KR101759257B1 - Dc-dc 컨버터 - Google Patents

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Abstract

DC-DC 컨버터가 개시된다. DC-DC 컨버터는 입력단과 출력단 사이에 위치하며, NMOS 타입의 제1 트랜지스터 및 상기 제1 트랜지스터의 소스에 드레인이 연결된 PMOS 타입의 제2 트랜지스터를 포함하는 복수의 스위칭 모듈을 포함하며, 상기 복수의 제1 트랜지스터 상호간 및 제2 트랜지스터 상호간에 드레인 또는 소스가 연결된 스위칭부; 상기 복수의 스위칭 모듈 중에서 적어도 하나의 스위칭 모듈을 스위칭하는 제1 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부; 상기 출력단에 연결된 부하의 크기를 검출하고, 검출된 부하의 크기에 따라 달리지는 제2 신호를 생성하는 부하 검출부; 상기 제2 신호를 기반으로 상기 제1 신호에 의해 스위칭될 적어도 하나의 스위칭 모듈을 선택하는 선택 로직; 및 상기 선택 로직에 의해 선택된 스위칭 모듈을 제1 신호로 구동하는 스위칭 드라이버부를 포함한다.

Description

DC-DC 컨버터{DC-DC CONVERTER}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 상세하게는 DC-DC 컨버터에 연결된 부하의 크기에 따라 스위칭 저항을 조정할 수 있는 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
고속으로 스위칭되는 스위치에서는 내부 저항에 의한 전력 손실(스위칭 손실, Switching Loss)의 문제가 있었으며, 스위칭 저항을 줄이기 위해 다수의 스위치를 병렬로 연결하더라도 각 스위치를 구동시키는 구동 드라이버에 의한 전력 손실의 문제가 있었다.
또한, P 타입 트랜지스터로 구성된 스위치의 경우 종래에는 DC-DC 컨버터가 동작하지 않는 상태에서 입력단의 전력이 출력단으로 이동하는 것을 막기 위해, PMOS 타입 트랜지스터(110)로 구성된 스위치에 PMOS 트랜지스터(120)를 직렬 연결하였기에, 레이아웃 사이즈가 커지는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 부하의 크기에 따라 스위칭 저항을 조정할 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 부하의 크기에 따라 스위칭할 스위치의 수를 조정할 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 PMOS와 NMOS가 직렬로 연결되는 PMOS 타입의 스위치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 입력단과 출력단 사이에 위치하며, NMOS 타입의 제1 트랜지스터 및 상기 제1 트랜지스터의 소스에 드레인이 연결된 PMOS 타입의 제2 트랜지스터를 포함하는 복수의 스위칭 모듈을 포함하며, 상기 복수의 제1 트랜지스터 상호간 및 제2 트랜지스터 상호간에 드레인 또는 소스가 연결된 스위칭부; 상기 복수의 스위칭 모듈 중에서 적어도 하나의 스위칭 모듈을 스위칭하는 제1 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부; 상기 출력단에 연결된 부하의 크기를 검출하고, 검출된 부하의 크기에 따라 달리지는 제2 신호를 생성하는 부하 검출부; 상기 제2 신호를 기반으로 상기 제1 신호에 의해 스위칭될 적어도 하나의 스위칭 모듈을 선택하는 선택 로직; 및
상기 선택 로직에 의해 선택된 스위칭 모듈을 제1 신호로 구동하는 스위칭 드라이버부를 포함하는 DC-DC 컨버터가 제공된다.
여기서, 스위칭부는 NMOS 타입 트랜지스터 및 이를 구동하기 위한 전압 발생기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 스위칭 모듈의 스위칭 저항이 모두 동일할 수 있다.
여기서, 복수의 스위칭 모듈의 스위칭 저항이 상이할 수 있다.
여기서, 부하 검출부는 부하의 크기에 따라 달라지는 전압을 이용하여 부하의 크기를 측정할 수 있다.
여기서, 부하 검출부는 부하의 크기에 따라 달라지는 전류를 이용하여 부하의 크기를 측정할 수 있다.
또한, 일 측면에 따르면 입력단과 출력단 사이에 위치하며, 트랜지스터로 구성된 복수의 스위치가 병렬로 연결된 제1 스위칭 모듈 및 제2 스위칭 모듈을 포함하는 스위칭부; 상기 출력단에 연결된 부하의 크기를 검출하고, 검출된 부하의 크기에 따라 달리지는 선택 신호를 생성하는 부하 검출부; 상기 선택 신호를 기반으로 스위칭될 적어도 하나의 스위치를 선택하는 선택 로직; 및 상기 선택 로직에 의해 선택된 스위치를 구동하는 드라이버를 포함하는 스위칭 드라이버부를 포함하는 DC-DC 컨버터가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면 부하의 크기에 따라 스위칭 저항을 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 부하의 크기에 따라 스위칭할 스위치의 수를 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 직렬로 연결된 2개의 PMOS 중 하나의 PMOS를 NOMS로 대체할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 두 개의 PMOS 타입 트랜지스터 중 하나를 NMOS 타입 트랜지스터로 대체한 DC-DC 컨버터를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 생성부를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 스위칭 저항 조정을 위한 구성의 블록도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 검출부를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택 로직을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 저항 조정이 가능한 DC-DC 컨버터의 예를 도시한 도면들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 직렬로 연결된 2개의 PMOS 타입 트랜지스터 중 하나를 NMOS 타입 트랜지스터로 대체한 스위치를 포함하는 DC-DC 컨버터를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 스위치(100)는 PMOS 타입 트랜지스터(110), NMOS 타입 트랜지스터(120), 전압 생성부(VOLTAGE GENERATOR, 130)를 포함한다. 구체적으로 PMOS 타입 트랜지스터(110)의 드레인은 NMOS 타입 트랜지스터(120)의 소스와 연결되고, 전압 생성부(130)의 출력은 NMOS 타입 트랜지스터(120)의 게이트에 연결된다. 제조 공정상 트랜지스터의 소스와 드레인의 구별은 무의미하므로 이하, 용어 "소스"는 "드레인"일수 있으며 또한, 용어 "드레인"은 "소스"일 수 있다.
PMOS 타입 트랜지스터(110)는 DC-DC 컨버터의 입력단 전력이 DC-DC 컨버터의 출력단으로 전달되는 경로상에 위치하며, 스위칭 신호(제1 신호)에 의해 온/오프의 스위칭 동작을 수행한다.
NMOS 타입 트랜지스터(120)는 DC-DC 컨버터의 입력단의 전력이 DC-DC 컨버터의 출력단으로 전달되는 경로상에 위치하며, PMOS 트랜지스터로 구성된 스위치(110)가 온/오프의 스위칭 동작을 수행하는 동안 턴 온 상태를 유지한다. 또한, NMOS 타입 트랜지스터(120)는 PMOS 트랜지스터로 구성된 스위치(110)가 온/오프 스위칭 동작을 수행하는 않는 경우 즉, DC-DC 컨버터가 동작을 하지 않는 경우 턴 오프 상태가 되며, DC-DC 컨버터의 입력단에서 DC-DC 컨버터의 출력단으로 흐르는 전류를 차단한다. 일반적으로 NMOS 타입 트랜지스터는 PMOS 타입 트랜지스터보다 작은 사이즈로 제작할 수 있으므로, 종래 직렬로 연결되던 두 개의 PMOS 트랜지스터 중 하나를 NMOS 트랜지스터로 대체함으로써, DC-DC 컨버터의 크기를 줄이는 것이 가능하다.
전압 발생기(VOLTAGE GENERATOR, 130)는 NMOS 타입 트랜지스터(120)의 게이트와 연결되며, NMOS 타입 트랜지스터(120)를 턴 온 시키기 위한 구동 전압을 생성한다. 또한, 전압 발생기(130)는 DC-DC 컨버터가 동작하지 않는 상태에서는 NMOS 타입 트랜지스터(120)에 구동 전압을 인가하지 않는다.
일 실시예에서, 전압 발생기(130)는 차지 펌프(CHARGE PUMP)일 수 있다. 예를 들면, 전압 발생기(130)는 DC-DC 컨버터 출력단의 전압을 입력 받아 NMOS 타입 트랜지스터(120)의 구동 전압을 생성할 수 있다. 그 구체적인 예를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 다만, 도 2 및 도 3에 도시된 전압 발생기(130)는 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 전제로 동작하므로, DC-DC 컨버터의 동작 초기에 출력 전압이 일정 레벨이상으로 충전될 필요가 있다. 따라서, 도 2 및 도 3에 도시된 전압 발생기(130)를 이용하여, 본 발명을 실시하는 경우 컨버터의 동작 초기에 출력 전압에 일정 레벨의 전압이 프리차징(pre-charging)되도록 구현하는 것이 적절하다.
도 2는 전압 발생기(130)의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전압 발생기(130)는 4개의 스위치 및 2개의 커패시터로 구성될 수 있다. 구체적으로, 전압 발생기(130)는 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)과 접지 사이에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치, DC-DC 컨버터 출력단(Vout)과 제1 스위치 및 제2 스위치 연결 노드에 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제1 커패시터, DC-DC 컨버터 출력단(Vout)과 제3 스위치 및 제1 커패시터 연결 노드에 직렬로 연결된 제2 커패시터 및 제4 스위치로 구성될 수 있다. 이하, 도 2에 도시된 전압 발생기(130)의 동작을 설명한다.
전압 발생기(130)는 제2 스위치 및 제3 스위치와 제1 스위치 및 제4 스위치의 상보적인 온/오프 스위칭 동작을 통해 제2 커패시터에 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)의 전압과 동일한 전압이 충전되도록 한다. 전압 발생기(130)의 구체적인 동작은 아래와 같다.
제1 시간 구간에서 전압 발생기(130)는 제2 스위치 및 제3 스위치를 턴 온 시키고, 제1 스위치 및 제4 스위치를 턴 오프 시킨다. 이때, 제1 커패시터에는 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)의 전압과 동일한 전압이 충전된다.
제2 시간 구간에서 전압 발생기(130)는 제2 스위치 및 제3 스위치를 턴 오프 시키고, 제1 스위치 및 제4 스위치를 턴 온 시킨다. 이때, 제2 커패시터에는 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)의 전압과 동일한 전압이 충전된다. 제2 커패시터에 충전된 전압은 NMOS 타입 트랜지스터(120)의 게이트에 인가되며, NMOS 타입 트랜지스터(120)는 턴 온 상태가 된다.
도 3은 전압 발생기(130)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 전압 발생기(130)는 2개의 스위치, 2개의 다이오드 및 2개의 커패시터로 구성될 수 있다. 구체적으로, 전압 발생기(130)는 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)과 접지 사이에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치, DC-DC 컨버터 출력단(Vout)과 제1 스위치 및 제2 스위치 연결 노드에 직렬로 연결된 제1 다이오드 및 제1 커패시터, DC-DC 컨버터의 출력단과 제1 다이오드 및 제1 커패시터 연결 노드에 직렬로 연결된 제2 커패시터 및 제2 다이오드로 구성될 수 있다. 이하, 도 3에 도시된 전압 발생기(130)의 동작을 설명한다.
전압 발생기(130)는 제1 스위치와 제2 스위치를 상보적으로 온/오프 스위칭 동작을 시킴으로써 제2 커패시터에 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)의 전압과 동일한 전압이 충전되도록 한다. 전압 발생기(130)의 구체적인 동작은 아래와 같다.
제1 시간 구간에서 전압 발생기(130)는 제2 스위치를 턴 온 시키고, 제1 스위치를 턴 오프 시킨다. 이때, 제1 커패시터에는 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)의 전압과 동일한 전압이 충전된다.
제2 시간 구간에서 전압 발생기(130)는 제2 스위치를 턴 오프 시키고, 제1 스위치를 턴 온 시킨다. 이때, 제2 커패시터에는 DC-DC 컨버터 출력단(Vout)의 전압과 동일한 전압이 충전된다. 제2 커패시터에 충전된 전압은 NMOS 타입 트랜지스터(220)의 게이트에 인가되며, NMOS 타입 트랜지스터(220)는 턴 온 상태가 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 스위칭 저항을 조정하는 구성을 나타낸 도면이다. 여기서 스위칭 저항은 스위칭 동작을 수행하는 트랜지스터의 드레인과 소스 사이의 저항을 의미한다.
도 4를 참조하면, DC-DC 컨버터는 스위칭부(410), 스위칭 드라이버부(420), 선택 로직(430), 부하 검출부(440), 스위칭 신호 생성부(450), 전압 발생기(460)를 포함한다.
스위칭부(410)는 DC-DC 컨버터의 입력단과 출력단 사이에 위치하며, 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터를 포함한다. 스위칭부(410)의 복수의 트랜지스터들은 복수로 또는 개별적으로 턴/오프 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭부(410)는 복수의 스위칭 모듈을 포함할 수 있다. 이하, 스위칭부(410)의 구체적인 실시예를 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명한다.
스위칭 드라이버부(420)는 각 스위칭부(410)의 트랜지스터가 스위칭 동작을 수행하기 위한 구동 전력을 인가한다. 일 실시예에서, 스위칭 드라이버부(420)는 스위칭부(410)의 트랜지스터의 게이트와 각각 연결되는 복수의 드라이버를 포함할 수 있다.
선택 로직(430)은 복수의 스위칭 모듈 중에서 온/오프 스위칭 동작을 수행할 적어도 하나의 스위칭 모듈을 결정한다. 구체적으로 선택 로직(430)은 부하의 크기에 따라 달라지는 제2 신호를 기반으로 하여 제1 신호가 인가될 스위치 모듈을 선택한다. 선택 로직(430)은 스위칭 드라이버부(420)를 바이패스하여 스위칭 모듈에 제1 신호를 출력한다. 이하, 선택 로직(430)의 구체적인 실시예를 도 9를 참조하여 설명한다.
부하 검출부(440)는 DC-DC 컨버터에 연결된 부하의 크기(저항)를 검출하여, 검출된 부하의 크기에 따라 변화하는 제2 신호를 출력한다. DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되는 부하는 작은 저항을 갖는 부하에서부터 큰 저항을 갖는 부하에 이르기까지 다양할 수 있으며, 나아가 저항의 크기가 변화하는 가변 저항을 갖는 부하일 수 있다. 따라서, 부하 검출부(440)는 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결된 부하의 크기 검출을 1회성에 그치지 않고 지속적으로 부하의 크기를 검출할 수 있다. 부하 검출부(440)는 부하의 크기에 따라 변화하는 전류 또는 전압을 이용하여 부하의 크기를 검출할 수 있다. 여기서, 부하의 크기에 따라 변화하는 전류란 스위칭부(410)의 트랜지스터에 흐르는 전류 등 부하의 크기에 따라 흐르는 전류의 크기가 변화하는 DC-DC 컨버터상의 임의 노드에서 측정되는 전류를 의미하며, 부하의 크기에 따라 변화하는 전압이란 스위칭부(410)의 트랜지스터의 드레인과 소스 양단에 걸리는 전압과 같이 부하의 크기에 따라 전압의 크기가 변화하는 DC-DC 컨버터상의 임의 노드에서 측정되는 전압을 의미한다. 이하, 부하 검출부(440)의 구체적인 실시예를 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명한다.
스위칭 신호 생성부(450)는 스위칭부(410)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 신호(제1 신호)를 생성한다. 제1 신호는 적어도 하나의 스위칭 모듈(510)에 포함된 제1 트랜지스터(1TR) 및 제2 트랜지스터(2TR)의 턴 온 및 턴 오프 시간을 제어하는 신호이다.
전압 발생기(460)는 도 5d에 도시된 스위칭부(410)에 포함된 제3 트랜지스터의 턴 온 전압을 인가하기 위한 것으로서, 도 1의 전압 생성부(130)와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 5a는 스위칭 모듈의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 스위칭 모듈(510a)은 NMOS 타입 트랜지스터인 제1 트랜지스터(1TR) 및 PMOS 타입 트랜지스터인 제2 트랜지스터(2TR)를 포함한다. 구체적으로, 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 제2 트랜지스터(2TR)의 소스가 연결된다. 즉, 스위칭 모듈(510a)의 제1 노드와 제2 노드 사이에 제1 트랜지스터(1TR)가 위치하고, 제2 노드와 제3 노드 사이에 제2 트랜지스터(2TR)가 위치한다. Gn 노드는 제1 트랜지스터(1TR)의 게이트, Gp 노드는 제2 트랜지스터(2TR)의 게이트에 연결된다. 실시예에 따라서, 스위칭 모듈(510a)의 제1 트랜지스터(1TR) 및 제2 트랜지스터(2TR)는 서로 상보적으로 온/오프 스위칭 동작을 할 수 있다.
도 5b는 스위칭 모듈의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5b를 참조하면, 스위칭 모듈(510b)의 제1 트랜지스터(1TR)의 게이트와 제2 트랜지스터(2TR)의 게이트는 서로 연결된다. 스위칭 신호(제1 신호)가 G노드에 인가되면 제1 트랜지스터(1TR) 및 제2 트랜지스터(2TR)은 서로 상보적으로 온/오프 동작을 수행한다.
도 5c는 스위칭부의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5c를 참조하면, 스위칭부(410)는 복수의 도 5a에 도시된 스위칭 모듈(510a)를 포함한다. 구체적으로, 스위칭부(410)에 포함된 복수의 스위칭 모듈(510a)의 제1 노드들은 상호 연결되고, 제2 노드들 및 제3 노드들도 각각 상호 연결되며, 각 트랜지스터의 게이트 노드는 상호 연결되지 않는다.
도 5d는 스위칭부의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5d를 참조하면, 스위칭부(410)는 PMOS 타입 트랜지스터인 제3 트랜지스터(3TR)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 스위칭부(410)는 PMOS 타입 트랜지스터인 제2 트랜지스터에 직렬로 연결된 NMOS 타입 트랜지스터인 제3 트랜지스터를 포함한다. 제3 트랜지스터(3TR)에 관한 설명은 도 1에 도시된 NMOS 타입 트랜지스터(120)와 동일하므로 생략한다.
일 실시예에서, 복수의 스위칭 모듈(510a) 중에서 온/오프 스위칭 동작을 수행하는 적어도 하나의 스위칭 모듈(510a)은 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되는 부하의 크기에 따라 결정된다. 부하의 크기가 큰 헤비 로드의 경우, 복수의 스위칭 모듈(510a)의 전부 스위칭 동작을 할 수 있다. 부하의 크기가 작은 라이트 로드의 경우, 적어도 일부의 스위칭 모듈(510a)이 스위칭 동작을 할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 스위칭 모듈(510a) 중에서 적어도 하나의 스위칭 모듈(510a)은 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되는 부하의 크기에 상관없이 온/오프 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 각 스위칭 모듈(510a) 상호간에 스위칭 저항이 상이할 수 있다. 예를 들면, 제1 스위칭 모듈의 스위칭 저항은 R옴, 제2 스위칭 모듈은 저항은 2R옴, 제3 스위칭 모듈의 저항은 3R옴 일 수 있다. 부하의 크기에 따라 스위칭 저항이 다른 스위칭 모듈이 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 각 스위칭 모듈(510a) 상호간에 스위칭 저항이 동일할 수 있다. 예들 들면, 제1 스위칭 모듈 내지 제3 스위칭 모듈의 저항이 모두 R옴일 수 있다. 부하의 크기에 따라 스위칭 동작을 하는 스위칭 모듈(510a)의 수가 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 스위칭 모듈(510a) 중에서 일부 스위칭 모듈의 저항이 상이할 수 있다. 예를 들면, 제1 스위칭 모듈 및 제2 스위칭 모듈의 저항은 R옴이고 제3 스위칭 모듈의 저항은 3R옴일 수 있다.
도 6a는 부하의 크기에 따라 변화하는 전압을 이용하는 부하 검출부의 예를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 부하 검출부(440a)는 2개의 비교기(610a, 610b), 2개의 플립플롭(620a, 620b)으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 부하 검출부(440a)는 부하의 크기에 따라 변화하는 전압 및 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기(610a), 부하의 크기에 따라 변화하는 전압 및 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기(610b), 리셋단(R)은 상기 제1 비교기(610a)의 출력단에 연결되고, 클럭단(CP)은 상기 제2 비교기(610b)의 출력단에 연결되며, 데이터단(D)은 구동 전압(VDD)에 연결되며, 미들범위 (MIDDLE RANGE, M)의 제2 신호를 출력하는 제1 플립플롭(620a), 리셋단(R)은 상기 제1 비교기(610a)의 출력단에 연결되고, 클럭단(CP)은 상기 제2 비교기(610b)의 출력단에 연결되며, 데이터단(D)은 상기 제1 플립플롭(620a)의 출력단(Q)에 연결되며, 헤비 범위(HEAVY RANGE)의 제2 신호를 출력하는 제2 플립플롭(620b)로 구성될 수 있다.
이하, 도 6b를 참조하여 도 6a에 도시된 부하 검출부(440a)의 동작을 설명한다. 여기서, 스위칭 모듈(410)은 제1, 제2 및 제3 스위칭 모듈로 구성될 수 있다. 제1 스위칭 모듈은 DC-DC 컨버터에 연결되는 부하의 크기에 관계없이 항상 스위칭 동작을 수행하며, 부하의 크기에 따라 변화하는 전압은 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에 걸리는 전압이며, 스위칭 모듈(410)에 포함된 모든 트랜지스터의 저항이 동일함을 가정하여 설명한다.
하나의 스위칭 모듈의 스위칭 동작이 요구되는 크기의 부하가 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되면, 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에는 제1 기준 전압보다 작은 크기의 전압이 걸리게 되므로, 제1 플리플롭(620a) 및 제2 플리플롭(620b)은 로우 값을 출력하여, 제1 스위칭 모듈외에 다른 스위칭 모듈은 온/오프 스위칭 동작을 수행하지 않는다.
두 개의 스위칭 모듈의 스위칭 동작이 요구되는 크기의 부하가 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되면, 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터의 드레인과 소스 사이에는 제2 기준 전압보다 큰 크기의 전압이 걸리게 되므로, 제1 플리플롭(620a)은 하이 값을 출력하고 제2 플리플롭(620b)의 출력은 로우 값을 출력하여, 제1 스위칭 모듈 외에 제2 스위칭 모듈도 온/오프 스위칭 동작을 수행한다. 제1 및 제2 스위칭 모듈이 온/오프 스위칭 동작을 수행하면 2개의 스위칭 모듈의 저항이 병렬 합성되어 제1 트랜지스터의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류가 줄어들어 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에 걸리는 전압은 제1 기준 전압보다 크고 제2 기준 전압보다 작아지게 되므로, 제1 플리플롭(620a)의 출력은 하이 값을 유지하고 제2 플리플롭(620b)의 출력은 로우 값을 유지하게 된다.
세 개의 스위칭 모듈의 스위칭 동작이 요구되는 크기의 부하가 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되면, 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스사이에 제2 기준 전압보다 큰 크기의 전압이 걸리게 되므로, 제1 플리플롭(620a)은 하이 값을 출력하고 제2 플리플롭(620b)의 출력은 로우 값을 출력하여, 제1 스위칭 모듈 외에 제2 스위칭 모듈도 온/오프 스위칭 동작을 수행한다. 2개의 스위칭 모듈이 온/오프 스위칭 동작을 수행하면 2개의 스위칭 모듈의 저항이 병렬 합성되어 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류가 줄어들더라도 여전히 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터의 드레인과 소스사이에 걸리는 전압은 제2 기준 전압보다 크게 되므로, 제1 플리플롭(620a)은 다시 하이 값을 출력하고 제2 플리플롭(620b)은 하이 값을 출력하게 된다. 따라서, 제3 스위칭 모듈도 온/오프 스위칭 동작을 수행하게 되고, 3개의 스위칭 모듈의 병렬 합성으로 제1 스위칭 모듈의 드레인과 소스 사이에 걸리는 전압은 제1 기준 전압보다 크고 제2 기준 전압보다 작게 되어, 제1 플리플롭(620a) 및 제2 플리플롭(620b)의 출력은 하이 값을 유지하게 된다.
상기 부하 검출부(440a)의 동작은 각 스위칭 모듈의 저항이 다른 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6c는 부하의 크기에 따라 변화하는 전류을 이용하는 부하 검출부(440b)의 예를 나타낸 도면이다.
도 6c를 참조하면, 부하 검출부(440b)는 전류 복사 모듈(630), 두개의 전류 미러(current mirror)로 구성될 수 있다. 구체적으로 부하 검출부(440b)는 부하의 크기에 따라 변화하는 전류를 일정 배율의 크기로 복사하는 전류 복사 모듈(630), 복사된 전류를 제1 기준 전류와 비교하는 제1 전류 미러(640a), 복사된 전류를 제2 기준 전류과 비교하는 제2 전류 미러(640b)를 포함한다.
이하, 도 6c에 도시된 부하 검출부(440b)의 동작을 설명한다. 여기서, 스위칭 모듈(410)은 제1, 제2 및 제3 스위칭 모듈로 구성될 수 있다. 제1 스위칭 모듈은 DC-DC 컨버터에 연결되는 부하의 크기에 관계없이 항상 스위칭 동작을 수행하며, 부하의 크기에 따라 변화하는 전류은 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류이며, 스위칭 모듈(410)에 포함된 모든 트랜지스터의 저항이 동일함을 가정하여 설명한다.
하나의 스위칭 모듈의 온/오프 스위칭 동작이 요구되는 크기의 부하가 DC-DC 출력단에 연결되면, 전류 복사 모듈(630)은 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 복사한다. 제1 전류 미러(640a)는 복사된 전류의 크기가 제1 기준 전류보다 작으므로 로우 값을 출력하고, 제2 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행하지 않는다. 제2 전류 미러(640b)는 복사된 전류의 크기가 제2 기준 전류보다 작으므로 로우 값을 출력하고, 제3 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행하지 않는다.
두 개의 스위칭 모듈의 온/오프 스위칭 동작이 요구되는 크기의 부하가 DC-DC 출력단에 연결되면, 전류 복사 모듈(630)은 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 일정 배율로 복사한다. 제1 전류 미러(640a)는 복사된 전류의 크기가 제1 기준 전류보다 크므로 하이 값을 출력하고, 제2 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행한다. 제2 전류 미러(640b)는 복사된 전류의 크기가 제2 기준 전류보다 작으므로 로우 값을 출력하고, 제3 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행하지 않는다.
세 개의 스위칭 모듈의 온/오프 스위칭 동작이 요구되는 크기의 부하가 DC-DC 출력단에 연결되면, 전류 복사 모듈(630)은 제1 스위칭 모듈의 제1 트랜지스터(1TR)의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 일정한 배율로 복사한다. 제1 전류 미러(640a)는 복사된 전류의 크기가 제1 기준 전류보다 크므로 하이 값을 출력하고, 제2 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행한다. 제2 전류 미러(640b)는 복사된 전류의 크기가 제2 기준 전류보다 크므로 하이 값을 출력하고, 제3 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택 로직을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 선택 로직은 4개의 AND 게이트로 구성될 수 있다. 구체적으로, 선택 로직은 어느 하나의 스위칭 모듈의 상보적으로 동작하는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터 각각의 게이트에 연결되며 제1 신호 및 미들 범위의 제2 신호를 입력 받는 제1 및 제2 AND 게이트, 다른 스위칭 모듈의 서로 상보적으로 동작하는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터 각각의 게이트에 연결되며 제1 신호 및 헤비 범위의 제2 신호를 입력 받는 제3 및 제4 AND 게이트로 구성될 수 있다.
하나의 스위칭 모듈의 온/오프 스위칭 동작만 요구되는 부하가 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되면, 제1 내지 제4 AND 게이트에 입력되는 제2 신호는 로우 값이므로, 두 번째 및 세 번째 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행하지 않는다.
두 개의 스위칭 모듈의 온/오프 스위칭 동작이 요구되는 부하가 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되면, 제1 및 제2 AND 게이트에 입력되는 제2 신호는 하이 값이고 제3 및 제4 AND 게이트에 입력되는 제2 신호는 로우 값이므로, 두 번째 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행하고 세 번째 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행하지 않는다.
세 개의 스위칭 모듈의 온/오프 스위칭 동작이 요구되는 부하가 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되면, 제1 내지 제4 AND 게이트에 입력되는 제2 신호는 하이 값이므로, 두 번째 및 세 번째 스위칭 모듈은 스위칭 동작을 수행한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC BOOST 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 8a를 참조하면, 스위칭 모듈(410)은 인덕터와 출력단 사이에 위치한다. 구체적으로 스위칭 모듈(410)의 제1 단자는 접지, 제2 단자는 인덕터, 제3 단자(단, 스위칭 모듈(410)이 제3 트랜지스터를 포함하는 경우에는 제4 단자)는 출력단에 연결된다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC BUCK-BOOST 컨버터를 나타낸 도면이다. 도 8b를 참조하면, 스위칭 모듈(410)은 입력단과 출력단 사이에 위치한다. 구체적으로 스위칭 모듈(410)의 제1 단자는 출력단, 제2 단자는 인덕터, 제3 단자(단, 스위칭 모듈(410)이 제3 트랜지스터를 포함하는 경우에는 제4 단자)는 입력단에 연결된다.
도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC BUCK 컨버터를 나타낸 도면이다. 도 8c를 참조하면, 스위칭 모듈(410)은 입력단과 인덕터 사이에 위치한다. 구체적으로 스위칭 모듈(410)의 제1 단자는 접지, 제2 단자는 인덕터, 제3 단자(단, 스위칭 모듈(410)이 제3 트랜지스터를 포함하는 경우에는 제4 단자)는 입력단에 연결된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발병이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 시실 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 입력단과 출력단 사이에 위치하며, NMOS 타입의 제1 트랜지스터 및 상기 제1 트랜지스터의 소스에 드레인이 연결된 PMOS 타입의 제2 트랜지스터를 포함하는 복수의 스위칭 모듈을 포함하며, 상기 복수의 제1 트랜지스터 상호간 및 제2 트랜지스터 상호간에 드레인 또는 소스가 연결된 스위칭부;
    상기 복수의 스위칭 모듈 중에서 적어도 하나의 스위칭 모듈을 스위칭하는 제1 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부;
    상기 출력단에 연결된 부하의 크기를 검출하고, 검출된 부하의 크기에 따라 달라지는 제2 신호를 생성하는 부하 검출부;
    상기 제2 신호를 기반으로 상기 제1 신호에 의해 스위칭될 적어도 하나의 스위칭 모듈을 선택하는 선택 로직; 및
    상기 선택 로직에 의해 선택된 스위칭 모듈을 제1 신호로 구동하는 스위칭 드라이버부를 포함하되,
    상기 스위칭부는
    상기 제2 트랜지스터의 소스에 드레인이 연결되는 NMOS 타입의 제3 트랜지스터; 및
    상기 출력단의 전압에 의해 구동하여 생성한 턴 온 전압을 상기 제3 트랜지스터의 게이트에 인가하는 전압 발생기를 더 포함하는 DC-DC 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 전압 발생기는,
    상기 출력단과 접지 사이에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치;
    상기 출력단과 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 연결 노드에 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제1 커패시터; 및
    상기 출력단과 상기 제3 스위치 및 상기 제1 커패시터 연결 노드에 직렬로 연결된 제2 커패시터 및 제4 스위치를 포함하되,
    상기 제3 트랜지스터는 상기 출력단과 제2 커패시터 및 상기 제4 스위치 연결 노드에 연결되는 DC-DC 컨버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전압 발생기는,
    상기 출력단과 접지 사이에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치;
    상기 출력단과 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 연결 노드에 직렬로 연결된 제1 다이오드 및 제1 커패시터; 및
    상기 출력단과 상기 제1 다이오드 및 상기 제1 커패시터 연결 노드에 직렬로 연결된 제2 커패시터 및 제2 다이오드를 포함하되,
    상기 제3 트랜지스터는 상기 출력단과 제2 커패시터 및 상기 제2 다이오드 연결 노드에 연결되는 DC-DC 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 모듈의 스위칭 저항이 모두 동일한 DC-DC 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 선택 로직은 상기 제2 신호에 의해 스위칭될 스위칭 모듈의 개수를 결정하는 DC-DC 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 스위칭 저항이 상이한 스위칭 모듈을 포함하는 DC-DC 컨버터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 선택 로직은 상기 복수의 스위칭 모듈 중에서 상기 제2 신호에 의해 스위칭될 적어도 하나의 스위칭 모듈을 선택하는 DC-DC컨버터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 부하 검출부는
    상기 부하의 크기에 따라 변화하는 전압 및 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기;
    상기 부하의 크기에 따라 변화하는 전압 및 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기;
    리셋단은 상기 제1 비교기의 출력단에 연결되고, 클럭단은 상기 제2 비교기의 출력단에 연결되며, 데이터단은 구동 전압에 연결된 제1 플립플롭; 및
    리셋단은 상기 제1 비교기의 출력단에 연결되고, 클럭단은 상기 제2 비교기의 출력단에 연결되며, 데이터단은 상기 제1 플립플롭의 출력단압에 연결된 제2 플립플롭을 포함하는 DC-DC 컨버터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 부하 검출부는,
    상기 부하의 크기에 따라 변화하는 전류에 비례하는 크기를 갖는 복사 전류를 생성하는 전류 복사 모듈;
    제1 기준 전류를 공급받아 상기 복사 전류를 미러링하는 제1 전류 미러; 및
    제2 기준 전류를 공급받아 상기 복사 전류를 미러링하는 제2 전류 미러를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 선택 로직은,
    상기 제1 신호 및 미들 범위를 나타내는 제2 신호를 입력 받는 제1 및 제2 AND 게이트;
    상기 제1 신호 및 헤비 범위를 나타내는 제2 신호를 입력 받는 제3 및 제 4 AND 게이트를 포함하되,
    상기 선택 로직은 상기 제1 신호를 한 쌍의 드라이버에 바이패스하여 출력하고,
    상기 제1 및 상기 제2 AND 게이트는 적어도 한 쌍의 드라이버에 상기 제1 신호를 출력하며,
    상기 제3 및 상기 제4 AND 게이트는 적어도 한 쌍의 드라이버에 상기 제1 신호를 출력하는 DC-DC 컨버터.
  12. 입력단과 출력단 사이에 위치하며, NMOS 타입의 제1 트랜지스터 및 상기 제1 트랜지스터의 소스에 드레인이 연결된 PMOS 타입의 제2 트랜지스터로 구성된 복수의 스위치가 병렬로 연결된 제1 스위칭 모듈 및 제2 스위칭 모듈을 포함하는 스위칭부;
    상기 출력단에 연결된 부하의 크기를 검출하고, 검출된 부하의 크기에 따라 달리지는 선택 신호를 생성하는 부하 검출부;
    상기 선택 신호를 기반으로 스위칭될 적어도 하나의 스위치를 선택하는 선택 로직; 및
    상기 선택 로직에 의해 선택된 스위치를 구동하는 드라이버를 포함하는 스위칭 드라이버부를 포함하되,
    상기 스위칭부는
    상기 제2 트랜지스터의 소스에 드레인이 연결되는 NMOS 타입의 제3 트랜지스터; 및
    상기 출력단의 전압에 의해 구동하여 생성한 턴 온 전압을 상기 제3 트랜지스터의 게이트에 인가하는 전압 발생기를 더 포함하는 DC-DC 컨버터.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는 제3 트랜지스터의 게이트에 턴 온 전압을 인가하는 전압 발생기를 더 포함하되,
    상기 전압 발생기는, 상기 출력단과 접지 사이에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치;
    상기 출력단과 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 연결 노드에 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제1 커패시터; 및
    상기 출력단과 상기 제3 스위치 및 상기 제1 커패시터 연결 노드에 직렬로 연결된 제2 커패시터 및 제4 스위치를 포함하되,
    상기 제3 트랜지스터는 상기 출력단과 제2 커패시터 및 상기 제4 스위치 연결 노드에 연결되는 DC-DC 컨버터.
  15. 제12항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는 제3 트랜지스터의 게이트에 턴 온 전압을 인가하는 전압 발생기를 더 포함하되,
    상기 전압 발생기는, 상기 출력단과 접지 사이에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치;
    상기 출력단과 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 연결 노드에 직렬로 연결된 제1 다이오드 및 제1 커패시터; 및
    상기 출력단과 상기 제1 다이오드 및 상기 제1 커패시터 연결 노드에 직렬로 연결된 제2 커패시터 및 제2 다이오드를 포함하되,
    상기 제3 트랜지스터는 상기 출력단과 제2 커패시터 및 상기 제2 다이오드 연결 노드에 연결되는 DC-DC 컨버터.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 모듈의 스위칭 저항이 모두 동일하며,
    상기 선택 로직은 상기 선택 신호에 의해 스위칭될 스위칭 모듈의 개수를 결정하는 DC-DC 컨버터.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 스위칭부는 스위칭 저항이 상이한 스위칭 모듈을 포함하며,
    상기 선택 로직은 상기 복수의 스위칭 모듈 중에서 상기 선택 신호에 의해 스위칭될 적어도 하나의 스위칭 모듈을 선택하는 DC-DC컨버터.
  18. 제12항에 있어서, 상기 부하 검출부는
    상기 부하의 크기에 따라 변화하는 전압 및 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기;
    상기 부하의 크기에 따라 변화하는 및 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기;
    리셋단은 상기 제1 비교기의 출력단에 연결되고, 클럭단은 상기 제2 비교기의 출력단에 연결되며, 데이터단은 구동 전압에 연결된 제1 플립플롭; 및
    리셋단은 상기 제1 비교기의 출력단에 연결되고, 클럭단은 상기 제2 비교기의 출력단에 연결되며, 데이터단은 상기 제1 플립플롭의 출력단압에 연결된 제2 플립플롭을 포함하는 DC-DC 컨버터.

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