KR20070086054A - 전력 변환기, 모바일 장치 및 무선 송신 시스템 - Google Patents

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Abstract

전력 변환기(1)는 제 1 및 제 2 전력 변환기 입력(IN1, IN2) 사이의 DC 입력 전압(VIN)을 수신하고, 입력 전압(VIN)보다 높은 레벨 또는 입력 전압(VIN)과는 반대의 극성을 갖는 적응된 입력 전압을 공급하기 위한 출력(O1; O2, O3)을 갖는 전압 레벨 증가 회로(3)를 포함한다. 하향 변환기(2)는 제 1 및 제 2 하향 변환기 입력(IN3, IN4)과, 제 1 노드(N1)와 제 1 하향 변환기 입력(IN3) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제어 스위치(S1)와, 제 1 노드(N1)와 부하(LO) 사이에 배열된 인덕터(L)와, 제 1 노드(N1)와 제 2 하향 변환기 입력(IN4) 사이에 배열된 동기 스위치(S2)를 갖는다. 제어기(4)는 제어 스위치(S1) 및 전압 레벨 증가 회로(3)의 스위치들(S3, S4; S3, S4, S5, S6, S7, S8)을 제어하여, 입력 전압(VIN) 또는 적응된 입력 전압을 제 1 노드(N1) 또는 제 1 혹은 제 2 하향 변환기 입력(IN3, IN4)에 접속한다.

Description

전력 변환기, 모바일 장치 및 무선 송신 시스템{A POWER CONVERTER}
본 발명은 전력 변환기, 그러한 전력 변환기를 포함하는 모바일 장치, 및 그러한 모바일 장치를 포함하는 무선 송신 시스템에 관한 것이다.
하향 변환기(down-converter) 또는 벅 변환기(buck converter)는 본 기술 분야에 잘 알려져 있다. 하향 변환기는 입력 전압과 부하 사이에 인덕터를 주기적으로 접속하는 제어 스위치를 포함한다. 동기 정류기(일반적으로 동기 스위치 라고도 지칭됨) 또는 다이오드는, 제어 스위치가 개방될 때, 인덕터를 통해 부하 쪽으로 전류를 도통시킨다. 제어 스위치가 폐쇄되고, 다이오드 또는 동기 스위치가 개방될 때, 입력 전압은 출력 전압보다 높은 레벨을 갖고, 에너지가 인덕터에 저장되기 때문에, 인덕터에서의 전류는 증가된다. 제어 스위치가 개방되고, 다이오드 또는 동기 스위치가 폐쇄될 때, 인덕터는 부하와 병렬로 접속되고, 인덕터에서의 전류는 증가되며, 인덕터에 저장된 에너지는, 그것이 부하로 전달되기 때문에, 감소된다.
하향 변환기의 단점은, 출력 전압 레벨이 입력 전압 레벨에 근접한 경우, 인 덕터에서의 에너지의 증가가 단지 매우 작을 수 있고, 출력 전압 레벨이 0에 근접하는 경우, 인덕터에서의 에너지의 증가가 매우 작을 수 있다는 것이다. 두 가지의 상황에서, 하향 변환기는 충분한 에너지를 부하에 공급하지 못할 것이며, 그것은 하향 변환기의 동적인 동작을 저하시킨다. 하향 변환기는 출력 전압이 입력 전압에 근접하거나 또는 0에 근접하는 경우, 부하에 의해 요청된 에너지에서의 단계를 신속하게 따를 수 없을 것이다. 유사하게, 하향 변환기는 출력 전압이 입력 전압에 근접하거나 또는 0에 근접하는 경우, 출력 전압 레벨의 요청된 변화를 신속하게 따르지 못할 것이다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 개선된 동적 동작을 갖는 하향 변환기를 포함하는 전력 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양상은 청구항 1에 청구된 바와 같은 전력 변환기를 제공한다. 본 발명의 제 2 양상은 청구항 18에 청구된 바와 같이, 그러한 전력 변환기를 포함하는 모바일 장치를 제공한다. 본 발명의 제 3 양상은 청구항 19에 청구된 바와 같이, 그러한 모바일 장치를 포함하는 무선 송신 시스템을 제공한다. 바람직한 실시예들이 종속항들에 정의된다.
본 발명의 제 1 양상에 따른 전력 변환기는 하향 변환기 및 전압 레벨 증가 회로를 포함한다. 전압 레벨 증가 회로는 제 1 및 제 2 전력 변환기 입력들 사이에 제공된 전력 변환기 입력 전압을 수신하여, 입력 전압보다 높은 레벨을 갖거나 또는 하향 변환기의 입력 전압과는 반대 극성을 갖는 적응된 입력 전압을 공급한다.
하향 변환기는 제 1 전력 변환기 입력과 인덕터 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제어 스위치를 포함한다. 인덕터의 자유단(free end)은, 출력 전압이 그 양단에 공급되어야 하는 부하에 접속된다. 전력 변환기는 하향 변환기의 제어 스위치 및 전압 레벨 증가 회로를 제어하여, 입력 전압 또는 적응된 입력 전압을 인덕터에 접속하거나, 또는 인덕터에 접속되지 않는 제어 스위치의 주 전류 경로의 단자에 접속하는 제어기를 더 포함한다. 하향 변환기는 제 2 전력 변환기 입력과 인덕터 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 동기 스위치를 더 포함한다. 동기 스위치는 제어가능 반도체 스위치 또는 다이오드일 수 있다. 동기 스위치가 제어가능하다면, 제어기는 잘 알려진 방식으로 동기 스위치를 동작시켜야 한다.
입력 전압이 인덕터에 공급된다면, 전력 변환기는 종래 기술의 하향 변환기와 동일하게 동작한다. 보다 높은 적응된 입력 전압이 인덕터 또는 단자에 공급된다면, 출력 전압 레벨이 입력 전압 레벨에 근접하는 경우, 하향 변환기의 동적 동작이 개선되는데, 그 이유는, 인덕터 양단의 전압 차이가 증가되기 때문이다. 증가된 전압 차이는 인덕터에서의 에너지의 보다 빠른 변화를 허용함으로써, 부하에 보다 빠르게 응답할 수 있을 것이다. 적응된 입력 전압이 입력 전압과는 반대의 극성을 갖는다면, 출력 전압 레벨이 0에 근접하는 경우, 하향 변환기의 동적 동작이 개선된다. 다시, 인덕터 양단의 전압 차이가 더 크게 되어, 인덕터에서의 에너지의 보다 빠른 변화를 허용하고, 따라서 부하의 변화되는 에너지 소모에 대한 보 다 빠른 응답을 허용한다.
전압 레벨 증가 회로의 구성에 따라, 인덕터 양단의 전압은 적어도 일시적으로 증가될 수 있고, 고속 부하 변화 또는 출력 전압 레벨에서의 원하는 고속 전이가 개선된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전압 레벨 증가 회로는 잘 알려진 전압 승산기의 부분을 포함한다. 그러한 전압 승산기는 캐패시터 및 스위치를 포함하는 적어도 하나의 섹션을 갖는다. 스위치는 충전 모드 동안에 캐패시터가 사전결정된 레벨로 충전되고, 충전된 캐패시터가 입력 전압과 직렬로 스위칭되어, 일시적으로 입력 전압보다 높은 전압을 얻도록 동작된다. 또한, 충전된 캐패시터를 이용하여, 반대 극성을 갖는 전압을 입력 전압에 일시적으로 공급할 수 있다. 전압 승산기의 출력 전압의 레벨은, 그것이 포함하는 섹션들의 수에 의존한다. 잘 알려진 전압 승산기는 출력 전압을 유지하는 그들의 출력에서 캐패시터를 가지며, 그러한 캐패시터는 본 발명에서 제공되지 않는다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전압 레벨 증가 회로는 잘 알려진 하향 변환기에 추가되어야 하는 두 개의 스위치 및 하나의 캐패시터를 포함한다. 하향 변환기의 두 개의 스위치는 전압 승산기의 동작에서도 또한 이용된다. 이러한 실시예는, 최소량의 여분의 구성요소를 이용하여, 두 배의 입력 전압 또는 반전된 입력 전압을 인덕터에 공급할 수 있다는 이점을 갖는다. 손실로 인해, 전압 승산기에 의해 공급된 전압 레벨은 두 배의 또는 반전된 레벨보다 다소 낮을 것이다. 더욱이, 캐패시터 양단의 전압은 그의 방전 기간 동안 다소 강하될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전력 변환기는 전압 승산기의 캐패시터가 입력 전압의 레벨로 실질적으로 충전되는 제 1 단계(phase)를 갖는다. 제 2 단계에서, 전력 변환기는 전압 승산기의 캐패시터를 입력 전압과 직렬로 스위칭하여, 실질적으로 두 배의 입력 전압이 인덕터에 공급되도록 한다. 따라서, 전력 변환기의 출력 전압이 입력 전압에 근접하더라도, 충분한 전압 차이가 인덕터 양단에 제공된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전력 변환기는 전압 승산기의 캐패시터가 입력 전압의 레벨로 실질적으로 충전되는 제 1 단계를 갖는다. 제 2 단계에서, 전력 변환기는 전압 승산기의 캐패시터를 접지와 직렬로 스위칭하여, 실질적으로 입력 전압이지만 반대의 극성을 갖는 전압이 인덕터에 공급되도록 한다. 따라서, 전력 변환기의 출력 전압이 0에 근접하더라도, 충분한 전압 차이가 인덕터 양단에 제공된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 캐패시터 대신에, 여분의 배터리를 이용하여, 입력 전압보다 높은 전압 또는 반대의 극성을 갖는 전압을 인덕터에 공급한다. 그러나, 배터리를 접속하여 그것의 출력 전압을 상이한 극성으로 공급하는 것은, 캐패시터를 이용하는 경우만큼 간단하지 않다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전압 레벨 증가 회로 및 하향 변환기 둘다, 그들 각각의 입력에서 DC 입력 전압을 수신한다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전압 레벨 증가 회로는 제 1 전력 변환기 입력과 제 2 노드 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 1 제어가능 스위치를 포함한 다. 제 2 제어가능 스위치는 제 2 노드와 제 2 전력 변환 입력 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 제 3 제어가능 스위치는 제 1 전력 변환기 입력과 제 1 하향 변환기 입력 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 제 4 제어가능 스위치는 제 2 전력 변환기 입력과 제 2 하향 변환기 입력 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 제 5 제어가능 스위치는 제 1 하향 변환기 입력과 제 3 노드 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 제 6 제어가능 스위치는 제 2 하향 변환기 입력과 제 3 노드 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 캐패시터는 제 1 노드와 제 3 노드 사이에 배열된다. 제어기는 제 1 내지 제 6 제어가능 스위치들을 제어하여, 제 1 또는 제 2 동작 모드를 얻는다.
정상 동작 모드에서, 제 3 및 제 4 제어가능 스위치들은 근접하며, 하향 변환기는 그의 입력에서 DC 입력 전압을 수신한다. 전압 레벨 증가 회로의 다른 스위치들의 상태는, 캐패시터의 양측에서 스위치 두 개가 도통되지 않는 한 관련되지 않는데, 그 이유는, 그것이 단락 회로를 초래할 것이기 때문이다.
다른 동작 모드에서, 캐패시터는 제 2 노드에서의 전압에 대하여 양(positive)인 제 3 노드에서 전압을 얻고, 캐패시터를 제 1 하향 변환기 입력에 접속하여 이러한 제 1 하향 변환기 입력에서의 전압을 DC 입력 전압보다 높게 증가시키기 위해, 주기적으로 충전된다. 따라서, 캐패시터의 충전 기간 동안, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 스위치는 폐쇄되고, 다른 스위치들은 개방된다. 제 1 및 제 5 스위치가 폐쇄되고, 제 2, 제 3 및 제 6 스위치가 개방될 때, 캐패시터 양단의 전압이 DC 입력 전압에 추가되고, 제 1 하향 변환기 입력에 공급된다.
다른 동작 모드에서, 캐패시터는 제 2 노드에서의 전압에 대하여 음(negative)인 제 3 노드에서 전압을 얻고, 캐패시터를 제 2 하향 변환기 입력에 접속하여 이러한 제 2 하향 변환기 입력에서의 전압을 감소시키기 위해, 주기적으로 충전된다. 따라서, 캐패시터의 충전 기간 동안, 제 1, 제 3, 제 4 및 제 6 스위치는 폐쇄되고, 다른 스위치들은 개방된다. 제 2 및 제 6 스위치가 폐쇄되고, 제 1, 제 4 및 제 5 스위치가 개방될 때, 캐패시터 양단의 전압이 접지와 제 2 하향 변환기 사이에 공급된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 부하에 의해 요청된 전력에서의 단계가 사전결정된 값보다 큰 것으로 검출되는 경우에만, 적응된 입력 전압이 인덕터에 공급된다. 따라서, 적응된 전압은 요구되는 경우에만 이용된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 부하에 의해 요청된 전력에서의 단계(부하 단계 라고도 지칭됨)는 출력 전압, 구별된 출력 전압, 출력 전압과 기준 전압 사이의 차이인 차분 전압, 인덕터를 통한 전류, 또는 부하를 형성하는 회로에 제공된 신호를 모니터링함으로써 결정된다.
부하 단계는 출력 전압에서의 변화를 초래하는데, 그 이유는, 인버터는 부하 단계에 즉각적으로 응답할 수 없기 때문이다. 따라서, 출력 전압을 직접 모니터링하거나, 또는 출력 전압과 기준 전압 사이의 차이를 모니터링하거나, 또는 출력 전압의 유도체(derivative)를 모니터링함으로써 부하 단계를 검출할 수 있다. 또한, 부하 단계는 인덕터를 통한 전류의 변화를 초래하며, 따라서 이러한 전류는 부하 단계를 검출하기 위해 모니터링될 수 있다. 전류 모드 제어 하향 변환기의 경우, 설정된 전류 레벨이 임의적으로 변화될 수 있다. 이러한 변화는 인덕터를 통한 전류가 즉각적으로 뒤따르지 않는다. 설정된 전류 레벨과 인덕터 전류 사이의 차이는 부스트 동작을 시작하는데 이용될 수 있다. 부하 단계가 부하의 회로에 의해 검출되거나 또는 사전에 알려진다면, 이러한 회로에 의해 생성된 신호가 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전력 변환기는 그 출력 전압이 어떻게 변화되어야 하는지를 나타내는 입력을 갖는다. 예를 들어, 송신 전력을 변화시키기 위해 핸드셋에 명령하는 기지국으로부터 그러한 입력 신호가 수신될 수 있다. 또는, 그러한 입력 신호는 증폭되어야 하는 오디오 신호의 전력 엔벨로프(power envelope)로부터 알려질 수 있다. 핸드셋에서 최적의 에너지 소모에 도달하기 위해, 송신기 증폭기에 공급되는 전력 변환기의 출력 전압을, 실제 송신 전력에 최적으로 대응하도록 제어한다. 입력 신호의 레벨 또는 입력 신호의 변화가 사전결정된 값을 초과하는 것으로 검출되는 경우, 적응된 입력 전압은 하향 변환기의 인덕터에 공급된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 전력 변환기의 출력 전압이 사전결정된 값보다 입력 전압 또는 0에 보다 근접한 경우, 적응된 입력 전압이 인덕터에 공급된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 하향 변환기에 대한 전력 공급 전압은 DC 입력 전압 또는 DC 입력 전압과 배터리 전압의 합이어서, DC 입력 전압이 부스팅되도록 한다. 대안적으로, 하향 변환기에 대한 전력 공급 전압은 DC 입력 전압 또는 배터리 전압이어서, 하향 변환기에 대한 전압이 DC 입력 전압의 극성에 대하여 변경된 극성을 갖도록 한다.
본 발명의 이들 및 다른 양상은 이하에 기술된 실시예로부터 명백할 것이며, 그러한 실시예에 대하여 설명될 것이지만, 본 발명이 그것에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 종래 기술의 하향 변환기의 회로도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환기의 회로도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다른 전력 변환기의 회로도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다른 전력 변환기의 회로도를 도시한다.
도 5는 모바일 장치를 도시한다.
도 6은 무선 송신 시스템을 도시한다.
다양한 도면들에 있어서, 동일한 참조 번호를 갖는 항목들은 동일한 것이며, 동일한 기능을 수행한다.
도 1은 종래 기술의 하향 변환기의 회로도를 도시한다. 하향 변환기(1)는 DC 입력 전압 VIN을 수신하기 위한 입력 단자 IN1 및 IN2와, 출력 전압 VO를 부하 LO에 공급하기 위한 출력 단자 ON1 및 ON2를 갖는다. 설명의 용이성을 위해, 평활화 캐패시터 C는 부하 LO의 일부인 것으로 고려된다. DC 입력 전압 VIN은 배터리에 의해, 또는 메인(main)과 같은 AC 소스에 의해 정류기 회로를 통해 공급될 수 있다. 하향 변환기는 입력 단자 IN1과 노드 N1 사이에 배열된 제어가능 스위치 SW를 포함한다. 통상적으로, 제어가능 스위치 SW는 바이폴라 트랜지스터 또는 FET와 같은 반도체 스위치이다. 제어가능 스위치 SW는 일반적으로 제어 스위치 라고 지칭된다. 다이오드 D는 노드 N1에 접속된 음극 및 다른 입력 단자 IN2에 접속된 양극을 갖는다. 다이오드 D 대신에, 동기화 또는 동기 스위치 라고 일반적으로 지칭되는 제어가능 스위치가 이용될 수 있다. 인덕터 L은 노드 N1과 부하 LO 사이에 배열된다. 인덕터 L은 코일 또는 트랜스포머의 권선일 수 있다. 부하 LO는 버퍼 캐패시터 C 및 임피던스 Z의 병렬 배열을 포함하는 것으로 고려된다. 임피던스 Z는 전력 변환기의 출력으로부터 전류를 얻는 회로를 나타낸다. 부하 LO 양단의 전압은 출력 전압 VO이다.
이러한 종래 기술의 하향 변환기는 잘 알려져 있으므로, 그것의 동작은 간단하게만 설명된다. 출력 전압 VO는 입력 전압 VIN의 레벨과 동일하거나 또는 그보다 낮은 고정 레벨로 안정화되는 것으로 가정되는데, 그 이유는, 그렇지 않은 경우 전력 변환기가 하향 변환기가 아닐 것이기 때문이다. 구성요소들은 이상적인 것으로 더 가정된다. 스위치 SW가 폐쇄될 때, 노드 N1에서의 전압은 입력 전압 VIN과 동일할 것이며, 따라서 다이오드 D는 차단된다. 인덕터 L을 통한 전압 차이 VIN-VO로 인해, 전류 IL은 스위치 SW가 개방되는 순간까지 선형적으로 증가될 것이다. 인덕터 L을 통한 전류 IL은 흐름을 즉각적으로 중지할 수 없으므로, 노드 N1에서의 전압은 다이오드 D가 도통을 시작할 때까지 감소된다. 이제, 인덕터 L 양단의 전압 -VO로 인해, 인덕터를 통한 전류 IL은 스위치 SW가 다시 폐쇄되는 순간까지 선형적으로 감소된다.
통상적으로, 제어 스위치 SW의 듀티 사이클(duty-cycle)은, 부하 LO에 의해 얻어진 전류와는 독립적으로, 출력 전압 VO가 원하는 고정되거나 가변적인 값에서 안정화되도록 제어된다. 따라서, 예를 들면, 부하 단계가 발생되고, 임피던스 Z에 의해 얻어진 전류가 증가되는 경우, 출력 전압 VO는 감소되는 경향이 있다. 인덕터 L에서의 평균 전류가 증가되고, 보다 많은 양의 에너지가 부하 LO로 전달되도록, 이러한 감소는 스위치 SW의 보다 긴 온타임(on-time)에 의해 저지되어야 한다. 원하는 값에서 출력 전압 Vout을 안정화시키기 위한, 많은 제어 토롤로지가 알려져 있다. 선택된 제어 토폴로지는 본 발명과 관련되지 않는다. 대안적으로, 출력 전압 VO가 변화되어야 하는 동안 부하 LO에 의해 소모된 전력이 안정적일 수 있으며, 또는 소모된 전력이 변해야 하는 동안 출력 전압 VO가 변화되어야 한다. 예를 들어, 핸드헬드에서, 하향 변환기의 출력 전압 VO는 그의 전력 공급 소스로서 출력 전압 VO를 수신하는 증폭기에 의해 송신될 출력 전력에 대응하여 변화되어, 배터리의 에너지의 최적의 이용을 얻게 된다. 낮은 출력 전력이 송신되어야 한다면, 출력 전압 VO는 대응하는 낮은 레벨을 가져야 하고, 높은 출력 전력이 송신되어야 한다면, 출력 전압 VO는 대응하는 높은 레벨을 가져야 한다.
그러한 종래 기술의 하향 변환기는, 동적 동작이 출력 전압 VO의 레벨에 크게 의존한다는 단점을 갖는다. 출력 전압 VO가 입력 전압 VIN 근처의 레벨을 갖는다면, 출력 전력을 증가시키기 위해 비교적 긴 시간 기간이 소요될 것인데, 그 이유는, 인덕터 L 양단의 작은 전압 차이로 인해, 인덕터 L을 통한 전류 IL을 충분히 증가시키기 위해 긴 시간이 소요되기 때문이다. 동일한 방식으로, 출력 전압 VO가 0 근처라면, 출력 전력을 감소시키기 위해 비교적 긴 시간 기간이 소요될 것인데, 그 이유는, 인덕터 L 양단의 작은 전압 차이로 인해, 인덕터 L을 통한 전류 IL을 충분히 감소시키기 위해 긴 시간이 소요되기 때문이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환기의 회로도를 도시한다. 도 2는 도 1에 도시된 것과 동일한 하향 변환기를 도시하며, 여기서, 제어 스위치 SW는 S1로 표기되고, 다이오드 D는 제어가능 스위치 S2에 의해 대체된다. 또한, 부하 LO 및 DC 입력 전압 소스 VIN은 각각, 도 1에 도시된 바와 같은 부하 LO 및 입력 전압 소스 VIN과 동일하다. 도 2의 하향 변환기(2)는 도 1에 도시된 것과 동일한 방식으로 동작한다.
전력 변환기는 입력 전압 VIN을 수신하기 위해 입력 IN1 및 IN2에 접속되는 입력 및 노드 N1에 접속되는 출력 O1을 갖는 전압 레벨 증가 회로(3)를 더 포함한다.
제어기(4)는 하향 변환기(2)의 스위치 S1, S2 및 전압 레벨 증가 회로(3)를 제어하여, 입력 전압 VIN 또는 전압 레벨 증가 회로(3)의 출력 전압이 노드 N1에 공급되도록 한다. 스위치 S1이 폐쇄되고, 전압 레벨 증가 회로(3)가 노드 N1에서의 전압에 영향을 미치지 않는다면, 입력 전압 VIN이 노드 N1에 공급된다. 다른 모드에서, 적응된 입력 전압 이라고도 지칭되는 전압 레벨 증가 회로(3)의 출력 전압이 출력 O1에서 노드 N1에 공급되어, 스위치 S1이 개방된다. 따라서, 입력 전압 VIN과 노드 N1에서의 적응된 입력 전압 사이에서 선택할 수 있다.
하향 변환기의 스위칭 주기는, 스위치 S1이 개방되는 2개의 연속적인 순간들 사이에 경과되는 시간 기간을 의미한다. 스위치 S1이 폐쇄될 때의 스위칭 주기 동안의 시간 기간은 스위치 S1의 온타임 이라고 지칭된다. 스위치 S1이 개방될 때의 스위칭 주기 동안의 시간 기간은 스위치 S1의 오프타임(off-time) 이라고 지칭된다. 스위칭 기간은 동일한 스위칭 주기에서의 온타임과 오프타임의 합이다.
전압 레벨 증가 회로(3)는 동일한 극성을 가지며 전압 VIN보다 높은 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, 입력 전압 VIN이 양의 극성을 갖는다면, 노드 N1에 입력 전압 VIN을 공급하기 위해 스위치 S1을 폐쇄하는 대신에, 전압 레벨 증가 회로는 입력 전압 VIN보다 높은 레벨을 갖는 양의 전압을 노드 N1에 공급한다. 이것은 부하 전류가 증가하고, 가능한 한 빠른 응답이 요구되는 경우, 또는 출력 전압 VO가 가능한 한 짧은 시간 기간내에 증가되어야 하는 경우에 바람직하다. 또는, 출력 전압 VO가 입력 전압 VIN의 레벨에 근접하는 경우에 그러하다. 전압 레벨 증가 회로(3)는 입력 전압 VIN의 극성과는 반대 극성을 갖는 전압을 공급할 수 있다. 이제, 노드 N1을 접지에 접속하기 위해 스위치 S2를 폐쇄하는 대신에, 전압 레벨 증가 회로는 반대 극성을 갖는 전압을 노드 N1에 공급한다. 이것은 부하 전류가 감소하고, 가능한 한 빠른 응답이 요구되는 경우, 또는 출력 전압 VO가 가능한 한 짧은 시간 기간내에 감소되어야 하는 경우에 바람직하다. 또는, 출력 전압이 접지 레벨에 근접하는 경우에 그러하다.
일실시예에서, 전압 레벨 증가 회로(3)는 스위치 S3, 스위치 S4 및 캐패시터 C를 포함한다. 스위치 S3은 단자 IN1과 노드 N2 사이에 배열된 주 전류 경로, 및 제어기(4)로부터 제어 신호 SC3을 수신하기 위한 제어 전극을 갖는다. 스위치 S4는 단자 IN2와 노드 N2 사이에 배열된 주 전류 경로, 및 제어기(4)로부터 제어 신호 SC4를 수신하기 위한 제어 전극을 갖는다. 캐패시터는 노드 N2와 노드 N1 사이에 배열된다. 제어기(4)는 하향 변환기가 동작해야 하는 모드를 결정하는 입력 신호 IS를 수신한다. 모든 동작 모드에서, 모든 구성요소는 동일한 것으로 가정된다. 예를 들어, 스위치들의 주 전류 경로의 임피던스는 무시된다.
제 1 모드에서, 입력 전압 VIN이 노드 N1에 공급된다. 스위치 S1 및 S2는 하향 변환기에 대해 통상적으로 동작된다. 스위치 S3 및 S4는 연속적으로 개방되어, 캐패시터 C가 부동 상태이고, 노드 N1에서의 전압에 영향을 미치지 않도록 한다. 캐패시터 C에서의 전하는 영향을 받지 않는다.
제 2 모드에서, 스위치 S4는 스위치 S1과 동시에 폐쇄될 수 있다. 이제, 스위치 S3 및 S4가 폐쇄되는 경우, 캐패시터 C는, 스위치 S1이 폐쇄될 때 캐패시터 C 양단의 전압 VC가 노드 N1에서의 전압과 동일해지도록 충전될 것이다. 따라서, 전압 VC는 VIN과 동일해진다. 스위치 S4는 스위치 S1의 온타임의 일부 동안에 또한 폐쇄될 수 있다. 스위치 S1 및 S4가 개방될 때, 충전된 캐패시터 C는 부동 상태이고, 전압 VIN은 노드 N1로 공급된다.
제 2 모드에 대하여 기술된 바와 같이 충전된 캐패시터 C로부터 시작되는 제 3 모드에서, 노드 N1에서의 전압이 입력 전압 VIN보다 높아져야 한다면, 스위치 S3은 소정의 시간 기간 동안 폐쇄되며, 그렇지 않은 경우, 스위치 S1은 폐쇄되고, 스위치 S4는 연속적으로 개방된다. 따라서, 이제 적응된 입력 전압이 노드 N1에 공급된다. 적응된 입력 전압은 2*VIN과 동일한데, 그 이유는, 캐패시터 C 양단의 전압 VC가 입력 전압 VIN과 직렬로 스위칭되기 때문이다. 스위치 S3의 오프타임 동안, 스위치 S2는 통상적으로 폐쇄된다. 스위치 S1이 연속적으로 개방되는 동안 스위치 S3은 주기적으로 폐쇄되므로, 캐패시터 C를 충전할 수 없음을 주지해야 한다. 따라서, 보다 높은 전압만이 노드 N1에 일시적으로 공급될 수 있다. 하향 변환기의 모든 스위칭 주기 이후에, 또는 사전결정된 수의 스위칭 주기 이후에, 제 2 및 제 3 모드를 교번할 수 있다.
제 4 모드에서, 스위치 S3은 스위치 S2와 동시에 폐쇄될 수 있다. 이제, 스위치 S3 및 S2가 폐쇄될 때, 캐패시터 C는, 캐패시터 C 양단의 전압 VC가 전압 VIN과 동일하지만 반대의 부호를 갖도록, 충전될 것이다. 도 2에 도시된 예에서, 전압 VC는 -VIN과 동일해진다. 스위치 S3은 스위치 S2의 온타임의 일부 동안에 또한 폐쇄될 수 있다. 스위치 S3 및 S4가 개방될 때, 충전된 캐패시터 C는 부동 상태이고, 전압 VIN이 노드 N1에 공급된다.
제 4 모드에 대하여 기술된 바와 같이 충전된 캐패시터 C로부터 시작되는 제 5 모드에서, 노드 N1에서의 전압이 접지 레벨보다 낮아져야 한다면, 스위치 S4는 소정의 시간 기간 동안 폐쇄되며, 그렇지 않은 경우, 스위치 S1은 폐쇄되고, 스위치 S3은 연속적으로 개방된다. 따라서, 이제 적응된 입력 전압이 노드 N1에 공급된다. 적응된 입력 전압은 -VIN과 동일한데, 그 이유는, 캐패시터 C 양단의 전압 VC가 노드 N1과 0 볼트인 것으로 고려되는 접지 레벨 사이에서 스위칭되기 때문이다. 스위치 S4의 오프타임 동안, 스위치 S1은 통상적으로 폐쇄된다. 스위치 S2가 연속적으로 개방되는 동안 스위치 S4는 주기적으로 폐쇄되므로, 캐패시터 C를 -VIN으로 충전할 수 없음을 주지해야 한다. 따라서, 음의 전압만이 노드 N1에 일시적으로 공급될 수 있다. 하향 변환기의 모든 스위칭 주기 이후에, 또는 사전결정된 수의 스위칭 주기 이후에, 제 4 및 제 5 모드를 교번할 수 있다.
모드들 사이의 스위칭은, 입력 신호 IS에 근거하여 제어 회로(4)에 의해 제어된다. 입력 신호 IS는 많은 방법으로 얻어질 수 있다. 예를 들어, 부하 단계에 응하기 위해, 출력 전압 VO, 출력 전압 VO와 기준 전압 사이의 차이(에러 전압), 출력 전압 VO의 유도체, 인덕터 L을 통한 전류, 또는 인덕터를 통한 전류와 타겟 값 사이의 차이(다시, 에러 신호)가 기준 레벨을 초과하는지의 여부가 체크될 수 있다. 부하 LO의 회로 Z로부터, 부하 단계가 발생될 것으로 예상되는 때가 또한 알려질 수 있으며, 예를 들어, 핸드헬드 송신기에서, 송신 전력이 증가되어야 하는 때가 미리 알려질 수 있다.
출력 전압 VO의 레벨이 변화되어야 한다면, 입력 신호 IS는 출력 전압 VO의 변화를 나타낸다. 예를 들어, 핸드헬드 송신기에서, 송신 전력이 증가되어야 하는 때 및 송신 증폭기의 전력 공급 전압이 증가되어야 하는 때가 미리 알려질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다른 전력 변환기의 회로도를 도시한다. 도 3에 도시된 전력 변환기는 도 2에 도시된 전력 변환기에 근거한다. 그 차이점은, 캐패시터 C가 배터리 Vb에 의해 대체되었다는 점이다. 다시, 하향 변환기는 스위치 S1, S3, S4를 제어함으로써 입력 신호 IS에 의해 나타내진 몇 가지의 모드에서 동작될 수 있다.
제 1 모드에서, 스위치 S1 및 S2는 하향 변환기에서 통상적인 것으로서 주기적으로 폐쇄 및 개방된다. 스위치 S3 및 S4는 연속적으로 개방된다. 배터리 Vb는 부동 상태이고, 노드 N1에서의 전압에 영향을 미치지 않는다. 스위치 S1의 온타임 동안, 입력 전압 VIN이 노드 N1에 공급된다.
제 2 모드에서, 스위치 S3이, 이제 연속적으로 개방되는 스위치 S1 대신에 주기적으로 폐쇄 및 개방된다. 이제, 입력 전압 VIN과 배터리 Vb의 전압의 합이 노드 N1에 공급된다. 배터리 Vb가 입력 전압 VIN과 동일한 극성을 갖는 전압을 공급한다면, 노드 N1에서의 전압의 레벨은 입력 전압 VIN보다 더욱 양으로 또는 더욱 음으로 된다.
제 3 모드에서, 스위치 S4는, 이제 연속적으로 개방되는 스위치 S2 대신에 주기적으로 폐쇄 및 개방된다. 이제, 배터리 Vb의 전압이 노드에 공급된다. 배터리 Vb가 입력 전압 VIN과는 반대 극성을 갖는 전압을 공급한다면, 입력 전압이 양의 전위를 갖는 경우, 노드 N1은 음의 전위를 갖는다. 인덕터 L에서의 전류의 감소는 더 커지게 되는데, 그 이유는, 0 전압 대신에 음의 전압이 노드 N1에 제공되기 때문이다.
캐패시터 C 대신에 배터리 Vb를 이용하는 것은, 노드 N1에서의 전압이 비교적 긴 시간 기간 동안, 입력 전압 VIN보다 높게 증가되거나 또는 접지 레벨보다 낮게 감소될 수 있다는 이점을 갖는다. 캐패시터 C의 방전 문제가 제거된다. 그 시간 기간 동안 그의 전압을 노드 N1에 공급할 필요가 없는 여분의 스위치에 의해, 또는 도시되지 않은 일반적으로 알려진 배터리 충전 수단에 의해, 이미 이용가능한 스위치를 통해 충전될 수 있는 비교적 작은 재충전가능 배터리를 이용할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예는 몇 가지의 방식으로 적응될 수 있다. 입력 전압 VIN 및 접지 레벨보다 높은 전압 및 낮은 전압 둘다 노드 N1에서 각각 요구되는 경우, 2개의 배터리가 제공될 수 있다. 하나의 배터리는 스위치 S3을 통해 입력 전압 VIN과 직렬 접속되어, 노드 N1에 공급된 전압을 입력 전압 VIN보다 높게 증가시킬 수 있다. 다른 배터리는 스위치 S4로 노드 N1과 접지 사이에 접속되어, 노드 N1에서 입력 전압 VIN과는 반대 극성을 갖는 전압을 얻을 수 있다. 이제, 스위치 S3 및 S4는 노드 N2에서 더 이상 상호접속되지 않는다. 대안적으로, 단일의 배터리를 2개의 극성으로 노드 N1과 스위치 S3 또는 S4 중 하나 사이에 접속할 수 있는 여분의 스위치가 도입될 수 있다. 입력 전압 VIN보다 높은 전압 또는 접지 레벨보다 낮은 전압만이 요구된다면, 스위치 S3 또는 S4 중 관련된 하나를 갖는 단일의 배터리가 요구된다. 따라서, 입력 전압 VIN보다 높은 전압만이 노드 N1에서 요구된다면, 스위치 S4는 생략될 수 있으며, 선택적으로, 스위치 S2는 도 1에 도시된 바와 같은 다이오드에 의해 대체될 수 있다. 그러나, 다이오드에 의한 스위치의 대체는 효율성을 저하시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다른 전력 변환기의 회로도를 도시한다. 도 2에서와 동일한 참조 번호를 갖는 도 4에서의 요소들은 동일한 기능을 갖는다. 도 4에서, 도 2의 스위치는 MOSFET 트랜지스터에 의해 대체된다. MOSFET의 진성(intrinsic) 다이오드가 관련된 곳에 나타내진다. 스위치 S3, S4, S7, S8(도시되지 않음)의 진성 다이오드는 단자 IN1을 향한 그들의 음극들을 갖는다.
전력 변환기는 하향 변환기(2) 및 전압 레벨 증가 회로(3)를 포함한다. 전력 변환기의 입력 IN1 및 IN2는 DC 입력 전압 VIN을 수신한다. 하향 변환기는 입력 IN3 및 IN4를 가지며, 출력 전압 VO를, 전력 변환기의 출력에 접속된 부하 LO에 공급한다. 다시, 동작의 용이성을 위해, 평활화 캐패시터는 부하 LO의 일부인 것으로 가정된다.
하향 변환기(2)는 도 2에 도시된 하향 변환기(2)와 동일한 토폴로지를 가지며, 여기서, 스위치 S1은 이제 그의 진성 다이오드 D1을 갖는 MOSFET S1이고, 스위치 S2는 이제 진성 다이오드 D2를 갖는 MOSFET S2이다.
전압 레벨 증가 회로(3)는 MOSFET S3 내지 S8 및 캐패시터 C를 포함한다. MOSFET S3은 전력 변환기 입력 IN1과 노드 N2 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. MOSFET S4는 노드 N2와 전력 변환기 입력 IN2 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 제 3 MOSFET S5는 전력 변환기 입력 IN1과 하향 변환기 입력 IN3 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. MOSFET S5는 진성 다이오드 D5를 갖는다. 제 4 MOSFET S6은 전력 변환기 입력 IN2와 하향 변환기 입력 IN4 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. MOSFET S6은 진성 다이오드 D6을 갖는다. 제 5 MOSFET S7은 하향 변환기 입력 IN3과 노드 N3 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 제 6 MOSFET S8은 하향 변환기 입력 IN4와 노드 N3 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는다. 캐패시터 C는 노드 N1과 N3 사이에 배열된다.
정상 동작 모드에서, MOSFET S5 및 S6은 연속적으로 폐쇄되고, 하향 변환기는 그의 입력 IN3 및 IN4에서 DC 입력 전압 VIN을 수신한다. 전압 레벨 증가 회로(3)의 다른 MOSFET들의 상태는 캐패시터 C의 양측에서 MOSFET 두 개가 도통되지 않는 한 관련되지 않는데, 그 이유는, 이것이 단락 회로를 초래할 것이기 때문이다. 따라서, MOSFET S3 또는 S4 중 단지 하나, 및 MOSFET S7 또는 S8 중 단지 하나만이 동시에 폐쇄되어야 한다. 스위치 S1 및 S2는 하향 변환기에서 통상적으로 동작된다.
다른 동작 모드에서, 캐패시터 C는 노드 N2에서의 전압에 대하여 양인 노드 N3에서의 전압을 얻기 위해, 주기적으로 충전된다. 캐패시터 C는 하향 변환기 입력 IN3에 주기적으로 접속되어, 이러한 하향 변환기 입력 IN3에서의 전압을 DC 입력 전압 VIN보다 높게 증가시킨다. 따라서, 캐패시터 C의 충전 기간 동안, MOSFET S4, S5, S6, S7은 폐쇄되고, 다른 MOSFET S3 및 S8은 개방된다. 캐패시터 C는 대부분의 입력 전압 VIN이 노드 N3과 N2 사이에서 발생되도록 충전된다. 하향 변환기(2)는 충전 기간 동안 정상 모드에서 동작할 수 있다. 전압 부스팅 기간 동안, 캐패시터 C 양단의 전압이 DC 입력 전압 VIN에 추가되며, MOSFET S3 및 S7이 폐쇄되고, MOSFET S4, S5, S8이 개방될 때, 하향 변환기 입력 IN3에 공급된다. 또한, 부스팅 기간 동안, 하향 변환기(2)는 정상 모드에서처럼 동작할 수 있지만, 양의 입력 전압 VIN 대신에 입력 전압 VIN과 캐패시터 C 양단의 전압의 합이 이제 하향 변환기(2)에 공급된다. 따라서, 사실상 대부분의 2*VIN이 하향 변환기(2)에 이용가능하다. 전압 부스팅 기간은 너무 길게 지속되지 않을 수 있는데, 그 이유는, 그렇지 않은 경우 캐패시터 C가 너무 많이 방전될 것이기 때문이다. 캐패시터에서의 전하 및 그 양단의 전압은, 충전 기간과 부스팅 기간 사이에서 교번함으로써, 충분히 높게 유지되어야 한다.
다른 동작 모드에서, 캐패시터 C는 노드 N2에서의 전압에 대하여 음인 노드 N3에서의 전압을 얻기 위해, 주기적으로 충전된다. 캐패시터 C는 하향 변환기 입력 IN4에 주기적으로 접속되어, 이러한 하향 변환기 입력 IN4에서의 전압을 감소시킨다. 따라서, 캐패시터 C의 충전 기간 동안, MOSFET S3, S5, S6, S8은 폐쇄되고, 다른 MOSFET S4 및 S8은 개방된다. 캐패시터 C는 대부분의 입력 전압 VIN이 노드 N2과 N3 사이에서 발생되도록 충전된다. 하향 변환기(2)는 충전 기간 동안 정상 모드에서 동작할 수 있다. 전압 부스팅 기간 동안, MOSFET S4 및 S8이 폐쇄되고, MOSFET S3, S6, S7이 개방됨으로써, 캐패시터 C 양단의 전압이 접지와 하향 변환기 입력 IN4 사이에 공급된다. 또한, 부스팅 기간 동안, 하향 변환기(2)는 정상 모드에서처럼 동작할 수 있지만, 양의 입력 전압 VIN 대신에 캐패시터 C 양단의 음의 전압이 이제 하향 변환기(2)에 공급된다. 캐패시터 C 양단의 음의 전압은 입력 전압 VIN과 거의 동일하므로, 이제 하향 변환기(2)는 VIN 대신에 -VIN으로 공급된다.
캐패시터 대신에 (도시되지 않은) 배터리가 단일의 극성으로 이용된다면, 배터리의 극성에 따라, 도 4에 도시된 회로는 간략화될 수 있다. 먼저, 배터리는 노드 N3에서 양극을 가지며, 스위치 S6, S7은 단락 회로에 의해 대체되고, 스위치 S8은 생략되는 것으로 가정된다. 이제, 스위치 S5가 연속적으로 폐쇄되고, 스위치 S3 및 S4 둘다 개방된다면, 배터리는 부동 상태이며, 영향을 미치지 않는다. 전압 부스트가 요구된다면, 스위치 S3이 폐쇄되고, 스위치 S5가 개방된다. 이제, 입력 전압 VIN을 공급하는 배터리 및 여분의 배터리는 직렬로 배열되며, 상대적으로 높은 전압이 단자 IN3에 공급된다. 스위치 S4가 폐쇄되고 스위치 S5가 개방된다면, 여분의 배터리만을 이용하여, 전력을 하향 변환기에 공급한다. 이것은 부하 LO가 하향 변환기로부터 비교적 낮은 전류를 얻는 경우에 특히 관련된다. 또한, 두 배터리들을 병렬로 이용할 수 있지만, 이것은 공급된 배터리 전압들이 동일하고/하거나 특별한 회로가 제공되어 하나의 배터리로부터의 전류가 다른 배터리를 통해 흐르지 않도록 하는 경우에만 가능하다. 여분의 배터리가 재충전가능하지 않고, 전압 부스트만이 요구된다면, 스위치 S4도 생략될 수 있다.
바람직하게, 여분의 배터리는 재충전가능하다. 재충전가능 배터리는 스위치 S3 및 S4 둘다 폐쇄되고, 스위치 S3이 개방되는 경우에 충전된다. 여분의 회로는 충전 동안 과도 전류를 제공하도록 요구될 수 있다.
대안적으로, 캐패시터 C를 대체하는 배터리가 음의 전압을 노드 N3에 공급할 수 있다. 이제, 스위치 S5 및 S8은 단락 회로에 의해 대체되며, 스위치 S7은 생략된다. 적어도 스위치 S4가, 스위치 S6이 개방될 때, 음의 배터리 전압을 노드 N3에 공급할 수 있도록 제공되어야 한다.
도 5는 모바일 장치를 도시한다. 모바일 장치 MAP는 배터리 BAT, 하향 변환기(1), 증폭기 AMP 및 안테나 ANT를 포함한다. 배터리 BAT는 입력 전압 VIN을 하향 변환기(1)에 공급한다. 하향 변환기(1)는 출력 전압을 증폭기 AMP에 공급하고, 증폭기 AMP는 송신될 안테나 신호 VA를 안테나 ANT에 공급한다. 증폭기 AMP에 공급된 출력 전압 VO은, 배터리 BAT의 유용 시간(useful time)을 최적화하도록 요망되거나 또는 요구되는 실제 송신 전력에 최적으로 적합해야 한다. 따라서, 낮은 송신 전력에서, 낮은 출력 전압 VO가 증폭기 AMP에 공급되어야 하고, 높은 송신 전력에서, 높은 출력 전압이 증폭기 AMP에 공급되어야 한다. 본 발명에 따른 개선된 하향 변환기는, 인덕터 L 양단에 제공된 보다 높은 전압으로 인해, 그의 출력 전압 VO를 보다 빠르게 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 하향 변환기는 보다 낮은 출력 전압을 보다 빠르게 스위칭할 수 있으며, 그것은 전력을 절약한다. 한편, 보다 높은 전압은, 그것이 이후에 생성된다면, 여전히 때 맞추어 제공될 것이며, 그것은 다시 전력을 절약한다. 더욱이, 본 발명의 하향 변환기는 훨씬 더 빠른 부하 단계에 작용할 것이다.
이러한 응용에서, 전력 공급 시스템은 수 십 킬로헤르쯔의 대역폭을 요구한다.
도면에는 도시되지 않았지만, 부하 LO는 확성기일 수 있다. 오디오 신호의 전력 엔벨로프가 알려지기 때문에, 증폭기 AMP의 전력 공급 전압은 정확한 순간에 변화될 수 있다. 모바일 장치 MAP는 이제 MPS 플레이어일 수 있다.
도 6은 무선 송신 시스템을 도시한다. 무선 시스템은 기지국 BAS 및 수 개의 핸드헬드 중 도시된 2개의 MAP1, MAP2를 포함한다. 핸드헬드 MAP1 및 MAP2는 둘다 도 4의 핸드헬드 MAP와 동일할 수 있다. 핸드헬드 MAP1 및 MAP2는 기지국 BAS를 통해 서로 통신한다. 기지국 BAS는 시스템에서의 통신을 제어한다. 예를 들어, 기지국 BAS는 핸드헬드 MAP1, MAP2 각각으로부터 수신된 전력을 체크하여, 제어 신호를 핸드헬드 MAP1, MAP2로 송신함으로써, 그들의 송신 전력을 적응시켜, 기지국 BAS가 충분히 강한 신호, 하지만 너무 강하지는 않은 신호를 수신하도록 할 수 있다. 너무 강한 신호는 핸드헬드 MAP1, MAP2를 너무 빠르게 고갈시킬 것이며, 시스템에서의 간섭을 초래할 수 있다. 예를 들면, 핸드헬드 MAP1, MAP2가 멀리 떨어져 있기 때문에, 수신된 전력이 너무 낮거나, 또는 직접적인 시선이 중단되는 경우, 송신의 품질은 너무 낮을 것이다. 오늘날의 무선 통신 시스템에서, 핸드헬드 MAP1, MAP2의 송신 출력 전력을 변화시키기 위해, 단지 짧은 시간 슬롯만이 제공된다. 송신기 증폭기 AMP에 공급된 전압 VO는, 배터리 BAT로부터의 전력 소모를 최적화하기 위해, 이들 짧은 시간 슬롯내에서 변화되어야 한다.
전술한 실시예는 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 당업자라면, 첨부된 특허 청구 범위의 영역으로부터 벗어나지 않고서도 많은 대안적인 실시예를 설계할 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명에 따른 하향 변환기는, 부하 변화에 대한 고속 응답이 요구되는 임의의 시스템에서, 또는 출력 전압이 짧은 시간 기간내에 변화되어야 하는 임의의 시스템에서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 하향 변환기는 셀폰(cell-phone)과 같은 휴대용의 배터리 공급형 장치, 또는 이용가능한 에너지가 적고, 낮은 전력 소모가 가장 중요한 다른 환경에서 특히 유용하다. 많은 응용의 경우 전력 소모가 문제이므로, 본 발명에 따른 하향 변환기는 독립형 집적 회로(IC)에 적용되거나, 또는 SOC(system on chip) 혹은 SiP(system in package)에 내장될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예는 단일 단 전압 승산기만을 도시하지만, 그 마지막 단이 도시된 단과 동일한 다수단 전압 승산기를 이용할 수 있다. 대안적으로, 도 3에 도시된 배터리와 같은 입력 전압을 증가시키는 다른 회로, 또는 부하 단계가 발생되거나 또는 출력 전압이 레벨을 변화시켜야 할 때 노드 N1에 전압을 일시적으로 공급할 필요만이 있는 작은 스위칭 모드 전력 공급기를 이용할 수 있다.
특허 청구 범위에서, 괄호안의 참조 부호는 특허 청구 범위를 제한하는 것으로서 고려되지 않는다. "포함한다" 라는 동사 및 그것의 활용형을 이용하는 것은, 특허 청구 범위에서 언급된 것들 이외의 요소 또는 단계가 존재함을 배제하지 않는다. 요소 앞의 하나의("a" or "an") 라는 관사는 그러한 요소가 복수개 존재함을 배제하지 않는다. 본 발명은 수 개의 개별적인 요소들을 포함하는 하드웨어에 의해 구현되고, 적절하게 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 수 개의 수단을 열거하는 장치 청구항에서, 이들 수 개의 수단은 하나의 동일한 하드웨어 항목에 의해 구현될 수 있다. 소정의 수단들이 서로 상이한 종속항에서 인용된다는 단순한 사실은, 이들 수단의 조합이 바람직하게 이용될 수 없음을 나타내지 않는다.

Claims (19)

  1. 전력 변환기(1)에 있어서,
    제 1 및 제 2 전력 변환기 입력(IN1, IN2) 사이에 접속되어 DC 입력 전압(VIN)을 수신하며, 상기 입력 전압(VIN)보다 높은 레벨 또는 상기 입력 전압(VIN)과는 반대 극성을 갖는 적응된 입력 전압을 공급하는 출력(O1; O2, O3)을 갖는 전압 레벨 증가 회로(3)와,
    제 1 및 제 2 하향 변환기 입력(IN3, IN4), 제 1 노드(N1)와 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제어 스위치(S1), 상기 제 1 노드(N1)와 부하(LO) 사이에 배열된 인덕터(L), 및 상기 제 1 노드(N1)와 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4) 사이에 배열된 동기 스위치(S2)를 갖는 하향 변환기(2)와,
    상기 제어 스위치(S1) 및 상기 전압 레벨 증가 회로(3)의 스위치들(S3, S4; S3, S4, S5, S6, S7, S8)을 제어하여, 상기 입력 전압(VIN) 또는 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1) 또는 상기 제 1 혹은 제 2 하향 변환기 입력(IN3, IN4)에 접속하는 제어기(4)를 포함하는
    전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 증가 회로(3)는 전압 승산기(3)의 부분을 포함하는 전력 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 증가 회로(3)는,
    상기 제 1 전력 변환기 입력(IN1)과 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 1 제어가능 스위치(S3)와,
    상기 제 2 노드(N2)와 상기 제 2 전력 변환기 입력(IN2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 2 제어가능 스위치(S4)와,
    상기 제 1 노드(N1)와 상기 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 캐패시터(C)를 포함하되,
    상기 제어기(4)는 상기 제어 스위치(S1) 또는 상기 제 1 제어가능 스위치(S3) 혹은 상기 제 2 제어가능 스위치(S4) 중 하나를 활성화하여, 상기 입력 전압(VIN) 또는 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 각각 공급하는 전력 변환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기(4)는 제 1 제어 신호(SC3)를 상기 제 1 제어가능 스위치(S3)에 공급하고, 제 2 제어 신호(SC4)를 상기 제 2 제어가능 스위치(S4)에 공급하며, 제 3 제어 신호(SC1)를 상기 제어 스위치(S1)에 공급하여, 2개의 동작 단계를 제공하도록 배열되며,
    제 1 단계에서, 상기 제 1 제어가능 스위치(S3)는 개방되고, 상기 제 2 제어가능 스위치(S4) 및 상기 제어 스위치(S1)는 폐쇄되어, 상기 캐패시터(C)를 충전하고, 상기 입력 전압(VIN)을 상기 제 1 노드(N1)에 공급하며,
    제 2 단계에서, 상기 제어 스위치(S1) 및 상기 제 2 제어가능 스위치(S4)는 개방되고, 상기 제 1 제어가능 스위치(S3)는 폐쇄되어, 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 공급하는 전력 변환기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기(4)는 제 1 제어 신호(SC3)를 상기 제 1 제어가능 스위치(S3)에 공급하고, 제 2 제어 신호(SC4)를 상기 제 2 제어가능 스위치(S4)에 공급하며, 제 3 제어 신호(SC1)를 상기 제어 스위치(S1)에 공급하고, 제 4 제어 신호(SC2)를 상기 동기 스위치(S2)에 공급하여, 2개의 동작 단계를 제공하도록 배열되며,
    제 1 단계에서, 상기 제 1 제어가능 스위치(S3) 및 상기 동기 스위치(S2)는 폐쇄되고, 상기 제 2 제어가능 스위치(S4) 및 상기 제어 스위치(S1)는 개방되어, 상기 캐패시터(C)를 충전하고, 상기 인덕터(L)는 상기 부하(LO)와 병렬로 접속되며,
    제 2 단계에서, 상기 제 1 제어가능 스위치(S3), 상기 제어 스위치(S1) 및 상기 동기 스위치(S2)는 개방되고, 상기 제 2 제어가능 스위치(S4)는 폐쇄되어, 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 공급하는 전력 변환기.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기(4)는 상기 전력 변환기를 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계에서 간헐적으로 동작시키도록 배열되는 전력 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 증가 회로(3)는,
    상기 제 1 전력 변환기 입력(IN1)과 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 1 제어가능 스위치(S3)와,
    상기 제 1 노드(N1)와 상기 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 배터리(B)를 포함하되,
    상기 제어기(4)는 상기 제어 스위치(S1) 또는 상기 제 1 제어가능 스위치(S3)를 활성화시켜, 상기 입력 전압(VIN) 또는 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 각각 공급하도록 배열되는 전력 변환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 증가 회로(3)는,
    제 2 노드(N2)와 상기 제 2 전력 변환기 입력(IN2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 2 제어가능 스위치(S4)와,
    상기 제 1 노드(N1)와 상기 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 배터리(B)를 포함하되,
    상기 제어기(4)는 상기 제어 스위치(S1) 또는 상기 제 2 제어가능 스위치(S4)를 활성화시켜, 상기 입력 전압(VIN) 또는 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 각각 공급하도록 배열되는 전력 변환기.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 하향 변환기 입력(IN3, IN4)은 상기 DC 입력 전압(VIN)을 수신하도록 배열되는 전력 변환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 증가 회로(3)는,
    상기 제 1 전력 변환기 입력(IN1)과 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 1 제어가능 스위치(S3)와,
    상기 제 2 노드(N2)와 상기 제 2 전력 변환기 입력(IN2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 2 제어가능 스위치(S4)와,
    상기 제 1 전력 변환기 입력(IN1)과 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 3 제어가능 스위치(S5)와,
    상기 제 2 전력 변환기 입력(IN2)과 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 4 제어가능 스위치(S6)와,
    상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3)과 제 3 노드(N3) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 5 제어가능 스위치(S7)와,
    상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4)과 상기 제 3 노드(N3) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 6 제어가능 스위치(S8)와,
    상기 제 1 노드(N1)와 상기 제 3 노드(N3) 사이에 배열된 캐패시터(C)를 더 포함하되,
    상기 제어기(4)는 상기 제 1 내지 제 6 제어가능 스위치(S3 내지 S8)를 제어함으로써, 주기적으로,
    (i) 상기 캐패시터(C)를 충전하여, 상기 제 2 노드(N2)에서의 전압에 대하여 양인 상기 제 3 노드(N3)에서의 전압을 얻고, 상기 캐패시터(C)를 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3)에 접속하여, 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3)에서의 전압을 상기 DC 입력 전압(VIN)보다 높게 증가시키거나, 또는
    (ii) 상기 캐패시터(C)를 충전하여, 상기 제 2 노드(N2)에서의 전압에 대하 여 음인 상기 제 3 노드(N3)에서의 전압을 얻고, 상기 캐패시터(C)를 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4)에 접속하여, 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4)을 감소시키는 전력 변환기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(4)는 상기 부하(LO)에 의해 요청된 단계를 나타내는 부하 단계 신호를 수신하여, 상기 부하 단계 신호가 사전결정된 값을 초과하는 경우, 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 공급하는 입력을 갖는 전력 변환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 부하 단계는 상기 부하(LO) 양단의 상기 전력 변환기의 출력 전압(Vout) 또는 시간에 대하여 구별된 출력 전압(Vout), 상기 출력 전압(Vout)과 기준 전압 사이의 차이를 나타내는 에러 신호, 상기 인덕터(L)를 통한 전류(IL), 또는 상기 요청된 단계를 나타내는 상기 부하(LO)의 전류에 제공된 신호인 전력 변환기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(4)는 상기 부하(LO) 양단의 상기 전력 변환기의 출력 전압(Vout)의 원하는 출력 신호 단계를 나타내는 코맨드 신호를 수신하여, 상기 출력 전압의 단계 또는 그것의 유도체(derivative)가 사전결정된 값을 초과하는 경우, 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 공급하는 입력을 갖는 전력 변환기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(4)는 상기 부하(LO) 양단의 상기 전력 변환기로부터의 출력 전압(Vout)을 수신하여, 상기 출력 전압(Vout)과 상기 입력 전압(VIN) 사이의 차이가 사전결정된 값보다 작아지는 경우, 또는 상기 출력 전압(Vout)의 레벨이 상기 사전결정된 값 아래로 떨어지는 경우, 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 노드(N1)에 공급하는 입력을 갖는 전력 변환기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 하향 변환기(2)는 상기 제 1 노드(N1)와 상기 인덕터(L)에 접속되지 않은 상기 부하(LO)의 단부 사이에 배열된 다른 스위칭 요소(S2)를 더 포함하는 전력 변환기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 증가 회로(3)는,
    상기 제 1 전력 변환기 입력(IN1)과 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 1 제어가능 스위치(S3)와,
    상기 제 1 전력 변환기 입력(IN1)과 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 2 제어가능 스위치(S5)와,
    상기 제 2 노드(N2)와 상기 제 2 노드(N2)에 접속된 음극을 갖는 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3) 사이에 배열된 배터리(B)를 포함하되,
    상기 제 2 전력 변환기 입력(IN2) 및 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4)은 상호접속되고, 상기 제어기(4)는 상기 제 2 제어가능 스위치(S5) 또는 상기 제 1 제어가능 스위치(S3)를 활성화시켜, 상기 입력 전압(VIN), 또는 상기 DC 입력 전압(VIN)과 상기 배터리(B)의 배터리 전압의 합인 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3)에 각각 공급하도록 배열되는 전력 변환기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 증가 회로(3)는,
    상기 제 2 전력 변환기 입력(IN2)과 제 2 노드(N2) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 1 제어가능 스위치(S4)와,
    상기 제 2 전력 변환기 입력(IN2)과 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4) 사이에 배열된 주 전류 경로를 갖는 제 2 제어가능 스위치(S6)와,
    상기 제 2 노드(N2)와 상기 제 2 노드(N2)에 접속된 양극을 갖는 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4) 사이에 배열된 배터리(B)를 포함하되,
    상기 제 1 전력 변환기 입력(IN1) 및 상기 제 1 하향 변환기 입력(IN3)은 상호접속되고, 상기 제어기(4)는 상기 제 2 제어가능 스위치(S6) 또는 상기 제 1 제어가능 스위치(S4)를 활성화시켜, 상기 입력 전압(VIN), 또는 상기 배터리(B)의 전압인 상기 적응된 입력 전압을 상기 제 2 하향 변환기 입력(IN4)에 각각 공급하도록 배열되는 전력 변환기.
  18. 모바일 장치(MAP)에 있어서,
    제 1 항의 전력 변환기(1)와, 상기 입력 전압(VIN)을 상기 전력 변환기(1)에 공급하는 배터리(BAT)와, 상기 전력 변환기(1)에 의해 공급된 상기 출력 전압(Vout)을 수신하는 증폭기(AMP)를 포함하는
    모바일 장치.
  19. 활성 모드와, 아이들(idle), 슬립(sleep) 또는 대기(standby) 모드들 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 동작 모드를 갖는 무선 송신 시스템에 있어서,
    제 16 항의 적어도 하나의 모바일 장치(MAP1, MAP2)와, 상기 적어도 하나의 모바일 장치(MAP1, MAP2)와 통신하는 기지국(BAS)을 포함하는
    무선 송신 시스템.
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