KR102481521B1 - 복수의 동작 모드를 제공하는 dc-dc 변환기 - Google Patents

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Abstract

복수의 동작 모드를 제공하는 DC-DC 변환기가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 DC-DC 변환기는 입력 전압을 낮추는 벅(Buck) 전력단; 입력 전압을 높이는 부스트(Boost) 전력단; 및 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어하는 다중모드 제어기를 포함할 수 있다. 다중 모드 제어기는 입력 전압과 출력 전압에 따라 상기 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어하기 위한 신호를 생성하고, 신호를 이용하여 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어할 수 있다.

Description

복수의 동작 모드를 제공하는 DC-DC 변환기{DC-DC CONVERTER PROVIDING MULTIPLE OPERATION MODE}
본 발명은 복수의 동작 모드를 제공하는 DC-DC 변환 장치에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 다중 모드 제어기를 이용하여 복수의 동작 모드를 제공하는 DC-DC 변환기에 대한 것이다.
최근 휴대용 전자 장치는 작은 크기, 가벼운 무게, 긴 사용시간에 대한 기능을 요구한다. 이러한 흐름에 따라, DC-DC 변환기는 휴대용 전자 장치의 필수적인 구성이 되었다. DC-DC 변환기는 입력 전압과 출력 전압의 관계에 따라 벅 변환기, 부스트 변환기 그리고 벅-부스트 변환기로 사용되고 있다.
벅-부스트 변환기는 벅 변환기의 기능과 부스트 변환기의 기능을 모두 보유하고 있어서 벅 변환기 및 부스트 변환기를 대체할 수 있다. 하지만, 독립적으로 사용하는 것에 비해 효율이 떨어질 수 있다. 또한, 벅 변환기 및 부스트 변환기의 기능을 모두 지원하기 위해 각각의 독립적인 제어기가 필요하다.
본 발명은 벅-부스트 변환기에 스위치 및 제어기를 추가하여 벅 변환기, 부스트 변환기 및 벅-부스트 변환기를 독립적으로 사용할 수 있는 발명이다. 또한, 추가된 스위치를 통해 기존의 변환기보다 낮은 전도 손실 특성을 가지므로 높은 변환효율을 얻는다.
또한, 본 발명은 한 개의 다중 모드 제어기를 통해 세 가지 동작 모드를 제어함으로써 추가적인 제어기가 필요하지 않고, 동작 모드를 변경하기 위해 복잡한 알고리즘이 요구되지 않으므로 효율적으로 복수의 동작 모드를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 DC-DC 변환기는 입력 전압을 낮추는 벅(Buck) 전력단; 입력 전압을 높이는 부스트(Boost) 전력단; 및 상기 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어하는 다중모드 제어기를 포함할 수 있다.
상기 다중 모드 제어기는 상기 입력 전압과 출력 전압에 따라 상기 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어하기 위한 신호를 생성하고, 상기 신호를 이용하여 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어할 수 있다.
상기 벅 전력단은 입력 전압을 낮추기 위해 상기 다중 모드 제어기의 신호를 입력 받아 작동하는 벅 스위치를 포함할 수 있고, 상기 입력 전압을 높이려는 경우, 상기 벅 전력단의 저항을 낮추기 위해 상기 벅 스위치와 함께 배치되는 제1 보조 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 부스트 전력단은 입력 전압을 높이기 위해 상기 다중 모드 제어기의 신호를 입력 받아 작동하는 부스트 스위치를 포함할 수 있고, 상기 입력 전압을 낮추려는 경우, 상기 부스트 전력단의 저항을 낮추기 위해 상기 부스트 스위치와 함께 배치되는 제2 보조 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 다중 모드 제어기는 상기 입력 전압에 따라 단일 비트로 이루어진 신호를 출력하는 단일비트 제어기를 포함할 수 있다.
상기 다중 모드 제어기는 듀오 바이너리 인코더(duo-binary encoder)를 포함할 수 있고, 상기 듀오 바이너리 인코더는 상기 단일비트 제어기가 출력한 신호를 듀오 바이너리 인코딩하고, 상기 인코딩된 신호를 이용하여 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어할 수 있다.
상기 다중 모드 제어기는 상기 DC-DC 변환기가 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작할 때 필요한 신호를 생성하는 독립 모드 선택기를 포함할 수 있다.
상기 듀오 바이너리 인코더는 상기 DC-DC 변환기가 벅 모드, 부스트 모드 및 벅-부스트 모드 중 하나로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어할 수 있다.
상기 듀오 바이너리 인코더는 상기 입력 전압이 제1 기준 전압보다 높은 경우, 상기 DC-DC 변환기가 벅 모드로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하고, 상기 입력 전압이 제2 기준 전압보다 낮은 경우, 상기 DC-DC 변환기가 부스트 모드로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하고, 상기 입력 전압이 제1 기준 전압과 제2 기준 전압의 사이일 경우, 상기 DC-DC 변환기가 벅-부스트 모드로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하고, 상기 제1 기준 전압은 제2 기준 전압보다 높다.
본 발명의 일실시예에 따른 전압을 변환하는 방법은 상기 전압을 입력 받는 단계; 상기 입력된 전압에 따른 단일 비트를 생성하는 단계; 상기 단일 비트를 듀오 바이너리 인코딩(duo-binary encoding)하는 단계; 상기 인코딩된 단일 비트를 이용하여 DC-DC 변환기가 벅 모드, 부스트 모드 및 벅-부스트 모드 중 하나로 동작하도록 결정하는 단계; 및 상기 결정된 동작 모드에 따라 DC-DC 변환기를 제어하여 상기 입력된 전압을 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실예에 따르면, 벅-부스트 변환기에 스위치 및 제어기를 추가하여 벅 변환기, 부스트 변환기 및 벅-부스트 변환기를 독립적으로 사용할 수 있는 발명이다. 그리고 추가된 스위치를 통해 기존의 변환기보다 낮은 전도 손실 특성을 가지므로 높은 변환효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 다중 모드 제어기를 통해 세 가지 동작 모드를 제어함으로써 추가적인 제어기가 필요하지 않고, 동작 모드를 변경하기 위한 복잡한 알고리즘이 요구되지 않으므로 효율적으로 복수의 동작 모드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, DC-DC 변환기의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 다중 모드 제어기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른, 단일비트 제어기의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른, 독립 모드 제어기의 동작 방식을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른, 듀오 바이너리 인코더의 동작 방식을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 듀오 바이너리 인코더를 통해 스위치를 제어하는 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 듀오 바이너리 인코더를 통해 스위치를 제어했을 때 나타나는 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른, DC-DC 변환기의 변환 효율을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, DC-DC 변환기의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 DC-DC 변환기는 벅(Buck) 전력단(101), 부스트(Boost) 전력단(102) 및 다중 모드 제어기(103)를 포함한다. 또한, 본 발명의 DC-DC 변환기는 커패시터(105), 로드 저항(106) 및 인덕터(104)를 포함하고 있다.
벅 전력단(101)은 벅 모드 동작을 수행하기 위한 스위치(109, 110)를 포함하고 있다. 또한, 본원발명은 DC-DC 변환기의 저항을 줄임으로써 변환 효율을 높이기 위한 추가 스위치(107)를 포함한다.
부스트 전력단(102)은 부스트 모드 동작을 수행하기 위한 스위치(111, 112)를 포함하고 있다. 또한, 부스트 전력단(102)은 벅 전력단과 마찬가지로 DC-DC 변환기의 저항을 줄임으로써 변환 효율을 높이기 위한 추가 스위치(108)를 포함한다.
추가 스위치(107, 108)는 NMOS 트랜지스터, PMOS 트랜지스터 도는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터를 동시에 사용하는 CMOS 트랜지스터로 구성할 수 있다. 특히, NMOS로 추가 스위치(107, 108)를 구성하는 경우, 적은 면적으로 DC-DC 변환기의 저항을 낮출 수 있고, 칩의 크기를 줄일 수 있다.
본원발명의 DC-DC 변환기는 다중 모드 제어기(103)의 제어 신호(113, 114)에 따라 스위치(107-112)를 제어한다. 또한, 본원발명의 DC-DC 변환기는 다중 모드 제어기(103)를 통해 벅 모드, 부스트 모드 또는 벅-부스트 모드로 동작할 수 있다. 하나의 제어기로 복수의 동작 모드를 제어함으로써 입력 전압이 가변적인 경우에도 효율적으로 입력 전압을 일정한 출력전압으로 변환할 수 있다.
본원발명의 DC-DC 변환기는 한 개의 제어기를 통해 세 가지 모드로 동작할 수 있기 때문에, 여러 제어기를 사용할 때 발생하는 데드 존이 발생하지 않는다. 또한, 본원발명은 데드 존을 줄이기 위한 전력 소모가 큰 복잡한 알고리즘을 필요로 하지 않는다.
구체적으로, 입력 전압과 출력 전압에 따라 다중 모드 제어기(103)가 벅 모드로 동작 모드를 결정한 경우, 다중 모드 제어기(103)는 벅 모드 제어 신호(113)를 통해 벅 전력단(101) 내부의 스위치(109, 110)를 제어한다.
그리고, 다중 모드 제어기(103)는 부스트 모드 제어 신호(114)를 통해 부스트 전력단(102)의 스위치(112)를 작동하도록 하고, 부스트 전력단(102)의 스위치(111)를 작동하지 않도록 한다. 또한, 추가 스위치(107)를 작동하지 않도록 하고, 추가 스위치(108)를 켬으로써 인덕터(104)와 출력 전압 사이의 저항을 낮추어 전도 손실을 줄일 수 있다.
그리고, 부스트 모드가 동작 모드로 결정된 경우, 다중 모드 제어기(103)는 제어 신호(114)를 통해 부스트 전력단(102)의 스위치(111, 112)를 제어한다. 또한, 다중 모드 제어기(103)는 벅 모드 제어 신호(113)을 통해 벅 전력단의 스위치(109)를 작동하도록 하고, 스위치(110)를 작동하지 않도록 한다.
그리고, 다중 모드 제어기(103)는 추가 스위치(108)를 작동하지 않도록 하고, 추가 스위치(107)가 작동하도록 함으로써 부스트 모드에서 입력 전압과 인덕터(104) 사이의 전도 손실을 줄일 수 있다.
또한, 다중 모드 제어기(103)는 벅-부스트 모드일 때, 추가 스위치(107, 108) 모두 작동하지 않도록 할 수 있고, 전도 손실을 방지하기 위해 벅 전력단(101) 및 부스트 전력단(102)의 스위치(109, 112)와 추가 스위치(107, 108)가 동기화하여 작동하게 할 수 있다.
일례로, 로드 전류(106)이 큰 경우 동작 모드의 스위칭으로 인한 손실의 영향이 크지 않기 때문에 다중 모드 제어기(103)는 추가 스위치(107, 108)를 각각 스위치(109, 112)와 동기화하여 작동시키고, 로드 전류(106)가 작은 경우 추가 스위치(107, 108)는 작동하지 않도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 다중 모드 제어기의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 다중 모드 제어기(103)는 단일비트 제어기(202), 독립 모드 선택기(204), 듀오 바이너리(duo-binary) 인코더(203)로 구성된다. 추가적으로, 독립 모드 선택기(204) 및 듀오 바이너리 인코더(203)로부터 출력 신호들을 결합하는 MUX 회로(206) 및 결합된 신호를 이용하여 개별 모드(벅 모드 또는 부스트 모드) 동작을 수행할지 듀오 바이너리 모드 동작을 수행할지 결정하는 모드 선택기(205)가 다중 모드 제어기(103)에 포함된다.
입출력 전압이 명확히 정해진 경우, 독립 모드 선택기(204)의 출력을 이용하여 DC-DC 변환기를 동작하는 것이 적절하고, 입출력 전압이 명확이 정의되지 않아 어떤 모드로 동작 시켜야 할지 알 수 없는 경우에는 듀오 바이너리 인코더(203)을 이용하여 DC-DC 변환기를 동작시키는 것이 적절하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른, 단일비트 제어기의 구성을 도시한 도면이다.
단일비트 제어기(202)는 펄스 폭 변조기(pulse width modulation, PWM)(301), 델타-시그마 모듈레이터(delta-sigma modulator, DSM)(302) 및 단일비트 ADC(Analog to Digital Converter)(303) 중 하나로 구성될 수 있다. 단일비트 제어기(202)는 여러 종류의 1 비트 제어기로 구성될 수 있다.
또한, 단일비트 제어기(202)는 루프 보상 회로(loop compensator)로부터 입력을 받아 동작 모드에 관한 신호를 생성하는 독립 모드 제어기(204) 및 듀오 바이너리 인코더(203)에 펄스 신호(201)를 출력한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른, 독립 모드 제어기의 동작 방식을 도시한 도면이다.
독립 모드 선택기(204)는 벅 모드 동작 및 부스트 모드 동작에 필요한 펄스 신호를 생성한다. 본 발명의 DC-DC 변환기가 벅 모드(401)로 동작할 때, 다중 모드 제어기(103)가 벅 전력단으로 보내는 벅 모드 제어 신호(113)만 활성화되도록 한다.
또한, 다중 모드 제어기(103)가 부스트 모드 제어 신호(114)를 비활성화 함으로써, 부스트 전력단의 스위치(112) 및 추가 스위치(108)는 항상 작동하도록 하고, 스위치(113)는 항상 작동하지 않도록 한다.
구체적으로, 출력 전압이 원하는 전압보다 높을 경우, 단일비트 제어기(202)는 낮은 펄스에 비해 높은 펄스의 빈도를 높여 출력하고, 이를 독립 모드 선택기(204)가 입력 받아 벅 보드 제어 신호(113)를 통해 벅 전력단의 스위치(110)가 오래 켜져 있도록 제어함으로써 출력 전압을 낮추게 된다.
반대로, 출력 전압이 원하는 전압보다 낮은 경우 단일비트 제어기(202)는 낮은 펄스의 빈도를 높여서 출력한다. 이를 독립 모드 선택기(204)가 입력 받아 벅 모드 제어 신호(113)를 통해 벅 전력단의 스위치(109)가 계속 작동하도록 제어함으로써 출력 전압이 증가하도록 한다.
부스트 모드(402)로 동작하게 될 경우, 다중 모드 제어기(103)는 부스트 전력단으로 보내는 부스트 모드 제어 신호(114)만 활성화되도록 한다. 다중 모드 제어기(103)가 벅 모드 제어 신호(113)는 활성화되지 않도록 함으로써, 벅 전력단의 스위치(109) 및 추가 스위치(107)는 항상 작동하도록 하고, 스위치(110)는 항상 작동하지 않도록 한다.
부스트 모드 제어 신호(114)는 단일비트 제어기의 출력 신호와 반대의 위상을 가지도록 구현될 수 있다. 출력 전압이 원하는 전압보다 높으면, 단일 비트 제어기(202)는 낮은 펄스 신호에 비해 높은 펄스 신호의 빈도를 높여 출력한다. 이를 독립 모드 선택기(204)가 입력 받아 부스트 모드 제어 신호(114)를 통해 부스트 전력단의 스위치(112)를 계속 작동하도록 함으로써 출력 전압을 원하는 전압으로 조정할 수 있다.
반대로, 출력 전압이 원하는 전압보다 낮은 경우, 단일비트 제어기(202)는 낮은 펄스 신호의 빈도를 높여서 출력한다. 이를 독립 모드 선택기(204)가 입력 받아 부스트 모드 제어 신호(114)를 통해 부스트 전력단의 스위치(111)를 계속 작동하도록 함으로써 출력 전압을 원하는 전압으로 조정할 수 있다.
본 발명의 DC-DC 변환기가 벅-부스트 모드로 동작하게 하기 위해서는 듀오 바이너리 인코더(203)가 인코딩된 단일비트 제어기(202) 신호를 이용하여 스위치를 제어해야 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른, 듀오 바이너리 인코더의 동작 방식을 도시한 도면이다.
듀오 바이너리 인코더(203)는 두 가지 동작 모드를 가질 수 있다.
먼저 혼합 모드 (501)는 벅 모드, 부스트 모드, 벅-부스트 모드를 혼용하여 사용하며, 자동으로 모드를 변경하면서 변환을 수행한다.
듀오 바이너리 인코더(203)는 단일비트 제어기(202)의 펄스 신호를 듀오 바이너리 인코딩한다. 구체적으로, 단일 비트 출력과 지연된 단일 비트 출력의 합을 이용하여 인코딩 한다(
Figure 112019121613985-pat00001
). 듀오 바이너리 인코딩된 단일비트 제어기(202)의 펄스 신호는 0, 1, 2의 신호를 가지게 된다.
0, 1, 2 각각의 신호는 듀오 바이너리 인코더(203)를 통한 충전(charging), 바이패싱(bypassing), 방전(discharging) 동작과 대응된다. 혼합 모드(501)로 본 발명의 DC-DC 변환기의 스위치를 제어하면 인덕터(104)에 흐르는 전류의 크기를 줄일 수 있기 때문에 전도 손실 및 스위칭 손실을 개선할 수 있다.
일례로, 단일 비트 제어기(202)가 DSM을 포함하는 경우, 듀오 바이너리 인코딩을 적용한 제어기법은 벅, 벅-부스트, 부스트 모드 간의 변환이 DSM의 출력 비트 스트림(bit stream)에 의해 자동으로 결정된다. 이러한 이유로, 본원발명은 데드존(dead zone)이 발생하지 않아 복잡한 알고리즘이나 모드 변환을 위한 레퍼런스 회로가 필요하지 않다는 특징이 있다.
혼합 모드(501)로 동작할 경우, 개별 모드(벅 모드 또는 부스트 모드)로 동작하기 위해 추가하였던 추가 스위치(107, 108)는 모두 작동하지 않도록 하거나, 추가적인 전도 손실의 감소를 위해서 벅 전력단의 스위치(109) 및 부스트 전력단의 스위치(112)와 동기화하여 작동하도록 할 수 있다.
혼합 모드(501)의 경우, 벅 모드, 부스트 모드 및 벅-부스트 모드 간의 경계가 불분명하다. 이러한 이유로 명확한 동작 모드의 구분이 필요한 경우, 이산 모드(502)를 통해 각 모드의 경계를 구분할 수 있는 기준 전압을 추가하여 각 모드를 구분 지을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 듀오 바이너리 인코더를 통해 스위치를 제어하는 일례를 도시한 도면이다.
도 6의 (a)는 다중 모드 제어기(103)의 듀오 바이너리 인코더(203)를 통해 본 발명의 DC-DC 변환기에서 충전, 바이패싱, 방전 동작이 이루어지는 과정을 도시한 것이다.
도 6의 (b)는 이산 모드(502)에서 입력 전압과 기준 전압에 따른 동작 모드의 변화를 도시하고 있다. 또한, 아래 그래프는 단일비트 제어기(202)로부터 펄스 신호(606), 지연된 펄스 신호(607)를 듀오 바이너리 인코더가 듀오 바이너리 인코딩 하여 생성한 신호(608)에 따라 충전, 바이패싱, 방전 동작을 결정하는 모습을 도시한 그래프이다.
이산 모드(502)는 입력 전압을 기준 전압과 비교하여 동작 모드를 결정한다. 즉, 입력 전압이 높은 기준 전압(604) 보다 높을 경우 벅 모드로만 동작 시키고, 입력 전압이 낮은 기준 전압(605) 보다 낮을 경우 부스트 모드로만 동작 시킨다. 이외에 입력전압이 높은 기준 전압(604)과 낮은 기준 전압(605) 사이인 경우 벅-부스트 모드로 동작시켜 각 모드가 혼재되지 않도록 한다.
본원발명의 DC-DC 변환기가 혼합 모드(501)로 동작할 때, 벅 모드에서도 충전 동작(603)이 발생할 수 있다. 그러나, 이산 모드(502)로 동작할 때, 듀오 바이너리 인코더(203)는 충전 동작(603)이 발생하더라도 바이패싱 동작(601)으로 강제한다. 그리고 듀오 바이너리 인코더(203)는 입력 전압이 높은 기준 전압(604) 보다 큰 경우 방전 동작(602), 바이패싱 동작(601)만 이루어 지도록 한다.
또한, 본원발명의 DC-DC 변환기가 부스트 모드로 동작하는 경우, 방전 동작(602)이 발생하더라도 듀오 바이너리 인코더(203)는 이 동작을 바이패싱 동작(601)으로 바꾸어 순수한 부스트 동작만이 이루어 질 수 있도록 한다.
명확한 동작 구분이 이루어질 경우, 벅 또는 부스트 모드 동작에서 추가적인 스위칭 동작(예: 벅 모드에서 충전 동작, 부스트 모드에서 방전 동작)이 수행되지 않아도 된다. 따라서, 동작 모드를 바꿀 때 생기는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 또한, 특정 동작 모드에서 DC-DC 변환기의 동작이 어떻게 이루어지고 있는지를 확인할 수 있기 때문에 시스템 응용에 본원발명이 활용될 수 있다.
본원발명의 DC-DC 변환기가 이산 모드(502)로 동작할 때, 입력전압이 높은 기준 전압(604)과 낮은 기준 전압(605) 사이라면 본원발명은 벅 모드, 부스트 모드, 및 벅-부스트 모드로 혼재되어 동작할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 듀오 바이너리 인코더를 통해 스위치를 제어했을 때 나타나는 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 듀오 바이너리 인코더(203) 동작 모드 중에서도 이산 동작 모드(502)에 의해 스위치를 제어한 경우의 전압 변화를 도시한 것이다. 기준 전압과 입력 전압의 비교에 따라, 도 7의 (a)는 부스트 모드로 동작하는 경우의 전압 변화를 도시한 것이다.
부스트 모드로 동작할 경우 벅 모드 제어 신호의 비활성화로 벅 전력단의 스위치(109)만 작동하기 때문에, 전압(701)은 상수 값을 나타내고, 부스트 모드 제어 신호(114)에 의해 전압(702)은 스위칭 된다. 또한, 도 7의 (a)에서 알 수 있듯이, 충전 동작과 바이패싱 동작만이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
도 7의 (b)는 기준 전압과 입력 전압의 비교에 따라 벅-부스트 모드로 동작하는 경우이다. 벅 모드 제어 신호(113), 부스트 모드 제어 신호(114) 모드 활성화되기 때문에 전압(703, 704) 모두 스위칭 되는 것을 확인할 수 있다.
도 7의 (c)는 기준 전압과 입력 전압의 비교에 따라 벅 모드로 동작하는 경우이다. 부스트 모드 제어 신호(114)는 비활성화 되기 때문에 전압(706)은 상수 값을 나타내고, 벅 모드 제어 신호(113)에 의해 전압(705)는 스위칭 되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 방전 동작과 바이패싱 동작만이 이루어 지는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른, DC-DC 변환기의 변환 효율을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 듀오 바이너리 인코더(203)의 이산 모드(502)에 따라 동작할 때 DC-DC 변환기의 변환 효율을 나타낸다. 명확한 모드 구분을 통한 본 발명의 DC-DC 변환기는 모든 동작 모드에서 80% 이상의 효율을 나타내고 있음을 알 수 있다.
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
101: 벅 전력단
102: 부스트 전력단
103: 다중 모드 제어기
104: 인덕터
105: 커패시터
106: 로드 저항
107: 벅 전력단의 추가 스위치
108: 부스트 전력단의 추가 스위치
109: 벅 전력단의 스위치
110: 벅 전력단의 스위치
111: 부스트 전력단의 스위치
112: 부스트 전력단의 스위치
113: 벅 모드 제어 신호
114: 부스트 모드 제어 신호

Claims (9)

  1. DC-DC 변환기에 있어서,
    입력 전압을 낮추는 벅(Buck) 전력단;
    입력 전압을 높이는 부스트(Boost) 전력단; 및
    상기 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어하는 다중 모드 제어기
    를 포함하고,
    상기 다중 모드 제어기는,
    상기 입력 전압과 출력 전압에 따라 상기 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어하기 위한 신호를 생성하고, 상기 신호를 이용하여 벅 전력단 및 부스트 전력단을 제어하고,
    상기 벅 전력단은,
    입력 전압을 낮추기 위해 상기 다중 모드 제어기의 신호를 입력 받아 작동하는 벅 스위치의 세트를 포함하고, 상기 입력 전압을 높이려는 경우 상기 벅 전력단의 저항을 낮추기 위해 상기 벅 스위치의 세트 중 하나와 함께 배치되는 제1 추가 스위치를 더 포함하고,
    상기 부스트 전력단은,
    입력 전압을 높이기 위해 상기 다중 모드 제어기의 신호를 입력 받아 작동하는 부스트 스위치의 세트를 포함하고, 상기 입력 전압을 낮추려는 경우 상기 부스트 전력단의 저항을 낮추기 위해 상기 부스트 스위치의 세트와 함께 배치되는 제2 추가 스위치를 더 포함하고,
    상기 다중 모드 제어기는,
    상기 DC-DC 변환기가 상기 벅 스위치의 세트를 이용하여 벅 모드로 동작하는 경우, 상기 다중 모드 제어기는 제2 추가 스위치와 병렬 연결된 부스트 스위치는 작동되고 다른 부스트 스위치는 작동되지 않도록 스위치를 제어하고,
    상기 다중 모드 제어기는,
    상기 DC-DC 변환기가 상기 부스트 스위치의 세트를 이용하여 부스트 모드로 동작하는 경우, 상기 다중 모드 제어기는 제1 추가 스위치와 병렬 연결된 벅 스위치는 작동되고 다른 벅 스위치는 작동하지 않도록 스위치를 제어하고,
    상기 다중 모드 제어기는,
    상기 입력 전압에 따라 단일 비트로 이루어진 신호를 출력하는 단일 비트 제어기; 및
    듀오 바이너리 인코더를 포함하고,
    상기 듀오 바이너리 인코더는,
    상기 DC-DC 변환기가 벅 모드로 동작하는 경우, 방전 동작 및 바이패싱 동작만 수행되도록 하고, 상기 DC-DC 변환기가 부스트 모드로 동작하는 경우, 부스트 동작만 수행되도록 하는
    DC-DC 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 변환기가 벅 모드로 동작하는 경우, 상기 다중 모드 제어기는 상기 제1 추가 스위치는 작동하지 않고 상기 제2 추가 스위치는 작동하도록 하는 DC-DC 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 변환기가 부스트 모드로 동작하는 경우, 상기 다중 모드 제어기는 상기 제1추가 스위치는 작동하고 상기 제2 추가 스위치는 작동하지 않도록 하는
    DC-DC 변환기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 듀오 바이너리 인코더는,
    상기 단일비트 제어기가 출력한 신호를 듀오 바이너리 인코딩하고, 상기 인코딩된 신호를 이용하여 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하는,
    DC-DC 변환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다중 모드 제어기는 상기 DC-DC 변환기가 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작할 때 필요한 신호를 생성하는 독립 모드 선택기를 포함하는,
    DC-DC 변환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 듀오 바이너리 인코더는,
    상기 DC-DC 변환기가 벅 모드, 부스트 모드 및 벅-부스트 모드 중 하나로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하는,
    DC-DC 변환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 듀오 바이너리 인코더는,
    상기 입력 전압이 제1 기준 전압보다 높은 경우, 상기 DC-DC 변환기가 벅 모드로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하고,
    상기 입력 전압이 제2 기준 전압보다 낮은 경우, 상기 DC-DC 변환기가 부스트 모드로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하고,
    상기 입력 전압이 제1 기준 전압과 제2 기준 전압의 사이일 경우, 상기 DC-DC 변환기가 벅-부스트 모드로 동작하도록 상기 벅 전력단 또는 부스트 전력단을 제어하고,
    상기 제1 기준 전압은 제2 기준 전압보다 높은, DC-DC 변환기.
  9. 전압을 변환하는 방법에 있어서,
    상기 전압을 입력 받는 단계;
    상기 입력된 전압에 따른 단일 비트를 생성하는 단계;
    상기 단일 비트를 듀오 바이너리 인코딩(duo-binary encoding)하는 단계;
    상기 인코딩된 단일 비트를 이용하여 DC-DC 변환기가 벅 모드, 부스트 모드 및 벅-부스트 모드 중 하나로 동작하도록 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 동작 모드에 따라 DC-DC 변환기를 제어하여 상기 입력된 전압을 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 벅 모드는,
    벅 전력단의 벅 스위치의 세트가 다중 모드 제어기로부터 제어 신호를 입력 받아 입력 전압을 낮추도록 작동하도록 구성되고, 상기 벅 스위치의 세트 중 하나와 함께 배치된 제1 추가 스위치는 입력 전압을 증가시키는 경우 상기 벅 전력단의 저항을 낮추도록 작동하고,
    상기 부스트 모드는,
    부스트 전력단의 부스트 스위치의 세트가 다중 모드 제어기로부터 제어 신호를 입력 받아 입력 전압을 높이도록 작동하도록 구성되고, 상기 부스트 스위치의 세트 중 하나와 함께 배치된 제2 추가 스위치는 입력 전압을 감소시키는 경우 상기 부스트 전력단의 저항을 낮추도록 작동하고,
    상기 벅 모드에서, 부스트 스위치 중 상기 제2 추가 스위치와 병렬 연결된 부스트 스위치는 작동되도록 제어되고 다른 부스트 스위치는 작동되지 않도록 제어되고, 상기 부스트 모드에서, 벅 스위치 중 상기 제1 추가 스위치와 병렬 연결된 벅 스위치는 작동되도록 제어되고 다른 벅 스위치는 작동하지 않도록 제어되고,
    상기 다중 모드 제어기는,
    상기 입력 전압에 따라 단일 비트로 이루어진 신호를 출력하는 단일 비트 제어기; 및
    듀오 바이너리 인코더를 포함하고,
    상기 듀오 바이너리 인코더는,
    상기 DC-DC 변환기가 벅 모드로 동작하는 경우, 방전 동작 및 바이패싱 동작만 수행되도록 하고, 상기 DC-DC 변환기가 부스트 모드로 동작하는 경우, 부스트 동작만 수행되도록 하는
    전압 변환 방법.
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