KR101672894B1 - 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서 - Google Patents

프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서에 관한 것으로서, 노드 전압 Vx가 인가되는 인덕터 L 양단에 접속된 프리휠링 스위치 MFW와, 인덕터 L 양단에 접속되어 양단 전압차를 측정하는 비교기 Comp1와, 비교기 Comp1의 출력에 대응하여 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 제거하는 셀프트래킹 회로와, 셀프트래킹 회로로부터 출력되는 Izero 신호로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 PWM 제어기와, 일단에 전원 VDD가 인가되고 타단은 인덕터 L에 접속되며, PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MP와, 일단은 인덕터 L에 접속되고 타단은 접지되며, PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MN을 포함한다. 본 발명에 따르면, 파워스위치의 양단 전압차를 높이는 프리휠링 스위치와, 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 제거하는 셀프트래킹 회로를 사용하여 전류센서의 정확도를 향상시킴으로써 전력 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서{SELF-TRACKING ZERO CURRENT SENSOR USING FREEWHEELING SWITCH}
본 발명은 전류센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파워스위치의 양단 전압차를 높임과 아울러 공정상 발생하는 입력오프셋(Input Offset voltage)이나 지연(Delay)시간을 제거함으로써 전류 측정 정확도를 향상시키는 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서에 관한 것이다.
벅 변환기(Buck converter)는 로드(Load) 전류의 상태에 따라 CCM(Continuous Conduction Mode) 또는 DCM(Discontinuous Conduction Mode) 상태로 동작한다. CCM은 인덕터(Inductor) 전류가 '0' 이하로 내려가지 않아서 문제가 되지 않지만, DCM에서 인덕터 전류가 '0' 이하로 내려가면 역전류에 의해서 효율이 감소하는 문제가 발생한다. 그래서 벅 변환기는 DCM으로 동작할 때 전류가 '0' 이하로 내려가지 않게 전류센서로 정확히 전류를 측정하여 파워스위치(이하, "Power NMOS"라 함)를 턴오프(turn off)시키는 것이 중요하다.
기존 전류센서는 Power NMOS의 양단(드레인, 소스) 전압을 전압증폭기를 사용하여 측정한다. 일반적으로 벅 변환기를 설계할 때는 효율을 향상시키기 위해서 Power NMOS의 사이즈를 크게 설계하기 때문에 Power NMOS가 턴온(turn on)되었을 때 저항인 Ron(Turn on resistance)이 작다. 따라서 Power NMOS에 흐르는 전류와 Ron의 곱에 의해서 생기는 전압의 차이가 작기 때문에 기존 전류센서를 사용할 경우 Power NMOS의 양단에 형성된 전압이 작아서 전압증폭기의 출력 값에 지연(Delay)이 발생한다. 또한 공정 차이에 의해서 발생하는 전압증폭기의 입력오프셋(Input offset)은 전류센서의 정확도를 감소시킨다.
이와 같이, 벅 변환기(Buck converter)의 인덕터 전류를 감지하여 Power NMOS를 턴오프시키는 방법은, 전압증폭기 자체의 입력오프셋 전압과 출력 값 지연 때문에 Power NMOS를 오프시키는 시간의 정확도가 낮아져 전력 효율이 감소되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0129876호(공개일 2012.11.28.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 Power NMOS의 양단 전압차가 작아서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 프리휠링 스위치를 추가하고, 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 줄이기 위해서 셀프트래킹 회로를 사용하여 전류센서의 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서는, 노드 전압 Vx가 인가되는 인덕터 L 양단에 접속된 프리휠링 스위치 MFW; 상기 인덕터 L 양단에 접속되어 양단 전압차를 측정하는 비교기 Comp1; 상기 비교기 Comp1의 출력에 대응하여 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 제거하는 셀프트래킹 회로; 상기 셀프트래킹 회로로부터 출력되는 Izero 신호로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 PWM 제어기; 일단에 전원 VDD가 인가되고 타단은 상기 인덕터 L에 접속되며, 상기 PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MP; 및 일단은 상기 인덕터 L에 접속되고 타단은 접지되며, 상기 PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MN을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 셀프트래킹 회로는, 비교기 Comp2; 상기 비교기 Comp2의 비반전단자에 접속되어 램프파형을 발생시키는 캐패시터 Cramp; 상기 비교기 Comp2의 비반전단자에 접속되어 기준전압을 생성하는 캐패시터 Czero; 전압 VDD 인가단과 상기 비교기 Comp2의 비반전단자 사이에 형성되어 전류소스를 공급하는 스위치 S1; 상기 비교기 Comp2의 비반전단자와 접지 사이에 형성된 스위치 S2; 전압 VDD 인가단과 상기 비교기 Comp2의 반전단자 사이에 형성되어 전류 Iref를 공급하는 스위치 S3; 및 상기 비교기 Comp2의 반전단자와 접지 사이에 형성되어 Iref를 방전시키는 스위치 S4를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서에 따르면, 파워스위치의 양단 전압차를 높이는 프리휠링 스위치와, 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 제거하는 셀프트래킹 회로를 사용하여 전류센서의 정확도를 향상시킴으로써 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 3은 기존의 벅 변환기 전류센서 회로도 및 동작파형도이다.
도 4는 본 발명의 벅 변환기 전류센서 회로도이다.
도 5는 본 발명의 프리휠링 스위치가 턴온될 때 비교기의 동작을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 셀프트래킹 회로도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 비교기의 양단 전압 비교 값에 따른 셀프트래킹 회로의 동작파형도이다.
본 발명의 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서는, Power NMOS의 양단 전압차가 작아서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 프리휠링 스위치(Freewheeling Switch)를 추가하고, 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 줄이기 위해서 셀프트래킹(Self-Tracking) 회로를 사용하여 전류센서의 정확도를 향상시키고 있다.
프리휠링 스위치는 벅 변환기의 전력 효율에 영향을 주지 않는 인덕터 양단에 연결하여 사이즈가 크지 않아도 된다. 사이즈를 작게 한 프리휠링 스위치는 Ron 저항이 크기 때문에 작은 전류에서도 높은 전압을 발생한다. 따라서 비교기의 양단 전압차를 크게 하여 빠른 측정이 가능하게 된다.
또한, 셀프트래킹 회로는 이전 주기에 제로 전류센서에서 발생하는 오차를 셀프트래킹 회로에 형성된 캐패시터의 전압 값을 조정하여 오차를 줄임으로써 전류 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서는, 전압증폭기보다 동작이 빠른 비교기를 사용하여 속도를 높이고, 비교기로 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 피드백을 통해서 줄여가며 정확도를 높임으로써 벅 변환기의 효율을 증가시킨다.
이하, 본 발명의 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 기존 전류센서에 대해 간략하게 설명한 후, 본 발명의 전류센서에 대해 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 기존의 벅 변환기 전류센서 회로도 및 동작파형도이다.
도 1을 참조하면, 기존 전류센서는 벅 변환기의 DCM(Discontinuous conduction mode) 동작에서 Power NMOS MN이 턴온되었을 때, Power NMOS MN에 흐르는 전류와 Ron 저항의 곱인 전압을 전압증폭기 Amp를 통해 감지한다. 노드 전압 Vx와 GNDP 전압이 같아졌을 경우에 즉, Power NMOS MN에 흐르는 전류가 '0'이 되었을 경우에 전압증폭기 Amp를 통해 출력 값이 '0'인 Izero 신호가 발생하고, Power NMOS MN을 턴오프시키기 위한 Izero 신호를 Izero 펄스발생기(pulse generator)를 통해 생성하게 된다.
그런데, 기존 전류센서에는 두 가지 문제점이 존재한다.
첫 번째는 도 2에서와 같이, 공정에 의해서 발생하는 미스매치(Miss match) 때문에 전압증폭기 Amp에 입력오프셋(Input offset)이 발생하여 생기는 문제점이다. 전압증폭기에 입력오프셋이 존재할 경우 전류 값(IL)이 오프셋 만큼 이동되어 '0' 전류를 정확히 측정하는데 오차 VOS가 발생한다.
두 번째는 도 3에서와 같이, Power NMOS MN의 노드 전압 Vx 값과 GNDP 전압 값의 차이가 작을 때 문제가 발생한다. 즉, 전압증폭기 Amp로 입력되는 입력 값의 차이가 작기 때문에 증폭기의 출력 값이 변하는데 TD라는 지연시간이 발생한다. 이로 인해, Izero 신호가 늦게 생성되어 Power NMOS MN을 지연되는 시간만큼 늦게 턴오프시키게 된다. 이에, Power NMOS에서의 정확한 측정 값과 빠른 동작뿐만 아니라, 입력오프셋(Input offset)을 제거할 수 있는 회로가 필요하다.
도 4는 본 발명의 벅 변환기 전류센서 회로도이다.
구체적으로, 프리휠링 스위치를 사용한 셀프트래킹 전류센서를 적용시킨 벅 변환기의 회로이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서는, 노드 전압 Vx가 인가되는 인덕터 L 양단에 접속된 프리휠링 스위치 MFW와, 인덕터 L 양단에 접속되어 양단 전압차를 측정하는 비교기 Comp1와, 비교기 Comp1의 출력에 대응하여 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 제거하는 셀프트래킹 회로와, 셀프트래킹 회로로부터 출력되는 Izero 신호로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 PWM 제어기와, 일단에 전원 VDD가 인가되고 타단은 인덕터 L에 접속되며, PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MP와, 일단은 인덕터 L에 접속되고 타단은 접지되며, PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MN을 포함한다.
한편, 셀프트래킹 회로는 셀프트래킹 회로에서 필요한 기준전압을 만들기 위해서 캐패시터 Czero를 접속하고 있다.
벅 변환기는 PWM 제어기에 의해서 스위치 MP가 턴온 상태에 있을 때는 인덕터 L에 전류가 저장되고, 스위치가 MP가 턴오프되고 스위치 MN이 턴온되었을 때 인덕터 L의 전류가 방전되는데, 이때 전류센서가 동작한다. 여기서, MP는 PMOS, MN은 NMOS를 각각 의미한다.
도 5는 본 발명의 프리휠링 스위치가 턴온될 때 비교기의 동작을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 5의 (a)는 스위치 Mp가 턴온 상태일 때, 전류가 인덕터 L에 저장되는 것을 방해하지 않기 위해서 프리휠링 스위치 MFW을 턴오프시키고, EN 신호에 의해서 비교기 Comp1는 동작되지 않는다.
도 5의 (b)는 전류센서가 '0'이 되었을 때이다. 전류센서가 제로 전류가 되기 전에 측정하여 인덕터 L에 남은 전류가 스위치 MN을 통해서 순환하게 된다. 그때 비교기 Comp1의 양단 전압을 EN 신호를 통해서 측정하면 UP 신호가 1로 발생하게 된다.
도 5의 (c)는 전류센서가 '0'이 되었을 때를 느리게 측정하여 인덕터의 전류가 음(-)으로 떨어져 역전류가 흐르는 상태이다. 그때 비교기 Comp1의 양단 전압을 측정하면 UP 신호가 '0'으로 발생하게 된다.
도 6은 본 발명의 셀프트래킹 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 셀프트래킹 회로는, 비교기 Comp2와, 비교기 Comp2의 비반전단자에 접속되어 램프파형을 발생시키는 캐패시터 Cramp와, 비교기 Comp2의 반전단자에 접속되어 기준전압을 생성하는 캐패시터 Czero와, 전압 VDD 인가단과 비교기 Comp2의 비반전단자 사이에 형성되어 전류소스를 공급하는 스위치 S1과, 비교기 Comp2의 비반전단자와 접지 사이에 형성된 스위치 S2와, 전압 VDD 인가단과 비교기 Comp2의 반전단자 사이에 형성되어 전류 Iref를 공급하는 스위치 S3과, 비교기 Comp2의 반전단자와 접지 사이에 형성되어 Iref를 방전시키는 스위치 S4를 포함한다.
이와 같이, 본 발명의 셀프트래킹 회로는 크게, 캐패시터 Cramp을 이용하여 램프파형을 발생시키는 부분과, 캐패시터 Czero을 이용하여 램프파형과 비교하는 기준전압을 저장하는 부분으로 구성된다. 캐패시터 Cramp는 효율을 증가시키기 위해서 스위치 S1에 PWMn 신호를 입력하여 스위치 MN이 턴온 상태일 때만 동작하게 한다. PWMn 신호가 턴온될 때 스위치 S1이 턴온되면서 전류소스에서 전류가 공급되어 전압이 서서히 증가하기 시작한다.
이후 전류센서에서 발생하는 Izero_pulse 신호가 나타나면 스위치 S2가 턴온되면서 캐패시터 Cramp 값은 감소하여 램프파형이 발생된다. 캐패시터 Czero에는 도 5의 비교기 Comp1에서 발생한 UP 신호를 이용하여 캐패시터 Czero 전압을 조정한다.
도 6의 비교기 Comp2에서 UP_CLK가 발생했을 때 UP 신호가 1이면 Iref 전류를 캐패시터 Czero에 공급하여 Voffset+△Vref로 캐패시터 Czero 전압을 증가시켜준다. UP_CLK가 발생했을 때 UP 신호가 '0'이면 Iref 전류 만큼 방전시켜 Voffset-△Vref로 감소시켜준다. UP 신호를 이용하여 지연시간이나 오프셋에 의해서 발생하는 오차를 제거한 Voffset을 캐패시터 Cramp의 램프파형과 비교하여 Izero_pulse를 만든다. 즉, 캐패시터 Czero의 전압조정에 의해서 Power NMOS에 흐르는 전류가 '0'이 되었을 때 턴오프되게 조정하여 전류센서의 정확도를 높일 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 비교기의 양단 전압 비교 값에 따른 셀프트래킹 회로의 동작파형도이다.
도 7은 이전 주기에서 '0' 전류가 되기 전에 측정이 되었을 경우이다. Izero에 의해서 PWMN이 턴오프될 때 EN 신호가 짧은 신호를 인가해 준다. 그때의 EN 신호에 의해서 비교기 Comp1이 동작하여 UP 신호를 1로 만든다. UP 신호가 1이 뜨면, 셀프트래킹 회로에서 Voffset 전압을 △V만큼 증가시켜 준다. 따라서 다음 주기에서 램프파형과 Voffset의 비교가 늦게 발생하게 되어 Izero파형의 펄스폭이 늘어나면서 정확도를 높여주게 된다.
도 8은 이전 주기에서 '0' 전류를 늦게 측정하였을 경우이다. 이전 주기에 비교기 Comp1에서 UP 신호가 '0'으로 발생하기 때문에 셀프트래킹 회로에서 Voffset전압을 △V만큼 내려준다. 따라서 다음 주기에서 Vramp와 Voffset의 비교가 빨라진다. 따라서 Voffset전압을 이용하여 Izero의 펄스폭을 조절하여 정확도를 높일 수 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
파워스위치 : MN
비교기 : Comp

Claims (5)

  1. 노드 전압 Vx가 인가되는 인덕터 L 양단에 접속된 프리휠링 스위치 MFW;
    상기 인덕터 L 양단에 접속되어 양단 전압차를 측정하는 비교기 Comp1;
    상기 비교기 Comp1의 출력에 대응하여 공정상 발생하는 입력오프셋이나 지연시간에 의해서 발생하는 오차를 제거하는 셀프트래킹 회로;
    상기 셀프트래킹 회로로부터 출력되는 Izero 신호로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 PWM 제어기;
    일단에 전원 VDD가 인가되고 타단은 상기 인덕터 L에 접속되며, 상기 PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MP; 및
    일단은 상기 인덕터 L에 접속되고 타단은 접지되며, 상기 PWM 제어기로부터 출력되는 PWM 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위치 MN을 포함하는 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀프트래킹 회로는,
    비교기 Comp2;
    상기 비교기 Comp2의 비반전단자에 접속되어 램프파형을 발생시키는 캐패시터 Cramp;
    상기 비교기 Comp2의 비반전단자에 접속되어 기준전압을 생성하는 캐패시터 Czero;
    전압 VDD 인가단과 상기 비교기 Comp2의 비반전단자 사이에 형성되어 전류소스를 공급하는 스위치 S1;
    상기 비교기 Comp2의 비반전단자와 접지 사이에 형성된 스위치 S2;
    전압 VDD 인가단과 상기 비교기 Comp2의 반전단자 사이에 형성되어 전류 Iref를 공급하는 스위치 S3; 및
    상기 비교기 Comp2의 반전단자와 접지 사이에 형성되어 Iref를 방전시키는 스위치 S4를 포함하는 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치 S1에 대해 상기 스위치 MN에 입력되는 신호를 인가하고, 상기 스위치 MN이 턴온될 때 동작하는 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Izero 신호에 대응하여 상기 비교기 Comp1에서 발생한 UP 신호를 이용하여 캐패시터 Czero 전압을 조정하는 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서.
  5. 제4항에 있어서,
    UP_CLK가 발생했을 때 상기 UP 신호가 1이면, Iref 전류를 상기 캐패시터 Czero에 공급하여 상기 캐패시터 Czero 전압을 증가시키고,
    UP_CLK가 발생했을 때 상기 UP 신호가 0이면, Iref 전류를 상기 캐패시터 Czero에서 방전하여 상기 캐패시터 Czero 전압을 감소시키는 프리휠링 스위치를 이용한 셀프트래킹 제로 전류센서.
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