KR20060127113A - 부트스트랩 커패시터 리프레쉬 회로 - Google Patents

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Abstract

부트스트랩 커패시터 충전 회로는 제 1 및 제 2 트랜지스터들이 상위측 전위와 하위측 전위 사이에 배치된 하프 브리지 구성으로 배열되는 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들과; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동기 회로와; 전위 소스로부터 충전되며, 전자 회로에 전력을 공급하도록 전압원을 제공하기 위한 부트스트랩 커패시터와; 상기 상위측 및 하위측 전위들 중 하나로부터의 충전 경로를 상기 부트스트랩 커패시터에 제공하는 충전 회로와; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 공통 노드와 상기 상위측 및 하위측 전위 중 하나 사이에 배열되는 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들과; 여기서, 상기 부트스트랩 커패시터는 상기 충전 회로에 의해 충전되도록 결합된 제 1 단자와 상기 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들 간의 공통 노드에 결합된 제 2 단자를 가지며, 그리고 제 1 및 제 2 모드들에서 동작하는 제어 회로를 포함하며, 제 1 모드에서, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들이 소정의 주파수 이상의 속도에서 스위칭하는 때에, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들의 공통 모드에 연결된 상기 스위치들 중 제 1 스위치는 온(on)으로 제어되며, 상기 제 1 전력 스위칭 트랜지스터가 사전설정 기간을 초과하는 시간 기간 동안 온인 때에, 상기 제어 회로는 상기 제 1 및 제 2 스위치들이 제 1 및 제 2 소정의 시간 기간들 동안에 교대로 턴-온 및 턴-오프 됨으로써 상기 부트스트랩 커패시터가 상기 제 2 소정의 시간 기간 동안에 상기 제 2 스위치 및 상기 충전 회로를 통해 충전되는 제 2 모드에서 동작한다.
부트스트랩 커패시터, 전력 스위칭 트랜지스터, 충전 회로, 구동기 회로.

Description

부트스트랩 커패시터 리프레쉬 회로{BOOTSTRAP CAPACITOR REFRESH CIRCUIT}
본 발명은 전력 스위칭 회로들에 관한 것이며, 특히 전력 스위칭 회로들을 구동하기 위한 구동기 회로들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전력 스위칭 회로, 예를 들어 부하를 구동하는 하프 브리지 전력 스위칭 회로를 구동하기 위한 구동기 회로에서 이용되는 부트스트랩 커패시터(bootstrap capacitor) 전원 리프레시 회로(refresh circuit)에 관한 것이다.
부트스트랩 커패시터들은 종종 기존의 전원으로부터의, 기존의 전압원으로부터의 또는 펄스 신호원으로부터의 추가적인 Fkiatubg 전압을 제공하기 위해 구동기 회로들에서 이용된다. 특히, 부하를 구동하는 2개의 전력 MOSFET들(M1 및 M2)을 포함하는 하프 브리지 스위칭 회로를 구동하는 구동기 IC를 보여주는 도 1에서 도시된 바와같이, 하프 브리지 트랜지스터들(M1 및 M2)이 전압원(VBAT)과 접지 사이에 배열된다. 전압원은 또한 구동기 IC에 전력을 공급하기 위해 전압 입력(VCC)에서 구동기 IC(IC)에 제공된다. VBAT는 VCC와 다른 고전압이거나 동일 전압일 수 있다. 전형적으로, VCC는 VBAT에서의 높은 전압 스파이크들 때문에 VBAT와 다르다. VCC는 내부 또는 외부 조정기 회로에 의해 VBAT로부터 얻어질 수 있다. 구동기 IC는 상위측(high side) 및 하위측(low side) 트랜지스터들(M1 및 M2) 각각을 구동하는 구동 기 HO 및 구동기 LO를 포함한다. 게다가, 외부 부트스트랩 커패시터(CBOOT)가 단자(VB)와 부하가 결합되는, 트랜지스터들(M1 및 M2) 간의 공통 연결인 단자(VS) 사이에 제공된다. 따라서, 전압원(VBOOT)은 부트스트랩 커패시터 양단에 제공된다. 다이오드(D)는 IC 내부에 또는 외부에 배치되어, 트랜지스터(M2)가 온 되는 때에 부트스트랩 커패시터(CBOOT)가 VCC로부터 충전되게 한다. 부트스트랩 전원은 상위측 구동기에 전압을 공급하는데에 사용된다.
문제점은 트랜지스터(M1)가 영구 도통(permanent conduction)이 되는 때에 발생한다. "영구 도통"은 트랜지스터(M1)가 비교적 긴 시간, 예를 들어 200㎲ 이상으로 온 되는 것을 의미한다. 이러한 환경에서, 트랜지스터(M2)는 오프되며, 따라서 부트스트랩 커패시터는 이러한 동작 동안에 트랜지스터(M2)를 통해 충전할 수 없다. 따라서, 도 1의 회로는 트랜지스터(M1)가 비교적 긴 온 타임, 예를 들어 200㎲보다 큰 도통 시간들을 갖는 경우에 사용될 수 없다. 트랜지스터(M2)는 단순히 부트스트랩 커패시터가 충전하게끔 길게 온 되지 않을 것이며, 이에 따라 IC 내부에 또는 IC 외부에 있는, VBOOT에 의애 전력공급되는 회로들에 전원을 제공하게 된다.
따라서, 이러한 문제점에 솔루션, 특히 자동차 응용들에 유용한 솔루션을 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 스위칭 트랜지스터들의 일정 동작 모드들 동안에 부트스트랩 커패시터가 요구되는 충전을 유지하는데에 충분한 시간이 없는 종래기술 부트스트랩 커패시터 회로에서의 문제점에 대한 솔루션을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들은 제 1 및 제 2 트랜지스터들이 상위측 전위와 하위측 전위 사이에 배치된 하프 브리지 구성으로 배열되는 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들과; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동기 회로와; 전위 소스로부터 충전되며, 전자 회로에 전력을 공급하도록 전압원을 제공하기 위한 부트스트랩 커패시터와; 상기 상위측 및 하위측 전위들 중 하나로부터의 충전 경로를 상기 부트스트랩 커패시터에 제공하는 충전 회로와; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 공통 노드와 상기 상위측 및 하위측 전위 중 하나 사이에 배열되는 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들과; 여기서, 상기 부트스트랩 커패시터는 상기 충전 회로에 의해 충전되도록 결합된 제 1 단자와 상기 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들 간의 공통 노드에 결합된 제 2 단자를 가지며, 그리고 제 1 및 제 2 모드들에서 동작하는 제어 회로를 포함하며, 제 1 모드에서, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들이 소정의 주파수 이상의 속도에서 스위칭하는 때에, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들의 공통 모드에 연결된 상기 스위치들 중 제 1 스위치는 온(on)으로 제어되며, 상기 제 1 전력 스위칭 트랜지스터가 사전설정 기간을 초과하는 시간 기간 동안 온인 때에, 상기 제어 회로는 상기 제 1 및 제 2 스위치들이 제 1 및 제 2 소정의 시간 기간들 동안에 교대로 턴-온 및 턴-오프 됨으로써 상기 부트스트랩 커패시터가 상기 제 2 소정의 시간 기간 동안에 상기 제 2 스위치 및 상기 충전 회로를 통해 충전되는 제 2 모드에서 동작하는 부트스트랩 커패시터 충전 회로에 의해 달성된다.
상기 목적 및 다른 목적들은 또한 제 1 및 제 2 트랜지스터들이 상위측 전위와 하위측 전위 사이에 배치된 하프 브리지 구성으로 배열되는 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들과; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동기 회로와; 전위 소스로부터 충전되며, 전자 회로에 전력을 공급하도록 전압원을 제공하기 위한 부트스트랩 커패시터와; 상기 상위측 및 하위측 전위들 중 하나로부터의 충전 경로를 상기 부트스트랩 커패시터에 제공하는 충전 회로와; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 공통 노드와 상기 상위측 및 하위측 전위 중 하나 사이에 배열되는 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들과; 여기서, 상기 부트스트랩 커패시터는 상기 충전 회로에 의해 충전되도록 결합된 제 1 단자와 상기 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들 간의 공통 노드에 결합된 제 2 단자를 가지며, 그리고 제 1 및 제 2 모드들에서 동작하는 제어 회로를 포함하는 회로에서 부트스트랩 커패시터 충전 방법에 의해 달성되는데, 상기 방법은 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들이 소정의 주파수 이상의 속도에서 스위칭하는 때에, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들의 공통 모드에 연결된 상기 스위치들 중 제 1 스위치는 온으로 제어되며 상기 제 2 스위치는 오프로 제어되는 제 1 모드에서 상기 제 1 및 제 2 스위치들을 동작하는 단계; 및 상기 제 1 전력 스위칭 트랜지스터가 사전설정 기간을 초과하는 시간 기간 동안 온인 때에, 상기 제 1 및 제 2 스위치들이 제 1 및 제 2 소정의 시간 기간들 동안에 교대로 턴-온 및 턴-오프 됨으로써 상기 부트스트랩 커패시터가 상기 제 2 소정의 시간 기간 동안에 상기 제 2 스위치 및 상기 충전 회로를 통해 충전되는 제 2 모드에서 상기 제 1 및 제 2 스위치들을 동작하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 하기의 상세한 설명으로부터 분명하게 될 것이다.
본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 하기의 상세한 설명에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 부트스트랩 커패시터 전원을 이용하는 종래기술 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회로도이다.
도 3은 본 발명을 설명하는데에 유용한 타이밍도이다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 하기의 상세한 설명으로부터 분명하게 될 것이다.
도 2를 참조하면, 전원(VBAT)과 접지사이에 직렬 연결된 트랜지스터들(M1 및 M2)을 포함하는 하프 브리지 스위칭 트랜지스터 구성을 위한 구동기 집적회로(IC)가 도시된다. 부하가 포인트(VS)를 포함하는 트랜지스터들(M1 및 M2) 간의 공통 노드와 접지 사이에 연결된다.
구동기 집적회로(IC)는 상위측 및 하위측 전력 트랜지스터들(M1 및 M2) 각각을 위한 상위측 및 하위측 구동기들(HO 및 LO)을 포함한다. 게다가, 구동기 IC는 트랜지스터, 예를 들어 바이폴라 NPN 트랜지스터(12)를 포함하는 밸러스트 조정기(ballast regulator) 및 전류원(14)뿐만 아니라 예시된 실시예에서 6.6 볼트 제 너 다이오드가 될 수 있는 제너 다이오드(16)를 포함한다. 게다가, 부트스트랩 커패시터(CBOOT)는 VS 외부에 연결되어 분리된다. 부트스트랩 커패시터(VBOOT)는 구동기 IC의 단자(VB)와 단자(VB1) 사이에 연결된다. 단자(VB1)는 제너 다이오드(16)의 애노드에 연결되며, 이 애노드는 또한 스위치(SW2)에 연결되며, SW2는 공통 단자 및 결과적으로 접지에 연결된다. 게다가, 스위치(SW1)는 도시된 바와같이 VS와 VB1 사이에 연결된다. 스위치들(SW1 및 SW2)은 반도체 스위치들, 예를 들어 MOSFET 또는 바이폴라 트랜지스터들이다.
게다가, 스위치들(SW1 및 SW2)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 출력 신호들(SW1 및 SW2)(도 3)을 제공하는 제어 회로(18)가 제공된다.
회로는 하기와 같이 동작한다. 정상 동작 중, 200㎲보다 작은 M1의 도통 시간들 동안에, 제어기(18)는 스위치(SW1)가 항상 온 되며, 스위치(SW2)가 항상 오프되는 제 1 모드(MODE 1 - 도 3)에서 동작한다. 이와 같이, 회로는 정상 부트스트랩 전원과 유사하게 동작하며, M2가 온 되는 때에, 커패시터(CBOOT)는 M2, 스위치(SW1) 및 밸러스트 조정기(10)를 통해 VBAT로 충전된다. 밸러스트 조정기(10)는 6.6 볼트 제너 다이오드(16)에 기초하여 트랜지스터(12)의 에미터에서 대략 6볼트의 조정된 전압을 제공한다.
트랜지스터(M1)가 200㎲보다 큰 시간 기간들 동안 온 되는 때에, 종래기술 회로에서, 커패시터가 M2를 통해 충전되는데에 충분한 시간이 없었다. 이러한 경우에, 제어 회로(18)는 제 2 모드(MODE 2 - 도 3)에서 동작한다. 회로(18)는 예를 들어, 2 KHz 발진기를 포함하는 발진기를 포함하고 있다. 도 3에서 도시된 바와같이 매 500㎲ 마다, 대략 10㎲의 시간 기간 동안에 스위치(SW1)는 턴-온 되며, 스위치(SW2)는 턴-오프된다. 부트스트랩 커패시터(CBOOT)는 접지에 결합된 SW2를 통해, VBAT에 결합된 밸러스트 조정기를 통해 충전된다. 이 시간 동안, M1의 게이트는 부동(floating)으로 남게 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 부트스트랩 커패시터를 충전하는 간단하면서도 신뢰성 있는 방법을 제공하여, 전력 스위칭 회로의 모든 동작 모드들 동안에 부트스트랩 커패시터에 결합되어 전력공급 받는 회로들에 전력을 신뢰성 있게 제공할 수 있는데, 이는 상위측 트랜지스터가 영구 도통 상태에 있는 때를 포함한다.
본 발명이 그 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만은, 많은 다른 변형들 및 수정들 및 다른 사용들이 기술분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 본원의 특정 개시내용으로만 국한되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (9)

  1. 부트스트랩 커패시터 충전 회로에 있어서,
    상위측 전위와 하위측 전위 사이에 배치된 하프 브리지 구성으로 배열되는 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들과;
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동기 회로와;
    전위 소스로부터 충전되며, 전자 회로에 전력을 공급하도록 전압원을 제공하기 위한 부트스트랩 커패시터와;
    상기 상위측 및 하위측 전위들 중 하나로부터의 충전 경로를 상기 부트스트랩 커패시터에 제공하는 충전 회로와;
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 공통 노드와 상기 상위측 및 하위측 전위 중 하나 사이에 배열되는 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들과;
    여기서, 상기 부트스트랩 커패시터는 상기 충전 회로에 의해 충전되도록 결합된 제 1 단자와 상기 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들 간의 공통 노드에 결합된 제 2 단자를 가지며; 그리고
    제 1 및 제 2 모드들에서 동작하는 제어 회로를 포함하며, 제 1 모드에서, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들이 소정의 주파수 이상의 속도에서 스위칭하는 때에, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들의 공통 모드에 연결된 상기 스위치들 중 제 1 스위치는 온(on)으로 제어되며,
    상기 제 1 전력 스위칭 트랜지스터가 사전설정 기간을 초과하는 시간 기간 동안 온인 때에, 상기 제어 회로는 상기 제 1 및 제 2 스위치들이 제 1 및 제 2 소정의 시간 기간들 동안에 교대로 턴-온 및 턴-오프 됨으로써 상기 부트스트랩 커패시터가 상기 제 2 소정의 시간 기간 동안에 상기 제 2 스위치 및 상기 충전 회로를 통해 충전되는 제 2 모드에서 동작하는 부트스트랩 커패시터 충전 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제 2 동작 모드 동안에 상기 제 1 및 제 2 스위치들을 교대로 턴-온 및 턴-오프시켜, 제 1 시간 기간 동안에 상기 제 1 스위치가 온 되며 상기 제 2 스위치가 오프 됨과 아울러 제 2 시간 기간 동안에 상기 제 1 스위치가 오프되며 상기 제 2 스위치가 온 되도록 동작하는 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 시간 기간은 대략 490㎲이며, 상기 제 2 시간 기간은 대략 10㎲이며, 상기 사전설정 기간은 대략 200㎲인 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 회로.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 충전 회로는,
    상기 부트스트랩 커패시터를 충전하기 위한 상기 전위 소스와 상기 부트스트랩 커패시터의 제 1 단자 사이에 연결된 주(main) 단자들을 갖는 조정기 트랜지스 터 및 상기 전위 소스와 상기 조정기 트랜지스터의 제어 단자 사이에 결합된 전류원을 포함하며, 상기 조정기 트랜지스터의 제어 단자와 상기 제 1 및 제 2 스위치들 간의 공통 노드 사이에 결합된, 기준 전압을 제공하기 위한 조정기 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 회로.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 충전 회로는 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 공통 모드와 상기 하위측 전위 사이에 배열된 상기 제 1 및 제 2 스위치들의 상위측 전위에 결합되는 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 회로.
  6. 회로에서 부트스트랩 커패시터 충전 방법- 상기 회로는 제 1 및 제 2 트랜지스터들이 상위측 전위와 하위측 전위 사이에 배치된 하프 브리지 구성으로 배열되는 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들과; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동기 회로와; 전위 소스로부터 충전되며, 전자 회로에 전력을 공급하도록 전압원을 제공하기 위한 부트스트랩 커패시터와; 상기 상위측 및 하위측 전위들 중 하나로부터의 충전 경로를 상기 부트스트랩 커패시터에 제공하는 충전 회로와; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들의 공통 노드와 상기 상위측 및 하위측 전위 중 하나 사이에 배열되는 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들과; 여기서, 상기 부트스트랩 커패시터는 상기 충전 회로에 의해 충전되도록 결합된 제 1 단자와 상기 제 1 및 제 2 직렬 연결 스위치들 간의 공통 노드에 결합된 제 2 단자를 가지며, 그리고 제 1 및 제 2 모드들에서 동작하는 제어 회로를 포함한다 -에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들이 소정의 주파수 이상의 속도에서 스위칭하는 때에, 상기 제 1 및 제 2 전력 스위칭 트랜지스터들의 공통 모드에 연결된 상기 스위치들 중 제 1 스위치는 온으로 제어되며 상기 제 2 스위치는 오프로 제어되는 제 1 모드에서 상기 제 1 및 제 2 스위치들을 동작하는 단계와; 그리고
    상기 제 1 전력 스위칭 트랜지스터가 사전설정 기간을 초과하는 시간 기간 동안 온인 때에, 상기 제 1 및 제 2 스위치들이 제 1 및 제 2 소정의 시간 기간들 동안에 교대로 턴-온 및 턴-오프 됨으로써 상기 부트스트랩 커패시터가 상기 제 2 소정의 시간 기간 동안에 상기 제 2 스위치 및 상기 충전 회로를 통해 충전되는 제 2 모드에서 상기 제 1 및 제 2 스위치들을 동작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 동작 모드에서 상기 제 1 및 제 2 스위치들을 동작하는 단계는 교대로 상기 제 1 및 제 2 스위치들을 턴-온 및 턴-오프시켜, 제 1 시간 기간 동안에 상기 제 1 스위치가 온 되며 상기 제 2 스위치가 오프 됨과 아울러 제 2 시간 기간 동안에 상기 제 1 스위치가 오프되며 상기 제 2 스위치가 온 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 시간 기간은 대략 490㎲이며, 상기 제 2 시간 기간은 대략 10㎲이며, 상기 사전설정 기간은 대략 200㎲인 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    전압 조정기 회로를 포함하는 충전 회로를 통해 상기 부트스트랩 커패시터를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부트스트랩 커패시터 충전 방법.
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