KR102606238B1 - 연속적인 출력 전달 전류를 생성하는 스위칭 레귤레이터 및 이것의 동작 방법 - Google Patents

연속적인 출력 전달 전류를 생성하는 스위칭 레귤레이터 및 이것의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 스위칭 레귤레이터는, 본 개시의 예시적 실시예에 따라, 인덕터, 인덕터를 통과하는 전류에 따라 출력 전압을 생성하는 출력 캐패시터, 플라잉 캐패시터, 및 벅-부스트(buck-boost) 모드 또는 부스트(boost) 모드시, 제1 위상에서 플라잉 캐패시터를 입력 전압으로 충전하고, 제2 위상에서 전하 펌핑에 의해 입력 전압으로부터 부스팅된 전압을 플라잉 캐패시터로부터 인덕터에 제공하는 복수의 스위치들을 포함할 수 있다.

Description

연속적인 출력 전달 전류를 생성하는 스위칭 레귤레이터 및 이것의 동작 방법{SWITCHING REGULATOR GENERATING CONTINUOUS OUTPUT DELIBERY CURRENT AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 개시의 기술적 사상은 공급 전압 생성에 관한 것으로서, 자세하게는 연속적인 출력 전달 전류를 생성하는 스위칭 레귤레이터 및 이것의 동작 방법에 관한 것이다.
공급 전압(supply voltage)은 전자 부품들에 전력을 제공하기 위해 생성될 수 있고, 전자 부품에 의한 전력 소모를 감소시키기 위하여, 전자 부품에 제공되는 공급 전압의 레벨이 변경될 수 있다. 예를 들면, 디지털 신호를 처리하는 디지털 회로의 경우, 상대적으로 낮은 성능이 요구될 때 낮은 레벨의 공급 전압이 제공될 수 있는 한편, 상대적으로 높은 성능이 요구될 때 높은 레벨의 공급 전압이 제공될 수 있다. 이에 따라, 다양한 레벨의 공급 전압을 생성할 수 있는 스위칭 레귤레이터가 사용될 수 있고, 스위칭 레귤레이터는, 신속하게 변경가능하고 감소된 노이즈를 가지는 공급 전압을 생성할 것이 요구될 수 있다.
본 개시의 기술적 사상은, 감소된 노이즈를 가지는 공급 전압을 생성하고 개선된 동작 신뢰도 및 효율성을 제공하는 스위칭 레귤레이터 및 이것의 동작 방법을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따라 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 스위칭 레귤레이터는, 인덕터, 인덕터를 통과하는 전류에 따라 출력 전압을 생성하는 출력 캐패시터, 플라잉 캐패시터, 및 벅-부스트(buck-boost) 모드 또는 부스트(boost) 모드시, 제1 위상에서 플라잉 캐패시터를 입력 전압으로 충전하고, 제2 위상에서 전하 펌핑에 의해 입력 전압으로부터 부스팅된 전압을 플라잉 캐패시터로부터 인덕터에 제공하는 복수의 스위치들을 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따라 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 스위칭 레귤레이터는, 인덕터, 인덕터를 통과하는 전류에 따라 출력 전압을 생성하는 출력 캐패시터, 플라잉 캐패시터, 및 벅-부스트(buck-boost) 모드 또는 부스트(boost) 모드시, 제1 위상에서 인덕터에 입력 전압 또는 접지 전압을 제공하고, 제2 위상에서 전하 펌핑에 의해 입력 전압으로부터 부스팅된 전압을 플라잉 캐패시터로부터 인덕터에 제공하는 복수의 스위치들을 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따라 입력 노드 및 출력 노드를 가지는 스위칭 레귤레이터는, 입력 노드 및 접지 노드 사이에서 순차적으로 직렬 연결된 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치, 입력 노드에 연결된 일단 및 제3 및 제4 스위치에 연결된 일단을 가지는 제5 스위치, 제2 및 제3 스위치에 연결된 일단 및 출력 노드에 연결된 일단을 가지는 인덕터, 출력 노드에 연결된 일단 및 접지 노드에 연결된 일단을 가지는 출력 캐패시터, 제1 및 제2 스위치에 연결된 일단 및 제3, 제4 및 제5 스위치에 연결된 일단을 가지는 플라잉 캐패시터, 및 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 스위치를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따라 복수의 위상들을 포함하는 주기에 따라 반복되는 스위칭 레귤레이터의 동작 방법은, 제1 위상에서, 플라잉 캐패시터를 입력 전압으로 충전하는 단계, 제1 위상에 후속하는 제2 위상에서, 전파 펌핑에 의해서 플라잉 캐패시터의 일단의 전압을 부스팅하는 단계, 및 제2 위상에서, 부스팅된 전압을 인덕터에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터 및 그것의 동작 방법에 의하면, 연속적인 출력 전달 전류에 기인하여, 신속하게 변경가능하고 감소된 노이즈를 가지는 공급 전압이 생성될 수 있다.
또한, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터 및 그것의 동작 방법에 의하면, 스위칭 레귤레이터에 포함된 소자들에 인가되는 전압이 입력 전압의 범위로 제한됨으로써 감소된 비용 및 개선된 동작 신뢰도가 달성될 수 있다.
또한, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터 및 그것의 동작 방법에 의하면, 감소된 피크 전류에 기인하여, 저용량 및/또는 감소된 크기를 가지는 소자들이 사용될 수 있다.
또한, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터 및 그것의 동작 방법에 의하면, 저용량 및/또는 감소된 크기의 소자들에 기인하여, 다른 회로와 함께 용이하게 집적가능하고 소형화된 스위칭 레귤레이터가 제공될 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 이하의 기재로부터 본 개시의 예시적 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적 실시예들을 실시함에 따른 의도하지 아니한 효과들 역시 본 개시의 예시적 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터를 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 비교예들에 따른 스위칭 레귤레이터들을 나타내는 도면들이다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터를 나타내는 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터를 나타내는 회로도들이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예들에 따라 도 4a 및 도 4b의 스위칭 레귤레이터의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도들이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터를 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 도 6의 스위칭 레귤레이터의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터를 나타내는 회로도들이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 도 8a 및 도 8b의 스위칭 레귤레이터의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도들이다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅 모드에서 스위칭 레귤레이터를 나타내는 회로도들이다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 도 10a 및 도 10b의 스위칭 레귤레이터의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도이다.
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터를 나타내는 블록도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 개시의 예시적 실시예들에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도들이다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 16a 및 도 16b는 본 개시의 예시적 실시예들에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 17은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 18은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 19는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 시스템을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 무선 통신 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터(10)를 나타내는 블록도이다. 스위칭 레귤레이터(10)는 입력 노드(13)를 통해서 입력 전압(VIN)을 수신할 수 있고, 출력 노드(14)를 통해서 출력 전압(VOUT)을 출력할 수 있다. 출력 전압(VOUT)은 다른 전자 부품들(또는 부하)의 공급 전압(supply voltage)으로서 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(10)는 스위치 회로(11), 컨트롤러(12), 플라잉 캐패시터(CF), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위칭 레귤레이터(10)에 포함된 구성요소들은 하나의 반도체 패키지에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위칭 레귤레이터(10)는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)을 포함할 수 있고, 스위칭 레귤레이터(10)의 구성요소들 중 적어도 2개는 분리된 반도체 패키지들로서 인쇄회로기판(PCB)에 실장될 수 있다.
스위칭 레귤레이터(10)는 소자의 온/오프를 전환(switch)함으로써 출력 전압(VOUT)을 생성하는 임의의 전자 회로를 지칭할 수 있다. 예를 들면, 스위칭 레귤레이터(10)의 스위치 회로(11)는 컨트롤러(12)로부터 제공되는 스위치 제어 신호(C_SW)에 기초하여 스위치 회로(11)에 포함된 적어도 하나의 스위치를 온/오프할 수 있고, 이에 따라 인덕터(L)를 통과하는 인덕터 전류(IL)의 경로를 조정할 수 있다. 본 명세서에서, 스위치의 온(on)은 스위치의 양단이 전기적으로 접속된(connected) 상태를 지칭할 수 있고, 스위치의 오프(off)는 스위치의 양단이 전기적으로 단선된(disconnected) 상태를 지칭할 수 있다. 또한, 온 상태의 스위치 및/또는 도선을 경유하여 전기적으로 접속된 2이상의 구성요소들은 단순하게 접속된(connected) 것으로 지칭될 수 있고, 도선 등을 통해서 전기적으로 항시 접속된 2이상의 구성요소들은 결합된(coupled) 것으로 지칭될 수 있다.
도 3 등을 참조하여 후술되는 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(10)의 예시로서, DC-DC 컨버터는 DC 전압인 입력 전압(VIN)으로부터 DC 전압인 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있다. 예를 들면, 벅(buck) 컨버터는 입력 전압(VIN)의 레벨보다 낮은 레벨의 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있고, 강압(step-down) 컨버터로서 지칭될 수도 있다. 부스트(boost) 컨버터는 입력 전압(VIN)의 레벨보다 높은 레벨의 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있고, 승압(step-up) 컨버터로서 지칭될 수도 있다. 벅-부스트(buck-boost)(또는 승강압) 컨버터는 입력 전압(VIN)의 레벨보다 낮거나 높은 레벨의 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있다. 이하에서, 본 명세서에서 스위칭 레귤레이터(10)는 벅-부스트 DC-DC 컨버터를 주로 참조하여 설명될 것이나, 본 개시의 예시적 실시예들이 입력 전압(VIN)이 AC 전압인 AC-DC 컨버터 등과 같이 다른 종류의 스위칭 레귤레이터(10)에도 적용될 수 있는 점은 이해될 것이다.
스위치 회로(11)는 컨트롤러(12)로부터 스위치 제어 신호(C_SW)를 수신할 수 있고, 스위치 제어 신호(C_SW)에 따라 온/오프되는 적어도 하나의 스위치를 포함할 수 있다. 스위치 회로(11)는 스위치 제어 신호(C_SW)에 기초하여 인덕터(L)에 제공되는 전압을 조절함으로써 인덕터(L)를 통과하는 인덕터 전류(IL)를 조정할 수 있다. 예를 들면, 스위치 회로(11)는 출력 캐패시터(CO)를 충전하기 위하여 스위치 제어 신호(C_SW)에 응답하여 인덕터 전류(IL)를 유발시킬 수 있는 한편, 출력 캐패시터(CO)의 과충전을 방지하기 위하여 스위치 제어 신호(C_SW)에 응답하여 인덕터 전류(IL)를 조절할 수도 있다. 스위치 회로(11)는 스위칭 레귤레이터(10)의 출력 전압(VOUT)을 수신하는 부하(load)(예컨대, 도 3의 LD)가 있는 경우, 인덕터 전류(IL)의 적어도 일부가 부하에 제공될 수 있다. 스위치 회로(11)의 예시는 도 3을 참조하여 후술될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)는 직렬 연결될 수 있고, 이에 따라 컨트롤러(12)로 흐르는 전류를 무시하는 경우, 인덕터 전류(IL) 및 출력 전달 전류(ID)는 실질적으로 일치할 수 있다. 인덕터 전류(IL)는 스위치 회로(11)에 의해서 인덕터(L)에 인가되는 전압(즉, 도 1의 VL)에 의존할 수 있다. 본 명세서에서, 스위치 회로(11) 및 인덕터(L)가 연결된 노드의 전압은 인덕터 전압(VL)으로서 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 캐패시터(CO)의 캐패시턴스는 스위칭 레귤레이터(10)의 출력단(14)에 연결되는 부하에 제공되는 전류(또는 부하가 소비하는 전류)에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 인덕터(L)의 인덕턴스는 출력 캐패시터(CO)의 캐패시턴스 및/또는 스위칭 주파수에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라잉 캐패시터(CF)의 캐패시턴스는 부하에 제공되는 전류, 스위칭 주파수, 입력 전압(VIN) 및/또는 출력 전압(VOUT)에 기초하여 결정될 수 있다.
컨트롤러(12)는 기준 전압(VREF) 및 출력 전압(VOUT)에 기초하여 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(12)는 2이상의 저항들에 의해서 출력 전압(VOUT)을 분할함으로써 피드백 전압을 생성할 수 있고, 피드백 전압 및 기준 전압(VREF)을 비교함으로써 피드백 전압이 기준 전압(VREF)과 일치하도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 이에 따라, 출력 전압(VOUT)의 레벨은 기준 전압(VREF)의 레벨에 의해서 결정될 수 있고, 기준 전압(VREF)의 레벨을 변경함으로써 출력 전압(VOUT)의 레벨이 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨트롤러(12)는 전술된 동작들을 수행하기 위하여, 출력 노드의 전류, 즉 인덕터 전류(IL) 또는 출력 전달 전류(ID)를 감지할 수 있고, 감지된 전류의 크기에 기초하여 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수도 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 컨트롤러(12)는 출력 전압(VOUT) 및 출력 노드의 전류 모두에 기초하여 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 컨트롤러(12)는 적어도 하나의 비교기, 적어도 하나의 논리 게이트를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 스위칭 레귤레이터(10)는 출력 전압(VOUT)의 목표 레벨에 따라 벅 모드, 벅-부스트 모드 또는 부스트 모드로 설정될 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(12)는 입력 전압(VIN) 및 기준 전압(VREF)에 기초하여 스위칭 레귤레이터(10)의 모드를 설정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨트롤러(12)는, 출력 전압(VOUT)의 레벨이 입력 전압(VIN)의 약 90% 미만인 경우 스위칭 레귤레이터(10)를 벅 모드로 설정할 수 있고, 출력 전압(VOUT)의 레벨이 입력 전압(VIN)의 약 110% 초과인 경우 스위칭 레귤레이터(10)를 부스트 모드로 설정할 수 있으며, 출력 전압(VOUT)의 레벨이 입력 전압(VIN)의 약 90% 이상 약 110% 이하인 경우 스위칭 레귤레이터(10)를 벅-부스트 모드로 설정할 수 있다. 스위칭 레귤레이터(10)가 벅 모드, 벅-부스트 모드 및 부스트 모드를 모두 지원함으로써, 출력 전압(VOUT)의 레벨은 넓은 범위에서 변동할 수 있다.
컨트롤러(12)는 스위치 회로(11)에 연결된 플라잉 캐패시터(CF) 및 스위치 회로(11)가 전하 펌프(charge pump)로 기능하도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있고, 스위칭 주기(cycle)에 포함된 일부 위상(phase)에서 전하 펌프에 의해서 부스팅된(boosted) 인덕터 전압(VL)이 인덕터(L)에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부스팅된 전압은 근사적으로 입력 전압(VIN)의 2배에 대응하는 전압일 수 있다. 이에 따라, 도 5 등을 참조하여 후술되는 바와 같이, 출력 캐패시터(CO) 및 부하에 제공되는 출력 전달 전류(ID)가 연속적으로 변동할 수 있다. 후술되는 바와 같이, 도 2a 및 도 2b의 벅-부스트 컨버터에서 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)에 제공되는 출력 전달 전류(ID)는 스위칭 주기마다 급격하게 변경될 수 있고, 이에 따라 스위칭 레귤레이터(10)는 양호하지 아니한 특성을 가질 수 있으며, 이를 해소하기 위해 비용 및 복잡도가 증가할 수 있다. 그러나, 스위칭 레귤레이터(10)에서 연속적으로 변동하는 출력 전달 전류(ID)는 신속하게 변경가능하고 감소된 노이즈를 가지는 출력 전압(VOUT)을 가능하게 할 수 있다. 또한, 불연속적인 출력 전달 전류의 피크 전류보다 낮은, 출력 전달 전류(ID)의 피크 전류에 기인하여, 소자들, 예컨대 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)는 작은 용량 및/또는 감소된 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 컨트롤러(12)는 소형화될 수 있고, 다른 회로와 함께 용이하게 집적될 수 있다.
스위칭 레귤레이터(10)가 생성하는 출력 전압(VOUT)은 전자 부품들에 전력을 제공하는 공급 전압으로서 기능할 수 있고, 그러한 전자 부품들은 스위칭 레귤레이터(10)의 부하로서 지칭될 수 있다. 예를 들면, 출력 전압(VOUT)은 디지털 신호를 처리하는 디지털 회로, 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 회로 및/또는 RF 신호를 처리하는 RF 회로 등에 제공될 수 있다. 부하의 오동작을 방지하기 위하여 출력 전압(VOUT)은 감소된 노이즈를 가질 것이 요구될 수 있고, 특히 스위칭 레귤레이터(10)의 스위칭 동작에 기인하는 리플(ripple)을 감소시키는 것이 요구될 수 있다. 또한, 부하의 전력 소모를 감소시키기 위하여 출력 전압(VOUT)의 레벨이 동적으로 변경될 수 있고, 예컨대 스위칭 레귤레이터(10)는 부하에서 낮은 성능 또는 전력 소모가 요구될 때 낮은 레벨의 출력 전압(VOUT)을 제공할 수 있는 한편, 부하에서 높은 성능 또는 전력 소모가 요구될 때 높은 레벨의 출력 전압(VOUT)을 제공할 수 있다. 이에 따라, 출력 전압(VOUT)의 리플을 감소시키기 위하여 출력 캐패시터(CO)의 증가된 캐패시턴스가 요구될 수 있는 한편, 출력 전압(VOUT)의 레벨을 신속하게 변경하기 위하여 감소된 캐패시턴스가 요구될 수 있다. 전술된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(10)는 연속적인 출력 전달 전류(ID)에 기인하여, 감소된 리플을 가지는 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있다. 이에 따라, 출력 캐패시터(CO)의 캐패시턴스는 감소할 수 있고, 결과적으로 출력 전압(VOUT)의 레벨이 신속하게 변경될 수 있을 뿐만 아니라 스위칭 레귤레이터(10)가 소형화될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 비교예들에 따른 스위칭 레귤레이터들을 나타내는 도면들이다. 구체적으로, 도 2a는 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터(20a)의 회로도 및 그것의 동작을 나타내는 타이밍도들이고, 도 2b는 부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터(20b)의 회로도 및 그것의 동작을 나타내는 타이밍도들이다. 본 명세서에 포함된 도면들에서, 스위칭 주기에 포함되는 위상들의 기간(duration)들은 실질적으로 동일하게 도시되나, 이는 도해의 편의를 위한 것으로서, 위상들의 기간들이 상이할 수도 있는 점이 유의된다. 이하에서, 도 2a 및 도 2b에 대한 설명 중 중복되는 내용은 생략될 것이다.
도 2a를 참조하면, 스위칭 레귤레이터(20a)는 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(SW21, SW22, SW23, SW24), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있고, 부하(LD)가 스위칭 레귤레이터(20a)에 연결될 수 있다. 스위칭 레귤레이터(20a)는 벅 모드, 벅-부스트 모드 및 부스트 모드를 지원할 수 있고, 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(SW21, SW22, SW23, SW24) 각각이 모드에 따라 온되거나 오프될 수 있다. 예를 들면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 벅-부스트 모드에서 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(SW21, SW22, SW23, SW24) 각각은 스위칭 주기에 포함된 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2) 에 따라 온되거나 오프될 수 있다.
제1 위상(P1)에서, 도 2a의 회로도에서 제1 경로(PA1a)로 표시된 바와 같이, 제2 및 제3 스위치(SW22, SW23)가 온될 수 있고, 제1 및 제4 스위치(SW21, SW24)가 오프될 수 있다. 이에 따라, 인덕터 전류(IL)는 접지 노드로부터 제2 스위치(SW22), 인덕터(L) 및 제3 스위치(SW23)를 통과하여 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 도 2a의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 제1 위상(P1)에서 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 하강할 수 있고, 출력 전달 전류(ID) 역시 하강할 수 있다.
제2 위상에서, 도 2a의 회로도에서 제2 경로(PA2a)로 표시된 바와 같이, 제1 및 제4 스위치(SW21, SW24)가 온될 수 있고, 제2 및 제3 스위치(SW22, SW23)가 오프될 수 있다. 이에 따라, 인덕터 전류(IL)는 입력 노드로부터 제1 스위치(SW21), 인덕터(L) 및 제4 스위치(SW24)를 통과하여 접지 노드로 흐를 수 있다. 도 2a의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 제2 위상(P2)에서 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 상승할 수 있는 한편, 출력 전달 전류(ID)는 오프된 제3 스위치(SW23)에 기인하여 근사적으로 영(zero)이 될 수 있다. 이에 따라, 도 2a의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 연속적일 수 있는 한편, 출력 전달 전류(ID)는 불연속적일 수 있다. 또한, 원하는 레벨의 출력 전압(VOUT)을 위하여, 출력 전달 전류(ID)는 높은 피크값(IPEAK)을 가질 수 있다.
도 2b를 참조하면, 스위칭 레귤레이터(20b)는 부스트 모드에서, 제2 스위치(SW22)가 오프될 수 있고, 제1, 제3 및 제4 스위치(SW21, SW23, SW24)는 스위칭 주기에 포함된 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2)에 따라 온되거나 오프될 수 있다.
제1 위상에서, 도 2b의 회로도에서 제1 경로(PA1b)로 표시된 바와 같이, 제1 및 제3 스위치(SW21, SW23)가 온될 수 있고, 제4 스위치(SW24)가 오프될 수 있다. 이에 따라, 인덕터 전류(IL)는 입력 노드로부터 제1 스위치(SW21), 인덕터(L) 및 제3 스위치(SW23)를 통과하여 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 도 2b의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 제1 위상(P1)에서 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 하강할 수 있고, 출력 전달 전류(ID) 역시 하강할 수 있다.
제2 위상에서, 도 2a의 회로도에서 제2 경로(PA2b)로 표시된 바와 같이, 제1 및 제4 스위치(SW21, SW24)가 온될 수 있고, 제3 스위치(SW23)가 오프될 수 있다. 이에 따라, 인덕터 전류(IL)는 입력 노드로부터 제1 스위치(SW21), 인덕터(L) 및 제4 스위치(SW24)를 통과하여 접지 노드로 흐를 수 있다. 도 2b의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 제2 위상(P2)에서 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 상승할 수 있는 한편, 출력 전달 전류(ID)는 오프된 제3 스위치(SW23)에 기인하여 근사적으로 영(zero)이 될 수 있다. 이에 따라, 도 2b의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 연속적일 수 있는 한편, 출력 전달 전류(ID)는 불연속적일 수 있다. 또한, 원하는 레벨의 출력 전압(VOUT)을 위하여, 출력 전달 전류(ID)는 높은 피크값(IPEAK)을 가질 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터(30)를 나타내는 회로도이다. 도 1의 스위칭 레귤레이터(10)와 유사하게, 도 3의 스위칭 레귤레이터(30)는 스위치 회로(31), 컨트롤러(32), 플라잉 캐패시터(CF), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있고, 부하(LD)가 스위칭 레귤레이터(30)에 연결될 수 있다. 이하에서, 도 3에 대한 설명 중 도 1에 대한 설명과 중복되는 내용은 생략될 것이다.
스위치 회로(31)는 제1 내지 제5 스위치(SW1 내지 SW5)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1, 제2, 제3, 제4 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는 입력 노드로부터 접지 노드사이에 순차적으로 직렬 연결될 수 있고, 제5 스위치(SW5)는 입력 노드에 연결된 일단 및 제3 스위치(SW3)와 제4 스위치(SW4)에 연결된 일단을 가질 수 있다. 도 3에 도시된 스위치들은 컨트롤러(32)로부터 제공되는 스위치 제어 신호(C_SW)에 따라 양단을 전기적으로 접속시키거나 전기적으로 단선시키는 임의의 구조를 가질 수 있다. 스위치는 파워 스위치로서 지칭될 수도 있고, 일부 실시예들에서 스위치 제어 신호(C_SW)가 인가되는 게이트를 가지는 NFET(N-channel Field Effect Transistor) 또는 PFET(P-channel Field Effect Transistor)를 포함할 수도 있고, 일부 실시예들에서 상호 직렬 연결되거나 병렬 연결된, 적어도 하나의 NFET 및/또는 적어도 하나의 PFET를 포함할 수도 있다. 또한, 일부 실시예들에서 스위치는 BJT(Bipolar Junction Transistor)와 같은 적어도 하나의 다른 유형의 트랜지스터를 포함할 수도 있다.
플라잉 캐패시터(CF)는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)에 연결된 일단 및 제3 스위치(SW3)와 제4 스위치(SW4)에 연결된 일단을 가질 수 있다. 이하에서, 도면들을 참조하여 후술되는 바와 같이, 컨트롤러(32)는 제1 내지 제5 스위치(SW1 내지 SW5) 및 플라잉 캐패시터(CF)가 전하 펌프(charge pump)로 동작하도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 또한, 컨트롤러(32)는 전하 펌프에 의해서 부스팅된 인덕터 전압(VL)을 인덕터(L)에 인가하도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 이에 따라, 출력 캐패시터(CO)에 제공되는 출력 전달 전류(ID)는 연속적일 수 있고, 스위칭 레귤레이터(30)는 양호한 특성들을 가질 수 있다. 이하에서, 본 개시의 예시적 실시예들이 도 3의 스위칭 레귤레이터(30)를 참조하여 설명될 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터(40)를 나타내는 회로도들이고, 도 5는 본 개시의 예시적 실시예들에 따라 도 4a 및 도 4b의 스위칭 레귤레이터(40)의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도들이다. 구체적으로, 도 4a는 제1 위상(P1)에서 스위칭 레귤레이터(40)를 나타내고, 도 4b는 제2 위상(P2)에서 스위칭 레귤레이터(40)를 나타내며, 도 4a 및 도 4b에서 전류가 흐르는 경로 및 온 상태의 스위치들은 굵게 표시된다.
도 4a를 참조하면, 도 3의 스위칭 레귤레이터(30)와 유사하게, 스위칭 레귤레이터(40)는 스위치 회로(41), 컨트롤러(42), 플라잉 캐패시터(CF), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있고, 스위치 회로(41)는 제1 내지 제5 스위치(SW1 내지 SW5)를 포함할 수 있으며, 부하(LD)가 스위칭 레귤레이터(30)에 연결될 수 있다. 벅-부스트 모드시, 제1 위상(P1)에서 컨트롤러(42)는 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 온하고 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 오프하도록, 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 벅-부스트 모드시 스위칭 레귤레이터(40)는, 입력 전압(VIN)과 유사한 레벨을 가지는 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있다.
플라잉 캐패시터(CF)의 양단은 입력 노드 및 접지 노드에 각각 접속될 수 있고, 플라잉 캐패시터(CF)는 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다. 또한, 인덕터 전류(IL)는 접지 노드로부터 제4 및 제3 스위치(SW4, SW3) 및 인덕터(L)를 통과하여 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 하강할 수 있고, 출력 전달 전류(ID) 역시 점진적으로 하강할 수 있다. 또한, 인덕터 전압(VL)은 온 상태의 제3 및 제4 스위치(SW3, SW4)에 기인하여 접지 전압과 일치할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 벅-부스트 모드시, 제2 위상(P2)에서 컨트롤러(42)는 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 온하고 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 오프하도록, 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 제1 위상(P1)에서 입력 전압(VIN)으로 충전된 플라잉 캐패시터(CF)의 양단 중, 높은 전위의 일단이 제1 스위치(SW1)에 의해서 입력 노드와 단선되는 한편, 낮은 전위의 일단이 제5 스위치(SW5)를 통해서 입력 노드에 접속될 수 있다. 이에 따라, 부스팅된, 예컨대 입력 전압(VIN)의 약 2배에 대응하는 전압이 온 상태의 제2 스위치(SW2)를 통해서 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
인덕터 전류(IL)는 플라잉 캐패시터(CF)로부터 제2 스위치(SW2) 및 인덕터(L)를 통해서 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 상승할 수 있고, 출력 전달 전류(ID) 역시 점진적으로 상승할 수 있다. 결과적으로, 출력 전달 전류(ID)는, 도 2a에 도시된 예시와 상이하게, 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2)을 포함하는 스위칭 주기 동안 연속적으로 변동할 수 있다. 또한, 제2 위상(P2)에서 인덕터 전압(VL)은 부스팅된 전압, 즉 입력 전압(VIN)의 약 2배에 대응하는 전압과 일치할 수 있다. 비록 도해의 편의를 위하여, 제2 위상(P2) 동안 인덕터 전압(VL)이 일정하게 유지되는 것으로 도시되었으나, 일부 실시예들에서 인덕터 전압(VL)은 제2 위상(P2) 동안 미약하게 하강할 수도 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여 전술된 예시에서, 스위칭 레귤레이터(40)에 포함된 소자들에 걸리는(across) 전압들은 입력 전압(VIN) 또는 입력 전압(VIN) 근처의 전압으로 제한될 수 있다. 예를 들면, 도 4b에 도시된 바와 같이 제2 위상(P2)에서 부스팅된 전압, 즉 입력 전압(VIN)의 2배와 일치하는 인덕터 전압(VL)에도 불구하고, 인덕터 전압(VL)과 관계된 소자들, 즉 제2 스위치(SW2), 제3 스위치(SW3), 인덕터(L) 및 플라잉 캐패시터(CF)에 걸리는 전압들은 입력 전압(VIN) 또는 입력 전압(VIN) 근처의 전압만이 최대로 걸릴 수 있다. 이에 따라, 스위칭 레귤레이터(40)에서 고전압 소자가 생략될 수 있고, 결과적으로 스위칭 레귤레이터(40)는 감소된 비용으로 제조될 수 있으며, 상대적으로 작은 크기의 소자들을 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터(60)를 나타내는 회로도이고, 도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 도 6의 스위칭 레귤레이터(60)의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도이다. 구체적으로, 도 6은 스위칭 주기에 포함되고 제2 위상(P2)에 후속하는 제3 위상(P3)에서, 스위칭 레귤레이터(60)를 나타내며, 도 6에서 전류가 흐르는 경로 및 온 상태의 스위치들은 굵게 표시된다. 도 6 및 도 7에 대한 설명 중 도 4a, 도 4b 및 도 5에 대한 설명과 중복되는 내용은 생략될 것이다.
도 6을 참조하면, 도 3의 스위칭 레귤레이터(30)와 유사하게, 스위칭 레귤레이터(60)는 스위치 회로(61), 컨트롤러(62), 플라잉 캐패시터(CF), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있고, 스위치 회로(61)는 제1 내지 제5 스위치(SW1 내지 SW5)를 포함할 수 있으며, 부하(LD)가 스위칭 레귤레이터(60)에 연결될 수 있다. 스위칭 레귤레이터(60)는, 벅-부스트 모드시, 3개의 위상들, 즉 제1, 제2 및 제3 위상(P1, P2, P3)을 순차적으로 포함하는 스위칭 주기에 따라 동작할 수 있다. 컨트롤러(62)는, 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2)에서 도 4a 및 도 4b를 참조하여 전술된 바와 유사하게, 제1 내지 제5 스위치(SW1 내지 SW5)를 제어하기 위한 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다.
제3 위상(P3)에서, 컨트롤러(62)는 제1, 제2 및 제4 스위치(SW1, SW2 및 SW4)를 온하고 제3 및 제5 스위치(SW3, SW5)를 오프하도록, 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 이에 따라, 플라잉 캐패시터(CF)는 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있고, 인덕터 전류(IL)는 입력 노드로부터 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2) 및 인덕터(L)를 통과하여 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL) 및 출력 전달 전류(ID)는 제3 위상(P3)에서 실질적으로 일정하게 유지될 수 있고, 그 결과 인덕터 전류(IL) 및 출력 전달 전류(ID)는 감소된 피크값(IPEAK)을 가질 수 있다. 또한, 출력 전달 전류(ID)는, 도 2a에 도시된 예시와 상이하게, 제1, 제2 및 제3 위상(P1, P2, P3)을 포함하는 스위칭 주기 동안 연속적으로 변동할 수 있다. 또한, 인덕터 전압(VL)은 온 상태의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)에 기인하여 입력 전압(VIN)과 일치할 수 있다. 또한, 도 4a 및 도 4b의 스위칭 레귤레이터(40)와 유사하게, 제3 위상(P3)에서 스위칭 레귤레이터(60)에 포함된 소자들에 인가되는 전압들 역시 입력 전압(VIN) 또는 입력 전압(VIN) 근처의 전압으로 제한될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터(80)를 나타내는 회로도들이고, 도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 도 8a 및 도 8b의 스위칭 레귤레이터(80)의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도들이다. 구체적으로, 도 8a는 제1 위상(P1)에서 스위칭 레귤레이터(80)를 나타내고, 도 8b는 제2 위상(P2)에서 스위칭 레귤레이터(80)를 나타내며, 도 8a 및 도 8b에서 전류가 흐르는 경로 및 온 상태의 스위치들은 굵게 표시된다. 일부 실시예들에서, 부스트 모드시 스위칭 레귤레이터(80)는 입력 전압(VIN)보다 큰 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있고, 예컨대 도 9에 도시된 바와 같이, 출력 전압(VOUT)은 입력 전압(VOUT)보다 크고 입력 전압(VOUT)의 2배보다는 작을 수 있다.
도 8a를 참조하면, 도 3의 스위칭 레귤레이터(30)와 유사하게, 스위칭 레귤레이터(80)는 스위치 회로(81), 컨트롤러(82), 플라잉 캐패시터(CF), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있고, 스위치 회로(81)는 제1 내지 제5 스위치(SW1 내지 SW5)를 포함할 수 있으며, 부하(LD)가 스위칭 레귤레이터(80)에 연결될 수 있다. 부스트 모드시, 제1 위상(P1)에서 컨트롤러(82)는 제1, 제2 및 제4 스위치(SW1, SW2, SW4)를 온하고 제3 및 제5 스위치(SW3, SW5)를 오프하도록, 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다.
플라잉 캐패시터(CF)의 양단은 입력 노드 및 접지 노드에 각각 접속될 수 있고, 플라잉 캐패시터(CF)는 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다. 또한, 인덕터 전류(IL)는 입력 노드로부터 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2) 및 인덕터(L)를 통과하여 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 부스트 모드에서 출력 전압(VOUT)은 입력 전압(VIN)보다 높을 수 있고, 이에 따라 도 9에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 하강할 수 있으며, 출력 전달 전류(ID) 역시 하강할 수 있다. 또한, 인덕터 전압(VL)은 온 상태의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)에 기인하여 입력 전압(VIN)과 일치할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 부스트 모드시, 제2 위상(P2)에서 컨트롤러(82)는 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 온하고 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 오프하도록, 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 이에 따라, 부스트 모드시 제3 스위치(SW3)는 오프 상태에 있을 수 있다. 도 4b를 참조하여 전술된 바와 유사하게, 부스팅된, 예컨대 입력 전압(VIN)의 약 2배에 대응하는 인덕터 전압(VL)이 온 상태의 제2 스위치(SW2)를 통해서 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
인덕터 전류(IL)는 플라잉 캐패시터(CF)로부터 제2 스위치(SW2) 및 인덕터(L)를 통해서 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 상승할 수 있고, 출력 전달 전류(ID) 역시 점진적으로 상승할 수 있다. 결과적으로, 출력 전달 전류(ID)는, 도 2b에 도시된 예시와 상이하게, 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2)을 포함하는 스위칭 주기 동안 연속적으로 변동할 수 있다. 또한, 제2 위상(P2)에서 인덕터 전압(VL)은 부스팅된 전압, 즉 입력 전압(VIN)의 약 2배에 대응하는 전압과 일치할 수 있다. 비록 도해의 편의를 위하여, 제2 위상(P2) 동안 인덕터 전압(VL)이 일정하게 유지되는 것으로 도시되었으나, 일부 실시예들에서 인덕터 전압(VL)은 제2 위상(P2) 동안 미약하게 하강할 수도 있다.
도 8a, 도 8b 및 도 9를 참조하여 전술된 예시에서, 스위칭 레귤레이터(80)에 포함된 소자들에 걸리는 전압들은 입력 전압(VIN) 또는 입력 전압(VIN) 근처의 전압으로 제한될 수 있다. 예를 들면, 도 8b에 도시된 바와 같이 제2 위상(P2)에서 부스팅된 전압, 즉 입력 전압(VIN)의 2배와 일치하는 인덕터 전압(VL)에도 불구하고, 인덕터 전압(VL)과 관계된 소자들, 즉 제2 스위치(SW2), 제3 스위치(SW3), 인덕터(L) 및 플라잉 캐패시터(CF)에 걸리는 전압들은 입력 전압(VIN) 또는 입력 전압(VIN) 근처의 전압만이 최대로 걸릴 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅 모드에서 스위칭 레귤레이터(100)를 나타내는 회로도들이고, 도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 도 10a 및 도 10b의 스위칭 레귤레이터(100)의 동작의 예시를 나타내는 타이밍도들이다. 구체적으로, 도 10a는 제1 위상(P1)에서 스위칭 레귤레이터(100)를 나타내고, 도 10b는 제2 위상(P2)에서 스위칭 레귤레이터(100)를 나타내며, 도 10a 및 도 10b에서 전류가 흐르는 경로 및 온 상태의 스위치들은 굵게 표시된다.
도 10a를 참조하면, 도 3의 스위칭 레귤레이터(30)와 유사하게, 스위칭 레귤레이터(100)는 스위치 회로(101), 컨트롤러(102), 플라잉 캐패시터(CF), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있고, 스위치 회로(101)는 제1 내지 제5 스위치(SW1 내지 SW5)를 포함할 수 있으며, 부하(LD)가 스위칭 레귤레이터(100)에 연결될 수 있다. 벅 모드시, 제1 위상(P1)에서 컨트롤러(102)는 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 온하고 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 오프하도록, 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 벅 모드시 스위칭 레귤레이터(100)는, 일부 실시예들에서 도 11에 도시된 바와 같이, 입력 전압(VIN)보다 작은 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있다.
플라잉 캐패시터(CF)의 양단은 입력 노드 및 접지노드에 각각 접속될 수 있고, 플라잉 캐패시터(CF)는 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다. 또한, 인덕터 전류(IL)는 접지 노드로부터 제4 및 제3 스위치(SW4, SW3) 및 인덕터(L)를 통과하여 출력 캐패시터(CO) 및 부하(LD)로 흐를 수 있다. 이에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 하강할 수 있으며, 출력 전달 전류(ID) 역시 하강할 수 있다. 또한, 인덕터 전압(VL)은 온 상태의 제3 및 제4 스위치(SW3, SW4)에 기인하여 접지 전압과 일치할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 벅 모드시, 제2 위상(P2)에서 컨트롤러(102)는 제1, 제2 및 제4 스위치(SW1, SW2, SW4)를 온하고 제3 및 제5 스위치(SW3, SW5)를 오프하도록, 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 이에 따라, 벅 모드시 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4)는 온 상태에 있을 수 있고, 제5 스위치(SW5)는 오프 상태에 있을 수 있다. 이에 따라, 벅 모드에서 출력 전압(VOUT)은 입력 전압(VIN)보다 낮을 수 있으므로, 도 11에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)는 점진적으로 상승할 수 있으며, 출력 전달 전류(ID) 역시 상승할 수 있다. 또한, 인덕터 전압(VL)은 온 상태의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)에 기인하여 입력 전압(VIN)과 일치할 수 있다.
도 10a, 도 10b 및 도 11을 참조하여 전술된 예시에서, 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4)는 온 상태로 유지될 수 있고, 플라잉 캐패시터(CF)의 양단은 스위칭 주기 내내 입력 노드 및 접지 노드에 각각 접속될 수 있다. 이에 따라, 벅 모드에서 플라잉 캐패시터(CF)는, 입력 전압에 대한 디커플링(decoupling) 캐패시터(또는 바이패스(bypass) 캐패시터)로서 입력 전압(VIN)에 포함된 노이즈를 억제할 수 있고, 보다 양호한 출력 전압(VOUT)이 생성될 수 있다. 다시 말해서, 플라잉 캐패시터(CF)는 벅-부스트 모드 및 부스트 모드에서 전하 펌프를 위해 사용되는 한편, 벅 모드에서 입력 전압(VIN)의 노이즈를 억제할 수 있다. 다른 한편으로, 일부 실시예들에서 컨트롤러(102)는, 도 10a 및 도 10b에 도시된 예시들과 상이하게, 제1 스위치(SW1)를 제2 스위치(SW2)와 동일하게 제어할 수 있고, 제4 스위치(SW4)를 제3 스위치(SW3)와 동일하게 제어할 수도 있다.
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터(120)를 나타내는 블록도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(120)는 스위치 회로(121), 컨트롤러(122), 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CO)를 포함할 수 있고, 도 1의 스위칭 레귤레이터(10)와 비교할 때, 복수의 플라잉 캐패시터들(CF1, CF2)을 포함할 수 있다. 이하에서, 도 12에 대한 설명 중 도 1에 대한 설명과 중복되는 내용은 생략될 것이다.
스위칭 레귤레이터(120)는, 벅-부스트 모드 또는 부스트 모드에서 부스팅된 인덕터 전압(VL)을 인덕터(L)에 제공하기 위하여, 2이상의 플라잉 캐패시터들(예컨대, CF1, CF2)을 포함할 수 있다. 컨트롤러(122)는, 기준 전압(VREF)에 기초하여, 제1 플라잉 캐패시터(CF1), 제2 플라잉 캐패시터(CF2) 및 스위치 회로(121)가 전하 펌프로 기능하도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있고, 인덕터 전압(VL)은 제1 플라잉 캐패시터(CF1) 및 제2 플라잉 캐패시터(CF2)에 의해서 입력 전압(VIN)의 2배보다 큰 인덕터 전압(VL), 예컨대 입력 전압(VIN)의 약 3배에 대응하는 인덕터 전압(VL)을 인덕터(L)에 제공할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 상이하게, 일부 실시예들에서 스위칭 레귤레이터(120)는 2개 초과의 플라잉 캐패시터들을 포함할 수도 있다. 또한, 도면들을 참조하여 전술된 바와 유사하게, 인덕터 전류(IL)뿐만 아니라 출력 전달 전류(ID)는 스위칭 주기의 위상들 내내(throughout) 연속적일 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 개시의 예시적 실시예들에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도들이다. 구체적으로, 도 13a는 제1 및 제2 위상(P1, P2)을 포함하는 스위칭 주기에 따른 동작 방법을 나타내고, 도 13b는 제1, 제2 및 제3 위상(P1, P2, P3)을 포함하는 스위칭 주기에 따른 동작 방법을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 도 13a의 방법은 도 4a 및 도 4b의 컨트롤러(42)에 의해서 수행될 수 있고, 도 13b의 방법은 도 6의 컨트롤러(62)에 의해서 수행될 수 있다. 이하에서, 도 13a는 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여 설명될 것이고, 도 13b는 도 6 및 도 7을 참조하여 설명될 것이다. 또한, 도 13a 및 도 13b에 대한 설명 중 중복되는 내용은 생략될 것이다.
도 13a를 참조하면, 제1 위상(P1)에서 단계 S11a 및 단계 S12a가 수행될 수 있고, 제2 위상(P2)에서 단계 S13a 및 단계 S14a가 수행될 수 있다. 제1 위상(P1)의 단계 S11a에서, 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 온하고 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 오프하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 4a의 컨트롤러(42)는 도 4a에서 굵게 표시된 경로들이 형성되도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있고, 이에 따라 플라잉 캐패시터(CF)는 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다.
단계 S12a에서, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VREF - VMAR)와 비교하는 동작이 수행될 수 있다(VMAR > 0). 예를 들면, 컨트롤러(42)는 출력 전압(VOUT)을 분할함으로써 피드백 전압(VFD)을 생성할 수 있고, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VREF - VMAR)와 비교할 수 있다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VREF - VMAR)보다 작은 경우, 제1 위상(P1)이 종료할 수 있고 제2 위상(P2)이 개시될 수 있다.
제2 위상(P2)의 단계 S13a에서, 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 온하고 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 오프하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(42)는 도 4b에서 굵게 표시된 경로들이 형성되도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있고, 이에 따라 플라잉 캐패시터(CF)에 의해서 부스팅된 인덕터 전압(VL)이 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
단계 S14a에서, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)과 비교하는 동작이 수행될 수 있다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)보다 큰 경우, 제2 위상(P2)이 종료할 수 있고, 제1 위상(P1)이 개시될 수 있다. 이에 따라, 출력 전압(VOUT)은, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)과 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VREF - VMAR) 사이의 범위에 있도록, 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계 S12a에서 사용된 마진 전압 및 단계 S14a에서 사용된 마진 전압은 상이할 수 있다.
도 13b를 참조하면, 제1 위상(P1)에서 단계 S11b 및 단계 S12b가 수행될 수 있고, 제2 위상(P2)에서 단계 S13b 및 단계 S14b가 수행될 수 있으며, 제3 위상(P3)에서 단계 S15 및 단계 S16이 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 위상(P1)의 단계 S11b 및 단계 S12b는 도 13a의 단계 S11a 및 단계 S12a와 각각 유사할 수 있고, 제2 위상(P2)의 단계 S13b 및 단계 S14b는 도 13a의 단계 S13a 및 단계 S14a와 각각 유사할 수 있다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 제2 위상(P2)의 단계 S14b에서, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)보다 큰 경우, 제2 위상(P2)이 종료할 수 있고, 제3 위상(P3)이 개시될 수 있다.
제3 위상(P3)의 단계 S15에서, 제1, 제2 및 제4 스위치(SW1, SW2, SW4)를 온하고 제3 및 제5 스위치(SW3, SW5)를 오프하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 6의 컨트롤러(62)는 도 6에서 굵게 표시된 경로들이 형성되도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있고, 이에 따라 인덕터 전압(VL)은 입력 전압(VIN)과 일치할 수 있고, 인덕터 전류(IL) 및 출력 전달 전류(ID)는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
단계 S16에서, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR')의 차(VREF - VMAR')와 비교하는 동작이 수행될 수 있다(VMAR' > 0). 일부 실시예들에서, 단계 S16에서 사용된 마진 전압(VMAR')은 단계 S12b에서 사용된 마진 전압(VMAR)보다 작을 수 있다. 이에 따라, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VREF - VMAR)보다 높은 레벨에 있을 때까지, 스위칭 레귤레이터(60)는 제3 위상(P3)에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 13b에 도시된 바와 상이하게, 단계 S16에서 미리 정해진 시간에 도달하였는지 여부가 판단될 수 있고, 미리 정해진 시간에 도달한 경우 제3 위상(P3)이 종료할 수도 있다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다. 구체적으로, 도 14는 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2)을 포함하는 스위칭 주기에 따른 동작 방법을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 도 14의 방법은 도 8a 및 도 8b의 컨트롤러(82)에 의해서 수행될 수 있다. 이하에서, 도 14는 도 8a, 도 8b 및 도 9를 참조하여 설명될 것이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 제1 위상(P1)에서 단계 S21 및 단계 S22가 수행될 수 있다. 단계 S21에서, 제1, 제2 및 제4 스위치(SW1, SW2, SW4)를 온하고 제3 및 제5 스위치(SW3, SW5)를 오프하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 8a의 컨트롤러(82)는 도 8a에서 굵게 표시된 경로들이 형성되도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있고, 이에 따라 플라잉 캐패시터(CF)는 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다. 그 다음에 단계 S22에서, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VREF - VMAR)와 비교하는 동작이 수행될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VREF - VMAR)보다 작은 경우, 제1 위상(P1)이 종료할 수 있고, 제2 위상(P2)이 개시될 수 있다.
제2 위상(P2)에서 단계 S23 및 단계 S24가 수행될 수 있다. 단계 S23에서, 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 온하고 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 오프하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 8b의 컨트롤러(82)는 도 8b에서 굵게 표시된 경로들이 형성되도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있고, 이에 따라 플라잉 캐패시터(CF)에 의해서 부스팅된 인덕터 전압(VL)이 인덕터(L)에 제공될 수 있다. 그 다음에 단계 S24에서, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)과 비교하는 동작이 수행될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)보다 큰 경우, 제2 위상(P2)이 종료할 수 있고, 제1 위상(P1)이 개시될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계 S22에서 사용된 마진 전압 및 단계 S24에서 사용된 마진 전압은 상이할 수 있다.
도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다. 구체적으로, 도 15는 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2)을 포함하는 스위칭 주기에 따른 동작 방법을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 도 15의 방법은 도 10a 및 도 10b의 컨트롤러(102)에 의해서 수행될 수 있다. 이하에서, 도 15는 도 10a, 도 10b 및 도 11를 참조하여 설명될 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 제1 위상(P1)에서 단계 S31 및 단계 S32가 수행될 수 있다. 단계 S31에서, 제1, 제3 및 제4 스위치(SW1, SW3, SW4)를 온하고 제2 및 제5 스위치(SW2, SW5)를 오프하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 10a의 컨트롤러(102)는 도 10a에서 굵게 표시된 경로들이 형성되도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 그 다음에 단계 S32에서, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VFD - VMAR)와 비교하는 동작이 수행될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 차(VFD - VMAR)보다 작은 경우, 제1 위상(P1)이 종료할 수 있고, 제2 위상(P2)이 개시될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 제2 위상(P2)에서 단계 S33 및 단계 S34가 수행될 수 있다. 단계 S33에서, 제1, 제2 및 제4 스위치(SW1, SW2, SW4)를 온하고 제3 및 제5 스위치(SW3, SW5)를 오프하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 10b의 컨트롤러(102)는 도 10b에서 굵게 표시된 경로들이 형성되도록 스위치 제어 신호(C_SW)를 생성할 수 있다. 그 다음에 단계 S34에서, 피드백 전압(VFD)을 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)과 비교하는 동작이 수행될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 피드백 전압(VFD)이 기준 전압(VREF) 및 마진 전압(VMAR)의 합(VREF + VMAR)보다 큰 경우, 제2 위상(P2)이 종료할 수 있고, 제1 위상(P1)이 개시될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계 S32에서 사용된 마진 전압 및 단계 S34에서 사용된 마진 전압은 상이할 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 본 개시의 예시적 실시예들에 따라 벅-부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다. 구체적으로, 도 16a는 제1 및 제2 위상(P1, P2)을 포함하는 스위칭 주기 동안 수행되는 동작 방법을 나타내고, 도 16b는 제1, 제2 및 제3 위상(P1, P2, P3)을 포함하는 스위칭 주기 동안 수행되는 동작 방법을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 도 16a의 방법은 도 4a 및 도 4b의 스위칭 레귤레이터(40)에 의해서 수행될 수 있고, 도 16b의 방법은 도 6의 스위칭 레귤레이터(60)에 의해서 수행될 수 있다. 이하에서 도 16a는 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여 설명될 것이고, 도 16b는 도 6 및 도 7을 참조하여 설명될 것이다. 또한, 도 16a 및 도 16b에 대한 설명 중 중복되는 내용은 생략될 것이다.
도 16a를 참조하면, 제1 위상(P1)에서 단계 S111 및 단계 S112가 병렬적으로 수행될 수 있다. 단계 S111에서, 플라잉 캐패시터(CF)를 입력 전압(VIN)으로 충전하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4)에 의해서 플라잉 캐패시터(CF)가 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다. 또한, 단계 S112에서, 인덕터(L)에 접지 전압을 제공하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제3 및 제4 스위치(SW3, SW4)에 의해서 접지 전압이 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
제1 위상(P1)에 후속하여, 제2 위상(P2)에서 단계 S121 및 단계 S122가 수행될 수 있다. 단계 S121에서, 플라잉 캐패시터(CF)의 일단의 전압을 부스팅하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 오프 상태의 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4) 및 온 상태의 제5 스위치(SW5)에 의해서 플라잉 캐패시터(CF)의 일단, 즉 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)와 연결된 일단의 전압이, 예컨대 입력 전압(VIN)의 2배에 대응하는 전압으로 부스팅될 수 있다. 단계 S122에서, 부스팅된 전압을 인덕터(L)에 제공하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제2 스위치(SW2)에 의해서 부스팅된 전압이 인덕터 전압(VL)으로서 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
도 16b를 참조하면, 제1 위상(P1)에서 단계 S211 및 단계 S212가 병렬적으로 수행될 수 있고, 제2 위상(P2)에서 단계 S221 및 단계 S222가 수행될 수 있으며, 제3 위상(P3)에서 단계 S231 및 단계 S232가 병렬적으로 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 위상(P1)의 단계 S211 및 단계 S212는 도 16a의 단계 S121 및 단계 S122와 유사할 수 있고, 제2 위상(P2)의 단계 S221 및 단계 S222는 도 16a의 단계 S121 및 단계 S122와 유사할 수 있다. 제3 위상(P3)은 제2 위상(P2) 종료 후 개시될 수 있다.
제3 위상(P3)의 단계 S231에서, 플라잉 캐패시터(CF)를 입력 전압으로 충전하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4)에 의해서 플라잉 캐패시터(CF)가 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다. 또한, 단계 S232에서, 인덕터(L)에 입력 전압(VIN)을 제공하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)에 의해서 입력 전압(VIN)이 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
도 17은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 부스트 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다. 구체적으로, 도 17은 제1 및 제2 위상(P1, P2)을 포함하는 스위칭 주기 동안 수행되는 동작 방법을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 도 17의 방법은 도 8a 및 도 8b의 스위칭 레귤레이터(80)에 의해서 수행될 수 있고, 이하에서 도 17은 도 8a, 도 8b 및 도 9를 참조하여 설명될 것이다.
도 17을 참조하면, 제1 위상(P1)에서 단계 S311 및 단계 S312가 병렬적으로 수행될 수 있다. 단계 S311에서, 플라잉 캐패시터(CF)를 입력 전압(VIN)으로 충전하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4)에 의해서 플라잉 캐패시터(CF)가 입력 전압(VIN)으로 충전될 수 있다. 또한, 단계 S312에서, 인덕터(L)에 입력 전압(VIN)을 제공하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)에 의해서 입력 전압(VIN)이 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
제1 위상(P1)에 후속하여, 제2 위상(P2)에서 단계 S321 및 단계 S322가 수행될 수 있다. 단계 S321에서, 플라잉 캐패시터(CF)의 일단의 전압을 부스팅하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 오프 상태의 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4) 및 온 상태의 제5 스위치(SW5)에 의해서 플라잉 캐패시터(CF)의 일단, 즉 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)와 연결된 일단의 전압이, 예컨대 입력 전압(VIN)의 2배에 대응하는 전압으로 부스팅될 수 있다. 단계 S322에서, 부스팅된 전압을 인덕터(L)에 제공하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제2 스위치(SW2)에 의해서 부스팅된 전압이 인덕터 전압(VL)으로서 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
도 18은 본 개시의 예시적 실시예에 따라 벅 모드에서 스위칭 레귤레이터의 동작 방법을 나타내는 순서도이다. 구체적으로, 도 18은 제1 및 제2 위상(P1, P2)을 포함하는 스위칭 주기 동안 수행되는 동작 방법을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 도 18의 방법은 도 10a 및 도 10b의 스위칭 레귤레이터(100)에 의해서 수행될 수 있고, 이하에서 도 18은 도 10a, 도 10b 및 도 11을 참조하여 설명될 것이다.
도 18을 참조하면, 제1 위상(P1)에서 단계 S410이 수행될 수 있고, 제2 위상(P2)에서 단계 S420이 수행될 수 있으며, 제1 위상(P1) 및 제2 위상(P2)에서 단계 S400이 단계 S410 및 단계 S420과 병렬적으로 수행될 수 있다. 단계 S400에서, 플라잉 캐패시터(CF)의 양단을 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)에 각각 접속시키는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 벅 모드시 제1 및 제4 스위치(SW1, SW4)는 온 상태에 있을 수 있고, 이에 따라 플라잉 캐패시터(CF)는 입력 전압(VIN)의 노이즈를 제거하는 디커플링 캐패시터로서 기능할 수 있다.
제1 위상(P1)의 단계 S410에서, 인덕터(L)에 접지 전압을 제공하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 10a에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제3 및 제4 스위치(SW3, SW4)에 의해서 인덕터(L)에 접지 전압이 제공될 수 있다. 그 다음에, 제2 위상(P2)의 단계 S420에서, 인덕터(L)에 입력 전압(VIN)을 제공하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 10b에 도시된 바와 같이, 온 상태의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)에 의해서 인덕터(L)에 입력 전압이 제공될 수 있다.
도 19는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 시스템(190)을 나타내는 도면이다. 시스템(190)은, 일부 실시예들에서 시스템-온-칩(SoC)과 같이 하나의 반도체 집적회로일 수도 있고, 일부 실시예들에서 인쇄회로기판 및 이에 실장된 패키지들을 포함할 수도 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 시스템(190)은 제1 내지 제4 기능 블록(110 내지 194) 및 PMIC(195)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 기능 블록(191 내지 194)은 PMIC(195)로부터 출력되는 제1 내지 제4 공급 전압(VDD1 내지 VDD4)에 의해서 제공되는 전력에 기초하여 동작할 수 있다. 예를 들면, 제1 내지 제4 기능 블록(191 내지 194) 중 적어도 하나는 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP) 등과 같이 디지털 신호를 처리하는 디지털 회로일 수도 있고, 증폭기 등과 같이 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 회로일 수도 있다. 또한, 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter; ADC) 등과 같은 혼합된 신호(mixed signal)를 처리하는 회로일 수도 있다. 비록 도 19에서 시스템(190)은 4개의 기능 블록들을 포함하는 것으로 도시되었으나, 일부 실시예들에서 시스템(190)은 4개 미만 또는 5개 이상의 기능 블록들을 포함할 수도 있다.
PMIC(Power Management Integrated Circuit)(195)는 입력 전압(VIN)으로부터 제1 내지 제4 공급 전압(VDD1 내지 VDD4)을 생성할 수 있고, 전압 제어 신호(C_V)에 따라 제1 내지 제4 공급 전압(VDD1 내지 VDD4) 중 적어도 하나의 레벨을 변경할 수 있다. 제1 내지 제4 기능 블록(191 내지 194) 중 적어도 하나는 요구되는 성능 및 전력 소모에 따라 동적으로 가변되는 레벨의 공급 전압을 수신할 수 있다. 예를 들면, 제1 기능 블록(191)은 이미지 데이터를 처리하는 이미지 프로세서일 수 있고, 일련의 이미지들을 포함하는 동영상을 처리하는 동안 제1 기능 블록(191)은 높은 레벨의 제1 공급 전압(VDD1)을 수신할 수 있는 한편, 단일 이미지를 포함하는 사진을 처리하는 동안 제1 기능 블록(191)은 낮은 레벨의 제1 공급 전압(VDD1)을 수신할 수 있다. PMIC(195)는 제1 기능 블록(191)에서 요구되는 성능 및 전력 소모에 대응하는 전압 제어 신호(C_V)를 수신할 수 있고, PMIC(195)는 전압 제어 신호(C_V)에 기초하여 제1 공급 전압(VDD1)의 레벨을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 기능 블록의 공급 전압의 레벨을 동적으로 변경하는 방법은 DVS(Dynamic Voltage Scaling)으로 지칭될 수 있다.
PMIC(195)는 도면들을 참조하여 전술된 스위칭 레귤레이터를 포함할 수 있고, 이에 따라 제1 공급 전압(VDD1)은 일정한 레벨을 유지할 때 감소된 노이즈를 가질 수 있고, 제1 전원 전압(VDD1)의 감소된 노이즈에 기인하여 제1 기능 블록(191) 및 시스템(190)의 동작 신뢰도가 향상될 수 있다. 또한, 제1 공급 전압(VDD1)의 레벨이 신속하게 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 기능 블록(191)은 제1 공급 전압(VDD1)의 레벨이 변경되는 동안 동작을 중지할 수 있고, 제1 공급 전압(VDD1)의 레벨이 변경된 후 동작을 재개할 수 있다. 이에 따라 제1 공급 전압(VDD1)의 레벨이 신속하게 변경되는 경우, 제1 기능 블록(191)에 의한 동작의 수행 시간이 단축될 수 있고, 결과적으로 시스템(190)은 향상된 성능을 제공할 수 있다. 또한, PMIC(195)는 감소된 전압 및/또는 전류의 피크값을 가질 수 있고, 감소된 크기의 소자들을 포함할 수 있다. 이에 따라 PMIC(195)는 하나의 패키지에 제1 내지 제4 기능 블록(191 내지 194)과 함께 용이하게 집적될 수 있다.
도 20은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 무선 통신 장치(200)를 나타내는 블록도이다. 구체적으로, 도 20은 배터리(250)에 의해서 전력이 제공되는 사용자 기기(User Equipment; UE)(또는 단말)를 나타낸다. 무선 통신 장치(200)는, 일부 실시예들에서, 5G, LTE 등과 같은 셀룰러 네트워크를 사용하는 무선 통신 시스템에 포함될 수도 있고, WLAN(Wireless Local Area Network) 시스템 또는 다른 임의의 무선 통신 시스템에 포함될 수도 있다. 무선 통신 장치(200)에서, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터는 전력 증폭기(216)에 가변적인 전력을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 무선 통신 장치(200)는 송수신기(210), 기저대역 프로세서(220), 안테나(230) 및 전원 회로(240) 및 배터리(250)를 포함할 수 있다.
송수신기(210)는 안테나 인터페이스 회로(211)를 포함할 수 있고, 입력 회로(212), 저잡음 증폭기(213) 및 수신 회로(214)를 포함하는 수신기 및 송신 회로(215), 전력 증폭기(216) 및 출력 회로(217)를 포함하는 송신기를 포함할 수 있다. 안테나 인터페이스 회로(211)는 송신 모드 또는 수신 모드에 따라 송신기 또는 수신기를 안테나(230)와 연결시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 회로(212)는 매칭 회로 또는 필터를 포함할 수 있고, 저잡음 증폭기(213)는 입력 회로(212)의 출력 신호를 증폭할 수 있으며, 수신 회로(214)는 다운-컨버전을 위한 믹서를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 송신 회로(215)는 업-컨버전을 위한 믹서를 포함할 수 있고, 전력 증폭기(216)는 송신 회로(215)의 출력 신호를 증폭할 수 있고, 출력 회로(217)는 매칭 회로 또는 필터를 포함할 수 있다.
기저대역 프로세서(220)는 송수신기(210)와 기저대역의 신호들을 송수신할 수 있고, 변조/복조, 인코딩/디코딩 등을 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기저대역 프로세서(220)는 모뎀으로 지칭될 수 있다. 기저대역 프로세서(220)는 평균 전력 추적 모드 또는 포락선 추적 모드를 설정하기 위한 설정 신호(SET)를 생성할 수 있고, 출력 전압(VOUT)의 레벨을 변경하기 위한 설정 신호(SET)를 생성할 수 있다.
전원 회로(240)는 배터리(250)로부터 입력 전압(VIN)을 수신할 수 있고, 전력 증폭기(216)에 전력을 제공하는 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있다. 전원 회로(240)는 도면들을 참조하여 전술된 스위칭 레귤레이터를 포함할 수 있고, 연속적인 출력 전달 전류를 생성함으로써 신속한 출력 전압(VOUT)의 레벨 변경 및 출력 전압(VOUT)의 안정적인 레벨을 가능하게 할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하도록 구성된 스위칭 레귤레이터로서,
    인덕터;
    상기 인덕터를 통과하는 전류에 따라 상기 출력 전압을 생성하도록 구성된 출력 캐패시터;
    적어도 5개의 스위치들을 포함하고, 상기 인덕터에 인가되는 전압을 제어하도록 구성된, 복수의 스위치들; 및
    상기 입력 전압을 수신하는 입력 노드에 상기 적어도 5개의 스위치들 중 적어도 2개를 통해서 연결된 플라잉 캐패시터; 및
    상기 입력 전압 및 기준 전압에 기초하여 벅(buck) 모드, 벅-부스트(buck-boost) 모드 및 부스트(boost) 모드 중 하나를 설정하도록 구성된 컨트롤러를 포함하고,
    상기 벅 모드, 상기 벅-부스트 모드 및 상기 부스트 모드는 상기 출력 전압의 상이한 범위들에 각각 대응하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 벅-부스트 모드 및 상기 부스트 모드에서 상기 출력 전압을 증가시키기 위하여 상기 입력 전압으로부터 상기 플라잉 캐패시터를 전하 펌핑함으로써 부스팅된 전압을 생성하고,
    상기 벅 모드에서 상기 플라잉 캐패시터가 상기 입력 전압에서 노이즈를 억제하도록,
    설정된 모드에 기초하여 상기 적어도 5개의 스위치들을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 기준 전압에 기초하여 상기 출력 전압의 목표 레벨을 결정하고, 결정된 상기 목표 레벨에 기초하여 상기 벅 모드, 상기 벅-부스트 모드 및 상기 부스트 모드 중 하나를 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 목표 레벨이 상기 입력 전압의 90% 이하인 경우, 상기 벅 모드를 설정하고,
    상기 목표 레벨이 상기 입력 전압의 90% 이상 110% 미만인 경우, 상기 벅-부스트 모드를 설정하고,
    상기 목표 레벨이 상기 입력 전압의 110% 이상인 경우, 상기 부스트 모드를 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 5개의 스위치들은,
    상기 입력 노드 및 상기 플라잉 캐패시터의 제1 단에 연결된 제1 스위치;
    상기 플라잉 캐패시터의 상기 제1 단 및 상기 인덕터 사이에 연결된 제2 스위치;
    상기 인덕터 및 상기 플라잉 캐패시터의 제2 단 사이에 연결된 제3 스위치;
    상기 플라잉 캐패시터의 상기 제2 단 및 접지 노드 사이에 연결된 제4 스위치; 및
    상기 입력 노드 및 상기 플라잉 캐패시터의 상기 제2 단 사이에 연결된 제5 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 부스트 모드가 설정된 경우,
    제1 위상에서, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제2 및 제5 스위치를 오프하고,
    제2 위상에서, 상기 제2 및 제5 스위치를 온하고, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 오프하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 부스트 모드가 설정된 경우,
    상기 제2 위상에 후속하는 제3 위상에서, 상기 제1, 제2 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제3 및 제5 스위치를 오프하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 벅-부스트 모드가 설정된 경우,
    제1 위상에서, 상기 제1, 제2 및 제4 스위치를 온하고, 제3 및 제5 스위치를 오프하도록 구성되고,
    제2 위상에서, 상기 제2 및 제5 스위치를 온하고, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 오프하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 벅 모드가 설정된 경우,
    제1 위상에서, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제2 및 제5 스위치를 오프하고,
    제2 위상에서, 상기 제1, 제2 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제3 및 제5 스위치를 오프하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 5개의 스위치들 각각은, NFET(n-channel field effect transistor) 및 PFET(p-channel field effect transistor) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  10. 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법으로서,
    상기 입력 전압 및 기준 전압에 기초하여, 벅(buck) 모드, 벅-부스트(buck-boost) 모드 및 부스트(boost) 모드 중 하나를 설정하는 단계;
    인덕터에 전압을 제공하기 위해 설정된 모드에 기초하여 적어도 5개의 스위치들을 제어하는 단계;
    상기 인덕터를 통과하는 전류에 기초하여 상기 출력 전압을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 벅 모드, 상기 벅-부스트 모드 및 상기 부스트 모드는, 상기 출력 전압의 상이한 범위들에 각각 대응하고,
    상기 적어도 5개의 스위치들을 제어하는 단계는,
    상기 벅-부스트 모드 또는 상기 부스트 모드가 설정된 경우, 상기 출력 전압을 증가시키기 위하여 상기 입력 전압으로부터 플라잉 캐패시터를 전하 펌핑함으로써 부스팅된 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 벅 모드가 설정된 경우, 상기 입력 전압에서 노이즈를 억제하도록 상기 플라잉 캐패시터를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 플라잉 캐패시터는, 상기 입력 전압을 수신하도록 구성된 입력 노드에 상기 적어도 5개의 스위치들 중 적어도 2개를 통해서 연결되는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 벅 모드, 상기 벅-부스트 모드 및 상기 부스트 모드 중 하나를 설정하는 단계는,
    상기 기준 전압에 기초하여 상기 출력 전압의 목표 레벨을 결정하는 단계; 및
    결정된 상기 목표 레벨에 기초하여, 상기 벅 모드, 상기 벅-부스트 모드 및 상기 부스트 모드 중 하나를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    결정된 상기 목표 레벨에 기초하여, 상기 벅 모드, 상기 벅-부스트 모드 및 상기 부스트 모드 중 하나를 설정하는 단계는,
    상기 목표 레벨이 상기 입력 전압의 90% 이하인 경우, 상기 벅 모드를 설정하는 단계;
    상기 목표 레벨이 상기 입력 전압의 90% 이상 110% 미만인 경우, 상기 벅-부스트 모드를 설정하는 단계; 및
    상기 목표 레벨이 상기 입력 전압의 110% 이상인 경우, 상기 부스트 모드를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 적어도 5개의 스위치들은,
    상기 입력 노드 및 상기 플라잉 캐패시터의 제1 단에 연결된 제1 스위치;
    상기 플라잉 캐패시터의 상기 제1 단 및 상기 인덕터 사이에 연결된 제2 스위치;
    상기 인덕터 및 상기 플라잉 캐패시터의 제2 단 사이에 연결된 제3 스위치;
    상기 플라잉 캐패시터의 상기 제2 단 및 접지 노드 사이에 연결된 제4 스위치; 및
    상기 입력 노드 및 상기 플라잉 캐패시터의 상기 제2 단 사이에 연결된 제5 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 5개의 스위치들을 제어하는 단계는,
    상기 부스트 모드가 설정된 경우, 제1 위상에서, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제2 및 제5 스위치를 오프하는 단계; 및
    상기 부스트 모드가 설정된 경우, 제2 위상에서, 상기 제2 및 제5 스위치를 온하고, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 5개의 스위치들을 제어하는 단계는,
    상기 부스트 모드가 설정된 경우, 상기 제2 위상에 후속하는 제3 위상에서, 상기 제1, 제2 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제3 및 제5 스위치를 오프하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 5개의 스위치들을 제어하는 단계는,
    상기 벅-부스트 모드가 설정된 경우, 제1 위상에서, 상기 제1, 제2 및 제4 스위치를 온하고, 제3 및 제5 스위치를 오프하는 단계; 및
    상기 벅-부스트 모드가 설정된 경우, 제2 위상에서, 상기 제2 및 제5 스위치를 온하고, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 5개의 스위치들을 제어하는 단계는,
    상기 벅 모드가 설정된 경우, 제1 위상에서, 상기 제1, 제3 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제2 및 제5 스위치를 오프하는 단계; 및
    제2 위상에서, 상기 제1, 제2 및 제4 스위치를 온하고, 상기 제3 및 제5 스위치를 오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 방법.
  18. 제1 위상, 제2 위상 및 제3 위상을 순차적으로 포함하는 주기에 따라 반복적으로 동작하도록 구성된 스위칭 레귤레이터로서,
    인덕터;
    상기 인덕터를 통과하는 전류에 따라 출력 전압을 생성하도록 구성된 출력 캐패시터;
    플라잉 캐패시터;
    상기 인덕터에 인가되는 입력 전압을 제어하도록 구성된 복수의 스위치들; 및
    상기 복수의 스위치들을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하고,
    상기 복수의 스위치들은, 상기 컨트롤러의 제어에 기초하여,
    상기 제1 위상에서, 상기 플라잉 캐패시터를 상기 입력 전압으로 충전하고, 상기 인덕터에 접지 전압을 제공하고,
    상기 제2 위상에서, 상기 플라잉 캐패시터에서 충전된 전압에 의해 상기 입력 전압으로부터 부스팅된 전압을 제공하고,
    상기 제3 위상에서, 상기 플라잉 캐패시터를 상기 입력 전압으로 충전하고, 상기 입력 전압을 상기 인덕터에 제공하도록 구성되고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 출력 전압을 분할함으로써 피드백 전압을 생성하고,
    상기 피드백 전압이 기준 전압 및 제1 마진 전압 사이 차이보다 작은 경우, 상기 제1 위상을 종료하고 상기 제2 위상을 개시하고,
    상기 피드백 전압이 상기 기준 전압 및 제2 마진 전압 사이 차이보다 작은 경우, 상기 제2 위상을 종료하고 상기 제3 위상을 개시하도록 구성되고,
    상기 제2 마진 전압은, 상기 제1 마진 전압보다 작은 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  19. 삭제
  20. 제1 위상, 제2 위상 및 제3 위상을 순차적으로 포함하는 주기에 따라 반복적으로 동작하도록 구성된 스위칭 레귤레이터로서,
    인덕터;
    상기 인덕터를 통과하는 전류에 따라 출력 전압을 생성하도록 구성된 출력 캐패시터;
    플라잉 캐패시터;
    상기 인덕터에 인가되는 입력 전압을 제어하도록 구성된 복수의 스위치들; 및
    상기 복수의 스위치들을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하고,
    상기 복수의 스위치들은, 상기 컨트롤러의 제어에 기초하여,
    상기 제1 위상에서, 상기 플라잉 캐패시터를 상기 입력 전압으로 충전하고, 상기 인덕터에 접지 전압을 제공하고,
    상기 제2 위상에서, 상기 플라잉 캐패시터에서 충전된 전압에 의해 상기 입력 전압으로부터 부스팅된 전압을 제공하고,
    상기 제3 위상에서, 상기 플라잉 캐패시터를 상기 입력 전압으로 충전하고, 상기 입력 전압을 상기 인덕터에 제공하도록 구성되고,
    상기 컨트롤러는, 상기 제3 위상이 개시된 후 미리 정해진 시간이 경과한 경우, 상기 제2 위상을 종료하고 상기 제3 위상을 개시하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
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