KR101434604B1 - 제로 전류 스위칭을 이용한 바이어스 모듈레이터 장치 및 방법 - Google Patents

제로 전류 스위칭을 이용한 바이어스 모듈레이터 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터 장치 및 방법에 관한 것으로서, 바이어스 모듈레이터는, 입력되는 포락선(Envelope) 신호를 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 변환하는 PWM 신호 생성기와, 상기 PWM 신호의 온(on) 타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하고, 상기 ZCS 제어 신호의 개수에 따라 적어도 하나의 ZCS 제어 신호를 발생시키는 PWM/ZCS 변환부와, 상기 ZCS 제어 신호에 따라 바이어스 전류를 발생시키는 ZCS 스위칭 레귤레이터를 포함하며, 일반적인 스위칭 방식의 레귤레이터를 사용하는 방식에 비해 저손실 고효율의 바이어스 모듈레이터를 구현할 수 있다.
EER(Envelope Elimination and Restoration), ET(Envelope Tracking), 바이어스 모듈레이터(Bias Modulator), 전력증폭기

Description

제로 전류 스위칭을 이용한 바이어스 모듈레이터 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BIAS MODULATOR USING ZERO CURRENT SWITCHING}
본 발명은 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 무선통신 시스템에서 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래 들어 멀티미디어 서비스와 사용 데이터의 대용량화로 인해 현재 무선 통신 시스템은 갈수록 신호의 복잡도가 증가하고 광대역화 되어가고 있다. 이에 따라 시스템에서 최종 출력을 내보내는 전력 증폭기 또한 높은 효율과 선형성을 동시에 요구받고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 RF 전력 증폭기의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 1의 (a)를 참조하면, 기저대역 신호발생기(100)에서 생성된 I, Q 신호는 기저대역 신호 제어기(102)로 입력되고, 상기 기저대역 신호 제어기(102)에서 신호의 포락선(Envelope)이 추출되고, 상기 포락선 신호는 바이어스 모듈레이터(106)를 통해 전력증폭기(124)의 전원으로 공급된다. 그리고, 고주파 변조기(104)는 상기 기저대역 신호 제어기(102)로부터 기저대역 신호(I+jQ)를 입력 받아 RF 신호로 변조하고, 상기 전력증폭기(124)로 출력한다. 상기 전력증폭기(124)는 상기 RF 신호를 증폭하여 고출력의 RF 신호를 출력한다.
상기 바이어스 모듈레이터(106)는 선형 전류를 공급하는 선형증폭기(114)와 대전류를 공급하는 스위칭 레귤레이터(108)로 구성된다. 상기 스위칭 레귤레이터(108)의 제어 신호는 상기 포락선 신호를 PWM(Pulse Width Modulation)신호로 변환하는 PWM 신호 생성기(110) 및 스위치를 구동하기 위해 신호의 크기를 조절해 주는 스위치 드라이버(112)를 통해 스위치(118)로 공급된다.
또한, 상기 스위칭 레귤레이터(108)는 전원을 공급하는 전원부(116)와 제어 신호에 따라 전원공급을 온(on)/오프(off)하는 스위치(118), 전류의 스위칭 리플(riffle)을 없애주는 인덕터(122)와 스위치가 오프 상태일 때 전류 경로를 만들어주는 다이오드(120)로 구성된다.
상술한 바이오스 모듈레이터(106)에서는 대부분의 전류를 공급하는 스위칭 레귤레이터(108)의 효율이 중요하지만, 상기 스위칭 레귤레이터(108)는 스위치 내부 저항으로 인해 전류가 흐를 때 발생하는 전도 손실 즉, 부품 자체의 고유손실과 스위치의 온/오프 시 이상적으로 동작하지 않기 때문에 발생하는 손실, 즉, 도 1의 (b) 에서와 같이 스위치 전류(154)와 스위치 양단 전압(152)가 겹쳐지는 스위칭 손실(156)이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프시간을 보상하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 신호를 제어하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터 장치는, 입력되는 포락선(Envelope) 신호를 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 변환하는 PWM 신호 생성기와, 상기 PWM 신호의 온(on) 타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하고, 상기 ZCS 제어 신호의 개수에 따라 적어도 하나의 ZCS 제어 신호를 발생시키는 PWM/ZCS 변환부와, 상기 ZCS 제어 신호에 따라 바이어스 전류를 발생시키는 ZCS 스위칭 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2견지에 따르면, ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터 방법은, 입력되는 포락선 신호를 PWM 신호로 변환하는 과정과, 상기 PWM 신호의 온 타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하는 과정과, 상기 ZCS 제어 신호의 개수에 따라 적어도 하나의 ZCS 제어 신호를 발생시키는 과정과, 상기 ZCS 제어 신호에 따라 ZCS 스위칭 레귤레이터를 동작시킴으로써 바이어스 전류를 발생시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 바이어스 모듈레이터에서 ZCS(Zero Current Switching)방법을 이용하여 스위칭을 제어함으로써 일반적인 스위칭 방식의 레귤레이터를 사용하는 방식에 비해 저손실 고효율의 바이어스 모듈레이터를 구현할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명에서는 바이어스 모듈레이터에서 ZCS(Zero Current Switching)를 이용하여 스위칭을 제어하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.
상시 ZCS의 전체적인 구조는 일반적인 스위칭 레귤레이터의 구조를 가지지만 인덕터와 캐패시터로 구성된 공진블럭(Resonant Block)을 추가하여 스위치에 흐르는 전류를 스위치가 오프(off)되기전에 꺼줌으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프(off) 시간을 보상하기 위한 전력증폭기의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 전력 증폭기는 기저대역신호발생기(200), 기저대역 신호 제어기(202), 바이어스 모듈레이터(204), 고주파 변조기(218), 전력증폭기(220)를 포함하여 구성된다.
상기 기저대역 신호발생기(200)에서 생성된 I, Q 신호는 기저대역 신호 제어기(202)로 입력되고, 상기 기저대역 신호 제어기(202)는 상기 I, Q 신호의 포락선(Envelope)을 추출한다. 그리고, 상기 바이어스 모듈레이터(204)는 상기 포락선 신호를 이용하여 상기 전력증폭기(220)로 전원을 공급한다. 상기 고주파 변조기(218)는 상기 기저대역 신호 제어기(202)로부터 기저대역 신호(I+jQ)를 입력받아 RF 신호로 변조하고, 상기 전력증폭기(220)는 상기 RF 신호를 증폭하여 고출력의 RF 신호를 출력한다.
상기 바이어스 모듈레이터(204)는 PWM(Pulse Width Modulator) 신호 생성기(206), PWM/ZCS 변환부(208), ATC(Adaptive Timing Control) 블록(210), 스위치 드라이버(212), ZCS 스위칭 레귤레이터(214), 선형증폭기(216)를 포함하여 구성된다.
상기 PWM 신호 생성기(206)는 상기 기저대역 신호 제어기(202)로부터 제공되는 포락선 신호를 저대역 필터링(Low Pass Filtering)함으로써 PWM 신호를 생성하고, 상기 PWM 신호를 상기 PWM/ZCS 변환부(508)로 출력한다.
상기 PWM/ZCS 변환부(208)는 상기 PWM 신호의 온 타임 구간을 산출하여 상기 온 타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하고, 상기 ZCS 제어 신호의 개수에 따라 내부 클럭(clock)에 맞추어서 ZCS 제어 신호를 발생시킨다.
상기 ATC 블록(210)은 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(214)로부터 피드백(Feedback)된 신호와 논리(Logic) OR 연산을 통해 전류가 있을 때에는 스위치가 오프되지 않도록 타이밍을 조절하여 상기 제어 신호를 출력한다.
상기 스위치 드라이버(212)는 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(214)의 스위치를 구동하기 위해 상기 ATC 블록(10)으로부터 제공되는 신호의 크기를 조절하여 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(214)로 출력한다.
상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(214)는 역전류의 흐름을 방지하고, 스위치 온/오프 여부를 상기 ATC 블록(210)으로 피드백하며, 상기 전력증폭기(220)의 바이어스 전류를 제공한다. 또한, PWM 신호가 길어질 경우, 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(214)는 스위치 온 후 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(214) 내부의 공진 블록(resonant Block)에 의해 자동적으로 오프되는 전류를 ZCS 타임 주기에 따라 지속적으로 온 시킨다.
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도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프시간을 보상하기 위한 바이어스 모듈레이터의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 바이어스 모듈레이터는 PWM/ZCS 변환부(300), ATC 블록(310), 스위치드라이버(316), ZCS 스위칭 레귤레이터(318)를 포함하여 구성되며, 상기 PWM/ZCS 변환부(300)는 PWM Time Duration 계산부(302), ZCS Number 계산부(304), ZCS Control 신호 발생부(306)를 포함한다. 상기 ATC 블록(310)은 Logic OR 블록(312), 비교기(314)를 포함하고, 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318)는 전원부(320), 스위치(322), 다이오드(324), 전류검출부(326), 인덕터(328), 캐패시터(330), 다이오드(332), 인덕터(334)를 포함하여 구성된다.
상기 PWM/ZCS 변환부(300)의 상기 PWM Time Duration 계산부(302)는 PWM 신호의 온 타임 구간을 산출하여 상기 ZCS Number 계산부(304)로 출력한다. 상기 ZCS Number 계산부(304)는 상기 온 타임 구간 동안 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하여 상기 ZCS Control 신호 발생부(306)로 입력한다. 여기서, 상기 온 타임 구간 동안 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수(N_zcs)는 Rounddown[Pulse On Time/Basic ZCS Period Time]으로서, 상기 Rounddown[]은 소수점 버림을, 상기 Pulse On Time은 상기 온 타임 구간을, 상기 Basic ZCS Period Time은 기본 ZCS 제어 신호 구간을 의미한다. 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간은 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318) 디자인(design) 시 평균 전류가 흐를 때 ZCS의 공진 블럭의 인덕터와 캐패시터에 의해 결정된다. 또한, 상기 N_zcs는 정수로서, 계산 결과의 소수점 이하를 버린 결과 값이다. 상기 ZCS Control 신호 발생부(306)는 상기 ZCS Number 계산부(304)에 의해 계산된 ZCS 제어 신호의 개수만큼 기본 ZCS 제어 신호 구간에 맞는 ZCS 신호를 발생시켜 상기 ATC 블록(310)으로 출력한다. 다시 말해, 상기 ZCS Control 신호 발생부(306)는 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간 길이를 갖는 상기 ZCS 제어 신호의 개수 만큼의 ZCS 제어 신호들을 발생시킨다.
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상기 ATC 블록(310)의 상기 비교기(314)는 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318)의 상기 전류 검출부(326)로부터 입력되는 상기 스위치(322)에 흐르는 전류값이 임계값보다 작으면 0을, 임계값보다 크면 1을 상기 Logic OR 블록(312)으로 출력한다. 여기서, 상기 임계값은 상기 스위치(322)의 온/오프 상태를 정의하기 위한 실험을 통해 결정되는 것이 바람직하다. 상기 Logic OR 블록(312)은 상기 ZCS Control 신호 발생부(306)로부터 제공되는 ZCS 신호 및 상기 비교기(314)의 출력 간 논리(Logic) OR 연산을 통해 전류가 있을 시 오프되지 않도록 타이밍을 조절한다. 이에 따라, 상기 전류 검출부(326)에 전류가 검출되거나 또는 상기 PWM/ZCS 변환부(300)로부터 ZCS 신호가 제공되는 동안, 상기 ATC 블록(310)은 오프되지 않는다.
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상기 스위치 드라이버(316)는 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318)의 스위치를 구동하기 위해 상기 ATC 블록(310)으로부터 제공되는 신호의 크기를 조절하여 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318)로 출력한다.
상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318)의 상기 전류 검출부(326)는 상기 스위치(322)를 통해 흐르는 전류를 검출하여 상기 ATC 블록(310)의 상기 비교기(314)로 검출된 전류를 출력한다. 즉, 상기 전류 검출부(326)는 상기 스위치(322)로 제공되는 전류의 온/오프를 피드백한다. 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318)의 다이오드(324)는 역전류의 흐름을 방지한다. 상기 스위치(322)는 상기 전원부(320)로부터 전원을 공급받고, 스위치 드라이버(316)로부터의 제어 신호에 따라 온/오프한다. 상기 인덕터(328) 및 상기 캐패시터(330)는 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(318)의 공진 블럭으로서, 상기 스위치(322)에 흐르는 전류가 상기 스위치(322)의 오프 전에 차단되도록 동작함으로써, 상기 스위치(322)의 오프 시 스위칭 손실이 생기는 것을 방지한다. 상기 다이오드(332)는 상기 스위치(322)가 오프 상태일 때 전류경로(path)를 구성하며, 상기 인덕터(334)는 전류의 스위칭 리플(ripple)을 방지한다.
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도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프시간을 보상하기 위한 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 먼저 상기 바이어스 모듈레이터는 401단계에서 PWM 신호가 발생되는지 확인한다. 상기 PWM 신호가 발생하면, 상기 바이어스 모듈레이터는 403단계로 진행하여 상기 PWM 신호의 온(on) 타임 구간(Ton)을 산출한다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 405단계로 진행하여 상기 온 타임 구간(Ton) 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수(N_zcs)를 산출한다. 여기서, 상기 온 타임구간(Ton)내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수(N_zcs)는 Rounddown[Basic ZCS Period Time/Basic ZCS Period Time]로 정의된다. 여기서, 상기 Rounddown[]은 소수점 버림을, 상기 Pulse On Time은 상기 온 타임 구간 Ton을, 상기 Basic ZCS Period Time은 기본 ZCS 제어 신호 구간을 의미한다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 407단계로 진행하여 상기 N_zcs 개만큼 기본 ZCS 제어 신호 구간에 맞는 ZCS 제어 신호(V_zcs)를 발생시킨다. 다시 말해, 상기 바어어스 모듈레이터는 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간의 길이를 갖는 상기 N_zcs 개의 ZCS 제어 신호(V_zcs)들을 발생시킨다. 이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 409단계로 진행하여 스위치 전류(V_dect)를 검출한다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 411단계로 진행하여 검출된 스위치 전류값(V_dect)이 임계값(Threshold level)보다 작은지 검사한다. 만일, 상기 검출된 스위치 전류값(V_dect)이 상기 임계값보다 크면, 상기 바이어스 모듈레이터는 413단계로 진행하여 V_comp에 1을 입력한다. 한편, 상기 스위치 전류값(V_dect)이 상기 임계값보다 작거나 같으면 상기 바이어스 모듈레이터는 413단계로 진행하여 V_comp에 0을 입력한다. 여기서, 상기 V_comp는 스위치의 온/오프 상태를 나타내기 위한 변수로서, 상기 검출된 전류값(V_dect)과 상기 임계값을 비교하여 결정된다. 상기 임계값은 상기 스위치 전류의 온/오프 상태를 정의하기 위한 실험을 통해 결정되는 것이 바람직하다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 417단계로 진행하여 N_zcs의 개수만큼 기본 ZCS 구간에 따른 ZCS 제어 신호(V_zcs)들 및 상기 V_comp의 논리(Logic) OR 연산을 수행한 후, 419단계로 진행하여 상기 논리 OR 연산의 결과를 스위치 드라이버로 출력한다. 이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 401단계로 되돌아간다.
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도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 제어 신호를 보상하기 위한 전력증폭기의 구조를 도시하고 있다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 전력 증폭기는 기저대역신호발생기(500), 기저 대역 신호 제어기(502), 바이어스 모듈레이터(504), 고주파 변조기(518), 전력증폭기(520)를 포함하여 구성된다.
상기 기저대역 신호발생기(500)에서 생성된 I, Q 신호는 기저대역 신호 제어기(502)로 입력되고, 상기 기저대역 신호 제어기(502)는 상기 I, Q 신호의 포락선을 추출한다. 그리고, 상기 바이어스 모듈레이터(504)는 상기 포락선 신호를 이용하여 상기 전력증폭기(520)의 전원을 공급한다. 상기 고주파 변조기(518)는 상기 기저대역 신호 제어기(502)로부터 기저대역 신호(I+jQ)를 입력받아 RF 신호로 변조하고, 상기 전력증폭기(520)는 상기 RF 신호를 증폭하여 고출력의 RF 신호를 출력한다.
상기 바이어스 모듈레이터(504)는 PWM 신호 생성기(506), PWM/ZCS 변환부(508), 스위치 드라이버(510), ZCS 스위칭 레귤레이터(512), ATC블록(514), 선형증폭기(516)를 포함하여 구성된다.
상기 PWM 신호 생성기(506)는 상기 기저대역 신호 제어기(502)로부터 제공되는 포락선 신호를 저대역 필터링(Low Pass Filtering)을 통해 PWM 신호를 생성하고, 상기 PWM 신호를 상기 PWM/ZCS 변환부(508)로 출력한다.
상기 PWM/ZCS 변환부(508)는 상기 PWM 신호의 온 타임 구간을 산출하고, 상기 온 타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하고, 상기 ZCS 제어 신호의 개수에 따라 내부 클럭(clock)에 맞추어서 ZCS 제어 신호를 발생시키고, 상기 ZCS 제어 신호는 상기 ATC 블록(514)의 출력과 더해져서 상기 스위치 드라이버(510)로 출력된다.
상기 ATC 블록(514)은 상기 기저대역 신호 제어기(502)로부터 포락선 신호를 추출하여 출력 전압을 산출하고 상기 출력 전압에 따른 ZCS 제어 신호의 타이밍을 산출하여 상기 PWM/ZCS 변환부(508)로 출력한다.
상기 스위치 드라이버(510)는 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(512)의 스위치를 구동하기 위해 상기 PWM/ZCS 변환부(508)로부터 제공되는 신호의 크기를 조절하여 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(512)로 출력한다.
상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(514)는 상기 전력증폭기(520)의 바이어스 전류를 제공한다. 또한, PWM 신호가 길어질 경우, 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(514)는 스위치 온 후 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(514) 내부의 공진 블록에 의해 자동적으로 오프되는 전류를 ZCS 타임 주기에 따라 지속적으로 온 시킨다.
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도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 제어 신호를 보상하기 위한 바이어스 모듈레이터의 구조를 도시하고 있다.
상기 바이어스 모듈레이터는 PWM/ZCS 신호 생성기(600), PWM/ZCS 변환부(608), ATC 블록(618), 스위치드라이버(624), ZCS 스위칭 레귤레이터(626)를 포함하여 구성된다. 상기 PWM/ZCS 신호 생성기(600)는 LPF(602), 오실레이터/LUT(604), 비교기(606)을 포함하고, 상기 PWM/ZCS 변환부(608)는 PWM Time Duration 계산부(610), ZCS Number 계산부(612), ZCS Control 신호 발생부(614)를 포함하고, 상기 ATC 블록(618)은 ZCS 타이밍 계산부(620), 전압 크기 계산부(622)를 포함하고, 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(626)는 전원부(628), 스위치(630), 인덕터(632), 캐패시터(634), 다이오드(636), 인덕터(638)를 포함한다.
상기 PWM/ZCS 신호 생성기(600)의 상기 LPF(602)는 상기 기저대역 신호 제어기(502)로부터 제공되는 포락선 신호를 저대역 필터링하고, 상기 비교기(606)는 상기 오실레이터/LUT(604)로부터 제공되는 삼각파 오실레이터 또는 룩업 테이블(LUT : LookUp Table)(604)와 비교하여 PWM 신호를 상기 PWM/ZCS 변환부(608)로 출력한다.
상기 PWM/ZCS 변환부(608)의 상기 PWM Time Duration 계산부(610)는 입력되는 PWM 신호의 온 타임 구간을 산출하여 ZCS Number 계산부(612)로 출력한다. 상기 ZCS Number 계산부(612)는 상기 온 타임 구간 동안 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하여 ZCS Control 신호 발생부(614)로 입력한다. 여기서, 상기 온 타임 구간 동안 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수는 Rounddown[Pulse On Time/Basic ZCS Period Time]으로서, 상기 Rounddown[]은 소수점 버림을, 상기 Pulse On Time은 상기 온 타임 구간을, 상기 Basic ZCS Period Time은 기본 ZCS 제어 신호 구간을 의미한다. 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간은 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(626)의 디자인 시 평균 전류가 흐를 때 ZCS의 공진 블럭의 인덕터와 캐패시터에 의해 결정된다. 또한, 상기 N_zcs는 정수로서, 계산 결과의 소수점 이하를 버린 결과 값이다. 상기 ZCS Control 신호 발생부(614)는 상기 입력된 ZCS 제어 신호의 개수만큼 ZCS 제어 신호들을 발생시키고, 발생된 적어도 하나의 ZCS 제어 신호를 상기 스위치 드라이버(624)로 출력한다. 이때, 상기 ZCS Control 신호 발생부(614)는 상기 ATC 블록(618)으로부터 제공되는 타이밍 값만큼 기본 ZCS 구간을 증가시킴으로써 타이밍 조절된 ZCS 제어 신호를 발생시킨다. 다시 말해, 상기 ZCS control 신호 발생부(614)는 증가된 기본 ZCS 구간 만큼의 길이를 갖는 상기 ZCS 제어 신호 개수만큼의 ZCS 제어 신호들을 발생시킨다.
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상기 ATC 블록(618)의 상기 전압 크기 계산부(622)는 상기 기저대역 신호 제어기(502)로부터 추출되는 포락선 신호 혹은 상기 PWM 신호 생성기(600)의 LPF(602)에서 저대역 필터링된 신호의 전압 크기를 산출하여 상기 ATC 블록(618)의 ZCS 타이밍 계산부(620)로 출력한다. 상기 ZCS 타이밍 계산부(620)는 미리 저장된 룩업 테이블을 참조하거나 또는 계산을 통해 상기 전압 크기에 대응되는 ZCS 제어 신호의 타이밍 값을 결정하여 상기 PWM/ZCS 변환부(608)의 ZCS Control 신호 발생부(614)로 출력한다.
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상기 스위치 드라이버(624)는 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(626)의 스위치(630)를 구동하기 위해 입력받은 신호의 크기를 조절하여 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(626)로 출력한다.
상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(626)의 상기 스위치(630)는 상기 전원부(628)로부터 전원을 공급받고, 상기 스위치 드라이버(624)로부터 제어 신호를 입력받아 온/오프한다. 상기 인덕터(632) 및 상기 캐패시터(634)는 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터(626)의 공진 블럭으로서, 상기 스위치(630)에 흐르는 전류가 상기 스위치(630)의 오프 전에 차단되도록 동작함으로써, 상기 스위치(630)의 오프 시 스위칭 손실이 생기는 것을 방지한다. 상기 다이오드(636)는 상기 스위치(630)가 오프 상태일 때 전류경로(path)를 구성하며, 상기 인덕터(638)는 전류의 스위칭 리플(ripple)을 방지한다.
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도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 ZCS를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 제어 신호를 보상하기 위한 절차를 도시하고 있다.
상기 도 7을 참고하면, 상기 바이어스 모듈레이터는 701단계에서 포락선 신호 및 PWM 신호 생성기에서 생성되어 저대역 필터링된 신호가 추출되는지 확인한다, 상기 저대역 필터링된 신호가 추출되면, 상기 바이어스 모듈레이터는 703단계로 진행하여 상기 추출된 신호의 출력전압(V)를 산출한다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 705단계로 진행하여 상기 출력전압(V)에 따른 ZCS 제어 신호의 타이밍(T_timming)을 산출한다. 여기서, 상기 ZCS 제어 신호의 타이밍(T_timming)은 기 실험 또는 미리 계산된 결과를 저장한 룩 업 테이블(LUT:Look Up Table)을 사용하여 산출한다. 이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 707단계로 진행하여 PWM 신호를 발생시키고, 709단계로 진행하여 상기 PWM 신호의 온(on)타임 구간(Ton)을 산출한다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 711단계로 진행하여 상기 온 타임 구간(Ton) 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수(N_zcs)를 산출한다. 여기서, 상기 온 타임 구간(Ton)내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수(N_zcs)는 N_zcs = Rounddown[Ton/Tzcs]로 정의된다. 여기서, 상기 Rounddown[]은 소수점 버림을, 상기 Pulse On Time은 상기 온 타임 구간 Ton을, 상기 Basic ZCS Period Time은 기본 ZCS 제어 신호 구간을 의미한다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 713단계로 진행하여 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간 값에 상기 705단계에서 산출된 상기 출력전압(V)에 따른 ZCS 신호의 타이밍(T_timming) 값을 더한다. 다시 말해, 상기 바이어스 모듈레이터는 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간을 상기 타이밍(T_timming) 값 만큼 증가시킨다.
이어, 상기 바어이스 모듈레이터는 715단계로 진행하여 상기 N_zcs 동안 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간(Tzcs)에 맞는 ZCS 제어 신호를 발생시킨다. 즉, 상기 바이어스 모듈레이터는 상기 기본 ZCS 제어 신호 구간(Tzcs) 만큼의 길이를 갖는 상기 N_zcs 개의 ZCS 제어 신호들을 발생시킨다.
이후, 상기 바이어스 모듈레이터는 717단계로 진행하여 상기 ZCS 제어 신호를 스위치 드라이버로 출력하고, 701단계로 되돌아간다.
삭제
상술한 설명에서 상기 출력전압을 산출하여 출력전압에 따른 ZCS 제어 신호의 타이밍을 산출하는 과정과 상기 PWM 신호의 온 타임 구간을 산출하여 온타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하는 과정은 순차적 또는 동시에 수행된다.
도 8는 본 발명에 따른 ZCS 제어 신호 타이밍도를 도시하고 있다.
상기 도 8을 참조하면 PWM 신호의 온 타임 구간에 따라 ZCS 제어 신호의 개수가 결정되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상술한 두 가지 방법, 즉, 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프시간을 보상하거나, 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 제어 신호를 보상하는 방법에 따라 손실 없는 ZCS 스위치 제어 신호가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 RF 전력 증폭기의 구조를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프시간을 보상하기 위한 전력증폭기의 구조를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프시간을 보상하기 위한 바이어스 모듈레이터의 구조를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 스위치 전류를 피드백하여 스위치 오프시간을 보상하기 위한 절차를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 신호를 제어하기 위한 전력증폭기의 구조를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 신호를 제어하기 위한 바이어스 모듈레이터의 구조를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터에서 출력신호의 전압에 따른 ZCS 타이밍을 산출하여 ZCS 신호를 제어하기 위한 절차를 도시하는 도면, 및
도 8는 본 발명에 따른 ZCS 제어 신호 타이밍도를 도시하는 도면.

Claims (17)

  1. ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터 장치에 있어서,
    입력되는 포락선(Envelope) 신호를 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 변환하는 PWM 신호 생성기와,
    상기 PWM 신호의 온(on) 타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하고, 상기 ZCS 제어 신호의 개수에 따라 적어도 하나의 ZCS 제어 신호를 발생시키는 PWM/ZCS 변환부와,
    상기 적어도 하나의 ZCS 제어 신호에 따라 바이어스 전류를 발생시키는 ZCS 스위칭 레귤레이터를 포함하고,
    상기 ZCS 스위칭 레귤레이터는, 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터 내부의 스위치에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 모듈레이터는, EER(Envelope Elimination and Restoration) 또는 ET(Envelope Traking) 방식에 따르는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ZCS 제어 신호의 개수는, 상기 PWM 신호의 온 타임 구간을 기본 ZCS 구간으로 나눈 몫인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기본 ZCS 구간은, 평균 전류가 흐를 때 ZCS 스위칭 레귤레이터의 공진 블럭의 인턱터 및 캐패시터에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치에 흐르는 전류가 임계값 이상이면 스위치를 오프(off)하지 않도록 ZCS 제어 신호의 타이밍(timing)을 조절하는 ATC(Adaptive Timing Contol) 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포락선 신호의 출력 전압에 따른 ZCS 제어 신호의 타이밍을 산출하는 ATC 블록을 더 포함하며,
    상기 PWM/ZCS 변환부는, 기본 ZCS 구간에 상기 타이밍을 더함으로써 상기 ZCS 제어 신호의 타이밍을 조절하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. ZCS(Zero Current Switching)를 이용한 바이어스 모듈레이터의 동작 방법에 있어서,
    입력되는 포락선(Envelope) 신호를 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 변환하는 과정과,
    상기 PWM 신호의 온(on) 타임 구간 내에 제공되어야 하는 ZCS 제어 신호의 개수를 산출하는 과정과,
    상기 ZCS 제어 신호의 개수에 따라 적어도 하나의 ZCS 제어 신호를 발생시키는 과정과,
    상기 적어도 하나의 ZCS 제어 신호에 따라 ZCS 스위칭 레귤레이터를 동작시킴으로써 바이어스 전류를 발생시키는 과정을 포함하고,
    상기 바이어스 전류를 발생시키는 과정은 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터 내부의 스위치에 흐르는 전류를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 바이어스 모듈레이터는, EER(Envelope Elimination and Restoration) 또는 ET(Envelope Traking) 방식에 따르는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 ZCS 제어 신호의 개수는, 상기 PWM 신호의 온 타임 구간을 기본 ZCS 구간으로 나눈 몫인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기본 ZCS 구간은, 평균 전류가 흐를 때 상기 ZCS 스위칭 레귤레이터의 공진 블럭의 인턱터 및 캐패시터에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 스위치에 흐르는 전류가 임계값 이상이면 스위치를 오프(off)하지 않도록 ZCS 제어 신호의 타이밍(timing)을 조절하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 포락선 신호의 출력 전압에 따른 ZCS 제어 신호의 타이밍을 산출하는 과정과,
    기본 ZCS 구간에 상기 타이밍을 더함으로써 상기 ZCS 제어 신호의 타이밍을 조절하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 삭제
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  17. 삭제
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