KR101658783B1 - 영전류 검출 회로를 포함하는 전력 변환기 및 전력 변환 방법 - Google Patents

영전류 검출 회로를 포함하는 전력 변환기 및 전력 변환 방법 Download PDF

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Abstract

영전류 검출 회로의 옵셋을 조절할 수 있는 전력 변환기 및 전력 변환 방법이 개시된다. 전력 변환기는 전력 변환부 및 스위치 구동부를 포함한다. 전력 변환부는 풀업 구동신호, 풀다운 구동신호 및 직류 입력 전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생한다. 스위치 구동부는 직류 출력전압에 기초하여 제 1 검출 전압신호를 발생하고 제 1 검출 전압신호에 응답하여 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하여 영전류 검출신호를 발생한다. 또한, 스위치 구동부는 제 1 검출 전압신호 및 영전류 검출신호에 기초하여 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동신호를 발생한다. 따라서, 전력 변환기는 영전류 검출 회로의 오프셋 산포의 영향을 덜 받고 전력 소모가 적다.

Description

영전류 검출 회로를 포함하는 전력 변환기 및 전력 변환 방법{POWER CONVERTER HAVING A ZERO-CURRENT DETECTING CIRCUIT AND METHOD OF CONVERTING POWER}
본 발명은 전력 변환기에 관한 것으로, 특히 영전류 검출 회로를 포함하는 전력 변환기에 관한 것이다.
최근에 환경적인 이유로 에너지 절약이 매우 요구되고 있다. 셀룰라 폰, 휴대용 개인 정보 단말기 등 배터리를 사용하는 휴대용 정보 처리 장치에서, 전력 소모의 절약은 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 스텝-다운 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터 등 스위치 모드 파워 서플라이가 각종 전자 기기에 사용되고 있다. 스텝-다운 컨버터 등 전력 변환기는 인덕터에 흐르는 전류의 영(zero)이 되는 포인트를 센싱해서 펄스 주파수의 변조에 사용하고 있다.
본 발명의 목적은 조절 가능한 오프셋 전압을 갖는 영전류 검출회로의 출력신호에 응답하여 펄스 주파수 변조를 수행함으로써 높은 변환 효율을 갖는 전력 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 조절 가능한 오프셋 전압을 갖는 영전류 검출회로의 출력신호에 응답하여 펄스 주파수 변조를 수행하는 전력 변환기의 스위치 구동 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조절 가능한 오프셋 전압을 갖는 영전류 검출회로의 출력신호에 응답하여 펄스 주파수 변조를 수행함으로써 높은 변환 효율을 갖는 전력 변환 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 전력 변환기는 전력 변환부 및 스위치 구동부를 포함한다.
전력 변환부는 풀업 구동신호, 풀다운 구동신호 및 직류 입력 전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생한다. 스위치 구동부는 상기 직류 출력전압에 기초하여 제 1 검출 전압신호를 발생하고 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하여 영전류 검출신호를 발생한다. 또한, 스위치 구동부는 상기 제 1 검출 전압신호 및 상기 영전류 검출신호에 기초하여 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 상기 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동신호를 발생한다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 전력 변환부는 풀업 트랜지스터, 풀다운 트랜지스터, 인덕터 및 커패시터를 포함할 수 있다.
풀업 트랜지스터는 상기 직류 입력 전압이 인가되는 입력단자 및 제 1 노드에 연결된 출력단자를 갖고, 상기 풀업 구동신호에 응답하여 동작한다. 풀다운 트랜지스터는 상기 제 1 노드와 접지 사이에 결합되고 풀다운 구동신호에 응답하여 동작한다. 인덕터는 상기 제 1 노드와 출력 노드 사이에 결합되고, 커패시터는 상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 결합된다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출 회로는 상기 풀업 트랜지스터의 턴온 시점을 결정할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출 회로는 상기 풀다운 트랜지스터의 턴오프 시점을 결정할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출 회로는 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기가 영(zero)이 되는 시점을 검출할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출 회로는 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 상기 제 1 노드의 전압신호와 접지 전압을 비교하고 상기 영전류 검출신호를 발생할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출 회로는 오프셋 발생기 및 증폭기를 포함할 수 있다.
오프셋 발생기는 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 추가 구동전류를 발생한다. 증폭기는 상기 제 1 노드의 전압신호와 상기 접지 전압의 차이를 증폭하고, 상기 추가 구동전류가 반영된 상기 영전류 검출신호를 발생한다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 추가 구동전류는 상기 영전류 검출신호의 발생시점을 앞당길 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 증폭기는 차동 입력단 및 출력단을 포함할 수 있다.
차동 입력단은 상기 제 1 노드의 전압신호와 상기 접지 전압의 차이를 증폭하고, 출력단은 상기 차동 입력단의 출력전압을 증폭하고 상기 영전류 검출신호를 발생한다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 오프셋 발생기는 상기 출력단의 트랜지스터와 전류미러 형태로 연결된 제 1 트랜지스터, 및 상기 제 1 트랜지스터와 상기 영전류 검출 회로의 출력단자 사이에 결합되고 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 동작하는 제 2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위치 구동부는 비교기, 전류 센싱 회로 및 펄스 주파수 변조회로를 포함할 수 있다.
비교기는 상기 직류 출력전압을 기준전압과 비교하고 상기 제 1 검출 전압신호를 발생한다. 전류 센싱 회로는 상기 인덕터의 피크 전류를 검출하고 전류 센싱 출력신호를 발생한다. 펄스 주파수 변조회로는 상기 제 1 검출 전압신호, 상기 영전류 검출신호 및 상기 전류 센싱 출력신호에 기초하여 상기 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 상기 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동신호를 발생한다.
본 발명의 하나의 실시형태에 따른 전력 변환기의 스위치 구동 회로는 비교기, 영전류 검출회로, 전류 센싱 회로 및 펄스 주파수 변조회로를 포함한다.
비교기는 직류 출력전압을 기준전압과 비교하고 상기 제 1 검출 전압신호를 발생한다. 영전류 검출회로는 전력 변환부의 풀다운 트랜지스터의 드레인-소스 간 전압을 증폭하고, 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 출력 오프셋 전류를 발생하고, 상기 출력오프셋 전류가 반영된 상기 영전류 검출신호를 발생한다. 전류 센싱 회로는 상기 전력 변환부의 인덕터의 피크 전류를 검출하고 전류 센싱 출력신호를 발생한다. 펄스 주파수 변조회로는 상기 제 1 검출 전압신호, 상기 영전류 검출신호 및 상기 전류 센싱 출력신호에 기초하여 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 풀업 구동신호 및 풀다운 구동신호를 발생한다.
본 발명의 하나의 실시형태에 따른 전력 변환 방법은 풀업 구동신호, 풀다운 구동신호 및 직류 입력 전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생하는 단계, 상기 직류 출력전압에 기초하여 제 1 검출 전압신호를 발생하는 단계, 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하고 영전류 검출신호를 발생하는 단계, 및 상기 제 1 검출 전압신호 및 상기 영전류 검출신호에 기초하여 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 상기 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동신호를 발생하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 제 1 검출 전압신호를 발생하는 단계는 상기 직류 출력전압을 기준전압과 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하는 단계는 전력변환부의 풀다운 트랜지스터의 드레인-소스 간 전압을 증폭하는 단계, 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 추가 구동전류를 발생하는 단계, 및 상기 영전류 검출신호에 상기 추가 구동전류를 반영하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출신호에 상기 추가 구동전류를 반영하는 단계는 상기 영전류 검출신호에 상기 추가 구동전류에 대응하는 전압을 가산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하는 단계를 통해 상기 풀업 트랜지스터의 턴온 시점을 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스위치 구동 회로 및 이를 포함하는 전력 변환기는 영전류 검출회로의 출력신호에 응답하여 펄스 주파수 변조를 수행함으로써 높은 변환 효율을 갖는다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환기는 인덕터의 전류가 역방향으로 흐르기 전에 전력 변환부의 PMOS 트랜지스터를 턴온시켜 변환 효율을 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환기는 영전류 검출 회로의 오프셋 산포의 영향을 덜 받고 전력 소모가 적다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스텝-다운 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1의 스텝-다운 컨버터의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 3은 도 1의 스텝-다운 컨버터에 포함된 펄스 주파수 변조 회로의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1의 스텝-다운 컨버터에 포함된 영전류 검출 회로의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 영전류 검출 회로의 구체적인 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 1의 스텝-다운 컨버터의 동작을 나타내는 시뮬레이션도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 변환 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 도 7의 전력 변환 방법에서, 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하는 하나의 방법을 나타내는 흐름도이다.
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 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스텝-다운 컨버터(1000)를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 스텝-다운 컨버터(1000)는 스위치 구동부(1100) 및 전력 변환부(1200)를 포함한다.
전력 변환부(1200)는 풀업 구동신호(PD), 풀다운 구동신호(PN) 및 직류 입력 전압(VIN)에 기초하여 직류 출력전압(VOUT)을 발생한다. 스위치 구동부(1100)는 비교기(1110), 영전류 검출 회로(1120), 전류 센싱 회로(1130) 및 펄스 주파수 변조회로(1140)를 포함한다. 스위치 구동부(1100)는 직류 출력전압(VOUT)에 대응하는 피드백 전압(VFB)에 기초하여 제 1 검출 전압신호(VDET_O)를 발생하고, 제 1 검출 전압신호(VDET_O)에 응답하여 영전류 검출 회로(1120)의 오프셋 전압을 조절하여 영전류 검출신호(ZCDO)를 발생하고, 제 1 검출 전압신호(VDET_O) 및 영전류 검출신호(ZCDO)에 기초하여 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 풀업 구동신호(PD) 및 풀다운 구동신호(ND)를 발생한다.
전력 변환부(1200)는 풀업 트랜지스터(PMP)와 풀다운 트랜지스터(PMN)로 구성된 스위칭부(1210), 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함한다.
풀업 트랜지스터(PMP)는 직류 입력 전압(VIN)이 인가되는 입력단자 및 센싱 노드(NS)에 연결된 출력단자를 갖고, 풀업 구동신호(PD)에 응답하여 스위칭 동작한다. 풀다운 트랜지스터(PMN)는 센싱 노드(NS)와 접지 사이에 결합되고 풀다운 구동신호(ND)에 응답하여 스위칭 동작한다. 인덕터(L)는 센싱 노드(NS)와 출력 노드(NO) 사이에 결합되고, 커패시터(C)는 출력 노드(NO)와 접지 사이에 결합된다.
영전류 검출 회로(1120)는 제 1 검출 전압신호(VDET_O)에 응답하여 센싱 노드(NS)의 전압신호와 접지 전압을 비교하고 영전류 검출신호(ZCDO)를 발생한다. 비교기(1110)는 직류 출력전압(VOUT)에 대응하는 피드백 전압신호(VFB)를 기준전압(VREF)과 비교하고 제 1 검출 전압신호(VDET_O)를 발생한다. 전류 센싱 회로(1130)는 인덕터(L)의 피크 전류를 검출하고 전류 센싱 출력신호(CSO)를 발생한다. 펄스 주파수 변조회로(1140)는 제 1 검출 전압신호(VDET_O), 영전류 검출신호(ZCDO) 및 전류 센싱 출력신호(CSO)에 기초하여 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 풀업 구동신호(PD) 및 풀다운 구동신호(ND)를 발생한다.
도 2는 도 1의 스텝-다운 컨버터(1000)의 동작을 나타내는 타이밍도이다. 도 2에서, IL은 인덕터(L)을 통해 흐르는 전류를, ZCDO는 영전류 검출 회로(1120)의 출력신호인 영전류 검출신호를, CSO는 전류 센싱 회로(1130)의 출력신호인 전류 센싱 출력신호를, VDET_O는 비교기(1110)의 출력신호인 제 1 검출 전압신호를 각각 나타낸다.
도 2를 참조하면, 인덕터(L)를 통해 흐르는 인덕터 전류(IL)는 풀업 트랜지스터(PMP)와 풀다운 트랜지스터(PMN)의 스위칭 동작에 따라 증가와 감소를 반복한다. IL은 풀업 트랜지스터(PMP)가 온 상태이고, 풀다운 트랜지스터(PMN)가 오프 상태일 때, 정의 기울기를 가지며, 풀업 트랜지스터(PMP)가 오프 상태이고, 풀다운 트랜지스터(PMN)가 온 상태일 때, 부의 기울기로 갖는다. 정의 기울기는 직류 입력전압(VIN)과 직류 출력전압(VOUT)의 차이에 비례하고, 부의 기울기는 직류 출력전압(VOUT)의 크기에 비례한다.
IL은 인덕터(L)의 피크 전류에 대응하는 CSO 펄스에 응답하여 정의 기울기에서 부의 기울기로 바뀐다. 또한, IL은 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류의 크기가 0(zero)일 때 발생하는 ZCDO 펄스에 응답하여 부의 기울기에서 정의 기울기로 바뀐다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 스텝-다운 컨버터(1000)의 영전류 검출 회로(1120)는 오프셋 전압을 갖기 때문에 IL이 0(zero)이 되기 전에 ZCDO 펄스를 발생시켜(PO_ON) IL을 부의 기울기에서 정의 기울기로 바꾼다. 후술하는 바와 같이, 전력 변환부(1200)의 출력 노드(NO)의 전압이 기준전압(VREF)보다 낮을 때, 제 1 검출 전압신호(VDET_O)가 로직 로우 상태를 가지며, 영전류 검출 회로(1120)는 추가 구동전류를 출력 노드(NO)에 제공한다. 따라서, IL이 0(zero)이 되기 전에 ZCDO 펄스가 발생된다. 제 1 검출 전압신호(VDET_O)가 로직 하이 상태가 되면, 영전류 검출 회로(1120)는 오프셋 전압을 갖지 않는다.
도 3은 도 1의 스텝-다운 컨버터(1000)에 포함된 펄스 주파수 변조 회로(1140)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 펄스 주파수 변조 회로(1140)는 지연 회로(1141), 클럭 발생기(1142), 제 1 OR 회로(1143), 제 2 OR 회로(1144), 래치 회로(1145), 인버터(1146), NOR 회로(1147), 제 1 드라이버(1148) 및 제 1 드라이버(1148)를 포함한다.
지연 회로(1141)는 제 1 검출 전압신호(VDET_O)를 지연시킨다. 클럭 발생기(1142)는 영전류 검출신호(ZCDO)에 기초하여 클럭신호(CK1)를 발생한다. 제 1 OR 회로(1143)는 지연 회로(1141)의 출력신호(CK1)와 클럭신호(CK1)에 대해 논리합 연산을 수행한다. 제 2 OR 회로(1144)는 제 1 검출 전압신호(VDET_O)와 전류 센싱 출력신호(CSO)에 대해 논리합 연산을 수행한다. 래치 회로(1145)는 R-S 플립플롭으로 구성될 수 있으며, 제 1 OR 회로(1143)의 출력신호와 제 2 OR 회로(1144)의 출력신호를 래치한다. NOR 회로(1147)는 래치 회로(1145)의 출력신호와 영전류 검출신호(ZCDO)에 대해 비논리합 연산을 수행한다. 인버터(1146)는 래치 회로(1145)의 출력신호의 위상을 반전한다. 제 1 드라이버(1148)는 인버터(1146)의 출력신호에 응답하여 풀업 구동신호(PD)를 발생하고, 제 2 드라이버(1149)는 NOR 회로(1147)의 출력신호에 응답하여 풀다운 구동신호(ND)를 발생한다.
이하, 도 3에 도시된 펄스 주파수 변조 회로(1140)의 동작에 대해 설명한다.
제 1 검출 전압신호(VDET_O)가 로직 로우 상태이면, 펄스 주파수 변조 회로(1140)는 제 1 드라이버(1148)를 활성화하여 풀업 구동신호(PD)를 인에이블시키고, 제 2 드라이버(1149)를 비활성화하여 풀다운 구동신호(ND)를 디스에이블시킨다. 따라서, 도 1의 풀업 트랜지스터(PMP)가 턴온되고 풀다운 트랜지스터(PMN)가 턴오프된다. 따라서, 인덕터 전류(IL)가 증가하고 직류 출력전압(VOUT)이 증가한다.
제 1 검출 전압신호(VDET_O)가 로직 하이 상태이면, 주파수 변조 회로(1140)는 제 1 드라이버(1148)를 비활성화하여 풀업 구동신호(PD)를 디스에이블시키고, 제 2 드라이버(1149)를 활성화하여 풀다운 구동신호(ND)를 인에이블시킨다. 따라서, 도 1의 풀업 트랜지스터(PMP)가 턴오프되고 풀다운 트랜지스터(PMN)가 턴온된다. 따라서, 인덕터 전류(IL)가 감소하고 직류 출력전압(VOUT)이 감소한다.
인덕터(L)의 피크 전류에 기초하여 발생된 전류 센싱 출력신호(CSO)가 인에이블되면, 제 1 드라이버(1148)가 비활성화되어 풀업 구동신호(PD)가 디스에이블되며, 제 2 드라이버(1149)가 활성화되어 풀다운 구동신호(ND)가 인에이블된다. 따라서, 도 1의 풀업 트랜지스터(PMP)가 턴오프되고 풀다운 트랜지스터(PMN)가 턴온된다.
인덕터(L)의 영전류에 기초하여 발생된 영전류 검출신호(ZCDO)가 인에이블되면, 펄스 주파수 변조 회로(1140)는 제 1 드라이버(1148)를 활성화하여 풀업 구동신호(PD)를 인에이블시키고, 제 2 드라이버(1149)를 비활성화하여 풀다운 구동신호(ND)를 디스에이블시킨다. 따라서, 도 1의 풀업 트랜지스터(PMP)가 턴온되고 풀다운 트랜지스터(PMN)가 턴오프된다. 따라서, 인덕터 전류(IL)가 증가하고 직류 출력전압(VOUT)이 증가한다.
도 4는 도 1의 스텝-다운 컨버터(1000)에 포함된 영전류 검출 회로(1120)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 영전류 검출 회로(1120)는 증폭기(1121) 및 오프셋 발생기(1124)를 포함한다. 증폭기(1121)는 연산증폭기(operational amplifier)일 수 있다.
오프셋 발생기(1124)는 제 1 검출 전압신호(VDET_O)에 응답하여 추가 구동전류(additional driving current)를 발생한다. 증폭기(1121)는 두 차동 입력신호들(VINP, VINM)의 차이를 증폭하고, 추가 구동전류가 반영된 영전류 검출신호(ZCDO)를 발생한다. VINP는 센싱 노드(도 1의 NS)의 전압신호이고, VINM은 접지 전압일 수 있다.
증폭기(1121)는 센싱 노드(NS)의 전압신호와 접지 전압의 차이를 증폭하는 차동 입력단(1122), 및 차동 입력단(1122)의 출력전압을 증폭하고 영전류 검출신호(ZCDO)를 발생하는 출력단(1123)을 포함한다.
도 5는 도 4에 도시된 영전류 검출 회로(1120)의 구체적인 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 영전류 검출 회로(1120)는 전류원(IS), PMOS 트랜지스터들(MP1, MP2, MP3, MP4, MP5, MP6) 및 NMOS 트랜지스터들(MN1, MN2, MN3, MN4, MN5, MN6)을 포함한다.
PMOS 트랜지스터들(MP5, MP6)은 도 4의 오프셋 발생기(1124)를 구성하며, PMOS 트랜지스터들(MP1, MP2, MP3, MP4) 및 NMOS 트랜지스터들(MN1, MN2, MN3, MN4, MN5, MN6)은 도 4의 증폭기(1121)를 구성한다. 전류원(IS), PMOS 트랜지스터들(MP1, MP2) 및 NMOS 트랜지스터들(MN1, MN2)은 도 4의 차동 입력단(1122)에 대응하고, PMOS 트랜지스터들(MP3, MP4) 및 NMOS 트랜지스터들(MN3, MN4, MN5, MN6)은 도 4의 출력단(1123)에 대응한다.
도 5를 참조하면, 전류원(IS)은 전원전압(VDD)과 제 1 노드(ND1) 사이에 전기적으로 연결된다. PMOS 트랜지스터(MP1)는 제 1 노드(ND1)와 제 2 노드(ND2) 사이에 전기적으로 연결되고, 차동 입력신호(VINM)가 인가되는 게이트를 갖는다. PMOS 트랜지스터(MP2)는 제 1 노드(ND1)와 제 2 노드(ND2) 사이에 전기적으로 연결되고, 차동 입력신호(VINP)가 인가되는 게이트를 갖는다. NMOS 트랜지스터(MN1)는 제 2 노드(ND2)와 접지 사이에 전기적으로 연결되고 NMOS 트랜지스터(MN2)는 제 3 노드(ND3)와 접지 사이에 전기적으로 연결된다. NMOS 트랜지스터(MN1)의 드레인은 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트에 전기적으로 연결되고, NMOS 트랜지스터(MN1)의 게이트는 NMOS 트랜지스터(MN2)의 드레인에 전기적으로 연결된다. NMOS 트랜지스터(MN4)는 다이오드 형태로 연결되어 있으며, 제 2 노드(ND2)와 접지 사이에 전기적으로 연결된다. NMOS 트랜지스터(MN5)는 다이오드 형태로 연결되어 있으며, 제 3 노드(ND3)와 접지 사이에 전기적으로 연결된다. NMOS 트랜지스터(MN3)는 NMOS 트랜지스터(MN4)의 게이트에 연결된 게이트를 갖고, 접지에 연결된 소스를 갖는다. NMOS 트랜지스터(MN6)는 NMOS 트랜지스터(MN5)의 게이트에 연결된 게이트, 제 4 노드(NZO)에 연결된 드레인을 갖고, 접지에 연결된 소스를 갖는다. PMOS 트랜지스터(MP3)는 다이오드 형태로 연결되어 있으며, 전원전압(VDD)에 연결된 소스와 NMOS 트랜지스터(MN3)의 드레인에 연결된 드레인을 갖는다. PMOS 트랜지스터(MP4)는 PMOS 트랜지스터(MP3)의 게이트에 연결된 게이트를 갖고, 전원전압(VDD)에 연결된 소스와 제 4 노드(NZO)에 연결된 드레인을 갖는다.
PMOS 트랜지스터(MP5)는 PMOS 트랜지스터(MP4)의 게이트에 연결된 게이트, 전원전압(VDD)에 연결된 소스를 갖는다. PMOS 트랜지스터(MP6)는 PMOS 트랜지스터(MP5)의 드레인에 연결된 소스 및 제 4 노드(NZO)에 연결된 드레인을 가지며, 제 1 검출 전압신호(VDET_O)가 인가되는 게이트를 갖는다.
영전류 검출 회로(1120)의 제 4 노드(NZO)를 통해 영전류 검출신호(ZCDO)가 출력된다. PMOS 트랜지스터들(MP5, MP6)로 구성된 오프셋 발생기(1124)는 제 1 검출 전압신호(VDET_O)에 응답하여 추가 구동전류(IOD_ADD)를 발생한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 영전류 검출 회로(1120) 및 이를 포함하는 스텝-다운 컨버터(1000)의 동작에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 스위치 구동부(1100)는 직류 출력전압(VOUT), 인덕터(L)을 통해 흐르는 피크 전류, 인덕터(L)의 영전류를 검출하고 풀업 구동신호(PD)와 풀다운 구동신호(ND)를 발생한다. 전력 변환부(1200)는 풀업 구동신호(PD), 풀다운 구동신호(PN) 및 직류 입력 전압(VIN)에 기초하여 직류 출력전압(VOUT)을 발생한다.
풀업 구동신호(PD)와 풀다운 구동신호(PN)가 모두 로직 로우 상태이면, 풀업 트랜지스터(PMP)는 온 상태가 되고, 풀다운 트랜지스터(PMN)는 오프 상태가 된다. 풀업 트랜지스터(PMP)가 온 상태가 되면, 직류 입력 전압(VIN)이 센싱 노드(NS)에 인가되고 인덕터(L), 커패시터(C) 및 풀다운 트랜지스터(PMN)의 기생 다이오드를 통해 공진 전류(IL)가 흐른다. 풀업 구동신호(PD)와 풀다운 구동신호(PN)가 모두 로직 하이 상태로 바뀌면, 풀업 트랜지스터(PMP)는 오프 상태가 되고, 풀다운 트랜지스터(PMN)는 온 상태가 된다. 풀다운 트랜지스터(PMN)가 온 상태가 되면, 인덕터(L), 커패시터(C) 및 풀다운 트랜지스터(PMN)를 통해 공진 전류(IL)가 흐르고, 공진 전류(IL)의 크기는 점점 줄어든다. 센싱 노드(NS)와 접지 사이의 전압, 즉 풀다운 트랜지스터(PMN) 양단의 전압이 음의 값에서 양의 값으로 바뀔 때 영전류 검출신호(ZCDO)가 발생된다. 따라서, 풀업 트랜지스터(PMP)는 온 상태가 되고, 풀다운 트랜지스터(PMN)는 오프 상태가 된다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스텝-다운 컨버터(1000)는 오프셋을 갖는 영전류 검출신호(ZCDO)를 사용하여 인덕터 전류(IL)가 역방향으로 흐르기 전에 풀업 트랜지스터(PMP)를 턴온시키고 풀다운 트랜지스터(PMN)를 턴오프시켜 인덕터 전류(IL)를 증가시킨다.
도 6은 도 1의 스텝-다운 컨버터의 동작을 나타내는 시뮬레이션도이다.
도 6을 참조하면, 시각(T1)에서 인덕터 전류(IL)는 정의 기울기에서 부의 기울기로 바뀌고, 센싱 노드(NS)의 전압이 증가하여 시각(T2)에서 오프셋을 갖는 영전류 검출신호(ZCDO)가 인에이블되어(Pre-offset ON) 인덕터 전류(IL)는 부의 기울기에서 정의 기울기로 바뀐다. 마찬가지로, 인덕터 전류(IL)는 시각(T3)에서 정의 기울기에서 부의 기울기로 바뀌고, 시각(T4)에서 부의 기울기에서 정의 기울기로 바뀐다. 또한, 인덕터 전류(IL)는 시각(T5)에서 정의 기울기에서 부의 기울기로 바뀌고, 시각(T6)에서 제 1 검출 전압신호(VDET_O)가 로직 하이 상태가 되어 영전류 검출 회로(1120)는 오프셋 전압을 갖지 않는다(Pre-offset OFF).
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 변환 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 방법은 다음과 같다.
1) 풀업 구동신호, 풀다운 구동신호 및 직류 입력 전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생한다(S1).
2) 상기 직류 출력전압에 기초하여 제 1 검출 전압신호를 발생한다(S2).
3) 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하고 영전류 검출신호를 발생한다(S3).
4) 상기 제 1 검출 전압신호 및 상기 영전류 검출신호에 기초하여 펄스 주파수 변조(PFM)를 수행하고 상기 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동신호를 발생한다(S4).
도 8은 도 7의 전력 변환 방법에서, 영전류 검출 회로의 오프셋 전압을 조절하는 하나의 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영전류 검출 회로의 오프셋 전압 조절 방법은 다음과 같다.
1) 전력변환부의 풀다운 트랜지스터의 드레인-소스 간 전압을 증폭한다(S31).
2) 상기 제 1 검출 전압신호에 응답하여 추가 구동전류를 발생한다(S32).
3) 상기 영전류 검출신호에 상기 추가 구동전류를 반영한다(S33).
상기에서는 주로 영전류 검출 회로를 갖는 스텝-다운 컨버터에 대해 기술하였지만, 본 발명은 부스트(boost) 컨버터 및 벅-부스트(buck-boost) 컨버터에 적용이 가능하다.
본 발명은 파워 컨버터에 적용이 가능하며, 특히 펄스 주파수 변조 회로를 포함하는 스텝-다운 컨버터에 적용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 스텝-다운 컨버터 1100: 스위치 구동부
1110: 비교기 1120: 영전류 검출 회로
1121: 증폭기 1122: 차동 입력단
1123: 출력단 1124: 오프셋 발생기
1130: 전류 센싱 회로 1140: 펄스 주파수 변조회로
1200: 전력 변환부

Claims (10)

  1. 풀업 구동신호, 풀다운 구동신호 및 직류 입력전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생하는 전력 변환부; 및
    상기 직류 출력전압에 기초하여 제1 검출 전압신호를 발생하는 스위치 구동부를 포함하고,
    상기 스위치 구동부는,
    상기 제1 검출 전압신호에 기초하여 오프셋 전압을 조절하고, 상기 오프셋 전압에 기초하여 영전류 검출신호를 발생하는 영전류 검출 회로와,
    상기 영전류 검출신호에 기초하여 펄스 주파수 변조를 수행하고 상기 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동 신호를 발생하는 펄스 주파수 변조 회로를 포함하고,
    상기 전력 변환부는,
    상기 직류 입력전압이 인가되는 입력단자 및 상기 전력 변환부의 제1 노드에 연결된 출력단자를 갖고, 상기 풀업 구동신호에 응답하여 동작하는 풀업 트랜지스터;
    상기 제1 노드와 접지 사이에 결합되고 상기 풀다운 구동신호에 응답하여 동작하는 풀다운 트랜지스터;
    상기 제1 노드와 상기 전력 변환부의 출력 노드 사이에 결합된 인덕터; 및
    상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 결합된 커패시터를 포함하고,
    상기 영전류 검출 회로는 상기 제1 노드의 전압 및 접지 전압에 기초하여 상기 영전류 검출신호를 발생하고,
    상기 영전류 검출 회로는,
    상기 제1 검출 전압신호에 응답하여 추가 구동전류를 발생하는 오프셋 발생기와;
    상기 제1 노드의 전압과 상기 접지 전압의 차이를 증폭하고, 상기 추가 구동전류가 반영된 상기 영전류 검출신호를 발생하는 증폭기를 포함하고,
    상기 증폭기는,
    상기 제1 노드의 전압과 상기 접지 전압의 차이를 증폭하는 차동 입력단; 및
    상기 차동 입력단의 출력 신호를 증폭하고 상기 영전류 검출신호를 발생하는 출력단을 포함하고,
    상기 오프셋 발생기는,
    상기 출력단의 트랜지스터에 연결된 제1 트랜지스터; 및
    상기 제1 트랜지스터와 상기 영전류 검출 회로의 출력단자 사이에 결합되고, 상기 제1 검출 전압신호에 응답하여 동작하는 제2 트랜지스터를 포함하는 전력 변환기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 영전류 검출 회로는 상기 풀업 트랜지스터의 턴온 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가 구동전류는 상기 영전류 검출신호의 발생시점을 앞당기는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  7. 풀업 구동신호, 풀다운 구동신호 및 직류 입력전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생하는 전력 변환부; 및
    상기 직류 출력전압에 기초하여 제1 검출 전압신호를 발생하는 스위치 구동부를 포함하고,
    상기 스위치 구동부는,
    상기 제1 검출 전압신호에 기초하여 오프셋 전압을 조절하고, 상기 오프셋 전압에 기초하여 영전류 검출신호를 발생하는 영전류 검출 회로와,
    상기 영전류 검출신호에 기초하여 펄스 주파수 변조를 수행하고 상기 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동 신호를 발생하는 펄스 주파수 변조 회로를 포함하고,
    상기 전력 변환부는,
    상기 직류 입력전압이 인가되는 입력단자 및 상기 전력 변환부의 제1 노드에 연결된 출력단자를 갖고, 상기 풀업 구동신호에 응답하여 동작하는 풀업 트랜지스터;
    상기 제1 노드와 접지 사이에 결합되고 상기 풀다운 구동신호에 응답하여 동작하는 풀다운 트랜지스터;
    상기 제1 노드와 상기 전력 변환부의 출력 노드 사이에 결합된 인덕터; 및
    상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 결합된 커패시터를 포함하고,
    상기 영전류 검출 회로는 상기 제1 노드의 전압 및 접지 전압에 기초하여 상기 영전류 검출신호를 발생하고,
    상기 스위치 구동부는,
    상기 직류 출력전압을 기준전압과 비교하고 상기 제1 검출 전압신호를 발생하는 비교기와,
    상기 인덕터의 전류를 검출하고 전류 센싱 출력신호를 발생하는 전류 센싱 회로를 더 포함하고,
    상기 펄스 주파수 변조 회로는, 상기 제1 검출 전압신호, 상기 영전류 검출신호 및 상기 전류 센싱 출력신호에 기초하여 펄스 주파수 변조를 수행하고, 상기 풀업 구동신호 및 상기 풀다운 구동신호를 발생하고,
    상기 펄스 주파수 변조 회로는,
    상기 제1 검출 전압신호를 지연하는 지연 회로;
    상기 영전류 검출신호에 기초하여 클럭신호를 발생하는 클럭 발생기;
    상기 지연 회로의 출력신호와 상기 클럭신호에 대해 논리합 연산을 수행하는 제1 OR 회로;
    상기 제1 검출 전압신호와 상기 전류 센싱 출력신호에 대해 논리합 연산을 수행하는 제2 OR 회로;
    상기 제1 OR 회로의 출력신호와 상기 제2 OR 회로의 출력신호를 래치하는 래치 회로;
    상기 래치 회로의 출력신호와 상기 영전류 검출신호에 대해 비논리합 연산을 수행하는 NOR 회로;
    상기 래치 회로의 출력신호의 위상을 반전하는 인버터;
    상기 인버터의 출력신호에 응답하여 상기 풀업 구동신호를 발생하는 제1 드라이버; 및
    상기 NOR 회로의 출력신호에 응답하여 상기 풀다운 구동신호를 발생하는 제2 드라이버를 포함하는 전력 변환기.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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