KR101542645B1 - 온 시간 샘플링 방지 - Google Patents

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파워 인티그레이션즈, 인크.
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Abstract

전력 변환기를 위한 예시적인 제어기는 피드백 샘플링 회로, 구동 논리 및 거짓 샘플링 방지 회로를 포함한다. 피드백 샘플링 회로는 제어기의 단자로부터 수신되는 피드백 신호를 샘플링하고, 피드백 신호의 값을 나타내는 샘플 신호를 생성하도록 결합된다. 구동 논리는 피드백 샘플링 회로에 결합되고, 샘플 신호에 응답하여 전력 변환기의 출력을 조절하기 위해 전력 스위치를 제어하도록 결합된다. 거짓 샘플링 방지 회로는 피드백 신호의 샘플링이 완료된 때를 지시하는 샘플링 완료 신호를 수신하도록 결합된다. 거짓 샘플링 방지 회로는 샘플링 완료 신호가 피드백 샘플링 회로에 의한 피드백 신호의 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 전력 스위치의 오프 시간을 연장하기 위해 구동 논리에 더 결합된다.

Description

온 시간 샘플링 방지{ON TIME SAMPLING PREVENTION}
본 발명은 일반적으로 전력 변환기 제어기들에 관한 것으로서, 구체적으로는 1차 측 조절에 사용되는 전력 변환기 제어기들에 관한 것이다.
셀 폰, 개인용 휴대 단말기(PDA), 랩탑 등과 같은 많은 전기 장치는 전력을 사용하여 동작한다. 전력은 일반적으로 벽 소켓을 통해 고전압 교류(ac)로서 전달되므로, 통상적으로 전력 변환기로서 지칭되는 장치를 이용하여, 에너지 전달 요소를 통해 고전압 교류(ac) 입력을 양호하게 조절된 직류(dc) 출력으로 변환할 수 있다. 오늘날의 많은 전자 장치에서 효율 및 크기를 개선하고 컴포넌트 수를 줄이기 위해 스위치 모드 전력 변환기들이 일반적으로 사용된다. 스위치 모드 전력 변환기는 폐쇄 위치(온 상태)와 개방 위치(오프 상태) 사이에서 스위칭하는 전력 스위치를 사용하여, 전력 변환기의 입력으로부터 출력으로 에너지를 전달할 수 있다. 동작시, 전력 변환기는 제어기를 사용하여 폐루프에서의 전력 변환기의 출력 전압 및/또는 전류를 감지하고 제어함으로써 조절된 출력을 (일반적으로 부하로서 지칭되는) 전기 장치에 제공할 수 있다. 전력 스위치의 스위칭 주파수에 의해 스위칭 사이클이 정의될 수 있다. 일례에서, 스위칭 사이클의 지속 기간은 전력 스위치의 온 상태로의 전이에 이어지는 스위치의 오프 상태로의 전이 시간을 포함한다. 제어기는 부하로 전달되는 출력 양을 조절하기 위해 전력 변환기의 출력에 대한 피드백 정보를 수신하도록 결합될 수 있다. 제어기는 전력선과 같은 입력 전력의 소스로부터 전력 변환기 출력으로 에너지 펄스들을 전달하기 위해 피드백 정보에 응답하여 전력 스위치의 턴 온 및 오프를 제어함으로써 부하에 전달되는 출력 양을 조절한다.
소정의 응용들을 위해, 전력 변환기는 갈바니 절연을 제공하는 것이 필요할 수 있다. 특히, 갈바니 절연은 전력 변환기의 입력 측과 출력 측 사이에서 dc 전류가 흐르는 것을 방지하며, 일반적으로 안전 규정을 충족시키는 것이 필요하다. 갈바니 절연을 이용하는 전력 변환기의 한 가지 특정 타입은 플라이백 전력 변환기이다.
갈바니 절연 전력 변환기들에 대한 제어 방법의 한 가지 타입은 1차 측 제어이다. 특히, 1차 측 제어는 제어기가 전력 변환기의 2차 측으로부터 전기적으로 절연된 감지 요소를 사용할 때 이루어진다. 1차 측 조절의 한 가지 타입은 입력 측에 전기적으로 결합되고 자기 결합을 통해 출력 측으로부터 정보를 수신하는 추가 권선(예로서, 바이어스 권선)을 사용할 수 있다. 일례에서, 바이어스 권선은 플라이백 전력 변환기의 출력 전압을 감지하는 데 사용될 수 있다.
전력 변환기는 두 가지 동작 모드로 동작하기에 적합할 수 있다. 불연속 전도 모드로 알려진 제1 동작 모드에서, 에너지 전달 요소에 저장된 모든 에너지는 전력 스위치의 오프 상태 동안에 출력으로 전달된다. 이 동작 모드에서는, 전력 스위치가 (오프 상태에서) 닫힌 후에 바이어스 권선 전압이 전력 변환기의 출력 전압을 나타낼 수 있는 시간의 양이 제한된다. 연속 전도 모드로 알려진 제2 동작 모드에서는, 에너지 전달 요소에 저장된 에너지의 일부만이 전력 스위치의 오프 상태 동안에 출력으로 전달된다. 이 동작 모드에서, 바이어스 권선 전압은 전력 스위치가 (오프 상태에서) 닫힌 실질적으로 전체 시간 동안 출력 전압을 나타낼 수 있다. 바이어스 권선 전압이 연속 전도 모드 동안에 실질적으로 전체 오프 시간(전력 스위치가 오프 상태에 있는 시간) 동안 출력 전압을 나타낼 수 있지만, 바이어스 권선 전압이 출력 전압을 나타내는 지속 기간은 제어기가 불연속 전도 모드로 동작하고 있을 때보다 훨씬 짧다. 이것은 불연속 전도 모드에서의 전력 스위치의 오프 지속 기간이 모든 에너지가 전력 변환기의 출력으로 전달될 만큼 충분히 긴 반면에 연속 전도 모드에서의 전력 스위치의 오프 시간은 모든 에너지가 전력 변환기의 출력으로 전달되기 전에 (다음 스위칭 사이클을 시작하기 위해) 잘리기 때문에 발생할 수 있다. 따라서, 제어기가 연속 전도 모드로 동작하고 있을 때에는, 출력 전압을 나타내는 바이어스 권선 전압의 샘플을 획득하기 위한 시간이 더 적다.
더구나, 바이어스 권선 전압이 출력 전압을 나타내는 시간 동안 바이어스 권선에 결합되는 스위칭 잡음이 존재할 수 있는데, 이는 제어기가 전력 변환기의 출력 전압을 나타내는 바이어스 권선으로부터 비교적 (잡음 없는) '깨끗한' 신호를 획득할 시간의 창을 더 줄인다. 심지어, 소정의 부하 조건들(예로서, 고부하 요구) 하에서, 전력 변환기들은 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 전력 전달을 증가시켜야 할 필요가 있을 수 있는데, 이는 전력 스위치가 각각의 스위칭 사이클 동안 오프 상태에 있는 지속 기간을 더 줄인다. 결과적으로, 깨끗한 신호를 획득하기 위한 샘플링 창이 더 감소한다.
본 발명의 비제한적이고 비포괄적인 예들이 아래의 도면들을 참조하여 설명되며, 다양한 도면들에서 달리 상술되지 않는 한은 동일한 참조 번호들은 동일한 요소들을 지시한다.
도 1은 본 발명의 가르침에 따른, 제어기를 포함하는 예시적인 전력 변환기를 나타내는 기능 블록도이다.
도 2는 도 1의 전력 변환기의 바이어스 권선의 예시적인 전압 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 가르침에 따른 예시적인 제어기를 나타내는 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명의 가르침에 따른 예시적인 샘플 지연 회로를 나타내는 기능 블록도이다.
도 5는 본 발명의 가르침에 따른 예시적인 피드백 샘플링 회로를 나타내는 기능 블록도이다.
도 6은 본 발명의 가르침에 따른 발진기를 나타내는 기능 블록도이다.
도 7a는 본 발명의 가르침에 따른, 전력 변환기 제어기에 의한 온 시간 샘플링 방지를 위한 예시적인 프로세스를 나타낸다.
도 7b는 본 발명의 가르침에 따른, 예시적인 전력 변환기 제어기와 관련된 예시적인 전압 및 전류 파형들 및 클럭 신호들을 나타낸다.
도 8은 도 7b의 발진기 전압 및 샘플링 완료 신호 파형들의 분해도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 가르침에 따른 다른 예시적인 발진기를 나타내는 기능 블록도이다.
도 10은 본 발명의 가르침에 따른, 다른 예시적인 전력 변환기 제어기와 관련된 예시적인 전압 및 전류 파형들 및 클럭 신호들을 나타낸다.
도 11은 도 10의 발진기 전압 및 샘플링 완료 신호 파형들의 분해도를 나타낸다.
전력 변환기 제어기들에서의 거짓 샘플링 방지와 관련된 예들이 개시된다. 아래의 설명에서는 본 발명의 충분한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 상세들이 설명된다. 그러나, 이러한 특정 상세는 본 발명을 실시하는 데 이용되는 것이 필요하지 않다는 것이 이 분야의 통상의 기술자에게 명확할 것이다. 다른 예들에서는 본 발명을 불명확하게 하는 것을 방지하기 위해 공지 요소들 또는 방법들은 상세히 설명되지 않았다.
본 명세서의 전반에서 "일 실시예", "실시예", "일례" 또는 "예"에 대한 참조는 해당 실시예 또는 예와 관련하여 설명되는 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서의 다양한 곳들에서의 "일 실시예에서", "실시예에서", "일례" 또는 "예"라는 문구들의 출현은 모두가 반드시 동일한 실시예 또는 예를 지칭하지는 않는다. 더구나, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들 또는 예들에서 임의의 적절한 조합들 및/또는 하위 조합들로 조합될 수 있다. 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 집적 회로, 전자 회로, 조합 논리 회로, 또는 설명되는 기능을 제공하는 다른 적절한 컴포넌트들에 포함될 수 있다. 게다가, 함께 제공되는 도면들은 이 분야의 통상의 기술자들에게 설명하기 위한 것이며, 도면들은 반드시 축척으로 그려진 것은 아니라는 것을 인식한다.
설명되는 바와 같이, 전력 변환기들을 위한 예시적인 통합 제어기들은 폐루프에서 전력 변환기의 출력을 감지하고 제어함으로써 출력 조절을 제공한다. 1차 측 제어를 이용하는 전력 변환기들에서, 전력 변환기는 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하기 위해 에너지 전달 요소의 절연된 권선들 사이의 자기 결합에 의존할 수 있다. 예를 들어, 에너지 전달 요소는 전력 변환기의 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제어기에 제공하도록 자기적으로 함께 결합되는 출력 권선 및 바이어스 권선을 포함하는 결합 인덕터일 수 있다.
플라이백 전력 변환기 토폴로지에서 출력 전압을 감지하기 위해 바이어스 권선을 사용할 때, 바이어스 권선은 전력 스위치가 오프 상태에 있는 동안에 에너지를 출력으로 전달하고 있는 시간 동안 출력 전압을 나타낼 수 있다. 동작시, 제어기는 바이어스 권선 전압이 출력 전압을 나타낼 때 이 바이어스 권선 전압을 획득하기 위해 커패시터를 포함하는 샘플링 회로를 사용할 수 있다. 샘플링된 신호는 커패시터에 저장될 수 있으며, 이어서 제어기의 구동 논리에 의해 전력 스위치를 제어하는 데 사용될 수 있다.
전력 스위치가 오프 상태에 있는 시간의 양이 제한되므로, 제어기는 지정된 시간의 창 동안 바이어스 권선 전압을 샘플링하도록 설계될 수 있다. 시간의 창은 전력 변환기가 동작하고 있는 모드에 따라서는 더 감소할 수도 있다.
특히, 전력 변환기는 두 가지 동작 모드로 동작하기에 적합할 수 있다. 불연속 전도 모드로 알려진 제1 동작 모드에서, 에너지 전달 요소에 저장된 모든 에너지는 전력 스위치의 오프 상태 동안에 출력으로 전달된다. 이 동작 모드에서는, 전력 스위치가 (오프 상태에서) 닫힌 후에 바이어스 권선 전압이 전력 변환기의 출력 전압을 나타낼 수 있는 시간의 양(에너지가 출력으로 전달되는 데 걸리는 지속 기간)이 제한된다. 연속 전도 모드로 알려진 제2 동작 모드에서는, 에너지 전달 요소에 저장된 에너지의 일부만이 전력 스위치의 오프 상태 동안에 출력으로 전달된다. 이 동작 모드에서, 바이어스 권선 전압은 전력 스위치가 (오프 상태에서) 닫힌 실질적으로 전체 시간 동안 출력 전압을 나타낼 수 있다. 바이어스 권선 전압이 불연속 전도 모드에서의 동작 동안에 오프 시간(전력 스위치가 오프 상태에 있는 시간)의 일부 동안 출력 전압을 나타낼 수 있지만, 바이어스 권선 전압이 출력 전압을 나타내는 지속 기간은 제어기가 연속 전도 모드로 동작하고 있을 때보다 훨씬 길다. 이것은 전력 변환기의 출력으로 에너지가 전달되고 있는 시간 동안만 바이어스 권선이 출력 전압을 나타내기 때문에 발생할 수 있다. 연속 전도 동작 모드에서의 전력 스위치의 오프 시간은 전력 변환기의 출력으로 모든 에너지가 전달되기 전에 (다음 스위칭 사이클을 시작하기 위해) 잘리므로, 바이어스 권선이 출력 전압을 나타내는 지속 기간은 더 짧다. 따라서, 제어기가 불연속 전도 모드로 동작하고 있을 때보다 연속 전도 모드로 동작하고 있을 때가 출력 전압을 나타내는 바이어스 권선 전압의 샘플을 획득하기 위한 시간이 훨씬 적다.
게다가, 전력 스위치가 오프 상태로 스위칭할 때 바이어스 권선 상에 초기에 존재하는 스위칭 잡음도 고려해야 한다. 예를 들어, 제어기는 비교적 깨끗한 바이어스 전압 샘플을 획득하기 전에 샘플링을 지연시키는 것이 필요할 수 있다. 이러한 샘플링 지연은 바이어스 권선 전압이 출력 전압을 나타내는 동안에 바이어스 권선 전압을 샘플링하기 위한 시간의 창을 더 줄인다. 더구나, 전력 스위치의 스위칭 주파수가 (통상적으로 출력의 더 큰 부하 동안) 증가할 때, 각각의 스위칭 기간의 오프 시간 동안에 바이어스 권선 전압을 샘플링하기 위한 시간의 양은 더 짧아진다. 따라서, 일부 조건들(예로서, 불연속 전도 모드, 낮은 입력 전압 및 높은 부하 조건) 하에서, 제어기는 전력 스위치가 다음 스위칭 사이클을 위해 턴온되기 전에만 샘플링하여야 할 수 있다. 전통적인 제어기들의 경우, 제어기는 전력 스위치가 이미 턴온된 후에(즉, 전력 스위치가 오프 상태로부터 온 상태로 전이한 때) 샘플링하여야 하거나 우연히 샘플링할 수 있으며, 이는 거짓 샘플링을 유발할 수 있다. 예를 들어, 한 가지 제어기 설계에서, 전력 스위치의 최소 오프 시간은 2.5㎲일 수 있고, 샘플 지연 시간(전력 스위치가 턴오프된 후에 제어기가 샘플링을 시작할 수 있는 시간)도 2.5㎲일 수 있다. 따라서, 제어기가 최소 오프 시간으로 동작하고 있는 시나리오에서, 샘플링은 스위치가 온 상태로 스위칭된 후에 발생할 수 있다. 따라서, 제어기는 출력 전압을 나타내지 않는 바이어스 권선 전압의 샘플을 수신할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 전력 스위치의 온 시간 동안 피드백 신호의 샘플링을 방지함으로써 이러한 타입의 타이밍 오버랩핑(예로서, 샘플 지연 시간≥최소 오프 시간)을 가능하게 하는 전력 변환기용 제어기를 포함한다. 일례에서, 전력 변환기가 최소 오프 시간으로 동작하고 있고 큰 샘플 지연 시간을 갖는 이러한 시간 오버랩핑은 단지 짧은 지속 기간 동안 그리고 연속 전도 모드로 동작하고 높은 부하 조건에서 낮은 입력 전압을 사용할 때의 과도 부하 조건 동안과 같은 소정 세트의 환경들 하에서 발생할 수 있다.
다른 시나리오에서, 온 시간 동안의 전통적인 제어기들에 의한 샘플링은 샘플링 지연 시간과 전력 스위치의 최소 오프 시간 사이의 의도적인 오버랩핑이 존재하지 않는 경우에도 우연히 발생할 수 있다. 예를 들어, 제어기 내부의 개별 컴포넌트 또는 타이밍 변화들로 인해, 전력 제어기는 오프 상태 동안 샘플링을 획득하지 못할 수 있고, 후속 온 상태 동안 우연히 샘플링할 수 있으며, 따라서 거짓 샘플을 획득할 수 있다. 피드백 신호가 온 상태 동안 샘플링될 때의 피드백 신호의 샘플링은 본 명세서에서 "거짓 샘플링"으로서 참조될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 제어기에 포함된 거짓 샘플링 방지 회로를 이용하여, 전력 스위치가 온 상태에 있을 때의 거짓 샘플링들의 발생을 줄인다. 일례에서, 거짓 샘플링 방지 회로는 피드백 신호의 샘플링이 완료될 때까지 전력 스위치의 오프 상태를 연장한다. 즉, 다음 스위칭 사이클을 시작하기 위한 전력 스위치의 턴온은 바이어스 권선 전압의 샘플링 완료될 때까지 지연된다. 이러한 실시예 및 다른 실시예들이 아래에 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 가르침에 따른, 제어기(102)를 포함하는 예시적인 전력 변환기(100)를 나타내는 기능 블록도이다. 도시된 전력 변환기(100)의 예는 입력(즉, 입력 단자들(101)), 제어기(102), 출력(즉, 출력 단자들(103)), 에너지 전달 요소(T1), 에너지 전단 요소(T1)의 1차 권선(104), 에너지 전달 요소(T1)의 2차 권선(106), 전력 스위치(S1), 입력 리턴(108), 클램프 회로(110), 정류기(D1), 출력 커패시터(C1), 바이어스 권선(112), 저항기들(R1, R2, R3) 및 커패시터들(C2, C3)을 포함한다. 제어기(102)는 피드백 단자(114)를 포함하는 집적 회로(126)에 포함되는 것으로 도시된다. 제어기(102)는 피드백 샘플링 회로(116), 발진기(118) 및 구동 논리(120)를 포함한다. 도 1에는 입력 전압(VIN), 출력 전압(VOUT), 출력 전류(IOUT), 피드백 전압(VFB), 바이패스 전압(VBP), 피드백 신호(UFB), 구동 신호(UDRIVE) 및 스위치 전류(ISW)도 도시된다. 도시된 예에서, 전력 변환기(100)는 설명의 목적을 위해 플라이백 토폴로지를 갖는 전력 변환기로서 도시된다. 전력 변환기의 다른 공지된 토폴로지들 및 구성들도 본 발명의 가르침으로부터 이익을 얻을 수 있다는 것을 인식한다.
일 실시예에서, 전력 변환기(100)는 조절되지 않은 dc 입력(VIN)으로부터 부하(122)에 출력 전력을 제공한다. 예를 들어, 입력(VIN)은 정류 및 필터링된 ac 라인 전압으로부터 발생할 수 있다. 도시된 바와 같이, 에너지 전달 요소(T1)는 입력(VIN)을 수신하도록 결합된다. 일부 실시예들에서, 에너지 전달 요소(T1)는 결합 인덕터이다. 일부 다른 실시예들에서, 에너지 전달 요소(T1)는 변압기이다. 도 1의 예에서, 에너지 전달 요소(T1)는 1차 권선(104) 및 2차 권선(106)을 포함한다. NP 및 NS는 각각 1차 권선(104) 및 2차 권선(106)의 턴들의 수이다. 도 1의 예에서, 1차 권선(104)은 입력 권선으로서 참조될 수 있고, 2차 권선(106)은 출력 권선으로서 참조될 수 있다. 도시된 바와 같이, 1차 측 권선(104)은 입력 리턴(108)에 전기적으로 결합되고, 2차 권선(106)은 출력 리턴(109)에 전기적으로 결합된다. 일례에서, 입력 리턴(108)에 전기적으로 결합된 회로는 전력 변환기(100)의 '입력 측'에 있는 것으로 참조될 수 있고, 출력 리턴(109)에 전기적으로 결합된 회로는 전력 변환기(100)의 '출력' 측에 있는 것으로 참조될 수 있다. 도시된 바와 같이, 1차 권선(104)은 전력 스위치(S1)에 더 결합되고, 이 전력 스위치는 또한 입력 리턴(108)에 더 결합된다. 게다가, 1차 권선(104) 양단의 전압 강하를 제한하기 위해 에너지 전달 요소(T1)의 1차 권선(104) 양단에 클램프 회로(110)가 결합된다.
에너지 전달 요소(T1)의 2차 권선(106)은 출력 정류기(D1)에 결합된다. 도 1에 도시된 예에서, 정류기(D1)는 출력 다이오드를 포함하고, 제2 권선(106)은 출력 다이오드(D1)의 애노드에 결합된다. 그러나, 일부 실시예들에서, 정류기(D1)는 동기 정류기로서 사용되는 트랜지스터일 수 있다. 출력 커패시터(C1) 및 부하(122) 모두가 정류기(D1)에 결합된다. 도 1의 예에서, 출력 커패시터(C1) 및 부하(122) 모두는 정류기(D1)의 캐소드에 결합된다. 전력 변환기(100)는 출력 단자들(103)에서 출력 전압(VOUT), 출력 전류(IOUT) 또는 이 둘의 조합일 수 있는 조절된 출력을 부하(122)에 제공한다.
도 1의 예에서, 입력 전압(VIN)은 입력 리턴(108)에 대해 양성이다. 도 1의 예는 입력 리턴(108)과 전력 변환기(100)의 출력 사이의 갈바니 절연을 더 도시한다. 즉, 입력 리턴(108)과 전력 변환기(100)의 출력 사이에는 DC 전류를 위한 직접적인 경로가 존재하지 않는다. 따라서, 전력 변환기(100)의 입력 측은 전력 변환기(100)의 출력 측으로부터 갈바니 절연된다.
도시된 실시예에서, 피드백 단자(114)는 피드백 신호(UFB)를 수신하도록 결합된다. 저항기들(R1, R2)은 바이어스 권선(112)에 결합되어, 바이어스 권선 전압(VBIAS)을 스케일링 다운시켜 피드백 전압(VFB)을 제공한다. 도시된 예에서, 저항기(R2) 양단의 전압(즉, 피드백 전압(VFB))은 피드백 신호(UFB)로서 사용된다. 피드백 전압(VFB)은 단자(114)를 통해 제어기(102)에 의해 수신되고, (아래에 더 상세히 설명되는) 피드백 샘플링 회로(116)에 의해 더 수신된다.
도시된 바와 같이, 집적 회로(126)는 피드백 단자(114) 외의 단자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 집적 회로(126)는 드레인 전압을 수신하기 위한 드레인 단자(125)를 포함할 수 있다. 집적 회로(126)에 포함된 전류 센스(127)는 스위치 전류(ISW)를 나타내는 전류 감지 신호(UISENSE)(124)를 제어기(102)에 제공할 수 있다. 게다가, 제어기(102)는 다양한 스위칭 파라미터들을 제어하기 위해 전력 스위치(S1)에 구동 신호(UDRIVE)를 제공한다. 그러한 파라미터들의 예들은 전력 스위치(S1)의 스위칭 주파수, 스위칭 주기, 듀티 사이클 또는 각각의 온 및 오프 시간들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전력 스위치(S1)는 트랜지스터일 수 있고, 제어기(102)는 수동 및/또는 개별 전기 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(102) 및 전력 스위치(S1)는 단일 집적 회로(126) 내에 함께 포함된다. 일례에서, 집적 회로(126)는 모놀리식 집적 회로이다. 다른 예에서, 집적 회로(126)는 하이브리드 집적 회로이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제어기(102)는 피드백 신호(UFB)를 수신하도록 결합되는 피드백 샘플링 회로(116)를 포함한다. 동작시, 피드백 샘플링 회로(116)는 피드백 신호(UFB)를 샘플링하고, 피드백 신호(UFB)를 나타내는 샘플 신호(USAMPLE)(128)를 제공한다. 이어서, 샘플 신호(USAMPLE)(128)는 구동 논리(120)에 의해 수신된다. 구동 논리(120)는 전류 감지 신호(UISENSE)(124)를 더 수신하고, 샘플 신호(USAMPLE)(128)에 응답하여 그리고 발진기(118)에 의해 생성된 온 시간 신호(UON)(132)에 응답하여 구동 신호(UDRIVE)를 출력한다. 일부 실시예들에서, 구동 논리(120)는 또한 전류 감지 신호(UISENSE)(124)에 응답하여 구동 신호(UDRIVE)를 출력한다.
전력 스위치(S1)를 온 상태와 오프 상태 사이에서 스위칭하는 것은 1차 권선(104) 양단에 시간 가변 전압(VP)을 생성한다. 에너지 전달 요소(T1)는 전력 스위치(S1)의 온 상태 동안 2차 권선(106) 양단에 1차 전압(VP)의 스케일링된 사본을 생성하며, 스케일 팩터는 2차 권선(106)의 턴들의 수(NS)를 1차 권선(104)의 턴들의 수(NP)로 나눈 값인 비율이다. 전력 스위치(S1)의 스위칭은 또한 정류기(D1)에서 펄스 전류를 생성한다. 출력 커패시터(C1)는 정류기(D1)의 전류를 필터링하여, 출력 단자들(103)에서 실질적으로 일정한 출력 전압(VOUT), 출력 전류(IOUT) 또는 이 둘의 조합을 생성한다.
동작 동안, 바이어스 권선(112)은 정류기(D1)가 전도할 때 출력 전압(VOUT)에 응답하는 바이어스 권선 전압(VBIAS)을 생성한다. 피드백 전압(VFB), 따라서 피드백 신호(UFB)는 전력 스위치(S1)의 오프 시간의 적어도 일부 동안 출력 전압(VOUT)을 나타낸다. 일 실시예에서, 제어기(102)가 불연속 전도 모드로 동작하고 있을 때, 피드백 신호(UFB)는 오프 시간의 일부 동안만 출력 전압(VOUT)을 나타낸다. 불연속 전도 모드는 에너지 전달 요소(T1) 내의 에너지가 전력 스위치의 오프 상태 동안 실질적으로 0으로 감소할 때인 것으로 정의될 수 있다. 즉, 불연속 전도 동작 모드 동안, 정류기(D1)는 전력 스위치(S1)가 오프 상태에 있는 시간의 일부 동안만 전도한다. 다른 예에서, 피드백 신호(UFB)는 오프 시간의 전체 부분 동안 출력 전압(VOUT)을 나타낸다. 다른 실시예에서, 제어기(102)가 연속 전도 모드로 동작할 때, 피드백 신호(UFB)는 전력 스위치(S1)가 오프 상태에 있는 시간의 실질적으로 전부 동안 출력 전압(VOUT)을 나타낸다. 연속 전도 모드는 에너지 전달 요소(T1) 내의 에너지가 전력 스위치의 오프 상태 동안 실질적으로 0으로 감소하지 않는 때인 것으로 정의될 수 있다. 즉, 연속 전도 동작 모드 동안, 정류기(D1)는 전력 스위치(S1)가 오프 상태에 있는 전체 기간 동안 전도한다.
일례에서, 바이어스 권선(VBIAS)(112)은 또한 제어기(102)에 대해 전력의 소스를 제공할 수 있다. 구체적으로, 다이오드(D2), 커패시터들(C2, C3) 및 저항기(R3)는 제어기(102)에 급전하기 위해 제공되는 dc 공급 전압(즉, 바이패스 전압(VBP))을 생성한다. 도시된 바와 같이, 제어기(102)는 바이패스 단자(143)를 통해 바이패스 전압(VBP)을 수신하도록 결합된다.
바이어스 권선(112)을 이용하여 출력 전압(VOUT)을 감지하는 것은 광 결합기의 비용 없이 출력 전압(VOUT)과 제어기(102) 사이의 갈바니 절연을 제공한다. 그러나, 에너지 전달 요소(T1)의 권선을 이용하여 출력 전압(VOUT)을 감지할 때, 바이어스 권선(112)에서의 바이어스 권선 전압(VBIAS)은 출력 정류기(D1)가 전도하고 있을 때에만 출력 전압(VOUT)을 나타낼 수 있다. 따라서, 피드백 샘플링 회로(116)는 전력 스위치(S1)의 오프 상태 동안에만 피드백 신호(UFB)를 샘플링할 수 있다. 더구나, 전력 스위치(S1)의 스위칭 주파수가 높을 때에는(스위칭 주기에서의 더 짧은 스위칭 오프 상태들에 대응함), 피드백 신호(UFB)가 출력 전압(VOUT)을 나타내는 시간이 더 적다.
도 2는 도 1의 전력 변환기(100)가 연속 전도 모드로 동작하고 있을 때의 바이어스 권선 전압(VBIAS)의 예시적인 전압 파형을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전압(VBIAS)은 각각의 스위칭 사이클의 오프 시간(tOFF) 동안 출력 전압(VOUT)을 나타낸다. 고부하 조건 동안, 전력 변환기(100)가 이미 연속 전도 모드로 동작하고 있을 때, 스위칭 주파수가 증가할 수 있으며, 따라서 각각의 스위칭 주기의 오프 시간(toff)이 감소할 수 있다. 따라서, 전력 변환기(100)가 연속 전도 모드로 동작하고 있을 때에는 출력 전압(VOUT)을 감지하기 위한 시간도 더 적다. 더구나, 부분적으로는 바이어스 권선 전압(VBIAS)에서의 링잉 잡음이 제거되도록 출력 전압(VOUT)의 더 정확한 표현이 샘플링되는 것을 보장하기 위하여 피드백 신호(UFB)의 샘플링이 오프 시간(tOFF)의 끝을 향해 지연될 수 있다. 따라서, 도 1의 피드백 샘플링 회로(116)는 전력 스위치(S1)가 턴오프된 후 샘플 지연 시간(TDELAY)에 피드백 신호(UFB)를 샘플링할 수 있다. 그러나, 전력 변환기들 내의 또는 제어기 자체 내의 특정 동작 조건들 및/또는 개별 컴포넌트들 또는 다른 파라미터 변화들로 인해, 전통적인 회로들은 부정확한 시간에 피드백 신호(UFB)를 샘플링할 수 있다.
예를 들어, 도 2는 바이어스 권선 전압 내의 링잉의 대부분이 제거된 때 오프 시간(tOFF)의 끝을 향해 발생하는 피드백 신호(UFB)의 유효 샘플링을 나타낸다. 그러나, 컴포넌트 미스매치들 및/또는 부하에서의 과도적 이벤트는 전력 스위치(S1)가 후속 스위칭 사이클에서 이미 턴온된 후에 전통적인 회로들이 피드백 신호(UFB)를 거짓 샘플링하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 바이어스 권선 전압(VBIAS)은 온 시간(TON) 동안 입력 전압(VIN)을 나타낸다. 따라서, 제어기 내의 샘플링 회로에 의한 거짓 샘플은 부적절한 조절을 유발하는 무효 정보를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 거짓 샘플링들의 발생을 방지하기 위한(예로서, 전력 스위치(S1)의 온 시간 동안 샘플링들을 방지하기 위한) 거짓 샘플링 방지 회로를 포함하는 전력 변환기 제어기(예로서, 도 1의 제어기(102))를 포함한다. 일 실시예에서, 거짓 샘플링 방지 회로는 피드백 샘플링 회로(116)에 의한 피드백 신호의 샘플링이 완료될 때까지 전력 스위치의 오프 시간(tOFF)을 연장한다. 샘플링이 완료될 때까지 오프 시간(tOFF)을 연장함으로써, 제어기(102)는 바이어스 권선 전압(VB)이 변하기 전에 피드백 샘플링 회로에 의한 샘플이 완료되는 것을 보장할 수 있다. 샘플링 회로(116)가 정확한 샘플을 획득할 때까지 온 시간을 지연시키는 것은 짧은 기간 동안 유효 스위칭 주파수를 변경할 수 있으며, 이는 아래에 더 상세히 설명된다.
도 3은 본 발명의 가르침에 따른 예시적인 제어기(300)를 나타내는 기능 블록도이다. 제어기(300)는 도 1의 제어기(102)의 하나의 가능한 구현이다. 도시된 제어기(300)의 예는 피드백 샘플링 회로(302), 발진기(304), 샘플 지연 회로(306), 구동 논리(308) 및 전압 조절기(310)를 포함한다. 발진기(304)는 거짓 샘플링 방지 회로(312)를 포함하는 것으로 도시된다. 또한, 도 3에는 바이패스 전압(VBP), 공급 전압(VSUPPLY), 피드백 신호(UFB), 샘플 시작 신호(USAMP _ START), 샘플 신호(USAMPLE), 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP), 온 시간 신호(UON), 부하 신호(ULOAD) 및 구동 신호(UDRIVE)가 도시된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전압 조절기(310)는 제어기(300) 내의 회로들에 급전하기 위해 바이패스 전압(310)을 수신하고, 조절된 공급 전압(VSUPPLY)을 제공하도록 결합된다. 예를 들어, 전압 조절기(310)는 피드백 샘플링 회로(302), 발진기(304), 샘플 지연 회로(306) 및/또는 구동 논리(308)에 급전하기 위해 공급 전압(VSUPPLY)을 제공하도록 결합될 수 있다.
도 3은 구동 신호(UDRIVE)를 생성하도록 결합된 구동 논리(308)를 더 도시한다. 일 실시예에서, 구동 논리(308)는 전력 변환기의 출력을 조절하기 위해 전력 스위치(S1)의 듀티 사이클을 조정하도록 적응되는 고정 주파수 펄스폭 변조기(PWM) 제어를 이용하여 동작한다. 이 실시예에서, 구동 논리(308)는 온 시간 신호(UON)에 응답하여 스위칭 사이클마다 전력 스위치(S1)를 턴온하도록 적응된다. 동작시, 온 시간 신호(UON)는 정상 상태 동안 고정 주파수에 의해 결정되는 설정 지속 기간 후에 전력 스위치를 온 상태로 스위칭함으로써 전력 스위치의 스위칭 주파수를 설정할 수 있다. 더구나, 구동 논리(308)는 샘플 신호(USAMPLE)의 값에 응답하여 스위칭 사이클마다 전력 변환기(100)의 출력으로 전달되는 에너지를 조절하기 위해 전력 스위치(S1)를 턴오프할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 샘플 신호(USAMPLE)는 전력 스위치(S1)의 오프 시간의 일부 동안 획득된 전력 변환기의 출력 전압을 나타낼 수 있는 피드백 신호(UFB)를 나타낸다. 따라서, 제어기(300)는 구동 논리(308)에 온 시간 신호(UON) 및 샘플 신호(USAMPLE)를 각각 제공하도록 결합되는 발진기(304) 및 피드백 샘플링 회로(302)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바이어스 권선 전압(VBIAS)은 전력 스위치(S1)가 턴오프된 직후에 링잉을 시작한다. 따라서, 제어기(300)는 전력 스위치(S1)가 턴오프된 후에 피드백 샘플링 회로(302)가 피드백 신호(UFB)를 샘플링하는 시간을 지연하기 위한 샘플 지연 회로(306)를 더 포함한다. 도 3의 도시된 예에서, 샘플 지연 회로(306)는 전력 스위치(S1)가 턴오프된 후에 시간 지연(TDELAY)을 시작하는 샘플 시작 신호(USAMP _ START)를 생성한다. 일 실시예에서, 샘플 지연 회로(306)는 부하 신호(ULOAD)에 응답하여 그리고 구동 신호(UDRIVE)에 응답하여 샘플 시작 신호(USAMP _ START)를 생성한다. 예를 들어, 샘플 지연 회로(306)는 논리 로우(LOW)로 전이하는 구동 신호(UDRIVE)에 의해 지시되는 바와 같이 전력 스위치(S1)가 턴오프되고 나서 시간 지연(TDELAY) 후에 샘플 시작 신호(USAMP _ START)를 펄스화할 수 있다. 더구나, 시간 지연(TDELAY)의 길이는 부하 신호(ULOAD)에 의해 지시되는 바와 같이 전력 변환기의 출력에서의 부하 조건에 응답한다.
일 실시예에서, 부하 신호(ULOAD)는 전력 변환기의 출력에서의 부하 조건을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 오프 시간(tOFF) 및 다이오드 전도 시간(TD1COND)(예로서, 도 2)은 그러한 부하 조건들에 응답한다.
도 4는 본 발명의 가르침에 따른 예시적인 샘플 지연 회로(400)를 나타내는 기능 블록도이다. 샘플 지연 회로(400)는 도 3의 샘플 지연 회로(306)의 하나의 가능한 구현이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 샘플 지연 회로(400)는 비교기(402), 가변 전류 소스(404), 스위치(406), 커패시터(408), 플립플롭(410) 및 인버터(412)를 포함한다.
도 4는 인버터(412)가 구동 신호(UDRIVE)를 수신하고, 구동 신호(UDRIVE)의 역 신호를 플립플롭(410)의 클럭 입력에 제공하는 것으로서 도시한다. 따라서, 구동 신호(UDRIVE)가 논리 로우로 전이할 때(즉, 오프 시간의 시작 및 전력 스위치(S1)가 턴오프될 때), 플립플롭(410)의
Figure 112012078572152-pat00001
출력은 논리 로우로 전이한다. 플립플롭(410)은
Figure 112012078572152-pat00002
출력이 로우일 때 스위치(406)를 개방하도록 결합되며, 따라서 커패시터(408)가 가변 전류 소스(404)에 의해 충전을 시작하게 한다. 비교기(402)는 커패시터(408) 상의 전압(VDELAY)과 기준 전압(VREFTD)을 비교하도록 결합된다. 커패시터(408) 상의 전압(VDELAY)이 기준 전압(VREFTD)에 도달할 때, 비교기(402)는 논리 하이로 전이하여 플립플롭(410)을 재설정한다. 플립플롭(410)이 재설정될 때, 플립플롭(410)의
Figure 112012078572152-pat00003
출력은 스위치(406)를 닫으며, 따라서 커패시터(408)를 방전시킨다. 도시된 예에서, 비교기(402)의 출력은 또한 샘플 시작 신호(USAMP _ START)를 생성하도록 결합된다.
가변 전류 소스(404)에 의해 제공되는 전류의 크기는 부하 신호(ULOAD)에 의해 제어된다. 일 실시예에서는, 샘플 시작 신호(USAMP _ START)가 펄스화되기 전에(샘플링의 시작 전에) 시간 지연(TDELAY)을 줄이기 위해, 전력 변환기의 출력에서의 부하 조건이 낮을수록, 가변 전류 소스(404)에 의해 더 높은 전류가 제공된다.
도 5는 본 발명의 가르침에 따른 예시적인 피드백 샘플링 회로(500)를 나타내는 기능 블록도이다. 피드백 샘플링 회로(500)는 도 1 및 3의 피드백 샘플링 회로들(116, 302) 각각의 하나의 가능한 구현이다. 도시된 피드백 샘플링 회로(500)의 예는 샘플링 커패시터(502), 스위치(504), 버퍼(506), 타이밍 회로(508), 단안정(원-샷) 회로(510), 인버터(512) 및 D 플립플롭(514)을 포함하는 것으로 도시된다.
도 5의 도시된 예에서, 피드백 샘플링 회로(500)는 샘플링 커패시터(502), 스위치(504) 및 버퍼(506)를 포함하는 샘플 및 홀드 회로(503)를 포함한다. 버퍼(506)는 피드백 신호(UFB)를 수신하도록 결합되고, 스위치(504)에 더 결합된다. 스위치(504)는 샘플링 커패시터(502)에 더 결합되어, 샘플링 커패시터(502) 상으로 값을 언제 샘플링할지를 제어한다. 예를 들어, 스위치(504)가 인에이블(즉, 폐쇄)될 때, 샘플링 커패시터(502) 양단의 전압은 샘플 시간에 걸쳐 버퍼(506)의 출력(즉, 피드백 신호(UFB))을 적분한다. 유사하게, 스위치(504)가 샘플 시간의 종료시에 디스에이블(즉, 개방)될 때, 커패시터(502) 양단의 전압이 유지된다. 일 실시예에서, 커패시터(502) 상에 유지되는 값은 샘플 신호(USAMPLE)이다.
피드백 샘플링 회로는 샘플 시간 신호(USAMPLETIME)를 제공하기 위한 타이밍 회로(508)도 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 타이밍 회로(508)는 샘플 시작 신호(USAMP _ START)에 응답하여 샘플 시간 신호(USAMPLETIME)를 생성한다. 특히, 샘플 시작 신호(USAMP _ START)는 샘플링 시간의 시작을 트리거링할 수 있다. 예를 들어, 타이밍 회로(508)는 샘플 시작 신호(USAMP _ START)의 펄스화에 응답하여 시작하는 고정 기간의 펄스인 샘플 시간 신호(USAMPLETIME)를 생성하기 위한 원-샷을 포함할 수 있다.
피드백 샘플링 회로(500)는 샘플링이 완료된 시기를 나타내는 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP)도 생성할 수 있다. 즉, 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP)는, 스위치(504)가 개방되고, 샘플링된 값이 커패시터(502) 상에 유지되는 시간을 지시할 수 있다. 일 실시예에서, 피드백 샘플링 회로(500)는 샘플 시간 신호(USAMPLE)에 의해 지시되는 바와 같은 샘플링 시간의 종료에 응답하여 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP)를 생성한다. 예를 들어, 피드백 샘플링 회로(500)는 단안정 회로(510)를 통해 샘플 시간 신호(USAMPLETIME)의 하강 에지 상에서 재설정되도록 결합되는 D 플립플롭(514)을 포함한다. 즉, 단안정 회로(510)는 스위치(504)가 열릴 때 펄스화한다. 따라서, D 플립플롭(514)은 플립플롭(514)의 Q 출력이 논리 로우로 전이할 때 샘플링이 완료되었음을 지시한다. D 플립플롭(514)은 또한 인버터(512)를 통해 구동 신호(UDRIVE)의 역 신호를 수신하도록 결합되며, 따라서 플립플롭(514)의 Q 출력은 스위칭 사이클마다 전력 스위치(S1)가 턴오프될 때 설정된다.
도 6은 본 발명의 가르침에 따른 발진기(600)를 나타내는 기능 블록도이다. 발진기(600)는 도 1 및 3의 발진기들(118, 304) 각각의 하나의 가능한 구현이다. 도시된 발진기(600)의 예는 거짓 샘플링 방지 회로(602), 비교기(604), 가변 전류 소스들(606, 608), 발진기 커패시터(COSC) 및 스위치들(610, 612, 614, 616)을 포함한다. 거짓 샘플링 방지 회로(602)는 논리 게이트(618) 및 래치(620)를 포함하는 것으로 도시된다.
도 6의 예에서, 스위치(610)가 인에이블(즉, 폐쇄)될 때 가변 전류 소스(606)가 커패시터(COSC)를 충전시키도록 결합되고, 스위치(612)가 인에이블될 때 가변 전류 소스(608)가 커패시터(COSC)를 방전시키도록 결합된다. 비교기(604)는 커패시터(COSC) 양단의 전압(VOSC)과 스위치들(614, 616)에 의해 결정되는 바와 같은 상위 기준 전압(VREFH) 및 하위 기준 전압(VREFL)을 비교하도록 결합된다. 동작시, 스위치들(610, 612)은 온 시간 신호(UON)를 이용하여 제어되어, 커패시터(COSC)를 교대로 충전 및 방전시킴으로써, 비교기(604)의 출력에서 클럭 신호(UCLK)를 생성하며, 따라서 온 시간 신호(UON)는 스위칭 주파수 및 대응하는 스위칭 주기를 갖게 된다. 예를 들어, 온 시간 신호(UON)가 논리 하이일 때, 스위치들(610, 614)은 커패시터를 충전하도록 인에이블되는 반면, 발진기 전압(VOSC)은 상위 기준 전압(VREFH)과 비교된다. 이 예를 계속하면, 온 시간 신호(UON)가 로우일 때(즉,
Figure 112012078572152-pat00004
이 하이일 때), 스위치들(612, 616)은 커패시터를 방전시키도록 인에이블되는 반면, 발진기 전압(VOSC)은 하위 기준 전압(VREFL)과 비교된다. 일례에서는, 스위치들(610, 614)이 함께 스위칭되고, 스위치들(612, 616)이 함께 스위칭된다. 다른 예에서는, 스위치들(610, 614)이 하나의 상태에 있을 때, 스위치들(612, 616)은 다른 상태에 있게 된다. 예를 들어, 스위치들(610, 614)이 인에이블될 때, 스위치들(612, 616)은 디스에이블되고, 그 반대도 마찬가지이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전류 소스들(606, 608)은 부하 신호(ULOAD)를 수신하도록 결합되는 가변 전류 소스들이다. 따라서, 전류 소스들(606, 608)에 의해 제공되는 전류들의 크기는 전력 변환기(100)의 출력에서의 부하 조건에 응답한다. 일 실시예에서는, 부하 조건이 클수록, 전류 소스들(606, 608)에 의해 제공되는 전류의 크기가 커지며, 따라서 클럭 신호(UCLK)의 주파수가 증가한다. 이러한 방식으로, 발진기 주파수는 전력 변환기의 출력에서의 부하 조건을 나타내는 부하 신호에 응답하여 설정될 수 있다. 도 6은 전류 소스들(606, 608)을 가변 전류 소스들로서 도시하지만, 전류 소스들(606, 608) 중 하나 이상은 커패시터(COSC)를 충전 및/또는 방전시키기 위하여 고정 전류를 제공하는 고정 전류 소스들일 수 있다.
도 6은 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP) 및 클럭 신호(UCLK)를 수신하도록 결합되는 거짓 샘플링 방지 회로(602)를 더 도시한다. 래치(620)가 온 시간 신호(UON)를 생성하도록 결합된다. 전술한 바와 같이, 온 시간 신호(UON)는 전력 스위치의 온 시간을 결정하며, 구동 신호(UDRIVE)의 주파수를 설정하는 데 사용된다. 즉, 온 시간 신호(UON)는 각각의 스위칭 주기를 종료하기 위해 전력 스위치(S1)의 오프 시간(TOFF)을 언제 종료할지를 구동 논리에 지시할 수 있다.
도 6의 실시예에서, 래치(620)는 래치(620)의
Figure 112012078572152-pat00005
출력을 통해 온 시간 신호를 제공한다. 따라서, 래치(620)는 전력 스위치(S1)를 턴온하기 위해 온 시간 신호(UON)를 표명하며, 따라서 래치(620)가 재설정될 때 오프 시간을 종료한다. 그러나, 거짓 샘플링 방지 회로(602)는 샘플 완료 신호(USAMP _ COMP)가 피드백 샘플링 회로(예로서, 도 3의 피드백 샘플링 회로(302))에 의한 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 전력 스위치(S1)의 오프 시간을 연장하도록 결합되는 논리 게이트(618)를 더 포함한다. 특히, 논리 게이트(618)는, 발진기(VOSC)가 (원하는 주파수를 유지하기 위해) 하위 기준 전압(VREFL)으로 방전되고, 바이어스 권선 전압(VBIAS)의 샘플링이 완료되는 경우에만 래치(620)를 재설정한다. 발진기 전압(VOSC)이 하위 기준 전압(VREFL)에 도달할 때 샘플링이 완료되지 않은 경우, 논리 게이트(618)는 래치(620)가 재설정되는 것을 방지하며, 따라서 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP)가 샘플링이 확실히 완료되었음을 지시할 때까지 전력 스위치(S1)의 오프 시간을 연장한다. 스위칭 주기의 오프 시간을 연장하여 거짓 샘플링을 방지함으로써(예로서, 온 시간 동안의 샘플링을 방지함으로써), 스위칭 사이클의 주기가 연장될 수 있고, 이는 스위칭 주파수를 임시 조정할 수 있다. 본 발명의 가르침에 따르면, 전력 변환기는 거짓 샘플을 획득하는 대신에 스위칭 주파수가 임시 연장되는 경우에 더 양호한 조절을 유지할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 가르침에 따른, 전력 변환기 제어기에 의한 거짓 샘플링을 방지하기 위한 예시적인 프로세스(718)를 나타낸다. 도 7b는 본 발명의 가르침에 따른, 예시적인 전력 변환기 제어기와 관련된 예시적인 전압 및 전류 파형들 및 클럭 신호들을 나타낸다. 이제, 도 3-7b를 참조하여 제어기(300)의 동작이 더 상세히 설명된다.
도 7a를 참조하면, 프로세스(718)는 전력 스위치(S1)가 오프 시간을 시작하도록 턴오프되는 프로세스 블록(720)을 포함한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 오프 시간은 구동 신호(UDRIVE)가 논리 로우로 전이하는 시간 t2에서 시작한다. 구동 신호(UDRIVE)의 논리 로우로의 전이는 시간 지연(tDELAY)을 시작하도록 샘플 지연 회로(400)의 커패시터(408)의 충전을 트리거링한다. 시간 t3(즉, 시간 지연(tDELAY)의 끝)에서, 샘플 지연 회로(400)는 샘플 시작 신호(USAMP _ START)를 표명한다. 또한, 시간 t3에서, 샘플 시작 신호(USAMP _ START)에 응답하여, 피드백 샘플링 회로(500)는 스위치(504)를 닫음으로써 피드백 신호(UFB)의 샘플링을 시작한다(즉, 프로세스 블록 724). 샘플링이 완료될 때, 피드백 샘플링 회로(500)는 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP)를 논리 로우로 전이시킨다. 판정 블록 726에서, 발진기(600)의 비교기(604)는 발진기 전압(VOSC)이 하위 기준 전압(VREFL)에 도달하였는지를 판정한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 발진기 전압(VOSC)은 시간 t4에 하위 기준 전압(VREFL)에 도달한다. 판정 블록 728에서, 거짓 샘플링 방지 회로(602)는 (시간 t4에서 논리 로우 상태에 있는 샘플링 완료 신호(USAMP _ COMP)에 의해 지시되는 바와 같이) 샘플링이 완료된 것으로 판정한다. 이어서, 프로세스 블록 730에서, 거짓 샘플링 방지 회로(602)는 전력 스위치(S1)를 턴온하기 위해 온 시간 신호(UON)를 표명하며, 따라서 오프 시간을 종료한다(즉, 온 시간을 시작한다).
도 7b의 전압 파형들을 계속 설명하면, 후속 스위칭 주기 TP2에서, 시간 t7에서, 발진기 전압(VOSC)은 하위 기준 전압(VREFL)에 다시 도달하였다. 그러나, 시간 t7에서 피드백 샘플링 회로(500)에 의한 피드백 신호(UFB)의 샘플링은 아직 완료되지 않았다. 따라서, 거짓 샘플링 방지 회로(602)는 시간 t7에서 온 시간 신호(UON)를 표명하지 않으며, 따라서 전력 스위치(S1)를 디스에이블(즉, 오프) 상태로 유지한다. 시간 t8에서, 논리 로우로 전이하는 샘플 완료 신호(USAMP _ COMP)에 의해 지시되는 바와 같이 샘플링 완료된다. 따라서, 거짓 샘플링 방지 회로(602)는 시간 t8까지 전력 스위치(S1)를 오프 상태로 유지하기 위해 온 시간 신호의 시간(tEXTOFF)만큼 스위칭 주기를 연장한다.
전술한 바와 같이, 발진기(600)를 참조하면, 커패시터(COSC)가 충전 및 방전되는 시간들을 결정하기 위해 온 시간 신호(UON)를 이용하여 스위치들(610, 612)을 제어할 수 있다. 도 7b의 부분 702로부터 알 수 있듯이, 온 시간 신호(UON)를 지연시킴으로써 스위칭 주기를 연장하는 것은 커패시터(COSC)가 하위 기준 전압(VREFL) 아래로 방전되게 한다. 도 8은 부분 712의 분해도를 나타낸다. 도 8로부터 알 수 있듯이, 온 시간 신호(UON)의 스위칭 주기, 따라서 전력 스위치(S1)의 오프 시간은 오프 시간 연장(TEXTOFF)만큼 연장된다. 게다가, 발진기 전압(VOSC)이 하위 기준 전압(VREFL) 아래로 방전되므로, 후속 스위칭 주기도 후속 연장 시간(TEXTSUB)만큼 연장된다. 일 실시예에서, 오프 시간 연장(tEXTOFF)은 후속 연장 시간(TEXTSUB)과 실질적으로 동일하다. 도 9는 본 발명의 가르침에 따른 다른 예시적인 발진기(900)를 도시하는 기능 블록도이다. 발진기(900)는 도 1 및 3의 발진기들(118, 304) 각각의 하나의 가능한 구현이다. 발진기(900)는 도 6의 발진기(600)와 유사하며, 동일한 대상들을 지시하기 위해 동일한 번호들을 사용하였다. 그러나, 도 6의 발진기와 달리, 발진기(900)는 스위치들(610, 612)을 제어하기 위해 별개의 신호들을 사용한다. 구체적으로, 스위치(610)는 온 시간 신호(UON)에 응답하여 제어되는 반면, 스위치(612)는 클럭 신호(UCLK)에 응답하여 제어된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 클럭 신호(UCLK)를 이용하여 커패시터(COSC)의 방전을 제어하는 것은 샘플링 완료 신호(USAMP - COMP)가 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 발진기 전압(VOSC)이 하위 기준 전압(VREFL)으로 유지될 수 있게 한다. 확실히, 시간 t7에서, 발진기 전압(VOSC)은 하위 기준 전압(VREFL)에 도달하였다. 그러나, 시간 t7에서 피드백 샘플링 회로(500)에 의한 피드백 신호(UFB)의 샘플링은 아직 완료되지 않았다. 따라서, 거짓 샘플링 방지 회로는 시간 t7에서 온 시간 신호(UON)를 표명하지 않으며, 따라서 전력 스위치(S1)를 디스에이블(즉, 오프) 상태로 유지한다. 그러나, 시간 t7에서, 하위 기준 전압(VREFL)에 도달할 때, 발진기(900)의 출력 비교기(604)(즉, 클럭 신호(UCLK))는 논리 로우로 전이하며, 따라서 스위치(612)를 개방한다. 시간 t7에서의 스위치(612)의 개방은 커패시터(COSC)의 추가 방전을 방지하며, 커패시터 상의 하위 기준 전압(VREFL)을 유지한다. 시간 t8에서, 논리 로우로 전이하는 샘플 완료 신호(USAMP _ COMP)에 의해 지시되는 바와 같이 샘플링이 완료되며, 따라서 커패시터(COSC)를 충전하여 다음 주기를 시작하도록 스위치(610)가 인에이블된다. 따라서, 발진기(900)의 거짓 샘플링 방지 회로(602)는 시간 t8까지 전력 스위치(S1)를 오프 상태로 유지하기 위해 온 시간 신호의 스위칭 주기를 연장한다.
도 11은 도 10의 발진기 전압의 부분 1020의 분해도를 나타낸다. 도 11로부터 알 수 있듯이, 온 시간 신호(UON)의 스위칭 주기, 따라서 전력 스위치(S1)의 오프 시간은 오프 시간 연장(TEXTOFF)만큼 연장된다. 게다가, 발진기 전압(VOSC)은 하위 기준 전압(VREFL)으로 유지되므로, 후속 스위칭 주기는 도 6의 실시예의 경우에서와 같이 연장되지 않는다. 이 실시예에서는, 단지 하나의 스위칭 사이클의 스위칭 주기가 영향을 받는다.
요약서에 설명되는 것을 포함하여 본 발명의 도시된 예들에 대한 위의 설명은 포괄적이거나, 개시되는 바로 그 형태들로 제한하는 것을 의도하지 않는다. 본 발명의 특정 실시예들 및 예들이 본 명세서에 예시의 목적으로 설명되지만, 본 발명의 더 넓은 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 균등한 변경들이 가능하다. 사실상, 특정 전압들, 전류들, 주파수들, 전력 범위 값들, 시간들 등은 설명의 목적으로 제공되며, 본 발명의 가르침에 따르는 다른 실시예들 및 예들에서는 다른 값들도 사용될 수 있다는 것을 인식한다.
이러한 변경들은 위의 상세한 설명에 비추어 본 발명의 예들에 대해 이루어질 수 있다. 아래의 청구범위에서 사용되는 용어들은 본 발명을 명세서 및 청구범위에서 개시되는 특정 실시예들로 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 그 범위는 확립된 청구범위 해석 원리에 따라 해석되어야 하는 아래의 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다. 따라서, 본 명세서 및 도면들은 제한적이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 전력 변환기용 집적 회로 제어기로서,
    상기 제어기의 단자로부터 수신되는 피드백 신호를 샘플링하고, 상기 피드백 신호의 값을 나타내는 샘플 신호를 생성하도록 결합되는 피드백 샘플링 회로 - 상기 피드백 신호는 전력 스위치의 오프 시간의 적어도 일부 동안 상기 전력 변환기의 출력 전압을 나타냄 -;
    상기 피드백 샘플링 회로에 결합되고, 상기 샘플 신호에 응답하여 상기 전력 변환기의 출력을 조절하기 위하여 상기 전력 스위치를 제어하도록 결합되는 구동 논리; 및
    샘플링 완료 신호를 수신하도록 결합되는 거짓 샘플링 방지 회로
    를 포함하고,
    상기 거짓 샘플링 방지 회로는 상기 샘플링 완료 신호가 상기 피드백 샘플링 회로에 의한 상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 전력 스위치의 상기 오프 시간을 연장하기 위해 상기 구동 논리에 더 결합되는 집적 회로 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 스위칭 주기를 갖는 온 시간 신호를 생성하도록 결합되는 발진기를 더 포함하고, 상기 거짓 샘플링 방지 회로는 상기 샘플링 완료 신호에 응답하여 상기 스위칭 주기를 연장하기 위해 상기 발진기에 포함되고, 상기 구동 논리는 상기 온 시간 신호에 응답하여 상기 전력 스위치를 턴온시키도록 결합되는 집적 회로 제어기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발진기는
    커패시터; 및
    상기 커패시터를 상위 및 하위 기준 전압 사이에서 교대로 각각 충전 및 방전시켜 상기 스위칭 주기를 갖는 상기 온 시간 신호를 생성하도록 결합되는 제1 및 제2 전류 소스들
    을 더 포함하고,
    상기 구동 논리는 상기 샘플링 완료 신호가 상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시하는 경우에 상기 커패시터가 상기 하위 기준 전압으로 방전되는 것에 응답하여 상기 전력 스위치를 턴온시키도록 결합되는 집적 회로 제어기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 전류 소스는 상기 샘플링 완료 신호가 상기 하위 기준 전압의 도달시에 샘플링이 완료되었음을 지시하지 않는 경우에 상기 커패시터를 상기 하위 기준 전압 아래로 방전시키도록 결합되는 집적 회로 제어기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 전류 소스는 상기 샘플 완료 신호가 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 커패시터의 상기 하위 기준 전압 아래로의 방전을 계속하도록 결합되는 집적 회로 제어기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 커패시터 상의 전압은 상기 샘플링 완료 신호가 상기 하위 기준 전압의 도달시에 샘플링이 완료되었음을 지시하지 않는 경우에 상기 하위 기준 전압으로 유지되는 집적 회로 제어기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 커패시터 상의 상기 전압은 상기 샘플링 완료 신호가 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 하위 기준 전압으로 유지되는 집적 회로 제어기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전력 스위치는 상기 집적 회로 제어기에 포함되는 집적 회로 제어기.
  9. 스위칭 전력 변환기로서,
    상기 전력 변환기의 입력에 결합되는 에너지 전달 요소;
    상기 에너지 전달 요소를 통한 에너지의 전달을 제어하도록 결합되는 전력 스위치; 및
    상기 전력 스위치에 결합되는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는
    피드백 신호를 샘플링하고, 상기 피드백 신호의 값을 나타내는 샘플 신호를 생성하도록 결합되는 피드백 샘플링 회로 - 상기 피드백 신호는 전력 스위치의 오프 시간의 적어도 일부 동안 상기 전력 변환기의 출력 전압을 나타냄 -;
    상기 피드백 샘플링 회로에 결합되고, 상기 샘플 신호에 응답하여 상기 전력 변환기의 출력을 조절하기 위하여 상기 전력 스위치를 제어하도록 결합되는 구동 논리; 및
    샘플링 완료 신호를 수신하도록 결합되는 거짓 샘플링 방지 회로
    를 포함하고,
    상기 거짓 샘플링 방지 회로는 상기 샘플링 완료 신호가 상기 피드백 샘플링 회로에 의한 상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 전력 스위치의 상기 오프 시간을 연장하기 위해 상기 구동 논리에 더 결합되는 스위칭 전력 변환기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어기는 스위칭 주기를 갖는 온 시간 신호를 생성하도록 결합되는 발진기를 더 포함하고, 상기 거짓 샘플링 방지 회로는 상기 샘플링 완료 신호에 응답하여 상기 스위칭 주기를 연장하기 위해 상기 발진기에 포함되고, 상기 구동 논리는 상기 온 시간 신호에 응답하여 상기 전력 스위치를 턴온시키도록 결합되는 스위칭 전력 변환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발진기는
    커패시터; 및
    상기 커패시터를 상위 및 하위 기준 전압 사이에서 교대로 각각 충전 및 방전시켜 상기 스위칭 주기를 갖는 상기 온 시간 신호를 생성하도록 결합되는 제1 및 제2 전류 소스들
    을 더 포함하고,
    상기 구동 논리는 상기 샘플링 완료 신호가 상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시하는 경우에 상기 커패시터가 상기 하위 기준 전압으로 방전되는 것에 응답하여 상기 전력 스위치를 턴온시키도록 결합되는 스위칭 전력 변환기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 전류 소스는 상기 샘플링 완료 신호가 상기 하위 기준 전압의 도달시에 샘플링이 완료되었음을 지시하지 않는 경우에 상기 커패시터를 상기 하위 기준 전압 아래로 방전시키도록 결합되는 스위칭 전력 변환기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 전류 소스는 상기 샘플 완료 신호가 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 커패시터의 상기 하위 기준 전압 아래로의 방전을 계속하도록 결합되는 스위칭 전력 변환기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 커패시터 상의 전압은 상기 샘플링 완료 신호가 상기 하위 기준 전압의 도달시에 샘플링이 완료되었음을 지시하지 않는 경우에 상기 하위 기준 전압으로 유지되는 스위칭 전력 변환기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 커패시터 상의 상기 전압은 상기 샘플링 완료 신호가 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 하위 기준 전압으로 유지되는 스위칭 전력 변환기.
  16. 제9항에 있어서, 상기 제어기 및 상기 전력 스위치는 단일 집적 회로에 함께 포함되는 스위칭 전력 변환기.
  17. 집적 회로 제어기의 단자로부터 수신된 피드백 신호를 샘플링하고, 상기 피드백 신호를 나타내는 샘플 신호를 생성하는 단계 - 상기 피드백 신호는 전력 스위치의 오프 시간의 적어도 일부 동안 전력 변환기의 출력 전압을 나타냄 -;
    상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시하는 샘플링 완료 신호를 생성하는 단계;
    상기 샘플 신호에 응답하여 상기 전력 변환기의 출력을 조절하도록 상기 전력 스위치를 제어하는 단계; 및
    상기 샘플링 완료 신호가 상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 전력 스위치의 상기 오프 시간을 연장하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 스위칭 주기를 갖는 온 시간 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 전력 스위치를 제어하는 단계는 상기 온 시간 신호에 응답하여 상기 전력 스위치를 턴온시키는 단계를 포함하고, 상기 전력 스위치의 상기 오프 시간을 연장하는 단계는 상기 온 시간 신호의 상기 스위칭 주기를 연장하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 온 시간 신호를 생성하는 단계는 커패시터를 상위 및 하위 기준 전압 사이에서 각각 교대로 충전 및 방전시키는 단계를 포함하고, 상기 온 시간 신호에 응답하여 상기 전력 스위치를 턴온시키는 단계는 상기 샘플링 완료 신호가 상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시하는 경우에 상기 커패시터가 상기 하위 기준 전압으로 방전되는 것에 응답하여 상기 전력 스위치를 턴온시키는 단계를 포함하는 방법.
  20. 집적 회로 제어기로서,
    상기 제어기의 단자로부터 수신되는 피드백 신호를 샘플링하고, 상기 피드백 신호의 값을 나타내는 샘플 신호를 생성하도록 결합되는 피드백 샘플링 회로 - 상기 피드백 신호는 전력 스위치의 오프 시간의 적어도 일부 동안 전력 변환기의 출력 전압을 나타냄 -;
    상기 피드백 샘플링 회로에 결합되고, 상기 샘플 신호에 응답하여 그리고 온 시간 신호에 응답하여 상기 전력 스위치를 제어하도록 결합되는 구동 논리; 및
    스위칭 주기를 갖는 상기 온 시간 신호를 생성하도록 결합되는 발진기
    를 포함하고,
    상기 발진기는
    커패시터;
    상기 커패시터를 상위 및 하위 기준 전압 사이에서 교대로 각각 충전 및 방전시켜 클럭 신호를 생성하도록 결합되는 제1 및 제2 전류 소스들;
    상기 온 시간 신호를 생성하도록 결합되는 래치 - 상기 온 시간 신호는 상기 구동 논리에 상기 전력 스위치의 오프 시간을 언제 끝낼지를 지시함 - ; 및
    상기 클럭 신호에 응답하여 그리고 샘플링 완료 신호에 응답하여 래치를 설정 및 재설정하여, 상기 샘플링 완료 신호가 상기 피드백 샘플링 회로에 의한 상기 피드백 신호의 상기 샘플링이 완료되었음을 지시할 때까지 상기 오프 시간을 연장함으로써, 상기 피드백 샘플링 회로에 의한 상기 피드백 신호의 거짓 샘플링들을 줄이도록 결합되는 논리 게이트
    를 포함하는 집적 회로 제어기.
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