KR101848449B1

KR101848449B1 - 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러

Info

Publication number: KR101848449B1
Application number: KR1020160141722A
Authority: KR
Inventors: 김형원; 박경한; 래그헵 아멧
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-04-13

Abstract

본 발명은 반도체칩에 필요한 전원을 공급해 주도록 반도체칩에 내장되는 On-chip 타입의 IC에 구성되는 전력제어 기능을 갖는 전압스케일러 회로로서, 넓은 전압 범위를 가지면서 지정된 목표출력전압으로 신속히 조정이 가능하도록 구성된 전압스케일러에 관한 것이다.
본 발명은, 반도체칩에 온칩형으로 내장되며, 디지털-아날로그 전환기(DAC) 구조를 포함하여 정교한 전압레벨로 목표 출력전압을 조정할 수 있도록 구성된 전압스케일러에 관한 것이다. 인덕터를 필요로 하지 않으며 커패시터 기반으로 구조되어 반도체칩에 On-Chip형으로 내장되는 IC에 구성되는 전력제어기능을 갖는 전압스케일러에 관한 것이다.

Description

이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러{Dynamic Voltage Scaler Based on Binary-Weighted Charge Redistribution Digital-to-Analog Converter}

본 발명은 반도체칩에 필요한 전원을 공급해 주도록 반도체칩에 내장되는 On-chip 타입의 IC에 구성되는 전력제어 기능을 갖는 전압스케일러 회로로서, 넓은 전압 범위를 가지면서 지정된 목표출력전압으로 신속히 조정이 가능하도록 구성된 전압스케일러에 관한 것이다.

보다 자세하게는, 반도체칩에 온칩형으로 내장되며, 디지털-아날로그 전환기(DAC) 구조를 포함하여 정교한 전압레벨로 목표 출력전압을 조정할 수 있도록 구성된 전압스케일러에 관한 것이다. 인덕터를 필요로 하지 않으며 커패시터 기반으로 구조되어 반도체칩에 On-Chip형으로 내장되는 IC에 구성되는 전력제어기능을 갖는 전압스케일러 회로에 관한 것이다.

최근 IoT 제품 개발과 웨어러블 장치 수요의 증가로 인해, 반도체칩들의 구동 전압이 점차 낮아지고 있으며 초전력의 요구가 높아지고 있다. 이를 만족시키기 위해 대부분의 저전력 반도체칩들에는 On-Chip 전력제어(Power Management) IC가 내장하고 있는 추세이다.

또한, 반도체칩을 다수의 파워도메인(Power domain)으로 나누어서 각 도메인별로 저전력 전원공급회로를 별도로 내장하고 있으며, 이에 도메인 별로 필요속도 및 전력에 맞게 전압크기를 스케일할 수있는 동적전압스케일러(Dynamic Voltage Scaler)를 요구하고 있다.

대표적인 전원공급 장치로는 LDO, 인덕터기반의 DC-DC 변환기, 스위치-커패시터 DC-DC 변환기가 있다. 그러나 LDO와 인덕터 기반의DC-DC 변환기는 On-Chip 형으로 구성하기에 적합하지 않다.

도 1은 종래의 일반적인 인덕터 기반의 DC-DC 변환기의 구조를 나타낸다. 도면을 참조하면, 인덕터 기반의 DC-DC 변환기는 좋은 효율을 얻기 위해서는 높은 Q(quality) Factor 가 요구되지만, 반도체칩 내장형 인덕터로는 높은 Q Factor를 얻기 매우 어려운 문제가 있다. 또한 반도체칩 내장형 인덕터의 크기는 작은 L의 경우에도 매우 크기가 크기 때문에 내장형 보다는 대부분 외부소자를 이용하여 구현하고 있다.

따라서 많은 수의 개별 전압 변환기를 필요로 하는 저전력 SoC에 적용하기 위해서는 많은 수의 외장형 인더터를 필요로 하는 문제가 발생한다. 이런 문제로 인해 외장형 인덕터 기반의 DC-DC 변환기로는 반도체칩의 많은 수의 power domain에 dynamic voltage scaler 기능을 구현하기는 매우 어렵다.

이에, 최근의 On Chip 타입에는 스위치-커패시터 DC-DC 변환기 형태의 회로가 많이 연구되고 있다. 다시말해, 스위치-커패시터 DC-DC 변환기는 다른 형태에 비해서 면적이 작고 전력소모가 적어서 반도체칩 내장형 전력제어 회로로서 많이 사용되고 있으며, 스위치-커패시터 DC-DC 변환기의 일반적인 구조는 레더, 딕슨, 병렬-직렬 등등 다양한 형태가 존재한다.

도 2는 반도체 내장형 전압변환기로 사용되는 스위치-커패시터 DC-DC 변환기를 도시한 것이다.

도시된 바를 참조하면, 스위치-커패시터 DC-DC 변환기는 면적이 인덕터 기반의 DC-DC 변환기보다 많이 작아서 on-chip 형태로 많이 쓰이며, 도시된 도면의 전압변환기의 구조는 병렬-직렬 구조로써 스위치-커패시터 DC-DC 변환기의 대표적인 예이다.

이러한 구조들은 단지 스위치와 커패시터로 구성되어 있어서 비교적 구조가 간단하고 커패시터의 power density가 인덕터보다 매우 높아서 저전력 저용량 온칩 전압스케일러(on-chip voltage scaler) 구현에 최적이다.

그러나, 일반적인 스위치-커패시터 DC-DC 변환기의 경우 입력전압과 스위치-커패시터의 Topology 구조로 인해 출력전압을 결정하게 되어서 목표 출력전압을 다이나믹하게 조정하기 어려운 단점이 있다.

다시말해, 이런 일반적인 구조는 정해진 한가지의 전압 레벨만 출력으로 나오게 되며, 도시된 바는 출력전압이 입력전압의 3배로 제공되도록 설계된 구조이다. 즉, 이러한 기존의 스위치-커패시터 DC-DC 변환기는 출력전압 조정이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 인덕터 기반의 DC-DC 변환기가 인덕터의 큰 면적으로 인해 on-chip 전압 변환기로 사용이 어려운 문제점과 필요한 다양한 출력전압을 얻기 어려운 스위치-커패시터 DC-DC 변환기의 문제점을 해결하여 목표 전압레벨을 미세 조절할 수 있고 전압변환을 신속하게 할 수 있는 동적전압스케일러(dynamic voltage scaler)를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체칩에 내장되는 IC에 구성되는 전압스케일러에 있어서, 이진 가중치 전하 재분배 구조를 사용하며, 원하는 목표전압 레벨에 해당되는 디지털 코드를 입력하면 해당 전압을 생성하여 출력하는 디지털-아날로그 변환기; 상기 출력된 전압을 부하회로부에 공급하는 출력스위치; 및 상기 출력스위치 및 부하회로부와 연결되며, 상기 디지털-아날로그 변환기에서 상기 부하회로부로 출력되는 전압을 인지하면서, 출력되는 전압이 목표전압 레벨 미만이 되면 상기 출력스위치를 제어하여 상기 디지털-아날로그 변환기에서 출력되는 전압의 레벨을 목표전압 레벨로 유지되도록 제어하는 디지털 컨트롤러;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러를 제시한다.

상기 디지털 컨트롤러에는 상기 디지털-아날로그 변환기에서 상기 부하회로부로 출력되는 전압을 인지하면서, 출력되는 전압이 목표전압 레벨 미만이 되면 상기 출력스위치의 스위치를 제어하는 S-R래치컨트롤러;가 구성된다.

또한, 상기 디지털 컨트롤러에는 상기 부하회로부의 전력소모 상태에 연동하여 상기 on 상태의 출력스위치의 off 시점을 제어하도록 구성된다.

또한, 상기 디지털 컨트롤러에는 상기 부하회로부의 전력소모 상태에 연동하여 지연값을 설정한 지연체인회로부가 구성되어, 부하회로부의 전력소모에 상태에 따라 상기 지연값을 달리 설정하여 상기 S-R래치컨트롤러에서 출력스위치를 off 시키는 시점을 제어하도록 구성된다.

본 발명인 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러에 의해 다음과 같은 효과를 달성할 수 있다.

첫번째로, 본 발명에 의한 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러 구성은 기존의 스위치-커패시터 DC-DC 전압변환기 대비하여 크기가 작아서 반도체칩 내장용 on-chip 전압스케일러로 구성이 가능하고, 디지털-아날로그 변환기의 단위 전압 해상도만큼 출력전압의 미세 전압 조정이 가능한 장점이 있다.

두번째로, 본 발명은 간단한 구조를 가지며 디지털-아날로그 변환기에서의 출력전압 레벨 재충전 동작이 간단하고, 부하회로부의 전력소모와 연동하여 전력소모가 일정하지 않을지라도 디지털-아날로그 변환기에서 일정한 출력전압을 유지할 수 있는 재충전 동작을 하도록 구성한 효과가 있으며, 전력소모가 적어서 저전력 IoT 제품이나 모바일용 SoC칩의 내장용 전압 스케일러로 적용하기에 매우 유용하다.

세번째로, 본 발명은 기존에 스위치-커패시터 DC-DC 전압변환기의 단점이라할 수 있는 출력 전압 조정이 자유롭지 못한 점을 크게 개선하여 다양한 목표 출력전압을 동적으로 조정하여 출력할 수 있도록 구성한 장점이 있다.

도 1은 종래의 일반적인 인덕터 기반의 DC-DC 변환기의 구조를 나타낸다.
도 2는 반도체 내장형 전압변환기로 사용되는 스위치-커패시터 DC-DC 변환기를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 3bit의 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러를 예로 도시하고 있다.
도면 5는 부하회로부로서 32-bit 가산기(Adder)를 구동하는 예를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명인 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.

본 발명은 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기(100)를 사용해서 다양한 출력전압 제공을 가능하게 하고, 일정하게 배열된 커패시터를 사용하여 반도체칩에 on-chip 형으로 내장되는 전압 스케일러를 구현하게 된다.

도 3은 본 발명의 전압 스케일러 구조를 나타낸다. 이 구조는 디지털-아날로그 변환기(DAC, 100), 출력 스위치(Output Switch, 200), 디지털 컨트롤러(Digital Controller, 300)와 부하회로부(400)로 구성된다.

상기 디지털-아날로그 변환기(100)는 이진 가중치 전하 재분배 구조를 사용하며, 이 구조는 원하는 출력 전압 레벨에 해당되는 디지털 코드를 입력하면 바로 출력 전압을 얻을 수 있다.

출력 스위치(200)는 생성된 출력 전압을 부하 회로부(400)에 공급하는 역할을 한다. 또한, 상기 디지털-아날로그 변환기(100)는 허용되는 출력 전압의 최대 전압 리플 (voltage ripple) 범위 내에서 출력전압을 부하회로부(400)로 공급할 수 있게 한다.

상기 출력 스위치(200)에 의해 디지털-아날로그 변환기(100)가 부하회로부(400)와 연결될 때 디지털-아날로그 변환기(100)의 내부 커패시터들은 부하회로부(400)에 전류를 공급하게 된다.

먼저, 상기 디지털-아날로그 변환기(100)의 내부 커패시터들의 전압이 목표전압레벨로 충전이 된후, 상기 디지털 컨트롤러(Digital Controller, 300)는 상기 출력스위치(400)를 on/off 제어하여 상기 부하회로부(400)로 상기 커패시터의 충전된 전압이 출력되어 인가되도록 구성된다.

시간이 지나면서, 상기 디지털-아날로그 변환기(100)의 내부 커패시터들의 출력전압이 낮아지면서 부하회로부(400)로의 출력전압의 값은 점차적으로 감소하게 된다.

이와 같이 감소한 출력전압 레벨이 목표 수준의 전압레벨 미만로 떨어지면 상기 디지털 컨트롤러(300)는 상기 출력스위치(400)를 on/off 제어하여 출력스위치를 차단한 후에 상기 디지털-아날로그 변환기(100)의 내부의 커패시터 배열을 재충전하도록 구성하게 되며, 이러한 동작은 반복적으로 실행하도록 구성된다.

보다 자세하게 설명하면, 본 발명의 전압스케일러의 디지털 컨트롤러(Digital Controller, 300)를 이용하여 상기 디지털-아날로그 변환기(100)의 내부에 배열된 커패시터를 재충전하는 동작은 다음과 같다.

상기 디지털 컨트롤러(Digital Controller, 300)는 출력스위치(200) 및 부하회로부(400)와 연결되며, 상기 디지털-아날로그 변환기(100)에서 출력되어 상기 부하회로부(400)로 출력되는 출력전압의 상태를 일정전압 레벨로 유지하도록 상기 출력스위치(200)를 on/off 제어하여, 상기 디지털-아날로그 변환기(100)에서 출력되는 전압의 레벨이 목표 출력전압 수준으로 유지되도록 제어하는 역할을 수행한다.

상기 디지털-아날로그 변환기(100)의 내부에 배열된 커패시터를 재충전하기 전에 상기 디지털 컨트롤러(Digital Controller, 300)에 의하여 부하회로부(400)와 연결된 출력스위치(200, output switch)를 끄고 재충전을 시작한다. 이 기간동안 디지털-아날로그 변환기(100)는 커패시터에 전하를 충전하게 되고 목표 출력전압 레벨을 Reset 동작없이 회복하게 된다. 그 결과 불필요한 에너지 소모를 줄일 수있는 효과가 있다.

본 발명의 디지털 컨트롤러(Digital Controller, 300)는 출력스위치(200)를 컨트롤하는 S-R 래치나 S-R 플립플롭 등의 레지스터 컨트롤러와 상기 레지스터 컨트롤러와 연결되는 지연체인회로부(Delay)가 포함되어 구성되고, 이것은 디지털-아날로그 변환기(100)와 부하회로부(400) 간의 출력 스위치(200)의 on/off 를 결정한다.

상기 레지스터 컨트롤러에 S-R입력신호는 start 신호와 지연체인회로부(Delay)를 통한 신호로 구성되며, 입력신호에 따라 출력되는 출력으로 상기 출력스위치(200)를 on/off 제어하게 된다.

상기 지연체인회로부(Delay)는 디지털-아날로그 변환기(100)에서 출력되어 상기 부하회로부(400)로 인가되는 전압의 레벨상태를 인지하게 된다.

상기 레지스터 컨트롤러와 상기 지연체인회로부(Delay)는, 부하회로부(400)로 출력되는 전압이 목표전압 레벨 미만이 되면 상기 출력스위치(200)를 제어하여 상기 디지털-아날로그 변환기에서 출력되는 전압의 레벨을 목표전압 레벨로 유지되도록 제어하는데, 이를 위해, 상기 지연체인회로부(Delay)에 지연값을 설정하게 되고, 상기 지연값은 부하회로부(400)의 소모 전력에 따라 그 값이 결정된다.

상기 지연체인회로부(Delay)의 지연값은 부하회로부(400)의 소모 전력에 반비례하는 관계를 가진다. 따라서, 부하회로부(400)가 높은 소모전력을 사용할 경우 지연값을 낮추어서 디지털 컨트롤러(300)가 짧은 지연시간 후에 출력스위치(200)를 끄고 디지털-아날로그 변환기(100)를 다시 충전시키는 과정을 빠르게 반복시킨다.

반면에, 부하회로부(400)가 낮은 소모전력을 사용할 경우, 상기 지연체인회로부(Delay)의 지연값을 높여서 긴 지연시간 후에 출력스위치(200)를 끄고 디지털-아날로그 변환기(100)를 다시 충전시킨다. 이와 같은 부하회로부(400)의 전력소모에 연동하여 디지털-아날로그 변환기(100)의 충전을 제어함으로써 출력전압 값을 목표 전압 수준에 유지시키는 역할을 한다.

상기 레지스터 컨트롤러는 상기 지연체인회로부(Delay)에 설정되는 지연값에 따라 출력되는 신호를 수신하면서 상기 출력스위치(200)로 전송되는 신호를 변환시켜 제어하면서 출력스위치(200)를 on/off 제어하게 된다.

상기 출력전압이 목표전압레벨 미만이 되는 상태를 검출하는 방법은 2가지 중 한가지로 구성한다. 한가지는 전압비교기를 이용하여 출력전압과 목표전압 레벨을 상시 비교하여 출력전압이 목표전압 대비 지정된 차이값 이상 낮아지는 상태를 감지하는 방법이다. 이 방법은 출력전압을 정확하게 측정하여 충전이 필요한 시점에 바로 충전이 가능하다는 장점이 있으나 복잡한 비교기 회로를 필요로 한다.

그러나 본 발명은 지연체인회로부를 사용하여 부하회로부(400)가 동작시작한 후 부하회로부의 상태에 맞게 지정된 지연값에 따른 지연시간 후에 출력전압이 목표전압보다 낮아진 것으로 추정하는 방법으로 회로가 간단한 장점이 있다.

상기 출력 스위치(200)를 차단(off)하는 동작은 다음 2가지의 목적으로 구동된다. 첫번째 목적은 만약 부하 회로부(400)가 동작하지 않는 슬립모드(Sleep mode)로 전환되는 경우에는 출력 스위치(200)를 바로 차단하여 출력 전압을 회복시키는 목적으로 차단한다.

두번째 목적은 만약 부하회로부(400)가 일반동작 모드(active mode) 중에 출력전압이 지정된 전압수준 미만으로 하락할 경우 이를 지연체인회로부(Dealy)를 이용하여 부하 회로부(400)의 상태를 파악하여 동작을 제어하면서 출력 스위치(200)를 차단한다. 이와 같이 출력 스위치가(200) 차단된 동안 본 발명의 전압 스케일러는 디지털-아날로그 변환기(100)를 통해 커패시터를 충전하여 출력 전압이 다시 목표출력전압 레벨을 회복하도록 한다.

즉, 상기 이진가중치 전하 재분배 구조를 사용한 디지털-아날로그 변환기(100)를 이용한 본 발명의 다이나믹 전압 스케일러는 일반적인 전압 변환기와 달리 출력 전압을 쉽게 조정할 수 있는 회로 구성을 갖는다.

도 4는 본 발명에 의한 3bit의 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러를 예로 도시하고 있다.

도시된 바를 참조하면, 먼저 Reset 신호가 인가되어 커패시터의 초기값을 결정하게 된다. 그 이후, 원하는 출력전압을 얻기 위해서 디지털-아날로그 변환기(100)에 디지털 코드값을 입력하게 되면 디지털 코드값에 해당하는 아날로그 출력전압을 얻을 수 있다.

이 경우, 도시된 기준전압 VREF 전압이 1.2V로 가정 했을 때 출력전압은 0 ~ 1.05V의 출력전압을 얻을 수 있다. 디지털 코드값이 "001" 일때 출력 전압은 150 mV 얻게 되고, 디지털 코드값이 "101"일 때 750 mV 전압값을 얻게 된다. 이렇게 출력전압의 레벨을 스케일(scale)할때 단순히 디지털 코드만 입력하게되면 쉽게 원하는 출력전압을 얻을 수가 있게 된다.

상기 예에서는 3bit의 제어입력을 이용하여 총 8가지의 전압 레벨을 얻을 수 있다. 예를 들어 VREF이 1.2V일 경우, 상기 8가지 선택가능한 전압레벨의 예를 표1에서 나타내고 있다. 본 발명은 디지털 코드입력에 따라서 출력전압을 빠른 속도로바로 조정할 수 있어서 다양한 전압레벨을 쉽게 얻을 수 있는 효과가 있다.

디지털코드	출력전압(VREF=1.2V)
000	0 V
001	150 mV
010	300 mV
011	450 mV
100	600 mV
101	750 mV
110	900 mV
111	1.05 v

도면 5는 부하회로부로서 32-bit 가산기(Adder)를 구동하는 예를 나타내는 도면이다. 이와 같이 디지털-아날로그 변환기(100)에 디지털 코드를 입력하여 부하회로부(400)에 공급하고자 하는 목표 전압을 제공하면, 부하 회로인 32-비트 가산기가 동작을 하면서 출력전압 레벨이 점차 하락하게 된다.

참고적으로, 32-bit 가산기(Adder)의 입력단은 32bit A port와 32bit B port, 그리고 Cin 이며, 출력단은 32bit S port와 Cout 이다. 앞서 도 4에는 출력단 S port는 생략하고 Cout만 도시한 것이다.

상기와 같이 하락된 출력 전압을 원래 목표 전압으로 회복하기 위해서 본 발명은 출력 스위치(200)를 차단하여 디지털-아날로그 변환기(100)의 커패시터들을 재충전하여 출력전압을 높이는 동작을 반복하게 된다.

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.

100 :디지털-아날로그 변환기 200: 출력스위치
300: 디지털 컨트롤러 400: 부하회로부

Claims

반도체칩에 내장되는 IC에 구성되는 전압스케일러에 있어서,
이진 가중치 전하 재분배 구조를 사용하며, 원하는 목표전압 레벨에 해당되는 디지털 코드를 입력하면 해당 전압을 생성하여 출력하는 디지털-아날로그 변환기;
상기 출력된 전압을 부하회로부에 공급하는 출력스위치; 및
상기 출력스위치 및 부하회로부와 연결되며, 상기 디지털-아날로그 변환기에서 상기 부하회로부로 출력되는 전압이 목표전압 레벨 미만이 되면, 상기 출력스위치를 제어하여 상기 디지털-아날로그 변환기에서 출력되는 전압의 레벨을 목표전압 레벨로 유지되도록 제어하는 디지털 컨트롤러;를 포함하며,
상기 디지털 컨트롤러에는,
상기 디지털-아날로그 변환기에서 출력되어 상기 부하회로부로 인가되는 전압의 레벨상태를 인지하는 지연체인회로부; 및
상기 출력스위치를 제어하는 레지스터 컨트롤러가 구성되며,
상기 레지스터 컨트롤러에 입력신호는 start신호(R신호)와 지연체인회로부를 통한 신호(R신호)로 구성되며, 입력신호에 따라 출력되는 출력으로 상기 출력스위치를 on/off 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 지연체인회로부는,
상기 부하회로부의 전력소모 상태에 연동하여 지연값을 달리 설정하도록 구성되어, 부하회로부의 전력소모에 상태에 따라 상기 지연값을 달리 설정하여 상기 레지스터 컨트롤러에 신호를 전송하도록 함으로써, 상기 레지스터 컨트롤러에서 출력스위치를 off 시키는 시점을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기를 이용한 다이나믹 전압 스케일러.