KR102116704B1 - 제어가능한 부스트 팩터를 갖는 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터 - Google Patents

제어가능한 부스트 팩터를 갖는 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터 Download PDF

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로버트 에이. 휴이트
데이비드 에이. 피터슨
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지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
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Abstract

트랜스리스식 스위칭 레귤레이터들을 위해, 전류-모드 제어식 부스트 변환기(14)가 접지로의 스위치(Mosfet1)를 통한 전류 감지(40)에 기반하여 동작하여서, 일반적인 제어기들(12)의 사용이 허용된다. 캐스케이딩된 전하 펌프(16)로부터의 역전류를 방지하기 위해, 다이오드(Daux)에 의해, 전하 펌프(16)의 입력이 접지로의 스위치(Mosfet1)를 통과하는 것이 차단되며, 이러한 전하 펌프(16)의 입력 자체는 접지로 별개로 스위칭(48)된다.

Description

제어가능한 부스트 팩터를 갖는 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터{TRANSFORMERLESS SWITCHING REGULATOR WITH CONTROLLABLE BOOST FACTOR}
[0001] 본 실시예들은 DC 전력 변환 회로들에 관한 것이다. DC 전력 변환 회로들은 공급 전압보다 더 높은 출력 전압을 생성한다. 3 개의 일반적인 DC 전력 변환 회로들은 부스트 변환기(boost converter)들, 트랜스포머(transformer)들, 및 전하 펌프(charge pump)들을 포함한다. 부스트 변환기들은 내부 인덕터(inductor)에서의 기생 저항들에 기인하여 제한된 확대율(multiplication ratio)을 갖는다. 기생 저항들을 제한하기 위해, 부스트 구성("슈퍼부스트(superboost)")의 다수의 인덕터들이 사용될 수 있다. 트랜스포머들은 스위칭-주파수(switching-frequency) 제한들을 갖는다. 스위칭-주파수 제한들을 방지하기 위해, 특정하게-설계되고 그에 따라 값비싼 맞춤식 트랜스포머들이 사용될 수 있다. 전하 펌프들은 내부 커패시터(capacitor)들에서의 기생 저항들에 기반하여 전류 한계치들을 갖는다. 전류 한계치들을 감소시키기 위해, 다수의 병렬 커패시터들이 사용될 수 있다.
[0002] 이를테면 의료 진단 초음파 이미징(imaging)을 위한 또는 고성능 자동차 스테레오(stereo)들을 위한 송신기 회로들에서의 일부 사용들은, 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터(transformerless switching regulator)로서 전하 펌프와 부스트 변환기의 결합에 의존한다. 부스트 변환기에서의 전류를 측정하기 위해, 접지된 감지 저항기에 의존하는 표준 피크-전류(peak-current) 기반 제어기들은, 이러한 결합을 이용하여 정확하게 동작하지 않을 수 있는데, 그 이유는 전하 펌프 전류가 감지된 전류에 오류를 초래하기 때문이다. 이러한 결합은, 접지 리턴(ground return)이 아니라 공급 경로에서의 전류 감지를 사용하는, 덜 일반적이고 더 값비싼 회로들로 제한된다.
[0003] 도입부로서, 아래에서 설명된 바람직한 실시예들은 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터들을 위한 방법들, 회로들, 및 시스템(system)들을 포함한다. 전류-모드 제어식(current-mode controlled) 부스트 변환기가 접지로의 스위치(switch)를 통한 전류 감지에 기반하여 동작하여서, 일반적인 제어기들의 사용이 허용된다. 캐스케이딩된(cascaded) 전하 펌프로부터의 역전류를 방지하기 위해, 다이오드(diode)에 의해, 전하 펌프의 입력이 접지로의 스위치를 통과하는 것이 차단되며, 이러한 전하 펌프의 입력 자체는 접지로 별개로 스위칭된다(switched).
[0004] 제1 양상에서, 스위칭 레귤레이터 시스템은 제어기를 포함한다. 부스트 변환기는 인덕터(inductor), 및 제어기로부터의 제어 신호에 응답하는 제1 트랜지스터(transistor)를 포함한다. 제1 트랜지스터는, 인덕터가 제1 트랜지스터를 통해 접지에 연결되도록 인덕터와 연결된다. 전하 펌프는 부스트 변환기의 출력과 연결된 입력을 갖는다. 인덕터와 전하 펌프의 입력 사이에 다이오드가 연결된다. 다이오드는, 전하 펌프로부터의 전류가 제1 트랜지스터에 들어가는 것을 방지하도록 연결된다. 제어 신호에 응답하는 제2 트랜지스터가 전하 펌프의 입력에 연결된다.
[0005] 제2 양상에서, 트랜스리스식 스위칭 레귤레이션(regulation)을 위한 방법이 제공된다. 부스트 변환기의 인덕터가 충전된다. 충전 동안, 다이오드를 이용하여, 전하 펌프로부터의 역전류가 전류 감지 경로에 도달하는 것이 차단된다. 충전 동안, 역전류가 접지로 흐르도록, 전하 펌프의 입력이 접지에 연결된다. 전하 펌프의 입력은 접지로부터 연결해제되고, 인덕터로부터의 전류는 전하 펌프로 방출된다.
[0006] 제3 양상에서, 스위칭 레귤레이터는 전류-모드 제어식 부스트 변환기, 및 이러한 부스트 변환기와 캐스케이딩된 전압 증배기를 포함한다. 부스트 변환기의 인덕터를 접지하기 위한 스위치(switch)를 통한 전도 동안 전류를 감지하기 위한, 그리고 접지로의 전하 펌프의 입력을 위한 별개의 전류 경로들이 제공된다.
[0007] 본 발명은 다음의 청구항들에 의해 정의되며, 이 섹션(section)의 아무것도 그 청구항들에 대한 제한으로서 취해지지 않아야 한다. 본 발명의 추가적인 양상들 및 장점들은 바람직한 실시예들과 함께 아래에서 논의되며, 독립적으로 또는 결합하여 추후에 청구될 수 있다.
[0008] 컴포넌트(component)들 및 도면들이 반드시 축척에 맞는 것은 아니며, 대신에, 본 발명의 원리들을 예시할 때 강조가 이루어진다. 게다가, 도면들에서, 유사한 참조 부호들은 상이한 도면들 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 표기한다.
[0009] 도 1은 일 실시예에 따른 초음파 파형 생성기의 블록 다이어그램(block diagram)이고;
[0010] 도 2는 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터 시스템의 일 실시예의 블록 다이어그램이고;
[0011] 도 3은 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터의 예시적인 실시예의 회로 다이어그램이며; 그리고
[0012] 도 4는 트랜스리스식 스위칭 레귤레이션을 위한 방법의 일 실시예의 흐름도 다이어그램이다.
[0013] 트랜스리스식 스위칭 레귤레이터는, 부스트 변환기와 캐스케이딩된 전하 펌프의 결합에 기인하여 가변적인 높은 부스트 팩터(boost factor)를 갖는다. 전하 펌프는 2배기(doubler), 3배기(tripler), 또는 다른 더 높은 비(higher-ratio)의 회로일 수 있다. 전류-모드 제어와 함께 사용하는 것을 허용하기 위해, 부스트 변환기의 메인 스위칭 디바이스(main switching device)의 스위치 전도 페이즈(switch conduction phase) 동안, 다이오드가 전하 펌프 전류로부터 인덕터 전류를 격리하고, 메인 스위칭 디바이스의 스위치 전도 페이즈 동안, 보조 스위칭 디바이스가 전하 펌프 전류를 전도한다. 다이오드는 역류 전류를 이차 또는 보조 전자 스위치로 지향시킨다. 그와 같이, 부정확한 전류 측정을 유발하는 역류 전류는, 감지 저항기에 의해 측정되는 전류에 기여하지 않는다. 다이오드 및 보조 스위칭 디바이스가 인덕터 전류와 전하 펌프 전류를 분리하여서, 부스트 변환기들에 대한 집적 회로 제어기들의 대다수에서 사용되는 스위치-접지 연결(switch-to-ground connection)의 저항기를 사용하는, 인덕터 전류의 정확한 감지가 허용된다. 보조 스위칭 경로의 소스(source) 저항기는, 전하 펌프를 통하는 피크(peak) 충전 전류의 제어를 제공하며, 보조 스위칭 디바이스가 이러한 보조 스위칭 디바이스의 안전한 동작 영역을 넘어서는 것을 방지한다.
[0014] 스위칭 레귤레이터는 다양한 회로들에서 사용될 수 있다. 예컨대, 스위칭 레귤레이터는, 공급을 초과하는 프로그램가능 전압 세팅(programmable voltage setting)이 원해지는 자동차 스테레오 또는 다른 직류(DC; direct current) 환경과 함께 사용된다. 도 1은 초음파 이미징을 위한 송신기에서 스위칭 레귤레이터를 사용하는 일 실시예를 도시한다. 송신기(10)는 파형, 이를테면, 양극성(bipolar) 또는 단극성(unipolar) 구형파를 생성한다. 파형의 피크 진폭은 상이한 시간들에, 또는 상이한 이미징 애플리케이션(application)들에 대해 상이할 수 있다. 파형을 생성하기 위한 스위치 회로에 직류(DC; direct current) 또는 DC 전압이 공급될 수 있다. 스위칭 레귤레이터는 스위치 회로에 대한 전압원으로서의 역할을 한다. 스위칭 레귤레이터는, 주어진 애플리케이션 또는 시간에 대해 원하는 피크 전압을 제공하도록 제어된다.
[0015] 송신기(10)는 트랜스듀서 엘리먼트(transducer element)(11)에 연결된다. 트랜스듀서 엘리먼트(11)는 전기 파형을 음향 에너지(energy)로 변환한다. 복수의 채널(channel)들 각각 및 대응하는 엘리먼트들(11)에 송신기(10)를 제공함으로써, 스위칭 레귤레이터에 의해 설정된 원하는 피크 전압으로 페이즈드 어레이 초음파 스캐닝(phased array ultrasound scanning)이 제공될 수 있다.
[0016] 도 2는 스위칭 레귤레이터 시스템의 일 실시예를 도시한다. 스위칭 레귤레이터 시스템은 제어기(12), 부스트 변환기(14), 전하 펌프(16), 및 접지로의 별개의 경로들(15, 18)을 포함한다. 별개의 경로들(15, 18)은, 부스트 변환기(14)의 전류-모드 제어기(12)와 함께 동작하면서, 전하 펌프(16)와 전류-모드 제어식 부스트 변환기(14)의 캐스케이딩(cascading)을 허용한다. 부스트 변환기(14)에서, 경로(15)의 스위치를 통하는 전류는, 전하 펌프(16)로부터의 역전류의 경로(18)를 통하는 전류와 분리된다. 스위치 전도 페이즈 동안 인덕터 전류 및 전하 펌프 전류를 위한 이들 별개의 경로들(15, 18)은, 제어기(12)에 의한 전류-모드 감지를 허용한다.
[0017] 추가적인, 상이한, 또는 더 적은 개수의 컴포넌트들이 제공될 수 있다. 경로들(15, 18)이 부스트 변환기(14) 및 전하 펌프(16)와 별개인 것으로서 도시되지만, 하나 또는 둘 모두가 이들 다른 회로들 중 하나 또는 둘 모두의 일부로서 통합되거나 또는 형성될 수 있다. 예컨대, 경로(15)는 부스트 변환기의 일부이고, 경로(18)는 부스트 변환기(14) 및/또는 전하 펌프(16)의 일부이거나 또는 둘 모두와 별개이다. 다른 예로서, 제어기(12)는 제공되지 않는다. 또 다른 예에서, 추가적인 전하 펌프들이 캐스케이딩된다(cascaded).
[0018] 제어기(12), 부스트 변환기(14), 전하 펌프(16), 경로(15), 및/또는 경로(18)는 동일한 회로 또는 칩(chip)에 통합된다. 예컨대, 주문형 집적 회로가 부스트 변환기(14), 경로(15), 전하 펌프(16), 및 경로(18)를 포함한다. 동일한 반도체 기판 상에서의 동일한 또는 상이한 프로세스(process)들, 이를테면, CMOS 프로세스들을 사용하여 상이한 컴포넌트들이 형성된다. 이 예에서, 제어기(12)는 별개의 칩 또는 주문형 집적 회로 상에 형성된다. 대안적인 실시예들에서, 제어기(12), 부스트 변환기(14), 경로(15), 전하 펌프(16), 및/또는 경로(18) 각각의 일부분들 또는 전부는 이산 컴포넌트들로 형성된다.
[0019] 스위칭 레귤레이터 시스템은 초음파 시스템 내에서 사용된다. 예컨대, 전하 펌프(16)의 출력이 전압 레일(rail) 상에 DC 전압을 제공한다. 펄서(pulser)들 또는 스위치들은, 초음파 스캐닝을 위한 전기 파형을 생성하기 위해, 트랜스듀서 엘리먼트(11)를 전압 레일에 연결하고 이러한 전압 레일로부터 연결해제한다. 다른 실시예에서, 스위칭 레귤레이터 시스템은, 스피커(speaker)들에 제공되는 신호들의 전압 또는 피크 진폭을 제어하기 위한 자동차 스테레오의 일부이다.
[0020] 제어기(12)는 집적 회로이다. 대안적으로, 이산 컴포넌트들이 제공된다. 제어기(12)로부터의 제어 신호가 부스트 변환기(14)의 하나 또는 그 초과의 스위치들을 구동하여서, 부스트 변환기(14)의 동작을 제어한다. 제어기(12)의 게이트 드라이브(gate drive)는 부스트 변환기(14)로 하여금 공급 전압의 선택가능한 부스트 또는 증폭을 제공하게 한다.
[0021] 제어기(12)는 전류 모드(mode) 제어기이다. 스위치-모드(switch-mode) 변환기(즉, 부스트 변환기(14))를 동작시키기 위해, 제어기(12)는 스위치를 개폐한다. 전류-모드 제어기는, 전자 스위치의 상태를 결정하기 위해, 인덕터를 통하는 전류를 측정한다. 이러한 측정은 스위치의 어느 하나의 측에서 발생할 수 있지만, 전류가 인덕터로의 또는 인덕터로부터의 경로에서 측정되는 것이 아니라 공통 "접지" 노드(node)에 연결된 스위치 측에서 측정된다면, 회로 설계는 더 단순할 수 있다. 이러한 측정은 저항기에 의해 수행되며, 이 저항기는 전류를, 제어기에 의한 추가적인 프로세싱(processing)을 위한 전압으로 변환한다. 부스트 변환기(14)를 동작시키기 위해, 부스트 변환기(14)의 인덕터로부터 접지로의 경로(15)를 통하는 전류가 측정된다. 제어기(12)는 스위치의 드레인(drain), 소스, 또는 이미터(emitter)로부터의 전류를 감지하기 위한 전류 센서(sensor)를 포함한다. 경로(15)의 저항기를 사용하여, 저항기에 걸리는 전압을 결정함으로써 전류가 감지된다. 다른 전류 감지가 사용될 수 있다. 제어기(12)는 전압에 대한 입력을 포함한다. 전압은, 부스트 변환기(14)에 대한 제어 신호를 동작시키기 위한 피드백(feedback)으로서 사용된다.
[0022] 부스트 변환기(14)와 전하 펌프(16)의 캐스케이드(cascade)는 스위칭 레귤레이터를 제공한다. 도 3은 스위칭 레귤레이터의 회로 다이어그램의 일 실시예를 도시한다. 스위칭 레귤레이터의 스위치-모드 전력 변환은 적어도 2 개의 동작 페이즈들을 사용하며, 하나의 동작 페이즈는 인덕터 또는 커패시터(capacitor)에 에너지를 저장하고, 다른 동작 페이즈는 그 에너지를 전달한다. 전달되는 에너지는, 입력 공급 전압으로부터 전압의 변화를 제공한다. "충전" 페이즈 동안, 인덕터를 통하는 전류가 증가하도록 전자 스위치가 인덕터를 회로에 연결하여, 인덕터에 에너지가 저장된다. 제2 "전달" 페이즈 동안, 전자 스위치는 개방되며, 따라서 인덕터를 통하는 전류는 출력 스위치(가장 일반적으로는, 다이오드)를 통해 출력으로 흘러야 한다. 인덕터는 전압을, 전류의 연속적인 흐름을 출력에 제공하기에 충분한 전압으로 증가시킨다. 인덕터에 걸리는 전압에 대한 공식은
Figure 112018079967157-pat00001
이며, 여기서, L은 인덕턴스(inductance)이고,
Figure 112018079967157-pat00002
는 전류의 변화율이다. 전압 출력은 입력 전압보다 더 높을 수 있는데, 그 이유는 전류의 변화율이, 인덕터를 충전하기 위해 사용되는 전압에 단지 느슨하게 연결되기 때문이다. 스위칭 레귤레이터는 도 2 및 도 3 둘 모두를 참조하여 아래에서 논의된다. 다른 회로들이 사용될 수 있다.
[0023] 스위칭 레귤레이터는 제어기(12)로부터의 제어 신호(Gate Drive)에 대한 입력을 포함한다. 고정된 전압원(V1)에 대한 다른 입력이 제공된다. 경로(15)의 저항기(RSense)를 통하는 전류를 감지하기 위한 출력이 제공된다. 다른 출력(CP Out)은 전하 펌프(16)로부터의 선택된 전압을 갖는다. 접지 연결이 또한 제공된다. 추가적인, 상이한, 또는 더 적은 개수의 입력들 및 출력들이 제공될 수 있다.
[0024] 제어 입력은 전류 경로(15)의 스위치(Mosfet1) 및 전류 경로(18)의 스위치(Mosfet2) 둘 모두와 연결된다. 이들 2 개의 전류 경로들(15, 18)은 별개이며, 다이오드(Daux)에 의해 분리된다. 2 개의 전류 경로들(15, 18)은 동일한 제어 신호(Gate Drive)에 응답하지만, 별개로 제어될 수 있다.
[0025] 부스트 변환기(14)는 하나 또는 그 초과의 인덕터들(L1), 스위치(Mosfet1), 전류 감지 저항기(RSense), 및 임의의 다른 컴포넌트들(예컨대, 저항기들(RGateMain))을 포함한다. 인덕터(L1)는 공급 전압원(V1)의 입력과 전하 펌프(16)의 출력 사이에서 직렬로 있다. 도 3의 부스트 변환기(14)는 경로(15)를 포함한다. 경로(15)는 인덕터(L1)의 단자(즉, 부스트 변환기(14)의 출력 또는 노드(Sw Node)에 있는 단자)로부터 스위치(Mosfet1) 및 감지 저항기(RSense)를 통해 형성된다. 다른 경로들, 컴포넌트들, 및/또는 연결들이 제공될 수 있다.
[0026] 부스트 변환기(14)는 전류-모드 제어식 부스트 변환기이다. 충전 동안 인덕터(L1)에 의한 전류 출력은, 경로(15)를 통해 접지된다. 노드(Sw Node)의 인덕터 단자는 접지이거나 또는 거의 접지인데, 이를테면, 약 0.5 볼트(volt)이다. 드레인 저항기(RSense)에 걸리는 전류가 감지되고, 스위치(Mosfet1)를 구동하기 위해 제어기(12)에 의해 사용된다. 제어 신호(Gate Drive) 및 감지된 전류 피드백에 기반하여, 부스트 변환기(14)는 선택된 전압을 부스트 변환기(14)의 출력 상에 제공한다. 스위치(Mosfet1)와 인덕터(L1)의 출력을 연결함으로써, 스위치(Mosfet1)의 온-시간(on-time)은, 경로(15)가 연결해제될 때 전하 펌프(16)로의 인덕터(L1)에 의한 전압 출력을 제어한다. 스위치(Mosfet1)를 턴 온하는(turning on) 것은, 인덕터를 충전하기 위해 인덕터(L1)를 통하는 전류 흐름을 증가시킨다. 이러한 인덕터-전용(즉, 트랜스리스식) 스위처 토폴로지(switcher topology)가 표준 전류-모드 제어기(12)의 사용을 허용하여서, 비용 및 복잡성이 감소된다. 비-표준 제어기들(12)이 사용될 수 있다.
[0027] 스위치(Mosfet1)는 MOSFET으로서 도시된다. 다른 스위치들, 이를테면, 양극성 접합 트랜지스터가 사용될 수 있다. 게이트는 제어기(12)로부터의 제어 신호에 대한 입력에 연결된다. 소스는 인덕터(L1)의 출력에 연결된다. 드레인은 저항기(RSense)에 연결된다. 다른 연결들이 사용될 수 있는데, 이를테면, 소스 연결과 드레인 연결이 역전될 수 있다. 동일한 또는 독립적인 제어를 갖는 다수의 스위치들을 포함하는 다른 어레인지먼트(arrangement)들이 사용될 수 있다.
[0028] 스위치(Mosfet1)는 접지로의 경로(15)를 턴 온(turn on)하거나 또는 턴 오프(turn off)한다. 스위치(Mosfet1)의 게이트는 저항기(RGateMain)를 통해 제어기(12)에 연결되며, 따라서 스위치(Mosfet1)는 제어기(12)로부터의 제어 신호(Gate Drive)에 응답한다.
[0029] 전하 펌프(16)는 부스트 변환기(14)와 캐스케이딩된 전압 증배기이다(즉, 부스트 변환기(14)의 출력은 전하 펌프(16)의 입력이다). 전하 펌프(16)는 (다이오드들 및 입력 전압의 극성에 의해 종종 결정되는) 충전 페이즈 동안 하나 또는 그 초과의 커패시터들을 충전하며, 그런 다음, 제2 "전달" 페이즈 동안 직렬-추가 구성(series-adding configuration)의 하나 또는 그 초과의 다른 커패시터들에 전하를 전달한다. 커패시터를 통하는 전류는 안정-상태 상황에서 결국 0(zero)으로 평균이 되며, 따라서 하나의 페이즈 동안 전하 펌프로 흐르는 전하는 다른 페이즈 동안 제거된다. 이는 "역류" 또는 역전류인데, 그 이유는 전류가 전하 펌프로부터 입력 전압원으로 역으로 흐르기 때문이다.
[0030] 다이오드들(D1-D3) 및 커패시터들(C1-C2 및 C8)의 어레인지먼트가 사용된다. 도시된 것 이외의 다른 어레인지먼트들이 사용될 수 있다. 예컨대, 도 3의 전하 펌프(16)는 높은 포지티브(positive) 전압들(예컨대, 15 내지 85 볼트)을 위한 것이다. 높은 네거티브(negative) 전압들(예컨대, -15 내지 -85 볼트)을 위해, 상이한 어레인지먼트가 사용된다. 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 전하 펌프가 사용될 수 있다.
[0031] 커패시터들(C1-C2 및 C8)은, 부스트 변환기(14)로부터의 입력 전압을 증가시키거나 또는 증배하기 위한 에너지 저장 엘리먼트들이다. 배수(multiple)는 정수량(integer amount)(예컨대, 2배기 또는 3배기)이지만, 다른 승수 비(multiplier ratio)들(예컨대, 비-정수)이 사용될 수 있다. 부스트 변환기(14)가 상이한 시간들에 상이한 출력 전압을 제공하도록 제어될 수 있지만, 전하 펌프(16)는 부스트 변환기(14)로부터의 입력 전압의 고정된 배수를 제공한다. 전하 펌프(16)의 출력 전압은, 전하 펌프들의 추가적인 스테이지(stage)들을 사용하여, 더 높은 값들로 추가로 부스팅될(boosted) 수 있다. 일반적으로, 전하 펌프(16)는 다른 DC 전력 변환 토폴로지들보다 감소된 비용 및 복잡성을 갖는다.
[0032] 전류는 전하 펌프(16)에서 어느 하나의 방향으로 흐를 수 있다. 그 결과, 인덕터(L1)를 충전하기 위해 경로(15)가 부스트 변환기(14)의 출력(Sw Node)을 접지할 때, 역전류 또는 역류 전류가 전하 펌프(16)의 입력에 제공된다. 별개의 경로(18)가 없으면, 이 역전류가 인덕터(L1)로부터의 전류에 추가되어서, 전류-모드 제어기(12)에 대한 부정확한 전류 감지를 야기할 것이다. 스위칭 레귤레이터에서, 정확한 전류 감지 또는 제어기(12)로의 피드백을 허용하기 위해, 인덕터(L1)로부터 접지로의 전류의, 스위치(Mosfet1)의 전도 동안, 인덕터(L1) 및 전하 펌프(16)의 입력을 위한 별개의 전류 경로들(15, 18)이 제공된다.
[0033] 별개의 경로(18)는 다이오드(Daux), 보조 스위치(Mosfet2), 및 제한 저항기(RLimit)를 포함한다. 추가적인, 상이한, 또는 더 적은 개수의 컴포넌트들이 제공될 수 있다(예컨대, 보조 스위치(Mosfet2)의 게이트에 저항기(RGateAux)가 제공될 수 있음). 도 3에서 도시된 바와 같이, 별개의 경로(18)는, 적어도 부분적으로, 부스트 변환기(14)의 일부로서 형성되거나 또는 이에 통합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 경로(18)는 부스트 변환기(14)와 전하 펌프(16) 사이의 별개의 부품 또는 부품들로서 형성되거나, 또는 전하 펌프(16)에 적어도 부분적으로 형성된다.
[0034] 다이오드(Daux)는 인덕터(L1)와 전하 펌프(16)의 입력 사이에 연결된다. 다이오드(Daux)는 전류 경로들(15, 18)을 분리한다. 스위치(Mosfet1)가 전도하고 전류가 인덕터(L1)로부터 접지로 흐르는 동안, 다이오드(Daux)는, 전하 펌프(16)로부터의 역전류가 경로(15)에 들어가는 것을 방지한다. 다이오드(Daux)가 2 개의 경로들(15, 18) 사이에 있고, 경로들(15, 18) 둘 모두가 접지에 연결되기 때문에, 다이오드(Daux) 양단의 전압차는, 다이오드(Daux)에 의해 전도를 방지하기에 충분히 작다(예컨대, 0.7 볼트 미만).
[0035] 경로(18)가 전도할 때, 보조 스위치(Mosfet2)는 전하 펌프(16)로부터의 역전류를 드레인(drain)한다. 보조 스위치(Mosfet2)는 MOSFET이지만, 다른 트랜지스터들(예컨대, 양극성 접합) 또는 스위치들이 사용될 수 있다. 보조 스위치(Mosfet2)는, 전도할 때, 접지와 전하 펌프(16)의 입력을 연결한다. 소스는 전하 펌프(16)의 입력에 연결된다. 드레인은 제한 저항기(RLimit)에 연결된다. 게이트는 제어 신호(Gate Drive)를 수신하기 위해 제어기(12)에 연결된다. 다른 연결들이 사용될 수 있는데, 이를테면, 드레인과 소스가 역전될 수 있다.
[0036] 부스트 변환기(14)의 메인 스위치(Mosfet1) 및 보조 스위치(Mosfet2)는 동일한 제어 신호(Gate Drive)에 의해 구동된다. 이러한 듀얼 제어 루프(dual control loop)는 부스트 변환기(14)의 전류를 측정할 때 안정성을 제공한다. 메인 부스트 변환기(14)와 병렬로 제어되는 추가된 보조 스위치(Mosfet2) 및 인덕터(L1)와 직렬인 다이오드(Daux)의 사용은, 전하 펌프 전류를 메인 부스트 스테이지 또는 부스트 변환기(14)로부터 격리하여서, 전류 제어식 부스트 변환기(14)가 전하 펌프(16)에 독립적으로 제어될 수 있게 한다. 부스트 변환기(14)의 메인 스위치(Mosfet1)가 인덕터(L1)를 통하는 전류를 드레인할 때 보조 스위치(Mosfet2)가 전하 펌프(16)의 입력으로부터의 전류를 드레인하여서, 2 개의 경로들(15, 18) 상의 전류들은 분리된다. 스위치들(Mosfet1 및 Mosfet2)은 동시에, 둘 모두가 턴 온(turn on)되고 둘 모두가 턴 오프(turn off)된다. 대안적인 실시예들에서, 상이한 상대적인 타이밍(timing)을 갖거나 또는 갖지 않는, 상이한 스위치들(Mosfet1 및 Mosfet2)에 대해 상이한 제어 신호들이 사용된다.
[0037] 스위치(Mosfet1)에 의한, 인덕터(L1)를 충전하기 위한 전도 동안, 보조 스위치(Mosfet2)가 또한 전도된다. 동시 전도는, 전하 펌프(16)로부터의 역전류가 부스트 변환기(14)에서의 전류 감지를 간섭하는 것을 방지한다. 경로들(15, 18) 둘 모두가 동시에 온(on) 상태이며, 경로들(15, 18) 둘 모두가 동시에 오프(off) 상태이다.
[0038] 경로들(15, 18)이 오프 상태일 때(즉, 스위치들(Mosfet1 및 Mosfet2)이 전도하지 않을 때), 인덕터(L1)로부터의 전류는 전하 펌프(16)에 들어간다. 경로들(15, 18)이 오프 상태인 시간들에, 인덕터(L1)에서의 부스트 변환기의 출력 전압은 전하 펌프(16)에 의해 증배된다.
[0039] 경로(18)는 저항기(RLimit)를 포함한다. 저항기(RLimit)는 보조 스위치(Mosfet2)의 소스 또는 드레인(이미터)과, 접지 사이에 연결된다. 저항기(RLimit)는, 전하 펌프(16)를 통하는 피크 충전 전류를 제어하도록 크기결정되고, 보조 스위치(Mosfet2)가 안전한 동작 영역을 넘어서는 것을 방지한다(즉, 보조 스위치(Mosfet2)가 붕괴되거나 또는 손상되는 것을 방지함).
[0040] 도 4는 트랜스리스식 스위칭 레귤레이션을 위한 방법의 일 실시예를 도시한다. 캐스케이딩된 전하 펌프의 역전류가 부스트 변환기의 전류 감지 경로를 통해 흐르는 것을 방지함으로써, 부스트 변환기에 대한 전류-모드 제어가 사용될 수 있다. 전류 모드 감지로 동작가능한 부스트 변환기와 전하 펌프의 캐스케이드를 가짐으로써, 트랜스포머(transformer) 회로들 및 고비용이 방지될 수 있다.
[0041] 방법은, 다양한 회로들 중 임의의 회로에서의 사용을 위해 구현된다. 예컨대, 방법은, 트랜스듀서에 적용될 전자 파형들을 생성하기 위한 집적 회로를 포함하는 초음파 프로브(probe)에서 구현된다. 스위칭 레귤레이터는 더 낮은 비용의 제어기의 사용을 허용하고, 트랜스포머의 사용을 방지하여서, 핸드헬드(handheld) 초음파 트랜스듀서 프로브로의 통합을 가능하게 한다. 다른 예에서, 방법은 DC 전력 변환을 갖는 자동차 스테레오 또는 다른 환경에서 구현된다.
[0042] 방법은 도 2의 스위칭 레귤레이터 시스템, 도 3의 스위칭 레귤레이터 회로, 또는 다른 캐스케이딩된 부스트 변환기 및 전하 펌프 어레인지먼트들에 의해 구현된다. 추가적인, 상이한, 또는 더 적은 개수의 동작들이 제공될 수 있다.
[0043] 방법은 도시된 순서로(위에서 아래로, 또는 수치 순으로) 수행된다. 다른 순서들이 사용될 수 있다. 예컨대, 동작(52)을 수행하는 것이 동작(50)의 수행을 야기할 때, 동작(50)과 동작(52)은 동시에 수행된다. 다른 예로서, 충전 동작(44) 동안 내내, 또는 충전 동작(44) 동안의 일부 시간 동안, 동작들(46 및 48)은 수행된다. 또 다른 예에서, 충전 동작(44) 동안 그리고 방출 동작(50) 동안을 포함하는 다양한 시간들에, 동작(40)이 수행된다.
[0044] 동작(40)에서, 제어기는 부스트 변환기의 메인 트랜지스터와 연결된 저항기에 걸리는 전압을 감지한다. 부스트 변환기는 인덕터를 포함한다. 인덕터는 전하 펌프에 의해 증가될 출력 전압을 제공한다. 동작 동안, 인덕터는 전류로부터 저장되는 에너지의 양에 기반하여 전압을 제공한다. 저장하기 위해, 메인 트랜지스터가 인덕터를 접지에 연결하여서, 전류가 전압원으로부터 인덕터를 통해 인출되게 된다. 인덕터는, 충전중이지 않을 때 전류를 전하 펌프로 방출하는 데 사용되는 에너지를 저장하기 위해, 원하는 수준으로 때때로 또는 주기적으로 충전된다.
[0045] 인덕터를 충전하기 위한 메인 트랜지스터에 의한 전도 동안, 제어기는 인덕터를 통해 흐르는 전류를 감지한다. 전류는, 접지 경로의 저항기에 걸리는 전압을 측정함으로써 감지되지만, 다른 전류 감지가 사용될 수 있다. 저장되는 에너지의 양을 제어하기 위해 에너지의 저장 동안 제어가 수행된다.
[0046] 동작(42)에서, 제어기는 감지된 전류에 기반하여 트랜지스터들을 제어한다. 일단 인덕터를 통하는 감지된 전류가 임계치 수준에 도달하면, 제어기는 트랜지스터들을 턴 오프한다. 주어진 기간 또는 시간 후에, 제어기는, 에너지를 다시 저장하기 위해 트랜지스터들을 턴 온한다. 트랜지스터들의 게이트들이 제어된다.
[0047] 2 개 또는 그 초과의 트랜지스터들이 제어된다. 인덕터를 충전하기 위한 부스트 변환기의 메인 트랜지스터가 제어된다. 전하 펌프로부터의 전류가 감지 동작(40)을 간섭하는 것을 방지하기 위한 다른 트랜지스터가 또한 제어된다.
[0048] 트랜지스터들은, 둘 모두가 동시에 턴 온되며(turned on) 둘 모두 동시에 턴 오프되도록(turned off) 제어된다. 동일한 제어 신호가 트랜지스터들 둘 모두를 동작시킨다. 트랜지스터들 사이에 상대적인 지연을 갖는 다른 어레인지먼트들이 사용될 수 있다.
[0049] 동작들(44-52)은 트랜지스터들의 제어의 일 예를 제공한다. 부스트 변환기의 인덕터로의 에너지의 저장 동안, 전하 펌프로부터의 전류를 부스트 변환기로부터 격리하기 위해 다른 동작들이 사용될 수 있다.
[0050] 동작(44)에서, 인덕터가 충전된다. 고정된 전압원으로부터의 전류를 인덕터를 통해 전달함으로써, 에너지가 인덕터에 저장된다. 충전하기 위해, 인덕터는 접지에 연결된다. 연결은 메인 트랜지스터를 통해 이루어진다. 메인 트랜지스터를 턴 온함으로써, 제어기는 부스트 변환기의 인덕터가 충전되게 한다.
[0051] 동작(40)에서, 충전 동안, 인덕터를 통해 접지로 이동하는 전류가 감지된다. 제어기는 인덕터를 충전하는 것을 중단시킬 때를 결정하기 위해 전류를 감지한다.
[0052] 동작(46)에서, 전하 펌프로부터의 역전류가 동작(40)에서 감지되는 것이 차단된다. 캐스케이딩된 전하 펌프의 입력으로부터의 전류는 인덕터의 충전 수준을 표시하지 않으며, 따라서 충전 동안 오류가 있는 전류 감지를 초래하는 것을 방지하기 위해 차단된다.
[0053] 다이오드가 전하 펌프로부터의 역전류를 차단한다. 다이오드는 (1) 인덕터 및 접지로의 경로와, (2) 전하 펌프에 대한 입력 사이에 포지셔닝된다(positioned).
[0054] 동작(48)에서, 충전 동안, 전하 펌프 입력의 역전류는 접지에 연결된다. 충전을 유발하기 위해, 인덕터의 출력 단자는 저전압으로, 이를테면, 0.7 볼트 미만으로 유지된다. 다이오드는 전하 펌프로부터의 전류를 차단한다. 다이오드를 압도하는(overcoming) 것을 방지하기 위해, 다이오드의 다른 단자가 또한, 접지에 연결된다. 연결은 저항기를 통해 이루어질 수 있으며, 따라서 전압은 인덕터의 출력 단자와 유사하게 세팅된다(set). 다이오드가 인덕터에 대한 접지 경로로부터 역전류를 차단하도록, 다이오드 양단의 전압차는 0.7 볼트 미만으로 유지된다. 역전류는 대신에, 접지로 흐른다.
[0055] 이차 트랜지스터가 전하 펌프의 입력을 접지에 연결한다. 이는 전하 펌프의 임의의 역전류로 하여금, 인덕터의 충전을 감지하기 위해 사용되는, 접지로의 경로와는 별개의 경로를 따르게 한다.
[0056] 동작(50)에서, 부스트 변환기의 인덕터로부터 전류가 방출된다. 일단 동작(40)에서 감지가, 충분한 또는 원하는 양의 에너지가 인덕터에 저장됨을 표시하면, 접지로의 경로는 제거된다. 제어기는, 턴 오프하도록 메인 트랜지스터를 제어한다. 일단 전류가 더 이상 접지로의 경로로 지향되지 않으면, 전류는 전하 펌프의 입력에 제공된다. 부스트 변환기는 메인 트랜지스터의 제어에 의해 설정된 수준으로 전압을 출력한다.
[0057] 동작(52)에서, 접지로의 이차 경로로부터 전하 펌프의 입력이 연결해제된다. 전하 펌프는 입력 전압을 증배하며, 입력은 접지로의 경로로부터 연결해제된다. 제어기는, 부스트 변환기에 의한 출력을 제공하기 위해 메인 트랜지스터를 턴 오프하며, 전하 펌프가 출력 전압을 증배할 수 있게 하기 위해 이차 트랜지스터를 턴 오프한다.
[0058] 일단 충전되면, 제어기는, 턴 오프하도록 메인 트랜지스터 및 이차 트랜지스터 둘 모두를 제어한다. 트랜지스터들이 동시에 턴 오프되어서, 부스트 변환기에 의한 부스팅된(boosted) 전압의 출력 및 전하 펌프에 의한 출력된 부스팅된 전압의 증배가 허용된다.
[0059] 동작(54)에서, 스위칭 레귤레이터는 출력 전압을 생성한다. 부스팅(boosting) 변환기는 공급원의 전압을 부스팅한다(boost). 부스트의 양은, 부스트 변환기의 인덕터 또는 인덕터들에 저장된 에너지의 양에 의해 제어된다. 부스트 변환기는, 감지 동작(40)에 기반하여 부스트의 양을 변화시키거나 또는 세팅하도록(set) 제어될 수 있다. 캐스케이딩된 전하 펌프가 그 부스팅된 전압을 증배하여서, 원하는 수준의 출력 전압이 제공된다. 전하 펌프는, 이를테면 고정된 배수를 통해, 고정된 증가를 제공한다.
[0060] 본 발명이 다양한 실시예들을 참조하여 위에서 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 많은 변화들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 전술한 상세한 설명이 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다는 것이 의도되며, 그리고 본 발명의 사상 및 범위를 정의하도록 의도되는 것은, 모든 등가물들을 포함하는 다음의 청구항들이라는 것이 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 스위칭 레귤레이터 시스템(switching regulator system)으로서,
    제어기(12);
    인덕터(inductor)(L1), 및 상기 제어기(12)로부터의 공통 제어 신호에 응답하는 제1 트랜지스터(transistor)(Mosfet1)를 포함하는 부스트(boost) 변환기(14) ―상기 제1 트랜지스터(Mosfet1)는, 상기 인덕터(L1)가 상기 제1 트랜지스터(Mosfet1)를 통해 접지에 연결되도록 상기 인덕터(L1)와 연결됨―;
    상기 부스트 변환기(14)의 출력과 연결된 입력을 갖는 전하 펌프(pump)(16);
    상기 인덕터(L1)와 상기 전하 펌프(16)의 입력 사이에 연결된 다이오드(diode)(Daux) ―상기 다이오드(Daux)는 상기 전하 펌프(16)로부터의 전류가 상기 제1 트랜지스터(Mosfet1)에 들어가는 것을 방지하도록 연결됨―; 및
    상기 공통 제어 신호에 응답하는 제2 트랜지스터(Mosfet2)
    를 포함하며,
    상기 제2 트랜지스터(Mosfet2)는 상기 전하 펌프(16)의 입력에 연결되고, 상기 제1 트랜지스터(Mosfet1) 및 상기 제2 트랜지스터(Mosfet2)는 상기 공통 제어 신호에 의해 동시에, 둘 모두가 턴 온(turn on)되고 둘 모두가 턴 오프(turn off)되는,
    스위칭 레귤레이터 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 상기 제1 트랜지스터(Mosfet1)의 드레인(drain)으로부터의 전류를 감지하기 위한 전류 센서(sensor)를 포함하며, 상기 제어기(12)는 감지된 전류에 기반하여 상기 제어 신호를 동작시키도록 구성되는,
    스위칭 레귤레이터 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터(Mosfet2)는, 상기 제1 트랜지스터(Mosfet1)가 상기 인덕터(L1)로부터의 전류를 드레인(drain)할 때 상기 전하 펌프(16)로부터의 전류를 드레인하도록 포지셔닝되는(positioned),
    스위칭 레귤레이터 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 다이오드(Daux) 및 상기 제2 트랜지스터(Mosfet2)는, 상기 제1 트랜지스터(Mosfet1) 및 상기 제2 트랜지스터(Mosfet2)의 전도 동안 상기 전하 펌프(16)로부터의 전류와 상기 인덕터(L1)로부터의 전류를 분리하도록 배열되는,
    스위칭 레귤레이터 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터(Mosfet2)의 소스(source) 또는 이미터(emitter)와 연결된 저항기(RLimit)
    를 더 포함하는,
    스위칭 레귤레이터 시스템.
  7. 트랜스리스식(transformerless) 스위칭 레귤레이션(regulation)을 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    제1 트랜지스터(Mosfet1) 및 제2 트랜지스터(Mosfet2) 둘 모두가 동시에 턴 온(turned on)되고 턴 오프되도록(turned off), 공통 제어 신호에 의해 상기 제1 트랜지스터(Mosfet1)의 게이트(gate) 및 상기 제2 트랜지스터(Mosfet2)의 게이트를 제어하는 단계(42);
    부스트 변환기(14)의 인덕터(L1)를 충전하는 단계(44);
    상기 충전하는 단계(44) 동안, 다이오드(Daux)를 이용하여, 전하 펌프(16)로부터의 역전류가 상기 부스트 변환기(14)의 전류 감지(40) 경로에 도달하는 것을 차단하는 단계(46);
    상기 충전하는 단계(44) 동안, 상기 역전류가 접지로 흐르도록, 상기 전하 펌프(16)의 입력을 접지에 연결하는 단계(48);
    상기 인덕터(L1)로부터의 전류를 상기 전하 펌프(16)로 방출하는 단계(50); 및
    상기 방출하는 단계(50) 동안, 접지로부터 상기 전하 펌프(16)의 입력을 연결해제하는 단계(52)
    를 포함하는,
    트랜스리스식 스위칭 레귤레이션을 위한 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 충전하는 단계(44)는, 상기 인덕터(L1)를 제1 트랜지스터(Mosfet1)를 통해 접지에 연결하는 단계(48)를 포함하고, 상기 전하 펌프(16)의 입력을 접지에 연결하는 단계(48)는 제2 트랜지스터(Mosfet2)를 통해 연결하는 단계(48)를 포함하는,
    트랜스리스식 스위칭 레귤레이션을 위한 방법.
  9. 삭제
  10. 스위칭 레귤레이터로서,
    전류-모드 제어식(current-mode controlled) 부스트 변환기(14);
    상기 부스트 변환기(14)와 캐스케이딩된(cascaded) 전압 증배기(16);
    상기 부스트 변환기(14)의 인덕터(L1)를 접지하기 위한 스위치(switch)(Mosfet1)를 통한 전도 동안 전류를 감지(40)하기 위한, 그리고 접지로의 전하 펌프(16)의 입력을 위한 별개의 전류 경로들(15, 18); 및
    상기 별개의 전류 경로들 중 하나의 전류 경로(15)의 스위치(Mosfet1)와 연결되고, 상기 별개의 전류 경로들 중 다른 전류 경로(18)의 다른 스위치(Mosfet2)와 연결된 공통 제어 입력(Gate Drive)
    을 포함하며,
    상기 스위치(Mosfet1) 및 상기 다른 스위치(Mosfet2) 둘 모두는 상기 공통 제어 입력(Gate Drive)에 응답하는,
    스위칭 레귤레이터.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 부스트 변환기(14)는 상기 스위치(Mosfet1) 및 상기 인덕터(L1)를 포함하며, 상기 인덕터(L1)의 출력이 상기 스위치(Mosfet1)에 연결되는,
    스위칭 레귤레이터.
  12. 제10 항에 있어서,
    다이오드(Daux)가 상기 별개의 전류 경로들(15, 18)을 분리하는,
    스위칭 레귤레이터.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 전류 경로들 중 제1 전류 경로(15)는 상기 인덕터(L1)로부터 상기 스위치(Mosfet1)를 통해, 감지 저항기(RSense)를 통해, 그리고 접지로 이어지고, 상기 전류 경로들 중 제2 전류 경로(18)는 상기 전압 증배기(16)의 입력으로부터 다른 스위치(Mosfet2)를 통해, 제한 저항기(RLimit)를 통해, 그리고 접지로 이어지는,
    스위칭 레귤레이터.
  14. 삭제
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 별개의 전류 경로들(15,18) 둘 모두는 상기 스위치(Mosfet1)를 통한 전도 동안 이외의 시간들에서는 오프(off) 상태이며, 상기 시간들 동안에는 상기 인덕터(L1)의 출력이 상기 전압 증배기(16)에 의해 증배되는,
    스위칭 레귤레이터.
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