KR102602806B1 - Recursive resonant switched dc-dc converter with tri-coupled inductor and operation method therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 입력 전압을 설정된 승압비에 대응되는 출력 전압으로 출력하는 삼단 스테이지 회로, 여기서 상기 삼단 스테이지 회로는 순차적으로 연결되되 각각이 스위치드 커패시터 회로 및 일 단이 상기 스위치드 커패시터 회로와 연결되고 타 단이 출력 노드와 연결된 인덕터를 포함하는 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로를 포함하고; 및 상기 스위치드 커패시터 회로에 포함된 적어도 하나의 스위치의 오프 시점을 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 전류가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어하는 제로 전류 검출기를 포함하는, DC-DC 컨버터이다.According to the present invention, a three-stage circuit that outputs an input voltage as an output voltage corresponding to a set step-up ratio, wherein the three-stage circuit is connected sequentially, and each end is connected to a switched capacitor circuit and one end is connected to the switched capacitor circuit and the other end is connected to the switched capacitor circuit. A stage includes a first to third stage circuit including an inductor connected to an output node; and a zero current detector that controls the off point of at least one switch included in the switched capacitor circuit to correspond to the point in time when the current of the inductor of the third stage circuit becomes zero current.

Description

삼중 결합 인덕터를 이용한 재귀 공진형 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작 방법{RECURSIVE RESONANT SWITCHED DC-DC CONVERTER WITH TRI-COUPLED INDUCTOR AND OPERATION METHOD THEREFOR}Recursive resonance switched capacitor DC-DC converter using triple coupled inductor and its operation method {RECURSIVE RESONANT SWITCHED DC-DC CONVERTER WITH TRI-COUPLED INDUCTOR AND OPERATION METHOD THEREFOR}

본 발명은 삼중 결합 인덕터를 이용한 재귀 공진형 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a recursive resonance type switched capacitor direct current-direct current converter using a triple-coupled inductor and a method of operating the same.

집적회로가 점차 고집적 고성능화를 추구하면서 소비하는 전력의 양이 증가하고 있고, 이에 따라 높은 전력 밀도를 가지는 파워 전달 회로(PMIC)가 요구되고 있다. 그러나, 종래에 고집적 파워 전달 회로에 사용되는 스위치드 커패시터 변압기는 제한된 면적에서 출력 전력에 한계가 있다. 일 예로, 종래의 재귀 공진형 구조는 많은 승압비를 가지나 부피가 큰 외부 인덕터 소자를 사용하였고 낮은 출력 전류를 공급한다는 문제가 있다.As integrated circuits gradually pursue higher integration and higher performance, the amount of power consumed is increasing, and accordingly, power transfer circuits (PMIC) with high power density are required. However, the switched capacitor transformer used in conventional highly integrated power transmission circuits has limitations in output power in a limited area. For example, the conventional recursive resonance structure has a high step-up ratio, but has the problem of using a bulky external inductor element and supplying a low output current.

대한민국 공개특허 제10-2020-0022021호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0022021 대한민국 공개특허 제10-2020-0064557호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0064557

본 발명의 다양한 실시예들은 삼중 결합 인덕터를 이용하여 다중 승압비를 가지되, 인덕터를 칩 내부에 집적하여 고집적, 고출력 및 넓은 전압 범위를 가지는 삼중 결합 인덕터를 이용한 재귀 공진형 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작 방법을 제공하기 위함이다.Various embodiments of the present invention use a triple-coupled inductor to have a multiple step-up ratio, and the inductor is integrated inside the chip to achieve high integration, high output, and a wide voltage range. A recursive resonance type switched capacitor DC-DC converter using a triple-coupled inductor and its operation method.

또한, 본 발명의 다양한 실시예들은 전달 손실을 줄일 수 있도록 인덕터에 제로 전류가 흐를 때 스위칭 시점을 제어할 수 있는 삼중 결합 인덕터를 이용한 재귀 공진형 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작 방법을 제공하기 위함이다.In addition, various embodiments of the present invention provide a recursive resonant switched capacitor DC-DC converter using a triple-coupled inductor that can control the switching point when zero current flows in the inductor to reduce transmission loss, and a method of operating the same. It is for this purpose.

본 발명의 다양한 실시예들에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 발명의 다양한 실시예들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.The technical problems to be achieved in the various embodiments of the present invention are not limited to the matters mentioned above, and other technical problems not mentioned are those that are within the scope of ordinary knowledge in the technical field from the various embodiments of the present invention described below. Can be considered by those who have.

본 발명의 일 실시예로, 입력 전압을 설정된 승압비에 대응되는 출력 전압으로 출력하는 삼단 스테이지 회로, 여기서 상기 삼단 스테이지 회로는 순차적으로 연결되되 각각이 스위치드 커패시터 회로 및 일 단이 상기 스위치드 커패시터 회로와 연결되고 타 단이 출력 노드와 연결된 인덕터를 포함하는 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로를 포함하고; 및 상기 스위치드 커패시터 회로에 포함된 적어도 하나의 스위치의 오프 시점을 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 전류가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어하는 제로 전류 검출기를 포함하는, DC-DC 컨버터이다.In one embodiment of the present invention, a three-stage circuit that outputs an input voltage as an output voltage corresponding to a set step-up ratio, wherein the three-stage circuit is sequentially connected, each stage having a switched capacitor circuit and one stage having the switched capacitor circuit. It includes a first stage to a third stage circuit including an inductor connected to an output node and the other end connected to the output node; and a zero current detector that controls the off point of at least one switch included in the switched capacitor circuit to correspond to the point in time when the current of the inductor of the third stage circuit becomes zero current.

예를 들어, 상기 스위치드 커패시터 회로는 스위칭 동작에 따라 상기 스위치드 커패시터 회로에 인가되는 상위 레벨 전압 및 하위 레벨 전압의 절반에 대응되는 전압을 상기 제1 스테이지 회로 내지 상기 제3 스테이지 회로 각각의 출력 전압으로 출력할 수 있다.For example, the switched capacitor circuit converts a voltage corresponding to half of the upper level voltage and lower level voltage applied to the switched capacitor circuit according to a switching operation into the output voltage of each of the first to third stage circuits. Can be printed.

예를 들어, 상기 제1 스테이지 회로에 인가되는 상기 상위 레벨 전압은 상기 입력 전압이고, 상기 하위 레벨 전압은 그라운드이고, 상기 제2 스테이지 회로에 인가되는 상기 상위 레벨 전압은 상기 입력 전압 또는 상기 제1 스테이지 회로의 출력 전압이고, 상기 하위 레벨 전압은 그라운드 또는 상기 제1 스테이지 회로의 출력 전압이고, 상기 제3 스테이지 회로에 인가되는 상기 상위 레벨 전압은 상기 입력 전압 또는 상기 제2 스테이지 회로의 출력 전압이고, 상기 하위 레벨 전압은 그라운드 또는 상기 제2 스테이지 회로의 출력 전압일 수 있다.For example, the higher level voltage applied to the first stage circuit is the input voltage, the lower level voltage is ground, and the higher level voltage applied to the second stage circuit is the input voltage or the first is the output voltage of the stage circuit, the lower level voltage is the ground or the output voltage of the first stage circuit, and the upper level voltage applied to the third stage circuit is the input voltage or the output voltage of the second stage circuit. , the lower level voltage may be ground or the output voltage of the second stage circuit.

예를 들어, 상기 제로 전류 검출기는 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 일 단의 전압을 제1 시점과 상기 제1 시점 이후의 제2 시점 간에 비교하고, 비교 결과를 출력하는 비교기; 상기 비교 결과에 기초하여 상기 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 제어하는 디지털 신호 제어부; 및 상기 디지털 신호에 기초하여 상기 오프 시점의 딜레이를 조절하는 딜레이 조절부를 포함할 수 있다.For example, the zero current detector may include a comparator that compares the voltage of one end of the inductor of the third stage circuit between a first time point and a second time point after the first time point and outputs a comparison result; a digital signal control unit that controls a digital signal to control the off point based on the comparison result; and a delay control unit that adjusts the delay at the off point based on the digital signal.

예를 들어, 상기 비교기는 상기 제1 시점에 대응되는 전압이 상기 제2 시점에 대응되는 전압보다 큰 경우 상기 오프 시점이 빠른 것으로 판단하고, 상기 제1 시점에 대응되는 전압이 상기 제2 시점에 대응되는 전압보다 작은 경우 상기 오프 시점이 느린 것으로 판단할 수 있다.For example, the comparator determines that the off time is early when the voltage corresponding to the first time point is greater than the voltage corresponding to the second time point, and the voltage corresponding to the first time point is greater than the voltage corresponding to the second time point. If it is less than the corresponding voltage, it can be determined that the off time is slow.

예를 들어, 상기 디지털 신호 제어부는 상기 오프 시점이 빠른 것으로 판단되면 상기 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 1-비트 업시키고, 상기 오프 시점이 느린 것으로 판단되면 상기 디지털 신호를 1-비트 다운시킬 수 있다.For example, if the digital signal controller determines that the off point is fast, it turns up the digital signal for controlling the off point by 1 bit, and if it determines that the off point is slow, it turns the digital signal down by 1 bit. You can.

예를 들어, 상기 딜레이 조절부는 상기 적어도 하나의 스위치의 온 시점으로부터 시간 축 상에서 정의되는 선행 딜레이를 설정하고, 상기 디지털 신호에 기초하여 상기 선행 딜레이로부터 상기 오프 시점까지로 정의되는 조정 가능 딜레이를 조절할 수 있다.For example, the delay adjuster sets a leading delay defined on the time axis from the on point of the at least one switch, and adjusts an adjustable delay defined from the leading delay to the off point based on the digital signal. You can.

예를 들어, 상기 제로 전류 검출기에 연결되고, 상기 디지털 신호에 기초하여 생성된 스위칭 펄스 신호 및 상기 승압비에 기초하여 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다.For example, it may further include a switch control unit connected to the zero current detector and controlling the at least one switch based on the switching pulse signal generated based on the digital signal and the step-up ratio.

본 발명의 다른 일 실시예로, 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로를 포함하는 삼단 스테이지 회로 및 제로 전류 검출기를 포함하는 DC-DC 컨버터에 의해 수행되는 동작 방법으로서, 입력 전압을 설정된 승압비에 대응되는 출력 전압으로 출력하는 단계; 및 상기 삼단 스테이지 회로에 포함된 적어도 하나의 스위치의 오프 시점을 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 전류가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어하는 단계를 포함하는, DC-DC 컨버터의 동작 방법이다.In another embodiment of the present invention, an operation method performed by a DC-DC converter including a three-stage circuit including a first stage circuit to a third stage circuit and a zero current detector, wherein the input voltage is adjusted to a set step-up ratio. outputting a corresponding output voltage; and controlling the off point of at least one switch included in the three stage circuit to correspond to the point in time when the current of the inductor of the third stage circuit becomes zero current.

예를 들어, 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 일 단의 전압을 제1 시점과 상기 제1 시점 이후의 제2 시점 간에 비교하고, 비교 결과를 출력하는 단계; 상기 비교 결과에 기초하여 상기 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 제어하는 단계; 및 상기 디지털 신호에 기초하여 상기 오프 시점의 딜레이를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.For example, comparing the voltage of one end of the inductor of the third stage circuit between a first time point and a second time point after the first time point and outputting a comparison result; controlling a digital signal for controlling the off point based on the comparison result; and adjusting the delay at the off point based on the digital signal.

상술한 본 발명의 다양한 실시예들은 본 발명의 바람직한 예들 중 일부에 불과하며, 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 특징들이 반영된 여러 가지 예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.The various embodiments of the present invention described above are only some of the preferred examples of the present invention, and various examples reflecting the technical features of the various embodiments of the present invention will be described in detail below by those skilled in the art. Can be derived and understood based on detailed explanation.

본 발명의 다양한 실시예들에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.According to various embodiments of the present invention, the following effects are achieved.

본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 삼중 결합 인덕터를 이용하여 다중 승압비를 가지되, 인덕터를 칩 내부에 집적하여 고집적, 고출력 및 넓은 전압 범위를 가지는 삼중 결합 인덕터를 이용한 재귀 공진형 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작 방법이 제공될 수 있다.According to various embodiments of the present invention, a recursive resonant switched capacitor direct current using a triple-coupled inductor has a multiple step-up ratio using a triple-coupled inductor, and has high integration, high output, and a wide voltage range by integrating the inductor inside the chip. -A direct current converter and its operating method can be provided.

또한, 전달 손실을 줄일 수 있도록 인덕터에 제로 전류가 흐를 때 스위칭 시점을 제어할 수 있는 삼중 결합 인덕터를 이용한 재귀 공진형 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작 방법이 제공될 수 있다.In addition, a recursive resonance type switched capacitor DC-DC converter using a triple-coupled inductor that can control the switching point when zero current flows in the inductor to reduce transmission loss and a method of operating the same can be provided.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명의 다양한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 발명하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 결합 인덕터를 도시한 것이다.
도 3은 삼단 스테이지 회로에 포함된 각 스테이지의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 4a 내지 도 4e는 각 승압비에 따른 삼단 스테이지 회로의 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 5는 제로 전류 검출기의 구체적 회로도를 도시한 것이다.
도 6은 딜레이 조절부에 의해 조절되는 딜레이를 설명하기 위한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 제로 전류 검출기의 구체적인 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 DC-DC 컨버터의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작 방법의 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제로 전류 검출기의 동작 방법의 흐름도이다.
The drawings attached below are intended to aid understanding of various embodiments of the present invention and provide various embodiments of the present invention along with a detailed description. However, the technical features of various embodiments of the present invention are not limited to specific drawings, and the features invented in each drawing may be combined to form a new embodiment. Reference numerals in each drawing refer to structural elements.
1 is a circuit diagram of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a triple-coupled inductor according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is for explaining the operation of each stage included in the three-stage circuit.
FIGS. 4A to 4E are for explaining the operation of the three-stage circuit according to each step-up ratio.
Figure 5 shows a specific circuit diagram of the zero current detector.
Figure 6 is for explaining the delay controlled by the delay control unit.
Figures 7a and 7b are for explaining the specific operation of the zero current detector.
Figure 8 shows simulation results of the DC-DC converter of the present invention.
Figure 9 is a flowchart of a method of operating a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a flowchart of a method of operating a zero current detector according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 구현들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 발명될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 구현을 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 구현 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.Hereinafter, implementations according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The detailed description set forth below together with the accompanying drawings is intended to describe exemplary implementations of the invention and is not intended to represent the only implementation form in which the invention may be practiced. The following detailed description includes specific details to provide a thorough understanding of the invention. However, one skilled in the art will recognize that the present invention may be practiced without these specific details.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, a first component may be named a second component, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

본 발명의 다양한 실시예에서, “/” 및 “,”는 “및/또는”을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, “A/B”는 “A 및/또는 B”를 의미할 수 있다. 나아가, “A, B”는 “A 및/또는 B”를 의미할 수 있다. 나아가, “A/B/C”는 “A, B 및/또는 C 중 적어도 어느 하나”를 의미할 수 있다. 나아가, “A, B, C”는 “A, B 및/또는 C 중 적어도 어느 하나”를 의미할 수 있다.In various embodiments of the present invention, “/” and “,” should be interpreted as indicating “and/or.” For example, “A/B” can mean “A and/or B.” Furthermore, “A, B” may mean “A and/or B.” Furthermore, “A/B/C” may mean “at least one of A, B and/or C.” Furthermore, “A, B, C” may mean “at least one of A, B and/or C.”

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, DC-DC 컨버터(10)는 삼단 스테이지 회로(100) 및 제로 전류 검출기(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the DC-DC converter 10 includes a three-stage circuit 100 and a zero current detector 200.

삼단 스테이지 회로(100)는 설정된 승압비에 따라 입력 전압을 승압비에 대응되는 출력 전압으로 출력한다. The three-stage circuit 100 outputs the input voltage as an output voltage corresponding to the step-up ratio according to the set step-up ratio.

삼단 스테이지 회로(100)는 순차적으로 연결되는 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로(110a 내지 110c)를 포함한다. 제1 스테이지 회로(110a)의 출력단은 제2 스테이지 회로(110b)의 입력단 및 제3 스테이지 회로(110c)의 입력단에 연결되고, 제2 스테이지 회로(110b)의 출력단은 제3 스테이지 회로(110c)의 입력단에 연결된다.The three-stage circuit 100 includes first to third stage circuits 110a to 110c sequentially connected. The output terminal of the first stage circuit 110a is connected to the input terminal of the second stage circuit 110b and the input terminal of the third stage circuit 110c, and the output terminal of the second stage circuit 110b is connected to the third stage circuit 110c. connected to the input terminal of

제1 스테이지 회로(110a) 및 제2 스테이지 회로(110b) 사이에는 제1 전압 인가 스위치(SWV1)가 구비되고, 제1 스테이지 회로(110a) 및 제3 스테이지 회로(110c) 사이에는 제2-1 전압 인가 스위치(SWV2_1)가 구비되고, 제2 스테이지 회로(110b) 및 제3 스테이지 회로(110c) 사이에는 제2-2 전압 인가 스위치(SWV2_2)가 구비될 수 있다. 제1 전압 인가 스위치(SWV1)는 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)을 스위칭 동작에 의해 제2 스테이지 회로(110b)의 입력단(제2 스테이지 회로(110b)에 포함된 커패시터)에 인가하고, 제2-1 전압 인가 스위치(SWV2_1)는 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)을 스위칭 동작에 의해 제3 스테이지 회로(110c)의 입력단(제3 스테이지 회로(110c)에 포함된 커패시터)에 인가하고, 제2-2 전압 인가 스위치(SWV2_2)는 제2 스테이지 회로(110b)의 출력 전압(Vint2)을 스위칭 동작에 의해 제3 스테이지 회로(110c)의 입력단(제3 스테이지 회로(110c)에 포함된 커패시터)에 인가한다.A first voltage application switch SWV1 is provided between the first stage circuit 110a and the second stage circuit 110b, and a 2-1 switch is provided between the first stage circuit 110a and the third stage circuit 110c. A voltage application switch (SWV2_1) may be provided, and a 2-2 voltage application switch (SWV2_2) may be provided between the second stage circuit 110b and the third stage circuit 110c. The first voltage application switch SWV1 connects the output voltage Vint1 of the first stage circuit 110a to the input terminal (capacitor included in the second stage circuit 110b) of the second stage circuit 110b through a switching operation. Applying the voltage, the 2-1 voltage application switch SWV2_1 applies the output voltage Vint1 of the first stage circuit 110a to the input terminal (third stage circuit 110c) of the third stage circuit 110c by a switching operation. is applied to the included capacitor), and the 2-2 voltage application switch (SWV2_2) applies the output voltage (Vint2) of the second stage circuit (110b) to the input terminal (third stage) of the third stage circuit (110c) by a switching operation. It is applied to the capacitor included in the circuit 110c.

상술한 전압 인가 스위치들에 의해, 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로(110a 내지 110c) 각각은 상위 레벨 전압(VH)과 하위 레벨 전압(VL)을 인가받을 수 있다. 예를 들어, 제1 스테이지 회로(110a)에 인가되는 상위 레벨 전압(VH)은 입력 전압이고, 하위 레벨 전압(VL)은 그라운드이다. 예를 들어, 제2 스테이지 회로(110b)에 인가되는 상위 레벨 전압(VH)은 입력 전압 또는 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)이고, 하위 레벨 전압(VL)은 그라운드 또는 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)이다. 예를 들어, 제3 스테이지 회로(110c)에 인가되는 상위 레벨 전압(VH)은 입력 전압 또는 제2 스테이지 회로(110b)의 출력 전압(Vint2)이고, 하위 레벨 전압(VL)은 그라운드 또는 제2 스테이지 회로(110b)의 출력 전압(Vint2)이다.By the voltage application switches described above, each of the first to third stage circuits 110a to 110c can receive the upper level voltage (VH) and the lower level voltage (VL). For example, the upper level voltage (VH) applied to the first stage circuit 110a is the input voltage, and the lower level voltage (VL) is the ground. For example, the upper level voltage (VH) applied to the second stage circuit (110b) is the input voltage or the output voltage (Vint1) of the first stage circuit (110a), and the lower level voltage (VL) is the ground or the first stage circuit (110a). This is the output voltage (Vint1) of the stage circuit 110a. For example, the upper level voltage (VH) applied to the third stage circuit 110c is the input voltage or the output voltage (Vint2) of the second stage circuit 110b, and the lower level voltage (VL) is the ground or the second stage circuit 110b. This is the output voltage (Vint2) of the stage circuit 110b.

제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로(110a 내지 110c) 각각은 스위치드 커패시터 회로, 인덕터 및 출력 커패시터를 포함한다. Each of the first to third stage circuits 110a to 110c includes a switched capacitor circuit, an inductor, and an output capacitor.

스위치드 커패시터 회로는 커패시터(C1, C2, C3), 한 쌍의 제1 스위치(SW1) 및 한 쌍의 제2 스위치(SW2)를 포함하고, 한 쌍의 제1 스위치(SW1) 및 한 쌍의 제2 스위치(SW2)가 스위칭 펄스 신호에 의해 스위칭되는 스위칭 동작에 따라 커패시터(C1, C2, C3)를 충전 및 방전시키고, 스위치드 커패시터 회로에 인가되는 상위 레벨 전압(VH) 및 하위 레벨 전압(VL)의 절반에 대응되는 전압을 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로(110a 내지 110c) 각각의 출력 전압으로 출력한다. 스위치드 캐퍼시터 회로는 반전 위상(180도 페이즈)에 대응되는 반전 회로를 포함할 수 있다. 스위치드 커패시터 회로의 구체적인 동작은 후술한다.The switched capacitor circuit includes capacitors C1, C2, and C3, a pair of first switches SW1 and a pair of second switches SW2, and a pair of first switches SW1 and a pair of second switches. 2 The switch (SW2) charges and discharges the capacitors (C1, C2, C3) according to the switching operation switched by the switching pulse signal, and the upper level voltage (VH) and lower level voltage (VL) applied to the switched capacitor circuit. A voltage corresponding to half of is output as the output voltage of each of the first to third stage circuits 110a to 110c. The switched capacitor circuit may include an inversion circuit corresponding to an inversion phase (180 degree phase). The specific operation of the switched capacitor circuit will be described later.

인덕터(L1, L2, L3)는 일 단이 스위치드 커패시터 회로와 연결되고 타 단이 출력 노드와 연결된다. 출력 노드에는 출력 커패시터(Cout1, Cout2, Cout3)가 연결된다. 인덕터는 스위치드 커패시터에 포함된 커패시터와 공진하여 동작한다.The inductors (L1, L2, L3) have one end connected to the switched capacitor circuit and the other end connected to the output node. Output capacitors (Cout1, Cout2, Cout3) are connected to the output node. The inductor operates by resonating with the capacitor included in the switched capacitor.

일 실시예에 따르면, 삼단 스테이지 회로(100)에 포함된 3개의 인덕터는 칩에 집적될 때 삼중 결합될 수 있다. 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로(110a 내지 110c)에 포함된 각각의 인덕터를 L1 내지 L3으로 칭한다. DC-DC 컨버터(10)에서 삼단 스테이지 회로(100)는 마지막 단에서부터 첫 번째 단 순으로 전달되는 출력 전류가 작아지기 때문에, 인덕터에서 발생하는 저항 성분 또한 그에 맞게 분배되어야 한다.According to one embodiment, the three inductors included in the three-stage circuit 100 may be triple coupled when integrated into a chip. Each inductor included in the first to third stage circuits 110a to 110c is referred to as L1 to L3. Since the output current transmitted from the last stage to the first stage of the three-stage circuit 100 in the DC-DC converter 10 is small, the resistance component generated in the inductor must also be distributed accordingly.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 결합 인덕터를 도시한 것이다.Figure 2 shows a triple-coupled inductor according to an embodiment of the present invention.

도 2는 DC-DC 컨버터(10)가 칩에 집적될 때 인덕터의 관점에서 도시된 것이다. 삼중 결합 인덕터의 경우 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 공정에서 사용되는 메탈 층에 따라 비저항이 다르기 때문에(예를 들어, 최상위 메탈 층의 비저항이 다른 메탈 층에 비해 12배 가량 낮음), 한정된 칩 자원에서 효율적으로 인덕터의 저항을 분배하여야 한다. 따라서, 도 2와 같이 삼중 결합 인덕터의 직렬 저항(DCR)은 L1 > L2 > L3로 분배될 수 있다.Figure 2 shows the DC-DC converter 10 from the perspective of an inductor when integrated into a chip. In the case of a triple-coupled inductor, the resistivity varies depending on the metal layer used in the CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) process (for example, the resistivity of the top metal layer is about 12 times lower than that of other metal layers), so it can be used in limited chips. The inductor resistance must be distributed efficiently among resources. Therefore, as shown in FIG. 2, the series resistance (DCR) of the triple-coupled inductor can be distributed as L1 > L2 > L3.

다시 도 1로 돌아와서, 제로 전류 검출기(200)는 스위치드 커패시터 회로에 포함된 적어도 하나의 스위치의 오프 시점을 제3 스테이지 회로(110c)의 인덕터의 전류가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어한다. Returning to FIG. 1, the zero current detector 200 controls the off time of at least one switch included in the switched capacitor circuit to correspond to the time when the current of the inductor of the third stage circuit 110c becomes zero current.

제로 전류 검출기(200)는 L3의 전류인 IL3가 제로 전류가 되는 시점을 검출하고, 검출된 시점을 스위치드 커패시터 회로의 오프 시점과 비교하여 오프 시점이 빠른지 느린지를 판단한다. 또한, 판단 결과 오프 시점이 빠르거나 느린 경우 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어하기 위한 다양한 동작(딜레이 설정 동작, 디지털 신호 조절, 스위칭 펄스 신호 생성(Φ1, Φ2) 등)을 수행한다. 제로 전류 검출기(200)에 대한 구체적인 설명은 후술한다. The zero current detector 200 detects the time when I L3 , which is the current of L3, becomes zero current, and compares the detected time with the off time of the switched capacitor circuit to determine whether the off time is fast or slow. In addition, as a result of the judgment, if the off time is fast or slow, various operations (delay setting operation, digital signal adjustment, switching pulse signal generation (Φ1, Φ2), etc.) are performed to control it to correspond to the time when the current becomes zero. A detailed description of the zero current detector 200 will be described later.

제로 전류 검출기(200)에는 적어도 하나의 스위치의 온 시점을 식별하기 위한 비교기(300)가 연결된다. 비교기(300)는 삼단 스테이지 회로(100)의 출력 전압과 기 설정된 레퍼런스 전압(VREF)을 비교하고, 비교 결과(CMPDY,OUT)를 제로 전류 검출기(200)에 전달한다. 제로 전류 검출기(200)는 비교 결과 온 시점이 식별되면 딜레이 설정 동작을 수행한다.A comparator 300 for identifying the on point of at least one switch is connected to the zero current detector 200. The comparator 300 compares the output voltage of the three-stage circuit 100 with a preset reference voltage (V REF ) and transmits the comparison result (CMP DY,OUT ) to the zero current detector 200. The zero current detector 200 performs a delay setting operation when the on point is identified as a result of comparison.

제로 전류 검출기(200)로부터 생성된 스위칭 펄스 신호(Φ1, Φ2)는 스위치 제어부(400)로 인가된다. 스위치 제어부(400)는 제로 전류 검출기(200)에 연결되고, 스위칭 펄스 신호 및 설정된 승압비에 기초하여 적어도 하나의 스위치를 제어한다. 예를 들어, 스위칭 펄스 신호(Φ1, Φ2)를 인가받아 디코딩하고, 승압비 설정 신호(MODE)에 따라 복수의 승압비 중 하나의 승압비를 설정하고, 설정된 승압비에 따라 삼단 스테이지 회로(100)가 동작하도록 스위칭 제어 신호(SW)를 생성한다. The switching pulse signals Φ1 and Φ2 generated from the zero current detector 200 are applied to the switch control unit 400. The switch control unit 400 is connected to the zero current detector 200 and controls at least one switch based on the switching pulse signal and a set step-up ratio. For example, the switching pulse signals (Φ1, Φ2) are received and decoded, one step-up ratio among a plurality of step-up ratios is set according to the step-up ratio setting signal (MODE), and a three-stage circuit (100) is performed according to the set step-up ratio. ) generates a switching control signal (SW) to operate.

이하에서는, 삼단 스테이지 회로(100) 및 제로 전류 검출기(200)에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Below, the three-stage circuit 100 and the zero current detector 200 will be described in more detail.

도 3은 삼단 스테이지 회로에 포함된 각 스테이지의 동작을 설명하기 위한 것이다.Figure 3 is for explaining the operation of each stage included in the three-stage circuit.

도 3을 참조하면, 한 쌍의 제1 스위치(SW1)가 온되는 구간(Φ1)에서는 상위 레벨 전압(VH)이 커패시터에 충전된다. 다음으로, 한 쌍의 제2 스위치(SW2)가 온되는 구간(Φ2)에서는 하위 레벨 전압(VL)이 커패시터에 충전된다. 결과적으로, 상위 레벨 전압(VH)과 하위 레벨 전압(VL) 충전으로 인한 전하 공유로 인해 인덕터의 타 단의 출력 전압은 상위 레벨 전압(VH)과 하위 레벨 전압(VL)의 합의 1/2로 결정된다. 삼단 스테이지 회로(100)의 각 스테이지는 상술한 한 쌍의 제1 스위치(SW1)와 한 쌍의 제2 스위치(SW2)의 스위칭 동작에 따른 커패시터의 충전에 따라 출력 전압을 상위 레벨 전압(VH)과 하위 레벨 전압(VL)의 합의 1/2로 출력한다.Referring to FIG. 3, in the section Φ1 where the pair of first switches SW1 are turned on, the upper level voltage VH is charged in the capacitor. Next, in the section Φ2 where the pair of second switches SW2 are turned on, the lower level voltage VL is charged in the capacitor. As a result, due to charge sharing due to charging of the upper level voltage (VH) and lower level voltage (VL), the output voltage of the other end of the inductor is 1/2 of the sum of the upper level voltage (VH) and lower level voltage (VL). It is decided. Each stage of the three-stage circuit 100 changes the output voltage to the upper level voltage (VH) according to the charging of the capacitor according to the switching operation of the pair of first switches (SW1) and the pair of second switches (SW2) described above. It outputs as 1/2 of the sum of the and low level voltage (VL).

상술한 각 스테이지의 동작에 기초하여, 삼단 스테이지 회로(100)는 설정된 승압비에 따라 변압 동작을 수행한다.Based on the operation of each stage described above, the three-stage circuit 100 performs a transforming operation according to a set step-up ratio.

도 4a 내지 도 4e는 각 승압비에 따른 삼단 스테이지 회로의 동작을 설명하기 위한 것이다. 도 4a 내지 도 4e에 도시된 삼단 스테이지 회로(100)에 포함된 각 소자의 소자값은 설정된 승압비로 변압하기 위해 예시적으로 설계된 것에 불과하므로, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.FIGS. 4A to 4E are for explaining the operation of the three-stage circuit according to each step-up ratio. Since the element values of each element included in the three-stage circuit 100 shown in FIGS. 4A to 4E are merely designed to transform voltage at a set step-up ratio, the embodiments of the present invention are not limited thereto.

도 4a를 참조하면, 예를 들어 승압비가 0.375VIN(여기서, VIN 은 입력 전압임)으로 설정된 경우, 제1 스테이지 회로(110a)는 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.5VIN을 출력단에 출력한다. 제2 스테이지 회로(110b)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)으로 입력 받으며, 입력 전압과 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.75VIN을 출력단에 출력한다. 제3 스테이지 회로(110c)는 상위 레벨 전압(VH)을 제2 스테이지 회로(110b)의 출력 전압(Vint2)으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 그라운드로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 최종적으로 0.375VIN을 출력한다.Referring to FIG. 4A, for example, when the step-up ratio is set to 0.375V IN (where V IN is the input voltage), the first stage circuit 110a outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage. Output 0.5V IN to the output terminal. The second stage circuit 110b receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as the output voltage (Vint1) of the first stage circuit (110a), and the input voltage and the first stage Since 1/2 of the output voltage (Vint1) of the circuit 110a is output as the output voltage, 0.75V IN is output to the output terminal. The third stage circuit 110c receives the upper level voltage (VH) as the output voltage (Vint2) of the second stage circuit 110b and the lower level voltage (VL) as the ground, and 1/2 of the input voltage and the ground. Since 2 is output as the output voltage, 0.375V IN is finally output.

도 4b를 참조하면, 예를 들어 승압비가 0.5VIN으로 설정된 경우, 제1 스테이지 회로(110a)는 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.5VIN을 출력단에 출력한다. 제2 스테이지 회로(110b)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 그라운드로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.5VIN을 출력단에 출력한다. 제3 스테이지 회로(110c)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 그라운드로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 최종적으로 0.5VIN을 출력한다.Referring to FIG. 4b, for example, when the step-up ratio is set to 0.5V IN , the first stage circuit 110a outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage, and thus outputs 0.5V IN to the output terminal. The second stage circuit 110b receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as ground, and outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage, so 0.5V IN It is output to the output terminal. The third stage circuit 110c receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as ground, and outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage, so the final voltage is 0.5V. Output IN .

도 4c를 참조하면, 예를 들어 승압비가 0.625VIN으로 설정된 경우, 제1 스테이지 회로(110a)는 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.5VIN을 출력단에 출력한다. 제2 스테이지 회로(110b)는 상위 레벨 전압(VH)을 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 그라운드로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.25VIN을 출력단에 출력한다. 제3 스테이지 회로(110c)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 제2 스테이지 회로(110b)의 출력 전압(Vint2)으로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 최종적으로 0.625VIN을 출력한다.Referring to FIG. 4C, for example, when the step-up ratio is set to 0.625V IN , the first stage circuit 110a outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage and thus outputs 0.5V IN to the output terminal. The second stage circuit 110b receives the upper level voltage (VH) as the output voltage (Vint1) of the first stage circuit 110a and the lower level voltage (VL) as the ground, and 1/2 of the input voltage and the ground. Since 2 is output as the output voltage, 0.25V IN is output to the output terminal. The third stage circuit 110c receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as the output voltage (Vint2) of the second stage circuit (110b), and the input voltage and ground 1 Since /2 is output as the output voltage, 0.625V IN is ultimately output.

도 4d를 참조하면, 예를 들어 승압비가 0.75VIN으로 설정된 경우, 제1 스테이지 회로(110a)는 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.5VIN을 출력단에 출력한다. 제2 스테이지 회로(110b)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 그라운드로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.5VIN을 출력단에 출력한다. 제3 스테이지 회로(110c)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 제2 스테이지 회로(110b)의 출력 전압(Vint2)으로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 최종적으로 0.75VIN을 출력한다.Referring to FIG. 4D, for example, when the step-up ratio is set to 0.75V IN , the first stage circuit 110a outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage, and thus outputs 0.5V IN to the output terminal. The second stage circuit 110b receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as ground, and outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage, so 0.5V IN It is output to the output terminal. The third stage circuit 110c receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as the output voltage (Vint2) of the second stage circuit (110b), and the input voltage and ground 1 Since /2 is output as the output voltage, 0.75V IN is ultimately output.

도 4e를 참조하면, 예를 들어 승압비가 0.875VIN으로 설정된 경우, 제1 스테이지 회로(110a)는 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.5VIN을 출력단에 출력한다. 제2 스테이지 회로(110b)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 제1 스테이지 회로(110a)의 출력 전압(Vint1)으로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 0.75VIN을 출력단에 출력한다. 제3 스테이지 회로(110c)는 상위 레벨 전압(VH)을 VIN으로 입력받고 하위 레벨 전압(VL)을 제2 스테이지 회로(110b)의 출력 전압(Vint2)으로 입력 받으며, 입력 전압과 그라운드의 1/2를 출력 전압으로 출력하므로 최종적으로 0.875VIN을 출력한다.Referring to FIG. 4e, for example, when the step-up ratio is set to 0.875V IN , the first stage circuit 110a outputs 1/2 of the input voltage and ground as the output voltage, and thus outputs 0.5V IN to the output terminal. The second stage circuit 110b receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as the output voltage (Vint1) of the first stage circuit (110a), and the input voltage and ground 1 Since /2 is output as the output voltage, 0.75V IN is output to the output terminal. The third stage circuit 110c receives the upper level voltage (VH) as V IN and the lower level voltage (VL) as the output voltage (Vint2) of the second stage circuit (110b), and the input voltage and ground 1 Since /2 is output as the output voltage, 0.875V IN is finally output.

도 5는 제로 전류 검출기의 구체적 회로도를 도시한 것이다.Figure 5 shows a specific circuit diagram of the zero current detector.

도 5를 참조하면, 제로 전류 검출기(200)는 비교기(210), 디지털 신호 제어부(220) 및 딜레이 조절부(230)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the zero current detector 200 includes a comparator 210, a digital signal control unit 220, and a delay adjuster 230.

비교기(210)는 제3 스테이지 회로(110c)의 인덕터의 일 단의 전압(이하, Vx로도 칭함)을 제1 시점과 제1 시점 이후의 제2 시점 간에 비교하고, 비교 결과를 출력한다. 여기서, 제1 시점은 편의상 과거 시점으로 칭해질 수 있고, 제2 시점은 현재 시점으로도 칭해질 수 있다. 비교기(210)가 Vx를 서로 다른 시점 간에 비교하는 것에 기초하여, 스위치드 커패시터의 오프 시점이 느린지 빠른지를 판단할 수 있다.The comparator 210 compares the voltage (hereinafter, also referred to as Vx) of one end of the inductor of the third stage circuit 110c between a first time point and a second time point after the first time point, and outputs the comparison result. Here, the first point in time may be referred to as the past point in time for convenience, and the second point in time may also be referred to as the present point in time. Based on the comparator 210 comparing Vx between different times, it can be determined whether the off time of the switched capacitor is slow or fast.

구체적으로, 비교기(210)는 Vx를 입력받되, 음의 입력단에서는 Vx를 그대로 입력받고 양의 입력단에서는 스위칭 동작을 통해 입력받는다. 양의 입력단에 연결된 스위치는 스위치드 커패시터 회로의 오프 시점(TON,end)에 맞춰 스위칭 동작을 수행하고, 양의 입력단에 Vx의 제1 시점에 대응되는 전압이 인가되도록 한다. 또한, 음의 입력단에는 Vx의 제2 시점에 대응되는 전압이 인가된다. 제2 시점에 대응되는 전압, 즉 현재 시점의 Vx의 전압은 클록 신호(ZCDCLK)에 의해 샘플링될 수 있다.Specifically, the comparator 210 receives Vx as input, and receives Vx as is at the negative input terminal and receives input through a switching operation at the positive input terminal. The switch connected to the positive input terminal performs a switching operation in accordance with the off point (T ON,end ) of the switched capacitor circuit, and causes the voltage corresponding to the first point of Vx to be applied to the positive input terminal. Additionally, a voltage corresponding to the second point in time of Vx is applied to the negative input terminal. The voltage corresponding to the second time point, that is, the voltage of Vx at the current time point, may be sampled by the clock signal (ZCD CLK ).

비교기(210)는 제1 시점에 대응되는 전압이 제2 시점에 대응되는 전압보다 큰 경우 오프 시점이 빠른 것으로 판단하고, 제1 시점에 대응되는 전압이 제2 시점에 대응되는 전압보다 작은 경우 상기 오프 시점이 느린 것으로 판단한다. 비교기(210)는 판단에 따른 판단 결과를 디지털 신호 제어부(220)로 전달한다.The comparator 210 determines that the off time is early when the voltage corresponding to the first time point is greater than the voltage corresponding to the second time point, and when the voltage corresponding to the first time point is smaller than the voltage corresponding to the second time point, the comparator 210 determines that the off time is early. The off point is judged to be slow. The comparator 210 transmits the judgment result according to the judgment to the digital signal control unit 220.

디지털 신호 제어부(220)는 비교 결과에 기초하여 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 제어한다. 예를 들어, 디지털 신호 제어부(220)는 양방향 쉬프트 레지스터(bi-directional shift register)로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The digital signal control unit 220 controls a digital signal to control the off point based on the comparison result. For example, the digital signal control unit 220 may be implemented as a bi-directional shift register, but is not limited thereto.

디지털 신호 제어부(220)는 오프 시점의 딜레이를 제어하기 위한 디지털 신호를 생성하는데, 예를 들어 오프 시점이 빠른 것으로 판단되면 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 1-비트 업시키고, 오프 시점이 느린 것으로 판단되면 디지털 신호를 1-비트 다운시킬 수 있다.The digital signal control unit 220 generates a digital signal for controlling the delay at the off point. For example, if the off point is determined to be fast, it increases the digital signal for controlling the off point by 1 bit, and when the off point is determined to be fast, the digital signal for controlling the off point is slow. If it is determined that this is the case, the digital signal can be downgraded by 1 bit.

딜레이 조절부(230)는 디지털 신호에 기초하여 오프 시점의 딜레이를 조절한다. 구체적으로, 딜레이 조절부(230)는 우선 비교기(300)로부터 식별된 온 시점(TON,start)을 SR 래치의 셋(S) 신호로 입력하고, 출력 결과에 기초하여 적어도 하나의 스위치의 온 시점으로부터 시간 축 상에서 정의되는 선행 딜레이(Predefined DL(delay))를 설정한다. The delay control unit 230 adjusts the delay at the off point based on the digital signal. Specifically, the delay control unit 230 first inputs the ON point (T ON,start ) identified from the comparator 300 as the set (S) signal of the SR latch, and turns on at least one switch based on the output result. Set the preceding delay (Predefined DL(delay)) defined on the time axis from the starting point.

도 6은 딜레이 조절부에 의해 조절되는 딜레이를 설명하기 위한 것이다.Figure 6 is for explaining the delay controlled by the delay control unit.

도 6과 같이, 딜레이 조절부(230)는 상술한 L3의 인덕터 전류인 IL3가 0에서 증가하는 시점, 즉 온 시점으로부터 정의되는 선행 딜레이를 설정한다. 이후, 딜레이 조절부(230)는 선행 딜레이가 종료된 시점부터 오프 시점까지로 정의되는 조정 가능 딜레이(Adaptive DL)를 디지털 신호에 기초하여 조절한다.As shown in FIG. 6, the delay control unit 230 sets a preceding delay defined from the time when I L3 , which is the inductor current of L3 described above, increases from 0, that is, the time when it is turned on. Thereafter, the delay control unit 230 adjusts the adjustable delay (Adaptive DL), which is defined as the time from the end of the preceding delay to the off time, based on the digital signal.

상술한 제로 전류 검출기(200)의 동작들에 기초하여, 제3 스테이지 회로(110c)의 인덕터의 전류(IL3)가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어될 수 있다.Based on the operations of the zero current detector 200 described above, the current I L3 of the inductor of the third stage circuit 110c may be controlled to correspond to the point at which the current becomes zero.

도 7a 및 도 7b는 제로 전류 검출기의 구체적인 동작을 설명하기 위한 것이다.Figures 7a and 7b are for explaining the specific operation of the zero current detector.

도 7a를 참조하면, 제로 전류 검출기(200)는 상술한 바와 같이 온 시점으로부터 선행 딜레이를 설정하고, 이후 오프 시점이 IL3가 제로 전류가 되는 시점과 일치하지 않는지 여부를 판단한다. 예를 들어, 도 7a와 같이 오프 시점(TON,end)의 Vx 전압이 ZCDCLK의 Vx 전압보다 큰 경우, 제로 전류 검출기(200)는 오프 시점이 빠른 것(짧은 것)으로 판단하여 디지털 신호를 1-비트 업시켜 딜레이를 증가시킨다. 이는 오프 시점이 빠른 경우 IL3가 양인 상태에서 스위칭이 끝나고 인덕터의 성질에 의해 Vx의 전압이 하락하게 되기 때문이다.Referring to FIG. 7A, the zero current detector 200 sets an advance delay from the on time as described above, and then determines whether the off time does not coincide with the time when I L3 becomes zero current. For example, as shown in Figure 7a, when the Vx voltage at the off point (T ON,end ) is greater than the Vx voltage of ZCD CLK , the zero current detector 200 determines that the off point is early (short) and generates a digital signal. Increase the delay by 1-bit up. This is because when the off time is fast, switching ends when I L3 is positive and the voltage of Vx drops due to the properties of the inductor.

예를 들어, 도 7b와 같이 오프 시점(TON,end)의 Vx 전압이 ZCDCLK의 Vx 전압보다 작은 경우, 제로 전류 검출기(200)는 오프 시점이 느린 것(긴 것)으로 판단하여 디지털 신호를 1-비트 업시켜 딜레이를 감소시킨다. 이는 오프 시점이 느린 경우 IL3가 음인 상태에서 스위칭이 끝나고 인덕터의 성질에 의해 Vx의 전압이 상승하기 때문이다.For example, as shown in Figure 7b, when the Vx voltage at the off point (T ON,end ) is smaller than the Vx voltage of ZCD CLK , the zero current detector 200 determines that the off point is slow (long) and generates a digital signal. Reduce the delay by increasing 1-bit. This is because when the off point is slow, switching ends when I L3 is negative and the voltage of Vx rises due to the properties of the inductor.

도 8은 본 발명의 DC-DC 컨버터의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.Figure 8 shows simulation results of the DC-DC converter of the present invention.

도 8을 참조하면, 상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터(10)에 따라 제3 스테이지 회로(110c)의 Vx가 시간이 흐름에 따라 제로 전류 검출기(200)에 의해 조절되므로 스위칭 펄스의 온 구간에서 전압 하강 수준이 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 스위칭 펄스의 너비가 점차 증가함에 따라 최적의 스위칭 펄스 너비가 조절되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, as described above, according to the DC-DC converter 10 according to various embodiments of the present invention, Vx of the third stage circuit 110c increases with time in the zero current detector 200. Since it is controlled by , it can be seen that the voltage drop level gradually decreases in the on section of the switching pulse. Additionally, it can be seen that the optimal switching pulse width is adjusted as the width of the switching pulse gradually increases.

상술한 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 수동 소자인 인덕터와 커패시터를 칩에 집적하여 공진을 이용하여 컨버터 동작을 수행할 수 있으므로 기존의 스위치드 커패시터 DC-DC 컨버터(10)에 비교하여 높은 효율과 출력 전력 밀도를 가질 수 있다. 또한, 기존의 스위치드 커패시터 DC-DC 컨버터(10)에 비교하여 보다 많은 수의 승압비로 동작이 가능하므로 더 넓은 범위에서 효율적으로 동작할 수 있다. 또한, 인덕터에 제로 전류가 흐를 때 이를 감지하고 제로 전류의 시점에 맞추어 오프 시점이 조절될 수 있도록 하여 전달 손실을 줄일 수 있다.According to the various embodiments of the present invention described above, converter operation can be performed using resonance by integrating passive elements, such as inductors and capacitors, into a chip, resulting in higher efficiency compared to the existing switched capacitor DC-DC converter 10. It can have over output power density. In addition, compared to the existing switched capacitor DC-DC converter 10, it can operate with a larger number of step-up ratios, so it can operate efficiently over a wider range. Additionally, transmission loss can be reduced by detecting when zero current flows in the inductor and adjusting the off point to the point of zero current.

이하에서는, 상술한 DC-DC 컨버터(10)의 동작 방법에 대하여 설명한다. 상술한 설명과 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.Below, the operating method of the above-described DC-DC converter 10 will be described. Detailed description of parts that overlap with the above description will be omitted.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작 방법의 흐름도이다.Figure 9 is a flowchart of a method of operating a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, S110에서, DC-DC 컨버터(10)는 입력 전압을 설정된 승압비에 대응되는 출력 전압으로 출력한다.Referring to FIG. 9, in S110, the DC-DC converter 10 outputs the input voltage as an output voltage corresponding to the set step-up ratio.

S120에서, DC-DC 컨버터(10)는 삼단 스테이지 회로(100)에 포함된 적어도 하나의 스위치의 오프 시점을 제3 스테이지 회로(110c)의 인덕터의 전류가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어한다. In S120, the DC-DC converter 10 controls the off time of at least one switch included in the three stage circuit 100 to correspond to the time when the current of the inductor of the third stage circuit 110c becomes zero current. .

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제로 전류 검출기의 동작 방법의 흐름도이다.Figure 10 is a flowchart of a method of operating a zero current detector according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, S210에서, 제로 전류 검출기(200)는 제3 스테이지 회로(110c)의 인덕터의 일 단의 전압을 제1 시점과 제2 시점 간에 비교하고, 비교 결과를 출력한다.Referring to FIG. 10, in S210, the zero current detector 200 compares the voltage of one end of the inductor of the third stage circuit 110c between the first time point and the second time point and outputs the comparison result.

S220에서, 제로 전류 검출기(200)는 비교 결과에 기초하여 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 제어한다.In S220, the zero current detector 200 controls a digital signal to control the off point based on the comparison result.

S230에서, 제로 전류 검출기(200)는 디지털 신호에 기초하여 오프 시점의 딜레이를 조절한다.In S230, the zero current detector 200 adjusts the delay at the off point based on the digital signal.

상술한 설명에서 제안 방식에 대한 일례들 또한 본 발명의 구현 방법들 중 하나로 포함될 수 있으므로, 일종의 제안 방식들로 간주될 수 있음은 명백한 사실이다. 또한, 상기 설명한 제안 방식들은 독립적으로 구현될 수도 있지만, 일부 제안 방식들의 조합 (혹은 병합) 형태로 구현될 수도 있다.It is clear that examples of the proposed method in the above description can also be included as one of the implementation methods of the present invention, and thus can be regarded as a type of proposed method. Additionally, the proposed methods described above may be implemented independently, but may also be implemented in the form of a combination (or merge) of some of the proposed methods.

Claims (10)

입력 전압을 설정된 승압비에 대응되는 출력 전압으로 출력하는 삼단 스테이지 회로,
여기서 상기 삼단 스테이지 회로는 순차적으로 연결되되 각각이 스위치드 커패시터 회로 및 일 단이 상기 스위치드 커패시터 회로와 연결되고 타 단이 출력 노드와 연결된 인덕터를 포함하는 제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로를 포함하고; 및
상기 스위치드 커패시터 회로에 포함된 적어도 하나의 스위치의 오프 시점을 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 전류가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어하는 제로 전류 검출기를 포함하는,
DC-DC 컨버터.
A three-stage circuit that outputs the input voltage as an output voltage corresponding to the set step-up ratio,
Here, the three-stage circuit is sequentially connected and includes a first to third stage circuit each including a switched capacitor circuit and an inductor whose one end is connected to the switched capacitor circuit and the other end is connected to an output node; and
Comprising a zero current detector that controls the off point of at least one switch included in the switched capacitor circuit to correspond to the point in time when the current of the inductor of the third stage circuit becomes zero current,
DC-DC converter.
제1항에 있어서,
상기 스위치드 커패시터 회로는 스위칭 동작에 따라 상기 스위치드 커패시터 회로에 인가되는 상위 레벨 전압 및 하위 레벨 전압의 절반에 대응되는 전압을 상기 제1 스테이지 회로 내지 상기 제3 스테이지 회로 각각의 출력 전압으로 출력하는,
DC-DC 컨버터.
According to paragraph 1,
The switched capacitor circuit outputs a voltage corresponding to half of the upper level voltage and the lower level voltage applied to the switched capacitor circuit according to the switching operation as the output voltage of each of the first to third stage circuits,
DC-DC converter.
제2항에 있어서,
상기 제1 스테이지 회로에 인가되는 상기 상위 레벨 전압은 상기 입력 전압이고, 상기 하위 레벨 전압은 그라운드이고,
상기 제2 스테이지 회로에 인가되는 상기 상위 레벨 전압은 상기 입력 전압 또는 상기 제1 스테이지 회로의 출력 전압이고, 상기 하위 레벨 전압은 그라운드 또는 상기 제1 스테이지 회로의 출력 전압이고,
상기 제3 스테이지 회로에 인가되는 상기 상위 레벨 전압은 상기 입력 전압 또는 상기 제2 스테이지 회로의 출력 전압이고, 상기 하위 레벨 전압은 그라운드 또는 상기 제2 스테이지 회로의 출력 전압인,
DC-DC 컨버터.
According to paragraph 2,
The upper level voltage applied to the first stage circuit is the input voltage, and the lower level voltage is ground,
The higher level voltage applied to the second stage circuit is the input voltage or the output voltage of the first stage circuit, and the lower level voltage is the ground or the output voltage of the first stage circuit,
The upper level voltage applied to the third stage circuit is the input voltage or the output voltage of the second stage circuit, and the lower level voltage is the ground or the output voltage of the second stage circuit,
DC-DC converter.
제1항에 있어서,
상기 제로 전류 검출기는 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 일 단의 전압을 제1 시점과 상기 제1 시점 이후의 제2 시점 간에 비교하고, 비교 결과를 출력하는 비교기;
상기 비교 결과에 기초하여 상기 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 제어하는 디지털 신호 제어부; 및
상기 디지털 신호에 기초하여 상기 오프 시점의 딜레이를 조절하는 딜레이 조절부를 포함하는,
DC-DC 컨버터.
According to paragraph 1,
The zero current detector includes a comparator that compares the voltage of one end of the inductor of the third stage circuit between a first time point and a second time point after the first time point and outputs a comparison result;
a digital signal control unit that controls a digital signal to control the off point based on the comparison result; and
Comprising a delay control unit that adjusts the delay at the off point based on the digital signal,
DC-DC converter.
제4항에 있어서,
상기 비교기는 상기 제1 시점에 대응되는 전압이 상기 제2 시점에 대응되는 전압보다 큰 경우 상기 오프 시점이 빠른 것으로 판단하고, 상기 제1 시점에 대응되는 전압이 상기 제2 시점에 대응되는 전압보다 작은 경우 상기 오프 시점이 느린 것으로 판단하는,
DC-DC 컨버터.
According to paragraph 4,
The comparator determines that the off time is earlier when the voltage corresponding to the first time point is greater than the voltage corresponding to the second time point, and the voltage corresponding to the first time point is greater than the voltage corresponding to the second time point. If the off point is small, it is judged to be slow,
DC-DC converter.
제5항에 있어서,
상기 디지털 신호 제어부는 상기 오프 시점이 빠른 것으로 판단되면 상기 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 1-비트 업시키고, 상기 오프 시점이 느린 것으로 판단되면 상기 디지털 신호를 1-비트 다운시키는,
DC-DC 컨버터.
According to clause 5,
The digital signal control unit increases the digital signal for controlling the off point by 1 bit when it is determined that the off point is fast, and downs the digital signal by 1 bit when it is determined that the off point is slow.
DC-DC converter.
제4항에 있어서,
상기 딜레이 조절부는 상기 적어도 하나의 스위치의 온 시점으로부터 시간 축 상에서 정의되는 선행 딜레이를 설정하고, 상기 디지털 신호에 기초하여 상기 선행 딜레이로부터 상기 오프 시점까지로 정의되는 조정 가능 딜레이를 조절하는,
DC-DC 컨버터.
According to paragraph 4,
The delay adjuster sets a leading delay defined on the time axis from the on point of the at least one switch, and adjusts an adjustable delay defined from the leading delay to the off point based on the digital signal,
DC-DC converter.
제4항에 있어서,
상기 제로 전류 검출기에 연결되고, 상기 디지털 신호에 기초하여 생성된 스위칭 펄스 신호 및 상기 승압비에 기초하여 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 더 포함하는,
DC-DC 컨버터.
According to paragraph 4,
Further comprising a switch control unit connected to the zero current detector and controlling the at least one switch based on the switching pulse signal generated based on the digital signal and the step-up ratio,
DC-DC converter.
제1 스테이지 회로 내지 제3 스테이지 회로를 포함하는 삼단 스테이지 회로 및 제로 전류 검출기를 포함하는 DC-DC 컨버터에 의해 수행되는 동작 방법으로서,
입력 전압을 설정된 승압비에 대응되는 출력 전압으로 출력하는 단계; 및
상기 삼단 스테이지 회로에 포함된 적어도 하나의 스위치의 오프 시점을 상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 전류가 제로 전류가 되는 시점에 대응되도록 제어하는 단계를 포함하는,
DC-DC 컨버터의 동작 방법.
An operating method performed by a DC-DC converter including a three-stage circuit including a first stage circuit to a third stage circuit and a zero current detector, comprising:
Outputting the input voltage as an output voltage corresponding to the set step-up ratio; and
Comprising the step of controlling the off point of at least one switch included in the three stage circuit to correspond to the point in time when the current of the inductor of the third stage circuit becomes zero current,
How a DC-DC converter works.
제9항에 있어서,
상기 제3 스테이지 회로의 인덕터의 일 단의 전압을 제1 시점과 상기 제1 시점 이후의 제2 시점 간에 비교하고, 비교 결과를 출력하는 단계;
상기 비교 결과에 기초하여 상기 오프 시점을 제어하기 위한 디지털 신호를 제어하는 단계; 및
상기 디지털 신호에 기초하여 상기 오프 시점의 딜레이를 조절하는 단계를 더 포함하는,
DC-DC 컨버터의 동작 방법.
According to clause 9,
Comparing the voltage of one end of the inductor of the third stage circuit between a first time point and a second time point after the first time point, and outputting a comparison result;
controlling a digital signal for controlling the off point based on the comparison result; and
Further comprising adjusting the delay at the off point based on the digital signal,
How a DC-DC converter works.
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