KR102253416B1 - 전류 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저전류 구동시 높은 선형 특성을 갖는 새로운 타입의 전류 구동회로에 관한 것으로,
입력 전압을 전류로 변환하는 전압 전류 변환부와, 상기 전압 전류 변환부의 출력단에 연결되어 인가되는 디지털 코드에 대응하는 전압을 생성하여 출력하는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)와, 제1전극이 부하에 연결되고 제2전극은 저항이 연결되는 노드에 연결되며 게이트에 인가되는 전압에 대응하여 상기 부하에 전류가 흐르도록 하는 전계 효과 트랜지스터와, 상기 디지털 아날로그 컨버터로부터 출력되는 전압과 상기 저항에 의해 형성된 전압을 각각 전달받아 상기 전계 효과 트랜지스터에서 전류가 흐르도록 단속하기 위한 전압을 생성해 상기 게이트에 인가하는 증폭기와, 상기 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하기 위해 필요한 전류를 상기 제1전극으로 공급하기 위한 전류 공급원과, 상기 전계 효과 트랜지스터가 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작할 경우 상기 전류 공급원을 활성화시켜 상기 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하도록 제어하는 제어부를 포함함을 특징으로 한다.

Description

전류 구동회로{CURRENT DRIVING CIRCUIT}

본 발명은 전류 구동회로에 관한 것으로, 특히 저전류 구동시 높은 선형 특성을 갖는 새로운 타입의 전류 구동회로에 관한 것이다.

전류구동 방식은 AF 드라이버, 백라이트 LED 구동 드라이버 ,LED 조명 구동 드라이버, 화이트 LED 구동 드라이버, 플래쉬(Flash) LED 구동 드라이버 및 각종 응용분야에 많이 사용되는 구동방식이다. 이러한 전류구동 방식의 중요한 스펙 중에는 선형성(Linearity)이 중요한 요소인데, 이는 원하는 입력 디지털 코드 대비 구동출력전류가 1차 선형적이어야 한다는 것이다.

이러한 선형성은 출력전류가 제로에 가까운 매우 저전류 구동의 경우에 특성이 안좋아지는데, 그 이유는 전류가 너무 적어서 구동하는 트랜지스터가 위크(weak)한 상태, 즉 거의 꺼져있는 상태(문턱전압 이하)에서 동작하기 때문에 특성의 저하를 가져온다.

보다 구체적으로, 도 1은 일반적인 전류 구동회로의 구조를 도시한 것인데, RDAC(Resistor D/A converter,30)에 인가되는 디지털 코드에 따라서 출력 전류가 결정되는 구조이다. 출력 전류가 매우 적을때는 전류 구동 트랜지스터(50)가 선형 영역에서 동작하게 되는데 증폭기(40)의 피드백 루프 특성이 많이 내려가게 된다. 이러한 경우 구동부의 피드백 루프 게인이 하락함으로써 선형성의 저하를 가져온다. 특히, 외부공정, 온도, 전원전압 변화에 따라 출력 전류가 변동되는 노이지(noisy)한 특성을 갖게 되어 전류 구동의 치명적인 약점으로 작용한다.

대한민국 공개특허공보 10-2011-0017491호

이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안한 발명으로서, 본 발명의 주요 목적은 저전류 구동시 높은 선형 특성을 가지는 전류 구동회로를 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 외부 공정 및 환경 변화에 민감하지 않은 높은 선형 특성을 가지는 전류 구동회로를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로는 밴드갭 레퍼런스(Band Gap Reference) 회로와, 상기 밴드갭 레퍼런스 회로로부터 출력되는 전압을 전류로 변환하는 전압 전류 변환부와, 상기 전압 전류 변환부의 출력단에 연결되어 인가되는 디지털 코드에 대응하는 전압을 생성하여 출력하는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)와, 제1전극이 부하에 연결되고 제2전극은 저항이 연결되는 노드에 연결되며 게이트에 인가되는 전압에 대응하여 상기 부하에 전류가 흐르도록 하는 전계 효과 트랜지스터와, 상기 디지털 아날로그 컨버터로부터 출력되는 전압과 상기 저항에 의해 형성된 전압을 각각 전달받아 상기 전계 효과 트랜지스터에서 전류가 흐르도록 단속하기 위한 전압을 생성해 상기 게이트에 인가하는 증폭기를 포함하는 전류 구동회로로서,

상기 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하기 위해 필요한 전류를 상기 제1전극으로 공급하기 위한 전류 공급원과,

상기 전계 효과 트랜지스터가 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작할 경우 상기 전류 공급원을 활성화시켜 상기 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하도록 제어하는 제어부를 더 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상술한 구성의 전류 구동회로에 있어서 상기 전류 공급원은,

입력되는 디지털 코드에 따라 스위칭되는 다수의 스위치들과,

공통 전원단과 상기 스위치 각각 사이에 연결되어 각 스위치의 스위칭 여부에 따라 전류를 공급하는 전력 스위칭 소자들을 포함하는 디지털 아날로그 컨버터임을 또 다른 특징으로 하며,

상기 제어부는 상기 전계 효과 트랜지스터가 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작할 경우 상기 전압 전류 변환부의 출력단에 연결된 디지털 아날로그 컨버터가 제한 설정된 최소 전압을 출력하도록 제어함을 또 다른 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로는 출력전류가 '0'에 가까운 저전류 구동시에도 높은 선형 특성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 공정 및 환경 변화에도 민감하지 않은 높은 선형 특성을 가지는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 전류 구동회로의 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로의 예시도.
도 3은 도 2에 도시한 2nd DAC의 회로 예시도.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시한 것으로서 도시된 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.

또한 본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 일반적인 전력 구동회로와 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로를 예시한 것이며, 도 3은 도 2에 도시한 2nd DAC(150)의 회로도를 예시한 것이다.

우선 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로는 도 2에 도시한 바와 같이,

안정적인 전압을 공급하기 위한 밴드갭 레퍼런스(BGR) 회로(100)와,

상기 밴드갭 레퍼런스(BGR) 회로(100)로부터 입력되는 전압을 전류로 변환하는 전압 전류 변환부(Voltage to Current)(110)와,

상기 전압 전류 변환부(110)의 출력단에 연결되어 후술하는 제어부(160)로부터 인가되는 디지털 코드에 대응하는 전압을 생성하여 출력하는 디지털 아날로그 컨버터(Resistor DAC:RDAC,120)와,

제1전극이 부하에 연결되고 제2전극은 저항(R)이 연결되는 노드에 연결되며 게이트에 인가되는 전압에 대응하여 상기 부하에 전류가 흐르도록 하는 전계 효과 트랜지스터(140)를 포함한다.

상기 전계 효과 트랜지스터(140)의 제1전극은 소스 전극이고, 제2전극은 드레인 전극으로서 게이트에 인가되는 전압에 대응하여 제1전극에서 제2전극으로 흐르는 전류를 제어한다.

상기 전계 효과 트랜지스터(140)의 게이트단에는 증폭기(130)가 연결되는데, 상술한 디지털 아날로그 컨버터(RDAC)(120)로부터 출력되는 전압과 상기 저항(R)에 의해 형성된 전압을 각각 비반전 단자(+)와 반전 단자(-)로 전달받아 상기 전계 효과 트랜지스터(140)에서 전류가 흐르도록 단속하기 위한 전압을 생성해 상기 게이트단에 인가한다.

참고적으로 상술한 구성들을 포함하는 일반적인 전류 구동회로에서 상기 반전 단자(-)로 피드백 되는 전압은 비반전 단자(+)로 입력되는 전압과 같은 전압으로 정의된다.

한편, 상술한 구성 외에 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로는 상기 전계 효과 트랜지스터(140)가 포화 영역에서 동작하기 위해 필요한 전류를 상기 제1전극으로 공급하기 위한 전류 공급원을 더 포함한다.

상기 전류 공급원은 도 3에 도시한 바와 같이 입력되는 디지털 코드(n비트의 2nd DAC 입력)에 따라 스위칭되는 다수의 스위치들(SW1, SW2, SW4, SW8, SW16)과,

공통 전원단(VDD)과 상기 스위치(SWn) 각각 사이에 연결되어 각 스위치의 스위칭 여부에 따라 전류를 공급하는 전력 스위칭 소자들(1,2,4,8,16)을 포함하는 디지털 아날로그 컨버터(DAC, 150)로 구현 가능하다. 이러한 디지털 아날로그 컨버터(DAC,150)는 앞서 설명한 RDAC(120)과 차별화하기 위해 2nd DAC으로 칭할 수도 있다.

도 3에 도시한 2nd DAC(150)의 전력 스위칭 소자들(1,2,4,8,16)은 binary weighted transistor로써 2배씩 증가된 사이즈를 표현하고 있으며 해상도 역시 공급하는 전류에 따라 가변될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 이러한 2nd DAC(150)은 후술하는 제어부(160)로부터 인가되는 혹은 사전 설정되어 활성화되는 디지털 코드에 따라 선택적으로 스위칭 온되는 스위치에 따라 원하는 전류를 전류 구동 트랜지스터에 해당하는 전계 효과 트랜지스터(140)의 제1전극으로 공급한다.

상술한 전류 공급원 외에 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로는 상기 전계 효과 트랜지스터(140)가 문턱 전압 보다 낮은 영역(sub-threshold)에서 동작할 경우 상기 전류 공급원인 2nd DAC(150)을 활성화시켜 상기 전계 효과 트랜지스터(140)가 포화 영역에서 동작하도록 제어하는 제어부(160)를 더 포함함을 특징으로 한다.

이러한 제어부(160)는 상기 전계 효과 트랜지스터(140)가 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작할 경우 상기 RDAC(120)이 제한 설정된 최소 전압을 출력하도록 제어함을 또 다른 특징으로 한다. 이는 전계 효과 트랜지스터(140)가 설정된 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작할 경우 제어부(160)가 RDAC(120)의 출력 전압이 더 낮아지지 않도록 제어한다는 것을 의미하는 것으로 해석하는 것이 바람직하다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로의 동작을 보다 구체적으로 부연 설명하기로 한다.

우선 도 2를 참조하면, 제어부(160)가 RDAC(120)으로 디지털 코드의 입력을 인가하면 그에 해당하는 아날로그 전압이 최종 드라이버단, 즉 전계 효과 트랜지스터(140)의 게이트에 인가되어 출력전류가 발생한다.

만약 출력전류가 매우 작다면 전계 효과 트랜지스터(140)가 선형(linear) 영역에서 동작 및 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작한다. 이러한 경우 증폭기(130)의 피드백 루프 특성이 내려가게 되고, 이로 인해 구동부의 피드백 루프 게인이 하락함으로써 선형성의 저하를 가져온다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로의 제어부(160)는 출력전류가 '0'에 가까운 저전류 구간 이외의 구간에서는 2nd DAC(150)으로부터 전류가 공급되지 않도록 비활성 상태를 유지한다.

만약 출력전류가 '0'에 가까운 저전류 구간, 즉 전계 효과 트랜지스터(140)가 문턱 전압 보다 낮은 영역(sub-threshold)에서 동작해야 할 경우 제어부(160)는 RDAC(120)의 출력을 더 이상 낮추지 않고(설정된 최소 전압으로 제한) 전계 효과 트랜지스터(140)가 리니어 영역이나 문턱전압 보다 낮은 영역에서 동작하는 것을 방지하기 위해 2nd DAC(150)을 활성화시켜 소스 전극으로 전류 공급이 이루어지도록 지원한다.

즉, 본 발명은 전류 구동회로의 출력전류가 '0'에 가까운 저전류 구간에서는 전계 효과 트랜지스터(140)가 포화 영역에서 동작할 수 있도록 서로 다른 DAC(120,150)을 통해 게이트단과 소스 전극 각각에 인가되는 전류 레벨을 트리밍하여 줌으로써, 전계 효과 트랜지스터(140)에 인가되는 전류를 감소시키지 않고서도 최종 출력전류는 낮은 전류로 출력할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로는 출력전류가 '0'에 가까운 저전류 구동시에도 높은 선형 특성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 공정 및 환경 변화에도 민감하지 않은 높은 선형 특성을 가지는 전류 구동회로(구동 드라이버 IC)를 설계할 수 있는 장점이 있다.

아울러 본 발명의 실시예에 따른 전류 구동회로는 백라이트 LED 구동 드라이버, 화이트 LED 구동 드라이버, 조명용 LED 구동 드라이버, 플래쉬 LED 구동 드라이버, 오토 포커스(양방향 개루프 AF, 폐루프 AF) 구동 드라이버 IC 등과 같은 전류 구동 드라이버 방식에 폭 넓게 적용할 수 있는 장점도 있다.

이상에서는 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 사람이라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에서는 2nd DAC(150)을 활성화시켜 설정된 레벨의 전류가 소스 전극으로 공급되는 것을 설명하였으나, 필요한 전류으 공급이 이루어질 수 있는 n비트의 디지털 코드를 2nd DAC(150)으로 인가하는 방식으로 구현할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (3)

1. 입력 전압을 전류로 변환하는 전압 전류 변환부와, 상기 전압 전류 변환부의 출력단에 연결되어 인가되는 디지털 코드에 대응하는 전압을 생성하여 출력하는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)와, 제1전극이 부하에 연결되고 제2전극은 저항이 연결되는 노드에 연결되며 게이트에 인가되는 전압에 대응하여 상기 부하에 전류가 흐르도록 하는 전계 효과 트랜지스터와, 상기 디지털 아날로그 컨버터로부터 출력되는 전압과 상기 저항에 의해 형성된 전압을 각각 전달받아 상기 전계 효과 트랜지스터에서 전류가 흐르도록 단속하기 위한 전압을 생성해 상기 게이트에 인가하는 증폭기를 포함하는 전류 구동회로에 있어서,
   상기 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하기 위해 필요한 전류를 상기 제1전극으로 공급하기 위한 전류 공급원과;
   상기 전계 효과 트랜지스터가 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작할 경우 상기 전류 공급원을 활성화시켜 상기 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하도록 제어하는 제어부;를 포함함을 특징으로 하는 전류 구동회로.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전류 공급원은,
   입력되는 디지털 코드에 따라 스위칭되는 다수의 스위치들과;
   공통 전원단과 상기 스위치 각각 사이에 연결되어 각 스위치의 스위칭 여부에 따라 전류를 공급하는 전력 스위칭 소자들을 포함하는 디지털 아날로그 컨버터;를 포함함을 특징으로 하는 전류 구동회로.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 전계 효과 트랜지스터가 문턱 전압 보다 낮은 영역에서 동작할 경우 상기 디지털 아날로그 컨버터가 제한 설정된 최소 전압을 출력하도록 제어함을 특징으로 하는 전류 구동회로.

Images