KR102406348B1 - 벅-부스트 dc/dc 컨버터 - Google Patents

벅-부스트 dc/dc 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부스트컨버터로 작동하는 부스트전력단에 용량성소자 및 소정의 스위치를 연결시킴으로써 하나의 컨버터로 입력전압보다 높거나 낮은 출력전압을 모두 생성한다.

Description

벅-부스트 DC/DC 컨버터{BUCK-BOOST DC/DC CONVERTER}
본 발명은 전력을 변환하는 컨버터에 관한 것이다.
전력을 변환하는 컨버터 중 벅컨버터(buck converter)는 입력전압보다 출력전압을 낮춰서 출력하는 컨버터이다. 그리고, 전력을 변환하는 컨버터 중 부스트컨버터(boost converter)는 입력전압보다 출력전압을 높혀서 출력하는 컨버터이다. 각각의 컨버터는 어플리케이션에서의 입력전압과 출력전압의 비율에 따라 적절히 선택되어 사용될 수 있다.
그런데, 어플리케이션에 따라서는 입력전압과 출력전압의 비율이 고정적이지 않는 경우가 있다. 예를 들어, 주요하게는 입력전압이 출력전압보다 낮지만 경우에 따라서는 입력전압이 출력전압보다 높아지는 어플리케이션이 있을 수 있다.
2개의 셀로 구성되는 배터리를 사용하는 랩탑PC(Personal Computer)가 이러한 어플리케이션에 해당될 수 있다. 이러한 랩탑PC는 배터리의 충전상태에 따라 배터리 전압이 6V~8.4V으로 변동할 수 있다. 이러한 랩탑PC의 시스템에서 사용되는 전압이 8V인 경우, 입력전압은 주요하게는 출력전압보다 낮지만 배터리전압이 8V 이상에서는 입력전압이 출력전압보다 높아지게 된다.
이렇게 입력전압과 출력전압의 비율이 고정적이지 않는 어플리케이션에서는 벅컨버터 혹은 부스트컨버터만으로 시스템에 적합한 출력전압을 생성하기 어렵다. 적합한 출력전압을 생성하기 위해 어플리케이션에 벅컨버터와 부스트컨버터가 함께 구비될 수도 있으나 이 경우, 컨버터의 제조 비용이 증가하고 컨버터의 부피가 커지는 문제가 있다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 일 측면에서, 입력전압보다 높거나 낮은 출력전압을 모두 생성할 수 있는 컨버터 기술을 제공하는 것이다. 다른 측면에서, 본 발명의 목적은, 하나의 컨버터가 부스트컨버터로 작동하기도 하고 벅컨버터로 작동하기도 하는 기술을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 그라운드전압 혹은 출력전압을 제공할 수 있는 부스트전력단, 용량성소자의 일측으로 그라운드전압 혹은 입력전압을 제공하고 용량성소자의 타측 전압을 유도성소자의 타측으로 제공할 수 있는 벅전압제공부, 및 부스트모드에서 부스트전력단을 이용하여 출력전압을 입력전압보다 상승시켜 출력하고, 벅모드에서 벅전압제공부를 이용하여 출력전압을 입력전압보다 하강시켜 출력하는 제어부를 포함하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
이러한 DC/DC 컨버터에서, 용량성소자에는 출력전압으로부터 일정 범위 이내의 전압이 형성될 수 있다.
이러한 DC/DC 컨버터에서, 벅전압제공부는 용량성소자의 타측과 유도성소자의 타측을 연결하는 스위치를 더 포함할 수 있다. 그리고, 부스트모드에서 용량성소자의 일측에 그라운드전압이 제공될 수 있으며, 부스트모드에서 전술한 스위치가 턴온되면 유도성소자의 타측에 출력전압이 제공되고, 전술한 스위치가 턴오프되면 유도성소자의 타측에 그라운드전압이 제공될 수 있다.
이러한 DC/DC 컨버터에서, 용량성소자에는 출력전압이 형성될 수 있다. 그리고, 벅모드에서, 한 주기의 제1페이즈(phase)에서 유도성소자의 타측에 출력전압이 제공되고, 한 주기의 제2페이즈에서 유도성소자의 타측에 출력전압과 입력전압이 합쳐진 전압이 제공될 수 있다.
이러한 DC/DC 컨버터에서, 제어부는, 입력전압의 크기에 따라 제어모드를 결정하고, 입력전압의 크기가 설정값보다 낮으면 부스트전력단 및 벅전압제공부를 부스트모드로 제어하며, 입력전압의 크기가 설정값보다 높으면 부스트전력단 및 벅전압제공부를 벅모드로 제어할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은, 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 제1저전압을 제공할 수 있는 제1스위치 및 유도성소자의 타측으로 출력전압을 제공할 수 있는 제2스위치를 포함하는 부스트전력단, 용량성소자의 일측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제3스위치 및 용량성소자의 일측으로 입력전압을 제공할 수 있는 제4스위치를 포함하고 용량성소자의 타측 전압을 유도성소자의 타측으로 제공할 수 있는 벅전압제공부, 및 부스트모드에서 제1스위치 및 제2스위치가 교번되도록 제어하고, 벅모드에서 제3스위치 및 제4스위치가 교번되도록 제어하는 제어부를 포함하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제1스위치 및 상기 유도성소자의 타측으로 출력전압을 제공할 수 있는 제2스위치를 포함하고, 상기 제2스위치는 상기 유도성소자의 타측과 출력노드-상기 출력전압이 형성되는 노드- 사이에서 서로 직렬로 연결되는 제1서브스위치 및 제2서브스위치를 포함하는 부스트전력단; 용량성소자의 일측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제3스위치 및 상기 용량성소자의 일측으로 입력전압을 제공할 수 있는 제4스위치를 포함하고, 상기 용량성소자의 타측을 상기 제1서브스위치 및 상기 제2서브스위치의 접점노드로 연결시키는 벅전압제공부; 및 부스트모드에서 상기 제2서브스위치 및 상기 제3스위치는 상시적으로 턴온시키고 상기 제4스위치는 상시적으로 턴오프시키며 상기 제1스위치 및 상기 제1서브스위치가 교번되도록 제어하고, 벅모드에서 상기 제1서브스위치는 상시적으로 턴온시키고 상기 제1스위치는 상시적으로 턴오프시키며 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치가 교번되도록 제어하고 상기 제2서브스위치는 상기 제3스위치에 동기화시켜 제어하는 제어부를 포함하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 하나의 컨버터로 입력전압보다 높거나 낮은 출력전압을 모두 생성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 컨버터의 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 컨버터 제어부의 일 예시 구성도이다.
도 3은 각 모드에서의 입력전압과 출력전압의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 컨버터의 전력단에 대한 제1예시 구성도이다.
도 5는 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이다.
도 6은 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다.
도 7은 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
도 8은 제1예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이다.
도 9는 제1예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다.
도 10은 제1예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
도 11a는 일 실시예에 따른 컨버터 제어부의 다른 일 예시 구성도이다.
도 11b는 일 실시예에 따른 컨버터 제어부의 다른 일 예시 구성도이다.
도 12는 제1예시에서 각 스위치의 구현 형태를 나타내는 도면이다.
도 13은 제1예시에서 제3스위치 및 제4스위치에 걸리는 전압의 파형을 나타내는 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 컨버터의 전력단에 대한 제2예시 구성도이다.
도 15는 제2예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이다.
도 16은 제2예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다.
도 17은 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
도 18은 제2예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이다.
도 19는 제2예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다.
도 20은 제2예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 컨버터의 전력단에 대한 제3예시 구성도이다.
도 22는 제3예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 상태도이다.
도 23은 제3예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
도 24는 제3예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 상태도이다.
도 25는 제3예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 컨버터의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 컨버터(100)는 전력단(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
전력단(110)은 복수의 스위치를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 제어신호(CTR)를 전력단(110)으로 전송하여 복수의 스위치를 온오프(ON/OFF)제어할 수 있다. 그리고, 전력단(110)은 스위치들의 온오프에 따라 벅컨버터로 작동되거나 부스트컨버터로 작동될 수 있다.
전력단(110)이 벅컨버터로 작동되는 경우, 출력전압(Vo)은 입력전압(Vi)보다 낮게 제어될 수 있다. 그리고, 전력단(110)이 부스트컨버터로 작동되는 경우, 출력전압(Vo)은 입력전압(Vi)보다 높게 제어될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 컨버터 제어부의 일 예시 구성도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(120)는 모드제어부(210) 및 스위치제어부(220)를 포함할 수 있다.
모드제어부(210)는 입력전압(Vi)의 크기에 따라 전력단의 작동모드를 변경할 수 있다.
모드제어부(210)는 출력전압에 대한 설정값과 입력전압(Vi)을 비교하고, 입력전압(Vi)이 출력전압에 대한 설정값보다 낮은 경우, 전력단을 부스트모드로 제어할 수 있다.
모드제어부(210)는 출력전압에 대한 설정값과 입력전압(Vi)을 비교하고, 입력전압(Vi)이 출력전압에 대한 설정값보다 높은 경우, 전력단을 벅모드로 제어할 수 있다.
한편, 모드제어부(210)는 입력전압에 대한 설정값과 입력전압(Vi)을 비교하고, 입력전압(Vi)이 입력전압에 대한 설정값보다 낮은 경우, 전력단을 부스트모드로 제어할 수 있다.
그리고, 모드제어부(210)는 입력전압에 대한 설정값과 입력전압(Vi)을 비교하고, 입력전압(Vi)이 입력전압에 대한 설정값보다 높은 경우, 전력단을 벅모드로 제어할 수 있다.
실시예에 따라 부스트모드 혹은 벅모드를 지시하는 모드신호(MODE)가 모드제어부(210)에서 스위치제어부(220)로 전송될 수 있다.
스위치제어부(220)는 모드에 따라 전력단에 포함된 스위치들의 온오프 상태를 결정하고, 각 모드에서 상시적으로 턴온되는 스위치를 턴온시키고, 상시적으로 턴오프되는 스위치를 턴오프시킬 수 있다. 그리고, 스위치제어부(220)는 각 모드에서 주기적으로 온오프되는 스위치의 듀티(duty; 한 주기에서 턴온되는 시간의 비율)를 조절하여 출력전압(Vo)을 설정값으로 맞출 수 있다.
스위치제어부(220)는 피드백받은 출력전압(Vo)을 이용하여 각 스위치에 대한 온오프를 지시하는 제어신호(CTR)를 생성하고 제어신호(CTR)를 전력단으로 전송할 수 있다.
도 3은 각 모드에서의 입력전압과 출력전압의 관계를 나타내는 도면이다.
제어부는 입력전압(Vi)과 출력전압의 설정값(Vos)을 비교하고, 입력전압(Vi)이 출력전압의 설정값(Vos)보다 높으면 전력단을 벅모드로 제어하고, 입력전압(Vi)이 출력전압의 설정값(Vos)보다 낮으면 전력단을 부스트모드로 제어할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 컨버터의 전력단에 대한 제1예시 구성도이다.
도 4를 참조하면, 전력단(110)은 부스트전력단(410)과 벅전압제공부(420)를 포함할 수 있다.
부스트전력단(410)은 단독으로 작동될 때, 전력단(110)을 부스트컨버터로 작동시킨다.
부스트전력단(410)은 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 제1저전압(Vgnd1) 혹은 출력전압(Vo)을 제공할 수 있다. 부스트전력단(410)은 복수의 스위치(S1, S2)를 포함하고 있으면서 복수의 스위치(S1, S2)를 통해 유도성소자의 타측으로 제1저전압(Vgnd1) 혹은 출력전압(Vo)을 제공할 수 있다.
유도성소자는 예를 들어, 인덕터(L)일 수 있다. 아래에서는 유도성소자로서 하나의 인덕터(L)가 사용되는 것을 예시로 제시한다.
부스트전력단(410)은 인덕터(L)의 일측으로 제1저전압(Vgnd1)을 제공할 수 있는 제1스위치(S1) 및 인덕터(L)의 일측으로 출력전압(Vo)을 제공할 수 있는 제2스위치(S2)를 포함할 수 있다.
인덕터(L)는 일측이 중간노드(Nx)에 연결되고 타측이 입력노드(Ni)에 연결될 수 있다.
입력노드(Ni)로는 입력전압(Vi)이 제공될 수 있는데, 입력전압(Vi)의 안정적인 제공을 위해 입력노드(Ni)에는 입력캐패시터(Ci)가 연결될 수 있다.
부스트모드에서 중간노드(Nx)로는 제1저전압(Vgnd1) 혹은 출력전압(Vo)이 제공될 수 있다.
제1저전압(Vgnd1)은 입력전압(Vi)보다 낮은 전압으로 일 실시예에서는 그라운드전압(Vgnd)과 같을 수 있다. 이하에서는 제1저전압(Vgnd1)이 그라운드전압(Vgnd)과 실질적으로 동일한 것으로 설명한다.
중간노드의 전압(Vx)이 그라운드전압(Vgnd)과 출력전압(Vo)으로 스위칭하면서 부스트전력단(410)을 포함하는 전력단(110)은 부스트컨버터로 작동할 수 있다.
전력단(110)이 부스트컨버터로 작동할 때, 출력전압(Vo)은 입력전압(Vi)보다 높게 제어될 수 있다. 한편, 부스트전력단(410)은 부하로 출력전압(Vo)을 안정적으로 제공하기 위해 출력노드(No)와 연결되는 출력캐패시터(Co)를 더 포함할 수 있다.
벅전압제공부(420)는 용량성소자의 일측으로 제2저전압(Vgnd2) 혹은 입력전압(Vi)을 제공하고 용량성소자의 타측 전압을 인덕터(L)의 일측으로 제공할 수 있다.
용량성소자는 예를 들어, 캐패시터-도 4의 벅전압캐패시터(Cf)-일 수 있다. 아래에서는 용량성소자로서 캐패시터가 사용되는 것을 예시로 제시한다.
벅전압제공부(420)는 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 제2저전압(Vgnd2)을 제공할 수 있는 제3스위치(S3) 및 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 입력전압(Vi)을 제공할 수 있는 제4스위치(S4)를 포함할 수 있다.
벅전압캐패시터(Cf)는 일측이 보조노드(Nxa)로 연결되고 타측이 중간노드(Nx)에 연결될 수 있다.
벅모드에서 보조노드(Nxa)로는 제2저전압(Vgnd2) 혹은 입력전압(Vi)이 제공될 수 있다.
제2저전압(Vgnd2)은 입력전압(Vi)보다 낮은 전압으로 일 실시예에서는 그라운드전압(Vgnd)과 같을 수 있다. 이하에서는 제2저전압(Vgnd2)이 그라운드전압(Vgnd)과 실질적으로 동일한 것으로 설명한다.
벅전압캐패시터의 전압(Vf)이 출력전압(Vo)과 같고, 보조노드의 전압(Vxa)이 그라운드전압(Vgnd)과 입력전압(Vi)으로 스위칭하면 벅전압캐패시터(Cf)의 타측과 연결되는 중간노드의 전압(Vx)은 출력전압(Vo)과, 입력전압(Vi)+출력전압(Vo)으로 스위칭할 수 있다. 그리고, 중간노드 전압(Vx)의 이러한 변동에 따라 전력단(110)은 벅컨버터로 작동할 수 있다.
전력단(110)이 벅컨버터로 작동할 때, 출력전압(Vo)은 입력전압(Vi)보다 낮게 제어될 수 있다.
컨버터의 제어부는 입력전압(Vi) 대비 출력전압(Vo)이 상승하는 부스트모드로 부스트전력단(410)을 제어하거나 입력전압(Vi) 대비 출력전압(Vo)이 하강하는 벅모드로 벅전압제공부(420)를 제어할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 제1예시에 따른 전력단(110)이 부스트모드로 작동되는 것을 설명하고, 도 8 내지 도 10을 참조하여 제1예시에 따른 전력단(110)이 벅모드로 작동되는 것을 설명한다.
도 5는 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이고, 도 6은 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다. 그리고, 도 7은 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
부스트모드에서 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)는 상시적으로 턴오프될 수 있다. 이렇게 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)가 턴오프되면 벅전압캐패시터(Cf)의 일측은 플로팅될 수 있다. 그리고, 보조노드의 전압(Vxa)은 중간노드의 전압(Vx) 및 벅전압캐패시터의 전압(Vf)에 따라 결정될 수 있다.
벅전압캐패시터의 전압(Vf)은 출력전압(Vo)과 동일할 수 있으나 부스트모드에서 벅전압캐패시터(Cf)는 부스트전력단(410)의 작동에 기여하지 않기 때문에 다른 크기의 전압이여도 무방하다.
한편, 벅전압캐패시터의 전압(Vf)이 출력전압(Vo)과 동일하게 충전되어 있지 않으면, 부스트모드에서 벅모드로 혹은 벅모드에서 부스트모드로 모드가 변화하는 구간에서, 벅전압캐패시터(Cf) 충전을 위한 큰 전류가 발생하여 입력전압과 출력전압에 원하지 않는 리플(ripple)을 야기할 수 있다. 이러한 리플을 방지하기 위해, 부스트모드에서 제2스위치(S2)가 턴온될 때, 제3스위치(S3)가 함께 턴온될 수 있다. 그리고, 이러한 제어에 따라, 벅전압캐패시터의 전압(Vf)이 출력전압(Vo)과 같아질 수 있다. 여기서, 매 주기마다 제3스위치(S3)가 제2스위치(S2)와 함께 턴온되면 스위칭 손실이 증가할 수 있다. 이러한 스위칭 손실을 줄이기 위해, 부스트모드에서, 제3스위치(S3)는 제2스위치(S2)보다 낮은 빈도로 턴온될 수 있다. 예를 들어, 제3스위치(S3)는 P(P는 2이상의 자연수)주기마다 한번씩 턴온될 수 있다.
실질적으로 부스트모드에서 벅전압제공부(420)는 전력단(110)이 부스트컨버터로 기능하는 것에 기여하지 않고, 부스트전력단(410)의 작동에 의해 전력단(110)이 부스트컨버터로 기능할 수 있다.
부스트모드에서 전력단(110)은 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 반복할 수 있다. 제어부는 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)가 교번되도록 제어함으로써 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 형성할 수 있다.
제1페이즈에서 제1스위치(S1)가 턴온되고, 제2스위치(S2)가 턴오프될 수 있다. 제1페이즈에서, 중간노드의 전압(Vx)은 그라운드전압이 되고, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi)과 같아지게 된다. 이러한 전압 관계에 따라, 인덕터(L)에는 전류가 빌드업된다.
제2페이즈에서 제1스위치(S1)가 턴오프되고, 제2스위치(S2)가 턴온될 수 있다. 제2페이즈에서, 중간노드의 전압(Vx)은 출력전압(Vo)이 되고, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi) - 출력전압(Vo)과 같아지게 된다. 그리고, 제2페이즈에서 인덕터(L)에 빌드업된 전류가 출력노드(No)로 전달되게 된다.
제어부는 한 주기(T)에서의 제1스위치(S1)의 턴온시간 혹은 제2스위치(S2)의 턴온시간을 조절하여 출력전압(Vo)의 크기 혹은 입출력전압비를 제어할 수 있는데, 부스트모드에서의 입출력전압비는 제2스위치(S2)의 듀티(D: duty)를 기준으로 할 때, 1/D가 될 수 있다.
다음으로 제1예시에서의 벅모드 제어에 대해 살펴본다.
도 8은 제1예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이고, 도 9는 제1예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다. 그리고, 도 10은 제1예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
벅모드에서 전력단(110)은 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 반복할 수 있다. 제어부는 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)가 교번되도록 제어함으로써 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 형성할 수 있다. 그리고, 벅모드에서 제1스위치(S1)는 상시적으로 턴오프되고, 제2스위치(S2)는 제3스위치(S3)에 동기화되어 작동될 수 있다.
제1페이즈에서 제3스위치(S3) 및 제2스위치(S2)가 턴온되고, 제4스위치(S4)가 턴오프될 수 있다. 이에 따라, 중간노드의 전압(Vx)은 출력전압(Vo)이 되고, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi) - 출력전압(Vo)이 될 수 있다. 이러한 전압 관계에 따라, 인덕터(L)에는 전류가 빌드업된다. 제1페이즈에서 벅전압캐패시터의 전압(Vf)은 그라운드전압과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압과 실질적으로 같아지게 된다.
제2페이즈에서 제3스위치(S3) 및 제2스위치(S2)가 턴오프되고, 제4스위치(S4)가 턴온될 수 있다. 이에 따라, 중간노드의 전압(Vx)은 입력전압(Vi)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압과 실질적으로 같아질 수 있다.
벅전압캐패시터(Cf)로 입출력되는 전류에 따라 벅전압캐패시터의 전압(Vf)에 리플전압이 나타날 수 있으나 전력단(110)이 주기적으로 작동되기 때문에 전체 주기에서 벅전압캐패시터의 전압(Vf)은 출력전압(Vo)으로부터 일정 범위(리플전압범위) 이내의 전압이 형성될 수 있다.
벅모드에서 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 그라운드전압과 입력전압(Vi)이 교번하면서 연결되기 때문에, 벅전압캐패시터(Cf)의 타측-중간노드(Nx)-에 형성되는 전압은 입력전압(Vi)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압과 출력전압(Vo)으로 교번하게 된다.
이러한 중간노드 전압(Vx)에 따라, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi) - 출력전압(Vo)과 (-)출력전압((-)Vo)을 교번하면서 전력단(110)을 벅컨버터로 기능하게 한다.
제어부는 한 주기(T)에서의 제3스위치(S3) 및 제2스위치(S2)의 턴온시간을 조절하여 출력전압(Vo)의 크기 혹은 입출력전압비를 제어할 수 있는데, 벅모드에서의 입출력전압비는 제2스위치(S2)의 듀티(D: duty)를 기준으로 할 때, D가 될 수 있다.
도 11a는 일 실시예에 따른 컨버터 제어부의 다른 일 예시 구성도이다.
도 11a를 참조하면, 제어부(1100a)는 모드제어부(1110) 및 스위치제어부(1120a)를 포함할 수 있다.
모드제어부(1110)는 인덕터에 흐르는 전류(iL)를 이용하여 제어모드를 결정할 수 있다.
일 예로서, 모드제어부(1110)는 인덕터의 전류(iL)가 출력노드로 전달되는 구간에서 인덕터의 전류(iL)의 증감 방향에 따라 제어모드를 결정할 수 있다.
모드제어부(1110)는 인덕터의 전류(iL)가 출력노드로 전달되는 구간에서 인덕터의 전류(iL)가 감소하면 부스트전력단 및 벅전압제공부를 부스트모드로 제어할 수 있다. 그리고, 모드제어부(1110)는 인덕터의 전류(iL)가 출력노드로 전달되는 구간에서 인덕터의 전류(iL)가 증가하면 부스트전력단 및 벅전압제공부를 벅모드로 제어할 수 있다.
스위치제어부(1120a)는 전류제어 및 전압제어를 수행하고, 모드제어부(1110)는 이러한 전류제어 및 전압제어에서 생성되는 일 제어값을 이용하여 제어모드를 결정할 수 있다.
도 11a를 참조하면, 스위치제어부(1120a)는 전압제어에 적용되는 전압오차증폭기(1122), 전류제어에 적용되는 전류오차증폭기(1124), PWM(Pulse Width Modulation)신호를 생성하기 위한 비교기(1126) 및 게이트신호를 생성하는 게이트구동부(1128) 등을 포함할 수 있다.
전압오차증폭기(1122)는 출력전압에 대한 설정값(Vref)과 출력전압(Vo)의 차이를 증폭하여 제1출력값(Vc1)으로 출력할 수 있다.
그리고, 전류오차증폭기(1124)는 전압오차증폭기(1122)의 출력값(Vc1)과 인덕터의 전류(iL)의 차이를 증폭하여 제2출력값(Vc2)으로 출력할 수 있다.
그리고, 비교기(1126)는 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)과 톱니파를 비교하여 PWM신호를 생성할 수 있다.
게이트구동부(1128)는 비교기(1126)의 출력값을 이용하여 부스트전력단 및 벅전압제공부에 포함된 스위치들에 대한 게이트신호(CTR)를 생성할 수 있다.
제어모드에 따라 턴온되거나 턴오프되는 스위치들이 달라지는데, 게이트구동부(1128)는 모드제어부(1110)로부터 제어모드정보(MODE)를 수신하여 턴온되거나 턴오프되는 스위치들을 결정할 수 있다.
한편, 모드제어부(1110)는 전류제어에 적용된 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)에 따라 제어모드를 결정할 수 있다.
일 예로서, 모드제어부(1110)는 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)이 설정값보다 낮거나 혹은 높으면 부스트전력단 및 벅전압제공부를 부스트모드로 제어하고, 그 반대의 경우-설정값보다 높거나 혹은 낮은 경우-, 부스트전력단 및 벅전압제공부를 벅모드로 제어할 수 있다. 여기서, 설정값은 톱니파의 최소값 혹은 최대값일 수 있다. 비교기(1126)는 내부적으로 두 개의 서브비교기를 포함하고 있고, 제1서브비교기는 제1톱니파와 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)을 비교하여 제1PWM신호를 생성하고, 제2서브비교기는 제2톱니파와 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)을 비교하여 제2PWM신호를 생성할 수 있다. 이때, 모드제어부(1110)는 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)이 제1톱니파의 최소값보다 낮거나 최대값보다 높으면 부스트전력단 및 벅전압제공부를 부스트모드로 제어하고, 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)이 제2톱니파의 최대값보다 높거나 최소값보다 낮으면 부스트전력단 및 벅전압제공부를 벅모드로 제어할 수 있다. PWM의 듀티의 관점에서 보면, 모드제어부(1110)는 벅모드에서 듀티가 100%에 근접하면 부스트모드로 제어모드를 변경하고, 부스트모드에서 듀티가 0%에 근접하면 벅모드로 변경할 수 있다.
다른 예로서, 모드제어부(1110)는 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)이 PWM신호를 생성하기 위한 톱니파의 최소값보다 작아지거나 톱니파의 최대값보다 커지면 제어모드를 변경할 수 있다. 이때, 전술한 것과 같이 비교기(1126)는 내부적으로 두 개의 서브비교기를 포함하고 있고, 제1서브비교기는 제1톱니파와 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)을 비교하여 제1PWM신호를 생성하고, 제2서브비교기는 제2톱니파와 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)을 비교하여 제2PWM신호를 생성할 수 있다. 그리고, 모드제어부(1110)는 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)이 제1톱니파 혹은 제2톱니파의 최소값보다 작아지거나 최대값보다 커지면 제어모드를 변경할 수 있다.
한편, 인덕터의 전류(iL)는 전류오차증폭기(1124)에 입력될 때, 전압의 형태로 입력될 수 있다. 예를 들어, 인덕터와 직렬로 연결되는 전류센서가 있고, 이러한 전류센서에 의해 측정된 전압형태의 인덕터 전류(iL)가 전류오차증폭기(1124)에 입력될 수 있다.
그리고, 도 11a에 도시된 실시예에서는 전류오차증폭기(1124)의 출력값(Vc2)과 톱니파를 비교하여 출력하는 비교기(1126)가 포함되어 있으나, 실시예에 따라서는 비교기(1126)가 생략될 수도 있다.
도 11b는 일 실시예에 따른 컨버터 제어부의 또 다른 일 예시 구성도이다.
도 11b를 참조하면, 제어부(1100b)는 모드제어부(1110) 및 스위치제어부(1120b)를 포함할 수 있다.
모드제어부(1110)는 인덕터에 흐르는 전류(iL)를 이용하여 제어모드를 결정할 수 있다.
스위치제어부(1120b)는 전압제어에 적용되는 전압오차증폭기(1122), 전류제어에 적용되면서 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 생성하는 비교기(1127) 및 게이트신호를 생성하는 게이트구동부(1128) 등을 포함할 수 있다.
전압오차증폭기(1122)는 출력전압에 대한 설정값(Vref)과 출력전압(Vo)의 차이를 증폭하여 제1출력값(Vc1)으로 출력할 수 있다.
그리고, 비교기(1127)는 전압오차증폭기(1122)의 출력값(Vc1)과 인덕터의 전류(iL)를 비교하여 PWM신호를 생성할 수 있다.
게이트구동부(1128)는 비교기(1127)의 출력값을 이용하여 부스트전력단 및 벅전압제공부에 포함된 스위치들에 대한 게이트신호(CTR)를 생성할 수 있다.
도 12는 제1예시에서 각 스위치의 구현 형태를 나타내는 도면이고, 도 13a는 제1예시에서 제3스위치에 걸리는 전압의 파형을 나타내는 도면이며, 도 13b는 제1예시에서 제4스위치에 걸리는 전압의 파형을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 제1스위치(S1)는 NPN타입의 FET(Field Effect Transistor)소자로 구현될 수 있다. 이때, 제1스위치(S1)는 중간노드(Nx)에서 그라운드로 전류가 흐르지 못하게 하고, 그라운드에서 중간노드(Nx)로 전류가 흐를 수 있도록 하는 역방향다이오드를 포함할 수 있다.
제4스위치(S4)가 턴온될 때, 중간노드의 전압(Vx)은 Vi + Vo가 되는데, 이에 따라, 제1스위치(S1)의 정격전압(RAT: Rating Voltage)은 Vi + Vo가 되어야 한다.
제2스위치(S2)는 PNP타입의 FET소자로 구현될 수 있다. 한편, 중간노드의 전압(Vx)은 출력전압(Vo)보다 낮은 그라운드전압이 될 수도 있고, 출력전압(Vo)보다 높은 Vi + Vo가 될 수도 있다. 이에 따라, 제2스위치(S2)는 턴오프될 때 양방향으로 전류가 흐르지 못하게 하기 위해 역방향다이오드가 양방향으로 형성될 수 있다. 제2스위치(S2)의 정격전압은 출력전압(Vo)이 될 수 있다.
제3스위치(S3)는 2개의 NPN타입의 FET소자(S3a, S3b)를 직렬로 연결하여 구현할 수 있다. 보조노드(Nxa)의 전압(Vxa)이 모드에 따라 그라운드전압보다 낮거나 높을 수 있기 때문에, 제3스위치(S3)는 양방향으로 전류가 흐르지 못하게 하기 위해 각각 역방향다이오드를 포함하고 있는 NPN타입의 FET소자 2개(S3a, S3b)를 직렬로 연결하여 구현할 수 있다.
한편, 도 13a를 참조하여, S3a 양단에 걸리는 전압(V3a)과 S3b 양단에 걸리는 전압(V3b)을 살펴보면, S3a는 출력전압(Vo)이 정격전압이 되고, S3b는 입력전압(Vi)이 정격전압이 될 수 있다.
제4스위치(S4)는 PNP타입의 FET소자로 구현될 수 있다. 한편, 도 13을 참조하면, 제4스위치 양단에 걸리는 전압(V4)은 입력전압(Vi)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압까지 상승하기 때문에, 제4스위치(S4)의 정격전압은 Vi+Vo가 될 수 있다.
제1예시에 따른 전력단(110)은 보조노드(Nxa)가 부스트모드에서 플로팅되면서 제4스위치(S4)의 정격전압이 높아지고, 제3스위치(S3)의 구현이 복잡해 질 수 있다.
아래에서 설명하는 제2예시에 따른 전력단은 부스트모드에서 보조노드(Nxa)로 그라운드전압을 연결시킴으로써 제4스위치(S4)의 정격전압을 낮추고 제3스위치(S3)의 구현을 용이하게 할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 컨버터의 전력단에 대한 제2예시 구성도이다.
도 14를 참조하면, 부스트전력단(410)은 제1예시에 따른 전력단과 동일한 구성을 가질 수 있다.
벅전압제공부(1420)는 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제3스위치(S3) 및 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 입력전압(Vi)을 제공할 수 있는 제4스위치(S4)를 포함할 수 있다. 그리고, 벅전압제공부(1420)는 벅전압캐패시터(Cf)의 타측과 인덕터(L)의 일측을 연결시키거나 연결해제시키는 제5스위치(S5)를 더 포함할 수 있다.
부스트모드에서 제5스위치(S5)는 인덕터(L)의 일측으로 출력전압(Vo)이 제공될 때 턴온되고 그라운드전압이 제공될 때 턴오프될 수 있다. 그리고, 부스트모드에서 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로는 상시적으로 그라운드전압이 제공될 수 있다.
부스트모드에서의 이러한 작동에 따라, 제4스위치(S4)의 정격전압은 입력전압(Vi)으로 낮아지고, 제3스위치(S3)는 단방향으로 형성되는 역방향다이오드를 포함하는 NPN타입의 FET소자로 구현될 수 있다. 그리고, 제3스위치(S3)의 정격전압은 입력전압(Vi) 수준으로 낮아진다.
한편, 부스트전력단(410)은 제1예시와 동일하기 때문에, 제1스위치(S1)는 NPN타입의 FET소자로 구현되고 정격전압은 Vi+Vo가 되며, 제2스위치(S2)는 역방향다이오드가 양방향으로 형성되는 PNP타입의 FET소자로 구현되고 정격전압은 Vo가 될 수 있다.
그리고, 제5스위치(S5)는 PNP타입의 FET소자로 구현될 수 있고, 양단으로는 출력전압(Vo)이 정격전압으로 형성될 수 있다.
도 15 내지 도 17을 참조하여 제2예시에 따른 전력단(1410)이 부스트모드로 작동되는 것을 설명하고, 도 18 내지 도 20을 참조하여 제2예시에 따른 전력단(1410)이 벅모드로 작동되는 것을 설명한다.
도 15는 제2예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이고, 도 16은 제2예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다. 그리고, 도 17은 제1예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
부스트모드에서 제3스위치(S3)는 상시적으로 턴온되어 있으면서 벅전압캐패시터(Cf)의 일측을 그라운드전압으로 연결시킬 수 있다. 그리고, 제4스위치(S4)는 상시적으로 턴오프될 수 있다.
부스트모드에서 벅전압캐패시터(Cf)의 일측은 그라운드전압과 연결되고 벅전압캐패시터의 양단 전압(Vf)은 출력전압(Vo)과 실질적으로 동일한 전압 혹은 일정 범위 이내의 전압과 같기 때문에 벅전압캐패시터(Cf)의 타측 전압은 출력전압(Vo)과 실질적으로 동일할 수 있다.
부스트모드에서 전력단(1410)은 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 반복할 수 있다. 제어부는 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)가 교번되도록 제어함으로써 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 형성할 수 있다.
제1페이즈에서 제1스위치(S1)가 턴온되고, 제2스위치(S2)가 턴오프될 수 있다. 제1페이즈에서, 중간노드의 전압(Vx)은 그라운드전압(Vgnd)이 되고, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi)과 같아지게 된다. 이러한 전압 관계에 따라, 인덕터(L)에는 전류가 빌드업된다.
제2페이즈에서 제1스위치(S1)가 턴오프되고, 제2스위치(S2)가 턴온될 수 있다. 제2페이즈에서, 중간노드의 전압(Vx)은 출력전압(Vo)이 되고, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi) - 출력전압(Vo)과 같아지게 된다. 그리고, 제2페이즈에서 인덕터(L)에 빌드업된 전류가 출력노드(No)로 전달되게 된다.
한편, 제5스위치(S5)는 제2스위치(S2)와 동기화되어 작동될 수 있다. 이 경우, 벅전압캐패시터(Cf)는 출력캐패시터(Co)와 병렬로 연결된 것처럼 작동하면서 출력전압(Vo)을 보다 안정적으로 만들 수 있다. 다른 예로서, 제5스위치(S5)는 부스트모드에서 상시적으로 턴오프되어 있을 수도 있다. 이때, 벅전압제공부(1420)는 전력단(1410)이 부스트컨버터로 기능하는데 기여하지 않게 된다.
제어부는 한 주기(T)에서의 제1스위치(S1)의 턴온시간 혹은 제2스위치(S2)의 턴온시간을 조절하여 출력전압(Vo)의 크기 혹은 입출력전압비를 제어할 수 있는데, 부스트모드에서의 입출력전압비는 제2스위치(S2)의 듀티(D: duty)를 기준으로 할 때, 1/D가 될 수 있다.
다음으로 제2예시에서의 벅모드 제어에 대해 살펴본다.
도 18은 제2예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제1페이즈에 대한 상태도이고, 도 19는 제2예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 제2페이즈에 대한 상태도이다. 그리고, 도 20은 제2예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
벅모드에서 전력단(1410)은 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 반복할 수 있다. 제어부는 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)가 교번되도록 제어함으로써 한 주기(T)에서 제1페이즈와 제2페이즈의 상태를 형성할 수 있다. 그리고, 벅모드에서 제1스위치(S1)는 상시적으로 턴오프되고, 제2스위치(S2)는 제3스위치(S3)에 동기화되어 작동될 수 있다. 그리고, 제5스위치(S5)는 상시적으로 턴온될 수 있다.
제1페이즈에서 제3스위치(S3) 및 제2스위치(S2)가 턴온되고, 제4스위치(S4)가 턴오프될 수 있다. 이에 따라, 중간노드의 전압(Vx)은 출력전압(Vo)이 되고, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi) - 출력전압(Vo)이 될 수 있다. 이러한 전압 관계에 따라, 인덕터(L)에는 전류가 빌드업된다. 제1페이즈에서 벅전압캐패시터의 전압(Vf)은 그라운드전압(Vgnd)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압과 실질적으로 같아지게 된다.
제2페이즈에서 제3스위치(S3) 및 제2스위치(S2)가 턴오프되고, 제4스위치(S4)가 턴온될 수 있다. 이에 따라, 중간노드의 전압(Vx)은 입력전압(Vi)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압과 실질적으로 같아질 수 있다.
벅전압캐패시터(Cf)로 입출력되는 전류에 따라 벅전압캐패시터의 전압(Vf)에 리플전압이 나타날 수 있으나 전력단(110)이 주기적으로 작동되기 때문에 전체 주기에서 벅전압캐패시터의 전압(Vf)은 출력전압(Vo)으로부터 일정 범위(리플전압범위) 이내의 전압이 형성될 수 있다.
벅모드에서 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 그라운드전압(Vgnd)과 입력전압(Vi)이 교번하면서 연결되기 때문에, 벅전압캐패시터(Cf)의 타측-중간노드(Nx)-에 형성되는 전압은 입력전압(Vi)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압과 그라운드전압(Vgnd)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압으로 교번하게 된다.
이러한 중간노드 전압(Vx)에 따라, 인덕터(L)의 양단 전압(Vl)은 입력전압(Vi) - 출력전압(Vo)과 (-)출력전압((-)Vo)을 교번하면서 전력단(1410)을 벅컨버터로 기능하게 한다.
제어부는 한 주기(T)에서의 제3스위치(S3) 및 제2스위치(S2)의 턴온시간을 조절하여 출력전압(Vo)의 크기 혹은 입출력전압비를 제어할 수 있는데, 벅모드에서의 입출력전압비는 제2스위치(S2)의 듀티(D: duty)를 기준으로 할 때, D가 될 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 컨버터의 전력단에 대한 제3예시 구성도이다.
도 21을 참조하면, 컨버터의 전력단(2100)은 부스트전력단(2110) 및 벅전압제공부(2120)을 포함할 수 있다.
부스트전략단(2110)은 단독으로 작동될 때, 전력단(2100)을 부스트컨버터로 작동시킬 수 있다.
부스트전력단(2110)은 일측으로 입력전압이 제공되는 인덕터(L)의 타측으로 그라운드전압 혹은 출력전압(Vo)을 제공할 수 있다.
부스트전력단(2110)은 인덕터(L)의 타측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제1스위치(S1) 및 인덕터(L)의 타측으로 출력전압(Vo)을 제공할 수 있는 제2스위치(S2a 및 S2b)를 포함할 수 있다.
그리고, 제2스위치(S2a 및 S2b)는 인덕터(L)의 타측과 출력노드(No) 사이에서 서로 직렬로 연결되는 제1서브스위치(S2a) 및 제2서브스위치(S2b)를 포함할 수 있다.
인덕터(L)의 일측은 입력노드(Ni)와 연결되고 타측은 중간노드(Nx)와 연결될 수 있다. 그리고, 제1스위치(S1)는 일측이 그라운드전압과 연결되고 타측이 중간노드(Nx)와 연결될 수 있다. 직렬로 연결된 제1서브스위치(S2a) 및 제2서브스위치(S2b)에서 제1서브스위치(S2a)의 일측은 중간노드(Nx)와 연결되고 타측은 접점노드(Nxb)와 연결될 수 있다. 그리고, 제2서브스위치(S2b)의 일측은 접점노드(Nxb)와 연결되고 타측은 출력노드(No)와 연결될 수 있다.
직렬로 연결된 제1서브스위치(S2a) 및 제2서브스위치(S2b)가 제2스위치로서 기능하기 때문에, 제1서브스위치(S2a) 및 제2서브스위치(S2b)가 함께 턴온될 때, 제2스위치가 턴온된 것과 같이 인덕터(L)의 타측으로 출력전압(Vo)이 제공될 수 있다. 제1서브스위치(S2a)가 턴오프되면 제2서브스위치(S2b)의 턴온 혹은 턴오프와 무관하게 인덕터(L)의 타측으로 출력전압(Vo)이 제공되지 않는다.
부스트모드에서 인덕터(L)의 타측-중간노드-의 전압(Vx)이 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2a 및 S2b)의 교번에 따라 그라운드전압과 출력전압(Vo)으로 스위칭하면서 부스트전력단(2110)을 포함하는 전력단(2100)은 부스트컨버터로 작동할 수 있다.
벅전압제공부(2120)는 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제3스위치(S3) 및 벅전압캐패시터(Cf)의 일측으로 입력전압(Vi)을 제공할 수 있는 제4스위치(S4)를 포함할 수 있다.
그리고, 벅전압캐패시터(Cf)의 타측에 형성되는 전압은 제1서브스위치(S2a) 및 제2서브스위치(S2b)의 접점노드(Nxb)으로 제공될 수 있다.
벅전압캐패시터(Cf)의 일측은 보조노드(Nxa)로 연결되고 타측은 접점노드(Nxb)로 연결될 수 있다. 그리고, 제3스위치(S3)의 일측은 보조노드(Nxa)로 연결되고 타측은 그라운드전압과 연결될 수 있고, 제4스위치(S4)의 일측은 보조노드(Nxa)로 연결되고 타측은 입력노드(Ni)와 연결될 수 있다.
벅모드에서 벅전압캐패시터(Cf)의 일측-보조노드(Nxa)-으로 그라운드전압과 입력전압(Vi)이 스위칭하며 공급되기 때문에 벅전압캐패시터(Cf)의 타측과 연결되는 접점노드(Nxb)에는 그라운드전압 + 벅전압캐패시터의 전압(Vf)과 입력전압(Vi) + 벅전압캐패시터의 전압(Vf)이 제공된다.
이러한 접점노드(Nxb)의 전압에 따라 전력단(2100)은 벅컨버터로 작동할 수 있다.
도 22 및 도 23을 참조하여 제3예시에 따른 전력단(2100)이 부스트모드로 작동되는 것을 설명하고, 도 24 및 도 25를 참조하여 제3예시에 따른 전력단(2100)이 벅모드로 작동되는 것을 설명한다.
도 22는 제3예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 상태도이고, 도 23은 제3예시에서 부스트모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
부스트모드에서 제2서브스위치(S2b)와 제3스위치(S3)는 상시적으로 턴온될 수 있다. 그리고, 제4스위치(S4)는 상시적으로 턴오프될 수 있다. 이에 따라, 전력단(2100)은 전형적인 부스트컨버터의 형태가 된다. 벅전압캐패시터(Cf)와 출력캐패시터(Co)는 서로 병렬로 연결되면서 출력전압(Vo)을 필터링하는 캐패시터로 기능할 수 있다. 그리고, 제1스위치(S1)과 제1서브스위치(S2a)가 교번되도록 제어되면서 전력단(2100)이 부스트컨버터로 작동되게 된다.
도 24는 제3예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 상태도이고, 도 25는 제3예시에서 벅모드로 작동되는 전력단의 주요 파형도/상태도이다.
벅모드에서 제1서브스위치(S2a)는 상시적으로 턴온되고, 제1스위치(S1)는 상시적으로 턴오프될 수 있다. 그리고, 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)는 교번되도록 제어되고, 제2서브스위치(S2b)는 제3스위치(S3)에 동기화되어 제어될 수 있다.
한 주기(T)의 제1페이즈에서 제2서브스위치(S2b) 및 제3스위치(S3)가 턴온되면서 인덕터(L)의 일측으로는 입력전압(Vi)이 공급되고 타측으로는 출력전압(Vo)이 공급될 수 있다. 이때, 벅전압캐패시터(Cf)에는 출력전압(Vo)이 충전될 수 있다.
벅모드의 제1페이즈에서 입력전압(Vi)이 출력전압(Vo)보다 높기 때문에 인덕터(L)의 전류가 빌드업된다.
한 주기(T)의 제2페이즈에서 제4스위치(S4)가 턴온되고 제3스위치(S3)가 턴오프되면서 인덕터(L)의 일측으로는 입력전압(Vi)이 공급되고 타측으로는 입력전압(Vi)과 출력전압(Vo)이 합쳐진 전압이 공급될 수 있다.
제2페이즈에서 인덕터(L)의 일측보다 타측 전압이 높기 때문에 인덕터(L)의 전류는 다시 감소하면서 한 주기(T)를 완성하게 된다.
이상에서 설명한 일 실시예에 따르면, 부스트컨버터로 작동하는 부스트전력단에 용량성소자 및 소정의 스위치를 연결시킴으로써 하나의 컨버터로 입력전압보다 높거나 낮은 출력전압을 모두 생성할 수 있게 된다.
한편, 일 실시예에 따른 컨버터는 디스플레이장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 컨버터는 입력전원이 배터리전원이고 부하가 소스드라이버집적회로인 디스플레이장치 어플리케이션에 적용될 수 있다. 배터리전원은 충전상태에 따라 전압이 변동할 수 있는데, 변동하는 입력전압에 대하여 일 실시예에 따른 컨버터는 소스드라이버집적회로에 적합한 전압을 생성하기 위해 부스트모드로 작동하거나 벅모드로 작동할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 그라운드전압 혹은 출력전압을 제공할 수 있는 부스트전력단;
    용량성소자의 일측으로 그라운드전압 혹은 입력전압을 제공하고 상기 용량성소자의 타측 전압을 상기 유도성소자의 타측으로 제공할 수 있는 벅전압제공부; 및
    부스트모드에서 상기 부스트전력단을 이용하여 상기 출력전압을 상기 입력전압보다 상승시켜 출력하고, 벅모드에서 상기 벅전압제공부를 이용하여 상기 출력전압을 상기 입력전압보다 하강시켜 출력하는 제어부를 포함하고,
    상기 용량성소자에는 상기 출력전압이 형성되고,
    상기 벅모드에서,
    한 주기의 제1페이즈(phase)에서 상기 유도성소자의 타측에 상기 출력전압이 제공되고, 상기 한 주기의 제2페이즈에서 상기 유도성소자의 타측에 상기 출력전압과 상기 입력전압이 합쳐진 전압이 제공되는 DC/DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용량성소자에는 상기 출력전압으로부터 일정 범위 이내의 전압이 형성되는 DC/DC 컨버터.
  3. 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 그라운드전압 혹은 출력전압을 제공할 수 있는 부스트전력단;
    용량성소자의 일측으로 그라운드전압 혹은 입력전압을 제공하고 상기 용량성소자의 타측 전압을 상기 유도성소자의 타측으로 제공할 수 있는 벅전압제공부; 및
    부스트모드에서 상기 부스트전력단을 이용하여 상기 출력전압을 상기 입력전압보다 상승시켜 출력하고, 벅모드에서 상기 벅전압제공부를 이용하여 상기 출력전압을 상기 입력전압보다 하강시켜 출력하는 제어부를 포함하고,
    상기 벅전압제공부는 상기 용량성소자의 타측과 상기 유도성소자의 타측을 연결하는 스위치를 더 포함하고,
    상기 부스트모드에서, 상기 용량성소자의 일측에 그라운드전압이 제공되고,
    상기 부스트모드에서, 상기 스위치가 턴온되면 상기 유도성소자의 타측에 상기 출력전압이 제공되고, 상기 스위치가 턴오프되면 상기 유도성소자의 타측에 그라운드전압이 제공되는 DC/DC 컨버터.
  4. 삭제
  5. 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 그라운드전압 혹은 출력전압을 제공할 수 있는 부스트전력단;
    용량성소자의 일측으로 그라운드전압 혹은 입력전압을 제공하고 상기 용량성소자의 타측 전압을 상기 유도성소자의 타측으로 제공할 수 있는 벅전압제공부; 및
    부스트모드에서 상기 부스트전력단을 이용하여 상기 출력전압을 상기 입력전압보다 상승시켜 출력하고, 벅모드에서 상기 벅전압제공부를 이용하여 상기 출력전압을 상기 입력전압보다 하강시켜 출력하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 입력전압의 크기에 따라 제어모드를 결정하고, 상기 입력전압의 크기가 설정값보다 낮으면 상기 부스트전력단 및 상기 벅전압제공부를 상기 부스트모드로 제어하며, 상기 입력전압의 크기가 상기 설정값보다 높으면 상기 부스트전력단 및 상기 벅전압제공부를 상기 벅모드로 제어하는 DC/DC 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유도성소자의 전류가 출력노드로 전달되는 구간에서 상기 유도성소자의 전류의 증감 방향에 따라 상기 부스트전력단 및 상기 벅전압제공부의 제어모드를 결정하는 DC/DC 컨버터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    전류제어와 전압제어를 수행하고, 상기 전류제어에 적용된 전류오차증폭기의 출력값에 따라 상기 부스트전력단 및 상기 벅전압제공부의 제어모드를 결정하는 DC/DC 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류오차증폭기의 출력값이 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 생성하기 위한 톱니파의 최소값보다 작아지거나 톱니파의 최대값보다 커지면 상기 제어모드를 변경하는 DC/DC 컨버터.
  9. 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제1스위치 및 상기 유도성소자의 타측으로 출력전압을 제공할 수 있는 제2스위치를 포함하는 부스트전력단;
    용량성소자의 일측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제3스위치 및 상기 용량성소자의 일측으로 입력전압을 제공할 수 있는 제4스위치를 포함하고, 상기 용량성소자의 타측 전압을 상기 유도성소자의 타측으로 제공할 수 있는 벅전압제공부; 및
    부스트모드에서 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치가 교번되도록 제어하고, 벅모드에서 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치가 교번되도록 제어하는 제어부
    를 포함하는 DC/DC 컨버터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부스트모드에서,
    상기 제3스위치 및 상기 제4스위치는 턴오프되고, 상기 용량성소자의 일측은 플로팅되는 DC/DC 컨버터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 벅전압제공부는 상기 용량성소자의 타측과 상기 유도성소자의 타측을 연결하는 제5스위치를 더 포함하고,
    상기 부스트모드에서,
    상기 제3스위치는 상시적으로 턴온되고, 상기 제5스위치는 상기 제2스위치에 동기화되어 작동되는 DC/DC 컨버터.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 벅모드에서,
    상기 용량성소자의 타측 전압은 상기 입력전압과 상기 출력전압이 합쳐진 전압과, 상기 출력전압으로 교번하는 DC/DC 컨버터.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 벅모드에서,
    상기 상기 제1스위치는 상시적으로 턴오프되고, 상기 제3스위치는 상기 제2스위치에 동기화되어 작동되는 DC/DC 컨버터.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 용량성소자의 타측은 제5스위치를 통해 상기 유도성소자의 타측과 연결되고,
    상기 제2스위치 및 상기 제5스위치는 상기 출력전압이 정격전압으로 형성되고, 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치는 상기 입력전압이 정격전압으로 형성되는 DC/DC 컨버터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2스위치는 역방향다이오드가 양방향으로 형성되고,
    상기 제3스위치는 역방향다이오드가 단방향으로 형성되는 DC/DC 컨버터.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제2스위치의 듀티(D: duty)를 기준으로
    상기 부스트모드에서의 입출력전압비는 1/D이고,
    상기 벅모드에서의 입출력전압비는 D인 DC/DC 컨버터.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부스트모드에서,
    한 주기의 제1페이즈(phase) 동안 상기 제1스위치를 턴온시키고 상기 제2스위치를 턴오프시켜 상기 유도성소자의 양단에 상기 입력전압이 형성되도록 하고, 제2페이즈 동안 상기 제1스위치를 턴오프시키고 상기 제2스위치를 턴온시켜 상기 유도성소자의 양단에 상기 입력전압과 상기 출력전압의 차이에 해당되는 전압이 형성되도록 하며,
    상기 제1페이즈 동안 상기 유도성소자에 전류가 빌드업되고 상기 제2페이즈 동안 빌드업된 전류가 출력노드로 전달되는 DC/DC 컨버터.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 벅모드에서,
    한 주기의 제1페이즈(phase) 동안 상기 제3스위치를 턴온시키고 상기 제4스위치를 턴오프시켜 상기 용량성소자의 타측 전압이 상기 출력전압과 같아지도록 제어하고, 제2페이즈 동안 상기 제3스위치를 턴오프시키고 상기 제4스위치를 턴온시켜 상기 용량성소자의 타측 전압이 상기 출력전압과 상기 입력전압의 합과 같아지도록 제어하며,
    상기 제1페이즈에서 상기 유도성소자의 양단에는 상기 입력전압과 상기 출력전압의 차이에 해당되는 전압이 형성되고, 상기 제2페이즈에서 상기 유도성소자의 양단에는 상기 출력전압이 역방향으로 형성되는 DC/DC 컨버터.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 부스트모드에서,
    상기 제3스위치는 P(P는 2이상의 자연수)주기마다 한번씩 상기 제2스위치와 동기화되어 턴온되는 DC/DC 컨버터.
  20. 일측으로 입력전압이 제공되는 유도성소자의 타측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제1스위치 및 상기 유도성소자의 타측으로 출력전압을 제공할 수 있는 제2스위치를 포함하고, 상기 제2스위치는 상기 유도성소자의 타측과 출력노드-상기 출력전압이 형성되는 노드- 사이에서 서로 직렬로 연결되는 제1서브스위치 및 제2서브스위치를 포함하는 부스트전력단;
    용량성소자의 일측으로 그라운드전압을 제공할 수 있는 제3스위치 및 상기 용량성소자의 일측으로 입력전압을 제공할 수 있는 제4스위치를 포함하고, 상기 용량성소자의 타측을 상기 제1서브스위치 및 상기 제2서브스위치의 접점노드로 연결시키는 벅전압제공부; 및
    부스트모드에서 상기 제2서브스위치 및 상기 제3스위치는 상시적으로 턴온시키고 상기 제4스위치는 상시적으로 턴오프시키며 상기 제1스위치 및 상기 제1서브스위치가 교번되도록 제어하고,
    벅모드에서 상기 제1서브스위치는 상시적으로 턴온시키고 상기 제1스위치는 상시적으로 턴오프시키며 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치가 교번되도록 제어하고 상기 제2서브스위치는 상기 제3스위치에 동기화시켜 제어하는 제어부
    를 포함하는 DC/DC 컨버터.
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