KR102388940B1 - 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법 - Google Patents

전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로는, 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors); 및 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압 및 제2 전압이 교번하여 인가되고, 상기 인가된 제1 전압 또는 제2 전압을 출력 전압으로 변환하여 제공하는 벅 컨버터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 출력단은 선택적으로 상기 벅 컨버터의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 밖의 다양한 실시예들이 가능하다.

Description

전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법{Voltage converter circuit, electronic device including the same and method for voltage conversion}
본 발명의 다양한 실시예는, 인덕턴스 및 스위칭 손실을 최소화하고, 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있는 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법에 관한 것이다.
전자 장치는 필요한 전압을 얻기 위하여 입력 전압을 상이한 값의 출력 전압으로 전환하는 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 배터리의 전압을 다른 구성 요소에서 활용하기 위한 전압으로 전압을 강하하는 회로를 포함할 수 있다.
전압을 변환하는 회로의 예로, 스위치드 캐패시터(switched capacitor) 및 벅 컨버터(buck converter) 등이 사용되고 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터의 경우 캐패시터에서 캐패시터로 직접적으로 에너지를 전달하는 방식을 사용한다. 다만, 스위치드 캐패시터의 경우, 정해진 최적점에서의 효율은 좋으나 출력 전압의 제어가 어려우며 큰 스위칭 리플을 가지는 단점이 있다. 또한, 벅 컨버터의 경우 안정적인 제어가 가능한 면은 있으나 수동 소자(예를 들어, 인덕터)의 구성으로 인하여 회로의 규모가 커지고, 입출력 전압 차이에 따른 스위칭 손실이 발생하여 효율이 떨어질 수 있는 단점이 있었다.
본 발명의 다양한 실시예들은, 회로의 전력 손실을 감소시키면서, 출력 전압의 제어가 용이하며 전압 변환 효율을 개선한 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로는, 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors); 및 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압 및 제2 전압이 교번하여 인가되고, 상기 인가된 제1 전압 또는 제2 전압을 출력 전압으로 변환하여 제공하는 벅 컨버터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 출력단은 선택적으로 상기 벅 컨버터의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치는, 제1 전압을 생성하도록 설정된 제1 스위치드 캐패시터(switched capacitor), 제2 전압을 생성하도록 설정된 제2 스위치드 캐패시터, 및 상기 제1 스위치드 캐패시터 및 상기 제2 스위치드 캐패시터와 전기적으로 연결되어 있는 컨버터(converter)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 컨버터는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 이용하여 상기 컨버터의 출력 전압을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 서로 다른 전압 변환 비를 가지는 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors) 및 벅 컨버터(buck converter)를 포함하는 전압 변환 회로의 전압 변환 방법은, 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각에 의해, 입력 전압을 다른 값의 전압으로 변환하는 동작; 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압 및 제2 전압을 교번하여 상기 벅 컨버터에 인가하는 동작; 및 벅 컨버터에 의해, 상기 인가된 제1 전압 또는 제2 전압을 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압으로 변환하여 출력하는 동작을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법에 따르면, 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터를 최적의 효율 지점에서 동작시켜 효율적인 전압 변환이 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예에 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법에 따르면, 회로의 인덕턴스를 감소시켜 회로의 크기를 감소시키고 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법에 따르면, 입출력 전압에 따른 피드백을 제공하여 안정적이고 효율적인 전압 변환이 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예에 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법에 따르면, 전압 변환 효율을 증가시키면서 출력 전압을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 전압 변환 회로, 이를 포함하는 전자 장치 및 전압 변환 방법에 따르면, 스위치 양단에 걸리는 전압을 감소시켜 스위칭 손실을 감소시키고 낮은 내압 스위치를 사용할 수 있으며, 고속 스위칭을 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로에서의 출력 전류 및 전압 값을 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 인덕턴스 및 전력 손실을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 방법의 순서도이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 문서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다. 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는, 예를 들면, 스마트폰, 태블릿 PC, 이동 전화기, 영상 전화기, 전자책 리더기, 데스크탑 PC, 랩탑 PC, 넷북 컴퓨터, 워크스테이션, 서버, PDA, PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 의료기기, 카메라, 또는 웨어러블 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 웨어러블 장치는 액세서리형(예: 시계, 반지, 팔찌, 발찌, 목걸이, 안경, 콘택트 렌즈, 또는 머리 착용형 장치(head-mounted-device(HMD)), 직물 또는 의류 일체형(예: 전자 의복), 신체 부착형(예: 스킨 패드 또는 문신), 또는 생체 이식형 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 전자 장치는, 예를 들면, 텔레비전, DVD(digital video disk) 플레이어, 오디오, 냉장고, 에어컨, 청소기, 오븐, 전자레인지, 세탁기, 공기 청정기, 셋톱 박스, 홈 오토매이션 컨트롤 패널, 보안 컨트롤 패널, 미디어 박스(예: 삼성 HomeSyncTM, 애플TVTM, 또는 구글 TVTM), 게임 콘솔(예: XboxTM, PlayStationTM), 전자 사전, 전자 키, 캠코더, 또는 전자 액자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 전자 장치는, 각종 의료기기(예: 각종 휴대용 의료측정기기(혈당 측정기, 심박 측정기, 혈압 측정기, 또는 체온 측정기 등), MRA(magnetic resonance angiography), MRI(magnetic resonance imaging), CT(computed tomography), 촬영기, 또는 초음파기 등), 네비게이션 장치, 위성 항법 시스템(GNSS(global navigation satellite system)), EDR(event data recorder), FDR(flight data recorder), 자동차 인포테인먼트 장치, 선박용 전자 장비(예: 선박용 항법 장치, 자이로 콤파스 등), 항공 전자기기(avionics), 보안 기기, 차량용 헤드 유닛(head unit), 산업용 또는 가정용 로봇, 드론(drone), 금융 기관의 ATM, 상점의 POS(point of sales), 또는 사물 인터넷 장치 (예: 전구, 각종 센서, 스프링클러 장치, 화재 경보기, 온도조절기, 가로등, 토스터, 운동기구, 온수탱크, 히터, 보일러 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 전자 장치는 가구, 건물/구조물 또는 자동차의 일부, 전자 보드(electronic board), 전자 사인 수신 장치(electronic signature receiving device), 프로젝터, 또는 각종 계측 기기(예: 수도, 전기, 가스, 또는 전파 계측 기기 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전자 장치는 플렉서블하거나, 또는 전술한 다양한 장치들 중 둘 이상의 조합일 수 있다. 본 문서의 실시예에 따른 전자 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않는다. 본 문서에서, 사용자라는 용어는 전자 장치를 사용하는 사람 또는 전자 장치를 사용하는 장치(예: 인공지능 전자 장치)를 지칭할 수 있다.
도 1은 다양한 실시예에 따른 전자 장치(101)의 블록도이다. 전자 장치(101)는 하나 이상의 프로세서(예: AP)(110), 통신 모듈(120), (가입자 식별 모듈(124), 메모리(130), 센서 모듈(140), 입력 장치(150), 디스플레이(160), 인터페이스(170), 오디오 모듈(180), 카메라 모듈(191), 전력 관리 모듈(195), 배터리(196), 인디케이터(197), 및 모터(198) 를 포함할 수 있다. 프로세서(110)는, 예를 들면, 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 프로세서(110)에 연결된 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 프로세서(110)는, 예를 들면, SoC(system on chip) 로 구현될 수 있다. 한 실시예에 따르면, 프로세서(110)는 GPU(graphic processing unit) 및/또는 이미지 신호 프로세서를 더 포함할 수 있다. 프로세서(110)는 도 2에 도시된 구성요소들 중 적어도 일부(예: 셀룰러 모듈(121))를 포함할 수도 있다. 프로세서(110) 는 다른 구성요소들(예: 비휘발성 메모리) 중 적어도 하나로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리에 로드)하여 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다.
통신 모듈(120)은, 예를 들면, 셀룰러 모듈(121), WiFi 모듈(123), 블루투스 모듈(125), GNSS 모듈(127), NFC 모듈(128) 및 RF 모듈(129)를 포함할 수 있다. 셀룰러 모듈(121)은, 예를 들면, 통신망을 통해서 음성 통화, 영상 통화, 문자 서비스, 또는 인터넷 서비스 등을 제공할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 셀룰러 모듈(121)은 가입자 식별 모듈(예: SIM 카드)(124)을 이용하여 통신 네트워크 내에서 전자 장치(101)의 구별 및 인증을 수행할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 셀룰러 모듈(121)은 프로세서(110)가 제공할 수 있는 기능 중 적어도 일부 기능을 수행할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 셀룰러 모듈(121)은 커뮤니케이션 프로세서(CP)를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 셀룰러 모듈(121), WiFi 모듈(123), 블루투스 모듈(125), GNSS 모듈(127) 또는 NFC 모듈(128) 중 적어도 일부(예: 두 개 이상)는 하나의 integrated chip(IC) 또는 IC 패키지 내에 포함될 수 있다. RF 모듈(129)은, 예를 들면, 통신 신호(예: RF 신호)를 송수신할 수 있다. RF 모듈(129)은, 예를 들면, 트랜시버, PAM(power amp module), 주파수 필터, LNA(low noise amplifier), 또는 안테나 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 셀룰러 모듈(121), WiFi 모듈(123), 블루투스 모듈(125), GNSS 모듈(127) 또는 NFC 모듈(128) 중 적어도 하나는 별개의 RF 모듈을 통하여 RF 신호를 송수신할 수 있다. 가입자 식별 모듈(124)은, 예를 들면, 가입자 식별 모듈을 포함하는 카드 또는 임베디드 SIM을 포함할 수 있으며, 고유한 식별 정보(예: ICCID(integrated circuit card identifier)) 또는 가입자 정보(예: IMSI(international mobile subscriber identity))를 포함할 수 있다.
메모리(130)는, 예를 들면, 내장 메모리(132) 또는 외장 메모리(134)를 포함할 수 있다. 내장 메모리(132)는, 예를 들면, 휘발성 메모리(예: DRAM, SRAM, 또는 SDRAM 등), 비휘발성 메모리(예: OTPROM(one time programmable ROM), PROM, EPROM, EEPROM, mask ROM, flash ROM, 플래시 메모리, 하드 드라이브, 또는 솔리드 스테이트 드라이브 (SSD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 외장 메모리(134)는 플래시 드라이브(flash drive), 예를 들면, CF(compact flash), SD(secure digital), Micro-SD, Mini-SD, xD(extreme digital), MMC(multi-media card) 또는 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 외장 메모리(134)는 다양한 인터페이스를 통하여 전자 장치(101)와 기능적으로 또는 물리적으로 연결될 수 있다.
센서 모듈(140)은, 예를 들면, 물리량을 계측하거나 전자 장치(101)의 작동 상태를 감지하여, 계측 또는 감지된 정보를 전기 신호로 변환할 수 있다. 센서 모듈(140)은, 예를 들면, 제스처 센서(140A), 자이로 센서(140B), 기압 센서(140C), 마그네틱 센서(140D), 가속도 센서(140E), 그립 센서(140F), 근접 센서(140G), 컬러(color) 센서(140H)(예: RGB(red, green, blue) 센서), 생체 센서(140I), 온/습도 센서(140J), 조도 센서(140K), 또는 UV(ultra violet) 센서(140M) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대체적으로, 센서 모듈(140)은, 예를 들면, 후각(e-nose) 센서, 일렉트로마이오그라피(EMG) 센서, 일렉트로엔씨팔로그램(EEG) 센서, 일렉트로카디오그램(ECG) 센서, IR(infrared) 센서, 홍채 센서 및/또는 지문 센서를 포함할 수 있다. 센서 모듈(140)은 그 안에 속한 적어도 하나 이상의 센서들을 제어하기 위한 제어 회로를 더 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 전자 장치(101)는 프로세서(110)의 일부로서 또는 별도로, 센서 모듈(140)을 제어하도록 구성된 프로세서를 더 포함하여, 프로세서(110)가 슬립(sleep) 상태에 있는 동안, 센서 모듈(140)을 제어할 수 있다.
입력 장치(150)는, 예를 들면, 터치 패널(152), (디지털) 펜 센서(154), 키(156), 또는 초음파 입력 장치(158)를 포함할 수 있다. 터치 패널(152)은, 예를 들면, 정전식, 감압식, 적외선 방식, 또는 초음파 방식 중 적어도 하나의 방식을 사용할 수 있다. 또한, 터치 패널(152)은 제어 회로를 더 포함할 수도 있다. 터치 패널(152)은 택타일 레이어(tactile layer)를 더 포함하여, 사용자에게 촉각 반응을 제공할 수 있다. (디지털) 펜 센서(154)는, 예를 들면, 터치 패널의 일부이거나, 별도의 인식용 쉬트를 포함할 수 있다. 키(156)는, 예를 들면, 물리적인 버튼, 광학식 키, 또는 키패드를 포함할 수 있다. 초음파 입력 장치(158)는 마이크(예: 마이크(188))를 통해, 입력 도구에서 발생된 초음파를 감지하여, 상기 감지된 초음파에 대응하는 데이터를 확인할 수 있다.
디스플레이(160)는 패널(162), 홀로그램 장치(164), 프로젝터(166), 및/또는 이들을 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 패널(162)은, 예를 들면, 유연하게, 투명하게, 또는 착용할 수 있게 구현될 수 있다. 패널(162)은 터치 패널(152)과 하나 이상의 모듈로 구성될 수 있다. 한 실시예에 따르면, 패널(162)은 사용자의 터치에 대한 압력의 세기를 측정할 수 있는 압력 센서(또는 포스 센서)를 포함할 수 있다. 상기 압력 센서는 터치 패널(152)과 일체형으로 구현되거나, 또는 터치 패널(152)과는 별도의 하나 이상의 센서로 구현될 수 있다. 홀로그램 장치(164)는 빛의 간섭을 이용하여 입체 영상을 허공에 보여줄 수 있다. 프로젝터(166)는 스크린에 빛을 투사하여 영상을 표시할 수 있다. 스크린은, 예를 들면, 전자 장치(101)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 인터페이스(170)는, 예를 들면, HDMI(172), USB(174), 광 인터페이스(optical interface)(176), 또는 D-sub(D-subminiature)(178)를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대체적으로, 인터페이스(170)는, 예를 들면, MHL(mobile high-definition link) 인터페이스, SD카드/MMC(multi-media card) 인터페이스, 또는 IrDA(infrared data association) 규격 인터페이스를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(180)은, 예를 들면, 소리와 전기 신호를 쌍방향으로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(180)은, 예를 들면, 스피커(182), 리시버(184), 이어폰(186), 또는 마이크(188) 등을 통해 입력 또는 출력되는 소리 정보를 처리할 수 있다. 카메라 모듈(191)은, 예를 들면, 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있는 장치로서, 한 실시예에 따르면, 하나 이상의 이미지 센서(예: 전면 센서 또는 후면 센서), 렌즈, 이미지 시그널 프로세서(ISP), 또는 플래시(예: LED 또는 xenon lamp 등)를 포함할 수 있다.
전력 관리 모듈(195)은, 예를 들면, 전자 장치(101)의 전력을 관리할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 전력 관리 모듈(195)은 PMIC(power management integrated circuit), 충전 IC, 또는 배터리 또는 연료 게이지를 포함할 수 있다. PMIC는, 유선 및/또는 무선 충전 방식을 가질 수 있다. 무선 충전 방식은, 예를 들면, 자기공명 방식, 자기유도 방식 또는 전자기파 방식 등을 포함하며, 무선 충전을 위한 부가적인 회로, 예를 들면, 코일 루프, 공진 회로, 또는 정류기 등을 더 포함할 수 있다. 배터리 게이지는, 예를 들면, 배터리(196)의 잔량, 충전 중 전압, 전류, 또는 온도를 측정할 수 있다. 배터리(196)는, 예를 들면, 충전식 전지 및/또는 태양 전지를 포함할 수 있다.
인디케이터(197)는 전자 장치(101) 또는 그 일부(예: 프로세서(110))의 특정 상태, 예를 들면, 부팅 상태, 메시지 상태 또는 충전 상태 등을 표시할 수 있다. 모터(198)는 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환할 수 있고, 진동, 또는 햅틱 효과 등을 발생시킬 수 있다. 전자 장치(101)는, 예를 들면, DMB(digital multimedia broadcasting), DVB(digital video broadcasting), 또는 미디어플로(mediaFloTM) 등의 규격에 따른 미디어 데이터를 처리할 수 있는 모바일 TV 지원 장치(예: GPU)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자 장치(100)(예를 들어, 전력 관리 모듈(195))는 전압 변환 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors); 및 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압 및 제2 전압이 교번하여 인가되고, 상기 인가된 제1 전압 또는 제2 전압을 출력 전압으로 변환하여 제공하는 벅 컨버터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 출력단은 선택적으로 상기 벅 컨버터의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면,상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각은 서로 다른 전압 전환 비(voltage conversion ratio)를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 전압 중 하나는 상기 벅 컨버터의 하이 사이드 입력(high side input)으로 제공되고, 나머지 하나는 상기 벅 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)으로 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각은, 인가되는 입력 전압을 기준 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내의 전압으로 변환하여 출력하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 두 개의 스위치드 캐패시터는, 상기 입력 전압을 기준 출력 전압보다 큰 상기 제1 전압으로 변환하여 출력하는 제1 스위치드 캐패시터; 및 상기 입력 전압을 상기 기준 출력 전압보다 작은 상기 제2 전압으로 변환하여 출력하는 제2 스위치드 캐패시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전압 변환 회로는 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중에서 상기 벅 컨버터에 인가되는 전압을 출력하는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 피드백 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 피드백 컨트롤러는 상기 복수의 스위치드 캐패시터들에 인가되는 입력 전압을 측정하고, 상기 입력 전압 및 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 전압 변환 비에 기초하여 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 피드백 컨트롤러는, 상기 입력 전압 및 상기 전압 변환 비에 기초하여,상기 입력 전압을 기준 출력 전압보다 큰 전압으로 변환하여 출력하는 스위치드 캐패시터 중에서 상기 기준 출력 전압과 가장 근소한 차이를 가지는 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택하고, 상기 입력 전압을 상기 기준 출력 전압보다 작은 전압으로 변환하여 출력하는 스위치드 캐패시터 중에서 상기 기준 출력 전압과 가장 근소한 차이를 가지는 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 피드백 컨트롤러는 출력 전압을 측정하고, 상기 출력 전압 및 기준 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 피드백 컨트롤러는 상기 복수의 스위치드 캐패시터들에 인가되는 입력 전압을 측정하고, 상기 입력 전압 및 전압 변환 비에 따라 기 설정된 테이블(table)에 기초하여 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 피드백 컨트롤러의 동작은, 프로세서(110), PMIC, 또는 충전 IC에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 충전 변환 회로는 전자 장치의 다양한 충전 회로에 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자 장치는 제1 전압을 생성하도록 설정된 제1 스위치드 캐패시터(switched capacitor); 제2 전압을 생성하도록 설정된 제2 스위치드 캐패시터; 및 상기 제1 스위치드 캐패시터 및 상기 제2 스위치드 캐패시터와 전기적으로 연결되어 있는 컨버터(converter)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 컨버터는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 이용하여 상기 컨버터의 출력 전압을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 컨버터는 벅 컨버터(buck converter)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전압은 상기 제2 전압의 크기보다 크도록 설정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전압은 상기 벅 컨버터의 하이 사이드 입력(high side input)으로 제공되고, 상기 제2 전압은 상기 벅 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)으로 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자 장치는 제3 전압을 생성하도록 설정된 제3 스위치드 캐패시터; 및 상기 제1 스위치드 캐패시터, 상기 제2 스위치드 캐패시터, 및 상기 제3 스위치드 캐패시터에 인가되는 입력 전압, 상기 출력 전압, 및 상기 제1 전압 내지 상기 제3 전압에 기반하여 상기 컨버터에 전압을 제공하는 스위치드 캐패시터를 선택하는 피드백 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
본 문서에서 기술된 구성요소들 각각은 하나 또는 그 이상의 부품(component)으로 구성될 수 있으며, 해당 구성요소의 명칭은 전자 장치의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 다양한 실시예에서, 전자 장치는 일부 구성요소가 생략되거나, 추가적인 구성요소를 더 포함하거나, 또는, 구성요소들 중 일부가 결합되어 하나의 개체로 구성되되, 결합 이전의 해당 구성요소들의 기능을 동일하게 수행할 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로를 도시한다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 회로는 전원 입력부(210), 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors)(220) 및 벅 컨버터(buck converter)(230)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전원 입력부(210), 복수의 스위치드 캐패시터들(220) 및 벅 컨버터(230)는 순차적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전원 입력부(210)에는 복수의 스위치드 캐패시터들(220)이 연결될 수 있다. 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 벅 컨버터(230)와 연결될 수 있다. 벅 컨버터(230)의 출력단에는 부하(load)(RO)가 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전원 입력부(210)는 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)에 입력 전압을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전원 입력부(210)는 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2)에 입력 전압을 공급(인가)할 수 있다. 예를 들어, 전원 입력부(210)는 전원(211)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전원(211)은 전자 장치의 배터리를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)에는 입력 전압이 인가될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 입력 전압을 변환한 전압(V1, V2)을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 서로 다른 전압 변환 비(voltage conversion ratio)를 가질 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 복수의 캐패시터들을 포함할 수 있으며, 구성에 따라 최적의 효율을 가지는 전압 변환 비가 설정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 전압 변환 비에 따라 입력 전압을 강하(drop)하여 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 동일한 입력 전압이 인가되고, 각각의 전압 변환 비에 따라 서로 상이한 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치드 캐패시터(SC1)는 2:1의 전압 변환 비를 가지고, 제2 스위치드 캐패시터(SC2)는 3:1의 전압 변환 비를 가질 수 있다. 이 경우, 입력 전압이 5V라면, 제1 스위치드 캐패시터(SC1)는 2.5V의 제1 전압(V1)을 출력하고, 제2 스위치드 캐패시터(SC2)는 5/3V(약 1.67V)의 제2 전압(V2)을 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)이 출력하는 전압(V1, V2)은 접지(ground)보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 양의 값을 가지는 입력 전압을 각각의 전압 변환 비에 따라 강하하여 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)을 각각 출력하기에, 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)은 접지보다 큰 값을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2) 각각이 출력하는 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)은 기 설정된 기준 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내일 수 있다. 예를 들어, 기준 출력 전압은 시스템(예를 들어, 전자 장치)가 요구하는 전압 변환 회로의 출력 전압 값일 수 있다. 예를 들어, 전자 장치가 요구하는 기준 출력 전압이 1V인 경우, 제1 스위치드 캐패시터(SC1)가 출력하는 제1 전압(V1)은 1.3V이고, 제2 스위치드 캐패시터(SC2)가 출력하는 제2 전압(V2)은 0.7V일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2)는 설정된 기준 출력 전압에 따라 기준 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내의 전압을 출력할 수 있는 전압 변환 비를 가지도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2) 중 하나는 설정된 기준 출력 전압보다 큰 제1 전압(V1)을 출력하고, 나머지 하나는 설정된 기준 출력 전압보다 작은 제2 전압(V2)을 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치드 캐패시터(SC1)는 기준 출력 전압보다 큰 값의 제1 전압(V1)을 벅 컨버터(230)의 하이 사이드 입력(high side input)으로 제공(인가)하고, 제2 스위치드 캐패시터(SC2)는 기준 출력 전압보다 작은 값의 제2 전압(V2)을 벅 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)으로 제공(인가)하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)의 출력단에는 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)이 출력하는 전압(V1, V2)을 유지하기 위한 캐패시터(C1, C2)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치드 캐패시터(SC1)의 출력단에는 제1 캐패시터(C1)가 연결되고, 제2 스위치드 캐패시터(SC2)의 출력단에는 제2 캐패시터(C2)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 캐패시터(C1)는 제1 스위치드 캐패시터(SC1)가 출력하는 제1 전압(V1)을 유지하고, 제2 캐패시터(C2)는 제2 스위치드 캐패시터(SC2)가 출력하는 제2 전압(V2)을 유지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(230)는 복수 개의 스위치 소자(QB, D), 인덕터(LO), 및 캐패시터(CO)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(230)는 트랜지스터 스위치(QB) 및 다이오드(D)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(230)의 캐패시터(CO) 단에는 부하(RO)(load)가 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(230) 및 벅 컨버터(260)는 스위치드 캐패시터 각각(SC1. SC2)으로부터 교번하여 인가되는 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)을 VB에 공급 받아 LC 필터를 통해 출력 전압(VO)으로 변환하여 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(230)는 설정된 기준 출력 전압에 따라 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)을 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압(VO)으로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(230)는 시스템(예를 들어, 전자 장치)이 원하는 기준 출력 전압(또는, 기준 입출력 전압 비)이 설정되어 있는 경우, 인가된 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)을 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압(Vo)으로 변환하여 제공할 수 있다. 예를 들어, 설정된 기준 출력 전압이 1.5V인 경우, 벅 컨버터(230)는 교번하여 입력단(VB 지점)에 수신한 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)을 LC 필터(LO, CO)를 거쳐 1.5V의 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(230)는 두 개의 스위치드 캐패시터들(SC1. SC2)로부터 교번하여 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(230)에는 제1 스위치드 캐패시터(SC1)가 출력하는 제1 전압(V1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2)가 출력하는 제2 전압(V2)이 교번하여 인가될 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)이 출력하는 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)은 벅 컨버터(230)의 LC 필터(Lo, Co)의 입력단 전압(VB)이 될 수 있다. 벅 컨버터(230)의 경우, LC 필터(Lo, Co)의 입력단 전압(VB)과 출력단 전압(VO)의 차이가 작을수록 인덕턴스를 감소시키고, 인덕터(LO)의 크기를 감소시킬 수 있다. 예를 들어 입력단 전압(VB)과 출력단 전압(VO)의 차이가 작으면 동일한 리플 스펙을 만족하는 인덕턴스가 감소되고 인덕터(LO)의 크기를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(230)의 LC 필터의 입력단 전압(VB)와 출력단 전압(VO)의 차이가 작을수록 벅 컨버터(230)의 스위치(QB, D) 에서 발생하는 스위칭 손실을 감소시키고 고속 스위칭이 가능해질 수 있다. 고속 스위칭을 하는 경우 추가적으로 인덕턴스를 저감 시킬 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들(220)이 접지 이상의 기준 출력 전압과 근소한 차이를 갖는 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)을 벅 컨버터(230)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단 전압(VB)에 교번하여 인가함으로써, 인덕터(LO)를 감소시키고 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 설정된 기준 출력 전압이 1V인 경우, 제1 스위치드 캐패시터(SC1)로부터 수신하는 제1 전압(V1)이 1.3V, 제2 스위치드 캐패시터(SC2)로부터 수신하는 제2 전압(V2)이 0.7V가 될 수 있다. 이 경우, 벅 컨버터(230)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단 및 출력단의 전압 차이는 대략
Figure 112017048710855-pat00001
0.3V가 될 수 있다. 반면, 예를 들어, 벅 컨버터가 단일의 스위치드 캐패시터와 직렬로 연결된 경우(또는, 일반적인 단일의 벅 컨버터의 경우), 벅 컨버터의 입력단에는 입력 전압 또는 단일의 스위치드 캐패시터가 출력하는 전압과 접지 전압(즉, 0V)이 교번하여 인가될 수 있다. 예를 들어, 접지 전압이 벅 컨버터(230)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단 전압(VB)이 되는 경우 벅 컨버터(230)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단과 출력단 사이의 전압 차는 1V가 될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)이 벅 컨버터(230)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단에 교번하여 인가됨으로써, 벅 컨버터(230)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단과 출력단 사이의 전압 차를 감소시키고 인덕턴스를 감소시킬 수 있다. 또한 벅 컨버터(230)의 스위치에 인가되는 전압이 저감되어 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 회로는 전원 입력부(240), 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors)(250) 및 벅 컨버터(buck converter)(260)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전원 입력부(240), 복수의 스위치드 캐패시터들(250) 및 벅 컨버터(260)는 순차적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전원 입력부(240)에는 복수의 스위치드 캐패시터들(250)이 연결될 수 있다. 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 벅 컨버터(260)와 연결될 수 있다. 벅 컨버터(260)의 출력단에는 부하(load)(RO)가 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전원 입력부(240)는 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)에 입력 전압을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전원 입력부(240)는 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2)에 입력 전압을 공급(인가)할 수 있다. 예를 들어, 전원 입력부(240)는 전원(211)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전원(211)은 전자 장치의 배터리를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)에는 입력 전압이 인가될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 입력 전압을 변환한 전압(V1, V2)을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 서로 다른 전압 변환 비(voltage conversion ratio)를 가질 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 복수의 캐패시터들을 포함할 수 있으며, 구성에 따라 최적의 효율을 가지는 전압 변환 비가 설정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 전압 변환 비에 따라 입력 전압을 강하(drop)하여 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)은 동일한 입력 전압이 인가되고, 각각의 전압 변환 비에 따라 서로 상이한 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)이 출력하는 전압(V1, V2)은 접지(ground)보다 큰 값을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2) 각각이 출력하는 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)은 기 설정된 기준 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내일 수 있다. 예를 들어, 기준 출력 전압은 시스템(예를 들어, 전자 장치)가 요구하는 전압 변환 회로의 출력 전압 값일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2)는 설정된 기준 출력 전압에 따라 기준 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내의 전압을 출력할 수 있는 전압 변환 비를 가지도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터(SC1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2) 중 하나는 설정된 기준 출력 전압보다 큰 제1 전압(V1)을 출력하고, 나머지 하나는 설정된 기준 출력 전압보다 작은 제2 전압(V2)을 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치드 캐패시터(SC1)는 기준 출력 전압보다 큰 값의 제1 전압(V1)을 벅 컨버터(230)의 하이 사이드 입력(high side input)으로 제공(인가)하고, 제2 스위치드 캐패시터(SC2)는 기준 출력 전압보다 작은 값의 제2 전압(V2)을 벅 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)으로 제공(인가)하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)의 출력단에는 별도의 출력단 캐패시터(예를 들어, 도 2a의 C1, C2)가 생략될 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)에 포함된 캐패시터가 도 2a의 스위치드 캐패시터들(SC1, SC2)의 출력단 캐패시터(C1, C2)의 역할(기능)을 대체할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(260)는 복수 개의 스위치 소자(Q1, Q2), 인덕터(LO), 및 캐패시터(CO)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(260)는 복수 개의 트랜지스터 스위치(Q1, Q2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 벅 컨버터(230)의 스위치 소자(QB , D)는 각각 트랜지스터 스위치(Q1, Q2)로 대체하여 벅 컨버터(260)과 같이 구성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(260)의 캐패시터(CO) 단에는 부하(RO)(load)가 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(260)는 스위치드 캐패시터 각각(SC1. SC2)으로부터 교번하여 인가되는 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)을 VB에 공급 받아 LC 필터를 통해 출력 전압(VO)으로 변환하여 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(260)는 설정된 기준 출력 전압에 따라 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)을 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압(VO)으로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(260)는 시스템이 원하는 기준 출력 전압(또는, 기준 입출력 전압 비)이 설정되어 있는 경우, 인가된 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)을 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압(Vo)으로 변환하여 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(260)는 두 개의 스위치드 캐패시터들(SC1. SC2)로부터 교번하여 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(260)에는 제1 스위치드 캐패시터(SC1)가 출력하는 제1 전압(V1) 및 제2 스위치드 캐패시터(SC2)가 출력하는 제2 전압(V2)이 교번하여 인가될 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(SC1, SC2)이 출력하는 제1 전압(V1) 또는 제2 전압(V2)은 벅 컨버터(260)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단 전압(VB)이 될 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(260)의 경우, LC 필터(LO, CO)의 입력단 전압(VB)과 출력단 전압(VO)의 차이가 작을수록 인덕턴스를 감소시키고, 인덕터(LO)의 크기를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터(260)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단 전압(VB)와 출력단 전압(VO)의 차이가 작을수록 벅 컨버터(260) 및 벅 컨버터(260)의 스위치(Q1, Q2)에서 발생하는 스위칭 손실을 감소시키고 고속 스위칭이 가능해질 수 있다. 예를 들어, 고속 스위칭을 하는 경우 추가적으로 벅 컨버터(260)의 인덕턴스를 저감 시킬 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들(250)이 접지 이상의 기준 출력 전압과 근소한 차이를 갖는 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)을 벅 컨버터(260) 및 벅 컨버터(260)의 LC 필터(LO, CO)의 입력단 전압(VB)에 교번하여 인가함으로써, 인덕터(LO)를 감소시키고 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 단일의 스위치드 캐패시터와 벅 컨버터(230, 260)를 단순히 직렬 연결하거나, 단일의 스위치드 캐패시터 내의 복수의 캐패시터들로부터 다양한 전압을 출력하려는 경우 다수의 스위치 소자가 필요하거나, 스위치드 캐패시터와 벅 컨버터를 동기화시켜 동작시킬 필요가 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터와 벅 컨버터는 서로 상이한 최적의 효율점을 가지나, 스위치드 캐패시터와 벅 컨버터의 동작을 동기화시킬 경우 적어도 둘 중 하나의 효율이 하락하고 전체 전압 변환 효율이 떨어질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 두 개의 스위치드 캐패시터들(SC1, SC2) 및 벅 컨버터(230, 260)를 이용하여 순차적으로 전압을 변환함에 따라, 상대적으로 적은 수의 스위치로 전압 변환 회로를 구성할 수 있으며, 스위치드 캐패시터들(SC1, SC2) 및 벅 컨버터(230, 260) 간의 스위칭 동기를 맞출 필요 없이, 각각의 스위치드 캐패시터들(SC1, SC2) 및 벅 컨버터(230, 260)가 독립적으로 최적의 효율점(예를 들어, 최적의 스위칭 주파수)에서 동작하여 전체적인 전압 변환 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 회로는 전원 입력단(301), 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors)(310)(예: 제1 스위치드 캐패시터(311), 제2 스위치드 캐패시터(312),…, 제n 스위치드 캐패시터(31n)), 컨버터(320) 및 피드백 컨트롤러(370)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 컨버터(320)는 벅 컨버터(buck converter)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전원 입력단(301), 복수의 스위치드 캐패시터들(310)(예: 제1 스위치드 캐패시터(311), 제2 스위치드 캐패시터(312),…, 제n 스위치드 캐패시터(31n)) 및 벅 컨버터(320)는 순차적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전원 입력단(301)에는 복수의 스위치드 캐패시터들(310)이 각각 연결될 수 있다. 스위치드 캐패시터들 각각은 컨버터(예: 벅 컨버터)(320)와 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 컨버터(320)는 복수의 스위치 소자들(S1, S2, …, Sn) 및 LC 회로(325)(예를 들어, LC 필터)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(320)의 출력단에는 부하(load)(330)가 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 벅 컨버터(320)의 출력단, 전원 입력단(301), 또는 스위칭 소자들(S1, S2, …, Sn)에 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전원 입력단(301)은 복수의 스위치드 캐패시터들 (310)(예: 제1 스위치드 캐패시터(311), 제2 스위치드 캐패시터(312),…, 제n 스위치드 캐패시터(31n))에 입력 전압(VIN)을 인가할 수 있다. 예를 들어, 전원 입력단(301)은 전자 장치의 배터리와 연결될 수 있다. 예를 들어, 전원 입력단(301)은 전자 장치의 배터리로부터 공급되는 입력 전압(VIN)을 복수의 스위치드 캐패시터들(310)에 전달할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)에는 입력 전압(VIN)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)에는 전원 입력단(301)을 통하여 입력 전압(VIN)(예를 들어, 배터리의 출력 전압(VO))이 인가될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)은 입력 전압(VIN)을 변환하여 다른 값의 전압을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)은 서로 다른 전압 변환 비(voltage conversion ratio)를 가질 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)은 복수의 캐패시터들을 포함할 수 있으며, 구성에 따라 최적의 효율을 가지는 전압 변환 비가 설정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)에는 동일한 입력 전압(VIN)이 인가될 수 있으며, 각각의 전압 변환 비에 따라 서로 상이한 전압을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)이 변환하는 전압은 접지(ground)보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)이 출력하는 전압은 스위칭 소자들(S1, S2, …, Sn)의 연결에 따라 벅 컨버터(320)의 입력단의 전압(즉, LC회로(325)의 입력단의 전압)(VB)으로 인가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 복수의 스위치드 캐패시터들(310) 중에서 벅 컨버터(320)에 전압을 인가하는 두 개의 스위치드 캐패시터를 선택할 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러(370)는 벅 컨버터(320)에 교번하여 전압을 인가할 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로에서 최종적으로 요구되는 기준 출력 전압이 설정된 경우, 피드백 컨트롤러(370)는 벅 컨버터(320) 양단에 걸리는 전압 차이(예를 들어, VB와 VO의 전압 차이)가 최소가 될 수 있도록 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 입력 전압(VIN)을 측정할 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러(370)는 전원 입력단(301)의 전압을 측정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 입력 전압(VIN) 및 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)의 전압 변환 비에 기초하여 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 입력 전압(VIN) 및 상기 전압 변환 비에 기초하여, 설정된 기준 출력 전압(또는, 출력 전압(VO))보다 큰 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 중에서 상기 기준 출력 전압(또는, 출력 전압(VO))과 가장 근소한 차이를 가지는 1차 변환 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택하고, 기준 출력 전압(또는, 출력 전압(VO))보다 작은 1차 변환 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 중에서 기준 출력 전압(또는, 출력 전압(VO))과 가장 근소한 차이를 가지는 1차 변환 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택할 수 있다. 예를 들어, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)은 전압 변환 비에 따라 서로 상이한 1차 변환 전압을 출력할 수 있다. 피드백 컨트롤러(370)는 입력 전압(VIN) 및 전압 변환 비에 기초하여, 기준 출력 전압과 근소한 차이를 가지는 1차 변환 전압을 출력하는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하여 벅 컨버터(320) 양단에 걸리는 전압 차이를 최소화할 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러(370)는 기준 출력 전압(또는, 출력 전압(VO))으로부터 설정된 범위 이내의 전압을 출력하는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 입력 전압(VIN) 및 전압 변환 비에 따라 기 설정된 테이블(table)에 기초하여 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 테이블은 복수의 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)에 대한 최적 효율점에서의 전압 변환 비의 정보를 매핑한 테이블일 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러(370)는 기 설정된 테이블에 기반하여, 입력 전압(VIN)에 대한 각 스위치드 캐패시터들(311, 312, …, 31n)이 출력하는 1차 변환 전압을 판단할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)은 최적의 효율점에서 고정된 전압 변환 비에 인가되는 입력 전압을 변환하여 다른 값의 전압을 출력할 수 있다. 피드백 컨트롤러(370)는 테이블에 기초하여 입력 전압(VIN)의 값에 따라 최적의 효율(예를 들어, 기준 출력 전압과 가장 근소한 차이의 전압을 출력할 수 있는 전압 변환 비)을 가지는 스위치드 캐패시터를 판단하고, 기준 출력 전압보다 큰 전압을 출력하는 1개의 스위치드 캐패시터 및 기준 출력 전압보다 작은 전압을 출력하는 1개의 스위치드 캐패시터를 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는, 입력 전압(VIN) 및 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(311, 312, …, 31n)의 전압 변환 비에 기초하여, 설정된 조건에 따라 두 개의 스위치드 캐패시터들을 적응적으로 선택할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치드 캐패시터(311), 제2 스위치드 캐패시터(312), …, 제n 스위치드 캐패시터(31n) 각각의 전압 변환 비가 M(1), M(2), …, M(n)이고, 기준 출력 전압이 Vo_ref, 입력 전압(VIN)이 Vin인 경우를 가정하면, 피드백 컨트롤러(370)는 M(k)<(Vo_ref/Vin)< M(k+1) (k=1, 2, …, n-1) 의 조건을 만족하는 제k 스위치드 캐패시터 및 제k+1 스위치드 캐패시터를 선택할 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러(370)는 Vin*M(k) < Vo_ref < Vin*M(k+1)의 조건을 만족하는 제k 스위치드 캐패시터 및 제k+1 스위치드 캐패시터를 선택할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출력 기준 전압 Vo_ref는 실제 전압 변환 회로에서 전압 변환을 통하여 최종적으로 얻고자 하는 전압 값이므로, 피드백 컨트롤러(370)는 실제의 출력 전압(VO)을 측정하여 상기 조건에 따라 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 출력 전압(VO)을 측정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 출력 전압(VO) 및 기준 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 벅 컨버터(320)에 상기 1차 변환 전압을 제공하는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러(370)는 출력 전압(VO)이 기준 출력 전압(즉, 원하는 출력 전압)을 유지하는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러(370)는 출력 전압(VO)이 기준 출력 전압 또는 기준 출력 전압에서 일정한 오차 범위 이내를 유지하는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 선택된 스위치드 캐패시터가 적절하지 않은 경우, 출력 전압(VO)에 오차가 발생하여 출력 전압(VO)이 일정 값 이상으로 커지거나 작아질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 출력 전압(VO)의 변화 및 변화량에 따라 현재 선택된 스위치드 캐패시터들 중 적어도 하나의 연결을 끊고, 다른 스위치드 캐패시터를 선택하여 벅 컨버터(320)에 연결할 수 있다. 예를 들어, 출력 전압(VO)이 일정 값 이상 커지는 경우, 피드백 컨트롤러(370)는 현재 선택된 스위치드 캐패시터들보다 더 큰 전압 변환 비를 가지는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다. 예를 들어, 출력 전압(VO)이 일정 값 이상 작아지는 경우, 피드백 컨트롤러(370)는 현재 선택된 스위치드 캐패시터들보다 더 작은 전압 변환 비를 가지는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 부하의 변동을 감지할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 부하의 변동에 따라 벅 컨버터(320)에 연결할 스위치드 캐패시터를 선택할 수 있다. 예를 들어, 부하가 급격히 증가하는 경우, 현재 선택된 스위치드 캐패시터들보다 큰 전압 변환 비를 가지는 스위치드 캐패시터를 선택하여 벅 컨버터(320) 양단에 걸리는 전압(예를 들어, 인덕터 양단에 걸리는 전압)의 크기를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 부하가 감소하는 경우, 피드백 컨트롤러(370)는 현재 선택된 스위치드 캐패시터들보다 작은 전압 변환 비를 가지는 스위치드 캐패시터를 선택하여 벅 컨버터(320) 양단에 걸리는 전압을 감소시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피드백 컨트롤러(370)는 부하의 변동에 따라 벅 컨버터(320)에 연결되는 스위치드 캐패시터들을 적응적으로 선택하여 벅 컨버터(320)(예를 들어, 인덕터) 양단에 걸리는 전압을 조절하고 부하 변동에 빠르게 응답할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로에서의 출력 전류 및 전압 값을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로에 따르면, 복수의 스위치드 캐패시터들 및 벅 컨버터를 이용하여, 입력 전압을 원하는 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압으로 효율적으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 회로에서, 전압 변환 비가 2:1인 스위치드 캐패시터 및 전압 변환 비가 3:1인 스위치드 캐패시터를 벅 컨버터와 연결하고, 입력 전압을 3.7V, 출력 전압(기준 출력 전압)을 1.5V, 스위치드 캐패시터 각각이 벅 컨버터에 전달하는 전압을 1.8V 및 1.2V로 설정하여 인덕터 양 단의 전압이 약 0.3V인 경우의 출력 전압(VO)의 파형(410) 및 출력 전류(IO)의 파형(420)을 도시한다.
상기 조건을 적용하였을 경우, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로는 기본적으로 입력 전압 3.7V를 강하하여 출력 전압(VO) 1.5V를 제공할 수 있다. 출력 전류 그래프(420)를 참조하면, 10usec 부분에서 부하의 급격한 변동 상황을 시뮬레이션하기 위하여 출력 전류(IO)를 1A에서 0.5A로 급격히 감소시키고, 14usec 부분에서 다시 출력 전류(IO)를 1A로 급격히 증가시킨 상황을 도시한다.
상기 부하의 변동(출력 전류(IO)의 변동) 시에, 출력 전압(VO)을 살펴보면, 부하의 급격한 변동 시에 출력 전압(VO)에 리플이 발생할 수 있다. 단, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로는, 부하의 급격한 변동 시에도 출력 전압(VO)이 약 1.517V 내지 1.483V 정도에서 비교적 안정적으로 출력 전압(VO)을 유지할 수 있다. 예를 들어, 단일 벅 컨버터를 사용하는 경우, 벅 컨버터의 인덕턴스 및 인덕터 양단에 걸리는 전압이 상대적으로 컸기 때문에 부하의 변동에 따른 출력 전압(VO)의 리플 성분이 더 크게 발생할 수 있었다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 인덕턴스 성분 및 인덕터 양단에 걸리는 전압을 감소시킴으로써, 인덕턴스로 인한 전력 손실을 감소시키고, 출력 전압(VO)의 리플 성분을 감소시키고 출력 전압(VO)을 더 안정적으로 제어할 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 인덕턴스 및 전력 손실을 나타내는 그래프이다. 예를 들어, 도 5a는 아래의 표 1의 설계 값에 따른 인덕턴스 값을 도시한 그래프이고, 도 5b는 아래의 표 1의 설계 값에 따른 전력 손실 량을 도시한 그래프이다.
CASE 510 520 530 540
단일 벅 컨버터
(typ)		 단일 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터
(Series)		 두 개의 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터
(SCC)		 두 개의 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터
(SCC Lmin)
스위칭 주파수 1 MHz 1 MHz 1 MHz 3.8 MHz
* 공통 설계 사항
입력 전압(VIN)=3.7V, 출력 전압(VO)=1.5V, 출력 전류(IO)=1A,
MOSFET(Buck): FDME1024NZT, 출력 캐패시터(CO)=10uF, 출력 저항(RC)=10m Ohm,
출력 전압 리플(VO_pkpk): 1% of VO, 제1 스위치드 캐패시터의 출력 전압(VH)=1/2*VIN, 제2 스위치드 캐패시터의 출력 전압(VL)=1/3*VIN
일반적으로, 벅 컨버터(예를 들어, 상기 표1의 510(typ)의 경우)의 출력 전압 스위칭 리플은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112017048710855-pat00002
여기서,
Figure 112017048710855-pat00003
는 출력 전압,
Figure 112017048710855-pat00004
은 인덕터 전류,
Figure 112017048710855-pat00005
는 출력 캐패시터,
Figure 112017048710855-pat00006
는 스위칭 주기를 나타낸다. 또한,
Figure 112017048710855-pat00007
는 출력 전압
Figure 112017048710855-pat00008
의 리플이고,
Figure 112017048710855-pat00009
는 출력 캐패시터의 ESR((Equivalent series resistance)에 의한 출력 전압 리플 성분이고, 출력 캐패시터의 순수 캐패시터의 전압 리플 성분이다. 이 경우, 부하가 요구하는 최대 스위칭 리플 스펙을
Figure 112017048710855-pat00010
라 하면
Figure 112017048710855-pat00011
를 만족해야 한다.
일반적인 컨버터에서
Figure 112017048710855-pat00012
은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112017048710855-pat00013
여기서,
Figure 112017048710855-pat00014
은 인덕턴스를,
Figure 112017048710855-pat00015
는 벅 컨버터의 듀티 비(duty ratio)를 나타낸다. 예를 들어,
Figure 112017048710855-pat00016
는 벅 컨버터의 하이 사이드 스위치의 온-타임(on-time) 및 오프-타임(off-time)의 비를 나타낸다. 즉,
Figure 112017048710855-pat00017
는 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112017048710855-pat00018
상기 수학식 1 내지 3을 기반으로, 벅 컨버터의 인덕터의 최소 인덕턴스를 구하면 다음의 수학식 4와 같다.
Figure 112017048710855-pat00019
여기서, 동일한 출력 캐패시터를 사용한다는 가정 하에, 인덕턴스를 줄이기 위해서는
Figure 112017048710855-pat00020
를 축소시키는 방법, 즉, 스위칭 주파수를 높이는 방법이 유일하나 스위칭 손실을 고려한 한계치가 있을 수 있다.
예를 들어, MOSFET 소자를 이용하는 벅 컨버터(예를 들어, 상기 표 1의 510(typ)의 경우)의 스위칭 손실은 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112017048710855-pat00021
여기서,
Figure 112017048710855-pat00022
는 하이 사이드(high side) MOSFET의 출력 캐패시터이고,
Figure 112017048710855-pat00023
은 MOSFET 스위치가 도통되는데 걸리는 시간,
Figure 112017048710855-pat00024
는 MOSFET의 게이트(gate) 차지(charge) 용량,
Figure 112017048710855-pat00025
는 MOSFET의 게이트 구동 전압을 나타낸다. 예를 들어,
Figure 112017048710855-pat00026
,
Figure 112017048710855-pat00027
,
Figure 112017048710855-pat00028
,
Figure 112017048710855-pat00029
의 값들은 MOSFET 소자의 생산 시에 설계 사항 또는 설정 사항에 따라 정해질 수 있다. 예를 들어,
Figure 112017048710855-pat00030
,
Figure 112017048710855-pat00031
,
Figure 112017048710855-pat00032
,
Figure 112017048710855-pat00033
의 값들은 사용하는 MOSFET 소자에 따라 고정된 값을 가질 수 있다. 따라서, 동일한 전력 손실 수준을 유지하면서 스위칭 주파수
Figure 112017048710855-pat00034
를 높이기 위해서는 고성능의 소자를 사용하던가 또는
Figure 112017048710855-pat00035
을 낮추어야 한다.
이러한 관점에서 사용할 수 있는 방법이, 단일의 스위치드 캐패시터와 벅 컨버터를 직렬로 연결하여 사용하는 방법(예를 들어, 표 1의 520(Series)의 경우)이다.
520(Series)의 경우, 최소 인덕턴스는 상기 수학식 4에서
Figure 112017048710855-pat00036
을
Figure 112017048710855-pat00037
로 대체한 형태가 되고, 손실 전력은 상기 수학식 5에서
Figure 112017048710855-pat00038
을
Figure 112017048710855-pat00039
로 대체한 형태가 된다. 즉, 520(Series)의 경우, 최소 인덕턴스는 다음의 수학식 6과 같고, 전력 손실은 다음의 수학식 7과 같다.
Figure 112017048710855-pat00040
Figure 112017048710855-pat00041
여기서,
Figure 112017048710855-pat00042
는 벅 컨버터가 스위치 온 상태인 경우
Figure 112017048710855-pat00043
대신 인가되는 전압 (즉, 제1 스위치드 캐패시터의 출력 전압)을 나타낸다. 520의 경우, 벅 컨버터가 스위치 오프 상태인 경우에는, 일반적인 510(typ)의 벅 컨버터와 마찬가지로 벅 컨버터의 입력으로 접지 전압이 인가된다.
520(Series)의 경우, 최소 인덕턴스의 값은
Figure 112017048710855-pat00044
가 출력 전압
Figure 112017048710855-pat00045
에 근접할수록 작아질 수 있으나,
Figure 112017048710855-pat00046
가
Figure 112017048710855-pat00047
보다 작아지는 경우 정상적인 동작이 불가능해지므로, 회로를 구성하는 소자들의 오차 및 회로 도통 시의 전압 강하 등을 고려하여
Figure 112017048710855-pat00048
를 결정하여야 한다. 따라서, 실제 회로를 구성할 때에는 일정한 마진(margin)을 두고
Figure 112017048710855-pat00049
를 결정하여야 한다. 520(Series)의 경우,
Figure 112017048710855-pat00050
보다 작은 스위치드 캐패시터의 출력 전압
Figure 112017048710855-pat00051
를 벅 컨버터에 입력함으로써, 인덕턴스를 감소시키고, 전력 손실량을 줄일 수 있으나, 상기 언급한 바와 같이 실제로 회로를 구성함에 있어서는
Figure 112017048710855-pat00052
값을 낮추는데 제한이 있을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 두 개의 스위치드 캐패시터와 벅 컨버터를 연결하는 전압 변환 회로(예를 들어, 표 1의 530(SCC) 및 540(SCC Lmin)의 경우)의
Figure 112017048710855-pat00053
은 다음의 수학식 8과 같다.
Figure 112017048710855-pat00054
여기서, 듀티 비
Figure 112017048710855-pat00055
는 다음의 수학식 9과 같다.
Figure 112017048710855-pat00056
여기서,
Figure 112017048710855-pat00057
는 벅 컨버터가 스위치 온 상태인 경우
Figure 112017048710855-pat00058
대신 인가되는 전압,
Figure 112017048710855-pat00059
은 벅 컨버터가 스위치 오프 상태인 경우 접지(ground) 대신 인가되는 전압을 나타낸다. 즉,
Figure 112017048710855-pat00060
는 벅 컨버터에 입력되는 제1 스위치드 캐패시터의 출력 전압을 나타내고,
Figure 112017048710855-pat00061
은 벅 컨버터에 입력되는 제2 스위치드 캐패시터의 출력 전압을 나타낸다.
상기 수학식 5 내지 9를 기반으로, 두 개의 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터를 이용한 전압 변환 회로의 최소 인덕턴스
Figure 112017048710855-pat00062
과 스위칭 손실
Figure 112017048710855-pat00063
을 구하면 각각 다음의 수학식 10 및 수학식 11와 같이 구할 수 있다.
Figure 112017048710855-pat00064
Figure 112017048710855-pat00065
도 5a를 참조하면, 수학식 1 내지 11 및 표 1에 따라 각 방식 별 동일한 인덕터 전류 리플을 가지기 위한 최소의 인덕턴스 값이 도시되어 있다. 예를 들어, 동일한 동작 효과(출력 리플의 정도)를 얻기 위한 최소의 인덕턴스 값을 비교하면, 510(typ)의 경우 대략 119nH의 인덕턴스가 필요한데 비하여 520(Series)의 경우 대략 38nH의 인덕턴스가 필요하고, 530(SCC)의 경우 약 20nH의 인덕턴스가 필요하다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 2개의 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터를 이용한 전압 변환 회로의 경우 동일한 동작 효과를 얻기 위해서 필요한 인덕턴스 값을 510(typ)의 경우보다 16% 수준으로 확연하게 저감할 수 있다. 또한, 단일 스위치드 캐패시터와 벅 컨버터를 직렬 연결한 520(Series)의 경우보다도 필요한 인덕턴스 값을 저감시킬 수 있다.
도 5b를 참조하면, 동일한 조건에서 510(typ)의 경우 전력 손실이 약 110mW인데 반하여, 520(Series)의 경우 약 55mW의 전력 손실이 발생하고, 530(SCC)의 경우 약 17mW정도로 전력 손실도 확연하게 저감시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 2개의 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터를 포함하는 전압 변환 회로에 따르면, 상대적으로 작은 인덕턴스 값만으로도 전력 손실이 적은 고효율의 전압 변환이 가능하며, 필요한 인덕턴스 값이 감소함에 따라 인덕터 사용에 따른 회로의 크기 및 설계 비용을 저감시킬 수 있다.
일 실시예에 따라, 2개의 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터를 이용한 전압 변환 회로에서 스위칭 주파수를 높게 설정하는 경우(즉, 540(SCC Lmin)의 경우), 전력 손실이 증가하는 대신에 필요한 최소 인덕턴스 값을 더 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 도 5a 및 5b를 참조하면, 540(SCC Lmin)의 경우는, 520(Series)의 경우와 동일한 수준의 전력 손실이 발생할 때까지 스위칭 주파수를 증가시킨 경우를 도시한다. 예를 들어, 540은 530과 같은 두 개의 스위치드 캐패시터 및 벅 컨버터를 포함하는 전압 변환 회로에서 스위칭 주파수를 약 3.8배 증가시킨 경우를 나타낸다. 이 경우, 510의 경우보다 적고, 520과 유사한 전력 손실이 발생하게 되나 높은 스위칭 주파수로 인하여 필요한 최소 인덕턴스 값은 대략 5.3nH까지 더 저감시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 설정에 따라 전력 손실 및 필요한 인덕턴스를 저감시킬 수 있으며, 전력 손실 양 및 필요한 인덕턴스 값을 적절히 조절하여 필요한 상황에 맞게 설정된 고효율의 전압 변환 회로를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로는 다양한 전자 장치 및 전자 장치의 내부 모듈에 적용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 고속 충전 기능을 지원하는 전자 장치에 적용되어 고속 충전 시에 벅 컨버터의 스트레스(stress)를 저감시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 리튬 이온 배터리를 사용하는 전자 장치에 적용되어 고효율의 전압 변환을 제공하고, 인덕터(인덕턴스)를 저감시키고 고효율 고집적 시스템을 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 전자 장치의 PMIC 등에 적용되어 큰 감압비의 전압 강하 회로를 대체할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 가변하는 전원을 요구하는 동적 전압 및 주파수 스케일링(dynamic voltage frequency scaling, DVFS) 시스템에 적용될 수 있다.
예를 들어, DVFS 시스템에서, 전압 변환 회로는 복수의 스위치드 캐패시터 중에서 배터리의 전압에 대한 전압 변환 비(voltage conversion ratio, VCR)의 곱이 출력 전압보다 작은 스위치드 캐패시터와 배터리의 전압에 대한 전압 변환 비의 곱이 출력 전압보다 작은 스위치드 캐패시터를 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 전압 변환 회로는 전자 장치의 배터리로부터 공급 받는 입력 전압을 전자 장치의 프로세서(예를 들어, 어플리케이션 프로세서(application processor, AP))가 요구하는 출력 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
예를 들어, 도 6은, 전자 장치의 배터리의 전압이 3.3V에서 4.3V까지 가변하고, 프로세서의 요구 전압이 0.8V에서 1.2V인 경우에, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 전압 변환 비에 따른 출력 전압을 도시한다.
예를 들어, 전압 변환 회로가 각각 전압 변환 비가 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5인 스위치드 캐패시터들을 포함한다고 가정한다. 예를 들어, 배터리의 전압이 3.3V인 경우(610의 경우), 각 스위치드 캐패시터들은 각각의 전압 변환 비에 따라 0.55V, 0.66V, 0.825V, 1.1V, 1.32V를 출력할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전압이 3.7V인 경우(620의 경우), 각 스위치드 캐패시터들은 각각의 전압 변환 비에 따라 약 0.62V, 0.74V, 0.925V, 1.23V, 1.48V를 출력할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전압이 4.3V인 경우(630의 경우), 각 스위치드 캐패시터들은 각각의 전압 변환 비에 따라 약 0.72V, 0.86V, 1.075V, 1.43V, 1.72V를 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 배터리의 전압(즉, 입력 전압)과 프로세서가 요구하는 전압(즉, 출력 전압)을 고려하여 복수의 스위치드 캐패시터들 중에서 벅 컨버터에 연결할 두 개의 스위치드 캐패시터를 선택할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전압이 3.3V이고 프로세서가 요구하는 전압이 0.8V인 경우, 전압 변환 회로는 1/5 VCR을 갖는 스위치드 캐패시터와 1/4 VCR(또는, 마진(margin)을 고려하여 1/3 VCR)을 가지는 스위치드 캐패시터를 선택하여 벅 컨버터의 하이 사이드 입력(high side)과 로우 사이드 입력(low side input)에 연결할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전압이 4.3V이고 프로세서가 요구하는 전압이 1.2V인 경우, 전압 변환 회로는 1/4 VCR을 가지는 스위치드 캐패시터와 1/3 VCR을 가지는 스위치드 캐패시터를 선택하여 벅 컨버터의 하이 사이드 입력과 로우 사이드 입력에 연결할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 상황에 맞게 입력 전압 또는 출력 전압을 고려하여 적절한 스위치드 캐패시터를 선택하여 벅 컨버터에 연결함으로써, 적응적으로 높은 효율의 전압 변환을 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 복수의 스위치드 캐패시터들을 포함하나, 실질적으로 벅 컨버터(예를 들어, 인덕터) 양 단에 걸리는 전압을 감소시키고, 인덕턴스를 감소시킬 수 있기 때문에 집적 수준이 낮은 인덕터의 크기를 감소시키고 집적 수준이 높은 스위치드 캐패시터들을 복수 개 이용하여 실질적인 회로의 크기 증가 없이 고효율의 전압 변환 기능을 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로의 전압 변환 방법의 순서도이다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치는 제1 스위치드 캐패시터(switched capacitor)(예: 도 2a 및 2b의 SC1, 도 3의 311), 제2 스위치드 캐패시터(예: 도 2a 및 2b의 SC2, 도 3의 312), 및 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터 및 제2 스위치드 캐패시터는 컨버터와 전기적으로 연결될 수 있다.
710 동작에서, 제1 스위치드 캐패시터(예: 도 2a 및 2b의 SC1, 도 3의 311)는 제1 전압을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치드 캐패시터는 인가된 입력 전압을 변환하여 제1 전압을 생성할 수 있다. 제1 스위치드 캐패시터는 제1 전압을 컨버터에 인가할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터는 생성한 제1 전압을 컨버터의 하이 사이드 입력(high side input)으로 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 스위치드 캐패시터가 생성하는 제1 전압은 제2 스위치드 캐패시터가 생성하는 제2 전압의 크기보다 크도록 설정될 수 있다.
720 동작에서, 제2 스위치드 캐패시터(예: 도 2a 및 2b의 SC2, 도 3의 312)는 제2 전압을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제2 스위치드 캐패시터는 인가된 입력 전압을 변환하여 제2 전압을 생성할 수 있다. 제2 스위치드 캐패시터는 제2 전압을 컨버터에 인가할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제2 스위치드 캐패시터는 생성한 제2 전압을 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)으로 제공할 수 있다.
730 동작에서, 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)는 제1 전압 및 제2 전압을 이용하여 출력 전압을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 컨버터는 벅 컨버터(buck converter)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 컨버터는 제1 전압 및 제2 전압을 교번하여 수신할 수 있다. 예를 들어, 컨버터는 제1 전압 및 제2 전압을 각각 하이 사이드 입력 및 로우 사이드 입력으로 교번하여 수신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 컨버터는 교번하여 인가되는 제1 전압 및 제2 전압을 설정된 출력 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 전압 및 제2 전압은 설정된 출력 전압과 설정된 범위 내의 값을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 컨버터에 인가되는 제1 전압 또는 제2 전압과 컨버터의 출력 전압 사이의 차이가 감소됨으로써, 컨버터 내부의 인덕터(인덕턴스)의 크기를 감소시키고, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전압 변환 회로의 전압 변환 방법의 순서도이다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 서로 다른 전압 변환 비를 가지는 복수의 스위치드 캐패시터들(예: 도 2a의 220, 도 2b의 250, 도 3의 311, 312, …, 31n) 및 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)는 벅 컨버터(buck converter)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a의 220, 도 2b의 250, 도 3의 311, 312, …, 31n)이 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 선택적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전압 변환 회로는 입력 전압을 스위치드 캐패시터(예: 도 2a의 220, 도 2b의 250, 도 3의 311, 312, …, 31n) 및 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)를 이용하여 순차적으로 변환할 수 있다.
810 동작에서, 전압 변환 회로(예를 들어, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n)는 입력 전압을 다른 값의 전압으로 변환할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n)은 전원(예: 도 2a 및 2b의 211, 도 3의 VIN)으로부터 입력 전압을 공급 받을 수 있다. 예를 들어, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n)은 전자 장치의 배터리로부터 입력 전압을 공급 받을 수 있다. 예를 들어, 입력 전압은 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n)에 입력(인가)될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n)은 전압 변환 비에 따라 인가된 입력 전압을 변환하여 출력할 수 있다. 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n)이 출력하는 전압은 접지보다 큰 전압일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n)은 입력 전압을 설정된 기준 출력 전압 또는 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내의 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
820 동작에서, 전압 변환 회로는 복수의 스위치드 캐패시터들(예: 도 2a 및 2b의 SC1, SC2, 도 3의 311, 312, …, 31n) 중 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압 및 제2 전압을 교번하여 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 인가할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로는 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각으로부터 기준 출력 전압보다 큰 제1 전압 및 기준 출력 전압보다 작은 제2 전압을 교번하여 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 인가할 수 있다. 예를 들어, 기준 출력 전압은 최종적으로 전압 변환 회로를 통해 획득하려고 설정된 전압 값일 수 있다.
예를 들어, 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 중 하나는 기준 출력 전압보다 큰 제1 전압을 출력하고, 나머지 하나는 기준 출력 전압보다 작은 제2 전압을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 기준 출력 전압보다 큰 제1 전압은 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)(예를 들어, 벅 컨버터)의 하이 사이드 입력(high side input)으로 인가되고, 기준 출력 전압보다 작은 제2 전압은 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)에 인가될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 캐패시터들이 교번하여 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 기준 출력 전압보다 큰 제1 전압 및 기준 출력 전압보다 작은 제2 전압을 인가할 수 있다.
830 동작에서, 전압 변환 회로(예를 들어, 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320))는 두 개의 스위치드 캐패시터로부터 교번하여 인가된 제1 전압 및 제2 전압을 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압으로 변환하여 제공(출력)할 수 있다. 예를 들어, 기준 출력 전압은 최종적으로 전압 변환 회로가 출력하도록 설정된 전압일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전압 변환 방법은, 입력 전압을 측정하는 동작 및 입력 전압 및 복수의 스위치드 캐패시터들 각각(예: 도 3의 311, 312, …, 31n)의 전압 변환 비를 기초하여 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 인가될 전압을 출력하는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 동작을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전압 변환 회로(예를 들어, 피드백 컨트롤러(예: 도 3의 370))는 기준 출력 전압보다 큰 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터들 중에서 기준 출력 전압과 가장 근소한 차이를 가지는 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택하고, 기준 출력 전압보다 작은 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터들 중에서 기준 출력 전압과 가장 근소한 차이를 가지는 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택할 수 있다. 예를 들어, 전압 변환 회로(예를 들어, 피드백 컨트롤러(예: 도 3의 370))는, 기준 출력 전압보다 근소하게 큰 전압 및 기준 출력 전압보다 근소하게 작은 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터들을 각각 1개씩 선택하여, 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)(예를 들어, 벅 컨버터)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전압 변환 회로는 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 인가되는 전압을 제어함으로써, 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)의 양 단(예를 들어, 벅 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)의 입력단 및 출력단)에 걸리는 전압을 최소화하고, 손실 전력(예를 들어, 스위칭 손실)을 저감시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전압 변환 방법은, 출력 전압을 측정하는 동작 및 출력 전압 및 기준 출력 전압의 차이에 기초하여 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 인가될 전압을 출력하는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 동작을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전압 변환 회로(예를 들어, 피드백 컨트롤러(예: 도 3의 370))는 출력 전압의 변화 및 변화량에 따라 현재 선택된 스위치드 캐패시터들 중 적어도 하나의 연결을 끊고, 다른 스위치드 캐패시터를 선택하여 벅 컨버터(예: 도 2a의 230, 도 2b의 260, 도 3의 320)에 연결할 수 있다. 예를 들어, 출력 전압이 기준 출력 전압에 비하여 일정 값 이상 커지는 경우, 전압 변환 회로(예를 들어, 피드백 컨트롤러(예: 도 3의 370))는 현재 선택된 스위치드 캐패시터들보다 더 큰 전압 변환 비를 가지는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다. 예를 들어, 출력 전압이 기준 출력 전압에 비하여 일정 값 이상 작아지는 경우, 전압 변환 회로(예를 들어, 피드백 컨트롤러(예: 도 3의 370))는 현재 선택된 스위치드 캐패시터들보다 더 작은 전압 변환 비를 가지는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 전압 변환 방법의 동작들의 동작 순서는 상기 기재에 한정되지 않으며 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 동작들이 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 컨버터(예를 들어, 벅 컨버터)에 인가될 전압을 출력하는 두 개의 스위치드 캐패시터를 선택하는 동작은 810 동작 이전, 810 동작과 820 동작 사이, 820동작과 830동작 사이, 또는 830 동작 이후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 전압 변환 회로는 810 내지 830 동작 중에 지속적으로 또는 일정 주기에 따라 입력 전압 및 출력 전압을 측정할 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구성된 유닛을 포함하며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. "모듈"은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. "모듈"은 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있으며, 예를 들면, 어떤 동작들을 수행하는, 알려졌거나 앞으로 개발될, ASIC(application-specific integrated circuit) 칩, FPGAs(field-programmable gate arrays), 또는 프로그램 가능 논리 장치를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 장치(예: 모듈들 또는 그 기능들) 또는 방법(예: 동작들)의 적어도 일부는 프로그램 모듈의 형태로 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 명령어로 구현될 수 있다. 상기 명령어가 프로세서에 의해 실행될 경우, 프로세서가 상기 명령어에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는, 하드디스크, 플로피디스크, 마그네틱 매체(예: 자기테이프), 광기록 매체(예: CD-ROM, DVD, 자기-광 매체 (예: 플롭티컬 디스크), 내장 메모리 등을 포함할 수 있다. 명령어는 컴파일러에 의해 만들어지는 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 모듈 또는 프로그램 모듈은 전술한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하거나, 일부가 생략되거나, 또는 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른, 모듈, 프로그램 모듈 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.

Claims (20)

  1. 전압 변환 회로에 있어서,
    복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors);
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압 및 제2 전압이 교번하여 인가되고, 상기 인가된 제1 전압 또는 제2 전압을 출력 전압으로 변환하여 제공하는 벅 컨버터; 및
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중에서 상기 벅 컨버터에 인가되는 전압을 출력하는 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 피드백 컨트롤러를 포함하고,
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 출력단은 선택적으로 상기 벅 컨버터의 입력단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각은 서로 다른 전압 전환 비(voltage conversion ratio)를 가지는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 전압 중 하나는 상기 벅 컨버터의 하이 사이드 입력(high side input)으로 제공되고, 나머지 하나는 상기 벅 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)으로 제공되는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각은, 인가되는 입력 전압을 기준 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내의 전압으로 변환하여 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 두 개의 스위치드 캐패시터는,
    상기 입력 전압을 기준 출력 전압보다 큰 상기 제1 전압으로 변환하여 출력하는 제1 스위치드 캐패시터; 및
    상기 입력 전압을 상기 기준 출력 전압보다 작은 상기 제2 전압으로 변환하여 출력하는 제2 스위치드 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 컨트롤러는
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들에 인가되는 입력 전압을 측정하고,
    상기 입력 전압 및 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 전압 변환 비에 기초하여 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 피드백 컨트롤러는, 상기 입력 전압 및 상기 전압 변환 비에 기초하여,
    상기 입력 전압을 기준 출력 전압보다 큰 전압으로 변환하여 출력하는 스위치드 캐패시터 중에서 상기 기준 출력 전압과 가장 근소한 차이를 가지는 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택하고,
    상기 입력 전압을 상기 기준 출력 전압보다 작은 전압으로 변환하여 출력하는 스위치드 캐패시터 중에서 상기 기준 출력 전압과 가장 근소한 차이를 가지는 전압을 출력하는 스위치드 캐패시터 1개를 선택하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 컨트롤러는
    출력 전압을 측정하고,
    상기 출력 전압 및 기준 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 컨트롤러는
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들에 인가되는 입력 전압을 측정하고,
    상기 입력 전압 및 전압 변환 비에 따라 기 설정된 테이블(table)에 기초하여 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 회로.
  11. 전자 장치에 있어서,
    제1 전압을 생성하도록 설정된 제1 스위치드 캐패시터(switched capacitor);
    제2 전압을 생성하도록 설정된 제2 스위치드 캐패시터;
    상기 제1 스위치드 캐패시터 및 상기 제2 스위치드 캐패시터와 전기적으로 연결되어 있는 컨버터(converter); 및
    상기 제1 스위치드 캐패시터 및 상기 제2 스위치드 캐패시터 중에서 상기 컨버터에 인가되는 전압을 출력하는 상기 제1 스위치드 캐패시터 또는 상기 제2 스위치드 캐패시터를 선택하는 피드백 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨버터는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 이용하여 상기 컨버터의 출력 전압을 제어하도록 설정된 전자 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컨버터는 벅 컨버터(buck converter)를 포함하는 전자 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전압의 크기는 상기 제2 전압의 크기보다 크도록 설정된 전자 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전압은 상기 벅 컨버터의 하이 사이드 입력(high side input)으로 제공되고, 상기 제2 전압은 상기 벅 컨버터의 로우 사이드 입력(low side input)으로 제공되는 것을 특징으로 하는 전자 장치.

  15. 제11항에 있어서,
    제3 전압을 생성하도록 설정된 제3 스위치드 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 피드백 컨트롤러는,
    상기 제1 스위치드 캐패시터, 상기 제2 스위치드 캐패시터, 및 상기 제3 스위치드 캐패시터에 인가되는 입력 전압, 상기 출력 전압, 및 상기 제1 전압 내지 상기 제3 전압에 기반하여 상기 컨버터에 전압을 제공하는 스위치드 캐패시터를 선택하는, 전자 장치.

  16. 서로 다른 전압 변환 비를 가지는 복수의 스위치드 캐패시터들(switched capacitors) 및 벅 컨버터(buck converter)를 포함하는 전압 변환 회로의 전압 변환 방법에 있어서,
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각에 의해, 입력 전압을 다른 값의 전압으로 변환하는 동작;
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 중 선택된 두 개의 스위치드 캐패시터들 각각이 출력하는 제1 전압 및 제2 전압을 교번하여 상기 벅 컨버터에 인가하는 동작; 및
    벅 컨버터에 의해, 상기 인가된 제1 전압 또는 제2 전압을 기준 출력 전압에 대응하는 출력 전압으로 변환하여 출력하는 동작을 포함하고,
    출력 전압을 측정하는 동작; 및
    상기 출력 전압 및 상기 기준 출력 전압의 차이에 기초하여 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 동작을 더 포함하는 전압 변환 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다른 값의 전압으로 변환하는 동작은,
    상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각에 의해, 상기 입력 전압을 상기 기준 출력 전압으로부터 설정된 범위 이내의 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 전압 변환 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 전압은 기준 출력 전압보다 큰 전압이고, 상기 제2 전압은 상기 기준 출력 전압보다 작은 전압인 것을 특징으로 하는 전압 변환 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 입력 전압을 측정하는 동작; 및
    상기 입력 전압 및 상기 복수의 스위치드 캐패시터들 각각의 전압 변환 비를 기초하여 상기 두 개의 스위치드 캐패시터들을 선택하는 동작을 더 포함하는 전압 변환 방법.
  20. 삭제
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