KR102581009B1 - 전하 펌프 안정성 제어 - Google Patents

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Abstract

전력 변환을 위한 장치는 전류원에 커플링된 터미널을 가지는 커패시터 네트워크 내의 펌프 커패시터들 간의 상호접속을 제어하는 스위칭 네트워크와, 전하 관리 서브시스템을 포함한다. 동작 중에, 상기 스위칭 네트워크는 상기 커패시터 네트워크로 하여금 전하 펌프 동작 사이클들 - 각각의 전하 펌프 동작 사이클 동안 상기 커패시터 네트워크는 상기 스위칭 네트워크의 상이한 구성 (configuration) 들에 응답하여 상이한 구성들을 채택함 - 을 실행하도록 한다. 제 1 전하 펌프 동작 사이클의 시작에서, 각각의 펌프 커패시터는 상응하는 초기 상태를 취한다. 전하 관리 서브시스템은 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 후속하는 제 2 전하 펌프 동작 사이클의 시작에 의해 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌린다.

Description

전하 펌프 안정성 제어{CHARGE PUMP STABILITY CONTROL}
본 출원은 미국 가출원 US 61/953,303의 2014년 3월 14일자 우선일 및 미국 가출원 61/953,270의 2014년 3월 14일자 우선일의 이익을 주장하며, 그 내용은 참조로서 본 출원에 병합된다.
본 발명은 전력 컨버터들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전하 펌프들에 관한 것이다.
많은 회로에서, 상기 회로를 구동하도록 하는 전력은 회로가 요구하는 형태가 아닐 수도 있다. 이를 해결하기 위해, 이용 가능한 전력을 상기 회로의 요구에 부합하는 형태로 변환하는 전력 컨버터를 제공하는 것이 유용하다.
공통적인 유형의 전력 컨버터 중 하나는, 스위치 모드 전력 컨버터이다. 스위치 모드 전력 컨버터는 스위치 네트워크를 사용하는 상이한 전기적 구성들로 반응성 회로 엘리먼트들을 스위칭함으로써 출력 전압을 생성한다. 스위칭된 커패시터 전력 컨버터는 에너지 이동을 위해 주로 커패시터들을 사용하는 스위치 모드 전력 컨버터의 유형이다. 이러한 컨버터들은 "전하 펌프들"로 지칭되고 커패시터들은 "펌프 커패시터들"로 지칭된다.
동작 중에, 전하 펌프는 펌프 상태들의 시퀀스 내에서 하나의 펌프 상태로부터 다음 펌프 상태로 전이한다. 각 펌프 상태는 전하 펌프가 그 펌프 상태에서 유지되는 체류 (residence) 시간 및 상기 전하 펌프가 펌프 상태들 사이에 있는 전이 시간들에 의해 특징지어진다. 모든 펌프 상태들에 대한 체류 시간들 및 이러한 펌프 상태들 사이의 매개 (intervening) 전이 시간들의 총합은 상기 전하 펌프의 하나의 사이클의 기간이다.
정확한 동작을 위해, 각 펌프 커패시터는 전하에 있어서 변화가 없이 각 사이클을 시작하고 종료해야 한다. 만약 그렇지 않으면, 전하에 있어서 파지티브 논 제로 (non-zero) 변화가 있는 경우에 복수의 사이클들의 과정에 걸쳐 펌프 커패시터 상에 전하가 축적될 것이다. 커패시터에 걸친 전압은 전하에 정비례하기 때문에, 이러한 전하 부착(accretion)/소모(depletion)는 펌프 커패시터에 걸친 전압에 시간에 따른 변동 (drift) 을 야기할 것이다.
많은 전하 펌프들에서, 스위치는 인접한 펌프 커패시터들을 연결한다. 따라서 스위치에 걸친 전압은 인접한 펌프 커패시터들에 걸친 전압의 의존한다. 커패시터들에 걸친 전압이 평탄하지 않게 변동하면, 스위치에 걸친 전압은 그것의 레이팅 (rating) 을 초과할 수 있다. 이는 스위치의 과열을 초래할 것이고, 따라서 스위치 뿐만 아니라 전하 펌프를 파괴할 수 있다.
펌프 커패시터 상의 전하를 관리하기 위한 절차들은 전하가 어떻게 그곳에 있는지에 부분적으로 의존한다. 일반적으로, 전하를 커패시터에 두기 위해서는 전압원을 이용하는 것 또는 전류원을 이용하는 것의 2 가지 방법이 존재한다.
전압원이 사용될 때, 전하의 관리는 상대적으로 단순하다. 커패시터에 존재하는 전하는 전압의 선형 함수이다. 따라서, 전압을 0 으로 강하시키는 것이 커패시터로부터 전하를 제거하기 위해 충분하다.
전류원이 사용될 때, 전하의 관리는 단순하지 않다. 이는 펌프 커패시터 상의 전하가 전류의 적분값에 연관되고, 전류의 즉각적인 값에 연관되지 않기 때문이다.
본원에 참조로서 병합되는, 2012년 11월 8일자 국제공개공보 WO 2012/151466 는, 하나의 터미널이 조정기에 연결되는 전하 펌프들의 공공의 구성들을 개시하였다. 그 인덕터 때문에, 또한 수반하는 스위치들과 관련된 적절한 시간 스케일 때문에, 이러한 전하 펌프 구성들이 영향을 미치는 한, 조정기는 전류원과 같이 행동한다. 이는 얼마나 많은 전하가 펌프 커패시터들에 존재하는지에 대한 관리를 더욱 어렵게 만든다.
본 출원에서 개시되는 독창적인 주제는 전하 펌프의 각 펌프 커패시터가 매 사이클마다 동일한 조건에서 사이클을 시작하는 것을 보장함으로써 전류원 또는 부하와 커플링된 전하 펌프를 안정화하는 것과 관련된다. 이는 제 1 사이클의 종료로부터의 잔여 전하가 제 2 사이클의 시작에 부가되어 커패시터의 전압을 시간에 따라 변동 (drift) 하도록 할 때 발생하는 전하의 부착 (accretion) 을 방지한다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 전력 변환을 위한 장치를 특징으로 한다. 이러한 장치는 스위칭 네트워크 및 전하 관리 서브시스템을 포함한다. 스위칭 네트워크는 전류원 (current source) 에 커플링된 터미널을 가지는 커패시터 네트워크 내의 펌프 커패시터들 사이의 상호 접속 (interconnection) 들을 제어한다. 동작 중에, 상기 스위칭 네트워크는 상기 커패시터 네트워크로 하여금 전하 펌프 동작 사이클들 - 각각의 전하 펌프 동작 사이클 동안 상기 커패시터 네트워크는 상기 스위칭 네트워크의 상이한 구성 (configuration) 들에 응답하여 상이한 구성들을 채택함 - 을 실행하도록 한다. 제 1 전하 펌프 동작 사이클의 시작에서, 각각의 펌프 커패시터는 상응하는 초기 상태를 취한다. 상기 전하 관리 서브시스템은 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 후속하는 제 2 전하 펌프 동작 사이클의 시작에 의해 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌린다.
일부 실시예들에서, 상기 전하 관리 서브시스템 내의 제어기는 체류 시간 (residence time) 을 조정한다. 이러한 하나의 실시예는 제 1 체류 시간 - 상기 제 1 체류 시간 동안 상기 스위칭 네트워크는 제 1 구성을 취함 - 을 제어하는 제어기를 포함한다. 다른 실시예는 제 1 체류 시간 - 상기 제 1 체류 시간 동안 상기 스위칭 네트워크는 제 1 구성을 취함 - 및 제 2 체류 시간 - 상기 제 2 체류 시간 동안 상기 스위칭 네트워크는 제 2 구성을 취함 - 을 제어하는 제어기를 포함한다. 제어기가 상기 스위칭 네트워크로 하여금 상기 커패시터 네트워크가 데드 타임 (dead-time) 구성을 취하게 하도록 하는 실시예 또한 포함된다.
일부 실시예들에서, 사이클은 제 1 구성 및 제 2 구성을 포함하고, 상기 전하 관리 서브시스템의 제어기는 상기 스위칭 네트워크가 상기 제 1 구성을 취하게 한 결과에 기초하여 상기 스위칭 네트워크의 제 2 구성을 제어한다. 다른 실시예들에서, 상기 스위칭 네트워크는 현재 사이클 및 적어도 하나의 이전 사이클을 거치고, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 이전 사이클 동안의 상기 스위칭 네트워크의 퍼포먼스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 현재 사이클을 제어한다. 또 다른 실시예들에서, 상기 스위칭 네트워크는 이전 사이클들을 거친 후에 현재 사이클을 거치고, 상기 전하 관리 서브시스템은 상기 이전 사이클들 중 적어도 하나 동안의 상기 스위칭 네트워크의 퍼포먼스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 현재 사이클을 제어하는 PID (proportional-integral-derivative) 제어기를 포함한다.
실시예들은 또한 상기 스위칭 네트워크의 구성들에 대한 제어를 행사하도록 구성된 제어기를 포함하는 전하 관리 서브시스템을 포함한다. 이러한 실시예들은 제어기가 상기 커패시터 네트워크의 출력에 기초하여 상기 스위칭 네트워크의 상기 상이한 구성들을 제어하도록 구성된 패드백 제어기를 포함하는 실시예, 그리고 제어기가 상기 커패시터 네트워크의 출력에 기초하여 상기 스위칭 네트워크의 상기 상이한 구성들을 제어하도록 구성된 임계 로직 회로 제어기를 포함하는 실시예이다.
또 다른 실시예들은 스위칭 네트워크를 제어하는 것에 의존하지 않는다. 하나의 그러한 실시예에서, 상기 전하 관리 서브시스템은 상기 커패시터 네트워크가 커플링된 상기 전류원에 대한 제어를 행사하도록 구성된 제어기를 포함한다. 이러한 실시예들은 상기 커패시터 네트워크가 2 개의 터미널들 - 그 중 하나는 저 전압 터미널임 - 을 가지고, 상기 전류원에 커플링된 상기 터미널이 저 전압 터미널인 실시예이다. 또한 이러한 실시예들 중에는 반대의 케이스, 상기 커패시터 네트워크는 2 개의 터미널들 - 그 중 하나는 고 전압 터미널임 - 을 가지고, 상기 전류원에 커플링된 상기 터미널이 고 전압 터미널인 실시예도 포함된다.
일부 실시예들에서, 상기 전하 관리 서브시스템은 상기 전류원에 연결된 안정화 커패시턴스를 포함한다.
다른 실시예들은 하나 이상의 트림 (trim) 커패시터들의 상호접속을 정의함으로써 집합 (aggregate) 커패시턴스 및 요구되는 커패시턴스 사이의 미스매치를 감소시키는 상기 집합 커패시턴스를 정의하도록 선택적으로 구성된 스위치들을 포함하는 트림 커패시터 네트워크를 포함한다. 이러한 실시예들 중 일부에서는, 상기 요구되는 커패시턴스는 상기 전류원에 연결된 안정화 커패시턴스이다. 다른 실시예들에서는, 상기 요구되는 커패시턴스는 펌프 커패시터의 요구되는 커패시턴스이다.
실시예들은 또한 상기 전하 펌프 동작 사이클들의 각각이 일정한 시간 구간을 가지는 실시예, 그리고 상기 전하 펌프 동작 사이클들의 각각이 변화하는 시간 구간을 가지는 실시예를 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 후속하는 상기 제 2 전하 펌프 동작 사이클은 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 즉시 후속하는 전하 펌프 사이클이다. 그러나, 일부 케이스들에서는, 하나의 사이클 내에서 완전한 회복이 달성될 수 없을 수도 있다. 따라서, 어떤 실시예들에서는, 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 후속하는 상기 제 2 전하 펌프 동작 사이클은 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클로부터 적어도 하나의 매개 (intervening) 전하 펌프 동작 사이클 만큼 떨어져 있는 전하 펌프 사이클이다.
본 발명은 상기 스위칭 네트워크가 제어하도록 구성된 상기 커패시터 네트워크를 포함하는 실시예들을 또한 포함한다.
본 발명의 실시예들은 상기 스위칭 네트워크가 2 이하의 구성들로 이루어진 전하 펌프 동작 사이클 - 상기 전하 펌프 동작 사이클 동안 커패시터들 사이의 전하의 이동이 발생함 - 의 실행을 야기하는 실시예 뿐만 아니라, 상기 스위칭 네트워크가 적어도 셋의 구성들로 이루어진 전하 펌프 동작 사이클 - 상기 전하 펌프 동작 사이클 동안 커패시터들 사이의 전하의 이동이 발생함 - 의 실행을 야기하는 실시예 역시 포함한다.
일부 실시예들에서는, 상기 커패시터 네트워크 및 상기 스위칭 네트워크는 전하 펌프를 정의한다. 이러한 실시예들 중에는 상기 전하 펌프가 다중 스테이지 (multi-stage) 전하 펌프를 포함하는 실시예, 상기 전하 펌프가 캐스캐이드 배율기 (multiplier) 를 포함하는 실시예, 상기 전하 펌프가 다상 (multi-phase) 전하 펌프를 포함하는 실시예 및 상기 전하 펌프가 단상 (single-phase) 전하 펌프를 포함하는 실시예가 포함된다.
전류원으로서의 디바이스 기능의 변화 역시 본 발명의 범위 내이다. 하나의 이러한 디바이스는 조정기이다. 전류원으로서 기능하는 조정기들 중에는 스위치 모드 전력 컨버터들, 및 벅 컨버터들이 포함된다.
일부 실시예들에서는, 상기 전하 관리 서브시스템은 적어도 부분적으로 상기 펌프 커패시터들 중 적어도 하나에 저장된 전하의 양을 변화시키는 것에 의해 상기 적어도 하나의 펌프 커패시터를 그 초기 상태로 되돌린다. 이러한 실시예들 중에는 상기 전하 관리 서브시스템이 상기 적어도 하나의 펌프 커패시터와 전하의 저장고 (repository) 사이의 흐름을 야기하는 것에 의해 상기 적어도 하나의 펌프 커패시터에 저장된 전하의 양을 변화시키는 실시예가 포함된다. 적절한 전하의 저장고는 다른 펌프 커패시터 또는 접지를 포함한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 전하 펌프를 제어하기 위한 방법을 포함한다. 이러한 방법은, 전하 펌프 스위칭 네트워크로 하여금 상기 전하 펌프 스위칭 네트워크가 커플링되는 펌프 커패시터들의 네트워크가 전하 펌프 동작 사이클들 - 각각의 전하 펌프 동작 사이클 동안 상기 펌프 커패시터들의 네트워크는 상기 스위칭 네트워크의 상이한 구성 (configuration) 들에 응답하여 상이한 구성들을 채택함- 을 실행하도록 하는 단계를 포함한다. 제 1 전하 펌프 동작 사이클의 시작에서 각각의 펌프 커패시터는 상응하는 초기 상태를 취한다. 상기 방법은 이후 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 후속하는 제 2 전하 펌프 동작 사이클의 시작에 의해 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계를 진행한다.
일부 구현에서, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계는, 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 즉시 후속하는 제 2 전하 펌프 동작 사이클의 시작에 의해 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계를 포함한다. 그러나, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계는, 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클로부터 적어도 하나의 전하 펌프 동작 사이클 만큼 떨어져 있는 제 2 전하 펌프 동작 사이클의 시작에 의해 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계를 포함하는 본 발명의 구현들 역시 존재한다.
일부 구현들은 체류 시간 (residence time) 을 제어하는 것에 의해 각 펌프 커패시터를 초기 상태로 되돌린다. 이러한 실시예들의 하나는, 제 1 체류 시간 (residence time) - 상기 제 1 체류 시간 동안 상기 스위칭 네트워크는 제 1 구성을 취함 - 을 제어하는 단계를 포함한다. 그러나, 다른 구현에서, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계는, 제 1 체류 시간 - 상기 제 1 체류 시간 동안 상기 스위칭 네트워크는 제 1 구성을 취함 - 을 제어하는 단계, 및 제 2 체류 시간 - 상기 제 2 체류 시간 동안 상기 스위칭 네트워크는 제 2 구성을 취함 - 을 제어하는 단계 역시 포함한다. 또 다른 구현들은 추가적인 구성들에 대한 체류 시간의 제어를 포함하고, 이들 중 일부는 전하 이동과 연관되고, 이들 중 일부는 그렇지 않다. 예를 들어, 하나의 구현에서, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계는, 상기 커패시터 네트워크가 데드 타임 (dead-time) 구성을 취하게 하는 단계를 포함한다.
구현들은 또한, 사이클이 제 1 구성 및 제 2 구성을 포함하고, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계는, 상기 스위칭 네트워크가 상기 제 1 구성을 취하게 한 결과에 기초하여 상기 스위칭 네트워크의 제 2 구성을 제어하는 단계를 포함하는 구현을 포함한다.
다른 구현들에서, 상기 스위칭 네트워크는 현재 사이클 및 적어도 하나의 이전 사이클을 거치고, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계는, 상기 적어도 하나의 이전 사이클 동안의 상기 스위칭 네트워크의 퍼포먼스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 현재 사이클을 제어하는 단계를 포함한다.
또 다른 구현들에서, 상기 스위칭 네트워크는 이전 사이클들을 거친 후에 현재 사이클을 거치고, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계는, 상기 이전 사이클들 중 적어도 하나 동안의 상기 스위칭 네트워크의 퍼포먼스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 현재 사이클에 대한 PID (proportional-integral-derivative) 제어를 구현하는 단계를 포함한다.
본 발명의 구현들 중 일부에서는 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계가 상기 스위칭 네트워크의 구성들에 대한 제어를 행사하는 단계를 포함한다. 이러한 구현들 중에는 상기 스위칭 네트워크의 구성들에 대한 제어를 행사하는 단계가 상기 커패시터 네트워크의 출력에 기초하여 상기 스위칭 네트워크의 상기 상이한 구성들의 피드백 제어를 행사하는 단계를 포함하는 구현, 및 상기 스위칭 네트워크의 구성들에 대한 제어를 행사하는 단계가 상기 커패시터 네트워크의 출력에 기초하여 상기 스위칭 네트워크의 상기 상이한 구성들에 대한 임계 로직 제어를 행사하는 단계를 포함하는 구현들이 포함된다.
또 다른 구현들에서는, 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계가 상기 커패시터 네트워크가 커플링된 상기 전류원에 대한 제어를 행사하는 단계를 포함한다. 이러한 구현들 중에는, 상기 커패시터 네트워크가 커플링된 상기 전류원에 대한 제어를 행사하는 단계가 저 전압 터미널에 커플링된 전류원에 대한 제어를 행사하는 단계를 포함하는 구현, 그리고 상기 커패시터 네트워크가 커플링된 상기 전류원에 대한 제어를 행사하는 단계가 고 전압 터미널에 커플링된 전류원에 대한 제어를 행사하는 단계를 포함하는 구현이 포함된다.
또 다른 구현들은 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계가 안정화 커패시턴스를 상기 전류원에 연결하는 단계를 포함한다.
다른 구현들은 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계가 집합 (aggregate) 커패시턴스 및 요구되는 커패시턴스 사이의 오류를 최소화하는 상기 집합 커패시턴스를 정의하기 위해 하나 이상의 트림 (trim) 커패시터들을 상호접속 (interconnec) 하는 단계를 포함한다. 요구되는 커패시턴스의 예시들은 전류원에 연결된 안정화 커패시터의 요구되는 커패시턴스 및 펌프 커패시터의 요구되는 커패시턴스를 포함한다.
다른 구현들에서, 전하 펌프 스위칭 네트워크로 하여금 상기 전하 펌프 스위칭 네트워크가 커플링되는 펌프 커패시터들의 네트워크가 전하 펌프 동작 사이클들을 실행하도록 하는 단계는, 일정한 시간 구간을 가지는 전하 펌프 동작 사이클들의 실행을 야기하는 단계를 포함한다. 그러나, 다른 구현들에서는 시간 구간이 변화한다.
*일부 구현들은 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클의 종료 직후에 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 후속하는 상기 제 2 전하 펌프 동작 사이클을 시작하는 단계를 포함한다. 그러나, 다른 구현들에서는, 적어도 하나의 매개 (intervening) 전하 펌프 동작 사이클의 종료 이후에 상기 제 1 전하 펌프 동작 사이클에 후속하는 상기 제 2 전하 펌프 동작 사이클을 시작하는 단계를 포함한다.
일부 구현들에서, 전하 펌프 스위칭 네트워크로 하여금 상기 전하 펌프 스위칭 네트워크가 커플링되는 펌프 커패시터들의 네트워크가 전하 펌프 동작 사이클들을 실행하도록 하는 단계는, 2 이하의 구성들로 이루어진 전하 펌프 동작 사이클 - 상기 전하 펌프 동작 사이클 동안 커패시터들 사이의 전하의 이동이 발생함 - 의 실행을 야기하는 단계를 포함한다. 그러나, 다른 구현들에서는, 적어도 셋의 구성들로 이루어진 전하 펌프 동작 사이클 - 상기 전하 펌프 동작 사이클 동안 커패시터들 사이의 전하의 이동이 발생함 - 의 실행을 야기하는 단계에 의해 대신 수행된다.
어떤 구현들은 상기 커패시터 네트워크 및 상기 스위칭 네트워크를 병합함으로써 전하 펌프를 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 실시예들 중에는 그에 따라 형성된 전하 펌프가 다중 스테이지 (multi-stage) 전하 펌프이다. 그러나, 캐스캐이드 배율기 (multiplier), 다상 (multi-phase) 전하 펌프 또는 단상 (single-phase) 전하 펌프 역시 형성될 수 있다.
일부 구현들에서, 상기 커패시터 네트워크가 커플링된 전류원에 대한 제어를 행사하는 단계는, 조정기에 대한 제어를 행사하는 단계를 포함한다. 이는 많은 상이한 종류의 조정기들에 대한 제어를 행사하는 것을 포함할 수 있고, 이들 모두는 전류원들로서 효율적으로 기능한다. 이러한 조정기들은 스위치 모드 전력 컨버터들 및 벅 컨버터들을 포함한다.
다른 구현들은 각 펌프 커패시터를 상기 초기 상태로 되돌리는 단계가 적어도 부분적으로 상기 펌프 커패시터들 중 적어도 하나에 저장된 전하의 양을 변화시키는 것에 의해 상기 적어도 하나의 펌프 커패시터를 그 초기 상태로 되돌리는 단계를 포함한다. 이러한 종류의 구현들은 상기 적어도 하나의 펌프 커패시터와 전하의 저장고 (repository) 사이의 흐름을 야기하는 것을 포함할 수 있다. 적절한 저장소의 예시들은 다른 펌프 커패시터 또는 접지를 포함한다.
전하 펌프와 함께 전류 기반의 부하 (또는 소스) 를 사용하는 것의 효과는 전류 기반의 부하 및/또는 소스들과 함께 고정된 스위치 시간이 사용되었을 때 커패시터들에 걸친 전하의 불균형이 발생하는 상황들이 존재할 수 있다는 것이다. 이러한 불균형은 필요보다 더 큰 전하 펌프의 터미널들에서 또는 내부에서의 전압 및/또는 전류의 리플, 극단들, 전하 펌프의 터미널들에서 또는 내부에서의 평균 및/또는 피크 전압들의 변동 및/또는 전하 펌프의 터미널들 및/또는 내부의 포인트들 사이의 전압 변화의 증가량에 의해 나타내어질 수 있는 불안정성을 발생시킬 수 있다 (또는, 그와 함께 발생할 수 있다).
또 다른 측면에서, 일반적으로, 전하 불균형과 연관된 효과들을 방지 및/또는 완화 시키기 위한 접근은 피드백 배열 내에서 스위치 시간을 조정하는 것에 의한다. 일부 실시예들에서, 스위치 시간의 패턴은 전하 펌프 내부 및/또는 터미널들에서의 전기적 측정들에 기초하여 채택된다. 일부 실시예들에서, 스위치 상태들의 전이의 순간은 이러한 전기적 측정들에 의해 결정된다.
도 1은 단상 전하 펌프를 도시한다.
도 2는 도 1의 단상 전하 펌프의 동작과 연관된 타임 라인을 도시한다.
도 3은 도 1의 단상 전하 펌프의 사이클과 관련된 회로 구성들을 도시한다.
도 4는 2 상 전하 펌프를 도시한다.
도 5는 도 4의 2 상 전하 펌프의 사이클과 관련된 회로 구성들을 도시한다.
도 6은 도 1의 전하 펌프 내에서 펌프 상태 체류 시간들을 제어하기 위한 제 1 제어기를 도시한다.
도 7은 도 1의 전하 펌프 내에서 펌프 상태 체류 시간들을 제어하기 위한 제 2 제어기를 도시한다.
도 8은 도 7에서의 제 2 피드백 회로의 구현을 도시한다.
도 9는 도 7에서의 제 2 타이밍 (timing) 회로의 구현을 도시한다.
도 10은 도 1의 전하 펌프 내에서 펌프 상태 체류 시간들을 제어하기 위한 제 3 제어기를 도시한다.
도 11은 부하에서의 전류를 제어하기 위한 제 4 제어기를 도시한다.
도 12는 조정기에서의 전류를 제어하기 위한 제 5 제어기를 도시한다.
도 13은 도 1에서의 펌프 커패시터에 대한 요구되는 커패시턴스를 획득하기 위한 스위칭 네트워크를 도시한다.
도 14는 요구되는 안정화 커패시턴스를 획득하기 위한 스위칭 네트워크를 도시한다.
도 1 은 이상적인 전류원으로서 모델링된 부하 (12) 에 커플링된 전하 펌프 (10) 의 제 1 실시예를 도시한다. 전하 펌프 (10) 는 캐스캐이드 배율기 (multiplier) 로도 알려진 다중 스테이지 (multi-stage) 전하 펌프이다. 도시된 전류가 실제로는 전하 펌프 (10) 로부터 그려지고 있지만, 이러한 차이는 단순한 부호의 변화에 해당한다. 전류원의 중요한 특징은, 그것이 일정한 전류의 흐름을 가차없이 공급한다는 것이다.
본 명세서 전반에서, "전류원 (current source)"에 대해서 언급될 것이다. 잘 알려진 바와 같이, 이상적인 "전류원"은 실제로는 존재하지 않는 회로 분석을 위해 사용되는 추상적 개념이다. 그러나, 관심의 시간 스케일들에 대해, 전류원으로서 효율적으로 기능하는 다양한 디바이스들이 존재한다. 예시들은 부하에 의존하는 DC 모터들, 선형 조정기들과 같은 조정기들 및 LED 들을 통한 전류를 설정하는 능동 회로인 IDAC 를 포함한다. 따라서, 본 명세서 전반에서, "전류원" 또는 "전류 부하"는 여기에서 열거된 것들을 포함하지만 이에 한정되지는 않는, 전류원으로서 효율적으로 기능하는 실제 디바이스들을 의미하는 것으로 이해된다.
부하 (12) 는 0 이 아닌 정전류 (constant current), 또는 두 개의 값들 - 그들 중 하나는 0일 수 있음 - 사이를 교대로 하는 펄스 전류로 볼 수 있다. 전하 이동은 부하에서의 전류가 0 이 아닐 때마다 발생한다. 전류가 0 이 아니고 일정할 때, 전하 이동은 "소프트 충전 (soft charging)" 또는 "단열 충전 (adiabatic charging)" 으로서 지칭될 것이다.
전하 펌프 (10) 는 제 1 터미널 (14) 및 제 2 터미널 (16) 을 가진다. 하나의 터미널은 저 전류를 운반하는 고 전압이다. 다른 하나의 터미널은 고 전류를 운반하는 저 전압이다. 여기에서 개시되는 특정 실시예에서, 제 2 터미널 (16) 은 저 전압 터미널이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 제 2 터미널 (16) 은 고 전압 터미널이다.
터미널 (14) 및 터미널 (16) 사이는 4 개의 동일한 펌프 커패시터들, 즉, 외부 (outer) 펌프 커패시터들 (C1, C4) 및 내부 (inner) 펌프 커패시터들 (C2, C3) 이다. 제 1 페이즈 (phase) 노드 (P1) 은 제 1 펌프 커패시터 (C1) 및 제 3 펌프 커패시터 (C3) 의 네거티브 터미널과 커플링하고, 제 2 페이즈 노드 (P2) 는 제 2 펌프 커패시터 (C2) 및 제 4 펌프 커패시터 (C4) 의 네거티브 터미널과 커플링한다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 스위치 세트 (1) 및 제 2 스위치 세트 (2) 는 전하 펌프 (10) 가 제 1 펌프 상태 (18) 및 제 2 펌프 상태 (20) 사이에서 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 을 재구성하게 하도록 협력한다. 제 1 스위치 세트 (1) 및 제 2 스위치 세트 (2) 의 동작 전반에서, 전하 펌프 (10) 는 제 1 터미널 (14) 및 제 2 터미널 (16) 에서의 전압 사이의 변압비 (transformation ratio) M:N 을 유지한다. 도 1 에 도시된 특정 전하 펌프 (10) 에서, 변압비는 5:1 이다.
동작 중에, 전하 펌프 (10) 는 전하 펌프 사이클들의 시리즈를 실행한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 각 전하 펌프 사이클은 제 1 펌프 상태 (18) 및 제 2 펌프 상태 (20) 를 가진다. 제 1 펌프 상태 (18) 에서 제 2 펌프 상태 (20) 으로 전이하기 위해, 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들은 개방되고 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들은 단락된다. 반대로, 제 2 펌프 상태 (20) 로부터 제 1 펌프 상태 (18) 로 전이하기 위해, 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들은 단락되고 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들은 개방된다.
X 및 Y 가 제 1 스위치 세트 (1) 및 제 2 스위치 세트 (2) 각각의 스위치들의 배치 (disposition) 를 지시하는 이진법의 변수들일 때, 도 2는 "구성 X/Y" 로서 스위치들의 구성을 도시한다. 이진법의 0 은 특정 스위치 세트 내의 스위치들이 개방되었음을 지시하고, 이진법의 1 은 특정 스위치 세트 내의 스위치들이 단락되었음을 지시한다.
제 1 펌프 상태 (18) 동안, 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들은 전부 단락되고 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들은 전부 개방된다. 제 1 펌프 상태 (18) 는 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 및 제 1 펌프 상태 지속 상태 간격 (18B) 로 이루어진다.
제 1 펌프 상태 (18) 는 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들의 개방 및 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들의 단락으로 시작된다. 이것은 전하의 급격한 재분배로 특징지어지는 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 을 시작한다. 짧은 기간 동안, 이러한 전하 분배와 관련된 전류는 부하 (12) 를 통한 전류와 연관된 것을 억누른다.
결국, 전하 재분배와 연관된 전류는 차츰 잦아들고, 전하 펌프 (10) 는 제 1 펌프 상태 지속 상태 간격 (18B) 으로 진입한다. 제 1 펌프 상태 지속 상태 간격 (18B) 동안, 전하 펌프 (10) 를 통하는 전류는 부하 (12) 를 통하는 전류에 의해 지배된다. 제 1 펌프 상태 지속 상태 간격 (18B) 및 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 에서 소요된 시간의 총합은 제 1 체류 시간이다.
제 2 펌프 상태 (20) 동안, 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들은 전부 개방되고, 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들은 전부 단락된다. 제 2 펌프 상태 (20) 는 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 및 제 2 펌프 상태 지속 상태 간격 (20B) 로 이루어진다.
제 2 펌프 상태 (20) 는 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들의 단락 및 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들의 개방으로 시작된다. 이것은 전하의 급격한 재분배로 특징지어지는 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 을 시작한다. 짧은 기간 동안, 이러한 전하 분배와 관련된 전류는 부하 (12) 를 통한 전류와 연관된 것을 억누른다.
결국, 전하 재분배와 연관된 전류는 차츰 잦아들고, 전하 펌프 (10) 는 제 2 펌프 상태 지속 상태 간격 (20B) 으로 진입한다. 제 2 펌프 상태 지속 상태 간격 (20B) 동안, 전하 펌프 (10) 를 통하는 전류는 부하 (12) 를 통하는 전류에 의해 다시 한 번 지배된다. 제 2 펌프 상태 지속 상태 간격 (20B) 및 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 에서 소요된 시간의 총합은 제 2 체류 시간이다.
제 1 펌프 상태 (18) 및 제 2 펌프 상태 (20) 사이의 전이 과정에서, 제 1 페이즈 노드 (P1) 에서의 전압은 접지 및 제 2 터미널 (16) 에서의 전압을 교대로 한다. 반면에, 제 2 페이즈 노드 (P2) 에서의 전압은 제 1 페이즈 노드 (P1) 와 180 도로 위상이 상이하다.
제 1 펌프 상태 (18) 와 제 2 펌프 상태 (20) 사이에, 데드 타임 간격 (21) 이 존재하고, 상기 데드 타임 간격 (21) 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들 및 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들 모두는 개방된다. 이론상, 요구되지 않더라도, 스위치들이 즉각적으로 전이하지 않기 때문에 이러한 데드 타임 간격이 실용적으로 필요하다. 따라서, 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들 및 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들이 동시에 단락되도록 하는 원치 않는 결과를 방지하기 위해, 마진을 제공하는 것이 필요하다.
단지 난해하기만 할 뿐인 동작 원리의 이해일 수 있는 복잡성의 도입을 방지하기 위해서, 도 2 는 즉각적인 전하 재분배, 데드 타임의 부재, 및 제 1 펌프 상태 (18) 와 제 2 펌프 상태 (20) 모두의 제 2 터미널 (16) 에서의 동일한 0 이 아닌 전류, IX 를 가정한, 양쪽 펌프 상태들에서의 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 를 통하는 전류를 도시한다.
도 3 에서, 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 에서 소요된 시간은 t1a 이고, 제 1 펌프 상태 유지 상태 간격 (18B) 에서 소요된 시간은 t1b 이고, 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 에서 소요된 시간은 t2a 이고, 제 2 펌프 상태 유지 상태 간격 (20B) 에서 소요된 시간은 t2b 이다. 마지막으로, 하나의 사이클의 총 길이는 tsw 이다. 따라서 제 1 체류 시간은 t1a + t1b 이고, 제 2 체류 시간은 t2a + t2b 이다. t1a 및 t2a 를 0 으로 설정함으로써 나타나는 즉각적인 전하 재분배를 가정하면, tsw 가 t1b + t2b 와 동일해지는 결과를 가져온다.
제 1 펌프 상태 지속 상태 간격 (18B) 동안, 외부 펌프 커패시터들 (C1, C4) 은 0.4 의 크기를 가지는 전류를 전달하는 반면, 내부 펌프 커패시터들 (C2, C3) 은 상기 외부 펌프 커패시터들 (C1, C4) 에 의해 전달되는 크기의 절반 크기를 가지는 전류를 전달한다. 이는 내부 펌프 커패시터들 (C2, C3) 은 직렬이고 외부 펌프 커패시터들 (C1, C4) 은 그들 자신들이기 때문이다.
제 2 펌프 상태 지속 상태 간격 (20B) 동안, 외부 펌프 커패시터들 (C1, C4) 각각은 내부 펌프 커패시터들 (C2, C3) 중 하나와 함께 개별적으로 직렬로 위치한다. 그 결과, 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 각각은 0.5 의 크기를 가지는 전류를 전달한다. 내부 펌프 커패시터들 (C2, C3) 은 항상 다른 펌프 커패시터와 함께 직렬을 이루는 반면, 외부 펌프 커패시터들 (C1, C4) 은 단지 하나의 펌프 상태 동안에만 다른 펌프 커패시터와 함께 직렬로 연결됨에 주목한다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 전하가 즉시 재분배되는 제한적인 경우에, 전류원들은 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 및 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 동안에 제거될 수 있다. 재분배되는 전하의 양은 펌프 상태 변화의 이전에 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 에 걸친 전압에 의존한다.
일반적으로, 특정 사이클의 과정 동안에 임의의 펌프 커패시터 (C1 내지 C4) 에서의 총 전하 변화는 0 인 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 전하의 증가/감소 양은 여러 사이클들에 걸쳐 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 에 수집될 것이다. 이러한 복수의 사이클들에 걸친 전하의 부착/소모는 불안정을 야기한다.
이동된 전하의 양은 전류의 산물이고 전류가 흐른 시간의 양이기 때문에, 전하 펌프 (10) 가 사이클의 임의의 부분에서 소비하는 시간의 양을 제어함으로써, 사이클의 그 부분에서의 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 로 이동되는 전하의 양을 제어할 수 있다. 이는 전하 펌프 (10) 의 하나의 사이클 동안 각 펌프 커패시터 (C1 내지 C4) 에서의 총 전하 변화가 0 임을 보장하는 방법을 제공한다.
상기 제약이 전하 펌프 (10) 내의 각각 구별되는 커패시터 전류에 적용되면, 각 펌프 상태에서 소요된 시간이 알려지지 않은 선형 방정식의 시스템을 생성하는 것이 가능하다. 그 시스템에 대한 솔루션은 불안정을 방지하는 각 펌프 상태 (18, 20) 에 대한 체류 시간이 될 것이다.
이러한 예시에서 불안정을 방지하기 위해, 즉각적인 전하 재분배를 가정하면, 제 1 체류 시간은 3/5·tws 가 되어야만 하고, 제 2 체류 시간은 2/5·tsw 가 되어야만 한다. 이는 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 동안 내부 펌프 커패시터들 (C2, C3) 로부터 제 1 펌프 커패시터 (C1) 및 제 4 펌프 커패시터 (C4) 로 이동된 전하의 양이 동일해지는 결과를 낳고, 또한 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 동안 전하 재분배가 0 이 되는 결과를 낳는다.
다양한 전압비 M:N 에서의 솔루션들이 하기의 표 1 에서 표 형식으로 도시된다.
모든 토폴로지가 솔루션을 가질 것이라는 보장은 없을지라도, 도 1 에서와 같은 전하 펌프들의 경우에는 솔루션이 존재한다. 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 및 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 동안의 전류 흐름에서의 대칭 (symmetry) 의 결과, 양의 정수 k 에 대해 2k:1 의 전압비의 경우들에 대한 솔루션은 제 1 체류 시간 및 제 2 체류 시간이 동일할 것이다. 추가적으로, M 이 홀수이고 N 이 1 일 때, 제 1 체류 시간은 tws·(M+1)/2M 인 반면에, 제 2 체류 시간은 tws·(M-1)/2M 이다.
도 4에 도시된 바와 같은 2 상 전하 펌프 (10) 의 경우에, 제 1 펌프 상태 재분배 간격 (18A) 및 제 2 펌프 상태 재분배 간격 (20A) 에서의 전류는 도 5 에 도시된 바와 같이 본질적으로 대칭이다. 이런 이유로, 도 1 의 단상 전하 펌프 (10) 와는 달리, 양쪽 전하 펌프가 동일한 전압비 M:N 을 가짐에도 불구하고, 제 1 및 제 2 펌프 상태 체류 시간이 동일하다.
일반적으로, 도 4 에서와 같은 전하 펌프의 경우에, 제 1 및 제 2 펌프 상태 체류 시간은 k 가 양의 정수인 임의의 전압비 k:1 에 대해서 동일할 것이다. 이러한 본질적인 대칭은 그것이 안정성을 가질 때 단상 전하 펌프에 비해 2 상 전하 펌프에 장점을 제공한다.
그러나, 선형 회로 이론의 원리들에 기반한 분석은 회로의 이상화에 기초한다. 예를 들어, 실제로는 도 1 의 다양한 펌프 커패시터 (C1 내지 C4) 의 커패시턴스의 차이, (예를 들어, 트랜지스터 스위치들 및/또는 신호 트레이스들을 통한) 회로 저항의 차이, 또는 펌프 상태 기간의 부정확한 시간에 기인하여, 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 내의 전하 부착/소모를 관리하는 것이 어려워질 수 있다.
전하 부착/소모를 관리하기 위한 하나의 방법은, 체류 시간을 제어하기 위해 피드백을 사용하는 것이다. 도 6 은 이러한 제어를 수행하기 위한 장치를 도시한다.
설명의 편의를 위해, 도 6 은 전하 펌프 (10) 가 커패시터 어레이 (26) 및 스위치 회로 (28) 로 나누어지는 것으로 도시한다. 커패시터 어레이 (26) 은 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 를 포함하고, 스위치 회로 (28) 는 제 1 스위치 세트 (1) 및 제 2 스위치 세트 (2) 를 포함한다.
제 1 제어기 (100) 는 각 펌프 상태에 대한 적절한 체류 시간을 식별하여 이들을 제 1 체류 시간 버퍼 (32) 및 제 2 체류 시간 버퍼 (34) 에 저장한다. 적절한 시간에, 시간을 가리키기 위한 클록을 포함하는 제 1 타이밍 회로 (36A) 는 상기 체류 시간 버퍼들 (32, 34) 을 판독하고, 스위치 회로 (28) 의 스위치들로 하여금 적절한 시간에 전이하도록 한다.
체류 시간의 정확한 값들을 결정하기 위해, 제 1 제어기 (100) 는 제 1 피드백 회로 (38A) 를 포함한다. 일반적으로, 피드백 회로는 측정된 변수 및 어떤 설정 포인트를 달성하기 위한 노력으로 상기 측정된 변수에 응답하여 처리된, 처리된 변수를 가질 것이다. 제 1 피드백 회로 (38A) 에 대해, 처리된 변수는 체류 시간들의 쌍이고, 상기 측정된 변수는 제 2 터미널 (16) 에서 측정된 전압을 포함한다. 선택적으로, 제 1 피드백 회로 (38A) 에 대한 측정된 변수는 전하 펌프 (10) 내로부터 획득된 측정들을 포함하고, 그리하여 도 6 에서 점선으로 표시된다. 이러한 측정들의 예시는 제 1 스위치 세트 (1) 및 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들에 걸친 전압 또는 펌프 커패시터 (C1 내지 C4) 에 걸친 전압을 포함한다.
일 실시예에서, 제 1 피드백 회로 (38A) 는 사이클들의 시퀀스에 걸쳐 획득된 측정들에 기초하여 체류 시간 값들을 결정한다. 제 1 제어기 (100) 의 처리된 변수는 역사적인 (historical) 값들에 기초하여 선택된다. 적절한 제 1 제어기 (100) 는 PID (proportional-integral-derivative) 제어기이다.
도 6 에 도시된 제 1 제어기 (100) 의 장점은 전하 펌프 (10) 의 주파수가 고정되어 있다는 것이다. 도 7 에 도시된 다른 실시예는 오직 현재 사이클 동안에 획득된 측정들에 기초하여 체류 시간 값들을 결정하도록 구성된 제 2 제어기 (101) 를 포함한다. 이는 체류 시간 값들이 사이클 단위로 결정될 수 있도록 한다. 그 결과, 전하 펌프 (10) 의 사이클 길이는 제 2 제어기 (101) 를 사용할 때 변화할 수 있다.
제 2 제어기 (101) 는 도 6 에 도시된 제 1 타이밍 회로 (36A) 와 유사한 제 2 타이밍 회로 (36B) 를 포함한다. 그러나, 제 2 피드백 회로 (38B) 는 전압들의 비교에 의존하는 임계 로직 회로로서 구현된다.
제 2 타이밍 회로 (36B) 는 스위치 회로 (28) 에 상태 제어 신호들을 제공한다. 정상 동작 동안에, 제 2 타이밍 회로 (36B) 는 명목상 (nominal) 의 제 1 및 제 2 체류 시간들을 이용하여 제 1 펌프 상태 (18) 및 제 2 펌프 상태 (20) 간의 전이를 야기한다. 명목상의 체류 시간들은 이상적인 회로 엘리먼트들을 가정한 회로 분석에 기초할 수 있다.
제 2 타이밍 회로 (36B) 는 제 2 피드백 회로 (38B) 로부터 대응하는 제 1 스큐 (skew) 신호 (48) 및 제 2 스큐 신호 (50) 를 수신하기 위한 제 1 스큐 입력 (44) 및 제 2 스큐 입력 (46) 을 또한 포함한다. 제 2 피드백 회로 (38B) 는 전하 펌프 (10) 가 조기에 펌프 상태들을 변경하게 하도록 제 1 스큐 (skew) 신호 (48) 및 제 2 스큐 신호 (50) 중 하나를 확고히 한다. 제 2 피드백 회로 (38B) 는 하나 이상의 소스들로부터의 피드백에 기초하여 제 1 스큐 (skew) 신호 (48) 및 제 2 스큐 신호 (50) 중 하나를 확고히 하기 위한 결정을 수행한다. 이러한 피드백은 제 1 터미널 (14), 제 2 터미널 (16), 스위치 회로 (28) 내부, 및 커패시터 어레이 (26) 내부 중 하나 이상에서 만들어진 전기적 파라미터들의 측정들을 포함한다.
제 2 피드백 회로 (38B) 가 스큐 신호 (48, 50) 중 하나를 확고히 하지 않을 경우, 제 2 피드백 회로 (38B) 는 명목상의 제 1 및 제 2 체류 시간들에 따라 전하 펌프 (10) 가 그 제 1 펌프 상태 (18) 및 제 2 펌프 상태 (20) 사이에서 전이하도록 한다. 만약, 전하 펌프 (10) 가 제 1 펌프 상태 (18) 에 있는 동안, 제 2 피드백 회로 (38A) 가 확고하게 제 1 스큐 신호 (48) 을 제 1 스큐 입력 (44) 으로 표시한다면, 제 2 타이밍 회로 (36B) 는 전하 펌프 (10) 가 즉시 제 1 펌프 상태 (18) 로부터 제 2 펌프 상태 (20) 로 전이하도록 한다. 역으로, 전하 펌프 (10) 가 제 2 펌프 상태 (20) 에 있는 동안, 제 2 피드백 회로 (38A) 가 확고하게 제 2 스큐 신호 (50) 을 제 2 스큐 입력 (46) 으로 표시한다면, 제 2 타이밍 회로 (36B) 는 전하 펌프 (10) 가 즉시 제 2 펌프 상태 (20) 로부터 제 1 펌프 상태 (18) 로 전이하도록 한다.
제 2 제어기 (101) 의 장점은 그것이 사이클 단위로 즉시 반응한다는 것이다. 이는 커패시터 어레이 (26) 내부의 커패시터들이 빠르게 안정화될 수 있음을 의미한다. 실제로, 제 2 제어기 (101) 는 전하 펌프 상태들 (18, 20) 을 조기에 종료시키는 것에 의해 동작하기 때문에, 주파수의 개념이 잘 정의되지 않는다.
제 2 체류 시간을 일정하게 유지하는 반면 제 1 체류 시간을 단축시키는 것은 일반적으로 위 방향으로의 변동 (drift) 및/또는 출력 전압 리플의 아래 쪽의 편위 (excursion) 의 크기에 대한 감소를 야기할 것이다. 그러므로, 하나의 예시에서, 제 2 피드백 회로 (38A) 가 평균 출력의 아래 방향으로의 변동 또는 출력 리플의 과도한 아래 쪽의 편위를 검출하는 경우, 그것은 확고하게 제 1 스큐 신호 (48) 를 제 1 스큐 입력 (44) 으로 표시하고, 그리하여 제 1 펌프 상태 (18) 를 줄이고 제 1 체류 시간을 단축시킨다.
역으로, 다른 예시에서, 위 방향으로의 변동 및/또는 리플의 과도한 위 방향편위를 검출하면 제 2 피드백 회로 (38B) 는 확고하게 제 2 스큐 신호 (50) 를 제 2 스큐 입력 (46) 으로 표시하고, 그리하여 제 2 펌프 상태 (20) 를 줄이고 제 2 체류 시간을 단축시킨다.
상기 개시된 바와 같이, 제 2 피드백 회로 (38B) 는 하나 이상의 위치들로부터 전기적 파라미터들의 측정들을 수신한다. 그러나 이러한 측정들은 제 2 피드백 회로 (38B) 가 이러한 측정된 값들이 정상인지 아닌지 여부를 알게 하기 위한 어떤 방법이 없이는 아무런 의미가 없을 수 있다. 이를 처리하기 위해, 이러한 전기적 파라미터들의 기대되는 값들을 제공하는 것이 바람직하다.
제 2 피드백 회로 (38B) 에 제공되는 임계값은 다양한 방법으로 유도될 수 있다. 하나의 방법은 전하 펌프 (10) 에 대응하는 이상적인 회로의 분석을 통하는 것이다. 다른 방법은 물리적 전하 펌프 (10) 의 시뮬레이션을 통하는 것이다. 이러한 기법들 중 어느 하나는 평균 출력 전압에 대한 기대되는 값 (예를 들어, 입력 전압의 배수로서) 및 평균에 대한 출력 전압 리플의 기대되는 최대 및 최소 값들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 제 2 피드백 회로 (38B) 는 스큐 신호들 (48, 50) 이 확고해지는 임계값을 설정함에 있어서 이러한 미리 계산된 값을 사용한다. 도 6 과 관련하여 논의된 제 1 피드백 회로 (38A) 를 구현하기 위해 유사한 로직이 사용될 수 있다. 도 8 은 밸리 (valley) 들이 아닌 피크 (peak) 들을 제한하는 도 7 에 도시된 제 2 피드백 회로 (38B) 의 구현을 도시한다. 도시된 피드백 회로 (38B) 는 제 1 및 제 2 펌프 상태 (18, 20) 각각 동안의 제 2 터미널 (16) 에서의 피크 전압을 센싱하기 위해 제 1 및 제 2 피크 검출기들을 사용한다. 제 1 피크 검출기는 제 1 전압 버퍼 및 제 1 다이오드 (D1)을 포함한다. 제 2 피크 검출기는 제 2 전압 버퍼 및 제 2 다이오드 (D2) 를 포함한다. 제 1 피크 검출기는 제 1 펌프 상태 (18) 동안의 피크 전압을 제 1 피크 저장 커패시터 (C1) 에 저장한다. 제 2 피크 검출기는 제 2 펌프 상태 (20) 동안의 피크 전압을 제 2 피크 저장 커패시터 (C2) 에 저장한다.
제 1 및 제 2 피크 저장 커패시터들 (C1, C2) 상에 저장된 피크 전압들은 제 1 및 제 2 스위치들 (S1a, S2a) 을 동시에 단락시킴으로써 대응하는 제 1 및 제 2 피크 전압 비교기들의 입력에 연결될 수 있다. 이는 이전의 제 1 및 제 2 펌프 상태들 (18, 20) 동안에 상기 제 1 및 제 2 피크 저장 커패시터들 (C1, C2) 에 저장되었던 피크 전압들과 비교한다.
만약 제 1 펌프 상태 (18) 동안의 피크 전압이 제 2 펌프 상태 (20) 의 피크 전압을 제 1 임계값 (V1) 만큼 초과한다면, 제 1 피크 전압 비교기는 제 1 스큐 신호 (48) 를 확고히 한다. 역으로, 만약 제 2 펌프 상태 (20) 동안의 피크 전압이 제 1 펌프 상태 (18) 동안의 피크 전압을 제 2 임계값 (V2) 만큼 초과한다면, 제 2 피크 전압 비교기는 제 2 스큐 신호 (50) 를 확고히 한다.
제 2 피드백 회로 (38B) 로부터의 제 1 및 제 2 스큐 신호들 (48, 50) 은 그 구현이 도 9 에서 도시되는 제 2 타이밍 회로 (36B) 로의 그들의 경로를 형성한다. 제 2 타이밍 회로 (38B) 는 제 1 및 제 2 스위치 세트 (1, 2) 를 제어하는 겹치지 않는 신호들을 생성하기 위해 이러한 제 1 및 제 2 스큐 신호들 (48, 50)을 사용한다. 도시된 실시예에서, 두 펌프 상태들 (18, 20) 사이에는 갭이 존재하지 않는다. 제 1 펌프 상태 (18) 는 제 2 펌프 상태 (20) 로부터의 전이에서 시작하고, 그 반대 역시 같다.
동작 중에, 도 9 에 도시된 회로는 제 1 스위치 (S4) 를 단락시킴으로써 제 1 펌프 상태 (18) 를 시작한다. 이는 제 1 타이밍 커패시터 (C4) 를 로우 (low) 로 리셋한다. 반면에, 제 1 SR 래치 (U4) 는 리셋 상태에 있다. 제 1 펌프 상태 (18) 동안, 개방된 제 2 스위치 (S3) 는 제 1 바이어스 전류 (I3) 가 제 2 타이밍 커패시터 (C3) 을 충전하는 것을 허용한다. 결국, 제 1 바이어스 전류 (I3) 는 그것의 전압을 제 1 전압 비교기의 입력에서의 제 1 전압 임계값 (V3) 너머로 상승시키기 위해 제 2 타이밍 커패시터 (C3) 내에 놓여진 충분한 전하를 가지게 될 것이다. 이것이 발생할 때, 제 1 전압 비교기는 로지컬 하이 (logical high) 를 출력한다. 차례로, 이는 제 2 SR 래치 (U3) 를 설정하여, 제 1 펌프 상태 (18) 를 종료시킨다. 따라서, 확고한 제 1 스큐 신호 (48) 의 부재의 경우에, 제 1 펌프 상태 (18) 의 체류 시간은 제 1 바이어스 전류 (I3), 제 2 타이밍 커패시터 (C3) 의 커패시턴스, 및 제 1 전압 임계값 (V3) 에 의존한다.
제 1 펌프 상태 (18) 의 종료 시에, 제 2 펌프 상태 (20) 가 시작한다. 제 2 펌프 상태 (20) 동안의 동작은 제 1 펌프 상태 (18) 에 대해 위에서 개시된 바와 유사하다.
제 2 펌프 상태 (20) 의 시작에서, 제 1 스위치 (S4) 가 개방되어 제 2 바이어스 전류 (I4) 가 제 1 타이밍 커패시터 (C4) 를 충전하는 것을 허용한다. 결국, 제 2 바이어스 전류 (I4) 는 그것의 전압을 제 2 전압 비교기의 입력에서의 제 2 전압 임계값 (V4) 을 지나도록 상승시키기 위해 제 1 타이밍 커패시터 (C4) 내에 놓여진 충분한 전하를 가지게 될 것이다. 이에 응답하여, 제 2 전압 비교기는 제 1 SR 래치 (U4) 를 설정하는 로지컬 하이를 출력하고, 따라서 제 2 펌프 상태 (20) 를 종료시킨다. 제 2 펌프 상태 (20) 동안, 제 2 타이밍 커패시터 (C3) 은 제 2 스위치 (S3) 가 단락되었을 때 로우로 리셋하고, 제 2 SR 래치 (U3) 은 리셋 상태에 있다. 확고한 제 2 스큐 신호 (50) 의 부재의 경우에, 제 2 펌프 상태 (20) 의 체류 시간은 제 2 바이어스 전류 (I4), 제 1 타이밍 커패시터 (C4) 의 커패시턴스, 및 제 2 전압 임계값 (V4) 에 의해 설정된다.
제 1 스큐 신호 (48) 및 제 1 전압 비교기의 출력은 제 1 OR-게이트에 대한 입력들이다. 따라서, 제 1 펌프 상태 (18) 는 2 가지 방법으로 종료될 수 있다. 첫 번째 방법에 있어서, 이미 위에서 개시된 바와 같이, 제 1 펌프 상태 (18) 는 그것의 명목상 체류 시간동안 지속하고 제 2 타이밍 커패시터 (C3) 내에 충분한 전하가 축적되면 종료한다. 그러나, 제 2 타이밍 커패시터 (C3) 가 여전히 전하로 채워져 있는 동안, 제 2 피드백 회로 (38B) 는 제 1 스큐 신호 (48) 를 확고히 할 수도 있어 제 1 펌프 상태 (18) 를 조기에 종료시킨다.
도 9 에 도시된 회로의 대칭으로부터, 제 2 펌프 상태 (20) 는 제 2 스큐 신호 (50) 를 확고히 하는 것에 의해 동일한 방법으로 짧아질 수 있다는 것이 명백하다. 제 2 피드백 회로 (38B) 는 따라서 제 2 스큐 신호 (50) 가 아닌 제 1 스큐 신호 (48) 를 확고히 하는 것에 의해 제 2 체류 시간에 비해 제 1 체류 시간을 단축할 수 있다.
제 1 및 제 2 펌프 상태들 (18, 20) 에서의 피크 전압의 각각의 비교 이후에, 제 2 피드백 회로 (38B) 의 제 1 및 제 2 피크 저장 커패시터들 (C1, C2) 은 제 3 및 제 4 스위치들 (S1b, S2b) 을 단락시키고 제 1 및 제 2 스위치들 (S2a, S2a) 을 개방하는 것에 의해 리셋된다. 또한, 제 1 및 제 2 피크 저장 커패시터들 (C1, C2) 이 리셋되는 동안, 제 2 터미널 (16) 에서의 전압을 센싱하는 전압 버퍼들은 디스에이블되거나 3-상태 (tri-state) 로 될 수 있다. 각각의 샘플-비교-리셋 사이클은 전하 펌프 사이클 마다 한번 또는 복수의 연속적인 전하 펌프 사이클들의 세트 마다 한번 발생할 수 있다.
상기 개시된 방법들에서, 단지 2 개의 펌프 상태 (18, 20) 및 2 개의 체류 시간들이 존재하였다. 그러나 개시된 원리들은 단지 2 개의 펌프 상태들 (18, 20) 에만 한정되지 않는다. 예를 들어, 전하 펌프 (10) 가 아무것도 하지 않는 데드 타임 간격을 구현하는 것이 가능하다. 이 데드 타임 간격은 고정된 주파수 동작을 야기하는 도 7 에 도시된 실시예들과 연관되어 사용될 수 있다. 그렇게 하기 위해, 데드 타임 간격은 명목상 전하 펌프 기간과 제 1 및 제 2 펌프 상태 간격들의 총합 사이에서 상이하게 설정된다.
도 10 은 세 번째 상태로서 데드 타임을 정의하는 3 상 전하 펌프를 수행하기 위한 하나의 구현을 도시한다. 도 10 에 도시된 실시예는, 제 1 체류 시간이 아닌 제 2 체류 시간 버퍼 (34) 내의 제 2 체류 시간 만에 대한 제어를 행사하기 위해 제 3 타이밍 회로 (36C) 에 연결된 제 3 피드백 회로 (38C) 를 사용하는 제 3 제어기 (102) 를 포함한다. 이 실시예에서, 제 1 체류 시간은 항상 특정한 명목상의 값으로 설정된다. 제 3 제어기 (102) 는 제 1 스위치 세트 (1) 의 상태에 대한 정보를 제공하는 스위치 회로 (28) 로부터의 입력을 포함한다. 이러한 정보에 기초하여, 만약 제 3 제어기 (102) 가 제 1 스위치 세트 (1) 의 스위치들이 개방되었다고 결정한다면, 이는 2 개의 선택들을 가진다. 첫 번째 선택은 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들을 단락시키는 것이다. 이는 제 2 체류 시간을 개시한다. 두 번째 선택은 제 2 스위치 세트 (2) 의 스위치들을 개방된 상태로 유지하는 것이다. 이는 데드 타임 간격을 개시한다. 적절한 동작을 위해, 제 1 및 제 2 체류 시간은 반드시 0 이 아니어야 한다.
데드 타임 간격은 전하 이동이 발생하지 않는 제 3 펌프 상태의 예시이다. 그러나, 전하 펌프가 셋 또는 그 이상의 상태들에서 동작하는 것 역시 가능하고, 이러한 상태들의 각각은 커패시터들 간의 전하 이동을 허가한다. 이러한 다상 전하 펌프 제어에 대한 예시들은, 그 내용이 본원에 참조로서 병합되는 미국 가출원 61/953,270, 특히 그 11 페이지의 시작에 주어진다.
커패시터 상에서 전하가 축적되는 레이트는 전류 및 전류가 흐르도록 허용되는 시간의 양에 의존한다. 개시된 방법은 따라서 이러한 두 파라미터들 중 두 번째, 즉 전류가 흐르도록 허용되는 시간의 양을 제어함으로써 전하 축적을 관리한다. 그러나, 이러한 두 파라미터들 중 첫 번째, 다시 말해 흐르는 전류의 양을 제어하는 것 역시 가능하다. 이러한 절차를 수행하는 실시예들은 도 11 및 도 12 에 도시된다.
도 11 은 도 7 에 도시된 제 2 제어기 (101) 와 유사하지만 제 4 피드백 회로 (38D) 및 제 4 타이밍 회로 (36D) 와는 관련이 없는 제 4 제어기 (103) 를 도시한다. 따라서, 제 2 제어기 (101) 와는 달리, 제 4 제어기 (103) 는 제 1 및 제 2 체류 시간을 변화시키지 않는다. 대신에, 제 4 제어기 (103) 의 제 4 피드백 회로 (38D) 는 LED 드라이버 내의 IDAC 와 같은 부하 (12) 에 의해 도출된 전류를 조정하고, 제 1 및 제 2 체류 간격이 일정한 클럭 신호 (CLK) 로부터 유도되는 것을 허용한다. 제 4 피드백 회로 (38D) 는 하나 이상의 소스들로부터의 피드백 측정들에 기초하여 부하 (12) 에 의해 도출된 전류를 변화시키는 것으로 확장하는 결정을 할 수 있다. 이는 제 1 터미널 (14), 제 2 터미널 (16), 스위치 회로 (28) 내부, 및 커패시터 어레이 (26) 내부 중 하나 이상에서 생성된 전기적 파라미터들의 측정들을 포함한다.
도 12 는 부하 (12) 에 의해 도출된 전류를 제어하는 대신, 제 5 제어기 (104) 는 도시된 회로 내에서 전류원으로서 모델링된 조정기 (56) 를 통하는 전류를 제어한다는 점의 제외하고는, 제 4 제어기 (103) 와 유사한 제 5 제어기 (104) 를 도시한다. 제 5 제어기 (104) 에서, 제 5 타이밍 회로 (36E) 는 오직 클럭 신호 (CLK) 에만 응답한다. 제 5 피드백 회로 (38E) 는 하나 이상의 소스들로부터의 피드백 측정들에 기초하여 조정기 (56) 를 통하는 전류를 얼마만큼 변화시켜야 하는지를 결정한다. 이는 제 1 터미널 (14), 제 2 터미널 (16), 스위치 회로 (28) 내부, 및 커패시터 어레이 (26) 내부 중 하나 이상에서 생성된 전기적 파라미터들의 측정들을 포함한다.
위에서 개시된 제어 방법들은 상호 배타적이지 않다. 소위, 위에서 개시된 제어 방법들 중 2 이상을 구현하는 하이브리드 제어기들의 구현이 가능하다.
전하 부착(accretion)/소모(depletion)가 문제가 되는 하나의 이유는, 현실적인 문제로서, 요구되는 커패시턴스를 전부 동일하게 가지는 펌프 커패시터들 (C1 내지 C4) 을 제조하는 것은 거의 불가능하다는 점이다. 도 13 을 참조하면, 이에 대한 해결은 펌프 커패시터와 직렬 또는 병렬로 다른 커패시터들을 스위칭함으로써, 펌프 커패시터의 커패시턴스 값의 오류를 보상하는 것이다. 이러한 커패시터들은 요구되는 값으로 커패시턴스를 다듬기 때문에, 그들은 "트림 (timr)" 커패시터들로 지칭된다. 용어 "트림"은 "축소 (reducing)"로서 이해되지 않으며, 오히려 요구되는 값을 획득하기 위한 노력의 임의의 방향에서의 좋은 (fine) 조정들을 뜻한다. 펌프 커패시터의 커패시턴스는 직렬 또는 병렬로 각각 다른 커패시터를 연결하는 것에 의해 증가되거나 감소될 수 있다.
도 13 은 2 개의 트림 커패시터 (C5, C6) 을 가지는 트림 커패시터 네트워크 (70) 를 도시하고, 상기 트림 커패시터들 중 어느 하나는 제 4 펌프 커패시터 (C4) 와 병렬로 놓여질 수 있다. 비록 2 개의 트림 커패시터들 (C5, C6) 만이 도시되었지만, 현실적인 트림 커패시터 네트워크 (70) 는 제 4 펌프 커패시터 (C4) 와 직렬 또는 병렬로 선택적으로 스위칭 될 수 있는 다양한 값들을 가지는 커패시터들의 집합을 가질 수 있다. 도시된 트림 커패시터 네트워크 (70) 는 펌프 커패시터 (C4) 와 병렬인 하나의 트림 커패시터 (C6) 와 연결하여 조합의 효율적인 커패시턴스를 증가시킨다. 명확성을 위해, 단지 2 개의 트림 커패시터들 (C5, C6) 만이 도시된다. 그러나, 이를 더 부가하는 것은 단순한 문제이고, 따라서 조정에 있어서 큰 변화를 허용할 수 있다. 추가적으로, 단순성의 측면에서, 트림 커패시터 네트워크 (70) 는 트림 커패시터들 (C5, C6) 을 병렬로만 배치한다. 그러나, 제 4 펌프 커패시터 (C4) 와 직렬로 연결되는 트림 커패시터들 (C5, C6) 을 스위칭하는 회로를 디자인 하는 것은 비교적 단순한 문제이다. 추가적으로, 도 13에서, 트림 커패시터 네트워크 (70) 는 단지 제 4 펌프 커패시터 (C4) 에 대해서만 도시된다. 현실적으로, 각 펌프 커패시터 (C1 내지 C4) 는 각각의 트림 커패시터 네트워크 (70)를 가져야 한다.
트림 커패시터 네트워크 (70) 의 트림 커패시터들의 적절한 조합을 스위칭함으로써, 트림 커패시터들 (C5, C6) 의 커패시턴스와 결합된 펌프 커패시터 (C4) 의 종합적인 커패시턴스는 목표 값과 동일하거나 근접할 수 있다. 이러한 트리밍 절차는 전하 펌프 (10) 의 생애에서 단지 한번 수행되는 것을 요구할 수도 있고, 또는 온도 뿐만 아니라 그들의 터미널들에 걸친 전압과 함께 현실적인 커패시턴스들이 보통 변화하기 때문에 정상 동작 동안 수행될 수도 있다.
제조상의 오류들을 조정하기 위해 한번 사용되는 것보다는, 도시된 바와 같은 트림 커패시터 네트워크 (70) 는 예를 들어 펌프 커패시터 (C4) 와 같은 특정한 커패시터와 상기 트림 커패시터 네트워크 (70) 내의 트림 커패시터 (C5, C6) 와 같은 어떤 다른 전하 저장고 (repository) 사이의 전하 이동, 또는 궁극적인 저장고, 즉 접지로의 전하 이동을 통해 특정한 펌프 커패시터 (C4) 상의 전하의 양을 제어하기 위한 방안으로서 회로의 동작 동안 사용될 수 있다. 이는 모든 펌프 커패시터들을 전하 펌프 사이클의 시작에서의 그들의 개별적인 초기 전압들로 되돌리기 위한 노력으로서 각 커패시터 상의 전하를 조정하기 위한 대안적인 방안을 제공한다.
대안적으로, 전류 싱크 (sink) 는 각각의 펌프 커패시터 (C1 내지 C4) 에 커플링되어 그것들이 임의의 초과하는 전하를 제 1 터미널 (14), 제 2 터미널 (16), 스위치 회로 (28) 내부의 터미널, 커패시터 어레이 (26) 내부의 터미널, 및 심지어 접지와 같은 다른 위치 또는 복수의 위치들로 빼내는 것을 허용할 수 있다.
도 14 에 도시된 트림 커패시터 네트워크 (70) 에 대한 또 다른 사용은 전하 펌프 (10) 와 부하 (12) 사이의 안정화 커패시턴스로서 동작하는 것이다. 손실들을 감소시키기 위해, 안정화 커패시턴스는 바람직하게는 전하 펌프 (10) 를 안정화시키기에 딱 충분하다. 필요보다 더 큰 안정화 커패시턴스 값은 전하 펌프 동작 동안의 전력 손실을 증가시킬 수도 있다. 제조상의 용인들 때문에, 일반적으로, 안정화 커패시턴스의 요구되는 값을 예측하는 것 또는, 만약 예측 가능했던 경우에도 모든 동작 조건들에 대해 요구되는 값을 가지고 있음을 보장하는 것은 불가능하다. 따라서, 안정화 커패시턴스로서 동작하도록 트림 커패시터 네트워크로부터 선택된 트림 커패시터 (C5, C6) 를 스위치하기 위해 도 13 과 관련하여 개시된 바와 유사한 기법을 사용하는 것이 가능하다.
전하 펌프 (10) 는 래더, 딕슨, 직병렬, 피보나치 및 더블러와 같은 많은 상이한 전하 펌프 토폴로지들을 사용하여 구현될 수 있다. 유사하게, 조정기로서 구현되었을 때 부하 (12) 및 조정기 (56) 에 대한 적절한 컨버터들은 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터들, 비-변환 벅-부스트 컨버터들, 쿡 컨버터들, SEPIC 컨버터들, 레조넌트 컨버터들, 다중 레벨 컨버터들, 플라이백 컨버터들, 포워드 컨버터들 및 풀 브릿지 컨버터들을 포함한다.
상기의 개시는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니라고 이해되어야 할 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위를 통해 정의될 것이다. 범위 내에 있는 다른 실시예들은 하기의 특허 청구범위 내에 포함될 것이다.

Claims (73)

  1. 전력 컨버터를 포함하는 장치로서, 상기 전력 컨버터는:
    복수의 커패시터들에 결합된 제1 세트의 스위치들 및 제2 세트의 스위치들을 적어도 포함하는 스위칭 회로; 및
    적어도 하나의 제어 신호를 생성하는 제어 회로를 포함하며, 상기 제어 회로는 제1 상태의 제1 체류 시간(residence time)과 제2 상태의 제2 체류시간을 제어함으로써 적어도 2개 상태들간 상기 스위칭 회로 내의 전이(transition)를 일으키기 위하여 상기 적어도 하나의 제어 신호를 제공함으로써 상기 복수의 커패시터들내의 전하를 밸런싱하며,
    상기 스위칭 회로는 조정기(regulator)와 LED 드라이버 내의 제어가능한 전류원과 결합되고, 상기 제어 회로는 상기 LED 드라이버 내의 상기 제어 가능한 전류원에 의해 인출되는 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조정기는 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter), 벅-부스트 컨버터 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 캐스캐이드 배율기 (cascade multiplier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두개의 상태들의 특정 상태는 적어도 하나의 스위치 구성의 특정 스위치 구성에 해당되는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 커패시터들은 직렬로 배열된 적어도 두개의 펌프 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 또는 상기 제2 체류 시간 중 적어도 하나는 일련의 사이클에 걸쳐 획득된 측정들에 기초해 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 또는 상기 제2 체류 시간 중 적어도 하나는 현재의 사이클 동안 획득된 측정들에 기초해 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어 신호는, 상기 스위칭 회로에 의해 공급되는 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간은 상이한 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 상기 조정기 및 상기 LED 드라이버내의 제어가능한 전류원에 직렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터를 포함하는 장치.
  12. 제어가능한 전류원;
    복수의 커패시터들에 결합된 제1 세트의 스위치들 및 제2 세트의 스위치들을 적어도 포함하는 스위칭 회로; 및
    적어도 하나의 제어 신호를 생성하는 제어 회로를 포함하며, 상기 제어 회로는 적어도 2개 상태들간 상기 스위칭 회로 내의 전이(transition)를 일으키기 위하여 상기 적어도 하나의 제어 신호를 상기 스위칭 회로에 제공하고,
    상기 스위칭 회로는 조정기(regulator)와 LED 드라이버 내의 제어가능한 전류원과 결합되고, 상기 제어 회로는 상기 LED 드라이버 내의 상기 제어 가능한 전류원에 의해 인출되는 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 조정기는 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter), 벅-부스트 컨버터 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  14. 제12항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 캐스캐이드 배율기 (cascade multiplier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  15. 제12항에 있어서, 상기 적어도 두개의 상태들의 특정 상태는 적어도 하나의 스위치 구성의 특정 스위치 구성에 해당되는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  16. 제12항에 있어서, 상기 복수의 커패시터들은 직렬로 배열된 적어도 두개의 펌프 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  17. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어 신호는, 상기 스위칭 회로에 의해 공급되는 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  18. 제12항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 상기 조정기 및 상기 LED 드라이버내의 제어가능한 전류원에 직렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  19. 적어도 하나의 제어 신호들을 생성하는 단계;
    적어도 2개 상태들간 상기 스위칭 회로 내의 전이(transition)를 일으키기 위하여 상기 적어도 하나의 제어 신호를 스위칭 회로에 제공하는 단계-여기서 상기 스위칭 회로는 복수의 커패시터들에 결합된 제1 세트의 스위치들 및 제2 세트의 스위치들을 적어도 포함함-; 및
    LED 드라이버 내의 제어 가능한 전류원에 의해 인출되는 전류를 조절하는 단계-여기서 상기 스위칭 회로는 조정기(regulator)와 LED 드라이버 내의 제어가능한 전류원과 결합됨-를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어 신호는, 상기 스위칭 회로에 의해 공급되는 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어 신호는 제1 상태의 제1 체류 시간(residence time)과 제2 상태의 제2 체류시간을 제어함으로써 적어도 2개 상태들간 상기 스위칭 회로 내의 전이(transition)를 일으키는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 또는 상기 제2 체류 시간 중 적어도 하나는 일련의 사이클에 걸쳐 획득된 측정들에 기초해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 또는 상기 제2 체류 시간 중 적어도 하나는 현재의 사이클 동안 획득된 측정들에 기초해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간은 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어 신호는, 상기 스위칭 회로에 의해 공급되는 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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