KR101808607B1

KR101808607B1 - 기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기

Info

Publication number: KR101808607B1
Application number: KR1020160121392A
Authority: KR
Inventors: 양병도; 황선광; 우기찬; 김태우
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2017-12-14

Abstract

본 발명은 기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기에 관한 것으로서, 입력 전압 대비 소정의 변환 비율을 갖는 출력 전압을 생성하는 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(power switched capacitor matrix), 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압과 기준 전압 생성 회로의 기준 전압을 비교하여 듀티 신호를 출력하는 비교부 및 상기 기준 전압을 생성하는 상기 기준 전압 생성 회로를 포함하는 스위치드-캐퍼시터 직류-직류 변환기에 있어서, 상기 입력 전압을 수신하여 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압과 같은 전압을 출력하는 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(reference switched capacitor matrix) 및 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압을 분배하는 커패시터 소자를 포함하여 입력 전압을 이용하여 간단하게 기준 전압을 생성함으로써, 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 전체 크기를 감소시키고 소모 전력을 감소시킬 수 있다.

Description

기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기{REFERENCE VOLTAGE GENERATION CIRCUIT AND DC-DC CONVERTER USING THE SAME}

본 발명은 일반적으로 직류-직류 변환기, 그리고 보다 상세하게는 직류-직류 변환기에서 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기에 관한 것이다.

일반적으로, 직류-직류 변환기는 일정한 전압의 입력이 인가되었을 때, 특정 전압이 일정하게 출력되도록 하는 장치로서, 특히 스위치드 캐패시터 직류-직류 변환기는 높은 효율을 위해 펄스 밀도 변조(PDM; Pulse Density Modulation) 구동 방식을 사용하고 있다.

이러한 PDM 구동 방식은 출력 전압이 기준 전압까지 감소하는 경우에만 클럭(CLK; clock)을 인가하여 출력 전압을 증가시킨다. 이때 PDM 구동 방식은 기준 전압을 생성하는 회로가 필요하고, 기준 전압 생성 회로에서 지속적으로 전류를 소모하기 때문에 많은 전력이 소모된다.

도 1은 기존의 PDM 구동 방식을 사용하는 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 구조이다. PDM 구동 방식은 기준 전압(V_ref)과 출력 전압(V_out)의 비교를 통해 출력 전압을 일정하게 출력한다. 이에 따라 PDM 구동 방식은 기준 전압(V_ref)을 생성하는 회로를 필요로 한다. 하지만, 상기한 바와 같이 이러한 기준 전압 생성 회로에서는 기준 전압(V_ref)을 생성하기 위해 지속적으로 전류를 소모하며, 그로 인해 전력 소모가 크다는 단점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1289958호(2013.07.26) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0042310호(2014.04.07)

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 펄스 밀도 변조(PDM; Pulse Density Modulation) 구동 방식을 사용하는 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기에서 입력 전압을 이용하여 기준 전압을 생성함으로써, 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 소형화 및 저 전력 소모를 가능하게 하는 기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기준 전압 생성 회로는 입력 전압 대비 소정의 변환 비율을 갖는 출력 전압을 생성하는 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(power switched capacitor matrix), 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압과 기준 전압 생성 회로의 기준 전압을 비교하여 듀티 신호를 출력하는 비교부 및 상기 기준 전압을 생성하는 상기 기준 전압 생성 회로를 포함하는 스위치드-캐퍼시터 직류-직류 변환기에 있어서, 상기 입력 전압을 수신하여 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압과 동일한 크기의 전압을 출력하는 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(reference switched capacitor matrix) 및 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압을 분배하는 커패시터 소자를 포함한다.

바람직하게는, 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스는 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스보다 작은 용량의 커패시터 및 스위치로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 커패시터 소자는 그 일단이 접지와 연결되고 그 타단은 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력단과 제1 스위치를 통해 연결되며, 상기 커패시터 소자의 타단에서 분기되어 접지에 연결되는 제2 스위치와 병렬로 연결될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스에서 출력 전압을 생성하는 동안에는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 개방하고, 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스에서 출력 전압을 생성한 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 교대로 개방 및 폐쇄하여, 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스에서 출력된 전압을 분배함으로써 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스보다 작은 기준 전압을 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기는 펄스 밀도 변조(PDM; Pulse Density Modulation) 구동 방식을 사용하는 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기에서 스위치드 커패시터를 가지고 입력 전압을 이용하여 간단하게 기준 전압을 생성함으로써, 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 전체 크기를 감소시키고 소모 전력을 감소시킬 수 있다.

도 1은 기존의 PDM 구동 방식을 사용하는 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 구조를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기준 전압 생성 회로를 사용하는 PDM 구동 방식의 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 구조를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 입출력 신호를 나타낸 파형도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

한편, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있으나, 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.

이하 본 발명의 기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기준 전압 생성 회로를 사용하는 PDM 구동 방식의 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 구조를 나타내는 회로도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기는 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(power switched capacitor matrix)(210), 비교부(220) 및 기준 전압 생성 회로(230)를 포함하여, 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)에서 이루어지는 샘플링 동작 및 비교부(220)에서 이루어지는 데이터 변환 동작을 통해 일정한 입력 전압(V_in)을 입력 전압 대비 소정의 전압 변환 비율을 갖는 일정한 출력 전압(V_out)으로 변환하도록 구성된다.

각각의 구성에 대해, 본 발명의 실시예에 따른 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)는 해당 기술분야에 알려져 있는 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기와 같이 적어도 하나 이상의 커패시터 및 스위치를 포함하여 소정의 전압 변환 비율을 갖는 스위치드 커패시터 어레이로서, 일정한 입력 전압(V_in) 및 비교부(220)로부터의 클럭 신호(SC_CLK)를 수신하고 이에 응답하여 일정한 출력 전압(V_out)을 생성하도록 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 비교부(220)는 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)의 출력단 전압(V_out)과 기준 전압 생성 회로(230)의 기준 전압(V_ref)의 비교를 통해 듀티 신호(SC_CLK)를 출력한다. 이를 위해, 비교부(220)는 제1 입력단에서 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)의 출력단으로부터의 출력 전압(V_out)을 수신하고 제2 입력단에서 기준 전압 생성 회로(230)를 통해 생성된 기준 전압(V_ref)을 수신하여 이를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 논리 하이(logic high) 또는 논리 로우(logic low)의 듀티 신호(SC_CLK)를 출력하는 비교기(221)를 구비한다. 또한, 비교부(220)는 기준 전압 생성 회로(230)로부터 수신되는 기준 전압(V_ref)의 안정성을 유지하기 위해 상기 제2 입력단에 커패시터 소자(C_ref)를 더 구비할 수 있다.

계속해서 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 기준 전압 생성 회로(230)의 구성 및 동작을 보다 상세하게 살펴보면, 기준 전압 생성 회로(230)는 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(reference switched capacitor matrix)(231), 커패시터 소자(C_VR) 및 스위치(SW1, SW2)를 포함하여, 일정한 입력 전압(V_in)을 수신하고 이에 응답하여 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)를 위한 기준 전압(V_ref)을 생성하도록 구성될 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)는 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)보다 작은 용량의 커패시터 및 스위치로 구성될 수 있고, 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)와 같은 전압 변환 비율을 갖는 스위치드 커패시터 어레이일 수 있다. 이러한 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)는 기준 전압을 생성할 때 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)의 출력단 전압(V_out)과 동일한 크기의 전압을 출력한다. 그리고 출력된 전압은 커패시터 소자(C_VR)와 전압 분배되어 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)의 출력단 전압(V_out)보다 작은 기준 전압(V_ref)을 생성할 수 있는데, 예를 들어 C_VR의 값을 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)의 전체 커패시터 값의 1/10 값으로 하여 기준 전압(V_ref)을 10/11V_out으로 생성할 수 있다. 이를 위해, 커패시터 소자(C_VR)는 그 일단이 접지와 연결되고 그 타단은 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)의 출력단과 제1 스위치(SW1)를 통해 연결되며, 커패시터 소자(C_VR)의 타단에서 분기되어 접지에 연결되는 제2 스위치(SW2)와 병렬로 연결될 수 있다.

이러한 구성에서, 본 발명의 실시예에 따른 기준 전압 생성 회로(230)는 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)에서 출력 전압을 생성하는 동안에는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 개방하고, 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)에서 출력 전압을 생성한 후 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 교대로 개방 및 폐쇄하여, 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)에서 출력된 전압을 분배하여 기준 전압(V_ref)을 생성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 비교기(221)의 제2 입력단과 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(231)의 출력단은 스위치(SW_ref)를 통해 연결되어, 기준 전압 생성 회로(230)에서 기준 전압(V_ref)을 생성한 후에 스위치(SW_ref)를 폐쇄함으로써 기준 전압(V_ref)을 비교기(231)의 제2 입력단에 입력할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 입출력 신호를 나타낸 파형도이다.

도 3을 통해 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기에서는 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(210)의 출력단 전압(V_out)이 비교부(220)를 통해 기준 전압 생성 회로(230)의 기준 전압(V_ref)과 비교되어, 출력 전압(V_out)이 기준 전압(V_ref)보다 작은 것으로 판단되면, 비교부(220)에서 논리 하이 상태로 유지되는 듀티 신호(SC_CLK)를 출력한다. 최종적으로, 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기에서는 출력단의 부하 조건에 따라, 부하 전류(I_L)가 큰 경우에는 출력 전압(V_out)이 빨리 감소하므로 클락이 많이 발생하고, 부하 전류(I_L)가 작을 때에는 출력 전압(V_out)이 천천히 감소하여 적은 수의 클락이 발생함으로써 일정 전압을 출력하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 기준 전압 생성 회로 및 이를 이용한 직류-직류 변환기에 따르면, 펄스 밀도 변조(PDM; Pulse Density Modulation) 구동 방식을 사용하는 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기에서 스위치드 커패시터를 가지고 입력 전압을 이용하여 간단하게 기준 전압을 생성함으로써, 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기의 전체 크기를 감소시키고 소모 전력을 감소시킬 수 있다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

210; 파워 스위치드 커패시터 매트릭스
220; 비교부
221; 비교기
230; 기준 전압 생성 회로
231; 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스

Claims

입력 전압 대비 소정의 변환 비율을 갖는 출력 전압을 생성하는 파워 스위치드 커패시터 매트릭스(power switched capacitor matrix), 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압과 기준 전압 생성 회로의 기준 전압을 비교하여 듀티 신호를 출력하는 비교부 및 상기 기준 전압을 생성하는 상기 기준 전압 생성 회로를 포함하는 스위치드-캐퍼시터 직류-직류 변환기에 있어서,
상기 입력 전압을 수신하여 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압과 동일한 크기의 전압을 출력하는 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스(reference switched capacitor matrix) 및
상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력 전압을 분배하는 커패시터 소자를 포함하는, 기준 전압 생성 회로.
청구항 1에 있어서,
상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스는 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스보다 작은 용량의 커패시터 및 스위치로 구성되는, 기준 전압 생성 회로.
청구항 1에 있어서,
상기 커패시터 소자는 그 일단이 접지와 연결되고 그 타단은 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스의 출력단과 제1 스위치를 통해 연결되며, 상기 커패시터 소자의 타단에서 분기되어 접지에 연결되는 제2 스위치와 병렬로 연결되는, 기준 전압 생성 회로.
청구항 3에 있어서,
상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스에서 출력 전압을 생성하는 동안에는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 개방하고, 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스에서 출력 전압을 생성한 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 교대로 개방 및 폐쇄하여, 상기 레퍼런스 스위치드 커패시터 매트릭스에서 출력된 전압을 분배함으로써 상기 파워 스위치드 커패시터 매트릭스보다 작은 기준 전압을 생성하는, 기준 전압 생성 회로.
청구항 1 내지 4 중 어느 하나의 기준 전압 생성 회로를 이용한 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기.