KR101322738B1 - 스위치 제어를 위한 레벨 컨버터 - Google Patents

스위치 제어를 위한 레벨 컨버터 Download PDF

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이창현
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숭실대학교산학협력단
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    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only

Abstract

본 발명은 차동 구조를 이용한 전력 증폭기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 차동 구조를 이용한 전력 증폭기는, 제1 전압을 공급하는 제1 전원에 각각 제1단이 연결되며, 크기가 같고 반대 극성의 신호가 입력되는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 제1단에 각각 제1단이 연결되는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터, 그리고 상기 제3 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터의 제2단에 제1단이 연결되며, 상기 제3 트랜지스터 또는 제4 트랜지스터의 발진을 제어하는 제5 트랜지스터를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따른 차동 구조를 이용한 전력 증폭기에 의하면, 도움 트랜지스터를 사용함으로써 전력 증폭단의 필요한 구동 전력을 저감시키거나 큰 출력을 낼 수 있다. 또한 발진을 제어하기 위한 스위치 트랜지스터를 발진의 원인이 되는 도움 트랜지스터와만 연결되도록 구성함으로써 작은 크기로도 스위치 트랜지스터를 구현할 수 있으며, 이로 인해 제작비용 절감의 경제적 효과를 얻을 수 있다.

Description

스위치 제어를 위한 레벨 컨버터{LEVEL CONVERTER FOR SWITCH CONTROL OF DC-DC CONVERTER}
본 발명은 스위치 제어를 위한 레벨 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DC-DC 컨버터 또는 정류기를 구성하는 메인 스위치가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는 스위치 제어를 위한 레벨 컨버터에 관한 것이다.
현재 무선 전력 전송 시스템에 전지의 전압을 일정전압으로 변환하는 직류 전압 변환 회로(DC-DC 컨버터)가 상용화되고 있다. 특히, 휴대형 전자기기에는, 소형으로 변환 효율이 좋은 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터가 이용되고 있다. DC-DC 컨버터는 PWM(펄스폭 변조: pulse width modulation) 방식의 조절기이며, 메인 스위칭 트랜지스터와 동기용 트랜지스터를 구비하고, 양 트랜지스터를 교대로 온 오프 제어한다. 메인 스위치를 턴온하여 입력측으로부터 출력측에 에너지를 공급하고, 메인 스위치를 턴오프하여 인덕터에 축적한 에너지를 방출한다. 그리고 메인 스위치를 구동하는 펄스 신호의 펄스폭을 출력 전압 또는 출력 전류에 따라 제어함으로써, 출력 전압을 거의 일정하게 유지한다.
도 1은 일반적인 무선 전력 전송 시스템의 수신단의 구성도를 나타낸 도면이다. 도 1과 같이 안테나로부터 입력되는 AC 전력은 정류기(Rectifier)를 거치면서 직류(DC) 전압으로 변환되고, 변환된 직류 전압은 DC-DC 컨버터(DC-DC C턴 온verter)를 거치면서 사용자가 원하는 직류 전압으로 제어된다. 이때, DC-DC 컨버터의 출력이 사용자가 원하는 직류 전압(DC)으로 출력 되도록 하기 위하여 PWM 형태로 동작되는 스위치 제어부(Switch Controller)의 출력 신호의 듀티(Duty)를 조절하게 된다.
도 2a는 DC-DC 컨버터와 이의 출력 전력 값 제어를 위한 스위치 제어부를 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a 에 나타난 DC-DC 컨버터가 적용된 실제 회로도의 일 예를 나타낸 것이다. 도 2b에 나타낸 DC-DC 컨버터는 Buck 형태를 가지는 것으로 나타냈다. 도 2b에서 스위치로 표시된 부분은 NMOS 혹은 PMOS로 형성이 가능하다. 이러한 NMOS 및 PMOS의 게이트에 VCTRL 의 제어 신호가 인가되고, 이러한 VCTRL 제어 신호에 따라 스위치로 사용되는 NMOS 혹은 PMOS의 온-오프가 제어된다.
일반적으로 도 2b의 경우는 스위치의 턴 온 시간이 턴 오프 시간에 비하여 길수록 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 크기는 증가하게 되고, 반대로 턴 오프 시간이 턴 온 시간에 비하여 길수록 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 크기는 감소하게 된다. 이와 같이 VCTRL에 의하여 스위치의 턴 온 시간 및 턴 오프 시간의 비율이 어떻게 결정 되느냐에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 크기를 제어할 수 있다.
도 3a는 종래 기술에 따른 PMOS 형태의 스위치를 가지는 DC-DC 컨버터를 도시한 것이고, 도 3b 및 도 3c는 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
일반적으로 PMOS의 소스 전압을 VS 라하고, 게이트 전압을 VG라 하고, 드레인 전압을 VD라 하고, 문턱 전압을 VTH라고 할 때, VG<VS-VTH 조건이 만족 할 때 PMOS는 턴 온이 되고 반대로 VG>VS-VTH 조건이 될 때 PMOS는 턴 오프가 된다. 이를 도 3a에 따른 회로에 적용하면, 도 3b와 같이 VTH>VIN-VCTRL이 되는 경우 PMOS로 형성된 스위치는 턴 오프가 되고, 그 반대인 VTH<VIN-VCTRL이 되는 경우는 PMOS로 형성된 스위치는 턴 온이 된다.
그러나, 도 3c와 같이 DC-DC 컨버터의 입력 전압인 VIN이 비정상적으로 증가하게 되면 VCTRL의 값에 상관없이 VTH<VIN-VCTRL의 조건이 형성 되어 PMOS로 형성된 스위치가 항상 턴 온 이 되는 문제점이 있다.
도 4a는 종래 기술에 따른 NMOS 형태의 스위치를 가지는 DC-DC 컨버터를 도시한 것이고, 도 4b 및 도 4c는 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
NMOS의 소스 전압을 VS 라하고, 게이트 전압을 VG라 하고, 드레인 전압을 VD라 하고, 문턱 전압을 VTH라고 할 때, VG>VS+VTH 조건이 만족될 때 NMOS는 턴 온이 되고 반대로 VG<VS+VTH 조건이 될 때 NMOS는 턴 오프가 된다. 이를 도 4a에 따른 회로에 적용하면, 도 4b와 같이VTH>VCTRL-VA이 되는 경우 NMOS로 형성된 스위치는 턴 오프가 되고, 그 반대인 VTH<VCTRL-VA이 되는 경우는 NMOS로 형성된 스위치는 턴 온이 된다.
그러나, 도 4c와 같이 DC-DC 컨버터의 VA의 전압이 비정상적으로 감소하게 되면 VCTRL의 값에 상관없이 VTH<VCTRL-VA의 조건이 형성되어 NMOS로 형성된 스위치가 항상 턴 온 이 되는 문제점이 있다. 상기 도 3c 및 도 4c와 같은 DC-DC 컨버터에서의 문제점은 정류기에서도 발생할 수 있다.
도 5a는 종래 기술에 따른 NMOS 형태의 스위치를 가지는 정류기를 도시한 것이고, 도 5b 및 도 5c는 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다. 도 5a에서 정류기의 양단에 입력되는 VCTRL _A 및 VCTRL _B는 위상만 반대이고 크기는 같으므로, 설명의 편의를 위하여 VCTRL _A 및 VCTRL _B는 VCTRL로 기술하도록 한다.
따라서, 도 5b에서 보듯이, 정류기의 경우에도 도 4b와 마찬가지로 VTH>VCTRL-VOUT 이 되는 경우 NMOS로 형성된 스위치는 턴 오프가 되고, 그 반대인 VTH<VCTRL-VOUT이 되는 경우는 NMOS로 형성된 스위치는 턴 온이 된다.
그러나, 도 5c에서와 같이 정류기에서 VOUT의 전압이 비정상적으로 감소하게 되면 VCTRL의 값에 상관없이 VTH<VCTRL-VOUT의 조건이 형성되어 NMOS로 형성된 스위치가 항상 턴 온 이 되는 문제점이 있다.
이와 같이, 도 3c, 도 4c 및 도 5c에 나타난 것처럼, DC-DC 컨버터의 입력 전압인 VIN이 증가하거나, 출력 전압인 VOUT이 비이상적으로 감소하게 되면 스위치가 항상 턴 온이 되며, 이에 따라 VCTRL에 의하여 스위치의 턴 온 및 턴 오프를 제어할 수 없기 때문에, 결국 DC-DC 컨버터의 동작을 제어할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 DC-DC 컨버터 또는 정류기를 구성하는 메인 스위치가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는 스위치 제어를 위한 레벨 컨버터에 관한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터는, 제1 전압을 공급하는 제1 전원에 소스가 연결되어 있는 제1 트랜지스터, 상기 제1 전원에 소스가 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 게이트가 연결되는 제2 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되고, 게이트를 통해 제어 신호가 입력되며, 제2 전압을 공급하는 제2 전원에 소스가 연결되는 제3 트랜지스터, 그리고 상기 제2 트랜지스터의 드레인 및 상기 제1 트랜지스터의 게이트와 드레인이 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인 및 상기 제3 트랜지스터의 드레인에 게이트가 연결되며, 상기 제2 전원과 소스가 연결되는 제4 트랜지스터를 포함하며, 상기 제2 트랜지스터의 드레인에 인가되는 전압에 해당하는 스위치 신호를 메인 스위치로 출력한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레벨 컨버터는, 제1 전압을 공급하는 제1 전원에 소스가 연결되어 있는 제1 트랜지스터, 상기 제1 전원에 소스가 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 게이트가 연결되는 제2 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되고, 게이트를 통해 제어 신호가 입력되며, 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압을 공급하는 제2 전원에 소스가 연결되는 제3 트랜지스터, 상기 제3 트랜지스터의 게이트에 입력단이 연결되는 위상 반전기, 그리고 상기 제2 트랜지스터의 드레인 및 상기 제1 트랜지스터의 게이트와 드레인이 연결되고, 상기 위상 반전기의 출력단에 게이트가 연결되며, 상기 제2 전원에 소스가 연결되는 제4 트랜지스터를 포함하며, 상기 제2 트랜지스터의 드레인에 인가되는 전압을 가지는 스위치 신호를 메인 스위치로 출력한다.
상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터는 동일한 극성을 가지며, 상기 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터와는 반대 극성을 가질 수 있다.
상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터는 P채널 트랜지스터이고, 상기 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터는 N채널 트랜지스터일 수 있다.
상기 제3 트랜지스터의 게이트에 하이레벨 제어신호가 인가되면, 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터는 턴 온되고, 상기 제1 트랜지스터 및 제4 트랜지스터는 턴 오프될 수 있다.
상기 제3 트랜지스터의 게이트에 로우레벨 제어신호가 인가되면, 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터는 턴 오프되고, 상기 제1 트랜지스터 및 제4 트랜지스터는 턴 온될 수 있다.
상기 메인 스위치는 P채널 형태이며, 상기 제1 전원에 소스가 연결되어 있고, 게이트를 통해 상기 스위치 신호가 입력되어 스위칭 동작이 제어될 수 있다.
상기 제3 트랜지스터의 게이트에 제3 전압을 가지는 하이레벨 제어신호가 인가되면, 상기 메인 스위치의 제2단에 상기 제3 전압보다 높은 제4 전압을 가지는 하이레벨 스위치 신호가 입력될 수 있다.
상기 제4 전압은 상기 제1 전압과 동일한 레벨을 가지며, 상기 제2 전원은 접지 전원일 수 있다.
상기 메인 스위치는 N채널 형태이며, 상기 제1 전원에 드레인이 연결되어 있고, 게이트를 통해 상기 스위치 신호가 입력되어 스위칭 동작이 제어될 수 있다.
상기 제3 트랜지스터의 제2단에 제3 전압을 가지는 로우레벨 제어신호가 인가되면, 상기 메인 스위치의 제2단에 상기 제3 전압보다 낮은 제4 전압을 가지는 로우레벨 스위치 신호가 입력될 수 있다.
상기 제4 전압은 상기 제2 전압과 동일한 레벨을 가질 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, DC-DC 컨버터 또는 정류기를 구성하는 메인 스위치를 제어하기 위하여 레벨 컨버터를 메인 스위치의 게이트 단에 설치함으로써, 메인 스위치가 정상적으로 동작할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에 따르면 DC-DC 컨버터에서 입력 전압이 변화하거나, DC-DC 컨버터 내부 노드의 전압이 비정상적으로 바뀌어 DC-DC 컨버터의 메인 스위치를 구성하고 있는 NMOS 및 PMOS가 정상 동작을 하지 못하고 항상 턴 온 되거나 항상 턴 오프 되는 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 일반적인 무선 전력 전송 시스템의 수신단의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2a는 DC-DC 컨버터와 이의 출력 전력 값 제어를 위한 스위치 제어부를 도시한 것이다.
도 2b는 도 2a 에 나타난 DC-DC 컨버터가 적용된 실제 회로도의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3a는 종래 기술에 따른 PMOS 형태의 스위치를 가지는 DC-DC 컨버터를 도시한 것이다.
도 3b 및 도 3c는 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 4a는 종래 기술에 따른 NMOS 형태의 스위치를 가지는 DC-DC 컨버터를 도시한 것이다.
도 4b 및 도 4c는 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 5a는 종래 기술에 따른 NMOS 형태의 스위치를 가지는 정류기를 도시한 것이다.
도 5b 및 도 5c는 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터를 포함하는 PMOS 스위치 제어 회로도이다.
도 6b는 도 6a에 나타낸 PMOS 스위치 제어 회로의 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레벨 컨버터의 회로도이다.
도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레벨 컨버터의 회로도이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터를 포함하는 NMOS 스위치 제어 회로도이다.
도 8b는 도 8a에 나타낸 NMOS 스위치 제어 회로의 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 9a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레벨 컨버터의 다른 형태의 회로도이다.
도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레벨 컨버터의 다른 형태의 회로도이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터를 포함하는 정류기를 나타낸 회로도이다.
도 10b는 도 10a에 나타낸 정류기의 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그리고 명세서 전체에서 전압을 유지한다는 표현은 특정 2점간의 전위 차가 시간 경과에 따라 변화하여도 그 변화가 설계상 허용될 수 있는 범위 내이거나 변화의 원인이 당업자의 설계 관행에서는 무시되고 있는 기생 성분에 의한 경우를 포함한다. 또한 방전 전압에 비해 반도체 소자(트랜지스터, 다이오드 등)의 문턱 전압이 매우 낮으므로 문턱 전압을 0V로 간주하고 근사 처리한다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터를 포함하는 PMOS 스위치 제어 회로도이고, 도 6b는 도 6a에 나타낸 PMOS 스위치 제어 회로의 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 6a에 따르면 DC-DC 컨버터에 사용되는 메인 스위치는 PMOS 형태로 형성된다. 도 6a와 같이 메인 스위치의 소스는 VIN 전원과 연결되고, 게이트는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터(Level Converter)와 연결되며, 레벨 컨버터로부터 스위치 신호(VSW)를 입력받는다. 그리고 메인 스위치의 드레인은 출력단과 연결된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터는 VIN 전원과 연결되어 있으며, 제어신호인 VCTRL 전압을 입력받으면, 메인 스위치의 게이트로 스위치 신호(VSW)를 출력한다. 따라서, 메인 스위치의 스위칭 동작은 레벨 컨버터의 스위치 신호(VSW)에 의해 제어된다.
도 6b는 도 6a에 나타낸 VIN, VSW, VCTRL 전압의 파형을 나타낸 것이다.
도 6b와 같이 입력되는 VCTRL의 전압 파형은 VIN의 값에 따라 스윙(Swing)이 조절되어 스위치가 턴 오프 되는 동안에는 VSW전압을 출력시킨다. 따라서, 입력 전압인 VIN이 비정상적으로 증가하더라도 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안에는 VTH>VIN-VCTRL의 조건을 만족시키게 되어 PMOS로 형성된 메인 스위치도 턴 오프를 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안 VCTRL 전압이 High 값을 가지더라도 스위치가 턴 온이 되는 문제점을 해결할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레벨 컨버터의 회로도이고, 도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레벨 컨버터의 회로도이다.
도 7a 및 도 7b에 따른 레벨 컨버터는 도 6a 및 도 6b에 도시한 PMOS 메인 스위치에 스위치 제어 신호를 전달하는데 적용 가능하다.
먼저 도 7a과 같이 본 발명의 제1 실시예에 따르면 레벨 컨버터는 PMOS 형태의 제1 트랜지스터(MP1), 제2 트랜지스터(MP2), NMOS 형태의 제3 트랜지스터(MN1), 제4 트랜지스터(MN2)를 포함한다. 제1 트랜지스터(MP1)는 VIN 전원에 소스가 연결되어 있고, 게이트는 제2 트랜지스터(MP2)의 드레인과 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에 연결된다.
제2 트랜지스터(MP2)는 VIN 전원에 소스가 연결되어 있고 제1 트랜지스터(MP1)의 드레인에 게이트가 연결되어 있다.
제3 트랜지스터(MN1)는 제1 트랜지스터(MP1)의 드레인에 드레인이 연결되고, 게이트를 통하여 제어신호(VCTRL)가 입력되며, 접지 전원에 소스가 연결되어 있다. 제어신호(VCTRL)는 DC-DC 컨버터에 사용되는 메인 스위치의 스위칭 동작을 제어하도록 하는데, 제어신호(VCTRL)가 하이레벨 신호이면 메인 스위치는 턴 오프가 되고, 제어신호(VCTRL)가 로우레벨 신호이면 메인 스위치는 턴 온이 된다.
제4 트랜지스터(MN2)는 제2 트랜지스터(MP2)의 드레인 및 제1 트랜지스터(MP1)의 게이트와 드레인이 연결되고, 제1 트랜지스터(MP1)와 제3 트랜지스터(MN1)의 접점에 게이트가 연결되며, 접지 전원과 소스가 연결되어 있다.
그리고, 제2 트랜지스터(MP2)의 드레인과 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에 해당되는 전압을 가지는 스위치 신호(VSW)가 메인 스위치의 게이트로 인가된다.
도 7a와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 레벨 컨버터는 제어신호(VCTRL) 및 VIN 전압을 입력으로 하고, 스위치 신호(VSW)를 출력으로 한다. 이때, VIN 전압은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터의 전원 전압으로 공급된다.
이하에서는 제어신호(VCTRL)에 따라 스위치 신호(VSW)의 전압 값이 변경되는 과정에 대하여 설명한다. 설명의 편의상 VIN 전압은 5V이고, 제어신호(VCTRL)의 하이레벨 전압은 3V라고 예시한다.
먼저 제어신호(VCTRL)가 하이레벨인 경우, 제3 트랜지스터(MN1)는 턴 온되고, 이에 따라 제3 트랜지스터(MN1)의 드레인 전압은 접지전압인 0V가 된다. 그러면, 제2 트랜지스터(MP2)와 제4 트랜지스터(MN2)의 게이트에는 각각 0V가 인가되므로, 제2 트랜지스터(MP2)는 턴 온되며, 제4 트랜지스터(MN2)는 턴 오프된다.
그 결과 제2 트랜지스터(MP2) 및 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에는 VIN에 해당하는 5V가 인가되고, 제1 트랜지스터(MP1)가 턴 오프되면서 VIN 값을 가지는 스위치 신호(VSW)는 도 7a와 같이 메인 스위치의 게이트로 출력됨으로써, 메인 스위치를 턴 오프시킨다. 이와 같이 스위치 신호(VSW)의 전압은 VIN의 값을 갖게 된다. 즉, 3V 값을 가지는 하이레벨 제어신호(VCTRL)가 입력되는 경우, 하이레벨 제어신호(VCTRL)는 레벨 컨버터를 통하여 VIN 전압(5V)을 가지는 스위치 신호(VSW)로 변환되어, VIN 전압이 비정상적으로 상승하더라도, 메인 스위치의 턴 오프 동작을 정상적으로 수행할 수 있게 된다.
그리고, 제어신호(VCTRL)가 로우레벨인 경우 제3 트랜지스터(MN1)는 턴 오프되고, 이에 따라 제3 트랜지스터(MN1)의 드레인 전압은 VIN 전압인 5V가 된다. 그러면, 제2 트랜지스터(MP2)와 제4 트랜지스터(MN2)의 게이트에는 각각 5V가 인가되므로, 제2 트랜지스터(MP2)는 턴 오프되며, 제4 트랜지스터(MN2)는 턴 온된다.
그 결과 제2 트랜지스터(MP2) 및 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에는 접지 전원에 해당하는 0V가 인가되고, 제1 트랜지스터(MP1)가 턴 온되면서 0V 값을 가지는 스위치 신호(VSW)는 도 7a와 같이 메인 스위치의 게이트로 출력됨으로써, 메인 스위치를 턴 온시킨다. 이와 같이 스위치 신호(VSW)의 전압은 0V의 값을 갖게 된다. 즉, 0V 값을 가지는 로우레벨 제어신호(VCTRL)가 입력되는 경우, 로우레벨 제어신호(VCTRL)는 레벨 컨버터를 통하더라도 0V를 유지한 상태로 스위치 신호(VSW)로 변환되어, 메인 스위치의 턴 온 동작을 정상적으로 수행할 수 있게 된다.
다음으로 도 7b와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따르면 레벨 컨버터는 PMOS 형태의 제1 트랜지스터(MP1), 제2 트랜지스터(MP2), NMOS 형태의 제3 트랜지스터(MN1), 제4 트랜지스터(MN2), 위상 반전기를 포함한다. 제1 트랜지스터(MP1)는 VIN 전원에 소스가 연결되어 있고, 게이트는 제2 트랜지스터(MP2)의 드레인과 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에 연결된다.
제2 트랜지스터(MP2)는 VIN 전원에 소스가 연결되어 있고 제1 트랜지스터(MP1)의 드레인에 게이트가 연결되어 있다. 제3 트랜지스터(MN1)는 제1 트랜지스터(MP1)의 드레인에 드레인이 연결되고, 게이트를 통하여 제어신호(VCTRL)가 입력되며, 접지 전원에 소스가 연결되어 있다.
제4 트랜지스터(MN2)는 제2 트랜지스터(MP2)의 드레인 및 제1 트랜지스터(MP1)의 게이트와 드레인이 연결되고, 접지 전원과 소스가 연결되어 있다.
그리고, 위상 반전기는 제3 트랜지스터(MN1)의 게이트에 입력단이 연결되고, 제4 트랜지스터(MN2)의 게이트에 출력단이 연결된다.
그리고, 제2 트랜지스터(MP2)의 드레인과 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에 해당되는 전압을 가지는 스위치 신호(VSW)가 메인 스위치의 게이트로 인가된다.
먼저 제어신호(VCTRL)가 하이레벨인 경우, 제3 트랜지스터(MN1)는 턴 온되고, 위상 반전기에 의해 제4 트랜지스터(MN2)의 게이트에는 로우레벨 전압인 0V가 인가되어 제4 트랜지스터(MN2)는 턴 오프된다.
이에 따라 제3 트랜지스터(MN1)의 드레인 전압은 접지전압인 0V가 되므로, 제2 트랜지스터(MP2)는 턴 온되고, 제2 트랜지스터(MP2)의 드레인에는 VIN에 해당하는 5V가 인가되며, 제1 트랜지스터(MP1)는 턴 오프된다.
이와 같이 제2 트랜지스터(MP2) 및 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에는 VIN에 해당하는 5V가 인가되고, 제1 트랜지스터(MP1)가 턴 오프되면서 VIN 값을 가지는 스위치 신호(VSW)는 도 7a와 같이 메인 스위치의 게이트로 출력됨으로써, 메인 스위치를 턴 오프시킨다. 이와 같이 스위치 신호(VSW)의 전압은 VIN의 값을 갖게 된다. 따라서, 3V 값을 가지는 하이레벨 제어신호(VCTRL)가 입력되는 경우, 하이레벨 제어신호(VCTRL)는 레벨 컨버터를 통하여 VIN 전압(5V)을 가지는 스위치 신호(VSW)로 변환되어, VIN 전압이 비정상적으로 상승하더라도, 메인 스위치의 턴 오프 동작을 정상적으로 수행할 수 있게 된다.
그리고, 제어신호(VCTRL)가 로우레벨인 경우 제3 트랜지스터(MN1)는 턴 오프되고, 위상 반전기에 의해 제4 트랜지스터(MN2)의 게이트에는 하이레벨 전압인 3V가 인가되어 제4 트랜지스터(MN2)는 턴 온된다.
이에 따라 제4 트랜지스터(MN1)의 드레인 전압은 접지 전압인 0V가 되므로, 제1 트랜지스터(MP1)가 턴 온되며, 제2 트랜지스터(MP2)의 게이트에 VIN 전압인 5V가 인가되므로, 제2 트랜지스터(MP2)는 턴 오프된다.
그 결과 제2 트랜지스터(MP2) 및 제4 트랜지스터(MN2)의 드레인에는 접지 전원에 해당하는 0V가 인가되고, 제1 트랜지스터(MP1)가 턴 온되면서 0V 값을 가지는 스위치 신호(VSW)는 도 7a와 같이 메인 스위치의 게이트로 출력됨으로써, 메인 스위치를 턴 온시킨다. 이와 같이 스위치 신호(VSW)의 전압은 0V의 값을 갖게 된다. 즉, 0V 값을 가지는 로우레벨 제어신호(VCTRL)가 입력되는 경우, 로우레벨 제어신호(VCTRL)는 레벨 컨버터를 통하더라도 0V를 유지한 상태로 스위치 신호(VSW)로 변환되어, 메인 스위치의 턴 온 동작을 정상적으로 수행할 수 있게 된다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터를 포함하는 NMOS 스위치 제어 회로도이고, 도 8b는 도 8a에 나타낸 NMOS 스위치 제어 회로의 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 8a에 따르면 DC-DC 컨버터에 사용되는 메인 스위치가 NMOS로 형성된다. 도 8a와 같이 메인 스위치의 드레인은 VIN 전원과 연결되고, 게이트는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터(Level Converter)와 연결되며, 레벨 컨버터로부터 스위치 신호(VSW)를 입력받는다. 그리고 메인 스위치의 드레인은 출력단과 연결되는데, 메인 스위치의 드레인에 인가되는 전압(VA)는 레벨 컨버터로 인가된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터는 메인 스위치의 소스와 연결되어 VA 전압을 인가받으며, 제어신호인 VCTRL 전압을 입력받으면, 메인 스위치의 게이트로 스위치 신호(VSW)를 출력한다. 따라서, 메인 스위치의 스위칭 동작은 레벨 컨버터의 스위치 신호(VSW)에 의해 제어된다.
도 8b는 도 8a에 나타낸 VA, VSW, VCTRL 전압의 파형을 나타낸 것이다.
도 8b와 같이 입력되는 VCTRL의 전압 파형은 VIN의 값에 따라 스윙(Swing)이 조절되어 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안에는 VSW전압을 출력시킨다. 따라서, 입력 전압인 VA이 비정상적으로 감소하더라도 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안에는 VTH>VIN-VA의 조건을 만족시키게 되어 NMOS로 형성된 메인 스위치도 턴 오프를 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안 VCTRL 전압이 Low 값을 가지더라도 메인 스위치가 턴 온이 되는 문제점을 해결할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레벨 컨버터의 다른 형태의 회로도이고, 도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레벨 컨버터의 다른 형태의 회로도이다.
도 9a 및 도 9b에 따른 레벨 컨버터는 도 8a 및 도 8b에 도시한 PMOS 메인 스위치에 스위치 제어 신호를 전달하는데 적용 가능하다.
도 9a 및 도 9b에 도시한 레벨 컨버터는 도 7a 및 도 7b에 도시한 레벨 컨버터와 비교할 때, 접지 전원 대신에 도 8a와 도 8b에 나타낸 VA 전원을 사용한 점을 제외하면 회로 구성 및 동작은 동일한 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
즉, 도 9a 및 도 9b에 도시한 레벨 컨버터에 따르면, 3V 값을 가지는 하이레벨 제어신호(VCTRL)가 입력되는 경우, 하이레벨 제어신호(VCTRL)는 레벨 컨버터를 통하여 VIN 전압(5V)을 가지는 스위치 신호(VSW)로 변환되어, VIN 전압이 비정상적으로 상승하더라도, 메인 스위치의 턴 오프 동작을 정상적으로 수행할 수 있게 된다.
또한, 0V 값을 가지는 로우레벨 제어신호(VCTRL)가 입력되는 경우, 로우레벨 제어신호(VCTRL)는 레벨 컨버터를 통하여 VA 전압을 가지는 스위치 신호(VSW)로 변환되어, 메인 스위치의 턴 온 동작을 정상적으로 수행할 수 있게 된다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터를 포함하는 정류기를 나타낸 회로도이고, 도 10b는 도 10a에 나타낸 정류기의 스위치 동작에 따른 전압 변화를 나타낸 예시도이다.
도 10a에 따르면 정류기에 사용되는 2개의 메인 스위치가 모두 NMOS로 형성된다. 도 10a에서는 상측에 위치한 레벨 컨버터에 인가되는 제어신호와 스위치 신호를 각각 VCTRL _A와 VSW _A로 나타냈으며, 마찬가지로 하측에 위치한 레벨 컨버터에 인가되는 제어신호와 스위치 신호를 각각 VCTRL _B와 VSW _B로 나타냈다.
도 10a에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터는 메인 스위치의 출력 전압(VOUT)과 제어신호(VCTRL)를 입력받고, 스위치 신호(VSW)를 출력한다. 여기서, 제어신호인 VCTRL _A와 VCTRL _B, 그리고 스위치 신호인 VSW _A와 VSW _B는 위상만 반대이고 크기는 동일하므로 설명의 편의상 상측에 위치한 레벨 컨버터에 대해서만 설명한다.
도 10a에서 상측에 위치한 메인 스위치의 드레인은 변압기(Transformer)에 연결되며, 게이트는 레벨 컨버터에 연결되며, 소스는 출력단에 연결된다. 여기서, 변압기는 VIN 전압을 입력받아 메인 스위치로 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 레벨 컨버터는 제어신호인 VCTRL _A 전압을 입력받으면, 메인 스위치의 게이트로 스위치 신호인 VSW _A를 출력한다. 따라서, 메인 스위치의 스위칭 동작은 레벨 컨버터의 스위치 신호 VSW _A에 의해 제어된다.
도 10b는 도 10a에 나타낸 VA, VSW, VCTRL 전압의 파형을 나타낸 것이다.
도 10b와 같이 입력되는 VCTRL _A의 전압 파형은 VOUT의 값에 따라 스윙(Swing)이 조절되어 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안에는 VSW전압을 출력시킨다. 따라서, 입력 전압인 VOUT이 비정상적으로 감소하더라도 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안에는 VTH>VSW _A-VOUT의 조건을 만족시키게 되어 NMOS로 형성된 메인 스위치도 턴 오프를 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 메인 스위치가 턴 오프 되는 동안 VCTRL 전압이 로우레벨 값을 가지더라도 메인 스위치가 턴 온이 되는 문제점을 해결할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터를 구성하는 메인 스위치를 제어하기 위하여 레벨 컨버터를 메인 스위치의 게이트 단에 설치함으로써, 메인 스위치가 정상적으로 동작할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 DC-DC 컨버터에서 입력 전압이 변화하거나, DC-DC 컨버터 내부 노드의 전압이 비정상적으로 바뀌어 DC-DC 컨버터의 메인 스위치를 구성하고 있는 NMOS 및 PMOS가 정상 동작을 하지 못하고 항상 턴 온 되거나 항상 턴 오프 되는 문제점을 해결할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 제1 전압을 공급하는 제1 전원에 소스가 연결되어 있는 제1 트랜지스터,
    상기 제1 전원에 소스가 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 게이트가 연결되는 제2 트랜지스터,
    상기 제1 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되고, 게이트를 통해 제어 신호가 입력되며, 제2 전압을 공급하는 제2 전원에 소스가 연결되는 제3 트랜지스터, 그리고
    상기 제2 트랜지스터의 드레인 및 상기 제1 트랜지스터의 게이트와 드레인이 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인 및 상기 제3 트랜지스터의 드레인에 게이트가 연결되며, 상기 제2 전원과 소스가 연결되는 제4 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제2 트랜지스터의 드레인에 인가되는 전압에 해당하는 스위치 신호를 메인 스위치로 출력하는 레벨 컨버터.
  2. 제1 전압을 공급하는 제1 전원에 소스가 연결되어 있는 제1 트랜지스터,
    상기 제1 전원에 소스가 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 게이트가 연결되는 제2 트랜지스터,
    상기 제1 트랜지스터의 드레인에 드레인이 연결되고, 게이트를 통해 제어 신호가 입력되며, 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압을 공급하는 제2 전원에 소스가 연결되는 제3 트랜지스터,
    상기 제3 트랜지스터의 게이트에 입력단이 연결되는 위상 반전기, 그리고
    상기 제2 트랜지스터의 드레인 및 상기 제1 트랜지스터의 게이트와 드레인이 연결되고, 상기 위상 반전기의 출력단에 게이트가 연결되며, 상기 제2 전원에 소스가 연결되는 제4 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제2 트랜지스터의 드레인에 인가되는 전압을 가지는 스위치 신호를 메인 스위치로 출력하는 레벨 컨버터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터는 동일한 극성을 가지며, 상기 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터와는 반대 극성을 가지는 레벨 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터는 P채널 트랜지스터이고, 상기 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터는 N채널 트랜지스터인 레벨 컨버터.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터의 게이트에 하이레벨 제어신호가 인가되면, 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터는 턴 온되고, 상기 제1 트랜지스터 및 제4 트랜지스터는 턴 오프되는 레벨 컨버터.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제5항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터의 게이트에 로우레벨 제어신호가 인가되면, 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터는 턴 오프되고, 상기 제1 트랜지스터 및 제4 트랜지스터는 턴 온되는 레벨 컨버터.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제6항에 있어서,
    상기 메인 스위치는 P채널 형태이며, 상기 제1 전원에 소스가 연결되어 있고, 게이트를 통해 상기 스위치 신호가 입력되어 스위칭 동작이 제어되는 레벨 컨버터.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제7항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터의 게이트에 제3 전압을 가지는 하이레벨 제어신호가 인가되면, 상기 메인 스위치의 제2단에 상기 제3 전압보다 높은 제4 전압을 가지는 하이레벨 스위치 신호가 입력되는 레벨 컨버터.
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제8항에 있어서,
    상기 제4 전압은 상기 제1 전압과 동일한 레벨을 가지며, 상기 제2 전원은 접지 전원인 레벨 컨버터.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제6항에 있어서,
    상기 메인 스위치는 N채널 형태이며, 상기 제1 전원에 드레인이 연결되어 있고, 게이트를 통해 상기 스위치 신호가 입력되어 스위칭 동작이 제어되는 레벨 컨버터.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제10항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터의 제2단에 제3 전압을 가지는 로우레벨 제어신호가 인가되면, 상기 메인 스위치의 제2단에 상기 제3 전압보다 낮은 제4 전압을 가지는 로우레벨 스위치 신호가 입력되는 레벨 컨버터.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제11항에 있어서,
    상기 제4 전압은 상기 제2 전압과 동일한 레벨을 가지는 레벨 컨버터.
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