KR102023752B1 - The converting apparatus for reducing harmonic electromagnetic interference - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치는, 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO), 전압 제어 발진기와 연결된 프렉셔널(Fractional)-N 구조의 N-분주기(N-Divider), N-분주기와 연결된 위상 주파수 검출부(Phase Frequency Detector: PFD) 및 PFD와 연결된 벅 컨버터 구조의 파워 스테이지(power stage)가 포함할 수 있다. The converting device for harmonic EMI reduction according to an embodiment of the present invention, the voltage-controlled oscillator (VCO), the N-divider (N-Divider of the Fractional-N structure connected to the voltage-controlled oscillator) ), A phase frequency detector (PFD) connected to the N-divider and a power stage of a buck converter structure connected to the PFD.

Description

고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치{THE CONVERTING APPARATUS FOR REDUCING HARMONIC ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE}CONVERTING APPARATUS FOR REDUCING HARMONIC ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE}

본 발명은 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시그마-델타 변조기(Sigma-Delta Modulator: SDM)를 적용한 프렉셔널(Fractional)-N DPLL(Digital Phase Locked Loop) 기반의 벅 컨버터(Buck converter)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a converting device for harmonic EMI reduction, and more particularly, to a buck converter based on Fractional-N Digital Phase Locked Loop (DPLL) using a Sigma-Delta Modulator (SDM). (Buck converter).

근래 들어, 스마트폰, 웨어러블 디바이스, 테블릿 PC, 랩탑 등과 같은 휴대용 전자 디바이스들의 활용성이 더욱 높아지고 있다. 그 휴대상의 편의점, 기기들의 성능 향상에 힘입어 이러한 제품들의 사용 횟수, 사용자의 의존도가 점차 증가하고 있다. 이러한 제품들은 소형, 경량 및 긴 배터리 수명을 갖는 것이 중요한데 그 중에서도 제품의 기대 수명을 증가시키고, 사용 시간을 늘리기 위해 효과적인 전원 관리를 위한 PMIC(Power Management Integrated Circuit)가 필수적으로 필요하다. 다양한 전력변환장치 중에서 벅 컨버터(예컨대, DC-DC buck converter)는 높은 효율을 얻을 수 있고 저전압 전원 장치에 사용할 수 있다는 점에서 다양한 형태의 벅 컨버터들이 연구되어 오고 있다.In recent years, the utilization of portable electronic devices such as smart phones, wearable devices, tablet PCs, laptops, and the like, is increasing. With the convenience of the mobile convenience stores and the improved performance of devices, the number of uses of these products and the dependence of users are gradually increasing. These products are important for their small size, light weight, and long battery life, among other things, a Power Management Integrated Circuit (PMIC) is essential for effective power management to increase the life expectancy of the product and increase its service life. Among various power converters, various types of buck converters have been studied in that a buck converter (eg, a DC-DC buck converter) can obtain high efficiency and can be used in a low voltage power supply device.

하지만 벅 컨버터의 출력을 control 하기 위해 사용하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 주기적인 switching pulse는 높은 고조파 성분을 가지고 있고 이러한 고조파 성분들은 switch와 inductor 그리고 capacitor등의 parasitic 성분들과 결합하여 noise를 발생시킨다. 이러한 현상을 EMI(ElectroMagnetic Interference)라고 부르는데 EMI는 noise에 취약한 RF/Analog 회로의 동작에 치명적이다. 다시 말해서, PWM 제어 방법을 사용하는 벅 컨버터는 고정된 Switching Frequency로 인해서 Switching Frequency의 고조파 성분이 출력 전압의 전도성 EMI(Electro Magnetic Interference)로 나타나게 된다. 이러한 전도성 EMI는 잡음에 민감한 RF/Analog 회로의 동작에 있어서는 치명적인 영향을 미친다. 따라서, 이를 제거하기 위해 기존의 벅 컨버터는 추가적인 EMI 방지 회로를 달아서 잡음을 보상하였다. 하지만 추가적인 EMI 회로는 회로 바깥쪽에서 큰 면적을 차지하게 되고, 따라서 소형화된 전자 디바이스에 적용하기에는 무리가 있다. 따라서 최근 이러한 EMI 이슈를 다루는 벅 컨버터는 switching pulse의 frequency를 spread시켜 고조파를 제거 하여 출력 전압에서 EMI noise 감소 효과를 보는 방법이 많이 연구되어 오고 있다.However, the periodic switching pulse of the pulse width modulation (PWM) signal used to control the output of the buck converter has a high harmonic component, and these harmonic components generate noise by combining with parasitic components such as switches, inductors and capacitors. Let's do it. This phenomenon is called Electromagnetic Interference (EMI), which is fatal to the operation of RF / Analog circuits that are vulnerable to noise. In other words, in a buck converter using a PWM control method, the harmonic component of the switching frequency is represented as a conductive EMI of the output voltage due to a fixed switching frequency. This conductive EMI has a fatal effect on the operation of noise-sensitive RF / Analog circuits. Thus, to eliminate this, conventional buck converters have additional EMI protection circuitry to compensate for noise. However, additional EMI circuitry occupies a large area outside the circuit, making it difficult to apply to miniaturized electronic devices. Therefore, buck converters dealing with these EMI issues have been studied to see the effects of reducing EMI noise at the output voltage by spreading the frequency of switching pulses to remove harmonics.

1. 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0092157호 (공개일자: 2010.08.20)1. Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010-0092157 (published: 2010.08.20)

본 발명은 전술한 문제점에 대한 대응으로써 안출된 것으로, 분수 분주가 가능한 디지털 위상 동기 루프 기반의 벅 컨버터를 제공하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in response to the above-described problem, and aims to provide a digital phase locked loop based buck converter capable of fractional division.

본 발명의 일 실시예로써, 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치가 제공될 수 있다. As an embodiment of the present invention, a converting device for reducing harmonic EMI may be provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치는, 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO), 전압 제어 발진기와 연결된 프렉셔널(Fractional)-N 구조의 N-분주기(N-Divider), N-분주기와 연결된 위상 주파수 검출부(Phase Frequency Detector: PFD) 및 PFD와 연결된 벅 컨버터 구조의 파워 스테이지(power stage)가 포함할 수 있다. The converting device for harmonic EMI reduction according to an embodiment of the present invention, the voltage-controlled oscillator (VCO), the N-divider (N-Divider of the Fractional-N structure connected to the voltage-controlled oscillator) ), A phase frequency detector (PFD) connected to the N-divider and a power stage of a buck converter structure connected to the PFD.

또한, N-분주기(N-Divider)에는 시그마-델타 변조기(Sigma-Delta Modulator: SDM)가 연결되고, N-분주기에서는 Integer N이 아닌 SDM가 적용된 Fractional-N으로 분주하며, 시그마-델타 변조기(SDM)는 MASH 구조를 가질 수 있다. In addition, a sigma-delta modulator (SDM) is connected to the N-divider, and the sigma-delta is divided into an SDM-applied Fractional-N instead of an Integer N. The modulator SDM may have a MASH structure.

벅 컨버터 구조의 출력 전압이 전압 제어 발진기(VCO)에 입력될 때 생성되는 위상 정보를 시그마-델타 변조기가 연결된 N-분주기에서 랜덤(Random)하게 분주하게 되고, 분주 시 주파수(FDIV)와 기준주파수(FREF)가 비교되어 PWM 신호의 듀티(Duty)가 결정될 수 있다.The output voltage of the buck converter structure in which voltage sigma phase information that is generated when the input to the controlled oscillator (VCO) - is made to frequency division random (Random) from N- divider delta modulator is connected, and the frequency divider when the frequency (F DIV) The reference frequency F REF may be compared to determine the duty of the PWM signal.

전압 제어 발진기(VCO)로 인가되는 신호는 코어스 루프(coarse loop) 구조 및 파인 루프(fine loop) 구조 각각으로부터 인가되고, 코어스 루프 구조에는 N-분주기(N-Divider), N-분주기와 연결된 위상 주파수 검출부가 포함되며, 파인 루프 구조에는 벅 컨버터 구조의 파워 스테이지(power stage)가 포함될 수 있다.The signal applied to the voltage controlled oscillator (VCO) is applied from each of the coarse loop structure and the fine loop structure, and the coarse loop structure has an N-divider, an N-divider and A connected phase frequency detector is included, and the fine loop structure may include a power stage of the buck converter structure.

전압 제어 발진기는 coarse loop의 전압과 fine loop의 전압인 두 개의 control loop를 가지는 dual loop VCO일 수 있다. The voltage controlled oscillator can be a dual loop VCO with two control loops, the voltage of the coarse loop and the voltage of the fine loop.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 코어스 루프 구조를 통하여 전압 제어 발진기(VCO)의 자주 주파수(free running frequency, f0)와 변환 이득(conversion gain, KVCO)을 설정하여 출력 신호(VOUT)의 주파수(fOUT)를 주파수 고정 범위(frequency lock range)까지 조정한 후, 파인 루프 구조를 통하여 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수를 미세 조정함으로써 출력 신호(VOUT)가 제어될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a free running frequency (f 0 ) and a conversion gain (KVCO) of the voltage controlled oscillator (VCO) are set through a coarse loop structure to determine the output signal (V OUT ). After adjusting the frequency f OUT to a frequency lock range, the output signal V OUT may be controlled by finely adjusting the frequency of the voltage controlled oscillator VCO through a fine loop structure.

본 발명의 일 실시예로써 구현될 수 있는 벅 컨버터는 종래의 벅 컨버터 구조에 비해 전력 변환기로서의 성능이 저하되지 않으면서, 출력 전압의 EMI noise를 효과적으로 감소시킬 수 있고 저면적 설계가 가능하다는 이점이 있다. The buck converter, which can be implemented as an embodiment of the present invention, can effectively reduce the EMI noise of the output voltage compared to the conventional buck converter structure, and has the advantage that the low-area design is possible. have.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전도성 EMI를 감소시키기 위해서 Controller를 Fractional-N 분주가 가능한 DPLL(Digital Phase Locked Loop)로 구현할 수 있고, 특히 SDM(Sigma-Delta Modulator)를 적용한 VCO(Voltage Controlled Oscillator) 기반의 Random Duty PWM Generator를 이용하여 출력 전압의 고조파 성분을 효과적으로 감소시킬 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in order to reduce conductive EMI, the controller may be implemented as a digital phase locked loop (DPLL) capable of fractional-N division, and in particular, a voltage controlled oscillator (VCO) using a sigma-delta modulator (SDM). Based on the Random Duty PWM Generator, the harmonic content of the output voltage can be effectively reduced.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 N-Divider와 SDM 그리고 PFD를 이용하여 Random PWM 신호를 생성하여 출력 전압의 EMI noise를 감소시키는 동시에 출력 전압의 해상도를 보다 높일 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, by generating a random PWM signal using N-Divider, SDM and PFD, the EMI noise of the output voltage may be reduced and the resolution of the output voltage may be further increased.

기존의 방식보다 구조가 간단하고, 동작 효율과 회로 구현의 사이즈 측면 그리고 load transient response time을 줄일 수 있다는 점에서 이점이 있다.The structure is simpler than the conventional method, and it has advantages in terms of operation efficiency, circuit implementation size, and load transient response time.

본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치 기술은 전도성 EMI Noise에 민감한 RF/Analog 회로에 적용하여 효과적인 전원 공급 회로로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 저면적 설계로 인하여 스마트폰, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등 휴대용 전자 디바이스에 적극적으로 응용될 수 있다.The converting device technology for harmonic EMI reduction according to an embodiment of the present invention can be used as an effective power supply circuit by applying to the RF / analog circuit sensitive to conductive EMI noise. In addition, according to an embodiment of the present invention can be actively applied to a portable electronic device, such as a wearable device such as a smart phone, smart watch due to the low-area design.

도 1은 frequency hopping 방법을 이용하여 PWM의 고조파 성분을 제거하는 방법을 이용한 벅 컨버터를 나타낸다.
도 2는 SDM ADC를 이용하여 target 전압에 맞는 pulse를 random하게 생성하여 출력을 control하는 방법의 벅 컨버터를 나타낸다.
도 3은 기존의 PWM control 벅 컨버터에서 사용하였던 analog 방식의 PWM generator와 VCO based PWM generator의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 VCO based Fractional-N PWM Generator의 블록도 및 동작 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDM의 구조 및 동작 예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치를 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치를 나타낸 블록도이다.
도 9는 예시적인 PFD 블록도 및 타이밍도 및 특성을 나타낸다.
도 10은 예시적인 Dual Loop VCO 및 특성을 나타낸다.
도 11은 예시적인 N-분주기의 블록도이다.
도 12는 보상 회로가 포함된 벅 컨버터의 루프 게인(loop gain)을 나타낸다.
1 illustrates a buck converter using a method of removing a harmonic component of PWM using a frequency hopping method.
Figure 2 shows a buck converter of the method for controlling the output by randomly generating a pulse corresponding to the target voltage using the SDM ADC.
3 is a block diagram of an analog PWM generator and a VCO based PWM generator used in a conventional PWM control buck converter.
4 is a block diagram illustrating a converting apparatus for reducing harmonic EMI according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram and an operation example of a VCO based Fractional-N PWM Generator according to an embodiment of the present invention.
6 shows a structure and an operation example of the SDM according to an embodiment of the present invention.
7 is a block diagram illustrating a converting apparatus for reducing harmonic EMI according to another embodiment of the present invention.
8 is a block diagram illustrating a converting apparatus for reducing harmonic EMI according to another embodiment of the present invention.
9 illustrates an example PFD block diagram and timing diagram and characteristics.
10 illustrates exemplary Dual Loop VCOs and characteristics.
11 is a block diagram of an exemplary N-divider.
12 shows the loop gain of the buck converter including the compensation circuit.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. Terms used herein will be briefly described and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in the present invention have been selected as widely used general terms as possible in consideration of the functions in the present invention, but this may vary according to the intention or precedent of the person skilled in the art, the emergence of new technologies and the like. In addition, in certain cases, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, in which case the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the contents throughout the present invention, rather than the names of the simple terms.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다. When any part of the specification is to "include" any component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. In addition, the terms "... unit", "module", etc. described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software. . In addition, when a part of the specification is "connected" to another part, this includes not only "directly connected", but also "connected with other elements in the middle".

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

출력에서 발생하는 EMI noise를 감쇠하기 위해서는 크게 2가지 방법이 사용이 된다. (i) 첫 번째 방법으로는, EMI 필터를 전력변환기에 추가하여 EMI noise을 감쇠하는 방법이 있다. 하지만 이 방법은 칩 바깥쪽에 많은 passive, active 소자를 달아야하는 부담이 있어서 PCB 사이즈가 커지는 단점이 있다. (ii) 두 번째 방법으로는 출력 EMI noise의 원인인 고정된 PWM 신호의 frequency를 분산시켜서 고조파 성분을 제거하는 것이다. 칩으로 구현되는 벅 컨버터에서는 대부분 이러한 두 번째 방법을 사용하여 출력 EMI noise를 제거하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Two methods are used to attenuate EMI noise at the output. (i) The first method is to add an EMI filter to the power converter to attenuate EMI noise. However, this method has the disadvantage of increasing the PCB size due to the burden of attaching many passive and active devices to the outside of the chip. (ii) The second method is to remove harmonics by dispersing the frequency of the fixed PWM signal that is the source of the output EMI noise. Most buck converters implemented on chip are actively researched to remove output EMI noise using this second method.

도 1은 frequency hopping 방법을 이용하여 PWM의 고조파 성분을 제거하는 방법을 이용한 벅 컨버터를 나타낸다. 1 illustrates a buck converter using a method of removing a harmonic component of PWM using a frequency hopping method.

Pseudo-random number generator에서 random한 bit를 출력하면 그 bit를 받아서 ramp generator에서 random한 ramp 함수를 제공해주는 방법이다. Ramp generator의 출력에 따라서 error 전압과 비교하여 duty를 생성하게 되는데 이 방법을 사용하면 Random number에 따라서 switching frequency를 가변 할 수 있어서 switching의 frequency의 기본파 성분을 제외한 나머지 성분들을 제거할 수 있다. 하지만 random frequency에 의한 기본파 성분들이 hopping rate 만큼 생기게 되고 이에 따라서 고조파 성분들이 제거되면서 출력 EMI noise은 효과적으로 감쇠 시킬 수 있지만, 여러 개의 기본파 성분에 의해 컨버터의 효율 및 transient response 그리고 큰 ripple 전압을 갖기 때문에 전력 변환기로서의 성능이 고려되지 않은 방법이다.When a random bit is output from a pseudo-random number generator, the bit is received and the ramp generator provides a random ramp function. According to the output of the ramp generator, the duty is generated by comparing with the error voltage. Using this method, the switching frequency can be changed according to the random number, so that the remaining components except the fundamental wave components of the switching frequency can be removed. However, it is possible to effectively attenuate the output EMI noise by generating the fundamental wave components due to the random frequency at the hopping rate and eliminating the harmonic components.However, several fundamental wave components have the efficiency, transient response and large ripple voltage of the converter. Therefore, the performance as a power converter is not considered.

도 2는 SDM ADC를 이용하여 target 전압에 맞는 pulse를 random하게 생성하여 출력을 control하는 방법의 벅 컨버터를 나타낸다. SDM을 이용한 controller는 출력 전압에 맞게 PCM(Pulse Code Modulation) 신호를 출력하는데, 이 때 출력되는 PCM 신호는 SDM에 따라서 출력 전압 control 할 수 있는 duty의 평균값을 가진다. 이러한 SDM controller는 sampling frequency를 가지지만 sampling frequency와 switching frequency는 같지 않고 Markov Model에 따라서 다음과 같은 수학식 1로 정리된다.Figure 2 shows a buck converter of the method for controlling the output by randomly generating a pulse corresponding to the target voltage using the SDM ADC. A controller using SDM outputs a Pulse Code Modulation (PCM) signal in accordance with the output voltage. At this time, the output PCM signal has an average value of duty to control the output voltage according to the SDM. The SDM controller has a sampling frequency but the sampling frequency and the switching frequency are not the same, and are summarized as Equation 1 according to the Markov Model.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018013711545-pat00001
Figure 112018013711545-pat00001

이 수식에서

Figure 112018013711545-pat00002
는 SDM의 sampling frequency,
Figure 112018013711545-pat00003
는 벅 컨버터의 switching frequency, d는 scaling factor 그리고 D는 duty를 나타낸다. 수식에 따르면 Analog SDM을 적용한 벅 컨버터는 target 전압에 맞는 duty를 random하게 내주는 대신에 target전압에 필요한 duty에 따라서 scaling factor가 변하게 되고 그에 따라서 switching frequency가 변하게 된다.
Figure 112018013711545-pat00004
일 때를 가정하면 위 수식에 따라서 duty가 커질수록 d는 작아지게 된다. 그렇게 되면 switching frequency는 작아지며 switching frequency의 영향에 따라서 switching 손실은 줄어드는 대신에 출력 전압의 ripple이 증가하게 된다. 이는 D에 따라서 벅 컨버터의 전력변환기로서의 성능이 기존의 벅 컨버터에 비해 일관성을 유지하지 못한다는 단점이 된다. 또한 duty가 random하게 생성이 되기 때문에 도 1과 함께 전술한 기존의 low EMI 벅 컨버터의 단점인 transient response time을 확보하기 어렵고, Analog SDM ADC를 구현하기 위하여 많은 수의 capacitor와 같은 passive 소자와 OP-Amp, comparator와 같은 active 소자가 필요하다는 점에서 회로 구성에 있어서 불필요하게 면적을 과다하게 소요한다는 문제점으로 연결된다.In this formula
Figure 112018013711545-pat00002
Is the sampling frequency of SDM,
Figure 112018013711545-pat00003
Is the switching frequency of the buck converter, d is the scaling factor, and D is the duty. According to the equation, instead of randomly giving the duty corresponding to the target voltage, the buck converter using the analog SDM changes the scaling factor according to the duty required for the target voltage and accordingly the switching frequency.
Figure 112018013711545-pat00004
If d is assumed, d becomes smaller as duty increases according to the above equation. This reduces the switching frequency and increases the ripple of the output voltage instead of reducing the switching loss under the influence of the switching frequency. This has the disadvantage that the performance of the buck converter's power converter is not consistent with the conventional buck converter depending on D. In addition, since the duty is generated randomly, it is difficult to secure a transient response time, which is a disadvantage of the conventional low EMI buck converter described above with reference to FIG. 1, and passive devices such as a large number of capacitors and OP- to implement an analog SDM ADC. The need for active devices such as amps and comparators leads to the problem of unnecessarily excessive area in circuit configuration.

도 3은 종래의 PWM Generator를 나타낸다. 다시 말해서, 도 3은 기존의 PWM control 벅 컨버터에서 사용하였던 analog 방식의 PWM generator와 VCO based PWM generator의 블록도이다. 3 shows a conventional PWM generator. In other words, FIG. 3 is a block diagram of an analog PWM generator and a VCO based PWM generator used in a conventional PWM control buck converter.

도 3의 (a)를 참조하면, 첫째 단의 error amp에서 출력 전압과 reference 전압간의 차이만큼을

Figure 112018013711545-pat00005
전압으로 내주게 되고 다음단의 comparator에서 sawtooth 신호와 비교하여 SR Latch의 reset 시간을 정하게 된다. 이 때 SR Latch의 set 시간은 고정된 frequency인
Figure 112018013711545-pat00006
에 의해 결정된다. 따라서 PWM의 duty는 error 정보에 의해서 결정이 되고 switching frequency인
Figure 112018013711545-pat00007
Figure 112018013711545-pat00008
결정된다. 하지만 이 방법은 OP-amp를 사용해야하고 벅 컨버터의 루프 안정도를 확보하기 위해 error 앰프에서 2차 혹은 3차의 보상을 필요로 하기 때문에 많은 수의 passive 소자가 필요하게 되고, 생성되는 PWM의
Figure 112018013711545-pat00009
도 OP-amp의 bandwidth에 의해서 제한된다.Referring to (a) of FIG. 3, the difference between the output voltage and the reference voltage in the error amp of the first stage is measured.
Figure 112018013711545-pat00005
Voltage is given and the reset time of SR Latch is determined by comparing with the sawtooth signal at the next comparator. At this time, SR Latch set time is fixed frequency
Figure 112018013711545-pat00006
Determined by Therefore, the duty of PWM is determined by the error information and the switching frequency
Figure 112018013711545-pat00007
silver
Figure 112018013711545-pat00008
Is determined. However, this method requires a large number of passive devices because it requires the use of an OP-amp and requires second or third order compensation in the error amplifier to ensure loop stability of the buck converter.
Figure 112018013711545-pat00009
Also limited by the bandwidth of the OP-amp.

도 3의 (b)는 VCO based PWM generator의 블록도를 나타내는데, 이러한 방식은 analog 방식과는 다르게 OP-amp와 comparator를 VCO(Voltage Controlled Oscillator)와 PFD(Phase Frequency Detector)로 대체하였다. 벅 컨버터의 출력 전압을 VCO의 control 전압으로 입력 받은 후 VCO에서 출력하는 frequency를 N divider에서 integer N으로 분주를 하여 PFD 입력으로 사용한다. Reference frequency와 dividing 된 frequency의 위상을 비교하여 벅 컨버터의 출력전압을 control하는 duty로 사용하게 된다.Figure 3 (b) shows a block diagram of a VCO based PWM generator, this method, unlike the analog method, replaced the OP-amp and comparator with VCO (Voltage Controlled Oscillator) and Phase Frequency Detector (PFD). After receiving the output voltage of the buck converter as the control voltage of the VCO, divide the frequency output from the VCO from N divider to integer N and use it as the PFD input. The reference frequency is compared with the phase of the divided frequency and used as a duty to control the output voltage of the buck converter.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018013711545-pat00010
Figure 112018013711545-pat00010

VCO-based PWM generator를 사용할 때에는 수학식 2에서와 같이 Duty가 위상 정보인 Time 정보에 기반하여 생성이 될 수 있다. 그 때 출력 전압(VOUT)은 수학식 2에서 보듯이 VCO의 free running frequency인

Figure 112018013711545-pat00011
, 분주된 frequency
Figure 112018013711545-pat00012
, 분주비 N, 그리고 VCO의 gain인
Figure 112018013711545-pat00013
에 의해서 결정이 된다.When using a VCO-based PWM generator, as shown in Equation 2, the duty may be generated based on time information having phase information. The output voltage (V OUT ) is then the free running frequency of the VCO,
Figure 112018013711545-pat00011
, Frequency dispensed
Figure 112018013711545-pat00012
, The division ratio N, and the gain of the VCO
Figure 112018013711545-pat00013
It is decided by.

VCO-based PWM generator는 전술한 analog 방식에 비해서 출력전압 해상도는 integer N으로 인해 제한이 되지만, 디지털 로직으로 구현할 수 있어서 회로 구현에 있어서 소요되는 면적이 작고, 대역폭(bandwidth)의 제한을 비교적 덜 받는다. 하지만 전술한 두가지 방법 모두 고정된 frequency를 이용하여 switching을 하기 때문에 switching frequency의 고조파에서 발생하는 전도성 EMI 문제를 근본적으로는 해결 할 수 없다.  VCO-based PWM generators have limited output voltage resolution due to integer N, but they can be implemented with digital logic, resulting in smaller circuit area and relatively less bandwidth limitation. . However, since both of the above-mentioned methods switch using a fixed frequency, it cannot fundamentally solve the conductive EMI problem generated at the harmonics of the switching frequency.

본 발명은 fractional-N 방식을 적용한 VCO-based PWM generator를 이용하여 frequency를 분산(spread)시켜 출력 EMI noise를 효과적으로 감쇠시키고자 한다. The present invention aims to effectively attenuate output EMI noise by spreading the frequency using a VCO-based PWM generator using a fractional-N method.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치를 나타낸 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 VCO based Fractional-N PWM Generator의 블록도 및 동작 예를 나타낸다. 4 is a block diagram illustrating a converting device for reducing harmonic EMI according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a block diagram and an operation example of a VCO based Fractional-N PWM Generator according to an embodiment of the present invention .

본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치는, 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)(100), 전압 제어 발진기(100)와 연결된 프렉셔널(Fractional)-N 구조의 N-분주기(N-Divider) (200), N-분주기(200)와 연결된 위상 주파수 검출부(Phase Frequency Detector: PFD)(300) 및 PFD(300)와 연결된 벅 컨버터 구조의 파워 스테이지(power stage)(400)가 포함할 수 있다. The converting device for harmonic EMI reduction according to an embodiment of the present invention, Voltage-controlled oscillator (VCO) 100, N- of the Fractional (Fractional) -N structure connected to the voltage-controlled oscillator 100 Power stage of the buck converter structure connected to the N-Divider 200, the phase frequency detector PFD 300 connected to the N-divider 200, and the PFD 300; 400 may include.

기본적인 벅 컨버터의 power stage를 갖고 출력 전압을 phase domain 즉, time domain으로 바꿔주는 역할은 VCO가 할 수 있다. 출력 전압의 정보를 time 정보로 바꾼 후 본 발명의 일 실시예에 따른 fractional-N 구조의 N divider에 입력될 수 있다. fractional-N으로 분주된 신호인 FDIV는 N code에 따라서 평균값이, 원하는 target 전압에 맞는 random한 time 정보를 가질 수 있고 PFD에서는 두 신호, reference frequency인 FREF와 FDIV를 비교하여 target 전압에 맞는 duty를 생성할 수 있다. With the power stage of a basic buck converter and converting the output voltage into the phase domain, or time domain, the VCO can do it. After changing the information of the output voltage to time information may be input to the N divider of the fractional-N structure according to an embodiment of the present invention. FDIV, a signal divided by fractional-N, has an average value according to N code, and can have random time information corresponding to a desired target voltage.In PFD, two signals, FREF and FDIV, which are reference frequencies, are compared to determine the duty according to the target voltage. Can be generated.

기본적으로 종래의 integer-N 방식과 유사한 방식으로 duty를 생성할 수 있지만 N-divider에서 integer N이 아닌 SDM을 적용한 fractional-N으로 분주를 하여 duty 정보를 생성할 수 있다. 이때 생성되는 fractional-N 값은 target 전압에 필요한 duty의 평균값을 갖는 위상 정보를 갖는 FDIV를 생성한다. Fractional-N으로 분주하게 된다면, 소숫점 연산이 가능해지기 때문에 integer-N 동작에 비해서 높은 출력 전압 해상도를 얻을 수 있어 analog 방식에 비해 단점이었던 출력 전압의 resolution을 보상할 수 있다. 또한, random한 값으로 생성되는 FIDV로 인해 생성되는 PWM 신호의 duty가 random하게 변하게 되고 이로 인해서 PWM 신호를 구성하는 frequency 성분들이 spread되어 벅 컨버터 출력 전압의 전도성 EMI noise을 대폭 감소시킬 수 있다.Basically, duty can be generated in a manner similar to the conventional integer-N method, but duty information can be generated by dividing the N-divider into fractional-N using SDM instead of integer N. The generated fractional-N value generates an FDIV having phase information having an average value of duty required for the target voltage. If fractional-N is divided, it is possible to perform decimal point operation, so that the output voltage resolution is higher than that of integer-N operation, and the resolution of output voltage, which is a disadvantage compared to analog method, can be compensated. In addition, due to the randomly generated FIDV, the duty of the generated PWM signal is changed randomly, thereby spreading the frequency components constituting the PWM signal, thereby significantly reducing the conductive EMI noise of the buck converter output voltage.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018013711545-pat00014
Figure 112018013711545-pat00014

위 수학식 3은 PWM 신호의 Fourier Series이다. 각 계수들은 DC성분인

Figure 112018013711545-pat00015
, cos 성분의 계수
Figure 112018013711545-pat00016
, sin 성분의 계수
Figure 112018013711545-pat00017
을 나타낸다. duty가 50%인 신호를 가정하면 frequency 성분은 DC 성분과 sin항 혹은 cos항 중 한 성분을 취하여 기본파가 되고 그 기본파의 고조파의 성분을 가지게 된다. 하지만 duty가 50%가 아닌 다른 duty를 가지게 된다면 위 수학식 3에 의해 sin항과 cos항이 모두 나오게 된다. 이 때 위에서 언급한 random한 duty가 된다면 duty에 따라 구성되는 고조파 성분들이 달라지기 때문에 frequency 스펙트럼 상에서 전체적인 톤(tone)들이 random한 성분을 갖는 대신에 그 크기가 전체적으로 spread 된다. 따라서, 기본파를 제외한 나머지 고조파 성분들의 크기를 감쇠시킬 수 있어서 출력 전압의 EMI noise을 효과적으로 감소시킬 수 있다.Equation 3 above is a Fourier Series of PWM signals. Each coefficient is a DC component
Figure 112018013711545-pat00015
, coefficient of cos component
Figure 112018013711545-pat00016
, coefficient of sin component
Figure 112018013711545-pat00017
Indicates. Assuming a signal with a duty of 50%, the frequency component takes one of the DC component and the sin or cos term to form a fundamental wave and has a harmonic component of the fundamental wave. However, if the duty has a duty other than 50%, the sin and cos terms are both shown by Equation 3 above. In this case, if the above-mentioned random duty becomes a harmonic component configured according to the duty, the entire tone is spread on the frequency spectrum instead of having a random component. Therefore, it is possible to attenuate the magnitude of the harmonic components except for the fundamental wave, thereby effectively reducing the EMI noise of the output voltage.

PLL(phase locked loop)은 낮은 frequency의 FREF를 이용하여 높은 frequency의 FOUT을 얻을 수 있는 회로이다. CP(Charge-Pump)-PLL은 위상 차이를 검출하는 PFD와 루프의 안정도를 보상하기 위한 LF(Loop Filter), frequency 생성을 위한 VCO 그리고 분주를 위한 N-divider로 구성 될 수 있다. 기본적인 동작은 PFD에서 FREF신호와 FDIV신호의 위상 차이 만큼을 UP혹은 DN신호로 내주고 CP에서 해당 위상의 차이 만큼을 전류 신호로 바꾼 뒤, LF에서 전압 신호로 바뀌게 된다. 따라서 LF의 전압은 FREF와 FDIV의 위상차이의 정보이므로 VCO에 입력하게 되면 해당 차이만큼 VCO의 출력frequency를 control하여 FREF와 FDIV의 위상 차이를 조정하여 FOUT을 고정시킨다. A phase locked loop (PLL) is a circuit that can obtain a high frequency FOUT using a low frequency FREF. Charge-Pump (CP) -PLL can be composed of PFD for detecting phase difference, Loop Filter (LF) for compensating loop stability, VCO for frequency generation, and N-divider for division. The basic operation is to change the phase difference between the FREF signal and the FDIV signal in the PFD as UP or DN signal, change the phase difference in the CP to the current signal, and then change the voltage signal from LF. Therefore, since the voltage of LF is information of the phase difference between FREF and FDIV, when it is inputted to VCO, the output frequency of VCO is controlled by the corresponding difference, and the phase difference between FREF and FDIV is adjusted to fix FOUT.

PLL에서 주어진 loop가 고정(lock)이 되려면 두 가지 조건을 만족해야 하는데, 첫 번째로는 FOUT과 FREF가 같아야 한다. 두 번째는 입력, 출력간의 위상 차이가 나지 않거나 혹은 일정하게 고정이 되어야 한다. 위 조건에 부합하면 PLL loop는 lock이 되고, 루프의 모든 신호는 transient 상태에서 steady state에 들어서게 된다. 이 때 주어진 PLL의 loop bandwidth가 FREF에 예를 들면, 약 10배 정도 되도록 설계했을 시에 안정도를 보장할 수 있다. For a given loop to be locked in a PLL, two conditions must be met. First, FOUT and FREF must be the same. Secondly, there should be no phase difference between input and output or fixed fixed. If the above conditions are met, the PLL loop is locked and all signals in the loop enter a steady state in a transient state. In this case, stability can be ensured when the loop bandwidth of a given PLL is designed to be about 10 times the FREF, for example.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDM의 구조 및 동작 예를 나타낸다. 6 shows a structure and an operation example of the SDM according to an embodiment of the present invention.

또한, N-분주기(N-Divider)에는 시그마-델타 변조기(Sigma-Delta Modulator: SDM)가 연결되고, N-분주기에서는 Integer N이 아닌 SDM가 적용된 Fractional-N으로 분주하며, 시그마-델타 변조기(SDM)는 MASH 구조를 가질 수 있다. In addition, a sigma-delta modulator (SDM) is connected to the N-divider, and the sigma-delta is divided into an SDM-applied Fractional-N instead of an Integer N. The modulator SDM may have a MASH structure.

도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, MASH 구조의 1차 SDM을 통해 SDM 동작을 확인할 수 있다. 예를 들어 0.25의 fractional 값을 얻기 위해서는 0100이라는 2진수의 소수점 표현이 필요하다. 이러한 2진수 값을 FA (Full Adder)의 입력으로 넣게 되면 처음 동작에서 delay 동작을 통해서 나오는 FA_OUT은 0100이 된다. 다음 동작에서는 0100 출력 값이 FA의 입력으로 들어가게 되고 X와 0100을 더해 1000이라는 값이 생성이 된다. 이 동작을 반복 하면 1100의 다음 값에는 overflow가 발생하게 되고 그 때의 값을 N값이 divider에 입력이 된다. 1차의 SDM인 경우 N code 값의 최하위 1bit만 움직이게 된다. 예를 들어, 13.25라는 값을 표현하기 위해서 integer 13, fractional 0.25으로 설정이 되면 13,13,13,14 라는 값으로 N dividing이 되고 따라서 평균값을 내보면 13.25라는 값을 얻을 수 있다.Referring to (a) and (b) of FIG. 6, the SDM operation may be confirmed through the primary SDM of the MASH structure. For example, to get a fractional value of 0.25, a decimal representation of 0100 is required. If this binary value is input to FA (Full Adder) input, FA_OUT coming out of delay operation from the first operation becomes 0100. In the next operation, the 0100 output will enter the input of the FA and a value of 1000 will be generated by adding X and 0100. If this operation is repeated, overflow occurs at the next value of 1100, and N value is inputted to the divider. In the case of the first SDM, only the lowest 1 bit of the N code value is moved. For example, if the value is set to integer 13, fractional 0.25 to express 13.25, N dividing is set to 13, 13, 13, 14, and the average value is 13.25.

벅 컨버터 구조의 출력 전압이 전압 제어 발진기(VCO)에 입력될 때 생성되는 위상 정보를 시그마-델타 변조기가 연결된 N-분주기에서 랜덤(Random)하게 분주하게 되고, 분주 시 주파수(FDIV)와 기준주파수(FREF)가 비교되어 PWM 신호의 듀티(Duty)가 결정될 수 있다.The output voltage of the buck converter structure in which voltage sigma phase information that is generated when the input to the controlled oscillator (VCO) - is made to frequency division random (Random) from N- divider delta modulator is connected, and the frequency divider when the frequency (F DIV) The reference frequency F REF may be compared to determine the duty of the PWM signal.

N-divider에서 Integer N이 아닌 SDM을 적용한 Fractional-N으로 분주를 하여 Duty 정보를 생성할 수 있다. 이때 생성되는 Fractional-N 값은 Target 전압에 필요한 Duty의 평균값을 갖는 Random 위상 정보를 갖는 FDIV를 생성할 수 있다. Fractional-N으로 분주하게 된다면, 소숫점 연산이 가능해지기 때문에 Integer-N 동작에 비해서 높은 Resolution을 얻을 수 있어 Analog 방식에 비해 단점이었던 출력 전압의 Resolution을 효과적으로 보상할 수 있다. 또한, Random한 값으로 생성되는 FDIV로 인해 생성되는 PWM 신호의 Duty가 Random하게 변하게 되고, 이로 인해서 PWM 신호를 구성하는 Frequency 성분들이 분산(Spread)되어 벅 컨버터 출력 전압의 전도성 EMI Noise을 종래 대비 대폭 감소시킬 수 있다.Duty information can be generated by dispensing from N-divider to Fractional-N using SDM instead of Integer N. The generated Fractional-N value may generate an FDIV having random phase information having an average value of duty required for the target voltage. If fractional-N is divided, decimal point calculation is possible, so it can get higher resolution than Integer-N operation and can effectively compensate for resolution of output voltage which was disadvantageous compared with analog method. In addition, due to the FDIV generated by the random value, the duty of the generated PWM signal is changed randomly, which causes the frequency components constituting the PWM signal to be spread (spread), significantly reducing the conductive EMI noise of the buck converter output voltage. Can be reduced.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치를 나타낸 블록도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치를 나타낸 블록도이다.7 is a block diagram illustrating a converting device for reducing harmonic EMI according to another embodiment of the present invention, Figure 8 is a block diagram showing a converting device for reducing harmonic EMI according to another embodiment of the present invention.

전압 제어 발진기(VCO)로 인가되는 신호는 코어스 루프(coarse loop) 구조 및 파인 루프(fine loop) 구조 각각으로부터 인가되고, 코어스 루프 구조에는 N-분주기(N-Divider), N-분주기와 연결된 위상 주파수 검출부가 포함되며, 파인 루프 구조에는 벅 컨버터 구조의 파워 스테이지(power stage)가 포함될 수 있다.The signal applied to the voltage controlled oscillator (VCO) is applied from each of the coarse loop structure and the fine loop structure, and the coarse loop structure has an N-divider, an N-divider and A connected phase frequency detector is included, and the fine loop structure may include a power stage of the buck converter structure.

전압 제어 발진기는 coarse loop의 전압과 fine loop의 전압인 두 개의 control loop를 가지는 dual loop VCO일 수 있다. The voltage controlled oscillator can be a dual loop VCO with two control loops, the voltage of the coarse loop and the voltage of the fine loop.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 코어스 루프 구조를 통하여 전압 제어 발진기(VCO)의 자주 주파수(free running frequency, f0)와 변환 이득(conversion gain, KVCO)을 설정하여 출력 신호(VOUT)의 주파수(fOUT)를 주파수 고정 범위(frequency lock range)까지 조정한 후, 파인 루프 구조를 통하여 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수를 미세 조정함으로써 출력 신호(VOUT)가 제어될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a free running frequency (f 0 ) and a conversion gain (KVCO) of the voltage controlled oscillator (VCO) are set through a coarse loop structure to determine the output signal (V OUT ). frequency can be controlled (f OUT) a fixed frequency range (frequency lock range) adjustment, by fine-tuning the frequency of the voltage-controlled oscillator (VCO) through a fine loop structure, the output signal (V OUT) and then up.

본 발명의 일 실시예에 따라 Buck converter가 정상상태(Steady-state)에 들어서게 되면 Output voltage가 Lock이 되고, 이 때 FDIV는 SDM 동작으로 인해 위상이 FREF의 위상과 평균적으로 같은 값을 갖는 Random한 위상을 갖게 된다. 그에 따라 Duty도 Target voltage에 맞는 평균값을 갖는 Random duty가 생성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the Buck converter enters a steady-state, the output voltage is locked, and at this time, the FDIV is random because the phase has the same value as the phase of the FREF due to the SDM operation. Phase. As a result, a duty duty having an average value corresponding to the duty voltage may be generated.

도 9는 예시적인 PFD 블록도 및 타이밍도 및 특성을 나타내고, 도 10은 예시적인 Dual Loop VCO 및 특성을 나타내며, 도 11은 예시적인 N-분주기의 블록도이다. 또한, 도 12는 보상 회로가 포함된 벅 컨버터의 루프 게인(loop gain)을 나타낸다.9 shows an exemplary PFD block diagram and timing diagram and characteristics, FIG. 10 shows an exemplary Dual Loop VCO and characteristics, and FIG. 11 is a block diagram of an exemplary N-divider. 12 illustrates loop gain of a buck converter including a compensation circuit.

본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 EMI 감소의 검증을 위하여, Samsung 65nm CMOS 공정으로 설계하여 구현해보았다. Power stage의 inductor와 capacitor는 각각 1uH, 1uF이며 target switching frequency는 1MHz로 설정하였고, 65nm CMOS 공정은 1.2V의 VDD 전압을 가지므로 벅 컨버터의 출력은 1.2V보다 낮은 전압을 갖게 된다. 따라서, 0 ~ 1.2V까지의 control 전압을 갖는 VCO를 제외한 벅 컨버터의 controller는 도 7에서와 같이, FPGA (Field Programmable Gate Array)를 이용하여 구현할 수도 있다. Verilog coding을 통해 PFD와 counter 기반의 N 분주가 가능한 divider를 구성하였고, Digital Sigma-Delta Modulator는 2차의 MASH 1-1 방식으로 구현해보았다.In order to verify harmonic EMI reduction according to an embodiment of the present invention, a design using Samsung 65nm CMOS process was implemented. The inductor and capacitor of the power stage are 1uH and 1uF, respectively, and the target switching frequency is set to 1MHz. Since the 65nm CMOS process has a VDD voltage of 1.2V, the output of the buck converter has a voltage lower than 1.2V. Accordingly, the controller of the buck converter except for the VCO having a control voltage of 0 to 1.2V may be implemented using a field programmable gate array (FPGA) as shown in FIG. 7. Through Verilog coding, a divider capable of N-dividing based on PFD and counters was constructed, and Digital Sigma-Delta Modulator was implemented in the second MASH 1-1 method.

도 9을 참조하면, 예를 들어, PFD는 2개의 D Flip-Flop과 1개의 and gate 그리고 buffer로 구성될 수 있다. D Flip-Flop은 FREF와 FDIV의 입력을 받는다. 이 때 두개의 frequency가 lock range안에 들어와서 두 신호의 위상으로 비교가 가능하다면 D Flip-Flop의 D가 VDD로 연결되기 때문에 FREF가 low에서 high로 바뀌게 되면, 신호의 rising edge에 맞춰서 UP신호가 low에서 high로 변하게 된다. 이 후 FDIV가 low에서 high로 변하게 되면, and gate 입력이 high, high가 됨으로 두 D Flip-Flop은 자동적으로 reset이 되며 UP 신호 또한 그 시점에 low로 내려오게 된다. 시뮬레이션 결과, 1MHz에서 FREF와 FDIV에 맞게 UP신호와 DN신호가 발생하는 것을 확인할 수 있었고, UP신호를 PWM으로 사용하게 된다.Referring to FIG. 9, for example, the PFD may include two D flip-flops, one and a gate, and a buffer. D Flip-Flop accepts inputs from FREF and FDIV. At this time, if the two frequencies are within the lock range and can be compared with the phase of the two signals, the D flip-flop is connected to VDD, so if the FREF is changed from low to high, the UP signal is aligned with the rising edge of the signal. It will change from low to high. After that, when the FDIV goes from low to high, the two D Flip-Flops are automatically reset because the and gate inputs are high and high, and the UP signal is also brought low at that point. As a result of simulation, we can confirm that UP signal and DN signal are generated for FREF and FDIV at 1MHz, and UP signal is used as PWM.

도 10의 (b)는 dual loop VCO의 전압 대 출력 frequency의 특성 곡선을 나타낸다. 도 10을 참조하면, VCO의 Inverter 단의 VDD를 조정하여 출력 frequency를 대략적으로 조정한 후, 각 인버터의 출력단에 있는 latch의 VDD인 fine 전압으로 미세조정을 하여 원하는 출력 frequency를 얻을 수 있다. 벅 컨버터의 출력 전압은 fine Loop을 통해 얻어지는 frequency와 N divider의 N값으로 조정을 할 수 있다. Vcoarse 전압에 따라서 VCO의 동작 영역이 달라지고 그에 따라 fine 전압으로 조정할 수 있는 control range가 변하게 된다. 예로써 설계된 VCO는

Figure 112018013711545-pat00018
를 갖기 때문에 fine 전압이 커질수록 frequency는 낮아진다. 따라서 N 값이 커질수록 벅 컨버터의 출력 전압은 커진다. 전술한 예에서 시뮬레이션 결과 Vcoarse가 900mV이고 Vfine이 700mV일 때, 출력 frequency는 445.026MHz이었다.10 (b) shows a characteristic curve of voltage versus output frequency of the dual loop VCO. Referring to FIG. 10, after adjusting the output frequency by adjusting VDD of the inverter stage of the VCO, the desired output frequency may be obtained by finely adjusting the fine voltage of VDD of the latch at the output terminal of each inverter. The output voltage of the buck converter can be adjusted by the frequency obtained through the fine loop and by the N value of the N divider. Depending on the Vcoarse voltage, the operating range of the VCO changes and thus the control range that can be adjusted to fine voltage. As an example, a VCO designed
Figure 112018013711545-pat00018
The higher the fine voltage, the lower the frequency. Therefore, as the value of N increases, the output voltage of the buck converter increases. In the example described above, when Vcoarse is 900mV and Vfine is 700mV, the output frequency is 445.026MHz.

도 11을 참조하면, N-divider는 8 bit의 code 값을 이용하여 최대 256분주가 가능하게 설계 될 수 있다. D Flip-Flop을 이용하여 만든 T Flip-Flop 8개를 이용하여 입력되는 N 값과 T Flip-Flop의 출력을 XOR gate의 입력으로 사용한 후 나오는 출력 out0~out7을 OR gate를 통해 T Flip-Flop의 rest 신호를 만들고 그 신 호를 inverting 하여 최종 출력인 FDIV를 만들어 낼 수 있다.Referring to FIG. 11, the N-divider may be designed to allow a maximum of 256 divisions using a code value of 8 bits. T Flip-Flop through N gate and output out0 ~ out7 output after using N value input by using 8 T Flip-Flop made by D Flip-Flop and output of T Flip-Flop as input of XOR gate You can create a rest signal and invert the signal to produce the final output FDIV.

도 6을 참조하면, 검증을 위하여 SDM은 MASH 1-1구조의 2차 SDM으로 하였다. 1차 SDM을 사용할 경우, 간단한 블록으로 구성이 가능하지만 주기성이 생기게 되고 이 주기성은 frequency domain에서 spur로 나타나게 된다. 따라서 주기성을 없애고 높은 noise shaping 효과를 얻기 위해서 MASH 1구조를 cascading한 MASH 1-1 구조를 사용하였다.Referring to FIG. 6, for verification, the SDM is a secondary SDM having a MASH 1-1 structure. In the case of using the first SDM, it is possible to construct a simple block, but there is periodicity, which is represented by spur in the frequency domain. Therefore, to eliminate the periodicity and to obtain high noise shaping effect, we used MASH 1-1 structure which cascaded MASH 1 structure.

도 12에서는 보상 회로가 존재하는 벅 컨버터의 루프 게인을 나타내고 있다. 일반적인 벅 컨버터는 출력 단의 RLC에 의해서 생기는 공진점

Figure 112018013711545-pat00019
에서 complex pole이 생성된다. 이 때 complex pole로 인해서 위상은
Figure 112018013711545-pat00020
가 된다. 이로 인해서 UGF(Unit Gain Frequency)에서 phase margin을 확보할 수 없다. 이런 경우에서는 공진점 즉
Figure 112018013711545-pat00021
에서 2개의 pole이 생기고 VCO의 전달함수인
Figure 112018013711545-pat00022
로 인해 DC에 pole이 생기게 된다. 따라서 UGF가 공진점 밖에 생성되기 때문에 적절한 보상 회로가 필요하다.12 shows the loop gain of the buck converter in which the compensation circuit is present. Typical buck converter has resonance point caused by RLC of output stage
Figure 112018013711545-pat00019
At this point a complex pole is created. At this time, due to the complex pole, the phase
Figure 112018013711545-pat00020
Becomes Because of this, it is not possible to secure phase margin in UGF (Unit Gain Frequency). In this case, the resonance point
Figure 112018013711545-pat00021
Two poles in the VCO, the transfer function
Figure 112018013711545-pat00022
This causes poles in the DC. Therefore, because UGF is generated outside the resonance point, an appropriate compensation circuit is required.

벅 컨버터의 loop 안정도를 확보하기 위해서는 공진점에서 2개의 complex pole에 의해서 생기는

Figure 112018013711545-pat00023
위상 변화를 피하기 위해서 간단한 RC low-pass filter를 사용(예컨대, 도 12 파란 점선 박스)의 하여 UGF를 공진점 안쪽에 위치하게 하였다. In order to ensure the loop stability of the buck converter, it is caused by two complex poles at the resonance point.
Figure 112018013711545-pat00023
In order to avoid phase shift, a simple RC low-pass filter (eg, blue dashed box in FIG. 12) was used to place the UGF inside the resonance point.

VCO의 전달함수

Figure 112018013711545-pat00024
로 인해 DC에서 생기는 Pole은 -20dB/dec로 roll-off를 형성이 시키는데 1차의 low-pass filter를 사용하면 -40dB/dec로 roll-off 형성이 되기 때문에 공진점 앞쪽에 UGF를 위치시킬 수 있어서 간단하게 안정도 확보가 가능하다.VCO's Transfer Function
Figure 112018013711545-pat00024
Due to the pole generated at DC, roll-off is formed at -20dB / dec. When the first-order low-pass filter is used, the roll-off is formed at -40dB / dec, so the UGF can be placed in front of the resonance point. It is possible to secure stability easily.

Loop가 lock이 되면 그 때의 FREF와 FDIV의 위상차이가 고정이 되면서 duty가 결정이 된다. 예를 들면, 1MHz의 switching frequency, 1uF, 1uH의 capacitor, inductor 조건에서 37mV의 ripple을 갖는다. 전술한 예의 시뮬레이션 결과 duty는 최대 0.45%까지 랜덤하게 변하게 된다. 이로 인해서 PWM 신호의 주파수 성분이 변하기 때문에 고조파 성분들이 제거될 수 있다. 또한, 출력전압은 980mV 부터 400mV까지는 선형적으로 변하며 최대 전압조절 가능한 범위는 980mV~200mV까지 이다. 다시 말해서, Input voltage가 1.2V일 때 Output voltage는 980mV 부터 약 400mV 까지 선형적으로 변하고, 최저 Output 196mV 까지 Control 할 수 있어 Integer-N보다 Fractional-N 동작을 할 때 Wide한 Output voltage control range를 가질 수 있음이 확인된다.When the loop is locked, the duty is determined by fixing the phase difference between FREF and FDIV at that time. For example, it has a ripple of 37mV at 1MHz switching frequency, 1uF, 1uH capacitor, and inductor. As a result of the simulation of the above example, the duty varies randomly up to 0.45%. This allows harmonic components to be removed because the frequency components of the PWM signal change. In addition, the output voltage varies linearly from 980mV to 400mV and the maximum voltage adjustable range is from 980mV to 200mV. In other words, when the input voltage is 1.2V, the output voltage changes linearly from 980mV to about 400mV, and can control up to the output of 196mV, which has wider output voltage control range when Fractional-N operation than Integer-N. It is confirmed that it can.

VCO를 제외한 controller를 FPGA로 대체하여 Function 검증을 하였고 이를 통하여 칩으로 설계할 시 효과적인 layout으로 설계할 수 있다. 이 때 switching TR과 controller가 차지하는 active 면적은

Figure 112018013711545-pat00025
으로 기존의 low EMI 벅 컨버터에 비해 적은 면적으로 설계가 될 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터는 noise에 민감한 Mobile용 RF/Analog 회로의 전원 공급 회로로써 사용될 수 있을 것이다. Function verification was performed by replacing the controller except VCO with FPGA and through this, it can be designed with effective layout when designing with chip. At this time, the active area occupied by the switching TR and the controller is
Figure 112018013711545-pat00025
As a result, they can be designed in a smaller area than conventional low EMI buck converters. Buck converter according to an embodiment of the present invention may be used as a power supply circuit of the RF / Analog circuit for mobile noise sensitive.

전술한 바와 같이, 검증을 위하여 설계는 Samsung 65nm CMOS 공정을 사용하였고 switching frequency 1MHz, 1uF output capacitor, 1uH inductor를 사용하였을 때 출력 EMI noise는 -53dBm 이하로 측정이 되며, output ripple은 32mV로 측정되었다. Load regulation 특성은 load current가 100mA->250mA 일 때 7.92us, 250mA->100mA 일 때 5.4us로 측정되었다.As described above, the design used Samsung 65nm CMOS process for the verification, and when the switching frequency 1MHz, 1uF output capacitor, 1uH inductor was used, the output EMI noise was measured below -53dBm, and the output ripple was measured as 32mV. . Load regulation characteristics were measured as 7.92us when the load current is 100mA-> 250mA and 5.4us when 250mA-> 100mA.

본 발명의 일 실시예에 따른 Fractional-N 분주가 가능한 DPLL 기반의 Buck converter는 SDM을 사용하여 Random한 분주비를 만들어내고, 그에 따라서 고정된 Frequency에서 오는 PWM의 Tone noise를 감소시키면서 Integer-N 보다 Wide한 Output control range를 가질 수 있도록 할 수 있다. A DPLL-based Buck converter capable of fractional-N division according to an embodiment of the present invention generates a random division ratio using SDM, and thus reduces the tone noise of PWM coming from a fixed frequency, rather than Integer-N. Can have a wide output control range.

본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 동작 방법과 관련하여서는 전술한 장치에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 동작 방법과 관련하여, 전술한 장치에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.With regard to a method of operating a device according to an embodiment of the present invention, the above description may be applied. Therefore, with respect to the operation method, the description of the same contents as those of the above-described apparatus is omitted.

한편, 전술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터 판독 가능 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터 판독 가능 매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 본 발명의 다양한 방법들을 수행하기 위한 실행 가능한 컴퓨터 프로그램이나 코드를 기록하는 기록 매체는, 반송파(carrier waves)나 신호들과 같이 일시적인 대상들은 포함하는 것으로 이해되지는 않아야 한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, DVD 등)와 같은 저장 매체를 포함할 수 있다.Meanwhile, the above-described method can be written as a program that can be executed in a computer, and can be implemented in a general-purpose digital computer which operates the program using a computer readable medium. In addition, the structure of the data used in the above-described method can be recorded on the computer-readable medium through various means. A recording medium for recording an executable computer program or code for performing various methods of the present invention should not be understood to include temporary objects, such as carrier waves or signals. The computer readable medium may include a storage medium such as a magnetic storage medium (eg, a ROM, a floppy disk, a hard disk, etc.), an optical reading medium (eg, a CD-ROM, a DVD, etc.).

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

100: 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)
200: N-분주기(N-Divider)
300: 위상 주파수 검출부(Phase Frequency Detector: PFD)
400: 파워 스테이지(power stage)
500: 시그마-델타 변조기(Sigma-Delta Modulator: SDM)
100: Voltage Controlled Oscillator (VCO)
200: N-divider
300: Phase Frequency Detector (PFD)
400: power stage
500: Sigma-Delta Modulator (SDM)

Claims (6)

고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치에 있어서,
전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO);
상기 전압 제어 발진기와 연결된 프렉셔널(Fractional)-N 구조의 N-분주기(N-Divider);
상기 N-분주기와 연결된 위상 주파수 검출부(Phase Frequency Detector: PFD); 및
상기 PFD와 연결된 벅 컨버터 구조의 파워 스테이지(power stage)가 포함되는 것을 특징으로 하는 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치.
In converting device for harmonic EMI reduction,
Voltage Controlled Oscillator (VCO);
An N-divider having a Fractional-N structure connected to the voltage controlled oscillator;
A phase frequency detector (PFD) connected to the N-divider; And
And a power stage of a buck converter structure connected to the PFD.
제 1 항에 있어서,
상기 N-분주기(N-Divider)에는 시그마-델타 변조기(Sigma-Delta Modulator: SDM)가 연결되고, 상기 N-분주기에서는 Integer N이 아닌 상기 SDM가 적용된 Fractional-N으로 분주하며,
상기 시그마-델타 변조기(SDM)는 MASH 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치.
The method of claim 1,
A Sigma-Delta Modulator (SDM) is connected to the N-divider, and the N-divider divides the Fractional-N to which the SDM is applied instead of Integer N.
And a sigma-delta modulator (SDM) having a MASH structure.
제 2 항에 있어서,
상기 벅 컨버터 구조의 출력 전압이 상기 전압 제어 발진기(VCO)에 입력될 때 생성되는 위상 정보를 상기 시그마-델타 변조기가 연결된 N-분주기에서 랜덤(Random)하게 분주하게 되고, 분주 시 주파수(FDIV)와 기준주파수(FREF)가 비교되어 PWM 신호의 듀티(Duty)가 결정되는 것을 특징으로 하는 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치.
The method of claim 2,
Phase information generated when the output voltage of the buck converter structure is input to the voltage controlled oscillator (VCO) is randomly divided in an N-divider connected with the sigma-delta modulator, DIV ) and the reference frequency (F REF ) is a conversion device for reducing harmonic EMI, characterized in that the duty (Duty) of the PWM signal is determined.
제 1 항에 있어서,
상기 전압 제어 발진기(VCO)로 인가되는 신호는 코어스 루프(coarse loop) 구조 및 파인 루프(fine loop) 구조 각각으로부터 인가되고,
상기 코어스 루프 구조에는 상기 N-분주기(N-Divider), 상기 N-분주기와 연결된 위상 주파수 검출부가 포함되며, 상기 파인 루프 구조에는 상기 벅 컨버터 구조의 파워 스테이지(power stage)가 포함되는 것을 특징으로 하는 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치.
The method of claim 1,
The signal applied to the voltage controlled oscillator VCO is applied from each of a coarse loop structure and a fine loop structure,
The coarse loop structure includes the N-divider and a phase frequency detector connected to the N-divider, and the fine loop structure includes a power stage of the buck converter structure. Converting device for harmonic EMI reduction.
제 4 항에 있어서,
상기 전압 제어 발진기는 coarse loop의 전압과 fine loop의 전압인 두 개의 control loop를 가지는 dual loop VCO인 것을 특징으로 하는 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치.
The method of claim 4, wherein
The voltage controlled oscillator is a converting device for harmonic EMI reduction, characterized in that the dual loop VCO having two control loops, the voltage of the coarse loop and the voltage of the fine loop.
제 4 항에 있어서,
상기 코어스 루프 구조를 통하여 상기 전압 제어 발진기(VCO)의 자주 주파수(free running frequency, f0)와 변환 이득(conversion gain, KVCO)을 설정하여 출력 신호(VOUT)의 주파수(fOUT)를 주파수 고정 범위(frequency lock range)까지 조정한 후, 상기 파인 루프 구조를 통하여 상기 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수를 미세 조정함으로써 상기 출력 신호(VOUT)가 제어되는 것을 특징으로 하는 고조파 EMI 감소를 위한 컨버팅 장치.

The method of claim 4, wherein
The frequency (f OUT) of said voltage controlled oscillator (VCO) common frequencies (free running frequency, f 0) and the output by setting the conversion gain (conversion gain, KVCO) signal (V OUT) of the through the coarse loop structure Frequency After adjusting to a fixed range (frequency lock range), the output signal (V OUT ) is controlled by fine-tuning the frequency of the voltage controlled oscillator (VCO) through the fine loop structure for harmonic EMI reduction Converting device.

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