KR102488426B1 - 예측 펄스폭 변조기를 구비한 전력 컨버터 - Google Patents

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Abstract

전력 컨버터를 위한 제어 회로를 포함하는 다양한 방법 및 장치가 개시된다. 하나의 방법은 비교 신호에 기초한 제어 신호를 사용하여 스위치를 제어하는 단계를 포함한다. 스위치는 입력을 수신하는 입력 노드와 출력 노드 사이의 전력의 전달을 제어한다. 방법은 전력 컨버터의 출력을 측정하는 단계, 출력에 기초하여 에러 신호를 발생시키는 단계, 가변 기간을 갖는 주기적 램프 신호를 발생시키는 단계, 비교기의 제1 입력 단자에 에러 신호를 제공하는 단계, 비교기의 제2 입력 단자에 램프 신호를 제공하는 단계, 비교기를 사용하여 에러 신호 및 램프 신호에 기초한 비교 신호를 발생시키는 단계를 포함한다. 방법은 입력의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계, 및 가변 기간의 감소에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계를 포함한다.

Description

예측 펄스폭 변조기를 구비한 전력 컨버터
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 10월 26일자로 출원된 미국 가출원 제62/413,005호에 대해 우선권을 주장하는 2016년 11월 9일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/347,693호에 대해 우선권을 주장하며, 이들 기초 출원은 둘 다 그들의 전문이 참고로 본 명세서에 통합된다.
전자 디바이스는 때때로 단일 소스에 의해서만 전력이 공급되는 동안 다수의 전력 방식(power regime)를 발생시킬 필요가 있다. 예를 들어, 랩톱 컴퓨터는 단일 배터리만을 가질 수 있지만, 랩톱에서의 다양한 구성 요소에 대해 상이한 공급 전압으로 전력 방식을 만들 필요가 있다. 또한, 다수의 전력 방식에 대한 필요성과 관계없이, 전자 디바이스는 때때로 외부 소스로부터 전력 방식에 전달되는 전력의 상태를 조절할 필요가 있다. 랩톱의 사례로 돌아가서, 랩톱 프로세서는 민감한 전자 기기를 포함하며, 프로세서의 동작 강도에 기초하여 다양한 전력 수요를 보인다. 주 전압 소스의 DC 버전에서 간단하게 플러그 인하는 것(plugging in)은 프로세서가 전원 공급 기구(power supply)에서의 급강하(dip) 또는 서지(surge)로부터 차폐되지 않고 전원 공급 기구가 프로세서에 의해 소비되는 전력에서의 급격한 전이(transition)와 보조를 맞출 수 없기 때문에 옵션이 아니다. 전술한 요구 사항은 전력 컨버터에 의해 처리된다.
전력 컨버터는 컨버터가 조절하고 있는 부하로부터의 변화하는 전력 수요로 신속하게 조정될 필요가 있다. 이러한 특징은 현대의 전자 디바이스에서 전력이 보존되는 주요 방법 중 하나가 장시간 동안 저전력 동작 모드 사이에서 디바이스를 스위칭한 후에, 짧은 시간 주기로 동작하여 많은 양의 전력이 소산됨에 따라서 점차적으로 중요해지고 있다. 전력 컨버터는 스위칭 조절기 및 선형 조절기로서 지칭되는 두 가지 광범위한 범주로 분류될 수 있다. 어느 한 종류의 조절기의 거의 모든 실시에서, 출력을 모니터링하고, 입력과 출력 사이에서 조절기를 통해 흐르는 전력의 양을 조정하는 제어 루프가 있다. 제어 루프는 출력을 감지하고 전이 동안 조절된 출력의 오버슛(overshoot) 또는 언더슛(undershoot)을 방지하도록 충분히 빠르게 조절기로 정보를 다시 공급할 필요가 있을 수 있다. 수용 가능한 오버슛 또는 언더슛의 범위와 전이 동안 출력이 안정화되는데 걸리는 시간은 조절되는 디바이스의 포용력(tolerance)에 의해 설정된다.
하나의 접근법에서, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 제어 신호를 사용하여 스위치를 제어하는 단계를 포함한다. 스위치는 전력 컨버터의 입력 노드와 전력 컨버터의 출력 노드 사이의 전력의 전달을 제어한다. 입력 노드는 입력을 수신한다. 방법은 전력 컨버터의 출력을 측정하는 단계, 상기 출력에 기초하여 에러 신호를 발생시키는 단계, 가변 기간을 갖는 주기적 램프 신호(periodic ramp signal)를 발생시키는 단계, 비교기의 제1 입력 단자에 에러 신호를 제공하는 단계, 상기 비교기의 제2 입력 단자에 램프 신호를 제공하는 단계, 및 상기 비교기를 사용하여 상기 에러 신호 및 상기 램프 신호에 기초하여 비교 신호를 발생시키는 단계를 또한 포함한다. 방법은 또한 상기 입력의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기(slope)를 증가시키는 단계, 및 상기 가변 기간의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계를 포함한다. 제어 신호는 비교 신호에 기초한다.
하나의 접근법에서, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법이 개시된다. 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법은 제어 신호를 사용하여 상기 전력 컨버터의 입력 노드와 상기 전력 컨버터의 출력 노드 사이의 전력의 전달을 제어하는 스위치를 제어하는 단계를 포함한다. 입력 노드는 입력을 수신한다. 방법은 또한 상기 전력 컨버터의 출력을 측정하는 단계, 상기 출력에 기초하여 에러 신호를 발생시키는 단계, 램프 신호를 발생시키는 단계, 상기 에러 신호를 비교기의 제1 입력 단자에 제공하는 단계, 상기 램프 신호를 상기 비교기의 제2 입력 단자에 제공하는 단계, 및 상기 비교기를 사용하여 상기 에러 신호와 상기 램프 신호에 기초하여 비교 신호를 발생시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 상기 입력의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계, 및 상기 출력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계를 포함한다. 제어 신호는 비교 신호에 기초한다.
하나의 접근법에서, 전력 컨버터가 개시된다. 전력 컨버터는 입력을 수신하는 입력 노드, 출력을 제공하는 출력 노드, 및 가변 임피던스 경로를 구비하는 스위치를 포함한다. 상기 가변 임피던스 경로는 제어 신호에 의해 제어되고, 상기 입력 노드로부터 상기 출력 노드로의 전력의 전달을 제어한다. 상기 전력 컨버터는 또한 상기 스위치에 결합된 드라이버 회로, 상기 출력 노드에 결합된 감지 회로, 상기 감지 회로 및 기준에 결합된 에러 증폭기, 및 기울기 및 가변 기간을 구비하는 램프 신호를 발생시키는 주기적 램프 발생기 회로를 포함한다. 전력 컨버터는 또한 (i) 드라이버 회로에 통신 가능하게 결합된 비교기 출력; (ⅱ) 상기 에러 증폭기에 통신 가능하게 결합된 제1 비교기 입력; 및 (iii) 상기 주기적 램프 발생기 회로에 통신 가능하게 결합된 제2 비교기 입력을 구비하는 비교기를 포함한다. 상기 전력 컨버터는 또한 상기 입력의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키도록 구성된 제1 제어 회로, 가변 기간의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키도록 구성된 제2 제어 회로, 및 상기 출력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키도록 구성된 제3 제어 회로를 포함한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 가변 기울기를 갖는 램프 신호 발생기를 구비하는 전력 컨버터의 블록도.
도 2는 본 명세서에 개시된 실시예에 따른, FET 전력 스위치, 및 가변 기울기를 갖는 램프 신호 발생기를 구비하는 전력 컨버터의 블록도.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법의 세트의 흐름도.
도 4는 FET 전력 스위치, 및 가변 기울기를 갖는 램프 신호 발생기를 구비하고, 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 전력 컨버터 제어 루프 비교기의 출력에 기초하여 제어 입력을 수신하는 전력 컨버터의 블록도.
도 5는 FET 전력 스위치, 가변 기울기를 갖는 램프 신호 발생기, 및 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 가변 기간을 갖는 발진기를 구비하는 전력 컨버터의 블록도.
전력 컨버터는 때때로 그 출력을 목표 레벨에서 유지하도록 피드백 루프를 포함한다. 예를 들어, 전력 컨버터는 5V 배터리의 형태를 하는 전원 공급 기구로부터 전력을 수신하고, 이러한 전력을 마이크로 프로세서와 같은 부하에 대해 3.3V 목표 레벨을 가진 조절된 공급으로 전환할 수 있다. 전력 컨버터는, 요구된 레벨의 전압이 전력 컨버터의 부하에 공급되도록 전원 공급 기구로부터 인출되는(drawn) 동시에, 전력 컨버터의 출력에서의 전압이 주어진 레벨에서 유지되도록 조정될 것이다. 유사한 예가 목표 전류 레벨로 전력을 제공하는 전력 컨버터에 대해 주어질 수 있다. 전력 컨버터의 출력을 모니터링하는 피드백 루프는 부하에 의해 인출되는 전력의 양의 급격한 변화에 응답하여 필요한 목표값으로 조절된 출력을 유지하도록 신속하게 동작할 필요가 있다. 특정 접근법에서, 전력 컨버터가 동작하는 동안 전력 컨버터의 출력이 또한 조정 가능하며, 피드백 루프는 새로운 목표값으로 신속하게 조정될 필요가 있다.
전력 컨버터의 피드백 루프는 전력 컨버터의 입력과 전력 컨버터의 출력 사이에 결합된 스위치 회로에 제어 신호를 제공하는 것에 의해 전원 공급 기구로부터 부하로 전달되는 전력의 양에 영향을 미칠 수 있다. 스위치가 개방되었을 때와 비교하여 스위치가 폐쇄되는 주어진 기간에 시간의 양을 변조하는 것에 의해, 피드백 루프는 필요한 범위 내에서 조절된 부하를 유지하도록 입력과 출력 사이에서 스위치를 통해 흐르는 전력의 양을 일치시킬 수 있다. 이러한 종류의 전력 컨버터는 스위칭 컨버터 또는 스위칭 조절기로서 지칭될 수 있다. 스위치가 폐쇄되는 주어진 기간에서의 시간의 양은 컨버터의 듀티 사이클로서 지칭된다.
스위칭 조절기는 때때로 컨버터의 듀티 사이클을 설정하기 위해 비교기를 이용한다. 비교기는 에러 신호로서 지칭되는 것과 주기적 램프 신호를 비교하도록 사용된다. 에러 신호는 전력 컨버터의 주 피드백 경로에 있으며, 필요한 목표 출력에 대한 전력 컨버터의 출력 관계에 관한 정보를 포함한다. 에러 신호가 증가되거나 또는 감소됨에 따라서, 임의의 주어진 기간에 에러 신호가 램프 신호를 교차하는 지점이 변경되고, 이에 의해, 주기적 램프 신호 및 비교기와 결합하여 전력 컨버터의 듀티 사이클을 에러 신호가 설정하는 것을 가능하게 한다.
비교기는 제1 및 제2 입력 핀에서 적어도 2개의 입력을 수신하고, 이러한 2개의 입력의 비교에 기초하여 출력 핀에서 신호를 출력한다. 출력 신호의 극성은 하나의 입력이 다른 입력과 교차할 때 변할 것이다. 스위칭 조절기에서, 비교기는 피드백 루프의 일부이며, 그러므로, 출력 신호가 변하는 속도는 피드백 루프가 전력 컨버터의 출력에서의 변화에 응답하는데 걸리는 전체 시간에 기여한다.
일반적으로, 비교기 회로는 비교중인 어느 한 신호가 비교중인 다른 신호와 교차할 때 그 출력을 스위칭한다. 이상적인 비교기는 두 신호의 공통 모드에 관계없이 동일한 방식으로 그 출력을 스위칭한다. 그러나, 실제 회로 실시에서, 하나의 신호가 다른 신호와 교차함에 따라서 얼마나 빠르게 변하는지, 그리고 교차가 발생하는 상대 지점은 비교기 출력이 얼마나 빨리 스위칭하는지에 영향을 미친다. 5V의 전압으로 전력을 공급하고 1V에서 출력을 조절하며 100㎷ 램프와 함께 10㎒의 스위칭 기간을 갖는 전력 컨버터는 이러한 지점을 예시하도록 사용될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 전력 컨버터는 20% 듀티 사이클을 사용할 수 있으며, 그러므로, 20㎷ 상승(즉, 100㎷ 램프의 20%) 후에 스위칭될 것이다. 이러한 상황에서 비교기에 대한 합리적인 실시는 약 10 ns 전이할 수 있다. 동일한 외부 조건을 사용하지만 램프 진폭(ramp amplitude)을 400㎷로 증가시키면, 컨버터는 80㎷에서 스위칭하고, 램프는 에러 전압을 교차하는 지점에서 훨씬 빠른 속도로 증가하였을 것이다. 이러한 상황에서 동일한 비교기는 약 5 ns 전이할 수 있다. 아울러, 더욱 큰 램프 접근법은 펄스 스킵(pulse skip) 또는 반주파수 동작으로부터 더욱 양호하게 보호된다.
스위칭 조절기의 예를 참조하면, 에러 전압이 램프 전압을 교차하는 지점에서 램프의 기울기는 수많은 요인에 의해 영향을 받는다. 그러나, 본 명세서에 개시된 접근법은 이러한 요인에 대한 어떠한 변화에도 관계없이 목표 레벨 이상으로 램프의 기울기 및 비교기의 교차점을 전력 컨버터가 유지하는 것을 가능하게 한다. 제어 루프는 비교기의 출력이 변하는 속도를 최대화한다는 관점에서 비교기를 위한 최적 범위와 비교기의 동작 지점이 일치하도록 설계될 수 있다. 효율적으로, 제어 루프의 특성이 변경될 수 있어서, 요구된 듀티 사이클에 관한 정보는 전력 컨버터의 동작 지점이 그 최적의 범위 내에서 유지되는 동안 루프를 통해 흐르도록 허용된다.
전술한 특징을 보이도록 설계될 수 있는 전력 컨버터는 다양한 토폴로지(topology)를 포함할 수 있다. 설명하기 위한 목적을 위해, 도 1은 입력을 수신하는 입력 노드 및 출력을 제공하는 출력 노드를 구비하는 전력 컨버터(100)의 블록도이다. 이 예에서, 특정 입력은 배터리, 주 전원 공급 기구, 또는 다른 전력 컨버터와 같은 전원 공급 기구에 의해 제공되는 입력 전압(VIN)으로서 개념화될 수 있는 반면에, 출력은 ASIC, 마이크로 프로세서, MEMS 디바이스 또는 전력을 소비하는 다른 디바이스와 같은 부하(101)에 제공되는 출력 전압(VOUT)으로서 개념화될 수 있다. 전력 컨버터(100)는 전력 컨버터의 입력과 출력 사이의 전력 전달을 제어하는 스위칭 회로(102)를 포함한다. 스위칭 회로(102)는 피드백 루프에 의해 발생된 제어 신호에 의해 제어된다. 스위칭 회로(102)는 전력 컨버터의 입력 노드와 전력 컨버터의 출력 노드 사이에 결합된다.
도 1의 예시적인 토폴로지는 벅 컨버터(buck converter)의 토폴로지일 수 있지만, 본 명세서에서의 교시는 벅, 부스트, 벅-부스트, 부스트-벅 또는 변압기 기반 컨버터에 보다 광범위하게 적용 가능하다. 또한, 예는 전압으로서 입력 및 출력을 보이지만, 전류 신호는 마찬가지로 전력 컨버터의 조절된 출력 및 입력으로서 개념화될 수 있다. 도 1에서, 스위칭 회로(102)는 입력과 출력 사이에 결합된다. 스위칭 회로는 전계 효과 트랜지스터(FET), 양극성 접합 트랜지스터(BJT), 핀 다이오드 또는 IGBT와 같은 개별 능동 디바이스를 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 입력과 출력 사이에 결합된 가변 임피던스 경로를 포함할 수 있다. 가변 임피던스 경로의 상태는 피드백 루프에 의해 설정될 수 있다.
본 명세서에 따라서 설계된 전력 컨버터는 피드백 루프를 포함할 수 있다. 도 1의 예에서, 전력 컨버터(100)는 피드백 루프를 포함한다. 전력 컨버터(100)의 피드백 루프는 감지 회로(103), 에러 증폭기(104), 비교기(105), 및 드라이버 회로(106)를 포함한다. 에러 증폭기(104)는 기준 전압(VREF)을 수신하고, 감지 회로(103)에 의해 제공된 전압과 비교하여 VREF의 상대 값에 기초하여 에러 신호를 발생시킨다. 에러 증폭기는 감지 회로(103) 및 기준에 결합될 수 있다. 감지 회로(103)는 VOUT에 접속된 분압기 및 VOUT에서 전력 컨버터의 출력 노드에 결합된 입력을 갖는 접지만큼 간단할 수 있다. 다른 실시에서, 전력 컨버터의 출력에 접속된 감지 회로는 출력 필터를 통한 전류, 스위칭 회로를 통한 전류, 또는 임의의 다른 값과 같은 전력 컨버터에서의 다른 신호들을 나타내는 신호를 제공할 수 있는 반면에, VREF는 그 파라미터의의 목표값을 매칭시키도록 적당히 조정된다.
스위칭 조절기의 비교기는 전력 컨버터의 스위칭 회로의 듀티 사이클을 설정하도록 에러 전압을 램프 전압과 비교할 수 있다. 비교기 출력은 전력 컨버터의 드라이버 회로에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 비교기는 또한 에러 증폭기에 통신 가능하게 결합된 제1 비교기 입력, 및 램프 신호 발생기에 통신 가능하게 결합된 제2 비교기 입력을 갖는 2개의 입력을 가질 수 있다. 전력 컨버터(100)에서, 비교기(105)는 제1 입력 및 제2 입력을 포함하고, 드라이버 회로(106)에 출력을 제공하며, 드라이버 회로는 차례로 스위칭 회로(102)가 폐쇄되는 시간을 변조한다. 비교기(105)는 하나의 입력에서 에러 전압, 및 제2 입력에서 램프 발생기 회로(107)의 출력을 수신한다. 도시된 바와 같이, 램프 발생기 회로(107)는 다수의 제어 입력을 포함할 수 있다. 램프 발생기 회로(107)는 기울기 및 가변 기간을 구비하는 램프 신호를 발생시키는 주기적 램프 신호 발생기일 수 있다. 램프의 기울기는 또한 가변적일 수 있다.
스위칭 조절기의 램프 발생기는 램프 발생기의 현재 상태를 나타내는 신호에 기초하여 그 발생된 램프의 특성을 조정할 수 있다. 전력 컨버터(100)에서, 램프 발생기 회로(107)는 이러한 제어 입력에 신호를 제공하는 3개의 상이한 제어 회로(108, 109 및 110)에 응답할 수 있다. 제어 회로는 각각 전력 컨버터의 상태에 관한 정보를 개별적으로 수신하고, 그 정보에 기초한 제어 신호를 램프 발생기에 제공할 수 있다. 특정 예로서, 제어 회로(108, 109 및 110)는 전력 컨버터(100)의 입력, 전력 컨버터(100)의 출력, 및 램프 신호의 필요한 기간에 관한 정보를 각각 수신할 수 있다. 램프 발생기 회로(107)는 여러 가지 방식으로 3개의 상이한 제어 회로에 응답할 수 있다. 예를 들어, 램프 발생기 회로(107)는 주기적 램프 신호의 기울기를 변경하는 것에 의해 응답할 수 있다. 기울기가 변경되는 방식은 아래에서보다 상세히 설명될 것이지만, 일반적으로 기울기는 비교기의 속도를 목표 레벨에서 유지하도록 변경될 것이다.
본 명세서에 개시된 전력 컨버터와 함께 사용되는 램프 발생기는 다양한 특징을 보일 수 있다. 예를 들어, 램프 발생기는 발진기에 의해 제어될 수 있다. 발진기의 기간은 램프 신호의 기간을 설정하도록 사용될 수 있다. 램프 신호는 그 기간 내내 계속 상승할 수 있거나, 또는 자체적으로 듀티 사이클을 보일 수 있으며, 전체 기간의 일부분 동안만 상승할 수 있다. 램프 신호의 기간은 전력 컨버터가 동작 중일 때 조정될 수 있다. 램프 신호의 듀티 사이클도 마찬가지로 조정될 수 있다. 램프는 고정 전압 또는 전류 신호에 응답하는 반응성 수동 컴포넌트에 의해 만들어질 수 있다. 예를 들어, 램프는 고정 전류에 응답하여 충전되는 커패시터에 의해 생성될 수 있다. 커패시턴스 및 전류 크기에 대한 사전적인 지식은 설계자가 램프의 기울기를 설정하는 것을 허용할 수 있다. 램프는 커패시터를 빠르게 방전시키는 것에 의해 낮은 전압으로 복귀될 수 있다. 대안적으로, 램프는 램프 신호를 포함하는 노드를 충전 회로로부터 분리하는 것에 의해 낮은 레벨로 복귀될 수 있다. 램프 발생기는 제어 회로 중 적어도 하나로부터 제어 신호를 수신할 수 있다. 제어 회로는 반응성 컴포넌트의 크기를 조정하거나 또는 충전 전류의 크기를 조정하는 것에 의해 램프 신호의 기울기에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 전류에 의해 충전되는 커패시터는 램프의 기울기를 설정할 수 있고, 커패시터 또는 전류는 램프의 기울기를 변경하도록 변화될 수 있다. 제어 회로는 비교기의 입력, 비교기의 출력, 또는 램프 신호 자체의 필요한 기간 중 적어도 2개에 기초하여 기울기를 조정할 수 있다.
도 2는 전력 컨버터(200)가 벅 또는 강압 컨버터(step-down converter)로서 동작하는 것을 허용하도록 구성된 스위칭 회로(201) 및 출력 필터(202)를 구비하는 전력 컨버터(200)를 도시한다. 그러므로, 전력 컨버터(200)는 입력(VIN)에 제공된 입력 전압보다 낮은 출력(VOUT)에서 조절된 전압을 만들 수 있을 것이다. 입력은 배터리 또는 주 전원 공급 기구와 같은 전원 공급 기구로부터 수신된 입력 전압일 수 있다. 출력은 가변 전력 수요를 갖는 프로세서 또는 다른 부하에 제공되는 조절된 전압일 수 있다. 전력 컨버터(200)의 제어 루프는 전력 컨버터(200)에서의 제어 루프가 전압 모드 제어 루프로 제한된다는 점을 제외하면 전력 컨버터(100)의 제어 루프와 유사하다. 전력 컨버터(200)에서, 에러 증폭기(104)에 의해 만들어진 에러 신호는 에러 전압이다.
전력 컨버터(200)의 스위칭 회로(201)는 스위치 회로(201)를 위한 스위치로서 기능하는 2개의 n-형 FET(203 및 204)를 포함한다. 그러나, 스위치는 모두 p-형 FET일 수 있거나 또는 다른 극성일 수 있다. FET는 게이트, 및 이러한 게이트에 인가된 제어 신호에 응답하는 가변 임피던스 경로를 포함한다. FET(203)가 전력 컨버터의 입력으로부터 전력 컨버터의 출력으로 전력을 전달하는 역할을 하는 가변 임피던스 경로를 제공한다는 점에서, 스위칭 회로(201)는 전력 컨버터의 입력 노드와 전력 컨버터의 출력 노드 사이에 결합된다. FET(203)는 전력 컨버터(200)의 제어 FET로 지칭될 수 있다. FET(204)는 전력 컨버터(200)의 동기 정류기 FET 또는 동기 FET(synch FET)로서 지칭될 수 있다. 도시된 바와 같이, FET(203) 및 FET(204)의 게이트는 드라이버 회로(205)로부터 제어 신호를 수신한다. FET를 통과하는 전류 또는 어느 FET 양단에 걸린 전압은 제어 루프에 정보를 제공하도록 감지될 수 있다.
출력 필터(202)는 캐패시터 및 인덕터를 포함한다. 이러한 조합된 회로의 동작은 스위칭 회로 또는 부하가 그 상태를 변경하는 동안 VOUT에서의 변화를 원활하게할 것이다. 도시된 이러한 특정 전력 컨버터에서, 출력 필터(202)의 출력은 감지 회로(103)에 의해 감지된다. 그러나, 다른 접근법에서, 커패시터의 인덕터를 통과하는 전류는 제어 루프에 정보를 제공하도록 조합하여 또는 대안으로 감지될 수 있다.
드라이버 회로(205)는 FET(203) 및 FET(204)에 결합되고, FET의 소스 및 드레인 사이의 가변 임피던스 경로의 상태를 변경하도록 FET에 제어 신호를 제공한다. 드라이버 회로(205)는 차례로 비교기(105)의 출력에 의해 제어된다. 두 스위치(FET(203 및 204)) 모두가 동시에 켜지는 것을 방지하는 블랭킹 신호들, 또는 결함 상태의 경우에 두 스위치 모두를 자동으로 끄는 3-상태 신호(tristate signal)와 같은 추가의 제어 신호가 또한 드라이버 회로(205)에 인가될 수 있다.
도 3은 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법의 세트의 흐름도(300)를 도시한다. 방법은 제어 신호를 이용하여 스위치를 제어하는 단계(301)를 포함한다. 스위치는 전력 컨버터의 입력 노드와 전력 컨버터의 출력 노드 사이의 전력의 전달을 제어한다. 입력 노드는 입력을 수신한다. 도 2를 참조하면, 입력은 노드(VIN) 상의 전원 공급 기구로부터의 전압일 수 있고, 스위치는 FET(203)일 수 있다. 이러한 접근법에서, 단계(301)에서 스위치를 제어하는 단계는 제어 신호를 게이트에 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 제어 신호는 아래의 단계(305)에서 발생된 비교 신호일 수 있다. 도 2를 참조하면, 제어 신호는 비교기(105)의 출력으로부터 구동 회로(205)로 제공되는 신호일 수 있다.
흐름도(300)는 또한 전력 컨버터의 제어 루프를 통해 정보를 다시 전달하는 것을 수반한다. 이러한 단계는 단계(301)에서 이용되는 제어 신호를 발생시킬 수 있다. 단계는 바로 아래에서 설명되는 단계(302 내지 305)를 포함할 수 있다.
단계(302)에서, 전력 컨버터의 출력이 측정된다. 도 2를 참조하면, 이러한 단계는 VOUT에서 전력 컨버터의 출력에서의 전압을 검출하는 감지 회로(103)에 의해 실행되는 연속적인 프로세스일 수 있다. 대안적으로, 이러한 단계는 출력 전류를 감지하거나, 또는 전력 컨버터 출력과 상관되는 신호 및 다른 전압의 측정을 통해 어느 하나의 값을 간접적으로 감지하는 단계를 수반할 수 있다.
단계(303)에서, 출력에 기초하여 에러 신호가 발생된다. 도 2를 참조하면, 이러한 단계는 감지 회로(103)로부터의 전압 신호를 기준 전압(VREF)과 비교하는 에러 증폭기(104)를 수반할 수 있다. 대안적으로, 이러한 단계는 전력 컨버터의 상태에 관한 임의의 피드백 신호의 평가를 수반할 수 있다. 이러한 평가는 외부에서 인가된 기준 신호 또는 내부적으로 발생된 기준 전압과 같은 기준 신호의 사용을 포함할 수 있다. 기준 전압은 전력 컨버터의 전원 공급 기구가 입력으로서 작용하는 분압기에 의해 발생될 수 있다.
단계(304)에서, 주기적 램프 신호가 가변 기간으로 발생된다. 도 2를 참조하면, 이러한 단계는 제어 회로(108, 109 및 110)와 같은 하나 이상의 제어 회로에 의해 증가되거나 또는 감소될 수 있는 기간을 가진 램프 신호를 만드는 램프 발생기 회로(107)를 수반할 수 있다. 단계(304)는 발진기를 사용하여 발진기 신호를 발생시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 발진기 신호는 가변 발진기 주파수를 가질 수 있다. 램프 신호의 기간은 가변 발진기의 주파수를 변경하는 것에 의해 변경될 수 있다. 또한, 단계(304)는 발진기 신호를 사용하여 주기적 램프 신호의 램프의 시작 타이밍을 맞추는 단계를 포함할 수 있다. 특정 접근법에서, 램프는 발진기 신호의 각각의 기간의 시작 시에 그 최소값으로부터 증가할 것이다.
단계(305)에서, 비교 신호가 발생된다. 비교 신호는 단계(303)에서 발생된 에러 신호 및 단계(304)에서 발생된 램프 신호에 기초하여 발생될 수 있다. 비교기는 제1 입력 단자에서 에러 신호를 수신하고, 제2 입력 단자에서 램프 신호를 수신할 수 있다. 도 2를 참조하면, 이러한 단계는 에러 증폭기(104)로부터 에러 신호 및 램프 발생기 회로(107)로부터 램프 신호를 수신하는 비교기(105)를 수반할 수 있다. 비교기(105)는 이러한 2개의 신호의 비교에 기초하여 비교 신호를 발생시킬 수 있다.
전술한 단계(301 내지 305)는 비교기의 제어 루프의 설명을 용이하게 하도록 선형 형태로 도시되어 있다. 그러나, 제어 루프에서의 각각의 단계는, 정보가 목표 변화도 내에서 비교기의 출력을 조절하기 위해 음의 피드백을 통해 연속적으로 전달됨에 따라서, 루프가 비교기를 제어하는 역할을 할 때 동시에 실행될 수 있다.
단계(306 내지 309)는 상기 단계(304)에서 발생된 램프 신호의 기울기에 대한 변형에 대해 도시된다. 이와 같이, 이러한 단계는 제어 루프의 순간적인 거동을 변경하기 위해 언제든지 컨트롤러에서 실행될 수 있기 때문에 제어 루프의 거동을 설명하는 단계와는 별개로 예시된다. 단계(306)에서, 제어 회로는 단계(304)에서 발생된 램프 신호의 기울기를 증가시키거나 또는 감소시킨다. 이러한 단계는 하나 이상의 제어 회로에 의해 수행될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제어 회로는 하나 이상의 제어 회로(108, 109 및 110)를 포함할 수 있다. 제어 회로는 변화하는 신호에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 전력 컨버터 외부의 제어로부터 인가된 외부 제어 신호를 수신할 수 있다. 다른 예로서, 제어 신호는 전력 컨버터의 상태에 기초하여 램프 신호의 램프를 조정하기 위해 전력 컨버터 내에서 개별 전류 또는 전압을 감지할 수 있다.
단계(307)에서, 입력에서의 변화가 검출된다. 단계(306)에서, 램프의 기울기는 그 입력에 응답하여 증가되거나 또는 감소될 수 있다. 특정 접근법에서, 단계(307 및 306)의 조합된 동작은 입력의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키거나, 또는 입력의 감소에 응답하여 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계를 수반할 수 있다. 기울기가 조정되는 방향은 전력 컨버터의 제어 루프에서 비교기의 절환점(switch over point)을 보존하기 위해 선택할 수 있다. 도 2를 참조하면, 비교기는 PWM 비교기(105)일 수 있다. 제1 제어 회로(108)는 입력의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키고, 입력의 감소에 응답하여 램프 신호의 기울기를 감소시키도록 구성될 수 있다. 입력의 상태는 입력 전류 또는 전압을 검출할 수 있는 아날로그 감지 회로를 통해 결정될 수 있다. 이와 같이, 제1 제어 회로(108)로의 입력은 노드(VIN)에 직접 접속될 수 있다. 그러나, 입력은 외부 제어 회로 또는 전원 공급 기구 자체와 통합된 모니터와 같은 VIN의 상태에 관한 정보를 위해 대안적인 소스에 접속될 수 있다. 감지 회로는 램프를 변경한 제어 회로에 의한 사용을 위해 감지된 신호를 디지털 정보로 변환하거나, 또는 램프 발생기는 감지된 신호의 아날로그 형태에 직접 기초하여 램프를 조정하도록 구성될 수 있다.
단계(308)에서, 램프 신호 발생기의 기간에서의 변화가 검출된다. 특정 스위칭 전력 컨버터에서, 전력 스위치에 인가된 제어 신호의 듀티 사이클은 정상 동작 동안 변하고, 제어 신호의 주파수도 또한 변한다. 주파수에서의 변화는 주 제어 루프의 외부에 있거나 또는 제어 루프에 통합된 제어 회로에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해, 주파수에서의 변화는 출력의 상태에 관하여 입수된 정보에 기초할 수 있거나 또는 다른 정보의 일부 다른 소스에 기초할 수 있다. 단계(306)에서, 램프의 기울기는 기간에서의 변화에 응답하여 증가되거나 또는 감소될 수 있다.
특정 접근법에서, 단계(308 및 306)의 조합된 동작은 기간의 감소에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키거나 또는 기간의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계를 수반할 수 있다. 기울기가 조정되는 방향은 전력 컨버터의 제어 루프에서 비교기의 절환점을 보존하기 위해 선택될 수 있다. 도 2를 참조하면, 비교기는 PWM 비교기(105)일 수 있다. 제2 제어 회로(109)는 기간의 감소에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키거나 또는 기간의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 감소시키도록 구성될 수 있다. 램프 발생기 신호의 기간은 하나가 램프의 기간을 제어하도록 사용되었으면 램프 또는 발진기 회로의 기간을 검출할 수 있는 아날로그 감지 회로를 통해 결정될 수 있다. 램프의 기간은 램프 발생기 회로의 주파수를 능동적으로 설정한 제어 회로로부터의 정보에 의해 간접적으로 또한 결정될 수 있다. 예를 들어, 디지털 코드를 제공하는 것에 의해 램프 발생기 회로의 주파수를 설정한 디지털 제어 회로는 램프 발생기 회로에 의해 만들어진 램프의 기울기를 제어하는 목적을 위해 램프 발생기 회로에 동일한 디지털 코드를 제공할 수 있다.
단계(309)에서, 전력 컨버터의 출력에서의 변화가 검출된다. 특정 스위칭 전력 컨버터에서, 전력 컨버터의 출력은 정상 동작 동안 상이한 목표 레벨로 설정될 수 있다. 조정의 이러한 형태는 자체 조정되는 전력 컨버터와 부하에 의해 요구되는 전력에서의 변화 사이의 지체(lag)에 기초하여 출력의 자연적인 변화에 추가된다. 예를 들어, 전력 컨버터는 낮은 온도 조건에서 3.5V, 실온 조건에서 3.3V로 부하를 조절할 필요가 있다. 이와 같이, 제어 회로는 온도가 이러한 목표와 일치하도록 변하였을 때 전력 컨버터의 목표 전압을 변경할 수 있다. 도 2를 참조하면, 이러한 것이 어떻게 행해지는지의 예는 기준 전압(VREF)에 대한 조정이다. 단계(306)에서, 램프의 기울기는 출력에서의 변화에 응답하여 증가되거나 또는 감소될 수 있다.
특정 접근법에서, 단계(308 및 306)의 조합된 동작은 출력의 감소에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키거나 또는 출력의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계를 수반할 수 있다. 기울기가 조정되는 방향은 전력 컨버터의 제어 루프에서 비교기의 절환점을 보존하기 위해 선택될 수 있다. 도 2를 참조하면, 비교기는 비교기(105)일 수 있다. 제3 제어 회로(110)는 출력의 감소에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키고 입력의 증가에 응답하여 램프 신호의 기울기를 증가시키도록 구성될 수 있다. 전력 컨버터의 출력은 전력 컨버터의 출력을 검출할 수 있는 아날로그 감지 회로를 통해 결정될 수 있다. 대안적으로, 전력 컨버터의 출력은 전력 컨버터의 출력을 필요한 레벨로 능동적으로 설정한 제어 회로로부터의 정보에 의해 간접적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 제어 루프의 요소에 디지털 코드를 제공하는 것에 의해 전력 컨버터의 출력을 설정한 디지털 제어 회로는 램프 발생기 회로에 의해 만들어진 램프의 기울기를 제어하는 목적을 위해 램프 발생기 회로에 동일한 디지털 코드를 제공할 수 있다.
전력 컨버터(100)와 같은 전력 컨버터는 단계(307, 308 및 309)의 각각을 실행하도록 구성될 수 있다. 이러한 전력 컨버터는 또한 정상 동작 동안 이러한 단계 중 2개 이상을 실행하도록 구성될 수 있다. 단계는 전력 컨버터가 그 출력을 조절한 동안 또는 구성 모드 동안 수행될 수 있다. 단계(307, 308 및 309) 중 하나 이상은 모두 동시에 수행될 수 있다. 이러한 접근법에서, 단계(306)는 3개의 상이한 단계로부터의 상쇄 변화(countervailing change)를 조화시키는 단계를 수반할 수 있다. 도 2를 참조하면, 램프 발생기 회로(107)는 제어 회로(108, 109, 및 110) 중 2개 이상으로부터 수신된 상쇄 변화를 조화시킬 로직, 아날로그 제어, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 제어 회로는 제어 회로가 동작된다는 신호에 비례하여, 램프 램프 발생기 회로(107)에 의해 발생된 신호를 변화시킬 수 있다. 계수 인자(scaling factor)는 설계자에 의해 선택될 수 있다. 계수 인자는 제어 회로에 또는 램프 발생기 회로 자체에 심어질 수 있다. 예를 들어, 램프 발생기의 상승 시간을 설정하도록 사용된 커패시터는 제어 회로(108)로부터의 입력의 배가에 응답하여 크기에서 2배일 수 있지만, 제어 회로(109)로부터의 입력의 절반에 응답하여 크기에서 1/4까지 감소한다. 각각의 제어 회로와 램프 발생기의 조합을 위한 계수 인자는 제어 회로가 수신한 특정 입력에 대해 조율될 수 있다.
램프 신호의 기울기는 전력 컨버터의 제어 루프에서 비교기의 입력의 교차점을 보존하도록 조정될 수 있다. 특정 접근법에서, 램프 신호의 기울기는, 5 나노초의 최소 비교기 출력 안정화 시간을 12 uA 미만의 비교기 공급 전류와 합치도록 300 ㎷를 초과하는 교차점과 같은 필요한 속도 제약 조건을 충족시키는데 충분한 오버 드라이브를 비교기에 제공하도록 에러 신호와 램프 신호의 교차점을 특정의 최소 위로 유지하도록 조정될 것이다. 다른 접근법에서, 램프 신호의 기울기를 증가시키고 감소시키는 것은 전력 컨버터의 출력, 전력 컨버터의 입력, 및 스위칭 신호의 가변 기간에서의 변화에도 불구하고 목표 교차점의 범위 내에서 에러 신호 및 램프 신호의 교차점을 유지하는 역할을 한다. 예를 들어, 램프의 기울기의 증가 및 감소는, 20 uA 미만의 공급 전류로, 출력의 0.5 내지 5V, 입력의 3.3 내지 24V, 및 기간의 500㎑ 내지 8㎒의 변화에도 불구하고 교차점을 목표 교차점의 100㎷ 이내로 보존할 수 있다.
전력 컨버터는 초기에 에러 신호(VERR1) 및 듀티 사이클(D1)로 제1 대기 휴지 상태(first quiescent state)에서 동작할 수 있다. 주어진 시간에, 전력 컨버터의 입력이 증가할 때, 전력 컨버터는 그 상태에서의 변화를 겪을 수 있다. 그 결과, 보다 많은 양의 전력이 보다 큰 전압 공급으로 주어진 시간 동안 전력 컨버터를 통해 흐르게 됨에 따라서, 전력 컨버터의 듀티 사이클은 줄어들 필요가 있다. 그러나, 램프 신호의 기울기는 또한 증가될 수 있고, 동일한 듀티 사이클 지점은 에러 신호와 램프 신호의 교차점이 보존되는 동안 전력 컨버터가 정확하게 동작하도록 도달될 수 있다.
전력 컨버터는 초기에 에러 신호(VERR1), 듀티 사이클(D1) 및 기간(T1)으로 제1 대기 휴지 상태에서 동작할 수 있다. 스위칭 기간은 램프 신호의 기간와 동일한 것일 수 있으며, 둘 다 T1과 같을 수 있다. 주어진 시간에, 전력 컨버터는 전력 컨버터의 스위칭 기간이 T1에서 T2로 감소할 때 그 상태에서의 변화를 겪을 수 있다. 이러한 것은 예를 들어 컨버터의 스위칭 주파수의 증가에 의해 유발되었을 것이다. 그 결과, 전력 컨버터의 듀티 사이클은 기간의 감소에도 불구하고 보존될 필요가 있을 것이다. 이러한 조정은 에러 신호의 감소를 통해 제어 루프에 의해 실시된다. 그러나, 램프 신호의 기울기가 동시에 증가되면, 동일한 듀티 사이클 지점은 에러 신호 및 램프 신호의 교차점이 보존되고 램프의 기울기는 증가되는 동안 전력 컨버터가 정확하게 동작하도록 도달될 수 있다.
본 명세서에 개시된 접근법은 또한 전력 컨버터에서의 출력의 변화와 조합하여 사용될 수 있다. 입력 전압에서의 변화를 참조하여, 하나의 차이는 램프 신호의 기울기에서의 변화와 요구된 상응 변화(commensurate change) 사이의 관계가 반전된다는 것이다. 에러 신호에서의 시프트는 전력 컨버터의 입력 전압의 증가와는 대조적으로 전력 컨버터의 목표 출력 전압의 감소에 의해 유발될 수 있다. 그러나, 계수 인자 및 다른 인자에서의 변화를 제외하고, 램프 신호의 기울기에서의 변화는 비교기의 교차점을 여전히 보존하는 동시에, 램프 신호의 기울기의 증가를 허용할 수 있다. 아울러, 특정 접근법에서, 출력에서의 변화에 대해 기울기를 조정하는 것이 출력에서의 변화를 나타내는 디지털 코드의 적용에 기초할 수 있는 반면에, 입력에서의 변화가 아날로그 감지 회로를 사용하여 모니터링되도록, 목표 출력 전압은 디지털 코드를 전력 컨버터에 이용 가능하게 하는 신호일 가능성이 높다.
전력 컨버터는 이전 단락에서 설명된 변화의 1개, 2개 또는 3개 모두의 형태를 이용할 수 있다. 조합하여 사용된 변화의 2개 또는 3개의 형태의 경우에, 하나의 동작 지점 변수에서의 변화는 다른 동작 지점 변수의 변화에 대응할 수 있으며, 변하지 않은 램프 기울기를 남길 수 있다. 예를 들어, 램프 기울기가 전력 컨버터의 입력과 출력과 함께 동시에 변한 상황에서, 입력과 출력이 비례하여 증가되면, 램프 기울기는 변하지 않고 있을 것이다. 다른 동작 지점 변수의 변화는 공유된 계수 인자에 따라서 램프의 기울기에 영향을 주도록 조합될 수 있다. 예를 들어, 램프 기울기가 램프 신호 발생기 회로에서 커패시터를 위한 충전 전류를 변경하는 것에 의해 변경된 상황에서, 전류는 Icharge = K1 x VIN x f/VOUT일 수 있으며, 여기서 K1는 공유된 계수 인자이었으며, VIN는 컨버터에 대한 입력 전압이었으며, VOUT은 컨버터의 출력 전압이었으며, f는 컨버터의 스위칭 주파수이었다.
전술한 특정 접근법은 도 4에서 전력 컨버터(400)에 의해 예시된 제어 루프 아키텍처와 조합하여 사용될 수 있다. 전력 컨버터(400)에서, 비교기(105)의 출력은 램프 신호 발생기 회로(107)로 피드백된다. 이러한 피드백의 목적은 비교기가 전력 컨버터의 주어진 스위칭 사이클에 대해 트립핑된(tripped) 후에 램프가 차단되는 것을 가능하게 하는 것이다. 직접적인 접속이 도시되었을지라도, 신호는 드라이버 회로(205)의 내부와 같은 제어 루프를 더욱 아래로부터 피드백될 수 있다. 특정 접근법에서, 신호는 비교기 신호가 트립핑된 후에 이를 래칭하도록 사용되는 래치의 출력으로부터 피드백될 것이다. 래치는 드라이버 회로(205)에 있을 수 있다. 이러한 접근법에서, 램프를 발생시키는 단계(304)는 단계(305)에서 발생된 비교 신호를 사용하여 주기적 신호의 램프의 종료 타이밍을 맞추는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 램프 신호와 에러 신호를 비교시에 교차점이 도달되었다는 것을 비교 신호가 나타낼 때, 램프 신호는 계속 증가하는 대신 최소값으로 복귀될 수 있다. 비교기가 스위칭할 때 램프 신호가 그 목적을 효과적으로 제공하였기 때문에, 일부 접근법에서, 램프 신호를 계속 램핑할 이유가 없으며, 램프 신호 발생기 회로는 전력을 보존하도록 꺼질 수 있다.
전술한 특정 접근법은 도 5에서 전력 컨버터(500)에 의해 예시된 제어 루프 아키텍처와 조합하여 사용될 수 있다. 도 5의 전력 컨버터는 발진기(501)를 포함한다. 발진기(501)는 가변 기간을 가질 수 있고, 램프 발생기 회로(107)에 의해 발생된 램프 신호의 기간을 설정하도록 사용될 수 있다. 램프 신호의 시작은 발진기에 의해 설정될 수 있다. 특정 접근법에서, 발진기의 기간의 시작은 램프 신호가 최소값으로부터 상승하기 시작하도록 할 수 있다. 전력 컨버터(400)에서와 같이, 도 5의 램프 발생기 회로(107)는 전력 컨버터(105)의 출력에 대한 접속을 포함한다. 이와 같이, 전력 컨버터(500)에서 램프 신호의 시작은 발진기(501)에 의해 설정될 수 있지만, 램프 신호의 종료는 비교기(105)의 출력에 의해 설정될 수 있다.
전력 컨버터는, 디지털 코드에 응답하고 전력 컨버터의 출력을 제어하는 제어 회로를 포함할 수 있다. 조합하여 또는 대안적으로, 전력 컨버터는, 디지털 코드에 응답하고 전력 컨버터의 스위칭 주파수를 제어하는 제어 회로를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전력 컨버터(500)는 제4 제어 회로(502) 및 제5 제어 회로(503)를 포함한다. 제4 제어 회로(502)는 제1 디지털 코드(d1)에 응답하고 그 디지털 코드에 기초하여 전력 컨버터의 스위칭 주파수를 제어한다. 디지털 코드(d1)는 발진기(501)에 제공되고, 발진기(501)의 발진 주파수를 변경한다. 디지털 코드(d1)는 마찬가지로 전술한 바와 같이 램프 발생기 회로(107)에 의해 발생된 램프 신호의 기울기에 대한 조정을 유발하도록 제2 제어 회로(109)에 제공된다. 제5 제어 회로(503)는 제2 디지털 코드(d2)에 응답하고, 그 디지털 코드에 기초하여 노드(VOUT)에서 목표 출력 전압을 제어한다. 디지털 코드(d2)는 전술한 바와 같이 램프 발생기 회로(107)에 의해 발생된 램프의 기울기에 대한 조정을 유발하도록 제3 제어 회로(110)에 제공된다.
본 명세서가 본 발명의 특정 실시예에 대해 상세히 설명되었지만, 당업자는 전술한 내용을 이해할 때, 이러한 실시예의 대안, 변경, 및 등가물을 용이하게 이해할 수 있다는 것을 알 것이다. 도 1, 도 2, 도 4, 및 도 5를 참조하여 논의된 모든 회로는 임의의 제어 회로 및 전력 컨버터 스위칭 회로에서의 전력 FET에 요구되는 로직을 포함하는 단일 모놀리식 기판에 집적될 수 있다. 본 명세서에서의 예가 조절된 방식에 고정 전압을 제공한 전력 컨버터를 스위칭하는 것에 관한 것이었을지라도, 동일한 접근법이 조절된 방식에 고정 전류를 제공하는 전력 컨버터에 적용될 수 있다. 본 발명에서의 예가 벅 구성으로 전력 컨버터를 스위칭하는 것에 관한 것이었을지라도, 유사한 접근법이 부스트 컨버터, 벅-부스트, 부스트-벅, 또는 변압기 기반 컨버터에 적용될 수 있다. 제공된 예에서, 기준, 접지, 및 신호 운반 전압의 극성은 유사한 결과를 달성하도록 전체적으로 또는 부분적으로 스위칭될 수 있다. 예를 들어, 추가 인버터가 시스템에 추가되거나 또는 전체 시스템이 스위칭되면, 로직 로우 및 로직 하이가 스위칭될 수 있다. 또한, 본 명세서에서의 예가 스위칭 컨버터에 관한 것일지라도, 본 명세서에 개시된 접근법은, 비교기를 이용하고 제어 루프를 포함하는 임의의 전력 컨버터 방식에 적용된다. 본 발명에 대한 이들 및 다른 변형 및 변경은 첨부된 청구 범위에서 더욱 구체적으로 제시된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있다.

Claims (20)

  1. 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법으로서,
    제어 신호를 사용하여 스위치를 제어하는 단계로서, 상기 스위치는 상기 전력 컨버터의 입력 노드와 상기 전력 컨버터의 출력 노드 사이에서 전력의 전달을 제어하고, 상기 입력 노드는 입력을 수신하는, 상기 스위치를 제어하는 단계;
    상기 전력 컨버터의 출력을 측정하는 단계;
    상기 출력에 기초하여 에러 신호를 발생시키는 단계;
    가변 기간을 갖는 주기적 램프 신호를 발생시키는 단계;
    비교기의 제1 입력 단자에 상기 에러 신호를 제공하는 단계;
    상기 비교기의 제2 입력 단자에 상기 램프 신호를 제공하는 단계;
    상기 비교기를 사용하여 상기 에러 신호 및 상기 램프 신호에 기초한 비교 신호를 발생시키는 단계;
    상기 입력의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계;
    상기 가변 기간의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계를 포함하되;
    상기 제어 신호는 상기 비교 신호에 기초하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력은 전원 공급 기구로부터 수신된 입력 전압이고;
    상기 출력은 부하에 제공된 조절된 출력 전압이며;
    상기 에러 신호는 에러 전압이고;
    상기 스위치는 게이트, 및 가변 임피던스 경로를 구비한 제어 전계 효과 트랜지스터이며;
    상기 스위치를 제어하는 단계는 상기 게이트에 상기 제어 신호를 인가하는 단계를 포함하고;
    상기 출력 노드 및 상기 입력 노드는 상기 가변 임피던스 경로를 통해 결합되며; 그리고
    상기 출력 노드는 상기 전력 컨버터의 출력 필터에 결합되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 주기적 램프 신호를 발생시키는 단계는,
    발진기를 사용하여, 가변 발진기 주파수를 갖는 발진기 신호를 발생시키는 단계;
    상기 발진기 신호를 사용하여 상기 주기적 램프 신호의 램프의 시작 타이밍을 맞추는 단계; 및
    상기 비교 신호를 사용하여 상기 주기적 램프 신호의 램프의 종료 타이밍을 맞추는 단계를 포함하되;
    상기 가변 기간은 상기 가변 발진기 주파수에 의해 설정되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 입력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계;
    상기 가변 기간의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계;
    상기 출력의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계를 더 포함하되;
    상기 기울기의 감소 및 상기 기울기의 증가는 상기 입력을 갖는 고정 계수 인자, 상기 가변 기간을 가진 제2 고정 계수 인자, 및 상기 출력을 갖는 제3 고정 계수 인자에 따라서 수행되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    발진기를 사용하여, 가변 발진기 주파수를 갖는 발진기 신호를 발생시키는 단계;
    상기 발진기 신호를 사용하여 상기 주기적 램프 신호의 램프의 시작 타이밍을 맞추는 단계; 및
    제1 제어 회로 및 디지털 코드를 사용하여 상기 가변 발진기 주파수를 변경하는 단계를 더 포함하되;
    상기 가변 기간의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기의 증가는 제2 제어 회로 및 상기 디지털 코드를 사용하여 수행되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    제1 제어 회로 및 디지털 코드를 사용하여 상기 출력을 변경하는 단계를 더 포함하되;
    상기 출력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기의 증가는 제2 제어 회로 및 상기 디지털 코드를 사용하여 수행되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 램프 신호의 기울기의 증가 및 감소는 상기 에러 신호와 상기 램프 신호의 교차점을 300 ㎷ 위로 유지하는 역할을 하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  9. 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법으로서,
    제어 신호를 사용하여 전력 컨버터의 입력 노드와 상기 전력 컨버터의 출력 노드 사이에서 전력의 전달을 제어하는 스위치를 제어하는 단계로서, 상기 입력 노드는 입력을 수신하는, 상기 스위치를 제어하는 단계;
    상기 전력 컨버터의 출력을 측정하는 단계;
    상기 출력에 기초하여 에러 신호를 발생시키는 단계;
    램프 신호를 발생시키는 단계;
    비교기의 제1 입력 단자에 상기 에러 신호를 제공하는 단계;
    상기 비교기의 제2 입력 단자에 상기 램프 신호를 제공하는 단계;
    상기 비교기를 사용하여 상기 에러 신호 및 상기 램프 신호에 기초한 비교 신호를 발생시키는 단계;
    상기 입력의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계;
    상기 출력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계를 포함하되;
    상기 제어 신호는 상기 비교 신호에 기초하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 램프 신호의 가변 기간의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 입력은 전원 공급 기구로부터 수신된 입력 전압이고;
    상기 출력은 부하에 제공된 조절된 출력 전압이며;
    상기 에러 신호는 에러 전압이고;
    상기 스위치는 게이트, 및 상기 입력과 상기 출력 사이의 가변 임피던스 경로를 구비한 제어 전계 효과 트랜지스터이며;
    상기 스위치를 제어하는 단계는 상기 게이트에 상기 제어 신호를 인가하는 단계를 포함하고;
    상기 출력 노드 및 상기 입력 노드는 상기 가변 임피던스 경로에 의해 서로 결합되며; 그리고
    상기 출력 노드는 상기 전력 컨버터의 출력 필터에 결합되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 램프 신호를 발생시키는 단계는,
    발진기를 사용하여, 가변 발진기 주파수를 갖는 발진기 신호를 발생시키는 단계;
    상기 발진기 신호를 사용하여 상기 램프 신호의 램프의 시작 타이밍을 맞추는 단계; 및
    상기 비교 신호를 사용하여 상기 램프 신호의 램프의 종료 타이밍을 맞추는 단계를 포함하되;
    상기 가변 기간은 상기 가변 발진기 주파수에 의해 설정되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 입력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계;
    상기 가변 기간의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계; 및
    상기 출력의 증가에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 감소시키는 단계를 더 포함하되;
    상기 기울기의 감소 및 상기 기울기의 증가는 상기 입력을 갖는 고정 계수 인자, 상기 가변 기간을 가진 제2 고정 계수 인자, 및 상기 출력을 갖는 제3 고정 계수 인자에 따라서 수행되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    발진기를 사용하여, 가변 발진기 주파수를 갖는 발진기 신호를 발생시키는 단계;
    상기 발진기 신호를 사용하여 상기 램프 신호의 램프의 시작 타이밍을 맞추는 단계; 및
    제1 제어 회로 및 디지털 코드를 사용하여 상기 가변 발진기 주파수를 변경하는 단계를 더 포함하며;
    상기 가변 기간의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기의 증가는 제2 제어 회로 및 상기 디지털 코드를 사용하여 수행되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    제1 제어 회로 및 디지털 코드를 사용하여 상기 출력을 변경하는 단계를 더 포함하되;
    상기 출력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기의 증가는 제2 제어 회로 및 상기 디지털 코드를 사용하여 수행되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 램프 신호의 기울기의 증가 및 감소는, (i) 출력의 0.5 내지 5V; (ii) 입력의 3.3 내지 24V; 및 (iii) 가변 기간의 500㎑ 내지 8㎒의 변화에도 불구하고, 상기 전력 컨버터의 제어 회로에 의해 소비된 20 uA 미만의 전류로 목표 교차점의 100 ㎷ 내에서, 상기 에러 신호와 상기 램프 신호의 교차점을 유지하는 역할을 하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  17. 전력 컨버터로서,
    입력을 수신하는 입력 노드;
    출력을 제공하는 출력 노드;
    제어 신호에 의해 제어되고 상기 입력 노드로부터 상기 출력 노드로 전력의 전달을 제어하는 가변 임피던스 경로를 갖는 스위치;
    상기 스위치에 결합되는 드라이버 회로;
    상기 출력 노드에 결합되는 감지 회로;
    상기 감지 회로 및 기준에 결합되는 에러 증폭기;
    기울기 및 가변 기간을 갖는 램프 신호를 발생시키는 주기적 램프 발생기 회로;
    (i) 상기 드라이버 회로에 통신 가능하게 결합된 비교기 출력; (ii) 상기 에러 증폭기에 통신 가능하게 결합된 제1 비교기 입력; 및 (iii) 상기 주기적 램프 발생기 회로에 통신 가능하게 결합된 제2 비교기 입력을 갖는 비교기;
    상기 입력에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키도록 구성된 제1 제어 회로;
    상기 가변 기간의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키도록 구성된 제2 제어 회로; 및
    상기 출력의 감소에 응답하여 상기 램프 신호의 기울기를 증가시키도록 구성된 제3 제어 회로를 포함하는, 전력 컨버터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 출력 노드에 결합된 출력 필터;
    상기 스위치 및 접지 전압에 결합된 제2 스위치를 더 포함하되;
    상기 스위치 및 상기 제2 스위치는 전계 효과 트랜지스터이고;
    상기 입력은 전원 공급 기구로부터 수신된 입력 전압이며; 그리고
    상기 출력은 부하에 제공된 조절된 출력 전압인, 전력 컨버터.
  19. 제18항에 있어서,
    발진기의 발진 기간을 변화시키는 발진기 제어 입력을 갖는 상기 발진기를 더 포함하되;
    상기 램프 신호의 시작은 상기 발진기에 의해 설정되고; 그리고
    상기 램프 신호의 종료는 상기 비교기에 의해 설정되는, 전력 컨버터.
  20. 제19항에 있어서,
    제1 디지털 코드에 응답하고 상기 발진기 제어 입력을 제어하는 제4 제어 회로; 및
    제2 디지털 코드에 응답하고 상기 출력 노드의 출력을 제어하는 제5 제어 회로를 더 포함하되;
    상기 제2 제어 회로는 상기 제1 디지털 코드에 응답하고; 그리고
    상기 제3 제어 회로는 상기 제2 디지털 코드에 응답하는, 전력 컨버터.
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