KR102199691B1 - 스위치 제어 회로 및 이를 포함하는 벅 컨버터 - Google Patents

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Abstract

벅 컨버터는 입력 전압이 전달되는 일단을 포함하는 전력 스위치, 상기 전력 스위치의 타단과 그라운드 사이에 연결되어 있는 동기 스위치, 상기 전력 스위치의 타단에 연결되어 있는 일단을 포함하는 인덕터, 및 상기 인덕터에 흐르는 인덕터 전류가 소정의 기준 값에 도달한 시점으로부터 영전압 지연 시간만큼 지연된 시점에 상기 동기 스위치를 턴 오프 시키고, 상기 입력 전압 및 상기 영전압 지연 시간에 기초하여 데드 타임을 산출하며, 상기 동기 스위치의 턴 오프 시점으로부터 상기 데드 타임이 경과한 시점에 상기 전력 스위치를 턴 온 시키는 스위치 제어 회로를 포함한다.

Description

스위치 제어 회로 및 이를 포함하는 벅 컨버터{SWITCH CONTROL CICUIT AND BUCK CONVERTER COMPRISING THE SAME}
실시 예들은 스위치 제어 회로 및 이를 포함하는 벅 컨버터에 관한 것이다.
벅 컨버터는 입력 전압을 전달받고 스위칭하는 전력 스위치, 전력 스위치에 연결된 인덕터 및 커패시터를 포함한다. 전력 스위치의 오프 기간 동안 감소하는 인덕터 전류가 흐를 수 있도록 인덕터와 그라운드 사이에 다이오드가 연결될 수 있다. 벅 컨버터는 다이오드 대신 스위칭 소자(이하, 동기 스위치)를 포함할 수 있고, 동기 스위치의 스위칭이 전력 스위치의 스위칭과 동기되어 제어될 수 있다.
종래 벅 컨버터에서, 전력 스위치와 동기 스위치의 스위칭 동작 간의 데드 타임은 큰 마진을 가진 기간으로 고정되어 있다. 그러면, 입력전압의 변화에 따라서 전력 스위치의 영전압 스위칭(zero voltage switching, 이하, ZVS)은 이뤄지지 않을 수 있다..
ZVS를 달성할 수 있는 스위치 제어 회로 및 이를 포함하는 벅 컨버터를 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 인덕터에 연결된 전력 스위치 및 동기 스위치의 스위칭을 제어하는 회로는, 상기 인덕터에 흐르는 인덕터 전류를 감지한 감지 전압과 소정의 기준 전압을 비교하는 비교기, 및 상기 비교기의 출력을 영전압 지연 시간만큼 지연시켜 출력하는 지연부, 및 상기 전력 스위치에 입력되는 입력 전압 및 상기 영전압 지연 시간에 기초하여 데드 타임을 산출하는 데드 타임 산출부를 포함한다. 상기 스위치 제어 회로는, 상기 지연부의 출력에 따라 상기 동기 스위치의 턴 오프 시점을 제어하고, 상기 동기 스위치의 턴 오프 시점으로부터 상기 데드 타임이 경과한 시점에 상기 전력 스위치를 턴 온 시킬 수 있다.
상기 영전압 지연 시간은 일정하고, 상기 데드 타임 산출부는, 상기 전력 스위치의 온 기간과 오프 기간, 및 상기 영전압 지연 시간에 기초하여 상기 데드 타임을 산출할 수 있다. 상기 데드 타임 산출부는, 상기 온 기간을 상기 오프 기간으로 나누고, 상기 나눈 결과에 상기 영전압 지연 시간을 곱해 상기 데드 타임을 산출할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 영전압 지연 시간을 설정하는 핀을 더 포함하고, 상기 지연부는, 상기 핀을 통해 입력되는 전압에 따라 상기 영전압 지연 시간을 설정할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 온 기간과 오프 기간, 및 지연 기간에 기초하여 상기 영전압 지연 시간을 산출하고, 상기 지연 기간은 상기 인덕터와 상기 전력 스위치 및 상기 동기 스위치의 기생 커패시터에 의해 결정될 수 있다.
상기 데드 타임 산출부는, 상기 전력 스위치의 스위칭 주기, 상기 전력 스위치의 오프 기간, 및 상기 지연 기간을 이용하여 상기 데드 타임을 산출할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 지연 기간을 설정하는 핀을 더 포함하고, 상기 데드 타임 산출부는, 상기 핀을 통해 입력되는 전압에 따라 상기 지연 기간을 설정할 수 있다.
상기 데드 타임 산출부는, 상기 스위칭 주기를 상기 오프 기간으로 나눈 결과에 상기 지연 기간을 곱해 상기 데드 타임을 산출할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 지연 기간을 설정하는 핀을 더 포함하고, 상기 지연부는, 상기 핀을 통해 입력되는 전압에 따라 상기 지연 기간을 설정할 수 있다. 상기 데드 타임 산출부는, 상기 지연부로부터 상기 지연 기간을 전달받을 수있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 상기 온 기간과 상기 오프 기간의 합을 상기 온 기간으로 나눈 결과에 상기 지연 기간을 곱한 결과에 기초해 상기 영전압 지연 시간을 산출할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따르 벅 컨버터는, 입력 전압이 전달되는 일단을 포함하는 전력 스위치, 상기 전력 스위치의 타단과 그라운드 사이에 연결되어 있는 동기 스위치 상기 전력 스위치의 타단에 연결되어 있는 일단을 포함하는 인덕터 및 상기 인덕터에 흐르는 인덕터 전류가 소정의 기준 값에 도달한 시점으로부터 영전압 지연 시간만큼 지연된 시점에 상기 동기 스위치를 턴 오프 시키고, 상기 입력 전압 및 상기 영전압 지연 시간에 기초하여 데드 타임을 산출하며, 상기 동기 스위치의 턴 오프 시점으로부터 상기 데드 타임이 경과한 시점에 상기 전력 스위치를 턴 온 시키는 스위치 제어 회로를 포함한다.
상기 영전압 지연 시간은 일정하고, 상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 온 기간과 오프 기간, 및 상기 영전압 지연 시간에 기초하여 상기 데드 타임을 산출할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 온 기간을 상기 오프 기간으로 나누고, 상기 나눈 결과에 상기 영전압 지연 시간을 곱해 상기 데드 타임을 산출할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 영전압 지연 시간을 설정하기 위한 전압이 입력되는 핀을 포함할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 온 기간과 오프 기간, 및 지연 기간에 기초하여 상기 영전압 지연 시간을 산출하고, 상기 지연 기간은 상기 인덕터와 상기 전력 스위치 및 상기 동기 스위치의 기생 커패시터에 의해 결정될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 스위칭 주기, 상기 전력 스위치의 오프 기간, 및 상기 지연 기간을 이용하여 상기 데드 타임을 산출할 수 있다. 상기 스위치 제어 회로는, 상기 지연 기간을 설정하기 위한 핀을 포함할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 스위칭 주기를 상기 오프 기간으로 나눈 결과에 상기 지연 기간을 곱해 상기 데드 타임을 산출할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 상기 온 기간과 상기 오프 기간의 합을 상기 온 기간으로 나눈 결과에 상기 지연 기간을 곱한 결과에 기초해 상기 영전압 지연 시간을 산출할 수 있다.
ZVS를 달성할 수 있는 스위치 제어 회로 및 이를 포함하는 벅 컨버터를 제공한다.
도 1은 실시 예에 따른 벅 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 인덕터 전류를 나타낸 파형도이다.
도 4는 실시 예에 따른 데드 타임 산출부를 나타낸 도면이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 스위칭 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 데드 타임 산출부를 나타낸 도면이다.
도 8은 또 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 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 의미한다.
실시 예에 따른 동기 스위치의 턴 오프 시점과 전력 스위치의 온 시점 간의 데드 타임은 교류 입력의 변화에 따라 변한다. 교류 입력은 정류되어 라인 입력 전압이 되므로, 데드 타임은 라인 입력 전압에 따라 변할 수 있다. 이하, 도면을 참조하여 발명의 실시 예들을 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 벅 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 벅 컨버터(1)는 EMI 필터(10), 정류 회로(20), 전력 스위치(Q1), 동기 스위치(Q2), 및 스위치 제어 회로(30)를 포함한다.
EMI 필터(10)는 교류 입력(VAC)의 노이즈를 제거하고, 교류 입력(VAC)은 정류 회로(20)를 통해 라인 입력 전압(Vin)으로 정류된다. 이하, 라인 입력 전압(Vin)은 입력 전압이라 한다.
정류 회로(20)의 양단에 연결되어 있는 커패시터(CI)를 통해 입력 전압(Vin)의 노이즈 성분이 필터링될 수 있다.
전력 스위치(Q1)의 드레인에 입력 전압(Vin)이 입력되고, 전력 스위치(Q1)의 소스는 노드(N1)에 연결되어 있으며, 동기 스위치(Q2)의 드레인은 노드(N1)에 연결되어 있고, 동기 스위치(Q2)의 소스는 그라운드에 연결되어 있다.
전력 스위치(Q1) 및 동기 스위치(Q2) 모두 n 채널 타입의 MOSFET으로 구현되어 있다. 전력 스위치(Q1) 및 동기 스위치(Q2) 각각의 게이트에는 게이트 전압(VG1) 및 게이트 전압(VG2)이 입력되고, 게이트 전압(VG1) 및 게이트 전압(VG2)이 하이 레벨일 때 턴 온 되고, 로우 레벨일 때 턴 오프 된다.
인덕터(L)은 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 연결되어 있고, 커패시터(CO)는 노드(N2)와 노드(N3) 사이에 연결되어 있고, 저항(RCS)은 노드(N3)와 그라운드 사이에 연결되어 있다. 출력 전압(VO)는 커패시터(CO)의 양단 전압으로 부하(RL)에 공급된다.
저항(RCS)은 인덕터(L)에 흐르는 인덕터 전류(IL)를 감지하기 위한 저항이다. 노드(N3)의 전압은 인덕터 전류(IL)와 저항(RCS)에 따라 결정되는 전압으로 이하 감지 전압(VCS)이라 한다. 저항(R1) 및 저항(R2)은 노드(N2)와 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있고, 출력 전압(VO)은 저항(R1) 및 저항(R2)에 의해 분배되어 피드백 전압(VF)이 된다.
전력 스위치(Q1)의 온 기간 동안 인덕터(L)에 흐르는 인덕터 전류(IL)는 커패시터(CO) 및 저항(RCS)를 통해 그라운드로 흐른다. 전력 스위치(Q1)가 턴 오프 되고, 소정의 데드 타임이 경과한 후에 동기 스위치(Q2)가 턴 온 된다. 동기 스위치(Q2)의 온 기간 동안 인덕터 전류(IL)가 동기 스위치(Q2), 인덕터(L), 커패시터(CO), 및 저항(RCS)을 통해 흐르면서 감소한다.
인덕터 전류(IL)가 영전류가 된 시점으로부터 영전압 스위칭을 위한 지연 (이하, 영전압 지연 시간) 경과 후에 동기 스위치(Q2)가 턴 오프 되고, 소정의 데드 타임이 경과한 후에 전력 스위치(Q1)가 턴 온 된다. 영전압 지연 시간은 일정한 값으로 설정되거나, 산출될 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어 회로(30)는 음의 인덕터 전류(IL)에 의해 기생 커패시터(COSS1)가 방전되어 전력 스위치(Q1)의 양단 전압이 영전압이 되는 영전압 지연 시간을 산출할 수 있다. 구체적으로, 스위치 제어 회로(30)는 전력 스위치(Q1)의 온 기간 및 오프 기간을 이용하여 영전압 지연 시간을 산출할 수 있다.
영전압 지연 시간 동안 음의 방향(도 1에 도시된 인덕터 전류의 화살표 방향과 반대 방향)으로 흐르는 인덕터 전류(IL)는 증가하고, 동기 스위치(Q2)의 턴 오프 시점부터 음의 인덕터 전류(IL)가 감소하여 영전류에 도달한다.
동기 스위치(Q2)의 턴 오프 시점 후에 음의 인덕터 전류(IL)가 흐르는 기간 중에 전력 스위치(Q1)를 턴 온 시키면 영전압 스위칭이 가능하다. 실시 예에 따른 스위치 제어 회로(30)는 영전압 지연 시간을 기초로 데드 타임을 산출한다. 그러면, 동기 스위치(Q2)의 턴 오프 시점 이후, 인덕터 전류(IL)가 영전류에 도달하는 시점 이전에 전력 스위치(Q1)가 턴 온 될 수 있다.
스위치 제어 회로(30)는 영전압 지연 시간만큼 동기 스위치(Q2)의 턴 오프 타임을 지연시킨다. 동기 스위치(Q2)의 턴 오프 타임 지연에 따라 전력 스위치(Q1)의 턴 온 타임도 지연된다. 그러면, 음의 인덕터 전류(IL)에 의해 기생 커패시터(COSS1)는 방전되어 전력 스위치(Q1)의 양단 전압이 영전압에 이를 수 있다. 이때 음의 인덕터 전류(IL)에 의해 기생 커패시터(COSS2)는 충전된다.
스위치 제어 회로(30)의 피드백 핀(FB) 및 감지 핀(CS) 각각을 통해 피드백 전압(VFB) 및 감지 전압(VCS)이 입력되고, 게이트 핀(G1, G2)을 통해 게이트 전압(VG1, VG2)이 출력된다. 스위치 제어 회로(30)의 보상핀(COMP)과 그라운드 사이에 커패시터(C1)가 연결되어 있고, 보상핀(COMP)과 그라운드 사이에 커패시터(C2) 및 저항(R3)이 직렬 연결되어 있다.
스위치 제어 회로(30)는 피드백 전압(VFB), 피드백 전압(VFB)에 대응하는 비교 전압(VCOMP), 및 감지 전압(VCS)을 이용하여, 전력 스위치(Q1) 및 동기 스위치(Q2)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 전압(VG1, VG2)을 생성한다.
도 2는 실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30)는 연산 증폭기(31), 비교기(32), 동기 제어부(33), 지연부(34), 두 개의 데드 타임부(35, 38), 두 개의 SR 플립플롭(36, 39), 두 개의 게이트 구동부(37, 40), 및 데드 타임 산출부(50)를 포함한다.
연산 증폭기(31)는 기준 전압(VR1)과 피드백 전압(VFB) 간의 차를 증폭하여 출력하고, 커패시터(C1, C2) 및 저항(R3)에 의해 연산 증폭기(31)의 출력에 대한 주파수 이득이 보상되어 비교 전압(VCOMP)이 생성된다.
동기 제어부(33)는 피크 전류 모드 제어 또는 전압 모드 제어 중 어느 하나에 따라 스위칭을 제어하기 위한 동기 신호(SYC)를 출력한다. 동기 신호(SYC)에 따라 전력 스위치(Q1)는 턴 오프 되고, 동기 스위치(Q2)는 턴 온 될 수 있다.
동기 제어부(33)는 피크 전류 모드 제어에 따라 비교 전압(VCOMP)과 감지 전압(VCS)을 비교한 결과에 기초하여 동기 신호(SYC)로 생성할 수 있다. 또는, 동기 제어부(33)는 전압 모드 제어에 따라 비교 전압(VCOMP)과 스위칭 주파수에 동기된 소정 신호를 비교한 결과에 기초하여 동기 신호(SYC)를 생성할 수 있다. 이때, 스위칭 주파수에 동기된 소정 신호는 전력 스위치(Q1)의 턴 온 시점부터 전력 스위치(Q1)의 스위칭 한 주기 동안 증가하는 톱니파형일 수 있다.
비교기(32)는 감지 전압(VCS)과 기준 전압(VR2)를 비교한 결과를 출력한다. 비교기(32)의 반전 단자(-)에 감지 전압(VCS)이 입력되고, 비반전 단자(+)에 기준 전압(VR2)이 입력된다. 비교기(32)는 비반전 단자(+)의 입력이 반전 단자(-) 이상일 때 하이 레벨을 출력하고, 그렇지 않은 경우 로우 레벨을 출력한다.
지연부(34)는 영전압 지연 시간(TZVS)만큼 비교기(32)의 출력을 지연시켜 출력한다. 영전압 지연 시간(TZVS)은 지연부(34) 내부에 설정되어 있을 수 있다.
데드 타임부(35)는 지연부(34)의 출력을 데드 타임(TADT(t))만큼 지연시켜 출력한다.
SR 플립플롭(36)은 셋단(S)의 입력에 따라 게이트 제어 신호(VC1)를 하이 레벨로 상승시키고, 리셋단(R)의 입력에 따라 게이트 제어 신호(VC1)를 로우 레벨로 하강시킨다. SR 플립플롭(36)의 셋단(S)으로 데드 타임부(35)의 출력이 입력되고, SR 플립플롭(36)의 리셋단(R)으로 동기제어부(33)의 출력이 입력되며, SR 플립플롭(36)의 출력단(Q)은 데드타임 산출부(50), 및 게이트 구동부(37)에 연결되어 있다.
게이트 구동부(37)는 게이트 제어 신호(VC1)에 따라 게이트 전압(VG1)을 생성한다. 예를 들어, 게이트 구동부(37)는 하이 레벨의 게이트 제어 신호(VC1)에 따라 하이 레벨의 게이트 전압(VG1)을 생성하고, 로우 레벨의 게이트 제어 신호(VC1)에 따라 로우 레벨의 게이트 전압(VG1)을 생성한다.
데드 타임부(38)는 동기 신호(SYC)를 소정의 데드 타임만큼 지연시켜 출력한다.
SR 플립플롭(39)은 셋단(S)의 입력에 따라 게이트 제어 신호(VC2)를 하이 레벨로 상승시키고, 리셋단(R)의 입력에 따라 게이트 제어 신호(VC2)를 로우 레벨로 하강시킨다. SR 플립플롭(39)의 셋단(S)으로 데드 타임부(38)의 출력이 입력되고, SR 플립플롭(39)의 리셋단(R)으로 지연부(34)의 출력이 입력되며, SR 플립플롭(39)의 출력단(Q)은 게이트 구동부(40)에 연결되어 있다.
게이트 구동부(40)는 게이트 제어 신호(VC2)에 따라 게이트 전압(VG2)을 생성한다. 예를 들어, 게이트 구동부(40)는 하이 레벨의 게이트 제어 신호(VC2)에 따라 하이 레벨의 게이트 전압(VG2)을 생성하고, 로우 레벨의 게이트 제어 신호(VC2)에 따라 로우 레벨의 게이트 전압(VG2)을 생성한다.
데드 타임 산출부(50)는 전력 스위치(Q1)의 온 기간과 오프 기간, 및 영전압 지연 시간(TZVS)에 기초하여 데드 타임(TADT(t))을 산출한다. 예를 들어, 온 기간(Ton(t))을 오프 기간(Toff(t))으로 나눈 결과를 영전압 지연 시간(TVZD)에 곱해 데드 타임(TADT(t))을 산출할 수 있다.
도 3은 실시 예에 따른 인덕터 전류를 나타낸 파형도이다.
도 3에서는 인덕터 전류(IL)가 영전류와 교차하는 시점 T0 직전에 전력 스위치(Q1)가 턴 온 되는 것으로 설명한다. 전력 스위치(Q1)의 온 기간(Ton(t)) 동안 인덕터 전류(IL)는 (Vin-VO)/L의 기울기로 증가한다. Vin은 입력 전압, VO는 출력 전압, 그리고 L은 인덕터(L)의 인덕턴스를 의미한다
전력 스위치(Q1)가 시점 T1에 오프되고, 동기 스위치(Q2)가 소정의 데드 타임 이후 턴 온 된다. 전력 스위치(Q1)의 오프 기간(Toff(t)) 동안 인덕터 전류(IL)는 VO/L의 기울기로 감소한다. 도 3에서 감소 기울기는 -VO/L로 도시되어 있다.
전력 스위치(Q1)의 온 기간 및 오프 기간은 시간에 따라 변할 수 있으므로, Ton(t) 및 Toff(t)로 나타낸다. 즉, Ton(t)는 전력 스위치(Q1)의 한 스위칭 주기에서 온 기간을 Toff(t)는 전력 스위치(Q1)의 한 스위칭 주기에서 오프 기간을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 빗금 "
Figure 112016063052377-pat00001
"으로 표시된 삼각형 A와 "
Figure 112016063052377-pat00002
"으로 표시된 삼각형 B는 실질적으로 서로 닮은 삼각형이다. 그러면, 온 기간(Ton(t))과 기간(T1-T2)의 비는 데드 타임(TADT(t))과 영전압 지연 시간(TVZD)의 비와 동일하다. 기간(T1-T2)는 오프 기간(Toff(t))에서 영전압 지연 시간(TZVS)을 뺀 기간으로 나타낼 수 있다. 이를 정리하면 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Ton(t):Toff(t)-TZVS(t)=TADT(t):TZVS(t)
데드 타임(TADT(t))에 관해 정리하면, 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112016063052377-pat00003
영전압 지연 시간(TVZD)은 오프 기간(Toff(t))에 비해 매우 짧은 기간이므로, Toff(t)-TZVS는 Toff(t)와 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서 수학식 2의 최우측 항목과 같이 나타낼 수 있다.
데드 타임 산출부(50)는 수학식 2에 기초하여 데드 타임(TADT(t))을 산출할 수 있다.
도 4는 실시 예에 따른 데드 타임 산출부를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 데드 타임 산출부(50)는 온 카운터(51), 오프 카운터(52), 곱셈기(53), 및 나눗셈기(54)를 포함한다.
온 카운터(51)는 게이트 제어 신호(VC1)를 이용하여 전력 스위치(Q1)의 온 기간을 카운트하고, 카운트 결과에 기초한 온 카운트 신호(TON)를 생성한다. 오프 카운터(52)는 게이트 제어 신호(VC1)를 이용하여 전력 스위치(Q1)의 오프 기간을 카운트하고, 카운트 결과에 기초한 오프 카운트 신호(TOFF)를 생성한다.
곱셈기(53)는 영전압 지연 시간(TZVS) 및 온 카운트 신호(TON)를 입력받고, 온 카운트 신호(TON)에 기초한 온 기간(Ton(t))과 영전압 지연 시간(TZVS)을 곱한 결과를 산출한다.
나눗셈기(54)는 곱셈기(53)로부터 곱한 결과를 입력 받고, 곱한 결과를 오프 카운트 신호(TOFF)에 기초한 오프 기간(Toff(t))으로 나누어 데드 타임(TADT(t))을 산출한다.
이와 같이, 데드 타임(TADT(t))은 오프 기간(Toff(t))을 온 기간(Ton(t))으로 나눈 결과에 의존하게 된다. 벅 컨버터(1)의 출력 전압(VO)이 일정하게 레귤레이트 될 때, 오프 기간(Toff(t))과 온 기간(Ton(t))의 비율은 입력 전압(Vin)에 따라 결정된다. 따라서 데드 타임(TADT(t))은 입력 전압(Vin)에 따라 변하게 된다.
영전압 지연 시간(TZVS)이 스위치 제어 회로(30)의 내부에 일정한 값으로 설정될 수 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 영전압 지연 시간(TZVS)은 스위치 제어 회로(30)의 외부 핀을 통해 일정한 값으로 설정될 수 있다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 나타낸 도면이다.
앞서 설명한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였고, 그 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30')는 영전압 지연 시간(TZVS)를 외부에서 설정하기 위한 핀(ZVS)을 더 포함한다. 저항(R4) 및 저항(R5)은 전압(V1)과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있고, 핀(ZVS)은 두 저항(R4, R5)이 연결되는 노드에 연결되어 있다.
그러면, 전압(V1)이 저항(R4)과 저항(R5)에 의해 분배되어 지연부(41)로 입력된다. 지연부(41)는 핀(ZVS)을 통해 입력되는 전압(aV1)에 기초한 영전압 지연 시간(TZVS)을 설정한다. 영전압 지연 시간(TZVS)은 데드 타임 산출부(50)에 입력된다.
데드 타임 산출부(50)는 앞서 설명한 실시 예와 동일하게 데드 타임(TADT(t))을 산출할 수 있다.
영전압 지연 시간(TZVS)은 일정한 값으로 스위치 제어 회로(30) 내부에 설정될 수도 있고, 스위치 제어 회로(30')의 외부로부터의 입력에 의해 설정될 수도 있다.
이와 달리, 영전압 지연 시간(TZVS(t))이 산출되고, 산출된 영전압 지연 시간(TZVS(t))에 기초하여 데드 타임(TADT(t))이 산출될 수도 있다.
영전압 지연 시간(TZVS(t))을 산출하는 일 예를 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 영전압 지연 시간(TZVS) 동안 인덕터 전류(IL)는 음의 방향으로 흐른다. 영전압 지연 시간(TZVS) 동안의 인덕터 전류(IL)를 Ineg(t)로 나타낸다. 영전압 지연 시간(TZVS)이 시간에 따라 변할 수 있으므로, "TZVS(t)"로 나타낸다.
영전압 지연 시간(TZVS(t))동안의 음의 인덕터 전류(Ineg(t))에 의해 전력 스위치(Q1)의 기생 커패시터(COSS1)에 충전된 전하는 방전되고, 동기 스위치(Q2)의 기생 커패시터(COSS2)는 충전된다.
ZVS를 위해서는 음의 인덕터 전류(IL)에 의한 에너지가 기생 커패시터(COSS1)의 방전 에너지 및 기생 커패시터(COSS2)의 충전 에너지의 합과 동일하도록 영전압 지연 시간(TZVS(t))이 설정될 필요가 있다. 만약, 영전압 지연 시간(TZVS(t))이 필요한 시간보다 짧으면 ZVS를 달성할 수 없고, 필요한 시간보다 길면 도통 손실이 발생할 수 있다.
피크 전류(IPK)가 음의 인덕터 전류(IL)보다 매우 크다는 전제하에, 음의 인덕터 전류(IL)에 의해 공급되는 에너지(
Figure 112016063052377-pat00004
/2)와 기생 커패시터(COSS1, COSS2) 각각의 방전 에너지(
Figure 112016063052377-pat00005
/2) 및 충전 에너지(
Figure 112016063052377-pat00006
/2) 사이의 관계를 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. COSS1 및 COSS2는 각 커패시터의 커패시턴스를 의미한다.
[수학식 3]
Figure 112016063052377-pat00007
VDS1(t)는 영전압 지연 시간(TZVS(t)) 동안의 기생 커패시터(COSS1)의 전압이고, VDS2(t)는 커패시터(COSS2)의 전압에 해당한다. 영전압 지연 시간(TZVS(t)) 동안, 기생 커패시터(COSS1)는 방전되어 입력 전압(Vin)에서 영전압으로 감소하고, 기생 커패시터(COSS2)는 충전되어 영전압에서 입력 전압(Vin)으로 증가하므로,
Figure 112016063052377-pat00008
및
Figure 112016063052377-pat00009
는 동일하게, 입력 전압(Vin)의 제곱으로 나타낼 수 있다. 그러면, 수학식 1에서 오른쪽 수식은 C*Vin2으로 나타낼 수 있고, C는 COSS1과 COSS2의 합이다.
영전압 지연 시간(TZVS(t)) 동안 Ineg(t)는 (VO/L)*TZVS(t)으로 나타낼 수 있다. 수학식 3에 이를 적용하여 정리하면 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112016063052377-pat00010
전력 스위치(Q1)의 온 기간(Ton(t))을 스위칭 주기로 나눈 듀티비(
Figure 112016063052377-pat00011
)는 출력 전압(VO)과 입력 전압(Vin)의 비(VO/Vin)에 따른다. 그러면, 입력 전압(Vin)은
Figure 112016063052377-pat00012
로 나타낼 수 있다. 이를 수학식 2에 대입하여 영전압 지연 시간(TZVS(t))을 기준으로 정리하면 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure 112016063052377-pat00013
LC 값은 인덕터(L)과 기생커패시터(COSS1, COSS2)에 의해 결정되는 고정 값이고,
Figure 112016063052377-pat00014
는 일정한 지연 기간(Td)을 의미한다. 따라서 영전압 지연 시간(TZVS(t))은 전력 스위치(Q1)의
Figure 112016063052377-pat00015
에 따라 결정된다. 또 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로는
Figure 112016063052377-pat00016
값을 산출하고, 설정된 지연 기간(Td)을 곱하여 영전압 지연 시간(TZVS(t))을 산출할 수 있다.
영전압 지연 시간(TZVS(t))의 산출 방식은 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식에 의해 산출될 수 있다.
수학식 5를 수학식 3에 대입하면, 데드 타임(TADT(t))은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112016063052377-pat00017
이와 같이, 또 다른 실시 예에 따른 데드 타임 산출부는 영전압 지연 시간에 대한 정보 없이, 수학식 6에 기초하여 지연 기간(Td), 온 기간(Ton(t)), 및 오프 기간(Toff(t))을 이용하여 데드 타임(TADT(t))을 산출할 수 있다. 또한, 온 기간(Ton(t))과 오프 기간(Toff(t))은 전력 스위치(Q1)의 스위칭 주기(Ts(t))에 해당하므로, 데드 타임(TADT(t))은 수학식 6의 최우측 항목과 같이 나타낼 수도 있다.
지연 시간(Td)에 대한 정보는 스위치 제어 회로 내부에 설정될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 외부 핀을 통해 입력되는 전압 값에 따라 설정될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 스위칭 제어 회로를 나타낸 도면이다.
앞서 설명한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였고, 그 설명은 생략한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30'')는 지연 시간(Td)를 외부에서 설정하기 위한 핀(LC)을 더 포함한다. 저항(R6) 및 저항(R7)은 전압(V2)과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있고, 핀(LC)은 두 저항(R6, R7)이 연결되는 노드에 연결되어 있다.
그러면, 전압(V2)이 저항(R6)과 저항(R7)에 의해 분배되어 데드 타임 산출부(60)로 입력된다. 데드 타임 산출부(60)는 핀(LC)을 통해 입력되는 전압(VTd)에 기초한 지연 시간(Td)을 설정하고, 온 기간(Ton(t)) 및 오프 기간(Toff(t))의 합(또는 스위칭 주기(Ts(t))을 오프 기간(Toff(t))으로 나누고, 설정된 지연 시간(Td)을 곱해 데드 타임(TADT(t))을 산출한다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 데드 타임 산출부를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 데드 타임 산출부(60)는 오프 카운터(61), 스위칭 주기 카운터(62), 곱셈기(63), 및 나눗셈기(64)를 포함한다.
오프 카운터(61)는 게이트 제어 신호(VC1)를 이용하여 전력 스위치(Q1)의 오프 기간을 카운트하고, 카운트 결과에 기초한 오프 카운트 신호(TOFF)를 생성한다. 스위칭 주기 카운터(62)는 게이트 제어 신호(VC1)를 이용하여 전력 스위치(Q1)의 스위칭 주기를 카운트하고, 카운트 결과에 기초한 스위칭 주기 카운트 신호(TS)를 생성한다.
곱셈기(63)는 지연 시간(Td) 및 스위칭 주기 카운트 신호(TS)를 입력받고, 스위칭 주기 카운트 신호(TS)에 기초한 스위칭 주기(Ts(t))와 지연 시간(Td)을 곱한 결과를 산출한다.
나눗셈기(64)는 곱셈기(63)로부터 곱한 결과를 입력 받고, 곱한 결과를 오프 카운트 신호(TOFF)에 기초한 오프 기간(Toff(t))으로 나누어 데드 타임(TADT(t))을 산출한다.
이와 같이, 데드 타임(TADT(t))은 스위칭 주기(Ts(t))를 오프 기간(Toff(t))으로 나눈 결과에 의존하게 된다. 벅 컨버터(1)의 출력 전압(VO)이 일정하게 레귤레이트 될 때, 스위칭 주기(Ts(t))와 오프 기간(Toff(t))의 비율은 입력 전압(Vin)에 따라 결정된다. 따라서 데드 타임(TADT(t))은 입력 전압(Vin)에 따라 변하게 된다.
수학식 5에 따르면, 영전압 지연 시간(TZVS(t))의 산출에 있어 지연 시간(Td)에 대한 정보가 필요하다. 따라서 지연 시간(Td)을 설정하기 위한 핀(LC)은 영전압 지연 시간(TZVS(t))을 산출하는 구성에 연결될 수 있다.
즉, 지연 시간(Td)이 영전압 지연 시간(TZVS(t))을 산출하는 구성으로부터 데드 타임 산출부로 전달될 수 있다.
도 8은 또 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 나타낸 도면이다.
앞서 설명한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였고, 그 설명은 생략한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30''')의 지연부(42)가 핀(LC)에 연결되어 있고, 핀(LC)로부터 입력되는 전압(VTd)에 기초하여 영전압 지연 시간(TZVS(t))을 산출할 수 있다.
그리고 지연부(42)로부터 데드 타임 산출부(60)의 곱셈기(63)로 지연 시간(Td)이 전달된다.
이와 같이 실시 예들에 따르면 영전압 지연 시간 및 입력 전압에 따라 변하는 데드 타임을 산출하여, 영전압 스위칭이 이뤄질 수 있다.
이상에서 복수의 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 벅 컨버터
30, 30', 30'', 30''': 스위치 제어 회로
50, 60: 데드 타임 산출부

Claims (20)

  1. 지시 신호를 수신하고, 영전압 지연 시간만큼 상기 지시 신호를 지연하여 턴 오프 신호를 생성하는 제1 지연부;
    산출된 데드 타임 신호의 값에 따라 상기 턴 오프 신호를 지연시켜 제1 턴 온 신호를 생성하는 제1 데드 타임 회로;
    상기 제1 턴 온 신호에 응답하여 제1 게이트 제어 신호를 턴 온 하는 제1 게이트 제어 회로;
    상기 턴 오프 신호에 응답하여 제2 게이트 제어 신호를 턴 오프 하는 제2 게이트 제어 회로;
    상기 제1 게이트 제어 신호의 오프 기간에 대응하는 값을 갖는 오프 기간 신호를 생성하기 위한 제1 카운터;
    상기 제1 게이트 제어 신호의 온 기간 또는 상기 제1 게이트 제어 신호의 주기 중 하나에 대응하는 값을 갖는 지속 시간 신호를 생성하기 위한 제2 카운터; 및
    상기 오프 기간 신호, 상기 지속 시간 신호, 및 지연 시간 값에 기초하여 상기 산출된 데드 타임 신호를 생성하도록 구성된 데드 타임 산출부를 포함하고,
    상기 지연 시간 값은 상기 영전압 지연 시간이거나, 상기 영전압 지연 시간과 다른 소정의 지연 시간 값인,
    스위치 제어 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데드 타임 산출부는,
    상기 지속 시간 신호의 값에 상기 지연 시간 값을 곱하여 곱 신호를 생성하고, 상기 곱 신호의 값을 상기 오프 기간 신호의 값으로 나누어 상기 산출된 데드 타임 신호를 생성하는,
    스위치 제어 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    동기 신호를 수신하여 소정의 데드 타임만큼 상기 동기 신호를 지연시켜 제2 턴 온 신호를 생성하는 제2 데드 타임 회로를 더 포함하고,
    상기 제1 게이트 제어 회로는 상기 동기 신호에 응답하여 상기 제1 게이트 제어 신호를 턴 오프하고, 상기 제 2 게이트 제어 회로는 상기 제2 턴 온 신호에 응답하여 상기 제2 게이트 제어 신호를 턴 온 하는,
    스위치 제어 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지연 시간 값이 상기 영전압 지연 시간일 때, 상기 제2 카운터는 상기 제1 게이트 제어의 온 시간에 대응하는 값을 갖는 상기 지속 시간 신호를 생성하고,
    상기 지연 시간 값이 상기 소정의 지연 시간 값일 때, 상기 제2 카운터는 상기 제1 게이트 제어 신호의 주기에 대응하는 값을 갖는 상기 지속 시간 신호를 생성하는,
    스위치 제어 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    검출 전압 신호를 기준 신호와 비교하여 상기 지시 신호를 생성하는 비교기 회로를 더 포함하는,
    스위치 제어 회로.

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