KR102014523B1 - 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 실시예는, 벅 컨버터에 있어서, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식에 따라 PMOS 스위치(MP) 및 NMOS 스위치(MN)의 스위칭 동작을 제어함으로써 입력전압 VX를 공급하는 전력 공급회로; 상기 전력 공급회로와 출력전압이 출력되는 출력단 사이에 연결되어 충전 및 방전을 반복함으로써 상기 출력전압을 조절하는 인덕터 L; 상기 인덕터 L 양단에 접속되어 양단 전압차를 측정하는 제 1 비교기 Comp1; 상기 NMOS 스위치(MN)가 온 상태인 동안 생성되는 삼각파 신호 Vramp를 기준전압 Vzero와 비교하여 상기 인덕터 L에 흐르는 전류가 0(이하, “제로 전류”라 칭함)이 되는 시점을 감지하는 제로 전류 추적기를 포함하되, 상기 제로 전류 추적기는, 상기 PMOS 스위치(MP) 및 상기 NMOS 스위치(MN)가 교대로 온오프되는 스위칭 주기마다, 상기 벅 컨버터의 상태를 고려하여 상기 기준전압 Vzero의 크기를 증가 또는 감소시킴으로서 상기 제로 전류의 감지시점을 조절하는 벅 컨버터를 제공한다.

Description

제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터{BUCK CONVERTER WITH ZERO CURRENT TRACKER}
본 발명은 벅 컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 벅 컨버터의 정상상태 및 과도상태에서 제로 전류의 추적속도를 달리하는 제로 전류 추적기에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
벅 컨버터(Buck Converter)는 인덕터에 에너지를 충전하는 단계와 충전된 에너지를 부하로 방전하는 단계를 반복함으로써, 입력 직류 전압을 감압하여 원하는 직류 전압을 출력하는 장치이다.
벅 컨버터는 인덕터 전류의 연속성에 따라 연속 전류 모드(Continuous Current Mode: CCM) 및 불연속 전류 모드(Discontinuous Current Mode: DCM) 중 어느 하나로 동작한다. 벅 컨버터가 연속 전류 모드(CCM)로 동작하는 경우, 인덕터 전류는 '0' 이하로 내려가지 않고 연속적으로 부하로 공급된다. 그러나, 벅 컨버터가 불연속 전류 모드(DCM)로 동작하는 경우, 커패시터에 의해 전류가 공급되어 인덕터 전류가 '0' 이하로 내려가는 구간이 발생하는데, 이 구간에서 인덕터가 에너지를 소모하므로 벅 컨버터의 에너지 효율이 감소하는 문제가 발생한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 인덕터 전류가 '0'(이하, “제로 전류”라 칭함)이 되는 순간, 파워 스위치를 오프(OFF)시켜 에너지 손실을 방지하는 방법이 제안되었으며, 그 예로서 프리휠링 스위치를 이용한 제로 전류 감지기가 있다.
기존의 프리휠링 스위치를 이용한 제로 전류 감지기는 인덕터 양단의 전압 차를 측정함으로써 제로 전류를 감지한다. 그리고, 제로 전류가 감지된 경우, 제로 전류 감지기는 비교기(voltage comparator)를 통해 파워 스위치를 오프시키기 위한 제어신호를 출력한다.
그런데, 공정상의 미스매치(miss match)로 인해 발생되는 비교기의 입력 오프셋(input offset) 등에 의하여 제로 전류가 발생된 시점과 제어신호가 출력되는 시점 사이에 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 제로 전류 감지기는 이와 같은 오차를 제거하기 위하여 비교기의 기준전압(이하, “기준전압”이라 칭함)을 증가 또는 감소시킴으로써 제어신호의 출력시점을 조절하는 제로 전류 추적 동작을 수행한다.
제로 전류 감지기는 회로의 안정성을 위해 기준전압을 아주 미세하게 증가 또는 감소시키는데, 이 경우 제로 전류의 발생시점이 크게 변하는 과도상태에서 제로 전류 추적 시간이 증가하므로 인덕터 역전류에 의한 에너지 손실이 증가되는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예는 정상상태 및 과도상태에서 제로 전류 감지신호를 출력하는 비교기의 기준전압의 증감 크기를 서로 다르게 제어하는 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터를 제공하고자 한다.
본 실시예에 의하면 벅 컨버터에 있어서, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식에 따라 PMOS 스위치(MP) 및 NMOS 스위치(MN)의 스위칭 동작을 제어함으로써 입력전압 VX를 공급하는 전력 공급회로; 상기 전력 공급회로와 출력전압이 출력되는 출력단 사이에 연결되어 충전 및 방전을 반복함으로써 상기 출력전압을 조절하는 인덕터 L; 상기 인덕터 L 양단에 접속되어 양단 전압차를 측정하는 제 1 비교기 Comp1; 상기 NMOS 스위치(MN)가 온 상태인 동안 생성되는 삼각파 신호 Vramp를 기준전압 Vzero와 비교하여 상기 인덕터 L에 흐르는 전류가 0(이하, “제로 전류”라 칭함)이 되는 시점을 감지하는 제로 전류 추적기를 포함하되, 상기 제로 전류 추적기는, 상기 PMOS 스위치(MP) 및 상기 NMOS 스위치(MN)가 교대로 온오프되는 스위칭 주기마다, 상기 벅 컨버터의 상태를 고려하여 상기 기준전압 Vzero의 크기를 증가 또는 감소시킴으로서 상기 제로 전류의 감지시점을 조절하는 벅 컨버터를 제공한다.
본 실시예에 따른 벅 컨버터는, 정상상태 및 과도상태에서 제로 전류 감지신호를 출력하는 비교기 기준전압의 증감 크기를 서로 다르게 제어함으로써, 정상상태에서는 회로의 안정성을 유지하고, 과도상태에서는 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 2a는 종래기술에 따른 제로 전류 추적기가 제로 전류를 감지하는 시점이 빠를 때의 동작을 나타내는 도면이다.
도 2b는 종래기술에 따른 제로 전류 추적기가 제로 전류를 감지하는 시점이 느릴 때의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 Coarse_EN 신호 발생회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기의 기준전압의 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터의 Coarse-Fine 모드 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부,' '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예들에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 종래기술에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 벅 컨버터(100)는 전력 공급회로(110), 전력 공급회로(110)와 출력전압 VOUT이 출력되는 출력단 사이에 연결된 인덕터 L, 상기 인덕터 L 양단에 접속되어 상기 전력 공급회로(110)로부터 출력되는 SWF 신호에 따라 온오프되는 프리휠링 스위치(MF) 및 제로 전류 감지신호인 Izero 신호를 출력하는 제로 전류 감지기(Zero current sensor, 130)를 포함한다.
전력 공급회로(110)는, 출력전압(VOUT), 기준전압(VREF) 및 제로 전류 감지부(130)로부터 출력되는 Izero 신호에 따라 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식으로 파워 스위치(즉, PMOS 스위치(MP)와 NMOS 스위치(MN)) 및 프리휠링 스위치(MF)를 제어하는 PWM 제어기(PWM controller)를 포함한다.
또한, 전력 공급회로(110)는, 일단에 전원 VDD가 인가되고 타단은 인덕터 L에 접속되어 SWP 신호에 따라 스위칭 동작하는 PMOS 스위치(MP) 및 일단은 인덕터 L에 접속되고 타단은 접지되어 SWN 신호에 따라 스위칭 동작하는 NMOS 스위치(MN)를 포함한다. 여기서, SWP 및 SWN 신호는 PWM 제어기(PWM controller)로부터 출력되는 스위치 온오프 제어신호를 의미한다.
PMOS 스위치(MP)가 온(ON) 상태인 경우, 인덕터 L에 전류가 저장된다. 반대로, PMOS 스위치(MP)가 오프(OFF)되고 NMOS 스위치(MN)가 온 상태인 경우, 인덕터 L의 전류는 방전되는데, 이 때 제로 전류 감지부(130)가 동작한다.
제로 전류 감지부(130)는, 입력전압 VX가 인가되는 인덕터 L 양단에 접속되어 양단의 전압차를 측정하는 제 1 비교기(Comp1) 및 기준전압(Vzero)을 조절하여 제로 전류를 추적하는 제로 전류 추적기(Zero current tracker)를 포함한다.
제로 전류 추적기(Zero current tracker)는, 제로 전류 감지신호인 Izero 신호를 출력하는 제 2 비교기(Comp2), 삼각파 신호 생성회로(Vramp generating circuit, 131) 및 기준전압 생성회로(Vzero generating circuit, 133)를 포함한다.
삼각파 신호 생성회로(131)는, 제 2 비교기(Comp2)의 비반전단자에 접속된 커패시터 C1, 전압 VDD 인가단과 제 2 비교기(Comp2)의 비반전단자 사이에 형성되어 IS1 전류원이 커패시터 C1을 충전하도록 SWN 신호에 따라 스위칭 동작하는 제 1 스위치(S1)를 포함한다. 또한, 삼각파 신호 생성회로(131)는, 제 2 비교기(Comp2)의 비반전단자와 접지 사이에 형성되어 커패시터 C1이 방전되도록 제 1 스위치(S1)와 교대로 온오프되는 제 2 스위치(S2)를 포함한다. 여기서, 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)는 PWM 제어기에 연결된 NMOS 스위치(MN)와 같은 종류의 스위치로 구현되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 삼각파 신호 생성회로(131)는 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)를 이용하여 커패시터 C1의 충전 및 방전을 반복함으로서 삼각파 신호(Vramp)를 생성한다.
기준전압 생성회로(133)는, 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자에 접속된 커패시터 C2, 전압 VDD 인가단과 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자 사이에 형성되어 IS2 전류원이 커패시터 C2를 충전하도록 제 1 비교기로부터 출력되는 UP 신호와 클럭 펄스신호(CLKpulse)에 따라 스위칭 동작하는 제 3 스위치(S3)를 포함한다. 또한, 기준전압 생성회로(133)는, 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자와 접지 사이에 형성되어 IS2 전류원이 커패시터 C2를 방전시키도록 제 3 스위치(S3)와 교대로 온오프되는 제 4 스위치(S4)를 포함한다.
이와 같이, 기준전압 생성회로(133)는 제 3 및 제 4 스위치(S3, S4)를 이용하여 커패시터 C2의 충전 및 방전을 반복함으로써 기준전압(Vzero)을 생성한다.
제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 SWN 신호, UP 신호 및 CLKpulse 신호를 입력받아 Izero 신호를 출력한다. 구체적으로, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)의 제 2 비교기(Comp2)는 삼각파 신호(Vramp)가 비교전압(Vzero)에 도달했을 때(즉, 'Vramp=Vzero'), 하이 레벨의 Izero 신호를 출력한다.
제로 전류 추적기(Zero current tracker)는, 프리휠링 스위치(MF)에 흐르는 전류의 방향을 확인하여 기준전압(Vzero)을 증가 또는 감소시킴으로써, Izero 신호의 출력시점을 제로 전류의 발생시점과 최대한 근접하도록 조절하는 제로 전류 추적과정을 수행한다. 이하, 도 2를 참조하여, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)의 제로 전류 추적과정을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a는 종래기술에 따른 제로 전류 추적기가 제로 전류를 감지하는 시점이 빠를 때의 동작을 나타내는 도면이고, 도 2b는 종래기술에 따른 제로 전류 추적기가 제로 전류를 감지하는 시점이 느릴 때의 동작을 나타내는 도면이다.
우선, 도 2a를 참조하면, Izero 신호는, 삼각파 신호(Vramp)가 비교전압(Vzero)에 도달했을 때(즉, 'Vramp=Vzero'), 하이 레벨로 출력된다. 이 때, 하이 레벨의 Izero 신호는 NMOS 스위치(MN)를 오프시킴(즉, SWN='High→Low')과 동시에 프리휠링 스위치(MF)를 온시키는(즉, SWF='Low→High') 역할을 한다.
프리휠링 스위치(MF)가 온되었을 때, 인덕터의 잔류 전류(residual IL)는 프리휠링 스위치(MF)로 흐르면서 VX와 VOUT 양단에 연결된 제 1 비교기(Comp1)의 UP 신호를 하이 레벨로 출력시킨다. 이 때, 출력된 하이 레벨의 UP 신호는 기준전압(Vzero)을 증가시켜 다음 번 Izero 신호의 발생시점을 늦춘다(즉, NMOS 스위치(MN)의 오프 시점을 늦춤).
결과적으로, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 증가된 기준전압(Vzero)을 이용하여 제로 전류의 감지시점을 늦춤으로써 제로 전류를 보다 정확하게 추적할 수 있다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, 하이 레벨의 Izero 신호에 따라 프리휠링 스위치(MF)가 온되었을 때, 인덕터의 역전류(reverse IL)는 프리휠링 스위치(MF)로 흐르면서 VX와 VOUT 양단에 연결된 제 1 비교기(Comp1)의 UP 신호를 로우 레벨로 출력시킨다. 이 때, 출력된 로우 레벨의 UP 신호는 기준전압(Vzero)을 감소시켜 다음 번 Izero 신호의 발생시점을 앞당긴다(즉, NMOS 스위치(MN)의 오프 시점을 앞당김).
결과적으로, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 감소된 기준전압(Vzero)을 이용하여 제로 전류의 감지시점을 앞당김으로써 제로 전류를 보다 정확하게 추적할 수 있다.
이상을 정리하면, 기존의 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 기준전압(Vzero)을 증가 또는 감소시켜 Izero 신호의 발생시점을 조절함으로써 제로 전류를 추적한다.
그런데, 기존의 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 회로의 안정성을 위하여 기준전압(Vzero)을 미세하게 증가 또는 감소시킨다. 그러나, 부하전류 또는 출력전압이 크게 변하는 과도상태에서는 제로 전류의 발생시점도 크게 변하므로, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 제로 전류를 보다 정확하게 추적하기 위하여 기준전압(Vzero)을 크게 증가 또는 감소시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예는 벅 컨버터의 정상상태 및 과도상태에서 기준전압(Vzero)의 증감 크기를 다르게 조절하는 제로 전류 추적기(Zero current tracker)를 제안하고자 한다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터를 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터를 나타내는 도면이다.
벅 컨버터(300)는 불연속 전류 모드(DCM)에서 매 스위칭 주기마다 세 단계의 동작을 반복해서 수행한다.
구체적으로, 제 1 단계는, PMOS 스위치(MP)는 온(ON) 및 NMOS 스위치(MN)는 오프(OFF) 상태에서, 인덕터 L에 외부 전력원이 연결되어 에너지가 충전되는 단계이다. 이 단계에서, 외부 전력에 의한 인덕터 전류(IL)는 커패시터 COUT 및 부하(load, 미도시)로 흘러 커패시터 COUT을 충전시키고 부하에 전력을 공급한다.
제 2 단계는, PMOS 스위치(MP)는 오프 및 NMOS 스위치(MN)는 온 상태에서, 인덕터 L에 외부 전력원이 차단되고 접지 전위가 연결되어 에너지가 방전되는 단계이다. 이 단계에서, 인덕터 L에 저장된 에너지에 의한 인덕터 전류(IL)는 커패시터 COUT 및 부하(load, 미도시)로 흘러 커패서터 COUT을 충전시키고 부하에 전력을 공급한다.
제 3 단계는, PMOS 스위치(MP) 및 NMOS 스위치(MN)가 모두 오프 상태에서, 인덕터 L에 외부 전력원 및 접지 전위가 모두 차단되어 커패시터 COUT에 충전된 에너지만으로 부하에 전력이 공급되는 단계이다. 이 단계에서 프리휠링 스위치(MF)는 온 상태가 된다.
PWM 제어기(PWM controller)는, 매 스위칭 주기마다, 출력전압(VOUT) 및 기준전압(VREF)을 기초로 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식으로 제 1 단계 구간을 결정하여, PMOS 스위치(MP)의 제어를 위한 SWP 신호를 생성한다. 여기서, 기준전압(VREF)은, 예컨대 반도체 물성에 기반한 밴드-갭 기준전압(Band-gap reference voltage)을 이용하여 생성될 수 있다.
그리고, PWM 제어기(PWM controller)는, 제 1 단계 구간의 종료시점부터 제 3 단계 구간의 시작시점까지의 제 2 단계 구간 동안, NMOS 스위치(MN)의 제어를 위한 SWN 신호를 생성한다. 여기서, 제 3 단계 구간의 시작시점은 Izero 신호의 발생시점이 된다.
벅 컨버터(300)는 입력전압 VX의 상태를 보고 다음 스위칭 주기에 적용될 제 2 단계 구간의 폭, 즉 Izero 신호의 발생시점을 결정한다. 제 2 단계 구간의 폭이 정착(settling) 되기까지는 몇 차례의 스위칭 주기들이 필요한데, 출력전압(VOUT)이 크게 변하는 과도상태에서는 Izero 신호의 발생시점을 크게 조절하는 것이 제 2 단계 구간의 폭의 정착시간을 줄이고 인덕터 역전류에 의한 에너지 손실을 최소화하는데 도움이 된다.
따라서, 본 실시예는, 정상상태 및 과도상태에서 기준전압(Vzero)의 증감 크기를 다르게 조절하는, 'Coarse 모드' 및 'Fine 모드'를 지원하는 제로 전류 추적기(Zero current tracker)가 구비된 벅 컨버터를 제안한다.
본 실시예에 따른 벅 컨버터(300)는, 도 1을 참조하여 전술한 벅 컨버터(100)와는 제로 전류 추적기(Zero current tracker)에 있어서 차이가 있으며, 도 1과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하거나 간략히 하기로 한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 벅 컨버터(300)는 PWM 제어기(PWM controller)를 포함하는 전력 공급회로(310), 전력 공급회로(310)와 출력전압 VOUT의 출력단 사이에 연결된 인덕터 L, 상기 인덕터 L 양단에 연결된 프리휠링 스위치(MF) 및 상기 인덕터 L 양단에 연결된 제로 전류 감지기(Zero current sensor, 330)를 포함한다.
전력 공급회로(310)는, PWM 제어기(PWM controller)의 제어 하에 파워 스위치(즉, PMOS 스위치(MP) 및 NMOS 스위치(MN))를 교대로 온오프함으로써 인덕터 L에 입력전압 VX를 공급한다.
PMOS 스위치(MP)가 온(ON)되고 NMOS 스위치(MN)가 오프(OFF) 상태인 경우, 인덕터 L에 전류가 저장된다.
PMOS 스위치(MP)가 오프되고 NMOS 스위치(MN)가 온 상태인 경우, 인덕터 L의 전류는 방전되는데, 이 때 제로 전류 감지기(330)가 동작한다.
PMOS 스위치(MP)와 NMOS 스위치(MN)가 모두 오프 상태인 경우, 프리휠링 스위치(MF)가 온 되면서 인덕터 전류가 프리휠링 스위치(MF)를 통해 흐르게 된다.
제로 전류 감지기(330)는, 인덕터 L 양단에 접속되어 양단의 전압차를 측정하는 제 1 비교기(Comp1) 및 기준전압(Vzero)을 조절하여 제로 전류를 추적하는 제로 전류 추적기(Zero current tracker)를 포함한다.
제로 전류 추적기(Zero current tracker)는, 제로 전류 감지신호인 Izero 신호를 출력하는 제 2 비교기(Comp2), 삼각파 신호 생성회로(Vramp generating circuit, 331) 및 기준전압 생성회로(Vzero generating circuit, 333)를 포함한다.
삼각파 신호 생성회로(331)는, 제 2 비교기(Comp2)의 비반전단자에 접속된 커패시터 C1, 전압 VDD 인가단과 제 2 비교기(Comp2)의 비반전단자 사이에 형성된 제 1 스위치(S1) 및 제 2 비교기(Comp2)의 비반전단자와 접지 사이에 형성되어 제 1 스위치(S1)와 교대로 온오프되는 제 2 스위치(S2)를 포함한다.
PWM 제어기(PWM controller)로부터 출력된 SWN 신호에 따라 제 1 스위치(S1)가 온 상태가 되는 경우, 커패시터 C1은 IS1 전류원에 의해 충전된다. 반대로, 제 1 스위치(S1)는 오프 및 제 2 스위치(S2)는 온 상태가 되는 경우, 커패시터 C1은 방전된다.
이와 같이, 삼각파 신호 생성회로(331)는 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)를 이용하여 커패시터 C1의 충전 및 방전을 반복함으로서 삼각파 신호(Vramp)를 생성한다. 여기서, 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)는 PWM 제어기에 연결된 NMOS 스위치(MN)와 같은 종류의 스위치로 구현되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
기준전압(Vzero) 생성회로는, 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자에 접속된 커패시터 C2, 전압 VDD 인가단과 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자 사이에 형성된 제 3 스위치(S3) 및 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자와 접지 사이에 형성되어 제 3 스위치(S3)와 교대로 온오프되는 제 4 스위치(S4)를 포함한다.
제 1 비교기(Comp1)로부터 출력된 UP 신호 및 클럭 펄스신호(CLKpulse)에 따라 제 3 스위치(S3)가 온 상태가 되는 경우, 커패시터 C2는 ISF 전류원에 의해 충전된다. 반대로, 제 3 스위치(S3)가 오프되고 제 4 스위치(S4)가 온 상태가 되는 경우, 커패시터 C2는 ISF 전류원에 의해 방전된다.
기준전압(Vzero) 생성회로는, 전압 VDD 인가단과 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자 사이에 형성된 제 5 스위치(S5) 및 제 2 비교기(Comp2)의 반전단자와 접지 사이에 형성되어 제 5 스위치(S5)와 교대로 온오프되는 제 6 스위치(S6)를 포함한다.
Coarse_EN 신호, UP 신호 및 클럭 펄스신호(CLKpulse)에 따라 제 5 스위치(S5)가 온 상태가 되는 경우, 커패시터 C2는 ISC 전류원에 의해 충전된다. 반대로, 제 5 스위치(S5)가 오프되고 제 6 스위치(S6)가 온 상태가 되는 경우, 커패시터 C2는 ISC 전류원에 의해 방전된다.
이하, 벅 컨버터의 과도상태 및 정상상태에서, 제 3 내지 제 6 스위치의 제어를 통해 기준전압(Vzero)의 증감 크기를 다르게 조절하는, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)의 'Coarse 모드' 및 'Fine 모드'에 대해 설명하기로 한다.
Coarse 모드(과도상태)
벅 컨버터의 과도상태에서, 제로 전류 추적기는 기준전압(Vzero)을 정상상태의 경우보다 크게 조절하여 Izero 신호의 발생시점을 크게 변경하면서 제로 전류를 추적하는 'Coarse 모드'(즉, Coarse_EN='High')로 동작한다. Coarse-Fine 모드 제어회로는 벅 컨버터의 과도상태 여부에 따라 기준전압(Vzero) 생성회로의 스위치를 제어하기 위한 Coarse_EN 신호를 출력한다. Coarse-Fine 모드 제어회로 및 그 동작방법에 대해서는 도 4를 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.
(1) UP 신호가 하이 레벨인 경우 - 기준전압(Vzero) 크게 증가
하이 레벨의 UP 신호는 제 3 스위치(S3)를 온시키므로, ISF 전류원이 커패시터 C2를 충전시킨다. 또한, 하이 레벨의 Coarse_EN 신호 및 하이 레벨의 UP 신호는 제 5 스위치(S5)를 온시키므로, ISC 전류원이 커패시터 C2를 충전시킨다. 커패시터 C2는 ISF 및 ISC 전류원에 의해 충전되므로, 후술할 'Fine 모드' 동작시보다 기준전압(Vzero)이 크게 증가된다.
따라서, 생성속도가 일정한 삼각파 신호(Vramp)가 기준전압(Vzero)과 같아지는 시점, 즉 Izero 신호의 발생시점은 이전 스위칭 주기에 비해 크게 늦어지게 된다. 도 3의 (b)를 참조하면, 제 2 단계 구간(즉, 하이 레벨의 SWN 신호가 출력되는 Izero 신호의 생성시점까지의 구간)의 길이가 ΔtC(=t2-t1) 만큼 증가했음을 확인할 수 있다.
(2) UP 신호가 로우 레벨인 경우 - 기준전압(Vzero) 크게 감소
로우 레벨의 UP 신호는 제 4 스위치(S4)를 온시키므로, ISF 전류원이 커패시터 C2를 방전시킨다. 또한, 하이 레벨의 Coarse_EN 신호 및 로우 레벨의 UP 신호는 제 6 스위치(S6)를 온시키므로, ISC 전류원이 커패시터 C2를 방전시킨다. 커패시터 C2는 ISF 및 ISC 전류원에 의해 방전되므로, 후술할 'Fine 모드' 동작시보다 기준전압(Vzero)이 크게 감소된다.
따라서, 생성속도가 일정한 삼각파 신호(Vramp)가 기준전압(Vzero)과 같아지는 시점, 즉 Izero 신호의 발생시점은 이전 스위칭 주기에 비해 크게 빨라지게 된다.
Fine 모드(정상상태)
벅 컨버터의 정상상태에서, 제로 전류 추적기는 기준전압(Vzero)을 과도상태의 경우보다 작게 조절하여 Izero 신호의 발생시점을 미세하게 변경하면서 제로 전류를 추적하는 'Fine 모드'(즉, Coarse_EN='Low')로 동작한다.
(1) UP 신호가 하이 레벨인 경우 - 기준전압(Vzero) 미세하게 증가
하이 레벨의 UP 신호는 제 3 스위치(S3)를 온시키므로, ISF 전류원이 커패시터 C2를 충전시킨다. 커패시터 C2는 ISF 전류원에 의해서만 충전되므로, 전술한 'Coarse 모드' 동작시보다 기준전압(Vzero)이 작게 증가된다.
따라서, 생성속도가 일정한 삼각파 신호(Vramp)가 기준전압(Vzero)과 같아지는 시점, 즉 Izero 신호의 발생시점은 이전 스위칭 주기에 비해 미세하게 늦어지게 된다. 도 3의 (c)를 참조하면, 제 2 단계 구간(즉, 하이 레벨의 SWN 신호가 출력되는 Izero 신호의 생성시점까지의 구간)의 길이가 ΔtF(=t4-t3) 만큼 증가했으며, 도 3의 (b)를 참조하여 전술한 'Coarse 모드'의 ΔtC(=t2-t1) 보다 작다는 것을 확인할 수 있다.
(2) UP 신호가 로우 레벨인 경우 - 기준전압(Vzero) 미세하게 감소
로우 레벨의 UP 신호는 제 4 스위치(S4)를 온시키므로, ISF 전류원이 커패시터 C2를 방전시킨다. 커패시터 C2는 ISF 전류원에 의해서만 방전되므로, 전술한 'Fine 모드' 동작시보다 기준전압(Vzero)이 작게 감소된다.
따라서, 생성속도가 일정한 삼각파 신호(Vramp)가 기준전압(Vzero)과 같아지는 시점, 즉 Izero 신호의 발생시점은 이전 스위칭 주기에 비해 미세하게 빨라지게 된다.
도 4는 본 실시예에 따른 Coarse_EN 신호의 발생회로를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, Coarse-Fine 모드 제어회로는 제 1 내지 제 3 D-플립플롭(D-FF1 내지 D-FF3), UP 신호 카운터(UP_counter) 및 XOR 게이트를 포함한다.
제 1 D-플립플롭(D-FF1)의 입력단(D)에는 제 1 비교기의 출력신호(UP)가 입력되고, 제 2 D-플립플롭(D-FF2)의 입력단(D)에는 제 1 D-플립플롭(D-FF1)의 출력신호(n_UP_1)가 입력된다. 그리고, 제 1 D-플립플롭(D-FF1), 제 2 D-플립플롭(D-FF2) 및 UP 신호 카운터(UP_counter) 각각의 클럭단(clk)에는 클럭펄스 신호(CLKpulse)가 공통 입력된다.
UP 신호 카운터(UP_counter)는 하이 레벨의 UP 신호의 개수를 카운트하며, 카운트 횟수가 8인 경우 하이 레벨의 UP_cnt_8 신호를 출력한다.
정상상태
벅 컨버터의 정상상태에서, 제 1 비교기(Comp1)는 하이 레벨과 로우 레벨의 UP 신호를 번갈아 출력하므로, 안정적인 기준전압(Vzero)이 생성된다.
이 경우, 제 1 및 제 2 D-플립플롭(D-FF1, D-FF2)은 클럭펄스 신호(CLKpulse)가 인가될 때마다, '하이-로우' 및 '로우-하이' 레벨의 신호를 번갈아 출력하게 된다. 따라서, 제 1 및 제 2 D-플립플롭(D-FF1, D-FF2) 각각의 출력의 XOR 연산결과인 UP_cng 신호는 항상 하이 레벨을 유지하게 된다.
UP_cng 신호가 항상 하이 레벨을 유지하므로, UP 신호 카운터(UP_counter)의 리셋단(Reset)에는 하이 레벨 신호가 입력된다. 따라서, UP 신호 카운터(UP_counter)는 항상 로우 레벨의 UP_cnt_8 신호를 출력하고, 이는 제 3 D-플립플롭(D-FF3)의 클럭단(clk)으로 입력되므로, 제 3 D-플립플롭(D-FF3)은 로우 레벨의 Coarse_EN 신호를 출력하게 된다.
과도상태
벅 컨버터의 과도상태에서, 제 1 비교기(Comp1)는 항상 일정한 레벨의 UP 신호를 출력하므로, 단조 증가 또는 감소하는 기준전압(Vzero)이 생성된다.
예를 들어, UP 신호가 항상 하이 레벨을 유지하는 경우, 제 1 및 제 2 D-플립플롭(D-FF1, D-FF2) 각각의 출력은 하이 레벨로 같게 되므로, 각각의 출력값들의 XOR 연산결과인 UP_cng 신호는 항상 로우 레벨을 유지하게 된다.
UP_cng 신호가 항상 로우 레벨을 유지하므로, UP 신호 카운터(UP_counter)는 리셋되지 않고 클럭펄스 신호(CLKpulse)가 인가될 때마다 하이 레벨의 UP 신호의 개수를 카운트하게 된다. 하이 레벨의 UP 신호가 8번 출력된 경우, UP 신호 카운터(UP_counter)는 하이 레벨의 UP_cnt_8 신호를 출력하고, 이는 제 3 플립플롭(D-FF3)의 클럭단(clk)으로 입력되므로, 제 3 D-플립플롭(D-FF3)은 하이 레벨의 Coarse_EN 신호를 출력하게 된다.
도 5는 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기의 기준전압의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 벅 컨버터가 정상상태인 경우, Coarse_EN 신호는 로우 레벨을 유지하고, UP 신호는 하이 레벨 및 로우 레벨을 반복한다.
그리고, 제로 전류 추적기의 기준전압은 클럭펄스 신호(CLKpulse)가 하이 레벨일 때마다, 미세하게 증가(UP 신호가 하이 레벨인 경우)와 감소(UP 신호가 로우 레벨인 경우)를 반복한다. 즉, 벅 컨버터의 정상상태에서, 제로 전류 추적기는 기준전압(Vzero)의 크기를 'Coarse 모드'의 경우보다 작게 증감시켜 Izero 신호의 발생시점을 미세하게 조절하는 'Fine 모드'로 동작하게 된다.
도 5의 (b)를 참조하면, 벅 컨버터가 과도상태인 경우, Coarse_EN 신호는 하이 레벨을 유지한다.
UP 신호가 하이 레벨인 경우, 제로 전류 추적기의 기준전압은, 클럭펄스 신호(CLKpulse)가 하이 레벨일 때마다, 단조 증가(monotone increasing)한다. 즉, 벅 컨버터의 과도상태에서, 제로 전류 추적기는 기준전압(Vzero)의 크기를 'Fine 모드'의 경우보다 크게 증가시켜 Izero 신호의 발생시점을 크게 조절하는 'Coarse 모드'로 동작하게 된다.
도 5의 (c)를 참조하면, 벅 컨버터가 과도상태인 경우, Coarse_EN 신호는 하이 레벨을 유지한다.
UP 신호가 로우 레벨인 경우, 제로 전류 추적기의 기준전압은, 클럭펄스 신호(CLKpulse)가 하이 레벨일 때마다, 단조 감소(monotone decreasing)한다. 즉, 벅 컨버터의 과도상태에서, 제로 전류 추적기는 기준전압(Vzero)의 크기를 'Fine 모드'의 경우보다 크게 감소시켜 Izero 신호의 발생시점을 크게 조절하는 'Coarse 모드'로 동작하게 된다.
이상을 정리하면, 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터는, Izero 신호의 발생시점을 결정하는 기준전압(Vzero)을 증가 또는 감소시킴으로써 제로 전류를 추적한다.
정상상태에서 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 기준전압(Vzero)의 크기의 변화가 작은 'Fine 모드'로 동작하여 제로 전류를 느리게 추적한다. 반대로, 과도상태에서 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 기준전압(Vzero)의 크기의 변화가 큰 'coarse 모드'로 동작하여 제로 전류를 빠르게 추적한다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터는, 정상상태 및 과도상태에서 파워 스위치의 제어를 위한 기준전압(Vzero)의 조절 크기를 달리함으로써, 정상상태에서는 회로의 안정성을 유지하고, 과도상태에서는 인덕터 역전류에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 제로 전류 추적기가 구비된 벅 컨버터의 coarse-Fine 모드 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는, UP 신호가 일정한 레벨을 유지하는지 여부에 기초하여, 벅 컨버터의 정상상태 또는 과도상태 여부를 판별한다. 구체적으로, 정상상태에서, 제 1 비교기(Comp1)는 하이 및 로우 레벨의 UP 신호를 번갈아 출력한다. 반대로, 출력전압이 증가하는 과도상태에서, 제 1 비교기(Comp1)는 일정한 레벨(즉, 하이 또는 로우 레벨)의 UP 신호를 출력한다. 따라서, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 UP 신호가 일정한 레벨을 유지하는지 여부에 따라, 벅 컨버터의 정상상태 또는 과도상태 여부를 판별할 수 있다.
단계 S610에서 판별한 결과 과도상태인 경우('yes'), 단계 S620에서, Coarse-Fine 모드 제어회로는 하이 레벨의 Coarse_EN 신호를 출력하고, 단계 S630으로 진행한다.
단계 S630에서, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 기준전압(Vzero)의 크기를 크게 증감시켜 Izero 신호의 발생시점을 큰 폭으로 조절하는 'Coarse 모드'로 동작하게 된다.
반대로, 단계 S610에서 판별한 결과 정상상태인 경우('no'), 단계 S640에서, Coarse-Fine 모드 제어회로는 로우 레벨의 Coarse_EN 신호를 출력하고, 단계 S650으로 진행한다.
단계 S650에서, 제로 전류 추적기(Zero current tracker)는 기준전압(Vzero)의 크기를 미세하게 증감시켜 Izero 신호의 발생시점을 작은 폭으로 조절하는 'Fine 모드'로 동작하게 된다.
이상 도 6에서는, 복수의 과정을 순차적으로 수행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서, 도 6에 기재된 순서를 변경하여 수행하거나 상기 복수의 과정 중 일부를 병렬적으로 수행하는 것으로 다양하게 수정 및 변경하여 적용 가능할 것이므로, 도 6은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 6에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 벅 컨버터 110 : 전력 공급회로
130 : 제로 전류 감지기 131 : 삼각파 신호 생성회로
133 : 기준전압 생성회로
300 : 벅 컨버터 310 : 전력 공급회로
330 : 제로 전류 감지기 331 : 삼각파 신호 생성회로
333 : 기준전압 생성회로

Claims (9)

  1. 벅 컨버터에 있어서,
    펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식에 따라 PMOS 스위치(MP) 및 NMOS 스위치(MN)의 스위칭 동작을 제어함으로써 입력전압 VX를 공급하는 전력 공급회로;
    상기 전력 공급회로와 출력전압이 출력되는 출력단 사이에 연결되어 충전 및 방전을 반복함으로써 상기 출력전압을 조절하는 인덕터 L;
    상기 인덕터 L 양단에 접속되어 양단 전압차를 측정하는 제 1 비교기 Comp1;
    상기 NMOS 스위치(MN)가 온 상태인 동안 생성되는 삼각파 신호 Vramp를 기준전압 Vzero와 비교하여 상기 인덕터 L에 흐르는 전류가 0(이하, “제로 전류”라 칭함)이 되는 시점을 감지하는 제로 전류 추적기를 포함하되,
    상기 제로 전류 추적기는,
    상기 PMOS 스위치(MP) 및 상기 NMOS 스위치(MN)가 교대로 온오프되는 스위칭 주기마다, 상기 벅 컨버터의 상태를 고려하여 상기 기준전압 Vzero의 크기를 증가 또는 감소시킴으로서 상기 제로 전류의 감지시점을 조절하며,
    상기 벅 컨버터의 과도상태에서, 상기 기준전압 Vzero의 크기를 정상상태의 경우보다 더 크게 증가 또는 감소시키는
    벅 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PMOS 스위치(MP)는 일단에 전원 VDD가 인가되고 타단은 상기 인덕터 L에 접속되고,
    상기 NMOS 스위치(MN)는 일단은 상기 인덕터 L에 접속되고 타단은 접지되는
    벅 컨버터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제로 전류 추적기는,
    상기 삼각파 신호 Vramp가 상기 기준전압 Vzero에 도달한 경우, 상기 제로 전류의 감지를 나타내는 Izero 신호를 출력하는 제 2 비교기 Comp2;
    상기 삼각파 신호를 생성하는 삼각파 신호 생성회로; 및
    상기 기준전압을 생성하는 기준전압 생성회로를 포함하는
    벅 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 삼각파 신호 생성회로는,
    상기 제 2 비교기 Comp2의 비반전단자에 접속되어 상기 삼각파 신호 Vramp를 생성하는 커패시터 C1;
    전원 VDD 인가단과 상기 비교기의 비반전단자 사이에 형성되어, 상기 NMOS 스위치(MN)가 온 상태인 동안 상기 커패시터 C1에 전류 IS1을 공급하기 위한 제 1 스위치 S1; 및
    상기 제 2 비교기 Comp2의 비반전단자와 접지 사이에 형성되어, 상기 NMOS 스위치(MN)가 온 상태인 동안 상기 커패시터 C1을 방전시키기 위한 제 2 스위치 S2를 포함하는
    벅 컨버터.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준전압 생성회로는,
    상기 제 2 비교기 Comp2의 반전단자에 접속되어 상기 기준전압 Vzero를 생성하는 커패시터 C2;
    전압 VDD 인가단과 상기 제 2 비교기 Comp2의 반전단자 사이에 형성되어, 상기 커패시터 C2에 전류 ISF를 공급하는 제 3 스위치 S3;
    상기 제 2 비교기 Comp2의 반전단자와 접지 사이에 형성되어, 상기 커패시터 C2로부터 전류 ISF를 방전시키는 제 4 스위치 S4;
    전압 VDD 인가단과 상기 제 2 비교기 Comp2의 반전단자 사이에 형성되어, 상기 커패시터 C2에 전류 ISC를 공급하는 제 5 스위치 S5; 및
    상기 제 2 비교기 Comp2의 반전단자와 접지 사이에 형성되어, 상기 커패시터 C2로부터 전류 ISC를 방전시키는 제 6 스위치 S6을 포함하는
    벅 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 스위치 S3 및 제 4 스위치 S4는 상기 제 1 비교기 Comp1의 출력신호 및 클럭펄스 신호에 따라 온오프되고,
    상기 제 5 스위치 S5 및 제 6 스위치 S6은 상기 제 1 비교기 Comp1의 출력신호, 상기 클럭펄스 신호 및 상기 벅 컨버터의 과도상태 및 정상상태를 구별하는 Coarse_EN 신호에 따라 온오프되는
    벅 컨버터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터가 과도상태이고 상기 클럭펄스 신호가 하이 레벨인 경우로서,
    상기 제 1 비교기의 출력신호가 하이 레벨이면, 상기 제 3 스위치 S3 및 제 5 스위치 S5를 온시켜 상기 커패시터 C2에 전류를 공급함으로써 상기 기준전압을 증가시키고,
    상기 제 1 비교기의 출력신호가 로우 레벨이면, 상기 제 4 스위치 S4 및 제 6 스위치 S6을 온시켜 상기 커패시터 C2에서 전류를 방전함으로써 상기 기준전압을 감소시키는
    벅 컨버터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터가 정상상태이고 상기 클럭펄스 신호가 하이 레벨인 경우로서,
    상기 제 1 비교기의 출력신호가 하이 레벨이면, 상기 제 3 스위치 S3을 온시켜 상기 커패시터 C2에 전류를 공급함으로써 상기 기준전압을 증가시키고,
    상기 제 1 비교기의 출력신호가 로우 레벨이면, 상기 제 4 스위치 S4를 온시켜 상기 커패시터 C2에서 전류를 방전함으로써 상기 기준전압을 감소시키는
    벅 컨버터.
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