서 상기 제2 접속점으로 향하게 된다. 레귤레이터 회로는 상기 스위치의 제어 입력에 연결되는 출력을 구비한다. 상기 레귤레이터 회로는 검출된 부하 파라미터를 수신하기 위한 제1 입력과, 상기 스위치가 단락된 상태에 있는 때에 상기 제2 접속점에서 검출된 전류 레벨 신호를 수신하기 위한 제2 입력 및 상기 스위치가 개방된 상태에 있는 때에 상기 제2 접속점에서 직접 측정되어 검출된 전류 레벨 신호를 수신하기 위한 제3 입력을 구비한다. 지정된 최소 시간은 상기 스위치가 상기 개방 상태에 있도록 세팅된다. 상기 제3 입력은 상기 스위치의 전류 제한 보호를 제공하기 위하여 상기 스위치의 재단락을 억제한다.

DC-DC 컨버터(DC-DC Converter), 전류 제한 보호(Current Limit Protection), 레귤레이터(Regulator)

Description

전류 제한 보호를 구비한 ＤＣ/ＤＣ 컨버터{DC/DC CONVERTER WITH CURRENT LIMIT PROTECTION}

본 발명은 첨부한 도면의 형태로 한정이 아니라 예시를 위하여 도시되고, 동일한 참조번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 종래의 승압 DC/DC 컨버터의 다이어그램.

도 2는 본 발명에 따른 컨버터의 다이어그램.

본 발명은 직류 전류 전압 레귤레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 DC/DC 컨버터에서의 제어된 전류의 제한에 관한 것이다.

도 1은 종래의 승압 DC/DC 컨버터를 도시한다. 인덕터(10) 및 다이오드(12)는 입력(V_IN)단자와 출력(V_OUT)단자 사이에서 직렬로 연결된다. 상기 입력단자는 일 반적으로 DC 전원에 연결되고, 제어된 출력은 부하에 연결된다. 캐패시터(14)는 출력단자와 접지 사이에 연결된다. 신호 응답 스위치(16)와 저항(18)은 상기 인덕터(10)와 상기 다이오드(12)의 접속점과 접지 사이에서 직렬로 연결된다. 상기 스위치는 스위치 구동 회로(22)를 통하여 래치(20)의 출력과 연결되는 베이스를 구비한 트랜지스터에 의하여 표현된다. 상기 래치의 세트(set) 단자는 AND 게이트(24)의 출력과 연결된다. 지연 회로(26)는 상기 래치(20)의 리세트(reset) 출력에 연결되는 입력과 상기 AND 게이트(24)의 제1 입력에 연결되는 출력을 갖는다. 상기 AND 게이트(24)의 제2 입력은 비교기(28)의 출력에 연결된다. 상기 비교기의 제1 입력은 출력 파라미터와 관련되는 피드백 신호를 수신한다. 상기 출력 파라미터는 상기 출력에서의 전압일 수 있으며, 피드백 신호는 피드백 회로(30)로부터 나오며, 상기 피드백은 상기 비교기의 제2 입력에 인가되는 기준 전압(32)과의 비교를 위해 적절히 스케일링된다. 상기 래치(20)의 리세트 단자는 제2 비교기(34)의 출력에 연결된다. 상기 비교기(34)의 제1 입력은 스위치(16)과 저항(18)의 접속점에 연결된다. 상기 비교기(34)의 제2 입력은 기준 전압 회로(36)에 연결된다.

동작시, 스위치(16)이 ON 상태(또는 단락 상태)가 되면, 전류는 인덕터(10)과 저항(18)을 통하여 전원(V_IN)으로부터 접지로 흐른다. 저항(18)은 상기 스위치가 단락되는 경우에 상기 스위치(16)를 통한 전류 레벨의 표시를 제공하는 검출 소자이다. 상기 스위치를 통한 전류가 기준 전압(36)의 한계 레벨까지 증가하게 되면, 비교기(34)는 상기 래치(20)을 리세트 하는 신호를 출력하고, 따라서, 스위치(16)를 OFF 한다. 상기 스위치가 OFF 상태가 되면, 상기 인덕터(10)에 저장된 에너지가 상기 커패시터(14)에 전달된다. 지연 회로(26)는 최소 시간 간격이 발생할 때까지 AND 게이트(24)의 입력에 HIGH의 래치 리세트 출력 신호가 인가되지 않도록 하는 것를 보장하여야 한다. 스위치(16)을 켜는 것은 그에 따라 지연된다. 그런 다음, 상기 스위치(16)는 피드백 레벨이 비교기(28)에 대한 기준 입력을 초과할 때 다시 ON 된다.

도시된 특정의 종래 회로 - 일반적으로 부스트 레귤레이터(boost regulator)라고 알려져 있다 - 에서, 레귤레이트된 전압 출력 V_OUT은 크기면에서 전압 입력 V_IN보다 높은 레벨의 전압을 가지며, 또한 같은 극성을 가진다. 예를 들어, 공지의 컨버터는 리니어 테크놀러지의 LT3463과 LT3464 컨버터이다. 인덕터와 캐패시터 구성요소를 적절히 배치하면, 부스트 레귤레이터의 출력 전압은 입력 전압과 반대의 극성을 가질 수 있다.

부스트 컨버터의 배치에서, 인덕터(10)를 흐르는 입력 전류는 연속적이고, 스위치(16) 또는 다이오드(12) 중 어느 하나로 흐른다. 상기 스위치(16)의 지정된 최소 OFF 시간에서, 인덕터의 전류는 상기 스위치의 최대 전류 용량을 초과할 수 있다. 그러한 상황은, 예를 들어, 출력이 접지에 단락 회로가 되는 동안이나, 전력 이 회로에 인가된 직후에 캐패시터(14)를 충전하는 동안 또는 초기 동작에 따른 다른 캐패시터를 충전하는 동안에 발생할 수 있다. 상기 스위치는 전류가 기준 전압(36)의 전류 한계를 초과한다는 것이 비교기(34)에 위하여 결정될 수 있기 전에 인덕터 전류를 샘플링할 수 있는 유한한 시간 동안 켜져야 한다. 스위치의 OFF 시간 동안, 상기 인덕터 전류는 인덕터에 반대로 인가되는 미량의 전압 때문에 짧은 ON 시간동안 증가하는 만큼 감소하지 않는다. 따라서, 과도한 스위치 전류가 발생할 수 있으며, 스위치뿐만 아니라 레귤레이터의 손상이나 파괴가 유발될 수 있다.

과도한 인덕터 전류의 가능성을 다루는 종래의 방법들은 일반적으로 주파수 폴드백(foldback) 설비로서 알려져 있다. 이러한 방법들은 낮은 출력의 피드백 조건을 검출하고, 그에 따라, 스위치의 제어회로에서 지정된 값으로 스위치의 OFF 시간을 길게 하기 위하여 오실레이터 주기를 증가하거나, 지연 기간을 증가 한다. 주파수 폴드백 방법은 증가된 OFF 시간이 스위치 전류의 도피를 방지하기에 충분하지 않다는 점에서 유익하지 않다. 외부 요소 값에 관한 불확실 때문에, OFF 시간 설정은 길게 될 수 있으며, 따라서 정상 동작시에 불필요하게 출력 전류 용량을 억제한다.

따라서, 레귤레이터 회로에서 과전류 상태 보호를 위한 구현이 개선되는 것이 필요하다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 과전류 상태로부터 스위치와 레귤레이터 회로를 보호하는 DC/DC 컨버터를 제공하는데 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 요구를 충족시킨다. DC 전압 입력에 연결되고 부하에 연결될 수 있는 컨버터에 있어서, 신호 응답 스위치가 제1 접속점과 제2 접속점(바람직하게는, 전력 공급단의 접지점)사이에 연결된다. 부하 전압은 상기 DC 전압 입력의 극성과 반대의 극성을 가질 수 있다. 전류 흐름은 상기 부하를 바이패스 하기 위하여 상기 스위치에 의하여 단락 상태에서 상기 제2 접속점으로 향하게 된다. 레귤레이터 회로는 상기 스위치의 제어 입력에 연결된 입력을 갖는다. 상기 레귤레이터 회로는 검출된 부하 파라미터 신호를 수신하기 위한 제1 입력과, 상기 스위치가 단락된 상태에 있는 때에 상기 제2 접속점에서 검출된 전류 레벨 신호를 수신하기 위한 제2 입력 및 상기 스위치가 개방된 상태에 있는 때에 상기 제2 접속점에서 검출된 전류 레벨 신호를 수신하기 위한 제3 입력을 구비한다. 상기 검출된 부하 파라미터 신호는 부하 전압과 관련될 수 있으며, 상기 레귤레이터 회로의 제1 입력에 연결된 부하 전압 피드백 회로로부터 구할 수 있다. 상기 레귤레이터 회로의 제3 입력은, 바람직하게는, 다이오드와 같은 단방향(unidirectional) 전류 전도가 가능한 회로 소자에 연결된다. 상기 회로 소자는 접지 입력 전력 공급 단자에 직렬로 연결된다. 상기 다이오드와 접지 단자에 흐르는 전류는 상기 레귤레이터 회로에 제3 입력을 공급하기 위하여 상기 스위치의 OFF 상태 동안 직접 측정된다. 래치 회로는 상기 스위치의 제어 입력에 연결된 출력과, 상기 제1 입력 및 제3 입력에 연결된 세트(set) 입력 단자 및 지연 회로를 통하여 제2 입력에 연결되는 리세트(reset) 입력 단자를 구비한다.

동작시, 상기 제1 접속점은 상기 스위치에 의하여 기설정된 레벨을 초과하는 상기 부하 파라미터(예를 들어, 부하 전압)에 응답하여 상기 제2 접속점에서 연결된다. 상기 제1 접속점은 상기 연결된 상태 동안에 전류 한계 레벨을 초과하는 전류에 응답하여 제2 접속점과의 연결이 끊어진다. 그 후에 상기 제1 접속점을 상기 제2 접속점에 재연결하는 것은 적어도 지정 기간 동안 지연된다. 제2 접속점에서의 과도 전류 조건 동안, 재연결은 억제된다. 따라서, 상기 스위치의 OFF 시간은 상기 스위치가 ON 되기 전에 목적하는 인덕터 전류를 획득하기 위해 필요한 만큼 조정된다. 따라서, 발진기 주기 또는 지정된 OFF 시간은 종래의 레귤레이터보다 작은 값으로 세팅될 수 있어서, 작은 소자 크기와 높은 전력밀도를 실현할 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점은 아래에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시형태가 본 발명을 실시를 고려한 최적 형태를 도시하는 것에 의하여 간단히 도시되고 개시된 발명의 상세한 발명으로부터 본 발명의 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 기타 상이한 실시형태가 가능하며, 그 몇몇 상세는 본 발명을 벗어나지 않고 다양한 방법으로 변형이 가능하다. 따라서, 도면과 발명의 설명은 한정적인 것이 아니라, 사실상 예시적인 것으로 간주된다.

본 발명은 양의 입력전압 (예를 들어, +5V) V_IN과 음의 출력전압(예를 들어, -8V) V_OUT을 가지는 인버팅 DC/DC 컨버터를 도시하는 도 2의 다이어그램으로 예시된다. 본 발명은 주어진 DC 전원으로부터 어떠한 특정 희망 레벨의 레귤레이트된 출력 전압을 어떤 극성이든지 제공할 수 있다. 인덕터(110), 캐패시터(111) 및 인덕터(112)는 입력 단자 V_IN과 출력 단자 V_OUT 사이에서 직렬로 연결된다. 캐패시터(113)은 상기 출력 단자와 접지 사이에 연결된다. 트랜지스터로 도시된 신호 응답 스위치(114) 및 저항(115)은 인덕터(110)와 캐패시터(111)가 연결되는 접속점(116)과 접지 사이에서 직렬로 연결된다. 캐패시터(111)은 접속점(117)에서 인덕터(112)에 연결된다. 쇼트키 다이오드(118)와 저항(119)은 접속점(117)과 접지 사이에 직렬로 연결된다. 트랜지스터(114)의 베이스는 스위칭 구동회로(122)를 통하여 래치(120)의 출력(output)과 연결된다. 상기 래치의 세트(set) 단자는 AND 게이트(124)의 출력과 연결된다. 상기 래치의 리세트 출력(reset output)은 지연회로(126)를 통하여 AND 게이트(124)의 입력과 연결된다. 상기 AND 게이트의 제2 입력은 비교기(128)의 출력과 연결된다. 저항(130)은 상기 V_OUT 단자와 비교기(128)의 제1 입력 사이에 연결된다. 또한, 상기 비교기의 제1 입력은 기준 전압(132)와 저항(133)을 통하여 상기 V_IN 단자와 직렬로 연결된다. 따라서, 상기 비교기의 제1 입력에 인가되는 전압은 출력전압과 관련되는 피드백 신호를 나타낸다. 상기 비교기(128)의 제2 입력은 접지와 연결된다. 상기 AND 게이트(124)의 제3 입력은 비교기(134)의 출력과 연결된다. 상기 비교기(134)의 제1 입력은 기준 전압(135)에 연결된다. 상기 비교기(134)의 제2 입력은 저항(119)과의 접속점에서 다이오드(118)와 연결된다. 래치(120)의 리세트 단자(reset terminal)는 비교기(136)의 출력과 연결된다. 비교기(136)의 제1 입력은 스위치(114)와 저항(115)의 접속점과 연결된다. 비교기(136)의 제2 입력은 기준 전압 회로(137)와 연결된다.

스위칭 사이클 동안, 스위치(114)는 ON 되고 인덕터(110)와 인턱터(112)를 통하여 전류를 끌어들인다. 상기 인덕터들의 전류는 저항(115)에 걸리는 전압이 기준 전압(137)을 초과할 때까지 증가하며, 이에 따라, 비교기(136)가 상기 래치를 리세트 시키고 상기 스위치를 OFF 시킨다. 상기 스위치가 OFF되면, 상기 스위치를 통하여 흐르고 있는 인덕터 전류는 그 대신에 다이오드(118)와 저항(119)를 통하여 흐르게 된다. 상기 다이오드는 순방향으로 바이어스되어 있으며, 인덕터 전류는 감소하게 된다. 상기 스위치는 지연 회로(126)에서 설정된 기간이 경과될 때까지 다시 ON 될 수 없다. 피드백 비교기(128)의 출력이 LOW 상태에 있으면, 출력 전압이 원하는 정도로 레귤레이트된 것을 나타내며, 스위치는 ON 되지 않을 것이다. 출력전압이 상기 원하는 정도 이상으로 증가하게 되면, 비교기(128)는 HIGH가 출력된 다. 이 때, 스위치(114)는 AND 게이트(124)의 다른 입력들이 HIGH라면 ON이 될 것이다. 비교기(134)의 출력인 AND 게이트의 제3 입력의 레벨은 다이오드(118)를 흐르는 전류를 모니터링하는 것에 종속된다. 상기 스위치(114)가 OFF 상태일 때에만 전류는 다이오드를 통하여 흐른다. 스위치를 ON 하는 것은 상기 다이오드 전류가 검출 저항(119)에 의해 측정되는 기준전압(135)에 의하여 설정된 값 이하로 감소할 때까지 비교기(134)에 의하여 억제된다.

예를 들어, 5V의 양의 DC 입력으로부터 8V의 음의 레귤레이트된 출력을 공급하기 위한 상술한 회로의 기준 전압 값은 다른 회로 소자의 적절한 스케일링에 의하여 기준 전압(132)에서는 1.25V일 수 있으며, 기준 전압(135 및 137)에서는 24mV가 될 수 있다. 전류값이 직접 측정됨에 따라, 스위치의 OFF 시간은 상기 스위치가 ON되기 전에 목적하는 인덕터 전류를 획득하기 위해 필요한 만큼 맞추어진다. 따라서, 과도한 스위치 전류로부터 발생하는 스위치나 레귤레이터에 대한 손상은 피할 수 있다. 지연회로(126)에 의하여 결정되는 지정된 최소 OFF 시간은 종래의 소자 배치와 비교하여 더 작은 값으로 세팅될 수 있으며, 이에 따라, 외부의 소자 크기는 더 작아질 수 있고 더 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시형태이지만 다양한 실시형태 중 일부의 형태만이 개시되었다. 본 발명은 다양한 조합이나 환경에서 사용될 수 있으며, 본 명세서에 표현된 것과 같은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환 또는 변경이 가능하다. 예를 들어, 다이오드 전류를 검출하는 방법은 온칩(on-chip) 저항과 집적된 쇼트키 다이오드를 사용하거나 또는 이 대신에 외부 소자를 사용하여 획득할 수 있다. 도시된 인버팅 레귤레이터 회로에 관한 본 명세서에 표현된 기술적 사상은 다른 공지의 레귤레이터 구성에 동등하게 적용된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하여 DC/DC 컨버터의 스위치 또는 레귤레이터 소자에 손상이 생기거나 파괴가 발생하는 것을 방지하며, 또한, 지연회로에 의하여 결정되는 지정된 최소 OFF 시간을 종래의 소자 배치와 비교하여 더 작은 값으로 세팅함으로써, 종래의 방법보다 DC/DC 컨버터가 소형화되고 고전력 밀도를 제공할 수 있다.

Claims

제1 전압 레벨에서의 입력 DC 전압을 수신하여 부하에 제2 전압 레벨에서의 출력 DC 전압을 공급하도록 연결가능한 컨버터 회로에 있어서,

스위치;

상기 스위치가 ON 상태에 있는 경우에 상기 부하를 바이패스하는 제1 전류 흐름 경로;

상기 스위치가 OFF 상태에 있는 경우에 단방향(unidirectional) 전류 전도 장치를 포함하는 제2 전류 흐름 경로; 및

상기 스위치에 연결되어 부하 파라미터와 상기 스위치의 ON 상태에서의 상기 스위치에 흐르는 전류 및 상기 스위치의 OFF 상태에서의 상기 단방향 전류 전도 장치를 흐르는 전류에 각각 관련되는 신호들을 수신하도록 구성되며 이에 응답하여 상기 스위치의 상기 상태를 제어하는 제어회로

를 포함하고,

상기 출력 DC 전압은 상기 입력 DC 전압의 극성에서 반대의 극성으로 전환되는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제1항에 있어서,

상기 제어회로는 상기 스위치 전류가 기설정된 레벨에 도달하는 때에 상기 스위치의 OFF 상태 조건을 시작하고,

상기 제어회로는 지정 기간 동안 상기 스위치를 OFF 상태로 유지하게 하기 위한 지연 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제2항에 있어서,

상기 제어회로는 상기 부하 파라미터가 한계치를 초과하는 때에 상기 지정 기간 후에 OFF 상태에서 ON 상태로 상기 스위치의 전환을 시작하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제3항에 있어서,

상기 전환은, 상기 단방향 전류 전도 장치를 흐르는 전류가 과도한 레벨에 있는 때에 상기 전환을 억제하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제1항에 있어서,

상기 부하와 상기 제어회로 사이에 연결된 부하 전압 피드백 회로를 더 포함하고,

상기 부하 파라미터는 부하 전압인 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
삭제
DC 전압 입력에 연결되고 부하에 연결가능한 컨버터 회로에 있어서,

제1 접속점 및 제2 접속점 사이에 연결되는 신호 응답 스위치; 및

상기 스위치의 제어 입력에 연결되는 출력을 구비한 레귤레이터 회로

를 포함하고,

상기 레귤레이터 회로는, 제1 입력에서 검출된 부하 파라미터 신호를 수신하고, 제2 입력에서 상기 스위치가 단락 상태인 때에 상기 제2 접속점에서 검출된 전류 레벨 신호를 수신하며, 제3 입력에서 상기 스위치가 개방 상태인 때에 상기 제2 접속점에서 검출된 전류 레벨 신호를 수신하고,

상기 제2 접속점은 제1 전력 공급 단자이고,

상기 컨버터 회로의 입력은 제2 전력 공급 단자에 연결되고,

상기 부하 파라미터는 상기 제2 전력 공급 단자의 전압의 극성과 반대의 극성을 가진 부하 전압인 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제7항에 있어서,

상기 레귤레이터 회로의 제1 입력에 연결된 부하 전압 피드백 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
삭제
삭제
제7항에 있어서,

상기 레귤레이터 회로의 제3 입력은 단방향 전류 전도가 가능한 회로 소자에 연결되고,

상기 회로 소자는 상기 제2 접속점과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제11항에 있어서,

상기 회로 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제11항에 있어서,

상기 레귤레이터 회로는

상기 신호 응답 스위치의 제어 입력에 연결되는 출력;

상기 제1 입력 및 제3 입력에 연결되는 세트(set) 입력 단자; 및

상기 제2 입력에 연결되는 리세트(reset) 입력 단자

를 구비하는 래치(latch) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
제13항에 있어서,

상기 래치 회로의 리세트 출력 단자와 상기 세트 입력 단자 사이에 연결되는 지연회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
기설정된 레벨을 초과하는 부하 파라미터에 따라 제1 접속점을 제2 접속점에 연결시키는 단계;

상기 연결된 상태동안 전류 한계 레벨을 초과하는 전류에 응답하여 상기 제1 접속점을 상기 제2 접속점으로부터 연결을 끊는 단계;

상기 연결을 끊는 단계 후에 적어도 지정 기간만큼 상기 제1 접속점을 상기 제2 접속점에 재연결을 지연하는 단계; 및

과도 전류 조건동안 상기 재연결을 억제하는 단계

를 포함하고,

상기 제2 접속점은 전력 공급 단자이고,

상기 과도 전류 조건은 상기 연결이 끊어진 상태에서 상기 제2 접속점에서의 전류 레벨인 것을 특징으로 하는 레귤레이터를 제어하는 방법.
제15항에 있어서,

상기 부하 파라미터는 부하 전압인 것을 특징으로 하는 레귤레이터를 제어하는 방법.
삭제
삭제
제15항에 있어서,

상기 재연결을 억제하는 단계는 상기 제2 접속점과 직렬로 연결된 다이오드를 흐르는 전류를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레귤레이터를 제어하는 방법.