KR20030042968A - 전하 순환 회로를 이용한 아이 씨 카드용 승압 장치 및 그제어방법 - Google Patents

전하 순환 회로를 이용한 아이 씨 카드용 승압 장치 및 그제어방법 Download PDF

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김무섭
김호원
최용제
박영수
정교일
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한국전자통신연구원
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/462—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc as a function of the requirements of the load, e.g. delay, temperature, specific voltage/current characteristic
    • G05F1/465—Internal voltage generators for integrated circuits, e.g. step down generators

Abstract

본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치 및 그 제어방법은, IC 카드 시스템의 구동시 잉여 전하를 리사이클링을 통해 효율적으로 사용하기 위한 것으로, IC 카드 시스템과 같은 저전력 시스템에서 잉여 전하를 축적하였다가 승압 회로(Charge 펌프 회로)를 구동할 때 축적된 전하를 이용하여 각 승압단의 턴온 전압을 상쇄시켜 줌으로써, Charge 펌프회로의 고속 동작을 가능하게 하며, 승압단의 턴 온 전압의 보상을 위해 외부에서 따로 전원을 공급할 필요가 없으므로 Charge 펌프 회로의 전력 소모를 최소화할 수 있는 것이다.

Description

전하 순환 회로를 이용한 아이 씨 카드용 승압 장치 및 그 제어방법{IC card charge pump circuit using charge recycling}
본 발명은 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 IC 카드 시스템 회로 구동 시 내부 동작 전압보다 높은 전압이 필요한 경우, 내부 전압을 이용하여 짧은 시간내에 원하는 전압까지 승압시켜 구동에 필요한 전압을 공급하기 위한 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, IC 카드는 사용자 비밀 키, 개인 신상 정보, 주요 코드 등의 중요 정보를 내장하고 있으며, 기존의 자기 테이프 카드에 비해 높은 보안성을 제공한다는 이점으로 많은 응용 분야에서 사용되고 있는 실정이다.
IC 카드는 카드 리더에서 전원을 공급받아서 구동하는 접촉형 카드와 전자기 유도 원리를 이용하여 전원을 공급받는 비 접촉형 카드로 구분된다. 이러한 IC 카드는 공통적으로 카드 내부 회로를 구동하기 위하여 외부에서 전원을 인가 받는다는 공통점을 가지고 있다.
또한, IC카드는 사용자의 주요 정보인 비밀키, 사용자와 관련한 개인 정보 및 사용 서비스를 메모리 장치인 EEPROM에 저장해서 사용하고 있다. 이러한 EEPROM 장치에 데이터를 쓰기(Write)위해서는 일반적으로 카드 내부회로에서 사용하는 전압보다 3-4배 정도 높은 전압을 필요로 하며 이러한 전압을 생성하기 위해 승압장치 예를 들면, 챠지 펌프(Charge Pump)회로를 사용한다.
IC 카드 시스템의 내부 회로에서 구동 전압보다 높은 전압을 필요로 하는 경우 사용되는 Charge 펌프 회로는 목표로 하는 전압까지 도달하는데 일정 시간 동안 대기 상태를 필요로 하는데, 이러한 대기 시간은 결국 회로의 응답 측성을 결정하는 요인이 될 수 있다.
도 3을 참조하여 일반적인 Charge 펌프 회로에 대하여 간단하게 살펴보기로 하자.
도 3은 일반적인 Charge 펌프 회로를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 Charge 펌프 회로는 입력되는 전압(Vin)을 다이오드(D1, D2, D3)와 콘덴서(C1, C2, C3)를 이용하여 승압을 하게 된다. 즉, Charge 펌프 회로는 다이오드와 병렬로 콘덴서가 연결되어 구성되고 이 구성이 다단으로 연결되어 이루어지는 것이다.
Charge 펌프 회로는 여러 개의 단이 반복적으로 구성되어 있으며, 각 단에서는 위상이 서로 반대인 2개의 클럭(clk1, clk2)을 사용하여 출력 전압을 승압시키는 것이다.
이러한 Charge 펌프 회로의 기술은 각 단을 통과할 때, 해당 단의 출력 전압은 각 단을 구성하는 다이오드 또는 트랜지스터의 턴온 전압때문에 충분히 증가하지 못하게 된다. 이러한 현상은 Charge 펌프회로를 구성하는 단의 수가 많아 질 수록 감소하는 전압의 양이 크므로 출력 전압까지 도달하는 시간을 지연시키는 원인이 된다. 이러한 문제를 해소하는 방법으로 구동 전압을 Charge 펌프 회로의 각 단에 제공하여 턴 온 전압을 상쇄하여 Charge 펌프 회로의 출력 값에 도달하는 시간을 빨리 하는 방법이 제기되고 있다.
그러나 이런한 방법은 Charge 펌프 회로의 출력은 빨리 나오게 할 수 있으나, 항상 Charge 펌프 회로의 각 단에 구동 전압을 인가해 주어야 하기 때문에 Charge 펌프 회로를 사용하지 않는 경우에도 전력을 소모하여 저전력용 칩이나 소자에는 사용할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 본 발명의 목적은, IC 카드 시스템 회로 구동 시 내부 동작 전압보다 높은 전압이 필요한 경우, 내부 전압을 이용하여 짧은 시간내에 원하는 전압까지 승압시켜 구동에 필요한 전압을 공급하기 위한 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 IC 카드 시스템에 대한 블록 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치에 대한 블록 구성을 나타낸 도면.
도 3은 일반적인 승압 회로(전하 펌프 회로)를 나타낸 도면.
도 4는 도2에 도시된 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치에 대한 상세 회로 구성에 대한 일 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법에 대한 동작 플로우챠트를 나타낸 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 전원 공급부 110 : 전원 입력부
120 : 스위칭 제어 회로부130 : 전하 축적 회로부
140, 141 : 스위칭부150 : 승압 회로부
200 : 내부 회로부
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치의 일 측면에 따르면, 전원 공급부와 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원에 의해 구동되는 내부 회로를 포함하는 IC 카드 시스템에 있어서, 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 축적하는 축적 수단; 상기 축적 수단에 축적된 전압을 일정 레벨 승압하여 상기 IC 카드 시스템의 내부 회로로 공급하는 승압 수단; 제공되는 스위칭 제어신호에 따라 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 상기 축적 수단에 축적하거나, 상기 축적 수단에 축적된 전압이 상기 승압 수단으로 공급될 수 있도록 각각 스위칭하는 스위칭 수단; 상기 IC 카드 시스템의 내부 회로의 동작 모드에 따라 상기 전원 공급부의 공급 전원이 축적 수단에 축적 되도록 하거나, 축적 수단에 축적된 전압이 상기 승압 수단에 공급되도록 상기 스위칭 수단에 스위칭 제어 신호를 제공하는 스위칭 제어 수단을 포함할 수 있다.
상기 스위칭 제어 수단은, 카드 시스템의 구동 모드가 단순 구동 모드인지, 고전압 구동 모드인지를 판단하는 모드 판단부와; 상기 축적 수단에 축적된 전하량을 검출하는 전하량 검출부를 포함하고, 또한, 상기 스위칭 제어수단은, a) 상기 모드 판단부의 판단 결과 카드 시스템이 단순 구동 모드인 경우, 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원이 상기 축적 수단에 축적되도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 경로를 설정하고, b) 상기 모드 판단부의 판단결과 카드 시스템이 고전압 구동 모드인 경우 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원과 상기 축적 수단에 축적된 전원이 상기 승압 수단으로 공급될 수 있도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 경로를 설정하며, c) 상기 전하량 검출부로부터 검출된 축적 수단에 축적된 전하량이 기 설정된 임계치 이하일 경우 상기 스위칭 수단을 계속적으로 축적 수단에 축적되도록 하고, 임계치 이상일 경우 축적 수단에 전원이 축적되지 않도록 상기 스위칭 수단의 경로를 설정하는 스위칭 경로 설정부를 포함한다.
또한, 상기 스위칭 경로 설정부는, 카드 시스템의 동작 모드와 축적 수단에 축적된 전하량에 우선 순위를 부가하여 상기 스위칭 수단의 경로를 설정하고, 상기축적 수단은, 카드 시스템 내 또는 외부에 별도로 구현할 수 있는 것이다.
또한, 상기 스위칭 제어 수단은, 상기 축적 수단에 전하 축적시 일정 시간 동안 주기적으로 축적될 수 있도록 하고, 상기 전하량 검출부로부터의 전하량 검출 주기를 설정하기 위한 시간 설정부를 포함할 수 있으며, 상기 축적 수단은, 하드웨어적으로 독립된 단일 장치 또는 여러 개의 소자를 조합하여 구성할 수 있다. 여기서, 축적 수단은, 캐패시터로 구성할 수 있다.
상기 스위칭 수단은, 상기 전원 공급부와 축적 수단과 승압 수단과 각각 연결되어 스위칭 제어 수단에서 제공되는 스위칭 제어신호에 따라 전원 공급부에서 제공되는 전원을 축적 수단에 축적하거나 축적된 전하를 승압 수단으로 제공하기 위한 전압 공급 경로를 설정하는 제 1 스위칭부와; 상기 축적 수단과 접지 및 승압 수단과 연결되어 스위칭 제어수단으로부터 제공되는 스위칭 제어신호에 따라 전하의 축적과 승압 수단으로의 전원 공급 경로를 설정하는 제2 스위칭부로 구성된다. 여기서, 상기 제1,2 스위칭부는, 각각 적어도 하나의 NMOS 또는 PMOS로 구성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법의 일 측면에 따르면, 전원 공급 장치, 전하 축적 장치, 내부 회로 장치를 포함하는 IC 카드 시스템의 전원 공급 방법에 있어서, 상기 카드 시스템의 동작 모드를 판단하는 단계; 상기 판단 결과 카드 시스템이 고전압 동작 모드인 경우 상기 전하 축적 장치에 축적된 전하가 출력될 수 있도록 전원 공급 경로를 설정하는 단계; 상기 전원 공급 경로가 상기 전하 축적 장치로 설정되면, 상기 전하 축적 장치로부터 출력되는 전하와 전원 공급장치로부터 공급되는 전원을 일정 레벨 승압하여 상기 카드 시스템의 내부 회로에 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 전하를 일정 레벨 승압하여 상기 카드 시스템의 내부 회로에 공급하는 단계에서, 상기 전하 축적 장치에 축적된 전하량을 검출하는 단계; 검출된 전하량이 이 설정된 기준값 보다 낮은 경우 상기 전원 공급 장치로부터 공급되는 전원을 상기 전하 축적 장치로 축적함과 동시에 전원 공급 장치의 공급 전원을 승압하여 상기 내부 회로 장치로 제공하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 카드 시스템의 동작 모드가 단순 동작 모드 인 경우, 상기 전원 공급 장치에서 공급되는 전원을 상기 전하 축적 장치에 축적하는 단계; 상기 전하 축적 장치에 축적된 전하량을 검출하는 단계; 검출된 전하량이 기 설정된 임계치 이상으로 축적된 경우 상기 전하 축적 장치로의 전하 축적을 차단하는 단계를 포함하고, 상기 전하 축적 장치에 전하 축적시 일정 시간 동안 주기적으로 축적될 수 있도록 하고, 상기 전하량을 검출하기 위한 전하량 검출 주기를 설정하는 단계를 포함하는 것이다.
이하, 본 발명에 따른 IC 카드용 전원 공급 장치 및 그 제어방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 살펴보는데 있어 먼저 도 1을 참조하여 본 발명이 적용되는 IC 카드 시스템에 대하여 간단하게 살펴보기로 하자.
도 1은 일반적인 IC카드 시스템에 대한 블록 구성을 나타낸 도면으로서, 도1을 참조하여 그 구성을 살펴보면, IC 카드 시스템은, 전원 공급 회로부(100)와 내부 회로부(200)로 구성된다.
내부 회로부(200)는 정보를 저장하는 메모리(220)와, 암호화 전용보조 프로세서인 암호 프로세서(230), 외부와의 통신을 수행하는 인터페이스(270), 클럭 신호 등을 발생시키는 타이밍 회로부(260), 침입 탐침 기능을 수행하는 보안 센서 회로부(240), 상기 보안 센서 회로부(240)의 신호에 따라 리셋 신호를 발생시키는 리셋 신호 발생부(280), 공개키나 비밀키 등의 사용에 필요한 난수를 발생시키는 난수 발생 회로부(210), 중앙 연산 장치인 프로세서(250), 인터럽트 신호를 발생하는 인터럽트 발생부(29)로 구성된다. 여기서, 메모리(220), 암호 프로세서(230), 인터페이스(270), 타이밍 회로부(260) 및 프로세서(250)간에는 서로 데이터를 전송하기 위한 버스로 연결 구성된다.
또한, IC 카드 시스템의 전원 공급부(100)는 내부 회로부(200)에 구동 전원을 공급하고 전원 공급에 있어서의 모든 기능을 제어하게 된다. 이 전원 공급부(100)는 카드 내부에 장착된 것으로 카드 내부의 전원 공급부(100)는 카드 시스템 내부 회로부(200)의 구동을 위한 전원을 제공한다. 이러한 전원 공급부(100)는 카드 내부회로(200)의 동작 상태에 따라 공급하는 전압 또는 전류를 가변하여 공급하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치에 대한 블록 구성을 나타낸 것으로 도 1에 도시된 전원 공급부(100)의 상세 구성이기도 하다.
도 2를 참조하여 그 구성을 보면, 전원 입력부(110), 스위칭 제어 회로부(120), 전하 축적 회로부(130), 제1,2 스위칭부(140, 141), 승압회로부(150)로 구성되고, 상기 승압 회로부(150)는 IC 카드 시스템의 내부 회로부(200)와 연결 구성된다.
전원 입력부(110)는 외부의 전원 공급 장치로서, 카드 시스템의 내부 회로부(200)에 구동 전압을 제공하고, 내부 회로부(200)의 동작 모드가 승압 모드인 경우 승압하기 위한 전압을 제1 스위칭부(140)로 공급하게 된다. 여기서, 내부 회로부(200)내의 EEPROM과 같은 메모리 장치에 데이터를 쓰기 위해서는 일반적으로 카드 내부회로에서 사용하는 전압보다 3-4배 정도 높은 전압을 필요로 하기 때문에 전압을 승압 회로부(150)를 통해 승압을 하게 되든 것이다.
스위칭 제어 회로부(120)는 내부 회로부(200)내의 모드 판단부(미도시)로부터 카드 시스템의 현재 상태 즉, 카드 시스템의 전압 공급 모드가 승압 모드인지 아니면 일반 구동 모드인지를 판단하는 모드 판단부(미도시)로부터 동작 모드 신호를 수신한 후, 수신된 동작 모드 신호에 따라 제1 스위칭부(140)와 제2 스위칭부(141)에 각각 스위칭 제어신호를 제공한다.
즉, 카드 시스템의 동작시 전원 입력부(110)에서 공급되는 전압은 내부 회로부(200)로 공급됨과 동시에 전하 축적 회로부(130)에 전하가 축적 될 수 있도록 제1스위칭부(140)와 제2 스위칭부(141)에 스위칭 제어신호를 제공한다.
또한, 스위칭 제어 회로부(120)는 IC 카드 시스템의 구동 전압 보다 높은 전압이 필요한 경우 즉, 내부 회로부(200)의 동작 모드가 승압 동작 모드인 경우 전원 입력부(110)에서 입력되는 전원과 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하가 승압 회로부(150) 즉, Charge 펌프 회로에 인가될 수 있도록 제1 스위칭부(140)에 스위칭 제어신호를 제공한다.
결국, 스위칭 제어 회로부(120)는 IC 카드 시스템의 동작 상태에 따라 전하 축적 회로부(130)에 전하를 축적하도록 함과 동시에 승압 회로부(150)를 구동할 때 전원 입력부(110)와 전하 축적 회로부(130)의 전압이 동시에 승압 회로부(150)에 공급될 수 있도록 제1,2 스위칭부(140, 141)를 제어한다.
이때, 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하가 승압 회로부(150)로 공급되고 있는 도중 스위칭 제어 회로부(120)는 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하량을 검출하게 된다.
검출 결과, 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하량이 기 설정된 기준치 이상인 경우에는 현 상태를 유지하도록 제어하고, 검출된 전하량이 기 설정된 기준치 이하인 경우에는 제1 스위칭부(140)와 제2 스위칭부(141)에 스위칭 제어신호를 제공하여 전원 입력부(110)에서 제공되는 전원이 전하 축적 회로부(130)에 축적될 수 있도록 제어한다.
결국, 상기한 제1 스위칭부(140)는 스위칭 제어 회로부(120)에서 제공되는 스위칭 제어신호에 따라 스위칭되어 승압 회로부(150)의 입력 전원의 경로를 설정하는 것으로써, 한 개 또는 다수개의 스위칭 소자로 구성될 수 있으며, 스위칭 소자 뿐만 아니라 멀티플렉서(Multiplexer)와 같은 다중화기나 디멀티플렉서 (Demultiplexer)와 같은 역 다중화기를 조합하여 구성할 수도 있다.
또한, 제2 스위칭부(141)는 전하 축적 회로부(130)에 전하를 축적할 수 있는 경로를 설정하는 역할을 하며, 제1 스위칭부(140)와 함께 스위칭 제어 회로부(120)에서 제공되는 스위칭 제어신호에 의해 동작된다, 즉, 제1,2 스위칭부(140, 141)는 전하 축적 회로부(130)의 경로를 설정하기 위해 서로 상보적인 동작을 수행하게 되는 것이다.
그리고, 전하 축적 회로부(130)는 카드 시스템의 현재 동작 상태에 따라 전원 입력부(110)로부터 제공되는 전원을 축적하거나 축적된 전하를 승압 회로부(150)로 공급하게 된다. 또한, 상기한 전하 축적 회로부(130)는 전하를 축적할 수 있는 장치를 포괄적으로 표현하였으며, 카드 시스템 내부에 구현하거나 카드 시스템 외부에 별도로 구현할 수도 있는 것이다. 상기한 전하 축적 회로부(130)의 구성을 위하여 캐패시터(Capacitor)와 같은 단일 소자 뿐만 아니라 여러 개의 소자를 조합하여 전하를 축적하는 방법을 포함할 수 있음은 자명한 사실이다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치에 대한 구체적인 동작에 대하여 설명해 보기로 하자.
먼저, 카드 시스템이 일반적인 구동 전압만을 필요로 하는 경우, IC 카드 시스템 내부의 모드 판단부로부터 입력된 동작 모드 신호에 의해 스위칭 제어 회로부(120)는 제1 스위칭부(140)와 제2 스위칭부(141)에 각각 스위칭 제어신호를 제공한다.
다시 말해, IC 카드 시스템이 구동 전압 보다 높은 전압을 필요로 하지 않는 경우 즉, 상기 내부 회로부(200)의 모드 판단부에서 제공되는 동작 모드 신호가 정상 동작 모드인 경우 스위칭 제어 회로부(120)는 전하 축적 회로부(130)에 전하가 축적될 수 있도록 제1 스위칭부(140)를 전하 축적 회로부(130)로 스위칭시킨다.
또한, 스위칭 제어 회로부(120)는 제2 스위칭부(141)로 스위칭 제어신호를 제공하여 전원 입력부(110)에서 공급되는 전원이 전하 축적 회로부(130)에 축적되도록 접지로 스위칭 제어한다.
상기와 같이 IC 카드 시스템의 내부 회로가 구동 전압보다 높은 전압을 필요로 하지 않는 경우 즉, 승압 회로부(150)가 동작하지 않는 경우 스위칭 제어 회로부(120)는 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하량을 계속해서 검출하며, 검출 전하량을 기 설정된 기준 전하량과 비교하게 된다.
비교 결과, 검출된 전하량이 설정된 기준 전하량 이상의 전하가 검출되는 경우 더 이상 전하가 축적되지 않도록 제1 스위칭부(140)와 제2 스위칭부(141)를 제어하며, 반대로 검출된 전하량이 설정된 기준 전하량값 보다 낮은 경우 전원 입력부(110)에서 제공되는 전원이 전하 축적 회로부(130)에 축적될 수 있도록 제1 스위칭부(140)와 제2 스위칭부(141)를 제어하게 되는 것이다.
여기서, 스위칭 제어 회로부(120)내에는 상기한 바와 같이 전하 축적 회로부(130)의 전하량을 주기적으로 체크하여 기 설정된 기준 전하량과 비교하여 비교 결과에 따라 제1,2 스위칭부(140, 141)를 제어할 수 있는 모니터링 (Monitoring)장치를 포함할 수 있으며, 또한 일정 시간을 설정하여 주기적으로 전하가 전하 축적 회로부(130)에 축적될 수 있도록 하는 시간 설정 장치를 포함할 수 있는 것이다.
상기에서는 IC 카드 시스템이 구동 전압보다 높은 전압이 필요로 하지 않는 경우에 대하여 설명하였으나, 이하에서는 IC 카드 시스템의 내부 회로부(200)에서 구동 전압보다 높은 전압을 필요로 하는 경우에 대하여 설명해 보기로 하자.
먼저, IC 카드 시스템이 내부 구동 전압 보다 높은 전압을 필요로 하여 승압 회로부(150)를 구동하는 경우, IC 카드 시스템 내부의 모드 판단부로부터 입력된 동작 모드 신호에 따라 스위칭 제어 회로부(120)는 제1,2 스위칭부(140, 141)각각에 스위칭 제어신호를 제공한다. 즉, 승압 회로부(150)를 구동하는 경우 스위칭 제어 회로부(120)는 전원 입력부(110)와 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전압이 동시에 승압 회로부(150)에 인가될 수 있도록 제1, 2 스위칭부(140, 141)로 스위칭 제어신호를 제공하는데, 제1 스위칭부(140)는 전원 입력부(110)와 전하 축적 회로부(130)의 전압이 직렬로 승압 회로부(150)의 입력에 전원이 인가되도록 경로를 설정하면, 제2 스위칭부(141)는 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하가 승압 회로부(150)의 입력 전원으로 공급될 수 있도록 접지로 스위칭된다.
그리고, 승압 회로부(150)에서 입력되는 전압을 일정 레벨 즉, 내부 회로부(200)에서 요구하는 높은 레벨의 전압으로 승압 동작을 수행할 때, 스위칭 제어 회로부(120)는 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하량을 검출하게 된다.
검출 결과, 검출된 전하량이 기 설정된 기준 전압 이하인 경우에는 다시 전하 축적 회로부(130)에 전하가 축적될 수 있도록 제1,2 스위칭부(140, 141)를 제어하게 되는 것이다. 이와 같이 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하가 기준치 이하인 경우에는 전하 축적을 위해 스위칭 제어가 이루어지기 때문에 승압 회로부(150)에 전압이 공급되지 않지만, 이런 경우에는 전원 입력부(110)의 경로는 계속해서 승압 회로부(150)로 연결되어 전원이 공급될 수 있도록 한다. 즉, 전하 축적 회로부(130)만이 승압 회로부(150)에서 분리되어 전하를 축적하는 것이다.
전하 축적 회로부(130)에 축적되는 전하량이 설정된 기준치 이상이 되는 경우에는 다시 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하가 승압 회로부(150)로 공급될 수 있도록 제1,2 스위칭부(140, 141)를 제어하게 된다.
즉, 스위칭 제어 회로부(120)는 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하량이 설정된 기준 전압 이하가 되는 경우 제1 스위칭부(140)에 스위칭 제어신호를 제공하여 전하 축적 회로부(130)와 승압 회로부(150)의 결선을 분리하고, 제2 스위칭부(141)를 전원 입력부(110)에 연결하여 전하 축적 회로부(130)에 전하를 축적하게 된다.
상기한 스위칭 제어 회로부(120)는 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하를 승압 회로부(150)로 인가할 때, 첫 번째 승압단에 인가할 수도 있으며, 승압단을 이루는 모든 단에 전압을 인가할 수 있도록 스위칭 제어신호를 발생할 수도 있다.
또한, 스위칭 제어 회로부(120)는 IC 카드 시스템 내부 회로부(200)에서 발생하는 동작 모드 신호와 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하량을 모니터링하여 발생하는 두 가지 신호에 우선 순위를 두어 효율적으로 제1,2 스위칭부(140, 141)를 제어할 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 아이 씨 카드용 승압 장치는 IC 카드 시스템이 내부 구동 전압으로 구동하는 경우 제1,2 스위칭부(140, 141)를제어하여 전하 축적 회로부(130)에 전하를 축적하도록 하였다가, IC 카드 시스템이 구동 전압보다 높은 전압을 필요하여 승압 회로부(150)를 구동하려는 경우 전원 입력부(110)에서 공급되는 전압과 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전압(전하)를 함께 승압 회로부(150)로 인가하여 줌으로써, 승압 회로부(150)의 각 승압단에서 발생하는 턴 온 전압을 상쇄하여 주게 된다. 따라서, 승압 회로부(150)의 빠른 출력 전압 생성을 가능하도록 하고, 승압단에 추가적인 전원의 입력없이 축적된 전하를 이용하여 승압단의 턴온 전압을 보상하므로 승압 회로부의 전력 소모를 최소화하도록 하는 것이다.
이하, 도 2에 도시된 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치에 대한 상세 회로 구성에 대한 일 실시예를 도 4를 참조하여 좀 더 이해하기 쉽게 살펴보기로 하자.
도 4는 도 2에 도시된 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치에 대한 상세 회로 구성에 대한 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭부(140)로서 PMOS(140a, 140b)가 구성되고, 제2 스위칭부(141)로서는 NMOS(141a, 141b), 전하 축적 회로부(130)로서는 커패시터(C)로 구성되고, 승압 회로부(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 다이오드(D1)와 캐패시터(C1)가 각각 연결되어 구성된다.
이와 같은 구성에 대한 동작을 살펴보면, 먼저 IC 카드 시스템이 구동 전압보다 높은 전압을 필요하지 않은 경우, 스위칭 제어 회로부(120)는 제1, 2 스위칭부(140, 141) 즉, NMOS(140a, 140b) 및 PMOS(141a, 141b)를 각각 제어하여 전원입력부(110)에서 공급되는 전압이 전하 축적 회로부(130)에 축적되도록 제어한다,
즉, 스위칭 제어 회로부(120)에서 제공하는 제2 스위칭 제어신호에 의해 두 개의 PMOS(141a, 141b)의 경로를 형성하여 전하 축적 회로부(130) 즉, 캐패시터(C)에 전하를 축적하게 되는 것이다. 이때, 승압 회로부(150)로 경로를 설정하는 두 개의 NMOS(140a, 140b)들은 스위칭 제어 회로부(120)에서 제공하는 제1 스위칭 제어신호에 따라 경로가 끊어진 상태이다. 즉, 제1 스위칭부(140)의 NMOS(140a, 140b)는 오프된 상태이고, 제2 스위칭부(141)의 PMOS(141a, 141b)는 턴 온된 상태이다. 따라서, 공급되는 전원(Vcc)은 제2 스위칭부(141)의 NMOS(141a, 141b)의 스위칭 동작에 따라 커패시터(C)에 축적되는 것이다.
상기 캐패시터(C)에 전하를 축적하는 과정에서 스위칭 제어 회로부(120)는 캐패시터(C)에 축적된 전하량을 주기적으로 검사하여 기 설정된 기준값 이하로 저하되는 경우, 제2 스위칭 제어 신호를 발생하여 두개의 PMOS(141a, 141b)의 경로를 형성하여 캐패시터(C)에 전하가 축적될 수 있도록 하는 것이다. 또한, 스위칭 제어 회로부(120)는 일정 시간을 설정하여 주기적으로 전하를 전하 축적 회로부(130) 즉, 캐패시터(C)에 축적될 수 있도록 하는 시간 설정 장치를 포함할 수 있다.
또한, 전하가 계속적으로 축적되고 있는 상태에서, 스위칭 제어 회로부(120)는 캐패시터(C)에 축적된 전하량을 검출하여 기 설정된 기준치 이상으로 축적된 경우 제 2 스위칭부 즉, PMOS(141a, 141b)를 턴 오프시켜 전하의 축적을 차단하게 되는 것이다.
한편, IC 카드 시스템의 내부 회로부(200)에서 구동 전압 보다 높은 전압이필요하여 승압 회로부(150)를 구동하는 경우, 스위칭 제어 회로부(120)는 제1 스위칭 제어신호를 NMOS(140a, 140b)에 인가하여 NMOS(140a, 140b)를 턴 온시킴으로써, 전원 입력부(110)에서 인가되는 전압과 캐패시터(C)에 축적된 전하가 동시에 승압 회로부(150) 입력단 다이오드(D1)로 입력되도록 한다. 이때, 스위칭 제어 회로부(120)는 제2 스위칭 제어신호를 발생하여 제2 스위칭부(141) 즉, PMOS(141a, 141b)에 각각 입력하여 턴 오프시킴으로써, 캐패시터(C)로의 전하 축적을 차단하게 되는 것이다.
도 4에서 승압 회로부(150)는 다이오드(D1)와 캐패시터(C1)만을 도시하였으나, 이러한 승압단을 다단으로 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 승압단을 직렬 연결하여 구성할 수도 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치의 동작과 상응하는 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법에 대하여 첨부한 도 5를 참조하여 단계적으로 살펴보기로 하자.
도 5는 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법에 대한 동작 플로우챠트를 나타낸 도면이다.
먼저, IC 카드 시스템 내부의 모드 판단부(미도시)로부터 제공되는 동작 모드 신호에 따라 카드 시스템의 동작 상태를 파악한다(S101).
이어, 상기 제공되는 동작 모드 신호에 따라 카드 시스템의 현재 모드 상태를 판단한다(S102). 즉, 카드 시스템이 현재 구동 전압만을 필요로 하는지 아니면 구동 전압보다 높은 전압을 필요로 하여 승압 회로부를 구동하여야 하는 모드인지를 판단하는 것이다.
판단 결과 카드 시스템이 구동 전압 보다 높은 전압을 필요로 하여 승압 회로부(150)를 구동하여야 하는 동작 모드인 경우, 전원 입력부(110)와 전하 축적 회로부(130)의 전압이 승압 회로부(150)로 인가되도록 제1,2 스위칭부(140, 141)를 제어한다(S103). 따라서, 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하는 승압 회로부(150)로 공급되어진다(S104).
그러나, 상기 S102단계에서, 판단 결과 승압 회로부(150)의 사용이 필요하지 않는 경우, 전하 축적 회로부(130)에 전하가 축적될 수 있도록 스위칭 제어 회로부(120)에서는 제1,2 스위칭부(140, 141)를 각각 제어하기 위한 스위칭 제어 신호를 발생하여 제1,2 스위칭부(140, 141)로 제공함으로써, 전하가 전하 축적 회로부(130)에 축적되는 것이다(S105).
이와 같이 전하 축적 회로부(130)에 전하가 축적되는 도중 스위칭 제어 회로부(120)는 전하 축적 회로부(130)에 축적된 전하량을 일정한 주기로 검출하게 된다(S106).
이어, 검출된 전하량을 기 설정된 기준값과 비교하게 된다(S107).
상기 비교 결과, 검출된 전하량이 기 설정된 기준값보다 큰 경우에는 전하 축적 회로부(130)에 더 이상 전하의 축적이 이루어지지 않도록 제1,2 스위칭부(140, 141)를 제어하고, 반대로 검출된 전하량이 기 설정된 기준값보다 작은 경우에는 계속해서 전하 축적 회로부(130)에 전하가 축적하도록 계속적으로 현상태를 유지하게 된다.
결국, 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치 및 그 제어방법은, IC 카드 시스템의 구동시 잉여 전하를 리사이클링을 통해 효율적으로 사용하기 위한 것으로, IC 카드 시스템과 같은 저전력 시스템에서 잉여 전하를 축적하였다가 승압 회로(Charge 펌프 회로)를 구동할 때 축적된 전하를 이용하여 각 승압단의 턴온 전압을 상쇄시켜 줌으로써, Charge 펌프회로의 고속 동작을 가능하게 하며, 승압단의 턴 온 전압의 보상을 위해 외부에서 따로 전원을 공급할 필요가 없으므로 Charge 펌프 회로의 전력 소모를 최소화하는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것입니다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 전하 순환 회로를 이용한 아이 씨 카드용 승압 장치 및 그 제어 방법은, IC 카드 시스템과 같은 저전력 회로 시스템에서 시스템 구동시 여분의 전하를 전하 축적 회로에 축적한 후, 이를 승압 회로로 공급하여 각 승압단의 턴 온 전압을 상쇄하여 줌으로써 승압 회로의 빠른 출력 전압을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
또한, 전하 축적 회로에 축적된 전하를 사용하여 각 승압단의 턴 온 전압을 보상하므로 턴 온 전압을 보상하기 위해 별도의 전압을 인가하지 않아도 되기 때문에 승압 회로의 전력 소모를 최소화하면서 안정적인 동작을 가능하게 하는 효과를 갖게 된다.

Claims (18)

  1. 전원 공급부와 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원에 의해 구동되는 내부 회로를 포함하는 IC 카드 시스템에 있어서,
    상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 축적하는 축적 수단;
    상기 축적 수단에 축적된 전압을 일정 레벨 승압하여 상기 IC 카드 시스템의 내부 회로로 공급하는 승압 수단;
    제공되는 스위칭 제어신호에 따라 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 상기 축적 수단에 축적하거나, 상기 축적 수단에 축적된 전압이 상기 승압 수단으로 공급될 수 있도록 각각 스위칭하는 스위칭 수단;
    상기 IC 카드 시스템의 내부 회로의 동작 모드에 따라 상기 전원 공급부의 공급 전원이 축적 수단에 축적되도록 하거나, 축적 수단에 축적된 전압이 상기 승압 수단에 공급되도록 상기 스위칭 수단에 스위칭 제어 신호를 제공하는 스위칭 제어 수단을 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어 수단은,
    카드 시스템의 구동 모드가 단순 구동 모드인지, 고전압 구동 모드인지를 판단하는 모드 판단부와;
    상기 축적 수단에 축적된 전하량을 검출하는 전하량 검출부를 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 제어수단은,
    a) 상기 모드 판단부의 판단 결과 카드 시스템이 단순 구동 모드인 경우, 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원이 상기 축적 수단에 축적되도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 경로를 설정하고,
    b) 상기 모드 판단부의 판단결과 카드 시스템이 고전압 구동 모드인 경우 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원과 상기 축적 수단에 축적된 전원이 상기 승압 수단으로 공급될 수 있도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 경로를 설정하며,
    c) 상기 전하량 검출부로부터 검출된 축적 수단에 축적된 전하량이 기 설정된 임계치 이하일 경우, 상기 스위칭 수단을 계속적으로 축적 수단에 축적되도록 하고, 임계치 이상일 경우 축적 수단에 전원이 축적되지 않도록 상기 스위칭 수단의 경로를 설정하는 스위칭 경로 설정부를 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위칭 경로 설정부는,
    카드 시스템의 동작 모드와 축적 수단에 축적된 전하량에 우선 순위를 부가하여 상기 스위칭 수단의 경로를 설정하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 축적 수단은,
    카드 시스템 내 또는 외부에 별도로 구현할 수 있는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 제어 수단은,
    상기 축적 수단에 전하 축적시 일정 시간 동안 주기적으로 축적될 수 있도록 하고, 상기 전하량 검출부로부터의 전하량 검출 주기를 설정하기 위한 시간 설정부를 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 축적 수단은,
    하드웨어적으로 독립된 단일 장치 또는 여러 개의 소자를 조합하여 이루어진 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 축적 수단은, 캐패시터로 이루어진 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은,
    상기 전원 공급부와 축적 수단과 승압 수단과 각각 연결되어 스위칭 제어 수단에서 제공되는 스위칭 제어신호에 따라 전원 공급부에서 제공되는 전원을 축적 수단에 축적하거나 축적된 전하를 승압 수단으로 제공하기 위한 전압 공급 경로를 설정하는 제 1 스위칭부와;
    상기 축적 수단과 접지 및 승압 수단과 연결되어 스위칭 제어수단으로부터 제공되는 스위칭 제어신호에 따라 전하의 축적과 승압 수단으로의 전원 공급 경로를 설정하는 제2 스위칭부로 이루어진 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1,2 스위칭부는,
    각각 적어도 하나의 NMOS 또는 PMOS로 이루어진 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은,
    다중화기, 역다중화기, 인코더/디코더 중 적어도 하나를 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 승압 수단은,
    상기 스위칭 수단에 직렬로 다이오드가 연결되고, 다이오드와 병렬로 캐패시터가 연결된 Charge 펌프 회로가 적어도 하나 이상의 단으로 구성된 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 승압 수단은, 트랜지스터로 이루어진 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 장치.
  14. 전원 공급 장치, 전하 축적 장치, 내부 회로 장치를 포함하는 IC 카드 시스템의 전원 공급 방법에 있어서,
    상기 카드 시스템의 동작 모드를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과 카드 시스템이 고전압 동작 모드인 경우 상기 전하 축적 장치에 축적된 전하가 출력될 수 있도록 전원 공급 경로를 설정하는 단계;
    상기 전원 공급 경로가 상기 전하 축적 장치로 설정되면, 상기 전하 축적 장치로부터 출력되는 전하와 전원 공급장치로부터 공급되는 전원을 일정 레벨 승압하여 상기 카드 시스템의 내부 회로에 공급하는 단계를 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전하를 일정 레벨 승압하여 상기 카드 시스템의 내부 회로에 공급하는 단계에서,
    상기 전하 축적 장치에 축적된 전하량을 검출하는 단계;
    검출된 전하량이 이 설정된 기준값 보다 낮은 경우 상기 전원 공급 장치로부터 공급되는 전원을 상기 전하 축적 장치로 축적함과 동시에 전원 공급 장치의 공급 전원을 승압하여 상기 내부 회로 장치로 제공하는 단계를 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 카드 시스템의 동작 모드가 단순 동작 모드 인 경우,
    상기 전원 공급 장치에서 공급되는 전원을 상기 전하 축적 장치에 축적하는 단계;
    상기 전하 축적 장치에 추적된 전하량을 검출하는 단계;
    검출된 전하량이 기 설정된 임계치 이상으로 축적된 경우 상기 전하 축적 장치로의 전하 축적을 차단하는 단계를 포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 전하 축적 장치에 전하 축적시 일정 시간 동안 주기적으로 축적될 수 있도록 하고, 상기 전하량을 검출하기 위한 전하량 검출 주기를 설정하는 단계를포함하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 전원 공급 경로의 설정은,
    카드 시스템의 동작 모드와 전하 축적 장치에 축적된 전하량에 우선 순위를 부가하여 설정하는 전하 순환 회로를 이용한 IC 카드용 승압 방법.
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