KR102128574B1 - Ｄｃ­ｄｃ 컨버터 - Google Patents

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Abstract

DC-DC 컨버터가 제공되며, 복수의 커패시터를 포함하는 전하 펌프, 전하 펌프의 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 출력 신호를 발생하는 비교기, 복수의 커패시터의 용량이 증감되도록 연결되는 스위치, 비교기의 출력 신호를 분석하여 전하 펌프의 충전중에는 복수의 커패시터의 용량이 증가되도록 스위치를 제어하고, 전하 펌프의 충전이 완료되면 복수의 커패시터의 용량이 감소되도록 스위치를 제어하는 감지기를 포함한다.

Description

ＤＣ­ＤＣ 컨버터{DC-DC CONVERTER}
본 발명은 ＤＣ­ＤＣ 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빠른 응답 특성과 낮은 전압 리플을 가질 수 있는 ＤＣ­ＤＣ 컨버터에 관한 것이다.
최근 반도체 기반의 전자기기나 반도체 장치를 위하여 제 1 전압의 직류 전원을 제 2 전압의 직류 전원으로 변환할 수 있는 다양한 전원장치가 개발되고 있다. 이때, 저잡음, 정전압, 빠른 응답 속도를 만족시키기 위하여 다양한 DC-DC 컨버터가 출시되고 있다.
이때, DC-DC 컨버터는, 일정한 출력 전압을 얻기 위하여 오차 증폭기의 출력을 비교하는 방식으로 이루어지고 있다. DC-DC 컨버터와 관련하여, 선행기술인 한국공개특허 제2004-0111177호(2004.12.31 공개)에는, 전압과 오차 증폭기의 출력을 비교하고, 비교기의 출력에 의해 리셋되는 로직 회로의 구성이 개시되어 있다.
다만, DC-DC 컨버터에서 전압 리플을 줄이기 위하여 전하 펌프에 사용되는 커패시터의 용량을 줄이는 경우, 초기 정전압에 도달하는 시간이 늘어나므로 반도체 장치의 초기 동작에 문제를 발생시킬 수 있다. 또한, 전하 펌프에 사용되는 커패시터의 용량을 늘리는 경우, 전압 리플이 증가할 수 있다.
한국공개특허 제2004-0111177호(2004.12.31 공개)에는 "DC/DC 컨버터"가 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예는, 출력 전압이 기준 전압에 도달할 때까지는 고용량의 커패시터가 되도록 제어함으로써 초기 기준 전압으로 빠르게 도달할 수 있도록 하고, 출력 전압이 기준 전압에 도달하면 저용량의 커패시터가 되도록 제어함으로써 출력 전압 리플을 감소시킬 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공할 수 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 복수의 커패시터를 포함하는 전하 펌프, 전하 펌프의 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 출력 신호를 발생하는 비교기, 복수의 커패시터의 용량이 증감되도록 연결되는 스위치, 비교기의 출력 신호를 분석하여 전하 펌프의 충전중에는 복수의 커패시터의 용량이 증가되도록 스위치를 제어하고, 전하 펌프의 충전이 완료되면 복수의 커패시터의 용량이 감소되도록 스위치를 제어하는 감지기를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 전원 인가시 빠른 응답 특성과 낮은 전압 리플 특성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 출력 파형과 일반적인 DC-DC 컨버터의 출력 파형을 도시한 도면이다.
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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 설명하기 위한 회로도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는, 오실레이터(Oscillator, 100), 펌핑 클럭 제어기(Pumping Clock Controller, 200), 클럭 발생기(Clock Generator, 300), 전하 펌프(Charge Pump, 400), 비교기(Comparator, 500), 감지기(Settling Detector, 600), 스위치(Capacitor Switch, 700), 복수의 커패시터(800)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1에 개시된 DC-DC 컨버터(1)의 각 구성 요소는 도 1에 도시된 것들로 한정 해석되는 것은 아니다.
오실레이터(100)는, 전원 전압이 인가되는 경우 일정 주파수의 교류를 발생시킬 수 있다.
펌핑 클럭 제어기(200)는, 전하 펌프(400)에 펌핑 클럭을 인가시킬 수 있다. 이때, 비교기(500)의 출력 신호가 발생하는 경우, 펌핑 클럭 제어기(200)는 동작이 중지(Disable)될 수 있다. 여기서, 비교기(500)는 전하 펌프(400)의 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달하는 경우 출력 신호를 내도록 동작할 수 있으므로, 펌핑 클럭 제어기(200)는 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달하는 경우 동작이 중지되어, 전하 펌프(400)에 펌핑 클럭을 인가하지 않을 수 있다.
클럭 발생기(300)는 Non-overlap Clock Generator로 구비될 수 있고, 오실레이터(100)에 발생한 하나의 클럭 신호를 오버랩되지 않도록 두 개의 클럭 신호로 생성하는 장치일 수 있다. 이때, 클럭 발생기(300)에서 생성한 Non-overlap된 두 개의 클럭 신호를 이용하여 전하 펌프(400)가 동작할 수 있다.
전하 펌프(400)는, 복수의 커패시터(800)를 포함할 수 있다. 이때, 전하 펌프(400)는 클럭 발생기(300)에서 클럭을 인가받는 경우, 전하 펌프(400)의 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달할 때까지 승압할 수 있다. 반대로, 비교기(500)의 출력 신호가 발생하여 펌핑 클럭 제어기(200)의 동작이 중지되는 경우, 클럭 발생기(300)의 펌핑 클럭이 전하 펌프(400)에 인가되지 않기 때문에, 전하 펌프(400)의 펌핑 동작은 중지될 수 있고, 전하 펌프(400)의 출력 전압(VOUT)은 누설 전류에 의해 기준 전압(VREF)과 차이가 발생할 수 있다. 이때, 출력 전압(VOUT)과 기준 전압(VREF)의 차이가 비교기(500)의 출력 신호를 발생시킬 정도로 크게 되면, 예를 들면, 출력 전압(VOUT)과 기준 전압(VREF)의 차이가 기 설정된 임계값보다 큰 경우, 펌핑 클럭 제어기(200)는 활성화(Enable)되고, 클럭 발생기(300)의 클럭으로 전하 펌프(400)가 동작하여 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달할 때까지 펌핑을 지속할 수 있다. 전하 펌프(400)는 상술한 바와 같은 동작을 반복하면서 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)이 되도록 유지할 수 있다.
비교기(500)는, 전하 펌프(400)의 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)을 비교하고, 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)의 차이에 따라 출력 신호를 발생할 수 있다. 즉, 비교기(500)는, 출력 전압(VOUT)과 기준 전압(VREF)의 차이를 비교하고, 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)보다 낮은 경우 LOW 신호를 발생시키고, 그 반대의 경우는 HIGH 신호를 발생시킬 수 있다.
감지기(600)는, 비교기(500)의 출력 신호를 감지할 수 있다. 예를 들어, 감지기(600)는 비교기(500)의 출력을 분석하여 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달하였다는 신호를 발생시킬 수 있다. 즉, 비교기(500)는 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)을 비교하여 출력 신호를 발생시키므로, 감지기(600)는, 비교기(500)의 출력 신호를 감지함으로써 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달한 것을 감지할 수 있다.
또한, 감지기(600)는 비교기(500)의 출력 신호를 분석하여 전하 펌프(400)의 충전중에는 복수의 커패시터(800)의 용량이 증가되도록 스위치(700)를 제어하고, 전하 펌프(400)의 충전이 완료되면 복수의 커패시터(800)의 용량이 감소되도록 스위치를 제어할 수 있다.
스위치(700)는, 감지기(600)에서 비교기(500)의 출력 신호를 감지한 경우, 복수의 커패시터(800)의 용량이 감소되도록 스위칭할 수 있다. 이때, 복수의 커패시터(800)는 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 커패시터(800)가 병렬로 연결된 경우, 스위치(700)의 양단이 몇 개의 커패시터를 포함시키도록 연결되는지에 따라 복수의 커패시터(800)의 용량은 증감될 수 있다. 즉, CT=C1+C2+..Cn이므로, 스위치(700)의 일단과 타단이 어느 노드에 연결되는지에 따라 몇 개의 커패시터를 포함시킬지가 결정될 수 있고, 이에 따라 커패시터의 용량은 증감될 수 있다. 또한, 스위치(700)는, 감지기(600)에서 비교기(500)의 출력 신호를 분석하여 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)보다 낮은 경우에는 복수의 커패시터(800)의 용량이 증가되도록 연결할 수 있다. 이때, 스위치(700)는 기준 전압이 변경된 경우, 복수의 커패시터의 용량이 증가되도록 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 현재 기준 전압이 1.5V이고, 변경된 기준 전압이 1.2V라고 가정하면, 1.2V로 빠르게 감압되기 위해서는 큰 용량의 커패시터가 요구될 수 있다. 반대로, 현재 기준 전압이 1.5V이고, 변경된 기준 전압이 2V라고 가정하면, 2V로 빠르게 승압되기 위해서는 큰 용량의 커패시터가 요구될 수 있다. 따라서, 스위치(700)는 기준 전압이 변경된 경우, 복수의 커패시터의 용량이 증가되도록 스위칭할 수 있다.
상술한 구성을 가지는 DC-DC 컨버터의 동작을 이하에서 상세히 설명하도록 한다.
우선, DC-DC 컨버터(1)에 전원 전압이 인가되면, 펌핑 클럭 제어기(200)와 클럭 발생기(300)가 동작하여 전하 펌프(400)로 펌핑 클럭을 인가한다. 전하 펌프(400)는 인가받은 펌핑 클럭에 의해 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달할때까지 전원 전압을 기준으로 승압 또는 감압을 지속하게 된다. 이때, 비교기(500)의 출력 신호를 감지기(600)가 감지하고, 감지기(600)는 스위치(700)가 복수의 커패시터(800)의 용량이 증가되도록 스위칭할 수 있고, 이에 따라 초기 기준 전압(VREF) 도달 시간은 줄어들게 된다.
전하 펌프(400)의 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)에 도달하게 되면, 비교기(500)가 출력 신호를 발생하게 되므로, 펌핑 클럭 제어기(200)는 동작을 중지하게 된다. 이때, 비교기(500)는 출력 신호를 발생시킨 상태이므로, 감지기(600)에서 비교기(500)의 출력 신호를 감지하고, 스위치(700)가 복수의 커패시터(800)의 용량이 감소되도록 스위칭할 수 있고, 이에 따라 출력 전압 리플을 줄일 수 있다.
그리고 나서, 펌핑 클럭 제어기(200)의 동작이 중지되었으므로, 펌핑 클럭을 인가받지 못하는 전하 펌프(400)는 펌핑 동작을 정지하게 되고, 누설 전류로 인하여 출력 전압(VOUT)은 점점 떨어지게 된다.
이때, 출력 전압(VOUT)과 기준 전압(VREF)의 차이가 기 설정된 임계값 이상인 경우, 다시 비교기(500)가 출력 신호를 발생시키므로 펌핑 클럭 제어기(200)가 재동작하게 되고, 이에 따라 전하 펌프(400)는 다시 펌핑 동작을 실시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는 상술한 과정을 반복하면서 기준 전압을 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는, 출력 전압 리플(Ripple)의 크기가, 전하 펌프(400)에 사용되는 복수의 커패시터(800)의 용량과 피드백 속도에 비례하고, 초기 기준 전압까지 도달하는데 걸리는 시간에 반비례하는 특성을 지니게 되는 점을 고려한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는, 감지기(600)가 동작하기 전까지는 복수의 커패시터(800)가 고용량이 되도록 제어함으로써 초기 기준 전압까지 도달하는데 걸리는 시간을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는, 감지기(600)가 동작하는 경우 복수의 커패시터(800)가 저용량이 되도록 제어함으로써 출력 전압 리플을 감소시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)를 도시한다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는, 오실레이터(100), 펌핑 클럭 제어기(200), 클럭 발생기(300), 전하 펌프(400), 비교기(500), 감지기(600), 스위치(700), 제 1 커패시터(810) 및 제 2 커패시터(820)를 포함할 수 있다.
이때, 전하 펌프(400)는 제 1 커패시터(810)와 제 2 커패시터(820)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 커패시터(810)의 용량은 제 2 커패시터(820)의 용량보다 작을 수 있다.
비교기(500)는 전하 펌프(400)의 출력 전압(VOUT)이 기준 전압(VREF)을 비교하여 출력 신호를 발생시킬 수 있다.
감지기(600)는 비교기(500)의 출력 신호 발생을 감지할 수 있다. 이때, 감지기(600)는, 비교기(500)의 출력 신호를 분석하여 전하 펌프(400)의 충전중에는 상기 스위치(700)가 제 2 커패시터(820)와 연결되도록 제어하고, 전하 펌프(400)의 충전이 완료되면 스위치(700)가 제 1 커패시터(810)와 연결되도록 제어할 수 있다.
스위치(700)는 감지기(600)에서 비교기(500)의 출력 신호를 분석하면, 제 1 커패시터(810)로 스위칭될 수 있다. 여기서, 스위치(700)는, 감지기(600)에서 비교기(500)의 출력 신호를 분석하면 제 2 커패시터(820)로 스위칭될 수 있다.
이와 같은 도 2의 DC-DC 컨버터에 대하여 설명되지 아니한 사항은 앞서 도 1을 통해 DC-DC 컨버터에 대하여 설명된 내용과 동일하거나 설명된 내용으로부터 용이하게 유추 가능하므로 이하 설명을 생략하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 출력 파형과 일반적인 DC-DC 컨버터의 출력 파형을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)의 출력 파형을 도시하고, (b)는 일반적인 DC-DC 컨버터의 출력 파형을 도시한다.
(a)를 참조하면, A는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)의 출력 전압이고, A'는 일반적인 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 의미한다. A는 출력 펌프(400)의 펌핑이 발생하더라도 일정한 파형을 유지하는데 비하여, A'는 기준 전압(VREF)에 근접한 파형을 이루지 못하는 것을 알 수 있다. 이때, B는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)의 비교기(500) 출력이고, B'는 일반적인 DC-DC 컨버터의 비교기 출력이며, C는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)의 감지기(600)의 출력, 즉 커패시터의 용량이 고용량에서 저용량으로 낮아질 때의 출력을 의미한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는, 전원 인가시 응답 특성과 작은 전압 리플 특성을 가질 수 있다.
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.
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.

Claims (6)

  1. 복수의 커패시터를 포함하는 전하 펌프;
    상기 전하 펌프의 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 출력 신호를 발생하는 비교기;
    상기 전하 펌프에 포함된 상기 복수의 커패시터들 중에서 상기 전하 펌프의 충전에 사용되는 커패시터의 개수를 선택하는 스위치;
    상기 비교기의 출력 신호를 분석하여, 상기 전하 펌프의 충전 여부에 따라, 상기 복수의 커패시터들 중에서 선택되는 커패시터의 개수가 다르도록 상기 스위치를 제어하는 감지기를 포함하는, DC-DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 커패시터는 병렬로 연결된 것인, DC-DC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는, 상기 감지기의 제어 신호에 대응되도록, 상기 복수의 커패시터 중 적어도 하나의 커패시터와 연결되는 것인, DC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는, 상기 기준 전압이 변경된 경우, 상기 복수의 커패시터의 용량이 증가되도록 스위칭되는 것인, DC-DC 컨버터.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 감지기는,
    상기 전하 펌프가 충전 중인 경우, 선택되는 커패시터의 개수가 많도록 상기 스위치를 제어하고,
    상기 전하 펌프가 충전이 완료된 경우, 선택되는 커패시터의 개수가 적도록 상기 스위치를 제어하는, DC-DC 컨버터.
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