KR102524950B1 - 저 대 고 전력 전이 모드를 가진 전원 - Google Patents

저 대 고 전력 전이 모드를 가진 전원 Download PDF

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Abstract

일 예는 스위칭 전원(100)을 포함한다. 스위칭 전원(100)은 전력 스테이지(116), 피드백 루프(120), 및 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)를 포함한다. 전력 스테이지(116)는 스위칭 신호(VREF)에 응답하여 출력 신호(VOUT)를 제공한다. 피드백 루프(120)는 출력 신호(VOUT)를 감시하고 피드백 에러 신호를 제공하여 스위칭 신호(VREF)를 조정해서 출력 신호(VOUT)를 조절한다. 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 피드백 루프(120)가 피드백 에러 신호를 제공하기에 충분할 시간을 가질 때까지 스위칭 전원(100)의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 일시적으로 제공한다.

Description

저 대 고 전력 전이 모드를 가진 전원
이것은 일반적으로 전원들에 관한 것으로, 특히 저 대 고 전력 전이 모드를 가진 전원에 관한 것이다.
스위칭 모드 전원(switching mode power supply)(SMPS)은 전기 전력을 효율적으로 변환하기 위해 스위칭 조절기를 포함하는 전자 전원이다. SMPS는 전압 및 전류 특성들을 변환하면서, 전력을 DC 또는 AC 소스로부터, 자동차 전자 장치들과 같은 DC 부하들에 전달한다. 선형 전원과 달리, SMPS는 저-소산(low-dissipation), 풀 온(full-on) 및 풀 오프(full-off) 상태들 사이에서 계속적으로 스위칭하고, 고-소산 전이들에서 아주 적은 시간을 소비하여, 그것은 낭비된 에너지를 최소화한다. 전압 조절은 온 대 오프 시간의 비율을 변화시킴으로써 달성된다. 그에 반해서, 선형 전원은 전력을 계속적으로 소산함으로써 출력 전압을 조절한다. 이러한 더 높은 전력 변환 효율은 SMPS의 중요한 장점이다.
SMPS가 가진 공통 문제는 컨트롤러가 부하 전류에 관계없이 고정된 양의 전력을 소비하기 때문에 부하 전류가 낮을 때 전력 효율이 매우 낮다는 것이다. 이러한 경우에 효율을 개선하기 위해, 저 전력 모드 동작은 간단하고 낮은 전류 컨트롤러에 의해 조절되는 출력을 유지하면서 정규(고 전력) 피드백 루프 내의 기능 블록들을 정지하기 위해 추가될 수 있다. 저 전력 모드는 부하 전류가 낮을 때 정규 컨트롤러의 전력 소비를 제거하는 것을 돕는다. 그러나, 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이는 2개의 모드의 핸드오버가 원활하지 않으면 출력 전압 오버슈트 또는 딥을 야기할 수 있다.
일 예는 스위칭 전원을 포함한다. 스위칭 전원은 전력 스테이지, 피드백 루프, 및 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기를 포함한다. 전력 스테이지는 스위칭 신호에 응답하여 출력 신호를 제공한다. 피드백 루프는 출력 신호를 감시하고 피드백 에러 신호를 제공하여 스위칭 신호를 조정해서 출력 신호를 조절한다. 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기는 피드백 루프가 피드백 에러 신호를 제공하기에 충분한 시간을 가질 때까지 스위칭 전원의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 일시적으로 제공한다.
다른 예는 스위칭 전원을 위한 출력 신호를 제공하기 위한 방법을 포함한다. 방법은 스위칭 신호에 응답하여 출력 신호를 발생시키는 단계; 출력 신호와 연관되는 피드백 에러 신호를 제공하여 스위칭 신호를 조정해서 출력 신호를 연속적으로 조절하는 단계; 저 전력 모드 동안 피드백 신호를 디스에이블하는 단계; 저 전력 모드 동안 저 전력 스위칭 신호를 전력 스테이지에 공급하는 단계; 및 피드백 신호와 연관되는 회로가 피드백 신호를 제공하는 것으로 다시 전이되었을 때까지 스위칭 전원의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 일시적으로 제공하는 단계를 포함한다.
다른 예는 다른 스위칭 전원을 포함한다. 스위칭 전원은 전압 루프 증폭기, 전류 루프 증폭기, 프리차지 전압 발생기, 및 전류 센스 요소를 포함한다. 전압 루프 증폭기는 고 전력 모드 동안 스위칭 전원에 의해 생성되는 전압 에러의 양을 표시하는 전압 에러 진폭 전압을 생성한다. 전류 루프 증폭기는 고 전력 모드 동안 스위칭 전원에 의해 생성되는 전류 에러의 양을 표시하는 전류 에러 진폭 전압을 생성한다. 프리차지 전압 발생기는 스위칭 전원의 저 전력 모드와 고 전력 모드 사이의 전이 기간 동안 프리차지 전압을 결정하여 전류 루프 증폭기의 출력에 인가하며, 고 전력 모드로 전이되는 것은 전이 기간 동안 인가되는 프리차지 전압을 디스에이블한다. 스위치는 프리차지 전압 발생기의 출력에서, 전이 기간으로부터 고 전력 모드로 변경될 때 전류 루프 증폭기의 출력으로부터 프리차지 발생기를 스위칭가능하게 분리한다. 전류 센스 요소는 저 전력 모드와 고 전력 모드 사이의 전이 기간 동안 전류 진폭 전압을 전압 루프 증폭기의 출력에 인가하며, 고 전력 모드로의 전이는 전이 기간 동안 전류 센스 요소에 의해 인가되는 전류 진폭 전압을 디스에이블한다.
도 1은 시스템의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 하는 시스템의 일 예를 예시한다.
도 2는 회로의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 하는 예시적 회로를 예시한다.
도 3은 도 2에 도시된 회로의 예시적 타이밍도를 예시한다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 시스템 및 회로의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 하기 위한 방법의 일 예를 예시한다.
이러한 설명은 스위칭 전원(SMPS)의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 하는 스위칭 전원 및 방법에 관한 것이다. 설명은 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 SMPS 전이 동안 출력 전압 오버슈트 및 딥을 회피한다. 일 예에서, 스위칭 전원은 전력 스테이지, 피드백 루프, 저 전력 모드 컨트롤러, 및 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기를 포함한다. 전력 스테이지 요소는 스위칭 신호에 응답하여 출력 신호를 제공한다. 피드백 루프는 출력 신호를 감시하고 피드백 에러 신호를 제공하여 스위칭 신호의 듀티 사이클을 조정해서 출력 신호를 조절한다. 저 전력 모드 컨트롤러는 저 전력 모드 동안 피드백 루프를 디스에이블하고 저 전력 모드 동안 스위칭 신호를 전력 스테이지 요소에 일시적으로 공급한다. 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기는 일시적으로 스위칭 전원의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 일시적으로 제공하며, 저 전력 모드 컨트롤러는 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기를 인에이블한다.
저 전력 모드로부터 고 전력 모드로 종래에 전이되는 것은 SMPS가 타겟 전압을 충족시키는 전압을 생성할 시에 정착하도록 시간의 양을 필요로 하며, 피드백 루프는 SMPS에 의해 생성되는 전압의 에러를 감시하고 정정하기 위해 사용된다. 시뮬레이션된 피드백 에러 스위칭 신호를 저 전력 모드로부터의 전이 기간 동안 스위칭 전원에 인가함으로써, SMPS는 타겟 전압에서 실질적으로 고 전력 모드를 시작할 수 있으며, 그것은 SMPS가 타겟 전압을 충족시키는 전압을 생성할 시에 정착하도록 요구되는 시간의 양을 실질적으로 완화한다. 따라서, 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기를 SMPS에 추가하는 것은 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 한다.
도 1은 시스템(100)의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 하는 시스템(100)의 일 예를 예시한다. 일 예에서, 시스템(100)은 스위칭 전원(SMPS)이다. 시스템(100)은 시스템 출력(VOUT) 및 피드백 루프(120)에 결합되는 전력 스테이지(116) 요소, 전력 스테이지들(116) 및 VOUT에 결합되는 저 전력 모드 컨트롤러(118), 및 피드백 루프(120)에 결합되는 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)를 포함한다. 피드백 루프(120)는 저 전력 모드 컨트롤러(118)에 추가로 결합된다.
시스템(100)은 입력 직류(direct current)(DC) 전압을 VOUT에서 이용가능한 적절한 출력 DC 전압으로 변환한다. 시스템(100)은 VOUT에서의 그러한 타겟 출력 DC 전압에 도달하기 위해 듀티 사이클을 수정한다. VOUT에서의 그러한 전압은 미리 디자인된 타겟 전압과 실질적으로 매칭하기 위해 시스템(100)에 의해 유지될 수 있다. 일 예에서, 시스템(100)은 듀티 사이클을 수정함으로써 VOUT에서 미리 디자인된 타겟 전류를 유지한다. 시스템(100)은 저 전력 모드 및 고 전력 모드에 동작하고, 저 전력 모드와 고 전력 모드 사이의 전이 기간 동안 부가적으로 동작한다. 저 전력 모드 동안, 시스템(100)의 대부분이 디스에이블되며, 시스템(100)의 나머지 컴포넌트들은 도 2를 참조하여 더 상세히 설명되는, 고 전력 모드 동안 이용가능한 것보다 더 작은 양의 전력을 생성한다. 고 전력 모드 동안, 전체 시스템(100)은 타겟 출력 DC 전압(VOUT)을 생성하기 위해 활성화된다. 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이 기간 동안, 시스템(100)은 시스템(100)이 VOUT에서 타겟 전압 요건들을 충적시키는 전압을 생성하는 고 전력 모드를 시작하는 것을 허용하기 위해 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 결정하고 인가하여, 시스템(100)에 대한 미리 디자인된 타겟 전압(VOUT)에서 정착하도록 요구되는 종래의 시간을 실질적으로 완화하며, 그것에 의해 고 전력 모드로의 변경 후에 종래의 발생하는 VOUT에서의 오버슈트 및 언더슈트를 실질적으로 완화한다.
시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 VOUT에 존재하는 전압 에러의 양을 표현하는 시뮬레이션된 전압 에러 진폭(voltage error amplitude)(VEA) 신호를 생성한다. 일 예에서, 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 VOUT에 존재하는 전류 에러의 양을 표현하는 시뮬레이션된 전류 에러 진폭(current error amplitude)(CEA) 신호를 생성한다. VEA 신호 및 CEA 신호는 고 전력 모드인 적절한 시작 지점(들)에 피드백 루프(120)를 제공하기 위해 시스템(100) 내에서 힘 평형 상태(forced balanced state)를 생성한다. 시스템(100)의 저 전력 모드 컨트롤러(118)가 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 활성화할 때, 시스템(100)은 전이 기간을 시작한다. 전이 기간 동안, 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 VOUT가 고 전력 모드에서 시스템(100)에 의해 생성되기 전에 시뮬레이션된 VEA 신호를 결정하고 그러한 신호를 피드백 루프(120)에 인가한다. 따라서, 피드백 루프(120)는 임의의 에러가 VOUT에 심지어 존재하기 전에 전이 기간 동안 인가되는 시작 에러 신호를 가지며, 그러한 시작 에러 신호는 타겟 VOUT를 생성하기 위해 피드백 루프(120)를 설정한다. 그 다음, 고 전력 모드로의 시스템(100)의 전이 동안, 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 디스에이블되고 피드백 루프(120)의 정상 피드백 기능들은 대체되어 타겟 VOUT를 유지한다.
시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 종래에 처리될 수 있는 시스템(100) 내의 변수들을 처리한다. 예를 들어, 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 시뮬레이션된 전압 에러 진폭(VEA) 신호 및 시뮬레이션된 전류 에러 진폭(CEA) 신호에 대한 변경들을 야기하는 시스템(100) 내의 전력, 전압, 및 온도의 변화들을 처리한다. 마찬가지로, 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 시스템(100) 내에 이용되는 특정 변조기의 스위칭 주파수들의 변화들, 시스템(100) 내의 컴포넌트들에 대한 제조 변화들, 다양한 입력 전압들(VREF, VIN, VDD)의 변화들을 처리한다. 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114)는 시스템(100)이 피드백 루프(120)에서 실질적으로 제로 에러를 가진 고 전력 모드를 시작하는 것을 야기하는 시뮬레이션된 VEA 신호 및 시뮬레이션된 CEA 신호에 대한 변경들을 야기하는 시스템(100) 내의 임의의 변화들을 처리한다.
전력 스테이지들(116)은 저 전력 모드 및 고 전력 모드 동안 시스템(100)에 대한 전력을 생성한다. 그러한 저 전력 모드는 고 전력 모드 동안 요구되는 것보다 더 적은 전력을 VOUT에서 필요로 한다. 전력 스테이지들(116)은 전력 스테이지들(116)이 저 전력 모드 동안 VOUT에서 타겟 전력을 유지하는 것을 허용하는 듀티 사이클을 갖는 신호로 변조된다. 저 전력 모드 컨트롤러(118)는 그러한 변조된 신호를 전력 스테이지들(116)에 제공한다. 시스템(100)이 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로 전이될 때, 저 전력 모드 컨트롤러(118)는 시스템(100)이 VOUT에서 고 전력을 생성하는 것을 허용하기 위해 전력 스테이지들(116)을 활성화한다. 저 전력 모드 컨트롤러(118)는 저 전력 모드 컨트롤러(118)가 저 전력 모드 동안 VOUT에서 전압을 생성하기 위해 사용되는 듀티 사이클을 수정하는 것을 허용하기 위해 저 전력 모드 동안 VOUT로부터 전압 신호를 수신한다. 일 예에서, 저 전력 모드 컨트롤러(118)는 저 전력 모드 컨트롤러(118)가 저 전력 모드 동안 VOUT에서 전류를 생성하기 위해 사용되는 듀티 사이클을 수정하는 것을 허용하기 위해 저 전력 모드 동안 VOUT로부터 전류 신호를 수신한다.
하나의 특정 예에서, 시스템(100)은 전력을 자동차의 전자 장치들에 공급하기 위해 전원으로서 이용될 수 있다. 자동차가 주행되고 있고 점화가 온될 때, 자동차의 전자 장치들의 대부분은 활성이고 전력을 소비하고 있다. 자동차가 점화 오프에서 주차될 때, 자동차의 전자 장치들의 대부분이 요구되지 않고 따라서 전원 차단된다. 그러나, 작은 수의 자동차의 전자 장치들은 자동차가 주차되고 점화가 턴 오프될 때에도 여전히 활성이다. 따라서, 시스템(100)은 자동차가 점화 오프에서 주차될 때 저 전력 모드 및 점화가 턴 온되고 자동차의 전자 장치들의 대부분이 활성일 때 고 전력 모드에서 동작한다. 점화가 온 상태로 변경될 때, 전자 장치들은 이러한 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로 전이된다. 위에 설명된 바와 같이, 종래에 그러한 변경은 시스템(100)이 미리 지정된 타겟 전압 및 전류에서 정착하도록 시간을 필요로 한다. 예시적 시스템(100)은 자동차의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 이룰 때 그러한 지연들을 실질적으로 완화한다.
도 2는 회로(200)의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 하는 예시적 회로(200)를 예시한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 회로는 증폭기 및 비교기와 같은, 회로 기능을 수행하는 능동 및/또는 수동 요소들의 집합을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 용어 회로는 모든 회로 요소들이 공통 기판 상에 제작되는 집적 회로를 포함할 수 있다.
회로(200)는 참조 전압(VREF)을 전압 루프 증폭기(216)에 대한 입력으로서 수락한다. 전압 루프 증폭기(216)는 전압 루프(240) 내에서 전압 에러의 양을 표현하는 전압 에러 진폭(VEA) 신호를 생성한다. 전압 루프 증폭기(216)는 그것의 2개의 입력 단자에 걸쳐 결합되는 스위치(S2)를 갖는다. 전압 피드백 루프(240)의 일부로서, 스위치(S1)는 VREF 입력에 대향하는 전압 루프 증폭기(216)의 입력 단자에 결합된다. 스위치(S1)는 저항기(212)와 저항기(214) 사이의 전압 피드백 루프(240)에 결합되며, 저항기(212) 및 저항기(214)는 전압 분배기를 형성한다. 전압 루프 증폭기(216)의 출력은 전압 루프 증폭기(216)의 출력에서의 최소 참조 전압인 Vmin과 전압 루프 증폭기(216)의 출력에서의 최대 참조 전압인 Vmax 사이에서 전압 루프 증폭기(216)의 출력 전압을 클램핑하는 전압 클램프(222)에 결합된다. 커패시터(244)는 전압 루프 증폭기(216)의 출력에 결합되는 저항기(242)에 결합되며, 커패시터(244) 및 저항기(242)는 전압 루프 보상을 제공한다.
전류 루프 증폭기(220)는 전압 루프 증폭기(216)의 출력에 결합된다. 전류 루프 증폭기(220)는 전류 루프(248) 내에서 전류 에러의 양을 표현하는 전류 에러 진폭(CEA) 신호를 생성한다. 전류 루프 증폭기는 그것의 2개의 입력 단자에 걸쳐 결합되는 스위치를 갖는다. 전류 루프 증폭기(220)의 하나의 단자는 전압 루프 증폭기(216)의 출력에 결합되고 전류 루프 증폭기(220)의 다른 단자는 전류 피드백 루프(248) 내의 전류 센스(218)에 결합된다. 전류 센스(218)는 프리차지 전압 발생기(238)에 부가적으로 결합된다. 커패시터(246) 저항기(250)에 결합되며, 저항기(250)는 전류 루프 증폭기(220)의 출력에 결합되어, 커패시터(246) 및 저항기(250)는 전류 루프 보상을 제공한다. 커패시터(232)는 VOUT에 결합된다. 도 1에 도시된 피드백 루프(120)는 전압 피드백 루프(240), 전류 피드백 루프(248), 또는 전압 피드백 루프(240) 및 전류 피드백 루프(248) 양자를 포함할 수 있다.
램프 발생기(224)는 PWM 비교기(226) 및 PWM 비교기(228)에 결합되고 벅 램프 변조된 신호를 PWM 비교기(226)에 제공하고 부스트 램프 변조된 신호를 PWM 비교기(228)에 제공한다. 다른 예들에서, 램프 발생기(224)는 톱니파 신호를 생성한다. PWM 비교기들(226 및 228)은 전류 루프 증폭기(220)의 출력에 결합된다. 프리차지 전압 발생기(238)는 전류 루프 증폭기(220)의 출력에 결합된다. 전류 루프 증폭기(220)는 에러 신호를 PWM 비교기들(226 및 228)에 출력하며, 그러한 에러 신호는 VOUT에서 타겟 전압 및 타겟 전류를 생성하기 위해 회로(200)의 듀티 사이클을 설정한다. 프리차지 전압 발생기(238) 및 램프 발생기(224)는 입력 전압(VDD)에 결합된다. PWM 비교기들(226 및 228)의 출력들은 전력 스테이지(236) 회로 요소에 결합되며, 전력 스테이지들(236)의 출력은 고 전력 모드 및 저 전력 모드 둘 다에서의 VOUT에서 타겟 전압 및 전류를 생성한다. 인덕터(252)는 전력 스테이지들(236)의 제1 및 제2 단들에 걸쳐 결합된다. 전력 스테이지들(236)은 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로 회로(200)를 전이시켜, 저 전력 모드 동안 저 전력 모드 컨트롤러(230)로부터 일시적으로 수신되는 변조된 신호들을 통해 저 전력 모드에서 타겟 전압 및 전류를 생성한다. 고 전력 모드에 있을 때, 전력 스테이지들(236)은 PWM 비교기들(226 및 228)에 의해 생성되는 펄스 전압에 의해 구동되고 대응하는 전압을 VOUT에서 이용가능하게 한다. 프리차지 전압 발생기(238), 램프 발생기(224), 및 전력 스테이지들(236)은 입력 전압(VIN)에 결합되며, VIN으로부터의 전력은 VOUT에 송신된다.
전력 스테이지들(236)은 제1 단 및 제2 단을 포함한다. 전력 스테이지들(236)의 제1 단은 PWM 비교기(226)의 출력에 둘 다 결합되는, 병렬인 버퍼 요소(258) 및 인버터(260)를 포함한다. 버퍼 요소(258) 및 인버터(260)의 출력은 전계 효과 트랜지스터들(field-effect transistors)(FETs)(262 및 264)에 각각 결합된다. FET들(262 및 264)은 인덕터(252)에 결합된다. 전력 스테이지들(236)의 제2 단은 PWM 비교기(228)의 출력에 둘 다 결합되는, 병렬인 버퍼 요소(254) 및 인버터(256)를 포함한다. 버퍼 요소(254) 및 인버터(256)의 출력은 FET들(266 및 268)에 각각 결합된다. FET(266)는 VOUT 및 전류 피드백 루프(248)에 추가로 결합되며, FET(268)는 인덕터(252) 및 전류 피드백 루프(248)에 결합된다. 일 예에서, 전력 스테이지들(236)은 벅 모드 및 부스트 모드 둘 다를 지원하며, VIN은 출력 전압(VOUT)보다 더 낮거나 더 높다. 벅 모드에 있을 때, 요소들(228, 254, 256, 266, 및 268)은 예시적 회로(200)에 의해 활성화되지 않고, 부스트 모드에서, 요소들(226, 258, 260, 262, 및 264)은 예시적 회로(200)에 의해 활성화되지 않는다.
저 전력 모드 동안, 회로(200)의 모든 컴포넌트들은 전력 스테이지들(236) 및 저 전력 모드 컨트롤러(230)를 제외하고 파워 오프된다. 저 전력 모드 컨트롤러(230)는 전력 스테이지들(236)의 듀티 사이클을 설정하기 위해 저 전력 모드에서 동작하는 변조기를 포함한다. 저 전력 모드에서의 그러한 듀티 사이클은 저 전력 모드 컨트롤러(230)가 VOUT로부터 수신하는 피드백에 기초한다. 저 전력 모드 동안, 스위치들(S1)은 개방되고 스위치들(S2, S3 및 S4)은 폐쇄된다. 저 전력 모드 동안 스위치들(S2 및 S3)을 폐쇄하는 것은 루프 증폭기들(216 및 220)의 입력들을 각각 단락시킨다. 그러한 단락은 루프 증폭기들(216 및 220)이 고 전력 모드에서 이용되기 시작할 때 루프 증폭기들(216 및 220)을 위해 평형 상태를 설정하는 혜택을 제공한다. 고 전력 모드로의 전이의 순간에, 스위치들(S2 및 S3)은 전압 루프(240) 및 전류 루프(248)가 VOUT에서 적절한 전압 및 전류를 각각 유지하는 것을 허용하기 위해 개방된다.
스위치(S1)를 개방하는 것은 전압 루프(240)로부터의 전압이 저 전력 모드 동안 전압 루프 증폭기(216)에 인가되는 것을 방지한다. 스위치(S4)를 개방하는 것은 프리차지 전압 발생기(238)가 고 전력 모드 동안 프리차지 전압(PRECHARGE)을 전류 루프 증폭기(220)의 출력에 인가하는 것을 방지한다. 회로(200)의 저 전력 모드와 고 전력 모드 사이의 전이 기간 동안, 스위치(S4)는 폐쇄된다. 스위치(S4)의 폐쇄는 시뮬레이션된 전압 피드백 에러 신호를 전류 루프 증폭기의 출력에서 인가하기 위해 프리차지 전압 발생기(238)를 인에이블한다. 그러한 시뮬레이션된 전압 피드백 에러 신호는 전이 기간으로부터 고 전력 모드로 변경됨에 따라 PWM 비교기들(226 및 228)에 대한 시작 듀티 사이클을 설정한다. 따라서, 회로(200)는 실질적으로 제로 에러를 갖고 VOUT에 대한 타겟 전압과 매칭하는 VOUT에서, 프리차지 전압 발생기(238)에 의해 생성되는 프리차지 전압에 기초하여, 저 전력 모드 동안 파워 오프되었고 전압을 생성하기 시작하는 회로(200)의 컴포넌트들을 파워 온함으로써 고 전력 모드를 시작한다.
일 예에서, 회로(200)는 시뮬레이션된 전류 피드백 에러 신호(CSENSE 전압)를 인가하는 것을 제외하고, 프리차지 전압 발생기(238)에 대해 설명되는 것과 유사한 기능을 수행하기 위해 전류 루프(248) 내에 전류 센스(218)를 이용한다. 전류 센스(218) 및 전압 루프 증폭기(220)의 출력(VEA)은 공통 모드 전압에 클램핑된다. 그러한 시뮬레이션된 전류 피드백 에러 신호는 전이 기간으로부터 고 전력 모드로 변경됨에 따라 PWM 비교기들(226 및 228)에 대한 시작 듀티 사이클을 설정한다. 따라서, 회로(200)는 실질적으로 제로 에러를 가진 VOUT가 VOUT에 대한 타겟 전류와 매칭할 시에, 전류 센스(218)에 의해 생성되는 CSENSE 전압에 기초하여, 저 전력 모드 동안 파워 오프되었고 전류를 생성하기 시작하는 회로(200)의 컴포넌트들을 파워 온함으로써 고 전력 모드를 시작하여, 회로가 VOUT에 대한 타겟 전류에 정착하도록 요구되는 시간을 실질적으로 완화한다. 고 전력 모드의 시작에서 VOUT에 타겟 전압을 설정하는 것이 우선인 회로(200)의 적용에서, 프리차지 전압 발생기(238)는 전류 센스(218)로부터의 원조 없이 이용될 수 있다. 마찬가지로, 고 전력 모드의 시작에서 VOUT에 타겟 전류를 설정하는 것이 우선인 회로(200)의 적용에서, 전류 센스(218)는 프리차지 전압 발생기(238)로부터의 원조 없이 이용될 수 있다. 고 전력 모드의 시작에서 VOUT에 타겟 전압 및 전류를 설정하는 것이 우선인 회로(200)의 적용에서, 전류 센스(218) 및 프리차지 전압 발생기(238)가 둘 다 이용될 수 있다. 일 예에서, 프리차지 전압 발생기(238)는 회로(200)가 전압 루프 증폭기(220)를 구동하는 전류 센스(218)가 없을 때 VOUT 상에서 더 적은 전이로 동작할 수 있다. 전류 센스(218)는 전류 루프를 동작시키기 위해 전압 루프 증폭기(220)를 구동한다.
프리차지 전압 발생기(238)는 이하의 함수로서 프리차지 전압을 결정한다: VPRE-CHARGE = f(VIN, VDD, FSW, Process, Temperature) 방정식 1, 여기서 VIN은 전력 스테이지들(236)에 대한 공급 전압이고, VDD는 프리차지 전압 발생기(238) 및 램프 발생기(224)에 인가되는 전압이고, FSW는 램프 발생기(224)의 스위칭 주파수이고, Process는 회로(200)의 제조 변화들을 처리하기 위해 프리차지 전압 발생기(238)로 프로그래밍되는 상수이고, Temperature는 전이 기간 동안의 회로(200)의 온도이다. 프리차지 전압 발생기(238) 및 램프 발생기(224)에 의해 생성되는 전압은 VDD와 독립적이며, VDD에 대한 변화들은 VOUT에 영향을 미치지 않을 것이고, Fsw, process, 및 Temperature에 대해서도 마찬가지이다. 일 예에서, 디폴트 온도는 프리차지 전압을 결정하기 위해 사용될 수 있으며, 회로(200)에 대한 디폴트 온도는 회로(200)가 임계 온도 아래일 때 사용된다.
프리차지 전압 발생기(238)는 방정식에 따라, 전류 루프 증폭기(220)의 출력(CEA)에서 인가되는 프리차지 전압을 결정한다:
Figure 112019038389320-pct00001
방정식 2
Ramp Gain =
Figure 112019038389320-pct00002
방정식 3, 여기서, VOUT는 회로(200)의 출력 전압(VOUT)이고, k1은 프리차지 전압 발생기(238)의 전류 이득이고, VCSENSE는 전류 센스(218)에 의해 생성되는 전압이다. VIN은 전력 스테이지들(236), 프리차지 전압 발생기(238), 및 램프 발생기(224)에 의해 인가되는 공통 전압이다. VPWM _RAMP는 램프 발생기(224)에 의해 생성되는 벅 램프 전압(BU_RAMP) 또는 부스트 램프 전압(BO_RAMP)이다. 램프 발생기(224)의 모드(벅 또는 부스트)에 따라, 전력 스테이지들(236)은 그러한 모드들과 연관되는 PWM 비교기들(226 및 228) 중 하나에 의해 구동된다. Ramp Gain은 고정 이득을 사용하는 대신에, 램프 발생기의 복제품을 사용하여 발생되는, 램프 발생기(224)의 벅 조절기에 대한 스위칭 주파수, 저항 및 커패시턴스를 추적한다. 일 예에서, k1은 프리차지 전압 발생기(238)에 의해 생성되는 전압이 약간 더 높도록 적절한 값에 설정되어, 듀티 사이클은 VOUT에서 전력 스테이지들(236)에 발생하는 임의의 전압 손실을 보상하기 위해 약간 더 높다.
프리차지 전압 발생기(238)는 방정식에 따라, 전류 루프 증폭기(220)의 출력(CEA)에서 인가되는 프리차지 전압을 결정한다:
Figure 112019038389320-pct00003
방정식 4, 여기서, k2는 저항기들(212 및 214)에 의해 생성되는 VOUT 대 VFB 전압 분배기의 비율이고, VOUT=VFB*k2=VREF*k2를 가진 고 전력 모드 동안 VOUT를 설정한다. VREF*k2는 회로(200)의 VOUT 및 VOUT를 셋업하는 피드백 저항기들(212 및 214)의 임의의 변화를 추적한다. R은 활성화될 때 전계 효과 트랜지스터(FET)(254)의 저항이다. 전류 센스(218)에 의해 생성되는 전압은 VCSENSE=R*ICSENSE와 동등하며, ICSENSE는 VCSENSE, 즉 전류 센스(218)에 의해 감지되는 전압을 발생시키기 위한 기초로서 전류 피드백 루프(248)로부터 전류 센스(218)에 의해 감지되는 전류이다. k1*R*ICSENSE는 경 또는 중 부하가 회로(200)에 부착되는지에 의존하여 적절한 CEA 전압을 계산하기 위해 FET(266)의 저항(RDSON)을 추적한다. 전류 센스(218)의 출력은 방정식 4를 계산하는 기초로서 프리차지 전압 발생기(238)에 결합된다. 따라서, 그러한 결합은 출력 전류가 높을 때 회로가 더 낮은 VOUT 전압을 얻는 것을 실질적으로 방지하는 것을 허용하며, 그것은 VPRE_CHARGE를 증가시킴으로써 VOUT 전압 강하의 보호를 허용한다.
벅 모드에서의 VOUT의 일 예:
Figure 112019038389320-pct00004
여기서, VREF × k2는 이상적 VOUT 타겟 전압이고, VDROP는 전력 스테이지 저항들로 인한 전압 손실이고; k1은 k1 × R × ICSENSE-VDROP =0이도록 선택된다
VOUT = VREF × k2
따라서, VOUT는 전이 동안의 예상된 값이다.
도 3은 도 2에 도시된 회로(200)의 예시적 타이밍도(300)를 예시한다. 타이밍도(300)는 인에이블 신호("EN"), 저 전력 모드 인에이블 신호("LPM_EN"), 저 전력 모드 해제 신호 "LPM_RELEASE", 스위치(S1)에 대한 스위칭 신호, 및 스위치들(S2, S3, 및 S4)에 대한 스위칭 신호에 대한 논리 전이들을 예시한다.
시간(T1) 전에, 모든 것은 236, 230, 252 및 232를 제외하고 턴 오프되며, 시스템은 저 전력 모드에 있다. 시간(T1)에서, EN은 PWM 비교기들(226 및 228) 및 램프 발생기(224) 및 216, 222, 220, 218, 238을 활성화하기 위해 하이로 진행된다. 더욱이, 시간(T1)에서, 프리차지 전압 발생기(238) 및 전류 센스(218)는 타겟 VEA, CSENSE, 및 CEA 전압들을 향해 램프 업된다. PWM 비교기들(226 및 228)은 T1에서, 고 전력 모드에서 생성되는 타겟 전력을 향해 회로(200)에 의해 생성되는 전력을 램프 업하기 시작한다.
시간(T2)에서, LPM_RELEASE는 전압들(VEA, CSENSE, 및 CEA 전압들)의 모두가 그들의 타겟 값들에 장착할 때 로우로 진행된다. 또한, T2에서, 스위치들(S1)은 폐쇄되고 스위치들(S2, S3, 및 S4)은 개방되어 고 전력 모드에서 회로(200)를 배치한다. 전류 루프(248) 및 전압 루프(240)는 전력을 VOUT에서 타겟 전압 및 타겟 전류 레벨로 유지하는 제어를 대체한다.
시간(T3)에서, LPM_EN은 회로(200)의 저 전력 모드를 디스에이블하기 위해 로우로 진행되며, 그것은 프리차지 전압 발생기(238) 및 저 전력 모드 컨트롤러(230)를 디스에이블한다. T3에서, 회로(200)는 전이 기간을 완료하고 고 전력 모드에서 동작한다.
위에 설명된 상술한 구조 및 기능 특징들을 고려하여, 예시적 실시예들의 다양한 양태들에 따른 방법은 도 4를 참조하여 설명된다. 설명의 단순화를 위해, 도 4의 방법은 연속적으로 실행되는 것으로서 도시되고 설명되지만, 예시적 실시예들은 일부 양태들이 본원에 도시되고 설명된 것과 다른 양태들과 상이한 순서들로 및/또는 동시에 발생할 수 있음에 따라, 예시된 순서에 의해 제한되지 않는다. 더욱이, 모든 예시된 특징들은 예시적 실시예들의 일 양태에 따른 방법을 구현하도록 요구될 수 있는 것은 아니다. 더욱이, 설명의 단순화를 위해, 도 4의 방법은 (본원에 설명되지 않을지라도) 부가적 기능 특징들을 포함할 수 있으며, 도 4는 본원에 예시된 예들을 참조하여 설명된다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 시스템(100) 및 회로(200)의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이를 원활하게 하기 위한 방법(400)의 일 예를 예시한다. 402에서, 방법(400)은 출력 신호를 제공한다. 전력 스테이지들(116 및 236)은 스위칭 신호에 응답하여 출력 신호를 제공한다. 전력 스테이지들(116 및 236)은 저 전력 모드 컨트롤러(118 및 230)로부터 스위칭 신호를 수신한다. 404에서, 방법(400)은 출력 신호를 감시한다. VOUT에서의 출력 신호, 전압 및/또는 전류는 피드백 루프(120)에 의해 감시된다. 위에 설명된 바와 같이, 피드백 루프(120)는 전압 피드백 루프(240), 전류 피드백 루프(248), 또는 전압 피드백 루프(240) 및 전류 피드백 루프(248) 둘 다를 포함할 수 있다.
406에서, 방법(400)은 피드백 에러 신호를 제공한다. 피드백 루프(120)는 출력 신호(VOUT)를 조절하기 위해 듀티 사이클을 조정하도록 이용되는 피드백 에러 신호를 제공한다. 피드백 에러 신호는 VOUT에 이용가능한 전압 내의 에러의 양을 표현하는 전압 피드백 에러, 및 고 전력 모드 동안 VOUT에서 생성되는 전류 내의 에러의 양을 표현하는 전류 피드백 에러 중 적어도 하나를 포함한다. 408에서, 방법(400)은 피드백 루프(120)를 디스에이블한다. 저 전력 모드 컨트롤러(118)는 저 전력 모드 동안 피드백 루프들(120, 240, 및 248)을 디스에이블한다. 따라서, 피드백 루프들(120, 240, 및 248)에 의해 생성되는 피드백 에러 신호는 저 전력 모드에서 디스에이블된다.
410으로 진행하면, 방법(400)은 스위칭 신호를 일시적으로 공급한다. 저 전력 모드 컨트롤러(118 및 230)는 저 전력 모드 동안 스위칭 신호를 전력 스테이지들(116)에 일시적으로 공급한다. 412에서, 방법(400)은 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 일시적으로 제공한다. 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114), 전류 센스(218), 및 프리차지 전압 발생기(238)는 저 전력 모드로부터의 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 스위칭 전원에 제공하며, 저 전력 모드 컨트롤러(118)는 피드백 에러 신호와 연관되는 회로가 피드백 에러 신호를 제공하는 것으로 다시 전이되었을 때까지 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114), 전류 센스(218), 및 프리차지 전압 발생기(238)를 인에이블한다.
414에서, 방법(400)은 피드백 에러 신호를 생성하는 것으로 스위칭된다. 고 전력 모드에서, 전류 루프 증폭기(220)는 피드백 에러 신호를 생성하기 위해 활성화된다. 그 다음, 416에서, 방법(400)은 저 전력 모드 컨트롤러(118) 및 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기(114), 전류 센스(218), 및 프리차지 전압 발생기(238)에 의해 생성되는 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 디스에이블한다.
수정들은 설명된 실시예들에서 가능하고, 다른 실시예들은 청구항들의 범위 내에서, 가능하다.

Claims (20)

  1. 스위칭 전원으로서,
    스위칭 신호에 응답하여 출력 신호를 제공하는 전력 스테이지;
    상기 출력 신호를 감시하고 피드백 에러 신호를 제공하여 상기 스위칭 신호를 조정해서 상기 출력 신호를 조절하는 피드백 루프;
    상기 피드백 루프가 상기 피드백 에러 신호를 제공하기에 충분한 시간을 가질 때까지 상기 스위칭 전원의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 일시적으로 제공하는 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기; 및
    상기 피드백 루프와 분리되어, 저 전력 모드 동안 상기 피드백 루프를 디스에이블하고 상기 저 전력 모드 동안 상기 스위칭 신호를 상기 전력 스테이지에 공급하는 저 전력 모드 컨트롤러
    를 포함하는 스위칭 전원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피드백 루프는 상기 고 전력 모드 동안 상기 스위칭 전원의 듀티 사이클을 설정하기 위해 상기 피드백 루프에서 에러를 감시하는 스위칭 전원.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 저 전력 모드 컨트롤러는 상기 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 제공하기 위해 상기 전이 기간 동안 상기 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기를 인에이블하는 스위칭 전원.
  5. 제1항에 있어서, 상기 저 전력 모드 및 상기 전이 기간 동안 상기 피드백 루프를 단락시키기 위해 상기 피드백 루프 내의 스위치를 포함하는 스위칭 전원.
  6. 제1항에 있어서, 상기 피드백 루프는 전압 피드백 루프 및 전류 피드백 루프 둘 다를 포함하며, 상기 전압 피드백 루프는 상기 출력 신호의 전압을 조정하기 위해 상기 스위칭 전원의 듀티 사이클을 수정하고 상기 전류 피드백 루프는 상기 출력 신호의 전류를 조정하기 위해 상기 듀티 사이클을 수정하는 스위칭 전원.
  7. 제1항에 있어서, 미리 확립된 최소 전압과 미리 확립된 최대 전압 사이에서 상기 피드백 루프를 클램핑하는 전압 클램프를 포함하는 스위칭 전원.
  8. 제1항에 있어서, 상기 시뮬레이션된 피드백 에러 발생기는 상기 스위칭 전원의 온도, 상기 스위칭 전원에 인가되는 참조 전압, 및 상기 스위칭 전원의 스위칭 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전이 기간 동안 상기 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 결정하는 스위칭 전원.
  9. 제1항의 스위칭 전원을 포함하는 자동차.
  10. 스위칭 전원을 위한 출력 신호를 제공하기 위한 방법으로서,
    고 전력 모드에서의 피드백 루프로부터의 고 전력 스위칭 신호에 응답하여 전력 스테이지로부터 상기 출력 신호를 발생시키는 단계;
    상기 출력 신호와 연관되는 피드백 에러 신호를 제공하여 상기 고 전력 스위칭 신호를 조정해서 상기 출력 신호를 연속적으로 조절하는 단계;
    상기 피드백 루프를 디스에이블함으로써 저 전력 모드 동안 상기 피드백 에러 신호를 디스에이블하는 단계;
    상기 저 전력 모드 동안 저 전력 스위칭 신호를 상기 피드백 루프와 분리된 저 전력 컨트롤러로부터 상기 전력 스테이지에 공급하는 단계; 및
    상기 피드백 에러 신호와 연관되는 회로가 상기 피드백 에러 신호를 제공하는 것으로 다시 전이되었을 때까지 상기 스위칭 전원의 저 전력 모드로부터 고 전력 모드로의 전이 기간 동안 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 일시적으로 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고 전력 모드 동안 상기 스위칭 전원의 듀티 사이클을 설정하기 위해 상기 피드백 에러 신호를 감시하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고 전력 모드 동안 상기 피드백 에러 신호에 기초하여 상기 출력 신호의 전압을 조정하기 위해 상기 스위칭 전원의 듀티 사이클을 설정하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 고 전력 모드 동안 상기 피드백 에러 신호에 기초하여 상기 출력 신호의 전류를 조정하기 위해 상기 스위칭 전원의 듀티 사이클을 설정하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 저 전력 모드 및 상기 전이 기간 동안 상기 스위칭 전원의 피드백 루프를 단락시키는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제10항에 있어서, 미리 확립된 최소 전압과 미리 확립된 최대 전압 사이에서 상기 스위칭 전원의 피드백 루프를 클램핑하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 스위칭 전원의 온도, 상기 스위칭 전원에 인가되는 참조 전압, 및 상기 스위칭 전원의 스위칭 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전이 기간 동안 상기 시뮬레이션된 피드백 에러 신호를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 저 전력 모드 및 상기 전이 기간 동안 상기 스위칭 전원의 전류 루프 증폭기 및 전압 루프 증폭기를 단락시키는 단계를 포함하는 방법.
  18. 스위칭 전원으로서,
    고 전력 모드 동안 상기 스위칭 전원에 의해 생성되는 전압 에러의 양을 표시하는 전압 에러 진폭 전압을 생성하는 전압 루프 증폭기;
    상기 고 전력 모드 동안 상기 스위칭 전원에 의해 생성되는 전류 에러의 양을 표시하는 전류 에러 진폭 전압을 생성하는 전류 루프 증폭기;
    상기 스위칭 전원의 저 전력 모드와 고 전력 모드 사이의 전이 기간 동안 프리차지 전압을 결정하여 전류 루프 증폭기의 출력에 인가하는 프리차지 전압 발생기 - 상기 고 전력 모드로의 변경은 상기 전이 기간 동안 인가되는 상기 프리차지 전압을 디스에이블함 -;
    상기 프리차지 전압 발생기의 출력에서, 상기 전이 기간으로부터 상기 고 전력 모드로 변경될 때 상기 전류 루프 증폭기의 출력으로부터 상기 프리차지 전압 발생기를 스위칭가능하게 분리하는 스위치; 및
    상기 저 전력 모드와 상기 고 전력 모드 사이의 상기 전이 기간 동안 전류 진폭 전압을 상기 전압 루프 증폭기의 출력에 인가하는 전류 센스 요소 - 상기 고 전력 모드로의 변경은 상기 전이 기간 동안 상기 전류 센스 요소에 의해 인가되는 상기 전류 진폭 전압을 디스에이블함 -
    를 포함하는 스위칭 전원.
  19. 제18항에 있어서, 상기 프리차지 전압 발생기는 상기 스위칭 전원의 온도, 상기 스위칭 전원에 대한 참조 전압, 및 상기 스위칭 전원의 스위칭 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전이 기간 동안 상기 프리차지 전압을 결정하는 스위칭 전원.
  20. 제18항에 있어서, 상기 저 전력 모드 및 상기 전이 기간 동안 상기 전압 루프 증폭기를 단락시키기 위해 상기 전압 루프 증폭기의 입력에 제2 스위치를 추가로 포함하는 스위칭 전원.
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