KR20010080162A

KR20010080162A - 스위칭 전력 변환기

Info

Publication number: KR20010080162A
Application number: KR1020017004725A
Authority: KR
Inventors: 리블러제롬; 앤더슨알마
Original assignee: 롤페스 요하네스 게라투스 알베르투스; 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1999-08-15
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2001-08-22
Also published as: EP1119898A1; WO2001013503A1; US6232754B1; JP2003507998A; KR100702278B1

Abstract

입력 공급기(101)로부터 제어된 출력(103)을 공급하는 전력 변환기(power converter)에 있어서, 복수개의 전송장치(201-204)들은 상기 입력 공급기와 분산된 저장장치들(L230)을 선택적으로 연결시키기 위해 사용된다. 고전류 모드(high-current mode)에서, 각각의 전송장치(201-204)와 그와 관련된 저장장치(L230)는 입력 공급기와 제어된 출력을 연결시키기 위해 사용된다. 최소 전류 모드(minimal-current mode)에서는, 각각의 전송장치(201-204)와 그와 관련된 저장장치(L230)는 단지 하나의 전송 및 저장장치가 사용되어질 때까지 선택적으로 불능(disable)으로 될 수도 있다. 그리고 상기의 남아있는 장치는 또한 선택적으로 불능(disable)으로 될 수도 있다. 저장장치(L230)들이 분산되어 있기 때문에, 각각의 소자들은 고전류 모드 동작에서보다 크기를 더 축소할 수 있고, 그것 때문에 저전류(low-current) 동작동안 고전류 스위칭 변환기(switching converter) 와 관련된 손실(loss)을 최소화 할 수 있다. 본 발명의 다른 형태(aspect)는, 복수개의 전송장치들이 서로 다른 위상(different phase)에서 동작하며, 그로 인해 고전류 동작과 관련된 리플(ripple)을 줄일 수 있는 점과, 저장소자(L230)들이 주어진 부하레벨(load level)에서 효율적으로 동작하기 위한 크기로 각각 만들어진다는 점이다.

Description

스위칭 전력 변환기{SWITCHING POWER CONVERTER}

변환기들과 조정기들(regulators)을 스위칭(switchin)하는 것은 본 기술 분야에서 일반적인 것이다. 보통, 전압 변환기(voltage converter), 전압발생기(voltage regulator), 직류·직류 변환기(DC-DC converter), 직류 공급기(DC supply) 등의 용어는 소정의 주어진 컨스트레인트(constraint)를 만족 할 수도 있고 안 할 수도 있는 입력 공급기(이하 "제어되지 않은" 전압 또는 전류 소스)에서, 그 주어진 컨스트레인트를 만족시키는 전압 또는 전류 소스(이하 "제어된" 전압 또는 전류 소스)를 공급하는 장치를 정의하기 위해 일반적으로 사용된다. 여기서 스위칭 변환기(switching converter), 또는 스위칭 전력 변환기(switching power converter)라는 용어는 참고의 편의를 위해 사용된 것으로서, 당업자라면 제어된 전압, 제어된 전류, 또는 그 두 가지의 결합을 제공하는 장치에 그 원리를 적용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 일반적으로, 스위칭 변환기는 입력 공급기(input supply)를 저장 장치(storage device)와 결합(coupling)하거나 분리(decoupling)하고, 부하(load)는 저장장치로부터 그 에너지를 공급받는다. 저장 장치는 전압, 전류, 또는 그 둘의 조합을 저장 할 수도 있다. 입력 공급기가 저장 장치에 연결되는데 걸리는 시간의 양을 제어하는 것은 입력 공급기에서 부하로 전달되는 전력의 양을 제어하는 것이다. 그 사용된 특정 장치들은 제어된 전력의 양이 제어된 전압, 제어된 전류, 또는 그 둘의 조합으로서 전송되는지를 결정한다.

도 1은 통상 사용되는 스위칭 전력 변환기(100)의 블록도(block diagram)이다. 상기의 예시적 전력 변환기(100)는 보통 "벅 변환기(buck converter)" 또는 "벅 조정기(buck regulator)"라고 명명되어지며, 특히 "2-스위치 벅 변환기(two-switch buck converter)"라고 불려진다. 다른 스위칭 변환기들은 본 기술분야에서 공지되어 있어, 여기서는 그 벅 변환기가 스위칭 공급기(switching supply)의 원리들과 본 발명의 원리들을 제시하기 위한 바람직한 패러다임(paradigm)으로 선택되었다. 스위칭 전력 변환기(100)는 제 1 스위치 S1(110), 제 2 스위치(120), 두 개의 저장장치 L(130)과 C(140), 그리고 공급기 입력(supply input) V_IN(101)에서 저장장치 L(130)과 C(140)를 경유하여 제어된 출력 V_OUT(103)에 이르는 전력 전송기(power transfer)를 제어하는 스위치 제어기(150)를 포함한다. 공급기 입력 V_IN(101)과 제어된 출력 V_OUT(103)은 전형적으로 접지전위(ground potential)에 있는 제 2 전압공급(109)에 의해 참조된다. 이해의 편의를 위해서, 여기서의 스위칭 변환기들의 동작은 제어된 전압 출력(controlled voltage output)을 이용하여 설명한다.

먼저, 스위치 제어기(150,switch controller)는 스위치 S1(110)을 닫아서 공급기 입력 V_IN(101)을 저장장치 L(130)과 C(140)에 연결시킨다. 저장장치 L(130)은 인덕터(inductor)이기 때문에, 전류 I_L(131)은 최초 0 레벨(zero level)에서 이상적인 선형으로(linearly) 계속 증가한다. 상기 전류는 출력전류 I_OUT(103')를 부하(load, 도면에 표시되지 않음)에 공급하고 또한 전하를 캐패시터(capacitor) C(109)에 전달한다. 그래서 캐패시터 양단에 걸리는, 공급전압(109)에 상대적인 전압 V_OUT(103)이 증가한다. 전류 I_L(131)의 증가 비(the rate of increase)는 이상적인 선형(ideally linear)이며, 인덕터 양단의 전압에 비례한다. 최초에, 스위치 S1을 닫는 순간, 노드(102, node)에서의 전압(102)이 입력 전압과 같아지고, V_OUT(103)은 0이 된다. 그러므로 전류 I_L(131)의 증가 비는 그 순간 커지게 된다.

전형적으로, 스위치 제어기(150)는 저장장치 L(130)과 C(140)의 값이 결정되는 주파수에 기초한 고정 동작 주파수(a fixed frequency of operation)에서 연속적으로 동작한다. 스위치 S1이 온(on)상태인 시간의 비율(듀티 사이클, duty cycle)은 출력 V_OUT(103)을 제어하는데 이용된다. 이상적으로, 듀티 사이클은 최초에는 길기 때문에 제어된 출력이 원하는 값에 빨리 도달하도록 충분한 에너지를 공급한다. 그러고 나서, 공급전압 V_IN(101)에 대한 제어된 출력 V_OUT(103)의 비와 연관된정상상태(steady-state)에 놓이게 된다. 도 1의 예시적 벅 변환기(buck converter)는 "다운" 변환기("down" converter)이므로, 바람직한 V_OUT(103)의 값은 공급전압 V_IN(101)보다 작다. 한편, 스위칭 "업" 변환기(switching "up" converter)들은 본 기술분야에 공지되어 있다.

시간이 조금 지나서, 전류 듀티 사이클(current duty cycle)에 따라 스위치 제어기(150)는 스위치 S1(110)을 열어, 공급입력 V_IN(101)을 저장장치 L(130)과 C(140)로부터 분리시킨다. 동시에 S2가 닫히면, 전류 I_L(131)이 인덕터 L(130)의 인덕턴스(inductance) 때문에 계속해서 흐르게 되고, 그것에 의해서 제 1 저장장치 L(130)에서 제 2 저장장치 C(150)까지 에너지를 전달하며, 따라서 제어된 출력 V_OUT(103) 에도 전달된다.

다음 사이클의 처음에서, 제어기(150)는 스위치 S1(110)을 닫고 스위치 S2(120)를 열어, 입력공급(101)을 저장장치 L(130)과 C(140)에 다시 연결한다. 이번에는, V_OUT(103)이 0보다 더 크다. 따라서 전류 I_L(131)의 증가 비는 최초 사이클의 시작에서보다 작다. 그 다음에 스위치 S1은 열리고, 스위치 S2는 닫히며, 전류 I_L(131)은 감소한다. 전류 I_L(131)의 감소 비(the rate of decrease)는, S2가 닫혀있고 S1이 열려있는 동안 전압 V_OUT(103)과 같게 되는 인덕터 L(130) 양단의 전압에 비례한다. 그 후에 스위치 S1은 다시 닫히고, 스위치 S2는 열리게 되고 그렇게 사이클은 계속된다. 스위치 제어기(150)는 전압 V_OUT(103)이 바람직한 제어된 전압 레벨에 이를 때까지 듀티 사이클(duty cycle)을 조절한다.

V_OUT(103)의 증가 비는 전류 I_L(131)과 부하에 의해 부하 쪽으로 흐르는 전류 I_OUT(103') 사이의 차(difference)에 비례한다. 정상상태(steady-state) 조건에서, 바람직한 제어된 전압레벨에서의 V_OUT(103)에서 평균전류 I_L(131)은 평균 부하 전류(average load current) I_OUT(103')와 같게 된다. 각 사이클동안, 이 평균 부하 전류 값에 관해서, 전류는 증가(S1-on)하고 감소(S1-off)하며 변화한다. 이 평균값에 대한 변화를 리플(ripple)이라 한다.

부하(load)가 최소 전류 슬립 모드(a minimal current sleep-mode)에 두어지게 될 때처럼 전류 요구(current demand)가 감소하게 되면, 스위칭 변환기는 계속해서, 적어도 잠시라도, 더 높은 전류를 공급하기 때문에 제어된 출력 V_OUT(103)은 증가하게 된다. 과전압(overvoltage)에 반응하여, 제어기(150)는 스위치 S1의 듀티 사이클을 감소시킨다. 그 듀티 사이클은 전류증가(S1-on)의 기간이 전류감소(S1-off)의 기간보다 실질적으로 적도록 줄어들고, 전하가 캐패시터 C(140)에서 제거됨에 따라 인덕터 L(130)을 도통하는 전류 I_L(131)이 0 아래로 감소하도록 줄어든다. 그리하며 각각의 후속 사이클에서, 평균전류 I_L(131)은 감소하고 과전압의 양도 줄어들게 된다. 결국, 슬립모드 부하(103')의 감소된 전류요구에 대해 평균전류I_L(131)은 감소하고, 제어기는 제어된 전압출력 V_OUT(103)을 유지하기 위해 스위치 S1을 주기적으로 닫는 정상상태 프로세스(steady-state process)를 계속한다.

고전류 요구(the high-current demand)와 저전류 요구(the low-current demand) 구성(scenario) 모두에서, 제어기(150)는 부하전류 I_OUT(103')로 인한 손실(loss), 그리고 인덕터 L(130)과 스위치 S1, S2 자체의 저항과 같은, 회로와 스위치의 손실(loss)로 인해 저장장치 L(130)과 C(140)로부터 제거된 에너지를 주기적으로 보충하기 위해 스위치 S1을 제어한다. 즉 상기 제어기는 제어된 출력(103, 103')에 결합하는 부하에 전달되는 전력양(the amount of power)을 제어하기 위해 입력 공급기(101)를 저장장치 L(130), C(140)에 연결시키고 분리시킨다. 제어된 출력(103, 103')에 요구되는 정확도(the level of precision or accuracy)에 따라서 다양한 기술들이, 제어된 출력을 공급하기 위한 스위칭을 제어하기 위해 제어기에 보편적으로 사용된다. 상기 제어기(150)는 그 요구되는 정확성을 유지하기 위해 적절한 피드백(feedback)을 받는다.

이동 전자 시스템(portable electronic system)들이 점점 대중화되고, 실현 가능해짐에 따라서, 그 시스템의 세그먼트(segment)들을 최소의 전력을 소비하는 슬립모드로 둘 필요성이 점점 중요하게 된다. 그러므로 그런 세그먼트들에 전력을 제공하는 장치들은 그 세그먼트들이 동작 모드(operational mode)에 있을 때는 고전류를 공급할 수 있어야 하고, 슬립 모드(sleep mode)에 있을 때는 최소의 전류를 공급할 수 있어야 한다. 고전류 요구(high current requirement)는 용량이 큰 캐패시터 장치들, 상세히 말하면 더 높은 전류를 도통시킬 수 있는 용량을 가진 인덕터 L(130)을 필요로 한다는 것이다. 더 큰 인덕터는 인덕턴스 비(inductance ratio)에 대해 더 큰 저항성을 그 자체가 가지고 있고 작은 인덕터에 비해 상대적으로 더 큰 손실을 가진다. 큰 전류가 요구되는 것에 비하면, 큰 손실은 중요하지 않을 수도 있다. 하지만 최소전류가 요구되는 것에 비하면 손실은 중요할 수 있다. 많은 경우에 있어서, 변환기와 연관된 손실을 극복하기 위한, 입력 공급기로부터의 에너지 전달은 슬립모드에 필요한 요구들을 지원하는데 필요한 에너지를 초과한다. 게다가, 더 높은 용량을 가진 인덕터는 더 낮은 전류용량을 가진 인덕터보다 물리적으로 더 커서, 종종 작고 이동 가능한 장치들 속에 패키징(packaging)하는데 부적합하다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 저전류 슬립모드 요구들(a low-current operational-mode requirements) 뿐만 아니라 고전류 동작모드 요구들(a high-current operational-mode requirements) 모두를 위한 효율적인 동작을 하는 스위칭 변환기를 제공하는 것이다.

이 목적을 위해 본 발명은 종속항들에서 정의된 것과 같은 소정의 전력 변환기, 소정의 시스템, 그리고 소정의 제어기를 제공한다. 유리한 실시예들은 종속항들에서 정의된다. 바람직하게, 본 발명은 변화하는 부하레벨에서 효율적인 동작을 제공하기 위해 스위칭 변환기를 제공한다. 바람직하게, 본 발명은 변화하는 부하레벨에서 효율적인 동작을 제공하기 위해 역동적으로 형태를 바꿀 수 있는(reconfigurable) 스위칭 변환기를 제공한다. 바람직하게, 본 발명은 고전류 모드 내에서 리플효과(ripple effect)들을 줄이는 스위칭 변환기를 제공한다. 바람직하게, 본 발명은 작고 이동 가능한 장치들 속에 패키징(packaging)하는데 적합한 컴포넌트(component)들을 포함하는 스위칭 변환기를 제공한다.

상기 목적들은 다양한 기술들을 사용하여 구현된다. 본 발명의 한 형태에 있어서, 입력 공급기를 제어된 출력에 연결하고 분리하는데 사용되는 전송장치는, 바람직하게, 전달된 에너지가 최상의 전압전위(a peak voltage potential)에서 저장되는 동안 불능(disable)이 된다. 본 발명의 다른 형태에서, 복수개의 전송장치는 입력 공급기를 저장장치들에 선택적으로 연결하는데 사용된다. 고전류 모드에서, 전송장치들 그리고 그와 연관된 저장장치 각각은 입력 공급기를 제어된 출력에 연결하는데 사용된다. 최소 전류 모드에서는, 전송장치들 그리고 그와 연관된 저장장치 각각은 단지 하나의 전송 그리고 저장장치가 사용될 때까지 선택적으로 불능이 되고(disable), 그리고 이 남아있는 장치도 또한 선택적으로 불능이 된다(disable). 그 저장장치들은 분리되어있기 때문에, 각각의 저장장치는 고전류 동작을 위해 필요한 것 보다 더 작다. 따라서 고전류 스위칭변환기들과 연관된 손실들을 최소화 할 수 있고 고전류 가능 장치들과 연관된 패키징(packaging)의 제약을 줄일 수 있다. 본 발명의 다른 형태에서, 복수개의 전송장치들은 서로 다른 위상(phase)에서 동작하기 때문에 고전류 동작과 관련된 리플(ripple)을 줄일 수 있다. 본 발명의 다른 형태에서, 저장장치는 주어진 부하레벨(load level)에 효율적으로 동작하기 위한 크기로 만들어진다.

본 발명은 전자장치(electronic device) 분야에 관한 것으로, 특히, 전원 변환기들(converters)과 조정기들(regulators)을 스위칭(switching)하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 다음 도면을 참조하여, 예시에 의해 더 상세히 설명된다. 즉,

도 1은 종래 스위칭 변환기의 예시적 블록도(block diagram).

도 2는 본 발명에 따른 분산된(distributed) 전송장치들과 저장장치들을 가진 스위칭 변환기의 예시적 블록도.

도 3은 본 발명과에 따른 분산된 전송장치들과 저장장치들 그리고 위상 모니터장치들을 가진 스위칭 변환기의 예시적 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 복수개의 변환기들을 포함하는 시스템의 예시적 블록도.

본 도면들의 전반에서, 같은 참조 숫자들은 형태 혹은 기능이 유사하거나 일치하는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 분산된 전송장치들과 저장장치들(201-204)을 가진 스위칭 변환기(200)의 예시적 블록도를 나타낸다. 이 블록도는 본 발명의 특징들의 결합(a combination of aspects)을 도시하고 있다. 도 1의 예시에서처럼, 벅 변환기(buck converter)는 스위칭 변환기(switching converter)의 원리들과 본 발명의 원리들을 위한 패러다임(paradigm)으로서 제시되었다. 즉, 다른 스위칭 변환기 구조들도 여기 제시된 원리들과 기술들에 똑같이 적합하다.

본 발명의 제 1 특징에 따르면, 스위치 제어기(250)는 각각의 전송장치(201-204)를 불능이 되게 하는(disable) 제어신호들을 제공하도록 위해 구성되어 있다. 상기 불능모드(disabled mode)는 스위치 S1, S2 둘 모두를 개방상태로 제어하는 것과 상응한다. 스위치 S1은 종래의 스위치 변환기에서처럼 에너지를 저장장치들 L(230), C(140)에 전달한 후에 열린다. 바람직하게, 스위치 S2는 종래의 스위칭 변환기에서처럼 S1이 열릴 때 닫힌다. 그것에 의해서 제 1 저장장치 L(230)에서 제 2 저장장치 C(140)로의 에너지 전달이 계속되게 된다. 상기 불능상태(disabled state)에 들어가기 위해서, S2는 인덕터 L(230)을 도통한 전류가 감소하여 0이 될 때 열린다. 그것에 의해서 저장장치 L(230)과 C(140)사이에 어떤 후속의 에너지 전달도 없게 한다. S1과 S2 둘 모두 부가의(additional) 에너지 전송이 입력 공급기(101)로부터 요구되어질 때까지 열린 상태로 남아있다. 인덕터 L(230)을 도통하는 전류의 흐름이 0 일 때 스위치 S2를 개방함으로써, 입력 공급기로부터 저장장치 L(230)에 전달되어 온 에너지는 전부 최고 전압전위로 캐피시터 C(140)내에 축적되는 점에 주목하라. 비록 그 결과로 생기는 캐패시터 C(140)에 걸리는 전압 V_OUT(103)은 명목상 요구되는 제어전압 값을 초과할지라도, 대부분의 시스템 구성요소들은, 특히 최소 전류 슬립모드 내에 있는 동안은 명목상보다는 더 높은 전압공급에 대해서 더 강하다는 점에 주목하라.

캐패시터 C(140)에 저장된 에너지의 양에 관련하여, 최소 전류 모드 안에 있는 동안 부하의 에너지 요구에 따라서 스위치 S1과 S2는 충분한 시간동안(substantial time duration) 열린 채로 있을 수 있다. 이 불능모드(disabled mode)내에 있는 동안, 어떤 전류도 입력공급(101)으로부터 공급되지 않고, 어떤 스위치 손실들(losses)도 발생되지 않고, 인덕터 L(230)을 도통하는 전류흐름에 의해 어떠한 저항손실들(resistance losses)도 발생되지 않는다. 그리하여, 불능모드 동작을 제공함으로써, 단지 하나의 전송장치 및 저장장치(201)를 포함하는 시스템은 최소전류슬립모드 장치 부하들을 위해 효율적인 에너지 전달을 제공한다. 즉, 스위칭 변환기(201)는 고전류 요구기간들 동안 연속모드에서 동작하고, 저전류 요구기간들 동안은 불연속모드에서 동작한다.

하지만, 그 하나의 저장장치 L(230)이 전체의 고전류 부하요구를 지원하기 위해 충분히 커야하는 주된 이유 때문에, 슬립모드 내에 있는 동안 부하에 의해 사용된 에너지를 보충하기 위해 에너지가 입력 공급기로부터 전달되어야만 할 때마다, 단 하나의 전송 및 저장장치의 실시예(embodiment)는 고전류 스위칭 변환기와 관련된, 고손실을 여전히 나타낼 것이고, 그 결과 저전류 요구를 지지하기 위해 사용될 수 있는 인덕터에 비해, 덜 효율적인 저항 대 인덕턴스 비(a inductance-to-resistance ratio)를 가진다는 점에 주목하라.

본 발명의 제 2 특성은 불능-가능(disable-able)의 전송장치들과 저장장치들의 분산(distribution)인데, 이는 도 2의 복수의(multiple) 장치들(201-204)에 의해 도시된다. 복수의 저장장치들(장치들(201-204) 각각의 L(230))을 제공함에 의해서, 각각의 저장장치들은 하나의 저장장치 실시예에서 요구되는 것 보다 더 작아질수 있다. 즉, 고전류 부하요구 상황 내에서, 그 장치들(201-204) 모두는 가능인 상태(enable)가 되고, 저장장치 C(140)는 각각의 L(230)로부터의 전하를 축적한다. 만일 부하요구가 감소하면, 각 전송 그리고 저장장치(201,202,203,204)들은 불능모드(disable mode) 내에 둘 수 있다. 그것에 의해서, 입력공급(101)으로부터의 요구에너지 전송에서, 불능된 장치(disabled device) 각각의 스위칭손실 및 유도전류손실들(current-induced losses)을 제거한다. 바람직한 실시예에서, 그 장치들(201-204) 중 하나의 저장장치 L(230)들은 최소한의 크기로 만들어진다. 그리고 이 각각의 장치는 필요하다면 불능모드(disable mode)내에 두어지지 않는 장치(201-204)이다. 만일 부하장치가 슬립모드 내에서 동안 적지 않은 에너지의 양을 끌어들인다면 그 최소화된 저장장치 L(230)은 입력공급으로부터 이 에너지의 전달을 허용하도록 하는 크기로 만들어질 것이다. 즉, 바람직한 실시예에서, 단지 하나의 전송장치는 최소 전류 요구들을 최소화하는 것이 가능할 만큼 작게 만들어진다. 마찬가지로, 만일 부하장치(load device)가 복수개의 전류 요구 모드들을 가진다면, 그 장치들(201-204)은 각각 추가장치(201-204)의 증가 가능함(the incremental enabling)이 요구전류의 그 다음 증가를 제공하도록 디자인된다. 본 발명의 일반목적 실시예(a general-purpose embodiment)에서, 저장장치들 L(203)은 두 개의 파워들(1x, 2x, 4x, 8x 등등)을 사용하도록 하는 크기로 만들어 질 수 있다. 그것에 의해서, 전류 부하요구들의 2^N-1개의 결합에 이르기 위해 N개의 장치들(201-204)의 선택을 허용하는데, 거의 모든 결합이 전위에 있어서(potentially) 하나의 장치 변환기(a single device converter) 실시예보다 더 적은 손실을 제공한다. 또한, 그 저장소자들을 분리시킴으로써, 스위칭 변환기(200)를 패키징(packaging)하는 것이 유용한 선택들의 수가 증가하고 , 그것에 의해서 전위상(potentially) 더 작고(혹은 작거나) 더 가벼운 솔루션(solution)을 가능하게 한다.

도 2의 예시적 실시예는 각 스위치 S1, S2를 켜고 끄기 위한 시간을 결정하기 위해 스위치 제어기(250)에 의존한다. 앞서 언급한대로, S2는 인덕터 L(230)을 도통하는 전류흐름이 0일 때 바람직하게 오프(off)되게 된다. 이 시간은 이상적인 경우에 있어서, 소자 L(230)과 C(140)의 값들과 그리고 회로의 초기조건(initial conditions of the circuit)의 인지(knowledge)에 의해서 결정 가능하다(determinable). 실제 컴포넌트 값들(component values)과 그리고 그외 요소(factor)들이 이상적 조건들과의 차이 때문에 손실들을 초래할 수 있다. 적절한 컴포넌트(component)들의 변화들에 실질적으로 독립한 스위칭 시간들을 결정하기 위한 방법들을 제공하기 위해, 도 3은 본 발명에 상응하는 위상 모니터장치(phase monitoring device) M(301-304)을 포함하는 다른 스위칭 변환기(300)의 예시적 블럭도를 도시하고 있다. 그 장치 M(301-304)은 각 인덕터 L(230)로부터 0의 전류흐름을 표시(indication)하기 위한 것이다. 그리고 본 기술분야에서 일반적인 다양한 형태들로 실시될 수 있다. 예시적 실시예에서, 장치 M(301-304)들은 그 장치 M(301-304)을 도통하는 전류흐름에 대한 감지(sense)의 2진(0/1)표현(-/+)을 제공하고, 스위치 변환기는(350)는 각각의 변화를 검출(detection)한다. 0전류 신호는 스위치 S2를 열어 그에 상응하는 최소한의 에너지 손실을 가지는 전달 그리고 저장장치(201-204)를 불능이 되도록 하기 위해 사용된다. 분리된 장치(201-204)들의 성능을 증진시키기 위한 다른 기술들이 또한 구현될 수 있다. 예를 들면, 제어기(350)는 스위치 S1의 스위칭을 조정하여 각 장치(201-204)내의 전류가 적절하게 평형화 되도록 각 저장장치 L(230)의 크기와 일치하는 각각의 장치(201-204)내의 전류의 측정(measurement of the current)을 사용할 수도 있다.

바람직한 실시예에서, 스위치 제어기(350)는 다른 구성요소들을 슬립모드에 두는 본 시스템에 의해서 최소 전류 슬립모드를 통지받는다(notified). 그러한 통지(notification)대신에 혹은 그러한 통지에 더하여, 제어된 출력 V_OUT(103) 또는 제어된 출력(103, 103')을 나타내는 다른 신호가 스위치 제어기(350)에 제공되어진다. 앞서 언급한대로, 한 컴포넌트(component)가 슬립모드 내로 들어갈 때, 부하요구의 갑작스런 변화가 과전압(overvoltage) 상태를 전형적으로 초래할 것이고, 거기서 제어된 전압(103, 103')은 스위치 제어기가 적어도 일시적으로나마, 계속해서 이전의 더 높은 부하전류를 공급하려고 하기 때문에 통상의 제어된 전압을 초과한다.

본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 제어기(350)는 특히 고전류 동작모드에서 각각의 스위치 S1이 닫히는, 타이밍(timing) 또는 위상(phase)을 제어하도록 구성되어 있다. 즉, 복수의 장치(201-204)들이 사용 가능한(enable) 고전류 요구 상황에서, 제어기(350)는 상이한 시간에 각각의 스위치 S1들을 온(on)으로 하여 다른 장치가 전류를 공급하지 못하고 있는 동안( 그 장치의 S1은 오프(off))한 장치가전류를 공급하고 있게(그 장치의 S1은 온(on)) 할 수 있도록 한다. 저장장치 C(140)에 제공되는 전류의 총 양은 그 전류들의 대수적 합(algebraic sum)이다. 당업자라면 알 수 있듯이, S1-on 시간을 스태거링(staggering) 함으로써 리플 톱니(ripple sawtooth)의 빈도(the frequency)는 증가할 것이지만, 이 리플의 크기는 작아질 것이다.

도 4는 본 발명에 상응하는 복수개의 스위칭 변환기(401-403)를 포함하는 시스템(예를 들면 PC 보드, 400)의 예시적 블록도를 도시하고 있다. 스위칭변환기(401-403) 각각은 전력 공급기(410)로부터 전력을 공급받고 상응하는 시스템 구성요소들(471-473)에 제어출력(411-413)을 공급한다. 본 시스템(400)은 시스템의 구성요소들(471-473) 각각을 슬립모드 내로 선택적으로 두도록 구성되어 있는 시스템 제어기(450)를 가지는 것으로 도시되어 있다. 각 시스템 구성요소들(471-473)의 슬립모드 안 혹은 밖에 놓여지게 될 때처럼 전류요구가 상당히 변화하게 될 때, 상응하는 스위칭 변환기(401-403)는 그것의 분산된 전송 및 저장장치들(201-204) 중 하나 또는 그 이상이 새로운 요구를 효율적으로 제공하는 것을 선택적으로 불가능 또는 가능하게 만든다. 이러한 방법으로, 본 시스템의 총 에너지 소비는 구성요소들(471-473) 각각에 의한 요구에 대해 최적화 된다.

앞서 말한 것은 단지 본 발명의 원리들을 설명한 것이다. 따라서 당업자들이 비록 여기서처럼 명백하게 설명되고 보여질 수는 없다할지라도 본 발명의 원리들과 그 범위 내에서 구현되는 여러 가지 장치를 고안하는 것이 가능할 것이라 평가된다. 예를 들면 다른 저장장치 L(140)이 복수의 전송 및 저장장치들 사이에 위치하여, 더 작은 용량 캐패시터들을 각각의 장치 내에 둘 수 있다. 이와 같은 방법으로 다른 스위칭 방법들이 선택적인 전송 및 저장장치들을 불능(disable)으로 되게 할 수 있다. 예를 들면, 일부 종래의 벅 제어기들은 스위치 S2 대신에 다이오드(diode)를 사용한다. 그 다이오드는 인덕터 L(130)을 지나는 양의 전류 I_L(131)은 흐르지만 그 역방향 전류는 차단하도록 되어있다. 전송장치들(201-204) 각각에 대해 다이오드 벅 조정기를 사용하는 것은 본 발명의 실시예에서 스위치 S2에 대한 필요를 미연에 방지하지만 특히 저전류 동작에서 다이오드의 효율은 제어된 스위치의 효율보다 적다. 다른 스위칭 컨버터 실시예들은 본 발명에 상응하는 전위 같은 에너지의 바람직한 저장을 하기 위해 다른 스위칭 배열을 요구할 수도 있다. 마찬가지로, 저장장치 L(230)의 결합의 비선형(non-linear) 배열(sizing)은 더 작은 크기의 저장장치 L(230)의 적적한 선택에 의해 상대적으로 정확한 튜닝(tuning)을 허용하는 반면, 넓은 전류요구 범위를 허용한다. 상기 및 다른 여러 가지 시스템 구성과 최적화 특징들은 이상의의 관점에서 당업자에게 자명할 것이고, 첨부된 청구범위 내에 포함된다. 청구항에서, 괄호 안에 삽입된 어떤 참고표시들도 청구항을 한정하는 것으로 해석되지 않을 것이다. "포한한다(comprising)"라는 단어는 청구항에 명시된 요소들이나 단계들이라기보다는 그 요소들이나 단계들의 존재를 배제하지 않는다는 것이다. 본 발명은 몇몇 별개의 소자들을 포함하는 하드웨어(hardware)에 의해서, 그리고 적절하게 프로그램이 된 컴퓨터에 의해서 실시될 수 있다. 몇 가지 수단들을 나열하는 장치에서, 이러한 몇몇 수단들은 하나의동일 하드웨어 항목에 의해서 실시될 수 있다. 어떤 방법들이 상호 다른 종속항에서 인용되다. 단순한 사실이 이들 수단들의 조합이 유리하도록 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.

Claims

입력 공급기(101, input supply)로부터 제어된 출력(103)을 공급하는 전력변환기(200,300, power converter)로서,

입력 공급기(101)로부터 제어된 출력(103)으로 에너지를 전달하는 복수개의 전송장치들(201-204)과,

제어된 출력과 연관된 부하의 에너지 요구에 의존하여 복수개의 전송장치들(201-204)중 하나 이상의 전송장치들(201)을 선택적으로 불능(disabling) 및 가능(enabling)으로 하는 제어기(250,350)를 포함하는,

전력 변환기(200,300).
제 1 항에 있어서,

상기 제어기(250)는

연속모드에서 상기 하나 이상의 전송장치(201)들을 동작시킴으로써 상기 하나 이상의 전송장치(201)들을 가능으로(enable) 하고,

제어된 출력(103)과 연관된 상기 부하의 에너지 요구에 의존하여, 불연속모드에서 상기 하나 이상의 전송장치(201)를 동작시킴으로써 상기 하나 이상의 전송장치들을 불능(disable)으로 하도록 구성되는 전력 변환기(200,300).
제 1 항에 있어서,

상기 복수개의 전송장치들(201-204) 각각의 전송장치는

저장장치(230)와, 제어된 출력과 연관된 부하로의 후속 전송을 위해 입력 공급기(101)에서 저장장치(230)로의 에너지 전달을 용이하게 하는 제 1 제어입력(S1)을 포함하고,

상기 제어기는 상기 부하의 요구에 의존하여 각 전송장치의 각 제 1 제어 입력(S1)을 선택적으로 어써트(assert)함으로써 각각의 전송장치를 가능(enable)으로 하도록 구성되는 전력 변환기(200,300).
제 3 항에 있어서,

상기 복수개의 저장장치들(201-204)의 각 전송장치는 상기 저장장치(230)로부터 상기 제어된 출력(103)으로의 에너지 전송을 용이하게 하는 제 2 제어입력(S2)을 더 포함하고,

상기 제어기(250)는 부하의 요구에 의존하여 상기 복수개의 전송장치들(201-204)의 각각의 제 2 제어입력(S2)을 선택적으로 어써트(assert)함으로써 각 전송장치를 가능(enable)으로 하도록 구성된 전력 변환기(200,300).
제 4 항에 있어서,

상기 제어기(250)는 상기 저장장치(230)와 연관된 널-전류(null-current)표시에 의존하여 적어도 하나의 전송장치의 상기 제 2 제어입력(S2)의 어써트(assert)를 억제하는 전력 변환기(200,300).
제 4 항에 있어서,

상기 부하의 요구가 실질적으로 감소될 때, 제어기(250)는 상기 제 1(S1) 및 제 2(S2) 제어입력들의 어써트(assertion)를 억제함으로써 상기 복수개의 전송장치들(201-204) 중 적어도 하나의 전송장치를 불능으로 하도록 구성된 전력 변환기(200,300).
제 3 항에 있어서,

상기의 제어기(250)는 복수개의 위상들 중 한 선택위상(a select phase)에서 상기 복수개의 전송장치들(201-204)의 각 제 1 제어입력(S1)을 어써트하는 전력 변환기(200,300).
제 3 항에 있어서,

상기의 제어기(250)는 제어된 출력(103)과 연관된 상기 부하의 요구에 의존하는 시간동안 각각의 제 1 제어입력(control input)을 어써트(assert)하는 전력 변환기(200,300).
제 3 항에 있어서,

상기 제어된 출력(103)에 연결되어 상기 복수개의 전송장치들(201-204) 각각의 저장장치(230)로부터의 에너지를 전달받는 다른 저장장치(140)를 더 포함하고,

상기 저장장치(230) 및 상기 다른 저장장치(140)는 인덕터와 캐패시터 중 적어도 하나를 포함하는 전력 변환기(200,300).
제 3 항에 있어서,

상기 복수개의 전송장치들(201-204) 각각의 상기 저장장치(230)는 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 포함하고,

상기 복수개의 전송장치(201-204)들의 상기의 인덕턴스 값들의 합성은 부하의 요구의 최대값에 의존하는 전력 변환기(200,300).
제 10 항에 있어서,

상기 복수개의 장치들(201-204) 중 적어도 하나의 상기 인덕터 장치의 인덕턴스 값은 부하 요구의 최소값에 또한 의존하는 전력 변환기.
입력 공급기(101)로부터 제어된 출력(103)을 제공하기 위한 전력 변환기(200,300)로서,

제 1 제어신호(S1)에 의존하여 상기 입력 공급기로부터 에너지를 수신하는 제 1 저장장치(230)와, 제 2 제어신호(S2)에 의존하여 상기 1 저장장치(230)로부터 에너지를 수신하는 제 2 저장장치를 포함하는 전송장치와,

상기 제어된 출력(103)과 연관된 부하에 의존하여 상기 제 1 제어신호(S1)와 제 2 제어신호(S2)를 어써트(assert)하기 위한 제어기(250,350)를 포함하고,

최소 부하 조건에서 상기 제어기는 상기 제 1 저장장치(230)와 제 2 저장장치(140) 둘 모두에 의한 에너지 수신을 억제하는 전력 변환기(200,300).
제 12 항에 있어서,

상기 제어기(250,350)는

과전압 지시(overvoltage indication)에 의존하여 상기 전송장치의 제 1 제어 신호(S1)의 어써트(assert)를 억제하고,

널-전류 표시(indication)에 의존하여 상기전송장치의 제 2 제어 신호의 어써트(assert)를 억제하는 전력 변환기(200,300).
제 12 항에 있어서,

상기 제어기(250,350)는 상기 제어된 출력(103)과 연관된 상기 부하에 의존하는 시간동안의 상기 제 1 제어입력을 어써트(assert)하는 전력 변환기(200,300).
복수의 컴포넌트들(471-473)과,

에너지 소스(source)를 공급하는 전원(410)과,

각각의 전력 변환기가 상기 전원(410) 및 복수의 컴포넌트들(471-473)의 대응하는 컴포넌트에 각각 연결되어 상기 에너지 소스(source)로부터 각각의 대응하는 컴포넌트들(471-473)에 제어된 출력들(411-413)을 공급하는 복수의 전력 변환기들(401-403)을 포함하고,

상기 복수의 전력 변환기(401-403) 중 적어도 하나의 전력 변환기(401)는

에너지 소스를 상기 제어된 출력(411)에 연결시키는 복수개의 장치들(201-204)과,

상기 적어도 하나의 전력 변환기(401)로부터 상기 제어된 출력(411)을 수신하는 상기 컴포넌트(471)의 부하 요구에 의존하여 상기 복수의 전송장치들(201-204) 중 적어도 하나의 전송장치를 선택적으로 가능(enable) 및 불능(disable)으로 하는 제어기(350)를 포함하는 시스템(400).
제 15 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전력 변환기(401)의 상기 제어기(350)는 복수개의 위상들 중 대응되는 위상에서 상기 복수개의 전송장치(201-204)를 선택적으로 가능(enable)으로 하여 에너지의 소스를 연결하는 시스템(400).
공통 입력 공급기(101,common input supply) 및 공통 제어된 출력(103,common controlled output)을 갖는 복수개의 전송장치들(201-204)을 제어하기 위한 제어기(250,350)로서,

상기 제어된 출력과 연관된 부하의 에너지 요구에 독립적으로 상기 복수의 전송장치들(201-204)의 하나 이상을 선택적으로 가능 혹은 불능으로 하도록 구성되는 제어기(250,350).
제 17 항에 있어서,

상기 제어기(250,350)는,

상기 복수개의 전송장치들(201-204)의 대응하는 전송장치로 스위치 제어 신호를 각각 제공하여 상기 대응하는 전송장치를 통하여 상기 공통 제어된 출력(103)에 공통의 입력 공급기(101)의 연결을 용이하게 하는 복수개의 스위치 제어기와,

복수개의 위상들 중 한 선택 위상에서 각각의 스위치 제어 신호를 공급하기 위해 각각의 스위치 제어기를 제어하는 위상 제어기(a phase controller)를 포함하는 제어기(250,350).
제 18 항에 있어서,

각각의 스위치 제어기(250,350)는 상기 공통 제어된 출력(103)에 연관된 부하에 의존하여 상기 스위치 제어신호를 공급하는 제어기(250,350).
제 18 항에 있어서,

각각의 스위치 제어기는 각각의 전송장치 내에 흐르는 전류에 의존하여 각각의 전송장치에 상기 스위치 제어 신호를 공급하도록 구성된 제어기(250,350).