KR101640206B1 - 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법 - Google Patents

충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 소모와 필요한 외부 소자를 줄이고 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법에 관한 것으로, 충전 모드 제어 방식으로 대부분의 출력들을 개별 제어하고 마지막 출력은 전체 전력을 기준으로 충전 모드 제어하여 단순한 개별 출력 전압이나 충전 전압만을 이용하는 것이 아니라 전체 전력에 대한 정보도 활용함으로써 크로스 레귤레이션을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법{Cross regulation reduced multiple output buck converter with charge control and converting method thereof}
본 발명은 다중출력 벅컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력 소모와 필요한 외부 소자를 줄이고 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법에 관한 것이다.
여러 응용 산업분야에서 일정한 직류전원을 다양한 종류의 출력 전압을 가지는 복수의 출력으로 변환하거나 필요한 경우 이러한 특정 출력의 전압을 가변할 수 있도록 하는 직류-직류 변환기(DC-DC Convertoer)의 수요가 증가하고 있는 실정이다. 이러한 직류 변환기는 빠른 응답특성을 가지므로 구동부를 제어하거나 다양한 용도에 따른 다중 전원, 혹은 출력을 생성하기 위해서 사용되고 있어 선박이나 차량, 산업용 장비, 네트워크 장비, 개인용 컴퓨터 및 휴대용 단말기에 이르기까지 그 활용 용도가 다양하다. 특히, 다중출력 직류-직류 변환기를 이용하여 복수 전압의 분리된 전원을 제공하는 것으로 전력 효율을 높이고 호환성을 높이는 구성이 널리 사용되고 있다.
따라서, 이러한 다양한 활용 용도를 만족시킬 수 있도록 전력 소모가 적고, 동작 속도가 빠르며, 제어가 간단하면서도 필요한 외부 소자의 수가 적은 다중 출력 직류-직류 변환기에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이를 위한 연구 역시 다양하게 이루어지고 있다.
직류-직류 변환기는 입력 전압을 승압(step-up)하거나 강압(step-down)하는 방식으로 동작하는데, 보통 승압은 부스트형(boost type) 직류-직류 변환기를 이용하고 강압은 벅형(buck ytpe) 직류-직류 변환기를 이용한다.
최근 배터리 성능의 개선에 의해 입력 전압을 높게 설정하는 것이 용이해지고 있으므로 이들 중 전력 소모를 줄일 수 있으면서 원하는 여러 전압의 출력을 제공해 줄 수 있는 다중 출력 벅컨버터의 사용이 증가하고 있다.
이러한 다중 출력 벅컨버터는 간단히 단일 출력 벅컨버터를 병렬로 구성하여 구현 할 수도 있으나 이 경우 개별 제어부가 복수로 구성되고 인덕터가 복수로 필요하게 되므로 효율이 낮아 단일 인덕터에 공급되는 단일 입력 전원의 전력을 복수의 출력단이 나누어 사용하는 방식이 주로 사용된다.
기존의 다중 출력 벅컨버터들은 그 용도에 따라 다양한 제어 방식을 이용하는데, 기본적으로 기준 출력 전압과 실제 출력 전압을 비교하여 그 오차를 줄이는 방향으로 스위칭 타이밍을 제어하는 방식을 이용하게 된다. 이를 단순 비교기를 통해서 제어하는 경우 인접 출력의 소모 전력이 가변하게 될 때 다른 출력의 전압도 변화되는 크로스 레귤레이션이 발생하여 안정성이 낮으며, 역전류를 방지하기 위한 환류(free-wheeling) 구성이 필요하여 전력소모에 따른 효율 저하의 문제가 발생한다.
이러한 문제점을 줄이기 위해서 위상 고정 루프(Phase locked loop) 제어 방식을 적용하는 경우도 있으나 제어 루프의 수가 증가하여 제어가 복잡해지며 칩으로 내장할 수 없는 외부 소자들이 다수 필요해지게 된다. 이러한 복잡한 제어 방식을 통해서 크로스 레귤레이션은 일부 줄일 수 있지만 여전히 환류 구성이 필요하므로 전력 소모가 커져 효율이 낮다는 문제가 존재한다.
다른 방식으로 아날로그 제어부를 적용하여 출력 전압에 따라 개별 출력의 동작 타이밍을 가변하는 방식이 있으나 모든 출력의 타이밍을 제어함에 따라 벅컨버터의 인덕터 전류가 모든 출력에 순차적으로 나뉘어 공급된 후 남는 전류를 배터리로 회수하는 환류 구성이 요구되므로 여전히 전력 효율이 낮은 문제가 있다.
따라서, 다중 출력 벅컨터를 저전력이 요구되는 응용에 활용할 수 있도록 환류 구성을 배제하고, 제어 복잡도를 낮추어 칩 외부에 구성해야 하는 외부 소자의 수를 줄임과 아울러 크로스 레귤레이션도 낮출 수 있는 새로운 다중 출력 벅컨버에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.
KR 10-0417006 [멀티-출력 직류-직류 컨버터] KR 10-1259894 [단일 인덕터 다중 출력 전력회로의 펄스 주파수 변조 제어 장치 및 방법]
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 실제 출력값을 디지털 값으로 변환하여 충전을 위한 전류 크기를 가변하는 것으로 충전 상태를 제어함으로써 복수의 출력들 간 크로스 레귤레이션을 줄이면서도 메인 루프 제어나 환류 구조를 이용하지 않도록 하며 별도의 메인 루프 제어 구성을 생략하여 칩 외부의 필요 소자를 최소화한 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다른 목적은 N개의 출력에 대해서 순차적인 N-1개의 출력들에 대해서만 충전 모드 제어를 수행하고 마지막 출력은 전체 충전 상태를 기준으로 전체 듀티를 제어하는 것으로 제어되도록 함으로써 단순한 충전 상태만 제어하는 것이 아니라 전체 전력 정보를 반영하도록 하여 효과적으로 크로스 레귤레이션을 감소시킬 수 있으면서 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있도록 한 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터는 제 1 및 제 2 스위치의 교번에 따른 듀티 사이클 동안 인덕터에 외부 전원 소스의 에너지를 충전 및 방전하며, 그에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압을 생성하는 다중 출력 벅컨버터로서, N개의 출력단과 인덕터 출력을 순차적으로 연결하는 N개의 출력 스위치들과; N개의 레퍼런스 전압과 N개의 실제 출력 전압으로부터 N개의 목표 충전 전압을 생성하고, 첫 번째부터 N-1번째 출력의 개별 출력 스위치 동작 시 출력 전압을 디지털 값으로 변환한 후 이를 기반으로 인덕터 전류 센싱값의 이득을 조절하여 N-1개의 출력 별 충전 전류를 생성하고 개별 내부 커패시터를 개별 목표 충전 전압까지 충전하는 시간 동안 해당 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 순차 생성하고, 인덕터 전류로 내부 커패시터를 충전하여 N개의 목표 충전 전압의 합에 이르는 시간으로 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 듀티 신호를 생성하며, N번째 출력을 위한 출력 스위치 제어 신호는 듀티 신호와 N-1번째 출력 스위치 제어 신호의 타이밍을 통해 생성하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 N-1개의 순차적인 출력 전압을 개별 출력의 동작 타이밍에 맞추어 디지털 값으로 변환하는 축차 비교형(Successive approximation: SAR) 아날로그 디지털 변환 모듈을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 N-1개의 순차적인 출력 전압을 개별 출력의 동작 타이밍에 맞추어 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털 변환 유닛과, 인덕터 전류를 센싱하는 전류 센싱 유닛과, 출력 별 전압에 대한 상기 아날로그 디지털 변환 유닛의 변환값에 따라 전류 센싱 유닛에서 센싱된 인덕터 전류의 이득을 조절하여 출력 별 충전 전류를 생성하는 이득 조절 유닛과, 출력 별 외부 레퍼런스 전압과 실제 출력 별 전압으로 목표 충전 전압을 생성하고 출력 별 내부 커패시터를 출력 별 충전 전류로 충전하여 생성된 출력 별 목표 충전 전압이 될 때까지 해당 출력의 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 생성하는 충전기반 출력 스위치 제어 유닛과, 상기 충전 기반 출력 스위치 제어 유닛에서 얻어진 출력 별 목표 충전 전압의 합을 생성하는 아날로그 가산 유닛과, 상기 전류 센싱 유닛에서 센싱된 전류값으로 내부 커패시터를 충전하여 상기 아날로그 가산 유닛을 통해 얻은 목표 충전 전압의 합에 이르는 동안 인덕터를 충전시키도록 하는 듀티 신호를 생성하는 충전 제어 유닛을 포함한다.
상기 충전 기반 출력 스위치 제어 유닛은 N-1번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호의 출력 이후 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 생성하며, 상기 충전 제어 유닛의 듀티 신호에 맞추어 한 주기가 종료될 때 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호 생성을 중단하는 것을 특징으로 한다.
상기 이득 조절 유닛은 아날로그 디지털 변환 유닛의 병렬 출력과 직결되는 면적이 상이한 트랜지스터들을 동작시켜 변환값에 따른 출력 별 충전 전류를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 기반 출력 스위치 제어 유닛은 i번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 연산 증폭기와, i번째 출력 스위치의 동작에 따라 i번째 충전 전압으로 내부 커패시터를 충전하는 충전 전압과 상기 목표 충전 전압을 입력으로 하여 i번째 출력 스위치의 동작 타이밍 신호를 생성하는 비교기로 이루어진 N-1개의 출력 별 타이밍 생성부와, N번째 레퍼런스 전압과 실제 N번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 비교부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터는 제 1 및 제 2 스위치의 교번에 따른 듀티 사이클 동안 인덕터에 외부 전원 소스의 에너지를 충전 및 방전하며, 그에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압을 생성하는 다중 출력 벅컨버터로서, N개의 출력단과 인덕터 출력을 순차적으로 연결하는 N개의 출력 스위치들과; 인덕터의 전류를 센싱하여 전체 충전 전류를 생성하는 전류 센싱부와; 첫 번째부터 N-1번째 출력의 개별 출력 스위치 동작 시 출력 전압을 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털 변환기와; 상기 아날로그 디지털 변환기의 출력에 따라 전류 센서에서 센싱된 전류값을 가변하여 출력 별 충전 전류를 생성하는 이득조절부와; 개별 출력 피드백에 따른 오차로부터 얻어진 목표 충전 전압과 개별 충전 전류로 내부 커패시터를 충전한 충전전압을 비교하여 출력 스위치 동작 타이밍을 생성하는 N-1개의 출력 별 타이밍 생성부와; N번째 출력 피드백에 따른 오차로부터 목표 충전 전압을 생성하는 비교부와; N개의 목표 충전 전압의 합과 전체 충전 전류로 내부 커패시터를 충전함에 따른 전체 충전전압을 비교하고, 그에 따라 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 듀티 신호를 생성하는 듀티 타이밍 생성부와; 상기 출력 별 타이밍 생성부와 듀티 타이밍 생성부의 출력을 기준으로 N개의 출력 스위치에 대한 제어 신호와 제 1 및 제 2 스위치에 대한 제어 신호를 생성하는 로직 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 출력 별 타이밍 생성부는 i번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 연산 증폭기와, i번째 출력 스위치의 동작에 따라 i번째 충전 전압으로 내부 커패시터를 충전하는 충전 전압과 상기 목표 충전 전압을 입력으로 하여 i번째 출력 스위치의 동작 타이밍 신호를 생성하는 비교기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 로직 제어 유닛은 N-1번째 출력 별 타이밍 생성부가 제공하는 동작 타이밍 신호 이후 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 생성하며, 상기 듀티 타이밍 생성부의 출력을 기준으로 한 주기가 종료될 때 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호 생성을 중단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터의 변환 방법은 인덕터를 충방전하는 듀티 스위치의 동작에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차 제공하는 다중 출력 벅컨버터의 변환 방법으로서, N-1개의 출력 피드백을 아날로그 디지털 변환하여 출력 별 충전 전류를 생성하는 단계와; 출력 별 충전 전류로 출력 별 목표 전압까지 충전하는 동안을 개별 출력 제공 타이밍으로 N-1개의 출력단을 순차 제어하는 단계와; 전체 출력 피드백에 따른 전체 목표 전압과 인덕터 전류를 센싱하여 얻은 충전 전류로 충전한 전압을 비교하여 듀티 스위치 동작 타이밍을 제어하는 단계와; 상기 듀티 스위치 동작 타이밍을 이용하여 N번째 출력 스위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터의 변환 방법은 제 1 및 제 2 스위치의 교번에 따른 듀티 사이클 동안 인덕터에 외부 전원 소스의 에너지를 충전 및 방전하며, 그에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압을 생성하는 다중 출력 벅컨버터의 변환 방법으로서, i번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 제 1 단계와; i번째 출력 스위치의 동작에 따라 i번째 충전 전압으로 내부 커패시터를 충전하는 충전 전압과 상기 i번째 출력의 목표 충전 전압을 비교하여 i번째 출력 스위치의 제어 신호를 제공하여 i번째 출력을 레퍼런스 출력에 대응하도록 제어하는 제 2 단계와; 상기 제 1 및 제 2 단계를 순차적으로 N-1번째 출력까지 수행하는 제 3 단계와; N번째 출력에 대한 출력 스위치를 동작시키는 제 4단계와; N번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성한 후, 모든 출력의 목표 충전 전압을 합산한 값을 전체 목표 충전 전압으로 하고, 인덕터 전류 센싱에 따른 충전 전력으로 내부 커패시터를 충전하여 얻은 충전 전압을 전체 목표 충전 전압과 비교하여 제 1 및 제 2 스위치를 제어하는 듀티 신호를 생성하는 제 5단계와; 제 5단계에서 생성되는 듀티 신호에 따른 한 사이클이 완료되면 N번째 출력 스위치의 동작을 중단하고 제 1 단계부터 다시 시작하는 제 6단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법은 충전 모드 제어 방식으로 대부분의 출력들을 개별 제어하고 마지막 출력은 전체 전력의 변화를 기준으로 제어하여 단순한 개별 출력 전압이나 충전 전압만을 이용하는 것이 아니라 전체 전력에 대한 정보도 활용함으로써 크로스 레귤레이션을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법은 실제 출력값을 디지털 값으로 변환하여 충전을 위한 전류 크기를 가변하는 것으로 충전 상태를 제어함으로써 복수의 출력들 간 크로스 레귤레이션을 줄이면서도 메인 루프 제어나 환류 구조를 이용하지 않도록 하며 별도의 메인 루프 제어 구성을 생략함과 아울러 칩 외부의 필요 소자를 최소화하여 저전력에서 저렴하고 간단하게 적용할 수 있는 효과적인 다중 출력 변환기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중출력 벅컨버터 및 그 변환 방법은 N개의 출력에 대해서 순차적인 N-1개의 출력들에 대해서만 충전 모드 제어를 수행하고 마지막 출력은 전체 충전 상태를 기준으로 전체 듀티를 제어하는 것으로 제어되도록 함으로써 단순한 충전 상태만 제어하는 것이 아니라 전체 전력 정보를 반영하도록 함으로써 크로스 레귤레이션을 감소시킬 수 있으면서 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 단일 입력 다중 출력 벅컨버터의 구성을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 도 1의 동작에 따른 신호 타이밍을 보인 타이밍도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 구성을 보인 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 충전 전류 생성 방식을 설명하기 위한 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 변환 방식을 설명하기 위하여 스위치 제어 신호를 생성하는 구성을 보인 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 동작에 따른 신호 타이밍을 보인 타이밍도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 크로스 레귤레이션 특성을 설명하기 위한 예시도.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 다중출력 중 하나의 소비전력 변화에 따른 인접 출력 변화 여부를 보이기 위해 각종 신호들의 변화를 보인 예시도.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 단일 입력 다중 출력 벅컨버터의 구성을 설명하기 위한 개념도로서, 도시된 바와 같이 칩(10) 내부에 구성되는 단일 입력 다중 출력 벅컨버터는 제 1 스위치(MP)가 온되고 제 2 스위치(MN)가 오프되는 동안 외부 전원 소스인 배터리(11)의 전압을 인덕터(12)에 충전하고 제 2 스위치(MN)가 온 되고 제 1 스위치(MP)가 오프되는 동안 인덕터(12)에 충전된 에너지가 방전되도록 하며, 그에 따른 인덕터 전류(IL)를 5개의 출력 스위치(MS1 내지 MS5)의 순차적 동작에 따라 각 출력 부하에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압(VOUT1 내지 VOUT5)을 생성하도록 하는 것을 기본 원리로 한다.
출력 전압(VOUT1 내지 VOUT5)은 제어부(13)로 피드백되며, 제어부(13)는 각 출력의 레퍼런스 전압(VREF1 내지 VREF5)과 출력 전압의 차이를 기준으로 각 출력 스위치(MS1 내지 MS5)의 동작 타이밍을 제어하는 제어 신호(VS1 내지 VS5)와 전체 인덕터 저장 전력을 결정하는 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 제어하는 듀티 신호(VP 및 VN)를 생성한다.
도 2는 도 1의 동작에 따른 신호 타이밍을 보인 타이밍도로서, 도시된 바와 같이, 도 2a에 나타낸 바와 같이 인덕터(12)에 충전 및 방전되는 전류는 도 2g에 나타낸 제 1 스위치 및 제 2 스위치의 동작에 따른 듀티 사이클에 따르며, 이렇게 충방전되는 인덕터 전류는 시간 분할 방식으로 나누어 각 출력에 제공되는데, 개별 출력에 인덕터 전류를 분할 제공하는 각 출력단의 출력 스위치는 도 2b 내지 도 2f에 나타낸 바와 같이 설정된 출력 전압값을 유지할 수 있는 타이밍에 맞추어 순차 동작하게 된다.
통상의 단일 입력 다중 출력 벅컨버에 구성된 제어부(13)는 아날로그 프로세서 기반으로 동작하며 간단하게는 각 출력의 전압과 레퍼런스 전압의 차이를 기준으로 출력 스위치의 동작 타이밍이나 듀티 신호의 동작 타이밍을 제어하는데, 복잡한 PLL 제어를 수행하거나 환류를 이용하는 구성을 적용하기도 한다. 하지만, 이러한 기존의 일반적인 구성은 크로스 레퍼런스가 크거나 전력 소모가 크기 때문에 저전력을 요구하면서 크로스 레퍼런스의 감소를 요구하는 최근은 어플리케이션에 적용하기가 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에서는 충전 제어 방식으로 크로스 레귤레이션을 감소시키고 전력 소모를 줄이며 칩 외부 소자의 사용을 줄일 수 있도록 한 다중 출력 벅컨버터를 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 구성을 보인 구성도로서, 도시된 바와 같이 칩(100) 내부에 구성되는 단일 입력 다중 출력 벅컨버터는 제 1 스위치(MP)가 온되고 제 2 스위치(MN)가 오프되는 동안 외부 전원 소스인 배터리(110)의 전압(VG)을 인덕터(120)에 충전하고 제 2 스위치(MN)가 온 되고 제 1 스위치(MP)가 오프되는 동안 인덕터(120)에 충전된 에너지가 방전되도록 하며, 그에 따른 인덕터 전류(IL)를 5개의 출력 스위치(MS1 내지 MS5)의 순차적 동작에 따라 각 출력 부하에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압(VOUT1 내지 VOUT5)을 생성하도록 하는 것을 기본으로 하되, 이러한 각 출력 스위치들과 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 제어하는 제어 신호(VS1 내지 VS5와 VP 및 VN)를 새로운 방식으로 생성한다.
도시된 제어부(150)는 5개의 레퍼런스 전압(VREF1 내지 VREF5)과 5개의 실제 출력 전압(VOUT1 내지 VOUT5)으로부터 각각의 출력을 위한 목표 충전 전압(VC1 내지 VC5)을 생성한다. 그와 동시에 첫 번째 출력부터 네 번째 출력(전체 출력의 수 -1)의 개별 출력 스위치 동작 시 출력 전압을 아날로그 디지털 변환(즉, VS1이 제공되어 MS1이 온 되는 동안 VOUT1의 전압을 2진 디지털 값으로 출력하고, VS2가 제공되어 MS2가 온 되는 동안 VOUT2의 전압을 2진 디지털 값으로 출력하는 식으로 순차적으로 동작하여 VS4가 제공되어 MS4가 온 되는 동안 VOUT4의 전압을 2진 디지털 값으로 출력할 때까지 동작)한다. 이렇게 각 출력 스위치가 동작하는 동안 측정되어 변환되는 각 출력의 디지털 값에 따라 인덕터 전류 센싱값(ILSEN1)의 이득을 조절하여 4개의 출력 별 충전 전류(ILSEN2)를 생성하고, 해당 충전 전류로 개별 내부 커패시터(미도시)를 개별 목표 충전 전압(VC1 내지 VC4)까지 충전하는 시간 동안 해당 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호(VS1 내지 VS4)를 순차 생성한다. 더불어, 인덕터 전류 센싱값(ILSEN1)으로 내부 커패시터(미도시)를 충전하여 5개의 목표 충전 전압의 합(VC1 내지 VC5의 합)에 이르는 시간으로 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 듀티 신호(VP, VN)를 생성한다. 이때, 다섯 번째 출력을 위한 출력 스위치 제어 신호(VS5)는 듀티 신호와 4번째 출력 스위치 제어 신호(VS4)의 타이밍을 통해 생성한다. 즉, 5번째 출력을 위한 스위치 제어 신호(VS5)는 앞서 4개의 출력과 달리 별도로 충전 전압을 생성하지 않고 충전을 제어하지 않는 대신 총 목표 충전 전압과 총 인덕터 전류로 충전되는 전압을 기준으로 듀티 신호를 생성하면서 정의되는 듀티 사이클에 의해 자동으로 결정되도록 한다. 즉, 4개의 출력은 개별적 제어 루프에 의해 제어되도록 하며 마지막 출력은 이와 무관하게 전체 전력을 기준으로 제어하므로 이들 간의 크로스 레귤레이션 발생 가능성이 낮으며, 총 목표 충전 전압과 총 인덕터 전류를 이용하여 전체 전력에 대한 정보를 활용하므로 일측 출력의 부하 변동이 있더라도 전체 전력에서 이를 보상하기 때문에 크로스 레귤레이션 발생 가능성은 더욱 낮아진다.
한편, 이러한 5번째 출력 스위치 제어 방식은 반드시 마지막 출력에만 적용될 수 있는 것이 아니라 임의의 출력에 대해 적용될 수 있으나, 대부분 출력 전압의 크기가 가장 큰 마지막 출력에 적용되는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 제어부(150)의 구성을 좀 더 상세히 살펴보면, 다음과 같다.
제어부(150)는 4개의 순차적인 출력 전압을 개별 출력의 동작 타이밍에 맞추어 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털 변환 유닛(152)과, 인덕터 전류(IL)를 센싱하여 출력(ILSEN1)하는 전류 센싱 유닛(151)과, 출력 별 전압(VOUT1 내지 VOUT5)에 대한 아날로그 디지털 변환 유닛(152)의 변환값(예컨대 6비트 출력인 경우, D[1~6])에 따라 전류 센싱 유닛(151)에서 센싱된 인덕터 전류(ILSEN1)의 이득을 조절하여 출력 별 충전 전류(ILSEN2)를 생성하는 이득 조절 유닛(153)과, 출력 별 외부 레퍼런스 전압(VREF1 내지 VREF5)과 실제 출력 별 전압(VOUT1 내지 VOUT5)으로 목표 충전 전압(VC1 내지 VC5)을 생성하고 출력 별 내부 커패시터(미도시)를 출력 별 충전 전류(ILSEN2)로 충전하여 4개의 출력 별 목표 충전 전압(VC1 내지 VC4)이 될 때까지 해당 출력의 출력 스위치를 동작시키는 4개의 제어 신호(VS1 내지 VS4)를 생성하고, 마지막 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호(VS5)는 4번째 출력의 제어 신호(VS4) 직후에서 듀티 신호(VP, VN)로 정의되는 듀티 사이클 동안 생성하는 충전기반 출력 스위치 제어 유닛(154)과, 충전 기반 출력 스위치 제어 유닛(154)에서 얻어진 출력 별 목표 충전 전압(VC1 내지 VC4)의 합을 생성하는 아날로그 가산 유닛(155)과, 전류 센싱 유닛(151)에서 센싱된 전류값(ILSEN1)으로 내부 커패시터(미도시)를 충전하여 아날로그 가산 유닛(155)을 통해 얻은 목표 충전 전압의 합에 이르는 동안 인덕터를 충전시키도록 하는 듀티 신호(VP, VN)를 생성하는 충전 제어 유닛(156)을 포함한다.
여기서, 아날로그 디지털 변환 유닛(152)은 축차 비교형(Successive approximation: SAR) 아날로그 디지털 변환 모듈을 이용할 수 있으며, 예시된 실시예에서는 6bit 10MHz 성능의 것을 이용하였다.
이러한 이 사건 특허의 실시예에 따른 인덕터 전류 센싱과, 개별적 충전 전류 생성 방식 및 출력 스위치 제어 신호와 듀티 신호의 생성을 위한 충전 제어 방식을 도 4 및 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 충전 전류 생성 방식을 설명하기 위한 구성도로서, 실질적으로 앞서 도 3을 통해 살펴본 전류 센싱 유닛(151)과 ADC 유닛(152) 및 이득 조절 유닛(153)의 구성(200)을 보인 것이다.
도시된 바와 같이 순차적으로 출력 스위치의 제어 신호 타이밍에 따라 입력되는 총 5개 중 4개의 각 출력 별 전압(VOUT1 내지 VOUT4)을 ADC 유닛(210)이 측정하여 이를 디지털 값으로 변환한 후 병렬 이진값으로 출력한다. 도시된 예에서는 6비트 ADC 유닛(210)을 이용한 경우이므로 D[1~6]의 이진 출력이 제공된다.
한편, 인덕터 전류(IL)는 전류 센싱 유닛(151)에 의해 센싱되어 소정의 센싱값(ILSEN1)을 출력한다. 이러한 인덕터 전류 센싱값이자 전체 충전 전류값(ILSEN1)은 도시된 바와 같이 일정한 이득(A)을 가진 전류센서의 측정 전류를 미러링하는 방식으로 생성될 수 있다.
또한, ADC 유닛(152)의 출력은 비트 수에 맞추어 구성된 트랜지스터들의 게이트 동작 신호를 각각 선택적으로 제공할 수 있도록 연결되며, 각 트랜지스터들의 면적은 도시된 바와 같이 가중치를 가지면서 증가된다. 즉, ADC 유닛(210) 출력의 이진값에 맞추어 선택 동작되는 트랜지스터들의 면적합이 결정되는데, 도시된 경우 트랜지스터의 면적은 ADC 유닛(210)의 출력에 맞추어 그 크기가 1, 2, 4, 8, 16, 32의 비율을 가지므로 i번째(1~4번째) 출력 전압의 디지털 값에 따라 해당 i 번째 출력의 충전 전류(ILSEN2)를 생성한다. 이러한 복수 면적 트랜지스터들의 병렬 연결을 통해 이득 조절 유닛(153)을 구성할 수 있다.
즉, 전류 센싱 유닛(151)의 구성과 이득 조절 유닛(153)의 구성은 도시된 회로부(220)와 같이 예시적으로 구성해 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 변환 방식을 설명하기 위하여 스위치 제어 신호를 생성하는 구성을 보인 구성도로서, 출력 스위치 제어 신호와 듀티 신호의 생성을 위한 충전 제어를 수행하는 구성(300)의 일례에 해당한다.
먼저, i번째(첫 번째 내지 네 번째) 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압(VCi)을 생성하는 연산 증폭기와, i번째 출력 스위치의 동작에 따라 i번째 충전 전류(ILSEN2)로 내부 커패시터를 충전하는 충전 전압(VQi)과 상기 목표 충전 전압(VCi)을 입력으로 하여 i번째 출력 스위치의 동작 타이밍 신호(VDi)를 생성하는 비교기로 이루어진 출력 별 타이밍 생성부(320) 4개와, 다섯 번째 레퍼런스 전압(VREF5)과 실제 다섯 번째 출력 전압(VOUT5) 간의 차이를 증폭하여 다섯 번째 목표 충전 전압(VC5)을 생성하는 비교부와, 전체 목표 충전 전압(VC1 내지 VC5)의 합(VC_TOT)과 전체 충전 전류(ILSEN1)로 내부 커패시터를 충전한 충전전압(VQ_TOT)을 비교하여 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 듀티 신호를 생성하기 위한 듀티 타이밍을 생성하는 듀티 타이밍 생성부(330)와, 이러한 출력 별 타이밍 생성부(320)와 듀티 타이밍 생성부(330)의 출력을 기준으로 5개의 출력 스위치에 대한 제어 신호(VS1 내지 VS5)와 제 1 및 제 2 스위치에 대한 제어 신호(VP, VN)를 생성하는 로직 제어 유닛(310)으로 이루어진다.
여기서, 로직 제어 유닛(330)은 네 번째 출력 별 타이밍 생성부가 제공하는 동작 타이밍 신호(VD4) 이후 다섯 번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호(VS5)를 생성하며, 상기 듀티 타이밍 생성부의 타이밍 출력을 기준으로 한 주기가 종료될 때 다섯 번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호 생성을 중단한다.
도시된 예시는, 5개의 출력을 기준으로 설명하였으나 N개의 출력에 대해서도 동일하게 적용 가능하며, 각 출력의 전압은 임의의 전압으로 설정될 수 있으나 가급적 N번째 출력 전압이 가장 크도록 순차적으로 설정되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 동작에 따른 신호 타이밍을 보인 타이밍도로서, 앞서 도 3내지 도 5를 통해 예시한 구조를 이용한 경우의 예를 보인 것이다.
도시된 바와 같이 충전되는 전체 충전 전압(VQ_TOT)이 전체 목표 전압(VC_TOT)에 도달하는 기간이 인덕터 충전 기간이 되도록 듀티를 제어(DT,T: 예컨대 T는 DT의 2배)하며, 순차적으로 4개까지의 출력 스위치를 제어하는 신호의 타이밍(VS1 내지 VS4)은 각 출력 별 출력 전압의 디지털 변환 값을 통해 생성되는 각 충전 전류(ILSEN2)를 이용하여 충전되는 충전 전압(VQ1 내지 VQ4)이 각 출력 별로 실제 출력 전압과 레퍼런스 전압 차이에 따른 목표 충전 전압(VC1 내지 VC4)에 도달하는 기간으로 제어된다.
도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)와 인덕터 전류를 센싱한 값(ILSEN1)은 연속적이지만, 개별 출력의 부하에 의한 전력 소모 정도에 따라 목표 출력 전압에서 변화되는 정도가 반영되는 개별 충전 전류(ILSEN2)는 각 출력 별로 달라 단속적임을 확인할 수 있다.
따라서, 각 출력의 상태가 반영되는 개별 충전 전류의 변화에 따라 충전 모드 제어를 통해 개별 출력을 제어하되, 전체 출력에 대해서도 고려하고 있기 때문에 개별 출력단의 소모 전력 변화(및 그에 따른 부하 전류 변화)는 전체 출력의 전력 변화(및 그에 따른 전체 공급 전류 변화)를 통해 보상되어 크로스 레귤레이션을 줄일 수 있으며, 이러한 본 발명의 실시예에 따른 구성이 안정적으로 동작할 수 있음은 수학적으로도 확인해 볼 수 있다.
순차적으로 동작하는 첫번째 출력부터 네번째 출력까지의 한 주기의 출력 전력은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014127288726-pat00001
여기서, DiT는 출력 i의 동작 시간을 나타내며, (VG/VOUT1)A는 i번째 출력에 대한 전류 센서의 이득을 나타낸다.
충전 제어를 이용하기 때문에 이러한 전력은 충전을 위한 커패시터 Ci에 관한 충전 전류를 보인 수학식 2를 이용하여 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014127288726-pat00002
Figure 112014127288726-pat00003
i번째 출력 전력이 ΔPi만큼 변화하면, 목표 전압 VCi 역시 ΔVCi만큼 변화한다.
또한, 각 출력 전력 P1 내지 P5의 합인 PTOT 역시 ΔPi만큼 변해야 한다. 이러한 PTOT는 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으므로 VC1 내지 VC5의 합인 VTOT 역시 ΔVCi만큼 변해야 한다.
Figure 112014127288726-pat00004
이를 달리 말하면, 첫 번째 내지 네 번째 출력 중 일측 부하가 일정한 전력만큼 변화하면 스위치 1 및 스위치 2에 의한 듀티가 변화된 전력에 맞추어 조절되므로 전체 전력이 대응 조절되어 다른 출력들에 영향이 없다는 것을 의미한다.
다섯 번째 출력이 변하는 경우, 다른 출력들은 앞서 설명한 바와 같이 각각 제어되므로 다른 출력들은 영향을 받지 않는다.
따라서, 수학적으로 확인해 보더라도 도시된 본 발명의 실시예의 경우 크로스 레귤레이션 발생을 줄일 수 있게 된다.
도 7은 앞서 설명했던 도 3 내지 도 5의 예시적 구성에 따른 다중 출력 벅컨버터의 크로스 레귤레이션 특성을 설명하기 위한 예시도로서, 도시된 바와 같이 5개의 개별 출력은 순서대로 1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.0V, 2.4V로 설정되며 각 출력의 부하 전류가 50mA였다가 첫 번째 출력의 부하 전류가 갑자기 300mA로 증가했다가 다시 50mA로 줄어드는 경우 다른 출력의 전압 변화 및 인덕터 전류의 변화를 보인 것이다.
도시된 바와 같이, 모든 출력이 50mA 상태인 경우 인덕터 전류는 250mA 상태를 보이며 각 출력 역시 설정 전압을 유지한다. 이 후 첫 번째 출력의 부하 전류가 300mA가 되면 인덕터 전류는 500mA가 되며 첫 번째 출력의 부하 전류가 300mA가 될 수 있도록 필요 전류를 더 제공한다. 이러한 순간적인 변화를 반영하기 위한 상태 변화 과정에서 첫 번째 출력의 출력 전압은 55mV(약 4.5%) 정도의 변화가 있었으나 나머지 출력들의 전압은 아무런 변화가 없었고, 첫 번째 출력의 부하 전류가 다시 50mA로 줄어드는 경우 이러한 급격한 상태 변화에 의해 첫 번째 출력의 출력 전압은 44mV(약 3.6%)의 변화가 있었고, 전체 전류에 따라 간접 조절되는 마지막 출력은 7mV(0.29%)의 변화가 있었으나 다른 출력들은 변화가 없었음을 확인할 수 있다. 즉, 일측 출력의 부하 전류 변화가 다른 출력에 영향을 미치는 크로스 레귤레이션의 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. 한편, 이러한 변화 정도나 변화 시간은 동작 클럭과 ADC 유닛의 해상도 및 속도에 따라 더욱 개선될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 벅컨버터의 다중출력 중 하나의 소비전력 변화에 따른 인접 출력 변화 여부를 보이기 위해 각종 신호들의 변화를 보인 예시도로서, 앞서 도 7에 도시한 상황에서의 각 신호들의 상태를 보인 것이다.
도 8은 앞서 도 7에 예시한 바와 같이 5개 출력 전압이 각각 1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.0V, 2.4V이고 각각의 부하 전류가 50mA인 상황을 보인 것이다. 이 때의 인덕터 전류는 균일한 듀티비로 제어되어 균일한 패턴을 제공하며, 이때의 인덕터 전류 센싱값 역시 균일한 패턴을 보인다. 또한, 각 출력 별 충전 전압 역시 비교적 균일한 패턴을 유지하고, 그에 따라 각 출력에 대한 목표 충전 전압과 개별 충전 전류를 이용한 충전 전압의 동작 역시 큰 변화가 없으며 전체 목표 충전 전압과 전체 충전 전압 역시 큰 변화가 없다. 이러한 동작에 의해 실질적으로 각 출력의 출력전압은 설정된 전압을 유지하게 된다.
도 9는 도 8과 같은 상태를 유지하다가 어느 순간 첫 번째 출력의 부하 전류가 50mA에서 300mA로 변화되는 경우의 각 신호 상태 변화를 보인 것이다.
도시된 바와 같이 특정 시점에 첫 번째 출력의 부하 전류가 증가하면서 그에 따라 피드백되는 출력 전압이 낮아지게 되므로 이를 보상하기 위한 목표 충전 전압이 점차 증가하게 되고 출력 전압의 감소에 따라 이득이 조절된 충전 전류에 의해 충전되는 충전 전압이 높아진 목표 충전 전압이 이를 때까지 첫 번째 출력에 전류가 공급되는 출력 스위치 동작 시간(스위치가 온 되는 기간)이 점차 길어지게 된다. 그에 따라 증가된 부하 전류가 제공될 수 있도록 점진적으로 변화해가며, 출력 전압이 설정된 전압이 되면서 안정된다.
이러한 첫 번째 출력의 부하 변동에 의해 해당 출력에 대한 목표 충전 전압(VC1)과 충전 전류(해당 타이밍의 ILSEN2) 및 충전 전압(VQ1)이 변화되고, 이러한 첫 번째 출력의 부하 변동에 의해 증가되는 추가 전력분 만큼을 전체 공급 전력분을 변화시켜 충당하게 된다. 따라서, 전체 목표 전압(VC_TOT)이 증가하며 그에 따라 전체 충전 전압(VQ_TOT) 역시 그에 도달하도록 제어되며 그에 따라 듀티 신호가 조절되면서 인덕터 전류(IL)가 증가하게 된다.
하지만, 이러한 첫 번째 출력의 부하 변화에서도 두 번째 내지 네 번째 출력에 관한 신호들은 변화되지 않는다. 다만, 개별 제어되지 않는 다섯 번째 목표 전압은 일부 변화가 발생하지만 실제 다섯 번째 출력 스위치는 전체 목표 전압과 전체 충전 전압의 비교 타이밍에 의해 제어되므로 다섯 번째 출력 전압 역시 거의 변화되지 않는다.
도 10은 도 9와 같은 상태를 유지하다가 어느 순간 첫 번째 출력의 부하 전류가 300mA에서 다시 50mA로 변화되는 경우의 각 신호 상태 변화를 보인 것이다.
도시된 바와 같이 특정 시점에 첫 번째 출력의 부하 전류가 감소하면서 그에 따라 피드백되는 출력 전압이 높아지게 되므로 이를 보상하기 위한 목표 충전 전압이 점차 감소하게 되고 출력 전압의 증가에 따라 이득이 조절된 충전 전압에 의해 충전되는 충전 전압이 낮아진 목표 충전 전압이 이를 때까지 첫 번째 출력에 전류가 공급되는 출력 스위치 동작 시간(스위치가 온 되는 기간)이 점차 짧아지게 된다. 그에 따라 감소된 부하 전류가 제공될 수 있도록 점진적으로 변화해가며, 출력 전압이 설정된 전압이 되면서 안정된다.
이러한 동작에 따른 신호 변화는 앞서 도 9를 통해 설명한 내용과 반대로 동작하게 된다.
이 경우 역시 이러한 첫 번째 출력의 부하 변화에서도 두 번째 내지 네 번째 출력에 관한 신호들은 변화되지 않는다. 다만, 개별 제어되지 않는 다섯 번째 목표 전압은 일부 변화가 발생하지만 실제 다섯 번째 출력 스위치는 전체 목표 전압과 전체 충전 전압의 비교 타이밍에 의해 제어되므로 다섯 번째 출력 전압 역시 거의 변화되지 않는다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 칩 110: 배터리
120: 인덕터 150: 제어부
151: 전류 센싱 유닛 152: ADC 유닛
153: 이득 조절 유닛 154: 충전기반 출력 스위치 제어 유닛
155: 아날로그 가산유닛 156: 충전 제어 유닛

Claims (11)

  1. 제 1 및 제 2 스위치의 교번에 따른 듀티 사이클 동안 인덕터에 외부 전원 소스의 에너지를 충전 및 방전하며, 그에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압을 생성하는 다중 출력 벅컨버터에 있어서,
    N개의 출력단과 인덕터 출력을 순차적으로 연결하는 N개의 출력 스위치들과;
    N개의 레퍼런스 전압과 N개의 실제 출력 전압으로부터 N개의 목표 충전 전압을 생성하고, 충전을 위한 전류 크기를 가변하기 위해서 첫번째부터 N-1번째 출력의 개별 출력 스위치 동작 시 출력 전압을 디지털 값으로 변환한 후 이를 기반으로 인덕터 전류 센싱값의 이득을 조절하여 N-1개의 출력 별 충전 전류를 생성하고, 상기 생성된 N-1개의 출력 별 충전 전류로 개별 내부 커패시터를 개별 목표 충전 전압까지 충전하는 시간 동안 해당 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 순차 생성하고, 인덕터 전류로 내부 커패시터를 충전하여 N개의 목표 충전 전압의 합에 이르는 시간으로 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 듀티 신호를 생성하며, N번째 출력을 위한 출력 스위치 제어 신호는 상기 듀티 신호와 N-1번째 출력 스위치 제어 신호의 타이밍을 통해 생성하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 N개의 목표 충전 전압의 합과 인덕터 전류로 충전되는 전압을 기준으로 상기 듀티 신호를 생성하면서 정의되는 듀티 사이클에 의해 자동으로 상기 N번째 출력을 위한 출력 스위치 제어 신호를 결정하며,
    상기 제어부는,
    N-1개의 순차적인 출력 전압을 개별 출력의 동작 타이밍에 맞추어 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털 변환 유닛과,
    인덕터 전류를 센싱하는 전류 센싱 유닛과,
    출력 별 전압에 대한 상기 아날로그 디지털 변환 유닛의 변환값에 따라 상기 전류 센싱 유닛에서 센싱된 인덕터 전류의 이득을 조절하여 출력 별 충전 전류를 생성하는 이득 조절 유닛과,
    출력 별 외부 레퍼런스 전압과 실제 출력 별 전압으로 목표 충전 전압을 생성하고 출력 별 내부 커패시터를 출력 별 충전 전류로 충전하여 생성된 출력 별 목표 충전 전압이 될 때까지 해당 출력의 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 생성하며, N-1번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호의 출력 이후 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 생성하며, 상기 듀티 신호에 맞추어 한 주기가 종료될 때 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호 생성을 중단하는 충전기반 출력 스위치 제어 유닛과,
    상기 충전 기반 출력 스위치 제어 유닛에서 얻어진 출력 별 목표 충전 전압의 합을 생성하는 아날로그 가산 유닛과,
    상기 전류 센싱 유닛에서 센싱된 전류값으로 내부 커패시터를 충전하여 상기 아날로그 가산 유닛을 통해 얻은 목표 충전 전압의 합에 이르는 동안 인덕터를 충전시키도록 하는 듀티 신호를 생성하는 충전 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 N-1개의 순차적인 출력 전압을 개별 출력의 동작 타이밍에 맞추어 디지털 값으로 변환하는 축차 비교형(Successive approximation: SAR) 아날로그 디지털 변환 모듈을 이용하는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 이득 조절 유닛은 상기 아날로그 디지털 변환 유닛의 병렬 출력과 직결되는 면적이 상이한 트랜지스터들을 동작시켜 변환값에 따른 출력 별 충전 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 충전 기반 출력 스위치 제어 유닛은 i번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 연산 증폭기와, i번째 출력 스위치의 동작에 따라 i번째 충전 전류로 내부 커패시터를 충전하는 충전 전압과 상기 목표 충전 전압을 입력으로 하여 i번째 출력 스위치의 동작 타이밍 신호를 생성하는 비교기로 이루어진 N-1개의 출력 별 타이밍 생성부와, N번째 레퍼런스 전압과 실제 N번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터.
  7. 제 1 및 제 2 스위치의 교번에 따른 듀티 사이클 동안 인덕터에 외부 전원 소스의 에너지를 충전 및 방전하며, 그에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압을 생성하는 다중 출력 벅컨버터에 있어서,
    N개의 출력단과 인덕터 출력을 순차적으로 연결하는 N개의 출력 스위치들과;
    인덕터의 전류를 센싱하여 전체 충전 전류를 생성하는 전류 센싱부와;
    충전을 위한 전류 크기를 가변하기 위해서 첫번째부터 N-1번째 출력의 개별 출력 스위치 동작 시 출력 전압을 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털 변환기와;
    상기 아날로그 디지털 변환기의 출력에 따라 전류 센서에서 센싱된 전류값을 가변하여 출력 별 충전 전류를 생성하는 이득조절부와;
    개별 출력 피드백에 따른 오차로부터 얻어진 목표 충전 전압과 개별 출력의 충전 전류로 내부 커패시터를 충전하는 전체 충전전압을 비교하여 출력 스위치 동작 타이밍을 생성하는 N-1개의 출력 별 타이밍 생성부와;
    N번째 출력 피드백에 따른 오차로부터 목표 충전 전압을 생성하는 비교부와;
    N개의 목표 충전 전압의 합과 전체 충전 전류로 내부 커패시터를 충전함에 따른 전체 충전전압을 비교하고, 그에 따라 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 듀티 신호를 생성하는 듀티 타이밍 생성부와;
    상기 출력 별 타이밍 생성부와 상기 듀티 타이밍 생성부의 출력을 기준으로 N번째 출력 스위치에 대한 제어 신호와 제 1 및 제 2 스위치에 대한 제어 신호를 생성하는 로직 제어 유닛을 포함하며,
    상기 로직 제어 유닛은,
    상기 N개의 목표 충전 전압의 합과 인덕터 전류로 충전되는 전압을 기준으로 상기 듀티 신호를 생성하면서 정의되는 듀티 사이클에 의해 자동으로 상기 N번째 출력 스위치에 대한 제어 신호를 생성하며, N-1번째 출력 별 타이밍 생성부가 제공하는 동작 타이밍 신호 이후 상기 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호를 생성하며, 상기 듀티 타이밍 생성부의 타이밍 출력을 기준으로 한 주기가 종료될 때 N번째 출력 스위치를 동작시키는 제어 신호 생성을 중단하는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 출력 별 타이밍 생성부는 i번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 연산 증폭기와, i번째 출력 스위치의 동작에 따라 i번째 충전 전류로 내부 커패시터를 충전하는 충전 전압과 상기 목표 충전 전압을 입력으로 하여 i번째 출력 스위치의 동작 타이밍 신호를 생성하는 비교기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터.
  9. 삭제
  10. 인덕터를 충방전하는 듀티 스위치의 동작에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차 제공하는 다중 출력 벅컨버터의 변환 방법에 있어서,
    충전을 위한 전류 크기를 가변하기 위해서 N-1개의 출력 피드백을 아날로그 디지털 변환하여 출력 별 충전 전류를 생성하는 단계와;
    출력 별 충전 전류로 출력 별 목표 전압까지 충전하는 동안을 개별 출력 제공 타이밍으로 N-1개의 출력단을 순차 제어하는 단계와;
    전체 출력 피드백에 따른 전체 목표 전압과 인덕터 전류를 센싱하여 얻은 충전 전류로 충전한 전압을 비교하여 듀티 스위치 동작 타이밍을 제어하는 단계와;
    상기 듀티 스위치 동작 타이밍을 이용하여 N번째 출력 스위치를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 듀티 스위치 동작 타이밍을 제어하는 단계는,
    인덕터 전류로 내부 커패시터를 충전하여 N개의 목표 충전 전압의 합에 이르는 시간으로 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 듀티 신호를 생성하며,
    상기 N번째 출력 스위치를 제어하는 단계는,
    상기 듀티 신호와 N-1번째 출력 스위치 제어 신호의 타이밍을 통해 생성하며, 상기 N개의 목표 충전 전압의 합과 인덕터 전류로 충전되는 전압을 기준으로 상기 듀티 신호를 생성하면서 정의되는 듀티 사이클에 의해 자동으로 상기 N번째 출력을 위한 출력 스위치 제어 신호를 결정하는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터 변환 방법.
  11. 제 1 및 제 2 스위치의 교번에 따른 듀티 사이클 동안 인덕터에 외부 전원 소스의 에너지를 충전 및 방전하며, 그에 따른 인덕터 전류를 N개의 출력단에 순차적으로 공급하여 각각 설정된 출력 전압을 생성하는 다중 출력 벅컨버터의 변환 방법에 있어서,
    i번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성하는 제 1 단계와;
    i번째 출력 스위치의 동작에 따라 i번째 충전 전류로 내부 커패시터를 충전하는 충전 전압과 상기 i번째 출력의 목표 충전 전압을 비교하여 i번째 출력 스위치의 제어 신호를 제공하여 i번째 출력을 레퍼런스 출력에 대응하도록 제어하는 제 2 단계와;
    상기 제 1 및 제 2 단계를 순차적으로 N-1번째 출력까지 수행하는 제 3 단계와;
    N번째 출력에 대한 출력 스위치를 동작시키는 제 4 단계와;
    N번째 출력의 레퍼런스 전압과 실제 i번째 출력 전압 간의 차이를 증폭하여 목표 충전 전압을 생성한 후, 모든 출력의 목표 충전 전압을 합산한 값을 전체 목표 충전 전압으로 하고, 인덕터 전류 센싱에 따른 충전 전력으로 내부 커패시터를 충전하여 얻은 충전 전압을 전체 목표 충전 전압과 비교하여 상기 제 1 및 제 2 스위치를 제어하는 듀티 신호를 생성하는 제 5 단계와;
    상기 제 5단계에서 생성되는 듀티 신호에 따른 한 사이클이 완료되면 N번째 출력 스위치의 동작을 중단하고 상기 제 1 단계부터 다시 시작하는 제 6단계를 포함하며,
    상기 듀티 신호를 생성하는 제 5 단계는,
    상기 인덕터 전류로 내부 커패시터를 충전하여 N개의 목표 충전 전압의 합에 이르는 시간으로 제 1 및 제 2 스위치를 동작시키는 상기 듀티 신호를 생성하며,
    상기 N번째 출력에 대한 출력 스위치를 동작시키는 제 4 단계는,
    상기 듀티 신호와 N-1번째 출력 스위치 제어 신호의 타이밍을 통해 생성하며, 상기 N개의 목표 충전 전압의 합과 인덕터 전류로 충전되는 전압을 기준으로 상기 듀티 신호를 생성하면서 정의되는 듀티 사이클에 의해 자동으로 상기 N번째 출력을 위한 출력 스위치 제어 신호를 결정하는 것을 특징으로 하는 충전 제어를 통해 크로스 레귤레이션을 감소시킨 다중 출력 벅컨버터 변환 방법.
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