KR102466914B1 - 스위치드 커패시터 변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템에 관한 것으로, 제1 내지 제16 스위치와 제1 내지 제3 커패시터가 전기적으로 연결되어 구성되며, 상기 제1 내지 제16 스위치 중 적어도 하나의 스위칭 동작을 통해 입력 전압을 변환하여 출력하는 스위치드 커패시터 컨버터; 및 상기 제1 내지 제16 스위치를 개별적으로 구동하기 위한 복수의 제어 신호들을 상기 스위치드 커패시터 컨버터로 인가하여, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 하나 이상의 승압 전압 변환 비율과 하나 이상의 감압 전압 변환 비율이 출력되도록 하는 스위치 제어기를 포함한다.

Description

스위치드 커패시터 변환기{SWITCHED CAPACITOR CONVERTER}
본 발명은 스위치드 커패시터 변환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 업/다운 전압 변환 비율의 조정이 가능한 스위치드 커패시터 직류(DC)-직류(DC) 변환기에 관한 것이다.
직류-직류 변환기(DC/DC converter)는 임의의 직류 전원을 부하가 요구하는 형태의 직류 전원으로 변환시키는 전력변환장치이다. 상기 직류-직류 변환기의 종류로는 인덕터(inductor) 기반의 DC/DC 변환기와 스위치드 커패시터(switched capacitor) 기반의 DC/DC 변환기가 있다.
인덕터 기반의 DC/DC 변환기는 가장 간단한 형태의 변환기로서 반도체 스위치, 인덕터, 커패시터 등의 부품으로 구성되며, 고 효율(90% 이상) 및 고 출력(100mW 이상)이 필요한 분야에서 주로 사용된다. 한편, 스위치드 커패시터 기반의 DC/DC 변환기는 반도체 스위치와 커패시터 등의 부품으로 구성되며, 낮은 전력(100mW 이하)이 필요한 분야와 에너지 효율 및 전압 제어 정도가 중요하지 않은 분야에서 주로 사용된다.
한편, 최근 환경에 대한 관심이 높아지고 저 탄소 녹색 성장이 중요시 되는 현 시점에 저전력 반도체 설계가 반도체 시장에 큰 이슈가 되고 있다. 더 나아가 우리가 쉽게 무시하고 지나가는 산재 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 친환경 기술인 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 소형기기에 활용되는 사례가 점차 늘어나고 있다.
빛 에너지, 열 에너지, 운동 에너지(진동, 압력 등), RF 에너지 등의 산재 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 다양한 에너지 하베스터들이 존재한다. 하지만 산재 에너지는 주변 환경에 따라 얻어지는 에너지의 양에 큰 차이가 생기며, 이에 따라 직류-직류 변환기로 입력되는 전압이 크게 변하기 때문에 넓은 입력 전압 범위를 커버할 수 있는 직류-직류 변환기가 필요하다. 특히, 이러한 에너지 하베스팅과 관련된 기술 분야에서는 저 전압 및 저 전력으로 구동 가능하고, 저 전력 집적회로의 설계에 유리한 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환기가 필요하다.
도 1은 종래 기술에 따른 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 재구성 가능한 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기는 다수의 스위치와 커패시터의 조합으로 구성되어 있으며 다양한 전압 변환 비율을 가지고 있다.
그런데, 종래의 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기는 주로 감압 변환기에 사용되고, 인덕터 기반의 직류-직류 변환기는 승압 변환기에 사용된다. 따라서, 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 동시에 구현할 수 있고, 임의로 조정 가능한 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기를 개발할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 동시에 구현 가능한 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 시스템을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 임의로 조절 가능한 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 시스템을 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 내지 제16 스위치와 제1 내지 제3 커패시터가 전기적으로 연결되어 구성되며, 상기 제1 내지 제16 스위치 중 적어도 하나의 스위칭 동작을 통해 입력 전압을 변환하여 출력하는 스위치드 커패시터 컨버터; 및 상기 제1 내지 제16 스위치를 개별적으로 구동하기 위한 복수의 제어 신호들을 상기 스위치드 커패시터 컨버터로 인가하여, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 하나 이상의 업(Up) 전압 변환 비율과 하나 이상의 다운(Down) 전압 변환 비율이 출력되도록 하는 스위치 제어기를 포함하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 16개의 스위치를 개별적으로 구동함으로써, 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 동시에 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 16개의 스위치를 개별적으로 구동함으로써, 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 임의로 조절할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기를 나타내는 도면;
도 2는 본 발명과 관련된 직류-직류 변환 시스템의 구성 블록도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치드 커패시터 컨버터 회로를 나타내는 도면;
도 4는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 제어를 통해 구현 가능한 전압 변환 비율을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제1 전압 변환 비율(1/4)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 6은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제2 전압 변환 비율(3/4)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제3 전압 변환 비율(4/3)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 8은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제4 전압 변환 비율(4/1)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 9는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제5 전압 변환 비율(1/3)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 10은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제6 전압 변환 비율(2/3)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 11은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제7 전압 변환 비율(3/2)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 12는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제8 전압 변환 비율(3/1)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 13은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제9 전압 변환 비율(1/2)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 14는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제10 전압 변환 비율(2/1)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 15는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 출력 전압을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 동시에 구현 가능한 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기를 제안한다. 또한, 본 발명은 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 임의로 조절 가능한 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명과 관련된 직류-직류 변환 시스템의 구성 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명과 관련된 직류-직류 변환 시스템(200)은, 업(Up)/다운(Down) 전압 변환 비율을 동시에 구현할 수 있는 스위치드 커패시터 컨버터(210)와, 상기 스위치드 커패시터 컨버터(210)를 구성하는 복수의 스위치들을 개별적으로 제어할 수 있는 스위치 제어기(120)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치드 커패시터 컨버터 회로를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 업/다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있는 직류-직류 컨버터로서, 16개의 스위치(301~316)와 3개의 커패시터(318~320)로 구성될 수 있다.
제1 스위치(301)의 일 단은 입력 단(Vin)에 연결된 제1 노드(N1)와 연결될 수 있고, 타 단은 제1 스위치(301)와 제3 스위치(303) 사이에 위치하는 제2 노드(N2)와 연결될 수 있다. 제2 스위치(312)의 일 단은 입력 단(Vin)에 연결된 제1 노드(N1)와 연결될 수 있고, 타 단은 제2 스위치(302)와 제5 스위치(305) 사이에 위치하는 제3 노드(N3)와 연결될 수 있다.
제3 스위치(303)의 일 단은 제2 노드(N1)와 연결될 수 있고, 타 단은 제3 스위치(303)와 제6 스위치(306) 사이에 위치하는 제4 노드(N4)와 연결될 수 있다. 제4 스위치(304)의 일 단은 제4 노드(N4)와 연결될 수 있고, 타 단은 제5 스위치(305)와 제7 스위치(307) 사이에 위치하는 제5 노드(N5)와 연결될 수 있다.
제5 스위치(305)의 일 단은 제3 노드(N3)와 연결될 수 있고, 타 단은 제5 노드(N5)와 연결될 수 있다. 제6 스위치(306)의 일 단은 제4 노드(N4)와 연결될 수 있고, 타 단은 제6 스위치(306)와 제8 스위치(308) 사이에 위치하는 제6 노드(N6)와 연결될 수 있다.
제7 스위치(307)의 일 단은 제5 노드(N5)와 연결될 수 있고, 타 단은 제7 스위치(307)와 제10 스위치(310) 사이에 위치하는 제7 노드(N7)와 연결될 수 있다. 제8 스위치(308)의 일 단은 제6 노드(N6)와 연결될 수 있고, 타 단은 제8 스위치(308)와 제11 스위치(311) 사이에 위치하는 제8 노드(N8)와 연결될 수 있다.
제9 스위치(309)의 일 단은 제8 노드(N8)와 연결될 수 있고, 타 단은 제10 스위치(310)와 제12 스위치(312) 사이에 위치하는 제9 노드(N9)와 연결될 수 있다. 제10 스위치(310)의 일 단은 제7 노드(N7)와 연결될 수 있고, 타 단은 제9 노드(N9)와 연결될 수 있다.
제11 스위치(311)의 일 단은 제8 노드(N8)와 연결될 수 있고, 타 단은 제11 스위치(311)와 제14 스위치(314) 사이에 위치하는 제10 노드(N10)와 연결될 수 있다. 제12 스위치(312)의 일 단은 제9 노드(N9)와 연결될 수 있고, 타 단은 제12 스위치(312)와 제15 스위치(315) 사이에 위치하는 제11 노드(N11)와 연결될 수 있다.
제13 스위치(313)의 일 단은 제11 노드(N11)와 연결될 수 있고, 타 단은 접지(ground)와 연결될 수 있다. 제14 스위치(314)의 일 단은 제10 노드(N10)와 연결될 수 있고, 타 단은 출력 단(Vo)에 연결된 제12 노드(N12)와 연결될 수 있다.
제15 스위치(315)의 일 단은 제11 노드(N11)와 연결될 수 있고, 타 단은 제12 노드(N12)와 연결될 수 있다. 제16 스위치(316)의 일 단은 제3 노드(N3)와 연결될 수 있고, 타 단은 접지(ground)와 연결될 수 있다.
즉, 제1 스위치(301), 제3 스위치(303), 제6 스위치(306), 제8 스위치(308), 제11 스위치(311) 및 제14 스위치(314)는 제1 노드(N1)와 제12 노드(N12) 사이에서 직렬로 연결될 수 있다. 제2 스위치(302), 제5 스위치(305), 제7 스위치(307), 제10 스위치(310), 제12 스위치(312), 제15 스위치(315) 역시 제1 노드(N1)와 제12 노드(N12) 사이에서 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제2 스위치(302), 제5 스위치(305), 제7 스위치(307), 제10 스위치(310), 제12 스위치(312), 제15 스위치(315)는 상기 제1 스위치(301), 제3 스위치(303), 제6 스위치(306), 제8 스위치(308), 제11 스위치(311) 및 제14 스위치(314)와 병렬로 배치될 수 있다.
제1 커패시터(318)의 일 단은 제2 노드(N2)와 연결될 수 있고, 타 단은 제3 노드(N3)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 제1 커패시터(318)의 일 단은 제1 및 제3 스위치(301, 303)의 일 단에 연결될 수 있고, 타 단은 제2, 제5 및 제16 스위치(302, 305, 316)의 일 단에 연결될 수 있다.
제2 커패시터(319)의 일 단은 제6 노드(N6)와 연결될 수 있고, 타 단은 제7 노드(N7)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 제2 커패시터(319)의 일 단은 제6 및 제8 스위치(306, 308)의 일 단에 연결될 수 있고, 타 단은 제7 및 제10 스위치(307, 310)의 일 단에 연결될 수 있다.
제3 커패시터(320)의 일 단은 제10 노드(N10)와 연결될 수 있고, 타 단은 제11 노드(N11)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 제3 커패시터(320)의 일 단은 제11 및 제14 스위치(311, 314)의 일 단에 연결될 수 있고, 타 단은 제12, 제13 및 제15 스위치(312, 313, 315)의 일 단에 연결될 수 있다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)의 입력 단(Vin)은 제1 스위치(301)의 일 단과 제2 스위치(302)의 일 단이 만나는 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, 출력 단(Vo)은 제14 스위치(314)의 타 단과 제15 스위치(315)의 타 단이 만나는 제12 노드(N12)에 연결될 수 있다.
본 실시 예에서, 제1 노드(N1)는 입력 단과 제1 스위치(301)의 일 단과 제2 스위치(302)의 일 단이 만나는 지점이고, 제2 노드(N2)는 제1 스위치(301)의 일 단과 제3 스위치(303)의 일 단과 제1 커패시터(318)의 일 단이 만나는 지점이며, 제3 노드(N3)는 제2 스위치(302)의 일 단과 제5 스위치(305)의 일 단과 제16 스위치(316)의 일 단과 제1 커패시터(318)의 일 단이 만나는 지점이다. 제4 노드(N4)는 제3 스위치(303)의 일 단과 제4 스위치(304)의 일 단과 제6 스위치(306)의 일 단이 만나는 지점이고, 제5 노드(N5)는 제4 스위치(304)의 일 단과 제5 스위치(305)의 일 단과 제7 스위치(307)의 일 단이 만나는 지점이며, 제6 노드(N6)는 제6 스위치(306)의 일 단과 제8 스위치(308)의 일 단과 제2 커패시터(319)의 일 단이 만나는 지점이다.
제7 노드(N7)는 제7 스위치(307)의 일 단과 제10 스위치(310)의 일 단과 제2 커패시터(319)의 일 단이 만나는 지점이고, 제8 노드(N8)는 제8 스위치(308)의 일 단과 제9 스위치(309)의 일 단과 제11 스위치(311)의 일 단이 만나는 지점이며, 제9 노드(N9)는 제9 스위치(309)의 일 단과 제10 스위치(310)의 일 단과 제12 스위치(312)의 일 단이 만나는 지점이다. 제10 노드(N10)는 제11 스위치(311)의 일 단과 제14 스위치(314)의 일 단과 제3 커패시터(320)의 일 단이 만나는 지점이고, 제11 노드(N11)는 제12 스위치(312)의 일 단과 제13 스위치(313)의 일 단과 제15 스위치(315)의 일 단과 제3 커패시터(320)의 일 단이 만나는 지점이며, 12 노드(N12)는 제14 스위치(314)의 일 단과 제15 스위치(315)의 일 단과 출력 단이 만나는 지점이다.
이러한 연결 구조를 갖는 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 내지 제16 스위치(301~316)의 스위칭 동작을 통해 총 10가지(1/4, 3/4, 4/3, 4/1, 1/3, 2/3, 3/2, 3/1, 1/2, 2/1)의 업/다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 제어를 통해 구현 가능한 전압 변환 비율을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 총 10가지(1/4, 3/4, 4/3, 4/1, 1/3, 2/3, 3/2, 3/1, 1/2, 2/1)의 업/다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제1 전압 변환 비율(1/4 다운)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제15 스위치(315)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 내지 제14 스위치(312~314)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 여기서, 제1 제어 신호(Φ1)와 제2 제어 신호(Φ2)는 하이 레벨 신호와 로우 레벨 신호가 주기적으로 반복되는 구형파 신호이다. 상기 제2 제어 신호(Φ2)는 제1 제어 신호(Φ1)와 반대되는 파형을 갖는다.
스위치 제어기는, 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제16 스위치(316)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다. 여기서, 제3 제어 신호(H)는 일정한 값을 갖는 하이 레벨 신호이고, 제4 제어 신호(L)는 일정한 값을 갖는 로우 레벨 신호이다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는, 스위치 제어기의 제1 내지 제4 제어 신호에 따라, 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 제1 전압 변환 비율(1/4 다운)을 획득할 수 있다. 이 때, 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드 사이에는 겹치는 시간이 없는 Non-overlap clock 으로 구성된다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제2 전압 변환 비율(3/4 다운)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311), 제15 스위치(315)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제14 스위치(314), 제16 스위치(316)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 스위치(312)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제13 스위치(313)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제3 전압 변환 비율(4/3 업)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제13 스위치(313)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 스위치(312), 제14 스위치(314)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제5 스위치(315), 제6 스위치(316), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제15 스위치(315)와 제16 스위치(316)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제4 전압 변환 비율(4/1 업)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311), 제13 스위치(313)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제14 스위치(314)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 스위치(312)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제15 스위치(315), 제16 스위치(316)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제5 전압 변환 비율(1/3 다운)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제10 스위치(310)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제16 스위치(316)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제11 스위치(311), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제12 스위치(312), 제13 스위치(313)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제6 전압 변환 비율(2/3 다운)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제9 내지 제11 스위치(309~311)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제4 스위치(304), 제8 스위치(308), 제16 스위치(316)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제12 스위치(312), 제13 스위치(313)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제7 전압 변환 비율(3/2 업)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제10 스위치(310), 제12 스위치(312), 제13 스위치(313)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제11 스위치(311)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제16 스위치(316)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제8 전압 변환 비율(3/1 업)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제13 스위치(313)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제4 스위치(304), 제8 스위치(308), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제9 스위치(309), 제11 스위치(311), 제12 스위치(312)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제16 스위치(316)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제9 전압 변환 비율(1/2 다운)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제5 스위치(305)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3 스위치(303), 제16 스위치(316)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제6 스위치(306), 제8 내지 제12 스위치(308~312), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제7 스위치(307), 제13 스위치(313)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 제10 전압 변환 비율(2/1 업)을 구현할 수 있다. 이를 위해, 스위치 제어기는, 제1 스위치(301), 제16 스위치(316)에 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제3 스위치(303), 제6 스위치(306)에 제2 제어 신호(Φ2)를 인가한다. 스위치 제어기는, 제8 내지 제12 스위치(308~312), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)에 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제4 스위치(304), 제5 스위치(305), 제7 스위치(307), 제13 스위치(313)에 제4 제어 신호(L)를 인가한다.
이처럼, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는, 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라, 1/4배에서 4배까지의 업/다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제1 전압 변환 비율(1/4)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 5의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 5의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 5의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 5의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 1/4배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제15 스위치(315)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 내지 제14 스위치(312~314)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5 스위치(315), 제6 스위치(316), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311)로 제3 제어 신호(하이 레벨 신호, H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제16 스위치(316)로 제4 제어 신호(로우 레벨 신호, L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 1/4배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다. 이 때, 제1 제어 신호(Φ1)와 제2 제어 신호(Φ2)는 두 신호 사이에 겹치는 구간이 없는 Non-overlap clock 형태의 신호이다. 이는 제1 제어 신호(Φ1)가 입력되는 스위치와 제2 제어 신호(Φ2)가 입력되는 스위치가 동시에 턴 온/오프 동작을 수행하지 않도록 하기 위함이다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 1을 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 2를 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00001
Figure 112018094877413-pat00002
위 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 아래 수학식 3을 계산할 수 있다. 아래 수학식 3을 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 1/4배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00003
도 6은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제2 전압 변환 비율(3/4)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 6의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 6의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 3/4배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311), 제15 스위치(315)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제14 스위치(314), 제16 스위치(316)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 스위치(312)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제13 스위치(313)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 3/4배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 4를 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 5를 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00004
Figure 112018094877413-pat00005
위 수학식 4와 수학식 5를 이용하여 아래 수학식 6을 계산할 수 있다. 아래 수학식 6을 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 3/4배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00006
도 7은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제3 전압 변환 비율(4/3)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 7의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 7의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 7의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 7의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 4/3배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제13 스위치(313)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 스위치(312), 제14 스위치(314)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제15 스위치(315), 제16 스위치(316)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 4/3배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 7을 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 8을 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00007
Figure 112018094877413-pat00008
위 수학식 7과 수학식 8을 이용하여 아래 수학식 9를 계산할 수 있다. 아래 수학식 9를 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 4/3배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00009
도 8은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제4 전압 변환 비율(4/1)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 8의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 8의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 8의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 8의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 4배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제11 스위치(311), 제13 스위치(313)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제14 스위치(314)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제12 스위치(312)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제15 스위치(315) 및 제16 스위치(316)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 4배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 10을 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 11을 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00010
Figure 112018094877413-pat00011
위 수학식 10과 수학식 11을 이용하여 아래 수학식 12를 계산할 수 있다. 아래 수학식 12를 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 4배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00012
도 9는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제5 전압 변환 비율(1/3)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 9의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 9의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 9의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 9의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 1/3배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제10 스위치(310)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제16 스위치(316)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제11 스위치(311), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제12 스위치(312), 제13 스위치(313)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 1/3배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 13을 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 14를 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00013
Figure 112018094877413-pat00014
위 수학식 13과 수학식 14를 이용하여 아래 수학식 15를 계산할 수 있다. 아래 수학식 15를 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 1/3배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00015
도 10은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제6 전압 변환 비율(2/3)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 10의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 10의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 10의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 10의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 2/3배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제9 내지 제11 스위치(309~311)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제4 스위치(304), 제8 스위치(308), 제16 스위치(316)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제12 스위치(312), 제13 스위치(313)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 2/3배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 16을 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 17을 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00016
Figure 112018094877413-pat00017
위 수학식 16과 수학식 17을 이용하여 아래 수학식 18을 계산할 수 있다. 아래 수학식 18을 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 2/3배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00018
도 11은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제7 전압 변환 비율(3/2)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 11의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 11의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 11의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 11의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 3/2배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제9 스위치(309), 제10 스위치(310), 제12 스위치(312), 제13 스위치(313)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제8 스위치(308), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제11 스위치(311)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제16 스위치(316)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 3/2배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 19를 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 20을 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00019
Figure 112018094877413-pat00020
위 수학식 19와 수학식 20을 이용하여 아래 수학식 21을 계산할 수 있다. 아래 수학식 21을 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 3/2배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00021
도 12는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제8 전압 변환 비율(3/1)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 12의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 12의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 12의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 12의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 3배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제5 스위치(305), 제6 스위치(306), 제10 스위치(310), 제13 스위치(313)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제4 스위치(304), 제8 스위치(318), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3 스위치(303), 제7 스위치(307), 제9 스위치(309), 제11 스위치(311), 제12 스위치(312)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제16 스위치(316)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 3배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 22를 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 23을 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00022
Figure 112018094877413-pat00023
위 수학식 22와 수학식 23을 이용하여 아래 수학식 24를 계산할 수 있다. 아래 수학식 24를 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 3배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00024
도 13은 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제9 전압 변환 비율(1/2)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 13의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 13의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 13의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 13의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 1/2배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301), 제4 스위치(304), 제5 스위치(305)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3 스위치(303), 제16 스위치(316)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제6 스위치(306), 제8 내지 제12 스위치(308~312), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제7 스위치(307), 제13 스위치(313)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 1/2배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 25를 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 26을 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00025
Figure 112018094877413-pat00026
위 수학식 25와 수학식 26을 이용하여 아래 수학식 27을 계산할 수 있다. 아래 수학식 27을 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 1/2배의 다운 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00027
도 14는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 제10 전압 변환 비율(2/1)을 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 즉, 도 14의 (a)는 스위치드 커패시터 컨버터의 모드 별 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 14의 (b)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 구동 파형을 나타내는 도면이며, 도 14의 (c)는 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치별 구동 파형을 테이블 형태로 나타내는 도면이다.
도 14의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 스위치 제어기의 제어 신호들에 따라 2배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
스위치 제어기에서 제1 스위치(301)로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2 스위치(302), 제3 스위치(303), 제6 스위치(306)로 상기 제1 제어 신호(Φ1)와 반대 파형인 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제8 내지 제12 스위치(308~312), 제14 스위치(314), 제15 스위치(315)로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제4 스위치(804), 제5 스위치(805), 제7 스위치(307), 제13 스위치(313), 제16 스위치(316)로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 경우, 스위치드 커패시터 컨버터(300)는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드를 번갈아 가면서 2배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있다.
제1 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터(300)를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 28을 구할 수 있고, 제2 스위칭 모드로 동작하는 스위치드 커패시터 컨버터를 등가 회로로 변환하면 아래 수학식 29를 구할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00028
Figure 112018094877413-pat00029
위 수학식 28과 수학식 29를 이용하여 아래 수학식 30을 계산할 수 있다. 아래 수학식 30을 통해, 스위치드 커패시터 컨버터(300)에서 2배의 업 전압 변환 비율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112018094877413-pat00030
도 15는 도 3에 도시된 스위치드 커패시터 컨버터의 출력 전압을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 스위치 제어기의 제어 신호에 따라 스위치드 커패시터 컨버터(300)의 출력 전압을 시뮬레이션한 결과, 5가지(1/4, 3/4, 1/3, 2/3, 1/2)의 다운 전압 변환 비율과 5가지(4/3, 4/1, 3/2, 3/1, 2/1)의 업 전압 변환 비율을 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 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.
200: 직류-직류 변환 시스템 210/300: 스위치드 커패시터 컨버터
220: 스위치 제어기 301: 제1 스위치
302: 제2 스위치 303: 제3 스위치
304: 제4 스위치 305: 제5 스위치
306: 제6 스위치 307: 제7 스위치
308: 제8 스위치 309: 제9 스위치
310: 제10 스위치 311: 제11 스위치
312: 제12 스위치 313: 제13 스위치
314: 제14 스위치 315: 제15 스위치
316: 제16 스위치 318: 제1 커패시터
319: 제2 커패시터 320: 제3 커패시터

Claims (16)

  1. 제1 내지 제16 스위치와 제1 내지 제3 커패시터가 전기적으로 연결되어 구성되며, 상기 제1 내지 제16 스위치 중 적어도 하나의 스위칭 동작을 통해 입력 전압을 변환하여 출력하는 스위치드 커패시터 컨버터; 및
    상기 제1 내지 제16 스위치를 개별적으로 구동하기 위한 복수의 제어 신호들을 상기 스위치드 커패시터 컨버터로 인가하여, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 하나 이상의 승압 전압 변환 비율과 하나 이상의 감압 전압 변환 비율이 출력되도록 하는 스위치 제어기를 포함하되,
    상기 스위치드 커패시터 컨버터는, 입력 단이 제1 스위치의 일 단과 제2 스위치의 일 단이 만나는 제1 노드에 연결되고, 제1 커패시터의 일 단은 제1 및 제3 스위치의 일 단이 만나는 제2 노드에 연결되고, 타 단은 제2, 제5 및 제16 스위치의 일 단이 만나는 제3 노드에 연결되며, 제2 커패시터의 일 단은 제6 및 제8 스위치의 일 단이 만나는 제4 노드에 연결되고, 타 단은 제7 및 제10 스위치의 일 단이 만나는 제5 노드에 연결되며, 제3 커패시터의 일 단은 제11 및 제14 스위치의 일 단이 만나는 제6 노드에 연결되고, 타 단은 제12, 제13 및 제15 스위치의 일 단이 만나는 제7 노드에 연결되며, 출력 단은 제14 스위치의 일 단과 제15 스위치의 일 단이 만나는 제8 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치드 커패시터 컨버터는, 상기 복수의 제어 신호들에 따라, 입력 전압을 다양한 비율로 승압 또는 감압하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치드 커패시터 컨버터는, 4/3배, 3/2배, 2배, 3배, 4배의 승압 전압 변환 비율과, 1/4배, 1/3배, 1/2배, 2/3배, 3/4배의 감압 전압 변환 비율을 제공하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제4 스위치의 일 단은 제3 및 제6 스위치의 일 단이 만나는 제9 노드에 연결되고, 타 단은 제5 및 제7 스위치의 일 단이 만나는 제10 노드에 연결되고,
    제9 스위치의 일 단은 제8 및 제11 스위치의 일 단이 만나는 제11 노드에 연결되고, 타 단은 제10 및 제12 스위치의 일 단이 만나는 제12 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터의 전압 변환 비율을 선택하고,
    상기 선택된 전압 변환 비율을 낼 수 있도록 상기 제1 내지 제16 스위치를 제어하는 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제어신호들은, 제1 내지 제4 제어신호를 포함하고,
    제1 및 제2 제어신호는, 두 신호 사이에 겹치는 구간이 없는 비 중첩 클럭(Non-overlap clock) 형태의 신호이고,
    제3 및 제4 제어신호 중 어느 하나는 하이 레벨 신호이고, 다른 하나는 로우 레벨 신호임을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 1/4배의 감압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제4, 제9, 제15 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3, 제7, 제8, 제12, 제13, 제14 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5, 제6, 제10, 제11 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2, 제16 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 3/4배의 감압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제5, 제6, 제10, 제11, 제15 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제4, 제9, 제14, 제16 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3, 제7, 제8, 제12 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2, 제13 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 4/3배의 승압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제4, 제9, 제13 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2, 제3, 제7, 제8, 제12, 제14 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5, 제6, 제10, 제11 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제15, 제16 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 4배의 승압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제5, 제6, 제10, 제11, 제13 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2, 제4, 제9, 제14 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3, 제7, 제8, 제12 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제15, 제16 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 1/3배의 감압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제4, 제9, 제10 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3, 제7, 제8, 제16 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5, 제6, 제11, 제14, 제15 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2, 제12, 제13 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 2/3배의 감압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제5, 제6, 제9, 제10, 제11 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제4, 제8, 제16 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3, 제7, 제14, 제15 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2, 제12, 제13 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 3/2배의 승압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제4, 제9, 제10, 제12, 제13 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2, 제3, 제7, 제8, 제14, 제15 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제5, 제6, 제11 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제16 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 3배의 승압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제5, 제6, 제10, 제13 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2, 제4, 제8, 제14, 제15 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제3, 제7, 제9, 제11, 제12 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제16 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 1/2배의 감압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제4, 제5 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제3, 제16 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제6, 제8, 제9, 제10, 제11, 제12, 제14, 제15 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제2, 제7, 제13 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터에서 2배의 승압 전압 변환 비율이 출력되도록, 제1, 제16 스위치로 제1 제어 신호(Φ1)를 인가하고, 제2, 제3, 제6 스위치로 제2 제어 신호(Φ2)를 인가하며, 제8, 제9, 제10, 제11, 제12, 제14, 제15 스위치로 제3 제어 신호(H)를 인가하고, 제4, 제5, 제7, 제13 스위치로 제4 제어 신호(L)를 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 기반의 직류-직류 변환 시스템.
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