KR101515511B1 - Dc-dc 컨버터의 pwm 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치는, DC-DC 컨버터의 출력 전압을 검출하여, 상기 출력 전압에 상응하는 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로; 상기 피드백 회로로부터의 피드백 전압을 비선형 양자화하여 디지털 신호로 변환하여 출력하는 비선형 아날로그 디지털 변환기; 및 상기 비선형 아날로그 디지털 변환기의 출력 신호에 따라서 펄스폭 변조 신호를 생성하여 상기 DC-DC 컨버터에 제공하는 디지털 펄스폭 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치{PWM control apparatus for DC-DC converter}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아날로그 디지털 컨버터를 이용하여 PWM 제어 신호를 DC-DC 컨버터에 제공하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 DC-DC 컨버터는 외부로부터 입력되는 직류 전원을 부하가 요구하는 소정의 직류 전원으로 변환하는 장치이다. DC-DC 컨버터는 대표적으로, 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter), 포워드 컨버터(forward converter), 플라이백 컨버터(flyback converter) 등이 있다. 이러한 DC-DC 컨버터는 보통 PWM(pulse width modulation) 제어를 통하여 원하는 출력 전압을 얻는다.
도 1은 DC-DC 컨버터의 하나인 벅 컨버터(10)와 기존의 PWM 제어 장치(20)의 구성을 나타낸다.
PWM 제어 장치(20)가 벅 컨버터(10)의 스위칭 소자인 FET에 온/오프가 반복되는 PWM 제어 신호를 인가하면, 스위칭 소자가 온 되어 있는 동안 입력 전원이 출력에 연결되고 오프 되어 있는 동안은 끊어지게 되는 것이 주기적으로 반복되고, 펄스 모양의 전압이 LC 필터를 통해 평활화되어 직류 전압을 출력하게 된다.
기존의 PWM 제어 장치(20)는 도시된 바와 같이 피드백 회로(21), 선형 아날로그 디지털 변환기(22), 그리고 디지털 펄스폭 변조기(23)로 이루어진다. 피드백 회로(21)는 벅 컨버터(10)의 출력 전압(Vo)을 검출하여, 출력 전압(Vo)에 상응하는 피드백 전압을 선형 아날로그 디지털 변환기(22)로 출력한다. 선형 아날로그 디지털 변환기(22)는 피드백 전압을 양자화하여 디지털 신호로 변환하여 디지털 펄스폭 변조기(23)로 출력한다. 여기서 선형 아날로그 디지털 변환기(22)의 입출력 특성은 양자화 간격이 일정한 계단 형태이다. 디지털 펄스폭 변조기(23)는 선형 아날로그 디지털 변환기(22)의 출력 신호에 따라서 펄스폭 변조 신호를 생성하여 벅 컨버터(10)의 스위칭 소자인 FET의 게이트에 인가한다.
이러한 기존의 PWM 제어 장치(20)에서 정밀한 PWM 제어를 수행하려면 양자화 간격이 조밀한 고성능의 아날로그 디지털 변환기가 요구되어, 비용 상승을 유발하게 된다. 또한, 통상 DC-DC 컨버터의 목표 전압은 일정 수준 이상이므로, 양자화 간격이 일정한 계단 형태의 입출력 특성에서는 출력 전압이 0V에서 출발하여 목표 전압에 도달할 때까지 여러 개의 양자화 레벨을 거치게 되어 초기 응답이 늦어지는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비용 상승을 최소화하면서 정밀한 PWM 제어가 가능하고 초기 응답 속도를 개선할 수 있는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치는, DC-DC 컨버터의 출력 전압을 검출하여, 상기 출력 전압에 상응하는 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로; 상기 피드백 회로로부터의 피드백 전압을 비선형 양자화하여 디지털 신호로 변환하여 출력하는 비선형 아날로그 디지털 변환기; 및 상기 비선형 아날로그 디지털 변환기의 출력 신호에 따라서 펄스폭 변조 신호를 생성하여 상기 DC-DC 컨버터에 제공하는 디지털 펄스폭 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비선형 아날로그 디지털 변환기의 입출력 특성은, 입력 범위 중 소정 구간과 상기 소정 구간 이외의 구간 간에 상이할 수 있다.
상기 소정 구간은 상기 소정 구간 이외의 구간보다 양자화 간격이 더 조밀할 수 있다.
상기 소정 구간은 상기 DC-DC 컨버터의 목표 출력 전압에 상응하는 목표 피드백 전압의 값을 포함할 수 있다.
상기 피드백 전압은 상기 출력 전압이 전압 분배된 전압일 수 있다.
상기 디지털 펄스폭 변조기는, 상기 비선형 아날로그 디지털 변환기의 출력 신호와 상기 DC-DC 컨버터의 목표 출력 전압에 대응되는 디지털 신호 값을 비교하여, 비교 결과에 따라 펄스폭이 변조된 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비용 상승을 최소화하면서 정밀한 PWM 제어가 가능하고 초기 응답 속도를 개선할 수 있는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 DC-DC 컨버터의 하나인 벅 컨버터와 기존의 PWM 제어 장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치의 구성을 나타낸다.
도 3은 기존의 PWM 제어 장치에서 사용되는 선형 아날로그 디지털 변환기의 입출력 특성과, 본 발명의 실시예에 따른 PWM 제어 장치에서 사용되는 비선형 아날로그 디지털 변환기의 입출력 특성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PWM 제어로 DC-DC 컨버터의 출력 전압이 변동되는 모습과, 기존 기술에 따른 PWM 제어로 DC-DC 컨버터의 출력 전압이 변동되는 모습을 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(10)의 PWM 제어 장치(200)의 구성을 나타낸다. 본 실시예에서 DC-DC 컨버터(10)는 벅 컨버터를 예로 들어 설명하나, PWM 제어 장치(200)는 PWM 제어로 동작하는 다른 방식의 DC-DC 컨버터에도 적용 가능함은 물론이다.
PWM 제어 장치(200)는, 도시된 바와 같이 피드백 회로(210), 비선형 아날로그 디지털 변환기(220), 그리고 디지털 펄스폭 변조기(230)로 이루어진다.
피드백 회로(210)는 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압(Vo)을 검출하여, 출력 전압(Vo)에 상응하는 피드백 전압을 비선형 아날로그 디지털 변환기(22)로 출력한다. 피드백 회로(210)는 상기 피드백 전압으로서, 예컨대 출력 전압(Vo)이 일정 비율로 전압 분배된 전압을 출력할 수 있고, 이때 피드백 회로(210)는 복수 개의 저항들로 이루어진 전압 분배 회로로 구현될 수 있다.
비선형 아날로그 디지털 변환기(220)는 피드백 전압을 비선형 양자화하여 디지털 신호로 변환하여 디지털 펄스폭 변조기(230)로 출력한다. 여기서 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 입출력 특성은 양자화 간격이 입력 범위 중 적어도 두 개의 구간에서 상이한 계단 형태이다. 예컨대 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 입출력 특성은, 양자화 간격이 입력 범위 중 소정 구간과 소정 구간 이외의 구간에서 상이한 계단 형태일 수 있다. 이때 바람직하게는, 상기 소정 구간은 그 이외의 구간보다 양자화 간격이 더 조밀하고, 상기 소정 구간은 DC-DC 컨버터(10)의 목표 출력 전압에 상응하는 피드백 전압의 값을 포함할 수 있다.
디지털 펄스폭 변조기(230)는 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 출력 신호에 따라서 펄스폭 변조 신호를 생성하여 DC-DC 컨버터(10)의 스위칭 소자인 FET의 게이트에 인가한다. 이때 디지털 펄스폭 변조기(230)는 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 출력 신호와 상기 DC-DC 컨버터(10)의 목표 출력 전압에 대응되는 디지털 신호 값을 비교하여, 비교 결과에 따라 펄스폭이 변조된 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있다. 예컨대, 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)로부터의 디지털 신호와 목표 출력 전압에 대응되는 디지털 신호의 차이에 따라 펄스폭이 변조된 펄스폭 변조 신호가 생성될 수 있다.
도 3은 기존의 PWM 제어 장치(20)에서 사용되는 선형 아날로그 디지털 변환기(22)의 입출력 특성(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 PWM 제어 장치(200)에서 사용되는 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 입출력 특성(b)을 나타내는 도면이다. 도 3에서 Vt는 DC-DC 컨버터(10)의 목표 출력 전압에 상응하는 목표 피드백 전압으로서, 예컨대 목표 출력 전압이 일정 비율로 전압 분배된 전압, 즉 목표 출력 전압의 일정 비율에 해당하는 전압일 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 선형 아날로그 디지털 변환기(22)의 입출력 특성은 양자화 간격이 일정한 계단 형태이다. 그러나 도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 입출력 특성은, 양자화 간격이 입력 범위 중 제1 입력구간과 제1 입력구간 이외의 구간에서 상이하고, 이때 제1 입력구간이 그 이외의 구간보다 양자화 간격이 더 조밀하다. 제1 입력구간에서 양자화 간격이 더 조밀하기 때문에, 제1 입력구간에 대응하는 제1 출력구간에서는 기존의 입출력 특성과 비교할 때 보다 많은 양자화 레벨이 얻어질 수 있다. 또한, 이러한 제1 입력구간은 목표 피드백 전압(Vt)의 값을 포함한다.
일반적으로 DC-DC 컨버터(10)의 목표 출력 전압과 그에 따른 목표 피드백 전압(Vt)은 사전에 결정되므로, 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 제1 입력구간은 목표 피드백 전압(Vt)을 기준으로, (Vt1, Vt2, 여기서, σ1, σ2는 양의 값)로 정해질 수 있다. 여기서, σ1, σ2, 제1 입력구간에서의 양자화 간격과 제1 입력구간 이외의 구간에서의 양자화 간격은 목표 출력 전압 근처에서의 필요한 정밀도에 따라 적절한 값으로 정해질 수 있다. 예컨대, 제1 입력구간에서의 양자화 간격과 제1 입력구간 이외의 구간에서의 양자화 간격은, 기존의 선형 아날로그 디지털 변환기(22)와 비교할 때 각각 0.5배 및 2배일 수 있다.
이러한 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 입출력 특성으로 인하여, 목표 피드백 전압(Vt)이 제1 입력구간 내의 값일 경우, 즉 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압이 목표 출력 전압 근처인 경우 보다 정밀한 PWM 제어가 이루어지게 된다. 물론 본 발명의 실시예에 의하면, 목표 피드백 전압(Vt)이 제1 입력구간 밖에 있는 경우, 즉 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압이 목표 출력 전압과 멀리 떨어져 있는 경우 기존보다 덜 정밀한 PWM 제어가 이루어지게 된다. 그러나 이때 요구되는 것은 정밀한 PWM 제어가 아니라 출력 전압을 빠르게 목표 출력 전압으로 도달시키는 것이므로, 이러한 동작은 오히려 보다 향상된 성능을 보여주게 된다. 예컨대, 피드백 전압이 0V에서 출발하여 목표 피드백 전압에 도달할 때까지, 도 3의 (a)에 의하면 8개의 양자화 레벨을 거치게 되나, 도 3의 (b)에 의하면 7개의 양자화 레벨을 거치므로, 초기 응답 속도가 보다 빨라질 수 있다. 게다가, 피드백 전압이 0V에서 출발하여 제1 입력구간에 도달할 때까지는, 도 3의 (a)에 의하면 7개의 양자화 레벨을 거치게 되나, 도 3의 (b)에 의하면 4개의 양자화 레벨만을 거치므로, 본 발명의 실시예에 의하면 DC-DC 컨버터(10)는 보다 빨리 안정화 상태로 진입할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PWM 제어로 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압이 변동되는 모습과, 기존 기술에 따른 PWM 제어로 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압이 변동되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 피드백 전압의 제1 입력구간에서, 비선형 아날로그 디지털 변환기(220)의 양자화 간격과 양자화 레벨은 선형 아날로그 디지털 변환기(22)보다 더 조밀하므로, 보다 정밀한 PWM 제어가 이루어져 DC-DC 컨버터(10)의 출력 전압(Vo)의 변화폭이 더 작은 것을 확인할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. DC-DC 컨버터의 출력 전압을 검출하여, 상기 출력 전압에 상응하는 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로;
    상기 피드백 회로로부터의 피드백 전압을 비선형 양자화하여 디지털 신호로 변환하여 출력하는 비선형 아날로그 디지털 변환기; 및
    상기 비선형 아날로그 디지털 변환기의 출력 신호에 따라서 펄스폭 변조 신호를 생성하여 상기 DC-DC 컨버터에 제공하는 디지털 펄스폭 변조기를 포함하고,
    상기 비선형 아날로그 디지털 변환기의 입출력 특성은, 입력 범위 중 소정 구간과 상기 소정 구간 이외의 구간 간에 상이하고, 상기 소정 구간은 상기 DC-DC 컨버터의 목표 출력 전압에 상응하는 목표 피드백 전압의 값을 포함하면서, 상기 소정 구간 이외의 구간보다 양자화 간격이 더 조밀한 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 전압은 상기 출력 전압이 전압 분배된 전압인 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 펄스폭 변조기는, 상기 비선형 아날로그 디지털 변환기의 출력 신호와 상기 DC-DC 컨버터의 목표 출력 전압에 대응되는 디지털 신호 값을 비교하여, 비교 결과에 따라 펄스폭이 변조된 펄스폭 변조 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 PWM 제어 장치.
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IEEE 논문2(제목: Nonlinearity Correction Techniques for High Speed, High Resolution A/D Conversion), 1995년 3월 *
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