KR102135873B1 - 스위칭 주파수의 동적 스케일링 기능을 가지는 전원 공급 장치 - Google Patents

스위칭 주파수의 동적 스케일링 기능을 가지는 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

하나의 집적 회로로 구현되는 직류-직류 변환기를 포함하는 전원 공급 장치에 관한 기술이 개시된다. 직류-직류 변환부의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호간의 위상차에 따라 직류-직류 변환부의 스위칭 펄스의 듀티가 제어된다. 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호간의 위상차 신호에 따라 충방전되는 전하 펌프의 출력으로부터 스위칭 펄스의 듀티가 제어될 수 있다.

Description

스위칭 주파수의 동적 스케일링 기능을 가지는 전원 공급 장치{Power Supply Apparatus with Dynamic Scaling Feature of Switching Frequency}
전원 공급 장치에 관한 기술이 개시된다.
직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 하나의 집적 회로로 구현하는데 있어서 인덕터(Inductor)의 크기를 줄이는 이슈가 있다. 인덕터의 크기를 줄이기 위해 스위칭 주파수를 높이는 경우 피드백 루프에서 안정성(stability)이 문제가 되고 보상에 사용되는 저항이나 커패시터 크기의 문제가 발생하며 또 출력 리플(ripple), 안정화 시간(settling time)이 증가하는 등 효율이 나빠진다.
동적 전압 스케일링(Dynamic Voltage Scaling)을 지원하는 다중 전원 공급 장치의 경우, 스위칭 펄스의 기준 주파수가 큰 범위에서 변할 수 있고, 이러한 문제는 더 심각해진다.
제안된 발명은 전원 공급 장치를 하나의 집적 회로로 구현함에 있어서 출력 특성이나 효율을 개선하는 것을 목적으로 한다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 직류-직류 변환부의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭 신호와, 기준 클럭 신호간의 위상차에 따라 직류-직류 변환부의 스위칭 펄스의 듀티가 제어된다.
또 다른 양상에 따르면, 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호간의 위상차 신호에 따라 충방전되는 전하 펌프의 출력으로부터 스위칭 펄스의 듀티가 제어될 수 있다.
또 다른 양상에 따르면, 기준 클럭을 서로 상이한 듀티를 가지도록 변조한 복수의 신호 중 한 신호가 출력 전압 변동을 반영하여 선택되어 스위칭 펄스로 출력될 수 있다.
또 다른 양상에 따르면, 외부로부터의 지시 신호에 따라 기준 클럭 신호의 주파수가 결정될 수 있다
또 다른 양상에 따르면, 직류-직류 변환부의 출력 전압의 변동에 따라 스위칭 펄스의 듀티와 그 기준 클럭의 주파수가 동시에 제어될 수 있다.
또 다른 양상에 따르면, 직류-직류 변환부의 입력과 출력 파라메터들이 측정되어 직류-직류 변환기의 제어 파라메터들의 초기값이 결정되고, 이후에는 이 초기값에서 출력 부하의 변동에 따라 가감 제어될 수 있다.
제안된 발명에 따라, 출력 전압을 주파수로 바꾸어 피드백함으로써 피드백의 안정성을 유지하고 인덕터나 커패시터 등의 외부에 연결되던 소자들을 칩 내부에 포함될 수 있도록 용량을 줄이고 면적을 줄이면서도 스위칭 주파수를 높일 수 있다. 나아가 출력 전압을 주파수로 피드백함에 있어서 위상 고정 루프에 사용되는 전하 펌프 구조를 채택하여 피드백의 안정성을 높일 수 있다.
제안된 발명에 따라, 직류-직류 변환부의 출력 전압의 변동에 따라 스위칭 펄스의 듀티와 그 기준 클럭의 주파수가 동시에 제어되고, 부하로 출력되는 전력의 파라메터가 안정화될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 또 다른 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 전압 제어 주파수 피드백부의 구성을 도시한 블록도이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 직류-직류 변환부의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭 신호와, 기준 클럭 신호간의 위상차에 따라 직류-직류 변환부의 스위칭 펄스의 듀티가 제어된다. 도 1은 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치는 기준 클럭 생성부(700)와, 스위칭 펄스 발생부(300)와, 직류-직류 변환부(500)와, 전압 제어 주파수 피드백부(100)를 포함한다. 기준 클럭 생성부(700)는 기준 클럭을 생성하여 출력한다. 일정한 주기를 가진 클럭 신호를 발생하는 회로는 반도체 칩에 집적될 수 있는 몇 가지 기술이 알려져 있다. 스위칭 펄스 발생부(300)는 기준 클럭의 듀티(duty)를 변경한 스위칭 펄스를 생성하여 출력한다. 입력 클럭 신호를 주어진 듀티를 가지도록 변조하는 PWM 변조는 알려진 기술이다. 듀티는 전압 또는 디지털로 인코딩된 정보를 통해 지시될 수 있다. 직류-직류 변환부(500)는 스위칭 펄스에 의해 입력 전력을 스위칭하여 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 일 실시예에 있어서 직류-직류 변환부(500)는 벅 컨버터(Buck converter)일 수 있다.
전압 제어 주파수 피드백부(100)는 직류-직류 변환부(500)의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭신호와, 기준 클럭 생성부(700)에서 출력하는 기준 클럭 신호 간의 위상차에 비례하는 위상차 신호로부터 스위칭 펄스 발생부가 생성하여 출력하는 스위칭 펄스의 듀티를 제어하는 듀티 제어 신호를 생성하여 출력한다.
직류-직류 변환부(500)의 부하로의 출력 전압은 전압 제어 주파수 피드백부(1000에서 주파수 신호로 피드백되어 기준 신호와의 위상차에 따라 스위칭 펄스 발생부(300)가 생성하는 스위칭 펄스의 듀티를 제어한다. 출력 전압이 설정 전압보다 높은 경우 스위칭 펄스의 듀티는 낮아지고, 출력 전압이 설정 전압보다 낮은 경우 스위칭 펄스의 듀티는 높아지도록 제어된다.
도시된 실시예에서, 직류-직류 변환부(500)의 출력 전압의 변동은 주파수 변동으로 바뀌어 피드백된다. 기준 클럭의 손쉬운 안정성은 피드백의 안정성을 달성하는데 도움이 될 수 있다.
일 실시예에 따른 전압 제어 주파수 피드백부(100)는 전압 제어 발진부(110)와, 위상차 신호 생성부(130)와, 듀티 제어 신호 생성부(190)를 포함할 수 있다. 전압 제어 발진부(110)는 직류-직류 변환부(500)의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭신호를 발진하여 출력한다. 입력 전압에 비례하는 주파수의 클럭 신호를 발진하는 전압 제어 발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)는 공지된 전기 회로이다.
위상차 신호 생성부(130)는 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호 간의 위상차를 검출하여 위상차 신호를 출력한다. 일 실시예에서, 위상차 신호 생성부(130)는 위상 검출기(phase detector)로 구현된다. 위상 검출기는 아날로그 곱셈기나 주파수 혼합기, 또는 논리 회로로 구현되어 두 입력 신호의 위상차를 나타내는 전압 신호를 출력하는 공전기 회로이다. 알려진 바와 같이, 위상차는 주파수의 차이를 반영한다. 논리 회로로 구현될 경우 위상차 검출부(130)의 출력은 위상에 비례하는 듀티를 가진 펄스열일 수 있다.
듀티 제어 신호 생성부(190)는 위상차 신호 생성부(130)의 출력으로부터 스위칭 펄스 발생부가 생성하여 출력하는 스위칭 펄스의 듀티를 제어하는 듀티 제어 신호를 생성하여 출력한다. 일 실시예에서, 듀티 제어 신호 생성부(190)는, 위상차 신호 생생부(130)가 출력하는 펄스열 출력을 적분하여, 그 평균적인 전압, 즉 듀티에 비례하는 전압 신호를 출력할 수 있다. 경우 듀티 제어 신호는 스위칭 펄스 발생부(300)의 PWM 변조칩의 듀티 설정 입력 단자의 입력으로 공급될 수 있다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호간의 위상차 신호에 따라 충방전되는 전하 펌프의 출력으로부터 스위칭 펄스의 듀티가 제어될 수 있다. 도 2는 또 다른 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1의 구성요소와 유사한 구성요소들은 동일한 도면 부호로 참조되었다. 이들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 전원 공급 장치에 있어서, 위상차 신호 생성부(130)는 위상차 검출부(131)와, 전하 펌프(133)를 포함한다. 위상차 검출부(131)는 전압 제어 발진부(110)가 출력하는 피드백 클럭 신호와, 기준 클럭 생성부(700)가 출력하는 기준 클럭 신호 간의 위상차를 검출한다. 도시된 실시예에서, 위상차 검출부(131)는 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호 간의 위상차를 검출하여 위상차 신호를 출력하는 위상 주파수 검출기(phase frequency detector)일 수 있다. 위상 주파수 검출기는 원래 플립 플롭들로 구성되는 비동기 회로(asynchronous circuit)의 하나이다. 두 신호 중 어느 쪽이 제로-크로싱(zero-crossing)이 빠른지 혹은 자주 있는지를 결정하여 정반 두 개의 신호를 출력한다. 그러나 제안된 발명은 이에 한정되지 않으며, 위상차 검출부(131)는 위상 검출기(phase detector) 회로 중 하나로 구현될 수도있다.
도시된 실시예에서, 전하 펌프(133)는 위상 고정 루프(Phase Locked Loop)에서 사용되는 바이폴라 스위칭되는 한 쌍의 전류원으로 구현된다. 위상 주파수 검출기(133)에서 출력되는 상반된 위상을 가진 펄스열은 이 전하 펌프(133)의 두 스위치의 게이트 입력으로 공급된다. 전하 펌프(133)는 위상차 신호에 따라 충방전된다. 즉, 위상차가 양이면 충전되고, 음이면 방전된다. 그러나 제안된 발명은 이에 한정되지 않으며, 전하 펌프(133)는 아날로그 위상 고정 루프에 사용되는 여러 형태의 전하 펌프 중 하나로 구현될 수도 있다.
도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 전원 공급 장치에 있어서, 듀티 제어 신호 생성부(190)는 필터부(191)와, 듀티 추적 제어부(193)를 포함한다. 필터부(191)는 전하 펌프(133)의 출력을 안정화시켜 위상차 전압 신호로 출력한다. 도시된 실시예에서, 필터부(191)는 저역통과필터로 구현된다.
듀티 추적 제어부(193)는 위상차 전압 신호로부터 현재 듀티를 반영한 듀티 제어 신호를 생성하여 출력한다. 일 실시예에서, 듀티 추적 제어부(193)는 위상차 전압 신호를 그 전압 레벨에 따라 디지털 바이트(digital byte)로 인코딩하여 출력하는 엔코더일 수 있다. 인코더의 인코딩 기준 레벨들은 A/D 변환기와 같이 균등 분할될 수도 있지만, 피드백의 안정성이나 회로의 특성을 반영하여 비균등 분할될 수도 있다. 듀티 추적 제어부(193)는 현재의 듀티를 기준으로 출력 전압이 기준에서 벗어난 정도를 반영하여 듀티를 높이거나 줄이는 방향으로 듀티 제어 신호를 출력한다. 예를 들어 현재 듀티가 70%이고, 필터부(191)에서 필터링된 위상차 전압 신호가 0, 즉 부하로의 출력 전력의 전압이 정격 전압에 부합하는 경우에는 그대로 듀티를 유지하도록 인코딩된 듀티 제어 신호는 기존의 값을 그대로 유지한다. 즉, 위상차 전압 신호는 듀티 추적 제어부(193)가 현재 출력하고 있는 값에서 변동치로 반영될 수 있다. 도시된 실시예에서, 듀티 추적 제어부(193)는 기준 클럭 생성부(700)를 분주기(195)로 분주한 클럭에 동기화되어 듀티 제어 신호를 출력한다. 분주기(195)의 분주 비율은 출력 전력의 정밀도나 부하로의 응답 특성 등에 따라 적절히 결정될 수 있다.
도시된 실시예에서, 스위칭 펄스 발생부(300)는 기준 펄스에 동기화되고 이 디지털 바이트(digital byte)에 해당하는 듀티를 가진 펄스를 스위칭 펄스로 출력한다. 예를 들어 스위칭 펄스 발생부(300)는 마이크로프로세서 혹은 고속 카운터로 구현될 수 있다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 기준 클럭을 서로 상이한 듀티를 가지도록 변조한 복수의 신호 중 한 신호가 출력 전압 변동을 반영하여 선택되어 스위칭 펄스로 출력될 수 있다. 또 다른 실시예에 따른 전원 공급 장치에 있어서, 스위칭 펄스 발생부(300)는 다중 듀티 신호 생성부(310)와 듀티 선택부(330)를 포함할 수 있다. 다중 듀티 신호 생성부(310)는 기준 클럭을 서로 상이한 듀티를 가지도록 변조한 복수의 스위칭 펄스 신호를 생성한다. 일 실시예에서, 다중 듀티 신호 생성부(310)는 각각이 기준 클럭 신호에 동기화되면서 10%에서 90%까지 듀티를 가진 스위칭 펄스 신호를 출력하는 9개의 펄스 신호 생성부를 포함한다. 입력 펄스 신호를 주어진 듀티를 가지도록 PWM 변조하는 기술은 잘 알려진 기술이다.
듀티 선택부(330)는 복수의 스위칭 펄스 신호들 중 듀티 제어 신호에 의해 선택된 한 신호를 출력한다. 일 실시예에서, 듀티 선택부(330)는 다중화기(multiplexer)이다. 도시된 실시예에서 다중화기의 선택 입력(selection input)은 듀티 추적 제어부(193)가 출력하는 디지털 바이트(digital byte)이다. 즉, 도시된 실시예에서 듀티 추적 제어부(193)는 필터부(170)에서 필터링된 위상차 전압 신호에 따라 인코딩된 디지털 바이트를 출력한다. 일 예로, 듀티 추적 제어부(193)가 위상차 전압 신호의 전압 레벨에 비례하는 값을 가진 디지털 바이트를 출력할 때, 듀티 선택부(330)에 입력되는 복수의 스위칭 펄스 신호들은 다음과 같이 선택될 수 있다.
디지털바이트 1 2 3 4 5 6 7 8 9
스위칭 펄스 듀티 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10%
도 3은 또 다른 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1,2의 구성요소와 유사한 구성요소들은 동일한 도면 부호로 참조되었다. 이들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도시된 실시예에서, 다중 기준 클럭 생성부(700')는 서로 주파수가 다른 복수의 기준 클럭 신호들 중 하나를 출력한다. 예를 들어 다중 기준 클럭 생성부(700')는 1MHz-1.9Mhz 까지의 주파수에서 100KHz 간격을 가진 10개의 주파수를 가진 기준 클럭 신호들을 생성할 수 있다. 생성된 복수의 기준 클럭 신호 중 하나가 선택되어 출력된다. 또 다른 예로, 다중 기준 클럭 생성부(700')는 지시된 주파수를 가진 기준 클럭 신호를 생성하여 출력하는 단일의 클럭 생성 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어 기준 클럭을 제어 가능한 가변 분주기를 통해 분주하여 출력할 수 있다.
스위칭 펄스 발생부(300)는 다중 기준 클럭 생성부(700')에서 출력되는 기준 클럭 신호의 듀티(duty)를 변경한 스위칭 펄스를 생성하여 출력한다. 직류-직류 변환부(500)는 스위칭 펄스 발생부(300)에서 출력된 스위칭 펄스에 의해 입력 전력을 스위칭하여 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 일 실시예에 있어서 직류-직류 변환부(500)는 벅 컨버터(Buck converter)일 수 있다. 전압 제어 주파수 피드백부(100)는 직류-직류 변환부(500)의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭신호와, 다중 기준 클럭 생성부(700')가 출력하는 기준 클럭 신호 간의 위상차에 따라 스위칭 펄스 발생부(300)가 생성하여 출력하는 스위칭 펄스의 듀티를 제어하는 듀티 제어 신호를 생성하여 출력한다.
도시된 도면의 실시예에서, 전압 제어 주파수 피드백부(100)는 전압 제어 발진부(110)와, 위상차 신호 생성부(130)와, 듀티 제어 신호 생성부(190)를 포함할 수 있다. 전압 제어 발진부(110)와, 듀티 제어 신호 생성부(190)는 도 1 또는 도 2에 도시된 실시예와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 위상차 신호 생성부(130)는 직류-직류 변환부(500)의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭신호를, 다중 기준 클럭 생성부(700')가 출력하는 기준 클럭 신호와의 위상차에 따라 위상차 신호를 생성하는 점을 제외하고는 유사하다.
제안된 발명의 추가적인 양상에 따르면, 외부로부터의 지시 신호에 따라 기준 클럭 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 도시된 실시예에 따른 전원 공급 장치는 제어부(900)를 더 포함한다. 일 실시에에서 제어부(900)는 마이크로프로세서 혹은 신호 처리 프로세서와 그 프로그램으로 구현될 수 있다. 또 다른 예로, 제어부(900)는 전용 제어기나, 인공 지능 엔진을 포함하여 구현될 수도 있다.
일 양상에 따라, 제어부(900)는 출력 전압 설정부(910)를 포함할 수 있다. 출력 전압 설정부(910)는 외부로부터의 지시 신호에 따라 다중 기준 클럭 생성부(700')로 기준 클럭 신호의 주파수를 선택하는 기준 클럭 선택 신호를 출력한다. 다중 기준 클럭 생성부(700')는 기준 클럭 선택 신호에 따라 내부에서 생성된 서로 주파수가 다른 복수의 기준 클럭 신호들 중 하나를 선택하거나, 그 출력하는 기준 클럭 신호의 주파수를 설정할 수 있다. 출력 전력의 전압이 다중 기준 클럭 생성부(700')의 기준 클럭의 주파수를 변화시킴으로써 설정될 수 있다. 도시된 실시예에서 출력 전압은 주파수가 높아짐에 따라 높아진다.
동적 전압 스케일링(DVS : Dynamic Voltage Scaling)은 컴퓨터 아키텍처에서 전력 절감 기술 중의 하나로, 사용되는 부품의 동작 전압을 동적으로 높이거나 낮춤으로서 소비 전력을 조정한다. 제안된 발명에 따른 전원 공급 장치는 예를 들어 이러한 동적 전압 스케일링에 적용될 수 있다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 직류-직류 변환부의 출력 전압의 변동에 따라 스위칭 펄스의 듀티와 그 기준 클럭의 주파수가 동시에 제어될 수 있다. 도시된 실시예에서 제어부(900)는 기준 주파수 제어부(950)를 포함할 수 있다. 기준 주파수 제어부(950)는 직류-직류 변환부(500)의 입력과 출력 파라메터를 측정하여 다중 기준 클럭 생성부(700')로 복수의 기준 클럭 신호 중 하나를 선택하는 기준 클럭 선택 신호를 출력한다.
도시된 실시예에서, 제어부(900)는 입력단 센서(210) 및 출력단 센서(230)를 통해 직류-직류 변환부(500)의 입력 전압과 전류, 출력 전압과 전류를 측정한다. 입력단 센서(210) 및 출력단 센서(230)는 각각 전압 센서, 전류 센서를 포함할 수 있다. 추가적으로, 제어부(900)는 안정화 시간(settling time), 효율(efficiency), 그리고 리플(ripple)을 측정할 수 있다. 안정화 시간(settling time)은 장치의 기동 초기에 입력 전력이 공급된 후 출력 전압이 안정화될 때까지 락 온/오프(Lock On/Off) 상태를 반복하여 측정한다. 안정화 시간의 측정이 끝나면 리플과 효율을 병렬적으로 측정한다. 리플은 피크 검출기(peak detector)를 통해 출력 전압의 피크를 검출하여 측정한다. 효율은 입력단 센서(210) 및 출력단 센서(230)를 통해 측정된 입력 전압, 입력 전류, 출력 전압, 출력 전류 값을 통해 입출력 전력의 비율을 계산하여 산출한다.
일 실시예에서, 기준 주파수 제어부(950)는 주기적으로 출력 파라메터, 예를 들면 리플과 효율을 측정하여 출력 파라메터가 펄스폭 변조로는 안정화되지 못하고 있는 경우, 다중 기준 클럭 생성부(700')가 출력하는 기준 클럭 신호의 주파수를 가변시킬 수 있다. 예를 들어 기준 클럭이 주파수 fn을 가질 때, 전압 제어 주파수 피드백부(100)에 의한 펄스폭 제어에도 불구하고 출력 파라메터가 안정화되고 있지 못한 경우, 기준 클럭을 주파수 fn-1 로 변경시켜 출력 파라메터의 안정화를 시도할 수 있다. 직류-직류 변환기에서 스위칭 주파수를 높일 경우 효율이 감소하고 리플 특성이 열화된다. 제안된 발명은 피드백 제어를 통한 듀티의 제어에 추가로 스위칭 주파수를 가변시켜 이러한 출력 파라메터의 안정화를 도모할 수 있다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 직류-직류 변환부의 입력과 출력 파라메터들이 측정되어 직류-직류 변환기의 제어 파라메터들의 초기값이 결정되고, 이후에는 이 초기값에서 출력 부하의 변동에 따라 가감 제어될 수 있다. 도시된 실시예에서 제어부(900)는 스위칭 초기화부(930)를 더 포함할 수 있다. 스위칭 초기화부(930)는 직류-직류 변환부(500)의 입력 전압, 입력 전류, 출력 전압 및 출력 전류와, 적어도 하나의 출력 파라메터를 측정하여 출력 파라메터가 안정되도록 기준 클럭 선택 신호와, 전압 제어 주파수 피드백부(100)가 출력하는 듀티 제어 신호의 초기값을 결정하여 출력한다.
도시된 실시예에서, 제어부(900)는 입력단 센서(210) 및 출력단 센서(230)를 통해 직류-직류 변환부(500)의 입력 전압과 전류, 출력 전압과 전류를 측정한다. 입력단 센서(210) 및 출력단 센서(230)는 각각 전압 센서, 전류 센서를 포함할 수 있다. 추가적으로, 제어부(900)는 안정화 시간(settling time), 전력 효율(power efficiency), 그리고 리플(ripple)을 측정할 수 있다. 안정화 시간(settling time)은 장치의 기동 초기에 입력 전력이 공급된 후 출력 전압이 안정화될 때까지 락 온/오프(Lock On/Off) 상태를 반복하여 측정한다. 안정화 시간의 측정이 끝나면 리플과 전력 효율을 병렬적으로 측정한다. 리플은 피크 검출기(peak detector)를 통해 출력 전압의 피크를 검출하여 측정한다. 전력 효율은 입력단 센서(210) 및 출력단 센서(230)를 통해 측정된 입력 전압, 입력 전류, 출력 전압, 출력 전류 값을 통해 입출력 전력의 비율을 계산하여 산출한다. 설정된 출력 전압에서 저 리플, 고 전력 효율을 달성하는 스위칭 펄스의 듀티와 주파수가 결정될 수 있다. 예를 들어 가장 높은 주파수에서 듀티를 가변시키며 출력 파라메터들을 측정하는 탐색 과정을 통해 이러한 스위칭 펄스의 듀티와 주파수가 결정될 수 있다. 도시된 실시예에서, 듀티 제어 신호 생성부(190)와 다중 기준 클럭 생성부(700')는 이러한 초기 설정값을 기준으로, 출력 전압과 출력 파라메터의 변동에 따라 각각 스위칭 펄스의 듀티와 기준 클럭 신호의 주파수를 변경시킬 수 있다. 장치 초기에 스위칭 펄스의 듀티와 주파수가 결정되어 설정된 후, 주기적인 피드백을 통해 스위칭 펄스의 듀티와 주파수가 변동되면서 최적의 출력 파라메터를 유지할 수 있다.
일 실시예에 따른 전압 제어 주파수 피드백부(100)는 전압 제어 발진부(110)와, 위상차 신호 생성부(130)와, 듀티 제어 신호 생성부(190)를 포함할 수 있다. 전압 제어 발진부(110)와 위상차 신호 생성부(130)는 도 2의 실시예의 대응되는 구성과 유사하다. 듀티 제어 신호 생성부(190)는 도 2의 실시예의 대응되는 구성과 유사하나, 장치 초기에 스위칭 초기화부(930)가 스위칭 펄스의 듀티를 결정하면 듀티 제어 신호의 초기 값을 그 결정된 값으로 설정한다.
또 기준 주파수 제어부(950)가 다중 기준 클럭 생성부(700')의 기준 클럭의 주파수를 변경하면, 설정된 출력 전압과 변경된 기준 클럭의 주파수에 따라 듀티 제어 신호의 초기 값을 최적의 값으로 설정한다. 출력 전압별, 기준 클럭의 주파수별 듀티 제어 신호의 초기 값은 시스템 초기에 스캔되어 내부 영구 메모리에 저장되거나, 최초 전원 공급 장치의 제조시에 제조사에 의해 내부 영구 메모리에 저장될 수 있다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호간의 위상차 신호에 따라 충방전되는 전하 펌프의 출력으로부터 스위칭 펄스의 듀티가 제어될 수 있다. 도 4는 또 다른 실시예에 따른 전압 제어 주파수 피드백부의 구성을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 전압 제어 주파수 피드백부는 전압 제어 발진부(110)와 위상차 신호 생성부(130)와 듀티 제어신호 생성부(190)를 포함한다. 전압 제어 발진부(110)는 전술한 실시예들의 대응되는 구성과 유사하다. 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 전압 제어 주파수 피드백부에 있어서, 위상차 신호 생성부(130)는 위상차 검출부(131)와, 전하 펌프(133)를 포함한다. 위상차 검출부(131)는 전압 제어 발진부(110)가 출력하는 피드백 클럭 신호와, 다중 기준 클럭 생성부(700')가 출력하는 기준 클럭 신호 간의 위상차를 검출한다. 도시된 실시예에서, 위상차 검출부(131)는 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호 간의 위상차를 검출하여 위상차 신호를 출력하는 위상 주파수 검출기(phase frequency detector)일 수 있다. 전하 펌프(133)는 위상차 신호에 따라 충방전된다. 도시된 실시예에서, 전하 펌프(133)는 위상 고정 루프(Phase Locked Loop)에서 사용되는 바이폴라 스위칭되는 한 쌍의 전류원으로 구현될 수 있다.
도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 전압 제어 주파수 피드백부에 있어서, 듀티 제어 신호 생성부(190)는 필터부(191)와, 듀티 추적 제어부(193)를 포함한다. 필터부(191)는 전하 펌프(133)의 출력을 안정화시켜 위상차 전압 신호로 출력한다. 도시된 실시예에서, 필터부(191)는 비교기를 포함한다. 비교기는 위상차 신호와 밴드 갭 기준 신호의 차이 신호를 출력한다. 밴드갭 기준 신호는 온도 또는 전원 전압에 무관하게 일정하게 일정한 전압을 가지는 기준 신호로, 밴드갭 기준 신호 생성회로는 알려진 회로이다. 위상차가 밴드갭 기준 신호보다 큰 경우, 즉 직류-직류 변환부(100)의 출력이 정격 전압보다 기준치 이상 차이가 있는 경우에만 듀티를 증가시키고 그렇지 않으면 감소시킨다. 도시된 실시예에서 비교기의 출력은 아날로그 차이 신호를 디지털로 변환한 디지털 신호이다.
듀티 추적 제어부(193)는 비교기가 출력하는 차이 신호를 입력 받아 현재 듀티 제어 신호에 감산 또는 가산하여 새로운 듀티 제어 신호로 출력한다. 도시된 실시예에서, 듀티 추적 제어부(193)는 기준 클럭 생성부(700)를 분주기(195)로 분주한 클럭에 동기화되어 듀티 제어 신호를 출력한다. 분주기(195)의 분주 비율은 출력 전력의 정밀도나 부하로의 응답 특성 등에 따라 적절히 결정될 수 있다. 일 실시예에서 듀티 추적 제어부(193)는 현재 듀티 제어 신호의 값을 저장하는 레지스터(register)를 포함한다. 분주기(195)에서 클럭이 출력되면 그에 동기화되어 듀티 추적 제어부(193)는 내부 레지스터에 비교기(191)에서서 출력된 디지털 신호 값을 가산한 값을 새로운 듀티 제어 신호로 출력한다. 도 3의 제어부(900)의 출력 전압 설정부(910), 스위칭 초기화부(930)나 기준 주파수 제어부(950) 중 어느 하나에서 듀티 제어 신호의 설정 값이 출력되면, 내부 레지스터의 값이 그 설정 값으로 셋팅될 수 있다.
이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 특허청구범위는 이러한 변형예들을 포괄하도록 의도되었다.
100 : 전압 제어 주파수 피드백부
110 : 전압 제어 발진부
130 : 위상차 신호 생성부
131 : 위상차 검출부 133 : 전하 펌프
190 : 듀티 제어 신호 생성부
191 : 필터부 193 : 듀티 추적 제어부
195 : 분주기
210 : 입력단 센서 230 : 출력단 센서
300 : 스위칭 펄스 발생부
310 : 다중 듀티 신호 생성부 330 : 듀티 선택부
500 : 직류-직류 변환부 700 : 기준 클럭 생성부
900 : 제어부 910 : 출력 전압 설정부
930 : 스위칭 초기화부 950 : 기준 주파수 제어부

Claims (12)

  1. 기준 클럭 신호를 생성하여 출력하는 기준 클럭 생성부와;
    상기 기준 클럭 신호의 듀티(duty)를 변경한 스위칭 펄스를 생성하여 출력하는 스위칭 펄스 발생부와;
    상기 스위칭 펄스에 의해 입력 전력을 스위칭하여 직류 전압으로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환부와;
    전압 제어 주파수 피드백부;를 포함하되, 상기 전압 제어 주파수 피드백부는:
    상기 직류-직류 변환부의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭신호를 발진하여 출력하는 전압 제어 발진부와,
    상기 피드백 클럭 신호와 기준 클럭 신호 간의 위상차를 검출하는 위상차 검출부와, 위상차 검출부에서 출력되는 위상차 신호에 따라 충방전되는 전하 펌프를 포함하는 위상차 신호 생성부와,
    전하 펌프의 출력을 안정화시켜 위상차 전압 신호로 출력하는 필터부와, 위상차 전압 신호로부터 상기 스위칭 펄스 발생부가 생성하여 출력하는 스위칭 펄스의 듀티를 제어하되 현재 듀티를 반영한 듀티 제어 신호를 생성하여 출력하는 듀티 추적 제어부를 포함하는 듀티 제어 신호 생성부
    를 포함하는 전원 공급 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 스위칭 펄스 발생부는 :
    기준 클럭 신호를 서로 상이한 듀티를 가지도록 변조한 복수의 스위칭 펄스 신호들을 생성하는 다중 듀티 신호 생성부와,
    복수의 스위칭 펄스 신호들 중 듀티 제어 신호에 의해 선택된 한 신호를 출력하는 듀티 선택부
    를 포함하는 전원 공급 장치.
  6. 서로 주파수가 다른 복수의 기준 클럭 신호들 중 하나를 출력하는 다중 기준 클럭 생성부와;
    다중 기준 클럭 생성부에서 출력되는 기준 클럭 신호의 듀티(duty)를 변경한 스위칭 펄스를 생성하여 출력하는 스위칭 펄스 발생부와;
    상기 스위칭 펄스에 의해 입력 전력을 스위칭하여 직류 전력으로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환부와;
    전압 제어 주파수 피드백부;를 포함하되, 전압 제어 주파수 피드백부는 :
    상기 직류-직류 변환부의 출력 전압에 비례하는 주파수를 가진 피드백 클럭신호를 발진하여 출력하는 전압 제어 발진부와,
    상기 피드백 클럭 신호와 다중 기준 클럭 생성부에서 출력되는 기준 클럭 신호 간의 위상차를 검출하는 위상차 검출부와, 위상차 검출부에서 출력되는 위상차 신호에 따라 충방전되는 전하 펌프를 포함하는 위상차 신호 생성부와;
    위상차 신호로부터 상기 스위칭 펄스 발생부가 생성하여 출력하는 스위칭 펄스의 듀티를 제어하는 듀티 제어 신호를 생성하여 출력하는 듀티 제어 신호 생성부;를 포함하는 전원 공급 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 전원 공급 장치가 :
    외부로부터의 지시 신호에 따라 상기 다중 기준 클럭 생성부로 기준 클럭 신호의 주파수를 선택하는 기준 클럭 선택 신호를 출력하는 출력 전압 설정부를 포함하는 제어부;를 포함하는 전원 공급 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 전원 공급 장치가 :
    상기 직류-직류 변환부의 입력과 출력 파라메터를 측정하여 상기 다중 기준 클럭 생성부로 복수의 기준 클럭 신호 중 하나를 선택하는 기준 클럭 선택 신호를 출력하는 기준 주파수 제어부를 포함하는 제어부;를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제어부는 :
    직류-직류 변환부의 입력 전압, 입력 전류, 출력 전압 및 출력 전류와, 적어도 하나의 출력 파라메터를 측정하여 출력 파라메터가 안정되도록 기준 클럭 선택 신호와, 상기 전압 제어 주파수 피드백부의 듀티 제어 신호의 초기값을 결정하여 출력하는 스위칭 초기화부를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 6에 있어서, 상기 듀티 제어 신호 생성부는 :
    전하 펌프의 출력을 안정화시킨 위상차 전압 신호와 밴드 갭 기준 신호의 차이 신호를 출력하는 비교기와;
    비교기가 출력하는 차이 신호를 입력 받아 현재 듀티 제어 신호에 감산 또는 가산하여 새로운 듀티 제어 신호로 출력하는 듀티 추적 제어부;
    를 포함하는 전원 공급 장치.
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