KR101432139B1 - 시스템 온 칩 구현이 가능하고 안전한 부트스트랩 기능을 제공하는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법 - Google Patents

시스템 온 칩 구현이 가능하고 안전한 부트스트랩 기능을 제공하는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

시스템 온 칩 구현이 가능하고 안전한 부트스트랩 기능을 제공하는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 컨버터는 일측이 접지와 연결된 제1 반도체 소자의 다른 일측과 입력 전원 사이에 연결되는 스위칭 소자; 일측이 상기 제1 반도체 소자의 상기 다른 일측과 연결되는 부트스트랩 커패시터; 공용 차지 펌프의 출력단과 상기 부트스트랩 커패시터의 다른 일측 사이에 연결되는 전류 소스; 및 상기 부트스트랩 커패시터의 충전과 상기 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하도록 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 상기 검출된 상기 충전 전압에 기초하여 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어함으로써, 시스템 온 칩(SoC) 구현이 가능하고, 안전한 부트스트랩 기능을 제공할 수 있으며, 스위칭 소자의 게이트 전압이 필요 이상으로 높아지는 것을 방지하여 스위칭 소자를 보호할 수 있고, 외부 커패시터들을 필요로 하지 않기 때문에 제품 단가가 오르는 것을 방지할 수 있다.

Description

시스템 온 칩 구현이 가능하고 안전한 부트스트랩 기능을 제공하는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법 {Switching Mode Converter Providing Safe Bootstrapping Enabling System On Chip And Method For Controlling Thereof}
본 발명은 스위칭 모드 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시스템 온 칩(SoC) 구현이 가능하고, 부트스트랩 기능을 안전하게 제공할 수 있는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 벅 모드(스위칭 모드) 컨버터는 스위칭 소자로 MOS 트랜지스터 예를 들어, PMOS 또는 NMOS를 사용한다. 출력 전압에서 동작하는 스위칭 모드 컨버터에서, 입력 전압이 떨어지면 스위칭 모드 컨버터는 스위칭 소자의 온 타임을 증가시키기 위하여 듀티 사이클(D)을 증가시킨다. 여기서, 듀티 사이클(D)은 스위칭 소자의 온 타임에 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 곱한 것으로 정의될 수 있다.
스위칭 모드 컨버터는 듀티 사이클을 얼마나 크게 할 수 있는지에 대한 제한이 있으며, 스위칭 소자가 PMOS인 벅 컨버터의 경우 PMOS의 게이트가 그라운드(GND)로 간단하게 풀 다운되기 때문에 듀티 사이클은 100%까지 증가할 수 있다.
그러나, PMOS 출력 기기는 비교 성능이 NMOS에 비해 큰 반면 가격이 비싼 단점이 있다.
스위칭 소자로 NMOS가 사용되면, NMOS의 게이트에 소스보다 높은 전압을 인가하는 방법이 필요하다. 종래 기술에 따르면, 부트스트랩 커패시터(bootstrap capacitor)와 다이오드를 이용하여 게이트에 소스보다 높은 전압을 인가하였다. 즉, 도 1에 도시된 종래 일 실시예 기술에 따른 스위칭 모드 컨버터는, 하이 사이드 구동부(20), 로우 사이드 구동부(22), 하이 사이드 스위치(트랜지스터)(24), 로우 사이드 스위치(트랜지스터)(26), 다이오드(28), 부트스트랩 커패시터(30), 인덕터(32), 출력 커패시터(34), 출력 부하 저항(36), 및 입력 전압 VIN을 포함한다.
이런 종래 기술은 부트스트랩 커패시터를 재충전하기 위하여, 컨버터가 100% 듀티 사이클보다 작은 듀티 사이클을 유지해야 하는 단점이 있다. 따라서, 입력 공급 전압이 낮아져 100% 듀티 사이클이 필요한 경우 일부 부품을 동작시킬 수 없는 문제가 발생한다.
이런 문제를 해결하기 위하여 종래 일 실시예 기술에서, 100% 듀티 사이클 여부와 상관없이 완전한 하이 사이드 게이트 드라이브를 공급하기 위하여 고전력 차지 펌프를 사용하였다. 하지만, 고전력 차지 펌프는 실리콘 영역(또는 기반)에서는 매우 고가이고, 추가적인 외부 커패시터들이 사용되기 때문에 비용이 올라가고, 외부적인 영향이 많아지게 되는 문제점이 있었다.
미국등록특허 제6812782호 (등록일 2004.11.02.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로서, 시스템 온 칩(SoC) 구현이 가능하고, 부트스트랩 기능을 안전하게 제공할 수 있는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 공용 차지 펌프의 출력단에 연결된 전류 소스의 출력 전류를 제어함으로써, 공용 차지 펌프를 이용하여 부트스트랩 커패시터의 충전과 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어할 수 있으며, 시스템 온 칩을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 외부 커패시터들을 추가하지 않고 안전한 부트스트랩 기능을 제공할 수 있는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 컨버터는 일측이 접지와 연결된 제1 반도체 소자의 다른 일측과 입력 전원 사이에 연결되는 스위칭 소자; 일측이 상기 제1 반도체 소자의 상기 다른 일측과 연결되는 부트스트랩 커패시터; 공용 차지 펌프의 출력단과 상기 부트스트랩 커패시터의 다른 일측 사이에 연결되는 전류 소스; 및 상기 부트스트랩 커패시터의 충전과 상기 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하도록 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 상기 검출된 상기 충전 전압에 기초하여 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 상기 충전 전압이 미리 결정된 임계 전압 이하인 경우 상기 전류 소스의 출력 전류를 지속적으로 출력하도록 제어할 수 있다.
상기 전류 소스는 상기 제어부에 의한 제어에 의해 출력 전류가 선형적으로 제어되는 선형 레귤레이터를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 전류 소스의 출력을 온/오프하여 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 스위칭 소자의 온 시간(on-time)을 감지하고, 상기 감지된 상기 온 시간이 미리 결정된 기준 시간 이상인 경우 상기 전류 소스의 출력 전류를 지속적으로 출력하도록 제어할 수 있다.
나아가, 본 발명은 제2 전압과 상기 직류 전류의 출력단 사이에 연결되는 다이오드; 및 상기 부트스트랩 커패시터의 일측과 컨버터의 출력단 사이에 연결되는 인덕터를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체 소자는 다이오드 또는 스위칭 소자 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 컨버터의 제어 방법은 일측이 접지와 연결된 제1 반도체 소자의 다른 일측과 연결되는 부트스트랩 커패시터를 충전하는 단계; 일측이 상기 제1 반도체 소자의 상기 다른 일측과 입력 전원 사이에 연결되는 스위칭 소자를 온 시키는 단계; 및 상기 부트스트랩 커패시터의 충전 상태와 상기 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하도록, 공용 차지 펌프의 출력단과 상기 부트스트랩 커패시터의 다른 일측 사이에 연결되는 전류 소스의 출력 전류를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 온 칩이 가능한 전원회로는 공용 차지 펌프; 일측이 상기 공용 차지 펌프의 출력단과 연결되는 전류 소스; 상기 전류 소스의 다른 일측과 연결되며, 입력 전원의 전압을 제1 출력 전압으로 변환하는 스위칭 모드 컨버터; 및 상기 스위칭 모드 컨버터의 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하여 부하에 전달하며, 상기 공용 차지 펌프의 출력단과 연결되어 상기 공용 차지 펌프의 고전위 전압을 이용하는 로우 드랍 아웃 회로;를 포함하고, 상기 스위칭 모드 컨버터는 상기 스위칭 모드 컨버터 내의 부트스트랩 커패시터의 충전 상태와 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하기 위하여 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 공용 차지 펌프를 사용하여 부트스트랩 커패시터의 충전과 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하기 때문에 시스템 온 칩(SoC) 구현이 가능하고, 공용 차지 펌프의 출력단에 연결된 전류 소스의 출력 전류를 제어하여 부트스트랩 커패시터의 충전을 제어함으로써, 안전한 부트스트랩 기능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 부트스트랩 커패시터의 충전 전압에 따라 전류 소스의 출력 전류 레벨 또는 출력 전류의 온/오프를 제어함으로써, 스위칭 소자의 게이트 전압이 필요 이상으로 높아지는 것을 방지하고, 이를 통해 스위칭 소자를 보호할 수 있다. 따라서, 본 발명은 스위칭 모드 컨버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전류 소스의 전류 제어를 통하여 안전한 부트스트랩 기능을 제공하고, 이를 통해 추가적인 외부 커패시터들을 필요로 하지 않기 때문에 제품 단가가 오르는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 일 실시예 기술에 따른 동기식 스위칭 모드 컨버터의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 컨버터의 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 제어부의 일 실시예 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 제어부의 다른 일 실시예 구성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 스위칭 모드 컨버터의 동작에 대한 일 실시예의 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 스위칭 모드 컨버터의 동작에 대한 다른 일 실시예의 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 컨버터의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 단계 S730에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 9는 도 7에 도시된 단계 S730에 대한 다른 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 온 칩이 가능한 전원 회로에 대한 구성을 나타낸 것이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템 온 칩 구현이 가능하고 안전한 부트스트랩 기능을 제공하는 스위칭 모드 컨버터 및 그 제어 방법을 첨부된 도 2 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 컨버터의 구성을 나타낸 것으로, 비동기식 스위칭 모드 컨버터에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 스위칭 모드 컨버터는 공용 차지 펌프(210), 제어부(220), 전류 소스(230), 제1 다이오드(240), 스위칭 소자 구동부(250), 스위칭 소자(260), 부트스트랩 커패시터(270), 제2 다이오드(280) 및 인덕터(290)를 포함한다.
공용 차지 펌프(210)는 본 발명의 스위칭 모드 컨버터 뿐만 아니라 로우 드롭 아웃 레귤레이터(LDO: low dropout regulator)와 같은 추가적인 전하를 필요로 하는 다른 부품에도 전하를 공급하는 차지 펌프로, 제품 예를 들어 차량에서 차지 펌프를 필요로 하는 제품들이 공용으로 사용하는 차지 펌프이다.
부트스트랩 커패시터(270)는 제2 다이오드(280)와 스위칭 소자(260) 사이의 노드와 전류 소스(230)의 출력단에 연결되고, 미리 결정된 공급 전압(VIN')을 제1 다이오드(240)를 통해 공급 받으며, 공급 전압(VIN')과 필요에 따라 전류 소스(230)로부터 출력되는 출력 전류를 이용하여 전압을 충전하고, 충전된 전압은 스위칭 소자 구동부(250)의 온/오프 제어에 의하여 스위칭 소자(260)의 게이트 전압으로 인가된다.
이 때, 부트스트랩 커패시터(270)는 스위칭 소자(260)의 드레인으로 입력되는 입력 전압(VIN)과 상이한 전압(VIN')을 제1 다이오드(240)를 통해 입력 받을 수 있는데, 공급 전압(VIN')은 입력 전압(VIN)을 이용하여 생성된 전압일 수도 있고, 별도의 전압에 의해 생성된 전압일 수도 있다. 물론, 본 실시예에서는 공급 전압(VIN')과 입력 전압(VIN)이 상이한 전압으로 설명하였지만, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않으며 입력 전압(VIN)을 공급 전압(VIN')으로 사용할 수도 있다.
여기서, 스위칭 소자(260)의 드레인으로 입력되는 입력 전압(VIN)은 제품 예를 들어, 차량의 배터리로부터 직접 출력되는 전압일 수도 있고, 차량의 배터리와 본 발명의 스위칭 모드 컨버터 사이에 형성된 특정 회로를 거쳐 입력된 전압일 수 있다.
스위칭 소자 구동부(250)는 스위치 구동 신호 예를 들어, PWM 신호(DRV)에 의한 제어를 통해 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압을 스위칭 소자(260)의 게이트로 입력한다.
스위칭 소자 구동부(250)에 의하여 스위칭 소자(260)가 OFF 상태일 때에는, 스위칭 모드 컨버터의 벅 토폴로지의 동작 특성에 따라 제2 다이오드(280)가 ON 되며 제2 다이오드(280)와 스위칭 소자(260) 사이의 노드의 전압은 0에 가까운 전압으로 낮아진다. 이 때 제1 다이오드(240) 역시 ON 되어 공급 전압(VIN')으로부터 제1 다이오드(240)를 경유하여 부트스트랩 커패시터(270)로 전류가 흘러 부트스트랩 커패시터(270)가 충전된다.
스위칭 소자 구동부(250)에 의하여 스위칭 소자(260)가 ON 상태일 때에는, 제2 다이오드(280)는 OFF 되며, 제2 다이오드(280)와 스위칭 소자(260) 사이의 노드의 전압은 입력 전압(VIN)에 가까운 전압으로 높아진다. 스위칭 소자(260)가 ON 상태일 때에는 제1 다이오드(240)를 통한 부트스트랩 커패시터(270)의 충전이 이루어지지 않기 때문에 스위칭 소자(260)의 ON 상태가 장기간 지속되는 경우 부트스트랩 커패시터(270)의 누설 전류로 인하여 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 상태가 열화되고, 이로 인하여 스위칭 소자(260)의 입력 전압(VIN) 전달 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 이 때 스위칭 소자(260)의 게이트 전압과 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 상태를 보상하기 위하여 공용 차지 펌프(210)와 전류 소스(230)가 이용될 수 있다.
전류 소스(230)는 공용 차지 펌프(210)의 출력단에 연결되고, 제어부(220)에 의한 제어에 의하여 출력 전류를 부트스트랩 커패시터(270)로 제공하고, 필요에 따라 출력 전류를 스위칭 소자(260)의 게이트 전압으로 제공할 수도 있다.
이 때, 전류 소스(230)는 제어부(220)에 의한 출력 전류의 온/오프를 통하여 전류 소스의 미리 결정된 출력 전류를 출력하거나 출력하지 않을 수 있다.
이 때, 전류 소스(230)는 출력 전류를 선형적으로 제공할 수 있는 선형 레귤레이터를 포함할 수 있으며, 이런 전류 소스(230)는 제어부(220)에 의한 제어에 의하여 출력되는 출력 전류 값이 상이하게 제어될 수 있다.
여기서, 전류 소스(230)에 구비된 선형 레귤레이터는 제어부(220)에 의한 제어에 의하여 출력 전류를 선형적으로 제공할 수 있는 모든 레귤레이터를 포함할 수 있다.
제어부(220)는 전류 소스(230)의 출력 전류를 제어하는 구성으로, 부트스트랩 커패시터(270)의 충전과 스위칭 소자(260)의 게이트 전압을 제어하도록 전류 소스의 출력 전류를 제어한다. 또한, 제어부(220)는 스위칭 소자(260)의 게이트 전압을 제어하는 부트스트랩 커패시터(270)의 충전을 제어하도록 전류 소스(230)의 출력 전류를 제어한다.
이 때, 제어부(220)는 1) 100% 듀티 사이클 모드와 상관없이 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압을 감지하고 이를 통해 전류 소스(230)의 출력 전류를 제어할 수도 있고, 2) 100% 듀티 사이클 모드 여부를 감지하고 이를 통해 전류 소스(230)의 출력 전류를 제어할 수도 있다.
1) 제어부(220)는 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압에 기초하여 전류 소스(230)의 출력 전류를 제어하는 경우에는 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압과 전류 소스(230)의 출력 전류 관계에 대한 모델링이 필요하다. 즉, 제어부(220)는 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압을 감지하여, 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압이 전류 소스(230)의 출력 전류를 필요로 하는 제1 전압인 경우 제1 출력 전류를 부트스트랩 커패시터(270)에 제공하고, 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압이 제2 전압(제2 전압 < 제1 전압)인 경우 제2 출력 전류(제2 출력 전류 > 제1 출력 전류)를 부트스트랩 커패시터(270)에 제공할 수 있는 모델링을 이용하여 전류 소스를 제어한다.
2) 제어부(220)는 100% 듀티 사이클 모드 여부에 따라 전류 소스(230)의 출력 전류를 제어하는 경우에는 100% 듀티 사이클 모드 여부를 감지하고, 스위칭 모드 컨버터가 100% 듀티 사이클 모드인 것으로 감지되면 전류 소스(230)의 출력 전류가 부트스트랩 커패시터(270)로 지속적으로 제공되도록 전류 소스(270)의 출력 전류를 제어한다. 즉, 제어부(220)는 100% 듀티 사이클 모드인 경우에만 전류 소스(230)를 제어하여 전류 소스(230)의 출력 전류를 부트스트랩 커패시터(270)로 지속적으로 제공한다.
이 때, 제어부(220)는 스위치 소자 구동부(250)의 PWM 온 시간(on-time)을 감지하고 PWM 온 시간이 일정 시간(1 frequency) 이상이거나 스위칭 소자(260)의 온 시간이 미리 결정된 기준 시간 이상이거나 100% 듀티 사이클 모드를 나타내는 별도의 커맨드(command)가 동작하거나 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압(양단 간 전압 차이)이 미리 결정된 특정 전압 아래로 떨어지는 경우 100% 듀티 사이클 모드로 감지할 수 있다.
스위칭 소자(260)는 전류 소스(230)의 출력 전류와 공급 전압(VIN')에 의해 충전된 부트스트랩 커패시터(270)의 충전 전압과 스위치 소자 구동부(250)의 PWM 제어에 의하여 온/오프되어 입력 전압(VIN)을 변환하여 출력한다.
이 때, 스위칭 소자(260)는 스위칭 모드 컨버터가 100% 듀티 사이클 모드인 경우에는 지속적으로 온되어 입력 전압(VIN)을 변환하여 출력할 수 있는데, 스위칭 소자(260)의 출력 전압은 게이트 전압과 입력 전압(VIN)에 의해 결정될 수 있다.
스위칭 소자(260)는 입력 전압(VIN)과 제2 다이오드(280)에 연결된다.
제2 다이오드(280)는 접지(GND)와 스위치 소자(260)에 연결되며, 제2 다이오드(280)를 사용함으로써, 비동기식 스위칭 모드 컨버터를 구성할 수 있다.
물론, 제2 다이오드(280)는 다른 스위칭 소자(트랜지스터)로 대체될 수 있으며, 스위칭 소자를 사용하는 경우에는 동기식 스위칭 모드 컨버터를 구성할 수 있다.
즉, 본 발명은 접지와 스위칭 소자(260) 사이에 다이오드 또는 다른 스위칭 소자 중 어느 하나를 포함하는 제1 반도체 소자를 형성함으로써, 스위칭 모드 컨버터를 동기식 또는 비동기식으로 만들 수 있다.
인덕터(290)는 스위칭 소자(260)의 온/오프에 따라 출력되는 전압을 이용하여 출력 커패시터(310)와 출력 부하 저항(320)에 출력 전압 Vout을 출력한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 스위칭 모드 컨버터는 공용 차치 펌프의 출력단에 연결되는 전류 소스의 출력 전류의 온/오프 또는 출력 전류의 출력 레벨 제어를 통하여 부트스트랩 커패시터의 충전과 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어함으로써, 안전한 부트스트랩 기능을 제공하고, 시스템 온 칩(SoC) 구현이 가능하다.
또한, 본 발명은 부트스트랩 커패시터의 충전 전압에 따라 전류 소스의 출력 전류 레벨 또는 출력의 온/오프를 제어함으로써, 스위칭 소자의 게이트 전압이 필요 이상으로 높아지는 것을 방지하고, 이를 통해 스위칭 소자를 보호하여 스위칭 모드 컨버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 나아가, 본 발명은 별도의 외부 커패시터들을 필요로 하지 않기 때문에 제품의 단가가 높아지는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 제어부의 일 실시예 구성을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 제어부(220)는 전압 감지부(330) 및 전류 제어부(350)를 포함한다.
전압 감지부(330)는 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 실시간 또는 일정 시간 간격으로 감지한다.
전류 제어부(350)는 전압 감지부(330)에 의해 감지된 부트스트랩 커패시터의 충전 전압에 따라 전류 소스의 출력 전류 온/오프 또는 출력 전류 레벨을 제어한다.
즉, 도 3은 도 1의 제어부(220)에 대한 동작을 설명할 때 제어부(220)의 동작 1)에 대한 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 제어부의 다른 일 실시예 구성을 나타낸 것이다.
도4 를 참조하면, 제어부(220)는 듀티 사이클 감지부(410) 및 전류 제어부(420)를 포함한다.
듀티 사이클 감지부(410)는 스위칭 모드 컨버터의 100% 듀티 사이클 모드 여부를 감지한다.
이 때, 듀티 사이클 감지부(410)는 스위치 소자 구동부의 PWM 온 시간(on-time)을 감지하고 PWM 온 시간이 일정 시간(1 frequency) 이상이거나 스위칭 소자의 온 시간이 미리 결정된 기준 시간 이상이거나 100% 듀티 사이클 모드를 나타내는 별도의 커맨드(command)가 동작하거나 부트스트랩 커패시터의 충전 전압(양단 간 전압 차이)이 미리 결정된 특정 전압 아래로 떨어지는 경우 100% 듀티 사이클 모드로 감지할 수 있다.
전류 제어부(420)는 듀티 사이클 감지부(410)에 의해 스위칭 모드 컨버터가 100% 듀티 사이클 모드인 것으로 감지되면 전류 소스의 출력 전류가 부트스트랩 커패시터로 지속적으로 제공되도록 전류 소스의 출력 전류를 제어한다.
즉, 도 4는 도 1의 제어부(220)에 대한 동작을 설명할 때 제어부(220)의 동작 2)에 대한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 스위칭 모드 컨버터의 동작에 대한 일 실시예의 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 스위칭 모드 컨버터는 부트스트랩 커패시터의 양단 전압인 충전 전압을 감지한다(S510).
감지된 부트스트랩 커패시터의 충전 전압에 따라 부트스트랩 커패시터로 추가적인 전류를 제공하는 공용 차지 펌프로부터 부트스트랩 커패시터로 제공되는출력 전류를 제어한다(S520).
이 때, 공용 차지 펌프의 출력단에 전류 소스를 연결하고, 전류 소스의 출력 전류 온/오프를 제어하거나 전류 소스의 출력 전류 레벨을 제어함으로써, 부트스트랩 커패시터로 제공되는 추가적인 전류를 제어할 수 있다.
전류 소스의 제어된 출력 전류를 이용하여 부트스트랩 커패시터가 추가적으로 충전되면, 부트스트랩 커패시터의 충전 전압과 스위칭 소자의 온/오프를 이용하여 입력 전압을 일정 전압으로 변환하여 출력한다(S530, S540).
여기서, 스위칭 소자의 출력 전압은 게이트 전압과 입력 전압에 의해 결정될 수 있다.
즉, PWM 제어 신호에 의하여 결정된 스위칭 소자의 온/오프 시간과 스위칭 온 시간에 스위칭 소자의 게이트에 입력되는 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 이용하여 스위칭 소자의 드레인으로 입력되는 입력 전압을 일정 전압으로 변환하여 출력하고, 이런 과정을 통해 출력 단자에 일정 출력 전압을 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 스위칭 모드 컨버터의 동작에 대한 다른 일 실시예의 동작 흐름도를 나타낸 것으로, 100% 듀티 사이클 모드 여부에 따른 전류 제어에 대한 것이다.
도 6을 참조하면, 스위칭 모드 컨버터는 100% 듀티 사이클 모드 여부를 감지하고, 스위칭 모드 컨버터가 100% 듀티 사이클 모드로 동작하는 것이 감지되면 부트스트랩 커패시터로 추가적인 전류를 제공하는 공용 차지 펌프에서 부트스트랩 커패시터로 제공되는 출력 전류를 제어하여 부트스트랩 커패시터로 지속적으로 출력 전류를 제공한다(S610 내지 S630).
이 때, 공용 차지 펌프의 출력단에 전류 소스를 연결하고, 100% 듀티 사이클 모드가 감지되면 전류 소스의 일정 출력 전류를 온시켜 일정 출력 전류를 부트스크랩 커패시터로 지속적으로 전달하거나 전류 소스의 출력 전류 레벨을 제어하여 일정 레벨의 출력 전류 또는 레벨이 변하는 출력 전류를 부트스트랩 커패시터로 지속적으로 전달할 수 있다.
전류 소스로부터 지속적으로 출력되는 출력 전류를 이용하여 부트스트랩 커패시터가 추가적으로 충전되면, 부트스트랩 커패시터의 충전 전압과 스위칭 소자의 지속적인 온을 이용하여 입력 전압을 일정 전압으로 변환하여 출력한다(S640, S650). 여기서, 스위칭 소자의 출력 전압은 게이트 전압과 입력 전압에 의해 결정될 수 있다.
즉, 100% 듀티 사이클 모드이기 때문에 스위칭 소자를 한 주기 이상 지속적으로 온시키고, 스위칭 소자의 게이트에 입력되는 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 이용하여 스위칭 소자의 드레인으로 입력되는 입력 전압을 일정 전압으로 변환하여 출력하고, 이런 과정을 통해 출력 단자에 일정 출력 전압을 제공한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 컨버터의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 스위칭 모드 컨버터의 제어 방법은 일측이 접지와 연결된 제1 반도체 소자 예컨대, 다이오드 또는 트랜지스터의 다른 일측과 연결되는 부트스트랩 커패시터를 충전한다(S710).
이 때, 부트스트랩 커패시터는 입력 전원과 제1 반도체 소자의 다른 일측에 연결되는 스위칭 소자가 오프인 상태에서 충전될 수 있다.
부트스트랩 커패시터가 충전되면 입력 전원과 제1 반도체 소자의 다른 일측에 연결되는 스위칭 소자를 온 시키고, 부트스트랩 커패시터의 충전 상태와 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하도록, 전류 소스의 출력 전류를 제어한다(S720, S730).
이 때, 전류 소스는 공용 차지 펌프의 출력단과 부트스트랩 커패시터의 다른 일측 사이에 연결될 수 있다.
단계 S730의 전류 소스의 출력 전류는 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 부트스트랩 충전 전압과 100% 듀티 사이클 모드 여부에 따라 제어될 수 있다.
즉, 도 8에 도시된 일 예와 같이, 전류 소스의 출력 전류를 제어하는 단계(S730)는 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 검출된 부트스트랩 커패시터의 충전 전압에 기초하여 전류 소스의 출력 전류를 제어한다(S810, S820).
여기서, 본 발명은 부트스트랩 커패시터의 충전 전압에 기초하여 전류 소스의 출력 전류를 온/오프하거나 출력 전류의 레벨을 제어할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 다른 일 예와 같이, 스위칭 모드 컨버터가 100% 듀티 사이클 모드에 있는지 판단하기 위하여, 스위칭 소자의 온 시간을 감지하고, 감지된 스위칭 소자의 온 시간과 미리 결정된 기준 시간을 비교하여 100% 듀티 사이클 모드 여부를 판단한다(S910, S920).
여기서, 100% 듀티 사이클 모드 여부를 스위칭 소자의 온 시간을 이용하여 판단하는 것으로 기재하였지만, 이에 한정되지 않으면, 상술한 100% 듀티 사이클 모드 여부를 판단하는 다양한 기준이 사용될 수 있다.
단계 S920 판단 결과, 스위칭 소자의 온 시간이 기준 시간 이상인 경우에는 전류 소스의 출력 전류가 지속적으로 출력되도록 전류 소스의 출력을 제어한다(S930).
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 온 칩이 가능한 전원 회로에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 10을 참조하면, 전원 회로는 공용 차지 펌프(1010), 전류 소스(1020), 제어부(1031)를 포함하는 스위칭 모드 컨버터(1030) 및 로우 드랍아웃(LDO) 회로(1040)를 포함한다. 공용 차지 펌프(1010)는 스위칭 모드 컨버터(1030)와 LDO 회로(1040) 등에 추가적인 전하를 제공한다.
즉, 공용 차지 펌프(1010)를 사용하기 때문에 시스템 온 칩을 구현하기 용이하고, 하나의 공용 차치 펌프(1010)를 사용함으로써, 필요로 하는 공간을 줄일 수 있는 장점이 있다.
전류 소스(1020)는 공용 차지 펌프(1010)의 출력단에 연결되어 공유 차지 펌프(1010)의 출력 전압을 입력 받고, 제어부(1031)에 의한 제어에 의하여 출력 전류를 스위칭 모드 컨버터(1030)로 제공한다.
스위칭 모드 컨버터(1030)는 전류 소스(1020)의 출력단과 연결되고, 입력 전원의 전압을 미리 결정된 제1 출력 전압으로 변환하여 LDO 회로(1040)로 제공한다.
스위칭 모드 컨버터(1030)에 포함된 제어부(1031)는 스위칭 모드 컨버터(1030) 내의 부트스트랩 커패시터의 충전 상태와 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하기 위하여 전류 소스(1020)의 출력 전류를 제어한다.
이 때, 제어부(1031)는 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 검출된 충전 전압에 기초하여 전류 소스(1020)의 출력 전류를 제어할 수 있으며, 나아가 검출된 충전 전압이 미리 결정된 임계 전압 이하인 경우 전류 소스(1020)의 출력 전류가 부트스트랩 커패시터와 스위칭 소자의 게이트 단자로 지속적으로 출력되도록 전류 소스(1020)를 제어할 수도 있다.
또한, 제어부(1031)는 스위칭 모드 컨버터(1030) 내의 스위칭 소자의 온 시간을 감지하고, 감지된 온 시간이 미리 결정된 기준 시간 이상인 경우 전류 소스(1020)의 출력 전류가 부트스트랩 커패시터와 스위칭 소자의 게이트 단자로 지속적으로 출력되도록 전류 소스(1020)를 제어할 수도 있다.
도 10에 도시된 전류 소스(1020)와 스위칭 모드 컨버터(1030)는 도 2 내지 도 4에 기재된 기능을 모두 포함할 수 있다.
LDO 회로(1040)는 스위칭 모드 컨버터(1030)의 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하여 부하에 전달하며, 공용 차지 펌프(1010)의 출력단과 연결되어 공용 차지 펌프(1010)의 고전위 전압을 이용한다.
이 때, LDO 회로(1040)는 패스 소자(미도시)가 n-타입 트랜지스터를 사용하는 경우 공용 차지 펌프의 고전위 전압을 이용할 수 있다.
이와 같이, 도 10에 도시된 전원 회로는 공용 차지 펌프의 출력이 스위칭 모드 컨버터와 LDO 회로에 모두 연결되며, 공용 차지 펌프의 고전위 전압은 LDO 회로 또는 고전위 드라이버의 타겟 전압에 맞추어져 있고, 100% 듀티 사이클 모드 등에서는 전류 소스의 출력 전류 레벨을 제어하여 부트스트랩 커패시터의 충전 상태를 제어할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 성분 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 일측이 접지와 연결된 제1 반도체 소자의 다른 일측과 입력 전원 사이에 연결되는 스위칭 소자;
    일측이 상기 제1 반도체 소자의 상기 다른 일측과 연결되는 부트스트랩 커패시터;
    공용 차지 펌프의 출력단과 상기 부트스트랩 커패시터의 다른 일측 사이에 연결되는 전류 소스; 및
    상기 부트스트랩 커패시터의 충전과 상기 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하도록 제어 신호를 상기 전류 소스로 출력하고, 상기 제어 신호를 이용하여 상기 전류 소스의 출력 여부 또는 출력 전류의 레벨을 제어하는 제어부
    를 포함하는 스위칭 모드 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 상기 검출된 상기 충전 전압에 기초하여 상기 전류 소스의 출력 여부 또는 출력 전류의 레벨을 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류 소스는
    상기 제어부에 의한 제어에 의해 출력 전류가 선형적으로 제어되는 선형 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 스위칭 소자의 온 시간(on-time)을 감지하고, 상기 감지된 상기 온 시간이 미리 결정된 기준 시간 이상인 경우 상기 전류 소스의 출력 전류를 지속적으로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 검출된 상기 충전 전압이 미리 결정된 임계 전압 이하인 경우 상기 전류 소스의 출력 전류를 지속적으로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    제2 전압과 상기 전류 소스의 출력단 사이에 연결되는 다이오드; 및
    상기 부트스트랩 커패시터의 일측과 컨버터의 출력단 사이에 연결되는 인덕터
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 소자는
    다이오드 또는 스위칭 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터.
  9. 일측이 접지와 연결된 제1 반도체 소자의 다른 일측과 입력 전원 사이에 연결되는 스위칭 소자가 오프(OFF) 상태일 때, 상기 제1 반도체 소자의 상기 다른 일측과 연결되는 부트스트랩 커패시터를 충전하는 단계;
    상기 스위칭 소자를 온 시키는 단계; 및
    상기 부트스트랩 커패시터의 충전 상태와 상기 스위칭 소자의 게이트 전압이 제어되도록, 공용 차지 펌프의 출력단과 상기 부트스트랩 커패시터의 다른 일측 사이에 연결되는 전류 소스의 출력 여부 또는 출력 전류의 레벨을 제어하는 단계
    를 포함하는 스위칭 모드 컨버터의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 검출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전류 소스의 출력 여부 또는 출력 전류의 레벨을 제어하는 단계는
    상기 검출된 충전 전압에 기초하여 상기 전류 소스의 출력 여부 또는 출력 전류의 레벨을 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 온 시간(on-time)을 감지하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전류 소스의 출력 여부 또는 출력 전류의 레벨을 제어하는 단계는
    상기 감지된 상기 온 시간이 미리 결정된 기준 시간 이상인 경우 상기 전류 소스의 출력 전류를 지속적으로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 컨버터의 제어 방법.
  12. 공용 차지 펌프;
    일측이 상기 공용 차지 펌프의 출력단과 연결되는 전류 소스;
    상기 전류 소스의 다른 일측과 연결되며, 입력 전원의 전압을 제1 출력 전압으로 변환하는 스위칭 모드 컨버터; 및
    상기 스위칭 모드 컨버터의 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하여 부하에 전달하며, 상기 공용 차지 펌프의 출력단과 연결되어 상기 공용 차지 펌프의 고전위 전압을 이용하는 로우 드랍 아웃 회로;
    를 포함하고,
    상기 스위칭 모드 컨버터는
    상기 스위칭 모드 컨버터 내의 부트스트랩 커패시터의 충전 상태와 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하기 위하여 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어하는 제어부
    를 포함하는 시스템 온 칩이 가능한 전원 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부트스트랩 커패시터의 충전 전압을 검출하고, 상기 검출된 상기 충전 전압에 기초하여 상기 전류 소스의 출력 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템 온 칩이 가능한 전원 회로.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 스위칭 모드 컨버터 내의 스위칭 소자의 온 시간(on-time)을 감지하고, 상기 감지된 상기 온 시간이 미리 결정된 기준 시간 이상인 경우 상기 전류 소스의 출력 전류를 지속적으로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템 온 칩이 가능한 전원 회로.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 검출된 상기 충전 전압이 미리 결정된 임계 전압 이하인 경우 상기 전류 소스의 출력 전류를 지속적으로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템 온 칩이 가능한 전원 회로.
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