KR101550530B1 - 디지털 지연 고정 루프를 이용하여 전자기 간섭을 줄일 수 있는 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법 - Google Patents

디지털 지연 고정 루프를 이용하여 전자기 간섭을 줄일 수 있는 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법 Download PDF

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장정아
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 동기식 직류-직류 벅 변환기는, 입력 전압을 제1 스위칭 신호의 듀티(duty) 구간 동안 인덕터에 인가하는 제1 스위치와, 제1 스위칭 신호에 상보적인 제2 스위칭 신호로 스위칭되는 제2 스위치를 이용하여 강압된 출력 전압을 생성하는 동기식 직류-직류 벅 변환기로서, 주파수 설정 신호에 따른 주파수로 톱니파를 생성하는 톱니파 생성부, 출력 전압과 기준 전압의 오차 전압을 생성하고, 톱니파와 오차 전압을 비교하여 오차 전압의 크기에 상응한 듀티비를 가지는 구동 발진 신호를 생성하는 구동 발진 신호 생성부, 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 스위칭 신호 생성부 및 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 주파수 설정 신호를 생성하는 위상 추적부를 포함할 수 있다.

Description

디지털 지연 고정 루프를 이용하여 전자기 간섭을 줄일 수 있는 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법{SYNCHRONOUS DC-DC BUCK CONVERTER FOR REDUCING ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE USING DIGITAL DELAY LOCKED LOOP AND METHOD FOR CONTROLLING SHAPING OF SWITCHING SIGNALS}
본 발명은 직류-직류 변환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 동기식 직류-직류 벅 변환기에 관한 것이다.
직류-직류 변환기(DC-DC Converter)는 직류 전압을 다른 레벨의 직류 전압으로 변환하는 회로이다. 입력 전압을 더 낮은 레벨의 출력 전압으로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환기를 강압형 직류-직류 변환기라고 하는데, 벅 변환기(buck converter), 또는 DC-DC 벅 변환기라고 하는 인덕터 방식의 벅 변환기가 대표적이다.
동기식 DC-DC 벅 변환기(synchronous DC-DC buck converter)는 인덕터와, 인덕터에 대해 입력 전압으로부터 에너지 공급과 출력 전압으로 에너지 전달을 제어하기 위해 서로 상보적으로 동작하는 두 개의 스위치들, 그리고 강압된 전압을 유지하기 위한 커패시터로 구성된다.
이론적으로 동기식 DC-DC 벅 변환기는 두 스위치들 중 인덕터에 입력 전압을 인가하는 스위치의 듀티비(duty ratio)에 따라 강압비가 결정되는 회로이므로, 간단한 구조로 출력 전압의 레벨을 조절할 수도 있는 직류-직류 변환기이다.
다만, 큰 용량의 인덕터와 커패시터를 집적 회로로 구현하기에는 어렵기 때문에, 집적 회로로 구현하더라도 인덕터는 외부 소자로 하고 나머지 스위칭 회로들만 집적 회로 내에서 구성하는 것이 보통이다.
인덕터의 크기는 듀티비 및 입력 전압과 출력 전압의 차이에 비례하고, 스위칭 주파수와 스위칭 시의 인덕터 리플(ripple) 전류 변화율에는 반비례한다.
또한 커패시터의 크기는 스위칭 시의 인덕터 리플 전류 변화율에 비례하고 스위칭 주파수와 출력 전압의 크기에는 반비례한다.
따라서, 인덕터와 커패시터의 크기를 모두 줄여 집적 회로 내에 집적시키기 위해서는, 스위칭 주파수를 높여야 한다.
스위칭 주파수를 높일 경우에, 집적 회로에서 스위치로 구현되는 트랜지스터들에 새로운 문제점들이 발생한다. 동기식 DC-DC 벅 변환기의 두 스위치들은 동시에 켜질 경우에 입력 전압 단자에서 스위치들을 관통하여 접지 단자까지 전류가 흘러버릴(shoot-through) 가능성이 있다. 따라서, 각 스위치들의 상보적인 통전 구간의 앞뒤로 소정의 데드 타임(dead time)을 주어 스위치로 동작하는 트랜지스터들이 어느 시점에 동시에 턴온되어 있을 가능성을 줄일 필요가 있다.
스위칭 주파수를 높일 때에 발생하는 또다른 문제점은 전자기 간섭, 즉 EMI(electromagnetic interference)이다.
스위칭 신호는 매우 안정적으로 유지되는 스위칭 주파수를 가지고 생성되므로, 스위칭 주파수를 중심으로 전자기 에너지가 집중되며, 설령 스위칭 신호의 전압 레벨이 낮더라도 안정적이고 높은 주파수의 스위칭 신호라면 스위칭 주파수 대역에서는 무시할 수 없는 전자기 간섭을 일으킬 수 있다. 이러한 EMI는 때때로 다른 전자 장치들의 동작에 영향을 미치기도 하고 때로는 회로 자체의 성능을 저하시키기도 한다.
통상적으로 안정적인 스위칭 신호에 따른 EMI 가능성은 역설적으로 스위칭 신호를 안정적이지 않게 만들면 해소될 수 있다. 이러한 기법에 따르면 전자기 에너지는 스위칭 신호가 불안정하게 발생하는 넓은 대역에 확산되므로 첨두가 낮아지게 되어 EMI 가능성이 사라진다. 이러한 기법을 통칭하여 확산 스펙트럼 클럭 생성 기법(spread spectrum clock generation, SSCG)이라 한다.
그러나, 이러한 전자기 간섭을 해소하기 위한 확산 스펙트럼 클럭 생성 기법은 동기식 DC-DC 벅 컨버터에 적용하기 쉽지 않다.
예를 들어, 스위칭 신호 펄스의 전후에 적용된 데드 타임이 문제가 될 수 있다. 데드 타임은 스위치로 사용되는 트랜지스터의 턴온 시간과 턴오프 시간을 고려하여 주어진다. 예를 들어, 확산 스펙트럼 클럭 생성에 따라 스위칭 주파수가 10% 상승하여 스위칭 주기가 10% 줄어든 상황에서 고정적인 데드 타임이 적용되면, 입력 전원을 인덕터에 연결하는 스위치의 듀티 구간이 애초에 스위칭 주파수가 확산되지 않은 경우보다 더 많이 줄어들게 되고, 출력 전압은 낮아지게 된다.
반대로 스위칭 주파수가 10% 하강하여 스위칭 주기가 10% 늘어난 상황에서 고정적인 데드 타임이 적용되면, 입력 전원을 인덕터에 연결하는 스위치의 듀티 구간이 애초에 스위칭 주파수가 확산되지 않은 경우보다 더 많이 길어지게 되고, 출력 전압은 높아지게 된다.
이렇게 되면 직류-직류 전압 변환기의 출력 전압이 안정적으로 공급되지 못하고 확산 스펙트럼 클럭의 확산 주기에 상응하는 주기로 높아졌다 낮아졌다 하는 문제가 예상된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 디지털 지연 고정 루프를 이용하여 전자기 간섭을 줄일 수 있는 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스위칭 주파수가 높아지면서 영향이 커지는 전자기 간섭의 문제를 해결하고자 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭을 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 확산 스펙트럼 클럭 이용 시에 데드 타임에 미치는 영향을 줄이고 효율을 유지하기 위해 디지털 지연 고정 루프를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 동기식 직류-직류 벅 변환기는
입력 전압을 제1 스위칭 신호의 듀티(duty) 구간 동안 인덕터에 인가하는 제1 스위치와, 제1 스위칭 신호에 상보적인 제2 스위칭 신호로 스위칭되는 제2 스위치를 이용하여 강압된 출력 전압을 생성하는 동기식 직류-직류 벅 변환기로서,
주파수 설정 신호에 따른 주파수로 톱니파를 생성하는 톱니파 생성부;
상기 출력 전압과 기준 전압의 오차 전압을 생성하고, 상기 톱니파와 상기 오차 전압을 비교하여 상기 오차 전압의 크기에 상응한 듀티비를 가지는 구동 발진 신호를 생성하는 구동 발진 신호 생성부;
상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 스위칭 신호 생성부; 및
상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 주파수 설정 신호를 생성하는 위상 추적부를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라,
상기 스위칭 신호 생성부는 데드 타임 설정 신호에 따라 상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하도록 동작하고,
위상 추적부는 상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 데드 타임 설정 신호를 생성하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 위상 추적부는
상기 구동 발진 신호를 소정의 분주비로 분주한 분주 신호와 상기 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스를 생성하는 펄스 생성부;
상기 생성된 펄스의 활성 구간의 길이에 따라 상기 활성 구간 길이 신호를 생성하는 타임-투-디지털 변환기;
상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 상기 주파수 변동 신호를 생성하는 확산 스펙트럼 클럭 제어부;
상기 활성 구간 길이 신호와 상기 주파수 변동 신호를 합산하여 상기 합산 신호를 생성하는 합산부; 및
상기 합산 신호를 필터링하고, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 비례하여 상기 주파수 설정 신호의 크기를 결정하며, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 역비례하여 상기 데드 타임 설정 신호의 크기를 결정하는 디지털 루프 필터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라,
상기 주파수 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 비례하여 상기 톱니파의 주파수를 변경하도록 설정되고,
상기 데드 타임 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 역비례하여 상기 데드 타임 길이를 변경하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법은,
입력 전압을 제1 스위칭 신호의 듀티 구간 동안 인덕터에 인가하는 제1 스위치와, 제1 스위칭 신호에 상보적인 제2 스위칭 신호로 스위칭되는 제2 스위치를 이용하여 강압된 출력 전압을 생성하는 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법으로서,
주파수 설정 신호에 따른 주파수로 톱니파를 생성하는 단계;
상기 출력 전압과 기준 전압의 오차 전압을 생성하고, 상기 톱니파와 상기 오차 전압을 비교하여 상기 오차 전압의 크기에 상응한 듀티비를 가지는 구동 발진 신호를 생성하는 단계;
상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 단계; 및
상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 주파수 설정 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 단계는,
데드 타임 설정 신호에 따라 상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법은
상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 데드 타임 설정 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예 따라, 상기 주파수 설정 신호를 생성하는 단계 및 상기 데드 타임 설정 신호를 생성하는 단계는,
상기 구동 발진 신호를 소정의 분주비로 분주한 분주 신호와 상기 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스를 생성하는 단계;
상기 생성된 펄스의 활성 구간의 길이에 따라 상기 활성 구간 길이 신호를 생성하는 단계;
상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 상기 주파수 변동 신호를 생성하는 단계;
상기 활성 구간 길이 신호와 상기 주파수 변동 신호를 합산하여 상기 합산 신호를 생성하는 단계; 및
상기 합산 신호를 필터링하고, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 비례하여 상기 주파수 설정 신호의 크기를 결정하며, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 역비례하여 상기 데드 타임 설정 신호의 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라,
상기 주파수 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 비례하여 상기 톱니파의 주파수를 변경하도록 설정되고,
상기 데드 타임 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 역비례하여 상기 데드 타임 길이를 변경하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 디지털 지연 고정 루프를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법에 따르면, 스위칭 주파수가 높아지면서 영향이 커지는 전자기 간섭의 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 디지털 지연 고정 루프를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기 및 스위칭 신호들의 파형 제어 방법에 따르면, 확산 스펙트럼 클럭 이용 시에 데드 타임에 미치는 영향을 줄이고 효율을 유지할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기에서, 제어 신호들의 파형들을 예시한 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기에서, 확산 스펙트럼 클럭 주파수가 커질 때의 제어 신호들의 파형들을 예시한 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기에서, 확산 스펙트럼 클럭 주파수가 작아질 때의 제어 신호들의 파형들을 예시한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기를 위한 스위칭 신호들의 파형 제어 방법을 예시한 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기를 예시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 동기식(synchronous) 직류-직류 벅 변환기(10)는 입력 전압(V_IN)을 제1 스위칭 신호(SW1)의 듀티(duty) 구간 동안 인덕터(L)에 인가하는 제1 스위치(M0)와, 제1 스위칭 신호(SW1)에 상보적인, 또는 중첩되지 않는(non-overlapping) 제2 스위칭 신호(SW2)로 스위칭되는 제2 스위치(M1)를 이용하여 강압된 출력 전압(V_OUT)을 생성하는 동기식 직류-직류 벅 변환기이다.
이를 위해, 동기식 직류-직류 벅 변환기(10)는 구동 발진 신호 생성부(11), 톱니파 생성부(12), 스위칭 신호 생성부(13) 및 위상 추적부(14)를 포함할 수 있다.
도 1의 동기식 직류-직류 벅 변환기(10)는 출력 전압(V_OUT)의 레벨을 기초로 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)의 듀티 구간을 가변함으로써 출력 전압(V_OUT)의 레벨을 원하는 레벨로 자동으로 조절할 수 있는 피드백 방식이다.
만약 전압 강하된 출력 전압(V_OUT)의 레벨이 원하는 레벨보다 높으면 입력 전압(V_IN)이 인덕터(L)에 인가되는 제1 스위칭 신호(SW1)의 듀티 구간이 너무 긴 것이므로, 제1 스위칭 신호(SW1)의 듀티 구간은 좀더 짧아져야 하고 제2 스위칭 신호(SW2)의 듀티 구간은 좀더 길어져야 한다. 반대로, 전압 강하된 출력 전압(V_OUT)의 레벨이 원하는 레벨보다 낮으면 제1 스위칭 신호(SW1)의 듀티 구간은 좀더 길어져야 하고 제2 스위칭 신호(SW2)의 듀티 구간은 좀더 짧아져야 한다.
출력 전압(V_OUT)의 레벨에 따라, 구동 발진 신호 생성부(11)는 제1 스위칭 신호(SW1) 및 제2 스위칭 신호(SW2)의 듀티 결정의 기준이 되는 구동 발진 신호(V_OSC)를 생성한다.
이를 위해, 구동 발진 신호 생성부(11)는 전압 강하된 출력 전압(V_OUT)을 연산 증폭기(111)에서 기준 전압(V_REF)에 비교하여 오차 전압(V_ERR)을 출력하고, 제2 비교기(112)에서 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)의 스위칭 주파수와 동일한 주파수를 가지고 톱니파 생성기(113)에서 생성되는 톱니파 파형(V_SAW)에 오차 전압(V_ERR)을 비교하여, 펄스 폭 변조(PWM)된 구동 발진 신호(V_OSC)를 생성한다.
구동 발진 신호(V_OSC)는 그 듀티비가 오차 전압(V_ERR)의 크기에 상응하여 결정되고, 그 주파수는 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)의 주파수와 동일하다.
기준 전압(V_REF)은 동작 전압, 온도 및 공정에 영향을 받지 않는 주지의 밴드갭 기준 전압(BGR, Bandgap Reference) 회로로부터 얻을 수 있다. 다만 밴드갭 기준 전압 회로에서 얻은 기준 전압(V_REF)은 보통 1.25V 정도의 레벨이므로, 출력 전압(V_OUT)을 이 기준 전압(V_REF)의 레벨에 비교할 수 있도록 증폭비가 결정된 연산 증폭기(111)를 이용한다.
만약 출력 전압(V_OUT)에서 얻은 피드백 전압(V_FB)의 레벨이 소정의 기준 전압(V_REF)보다 높으면, 오차 전압(V_ERR)은 높아질 것이고, 구동 발진 신호(V_OSC)의 듀티비도 증가한다. 반대로 만약 출력 전압(V_OUT)에서 얻은 피드백 전압(V_FB)의 레벨이 소정의 기준 전압(V_REF)보다 낮으면, 오차 전압(V_ERR)은 낮아질 것이고, 구동 발진 신호(V_OSC)의 듀티비는 감소한다.
톱니파 생성부(12)는 주파수 설정 신호(SAW_CONT)에 따라 설정된 톱니파 주파수(SAW_SET)로 톱니파 파형(V_SAW)을 생성한다.
스위칭 신호 생성부(13)는 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)에 따라 구동 발진 신호(V_OSC)의 듀티 구간의 앞뒤에 소정의 데드 타임 길이(DT_SET)에 따른 데드 타임 파형(V_DEAD)을 각각 적용하여 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)을 생성할 수 있다.
데드 타임 길이(DT_SET)는 구동 발진 신호(V_OSC)의 주파수가 높아져 듀티 구간이 짧아지면, 듀티 구간이 짧아진 정도에 비례하여 함께 작아진다. 따라서 데드 타임 파형(V_DEAD)은 구동 발진 신호(V_OSC)의 주파수가 높아지면 좀더 밀집하면서 각 펄스의 폭은 좀더 좁아지는 형태로 만들어진다. 반대로 구동 발진 신호(V_OSC)의 주파수가 낮아지면 간격이 길어지고 각 펄스의 폭도 좀더 넓어지는 형태로 만들어진다.
위상 추적부(14)는 구동 발진 신호(V_OSC)와 기준 클럭 신호(CK_REF)의 위상 차이에 상응하는 펄스(P_OUT)의 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)에 따른 주파수 변동 신호(SSCG)를 합산한 합산 신호(SUM_OUT)에 기초하여 주파수 설정 신호(SAW_CONT) 및 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 위상 추적부(14)는 구동 발진 신호(V_OSC)를 주파수 분주기(141)에서 소정의 분주비(N)로 분주한 분주 신호(V_OSC/N)와 기준 클럭 신호(CK_REF)의 위상 차이에 상응하는 펄스(P_OUT)를 생성하는 펄스 생성부(142), 생성된 펄스(P_OUT)의 활성 구간의 길이에 따라 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)를 생성하는 타임-투-디지털 변환기(145), 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압 생성부(143)로부터 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)에 따른 주파수 변동 신호(SSCG)를 생성하는 확산 스펙트럼 클럭 제어부(144), 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)와 주파수 변동 신호(SSGC)를 합산하여 합산 신호(SUM_OUT)를 생성하는 합산부(146), 합산 신호(SUM_OUT)를 필터링하고, 필터링된 합산 신호의 크기에 비례하여 주파수 설정 신호(SAW_CONT)를 결정하며, 필터링된 합산 신호의 크기에 역비례하여 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)의 크기를 결정하는 디지털 루프 필터(147)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기에서, 제어 신호들의 파형들을 예시한 타이밍도이다.
도 2를 참조하면, 시점 T1에서, 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)은 일정하게 유지되는 상황이고, 구동 발진 신호(V_OSC)는 기준 클럭 신호(CK_REF)에 비해 약간 위상이 앞서는 상황이다. 분주된 구동 발진 신호(V_OSC/N)와 기준 클럭 신호(CK_REF)의 위상을 비교하여 펄스 생성부(142)가 생성한 펄스 출력(P_OUT)는 약간의 활성 구간을 가지고 생성된다. 활성 구간의 길이에 따라 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)가 생성된다.
구동 발진 신호(V_OSC)가 기준 클럭 신호(CK_REF)에 비해 앞서는 위상을 줄일 수 있도록 톱니파 주파수(SAW_SET)를 조금 낮춘 주파수 설정 신호(SAW_CONT)가 생성된다.
데드 타임에 관하여도, 톱니파 주파수(SAW_SET)가 줄어든 만큼 구동 발진 신호(V_OSC)의 듀티 구간이 살짝 늘어나기 때문에 데드 타임 길이(DT_SET)를 조금 늘리기 위한 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)가 생성된다.
이어서 시점 T2에서 위상 비교 시에, 구동 발진 신호(V_OSC)와 기준 클럭 신호(CK_REF)의 위상 차이는 다소 줄어들었고, 펄스 생성부(142)가 생성한 펄스 출력(P_OUT)는 더 짧은 활성 구간을 가지고 생성된다. 그에 따라, 톱니파 주파수 설정 신호(SAW_CONT)와 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)가 생성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기에서, 확산 스펙트럼 클럭 주파수가 커질 때의 제어 신호들의 파형들을 예시한 타이밍도이다.
만약 확산 스펙트럼 클럭 신호로 전자기 간섭을 저감하고자 한다면, 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)이 확산 방향에 따라 현재보다 커지거나 작아질 수 있다. 상향 확산의 경우에, 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)은 점점 커질 것이다.
시간 T1 이전에 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)는 거의 변동이 없고 안정적으로 발생하고 있다. 전자기 간섭을 줄이기 위해 시간 T1에서 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)이 약간 증가하자, 주파수 변동 신호(SSGC)이 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)에 합산되어 합산 신호(SUM_OUT)가 증가한다. 이에 따라 주파수 설정 신호(SAW_CONT)가 증가하고 톱니파 주파수(SAW_SET)가 증가하면서 구동 발진 신호(V_OSC)의 주기와 듀티 구간의 폭이 짧아진다. 동시에 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)도 데드 타임 길이(DT_SET)를 줄이는 쪽으로 변경된다.
시간 T2에서, 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)이 계속 증가하자, 주파수 변동 신호(SSGC)가 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)에 합산되어 합산 신호(SUM_OUT)가 더 높아진다. 이에 따라 주파수 설정 신호(SAW_CONT)가 증가하고 톱니파 주파수(SAW_SET)가 증가하면서 구동 발진 신호(V_OSC)의 주기와 듀티 구간의 폭은 더 짧아진다. 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)도 데드 타임 길이(DT_SET)를 더 줄이는 쪽으로 계속 변경된다.
이런 식으로 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)을 이용하여 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있고, 데드 타임도 적절히 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기에서, 확산 스펙트럼 클럭 주파수가 작아질 때의 제어 신호들의 파형들을 예시한 타이밍도이다.
도 4를 참조하면, 상향 확산되었던 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)이 다시 기본 주파수로 돌아오는 과정이다.
시간 T1에서, 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)는 약간의 위상 차이로 인한 크기를 가진다. 하지만 시간 T1에서 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)은 상당히 크기 때문에, 주파수 변동 신호(SSGC)이 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)에 합산된 합산 신호(SUM_OUT)는 큰 값이다. 이에 따라 주파수 설정 신호(SAW_CONT)와 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)가 설정된다.
시간 T2에서, 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)이 계속 하강하자, 낮아진 주파수 변동 신호(SSGC)가 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)에 합산되어 합산 신호(SUM_OUT)가 더 낮아진다. 이에 따라 주파수 설정 신호(SAW_CONT)의 크기가 줄어들고 톱니파 주파수(SAW_SET)는 감소하면서 구동 발진 신호(V_OSC)의 주기와 듀티 구간의 폭은 좀더 길어진다. 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)도 데드 타임 길이(DT_SET)를 더 늘리는 쪽으로 계속 변경된다.
이런 식으로 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)을 이용하여 스위칭 주파수를 점진적으로 낮출 수 있고, 데드 타임도 점진적으로 늘릴 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 고정 루프와 확산 스펙트럼 클럭 신호를 이용한 동기식 직류-직류 벅 변환기를 위한 스위칭 신호들의 파형 제어 방법을 예시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 입력 전압(V_IN)을 제1 스위칭 신호(SW1)의 듀티 구간 동안 인덕터(L)에 인가하는 제1 스위치(M0)와, 제1 스위칭 신호(SW1)에 상보적인 제2 스위칭 신호(SW2)로 스위칭되는 제2 스위치(M1)를 이용하여 강압된 출력 전압(V_OUT)을 생성하는 동기식 직류-직류 벅 변환기(10)의 스위칭 파형 제어 방법은 단계(S51)에서 시작할 수 있다.
단계(S51)에서, 주파수 설정 신호(SAW_CONT)에 따른 주파수로 톱니파(V_SAW)를 생성한다.
단계(S52)에서, 출력 전압(V_OUT)과 기준 전압(V_REF)의 오차 전압(V_ERR)을 생성하고, 톱니파(V_SAW)와 오차 전압(V_ERR)을 비교하여 오차 전압(V_ERR)의 크기에 상응한 듀티비를 가지는 구동 발진 신호(V_OSC)를 생성한다.
단계(S53)에서, 구동 발진 신호(V_OSC)의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)을 생성한다.
실시예에 따라, 단계(S53)에서, 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)에 따라 구동 발진 신호(V_OSC)의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)을 생성할 수 있다.
단계(S54)에서, 구동 발진 신호(V_OSC)와 기준 클럭 신호(CK_REF)의 위상 차이에 상응하는 펄스(P_OUT)의 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)에 따른 주파수 변동 신호(SSCG)를 합산한 합산 신호(SUM_OUT)에 기초하여 주파수 설정 신호(SAT_CONT)를 생성할 수 있다.
실시예에 따라, 단계(S55)에서, 구동 발진 신호(V_OSC)와 기준 클럭 신호(CK_REF)의 위상 차이에 상응하는 펄스(P_OUT)의 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)에 따른 주파수 변동 신호(SSCG)를 합산한 합산 신호(SUM_OUT)에 기초하여 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 구동 발진 신호(V_OSC)를 소정의 분주비(N)로 분주한 분주 신호(V_OSC/N)와 기준 클럭 신호(CK_REF)의 위상 차이에 상응하는 펄스(P_OUT)를 생성하고, 생성된 펄스(P_OUT)의 활성 구간의 길이에 따라 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)를 생성하며, 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)에 따른 주파수 변동 신호(SSCG)를 생성하고, 활성 구간 길이 신호(TDC_OUT)와 주파수 변동 신호(SSCG)를 합산하여 합산 신호(SUM_OUT)를 생성할 수 있다.
합산 신호(SUM_OUT)를 필터링하고, 필터링된 합산 신호(SUM_OUT)의 크기에 비례하여 주파수 설정 신호(SAW_CONT)의 크기를 결정하며, 필터링된 합산 신호(SUM_OUT)의 크기에 역비례하여 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)의 크기를 결정할 수 있다.
다르게 표현하면, 주파수 설정 신호(SAW_CONT)는 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)에 비례하여 톱니파(V_SAW)의 주파수(SAW_SET)를 변경하도록 설정되고, 데드 타임 설정 신호(DT_CONT)는 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압(V_SSCG)에 역비례하여 데드 타임 길이(DT_SET)를 변경하도록 설정될 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10 동기식 직류-직류 벅 변환기
11 구동 발진 신호 생성부
12 톱니파 생성부
13 스위칭 신호 생성부
14 위상 추적부
141 주파수 분주기
142 펄스 생성부
143 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압 생성부
144 확산 스펙트럼 클럭 제어부
145 타임-투-디지털 변환기
146 합산부
147 디지털 루프 필터

Claims (8)

  1. 입력 전압을 제1 스위칭 신호의 듀티(duty) 구간 동안 인덕터에 인가하는 제1 스위치와, 제1 스위칭 신호에 상보적인 제2 스위칭 신호로 스위칭되는 제2 스위치를 이용하여 강압된 출력 전압을 생성하는 동기식 직류-직류 벅 변환기로서,
    주파수 설정 신호에 따른 주파수로 톱니파를 생성하는 톱니파 생성부;
    상기 출력 전압과 기준 전압의 오차 전압을 생성하고, 상기 톱니파와 상기 오차 전압을 비교하여 상기 오차 전압의 크기에 상응한 듀티비를 가지는 구동 발진 신호를 생성하는 구동 발진 신호 생성부;
    상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 스위칭 신호 생성부; 및
    상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 주파수 설정 신호를 생성하는 위상 추적부를 포함하고,
    상기 주파수 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 비례하여 상기 톱니파의 주파수를 변경하도록 생성되는 것을 특징으로 하는 동기식 직류-직류 벅 변환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 신호 생성부는 데드 타임 설정 신호에 따라 상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하도록 동작하고,
    상기 위상 추적부는 상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 데드 타임 설정 신호를 생성하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 동기식 직류-직류 벅 변환기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 위상 추적부는
    상기 구동 발진 신호를 소정의 분주비로 분주한 분주 신호와 상기 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스를 생성하는 펄스 생성부;
    상기 생성된 펄스의 활성 구간의 길이에 따라 상기 활성 구간 길이 신호를 생성하는 타임-투-디지털 변환기;
    상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 상기 주파수 변동 신호를 생성하는 확산 스펙트럼 클럭 제어부;
    상기 활성 구간 길이 신호와 상기 주파수 변동 신호를 합산하여 상기 합산 신호를 생성하는 합산부; 및
    상기 합산 신호를 필터링하고, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 비례하여 상기 주파수 설정 신호의 크기를 결정하며, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 역비례하여 상기 데드 타임 설정 신호의 크기를 결정하는 디지털 루프 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 직류-직류 벅 변환기.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 데드 타임 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 역비례하여 상기 데드 타임 길이를 변경하도록 생성되는 것을 특징으로 하는 동기식 직류-직류 벅 변환기.
  5. 입력 전압을 제1 스위칭 신호의 듀티 구간 동안 인덕터에 인가하는 제1 스위치와, 제1 스위칭 신호에 상보적인 제2 스위칭 신호로 스위칭되는 제2 스위치를 이용하여 강압된 출력 전압을 생성하는 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법은,
    주파수 설정 신호에 따른 주파수로 톱니파를 생성하는 단계;
    상기 출력 전압과 기준 전압의 오차 전압을 생성하고, 상기 톱니파와 상기 오차 전압을 비교하여 상기 오차 전압의 크기에 상응한 듀티비를 가지는 구동 발진 신호를 생성하는 단계;
    상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 단계; 및
    상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 주파수 설정 신호를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 주파수 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 비례하여 상기 톱니파의 주파수를 변경하도록 생성되는 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 단계는,
    데드 타임 설정 신호에 따라 상기 구동 발진 신호의 듀티 구간에 데드 타임을 적용한 파형을 각각 가지도록 제1 및 제2 스위칭 신호들을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법은
    상기 구동 발진 신호와 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스의 활성 구간 길이 신호에 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 주파수 변동 신호를 합산한 합산 신호에 기초하여 상기 데드 타임 설정 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 주파수 설정 신호를 생성하는 단계 및 상기 데드 타임 설정 신호를 생성하는 단계는,
    상기 구동 발진 신호를 소정의 분주비로 분주한 분주 신호와 상기 기준 클럭 신호의 위상 차이에 상응하는 펄스를 생성하는 단계;
    상기 생성된 펄스의 활성 구간의 길이에 따라 상기 활성 구간 길이 신호를 생성하는 단계;
    상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 따른 상기 주파수 변동 신호를 생성하는 단계;
    상기 활성 구간 길이 신호와 상기 주파수 변동 신호를 합산하여 상기 합산 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 합산 신호를 필터링하고, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 비례하여 상기 주파수 설정 신호의 크기를 결정하며, 상기 필터링된 합산 신호의 크기에 역비례하여 상기 데드 타임 설정 신호의 크기를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 데드 타임 설정 신호는 상기 확산 스펙트럼 클럭 설정 전압에 역비례하여 상기 데드 타임 길이를 변경하도록 생성되는 것을 특징으로 하는 동기식 직류-직류 벅 변환기의 스위칭 파형 제어 방법.
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