KR102076991B1

KR102076991B1 - 차지 펌프 장치

Info

Publication number: KR102076991B1
Application number: KR1020130165838A
Authority: KR
Inventors: 신윤수; 변선수; 이정광
Original assignee: 주식회사 실리콘웍스
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2020-02-13
Also published as: WO2014104808A1; KR20140086909A

Abstract

본 발명은 출력 전압을 레귤레이팅하는 차지 펌프 장치를 개시한다. 상기 차지 펌프 장치는, 부하의 증가와 감소에 대응하여 클럭 신호의 제공을 제어하는 클럭 신호 생성 회로, 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치를 포함하며 출력 전압을 제공하는 차지 펌핑 모듈; 및 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치의 동작을 위한 게이트 펄스를 제공하며 부하의 증가와 감소에 대응하여 턴온 저항을 조절하는 게이트 드라이버;를 포함한다.

Description

차지 펌프 장치{CHARGE PUMP APPARATUS}

본 발명은 차지 펌프 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력 전압을 레귤레이션하는 차지 펌프 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 차지 펌프는 오실레이터를 이용하여 출력 전압을 레귤레이션하는 구성을 가질 수 있다.

상기한 차지 펌프의 출력 전압을 정전압으로 유지하기 위하여 두 가지 레귤레이션 방법이 제시될 수 있다.

첫째, 오실레이터에서 출력되는 클럭 신호의 주파수를 제어하여서 차지 펌프의 출력 전압이 레귤레이션될 수 있다.

차지 펌프는 오실레이터의 클럭 신호를 이용하여 펌핑 동작을 수행하도록 구성된다. 그러므로 오실레이터의 클럭 신호의 주파수를 제어하면 차지 펌프의 출력 측의 전류의 양이 제어된다. 그 결과 차지 펌프의 출력 전압이 조절될 수 있다. 즉, 차지 펌프는 부하가 커지면 오실레이터의 클럭 신호의 주파수를 높여서 출력 측의 전류의 양이 많아지도록 제어될 수 있으며, 그 결과 출력 전압이 상승될 수 있다. 이와 반대로, 차지 펌프는 부하가 적어지면 오실레이터의 클럭 신호의 주파수를 낮춰서 출력 측의 전류의 양이 적어지도록 제어될 수 있으며, 그 결과 출력 전압이 하강될 수 있다.

또한, 첫째 방법의 경우, 차지 펌프는 고정된 주파수를 갖는 클럭 신호를 이용하여 출력 전압의 레귤레이션을 수행한다. 그러므로 출력 부하가 작은 경우에도 고정된 주파수의 클럭 신호를 이용한 지속적인 펌핑 동작이 지속될 수 있다. 결국, 불필요하게 전류를 소비하는 문제점이 발생할 수 있다.

둘째, 전압의 펌핑을 수행하는 하이 사이드 스위치 또는 로우 사이드 스위치의 턴온 저항(Ron)을 제어하여서 차지 펌프의 출력 전압이 레귤레이션 될 수 있다.

일반적으로, 차지 펌프는 전압의 충전을 위하여 입력 전압을 출력 측으로 펌핑(Pumping)하는 하이 사이드 스위치와 충전 전압의 방전을 위하여 접지 쪽으로 전압을 싱킹(Sinking)하는 로우 사이드 스위치를 구비한다.

차지 펌프는 하이 사이드 스위치 또는 로우 사이드 스위치의 턴온 저항(Ron)을 컨트롤할 수 있으며, 결과적으로 차지 펌프의 출력단으로 흐르는 전류의 양이 제어될 수 있다. 즉, 차지 펌프의 출력 전압이 조절될 수 있다.

상기한 방법 중, 둘째 방법의 경우, 차지 펌프는 턴온 저항(Ron)을 제어하여 출력 전압의 레귤레이션을 수행한다. 그러므로 리플이 커지는 문제점이 발생할 수 있다.

따라서, 종래의 차지 펌프의 레귤레이션 방법은 펌핑 효율이 저하되는 문제점을 갖는다.

본 발명은 출력 측의 턴온 저항(Ron)을 제어하여 출력 전압의 레귤레이션을 수행하며 부하가 작은 경우 클럭 신호의 주파수를 조절하여 불필요한 전류의 소비를 방지할 수 있는 차지 펌핑 장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 차지 펌프 장치는, 클럭 신호를 생성하기 위한 클럭 정보를 제공하는 오실레이터; 부하에 출력 전압을 제공하고, 제1 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 하이 사이드 스위치와 제2 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 로우 사이드 스위치를 포함하며, 상기 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치의 동작에 의하여 충방전을 수행하고, 상기 로우 사이드 스위치의 턴온 저항에 대응하여 충방전된 전압을 상기 출력 전압으로 제공하는 차지 펌핑 모듈; 상기 출력 전압을 기준 전압과 비교하여 센싱 신호를 출력하는 센싱 모듈; 정전류원에 의한 전압과 상기 센싱 신호를 비교한 결과에 대응하는 선택신호를 출력하는 모드 셀렉터; 상기 클럭 정보를 이용하여 상기 클럭 신호를 생성하며, 상기 선택 신호에 대응하여 상기 클럭 신호의 출력을 스위칭하는 멀티플렉서; 및 상기 클럭 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 게이트 펄스를 제공하며, 상기 센싱 신호에 대응하여 상기 로우 사이드 스위치의 상기 턴온 저항을 조절하기 위하여 상기 제2 게이트 펄스의 전압을 조절하는 게이트 드라이버;를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 차지 펌프 장치는, 클럭 신호를 생성하기 위한 클럭 정보를 제공하는 오실레이터; 부하에 출력 전압을 제공하고, 제1 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 하이 사이드 스위치와 제2 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 로우 사이드 스위치를 포함하며, 상기 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치의 동작에 의하여 충방전을 수행하고, 상기 하이 사이드 스위치의 턴온 저항에 대응하여 충방전된 전압을 상기 출력 전압으로 제공하는 차지 펌핑 모듈; 상기 출력 전압을 기준 전압과 비교하여 센싱 신호를 출력하는 센싱 모듈; 정전류원에 의한 전압과 상기 센싱 신호를 비교한 결과에 대응하는 선택신호를 출력하는 모드 셀렉터; 상기 클럭 정보를 이용하여 상기 클럭 신호를 생성하며, 상기 선택 신호에 대응하여 상기 클럭 신호의 출력을 스위칭하는 멀티플렉서; 및 상기 클럭 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 게이트 펄스를 제공하며, 상기 센싱 신호에 대응하여 상기 하이 사이드 스위치의 상기 턴온 저항을 조절하기 위하여 상기 제1 게이트 펄스의 전압을 조절하는 게이트 드라이버;를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 차지 펌프 장치는, 부하의 증가와 감소에 대응하여 레벨이 변화되는 출력 신호를 기준 전압과 비교한 센싱 신호를 제공하는 센싱 모듈; 상기 센싱 신호에 의하여 클럭 신호의 제공 여부가 결정되고, 상기 부하의 증가에 대응하여 상기 클럭 신호를 제공하며, 상기 부하의 감소에 대응하여 상기 클럭 신호의 제공을 중지하는 클럭 신호 생성 회로; 제1 게이트 펄스에 의하여 구동되는 하이 사이드 스위치와 제2 게이트 펄스에 의하여 구동되는 로우 사이드 스위치를 포함하며, 상기 하이 사이드 스위치와 상기 로우 사이드 스위치의 동작에 의하여 충방전을 수행하고, 상기 부하에 충방전된 전압을 상기 출력 전압으로 제공하는 차지 펌핑 모듈; 및 상기 클럭 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 게이트 펄스를 제공하며, 상기 하이 사이드 스위치와 상기 로우 사이드 스위치 중 어느 하나의 턴온 저항을 조절하기 위하여 상기 센싱 신압을 이용하여 상기 제1 게이트 펄스와 상기 제2 게이트 펄스 중 어느 하나의 전압을 조절하는 게이트 드라이버;를 포함함을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 출력 측의 턴온 저항(Ron)을 제어하여 출력 전압의 레귤레이션을 수행할 수 있으며 출력 부하가 작아지는 경우 클럭 신호의 주파수를 조절하여 불필요한 소비 전류의 발생을 방지할 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 차지 펌핑 장치는 개선된 펌핑 효율을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차지 펌핑 장치의 바람직한 실시예를 나타내는 블록도.
도 2는 도 1의 오실레이터의 출력 파형도.
도 3은 도 1의 차지 펌핑 모듈의 상세 회로도.
도 4는 도 1의 모드 셀렉터의 일 예를 나타내는 상세 회로도.
도 5은 도 1의 멀티플렉서의 상세 회로도.
도 6은 도 1의 게이트 드라이버의 일 예를 나타내는 상세 회로도.
도 7은 본 발명에 따른 차지 펌핑 장치의 다른 실시예를 나타내는 블록도.
도 8은 도 7의 모드 셀렉터의 일 예를 나타내는 상세 회로도.
도 9는 도 7의 게이트 드라이버의 일 예를 나타내는 상세 회로도.
도 10은 본 발명에 따른 차지 펌핑 장치의 또다른 실시예에 적용되는 차지 펌핑 모듈의 상세 회로도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 차지 펌핑 모듈의 하이 사이드 스위치 또는 로우 사이드 스위치의 턴온 저항(Ron)을 조절하는 것과 클럭 신호의 주파수를 조절하는 것을 병행하는 구성을 개시한다.

도 1의 본 발명에 따른 실시예는 차지 펌핑 모듈의 로우 사이드 스위치의 턴온 저항(Ron)과 클럭 신호의 주파수를 조절하는 것을 개시한다.

도 1을 참조하면, 차지 펌핑 장치는 오실레이터(10), 차지 펌핑 모듈(12), 센싱 모듈, 모드 셀렉터(14), 멀티플렉서(16) 및 게이트 드라이버(18)를 포함한다.

여기에서, 오실레이터(10)는 도 2와 같이 일정한 펄스 폭을 갖는 발진 신호 OSC를 생성한 후 발진 신호(OSC)의 라이징 에지에 동기한 셋 신호 SET를 생성하고 발진 신호 OSC의 폴링 에지에 동기한 리셋 신호 RESET를 생성하여 출력한다.

즉, 오실레이터(10)에서 출력되는 셋 신호(SET)와 리셋 신호(RESET)는 발진 신호 OSC의 주파수에 동기된 주파수를 갖는다. 셋 신호 SET와 리셋 신호 RESET는 주기적으로 교번하여 출력되며 발진 신호 OSC의 주파수 정보를 갖는다. 결과적으로 오셀레이터(10)는 클럭 신호의 생성을 위한 주파수 정보와 듀티 정보를 포함한 클럭 신호 정보를 제공한다.

상기와 같이 오실레이터(10)에서 생성된 셋 신호 SET와 리셋 신호 RESET는 멀티플렉서(16)로 제공된다.

그리고, 차지 펌핑 모듈(12)은 후술되는 도 3과 같이 충전과 방전이 수행되는 플라이 캐패시터(CFLY)를 포함하며 레귤레이션된 출력 전압(VOUT)을 부하(CL)에 제공한다.

도 3을 참조하면, 차지 펌핑 모듈(12)은 입력 전압 VIN이 인가되는 하이 사이드 스위치(QP1)와 접지전압 GND이 인가되는 로우 사이드 스위치(QP2)를 포함한다.

하이 사이드 스위치(QP1)는 PMOS 트랜지스터로 구성될 수 있으며, 게이트에 인가되는 게이트 펄스 GDHS에 의하여 구동되고, 입력 전압 VIN을 후술되는 플라이 캐패시터(CFLY)로 펌핑하는 동작을 수행한다.

그리고, 로우 사이드 스위치(QP2)는 NMOS 트랜지스터로 구성될 수 있으며, 게이트에 인가되는 게이트 펄스 GDLS에 의하여 구동되고, 접지 전압 GND를 이용하여 후술되는 플라이 캐패시터(CFLY)의 전하를 싱킹하는 동작을 수행한다.

차지 펌핑 모듈(12)은 상술한 플라이 캐패시터(CFLY)를 포함한다. 플라이 캐패시터(CFLY)는 일단이 하이 사이드 스위치(QP1)와 로우 사이드 스위치(QP2) 간의 노드와 연결된다.

그리고, 차지 펌핑 모듈(12)은 다이오드들(D1, D2)를 포함한다. 다이오드(D1)는 플라이 캐패시터(CFLY)의 입력단에 인가되는 전압을 부하(CL)에 전달하도록 구성되며, 다이오드(D1)에서 출력되는 전압이 차지 펌핑 모듈(12)의 출력 전압(VOUT)이다. 다이오드(D2)는 플라이 캐패시터(CFLY)와 병렬로 연결되어 다이오드(D1)의 입력단에 입력 전압 VIN을 제공하도록 구성된다.

상기와 같이 구성되는 차지 펌핑 모듈(12)은 게이트 드라이버(18)에서 제공되는 게이트 펄스 GDHS 및 GDLS의 토글링에 대응하여 펌핑 동작을 수행한다.

한편, 차지 펌핑 모듈(12)에서 부하(CL)로 공급되는 출력 전압(VOUT)은 센싱 모듈에 의하여 센싱된다.

센싱 모듈은 비교기(20)를 포함하여 구성될 수 있으며, 비교기(20)는 네가티브 입력단(-)에 출력 전압 VOUT이 인가되고 포지티브 입력단(+)에 기준 전압 VREF이 인가되며 센싱 신호 VCOMP을 출력하도록 구성될 수 있다.

비교기(20)의 포지티브 입력단(+)에 설정되는 기준 전압 VREF은 제작자에 의하여 임의로 설정될 수 있으며, 에러 증폭기(Error Amplifier)로 구성됨이 바람직하다.

부하(CL)가 커지면 출력 전압 VOUT은 하강한다. 하강되는 출력 전압 VOUT은 레귤레이션에 의하여 펌핑되어야 하며, 상기한 레귤레이션을 위하여 출력 전압 VOUT이 비교기(20)로 피드백된다.

즉, 비교기(20)는 부하(CL)가 커지면 낮은 레벨의 출력 전압 VOUT에 대응하여 하이 레벨의 센싱 신호 VCOMP을 출력하고 부하(CL)가 작아지면 높은 레벨의 출력 전압 VOUT에 대응하여 로우 레벨의 센싱 신호 VCOMP를 출력한다.

모드 셀렉터(14)는 비교기(20)로부터 센싱 신호 VCOMP를 수신하며, 로우 사이드 스위치(QP2)의 턴온 저항(Ron)을 제어하기 위하여 도 4와 같이 구성될 수 있다.도 4의 실시예는 포지티브 정전류원에 의한 전압과 센싱 신호 VCOMP를 비교하여 선택 신호 VSEL을 출력하는 구성을 갖는다.

도 4를 참조하면, 모드 셀렉터(14)는 PMOS 트랜지스터로 이루어지는 한 쌍의 다이오드형 트랜지스터(QD21, QD22)와 포지티브 정전류원(IP)을 포함한다.

모드 셀렉터(14)에서 입력 전압 VIN은 포지티브 정전류원(IP)에 인가된다. 한 쌍의 다이오드형 트랜지스터(QD21, QD22)는 접지에 연결된다.

그리고, 모드 셀렉터(14)는 비교기(32)를 포함하며, 비교기(32)는 네가티브 단자(-)에 인가된 포지티브 정전류원(IP)의 출력과 포지티브 단자(+)에 인가된 센싱 신호 VCOMP를 비교하여 선택 신호 VSEL을 출력하도록 구성된다.

네가티브 단자(-)의 레벨은 고정된 상태이므로, 비교기(32)는 센싱 신호 VCOMP의 레벨에 대응하는 선택 신호 VSEL을 출력한다. 즉, 센싱 신호 VCOMP의 레벨이 높으면 선택 신호 VSEL은 높은 레벨로 출력되고, 센싱 신호 VCOMP의 레벨이 낮으면 선택전압 VSEL은 낮은 레벨로 출력된다.

한편, 멀티플렉서(16)는 선택 신호 VSEL을 셋 신호 SET에 동기시켜서 클럭 신호 CLK를 출력하며 클럭 신호 CLK가 리셋 신호 RESET에 의하여 주기적으로 리셋되는 구성을 갖는다.

도 5를 참조하면, 멀티플렉서(16)는 논리 조합 회로(40)와 래치(42)를 포함하여 구성될 수 있다.

논리 조합 회로(40)는 앤드 게이트로 구성될 수 있으며, 선택 신호 VSEL에 동기하여 셋 신호 SET의 출력을 제어하는 앤드 조합을 수행하는 구성을 갖는다.

그리고, 래치(42)는 리셋 신호 RESET에 의하여 주기적으로 리셋되며 논리 조합 회로(40)의 출력을 클럭 신호 CLK로 출력하는 구성을 갖는다. 여기에서, 래치(42)는 SR래치로 구성될 수 있으며, 클럭 신호 CLK는 포지티브 출력단으로 출력될 수 있다.

한편, 게이트 드라이버(18)는 도 6과 같이 구성될 수 있고, 멀티플렉서(16)의 클럭 신호 CLK를 구동하여 게이트 펄스 GDHS 및 GDLS를 제공하며, 센싱 신호 VCOMP에 의하여 게이트 펄스 GDLS의 전압을 가변하여 출력하는 구성을 갖는다.

게이트 드라이버(18)는 클럭 신호 CLK를 수신하는 인버터(50)와 인버터(50)의 출력측에 병렬로 연결된 인버터들(52, 54)을 포함한다. 여기에서, 인버터(54)의 출력은 하이 사이드 스위치(QP1)의 게이트 펄스 GDHS로 제공되고, 인버터(52)의 출력은 로우 사이드 스위치(QP2)의 게이트 펄스 GDLS로 제공된다게이트 드라이버(18)는 구동 트랜지스터(QL)를 포함하며, 구동 트랜지스터(QL)는 인버터(52)의 출력 즉 로우 사이드 스위치(QP2)의 게이트 펄스 GDLS의 레벨을 제어하기 위한 스위칭 소자이다. 구동 트랜지스터(QL)는 센싱 신호 VCOMP에 의하여 구동되며 인버터(52)에 인가되는 입력 전압(VIN)의 레벨을 제어한다. 도 6의 게이트 드라이버(18)는 구동 트랜지스터(QL)에 인가되는 센싱 신호 VCOMP에 따라서 인버터(52)의 구동을 위하여 제공되는 입력 전압 VIN의 레벨이 조절되며, 그 결과 인버터(52)에서 출력되는 게이트 펄스 GDLS의 전압 레벨이 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 상술한 도 1 내지 도 6과 같이 구성될 수 있으며, 부하(CL)의 변동에 따라서 전압을 레귤레이션하기 위한 동작을 수행한다.

도 1 내지 도 6과 같이 실시되는 본 발명에 따른 실시예에서 오실레이터(10) 모드 셀렉터(14) 및 멀티플렉서(16)는 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 클럭 신호 CLK를 생성하는 클럭 신호 생성 회로에 해당된다. 여기에서, 멀티플렉서(16)는 오실레이터(10)에서 제공되는 클럭 신호 정보를 이용하여 클럭 신호를 생성하며 센싱 신호 VCOMP에 응답하여 클럭 신호 CLK의 출력을 스위칭하는 역할을 한다. 즉, 부하(CL)가 커져서 출력 전압 VOUT이 낮아지는 경우, 클럭 신호 생성 회로는 센싱 신호 COMP에 대응하여 정상적인 클럭 신호를 출력한다. 이와 달리 부하(CL)가 작아져서 출력 전압 VOUT이 높아지는 경우, 클럭 신호 생성 회로는 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 클럭 신호의 생성을 중지한다. 상기 정상적인 클럭 신호는 클럭 신호 정보에 대응하는 위상과 주파수를 갖도록 클럭 신호가 출력되는 것을 의미한다.

도 1 내지 도 6과 같이 구성되는 본 발명에 따른 실시예의 전압 레귤레이션 동작을 상세히 설명한다.

부하(CL)가 상승하면 출력 전압 VOUT이 하강한다. 본 발명에 따른 실시예는 상기한 부하(CL) 상승에 대응하여 부족한 출력 전압을 상승시키는 레귤레이션 동작을 수행한다.

출력 전압 VOUT의 하강에 대응하여 비교기(20)는 센싱 신호 VCOMP을 하이 레벨로 출력한다. 하이 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 모드 셀렉터(14)는 하이 레벨의 선택 신호 VSEL을 출력한다. 모드 센렉터(14)에서 선택 신호 VSEL이 하이 레벨로 출력되면 멀티플렉서(16)는 정상적으로 클럭 신호 CLK를 게이트 드라이버(18)로 제공한다.

또한, 게이트 드라이버(18)에서 하이 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 게이트 펄스 GDLS를 출력하는 인버터(52)에 인가되는 입력 전압 VIN이 제어된다. 센싱 신호 VCOM의 레벨이 높을수록 인버터(52)의 구동단으로 흐르는 전류가 증가한다. 즉, 하이 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 의하여 인버터(52)으 구동단으로 흐르는 전류가 증가하고, 증가하는 전류의 양에 비례하여 인버터(52)에 인가되는 입력 전압 VIN의 레벨이 상승한다. 그 결과 인버터(52)에서 출력되는 게이트 펄스 GDLS의 전압 레벨이 상승한다.

차지 펌핑 모듈(12)의 로우 사이드 스위치(QP2)는 상승된 레벨의 게이트 펄스 GDLS가 인가되면 턴온 저항(Ron)이 낮아진다. 그러므로 플라이 캐패시터(CFLY)의 충전 전압이 상승한다. 결과적으로 높아지는 부하(CL)에 대응하여 차지 펌핑 모듈(12)에서 출력되는 출력 전압 VOUT은 상승한다.

상술한 동작과 반대로, 부하(CL)가 하강하면 출력 전압 VOUT이 상승한다. 본 발명에 따른 실시예는 상기한 부하(CL) 하강에 대응하여 출력 전압을 하강시키는 레귤레이션 동작을 수행한다.

출력 전압 VOUT의 상승에 대응하여 비교기(20)는 센싱 신호 VCOMP을 로우 레벨로 출력한다. 로우 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 모드 셀렉터(14)는 로우 레벨의 선택 신호 VSEL을 출력한다. 모드 셀렉터(14)에서 선택 신호 VSEL이 로우 레벨로 출력되면 멀티플렉서(16)는 클럭 신호 CLK의 출력을 중지한다. 즉, 차지 펌핑 모듈(12)에 게이트 펄스 GDHS, GDLS가 인가되지 않으므로 전압 펌핑이 수행되지 않는다. 결과적으로 낮아지는 부하(CL)에 대응하여 차지 펌핑 모듈(12)에서 출력되는 출력 전압 VOUT은 하강하며, 불필요한 전류의 소비가 방지될 수 있다.

한편, 본 발명은 도 7과 같이 차지 펌핑 모듈의 하이 사이드 스위치의 턴온 저항(Ron)과 클럭 신호의 주파수를 조절하도록 실시될 수 있다. 이를 위하여 비교기(20), 모드 셀렉터(14) 및 게이트 드라이버(18)가 도 1과 다른 구성을 채용할 수 있다. 도 1 내지 도 6의 실시예와 동일한 도 7의 구성은 동일 부호를 사용하며 이에 대한 중복 설명은 생략한다.

먼저, 도 7의 실시예에서 센싱 모듈은 비교기(20)를 포함하여 구성될 수 있으며, 비교기(20)는 포지티브 입력단(-)에 출력 전압 VOUT이 인가되고 네가티브 입력단(+)에 기준 전압 VREF이 인가되며 센싱 신호 VCOMP을 출력하도록 구성될 수 있다.

그리고, 모드 셀렉터(14)는 네가티브 정전류원에 의한 전압과 센싱 신호 VCOMP를 비교하여 선택 신호 VSEL을 출력하는 구성을 갖는다.

도 8을 참조하면, 모드 셀렉터(14)는 PMOS 트랜지스터로 이루어지는 한 쌍의 다이오드형 트랜지스터(QD11, QD12)와 네가티브 정전류원(IN)을 포함한다.

모드 셀렉터(14)에서 입력 전압 VIN은 한 쌍의 다이오드형 트랜지스터(QD11, QD12)를 통하여 네가티브 정전류원(IN)에 인가된다.

그리고, 모드 셀렉터(14)는 포지티브 단자(+)에 인가된 네가티브 정전류원(IN)의 출력과 네가티브 단자(-)에 인가된 센싱 신호 VCOMP를 비교하여 선택 신호 VSEL을 출력하는 비교기(30)를 포함한다.포지티브 단자(+)의 레벨은 고정된 상태이므로, 비교기(30)는 센싱 신호 VCOMP의 레벨에 대응하는 선택 신호 VSEL을 출력한다. 즉, 선택 신호 VSEL은 센싱 신호 VCOMP의 레벨이 높으면 낮은 레벨로 출력되고, 센싱 신호 VCOMP의 레벨이 낮으면 높은 레벨로 출력된다.

게이트 드라이버(18)는 도 9와 같이 구성될 수 있고, 멀티플렉서(16)의 클럭 신호 CLK를 구동하여 게이트 펄스 GDHS 및 GDLS를 제공하며, 센싱 신호 VCOMP에 의하여 게이트 펄스 GDHS의 전압을 가변하여 출력하는 구성을 갖는다.

게이트 드라이버(18)는 클럭 신호 CLK를 수신하는 인버터(50) 및 인버터(50)의 출력측에 병렬로 연결된 인버터들(52, 56)을 포함한다. 여기에서, 인버터(52)의 출력은 하이 사이드 스위치(QP1)의 게이트 펄스 GDHS로 제공되고, 인버터(56)의 출력은 로우 사이드 스위치(QP2)의 게이트 펄스 GDLS로 제공된다.

게이트 드라이버(18)는 구동 트랜지스터(QH)를 포함하며, 구동 트랜지스터(QH)는 인버터(52)의 출력 즉 하이 사이드 스위치(QP1)의 게이트 펄스 GDHS의 레벨을 제어하기 위한 스위칭 소자이다. 구동 트랜지스터(QH)는 센싱 신호 VCOMP에 의하여 구동되며 인버터(52)에 공급되는 전류를 제어하여서 인버터(52)에 인가되는 접지 전압 GND의 레벨을 제어한다.

도 9의 게이트 드라이버(18)는 구동 트랜지스터(QH)에 인가되는 센싱 신호 VCOMP에 따라서 인버터(52)에 제공되는 접지 전압 GND의 레벨을 조절하며, 그 결과 인버터(52)에서 출력되는 게이트 펄스 GDHS의 전압 레벨이 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 상술한 도 7 내지 도 9와 같이 구성될 수 있으며, 부하(CL)의 변동에 따라서 전압을 레귤레이션하기 위한 동작을 수행한다. 도 7 내지 도 9와 같이 구성되는 본 발명에 따른 실시예의 전압 레귤레이션 동작을 설명한다.

출력 전압 VOUT의 하강에 대응하여 비교기(20)는 센싱 신호 VCOMP을 로우 레벨로 출력한다. 로우 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 모드 셀렉터(14)는 하이 레벨의 선택 신호 VSEL을 출력한다. 모드 센렉터(14)에서 선택 신호 VSEL이 하이 레벨로 출력되면 멀티플렉서(16)는 정상적으로 클럭 신호 CLK를 게이트 드라이버(18)로 제공한다.

또한, 게이트 드라이버(18)는 로우 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 인버터(52)에 인가되는 접지 전압 GND을 제어한다. 센싱 신호 VCOMP의 레벨이 낮을수록 접지 쪽으로 흐르는 전류가 증가한다. 즉, 로우 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 의하여 게이트 드라이버(18)의 인버터(52)에 적용되는 접지 전압 GND의 레벨이 하강하고, 그 결과 인버터(52)에서 출력되는 게이트 펄스 GDHS의 전압 레벨이 하강한다.

차지 펌핑 모듈(12)의 하이 사이드 스위치(QP1)는 하강된 레벨의 게이트 펄스 GDHS가 인가되면 턴온 저항(Ron)이 낮아진다. 그러므로 플라이 캐패시터(CFLY)의 충전 전압이 상승한다. 결과적으로 높아지는 부하(CL)에 대응하여 차지 펌핑 모듈(12)에서 출력되는 출력 전압 VOUT은 상승한다.

상술한 동작과 반대로, 부하(CL)가 하강하면 출력 전압 VOUT이 상승한다. 본 발명에 따른 실시예는 상기한 부하(CL) 하강에 대응하여 과다한 출력 전압을 하강시키는 레귤레이션 동작을 수행한다.

출력 전압 VOUT의 상승에 대응하여 비교기(20)는 센싱 신호 VCOMP을 하이 레벨로 출력한다. 하이 레벨의 센싱 신호 VCOMP에 대응하여 모드 셀렉터(14)는 로우 레벨의 선택 신호 VSEL을 출력한다. 모드 셀렉터(14)에서 선택 신호 VSEL이 로우 레벨로 출력되면 멀티플렉서(16)는 클럭 신호 CLK의 출력을 중지한다. 즉, 차지 펌핑 모듈(12)에 게이트 펄스 GDHS, GDLS가 인가되지 않으므로 전압 펌핑이 수행되지 않는다. 결과적으로 낮아지는 부하(CL)에 대응하여 차지 펌핑 모듈(12)에서 출력되는 출력 전압 VOUT은 하강하며, 불필요한 전류의 소비가 방지될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 실시예는 차지 펌프 모듈(12)에서 부하(CL)로 출력되는 출력 전압 VOUT을 센싱하여 센싱 신호 VCOMP을 구하고, 센싱 신호 VCOMP에 의하여 클럭 신호의 출력을 제어하는 한편 차지 펌핑 모듈(12)로 제공되는 게이트 펄스의 전압을 조절하여서 차지 펌핑 모듈(12)의 턴온 저항(Ron)을 제어하는 기능을 갖는다.

그러므로, 본 발명에 따른 실시예는 차지 펌핑 모듈(12)로 제공되는 게이트 펄스의 전압을 조절하여 차지 펌핑 모듈(12)의 스위칭 소자의 턴온 저항(Ron)을 제어하여 출력 전압의 레귤레이팅을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 출력 부하가 작아지는 경우 클럭 신호를 조절하는 모드가 수행될 수 있어서 불필요한 소비 전류의 발생을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 실시예는 클럭 신호를 조절함으로써 펌핑 효율 개선하는 효과와 턴온 저항(Ron)을 제어함으로써 리플을 개선하는 효과를 병행하여 얻을 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예들은 포지티브 방식으로 출력 전압 VOUT을 펌핑하는 것에 대하여 설명하고 있다. 그러나, 이에 국한되지 않고 도 10과 같이 네가티브 방식으로 출력 전압 VOUT을 펌핑하는 도 10의 실시예에도 적용될 수 있다.

도 10은 도 3의 차지 펌핑 모듈(12)에 구성된 다이오드들(D1, D2) 대신 역방향으로 배치된 다이오드들(D3, D4)을 포함한 실시예를 개시한다. 도 10의 실시예의 경우도 출력 전압 VOUT의 레귤레이션 동작은 도 1 및 도 7의 실시예와 동일하게 적용될 수 있으며, 이에 대한 중복된 설명은 생략한다.

10 : 오실레이터 12 : 차지 펌핑 모듈
14 : 모드 셀렉터 16 : 멀티플렉서
18 : 게이트 드라이버 20, 30, 32 : 비교기
40 : 논리 조합 회로 42 : 래치
50, 52 : 인버터

Claims

클럭 신호를 생성하기 위한 클럭 정보를 제공하는 오실레이터;
부하에 출력 전압을 제공하고, 제1 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 하이 사이드 스위치와 제2 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 로우 사이드 스위치를 포함하며, 상기 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치의 동작에 의하여 충방전을 수행하고, 상기 로우 사이드 스위치의 턴온 저항에 대응하여 충방전된 전압을 상기 출력 전압으로 제공하는 차지 펌핑 모듈;
상기 출력 전압을 기준 전압과 비교하여 센싱 신호를 출력하는 센싱 모듈;
정전류원에 의한 전압과 상기 센싱 신호를 비교한 결과에 대응하는 선택신호를 출력하는 모드 셀렉터;
상기 클럭 정보를 이용하여 상기 클럭 신호를 생성하며, 상기 선택 신호에 대응하여 상기 클럭 신호의 출력을 스위칭하는 멀티플렉서; 및
상기 클럭 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 게이트 펄스를 제공하며, 상기 센싱 신호에 대응하여 상기 로우 사이드 스위치의 상기 턴온 저항을 조절하기 위하여 상기 제2 게이트 펄스의 전압을 조절하는 게이트 드라이버;를 포함함을 특징으로 하는 차지 펌프 장치.
제1 항에 있어서, 상기 모드 셀렉터는,
포지티브 정전류원; 및
상기 포지티브 정전류원의 출력과 상기 센싱 신호를 비교한 결과를 상기 선택 신호로 출력하는 비교기;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제1 항에 있어서,
상기 오실레이터는 발진 신호를 생성한 후 상기 발진 신호의 라이징 에지에 동기한 셋 신호와 상기 발진 신호의 폴링 에지에 동기한 리셋 신호를 상기 클럭 정보로서 제공하는 차지 펌프 장치.
제3 항에 있어서, 상기 멀티플렉서는,
상기 선택 신호를 상기 셋 신호에 동기시키는 앤드 게이트; 및
상기 앤드 게이트의 출력에 대응하여 클럭 신호를 출력하고 상기 리셋 신호에 의하여 주기적으로 리셋되는 래치;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제1 항에 있어서, 상기 센싱 모듈은,
상기 출력 전압이 네가티브 입력단에 인가되고 상기 기준 전압이 포지티브 입력단에 인가되며 상기 센싱 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 차지 펌프 장치.
제1 항에 있어서, 상기 게이트 드라이버는,
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 하이 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제1 게이트 펄스를 출력하는 제1 인버터;
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 로우 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제2 게이트 펄스를 출력하는 제2 인버터; 및
상기 제2 인버터의 구동측에 인가되는 제1 전압을 상기 센싱 신호를 이용하여 제어하는 구동 트랜지스터;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제1 항에 있어서, 상기 차지 펌프 모듈은,
제1 전압이 인가되며 상기 제1 게이트 펄스에 의하여 구동되는 상기 하이 사이드 스위치;
제2 전압이 인가되며 상기 제2 게이트 펄스에 의하여 구동되는 상기 로우 사이드 스위치;
상기 하이 사이드 스위치와 상기 로우 사이드 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되어 전류의 충방전을 수행하여 펌핑이 이루어지는 플라이 캐패시터;
상기 제1 전압을 상기 플라이 캐패시터 타단에 전달하는 제1 다이오드; 및
상기 플라이 캐패시터와 상기 제1 다이오드에서 전압을 전달받고 상기 부하에 상기 출력 전압을 제공하는 제2 다이오드;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제7 항에 있어서,
상기 제1 전압은 입력 전압이고 상기 제2 전압은 접지전압이 적용되는 차지 펌프 장치.
클럭 신호를 생성하기 위한 클럭 정보를 제공하는 오실레이터;
부하에 출력 전압을 제공하고, 제1 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 하이 사이드 스위치와 제2 게이트 펄스에 응답하여 구동되는 로우 사이드 스위치를 포함하며, 상기 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치의 동작에 의하여 충방전을 수행하고, 상기 하이 사이드 스위치의 턴온 저항에 대응하여 충방전된 전압을 상기 출력 전압으로 제공하는 차지 펌핑 모듈;
상기 출력 전압을 기준 전압과 비교하여 센싱 신호를 출력하는 센싱 모듈;
정전류원에 의한 전압과 상기 센싱 신호를 비교한 결과에 대응하는 선택신호를 출력하는 모드 셀렉터;
상기 클럭 정보를 이용하여 상기 클럭 신호를 생성하며, 상기 선택 신호에 대응하여 상기 클럭 신호의 출력을 스위칭하는 멀티플렉서; 및
상기 클럭 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 게이트 펄스를 제공하며, 상기 센싱 신호에 대응하여 상기 하이 사이드 스위치의 상기 턴온 저항을 조절하기 위하여 상기 제1 게이트 펄스의 전압을 조절하는 게이트 드라이버;를 포함함을 특징으로 하는 차지 펌프 장치.
제9 항에 있어서, 상기 모드 셀렉터는,
네가티브 정전류원; 및
상기 네가티브 정전류원의 출력과 상기 센싱 신호를 비교한 결과를 상기 선택 신호로 출력하는 비교기;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제9 항에 있어서, 상기 센싱 모듈은,
상기 출력 전압이 포지티브 입력단에 인가되고 상기 기준 전압이 네가티브 입력된에 인가되며 상기 센싱 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 차지 펌프 장치.
제9 항에 있어서, 상기 게이트 드라이버는,
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 하이 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제1 게이트 펄스를 출력하는 제1 인버터;
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 로우 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제2 게이트 펄스를 출력하는 제2 인버터; 및
상기 제1 인버터에 인가되는 접지 전압을 상기 센싱 신호를 이용하여 제어하는 구동 트랜지스터;를 포함하는 차지 펌프 장치.
부하의 증가와 감소에 대응하여 레벨이 변화되는 출력 신호를 기준 전압과 비교한 센싱 신호를 제공하는 센싱 모듈;
상기 센싱 신호에 의하여 클럭 신호의 제공 여부가 결정되고, 상기 부하가 증가하면 상기 클럭 신호를 제공하고, 상기 부하가 감소하면 상기 클럭 신호의 제공을 중지하는 클럭 신호 생성 회로;
제1 게이트 펄스에 의하여 구동되는 하이 사이드 스위치와 제2 게이트 펄스에 의하여 구동되는 로우 사이드 스위치를 포함하며, 상기 하이 사이드 스위치와 상기 로우 사이드 스위치의 동작에 의하여 충방전을 수행하고, 상기 부하에 충방전된 전압을 출력 전압으로 제공하는 차지 펌핑 모듈; 및
상기 클럭 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 게이트 펄스를 제공하며, 상기 하이 사이드 스위치와 상기 로우 사이드 스위치 중 어느 하나의 턴온 저항을 조절하기 위하여 상기 센싱 신호를 이용하여 상기 제1 게이트 펄스와 상기 제2 게이트 펄스 중 어느 하나의 전압을 조절하는 게이트 드라이버;를 포함함을 특징으로 하는 차지 펌프 장치.
제13 항에 있어서, 상기 클럭 신호 생성 회로는,
상기 클럭 신호를 생성하기 위한 클럭 정보를 제공하는 오실레이터;
정전류원에 의한 전압과 상기 센싱 신호를 비교한 결과에 대응하는 선택신호를 출력하는 모드 셀렉터; 및
상기 클럭 정보를 이용하여 상기 클럭 신호를 생성하며, 상기 선택 신호에 대응하여 상기 클럭 신호의 출력을 스위칭하는 멀티플렉서;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제14 항에 있어서, 상기 모드 셀렉터는,
포지티브 정전류원; 및
상기 포지티브 정전류원의 출력과 상기 센싱 신호를 비교한 결과를 상기 선택 신호로 출력하는 비교기;를 포함하는 차지 펌프 장치
제14 항에 있어서, 상기 모드 셀렉터는,
네가티브 정전류원; 및
상기 네가티브 정전류원의 출력과 상기 센싱 신호를 비교한 결과를 상기 선택 신호로 출력하는 비교기;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제13 항에 있어서, 상기 센싱 모듈은,
상기 출력 전압이 네가티브 입력단에 인가되고 상기 기준 전압이 포지티브 입력된에 인가되며 상기 센싱 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 차지 펌프 장치.
제13 항에 있어서, 상기 센싱 모듈은,
상기 출력 전압이 포지티브 입력단에 인가되고 상기 기준 전압이 네가티브 입력된에 인가되며 상기 센싱 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 차지 펌프 장치.
제13 항에 있어서, 상기 게이트 드라이버는,
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 하이 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제1 게이트 펄스를 출력하는 제1 인버터;
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 로우 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제2 게이트 펄스를 출력하는 제2 인버터; 및
상기 제2 인버터의 구동측에 인가되는 제1 전압을 상기 센싱 신호를 이용하여 제어하는 구동 트랜지스터;를 포함하는 차지 펌프 장치.
제13 항에 있어서, 상기 게이트 드라이버는,
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 하이 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제1 게이트 펄스를 출력하는 제1 인버터;
상기 클럭 신호를 이용하여 상기 로우 사이드 스위치에 제공하기 위한 상기 제2 게이트 펄스를 출력하는 제2 인버터; 및
상기 제1 인버터에 인가되는 접지 전압을 상기 센싱 신호를 이용하여 제어하는 구동 트랜지스터;를 포함하는 차지 펌프 장치.