KR101829346B1 - Voltage converter and voltage converting method - Google Patents
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Abstract
본 발명의 전압 변환기는, 제1 노드에 드레인 단자가 연결된 제1 P-type 트랜지스터; 상기 제1 노드에 드레인 단자가 연결된 제1 N-type 트랜지스터; 및 상기 제1 P-type 트랜지스터의 제1 게이트 단자에 제1 게이트 전압을 인가하고, 상기 제1 N-type 트랜지스터의 제2 게이트 단자에 제2 게이트 전압을 인가하는 게이트 구동부를 포함하고, 상기 게이트 구동부는 부스팅 커패시터를 포함하고, 상기 부스팅 커패시터의 일단의 전압을 스위칭함으로써 상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압의 스윙 레벨을 제어한다.A voltage converter of the present invention includes: a first P-type transistor having a drain terminal connected to a first node; A first N-type transistor having a drain terminal connected to the first node; And a gate driver for applying a first gate voltage to a first gate terminal of the first P-type transistor and applying a second gate voltage to a second gate terminal of the first N-type transistor, The driver includes a boosting capacitor and controls a swing level of the first gate voltage and the second gate voltage by switching a voltage at one end of the boosting capacitor.
Description
본 발명은 전압 변환기 및 전압 변환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage converter and a voltage converting method.
스마트 폰, 태블릿 PC, 웨어러블 장비 등 많은 휴대용 단말기가 일상 생활에서 다양하게 활용되고 있다. 이러한 휴대용 단말기는 제한된 배터리 용량을 갖기 때문에, 효율적인 전력 관리가 매우 중요하다.Many portable terminals, such as smart phones, tablet PCs, and wearable devices, are being used variously in daily life. Since such portable terminals have a limited battery capacity, efficient power management is very important.
이러한 휴대용 단말기는 일반적으로 동작 시간의 대부분을 스탠바이 모드(stand-by mode)로 보내기 때문에, 저부하 효율성(light load efficiency)이 특히 중요한 이슈이다.Such portable terminals generally spend most of their operating time in stand-by mode, so light load efficiency is a particularly important issue.
DC-DC 컨버터에서 발생하는 대부분의 전력 손실은 전도 손실(conduction loss)과 스위칭 손실(switching loss)인데, 저부하 환경에서는 부하 조건과 비교적 독립적인 스위칭 손실이 더 주도적으로 나타난다. 전도 손실은 부하가 가벼워질수록 감소하는 경향이 있다. 그러므로, DC-DC 컨버터의 저부하 효율성을 향상시키기 위해서는 스위칭 손실을 최소화시키는 것이 중요하다.Most of the power losses in the DC-DC converter are conduction loss and switching loss. In a low-load environment, the switching losses are more dominant than the load conditions. Conduction losses tend to decrease as the load is lighter. Therefore, it is important to minimize the switching losses in order to improve the low-load efficiency of the DC-DC converter.
DC-DC 컨버터의 스위칭 손실을 최소화시키는 데 효율적인 방법 중 하나로 전하 재사용 방법(charge recycling technique)이 있다. 논문 "M. Alimadadi, et al., "Fully integrated 660MHz low-swing energy-recycling dc dc converter," IEEE Trans. on Power Electr., vol.24, no.6, pp.1475, June 2009"(이하 선행문헌 1)은 전력 모스펫(power MOSFET)의 게이트 커패시턴스(gate capacitance)에 저장된 전하를 재사용하는 방법에 대해서 개시한다.One effective way to minimize the switching losses of DC-DC converters is the charge recycling technique. , "Fully integrated 660 MHz low-swing energy-recycling dc dc converter," IEEE Trans. On Power Electr., Vol.24, no. 6, pp. 1475, June 2009 Prior Art 1) discloses a method for reusing the charge stored in the gate capacitance of a power MOSFET.
선행문헌 1은 전력 모스펫 드라이버(power MOSFET drivers)를 적층(stacking)시킴으로써 전력 모스펫 게이트 전하를 재사용할 수 있고, 그럼으로써 PMOS 게이트 전하가 NMOS 게이트 커패시턴스로 직접 전달될 수 있다.
그러나, 선행문헌 1은 미드-레일 전압(mid-rail voltage)을 제공하기 위해서 선형 레귤레이터(linear regulator)가 필요하고, 게이트 전압 스윙(gate voltage swing)이 이러한 미드-레일 전압에 고정되어 버림으로써 제어되지 못하는 문제점이 있다.However, the
해결하고자 하는 기술적 과제는 전하 재사용 및 게이트 전압 스윙 레벨의 제어가 가능한 전압 변환기 및 전압 변환 방법을 제공하는 데 있다.A technical problem to be solved is to provide a voltage converter and a voltage conversion method capable of controlling charge reuse and gate voltage swing level.
본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기는, 제1 노드에 드레인 단자가 연결된 제1 P-type 트랜지스터; 상기 제1 노드에 드레인 단자가 연결된 제1 N-type 트랜지스터; 및 상기 제1 P-type 트랜지스터의 제1 게이트 단자에 제1 게이트 전압을 인가하고, 상기 제1 N-type 트랜지스터의 제2 게이트 단자에 제2 게이트 전압을 인가하는 게이트 구동부를 포함하고, 상기 게이트 구동부는 부스팅 커패시터를 포함하고, 상기 부스팅 커패시터의 일단의 전압을 스위칭함으로써 상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압의 스윙 레벨을 제어한다.A voltage converter according to an embodiment of the present invention includes: a first P-type transistor having a drain terminal connected to a first node; A first N-type transistor having a drain terminal connected to the first node; And a gate driver for applying a first gate voltage to a first gate terminal of the first P-type transistor and applying a second gate voltage to a second gate terminal of the first N-type transistor, The driver includes a boosting capacitor and controls a swing level of the first gate voltage and the second gate voltage by switching a voltage at one end of the boosting capacitor.
상기 전압 변환기는 상기 제1 노드의 전류를 피드백받아 상기 부스팅 커패시터의 일단에 제공되는 부스팅 전압을 생성하는 부스팅 전압 생성부를 더 포함할 수 있다.The voltage converter may further include a boosting voltage generator for generating a boosting voltage fed to one end of the boosting capacitor by receiving a current of the first node.
상기 제1 게이트 전압의 스윙 레벨 및 상기 제2 게이트 전압의 스윙 레벨은 상기 부스팅 전압의 크기에 비례할 수 있다.The swing level of the first gate voltage and the swing level of the second gate voltage may be proportional to the magnitude of the boosting voltage.
상기 게이트 구동부는 상기 부스팅 커패시터의 일단에 연결되는 제1 스위치 및 제2 스위치를 더 포함하고, 상기 제1 스위치는 제1 스위치 제어 신호에 따라 상기 부스팅 커패시터의 일단과 제1 기준 전압을 연결하고, 상기 제2 스위치는 제2 스위치 제어 신호에 따라 상기 부스팅 커패시터의 일단과 상기 부스팅 전압을 연결할 수 있다.Wherein the gate driving unit further includes a first switch and a second switch connected to one end of the boosting capacitor, the first switch connects a first reference voltage to one end of the boosting capacitor in accordance with a first switch control signal, The second switch may couple the boosting voltage to one end of the boosting capacitor according to a second switch control signal.
상기 게이트 구동부는 제1 PWM 지연 신호에 따라 제어되어 상기 제1 게이트 전압을 생성하는 제1 버퍼 및 제2 PWM 지연 신호에 따라 제어되어 상기 제2 게이트 전압을 생성하는 제2 버퍼를 더 포함하고, 상기 제1 버퍼의 저전압 제공단 및 상기 제2 버퍼의 고전압 제공단은 상기 부스팅 커패시터의 타단과 연결될 수 있다.Wherein the gate driver further comprises a first buffer controlled according to a first PWM delay signal to generate the first gate voltage and a second buffer controlled according to a second PWM delay signal to generate the second gate voltage, The low voltage providing end of the first buffer and the high voltage providing end of the second buffer may be connected to the other end of the boosting capacitor.
상기 전압 변환기는 제1 PWM 신호 및 제2 PWM 신호를 입력받고, 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호에 따라 상기 제1 PWM 지연 신호, 상기 제2 PWM 지연 신호, 상기 제1 스위치 제어 신호, 및 상기 제2 스위치 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성부를 더 포함할 수 있다.The voltage converter receives a first PWM signal and a second PWM signal, and receives the first PWM delay signal, the second PWM delay signal, the first switch control signal And a control signal generator for generating the second switch control signal.
상기 제어 신호 생성부는 상기 제1 PWM 신호를 지연시켜 상기 제1 PWM 지연 신호를 생성하는 제1 딜레이 유닛; 상기 제1 PWM 신호를 반전시켜 제1 PWM 반전 신호를 생성하는 제1 인버터; 상기 제1 PWM 지연 신호의 엣지(edge)를 검출하여 제1 쇼트 펄스(short pulse)를 생성하는 제1 쇼트 펄스 생성기; 상기 제1 PWM 반전 신호의 엣지를 검출하여 제2 쇼트 펄스를 생성하는 제2 쇼트 펄스 생성기; 및 상기 제1 쇼트 펄스 및 상기 제2 쇼트 펄스를 입력받아 상기 제1 스위치 제어 신호를 생성하는 제1 RS 래치(RS latch)를 포함할 수 있다.Wherein the control signal generator comprises: a first delay unit for delaying the first PWM signal to generate the first PWM delay signal; A first inverter for inverting the first PWM signal to generate a first PWM inversion signal; A first short pulse generator for detecting an edge of the first PWM delay signal to generate a first short pulse; A second short pulse generator for detecting an edge of the first PWM inversion signal to generate a second short pulse; And a first RS latch that receives the first short pulse and the second short pulse and generates the first switch control signal.
상기 제어 신호 생성부는 상기 제2 PWM 신호를 지연시켜 상기 제2 PWM 지연 신호를 생성하는 제2 딜레이 유닛; 상기 제2 PWM 지연 신호를 반전시켜 제2 PWM 지연 반전 신호를 생성하는 제2 인버터; 상기 제2 PWM 지연 반전 신호의 엣지를 검출하여 제3 쇼트 펄스를 생성하는 제3 쇼트 펄스 생성기; 상기 제2 PWM 신호의 엣지를 검출하여 제4 쇼트 펄스를 생성하는 제4 쇼트 펄스 생성기; 및 상기 제3 쇼트 펄스 및 상기 제4 쇼트 펄스를 입력받아 상기 제2 스위치 제어 신호를 생성하는 제2 RS 래치를 더 포함할 수 있다.A second delay unit for delaying the second PWM signal to generate the second PWM delay signal; A second inverter for inverting the second PWM delay signal to generate a second PWM delay inversion signal; A third short pulse generator for detecting an edge of the second PWM delay inversion signal to generate a third short pulse; A fourth short pulse generator for detecting an edge of the second PWM signal to generate a fourth short pulse; And a second RS latch receiving the third short pulse and the fourth short pulse and generating the second switch control signal.
상기 부스팅 전압 생성부는 상기 제1 노드의 전류를 센싱하여 선택 신호를 출력하는 전류 센서; 및 복수의 참조 전압 중 하나의 참조 전압을 상기 선택 신호에 따라 출력하는 멀티플렉서를 포함하고, 상기 부스팅 전압은 선택된 상기 하나의 참조 전압과 대응할 수 있다.Wherein the boosting voltage generator comprises: a current sensor for sensing a current of the first node and outputting a selection signal; And a multiplexer for outputting one of the plurality of reference voltages according to the selection signal, wherein the boosting voltage may correspond to the selected one reference voltage.
상기 제1 버퍼는 상기 제1 PWM 지연 신호가 게이트 단자에 인가되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되는 제2 P-type 트랜지스터; 게이트 단자가 상기 제2 P-type 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제2 P-type 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되는 제2 N-type 트랜지스터; 게이트 단자가 상기 제2 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제1 P-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되는 제3 P-type 트랜지스터; 및 게이트 단자가 상기 제3 P-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제3 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 제3 N-type 트랜지스터를 포함할 수 있다.The first buffer includes a second P-type transistor in which the first PWM delay signal is applied to the gate terminal and the source terminal is connected to the high voltage providing terminal; A second N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the second P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the second P-type transistor; A third P-type transistor having a gate terminal connected to the drain terminal of the second P-type transistor, a source terminal connected to the high voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the gate terminal of the first P-type transistor; And a third N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the third P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the third P- . ≪ / RTI >
상기 제2 버퍼는 상기 제2 PWM 지연 신호가 게이트 단자에 인가되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되는 제4 P-type 트랜지스터; 게이트 단자가 상기 제4 P-type 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제4 P-type 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되는 제4 N-type 트랜지스터; 게이트 단자가 상기 제4 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제1 N-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되는 제5 P-type 트랜지스터; 및 게이트 단자가 상기 제5 P-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제5 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 제5 N-type 트랜지스터를 포함할 수 있다.The second buffer includes a fourth P-type transistor in which the second PWM delay signal is applied to the gate terminal and the source terminal is connected to the high voltage providing terminal; A fourth N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the fourth P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the fourth P-type transistor; A fifth P-type transistor having a gate terminal connected to the drain terminal of the fourth P-type transistor, a source terminal connected to the high voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the gate terminal of the first N-type transistor; And a fifth N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the fifth P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the fifth P- . ≪ / RTI >
상기 전압 변환기는 상기 제1 P-type 트랜지스터 및 상기 제1 N-type 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압에 따라 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 전압 변환부; 및 상기 출력 전압을 피드백받아 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부를 더 포함할 수 있다.Wherein the voltage converter includes a first P-type transistor and a first N-type transistor, the voltage converter converting an input voltage into an output voltage according to the first gate voltage and the second gate voltage; And a PWM signal generator for generating the first PWM signal and the second PWM signal by receiving the output voltage.
본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환 방법은, 제1 노드에 각각의 드레인 단자가 연결된 제1 P-type 트랜지스터 및 제1 N-type 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 P-type 트랜지스터 및 상기 제1 N-type 트랜지스터의 온오프를 제어하여 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 전압 변환기의 전압 변환 방법에 있어서, 상기 제1 N-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스를 제1 기준 전압으로 방전시키는 단계; 상기 제1 P-type 트랜지스터에 제1 게이트 전압을 공급하는 제1 버퍼와 상기 제1 N-type 트랜지스터에 제2 게이트 전압을 공급하는 제2 버퍼의 미드-레일 노드의 미드-레일 전압을 풀-다운시키는 단계; 상기 제1 P-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스와 전하 공유시킴으로써 상기 미드-레일 전압을 충전시키는 단계; 상기 제1 P-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스를 제2 기준 전압으로 충전시키는 단계; 상기 미드-레일 전압을 풀-업시키는 단계; 및 상기 제1 N-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스와 전하 공유시킴으로써 상기 미드-레일 전압을 방전시키는 단계를 포함한다.A voltage conversion method according to an embodiment of the present invention includes a first P-type transistor and a first N-type transistor each having a drain terminal connected to a first node, the first P-type transistor and the first P- 1. A voltage converting method of a voltage converter for converting an input voltage into an output voltage by controlling ON / OFF of an N-type transistor, the method comprising: discharging a gate capacitance of the first N-type transistor to a first reference voltage; Rail voltage of a mid-rail node of a first buffer supplying a first gate voltage to the first P-type transistor and a second buffer supplying a second gate voltage to the first N-type transistor, Down; Charging the mid-rail voltage by sharing a charge with the gate capacitance of the first P-type transistor; Charging a gate capacitance of the first P-type transistor to a second reference voltage; Pulling up the mid-rail voltage; And discharging the mid-rail voltage by charge sharing the gate capacitance of the first N-type transistor.
상기 전압 변환기는 상기 미드-레일 노드에 일단이 연결된 부스팅 커패시터를 더 포함하고, 상기 미드-레일 전압을 풀-다운시키는 단계는 상기 부스팅 커패시터의 타단의 전압을 상기 제1 기준 전압으로 스위칭함으로써 수행될 수 있다.The voltage converter further includes a boosting capacitor connected at one end to the mid-rail node, and the step of pulling down the mid-rail voltage is performed by switching the voltage at the other end of the boosting capacitor to the first reference voltage .
상기 미드-레일 전압을 풀-업시키는 단계는 상기 부스팅 커패시터의 타단의 전압을 부스팅 전압으로 스위칭함으로써 수행될 수 있다.The step of pulling up the mid-rail voltage may be performed by switching the voltage of the other end of the boosting capacitor to a boosting voltage.
상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압의 스윙 레벨은 상기 부스팅 전압의 크기와 비례할 수 있다.The swing level of the first gate voltage and the second gate voltage may be proportional to the magnitude of the boosting voltage.
상기 전압 변환 방법은 부하의 크기에 비례하여 상기 부스팅 전압의 크기를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The voltage conversion method may further include determining the magnitude of the boosting voltage in proportion to the magnitude of the load.
본 발명에 따른 전압 변환기 및 전압 변환 방법은 전하 재사용 및 게이트 전압 스윙 레벨의 제어가 가능하다.The voltage converter and the voltage conversion method according to the present invention are capable of charge reuse and control of the gate voltage swing level.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 부스팅 전압 생성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 제어 신호 생성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 버퍼 및 제2 버퍼를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제1 PWM 지연 신호, 제2 PWM 지연 신호, 제1 스위치 제어 신호, 및 제2 스위치 제어 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 부스팅 전압의 크기가 비교적 작을 때의 게이트 전압 스윙 레벨을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 부스팅 전압의 크기가 비교적 클 때의 게이트 전압 스윙 레벨을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 스위칭 손실을 비교하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 전도 손실을 비교하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 전체 손실을 비교하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 효율성을 비교하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 성능을 비교하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a voltage converter according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a boosting voltage generator according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a control signal generator according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a first buffer and a second buffer according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a first PWM delay signal, a second PWM delay signal, a first switch control signal, and a second switch control signal.
6 is a diagram for explaining the gate voltage swing level when the magnitude of the boosting voltage is relatively small.
7 is a diagram for explaining the gate voltage swing level when the magnitude of the boosting voltage is relatively large.
8 is a diagram for comparing switching losses of a voltage converter according to an embodiment of the present invention and a conventional voltage converter.
9 is a diagram for comparing conduction losses of a voltage converter and a conventional voltage converter according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram for comparing total losses of a voltage converter according to an embodiment of the present invention and a conventional voltage converter.
11 is a diagram for comparing efficiency of a voltage converter according to an embodiment of the present invention and a conventional voltage converter.
12 is a diagram for comparing the performance of a voltage converter according to an embodiment of the present invention and a conventional voltage converter.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 따라서 앞서 설명한 참조 부호는 다른 도면에서도 사용할 수 있다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification. Therefore, the above-mentioned reference numerals can be used in other drawings.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 과장되게 나타낼 수 있다.In addition, since the sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings. In the drawings, thicknesses may be exaggerated for clarity of presentation of layers and regions.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a voltage converter according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기(10)는 전압 변환부(100), 게이트 구동부(200), 부스팅 전압 생성부(300), 제어 신호 생성부(400), 및 PWM 신호 생성부(500)를 포함한다.1, a
전압 변환부(100)는 제1 노드(N1)에 드레인 단자가 연결된 제1 P-type 트랜지스터(PTR1) 및 제1 노드(N1)에 드레인 단자가 연결된 제1 N-type 트랜지스터(NTR1)을 포함한다. 전압 변환부(100)는 제1 P-type 트랜지스터(PTR1)의 게이트 단자에 인가되는 제1 게이트 전압(Vgp) 및 제2 N-type 트랜지스터(NTR1)의 게이트 단자에 인가되는 제2 게이트 전압(Vgn)에 따라 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환한다.The
제1 P-type 트랜지스터(PTR1)는 P-type 전력 모스펫(P-type power MOSFET)이고, 제2 N-type 트랜지스터(NTR1)는 N-type 전력 모스펫(N-type power MOSFET)일 수 있다.The first P-type transistor PTR1 may be a P-type power MOSFET and the second N-type transistor NTR1 may be an N-type power MOSFET.
전압 변환부(100)는 DC-DC 벅 컨버터(DC-DC buck converter)의 구성을 가질 수 있다. 전압 변환부(100)는 제1 노드(N1)에 일단이 연결된 인덕터(L), 인덕터(L)의 타단에 직렬로 연결된 커패시터(C) 및 저항(Resr)을 포함할 수 있다. 전류원(Iload)은 부하 전류의 모델링일 수 있다.The
입력 전압(Vin)은 제1 P-type 트랜지스터(PTR1)의 소스 단자에 인가되어, 인덕터(L)의 타단에서 출력 전압(Vout)으로 변환될 수 있다. 출력 전압(Vout)은 입력 전압(Vin) 보다 그 값이 작을 수 있다. 이때 출력 전압(Vout)은 PWM 신호 생성부(500)로 피드백될 수 있다.The input voltage V in may be applied to the source terminal of the first P-
게이트 구동부(200)는 제1 P-type 트랜지스터(PTR1)의 제1 게이트 단자에 제1 게이트 전압(Vgp)을 인가하고, 제1 N-type 트랜지스터(NTR1)의 제2 게이트 단자에 제2 게이트 전압(Vgn)을 인가한다.The
이러한 게이트 구동부(200)는 부스팅 커패시터(Cs)를 포함하고, 부스팅 커패시터(Cs)의 일단의 전압을 스위칭함으로써 제1 게이트 전압(Vgp) 및 제2 게이트 전압(Vgn)의 스윙 레벨을 제어한다.The
구체적으로, 게이트 구동부(200)는 부스팅 커패시터(Cs)의 일단에 연결되는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 더 포함할 수 있다. 제1 스위치(SW1)는 제1 스위치 제어 신호(Sp)에 따라 부스팅 커패시터(Cs)의 일단과 제1 기준 전압(예를 들어, 그라운드 전압)을 연결하고, 제2 스위치(SW2)는 제2 스위치 제어 신호(Sn)에 따라 부스팅 커패시터(Cs)의 일단과 부스팅 전압(Vboost)을 연결할 수 있다.Specifically, the
이때, 제1 게이트 전압(Vgp)의 스윙 레벨 및 제2 게이트 전압(Vgn)의 스윙 레벨은 부스팅 전압(Vboost)의 크기에 비례할 수 있다. 이에 대해서는 도 6 및 7을 참조하여 상세히 후술한다.At this time, the swing level of the first gate voltage V gp and the swing level of the second gate voltage V gn may be proportional to the magnitude of the boosting voltage V boost . This will be described later in detail with reference to FIGS. 6 and 7. FIG.
게이트 구동부(200)는 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)에 따라 제어되어 제1 게이트 전압(Vgp)을 생성하는 제1 버퍼(BUF1) 및 제2 PWM 지연 신호(PWMpd)에 따라 제어되어 제2 게이트 전압(Vgn)을 생성하는 제2 버퍼(BUF2)를 더 포함할 수 있다. 제1 버퍼(BUF1)의 저전압 제공단 및 제2 버퍼(BUF2)의 고전압 제공단은 부스팅 커패시터(Cs)의 타단과 연결될 수 있다. 이때, 제1 버퍼(BUF1)의 저전압 제공단 및 제2 버퍼(BUF2)의 고전압 제공단이 서로 연결된 노드의 전압을 미드-레일 전압(mid-rail voltage)이라고 할 수 있다. 제1 버퍼 및 제2 버퍼의 상세한 구성은 도 4를 참조하여 후술한다.
부스팅 전압 생성부(300)는 제1 노드(N1)의 전류를 피드백받아 부스팅 커패시터(Cs)의 일단에 제공되는 부스팅 전압(Vboost)을 생성할 수 있다. 부스팅 전압 생성부(300)의 예시적인 구성에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.Boosting
제어 신호 생성부(400)는 제1 PWM 신호(PWMp) 및 제2 PWM 신호(PWMn)를 입력받고, 제1 PWM 신호(PWMp) 및 제2 PWM 신호(PWMn)에 따라 제1 PWM 지연 신호(PWMpd), 제2 PWM 지연 신호(PWMnd), 제1 스위치 제어 신호(Sp), 및 제2 스위치 제어 신호(Sn)를 생성한다. 제어 신호 생성부(400)의 예시적인 구성에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.The
일반적으로, 전압 스윙 레벨이 작아지면 스위칭 손실이 줄어들지만, 전력 모스펫의 온-저항(on-resistance)이 상승함에 따라 전도 손실이 증가하게 된다. 따라서, 최적 전압 스윙 레벨(optimum voltage swing level)은 스위칭 손실과 전도 손실의 합이 최소화될 수 있을 때에 존재한다. 이러한 최적 전압 스윙 레벨을 얻기 위해서, 본 실시예에서는 부스팅 전압 생성부(300) 및 제어 신호 생성부(400)를 후술하는 도 2 및 3과 같이 구성하고, 도 5의 타이밍에 따라 제어할 수 있다.Generally, the smaller the voltage swing level reduces the switching losses, but the conduction losses increase as the on-resistance of the power MOSFET increases. Thus, the optimum voltage swing level exists when the sum of switching loss and conduction loss can be minimized. In order to obtain such an optimum voltage swing level, the boosting
PWM 신호 생성부(500)는 출력 전압(Vout)을 피드백받아 제1 PWM 신호(PWMp) 및 제2 PWM 신호(PWMn)를 생성한다. PWM 신호 생성부(500)는 타입-3 보상 네트워크(Type-3 Compensation Network)(510), 램프 생성기(Ramp Generator)(520), PWM 모듈레이터(PWM Modulator)(530), 데드 타임 제어기 및 제로 커렌트 검출기(Dead time Controller & Zero Current Detector)(540)를 포함할 수 있다. 상술한 PWM 신호 생성부(500)의 구성은 종래 기술에 따르므로 별도로 설명하지 않는다.The
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 부스팅 전압 생성부를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a boosting voltage generator according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 부스팅 전압 생성부(300)는 제1 노드(N1)의 전류를 센싱하여, 또는 부하 전류의 양을 센싱하여, 선택 신호(CS[1:0])를 출력하는 전류 센서(310) 및 복수의 참조 전압(V[0], V[1], V[2], V[3]) 중 하나의 참조 전압을 선택 신호(CS[1:0])에 따라 출력하는 멀티플렉서(320)를 포함할 수 있다. 부스팅 전압(Vboost)은 선택된 하나의 참조 전압과 대응할 수 있다.2, a boosting
부스팅 전압 생성부(300)는 복수의 참조 전압(V[0], V[1], V[2], V[3])을 생성하기 위한 밴드갭 레퍼런스(Bandgap Reference)(330) 및 선택된 하나의 참조 전압과 피드백 전압을 비교해 출력하는 비교기(340)를 더 포함할 수 있다. 밴드갭 레퍼런스(330)는 종래 기술 구성에 따르므로 별도로 설명하지 않는다.The boosting
본 실시예에서는 생성된 복수의 참조 전압(V[0], V[1], V[2], V[3])이 4 개이고, 그에 따라 선택 신호(CS[1:0])가 2 비트 값이지만, 다른 실시예에서는 전류 센서(310)의 해상도를 늘려 선택 신호의 비트 수를 늘리고, 밴드갭 레퍼런스(330)에서는 그에 따라 더 많은 개수의 참조 전압을 생성하도록 구성할 수도 있다. 이러한 경우, 멀티플렉서(320) 또한 증가된 복수의 참조 전압의 개수에 대응하도록 수정하여 구성되어야 할 것이다.In this embodiment, four generated reference voltages V [0], V [1], V [2], and V [3] , But in other embodiments it may be configured to increase the resolution of the
비교기(340)의 출력에 따라 트랜지스터(350)의 온오프가 조절되고, 그에 따라 커패시터(360)에 축적된 부스팅 전압(Vboost)이 결정된다. 부스팅 전압(Vboost)의 값은 저항(371) 및 저항(372)의 저항비에 따라 비교기(340)로 피드백될 수 있다.The on / off of the
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 제어 신호 생성부를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a control signal generator according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면 본 발명의 한 실시예에 따른 제어 신호 생성부(400)는 제1 PWM 신호(PWMp)를 지연시켜 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)를 생성하는 제1 딜레이 유닛(411), 제1 PWM 신호(PWMp)를 반전시켜 제1 PWM 반전 신호를 생성하는 제1 인버터(421), 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)의 엣지(edge)를 검출하여 제1 쇼트 펄스(short pulse)를 생성하는 제1 쇼트 펄스 생성기(431), 제1 PWM 반전 신호의 엣지를 검출하여 제2 쇼트 펄스를 생성하는 제2 쇼트 펄스 생성기(432), 및 제1 쇼트 펄스 및 제2 쇼트 펄스를 입력받아 제1 스위치 제어 신호(Sp)를 생성하는 제1 RS 래치(RS latch)(441)를 포함할 수 있다.3, a
또한 제어 신호 생성부(400)는 제2 PWM 신호(PWMn)를 지연시켜 제2 PWM 지연 신호(PWMnd)를 생성하는 제2 딜레이 유닛(412), 제2 PWM 지연 신호(PWMnd)를 반전시켜 제2 PWM 지연 반전 신호를 생성하는 제2 인버터(422), 제2 PWM 지연 반전 신호의 엣지를 검출하여 제3 쇼트 펄스를 생성하는 제3 쇼트 펄스 생성기(433), 제2 PWM 신호(PWMn)의 엣지를 검출하여 제4 쇼트 펄스를 생성하는 제4 쇼트 펄스 생성기(434), 및 제3 쇼트 펄스 및 제4 쇼트 펄스를 입력받아 제2 스위치 제어 신호(Sn)를 생성하는 제2 RS 래치(442)를 더 포함할 수 있다.The
제1 P-type 트랜지스터(PTR1)의 게이트 전하 공유 이전에, 부스팅 커패시터(Cs)의 바이어스 전압을 스위칭하기 위해서, 제1 스위치 제어 신호(Sp)는 하이 레벨(온 레벨)이어야 한다. 또한 제1 N-type 트랜지스터(NTR1)의 게이트 전하 공유 이전에, 부스팅 커패시터(Cs)의 바이어스 전압을 스위칭하기 위해서, 제2 스위치 제어 신호(Sn)는 하이 레벨(온 레벨)이어야 한다.In order to switch the bias voltage of the boosting capacitor C s before the gate charge sharing of the first P-
제1 및 제2 스위치 제어 신호(Sp, Sn)는 제1 및 제2 PWM 신호(PWMp, PWMn) 및 그 지연 신호(PWMpd, PWMnd)에 의해 생성된다. PWM 신호(PWMp, PWMn)는 스위치 제어 신호(Sp, Sn)를 세트(set)하는 데 사용되고, 반면에 PWM 지연 신호(PWMpd, PWMnd)는 스위치 제어 신호(Sp, Sn)를 리셋(reset)하는 데 사용된다.Claim is generated by the first and the second switch control signal (S p, S n) comprises a first and a second PWM signal (PWM p, PWM n) and a delayed signal (PWM pd, nd PWM). The PWM signals PWM p and PWM n are used to set the switch control signals S p and S n while the PWM delay signals PWM pd and PWM nd are used to set the switch control signals S p and S n , n ). < / RTI >
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 버퍼 및 제2 버퍼를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a first buffer and a second buffer according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 버퍼(BUF1)는, 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)가 게이트 단자에 인가되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되는 제2 P-type 트랜지스터(PTR2), 게이트 단자가 제2 P-type 트랜지스터(PTR2)의 게이트 단자와 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 제2 P-type 트랜지스터(PTR2)의 드레인 단자와 연결되는 제2 N-type 트랜지스터(NTR2), 게이트 단자가 제2 P-type 트랜지스터(PTR2)의 드레인 단자에 연결되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 제1 P-type 트랜지스터(PTR1)의 게이트 단자에 연결되는 제3 P-type 트랜지스터(PTR3), 및 게이트 단자가 제3 P-type 트랜지스터(PTR3)의 게이트 단자에 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 제3 P-type 트랜지스터(PTR3)의 드레인 단자에 연결되는 제3 N-type 트랜지스터(NTR3)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, a first buffer BUF1 according to an embodiment of the present invention includes a first P-type buffer P-1 having a first PWM delay signal PWM pd applied to its gate terminal and a source terminal connected to a high- type transistor PTR2, a gate terminal connected to the gate terminal of the second P-type transistor PTR2, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, a drain terminal connected to the drain terminal of the second P-type transistor PTR2, Type transistor NTR2 having a gate terminal connected to the drain terminal of the second P-type transistor PTR2, a source terminal connected to the high voltage providing terminal, a drain terminal connected to the first P-type transistor PTR2, A third P-type transistor PTR3 connected to the gate terminal of the transistor PTR1 and a gate terminal connected to the gate terminal of the third P-type transistor PTR3, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, Drain terminal of the third P-type transistor PTR3 is connected to the drain terminal Which is connected to may include a first 3 N-type transistor (NTR3).
제2 버퍼(BUF2)는, 제2 PWM 지연 신호(PWMnd)가 게이트 단자에 인가되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되는 제4 P-type 트랜지스터(PTR4), 게이트 단자가 제4 P-type 트랜지스터(PTR4)의 게이트 단자와 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 제4 P-type 트랜지스터(PTR4)의 드레인 단자와 연결되는 제4 N-type 트랜지스터(NTR4), 게이트 단자가 제4 P-type 트랜지스터(PTR4)의 드레인 단자에 연결되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 제1 N-type 트랜지스터(NTR1)의 게이트 단자에 연결되는 제5 P-type 트랜지스터(PTR5), 및 게이트 단자가 제5 P-type 트랜지스터(PTR5)의 게이트 단자에 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 제5 P-type 트랜지스터(PTR5)의 드레인 단자에 연결되는 제5 N-type 트랜지스터(NPTR5)를 포함할 수 있다.The second buffer BUF2 includes a fourth P-type transistor PTR4 having a second PWM delay signal PWM nd applied to its gate terminal and a source terminal connected to a high voltage providing terminal, a fourth N-type transistor NTR4 connected to the gate terminal of the P-type transistor PTR4, the source terminal connected to the low voltage providing terminal and the drain terminal connected to the drain terminal of the fourth P-type transistor PTR4, The fifth P-type transistor NTR1 has a gate terminal connected to the drain terminal of the fourth P-type transistor PTR4, a source terminal connected to the high voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the gate terminal of the first N- type transistor PTR5 and the gate terminal thereof are connected to the gate terminal of the fifth P-type transistor PTR5, the source terminal thereof is connected to the low voltage providing terminal, and the drain terminal thereof is connected to the fifth P-type transistor PTR5 And a fifth N-type transistor (NPTR5) connected to the drain terminal Can.
도 4에서는 각 버퍼(BUF1, BUF2)가 두 개의 인버터가 직렬로 연결된 형태로 도시되었지만, 직렬 연결되는 인버터의 개수는 당업자의 선택에 의해 변경될 수 있다.In Fig. 4, although each buffer BUF1 and BUF2 is shown as two inverters connected in series, the number of serially connected inverters can be changed by a person skilled in the art.
도 5는 제1 PWM 지연 신호, 제2 PWM 지연 신호, 제1 스위치 제어 신호, 및 제2 스위치 제어 신호를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a first PWM delay signal, a second PWM delay signal, a first switch control signal, and a second switch control signal.
제1 PWM 지연 신호(PWMpd), 제2 PWM 지연 신호(PWMnd), 제1 스위치 제어 신호(Sp), 및 제2 스위치 제어 신호(Sn)는 게이트 구동부(200)의 입력 신호로서 사용된다.First as an input signal of the first PWM delay signal (PWM pd), a second PWM delay signal (PWM nd), the first switch control signal (S p), and the second switch control signal (S n), a
일정 부분의 데드 타임(dead time)을 주기 위해서, 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)의 풀-다운(pull down) 이전에 제2 PWM 지연 신호(PWMnd)가 풀-다운되고, 제2 PWM 지연 신호(PWMnd)가 풀-업(pull up)되기 이전에 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)가 풀-업된다.The second PWM delay signal PWM nd is pulled down before the pull-down of the first PWM delay signal PWM pd to give a dead time of a certain portion, and the second PWM The first PWM delay signal PWM pd is pulled up before the delay signal PWM nd is pulled up.
제1 스위치 제어 신호(Sp) 및 제2 스위치 제어 신호(Sn)는 이러한 데드 타임 동안에만 트랜지션(transitions)할 수 있도록 허용된다.The first switch control signal (S p) and the second switch control signal (S n) is allowed to transition (transitions) only during this dead time.
도 6은 부스팅 전압의 크기가 비교적 작을 때의 게이트 전압 스윙 레벨을 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram for explaining the gate voltage swing level when the magnitude of the boosting voltage is relatively small.
도 6을 참조하면 제1 게이트 전압(Vgp)과 제2 게이트 전압(Vgn)이 시간(가로축)에 따라 어느 정도로 스윙 레벨을 갖는 지를 확인할 수 있다. 본 실시예에서는 제1 게이트 전압(Vgp)은 Vin-Vp 크기의 스윙 레벨을 갖고, 제2 게이트 전압은 Vn 크기의 스윙 레벨을 갖는다. 전압(Vp, Vn)을 도출하는 방법은 후술하는 수학식 1 내지 3을 통해 설명한다. 또한 부스팅 커패시터(Cs)의 타단의 전압이자, 미드-레일 전압인 Vs 값의 변화를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be confirmed how much the first gate voltage V gp and the second gate voltage V gn have swing levels according to time (horizontal axis). In this embodiment, the first gate voltage V gp has a swing level of V in -V p and the second gate voltage has a swing level of V n . The method of deriving the voltages V p and V n will be described with reference to Equations (1) to (3). It is also possible to confirm a change in the voltage at the other end of the boosting capacitor C s and the value of the mid-rail voltage V s .
제1 기간(P1) 동안, 제2 PWM 지연 신호(PWMnd)의 풀-다운은 제5 P-type 트랜지스터(PTR5)를 턴-오프시키고 제5 N-type 트랜지스터(NTR5)를 턴-온시키고, 제2 게이트 전압(Vgn)을 그라운드 레벨로 풀-다운시켜 제1 N-type 트랜지스터(NTR1)를 턴-오프시킴으로써, 제1 N-type 트랜지스터(NTR1)의 게이트 커패시턴스인 Cgn을 방전시킨다.During the first period P1, the pull-down of the second PWM delay signal PWM nd causes the fifth P-type transistor PTR5 to turn off and the fifth N-type transistor NTR5 to turn on a second gate voltage (V gn) the pool to the ground level - to discharge the C gn is the gate capacitance of the by-off, a 1 N-type transistor (NTR1) - turned down to claim 1 N-type transistor (NTR1) .
다음으로 제2 기간(P2) 동안, 제2 스위치 제어 신호(Sn)의 풀-다운 및 제1 스위치 제어 신호(Sp)의 풀-업에 의해서, 부스팅 커패시터(Cs)의 일단이 부스팅 전압(Vboost)으로부터 제1 기준 전압(예를 들어, 그라운드 전압)으로 스위칭 연결된다. 따라서, 미드-레일 전압(Vs)이 만큼 풀-다운되고, 여기서 는 부스팅 커패시터(Cs)의 일단인 미드-레일 노드에서의 전하-재사용 커패시턴스 및 전체 기생 커패시턴스 사이의 비율(the ratio between the charge-recycling capacitance and total parasitic capacitance)이다.Next, during the second period P2, the pull-down of the second switch control signal S n and the pull-up of the first switch control signal S p cause one end of the boosting capacitor C s to be boosted Is switched and connected from a voltage (V boost ) to a first reference voltage (e.g., ground voltage). Therefore, when the mid-rail voltage V s is Down < / RTI > Is the ratio between the charge-reuse capacitance and the total parasitic capacitance at the mid-rail node, which is one end of the boosting capacitor (C s ).
다음으로 제3 기간(P3) 동안, 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)가 풀-다운되면, 제3 P-type 트랜지스터(PTR3)가 턴-오프되고 제3 N-type 트랜지스터(NTR3)가 턴-온됨으로써, 제1 P-type 트랜지스터(PTR1)의 게이트 커패시턴스인 Cgp 및 부스팅 커패시터(Cs) 사이의 전하 공유가 일어난다. 전하 공유 이후에, 미드-레일 전압(Vs)은 전압(Vp)과 동일하게 된다. 아래 수학식 1은 전하 보전의 법칙(the charge conservation law)으로부터 도출될 수 있다. 실시예에 따라, 입력 전압(Vin)은 제2 기준 전압(VDD)과 그 값이 동일할 수 있다.Next, during the third period P3, when the first PWM delay signal PWM pd is pulled down, the third P-type transistor PTR3 is turned off and the third N-type transistor NTR3 is turned - sharing causes charge sharing between the gating capacitance C gp and the boosting capacitor C s of the first P-type transistor PTR1. After charge sharing, the mid-rail voltage V s becomes equal to the voltage V p .
[수학식 1][Equation 1]
따라서, 전압(Vp)는 아래 수학식 2로 도출될 수 있다.Therefore, the voltage V p can be derived by the following equation (2).
[수학식 2]&Quot; (2) "
유사하게, 제4 기간(P4) 동안, 제1 PWM 지연 신호(PWMpd)가 풀-업됨에 따라, 커패시턴스(Cgp)가 제2 기준 전압인 VDD로 충전되고 제1 P-type 트랜지스터(PTR1)가 턴-오프된다.Similarly, during the fourth period P4, as the first PWM delay signal PWM pd is pulled up, the capacitance C gp is charged to the second reference voltage V DD and the first P-type transistor PTR1) is turned off.
다음으로 제5 기간(P5) 동안, 제1 스위치 제어 신호(Sp)의 풀-다운 및 제2 스위치 제어 신호(Sn)의 풀-업에 의해 부스팅 커패시터(Cs)의 일단이 제1 기준 전압으로부터 부스팅 전압(Vboost)으로 스위칭 연결되고, 이는 미드-레일 전압(Vs)을 만큼 풀-업시킨다.Next, during the fifth period P5, one end of the boosting capacitor C s is pulled up by the pull-down of the first switch control signal S p and the pull-up of the second switch control signal S n , Is switched from the reference voltage to the boosting voltage (V boost ), which causes the mid-rail voltage (V s ) Up.
다음으로 제6 기간(P6) 동안, 제2 PWM 지연 신호(PWMnd)가 풀-업되고, 제5 N-type 트랜지스터(NTR5)가 턴-오프되고 제5 P-type 트랜지스터(PTR5)가 턴-온됨으로써, 게이트 커패시턴스(Cgn)와 부스팅 커패시터(Cs) 사이에 전하 공유가 발생한다.Next, during the sixth period P6, the second PWM delay signal PWM nd is pulled up, the fifth N-type transistor NTR5 is turned off and the fifth P-type transistor PTR5 is turned - On, charge sharing occurs between the gate capacitance (C gn ) and the boosting capacitor (C s ).
유사하게, 전압(Vn)은 다음 수학식 3과 같이 도출될 수 있다.Similarly, the voltage V n may be derived as: < EMI ID = 3.0 >
[수학식 3]&Quot; (3) "
상술한 수학식 2 및 3을 통해서, 게이트 전압 스윙 레벨과 대응하게 되는 전압(Vp) 및 전압(Vn)은 부스팅 전압(Vboost)에 의해 제어될 수 있음을 확인할 수 있다. 부스팅 전압(Vboost)이 상승하면 전압(Vp)이 하강하고 전압(Vn)이 상승하며, 이는 곧 전력 모스펫 게이트 전압 스윙 레벨이 상승됨을 의미한다.It can be seen from
도 7은 부스팅 전압의 크기가 비교적 클 때의 게이트 전압 스윙 레벨을 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for explaining the gate voltage swing level when the magnitude of the boosting voltage is relatively large.
도 7을 참조하면, 도 6의 경우보다 부스팅 전압(Vboost)이 큰 값을 갖는 경우가 도시되어있다. 예견된 바와 마찬가지로, 도 6에 비해서 게이트 전압 스윙 레벨이 증가되었다.Referring to FIG. 7, there is shown a case where the boosting voltage V boost has a larger value than in the case of FIG. As predicted, the gate voltage swing level is increased compared to Fig.
부스팅 전압(Vboost)의 전압 레벨은, 부하 전류량을 모니터링함으로써 상황에 맞게 조정될 수 있다. 예를 들어, 더 무거운 부하 조건(heavier load condition)에서는 더 큰 전압 스윙 레벨이 허용될 수 있다.The voltage level of the boosting voltage (V boost ) can be adjusted to the situation by monitoring the amount of load current. For example, in a heavier load condition a larger voltage swing level may be tolerated.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 스위칭 손실을 비교하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 전도 손실을 비교하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 전체 손실을 비교하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 효율성을 비교하기 위한 도면이다.FIG. 8 is a diagram for comparing switching losses of a voltage converter according to an exemplary embodiment of the present invention and a conventional voltage converter. FIG. 9 is a graph illustrating a comparison between a switching loss of a voltage converter according to an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 10 is a diagram for comparing total losses of a voltage converter according to an embodiment of the present invention and a conventional voltage converter, FIG. 11 is a diagram illustrating a voltage converter according to an embodiment of the present invention, Voltage converter according to an embodiment of the present invention.
도 8 내지 11의 비교 실험을 위해서, 본 실시예의 전압 변환기(10)는, 예시적으로, 65nm CMOS 공정으로 설계되었다. 본 실시예에서 공급 전압은 3.3V, 출력 전압은 1.8V으로 설정되었으며, 스위칭 주파수는 8.4MHz로 설정되었다.For the comparison experiment of Figs. 8 to 11, the
도 8을 참조하면, 100mA 이하의 저부하 조건(the light load condition)에서, 본 실시예의 전압 변환기(10)는 종래의 전압 변환기에 비해서 81%까지 감소된 스위칭 전력을 소비하였다. 이러한 성과는 본 실시예 고유의 전하 재사용 기법 및 저전압 스윙 기법에 의해 달성될 수 있었다.Referring to FIG. 8, in the light load condition of 100 mA or less, the
도 9를 참조하면, 부하 조건이 저부하에서 고부하로 변화함에 따라, 스윙 제어 없이 전하 재사용만 하는 구조의 전압 변환기에서는 급격하게 증가하는 전도 손실을 보여준다. 이러한 전도 손실은 종래의 전압 변환기에 비해서도 더 높은 전체 손실을 야기하게 된다.Referring to FIG. 9, as the load condition changes from a low load to a high load, a voltage converter with a structure that only charges are reused without swing control shows an abruptly increasing conduction loss. This conduction loss leads to a higher total loss compared to conventional voltage converters.
전체 손실을 최적화하기 위해서, 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기(10)는 게이트 전압 스윙을 제어한다. 부하 전류가 100mA 이상으로 증가할 때에는, 전압 변환기(10)는 게이트 전압 스윙 레벨을 증가시킨다.To optimize the total loss, the
비록 이러한 방법에 의해 스위칭 손실이 다소 증가하게 되나 전도 손실이 매우 감소됨으로써, 도 10에서 도시된 바와 같이, 300mA 부하 조건에서 전체 손실이 27.5%만큼 감소하게 된다.Although this method increases the switching loss somewhat, the conduction loss is greatly reduced, so that the total loss is reduced by 27.5% under the 300 mA load condition, as shown in FIG.
도 11을 참조하면, 전압 변환기(10)의 효율이 서로 다른 부하 조건에서 측정되어 있다. 제안된 전압 변환기(10)는 종래의 전압 변환기에 비해서 24%까지 향상된 효율성을 보여준다.Referring to FIG. 11, the efficiency of the
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 변환기 및 종래의 전압 변환기의 성능을 비교하기 위한 도면이다.12 is a diagram for comparing the performance of a voltage converter according to an embodiment of the present invention and a conventional voltage converter.
도 12를 참조하면, 제1 테이블(Table I)에서 제안된 전압 변환기(10)의 성능과 종래의 전하 재사용 DC-DC 변환기의 성능을 요약 비교하고 있다. 본 실시예의 전압 변환기(10)는 92%의 피크 효율성(peak efficiency)과 50mA 부하 조건에서 85.8%의 저부하 효율성(light load efficiency)를 보여준다.Referring to FIG. 12, the performance of the
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are illustrative and explanatory only and are intended to be illustrative of the invention and are not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It is not. Therefore, those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent embodiments are possible without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
10: 전압 변환기
100: 전압 변환부
200: 게이트 구동부
300: 부스팅 전압 생성부
400: 제어 신호 생성부
500: PWM 신호 생성부10: voltage converter
100:
200: Gate driver
300: boosting voltage generating unit
400: control signal generating unit
500: PWM signal generating unit
Claims (17)
상기 제1 노드에 드레인 단자가 연결된 제1 N-type 트랜지스터; 및
상기 제1 P-type 트랜지스터의 제1 게이트 단자에 제1 게이트 전압을 인가하고, 상기 제1 N-type 트랜지스터의 제2 게이트 단자에 제2 게이트 전압을 인가하는 게이트 구동부를 포함하고,
상기 게이트 구동부는 부스팅 커패시터를 포함하고, 상기 부스팅 커패시터의 일단의 전압을 스위칭함으로써 상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압의 스윙 레벨을 제어하되,
상기 제1 노드의 전류를 피드백받아 상기 부스팅 커패시터의 일단에 제공되는 부스팅 전압을 생성하는 부스팅 전압 생성부를 더 포함하는,
전압 변환기.A first P-type transistor having a drain terminal connected to the first node;
A first N-type transistor having a drain terminal connected to the first node; And
And a gate driver for applying a first gate voltage to a first gate terminal of the first P-type transistor and applying a second gate voltage to a second gate terminal of the first N-type transistor,
Wherein the gate driver includes a boosting capacitor and controls a swing level of the first gate voltage and the second gate voltage by switching a voltage at one end of the boosting capacitor,
Further comprising a boosting voltage generator for receiving a current of the first node and generating a boosting voltage provided at one end of the boosting capacitor,
Voltage converter.
상기 제1 게이트 전압의 스윙 레벨 및 상기 제2 게이트 전압의 스윙 레벨은 상기 부스팅 전압의 크기에 비례하는,
전압 변환기.The method according to claim 1,
Wherein a swing level of the first gate voltage and a swing level of the second gate voltage are proportional to a magnitude of the boosting voltage,
Voltage converter.
상기 게이트 구동부는 상기 부스팅 커패시터의 일단에 연결되는 제1 스위치 및 제2 스위치를 더 포함하고,
상기 제1 스위치는 제1 스위치 제어 신호에 따라 상기 부스팅 커패시터의 일단과 제1 기준 전압을 연결하고,
상기 제2 스위치는 제2 스위치 제어 신호에 따라 상기 부스팅 커패시터의 일단과 상기 부스팅 전압을 연결하는,
전압 변환기.The method according to claim 1,
The gate driving unit may further include a first switch and a second switch connected to one end of the boosting capacitor,
The first switch connects a first reference voltage to one end of the boosting capacitor in accordance with a first switch control signal,
And the second switch couples the boosting voltage to one end of the boosting capacitor in accordance with a second switch control signal,
Voltage converter.
상기 게이트 구동부는 제1 PWM 지연 신호에 따라 제어되어 상기 제1 게이트 전압을 생성하는 제1 버퍼 및 제2 PWM 지연 신호에 따라 제어되어 상기 제2 게이트 전압을 생성하는 제2 버퍼를 더 포함하고,
상기 제1 버퍼의 저전압 제공단 및 상기 제2 버퍼의 고전압 제공단은 상기 부스팅 커패시터의 타단과 연결된,
전압 변환기.5. The method of claim 4,
Wherein the gate driver further comprises a first buffer controlled according to a first PWM delay signal to generate the first gate voltage and a second buffer controlled according to a second PWM delay signal to generate the second gate voltage,
The low voltage providing end of the first buffer and the high voltage providing end of the second buffer are connected to the other end of the boosting capacitor,
Voltage converter.
제1 PWM 신호 및 제2 PWM 신호를 입력받고, 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호에 따라 상기 제1 PWM 지연 신호, 상기 제2 PWM 지연 신호, 상기 제1 스위치 제어 신호, 및 상기 제2 스위치 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성부를 더 포함하는
전압 변환기.6. The method of claim 5,
The first PWM signal and the second PWM signal and outputs the first PWM delay signal, the second PWM delay signal, the first switch control signal, and the second PWM signal in accordance with the first PWM signal and the second PWM signal, 2 < / RTI > switch control signal
Voltage converter.
상기 제어 신호 생성부는
상기 제1 PWM 신호를 지연시켜 상기 제1 PWM 지연 신호를 생성하는 제1 딜레이 유닛;
상기 제1 PWM 신호를 반전시켜 제1 PWM 반전 신호를 생성하는 제1 인버터;
상기 제1 PWM 지연 신호의 엣지(edge)를 검출하여 제1 쇼트 펄스(short pulse)를 생성하는 제1 쇼트 펄스 생성기;
상기 제1 PWM 반전 신호의 엣지를 검출하여 제2 쇼트 펄스를 생성하는 제2 쇼트 펄스 생성기; 및
상기 제1 쇼트 펄스 및 상기 제2 쇼트 펄스를 입력받아 상기 제1 스위치 제어 신호를 생성하는 제1 RS 래치(RS latch)를 포함하는,
전압 변환기.The method according to claim 6,
The control signal generator
A first delay unit for delaying the first PWM signal to generate the first PWM delay signal;
A first inverter for inverting the first PWM signal to generate a first PWM inversion signal;
A first short pulse generator for detecting an edge of the first PWM delay signal to generate a first short pulse;
A second short pulse generator for detecting an edge of the first PWM inversion signal to generate a second short pulse; And
And a first RS latch (RS latch) receiving the first short pulse and the second short pulse to generate the first switch control signal.
Voltage converter.
상기 제어 신호 생성부는
상기 제2 PWM 신호를 지연시켜 상기 제2 PWM 지연 신호를 생성하는 제2 딜레이 유닛;
상기 제2 PWM 지연 신호를 반전시켜 제2 PWM 지연 반전 신호를 생성하는 제2 인버터;
상기 제2 PWM 지연 반전 신호의 엣지를 검출하여 제3 쇼트 펄스를 생성하는 제3 쇼트 펄스 생성기;
상기 제2 PWM 신호의 엣지를 검출하여 제4 쇼트 펄스를 생성하는 제4 쇼트 펄스 생성기; 및
상기 제3 쇼트 펄스 및 상기 제4 쇼트 펄스를 입력받아 상기 제2 스위치 제어 신호를 생성하는 제2 RS 래치를 더 포함하는,
전압 변환기.8. The method of claim 7,
The control signal generator
A second delay unit for delaying the second PWM signal to generate the second PWM delay signal;
A second inverter for inverting the second PWM delay signal to generate a second PWM delay inversion signal;
A third short pulse generator for detecting an edge of the second PWM delay inversion signal to generate a third short pulse;
A fourth short pulse generator for detecting an edge of the second PWM signal to generate a fourth short pulse; And
Further comprising a second RS latch which receives the third short pulse and the fourth short pulse and generates the second switch control signal,
Voltage converter.
상기 부스팅 전압 생성부는
상기 제1 노드의 전류를 센싱하여 선택 신호를 출력하는 전류 센서; 및
복수의 참조 전압 중 하나의 참조 전압을 상기 선택 신호에 따라 출력하는 멀티플렉서를 포함하고,
상기 부스팅 전압은 선택된 상기 하나의 참조 전압과 대응하는,
전압 변환기.The method according to claim 1,
The boosting voltage generator
A current sensor for sensing a current of the first node and outputting a selection signal; And
And a multiplexer for outputting one of the plurality of reference voltages according to the selection signal,
Wherein the boosting voltage corresponds to the one selected reference voltage,
Voltage converter.
상기 제1 버퍼는
상기 제1 PWM 지연 신호가 게이트 단자에 인가되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되는 제2 P-type 트랜지스터;
게이트 단자가 상기 제2 P-type 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제2 P-type 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되는 제2 N-type 트랜지스터;
게이트 단자가 상기 제2 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제1 P-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되는 제3 P-type 트랜지스터; 및
게이트 단자가 상기 제3 P-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제3 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 제3 N-type 트랜지스터를 포함하는,
전압 변환기.6. The method of claim 5,
The first buffer
A second P-type transistor in which the first PWM delay signal is applied to a gate terminal and the source terminal is connected to a high voltage providing terminal;
A second N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the second P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the second P-type transistor;
A third P-type transistor having a gate terminal connected to the drain terminal of the second P-type transistor, a source terminal connected to the high voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the gate terminal of the first P-type transistor; And
A third N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the third P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the third P- Including,
Voltage converter.
상기 제2 버퍼는
상기 제2 PWM 지연 신호가 게이트 단자에 인가되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되는 제4 P-type 트랜지스터;
게이트 단자가 상기 제4 P-type 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제4 P-type 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되는 제4 N-type 트랜지스터;
게이트 단자가 상기 제4 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되고, 소스 단자가 고전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제1 N-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되는 제5 P-type 트랜지스터; 및
게이트 단자가 상기 제5 P-type 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되고, 소스 단자가 저전압 제공단에 연결되고, 드레인 단자가 상기 제5 P-type 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 제5 N-type 트랜지스터를 포함하는,
전압 변환기.11. The method of claim 10,
The second buffer
A fourth P-type transistor in which the second PWM delay signal is applied to the gate terminal and the source terminal is connected to the high voltage providing terminal;
A fourth N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the fourth P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the fourth P-type transistor;
A fifth P-type transistor having a gate terminal connected to the drain terminal of the fourth P-type transistor, a source terminal connected to the high voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the gate terminal of the first N-type transistor; And
A fifth N-type transistor having a gate terminal connected to the gate terminal of the fifth P-type transistor, a source terminal connected to the low voltage providing terminal, and a drain terminal connected to the drain terminal of the fifth P- Including,
Voltage converter.
상기 제1 P-type 트랜지스터 및 상기 제1 N-type 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압에 따라 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 전압 변환부; 및
상기 출력 전압을 피드백받아 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부를 더 포함하는
전압 변환기.The method of claim 6, wherein
A voltage conversion unit including the first P-type transistor and the first N-type transistor and converting an input voltage into an output voltage according to the first gate voltage and the second gate voltage; And
And a PWM signal generator for generating the first PWM signal and the second PWM signal by feedback of the output voltage
Voltage converter.
상기 제1 N-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스를 제1 기준 전압으로 방전시키는 단계;
상기 제1 P-type 트랜지스터에 제1 게이트 전압을 공급하는 제1 버퍼와 상기 제1 N-type 트랜지스터에 제2 게이트 전압을 공급하는 제2 버퍼의 미드-레일 노드의 미드-레일 전압을 풀-다운시키는 단계;
상기 제1 P-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스와 전하 공유시킴으로써 상기 미드-레일 전압을 충전시키는 단계;
상기 제1 P-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스를 제2 기준 전압으로 충전시키는 단계;
상기 미드-레일 전압을 풀-업시키는 단계; 및
상기 제1 N-type 트랜지스터의 게이트 커패시턴스와 전하 공유시킴으로써 상기 미드-레일 전압을 방전시키는 단계를 포함하는
전압 변환 방법.And a first P-type transistor and a first N-type transistor each having a drain terminal connected to the first node, wherein the on / off state of the first P-type transistor and the first N-type transistor is controlled, To an output voltage, the method comprising:
Discharging the gate capacitance of the first N-type transistor to a first reference voltage;
Rail voltage of a mid-rail node of a first buffer supplying a first gate voltage to the first P-type transistor and a second buffer supplying a second gate voltage to the first N-type transistor, Down;
Charging the mid-rail voltage by sharing a charge with the gate capacitance of the first P-type transistor;
Charging a gate capacitance of the first P-type transistor to a second reference voltage;
Pulling up the mid-rail voltage; And
And discharging the mid-rail voltage by charge sharing the gate capacitance of the first N-type transistor
Voltage conversion method.
상기 전압 변환기는 상기 미드-레일 노드에 일단이 연결된 부스팅 커패시터를 더 포함하고,
상기 미드-레일 전압을 풀-다운시키는 단계는
상기 부스팅 커패시터의 타단의 전압을 상기 제1 기준 전압으로 스위칭함으로써 수행되는,
전압 변환 방법.14. The method of claim 13,
The voltage converter further includes a boosting capacitor connected at one end to the mid-rail node,
The step of pulling down the mid-rail voltage
And switching the voltage of the other end of the boosting capacitor to the first reference voltage,
Voltage conversion method.
상기 미드-레일 전압을 풀-업시키는 단계는
상기 부스팅 커패시터의 타단의 전압을 부스팅 전압으로 스위칭함으로써 수행되는,
전압 변환 방법.15. The method of claim 14,
The step of pulling up the mid-rail voltage
And switching the voltage of the other end of the boosting capacitor to a boosting voltage,
Voltage conversion method.
상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압의 스윙 레벨은 상기 부스팅 전압의 크기와 비례하는,
전압 변환 방법.16. The method of claim 15,
Wherein the swing level of the first gate voltage and the second gate voltage is proportional to the magnitude of the boosting voltage,
Voltage conversion method.
부하의 크기에 비례하여 상기 부스팅 전압의 크기를 결정하는 단계를 더 포함하는,
전압 변환 방법.17. The method of claim 16,
Further comprising determining the magnitude of the boosting voltage in proportion to the magnitude of the load.
Voltage conversion method.
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