KR101415011B1 - 전원 공급 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

전원 공급 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에서, 전원 공급 제어 장치의 에러 증폭기는 전류 감지 신호가 증폭되기 이전에 상기 전류 감지 신호를 수신할 수 있도록 구성된다
Figure R1020070118955
전류, 제어, 감지, 에러, 차동 증폭기

Description

전원 공급 제어 장치 및 그 방법{POWER SUPPLY CONTROLLER AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 일반적으로, 전자 기술(electronics)에 관한 것으로 특히, 반도체 디바이스 및 구조를 형성하는 방법에 관한 것이다.
과거, 반도체 업계에서는 전원 공급 시스템의 출력 전압을 조절하는 전원 공급 제어 장치를 만들기 위해 다양한 방법 및 구조를 이용했다. 전원 공급 제어 장치 기술이 진전됨에 따라, 최근의 고효율 전원 공급 장치들은 효율을 향상시키고 전원 공급 시스템 내에서의 전원 낭비를 최소화하기 위해 합성(synthesized) 출력 임피던스를 제공하도록 설계되었다. 상기 합성 출력 임피던스는 종종 부하 과도라고 하는 부하에 공급되는 전류의 급격한 변화에 대한 오버슈트(overshoot) 및 언더슈트(undershoot)의 최소화를 또한 돕는다. 종종, 전원 공급 시스템은 낮은 전압에서 큰 출력 전류의 공급을 지원하는 다중 출력 채널들을 갖는다. 다중-채널 제어 장치는 출력 전압을 조정(regulate)하기 위해 출력 인덕터의 전류에 비례하는 정보를 포함하는 에러 신호를 일발적으로 이용한다. 보통, 부하 전류 정보를 제어기가 출력 전압을 조절하기 위해 사용하는 신호로 변환하기 위해 일련의 증폭기들 및 저 항들이 사용된다. 증폭기들은 대체적으로 출력 전압의 정밀도에 영향을 미칠 수 있는 에러들을 발생시킨다. 증폭기 루프들은 일반적으로 또한 상당히 복잡하고 비싸다.
따라서, 덜 복잡한 구성, 출력 전압 에러의 최소화 및 보다 저렴한 비용의 전원 공급 제어 장치를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 관점에 따른 전원 공급 제어 장치는 부하에 부하 전류를 공급하고 전원 공급 시스템의 출력 전압을 조정하도록 전원 제어 엘리먼트를 제어하는 제어 신호를 형성하도록 구성된 제어 회로; 전류 감지 엘리먼트에 의해 형성된 전류 감지 신호를 수신하도록 결합된 에러 증폭기 - 상기 전류 감지 신호는 상기 전류 감지 엘리먼트의 제 1 측에 형성되는 바이어스 신호에 참조되며, 상기 에러 증폭기는 상기 바이어스 신호를 수신하도록 구성됨 -; 및 상기 바이어스 신호를 증폭하도록 결합된 차동 증폭기로서, 상기 에러 증폭기의 입력단에서 상기 차동 증폭기의 출력과 상기 전류 감지 신호를 합하도록 구성된 상기 차동 증폭기를 포함한다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 전원 공급 제어 장치를 형성하는 방법은 전원 공급 시스템의 출력 전압을 조정하고 부하에 부하 전류를 공급하도록 전력 트랜지스터를 제어하도록 구동 신호를 형성하도록 전원 공급 제어 장치를 구성하는 단계; 및 상기 부하 전류를 나타내는 전류 감지 신호를 수신하도록 상기 전원 공급 제어 장치의 에러 증폭기를 구성하는 단계 - 상기 에러 증폭기는 상기 전류 감지 신호가 먼저 증폭됨 없이 상기 전류 감지 신호를 수신함 -를 포함한다.
본 발명의 제 3 관점에 따른 전원 공급 제어 장치를 형성하는 방법은 전원 공급 시스템의 출력 전압을 조정하고 부하에 부하 전류를 공급하도록 전력 트랜지스터를 제어하는 구동 신호를 형성하도록 전원 공급 제어 장치를 구성하는 단계; 및 상기 부하 전류를 나타내는 전류 감지 신호를 수신하도록 상기 전원 공급 제어 장치의 에러 증폭기를 구성하는 단계 - 상기 전류 감지 신호는 상기 전류 감지 신호를 형성하기 위해 이용되는 전류 감지 엘리먼트의 출력 전위를 나타내는 바이어스 신호에 참조됨 -를 포함한다.
전술한 바와 같이 새로운 디바이스와 방법이 설명되었다. 다른 특징들 중에서 전류 감지 신호가 증폭되기 이전에 전류 감지 신호를 수신하도록 전원 공급 제어 장치를 형성하는 특징이 포함되었다. 증폭을 거치지 않은 전류 감지 신호에 따라 동작하도록 전원 공급 제어 장치를 구성함으로써, 출력 전압을 보다 정밀하게 조절할 수 있게 한다. 그와 같은 구성은 전류 감지 신호와 전원 공급 제어 장치에 의해 조절된 출력 전압에 있어서의 에러들을 최소화시킨다. 바이어스 신호의 전위 밖으로 공제되도록 전원 공급 제어 장치를 구성하는 것은 증폭 이전에 전류 감지 신호를 이용하게 한다.
설명의 간소 및 명료를 위해, 도면들의 엘리먼트들(elements)이 반드시 균일한 척도는 아니며, 다른 도면들에서의 동일한 참조 번호는 동일한 엘리먼트를 나타낸다. 부가적으로, 잘 알려진 단계들 및 엘리먼트들의 설명 및 세부 사항은 설명의 단순화를 위해 생략한다. 여기서 사용되는 바와 같이, 전류 이송(carring) 전극은 MOS 트랜지스터의 소스 또는 드레인 또는 바이폴라 트랜지스터의 이미터 또는 컬렉터 또는 다이오드의 캐소드 또는 애노드와 같은 디바이스를 통해 전류를 이송시키는 디바이스의 엘리먼트를 의미하며, 제어 전극은 MOS 트랜지스터의 게이트 또는 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 같은 디바이스를 통해 흐르는 전류를 제어하는 디바이스의 엘리먼트를 의미한다. 비록 여기서는 상기 디바이스들을 N-채널 또는 P-채널 디바이스들로서 설명하지만, 상보적인 디바이스들이 본 발명에 따라 또한 가능하다라고 하는 것을 당업자라면 인식할 수 있을 것이다. 여기서 사용되는 바와 같이, 동안, 기간, 및 때라는 단어는 동작이 초기 동작 시 즉시 일어나는 것을 의미하는 정확한 용어가 아니지만, 초기 동작에 의해 일어나는 반응 사이에, 전달 지연과 같은, 다소 작은 그러나 합당한 지연은 있을 수 있다라는 것을 당업자라면 인식할 수 있을 것이다.
도 1은 전원 공급 제어 장치(55)를 포함하는 전원 공급 시스템(10)의 실시예 일부를 개략적으로 도시한 도면이다. 시스템(10)은 전원 입력 단자(11) 및 전원 회수 단자(12)사이에서 정류된 dc 전압과 같은 전원을 수용한다. 시스템(10)은 출력단(13) 및 출력 회수단(14) 사이의 출력 전압을 조정하고 또한, 출력 전류(15)를 부하(45)에 제공하기 위해 N개의 채널들을 이용하는 다중-채널 스위칭 제어 시스템으로서 구성된다. 필터 커패시터(46)는 전형적으로 출력 전압을 평활하기 위해 출력단(13) 및 회수단(14) 사이에 연결된다. 다중-채널 시스템의 각 채널은 채널 인덕터를 통해 채널 전류를 공급하며, N개의 채널 전류들은 부하 전류(15)를 형성하기 위해 출력단(13)에서 합해진다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예를 위해, N은 둘이지만, 시스템(10)은 단일의 채널을 포함해서 몇 개의 채널들이던지 가질 수 있다. 전원 공급 제어 장치(55)는 전형적으로 그 각각이 시스템(10)의 각 채널에 스위칭 제어 신호를 공급하는 출력단들(82 및 83)과 같은 N개의 출력단들을 갖는다. 제어 장치(55)의 외부, 각 채널은 스위칭 제어 신호를 수신하고 개별 채널 전류를 형성하는 전류 스티어링 회로(current steering circuit)를 포함한다. 예컨대, 제 1 전류 스티어링 회로는 출력단(82)으로부터의 제 1 스위칭 제어 신호를 수신하며, 스위치 드라이버(16), 전원 제어 엘리먼트(17), 평균화 저항(26) 및 필터 저항(28)을 포함한다. 도 1에 도시된 실시예를 위해, 전원 제어 엘리먼트(17)는 전형적으로 스택 구조로 구성된, P-채널 MOS 트랜지스터(18) 및 N-채널 MOS 트랜지스터(19)오 같은, 한 쌍의 파워 트랜지스터들을 포함한다. 비록 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 엘리먼트(17)는 엘리먼트(17)를 통해 흐르는 전류의 슈트(shoot)를 방지하기 위해, 트랜지스터들(18 및 19)이 동시에 인에블되는 것을 방지하는 다른 로직을 포함할 수 있다. 전류(24)는 제 1 전류 스티어링 회로를 통해 출력단(13)에 제공되는 채널 전류를 나타낸다. 각 채널 전류의 값은 매우 클 수 있다. 예컨대, 부하 전류(15)는 200 암페어(amps)까지 올라갈 수 있으며, 각 채널 전류는 10에서 30암페어(10-30amps) 사이 또는 그 이상일 수 있다. 제 1 전류 스티어링 회로는 전형적으로 전류(24)를 출력단(13)에 전도하는 전도체를 통해 출력단(13)과 연결된다. 전도체에 의해 이송되는 큰 전류는 전도체의 기생 저항을 가로질러 전압강하를 형성한다. 이 기생 저항은 기생 저항(27)으로서 도시하였다. 큰 전류에 의해 저항(27)을 가로질러 강하되는 전압은 출력 전압 값에 에러를 야기시킬 수 있다. 이하에서 또한 설명되겠으나, 제어 장치(55)의 구성은 출력 전압으로부터 이러한 원치않는 에러의 제거를 돕는다. 제 2 전류 스티어링 회로는 제 1 전류 스티어링 회로와 비슷하며, 유사하게, 스위치 드라이버(31), 전원 제어 엘리먼트(32), 출력 인덕터(37), 평균화 저항(41), 필터 저항(43), 및 기생 저항(42)을 포함한다.
부하 전류(15)는 보통 매우 크며, 회수단(14) 및 회수 단자(12) 사이에 연결된 전도체를 통해 부하(45)로부터 흐른다. 이러한 전도체는 또한 기생 저항들(47 및 48)으로 도시된 기생 저항을 갖는다. 이하, 보다 알아보겠지만, 제어 장치(55)는 출력 전압으로부터 원치 않는 에러 전압의 제거를 또한 돕도록 구성된다.
제어 장치(55)는 전원 입력단(56) 및 전원 회수단(57) 사이의 전원을 공급받기 위해 단자들(11 및 12) 사이에 연결된다. 제어 장치(55)는 전형적으로 차동 회로(69), 에러 증폭기(77), 및 펄스 폭 변조기(PWM: 81)를 포함한다. 제어 장치(55)는 또한 차동 회로(69), 에러 증폭기(77), 및 펄스 폭 변조기(PWM: 81) 과 같은, 제어 장치(55)의 엘리먼트들에 동작 전원을 제공하기 위해 이용되는 출력단(67) 상에 내부 동작 전압을 형성하기 위해, 입력단(56) 및 회수단(57) 사이에 연결된 내부 조정기(66)를 포함할 수 있다. 이하, 보다 알아보겠지만, 에러 증폭기(77)는 일반적으로 높은 이득을 가지며, 그 결과 증폭기(77)의 출력단에 형성되는 에러(ES) 신호는 엘리먼트들(17 및 32)를 제어하기 위해 그리고 대략적으로 등가인 증폭기(77)의 입력단들에서 신호들을 유지시키기 위해 제어 장치(55)에 의해 사용된다. 증폭기(77)로부터의 에러(ES)신호는 PWM(81)의 각 채널의 스위칭 제어 신호들의 듀 티 싸이클 제어의 지원을 위해 PWM(81)에 의해 사용된다. PWM(81)은 전형적으로 시스템(10)과 동일한 수의 채널들을 갖는 다중-채널 PWM이며, 각 신호들 사이의 위상 오프셋을 갖도록 구성되는 다수의 스위칭 제어 신호들을 발생시킨다. 그러한 PWM 회로들은 당업자에게 잘 알려졌다. 그러한 PWM 회로의 일 예가 도 2에 도시되어 있다. 차동 증폭기 회로(69)는 연산 증폭기(70) 및 저항(71-75 및 78)을 포함하는 다양한 이득 엘리먼트들을 포함한다. 저항들(71-75 및 78)은 대게 공통 모드 신호들의 적절한 거절을 제공하기 위해 면밀히 부합된다.
제어 장치(55)가 전력 제어 엘리먼트들(17 및 32)을 인에이블시킴에 따라, 채널 전류들(24 및 39)이 각각의 인덕터들(22 및 37)을 통해 흘러, 출력단(13)과 같은, 공통 노드에서 함께 합쳐져서 전류(15)를 형성하게 된다. 각 인덕터의 등가의 직렬 저항(ESR)은 부하 전류(15)를 나타내는 전류 감지(CS) 신호를 형성하기 위해 사용된다. 채널 전류들(24 및 39)이 각각의 인덕터들(22 및 37)을 통해 흐름에 따라, 각 인덕터의 ESR은 인덕터를 가로질러 대응하는 전압 강하를 형성한다. 인덕터들(22 및 37)에 의해 형성된 전류 감지 엘리먼트의 출력 측은 부하(45)에 전류를 제공하는 단자이며, 도시된 실시 예에서, 각 노드들(23 및 38)에 또한 연결된다. 인덕터들(22 및 37)에 의해 형성된 전류 감지 엘리먼트의 입력 측은 각 전원 제어 엘리먼트들(17 및 32)로부터의 전류를 받는 단자이다. 저항들(26 및 28)은 인덕터(22)를 가로지른 전압을 커패시터(49)에 결합시킨다. 유사하게, 저항들(41 및 43)은 인덕터(37)를 가로질른 전압을 커패시터(49)에 결합시킨다. 따라서, 커패시터(49)는 모든 개별 채널 전류들의 시간 평균 값을 나타내는 전압으로 충전되며, 그에 따라 커패시터(49)를 가로지르는 전압은 전류(15)의 시간 평균 값을 나타낸다. 제어 장치(55)는 부하 전류(15)의 시간 평균 값을 나타내는 CS 신호로서 커패시터(49) 전압의 차이 값을 이용한다. 그러나, 저항들(26 및 41)은 대략적으로 출력 전압에 각 기생 저항들(27 및 42)을 가로지르는 산술 평균 전압 강하가 합쳐지는 노드(54)에서 커패시터(49)의 일 측에 전압을 결합시킨다. 따라서, 커패시터(49) 양단의 전압은 대략적으로 출력 전압에 기생 저항들(27 및 42) 양단의 산술 평균 전압 강하를 합한 바이어스 신호의 위에서 바이어스된다. 이러한 수치적인 평균은 대체적으로 다수의 기생 저항들에 의해 분할되는 전압 강하들의 합이다. 증폭기(77)의 입력들은 노드(54)의 바이어스 신호를 참조하는 노드(53)의 CS 신호로서 커패시터(49) 양단 전압을 차동적으로 받도록 노드들(53 및 54)에 연결된다. 커패시터(49) 양단 전압은 바이어스 신호를 나타내므로, 바이어스 신호는 또한 증폭기(77)와 결합된다. 증폭기(77)에 의해 신호들에 인가되는 반대 극성 이득들은 신호들과 공통인 전압들이 제거되게 한다. 따라서, 증폭기(77)는 입력단(62)에서 수신한 신호로부터 입력단(61)에서 수신한 바이어스 신호를 제거한다. 이러한 기능은 증폭기(77)의 출력단 상에 형성된 ES 신호로부터 바이어스 신호를 제거한다.
보다 더 알아보겠지만, 증폭기(70)에 의해 형성된 출력 신호는 CS 신호와 합해진다. 이들 신호들을 합하기 위해, 바이어스 신호에 대해 증폭기(70)의 출력 신호를 또한 참조하는 것이 바람직하다. 연이어 알아보겠지만, 증폭기(77)는 또한 증폭기(70)로부터 수신한 신호로부터 바이어스 신호를 감산하며, 그에 따라 ES 신호로부터 바이어스 신호의 배제를 보호한다. 차동 회로(69)는 출력 전압을 나타내는 차동 귀환(FB) 신호를 수신할 수 있도록 구성된다. 제어 장치(55)는 귀환 입력단(58) 및 귀환 (FB) 공통 입력단(59) 사이의 차동 FB 신호를 수신한다. 입력단(58) 상의 FB 신호는 입력단(59)의 FB 공통 신호를 참조한다는 점이 주지되어야 한다. 차동 회로(69)는 차동 귀환(FB) 신호 및 참조 발생기(68)로부터의 참조 신호를 수신하며, 차동 FB 신호 및 참조 신호 사이의 차를 나타내는 차동(DS) 신호를 증폭기(70)의 출력단에 형성시킨다. DS 신호가 CS 신호와 합해지게 하기 위해, 바이어스 신호에 대해 DS 신호를 또한 참조하는 것이 바람직하다. 참조 발생기(68)가 회수단(57)의 전위를 참조하므로, 증폭기(70)는 입력단(61)로부터의 바이어스 신호를 수신하고, DS 신호의 부분으로서 바이어스 신호와 차동 FB 신호를 합한다. 이것은 DS 신호가 바이어스 신호를 또한 참조하게 한다. 증폭기(70)는 저항(78)을 통해 입력단(61)으로부터 바이어스 신호를 수신한다. 세 쌍둥이 저항들(74, 75 및 78)은 입력단(58)으로부터 증폭기의 비반적 입력단으로의 FB 신호 뿐 만 아니라 입력단(61)로부터의 바이어스 신호의 이득을 제어한다. 세 쌍둥이 저항들(71, 72 및 73)은 입력단(59)로부터의 FB 공통 신호 및 증폭기(69)로부터의 DS 신호에 대한 참조단(68)로부터의 참조 신호 모두의 이득을 제어한다. 저항들(71-75 및 78)은 증폭기(69)로부터의 DS 신호에 대한 입력들(58 및 59) 사이의 FB 신호 뿐 만 아니라, 입력단(61)으로부터의 바이어스 신호의 이득을 제어한다. 바람직한 실시 예에서, 저항들(71-75 및 78)는 모두 동일하며, 그 결과 증폭기 회로(69)는 단일의 이득을 갖는다. 증폭기(70)로부터의 DS 신호는 출력단(64)과 결합되며, 귀환 저항(51)를 통해 증폭기(77)의 반전 입력단과 결합된다. 저항(51)은 DS 신호를 커패시터(49)로부터의 차동 전류 감지 신호와 합하기 위해 사용된다. DS 신호는 노드(54)로부터의 바이어스 신호를 포함하기 때문에, 증폭기(77)는 DS 신호로부터 바이어스 신호를 차감한다. 따라서, 바이어스 신호는 증폭기(77)가 정밀한 에러 신호를 제공하게 하는 증폭기(77) 출력단의 ES 신호에 포함되지 않는다. 증폭기(70)는 또한 차동 FB 신호를 귀환 정보와 CS 정보를 결합시키기 위해 바이어스 신호를 참조하는 단일의 종단 신호로 변환시킨다. 또한, 회로(69)는 기생 저항들(47 및 48) 영향의 최소화를 지원한다는 점이 주지되어야 한다. 증폭기(70)의 음의 입력단이 회수단(14)에서 부하에 의해 수신되는 전압의 공통 측을 수신하고, 증폭기(70)의 양의 입력단이 회수단(12)에서 저항들(47 및 48)의 반대 측 전위를 수신하기 때문에, 회로(69)는 DS 신호 바깥의 이들 기생 저항들에 이해 도입될 수 있는 에러들을 차감하며, 그에 따라 그들이 ES 신호에 영향을 주는 것을 방지할 수 있게 한다. 또한 그에 따라, 그들이 출력단(13) 및 회수단(14) 단자들 사이의 출력 전압 영향을 끼치는 것을 방지할 수 있게 된다.
알 수 있는 바와 같이, 제어 장치(55)는 입력단들(61 및 62)에서 CS 신호 증폭없이, CS 신호를 FB 신호 및 참조 신호와 결합시킨다. 따라서, 에러 증폭기(77)는 CS 신호가 증폭을 거치기 전에 CS 신호를 수신한다. CS 신호가 바이어스 신호에 참조되므로, 증폭기(70)는 바이어스 신호의 값에 대한 FB 신호 참조를 위해 이용되며, 에러 증폭기(77)는 에러 신호로부터 바이어스 신호를 제거하기 위해 바이어스 신호의 전위를 감산하기 위해 이용된다. 보상 엘리먼트(52) 및 이득 엘리먼트 저항(51)에 대한 값들은 에러 증폭기(77) 및 이들 엘리먼트들에 의해 형성되는 증폭 기 회로에 고 dc 이득을 제공할 수 있도록 선택된다. 이러한 증폭기 회로의 dc 이득은 통상 천(1000)이상이며, 바람직하게는 대략 만 내지 백만(10,000-1,000,000)이다. 최소 이득을 천이상 유지시키는 것이 바람직하며 비록, 이득이 온도 및 전압을 높이겠지만, 이러한 고 이득이 음 귀환의 이점을 통해, 이득 변화가 출력 전압에 끼치는 영향을 최소화시킬 수 있다라는 것을 당업자라면 인정할 수 있을 것이다. 에러 신호를 형성하기 이전에 CS 신호를 증폭하지 않는 것은 출력 전압의 정밀도를 향상시키는 에러 증폭기(77)에 의해 형성되는 ES 신호 및 제어 장치(55)에 의해 제어되는 합성된 임피던스 내의 에러들을 최소화시키는 데에 용이하다.
당업자라면, 전류 감지 신호들의 값이 일반적으로 매우 낮다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 종래의 회로들은 그러한 전류 감지 신호들을 에러 증폭기에 제공하기 이전에 그들을 차동적으로 증폭하기 위해 전용의 전류 감지 증폭기를 사용했었다. 이러한 종래의 전용 전류 감지 증폭기들은 대개 약 5%이하의 범위에서 원하는 출력 임피던스를 합성하기 위해 낮고 매우 정밀한 이득들을 가졌었다. 전용 전류 감지 증폭기의 출력은 개별의 에러 증폭기에 입력으로서 사용되기 이전에 보통 참조 전압 또는 귀환 전압에 합해진다. 그러한 전용 전류 감지 증폭기들은 보통 전류 감지 신호의 값과 충분히 비교할 수 있는 에러 전압들을 발생시킨다.
따라서, CS 신호가 에러 증폭기에 수신되기 이전에 증폭하지 않도록 제어 장치(55)를 구성하는 것은 ES 신호 내의 그러한 에러의 가능성을 최소화시킨다. CS 정보의 초기 증폭없이 전류 감지 정보를 출력 전압 정보와 결합시키기 위해 증폭기(77)를 이용하는 것은 제어 장치(55)가 시스템(10)의 합성된 출력 임피던스를 정 밀히 제어할 수 있게 한다. 이후 알아보겠지만, 제어 장치(55)의 구성은 인덕터들(22 및 37)과 같은, N개의 채널 인덕터들의 등가의 일련의 저항의 기능을 하도록 출력 임피던스를 합성하며, 다음의 등식에 나타낸 바와 같이, 저항들(51 및 50)의 비율을 포함한다. 시스템(10)의 합성된 출력 임피던스 Zo는:
Zo=(Vo1-Vo2)/(I1-I2)이다.
여기서, Zo - 출력단(13) 및 회수단(14) 사이의 합성된 출력 임피던스,
Vo1 - 전류(15)의 제 1 값에서 출력단(13) 및 회수단(14) 사이의 출력 전압,
Vo2 - 전류(15)의 제 2 값에서 출력단(13) 및 회수단(14) 사이의 출력 전압,
I1 - 부하 전류(15)의 제 1 값, 및
I2 - 부하 전류(15)의 제 2 값이다.
그러나, Vo=Vref-(VESR*(R51/ER50) 이며,
여기서: Vo - 출력단(13) 및 회수단(14) 사이의 출력 전압,
Vref - 참조 발생기(68)로부터의 참조 전압,
VESR - 병렬의 N 출력 인덕터들 모두의 ESR 양단의 수치적인 평균 전압,
ER50 - 저항들(R28 및 R43)의 병렬 결합에 합해지는 저항(50)의 값, 및
R51 - 저항(51)의 값.
그러나, VESR =I15*ESRn
여기서: ESRn - N 채널 인덕터들의 병렬 ESR, 및
I15 - 부하 전류(15).
ESRn 등식을 위의 Vo에 대한 등식에 대입하면, 그 결과는:
Vo=Vref-(I15*(ESRn)*(R51/ER50))이다.
Vo 등식을 Vo1 및 Vo2 용어에 대하여 위의 Zo 등식에 대입하면, 그 결과는:
Zo=ESRn*(R51/ER50)이 된다.
따라서, 제어 장치(55)의 구성은 저항들(50 및 51)의 값들을 조절함으로써 가변시킬 수 있는 합성된 출력 임피던스를 형성한다. 따라서, 합성된 출력 임피던스는 제어 장치(55) 또는 시스템(10)의 어떤 증폭기들의 함수는 아니다. 기생 저항들(27 및 42)의 값은 일반적으로 매우 작으므로(보통 일 또는 이(1-2) 밀리-오옴), 저항들(26 및 41)은 단지 수 오옴(예컨대, 1-2 오옴)일 수 있으며, 적어도 저항들(27 및 42)의 수배이며, 그 결과 저항들(27 및 42)로는 전류가 거의 흐르지 않게 된다. 바이어스 신호는 (만일, 회수단(14)을 참조하면) 대략적으로 출력 전압의 값과 저항들(27 및 42) 양단에서 강하된 전압의 산술 평균의 합과 동일한 것으로 여길 수 있다. 기생 저항들(27 및 42) 양단의 전압 강하 없이는, 출력 전웝의 원하는 값을 얻을 수 없다라는 것을 당업자라면 인정할 것이다. 커패시터(49)와 함께 저항들(28, 43 및 50)의 병렬 등가 저항은 그들 자신의 등가 직렬 저항과 함께 그들의 인덕턴스인 인덕터들(22 및 37)의 시간 상수와 대략적으로 동일하도록 보통 선택되는 시간 상수를 형성한다. 몇몇 실시 예들에서, 커패시터(49) 및 저항들(28 및 43)의 RC 회로는 또한 ESR 및 인덕터들(22 및 37)의 인덕턴스의 온도 흐름을 허용할 수 있도록 온도 보상을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, FB 신호는 회수 단자(12)를 참조하는 단일의 종단 신호일 수 있으며, 저항들(71 및 75)은 생략할 수 있다.
도 2는 도 1의 설명에서 설명한 전원 공급 제어 장치(55)의 PWM(81)의 실시예 일부를 대략적으로 도시한 도면이다. PWM(81)은 다중-위상 클록(85), 및 제 1 PWM 채널(86) 및 제 2 PWM 채널(93)과 같은 다수의 PWM 채널들을 포함한다. 클록(85)은 출력단들(82 및 83)에 스위칭 제어 신호들 형성을 지원하는 다수의 클록 신호들, CK1 내지 CKn을 형성한다. 제 1 PWM 채널(86)은 램프 발생기 또는 램프(87), PWM 비교기(91), PWM 래치(92), 합산 회로(90), 및 전류 감지 증폭기(89)를 포함한다. 유사하게, 제 2 PWM 채널(93)은 램프 발생기 또는 램프(94), PWM 비교기(98), PWM 래치(99), 합산 회로(97), 및 전류 감지 증폭기(96)를 포함한다. 당업자라면, 증폭기들(89 및 96)이 제 1 PWM 채널(86) 및 제 2 PWM 채널(93) 각각을 위한 전류 감지 신호들을 형성하기 위해 이용된다라는 것을 인정할 수 있을 것이다. 그러한 CS 신호들 및 CS 증폭기들은 시스템(10)의 다양한 위상들 사이에서 채널 전류들의 균형을 위해 이용된다. 다중의 램드들 및 다중의 PWM 비교기들을 포함하는 다중-위상 시스템의 일 예가 2006년 6월 6일자로 Paul J. Harriman 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 7,057,381 호에 개시되어 있으며, 여기서 참조로써 결합된다.
도 3은 도 1의 설명에서 설명한 제어 장치(55) 엘리먼트의 일부를 포함하는 선형 전원 공급 제어 장치(110)를 포함하는 전원 공급 시스템(100)의 일부분의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 시스템(100)은 트랜지스터(101)로서 도 3에 도시된 선형 전원 제어 엘리먼트를 포함한다. 제어 장치(110)는 출력단(13)과 회수단(14) 사이에서 출력 전압의 값을 조절하기 위해 트랜지스터(101)를 동작시키도록 구성된다. 시스템(100)을 위한 전류 스티어링 회로는 일반적으로 트랜지스터(101), 및 전류 감지 트랜지스터(103)로서 도시된 전류 감지 엘리먼트를 포함한다. 시스템(100)은 전류 스티어링 회로에서 인덕터들을 사용하지 않기 때문에, 전류 감지 트랜지스터(103)는 트랜지스터(101)와 출력단(13) 사이에서 직렬로 연결된다. 통상적으로, 선형 전원 공급 제어 시스템들은 도 1에 도시된 다중 채널들과 같은 다중 채널들을 포함하지 않으나, 몇몇 실시 예들은 선형 형태의 전원 공급 시스템에서 다중 채널들을 이용할 수도 있다. 부하 전류(15)로부터 발생되어 저항(103)에 의해서 발생된 전류 감지 신호는 노드(53)에 전류 감지 신호를 형성하는데, 이는 노드(54)에서 바이어스 신호로 참조된다. 도시된 바와 같이, 전류 감지 신호는 전류 감지 신호가 증폭되기 이전에 에러 증폭기(77)에 의해서 수신된다. 제어 장치(110)는 차동 회로(69), 에러 증폭기(77) 및 버퍼(107)를 포함한다. 차동 회로(69)와 에러 증폭기(77)는 도 1에 도시된 동일 엘리먼트들과 유사하게 동작한다. 버퍼(107)는 증폭기(77)로부터 나오는 에러 신호를 수신하고, 제어 장치(110)의 구동 출력단(109)으로 제공되기 전에 신호를 버퍼링한다.
도 4는 시스템(100)의 다른 실시 예인 전원 공급 시스템(125)의 일부의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 시스템(125)은 전원 공급 제어 장치(126) 실시 예의 일부를 포함하며, 이때 상기 전원 공급 제어 장치는 도 3에 도시된 제어 장치(110)의 다른 실시 예이다. 제어 장치(126)는 트랜지스터(101)를 대체하는 SENSEFET 타입의 트랜지스터(127)를 포함하며, 이는 트랜지스터(101)를 대체하고 전류 감지 저항(103) 및 저항(50)를 대체한다. SENSEFET 형태의 트랜지스터는 주 트랜지스터 부분과 감지 트랜지스터 부분을 포함하도록 형성된다. SENSEFET 타입의 트랜지스터는 통상적으로 도 4에는 도시하지 않은 기생체 다이오드를 또한 포함한다. 통상적으로, SENSEFET 타입의 트랜지스터는 낮은 온-저항의 큰 부하 전류를 가질 수 있는 대형 트랜지스터를 형성하도록 서로 연결된 많은 트랜지스터 셀들로 형성된다. 셀들의 몇몇은 나머지 셀들의 소오스들과는 별도로 그들의 소오스들을 가지며, 별도의 외부 단자나 감지 단자에 접촉하게 된다. 상기 소오스들의 나머지는 주 트랜지스터 부분의 소오스를 형성하도록 함께 연결된다. 모든 셀들의 드레인들과 게이트들은 각각의 드레인과 게이트를 형성한다. SENSEFET는 미합중국 애리조나주 피닉스 소재의 세미콘덕터 컴포넌츠 인더스트리즈, 엘엘씨(Semiconductor Components Industries, LLC; SCILLC)사의 상표명이다. SENSEFET 형태의 트랜지스터의 한 예가 1985년 11월 12일자로 Robert Wrathall에게 허여된 미국 특허 제 4,553,084 호에 개시되어 있으며, 상기 특허는 여기에서는 참고 문헌으로서 결합된다.
부하 전류(15)가 트랜지스터(127)를 통해서 흐름에 따라서, 트랜지스터(127)의 감지 엘리먼트 혹은 감지 트랜지스터(128)는 CS 신호를 형성하는 전류(130)를 형성한다. CS신호는 에러 증폭기(77)의 반전 입력단에서 증폭기(77)에 의해서 수신된다. 트랜지스터(128)는 증폭기(77)의 반전 입력단에 연결되기 때문에, 증폭기(77)를 포함하는 제어 루프는 CS 신호를 제어 장치(126)의 출력단(131)에서 형성되는 바이어스 신호에 참조되게 한다. 차동 회로(69)는 저항(78)를 통해 바이어스 신호를 수신한다. 그러므로, 회로(69)와 에러 증폭기(77)는 도 1 및 3의 회로(69) 및 증폭기(77)와 유사한 기능을 수행한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 저항(103)은 전류(15)를 전압으로 변환시키며, 변환된 전압은 저항(50)에 의해서 전류 신호로 다시 변환된다. 도 4에 나타낸 구현은 감지 트랜지스터(128)를 통해서 전류 감지 신호에 대한 전류를 직접 형성한다. 도면에 대한 이해를 돕기 위하여, 입력단(61)과 출력단(131) 사이의 연결은 제어 장치(126)에 외부로서 도시되어 있으나, 이 연결은 제어 장치(126) 내부일 수 있으며, 입력단(61)은 생략할 수 도 있다. 비록 저항들(127 및128)은 N-채널 트랜지스터들로서 설명하였지만, 당업자는 트랜지스터들(127 및 128)이 P-채널 트랜지스터들일 수 있다라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러한 구성을 위해, 증폭기(70)의 반전 및 비반전 입력단들은 서로 바뀔 수 있다.
도 5는 반도체 다이(die: 141) 상에 형성되는 반도체 디바이스나 집적 회로(140)의 실시 예의 일부를 확대한 평면도를 개략적으로 도시한 도면이다. 제어 장치(55)는 다이(141) 상에 형성된다. 다이(141)는 다른 회로들을 또한 포함할 수 있는데, 이 회로들은 도면의 단순화를 위해서 도 5에는 도시하지 않았다. 제어 장치(55) 및 디바이스 또는 집적 회로(140)는 당업자에게 잘 알려진 반도체 제조 기술들에 의해서 다이(141) 상에 형성된다.
전술한 바와 같이 새로운 디바이스와 방법이 설명되었다. 다른 특징들 중에서 전류 감지 신호가 증폭되기 이전에 전류 감지 신호를 수신하도록 전원 공급 제어 장치를 형성하는 특징이 포함되었다. 증폭을 거치지 않은 전류 감지 신호에 따라 동작하도록 전원 공급 제어 장치를 구성함으로써, 출력 전압을 보다 정밀하게 조절할 수 있게 한다. 그와 같은 구성은 전류 감지 신호와 전원 공급 제어 장치에 의해 조절된 출력 전압에 있어서의 에러들을 최소화시킨다. 바이어스 신호의 전위 밖으로 공제되도록 전원 공급 제어 장치를 구성하는 것은 증폭 이전에 전류 감지 신호를 이용하게 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 반도체 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 용어 "연결된"은 명세서 전체에 걸쳐서 설명의 명확성을 위해서 사용되었지만, 용어 "결합된"과 동일한 의미로서 사용하도록 의도된 것이다. 따라서, 용어 "연결된"은 직접 연결이나 간접 연결을 포함하도록 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 공급 제어 장치를 갖는 전원 공급 시스템 일부의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며;
도 2는 본 발명에 따른 도 1의 전원 공급 제어 장치의 일부의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며;
도 3은 본 발명에 따른 다른 전원 공급 제어 장치를 갖는 다른 전원 공급 시스템 일부의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며;
도 4는 본 발명에 따른 도 3의 전원 공급 시스템의 대체된 실시예인 다른 전원 공급 시스템 일부의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며;
도 5는 본 발명에 따른 도 1의 전원 공급 제어 장치를 포함하는 반도체 디바이스의 확대 평면도를 개략적으로 도시한 도면이다.

Claims (3)

  1. 부하에 부하 전류를 공급하고 전원 공급 시스템의 출력 전압을 조정하도록 전원 제어 엘리먼트를 제어하는 제어 신호를 형성하도록 구성된 제어 회로;
    상기 부하 전류의 값을 감지하기 위해 전류 감지 엘리먼트에 의해 형성된 전류 감지 신호를 수신하도록 결합된 제 1 입력단을 갖는 에러 증폭기(error amplifier)로서, 상기 전류 감지 신호는 상기 전류 감지 엘리먼트의 제 1 측에 형성되는 바이어스 신호에 의해 참조되고, 상기 에러 증폭기의 제 2 입력단은 상기 바이어스 신호를 수신하도록 구성되는, 상기 에러 증폭기; 및
    상기 바이어스 신호를 증폭하도록 결합되고, 상기 에러 증폭기의 입력단에서 차동 증폭기(difference amplifier)의 출력과 상기 전류 감지 신호를 합하도록 구성되는 상기 차동 증폭기를 포함하는, 전원 공급 제어 장치.
  2. 전원 공급 제어 장치를 형성하는 방법으로서,
    부하에 부하 전류를 공급하고 전원 공급 시스템의 출력 전압을 조정하기 위해, 전력 트랜지스터를 제어하기 위해 구동 신호를 형성하도록 상기 전원 공급 제어 장치를 구성하는 단계; 및
    상기 부하 전류를 나타내는 전류 감지 신호를 수신하도록 상기 전원 공급 제어 장치의 에러 증폭기를 구성하는 단계로서, 상기 전류 감지 신호는 상기 전류 감지 신호를 형성하는 전류 감지 엘리먼트의 출력측의 전압을 나타내는 바이어스 신호에 의해 참조되고, 상기 에러 증폭기는 상기 전류 감지 신호가 먼저 증폭되지 않은 채로 상기 전류 감지 신호를 수신하는, 상기 에러 증폭기 구성 단계를 포함하는, 전원 공급 제어 장치를 형성하는 방법.
  3. 전원 공급 제어 장치를 형성하는 방법으로서,
    부하에 부하 전류를 공급하고 전원 공급 시스템의 출력 전압을 조정하기 위해, 전력 트랜지스터를 제어하기 위해 구동 신호를 형성하도록 상기 전원 공급 제어 장치를 구성하는 단계; 및
    상기 부하 전류를 나타내는 전류 감지 신호를 수신하도록 상기 전원 공급 제어 장치의 에러 증폭기를 구성하는 단계로서, 상기 전류 감지 신호는 상기 전류 감지 신호를 형성하기 위해 이용되는 전류 감지 엘리먼트의 출력 전위를 나타내는 바이어스 신호에 의해 참조되는, 상기 에러 증폭기 구성 단계를 포함하는, 전원 공급 제어 장치를 형성하는 방법.
KR1020070118955A 2006-11-21 2007-11-21 전원 공급 제어 장치 및 그 방법 KR101415011B1 (ko)

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US11/561,990 2006-11-21
US11/561,990 US7583120B2 (en) 2006-11-21 2006-11-21 Power supply controller and method therefor

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