KR102561778B1 - Pwm/pfm 듀얼 모드 dc-dc 벅 컨버터 장치 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치는, 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하는 DC-DC 벅 컨버터부와, 램프 신호를 제1세트 신호로서 제공하고, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 전압과 상기 램프 신호의 출력 전압을 비교한 결과를 제1리세트 신호로서 제공하는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부와, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호로서 제공하고, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호로서 제공하는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부와, 상기 제1세트 신호, 상기 제2세트 신호, 상기 제1리세트 신호 및 상기 제2리세트 신호에 기초하여 상기 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 상기 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 상기 DC-DC 벅 컨버터부를 구동하는 컨버터 구동부를 포함한다.
Description
본 발명은 PWM/PFM 듀얼 모드 DC-DC 벅(Buck) 컨버터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM(Pulse Frequency Modulation) 동작 모드를 수행하는 PWM/PFM 듀얼 모드 DC-DC 벅(Buck) 컨버터 장치에 관한 것이다.
주지하고 있는 바와 같이, 컨버터 제어 방식 중에 펄스 주파수 변조(PFM) 제어와 펄스 폭 변조(PWM) 제어가 있다. 이 중에서 펄스 주파수 변조 제어는 부하 전류가 감소하면 스위칭 기간이 늘어나고 출력 전압 리플이 커진다. 또한 스위칭 주파수가 다양하기 때문에 전자기 간섭(EMI) 노이즈를 필터링하는 것도 쉽지 않다. 경부하 조건에서 전체 손실을 지배하는 스위칭 손실을 줄임으로써 더 높은 효율성을 달성한다. 펄스 폭 변조(PWM) 제어는 PFM보다 더 나은 EMI 성능을 제공하는 고부하 조건에서 여전히 널리 사용되고 있다. 전압 모드 PWM 제어 방법은 복잡한 보상 회로 설계이지만 잡음 내성이 높은 단일 전압 제어 루프를 활용하는 간단한 피드백 루프 구조를 가지고 있다. 전류 모드 PWM 제어 방법은 빠른 과도 응답 속도를 갖지만 하나 이상의 전류 제어 루프가 필요하다. 따라서 전류 센서 및 보상 램프 회로를 지원하려면 추가 영역과 전력 소비가 필요하다.
이처럼, 컨버터 제어 방식 중 펄스 주파수 변조 제어와 펄스 폭 변조 제어는 각각의 장점과 단점을 갖고 있기에 용도나 부하 조건에 따라 선택된다.
한편, 사물 인터넷(IoT) 또는 휴대용 애플리케이션을 위한 DC-DC 컨버터는 리튬 이온 배터리, 차세대 배터리 또는 다양한 수확 소스에서 에너지 입력 인터페이스를 제공한다. 이러한 DC-DC 컨버터는 다양한 종류의 부하 단계를 지원하여야 하기에 펄스 주파수 변조 제어와 펄스 폭 변조 제어 중에 제어 방식을 택일할 경우에는 넓은 부하 범위에 대해 높은 효율성을 제공하기는 어렵다.
일 실시예에 따르면, DC-DC 벅 컨버터의 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 적응형 온 타임 PFM(Pulse Frequency Modulation) 동작 모드를 수행하는 PWM/PFM 듀얼 모드 DC-DC 벅 컨버터 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 관점에 따르면, PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치는, 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하는 DC-DC 벅 컨버터부와, 램프 신호를 제1세트 신호로서 제공하고, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 전압과 상기 램프 신호의 출력 전압을 비교한 결과를 제1리세트 신호로서 제공하는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부와, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호로서 제공하고, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호로서 제공하는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부와, 상기 제1세트 신호, 상기 제2세트 신호, 상기 제1리세트 신호 및 상기 제2리세트 신호에 기초하여 상기 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 상기 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 상기 DC-DC 벅 컨버터부를 구동하는 컨버터 구동부를 포함한다.
상기 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부는, 상기 제1리세트 신호(RST1)를 제공하기 위해 상기 출력 피드백 전압(VFB)과 상기 기준 전압(VREF)의 차를 증폭하는 보상기를 포함할 수 있고, 상기 보상기는 상수 트랜스 컨덕턴스 레일 투 레일(rail-to-rail) 연산 증폭기 구조를 채택한 오류 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부는, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 비교한 신호를 상기 제2세트 신호로서 출력하는 비교기와, 입력 전압(Vin), 출력 피드백 전압(VFB), 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 대응하는 활성화/비활성화 신호 및 기준 전압2(VREF2)에 기초하여 제2리세트 신호를 출력하는 선택 가능한 적응형 온타임 생성기를 포함할 수 있고, 상기 컨버터 구동부는, 상기 제2세트 신호, 상기 제2리세트 신호 및 상기 DC-DC 벅 컨버터부의 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 기초하여 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드의 수행 여부를 결정하는 모드 선택기를 포함할 수 있다.
상기 선택 가능한 적응형 온 타임 생성기는, 입력 전압(Vin)과 출력 피드백 전압(VFB) 간의 차이에 비례하는 적응형 전류를 생성하는 적응형 전류 생성기와, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하는 2비트 디지털-아날로그 컨버터와, 상기 하이 사이드 스위치가 켜지면, 전류 미러를 통해 제공되는 적응형 전류에 의해 커패시터가 충전되어 온 타임에 해당하는 충전시간이 지남에 따라 전압이 증가되고, 충전 전압이 기준 전압2(VREF2)에 도달하면 상기 하이 사이드 스위치가 꺼져서 상기 커패시터가 방전되는 반복 동작을 통해 램프 파형을 상기 제2리세트 신호로서 생성하는 램프 생성기를 포함할 수 있다.
상기 컨버터 구동부는, 상기 제1리세트 신호를 상기 하이 사이드 스위치를 켜기 위한 듀티 사이클 정보로서 이용할 수 있다.
상기 컨버터 구동부는, 비중첩 게이트 드라이버 동작을 하는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버를 포함할 수 있고, 상기 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버는, 상기 DC-DC 벅 컨버터부의 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 따라 로우 사이드 스위치를 오프하는 보조 스위치를 포함할 수 있다.
상기 컨버터 구동부는, 연속 전도 모드 (CCM) 및 불연속 전도 모드 (DCM) 조건에서 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대해 게이트 드라이버의 제어 신호를 제공할 수 있다.
상기 컨버터 구동부는, 상기 연속 전도 모드 조건에서 상기 DC-DC 벅 컨버터부의 주기적인 스위칭은 1 단계와 2 단계의 작동으로 수행하되, 상기 1 단계에서 각 CLK 신호가 게이트 드라이버에 입력되면 하이 사이드 스위치가 켜지고 게이트 드라이버의 최종 출력이 낮아지며, 데드 타임 후에 로우 사이드 스위치를 켜면 게이트 드라이버의 최종 출력이 높아질 수 있다.
상기 컨버터 구동부는, 상기 불연속 전도 모드 조건에서 상기 DC-DC 벅 컨버터부의 주기적인 스위칭은 1 단계와 2 단계 및 3 단계의 작동으로 수행하되, 상기 1 단계에서 각 CLK 신호가 게이트 드라이버에 입력되면 하이 사이드 스위치가 켜지고 게이트 드라이버의 최종 출력이 낮아지며, 데드 타임 후에 로우 사이드 스위치를 켜면 게이트 드라이버의 최종 출력이 높아지고, 3 단계는 2 단계 작동 중에 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 따라 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치가 모두 오프할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, DC-DC 벅 컨버터의 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행함으로써, 넓은 부하 범위에 따른 다양한 출력 전류 조건에서 우수한 효율성을 제공한다. 아울러, 부하(예컨대, IoT 어플리케이션 등)에 따라서 인덕터 피크전류 혹은 출력 전압 리플이 중요한 경우에는 온 타임을 조절하여 필요한 수치로 조절이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 구동 장치를 포함하는 벅-부스트 컨버터 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부의 세부 구성도로서, (a)는 보상기의 세부 구성도이고, (b)는 보상기 내의 오류 증폭기의 세부 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부 내의 선택 가능한 적응형 온타임 생성기의 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 컨버터 구동부 내의 드라이버의 구성도이다.
도 5은 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부를 통한 선택 가능한 적응형 온 타임 제어의 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 6은 경부하 조건에서 스위칭 주파수에 따른 효율 차이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 드라이버에 포함되는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버에 대한 연속 전도 모드(CCM) 및 불연속 전도 모드(DCM) 조건에서의 제어 신호 상태를 나타낸 것이다.
도 8은 CCM 및 DCM 조건에서 드라이버에 포함되는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버의 타이밍 다이어그램이다.
도 2는 도 1에 도시된 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부의 세부 구성도로서, (a)는 보상기의 세부 구성도이고, (b)는 보상기 내의 오류 증폭기의 세부 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부 내의 선택 가능한 적응형 온타임 생성기의 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 컨버터 구동부 내의 드라이버의 구성도이다.
도 5은 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부를 통한 선택 가능한 적응형 온 타임 제어의 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 6은 경부하 조건에서 스위칭 주파수에 따른 효율 차이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 드라이버에 포함되는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버에 대한 연속 전도 모드(CCM) 및 불연속 전도 모드(DCM) 조건에서의 제어 신호 상태를 나타낸 것이다.
도 8은 CCM 및 DCM 조건에서 드라이버에 포함되는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버의 타이밍 다이어그램이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
또한, 명세서에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA나 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PWM/PMF(Pulse Width Modulation/ Pulse Frequency Modulation) 듀얼 모드 DC-DC 벅 컨버터 장치(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, PWM/PFM 듀얼 모드 DC-DC 벅 컨버터 장치(100)는 DC-DC 벅 컨버터부(110), 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부(120), 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130) 및 컨버터 구동부(140)를 포함한다.
DC-DC 벅 컨버터부(110)는 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행한다.
전압 모드 PWM 제어 루프 생성부(120)는 램프 생성기(121)가 생성한 램프 신호를 제1세트 신호(SET1)로서 제공하고, 보상기(122)가 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭하면, 증폭된 전압(VAMP)과 램프 신호의 출력 전압(VSAW)을 비교기(123)에서 비교한 결과를 제1리세트 신호(RST1)로서 제공한다.
도 2를 참조하면, 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부(120)를 구성하는 보상기(122)는 오류 증폭기(Error Amplifier, EA)를 포함하고, 오류 증폭기(EA)에 상수 트랜스 컨덕턴스 레일 투 레일(rail-to-rail) 연산 증폭기 구조를 채택하여 전체 입력 전압 범위에 대해 안정적으로 작동한다.
다시 도 1을 참조하면, 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130)는 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호(SET2)로서 제공하고, DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호(RST2)로서 제공한다.
이러한 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130)는 비교기(210) 및 선택 가능한 적응형 온 타임 생성기(220)를 포함할 수 있다. 비교기(210)는 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 비교한 신호를 제2세트 신호(SET2)로서 출력할 수 있다. 선택 가능한 적응형 온 타임 생성기(220)는 입력 전압(Vin), 출력 피드백 전압(VFB), DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치의 온/오프에 대응하는 활성화/비활성화 신호 및 기준 전압2(VREF2)에 기초하여 제2리세트 신호(RST2)를 출력할 수 있다.
도 3을 참조하면, 이러한 선택 가능한 적응형 온 타임 생성기(220)는 적응형 전류 생성기(310), 2비트 디지털-아날로그 컨버터(320), 램프 생성기(330) 및 전류 미러(340)를 포함할 수 있다. 적응형 전류 생성기(310)는 입력 전압(Vin)과 출력 피드백 전압(VFB) 간의 차이에 비례하는 적응형 전류(Iadaptive)를 생성할 수 있다. 2비트 디지털-아날로그 컨버터(320)는 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정할 수 있다. 램프 생성기(330)는 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치가 켜지면 VGATE.P 신호가 비활성화되어, 전류 미러(340)를 통해 제공되는 적응형 전류에 의해 커패시터(C1)가 충전되어 온 타임에 해당하는 충전시간이 지남에 따라 전압이 증가되고, 충전 전압이 기준 전압2(VREF2)에 도달하면 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치가 꺼져서 VGATE.P 신호가 활성화되고 커패시터(C1)가 방전되는 반복 동작을 통해 램프 파형을 제2리세트 신호(RST2)로서 생성할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 컨버터 구동부(140)는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부(120)의 제1세트 신호(SET1)와 제1리세트 신호(RST1) 및 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130)의 제2세트 신호(SET2)와 제2리세트 신호(RST2)에 기초하여 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 DC-DC 벅 컨버터부(110)를 구동한다. 여기서, 컨버터 구동부(140)는 제1리세트 신호(RST1)를 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치를 켜기 위한 듀티 사이클 정보로서 이용할 수 있다.
컨버터 구동부(140)는 제2세트 신호(SET2), 제2리세트 신호(RST2) 및 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 기초하여 적응형 온 타임 PFM 동작 모드의 수행 여부를 결정하는 모드 선택기(141), 제어 로직(142), 데드 타임 컨트롤러(DTC, 143) 및 드라이버(144)를 더 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 드라이버(144)는 비중첩 게이트 드라이버 동작을 하는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410) 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)를 포함할 수 있다. 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)는 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 따라 로우 사이드 스위치를 오프하는 보조 스위치(421)를 포함할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 PWM/PMF 듀얼 모드 DC-DC 벅 컨버터 장치의 동작에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
실시예에 따른 PWM/PMF 듀얼 모드 DC-DC 벅 컨버터 장치(100)는 광범위한 부하 전류 조건에서 고효율을 얻도록 설계되었다. 고부하 조건에 대해 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부(120)를 통한 VPWM 제어 루프를 채택하고, 경부하 조건에 대해 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130)를 통한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프를 채택한다. 적응형 온 타임 PFM 제어는 선택 가능한 적응형 온 타임 방식을 통해 추가적인 적응형 최적화를 제공한다. 또한, 컨버터 구동부(140) 내 드라이버(144)에 비중첩 게이트 구동 회로를 채용하여 VPWM 제어 루프의 효율성을 향상 시켰다. 출력 부하 전류가 특정 수준보다 낮아지면 VPWM 제어 루프는 고효율을 달성하기 어렵습니다. 따라서 효율적인 전력 공급을 위해 VPWM이 아닌 PFM 제어를 사용하여 더 나은 효율성을 달성한다. 선택 가능한 적응형 온 타임 제어는 경부하 조건에서 높은 효율성을 보여준다. 경부하 조건에서 필요한 효율, 피크 인덕터 전류 및 출력 전압 리플 사양에 따라 온 타임을 조정할 수 있다.
선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130)는 선택 가능한 적응형 온 타임 생성기(220)를 포함하고, 선택 가능한 적응형 온 타임 생성기(220) 내의 적응형 전류 생성기(310)는 입력 전압(Vin)과 출력 피드백 전압(VFB) 간의 차이에 비례하는 적응형 전류를 생성한다. 생성된 적응형 전류는 전류 미러(340)를 통해 램프 파형을 생성하는 데 사용된다. DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치가 켜지면 VGATE.P 신호가 비활성화된다. 생성된 적응형 전류는 전류 미러(340)를 통해 커패시터(C1)를 충전하여 시간이 지남에 따라 전압을 증가시킨다. 기준 전압2(VREF2)에 도달하면 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치가 꺼진다. 그러면 VGATE.P 신호가 활성화되고 커패시터(C1)이 방전된다. 이러한 충전 및 방전의 반복 동작을 통해 커패시터(C1) 전압은 램프 모양을 따른다. 온 타임은 커패시터(C1) 전압이 충전되는 시간에 해당하며 기준 전압2(VREF2)에 비례한다. 적응형 온 타임 생성기(220)는 2 비트 디지털-아날로그 컨버터(320)를 포함하고, 2 비트 디지털-아날로그 컨버터(320)의 2비트 출력(11, 10, 01, 00)에 따라 기준 전압2(VREF2) 및 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치에 대한 온 타임(Ton)이 제어된다. DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치에 대한 온 타임은 기준 전압2(VREF2)에 비례하고, 기준 전압2(VREF2)를 증가시켜 DC-DC 벅 컨버터부(110)의 하이 사이드 스위치에 대한 온 타임을 증가시킨다.
이러한 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130)를 통한 선택 가능한 적응형 온 타임 제어는 부하 전류에 따라 최적의 효율을 도출하는 온 타임 종속 스위칭 주파수에서 작동하도록 설계되었다.
도 5는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부(130)를 통한 선택 가능한 적응형 온 타임 제어의 특성을 나타낸 그래프들로서, (a)는 온 타임과 스위칭 주파수 간의 관계를 나타낸 것이고, (b)는 온 타임과 인덕터 피크 전류 간의 관계를 나타낸 것이며, (c)는 온 타임과 출력 전압 리플 간의 관계를 나타낸 것이다. 도 6은 경부하 조건에서 스위칭 주파수에 따른 효율 차이를 나타낸 그래프이다.
2 비트 디지털-아날로그 컨버터(320)를 통해 온 타임을 증가시키면 스위칭 주파수가 감소한다. 스위칭 주파수는 도 5의 (a)와 같이 온 타임의 제곱에 반비례한다. 도 6에서 알 수 있듯이 최적의 효율을 도출하기 위한 최적의 스위칭 주파수가 부하 전류(ILOAD)에 따라 달라지는 것을 볼 수 있다. 여기서, FPWM은 고부하 조건에서 PWM 스위칭 주파수이고 FPFM은 경부하 조건에서 PFM 스위칭 주파수이니다. 충분한 경부하 조건에서 부하 전류가 작을수록 최적의 스위칭 주파수가 작아진다. 선택 가능한 적응형 온 타임 제어를 통해 경부하 조건에서 부하 전류 값이 감소함에 따라 온 타임 값을 증가시킨다. 그러면 증가된 온 타임이 스위칭 주파수를 줄이고 스위칭 손실을 더욱 줄여 최적의 효율성을 달성한다.
또한, 선택 가능한 적응형 온 타임 제어를 통해 IoT 애플리케이션에서 값이 중요한 인덕터 피크 전류 또는 출력 전압 리플을 제어 할 수 있다. 2 비트 디지털-아날로그 컨버터(320)를 조정하여 온 타임이 증가하면 인덕터 피크 전류가 증가한다. 인덕터 피크 전류는 도 5의 (b)와 같이 온 타임에 비례한다. 출력 전류가 충분히 낮다고 가정하면 컨버터의 주기적인 작동은 컨버터의 커패시터(Cout)에 충전된 에너지를 방전하는 데 오랜 시간이 걸린다. 에너지 방전에 사용되는 시간은 스위칭 사이클에서 지배적이다. 이 경우 온 타임이 증가함에 따라 출력 전압 리플이 증가한다. 출력 전압 리플은 도 5의 (c)와 같이 온 타임의 제곱에 비례한다. 따라서 선택 가능한 적응형 온 타임 제어 방식은 정시 제어가 가능하다. 정시 조정을 통해 다목적 IoT 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 경부하 효율성, 인덕터 피크 전류 및 출력 전압 리플을 조정할 수 있다.
무거운 부하 조건에서 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부(120)를 통한 VPWM 제어는 2개의 개선된 서브 회로를 활용하여 구현된다.
첫 번째 회로는 향상된 게이트 드라이버이다. 도 4에 나타낸 바와 같이 드라이버(144)에 포함된 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410) 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)는 비중첩(non-overlap) 게이트 드라이버 동작을 하고, 드라이버 끝에서 동적 전류 소비를 줄이며 전원 스위치를 통해 전류가 흐르지 않는다. 실시예에 따른 드라이버(144)는 데드 타임 제어(DTC)와 함께 사용되지만 내부에 자체 비중첩 피드백 구조가 있다. 실시예에 따른 게이트 드라이버는 전류가 전원 스위치를 통해 발생하는 것을 방지 할뿐만 아니라 드라이버의 최종 단계에서 동적 전류 손실을 줄여준다. 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)에는 DC-DC 벅 인터버부(110) 내의 ZCD 회로가 인덕터 전류가 0이 될 때 인스턴스를 감지하면 일시적으로 로우 사이드 스위치를 여는 보조 스위치(421)가 있다. ZCD 신호가 로우에서 하이로 변경되는 순간 게이트 드라이버의 입력으로 들어오는 CLK2 신호의 위상이 반전된다. 짧은 지연 시간이 지나면 EN(활성화) 신호가 활성화되고 보조 스위치(421)가 짧은 시간에 켜지고 로우 사이드 스위치가 열린다.
두 번째 회로는 전체 입력 전압 범위에 대해 안정적으로 작동하는 오류 증폭기 구조이다. 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부(120)를 구성하는 보상기(122)는 오류 증폭기(Error Amplifier, EA)를 포함하고, 오류 증폭기(EA)에 상수 트랜스 컨덕턴스 레일 투 레일(rail-to-rail) 연산 증폭기 구조를 채택하여 전체 입력 전압 범위에 대해 안정적으로 작동한다. 컨버터의 정상 상태에서 오류 증폭기(EA)에 있는 두 입력의 공통 모드 레벨은 기준 전압(VREF)으로 동일하게 바이어스된다. 소프트 스타트 프로세스에서 오류 증폭기(EA)의 양의 입력 전압은 0에서 기준 전압(VREF)으로 부드럽게 증가하지만 음의 입력은 동일한 공통 모드로 유지되어야 한다. 정상적인 컨버터 작동에서 오류 증폭기(EA)의 네거티브 입력은 일시적인 응답에서 일시적으로 변동하고 기존 증폭기는 부하 전류의 즉각적인 상승 또는 하강 응답의 경우 원하지 않는 상태가 될 수 있다. 따라서 넓은 입력 전압에서 일정한 트랜스 컨덕턴스를 유지하기 위해 레일 투 레일 증폭기 구조를 채택하여 오버 슈팅이나 언더 슈팅의 경우에도 안정적인 동작이 나타난다.
도 7은 드라이버(144)에 포함되는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410) 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)에 대한 연속 전도 모드(CCM) 및 불연속 전도 모드(DCM) 조건에서의 제어 신호 상태를 나타낸 것이다.
부하 전류가 충분히 높은 CCM 조건에서 컨버터의 주기적인 스위칭은 1 단계(Φ1.CCM)와 2 단계(Φ2.CCM)의 작동으로 수행된다. 1 단계에서 각 CLK 신호가 게이트 드라이버에 입력되면 하이 사이드 스위치가 켜지고 게이트 드라이버의 최종 출력이 낮다. 짧은 데드 타임 후에 로우 사이드 스위치를 켜면 게이트 드라이버의 최종 출력이 높아진다. 부하 전류가 0에 가까운 DCM 조건에서 컨버터의 주기적 스위칭은 1 단계(Φ1.DCM), 2 단계(Φ2.DCM) 및 3 단계(Φ3.DCM)의 작동으로 수행된다. 1 단계와 2 단계의 작동은 CCM 조건에서와 동일합니다. 2 단계 작동 중에 ZCD 회로가 인덕터 전류가 0을 교차하는 것을 감지하면 3 단계(Φ3.DCM)에서 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치가 모두 열린다.
도 8은 CCM 및 DCM 조건에서 드라이버(144)에 포함되는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410) 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)의 타이밍 다이어그램이다. CCM 조건에서 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410) 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)는 도 8의 (a)에 나와있는 것처럼 1 단계 및 2 단계의 주기 작동을 수행한다. DTC 회로의 CLK 신호와 유사하게 하이 측에 대한 CLK1 및 로우 측에 대한 CLK2는 비중첩 특성을 갖도록 구성된다. CLK1 및 CLK2 신호의 상승 및 하강 에지에서 겹치지 않는 지연 시간은 각각 tdc1 및 tdc2에 해당한다. 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410)에서 게이트 드라이버의 자체 내부 비중첩 피드백 구조를 통해 마지막 단계 버퍼를 제어하는 신호는 V.G.PP 및 V.G.PN에 해당한다. V.G.PP 및 V.G.PN의 하강 및 상승 에지에서 겹치지 않는 지연 시간은 각각 tdp1 및 tdp2에 해당한다. 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)에서 V.G.NP 및 V.G.NN의 하강 및 상승 에지에서 겹치지 않는 지연 시간은 각각 tdn1 및 tdn2에 해당한다. 최종 드라이버 출력 (VGATE.P, VGATE.N)의 상승 및 하강 에지에서 겹치지 않는 지연 시간은 각각 Td1 및 Td2에 해당한다. 실시예에 따른 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410) 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)는 게이트 드라이버의 최종 단계에 최적의 데드 타임을 적용하여 동적 전류 손실을 방지한다. 또한 전원 스위치를 통해 전류가 흐르지 않도록 한다.
DCM 조건에서 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버(410) 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버(420)는 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이 1 단계, 2 단계 및 3 단계에서 주기적으로 작동한다. 1 단계에서 2 단계로의 전환 작업은 CCM 조건에서와 동일합니다. 하이 사이드 스위치를 끄고 로우 사이드 스위치를 켜면 인덕터를 통해 흐르는 전류량이 점차 감소한다. 인덕터 전류가 0 (Tclk1)을 교차하면 CLK2에 대한 신호 경로의 위상이 반전된다. 짧은 지연 시간 후 Ten1의 타이밍 순간에 EN 신호가 로우에서 하이로 변경되어 짧은 시간에 보조 스위치(421)를 켠 다음 로우 사이드 스위치 (3 단계)를 끈다. 3 단계에서 1 단계로 전환하는 과정에서 VGATE.P 신호가 낮음에서 높음(Tclk2, Ten2)으로 변경되면 ZCD 회로의 출력 신호가 높음에서 낮음으로 변경된다. CLK2에 대한 신호 경로의 위상은 원래 상태로 돌아간다. 동시에 EN 신호가 높음에서 낮음으로 변경되고 보조 스위치(421)가 꺼진다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, DC-DC 벅 컨버터의 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행함으로써, 넓은 부하 범위에 따른 다양한 출력 전류 조건에서 우수한 효율성을 제공한다. 아울러, 부하(예컨대, IoT 어플리케이션 등)에 따라서 인덕터 피크전류 혹은 출력 전압 리플이 중요한 경우에는 온 타임을 조절하여 필요한 수치로 조절이 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치
110: DC-DC 벅 컨버터부
120: 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부
130: 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부
140: 컨버터 구동부
110: DC-DC 벅 컨버터부
120: 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부
130: 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부
140: 컨버터 구동부
Claims (9)
- 삭제
- 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM(Pulse Frequency Modulation) 동작 모드를 수행하는 DC-DC 벅 컨버터부와,
램프 신호를 제1세트 신호로서 제공하고, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 전압과 상기 램프 신호의 출력 전압을 비교한 결과를 제1리세트 신호로서 제공하는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부와,
출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호로서 제공하고, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호로서 제공하는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부와,
상기 제1세트 신호, 상기 제2세트 신호, 상기 제1리세트 신호 및 상기 제2리세트 신호에 기초하여 상기 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 상기 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 상기 DC-DC 벅 컨버터부를 구동하는 컨버터 구동부를 포함하고,
상기 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부는,
상기 제1리세트 신호(RST1)를 제공하기 위해 상기 출력 피드백 전압(VFB)과 상기 기준 전압(VREF)의 차를 증폭하는 보상기를 포함하고,
상기 보상기는 상수 트랜스 컨덕턴스 레일 투 레일(rail-to-rail) 연산 증폭기 구조를 채택한 오류 증폭기를 포함하는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치. - 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM(Pulse Frequency Modulation) 동작 모드를 수행하는 DC-DC 벅 컨버터부와,
램프 신호를 제1세트 신호로서 제공하고, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 전압과 상기 램프 신호의 출력 전압을 비교한 결과를 제1리세트 신호로서 제공하는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부와,
출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호로서 제공하고, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호로서 제공하는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부와,
상기 제1세트 신호, 상기 제2세트 신호, 상기 제1리세트 신호 및 상기 제2리세트 신호에 기초하여 상기 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 상기 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 상기 DC-DC 벅 컨버터부를 구동하는 컨버터 구동부를 포함하고,
상기 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부는,
출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 비교한 신호를 상기 제2세트 신호로서 출력하는 비교기와,
입력 전압(Vin), 출력 피드백 전압(VFB), 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 대응하는 활성화/비활성화 신호 및 기준 전압2(VREF2)에 기초하여 제2리세트 신호를 출력하는 선택 가능한 적응형 온타임 생성기를 포함하고,
상기 컨버터 구동부는,
상기 제2세트 신호, 상기 제2리세트 신호 및 상기 DC-DC 벅 컨버터부의 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 기초하여 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드의 수행 여부를 결정하는 모드 선택기를 포함하는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 선택 가능한 적응형 온 타임 생성기는,
입력 전압(Vin)과 출력 피드백 전압(VFB) 간의 차이에 비례하는 적응형 전류를 생성하는 적응형 전류 생성기와,
상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하는 2비트 디지털-아날로그 컨버터와,
상기 하이 사이드 스위치가 켜지면, 전류 미러를 통해 제공되는 적응형 전류에 의해 커패시터가 충전되어 온 타임에 해당하는 충전시간이 지남에 따라 전압이 증가되고, 충전 전압이 기준 전압2(VREF2)에 도달하면 상기 하이 사이드 스위치가 꺼져서 상기 커패시터가 방전되는 반복 동작을 통해 램프 파형을 상기 제2리세트 신호로서 생성하는 램프 생성기를 포함하는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치. - 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM(Pulse Frequency Modulation) 동작 모드를 수행하는 DC-DC 벅 컨버터부와,
램프 신호를 제1세트 신호로서 제공하고, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 전압과 상기 램프 신호의 출력 전압을 비교한 결과를 제1리세트 신호로서 제공하는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부와,
출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호로서 제공하고, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호로서 제공하는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부와,
상기 제1세트 신호, 상기 제2세트 신호, 상기 제1리세트 신호 및 상기 제2리세트 신호에 기초하여 상기 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 상기 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 상기 DC-DC 벅 컨버터부를 구동하는 컨버터 구동부를 포함하고,
상기 컨버터 구동부는, 상기 제1리세트 신호를 상기 하이 사이드 스위치를 켜기 위한 듀티 사이클 정보로서 이용하는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치. - 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM(Pulse Frequency Modulation) 동작 모드를 수행하는 DC-DC 벅 컨버터부와,
램프 신호를 제1세트 신호로서 제공하고, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 전압과 상기 램프 신호의 출력 전압을 비교한 결과를 제1리세트 신호로서 제공하는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부와,
출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호로서 제공하고, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호로서 제공하는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부와,
상기 제1세트 신호, 상기 제2세트 신호, 상기 제1리세트 신호 및 상기 제2리세트 신호에 기초하여 상기 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 상기 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 상기 DC-DC 벅 컨버터부를 구동하는 컨버터 구동부를 포함하고,
상기 컨버터 구동부는,
비중첩 게이트 드라이버 동작을 하는 하이 사이드 스위치용 게이트 드라이버 및 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버를 포함하고,
상기 로우 사이드 스위치용 게이트 드라이버는,
상기 DC-DC 벅 컨버터부의 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 따라 로우 사이드 스위치를 오프하는 보조 스위치를 포함하는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치. - 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어에 따라 VPWM(Voltage-mode Pulse Width Modulation) 동작 모드 또는 적응형 온 타임 PFM(Pulse Frequency Modulation) 동작 모드를 수행하는 DC-DC 벅 컨버터부와,
램프 신호를 제1세트 신호로서 제공하고, 출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 전압과 상기 램프 신호의 출력 전압을 비교한 결과를 제1리세트 신호로서 제공하는 전압 모드 PWM 제어 루프 생성부와,
출력 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 차를 증폭한 신호를 제2세트 신호로서 제공하고, 상기 하이 사이드 스위치의 온 타임에 비례하는 기준 전압2(VREF2)를 결정하며, 입력 전압과 출력 피드백 전압 간의 차이에 비례하는 적응형 전류로 커패시터를 기준 전압2(VREF2)까지 충전 후 방전하는 동작을 상기 하이 사이드 스위치의 온/오프에 따라 반복하여 램프 파형을 제2리세트 신호로서 제공하는 선택 가능한 적응형 온 타임 PFM 제어 루프 생성부와,
상기 제1세트 신호, 상기 제2세트 신호, 상기 제1리세트 신호 및 상기 제2리세트 신호에 기초하여 상기 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대한 온 타임 제어를 통해 고부하 조건에 대해 상기 VPWM 동작 모드를 수행하되 경부하 조건에 대해 상기 적응형 온 타임 PFM 동작 모드를 수행하도록 상기 DC-DC 벅 컨버터부를 구동하는 컨버터 구동부를 포함하고,
상기 컨버터 구동부는,
연속 전도 모드 (CCM) 및 불연속 전도 모드 (DCM) 조건에서 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치에 대해 게이트 드라이버의 제어 신호를 제공하는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 컨버터 구동부는,
상기 연속 전도 모드 조건에서 상기 DC-DC 벅 컨버터부의 주기적인 스위칭은 1 단계와 2 단계의 작동으로 수행하되, 상기 1 단계에서 각 CLK 신호가 게이트 드라이버에 입력되면 하이 사이드 스위치가 켜지고 게이트 드라이버의 최종 출력이 낮아지며, 데드 타임 후에 로우 사이드 스위치를 켜면 게이트 드라이버의 최종 출력이 높아지는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 컨버터 구동부는,
상기 불연속 전도 모드 조건에서 상기 DC-DC 벅 컨버터부의 주기적인 스위칭은 1 단계와 2 단계 및 3 단계의 작동으로 수행하되, 상기 1 단계에서 각 CLK 신호가 게이트 드라이버에 입력되면 하이 사이드 스위치가 켜지고 게이트 드라이버의 최종 출력이 낮아지며, 데드 타임 후에 로우 사이드 스위치를 켜면 게이트 드라이버의 최종 출력이 높아지고, 3 단계는 2 단계 작동 중에 제로 전류 감지(ZCD) 신호에 따라 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치가 모두 오프하는
PFM/PWM 듀얼 모드 벅 컨버터 장치.
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