KR101342260B1 - 펄스 생성 장치 및 방법 - Google Patents

펄스 생성 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101342260B1
KR101342260B1 KR1020120030572A KR20120030572A KR101342260B1 KR 101342260 B1 KR101342260 B1 KR 101342260B1 KR 1020120030572 A KR1020120030572 A KR 1020120030572A KR 20120030572 A KR20120030572 A KR 20120030572A KR 101342260 B1 KR101342260 B1 KR 101342260B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
node
voltage
pulse generator
current
converter
Prior art date
Application number
KR1020120030572A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130108815A (ko
Inventor
김철우
김정문
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020120030572A priority Critical patent/KR101342260B1/ko
Publication of KR20130108815A publication Critical patent/KR20130108815A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101342260B1 publication Critical patent/KR101342260B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

펄스 전압을 생성하는 펄스 생성기가 제공된다. 상기 펄스 생성기는 상기 펄스 생성기의 전류를 공급하는 전류원, 입력 전압에 따라 상기 전류원의 전류를 커패시터에 충전시켜서 출력 전압 수준을 결정하는 제1 노드, 상기 입력 전압의 상승 엣지를 감지하는 감지기, 상기 입력 전압의 상승 엣지가 감지되면 상기 제1 노드를 접지시켜 상기 제1 노드의 전위를 그라운드 하는 스위치, 및 상기 제1 노드의 전압을 반전하여 상기 펄스 전압을 생성하는 인버터를 포함할 수 있다.

Description

펄스 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING PULSE}
DC-DC 변환기에 연관되며, 보다 특정하게는 DC-DC 변환기에 관한 넓은 범위의 입력 전압을 지원하며 높은 정밀도를 가지는 영전류 스위칭(Zero Current Switching(ZCS)) 제어 회로 장치 및 방법에 연관된다.
최근 모바일 제품이나 에너지 하베스팅 장치 등과 같은 저전력 기기들은 필수 적으로 DC-DC 변환기를 사용하여 내부의 각 부품들에게 전력을 공급한다. 경부하(light load)에게 전력을 공급하는 DC-DC 변환기는 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode(DCM))에서 동작하여야 불필요한 전력의 낭비 없이 효율적인 동작이 가능하다.
게다가 모바일 제품의 제한된 배터리 용량이나 에너지 하베스팅 장치의 제한된 환경 에너지를 고려하여 DC-DC 변환기는 매우 저전력으로 동작하여야 한다.
따라서, DCM을 구현하는 장치 또한 저전력으로 설계되어야 하며, DCM 구현 시에 높은 정확도와 정밀도로 인덕터 전류가 0이 되는 지점을 감지하여 DC-DC 변환기를 제어해야 한다.
또한 DCM 구현을 위한 영전류 스위칭(Zero Current Switching(ZCS)) 제어 회로는 DC-DC가 넓은 입력 전압 범위를 지원할 수 있어야 한다.
입력 펄스 신호의 펄스 간 간격에 관계 없이 일정한 출력 펄스를 생성할 수 있는 원 샷 펄스 생성 장치가 제공된다.
DC-DC 변환기가 넓은 입력 전압 범위를 갖도록 하는 영전류 스위칭(Zero Current Switching(ZCS)) 제어회로 장치 및 방법이 제공된다.
또한, DC-DC 변환기가 불연속 전도 모드(DCM)에서 불필요한 전력 손실 없이 동작할 수 있게 하는 영전류 스위치 제어 회로 장치 및 방법이 제공된다.
일측에 따르면, 펄스 생성기에 있어서, 펄스 전압을 생성하는 인버터 - 상기 인버터의 입력 단자는 제1 노드이고, 상기 인버터의 출력 단자는 상기 펄스 생성기의 출력 단자임 -, 상기 제1 노드에 전류를 공급하는 전원, 상기 제1 노드에 연결되어 상기 전류에 의해 충전됨으로써 상기 제1 노드의 전위를 상승시키는 커패시터, 상기 펄스 생성기의 입력 전압의 엣지를 감지하는 엣지 감지부, 상기 엣지가 감지되는 경우, 상기 제1 노드를 접지 시켜서 상기 제1 노드의 전위를 그라운드 수준으로 리셋하는 스위치를 포함하는 펄스 생성기를 제공한다.
일실시예에 따르면, 상기 펄스 생성기는 직류-직류(DC-DC) 변환기의 영전류 스위칭 제어회로에 포함되고, 상기 펄스 생성기의 상기 입력 전압은 상기 변환기에 포함되는 하부 스위치를 제어하는 하부스위치 제어 신호이며, 상기 입력 전압의 상기 엣지는 상기 하부스위치 제어 신호가 상기 하부 스위치를 온(ON)에서 오프(OFF)로 바뀌는 전압 파형 엣지일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 전원은, 상기 제1 노드의 전위가 상기 그라운드 수준으로 리셋된 후부터, 상기 제1 노드의 전위가 상기 인버터의 문턱 전압까지 상승하도록 상기 커패시터를 충전하는 데까지 걸리는 시간을 일정하게 함으로써 상기 인버터의 출력 단자에서 일정한 듀티(Duty)의 펄스 전압이 생성되도록, 상기 제1 노드에 전류를 공급 하는 전류원인일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 전류원은 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor)를 포함하며, 상기 PMOS의 게이트 전압 컨트롤에 의해 상기 PMOS의 소스에 연결된 전압원으로부터 상기 PMOS의 드레인으로 일정한 전류를 출력하여, 상기 드레인에 연결되는 상기 제1 노드에 상기 전류를 공급할 수 있다.
상기 PMOS의 게이트 전압 컨트롤에 의해 상기 드레인에 흐르는 상기 전류의 크기를 변화시킴으로써 상기 듀티를 늘리거나 또는 줄일 수 있다.
다른 일측에 따르면, 펄스 생성기가 펄스 전압을 생성하는 방법에 있어서, 상기 펄스 생성기에 포함되는 엣지 감지부가, 상기 펄스 생성기의 입력 전압의 엣지를 감지하는 단계, 상기 엣지가 감지되는 경우, 상기 펄스 생성기에 포함되어 상기 펄스 전압을 생성하는 인버터의 입력 단자인 제1 노드를 상기 펄스 생성기에 포함되는 스위치가 접지 시켜서, 상기 제1 노드의 전위를 그라운드 수준으로 리셋하는 단계, 상기 펄스 생성기에 포함되는 전원이 상기 제1 노드에 전류를 공급하여 상기 제1 노드에 연결되는 커패시터를 충전하는 단계 및 상기 인버터가 상기 제1 노드의 전위를 반전하여 상기 펄스 전압을 생성하는 단계를 포함하는 펄스 생성 방법을 제공한다.
일실시예에 따르면, 상기 펄스 생성기는 직류-직류(DC-DC) 변환기의 영전류 스위칭 제어회로에 포함되고, 상기 펄스 생성기의 상기 입력 전압은 상기 변환기에 포함되는 하부 스위치를 제어하는 하부스위치 제어 신호이며, 상기 입력 전압의 상기 엣지는 상기 하부스위치 제어 신호가 상기 하부 스위치를 온(ON)에서 오프(OFF)로 바뀌는 전압 파형 엣지인일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 충전하는 단계는, 상기 제1 노드의 전위가 상기 그라운드 수준으로 리셋된 후부터, 상기 제1 노드의 전위가 상기 인버터의 문턱 전압까지 상승하도록 상기 커패시터를 충전하는 데까지 걸리는 시간을 일정하게 함으로써 상기 인버터의 출력 단자에서 일정한 듀티(Duty)의 펄스 전압이 생성되도록, 상기 전원이 상기 제1 노드에 전류를 공급 할 수 있다.
펄스 생성기, 이를테면 원 샷 펄스 생성기에 있어서, 입력 펄스 신호의 펄스 간 간격에 관계 없이 일정한 출력 펄스가 생성될 수 있다.
영전류 스위치 제어 회로에 의해 DC-DC 변환기가 넓은 입력 전압 범위를 가질 수 있다.
또한, DC-DC 변환기가 불연속 전도 모드 (DCM)에서도 불필요한 전력 손실 없이 동작할 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기가 포함될 수 있는 영전류 스위치(ZCS) 제어 회로 및 DC-DC 변환기의 블록도이다.
도 3(a)는 연속 전도 모드를 사용하는 DC-DC 변환기에서 인덕터 L에 흐르는 전류 IL의 일반적 파형이다.
도 3(b)는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 펄스 생성기를 포함하는 영전류 스위치를 포함하는 DC-DC 변환기가 DCM에서 동작하는 인덕터 파형이다.
도 4는 종래의 PG 신호의 생성 방법을 도시하는 회로도이다.
도 5(a)는 종래의 펄스 생성기를 나타낸 회로도이다.
도 5(b)는 종래의 펄스 생성기의 파형을 도시한다.
도 6(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기를 나타낸 회로도이다.
도 6(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기의 파형을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기를 이용한 도 2의 DC-DC 변환기의 ZCS 제어 회로를 나타낸 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기를 포함하는 영전류 스위치 제어를 수행하는 경우의 DC-DC 변환기의 주요 신호에 대한 파형이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기의 PG 신호의 듀티(duty)를 측정한 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 일부 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기의 블록도이다. 상기 펄스 생성기의 입력 노드(101)로 DC-DC 컨버터의 하부 스위치를 제어하는 NG 신호가 입력된다. 입력 단 앞에서 상승 엣지를 감지하기 위해 상승 엣지 감지부(110)가 부과된다.
여기에서 상승 엣지 감지부(110)는 앞 단에 인버터가 연결되어 있는 경우, 하강 엣지를 감지할 수 있고, 인버터가 없는 경우 상승 엣지를 감지할 수도 있다. 따라서, 상승 엣지 감지부(110)는 회로의 구성에 따라 상승 엣지 또는 하강 엣지 중 적어도 하나를 감지하도록 구성할 수 있어서 엣지 감지부로서 역할을 할 수 있다.
도 1에서의 커패시터에 충전되는 노드(102)의 전하는 상기 NG 신호의 입력이 될 때마다 스위치(120)을 통해 그라운드 되기 위해 제어된다.
또한 상기 펄스 생성기는 출력인 PG 신호의 출력 파형이 원하는 듀티를 갖도록 제어하는 전류원(130)을 포함하며, 고정된 듀티를 갖는 상기 PG 신호는 인버터(140)을 통해 반전되어 출력 노드(103)을 통해 출력된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기가 포함될 수 있는 영전류 스위치(Zero Current switch(ZCS)) 제어 회로 및 DC-DC 변환기의 블록도이다.
DC-DC 변환기(210)는 인덕터, 복수의 커패시터, 스위치 및 저항들로 회로가 구성되며, 상기 DC-DC 변환기(210)의 상부(High Side) 스위치(HS) 및 하부(Low Side) 스위치(LS)의 스위칭 제어를 위한 NG 신호 및 PG 신호는 영전류 스위치 제어회로(220)에서 출력된다.
상기 영전류 스위치 제어회로(220)를 포함한 상기 DC-DC 변환기(210)는 입력 전압 VIN을 입력으로 받아 상기 DC-DC 변환기(210)의 출력 전압의 기준이 되는 기준 전압 VREF에 의해 조절되는 출력 전압 VOUT으로 변환한다.
하부 스위치(LS)는 영전류 스위치 제어회로(220)의 상기 NG 신호를 통해 제어되며, 상부 스위치(HS)는 상기 영전류 스위치 제어회로(220)의 상기 PG 신호를 통해 제어된다.
하부 스위치가 온-타임이 되면, 상부 스위치는 오프-타임이 되어 인덕터의 전류 IL은 VIN/L 의 기울기를 가지고 상승하며, 반대로 하부 스위치가 오프-타임이 되면, 상부 스위치는 온-타임이 되어 인덕터의 전류 IL은 (VOUT-VIN)/L의 기울기를 가지고 하강하게 된다.
도 3(a)는 연속 전도 모드(Continuous Conduction Mode(CCM))를 사용하는 DC-DC 변환기에서 인덕터 L에 흐르는 전류 IL의 일반적 파형이다.
상기 하부 스위치가 온-타임이 되고, 상기 상부 스위치가 오프-타임 되는 동안 상기 DC-DC 변환기의 인덕터 L에 흐르는 전류 IL은 VIN/L의 기울기를 가지고 상승한다. 또한 상기 하부 스위치가 오프-타임이 되고, 상기 상부 스위치가 온-타임이 되는 동안에는 상기 DC-DC 변환기의 인덕터 L에 흐르는 전류 IL은 (VOUT-VIN)/L의 기울기를 가지고 하강하게 되며 출력으로 에너지를 전달한다.
도 3(a)에서 TSW는 상기 DC-DC 변환기의 인덕터에 흐르는 전류 IL의 스위칭 동작에 대한 한 주기 시간을 나타낸다. 또한 빗금친 구간은 상기 DC-DC 변환기의 인덕터 L에 흐르는 전류의 방향이 역방향인 구간이다.
이러한 상기 DC-DC 변환기의 인덕터 전류의 역방향 구간은 상기 DC-DC 변환기가 경부하(Light Load)를 운영 할 때 불필요한 낭비가 되는 구간이다.
도 3(b)는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 펄스 생성기를 포함하는 영전류 스위치를 포함하는 DC-DC 변환기가 불연속 전도 모드(DCM)에서 동작하는 인덕터 파형이다. 불연속 전도 모드에서 동작하기 위해서는 전류가 음의 값이 되어 역방향으로 흐르는 것을 방지해야 한다.
따라서 전류가 양의 구간에서는 양의 값으로 존재하지만 연속 전도 모드(CCM)일 경우의 음의 구간의 전류 값은 불연속 전도 모드일 경우에는 0이 되야 한다.
도 3(b)의 파형에서 인덕터의 전류 IL이 영이 되는 시점(301)을 정확히 감지하여 인덕터 전류가 음의 값이 되어 역방향으로 흐르지 않게 하는 영전류 스위치(ZCS)는 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode(DCM)) 구현의 핵심이다.
만약 이른 시점에서 상기 상부 스위치가 오프-타임이 되면 바디 전도 손실(body conduction loss)이 발생하며, 늦은 시점에서 상기 상부 스위치가 오프-타임이 되면 인덕터의 전류가 역방향으로 흐르게 되어 손실이 발생한다.
도 4는 종래의 PG 신호의 생성 방법을 도시하는 회로도이다.
종래의 PG 신호 생성 회로는 복수의 지연셀(410), 인버터, 먹스 및 NAND 게이트로 구성된다.
한 클럭에서 일정한 고정된 듀티를 갖는 이를 테면 50%의 듀티비를 갖는 NG 신호가 입력되면, 상기 먹스의 CONT[N] 신호에 의해 제어되는 듀티비를 갖는 PG 신호가 생성된다. 도 3(b)에서 도시된 인덕터 전류의 하강하는 시간은 상기 PG 신호에 따라서 결정된다.
DC-DC 변환기에서 PG 신호의 듀티가 길어 질수록 상기 복수의 지연셀(410)들을 상대적으로 많이 통과하여 지연시키고, PG 신호의 듀티가 짧아 질수록 상기 복수의 지연셀(410)을 상대적으로 적게 통과하도록 상기 CONT[N] 신호가 제어한다.
또한, 상기 PG 신호가 상기 DC-DC 변환기의 공급 인덕터 전류가 0이 되는 시점에 비해 빨리 오프되는지 또는 늦게 오프되는지를 도 2의 상기 DC-DC 변환기의 상기 DC-DC 변환기에 포함되는 스위치들 중 상부 스위치와 하부 스위치 사이의 노드 전압인 VX와 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT의 비교를 통해 판단한다.
만약 상기 PG 신호가 상기 공급 인덕터 전류가 0이 되는 시점 보다 빨리 오프되었다고 판단되면 CONT[N] 신호를 통하여 지연 시간을 증가시키며, 늦게 오프 되었다고 판단되면 지연 시간을 감소 시킨다.
그러나 이러한 방법은 VIN이 매우 작은 경우에만 효과적인 방법이다. 도 3(b)에서 도시한 것처럼 하강하는 인덕터 전류의 기울기는 (VOUT-VIN)/L이므로 VIN이 커지면 기울기가 감소하여 인덕터의 전류가 하강하는 시간이 매우 길어진다.
그래서 상대적으로 많은 복수의 지연셀(410)이 필요하게 되며, 이는 면적과 전력소비 증가의 원인된다. 또한 높은 해상도의 PG 신호를 생성할 수 없다.
도 5(a)는 종래의 펄스 생성기를 나타낸 회로도이다. 상기 원 샷 펄스 생성기(one shot pulse generator)의 회로는 NOR 게이트, 캐피시터, 저항 및 인버터로 구성된다.
입력 신호 IN1은 입력 노드(501)을 통해 입력된다. 입력된 입력 신호 IN1이 감지되면, 저항 및 커패시터의 시정수의 의해 결정되는 시간만큼의 폭을 가지는 파형이 인버터(510)에 의해 반전되어 출력 노드(503)을 통해 출력 신호 OUT1으로 생성된다.
상기 입력 신호 IN1에 의해서 상기 출력 신호 OUT1가 하이(high)가 되며, 노드(502)의 전압 VM1을 통해 커패시터에 전하가 충전된다. 상기 인버터(510)의 문턱전압에 이르는 시간에 의해서 출력 전압의 듀티가 결정된다.
도 5(b)는 종래의 펄스 생성기의 파형을 도시한다.
도면의 IN1은 상기 원 샷 펄스 생성기의 입력 신호 파형이고, VM1은 상기 원 샷 펄스 생성기의 노드(502)의 전압 파형이다.
VINV , TH는 상기 원 샷 펄스 생성기의 인버터가 갖는 문턱 전압이며 OUT1은 상기 원 샷 펄스 생성기의 출력 신호를 나타낸다.
입력 노드(501)을 통해 입력된 입력 신호 IN1은 저항 및 커패시터의 시정수의 의해 결정되는 시간만큼 비례하는 폭을 갖는 파형이 출력 신호 OUT1으로 출력 노드(503)을 통해 출력된다.
노드(502)의 전압 VM1은 VDD 보다 높게 상승하고 VDD를 향해서 안정화 되는 시간이 걸리기 때문에, 만약 또 다른 입력이 뒤를 이어 입력되면 도 5(b)의 파형과 같이 출력 파형 OUT1은 이 전과 다른 듀티를 가지게 된다.
도 6(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기를 나타낸 회로도이다.
상기 펄스 생성기는 상기 원 샷 펄스 생성기의 입력단 앞에 상승 엣지 감지기(rising edge detector)(610)가 더 포함된다.
또한 커패시터에 충전되는 노드(602)의 전압 VM2는 입력 노드(601)로 입력 신호 IN2가 입력될 때마다 스위치 S1을 통해 그라운드 되도록 제어된다.
따라서 상기 펄스 생성기의 입력 인가 시마다 상기 노드(602)의 전압 VM2는 0으로 초기화된다.
도 5(a)에 도시한 상기 원 샷 펄스 생성기와는 달리 상기 펄스 생성기는 저항 대신 전류원(620)이 부과되고, 상기 전류원(620)은 인버터(630)에 의해 반전되어 출력 노드(603)을 통해 출력하는 출력 신호 OUT2이 원하는 듀티를 갖도록 제어한다.
바람직하게도 상기 펄스 생성기의 전류원(620)의 전류의 크기에 따라 출력 파형의 듀티가 고정적으로 결정되기 때문에 두 입력 신호가 서로 인접해 있더라도 서로 영향을 받지 않는다.
도 6(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기의 파형을 도시한다.
도면의 IN2은 상기 펄스 생성기의 입력 신호 파형이고, VM2은 상기 펄스 생성기의 노드(602)의 전압 파형이다.
VINV , TH는 상기 펄스 생성기의 인버터(630)가 갖는 문턱 전압이며 OUT2은 상기 펄스 생성기의 출력 신호를 나타낸다.
상기 노드(602)의 전압 VM2는 입력 신호 IN2의 입력 마다 그라운드 되어 초기화 되며, 상기 전류원(620)의 전류 크기에 따라서 출력 파형의 듀티가 고정적으로 결정된다.
또한 입력 노드(601)로 입력되는 입력 신호에 있어서, 인접한 두 입력 신호가 서로 인접하여 입력 되더라도 출력 신호에서는 두 입력 신호는 서로 영향을 받지 않고 출력 신호 OUT3은 인버터(630)에 의해 반전되어 출력 노드(603)을 통해 출력된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기를 이용한 도 2의 DC-DC 변환기의 영전류 스위치(ZCS) 제어 회로를 나타낸 회로도이다.
연속 전도 모드(CCM)를 사용하는 DC-DC 변환기에서 인덕터 L에 흐르는 전류 IL는 하부 스위치는 온-타임이 되고, 상기 상부 스위치가 오프-타임 되는 동안 VIN/L의 기울기를 가지고 상승한다.
반대로 하부 스위치가 오프-타임이 되고, 상기 상부 스위치가 온-타임이 되는 동안에는 DC-DC 변환기의 인덕터에 흐르는 전류 IL은 (VOUT-VIN)/L의 기울기를 가지고 하강하게 되어 역방향으로 전류가 흐르게 된다.
이러한 역방향 전류는 DC-DC 변환기가 경부하 운영을 할 경우 불필요한 낭비가 되는 구간이 되기 때문에 불연속 전도 모드(DCM)를 고려한다.
불연속 전도 모드(DCM)에서 동작하기 위해서 전류가 음의 값이 되는 것을 방지해야 하는데 이를 위해서 정확한 영전류 스위치 제어회로는 DC-DC 변환기의 핵심이 된다.
상기 펄스 생성기(760)는 원 샷 펄스 생성기의 입력 단 앞에 상승 엣지 감지기(rising edge detector)(750), 전류원 M1 및 신호가 입력될 때마다 커패시터에 충전되는 노드(702)의 전압 VM2이 그라운드되게 하는 스위치 S1을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 도 7의 상기 영전류 스위치 제어회로는 상기 펄스 생성기(760), 커패시터, 상승 엣지 감지기(730), 비교기(710 및 740) 및 전하펌프(720) 등으로 구성된다.
NG 신호를 출력하기 위해 제1 비교기(740)는 상기 DC-DC 변환기의 기준이 되는 전압인 기준 전압 VREF와 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압의 피드백인 출력 피드백 전압 VOUT_FB를 비교한다.
상기 제1 비교기(740)는 상기 출력 피드백 전압 VOUT _ FB가 상기 기준 전압 VREF 보다 감소하는 시점에는 인덕터 에너지 공급을 지시하며, 클럭 신호에 의해 결정되는 고정된 듀티비를 가지는 상기 NG 신호가 상기 제1 비교기(740)를 통해 출력된다.
상기 펄스 생성기에 있어서 상기 NG 신호가 오프되는 시점에는 PG 신호가 온되고, 상기 스위치 S1이 닫히며 커패시터 C1에 저장된 전하가 그라운드로 빠져나간다. 그래서 상기 펄스 생성기(760)의 상기 노드(702)의 전압 VM2는 0으로 초기화 된다.
상기 PG 신호의 온-타임은 전류원 M1을 통해 흐르는 전류가 커패시터 C1에 충전되는 시간에 의해서 결정된다. 상기 펄스 생성기(760)의 상기 노드(702)의 전압 VM2가 상승함에 따라 상기 DC-DC 변환기의 인버터의 스위칭 지점을 지나면 상기 PG 신호는 오프된다.
상기 전류원 M1은 전류량을 조절하여 상기 PG 신호의 온-타임을 결정한다. 상기 전류원 M1의 전류량은 노드(701)의 전압 VCONT에 의해 결정된다.
상기 제2 비교기(710)는 상기 PG 신호가 일정 시간 지연된 후 상승 엣지 감지기(730)을 통과한 PS 신호에 의해 제어된다.
또한 상기 제2 비교기는 상기 DC-DC 변환기의 상부 스위치 및 하부 스위치의 스위칭 전압 VX와 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT을 비교하여 상기 PG 신호가 상기 DC-DC 변환기의 공급 인덕터 전류가 0이 되는 시점 보다 빨리 오프 되었는지 또는 늦게 오프 되었는지를 감지한다.
만약 상기 PG 신호가 상기 공급 인덕터 전류가 0이 되는 시점 보다 빨리 오프되었다고 상기 제2 비교기(710)가 판단하면, UP 신호를 출력한다. 반대로 상기 공급 인덕터 전류가 0이 되는 시점 보다 상기 PG 신호가 늦게 오프되었다고 판단하면, 상기 제2 비교기(710)는 DN 신호를 출력한다.
상기 UP 신호는 상기 제2 비교기(710)에서 출력되고 전하 펌프(720)로 입력되어 상기 노드(701)의 전압 VCONT을 상승시킨다. 상기 노드(701)의 전압 VCONT가 상승하게 되면 상기 전류원 M1의 전류량이 감소되고 상기 PG 신호의 온-타임이 증가한다.
상기 제2 비교기(710)에서 PG 신호가 늦게 오프 되었다고 판단되었을 경우에는 상기 DN 신호가 출력되어 상기 전하 펌프(720)로 입력된다.
입력 된 상기 DN 신호가 상기 전하 펌프(720)를 통해 상기 노드(701)의 전압 VCONT를 감소시키며, 상기 전류원 M1의 전류량을 증가시키고 전류량 증가로 인해 상기 PG 신호의 온-타임은 감소된다.
상기 PG 신호의 빠른 오프-타임 또는 늦은 오프-타임을 비교하는 상기 제2 비교기(710)의 출력인 상기 UP 신호 및 DN 신호를 통해 적응적 구동을 통하여 최적의 온-타임을 갖는 상기 PG 신호가 생성된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기를 포함하는 영전류 스위치 제어를 수행하는 경우의 DC-DC 변환기의 주요 신호에 대한 파형이다.
IL ,f는 DC-DC 변환기의 상부 스위치를 지나는 인덕터의 전류의 파형을 나타낸다. 하부 스위치가 온되고 상부 스위치가 오프되는 동안 인덕터에 흐르는 전류 IL은 VIN/L의 기울기를 가지고 상승한다(미도시). 반대로 하부 스위치가 오프되며, 상부 스위치가 온되는 동안, 인덕터 전류 IL은 (VOUT-VIN)/L의 기울기를 가지고 하강한다.
도 8의 PG는 상기 상부 스위치를 제어하는 상기 PG 신호 파형이며, PS는 상기 제2 비교기를 제어하는 상기 PS 신호 파형이다. 상기 PS 신호 파형은 상기 PG 신호 파형이 로우(Low)된 후, 약간의 지연 뒤에 생성되는 짧은 듀티 신호이다.
VX는 앞서 상기 DC-DC 변환기의 인덕터와 하부 스위치 및 상부 스위치가 접해 있는 스위칭 노드의 전압 파형이다.
UP 및 DN은 상기 PS 신호가 발생한 시점에 상기 DC-DC 변환기의 스위칭 노드의 전압인 VX와 DC-DC 변환기의 출력 전압인 VOUT을 상기 제2 비교기가 비교하여 출력하는 상기 UP 신호 파형 및 DN 신호 파형이다.
만약 상기 DC-DC 변환기의 스위칭 노드 전압 VX가 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT 보다 크면, 도 8에서 도시된 UP 파형과 같이 상기 UP 신호 파형이 생성되어 상기 전류원 M1의 전류의 크기를 감소시킨다.
반대로 상기 DC-DC 변환기의 스위칭 노드 전압 VX가 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT보다 작다면, 도시된 DN 파형과 같이 상기 DN 신호 파형이 생성되어 상기 전류원 M1의 전류의 크기를 증가시킨다.
전류의 크기가 감소되면 상기 PG 신호의 듀티는 증가하며, 전류의 크기가 증가하면 상기 PG 신호의 듀티는 감소한다.
상기 전류원 M1은 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor)로 구성될 수 있으나 다른 회로에 의해서도 다양하게 구현될 수 있다.
위와 같은 과정을 통하여 상기 PG 신호가 인턱터 전류의 영전류 스위칭이 되는 지점에 가까워 지면 도 8에서 도시한 상기 PS 신호의 인가 시점에서 상기 DC-DC 변환기의 스위칭 노드 전압 VX가 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT보다 작은 시점에 이르게 되며, 이 후에는 상기 UP 신호와 상기 DN 신호가 번갈아 반복되며 나타난다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 생성기의 PG 신호의 듀티(duty)를 측정한 그래프이다. 연속 전도 모드(CCM)를 사용하는 DC-DC 변환기에서 인덕터에 흐르는 역방향 전류로 인해 전력 손실이 발생한다. 따라서 불연속 전도 모드(DCM)에서 동작하기 위해 정확한 영전류 스위치 제어 회로가 DC-DC 변환기의 핵심이다.
본 발명의 일실시예에 따른 영전류 스위치(ZCS) 제어 회로는 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT과 상기 DC-DC 변환기 출력 전압의 기준이 되는 기준 전압 VREF를 비교하여 상기 DC-DC 변환기의 하부 스위치를 제어하는 신호인 NG를 생성하는 제1 비교기를 포함한다.
또한 상기 제1 비교기의 출력을 입력 받아 상기 DC-DC 변환기의 상부 스위치를 제어하는 신호 PG를 생성하는 펄스 생성기를 포함하며, 상기 펄스 생성기의 전류원의 전류 크기를 제어하는 전하 펌프, 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT과 상기 DC-DC 변환기의 공급 인덕터의 스위칭 전압인 VX 전압을 비교하여 상기 전하 펌프의 출력 전압을 제어하는 신호를 생성하는 제2 비교기를 포함한다. 상기 신호 NG는 고정된 온-타임을 가지며 상기 신호 PG는 다양한 온-타임을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에따른 도 9의 VOUT 파형은 상기 DC-DC 변환기의 출력 전압 VOUT 파형이다. 또한 PG 듀티 파형은 최적의 듀티값에서 미세한 리플을 갖고 진동하지만, 진동폭이 미세하기 때문에 전력 손실이 최소화된다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
101: 입력 노드
102: 노드
103: 출력 노드
110: 상승 엣지 감지부
120: 스위치
130: 전류원
140: 인버터

Claims (13)

  1. 펄스 생성기에 있어서,
    펄스 전압을 생성하는 인버터 - 상기 인버터의 입력 단자는 제1 노드이고, 상기 인버터의 출력 단자는 상기 펄스 생성기의 출력 단자임 -;
    상기 제1 노드에 전류를 공급하는 전원;
    상기 제1 노드에 연결되어 상기 전류에 의해 충전됨으로써 상기 제1 노드의 전위를 상승시키는 커패시터;
    상기 펄스 생성기의 입력 전압의 엣지를 감지하는 엣지 감지부; 및
    상기 엣지가 감지되는 경우, 상기 제1 노드를 접지 시켜서 상기 제1 노드의 전위를 그라운드 수준으로 리셋하는 스위치
    를 포함하는 펄스 생성기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 생성기는 직류-직류(DC-DC) 변환기의 영전류 스위칭 제어회로에 포함되고, 상기 펄스 생성기의 상기 입력 전압은 상기 변환기에 포함되는 하부 스위치를 제어하는 하부스위치 제어 신호이며,
    상기 입력 전압의 상기 엣지는 상기 하부스위치 제어 신호가 상기 하부 스위치를 온(ON)에서 오프(OFF)로 바뀌는 전압 파형 엣지인, 펄스 생성기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원은, 상기 제1 노드의 전위가 상기 그라운드 수준으로 리셋된 후부터, 상기 제1 노드의 전위가 상기 인버터의 문턱 전압까지 상승하도록 상기 커패시터를 충전하는 데까지 걸리는 시간을 일정하게 함으로써 상기 인버터의 출력 단자에서 일정한 듀티(Duty)의 펄스 전압이 생성되도록, 상기 제1 노드에 전류를 공급 하는 전류원인, 펄스 생성기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전류원은 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor)를 포함하며, 상기 PMOS의 게이트 전압 컨트롤에 의해 상기 PMOS의 소스에 연결된 전압원으로부터 상기 PMOS의 드레인으로 일정한 전류를 출력하여, 상기 드레인에 연결되는 상기 제1 노드에 상기 전류를 공급하는, 펄스 생성기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 PMOS의 게이트 전압 컨트롤에 의해 상기 드레인에 흐르는 상기 전류의 크기를 변화시킴으로써 상기 듀티를 늘리거나 또는 줄일 수 있는, 펄스 생성기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 펄스 생성기가 펄스 전압을 생성하는 방법에 있어서,
    상기 펄스 생성기에 포함되는 엣지 감지부가, 상기 펄스 생성기의 입력 전압의 엣지를 감지하는 단계;
    상기 엣지가 감지되는 경우, 상기 펄스 생성기에 포함되어 상기 펄스 전압을 생성하는 인버터의 입력 단자인 제1 노드를 상기 펄스 생성기에 포함되는 스위치가 접지 시켜서, 상기 제1 노드의 전위를 그라운드 수준으로 리셋하는 단계;
    상기 펄스 생성기에 포함되는 전원이 상기 제1 노드에 전류를 공급하여 상기 제1 노드에 연결되는 커패시터를 충전하는 단계; 및
    상기 인버터가 상기 제1 노드의 전위를 반전하여 상기 펄스 전압을 생성하는 단계
    를 포함하는 펄스 생성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펄스 생성기는 직류-직류(DC-DC) 변환기의 영전류 스위칭 제어회로에 포함되고, 상기 펄스 생성기의 상기 입력 전압은 상기 변환기에 포함되는 하부 스위치를 제어하는 하부스위치 제어 신호이며,
    상기 입력 전압의 상기 엣지는 상기 하부스위치 제어 신호가 상기 하부 스위치를 온(ON)에서 오프(OFF)로 바뀌는 전압 파형 엣지인, 펄스 생성 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 충전하는 단계는, 상기 제1 노드의 전위가 상기 그라운드 수준으로 리셋된 후부터, 상기 제1 노드의 전위가 상기 인버터의 문턱 전압까지 상승하도록 상기 커패시터를 충전하는 데까지 걸리는 시간을 일정하게 함으로써 상기 인버터의 출력 단자에서 일정한 듀티(Duty)의 펄스 전압이 생성되도록, 상기 전원이 상기 제1 노드에 전류를 공급 하는, 펄스 생성 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
KR1020120030572A 2012-03-26 2012-03-26 펄스 생성 장치 및 방법 KR101342260B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120030572A KR101342260B1 (ko) 2012-03-26 2012-03-26 펄스 생성 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120030572A KR101342260B1 (ko) 2012-03-26 2012-03-26 펄스 생성 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130108815A KR20130108815A (ko) 2013-10-07
KR101342260B1 true KR101342260B1 (ko) 2013-12-16

Family

ID=49631369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120030572A KR101342260B1 (ko) 2012-03-26 2012-03-26 펄스 생성 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101342260B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170047911A1 (en) * 2015-08-12 2017-02-16 International Business Machines Corporation Pulse generator with switched capacitors

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102602967B1 (ko) * 2022-04-06 2023-11-16 제오수 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4648020A (en) 1985-02-26 1987-03-03 Vicor Corporation Power booster switching at zero current
JP2003309967A (ja) 2002-04-16 2003-10-31 Auto Network Gijutsu Kenkyusho:Kk Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4648020A (en) 1985-02-26 1987-03-03 Vicor Corporation Power booster switching at zero current
JP2003309967A (ja) 2002-04-16 2003-10-31 Auto Network Gijutsu Kenkyusho:Kk Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170047911A1 (en) * 2015-08-12 2017-02-16 International Business Machines Corporation Pulse generator with switched capacitors
US20170047914A1 (en) * 2015-08-12 2017-02-16 International Business Machines Corporation Pulse generator with switched capacitors

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130108815A (ko) 2013-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11264902B2 (en) Inductor current based mode control for buck-boost converters
US8975885B2 (en) System and method for improving regulation accuracy of switch mode regulator during DCM
KR101713359B1 (ko) Ｄｃ-ｄｃ 컨버터들과 관련된 향상
US9584014B2 (en) DC-DC converter
US8022680B2 (en) Switching DC-DC converter with adaptive-minimum-on-time control and method of adaptively controlling minimum-on-time of a switching DC-DC converter
JP5211959B2 (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ
US9602004B2 (en) Efficient control circuit for buck-boost converters and control method thereof
US7804285B2 (en) Control of operation of switching regulator to select PWM control or PFM control based on phase comparison
CN106787719B (zh) 一种pwm/pfm双模式自动切换的降压型dc-dc转换器
JP5451123B2 (ja) 電源装置，電源制御装置及び電源装置の制御方法
US10243461B2 (en) Adaptive voltage regulator
US8373395B2 (en) Power source apparatus, control circuit, and method of controlling power source apparatus
JP4892689B2 (ja) Ｄｃ−ｄｃ変換器のデジタル制御
US20060202669A1 (en) Control circuit and control method of current mode control type DC-DC converter
JP2010259257A (ja) スイッチングレギュレータ及びその動作制御方法
US20100079123A1 (en) Output-voltage control device, output-voltage control method, and electronic apparatus
US9306548B1 (en) Pulse generator having a phase and voltage varying pulse width
CN103023326A (zh) 恒定时间控制方法、控制电路及应用其的开关型调节器
Chang et al. Fast output voltage-regulated PWM buck converter with an adaptive ramp amplitude control
JP2007074190A (ja) 三角波発生回路ならびにそれを用いたパルス幅変調器およびスイッチングレギュレータ
US10116216B2 (en) Ultrasonic control system and method for a buck-boost power converter
JP2010011617A (ja) スイッチングレギュレータ及びそのスイッチングレギュレータを備えた半導体装置
US9203303B2 (en) Inductor-based switching mode DC-DC converter and control method thereof
JP2010130856A (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ及びｄｃ−ｄｃコンバータの制御回路
JP2010263726A (ja) 電源装置、制御回路、電源装置の制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160928

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee