KR101443583B1 - 출력 전압을 조절하는 방법 - Google Patents

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Abstract

전원의 출력 전압을 조절하는 방법이 개시되어 있다. 승압 PWM 스위칭 변환기는 스위칭 트랜지스터 및 통과 트랜지스터로의 게이트 구동 신호들을 조정하여, 전원이 파라미터 및 기준 사이의 비교를 기반으로 한 동작 주파수(FS)를 갖도록 한다. 상기 파라미터는 입력 전압 대 출력 전압의 비율, 출력 전압 및 입력 전압 사이의 차이, 또는 입력 전압의 값일 수 있다. 파라미터 및 기준 사이의 비교에 따라, 스위칭 제어 회로는 전원의 동작 주파수를 선형적으로 감소시킨다. 동작 주파수를 변화시킴으로써, 낮은 출력 전압 리플 및 낮은 인덕터 전류 리플을 유지하면서 낮은 듀티 사이클을 갖는 제어 신호로 동작할 때 전력 조절기의 출력 및 입력 전압들이 서로 거의 동일할 수 있다.

Description

출력 전압을 조절하는 방법{METHOD FOR REGULATING AN OUTPUT VOLTAGE}
본 발명은 일반적으로 반도체 소자(semiconductor component)들에 관한 것이며, 특히 전력 스위칭 반도체 소자(power switching semiconductor component)들에 관한 것이다.
전력 변환기들은 자동차, 비행기, 전기통신, 및 가전제품들을 포함한 다양한 전자 제품들에서 사용된다. 직류 대 직류("DC-DC") 스위칭 변환기들과 같은 전력 변환기들은 전형적으로 배터리(battery)들에 의해 전력을 공급받는 랩톱 컴퓨터(laptop computer)들, 개인용 디지털 보조장치(PDA)들, 호출기들, 셀룰러 전화(cellular phone)들, 등과 같은 휴대용 전자 제품들에서 광범위하게 사용되었다. 스위치 모드 전원(switched mode power supply;SMPS)들이라고도 칭해지는 DC-DC 스위칭 변환기들은 상기 변환기로부터 도출되는 부하 전류와 무관한 단일 전압으로부터 또는 상기 변환기에 공급되는 전원의 임의의 변화들로부터 다수의 전압들을 전달할 수 있다. 휴대용 전자 애플리케이션들에서 사용되는 하나의 유형의 DC-DC 스위칭 변환기는 승압 변환기이다. 이 유형의 변환기는 입력 전압을 하나의 전압 레벨(voltage level)로부터 또 다른 전압 레벨로 스위칭할 수 있다. 특히, 승압 변환기는 입력 전압을 하나의 전압 레벨로부터 더 높은 전압 레벨로 스위칭한다. 휴대용 전자 애플리케이션들에서 사용되는 또 다른 유형의 DC-DC 스위칭 변환기는 벅 변환기(buck converter)이다. 이 유형의 변환기는 입력 전압을 하나의 전압 레벨로부터 더 낮은 전압 레벨로 스위칭할 수 있다.
전형적으로, 스위칭 변환기는 인덕터(inductor)와 같은 에너지 저장 소자(energy storage element)에 에너지를 저장한다. 스위칭 변환기를 설계할 시의 2개의 파라미터(parameter)들은 인덕터를 통해 흐르는 피크 전류(peak current) 및 인덕터의 인덕턴스 값(inductance value)이다. 인덕턴스 값을 작게 유지하면서, 낮은 피크 전류를 유지하는 것이 바람직하다. 당업자들이 인식하는 바와 같이, 큰 전류들은 많은 양의 전력을 소모하고, 큰 값의 인덕터들은 스위칭 변환기의 비용을 증가시키고 효율을 감소시키는 에어리어(area)를 소모한다. 작은 인덕터 값 및 수용 가능하게 낮은 전류를 유지하는 하나의 기술은 스위칭 변환기를 높은 스위칭 주파수(FS), 예를 들어, 적어도 1 메가헤르츠(MHz)의 스위칭 주파수에서 동작시키는 것이다. 스위칭 DC-DC 변환기는 펄스 폭 변조(Pulsed Width Modulation: PWM)를 사용하는 것에 의하여 일정한 높은 스위칭 주파수(FS)에서 동작됨으로써, 작은 인덕턴스 값들을 갖는 인덕터들을 사용하도록 할 수 있다.
높은 스위칭 주파수(FS)에서 스위칭 변환기를 동작시키는 것이 더 낮은 인덕턴스 값 및 인덕터를 통해 흐르는 더 낮은 피크 전류를 갖는 인덕터를 사용하도록 할지라도, 이는 바람직하지 않게 짧은 전파 지연들을 초래할 수 있다. PWM 스위칭 변환기에 의한 결점은 PWM 제어 신호의 듀티 사이클(duty cycle)이 제로(zero)에 접근함에 따라, 신호가 하나의 회로 노드로부터 또 다른 회로 노드로 이동하는데 걸리는 시간 길이가 너무 길어진다는 것이다. 즉, 회로 노드들 사이의 전파 지연이 소정의 주파수(F) 및 소정의 기술에 대한 최소 듀티 사이클을 제한한다. 듀티 사이클이 너무 작아질 때, PWM 스위칭 변환기는 버스트 조절(burst regulation)을 초래하는 일부 사이클들을 스킵(skip)하는 것과 같이 조절을 성취하는 또 다른 방법을 찾는다. 이것은 중간 및 과도한 부하들에 대하여 인덕터를 통한 전류에서, 그리고 출력 전압에서 수용 불가능하게 높은 리플(ripple)을 발생시킨다. 스위칭 주파수(FS)보다 더 낮은 주파수들에서 전자기 간섭이 또한 나타날 수 있다.
따라서, PWM 모드 스위칭 변환기의 동작 주파수의 듀티 사이클이 제로에 접근할 때 PWM 모드 스위칭 변환기의 출력 전압을 조절하는 방법을 갖는 것이 유용할 것이다. 구현하기에 시간 및 비용 효율적인 상기 방법은 또한 유용할 것이다.
본 발명의 목적은 PWM 스위칭 DC-DC 변환기와 같은 변환기 시스템의 출력 전압을 조절하는 방법을 제공하는 것이다.
일반적으로, 본 발명은 예를 들어, PWM 스위칭 DC-DC 변환기와 같은 변환기 시스템의 출력 전압을 조절하는 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 전기 신호들이 제공되며, 상기 전기 신호들 중 하나는 주파수(FS)를 갖는다. 주파수(FS)는 기준 신호와의 비교에 응답하여 하나의 주파수로부터 또 다른 주파수로 변화된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 변환기 시스템의 일부는 제 1 주파수에서 동작된다. 제 1 주파수에서의 동작은 파라미터 및 제 1 기준 사이의 비교에 응답하여 계속된다. 변환기 시스템의 동작 주파수는 상기 파라미터 및 제 2 기준 사이의 비교에 응답하여 제 2 주파수로 변화된다.
본 발명은 파라미터 및 기준 사이의 비교에 따라 동작 주파수를 낮추는 것은 동작 전원들이 예를 들어, 약 100 밀리볼트 내에서 출력 전압과 매우 가까운 입력 전압들을 갖도록 한다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 동기 아키텍처(synchronous architecture)를 갖는 전원을 동작시키는 것은 또한 실제 차단 장치(cut-off device)를 제거하도록 하고, 효율을 개선시킨다. 게다가, 본 발명의 실시예들에 따라 동작되는 전원들은 휴대용 통신 애플리케이션들에서 유용한 전자기 간섭의 제어를 개선시킨다. 본 발명의 실시예들에 따른 전원의 동작은 비동기 아키텍처를 갖는 전원들에도 적합하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동기 승압 변환 모드에서 동작하는 PWM 스위칭 DC-DC 변환기의 회로도.
도 2는 게이트 구동 신호(gate drive signal)들의 주파수를 공칭 동작 주파수로부터 더 낮은 동작 주파수로 선형적으로 변화시키는 PWM 스위칭 DC-DC 변환기의 동작 주파수 대 입력 전압의 도면.
도 3은 PWM 스위칭 DC-DC 변환기의 출력 전압 및 인덕터 전류를 시간의 함수로서 도시한 타이밍도(timing diagram).
본 발명은 동일한 요소들에 동일한 참조 부호들이 병기되어 있는 첨부 도면들과 함께 취해진 다음의 상세한 설명의 판독으로부터 더 양호하게 이해될 것이다.
일반적으로, 본 발명은 예를 들어, PWM 스위칭 DC-DC 변환기와 같은 변환기 시스템의 출력 전압을 조절하는 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 전기 신호들이 제공되며, 상기 전기 신호들 중 하나는 주파수(FS)를 갖는다. 주파수(FS)는 기준 신호와의 비교에 응답하여 하나의 주파수로부터 또 다른 주파수로 변화된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 변환기 시스템의 일부는 제 1 주파수에서 동작된다. 제 1 주파수에서의 동작은 파라미터 및 제 1 기준 사이의 비교에 응답하여 계속된다. 변환기 시스템의 동작 주파수는 상기 파라미터 및 제 2 기준 사이의 비교에 응답하여 제 2 주파수로 변화된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동기 승압 변환 모드에서 동작하는 PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)의 회로도이다. 스위치 제어 회로(14)에 결합된 제어 전극을 갖는 스위치(12), 예를 들어, VSS와 같은 동작 소스 전위(source of operating potential)를 수신하도록 결합되는 전류 운반 전극, 및 에너지 저장 소자(16)를 통해 입력 신호를 수신하도록 결합되고 트랜지스터(18)를 통해 부하(20)에 결합되는 전류 운반 전극이 도 1에 도시되어 있다. 예로서, 스위치(12)는 N-채널 스위칭 트랜지스터이고, 트랜지스터(18)는 P-채널 통과 트랜지스터이며, 에너지 저장 소자(16)는 인덕터이고, 부하(20)는 부하 커패시턴스(load capacitance)(24)에 병렬 구성으로 결합된 부하 저항(22)을 포함한다. 특히, 스위칭 트랜지스터(12)는 스위치 제어 회로(14)에 접속되는 게이트 또는 제어 전극, 동작 소스 전위(VSS)를 수신하도록 결합되는 소스, 및 인덕터(16)를 통해 입력 신호(VIN)를 수신하도록 결합되고 통과 트랜지스터(18)의 드레인에 결합되는 드레인을 갖는다. 통과 트랜지스터(18)는 스위치 제어 회로(14)에 접속되는 게이트, 스위칭 트랜지스터(12)의 드레인 및 인덕터(16)의 하나의 단자에 공통으로 접속되는 드레인, 및 부하 저항(22) 및 부하 커패시턴스(24)의 단자에 공통으로 접속되는 소스를 갖는다. 공통으로 접속되는 스위칭 트랜지스터(12) 및 통과 트랜지스터(18)의 드레인들 및 인덕터(16)의 단자가 노드(21)를 형성한다. 선택적으로, 스위치 제어 회로(14)는 인덕터 전류를 감지하기 위하여 노드(21)에 결합된 입력을 가질 수 있다. 공통으로 접속되는 부하 저항(22) 및 부하 커패시턴스(24)의 단자들 및 통과 트랜지스터(18)의 공통으로 접속된 소스가 출력 신호가 나타내는 출력 단자(28)를 형성한다. 부하 저항(22) 및 부하 커패시턴스(24)의 다른 단자들은 동작 소스 전위(VSS)를 수신하도록 결합된다. 예로서, 입력 신호는 전압 신호(VIN)와 같은 전기 신호이고, 출력 신호는 출력 전압(VOUT)과 같은 전기 신호이다.
동작 시에, 동기 PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)는 출력 단자(28)에 나타나는 전압을 스위치 제어 회로(14)에 의해 미리결정된 레벨로 조절한다. 스위치 제어 회로(14)는 전류(I2)를 독립적으로 제어하여 커패시터(24)를 조절된 전압(VOUT)으로 충전시키는 스위칭 트랜지스터(12) 및 통과 트랜지스터(18)의 게이트 단자들에 각각 논리 신호들(VG1 및 VG2)을 제공한다. 논리 신호들(VG1 및 VG2)이 전기 신호들이라고 칭해질 수 있다는 점이 주의되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 시간(T1) 동안, 스위치 제어 회로(14)는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 발생시키는데, 여기서, 게이트 구동 신호(VG1)는 스위칭 트랜지스터(12)가 도통되도록 하고, 게이트 구동 신호(VG2)는 통과 트랜지스터(18)가 비-도통되도록 한다. 스위칭 트랜지스터(12)를 작동시키는 것은 전류(I1)가 흐르도록 하고, 인덕터(16)에 의해 자기 에너지가 저장되도록 한다. 노드(21)에서의 전압은 스위칭 트랜지스터(12)가 도통일 때 실질적으로 전압(VSS)으로 설정된다. 동작 소스 전위(VSS)가 접지 전위일 때, 노드(21)에서의 전위는 실질적으로 접지 전위로 설정된다. 시간(T2)에서, 스위치 제어 회로(14)는 스위칭 트랜지스터(12)가 비-도통되도록 하고 통과 트랜지스터(18)가 도통되도록 하는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 각각 스위칭 트랜지스터(12) 및 통과 트랜지스터(18)의 게이트들로 제공한다. 스위칭 트랜지스터(12)가 비-도통 상태일 때, 인덕터(16)를 통해 흐르는 전류가 즉시 변화할 수 없으므로, 인덕터(16)는 트랜지스터(18)의 순방향 보디 다이오드(forward body diode)(19)가 도통될 때까지 노드(21)에서의 전압을 변화시킨다. 노드(21)에서의 전압은 출력 전압(VOUT) 및 약 0.7 볼트의 합, 즉, VOUT + 0.7 볼트와 동일하다. 전류가 입력 단자(26)로부터 인덕터(16) 및 통과 트랜지스터(18)의 보디 다이오드(19)를 통하여 출력 단자(28)로 흐른다. 그 후, 통과 트랜지스터(18)가 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)에 의해 도통되어, 더 작은 저항성 전류 경로를 제공한다. 스위치 제어 회로(14)의 특징은 스위칭 트랜지스터(12) 및 통과 트랜지스터(18)의 도통성(conductivity)을 동기적으로 제어할 수 있다는 것이다. 따라서, 스위칭 트랜지스터(12)의 도통 상태는 통과 트랜지스터(18)의 도통 상태와 상호 배타적일 수 있어서, 스위칭 트랜지스터(12) 및 통과 트랜지스터(18)가 동시에 도통되지 않는다.
스위칭 제어 회로(14)는 각각의 게이트 구동 신호가 주파수(FS)를 가지도록 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 발생시킨다. 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 발생시키는 것 이외에, 스위칭 제어 회로(14)는 입력 단자(26)에 나타나는 입력 전압(VIN) 및 출력 단자(28)에 나타나는 출력 전압(VOUT)을 모니터링(monitoring)하고, 주파수(FS)를 공칭 값이 되도록 또는 상기 공칭 값보다 더 낮은 고정 값 또는 더 낮은 가변 값이 되도록 조정한다. 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 스위칭 제어 회로(14)는 전압들 VOUT 대 VIN의 비율(즉, VOUT/VIN)을 기반으로 한 주파수(FS)를 가지도록 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 조정한다. 특히, 스위칭 제어 회로(14)는 비율 VOUT/VIN이 임계 비율(RT1)을 초과할 때, 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)에 대한 공칭의 높은 스위칭 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 비율 VOUT/VIN이 임계 비율(RT1) 미만일 때, 더 낮은 가변 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 비율 VOUT/VIN이 기준 임계 비율(RT1) 미만일 때, 더 낮은 고정 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공한다. 비율 VOUT/VIN에 응답하여, PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)가 바람직하게는, 스위칭 주파수(FS)를 선형적으로 또는 선형 방식으로 변화시킨다. 예로서, 주파수(FS)에 대한 공칭의 더 높은 주파수는 약 2 MHz이고, 주파수(FS)에 대한 공칭의 더 낮은 주파수는 약 1 MHz이며, 기준 임계 비율(RT1)은 약 1.11, 즉 VOUT이 약 1 볼트이고 VIN이 약 0.9 볼트일 때의 VOUT/VIN의 비율과 동일하다.
대안적으로, 스위칭 제어 회로(14)는 비율 VOUT/VIN이 임계 비율(RT1)을 초과할 때, 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)에 대한 공칭의 높은 스위칭 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 비율 VOUT/VIN이 임계 비율(RT2) 미만일 때, 더 낮은 가변 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 비율 VOUT/VIN이 기준 임계 비율(RT2) 미만일 때, 더 낮은 고정 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하며, 여기서 기준 임계 비율(RT2)은 기준 임계 비율(RT1)보다 더 작다. 비율 VOUT/VIN에 응답하여, PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)가 바람직하게는, 스위칭 주파수(FS)를 선형적으로 변화시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 스위칭 제어 회로(14)는 전압들(VOUT 및 VIN) 사이의 차이(즉, VOUT-VIN)를 기반으로 한 주파수(FS)를 가지도록 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 조정하며, 여기서 상기 전압의 차이는 차이 전압(VDIFF)이라고 칭해진다. 특히, 스위칭 제어 회로(14)는 차이 전압(VOUT - VIN)이 차이 기준 전압(VDREF1)보다 더 크거나 차이 기준 전압(VDREF1)을 초과할 때, 공칭의 높은 스위칭 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 차이 전압이 차이 기준 전압(VDREF1)보다 더 작거나 차이 기준 전압(VDREF1) 미만일 때, 더 낮은 가변 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 차이 전압이 차이 기준 전압(VDREF1)보다 더 작거나 차이 기준 전압(VDREF1) 미만일 때, 더 낮은 고정 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공한다. 차이 전압(VDIFF)에 응답하여, PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)가 바람직하게는, 스위칭 주파수(FS)를 선형적으로 변화시킨다. 예로서, 주파수(FS)에 대한 공칭의 더 높은 주파수는 약 2 MHz이고, 주파수(FS)에 대한 공칭의 더 낮은 주파수는 약 1 MHz이며, 기준 전압(VDREF1)은 약 5 볼트와 동일한 출력 전압(VOUT)에 대해 약 1 볼트와 동일하다.
대안적으로, 스위칭 제어 회로(14)는 차이 전압(VOUT - VIN)이 차이 기준 전압(VDREF1)보다 더 크거나 차이 기준 전압(VDREF1)을 초과할 때, 공칭의 높은 스위칭 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 차이 전압이 차이 기준 전압(VDREF2)보다 더 작거나 차이 기준 전압(VDREF2) 미만일 때, 더 낮은 가변 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 차이 전압이 차이 기준 전압(VDREF2)보다 더 작거나 차이 기준 전압(VDREF2) 미만일 때, 더 낮은 고정 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공한다. 차이 전압(VDIFF)에 응답하여, PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)가 바람직하게는, 스위칭 주파수(FS)를 선형적으로 변화시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 스위칭 제어 회로(14)는 입력 전압(VIN)의 값을 기반으로 한 주파수(FS)를 가지도록 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 조정한다. 특히, 스위칭 제어 회로(14)는 입력 전압(VIN)이 임계 전압(VTH1)보다 더 작거나 임계 전압(VTH1) 미만일 때, 공칭의 높은 스위칭 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 입력 전압(VIN)이 임계 전압(VTH1)보다 더 크거나 임계 전압(VTH1)을 초과할 때, 더 낮은 가변 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 입력 전압(VIN)이 임계 전압(VTH1)보다 더 크거나 임계 전압(VTH1)을 초과할 때, 더 낮은 고정 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공한다. 입력 전압(VIN)에 응답하여, PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)가 바람직하게는, 스위칭 주파수(FS)를 선형적으로 변화시킨다. 예로서, 주파수(FS)에 대한 공칭의 더 높은 주파수는 약 2 MHz이고, 주파수(FS)에 대한 공칭의 더 낮은 주파수는 약 1 MHz이며, 임계 전압(VTH1)은 약 5 볼트와 동일한 출력 전압(VOUT)에 대해 약 4 볼트와 동일하다. 입력 전압(VIN)에 응답하여, PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)가 바람직하게는, 스위칭 주파수(FS)를 선형적으로 변화시킨다.
특히, 스위칭 제어 회로(14)는 입력 전압(VIN)이 임계 전압(VTH1)보다 더 작거나 임계 전압(VTH1) 미만일 때 공칭의 높은 스위칭 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 입력 전압(VIN)이 임계 전압(VTH2)보다 더 크거나 임계 전압(VTH2)을 초과할 때, 더 낮은 가변 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공하고, 입력 전압(VIN)이 임계 전압(VTH2)보다 더 크거나 임계 전압(VTH2)을 초과할 때, 더 낮은 고정 주파수(FS)를 갖는 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)을 제공한다. 입력 전압(VIN)에 응답하여, PWM 스위칭 DC-DC 변환기(10)가 바람직하게는, 스위칭 주파수(FS)를 선형적으로 변화시킨다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 스위칭 제어 회로(14)는 주파수(FS)를 공칭 동작 주파수로부터 더 낮은 주파수 또는 더 낮은 가변 주파수로 선형 방식으로 변화시킨다. 도 2는 스위칭 제어 회로(14)가 게이트 구동 신호들(VG1 및 VG2)의 주파수를 약 1.75 MHz의 공칭 동작 주파수로부터 약 800 kHz의 더 낮은 동작 주파수로 선형적으로 변화시키는 구현예를 도시한다. 스위칭 제어 회로(14)가 입력 전압이 출력 전압에 접근할 때 주파수(FS)를 변화시킨다는 점이 주의되어야 한다. 도 2는 스위칭 제어 회로(14)가 입력 전압이 약 4 볼트를 초과할 때 주파수(FS)를 변화시키기 시작하고, 입력 전압이 약 4.5 볼트가 될 때까지 주파수(FS)를 계속적으로 변화시키는 것을 도시한다. 출력 전압은 약 4.6 볼트이다.
도 3은 출력 전압(VOUT) 및 인덕터 전류(IL)를 시간의 함수로서 도시한 타이밍도이다. 출력 전압 파형(50) 및 인덕터 전류 파형(52)은 입력 전압(VIN)이 약 4.4 볼트이고, 출력 전압(VOUT)이 약 4.6 볼트이고, 주파수(FS)가 약 800 kHz로 낮춰질 때 발생된다. 비교를 위하여, 입력 전압(VIN)이 약 4.4 볼트이고, 출력 전압(VOUT)이 약 4.6 볼트이고, 주파수(FS)가 약 1.75 MHz에서 유지될 때의 출력 전압 파형(54) 및 인덕터 전류 파형(56) 결과가 도시되어 있다. 이러한 조건들 하에서, 출력 전압(VOUT) 및 인덕터 전류(IL)의 조절이 개선된다. 따라서, 입력 전압(VIN)이 출력 전압(VOUT)에 접근할 때 주파수(FS)를 낮추는 것이 전압 리플, 전류 리플 면에서, 그리고 저조파 전자기 방출(sub-harmonic electromagnetic emission) 면에서 출력 전압 및 인덕터 전류의 조절을 개선시킨다.
지금까지 전원의 출력 전압을 조절하는 방법이 제공되었다는 점이 인식되어야 한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 변환기 시스템의 일부는 파라미터 및 제 1 기준 사이의 비교에 응답하여 하나의 주파수에서 동작되고, 상기 파라미터 및 제 2 기준 사이의 비교에 응답하여 더 낮은 주파수에서 동작된다. 상기 파라미터는 입력 전압, 출력 전압 대 입력 전압의 비율, 또는 출력 전압 및 입력 전압 사이의 차이일 수 있다. 파라미터 및 기준 사이의 비교에 따라 동작 주파수를 낮추는 것은 동작 전원들이 예를 들어, 약 100 밀리볼트 내에서 출력 전압과 매우 가까운 입력 전압들을 갖도록 한다. 또 다른 장점은 스위칭 주파수(FS)가 감소될 때 전형적으로 높은 입력 전압이 사용되기 때문에, 스위칭 주파수(FS)가 감소될 때 작은 인덕턴스 값 인덕터가 여전히 사용될 수 있다는 것이다. 그러나, 높은 입력 전압은 피크 인덕터 전류에 대한 제한 요소이다. 더 작은 값 인덕터를 사용하는 것은 피크 인덕터 전류를 실질적으로 저하시킴이 없이 스위칭 주파수를 감소시키도록 한다. 작은 인덕터들의 사용은 또한 작은 인덕터가 더 적은 실리콘 에어리어를 점유하기 때문에 전원의 비용을 감소시킨다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 동기 아키텍처(synchronous architecture)를 갖는 전원을 동작시키는 것은 또한 실제 차단 장치(cut-off device)를 제거하도록 하고, 효율을 개선시킨다. 게다가, 본 발명의 실시예들에 따라 동작되는 전원들은 휴대용 통신 애플리케이션들에서 유용한 전자기 간섭의 제어를 개선시킨다. 본 발명의 실시예들에 따른 전원의 동작은 비동기 아키텍처를 갖는 전원들에도 적합하다.
특정한 바람직한 실시예들 및 방법들이 본원에서 개시되었을지라도, 본 발명의 정신과 범위를 벗어남이 없이 이와 같은 실시예들 및 방법들의 변화들 및 변경들이 행해질 수 있다는 점이 상기의 명세서로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 본 발명은 적용 가능한 법률의 규칙들과 원리들 및 첨부된 청구항들에 의해 필요한 범위까지만 제한되게 된다는 것이 의도된다.
10 : 스위칭 DC-DC 변환기 12 : 스위치
14 : 스위치 제어 회로 16 : 에너지 저장 소자
18 : 트랜지스터 20 : 부하
22 : 부하 저항 24 : 부하 커패시턴스

Claims (22)

  1. 펄스-폭 변조된 스위칭 변환기의 출력 전압을 조절하는 방법에 있어서:
    제 1 및 제 2 트랜지스터들을 제공하는 단계로서, 상기 제 1 트랜지스터는 드레인, 소스, 및 게이트를 포함하고, 상기 제 2 트랜지스터는 드레인, 소스, 및 게이트를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 드레인들은 함께 접속되고 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 게이트들로부터 분리되고, 상기 제 2 트랜지스터의 소스는 출력 단자와 결합되는, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들 제공 단계;
    입력 신호를 제공하는 단계로서, 상기 입력 신호는 에너지 저장 소자를 통해 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 드레인들과 결합된, 상기 입력 신호 제공 단계;
    상기 제 1 트랜지스터 또는 상기 제 2 트랜지스터의 제어 전극들 중 하나에 제 1 주파수를 갖는 구동 신호를 제공하는 단계; 및
    제 1 기준과 제 1 파라미터의 비교에 응답하여 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수를 갖는 상기 구동 신호를 제공하는 단계는 상기 제 1 파라미터가 상기 제 1 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 제 1 주파수를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 파라미터는 상기 입력 신호를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 파라미터가 상기 제 1 기준보다 큰 것에 응답하여 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 변화시키고, 상기 제 1 파라미터는 상기 입력 신호를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 선형적으로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 입력 신호가 입력 전압 신호인, 출력 전압 조절 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 제 1 입력 신호가 제 2 기준보다 큰 것에 응답하여 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수를 갖는 상기 구동 신호를 제공하는 단계는 상기 제 1 파라미터가 상기 제 1 기준보다 큰 것에 응답하여 상기 제 1 주파수를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 파라미터는 출력 신호와 상기 입력 신호의 차이를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 제 1 파라미터가 상기 제 1 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 변화시키는 단계를 포함하고, 상기 제 1 파라미터는 상기 출력 신호와 상기 입력 신호의 차이를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 선형적으로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 출력 신호 및 상기 입력 신호 사이의 차이가 제 2 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수를 갖는 상기 구동 신호를 제공하는 단계는 출력 신호 대 상기 입력 신호의 비율이 상기 제 1 기준보다 큰 것에 응답하여 상기 제 1 주파수를 제공하는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 출력 신호 대 상기 입력 신호의 비율이 상기 제 1 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 상기 제 2 주파수로 선형적으로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 상기 제 1 주파수를 변화시키는 단계는 상기 출력 신호 대 상기 입력 신호의 비율이 제 2 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 구동 신호의 제 1 주파수를 제 2 주파수로 변화시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 고정 주파수 또는 가변 주파수 중 하나인, 출력 전압 조절 방법.
  16. PWM 스위칭 변환기의 출력 전압을 조절하는 방법에 있어서:
    제 1 및 제 2 트랜지스터들을 제공하는 단계로서, 상기 제 1 트랜지스터는 제 1 및 제 2 전류 운반 전극들과 제어 전극을 포함하고, 상기 제 2 트랜지스터는 제 1 및 제 2 전류 운반 전극들과 제어 전극을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 상기 제 1 전류 운반 전극들은 함께 접속되어 노드를 형성하고 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 상기 제어 전극들로부터 분리되고, 상기 제 2 트랜지스터의 상기 제 2 전류 운반 전극은 출력 단자와 결합되는, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들 제공 단계;
    입력과 제 1 및 제 2 출력들을 포함하는 스위치 제어 회로를 제공하는 단계로서, 상기 스위치 제어 회로의 입력은 상기 노드와 결합되고, 상기 제 1 출력은 상기 제 1 트랜지스터의 게이트와 결합되고, 상기 제 2 출력은 상기 제 2 트랜지스터의 게이트와 결합된, 상기 스위치 제어 회로 제공 단계;
    입력 신호를 제공하는 단계로서, 상기 입력 신호는 에너지 저장 소자를 통해 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 상기 제 1 전류 운반 전극들과 결합된, 상기 입력 신호 제공 단계;
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 상기 제 1 전류 운반 전극들에서 제 1 신호를 모니터링하는 단계로서, 제 2 신호는 상기 제 2 트랜지스터의 상기 제 2 전류 운반 전극에서 나타나고, 전류는 상기 에너지 저장 소자를 통해 흐르는, 상기 모니터링 단계;
    제 1 입력 신호와 제 2 신호에 의해 결정되는 파라미터에 응답하여 제 1 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기를 동작시키는 단계;
    파라미터가 제 1 기준보다 큰 것에 응답하여 상기 제 1 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기의 동작을 계속하는 단계; 및
    상기 파라미터가 상기 제 1 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 제 1 주파수보다 작은 제 2 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기를 동작시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 PWM 스위칭 변환기의 출력 전압 대 상기 PWM 스위칭 변환기의 입력 전압의 비율인, 출력 전압 조절 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 PWM 스위칭 변환기의 출력 전압 및 상기 PWM 스위칭 변환기의 입력 전압 사이의 차이인, 출력 전압 조절 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 일정한 주파수 또는 가변 주파수 중 하나인, 출력 전압 조절 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 파라미터가 상기 제 1 기준보다 작은 것에 응답하여 제 2 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기를 동작시키는 단계는 상기 파라미터가 상기 제 1 기준보다 작은 제 2 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 제 2 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  21. PWM 스위칭 변환기의 출력 전압을 조절하는 방법에 있어서:
    제 1 및 제 2 트랜지스터들을 제공하는 단계로서, 상기 제 1 트랜지스터는 제 1 및 제 2 전류 운반 전극들과 제어 전극을 포함하고, 상기 제 2 트랜지스터는 제 1 및 제 2 전류 운반 전극들과 제어 전극을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 상기 제 1 전류 운반 전극들은 함께 접속되어 노드를 형성하고 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 상기 제어 전극들로부터 분리되고, 상기 제 2 트랜지스터의 상기 제 2 전류 운반 전극은 출력 단자와 결합되는, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들 제공 단계;
    입력 신호를 제공하는 단계로서, 상기 입력 신호는 에너지 저장 소자를 통해 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 상기 제 1 전류 운반 전극들과 결합된, 상기 입력 신호 제공 단계;
    상기 노드에서 상기 에너지 저장 소자의 전류를 모니터링하는 단계;
    제 1 입력 신호와 출력 신호에 의해 결정되는 파라미터에 응답하여 제 1 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기를 동작시키는 단계;
    파라미터가 제 1 기준보다 작은 것에 응답하여 상기 제 1 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기의 동작을 계속하는 단계; 및
    상기 파라미터가 상기 제 1 기준보다 큰 것에 응답하여 상기 제 1 주파수보다 작은 제 2 주파수에서 상기 PWM 스위칭 변환기를 동작시키는 단계를 포함하는, 출력 전압 조절 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 PWM 스위칭 변환기의 입력 전압인, 출력 전압 조절 방법.
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