KR20070094766A - Adaptive digital voltage regulator - Google Patents

Adaptive digital voltage regulator Download PDF

Info

Publication number
KR20070094766A
KR20070094766A KR1020077015571A KR20077015571A KR20070094766A KR 20070094766 A KR20070094766 A KR 20070094766A KR 1020077015571 A KR1020077015571 A KR 1020077015571A KR 20077015571 A KR20077015571 A KR 20077015571A KR 20070094766 A KR20070094766 A KR 20070094766A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
time
duty cycle
output voltage
voltage error
quantized
Prior art date
Application number
KR1020077015571A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
폴 프레드릭 킹
Original Assignee
기아웨 포레스트 엘엘시
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US11/008,481 external-priority patent/US6992469B1/en
Application filed by 기아웨 포레스트 엘엘시 filed Critical 기아웨 포레스트 엘엘시
Publication of KR20070094766A publication Critical patent/KR20070094766A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/157Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with digital control
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic 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
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic 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
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/618Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series and in parallel with the load as final control devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

A digitally-controlled, DC/DC converter includes at least one switched-mode power stage for the purpose of converting an input voltage (Vin) into an output voltage (Vout); the power stage including at least one controllable switching device, which is turned ON and OFF by a control device with temporal resolution t. The converter further includes a duty cycle control mechanism for controlling the duty cycle of the controllable switching device, the duty cycle control mechanism including a mechanism for estimating the output voltage error; a mechanism for estimating the target duty cycle; a duty cycle quantization mechanism for determining, for a target duty cycle estimate, a first set of quantized ON time/OFF time pairs suitable for controlling the switching device; and a selector mechanism for determining the turn ON and turn OFF times of said controllable switching device by choosing, cycle by cycle, an ON time/OFF time pair from a second set of quantized ON time/OFF time pairs, derived from said first set, choosing in such a manner that the amplitude of the output voltage error is continually minimized. To compensate for the load-dependent effects of parasitics the second set of quantized ON time/OFF time pairs is adjusted continuously, to insure optimum performance at all load levels.

Description

적응형 디지털 전압 레귤레이터{ADAPTIVE DIGITAL VOLTAGE REGULATOR}Adaptive Digital Voltage Regulators {ADAPTIVE DIGITAL VOLTAGE REGULATOR}

본 발명은 파워 변환의 분야에 관련되고, 더욱 상세하게는 디지털-제어 스위치 모드 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of power conversion, and more particularly, to a digitally controlled switch mode DC / DC converter.

입력전압에 대한 평균 출력전압의 비율이 컨버터의 전력 변환 스테이지 내의 제어 가능한 스위칭 장치의 평균 듀티 사이클에 의해 결정되는 속성을 갖는 다양한 종류의 스위치 모드 DC/DC 파워 컨버터가 존재한다. 연속 전도 모드(CCM: continuous conduction mode)에서 동작하는 버크(buck), 부스트(boost), 인버팅 버크-부스트(inverting buck-boost), 포워드(forward), 및 플라이백(flyback) 컨버터가 그 예이다. 파워 컨버터의 부하가 동적으로 변화하거나, 또는 최소 출력 전압 오류를 가지고 부하의 변화를 추적할 필요가 있는 경우에, 이들 컨버터들의 레귤레이션은 출력 전압 오류를 계속해서 예측하고(출력전압 오류는 원하는 출력 전압과 깨끗한 출력 전압 사이의 차이임) 스위칭 장치의 듀티 사이클을 계속해서 조정하여 출력 전압 오류 추정에서 명백한 부하 조건의 변화를 보상함으로써 달성된다. 이 경우에 레귤레이션의 동작은 출력 전압 오류 추정에 따라서 상기 스위칭 장치의 듀티 사이클을 사이클 단위로 제어하는 것으로 이루어지며, 그리하여 상기 출력 전압 오류의 진폭은 계속해서 최소화된다.There are various kinds of switch mode DC / DC power converters whose properties are determined by the average duty cycle of the controllable switching device in the converter's power conversion stage. Examples include buck, boost, inverting buck-boost, forward, and flyback converters operating in continuous conduction mode (CCM). to be. If the load of the power converter changes dynamically, or needs to track the change in load with a minimum output voltage error, the regulation of these converters continues to predict the output voltage error (the output voltage error is the desired output voltage). This is achieved by continuously adjusting the duty cycle of the switching device to compensate for the apparent load change in the output voltage error estimate. In this case, the operation of regulation consists in controlling the duty cycle of the switching device on a cycle-by-cycle basis in accordance with an output voltage error estimate, so that the amplitude of the output voltage error is continuously minimized.

PWM(pulse width modulation) 레귤레이터로 알려진, 이러한 목적을 위한 레귤레이션 메커니즘은 일반적으로 펄스 폭 제어 메커니즘과 듀티 사이클 제어 메커니즘을 포함하며, 여기서 전자는 후자에 의해 생성된 듀티 사이클의 실현에 적절한 ON 펄스를 생성한다. 이와 같이 듀티 사이클 제어 메커니즘은 목표 듀티 사이클(상기 원하는 출력 전압을 얻는데 필수적임)을 예측하는 메커니즘을 포함한다. 목표 듀티 사이클 예측 메커니즘은 출력 전압 오류에 의해 구동된 보통 피드백 메커니즘이지만, 입력 전압에 의해 또는 2개의 어떤 조합에 의해 구동된 피드포워드(feedforward) 메커니즘일 수도 있다.The regulation mechanism for this purpose, known as a pulse width modulation (PWM) regulator, generally includes a pulse width control mechanism and a duty cycle control mechanism, where the former generates an ON pulse suitable for realizing the duty cycle generated by the latter. do. As such, the duty cycle control mechanism includes a mechanism for predicting a target duty cycle (essential for obtaining the desired output voltage). The target duty cycle prediction mechanism is a normal feedback mechanism driven by the output voltage error, but may be a feedforward mechanism driven by the input voltage or by some combination of the two.

가장 흔히 사용되는 펄스 폭 제어 메커니즘은 기본적으로 아날로그이며; 즉 입력으로서 상기 원하는 듀티 사이클을 나타내는 연속적으로 변하는 아날로그 신호를 받아들이고, 연속적으로 변하는 폭을 갖는 출력 펄스를 출력한다. 이전의 다른 아날로그 분야에서와 같이, 집적회로 기술에서의 지속적인 발전은 파워 변환의 분야에 대한 디지털 기술의 응용을 촉진시켜 왔다. 그 결과, 아날로그 PWM 레귤레이터를 대체하는 디지털 PWM 레귤레이션 메커니즘이 개발되어 상업화가 진행되고 있다. 상기 생성된 펄스 폭이 양자화되는 것-디지털 레귤레이션 메커니즘의 시간적 분해의 결과-는 이와 같은 메커니즘들의 속성이다. 만일 레귤레이션 메커니즘의 시간적 분해능이 △t이면, 펄스 폭은 △t의 정수배로 제한된다. 또한, 연속적인 ON 및 OFF 펄스들에 걸쳐 있는 스위칭 사이클 역시 △t의 정수배로 제한된다.The most commonly used pulse width control mechanism is basically analog; In other words, a continuously varying analog signal representing the desired duty cycle is received as an input, and an output pulse having a continuously varying width is output. As in the previous analog field, continuous advances in integrated circuit technology have facilitated the application of digital technology to the field of power conversion. As a result, digital PWM regulation mechanisms have been developed to replace analog PWM regulators, and commercialization is underway. The quantization of the generated pulse width—the result of the temporal decomposition of the digital regulation mechanism—is an attribute of such mechanisms. If the temporal resolution of the regulation mechanism is Δt, the pulse width is limited to an integer multiple of Δt. In addition, the switching cycle over successive ON and OFF pulses is also limited to an integer multiple of Δt.

파워 컨버터 특히 배터리 전원 공급형 모바일 응용에 사용된 DC/DC 컨버터에 디지털 PWM 레귤레이션 메커니즘을 적용하고자 하는 사람들에게 한 가지 도전은 디 지털 레귤레이션 메커니즘으로 수용할 수 있는 응용 성능을 달성하는 것이다. 펄스 폭의 양자화는 양자화된 듀티 사이클로 변형되며, 이것은 임의의 듀티 사이클 제어 메커니즘이 출력 전압 리플을 임의의 응용-지시된 레벨로 제한하는 능력을 억제한다. 이 도전의 속성을 이해하기 위해, 배터리 전원 공급방식의 모바일 응용에서 DC/DC 컨버터를 생각해보자. 스위칭 주파수는 컨버터의 동작 효율을 최대로 하고 불연속 소자들의 크기와 비용을 최소화하기 위해 전형적으로 1 MHz 부근에서 설정된다. 따라서 16 MHz에서 동작하는 디지털 PWM 레귤레이션 메커니즘은 0, 1/16 ㎲, 2/16 ㎲, 3/16 ㎲ ....16/16 ㎲의 펄스 폭을 생성할 수 있을 것이다. 고정된 스위칭 주파수를 가정하면, 17개의 순간 듀티 사이클들(0과 1을 포함)이 적용될 수 있을 것이다. 출력 전압을 레귤레이션하는 한 가지 방법은 2개의 양자화된 듀티 사이클 - 하나는 상기 목표 듀티 사이클보다 작고, 다른 하나는 더 크다 - 사이를 교차하는 것이다. 이 개념의 일 실시예(미국 특허 6,677,733 참조)에서, 듀티 사이클 제어 메커니즘은 현재의 출력 전압 오류 예측치를 조사하고, 만일 양이면, 스위칭 장치의 다음 사이클에 대해 더 작은 듀티 사이클을 선택한다. 마찬가지로, 만일 현재의 출력 전압 오류 예측치가 음이면, 스위칭 장치의 다음 사이클에 대해 더 큰 듀티 사이클을 선택한다. 그러나, 가장 좋은 상태에서, 이 듀티 사이클 제어 메커니즘은 출력 전압 리플을 수용 가능한 레벨로 제한할 수 없을 수도 있으며 이 경우에 레귤레이터의 제조업자를 위한 유일하고 분명한 의지할 것은 레귤레이션 메커니즘의 시간적 분해능을 개선하는 것이다. 즉, 클록 주파수를 증가시키는 것이다.Power converters One challenge for those who want to apply digital PWM regulation mechanisms to DC / DC converters, especially for battery-powered mobile applications, is to achieve application performance acceptable as digital regulation mechanisms. Quantization of the pulse width is transformed into quantized duty cycles, which inhibits the ability of any duty cycle control mechanism to limit the output voltage ripple to any application-indicated level. To understand the nature of this challenge, consider a DC / DC converter in a battery-powered mobile application. The switching frequency is typically set around 1 MHz to maximize the operating efficiency of the converter and minimize the size and cost of discrete elements. Thus, a digital PWM regulation mechanism operating at 16 MHz will produce pulse widths of 0, 1/16 ㎲, 2/16 ㎲, 3/16 ㎲ .... 16/16 ㎲. Assuming a fixed switching frequency, 17 instantaneous duty cycles (including 0 and 1) may be applied. One way to regulate the output voltage is to cross between two quantized duty cycles, one smaller than the target duty cycle and the other larger. In one embodiment of this concept (see US Pat. No. 6,677,733), the duty cycle control mechanism examines the current output voltage error estimate and, if positive, selects a smaller duty cycle for the next cycle of the switching device. Likewise, if the current output voltage error estimate is negative, then select a larger duty cycle for the next cycle of the switching device. In the best case, however, this duty cycle control mechanism may not be able to limit the output voltage ripple to an acceptable level, in which case the only obvious reliance for the manufacturer of the regulator is to improve the temporal resolution of the regulation mechanism. . That is, to increase the clock frequency.

상기 리플이 정적인 라인 및 부하 조건에서 수용할 수 있는 정도라고 하더라고, 리플이 증가된 상태(수용할만하지만)에서 정확한 출력 전압 피드백을 제공하는데 있어서 어려움 때문에, 동적 부하 조건하에서 엄격한 레귤레이션에 대한 도전을 제공한다. 이 경우에 동적 성능에 영향을 미치지 않으면서 리플을 최소화하기 위해 레귤레이터 제조업자에게 유일하고 분명한 대책은 상기 클록 주파수를 증대시키는 것이다.Even if the ripple is acceptable in static line and load conditions, the difficulty in providing accurate output voltage feedback with increased ripple (although acceptable) poses a challenge to strict regulation under dynamic load conditions. to provide. In this case, the only obvious solution for regulator manufacturers to minimize ripple without affecting dynamic performance is to increase the clock frequency.

하지만 출력 전압 오류(정적 및 동적)에 대한 양자화의 영향을 경감시키기 위해 클록 주파수를 증대시키는 것은 비용과 효율성 메트릭을 절충할 것이다. 예를 들면, 디지털 레귤레이션 메커니즘의 복잡도와 그에 따른 비용은 파워 소모 이외에 증가할 가능성이 있다. 또한, 증가된 비용과 파워 소모는, 만일 클록 주파수를 증대시키려는 요구가 디지털 레귤레이션 메커니즘과 다른 전자 소자들과의 통합(기판 레벨에서)을 방해한다면, 훨씬 더 배가될 것이다.However, increasing the clock frequency to mitigate the effects of quantization on output voltage errors (static and dynamic) will compromise the cost and efficiency metrics. For example, the complexity and resulting cost of digital regulation mechanisms is likely to increase in addition to power consumption. In addition, the increased cost and power consumption will be even more doubled if the need to increase the clock frequency prevents the digital regulation mechanism and integration (at the board level) with other electronic devices.

분명히 다양한 종류의 DC/DC 컨버터에서 단지 수용 가능한 (정적 및 동적) 출력 전압을 얻을 목적으로 더 높은 클록 주파수에 대한 요구를 완화시키는 디지털 제어 방법에 대한 요구가 있다.Clearly, there is a need for digital control methods that alleviate the need for higher clock frequencies for the purpose of obtaining only acceptable (static and dynamic) output voltages in various types of DC / DC converters.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명의 주된 목적은 다양한 종류의 DC/DC 컨버터에서 단지 수용 가능한 (정적 및 동적) 출력 전압을 얻을 목적으로 더 높은 클록 주파수에 대한 요구를 완화시키는 디지털 제어 방법을 제공하는 것이다.It is a primary object of the present invention to provide a digital control method that alleviates the need for higher clock frequencies for the purpose of obtaining only acceptable (static and dynamic) output voltages in various types of DC / DC converters.

이를 위해서, 출력 전압 오류를 예측하는 메커니즘; 목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘, 상기 출력 전압을 레귤레이션 하는 하나 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트를 결정하는 새로운 듀티 사이클 양자화 메커니즘, 및 상기 제 1 세트로부터 도출된 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제2 세트로부터 사이클 단위로 선택함으로써 상기 스위칭 장치의 ON 시간 및 OFF 시간을 결정하는 새로운 출력-전압-오류-구동 셀렉터 메커니즘을 포함하는 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘이 개시된다.To this end, a mechanism for predicting output voltage error; A mechanism for predicting a target duty cycle, a new duty cycle quantization mechanism for determining a first set of one or more quantized ON time / OFF time pairs regulating the output voltage, and two or more quantized derived from the first set A digital duty cycle control mechanism is disclosed that includes a new output-voltage-error-drive selector mechanism that determines the ON time and OFF time of the switching device by selecting cycle-by-cycle from a second set of ON time / OFF time pairs.

상기 듀티 사이클 양자화 메커니즘의 신규성은, 일련의 양자화된 스위칭 사이클(연속적인 ON 시간 및 OFF 시간의 합)에 의해 생성된 출력 전압 리플이 상기 일련의 사이클을 생성하는데 가용한 양자화된 스위칭 사이클의 수가 증가함에 따라 감소하고; 그리고 가용한 수는 명목상의 부하 조건 하에서 사이클 단위로 모든 스위칭 사이클의 길이가 고정되는 (종래 기술의) 전제를 완화함으로써 확대될 수 있다는 통찰로부터 얻어진다. 만일 예를 들어 스위칭 사이클이 상기 디지털 레귤레이션 메커니즘의 시간적 분해에 의해 수축/연장되는 것이 허용된다면, 가용한 스위칭 사이클의 수는 3배 증가하여 출력 전압 리플을 상당히 감소시킬 가능성이 있다.The novelty of the duty cycle quantization mechanism is that the output voltage ripple generated by a series of quantized switching cycles (sum of continuous ON time and OFF time) increases the number of quantized switching cycles available to generate the series of cycles. Decrease with increasing; And the available number is derived from the insight that it can be extended by mitigating the (previous) assumption that the length of every switching cycle in cycles under nominal load conditions is fixed. If, for example, the switching cycles are allowed to shrink / extend by the temporal decomposition of the digital regulation mechanism, there is a possibility that the number of available switching cycles increases by three times, significantly reducing the output voltage ripple.

상기 셀렉터(selector) 메커니즘의 신규성은 시간적으로 양자화된 스위칭 환경에서, 상기 스위치를 제어하는 피드백 메커니즘은 기본적으로 스위치의 각 사이클링에서 제공할 수 있는 유용한 정보의 양이 제한된다는 통찰에서 온다. 예를 들면, 종래의 고정- 주파수 펄스 폭 변조를 실행하는 디지털 레귤레이션 메커니즘은 사이클 단위로 4비트 정도를 제공한다. 이러한 환경하에서, 정상 상태에서 조차도, 출력 전압 오류를 정밀하게 0으로 구동하는데 필요한 폭을 갖는 펄스를 구성하는 것이 불가능할 때, 이전에 인용된 종래기술에서 알 수 있는 바와 같이, 오류의 부호가 변할 때 상기 오류를 다시 0으로 구동하는데 적절한 양자화된 펄스를 선택할 수 있다는 것은 중요하다. 다시 말해서, 순간 출력 전압 오류 피드백은, 그 신뢰성이 1비트로 제한된다고 하더라도, 시간적으로 양자화된 환경에서 효과적으로 동작하기 위해 이용할 수 있어야 한다.The novelty of the selector mechanism comes from the insight that in a temporally quantized switching environment, the feedback mechanism controlling the switch is basically limited in the amount of useful information that can be provided in each cycling of the switch. For example, a digital regulation mechanism that implements conventional fixed-frequency pulse width modulation provides about four bits per cycle. Under these circumstances, even in steady state, when it is impossible to construct a pulse with the width necessary to precisely drive the output voltage error to zero, when the sign of the error changes, as can be seen in the prior art cited above It is important to be able to select an appropriate quantized pulse to drive the error back to zero. In other words, instantaneous output voltage error feedback must be available to operate effectively in a temporally quantized environment, even if its reliability is limited to 1 bit.

이러한 통찰이, 출력 전압을 레귤레이션 하기 위한 하나 이상의 양자화된 ON시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트를 예측된 목표 듀티 사이클로부터 결정하는 듀티 사이클 양자화 메커니즘에서, 그리고 상기 제 1 세트로부터 도출된 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트로부터 사이클 단위로 선택하여 상기 스위칭 장치의 ON 동작시간/OFF 동작시간을 결정하는 새로운 출력-전압-오류-구동 셀렉터 메커니즘에서, 조합될 때, 피드백 경로에서의 지연 외에 양자화에 의해 유도된 리플이 감소된다. 후자를 설명하기 위해, ON 시간 대신에 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 선택은 상기 선택이 2개의 선택: ON 시간과 OFF 시간으로 분할될 수 있고, ON시간과 OFF 시간 동안에 측정된 피드백이 상기 출력 전압을 레귤레이션 하기 위해 사실상 순간적으로 적용될 수 있음을 의미한다.This insight may result in a duty cycle quantization mechanism that determines a first set of one or more quantized ON time / OFF time pairs for regulating an output voltage from a predicted target duty cycle, and two or more derived from the first set. In a new output-voltage-error-drive selector mechanism that selects, on a cycle-by-cycle basis, from the second set of quantized ON time / OFF time pairs, the feedback path when combined In addition to the delay in, the ripple induced by quantization is reduced. To illustrate the latter, the selection of ON time / OFF time pairs instead of the ON time can be divided into two choices: the ON time and the OFF time, and the feedback measured during the ON time and OFF time is the output voltage. Means that it can be applied virtually instantaneously to regulate it.

본 발명에 의하면, 스위치 모드 DC/DC 컨버터에 의해 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 방법이 제공되며; 입력 전압은 제어 장치에 의해 ON/OFF 되는 적어도 하나의 제어 가능한 스위치를 포함하는 파워 스테이지에 의해 출력 전압으로 변환되고 상기 제어장치는 제어장치의 시간적 분해능(△t)에 의해 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON 시간과 OFF 시간 모두는 △t의 정수배에 한정되는 특징을 갖는다. 이 방법의 핵심은 제어 가능한 스위칭 장치의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘이며. 상기 듀티 사이클 제어 메커니즘은 출력 전압 오류를 예측하는 메커니즘; 목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘; 목표 듀티 사이클에 대해 상기 제어 가능한 스위칭 장치에 적합한 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 1 세트를 결정하는 듀티 사이클 양자화 메커니즘 - 여기서 상기 제어 가능한 스위칭 장치는 (상기 제 1 세트의) 각 쌍의 양자화된 ON 시간/OFF 시간이 서로 독립적으로 결정되는 특징을 가지며, 즉, 상기 ON 시간과 OFF 시간의 합은 고정되지 아니하고; 쌍 대 쌍으로 불연속 값들의 세트{Tswi}(i=1,2,...I이고, Tswi는 △t의 정수배임)에 한정되어 변함; 및 상기 제 1 세트로부터 도출된 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트로부터 사이클 단위로 ON 시간/OFF 시간 쌍을 선택함으로써 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON/OFF 시간을 결정하고 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소화되도록 선택하는 출력-전압-오류-구동 셀렉터 메커니즘을 포함한다.According to the present invention there is provided a method of converting an input voltage to an output voltage by a switch mode DC / DC converter; The input voltage is converted to an output voltage by a power stage comprising at least one controllable switch that is turned on / off by the control device and the control device is controlled by the temporal resolution Δt of the control device. Both the ON time and the OFF time are characterized by being limited to an integer multiple of Δt. At the heart of this approach is a duty cycle control mechanism that controls the duty cycle of the controllable switching device. The duty cycle control mechanism may include a mechanism for predicting an output voltage error; A mechanism for predicting a target duty cycle; Duty cycle quantization mechanism that determines a first set of quantized ON time / OFF time pairs suitable for the controllable switching device for a target duty cycle, wherein the controllable switching device is configured for each pair of quantization (of the first set). The ON time / OFF time is independently determined from each other, that is, the sum of the ON time and the OFF time is not fixed; Varies only by pair-to-pair set of discrete values {Tswi} (i = 1,2, ... I, where Tswi is an integer multiple of Δt); And selecting the ON time / OFF time pair in cycle units from the second set of quantized ON time / OFF time pairs derived from the first set to determine the ON / OFF time of the controllable switching device and It includes an output-voltage-error-drive selector mechanism that selects the amplitude to continue to be minimized.

본 발명에 의하면, 스위치-모드 DC/DC 컨버터가 제공되며, According to the present invention, a switch-mode DC / DC converter is provided,

입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환하고 각각 하나 이상의 제어 가능한 스위칭 장치를 포함하는 하나 이상의 파워 스테이지(power stage); One or more power stages that convert the input voltage Vin into an output voltage Vout and each include one or more controllable switching devices;

상기 제어 가능한 스위칭 장치를 ON/OFF 동작시키는 제어장치; 및A control device for turning on / off the controllable switching device; And

상기 제어 가능한 스위칭 장치의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘을 포함하고,A duty cycle control mechanism for controlling the duty cycle of the controllable switching device,

상기 제어장치는 상기 제어장치의 시간적 분해능(temporal resolution)(△t) 에 의해, 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON 시간과 OFF 시간은 △t의 정수 배로 제한되고,The control device is limited by the temporal resolution (Δt) of the control device so that the ON time and the OFF time of the controllable switching device are limited to an integer multiple of Δt,

상기 듀티 사이클 제어 메커니즘은,The duty cycle control mechanism,

출력 전압 오류를 예측하는 메커니즘;A mechanism for predicting output voltage error;

목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘;A mechanism for predicting a target duty cycle;

목표 듀티 사이클 예측치에 대해 상기 제어 가능한 스위칭 장치를 제어하는데 적합한 하나 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트를 결정하고, (상기 제 1 세트의) 각 쌍의 양자화된 ON 시간/OFF 시간의 합계는 불연속적인 값들의 세트{Tswi} [(i= 1,2,...I), I는 양의 정수이고 Tswi는 △t의 정수 배임]에 한정되는 것을 특징으로 하는 메커니즘; 및Determine a first set of one or more quantized ON time / OFF time pairs suitable for controlling the controllable switching device for a target duty cycle estimate, and for each pair of quantized ON time / OFF times (of the first set) The sum of is defined by a set of discrete values {Tswi} [(i = 1,2, ... I), where I is a positive integer and Tswi is an integer multiple of Δt; And

상기 제 1 세트로부터 도출된 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트로부터 ON 시간/OFF 시간 쌍을 사이클 단위로 선택함으로써 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON 시간 및 OFF 시간을 결정하고 상기 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소화되도록 선택하는 출력-전압-오류-구동된 셀렉터 메커니즘(selector mechanism)을 포함한다. Determine the ON time and the OFF time of the controllable switching device by selecting the ON time / OFF time pair on a cycle basis from a second set of two or more quantized ON time / OFF time pairs derived from the first set and An output-voltage-error-driven selector mechanism that selects such that the amplitude of the output voltage error continues to be minimized.

바람직한 실시예에서, 셀렉터 메커니즘은 예측된 목표 듀티 사이클에 의해 인덱스 된 (세트의) 테이블로부터 추출된 2개의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 세트로부터 ON 시간/OFF 시간 쌍을 사이클 단위로 선택함으로써 ON/OFF 동작시간을 결정하며; 출력 전압 오류 예측치가 양일 때(즉, 출력 전압이 원하는 출력 전압보다 높을 때) 하위의 표시된 듀티 사이클을 갖는 ON 시간/OFF 시간을 선택하고, 출력 전압 오류 예측치가 음일 때 상위의 표시된 듀티 사이클을 갖는 쌍을 선택한다.In a preferred embodiment, the selector mechanism selects the ON time / OFF time pair on a cycle basis from a set of two quantized ON time / OFF time pairs extracted from a (set) table indexed by the predicted target duty cycle. Determine an ON / OFF operation time; Select an ON time / OFF time with a lower displayed duty cycle when the output voltage error estimate is positive (that is, when the output voltage is higher than the desired output voltage) and have a higher displayed duty cycle when the output voltage error estimate is negative. Select a pair.

제 2 바람직한 실시예에서, 상기 셀렉터 메커니즘은 상기 듀티 사이클 양자화 메커니즘에 의해 생성된 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍으로부터 셀렉터 메커니즘에 의해 생성된 3개의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 세트로부터 ON 시간/OFF 시간 쌍을 사이클 단위로 선택함으로써 ON/OFF 동작시간을 결정하며; 출력 전압 오류 예측치가 최고일 때 최저로 표시된 듀티 사이클을 갖는 ON/OFF 시간 쌍을 선택하고 출력 전압 오류 예측치가 최저일 때 최고로 표시된 듀티 사이클을 갖는 쌍을 선택하며, 출력 전압 오류가 최고도 최저도 아닌 경우 나머지 쌍을 선택한다.In a second preferred embodiment, the selector mechanism comprises an ON time from a set of three quantized ON time / OFF time pairs generated by a selector mechanism from a quantized ON time / OFF time pair generated by the duty cycle quantization mechanism. Determining the ON / OFF operation time by selecting a / OFF time pair on a cycle basis; Select an ON / OFF time pair with the lowest duty cycle marked as the lowest output voltage error estimate, and select the pair with the duty cycle marked as the highest when the output voltage error estimate is lowest, and the highest and lowest If not, select the remaining pair.

제 3 실시예에서, 셀렉터 메커니즘은 듀티 사이클 양자화 메커니즘에 의해 생성된 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍으로부터 셀렉터 메커니즘에 의해 생성된 6개의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 세트로부터 ON 시간/OFF 시간 쌍을 사이클 단위로 선택함으로써 ON/OFF 동작시간을 결정하며; 출력 전압 오류 예측치가 최고일 때 최저로 표시된 듀티 사이클을 갖는 ON/OFF 시간 쌍을 선택하고 출력 전압 오류 예측치가 최저일 때 최고로 표시된 듀티 사이클을 갖는 쌍을 선택하며, 출력 전압 오류가 대응하는 중간값들 중 하나일 때 나머지 중간 쌍들 중 하나를 선택한다.In a third embodiment, the selector mechanism is the ON time / OFF time from a set of six quantized ON time / OFF time pairs generated by the selector mechanism from the quantized ON time / OFF time pair generated by the duty cycle quantization mechanism. Determine ON / OFF operation time by selecting a pair on a cycle basis; Selects an ON / OFF time pair with the lowest duty cycle indicated when the output voltage error estimate is the highest, selects the pair with the duty cycle highest indicated when the output voltage error estimate is the lowest, and the output voltage error is the corresponding intermediate value. Select one of the remaining intermediate pairs

당해 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘이 로직 회로 및/또는 적절한 소프트웨어 또는 펌웨어를 갖는 마이크로프로세서를 포함하는 혼합된 신호 회로로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련자는 본 발명의 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘이 버크, 부스트, 인버팅 버크-부스트, 포워드, 및 플라이백 컨버터를 포함하는 DC/DC 컨버터 기술에 적용될 수 있으며 이에 한정되지 않음을 이해할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that the digital duty cycle control mechanism of the present invention may be implemented in mixed signal circuits including logic circuits and / or microprocessors with appropriate software or firmware. In addition, those skilled in the art will appreciate that the digital duty cycle control mechanism of the present invention may be applied to DC / DC converter technology including, but not limited to, buck, boost, inverting buck-boost, forward, and flyback converters. I will understand.

다음의 도면과 설명들은 본 발명의 다른 측면과 이점들을 개시한다.The following figures and descriptions disclose other aspects and advantages of the present invention.

본 발명의 다양한 형태와 특징들은 다음 도면을 참조함으로써 이해될 수 있을 것이다.Various forms and features of the invention will be understood by reference to the following figures.

도 1은 종래 기술의 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘을 도시하고,1 illustrates a prior art digital duty cycle control mechanism,

도 2는 본 발명에 의한 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘을 도시하고,2 shows a digital duty cycle control mechanism according to the invention,

도 3은 본 발명에 의한 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘의 일 실시예를 도시하고,3 illustrates one embodiment of a digital duty cycle control mechanism in accordance with the present invention;

도 4는 본 발명에 의한 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘의 제 2 실시예를 도시하고,4 shows a second embodiment of a digital duty cycle control mechanism according to the invention,

도 5는 본 발명에 의한 디지털 듀티 사이클 제어 메커니즘의 제 3 실시예를 도시하고,5 shows a third embodiment of a digital duty cycle control mechanism according to the invention,

도 6은 예측된 목표 듀티 사이클에 의해 인덱스된 가변-주파수 듀티 사이클 쌍의 테이블이다. 6 is a table of variable-frequency duty cycle pairs indexed by predicted target duty cycles.

입력전압에 대한 평균 출력전압의 비율이 컨터버의 전력 변환 스테이지 내의 제어 가능한 스위칭 장치의 평균 듀티 사이클에 의해 결정되는 속성을 갖는 다양한 종류의 스위치 모드 DC/DC 파워 컨버터가 존재한다. 연속 전도 모드(CCM: continuous conduction mode)에서 동작하는 버크(buck), 부스트(boost), 인버팅 버크 부스트(inverting buck-boost), 포워드(forward), 및 플라이백(flyback) 컨버터가 그 예이다. 파워 컨버터의 부하가 동적으로 변화하거나, 또는 최소 출력 전압 오류를 가지고 부하의 변화를 추적할 필요가 있는 경우에, 이들 컨버터들의 레귤레이션은 출력 전압 오류를 계속해서 예측하고(출력전압 오류는 원하는 출력 전압과 깨끗한 출력 전압 사이의 차이임) 스위칭 장치의 듀티 사이클을 계속해서 조정하여 출력 전압 오류 추정에서 명백한 부하 조건의 변화를 보상함으로써 달성된다. 이 경우에 레귤레이션의 동작은 출력 전압 오류 추정에 따라서 상기 스위칭 장치의 듀티 사이클을 사이클 단위로 제어하는 것으로 이루어지며, 그리하여 상기 출력 전압 오류의 진폭은 계속해서 최소화된다.There are various kinds of switch mode DC / DC power converters whose properties are determined by the average duty cycle of the controllable switching device in the power conversion stage of the converter. Examples are buck, boost, inverting buck-boost, forward, and flyback converters operating in continuous conduction mode (CCM). . If the load of the power converter changes dynamically, or needs to track the change in load with a minimum output voltage error, the regulation of these converters continues to predict the output voltage error (the output voltage error is the desired output voltage). This is achieved by continuously adjusting the duty cycle of the switching device to compensate for the apparent load change in the output voltage error estimate. In this case, the operation of regulation consists in controlling the duty cycle of the switching device on a cycle-by-cycle basis in accordance with an output voltage error estimate, so that the amplitude of the output voltage error is continuously minimized.

PWM(pulse width modulation)으로 알려진, 이러한 목적을 위한 레귤레이션 메커니즘은 일반적으로 펄스 폭 제어 메커니즘과 듀티 사이클 제어 메커니즘을 포함하며, 여기서 전자는 후자에 의해 생성된 듀티 사이클의 실현에 적절한 ON 펄스를 생성한다. 이와 같이 듀티 사이클 제어 메커니즘은 목표 듀티 사이클(상기 원하는 출력 전압을 얻는데 필수적인 듀티 사이클임)을 예측하는 메커니즘을 포함한다. 목표 듀티 사이클 예측 메커니즘은 출력 전압 오류에 의해 구동된 보통 피드백 메커니즘이지만, 입력 전압에 의해 구동된 피드포워드 메커니즘일 수도 있고, 또는 2개의 어떤 조합일 수도 있다.The regulation mechanism for this purpose, known as pulse width modulation (PWM), generally includes a pulse width control mechanism and a duty cycle control mechanism, where the former generates an ON pulse suitable for the realization of the duty cycle generated by the latter. . As such, the duty cycle control mechanism includes a mechanism for predicting a target duty cycle (which is the duty cycle necessary to obtain the desired output voltage). The target duty cycle prediction mechanism is a normal feedback mechanism driven by the output voltage error, but may be a feedforward mechanism driven by the input voltage, or any combination of the two.

가장 흔히 사용되는 펄스 폭 제어 메커니즘은 기본적으로 아날로그이며; 즉 입력으로서 상기 원하는 듀티 사이클을 나타내는 연속적으로 변하는 아날로그 신호 를 받아들이고, 연속적으로 변하는 폭을 갖는 출력 펄스를 출력한다. 이전의 다른 아날로그 분야에서와 같이, 집적회로 기술에서의 지속적인 발전은 파워 변환의 분야에 대한 디지털 기술의 응용을 촉진시켜 왔다. 그 결과, 아날로그 PWM 레귤레이터를 대체하는 디지털 PWM 레귤레이션 메커니즘이 개발되어 상업화가 진행되고 있다. 상기 생성된 펄스 폭은 양자화되는 것-디지털 레귤레이션 메커니즘의 시간적 분해의 결과-는 이와 같은 메커니즘들의 속성이다. 만일 레귤레이션 메커니즘의 시간적 분해가 △t이면, 펄스 폭은 △t의 정수배로 제한된다. 또한, 스패닝 사이클, 스패닝 연속적인 ON 및 OFF 펄스들 역시 △t의 정수배로 제한된다.The most commonly used pulse width control mechanism is basically analog; That is, it accepts a continuously varying analog signal representing the desired duty cycle as an input and outputs an output pulse having a continuously varying width. As in the previous analog field, continuous advances in integrated circuit technology have facilitated the application of digital technology to the field of power conversion. As a result, digital PWM regulation mechanisms have been developed to replace analog PWM regulators, and commercialization is underway. The resulting pulse width is quantized—the result of the temporal decomposition of the digital regulation mechanism—is an attribute of such mechanisms. If the temporal decomposition of the regulation mechanism is Δt, the pulse width is limited to an integer multiple of Δt. In addition, the spanning cycle, spanning successive ON and OFF pulses are also limited to an integer multiple of Δt.

도 1은 종래의 스위치-모드 DC/DC 파워 컨버터(미국 특허 6,677,733 참조)를 도시하며, 이것은 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환하는 파워 스테이지(100); 상기 파워 스테이지(100)에 포함되고 상기 제어 가능한 스위칭 장치(110)를 ON/OFF 시키는 고정-주파수 제어장치(150); 및 스위칭 장치(110)의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘(200)을 포함한다. 1 shows a conventional switch-mode DC / DC power converter (see US Pat. No. 6,677,733), which includes a power stage 100 that converts an input voltage Vin into an output voltage Vout; A fixed-frequency control device (150) included in the power stage (100) for turning on / off the controllable switching device (110); And a duty cycle control mechanism 200 that controls the duty cycle of the switching device 110.

제어장치(150)는 고정-주파수 제어장치이기 때문에, 고정된 간격(Tsw)으로 스위칭 장치(110)를 ON 시킨다. 제어장치(150)는 (필요하다면) 사이클 단위로 듀티 사이클 입력을 ON 시간으로 변환함으로써 스위칭 장치(110)를 OFF 시킨다.Since the controller 150 is a fixed-frequency controller, the switching device 110 is turned on at a fixed interval Tsw. The controller 150 turns off the switching device 110 by converting the duty cycle input into the ON time in cycle units (if necessary).

상기 듀티 사이클 제어 메커니즘은, 출력 전압 오류 예측기(230), 출력 전압 오류 신호로부터 왜곡되지 않은 출력 전압 오류의 예측을 생성하는 메커니즘, 및 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소화되는 방식으로 스위칭 장치(110)의 ON 및The duty cycle control mechanism includes an output voltage error predictor 230, a mechanism for generating an undistorted output voltage error prediction from the output voltage error signal, and a switching device 110 in such a way that the amplitude of the output voltage error is continuously minimized. ) ON and

OFF 시간을 결정하는 출력-전압-오류-구동 듀티 사이클 셀렉터로 이루어진다.It consists of an output-voltage-error-drive duty cycle selector that determines the OFF time.

디지털 실시에서, 상기 출력 전압 오류 예측기는 종종 출력 전압 오류 신호에 대해 동작하는 디지털 PID(proportional-integral-differential) 필터의 형태를 갖는다. PID 필터는 개선된 신호 대 잡음비와 지연의 절충 가능성을 제공한다. 지연이 최소화되어야 하는 경우, 2진 비교기를 통해 얻어진 2값(bi-valued) 출력 전압 오류 예측이 적절할 것이다. 이것이 출력 전압 오류 예측기(230)의 속성이다. 듀티 사이클 제어 메커니즘(200)에서, 출력 전압 오류의 예측은 매 스위칭 사이클의 끝에서 듀티 사이클 셀렉터(250)에 의해 샘플링되고, 상기 값은 그 다음 스위칭 사이클의 듀티 사이클을 선택하기 위해 적용되며, 그것에 의해 스위칭 장치(110)의 ON 및 OFF 시간을 결정한다.In a digital implementation, the output voltage error predictor often takes the form of a digital proportional-integral-differential (PID) filter that operates on the output voltage error signal. PID filters offer improved signal-to-noise ratios and the possibility of compromise of delay. If delay is to be minimized, then a bi-valued output voltage error prediction obtained through a binary comparator will be appropriate. This is a property of the output voltage error predictor 230. In the duty cycle control mechanism 200, the prediction of the output voltage error is sampled by the duty cycle selector 250 at the end of every switching cycle, the value applied to select the duty cycle of the next switching cycle, This determines the ON and OFF times of the switching device 110.

따라서, 듀티 사이클 셀렉터(250)는 사이클 단위로 Dmin 또는 Dmax를 선택한다(Dmin과 Dmax는 응용에 특정된 일정한 범위의 입력 전압에 미치도록 규정되었다); 출력 전압 오류 예측이 양일 때(즉, 왜곡되지 않은 출력 전압이 원하는 출력 전압보다 더 높을 때) Dmin을 선택하고, 출력 전압 오류 예측이 음일 때 Dmax를 선택한다.Thus, duty cycle selector 250 selects Dmin or Dmax on a cycle-by-cycle basis (Dmin and Dmax are defined to span a range of input voltages specific to the application); Select Dmin when the output voltage error prediction is positive (that is, when the undistorted output voltage is higher than the desired output voltage) and Dmax when the output voltage error prediction is negative.

전술된 듀티 사이클 제어 메커니즘의 단순성이 효과적인 동안, 상기 듀티-사이클-양자화-유도 출력 전압 리플은 상기 입력 전압의 범위와 그 결과에 의한 Dmin과 Dmax의 확산이 너무 넓다면 허용될 수 없게 될 수 있다.While the simplicity of the duty cycle control mechanism described above is effective, the duty-cycle-quantization-induced output voltage ripple may become unacceptable if the range of the input voltage and the resulting spread of Dmin and Dmax is too wide. .

도 2는 본 발명에 따른 스위치-모드 DC/DC 파워 컨버터를 도시하며, 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환하는 파워 스테이지(101); 파워 스테이지(101)에 포함되고 제어 가능한 스위칭 장치(112)를 ON/OFF 시키는 제어장치(151); 및 듀 티 사이클 스위칭 장치(111)를 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘(201)를 포함한다.2 shows a switch-mode DC / DC power converter according to the present invention, comprising: a power stage 101 for converting an input voltage Vin into an output voltage Vout; A control device 151 for turning on / off the controllable switching device 112 included in the power stage 101; And a duty cycle control mechanism 201 that controls the duty cycle switching device 111.

제어장치(151)의 추가적인 특징은 제어 장치의 시간적 분해능(△t) 때문에 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON/OFF 시간 모두가 △t의 정수 배로 제한되는 것이다. 제어 장치(151)가 고정-주파수 제어장치가 아니기 때문에, 스위칭 장치(111)를 ON/OFF 시키기 위해서는 ON 시간과 OFF 시간을 입력해야 한다.An additional feature of the control device 151 is that both the ON / OFF time of the controllable switching device is limited to an integer multiple of Δt because of the temporal resolution Δt of the control device. Since the control device 151 is not a fixed-frequency control device, the ON time and the OFF time must be input to turn ON / OFF the switching device 111.

듀티 사이클 제어 메커니즘은 목표 듀티 사이클 예측기/출력 전압 오류 예측기(231), 출력 전압 오류 신호 또는 입력 전압 신호 또는 2개의 조합으로부터 상기 목표 듀티 사이클(DT) 및 상기 왜곡되지 않은 출력 전압 오류(VE)를 예측하는 메커니즘, 목표 듀티 사이클 예측에 대해 상기 목표 듀티 사이클(DT)의 근방에서 적어도 하나의 양자화된 듀티 사이클(DQj j=1,2,...J)의 제 1 세트를 결정하고, 아니면 스위칭 장치(111)를 제어하기에 적합한 가변-주파수 듀티 사이클 양자화기(221); 및 듀티 사이클(DQj)의 제 1 세트로부터 적어도 2개의 양자화된 듀티 사이클(DQk k=1,2...K, 최저부터 최고까지의 순서로)의 제 2 세트를 생성하고 사이클 단위로 상기 듀티 사이클(DQk)의 제 2 세트로부터 하나의 듀티 사이클(및 그에 대응하는 ON 시간/OFF 시간 쌍)을 선택함으로써 스위칭 장치(111)의 ON/OFF 시간을 결정하고, 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소가 되도록 선택하는 출력-전압-오류-구동 듀티 사이클 셀렉터(211)를 포함한다.The duty cycle control mechanism is adapted to recover the target duty cycle DT and the undistorted output voltage error VE from a target duty cycle predictor / output voltage error predictor 231, an output voltage error signal or an input voltage signal, or a combination of the two. A mechanism for predicting, determining a first set of at least one quantized duty cycle DQ j j = 1,2, ... J in the vicinity of the target duty cycle DT for target duty cycle prediction, or A variable-frequency duty cycle quantizer 221 suitable for controlling the switching device 111; And generating a second set of at least two quantized duty cycles (DQk k = 1,2 ... K, in order from lowest to highest) from the first set of duty cycle DQ j and repeating the above on a cycle-by-cycle basis. The ON / OFF time of the switching device 111 is determined by selecting one duty cycle (and corresponding ON time / OFF time pair) from the second set of duty cycles DQk, and the amplitude of the output voltage error continues. And an output-voltage-error-drive duty cycle selector 211 that selects to be minimal.

디지털 실시에서, 상기 목표 듀티 사이클 예측기(231)는 출력 전압 오류 신 호에 대해 동작하는 디지털 PID 필터의 형태를 갖는다. 본 발명에 의하면, 상기 필터는 상기 출력 전압 오류 신호 대신에 또는 부가적으로 입력 전압 신호에 대해 동작할 수도 있다. 마찬가지로, 출력 전압 오류 예측기(231)는 종종 PID 필터로서 구현된다. PID 필터는 개선된 신호 대 잡음비와 지연간의 절충 가능성을 제공한다. 지연이 최소가 되어야 하는 경우, 제한된 신뢰성 출력 전압 오류 예측의 대가를 치르더라도, 2진 또는 3진 비교기에 의해 생성된 2값 또는 3값 출력 전압 오류 예측은 단순하고 효과적이다. 이것이 출력 전압 오류 예측기(231)의 속성이다. 또한, 듀티 사이클 제어 메커니즘(201)에서, 출력-전압-오류-구동 듀티 사이클 셀렉터(211)는 ON 시간 또는 OFF 시간 또는 둘 다의 기간에 얻어진 출력 전압 오류 예측치의 샘플에 기초하여 상기 듀티 사이클을 선택한다.In a digital implementation, the target duty cycle predictor 231 is in the form of a digital PID filter that operates on an output voltage error signal. According to the invention, the filter may operate on an input voltage signal instead of or in addition to the output voltage error signal. Similarly, output voltage error predictor 231 is often implemented as a PID filter. PID filters offer an improved trade-off between signal-to-noise ratio and delay. Where delays should be minimal, even at the cost of limited reliable output voltage error prediction, the two or three value output voltage error prediction generated by a binary or ternary comparator is simple and effective. This is a property of the output voltage error predictor 231. Further, in the duty cycle control mechanism 201, the output-voltage-error-drive duty cycle selector 211 performs the duty cycle based on a sample of the output voltage error estimates obtained during the ON time or the OFF time or both. Choose.

듀티 사이클 셀렉터(211)가 ON시간 동안에 얻어진 출력 전압 오류 예측치의 샘플에 기초하여 듀티 사이클을 선택하는 경우에, 출력 전압 오류의 예측은 상기 스위칭 사이클이 시작된 후에 그리고 듀티 사이클의 선택이 결정되기 전에 듀티 사이클 셀렉터(211)에 의해 샘플링되고 적시에 인가되어 상기 선택된 듀티 사이클에 내재하는 OFF 동작을 발효시킨다. 버크 컨버터에 있어서, 출력 전압 오류 양상(excursions)은 상기 평균에 대해서 대칭적이기 때문에, 상기 출력 전압 오류 예측은 2진 또는 3진 비교기를 샘플링함으로써 직접적으로 도출될 수도 있다. 이상적인 샘플링 시간은 DQ1과 DQK의 ON 시간으로부터 결정될 수 있다; 구체적으로, 스위칭 사이클의 시작에 대한 샘플링 시간은 1/4(ON1 + ONK)이고, (필요시) △t의 최 인접 배수로 절삭된다. 상기 샘플링 시간의 계산은 세트 DQj가 바뀌는 만큼 자주 행해져야 한다.In the case where the duty cycle selector 211 selects a duty cycle based on a sample of the output voltage error estimate obtained during the ON time, the prediction of the output voltage error is performed after the switching cycle starts and before the selection of the duty cycle is determined. Sampled by the cycle selector 211 and applied in a timely manner to effect the OFF operation inherent in the selected duty cycle. For buck converters, the output voltage error predictions are symmetrical with respect to the average, so the output voltage error prediction may be derived directly by sampling a binary or ternary comparator. The ideal sampling time can be determined from the ON times of DQ1 and DQK; Specifically, the sampling time for the start of the switching cycle is 1/4 (ON1 + ONK) and (if necessary) is cut to the nearest multiple of Δt. The calculation of the sampling time should be done as often as the set DQ j changes.

부스트 컨버터에 있어서, 상기 출력 전압 오류 진행이 평균에 대해서 대칭이 아닌 경우, 출력 전압 오류 예측의 도출은 직접적이지 않다. 이 경우에, 2값 또는 3값 출력 전압 오류 예측은 시간상 분리되었지만 정상 상태에서 규정된 오류 전압의 2개의 2값 샘플로부터 아주 용이하게 구성되며, 한 샘플은 보통 양일 것이고 다른 샘플은 음일 것이다. 예를 들면, 상기 제 1 샘플은 OFF 시간 이후(스위칭 사이클 시작 전) 1/4(OFF1 + OFFK)에서 얻어질 수 있고, 제 2 샘플은 이어지는 ON시간 이후(스위칭 사이클의 개시를 야기함) 1/4(ON1 + ONK)에서 얻어질 수 있으며, 출력 전압 오류 예측이 구성될 수 있도록 하고 듀티 사이클이 적시에 선택된 듀티 사이클이 상기 선택된 듀티 사이클에 내재한 OFF를 발효시킬 수 있도록 한다. 마일 이들 2개의 샘플들이 모두 양이면, 오류 예측은 양이고; 만일 2개의 샘플들 모두 음이면, 오류 예측은 음이다. 만일 한 샘플이 양기고 다른 것이 음이면, 오류 예측은 3값 예측의 경우 0이거나, 또는 2값 예측의 경우에는 이전 값으로부터 변하지 않는다. For a boost converter, if the output voltage error progression is not symmetric about the mean, derivation of the output voltage error prediction is not direct. In this case, the two- or three-valued output voltage error prediction is very easily constructed from two binary samples of the defined error voltage in time separated but steady state, with one sample usually being positive and the other sample being negative. For example, the first sample can be taken after the OFF time (before the switching cycle begins) 1/4 (OFF1 + OFFK), and the second sample is after the subsequent ON time (which causes the beginning of the switching cycle) 1 / 4 (ON1 + ONK), allowing output voltage error prediction to be configured and allowing the duty cycle to timely select the duty cycle to effect the OFF inherent in the selected duty cycle. If these two samples are both positive, the error prediction is positive; If both samples are negative, the error prediction is negative. If one sample is positive and the other is negative, the error prediction is zero for three-valued prediction, or does not change from the previous value for two-valued prediction.

듀티 사이클 셀렉터(211)가 ON 시간 동안에 그리고 다신 OFF 시간 동안에 얻어진 출력 전압 오류 예측의 샘플들에 기초하여 상기 듀티 사이클을 선택하는 경우에, 출력 전압 오류의 예측은, 일단 상기 스위칭 사이클이 시작되고 OFF 시간이 결정되기 전에 듀티 사이클 셀렉터(211)에 의해 샘플링되고, 다시 상기 OFF시간 이후 에 그리고 듀티 사이클의 최종 결정 이전에, 그리고 그것의 암시적인 ON시간에 샘플링 된다. 듀티 사이클 셀렉터(211)는 듀티 사이클의 선택을 제한하기 위해 상기 제 1 샘플을 적용하고, 그렇게 하는 것은 OFF 시간을 결정하며; 그리고 최종적으로 듀티 사이클을 선택하기 위해 제 2 샘플을 적용하고, 그렇게 하는 것은 ON 시간을 결정하며, 스위칭 사이클의 종료를 표시한다. 양 선택은 샘플링 시 즉시 수행되고, 적시에 상기 선택된 듀티 사이클에 내재한 ON 및 OFF를 발효시킨다. 이상적인 샘플링 시간은 DQ1과 DQK의 ON/OFF 시간으로부터 결정된다. 스위칭 사이클의 개시에 대해서 제 1 샘플링 시간은 1/4(ON1 + ONK)이고 △의 가장 인접한 배수로 (필요시) 절삭되며; OFF 시간에 대한 제 2 샘플링 시간은 1/4(OFF1 + OFFK)이고 △의 가장 인접한 배수로 (필요시) 절삭된다. 상기 샘플링 시간의 계산은 세트 DQj가 변하는 만큼 자주 행해져야 한다.In the case where the duty cycle selector 211 selects the duty cycle based on samples of the output voltage error prediction obtained during the ON time and again during the OFF time, the prediction of the output voltage error occurs once the switching cycle is started and turned off. It is sampled by the duty cycle selector 211 before the time is determined, again after the OFF time and before the final determination of the duty cycle, and at its implicit ON time. The duty cycle selector 211 applies the first sample to limit the selection of the duty cycle, and so doing determines the OFF time; And finally apply a second sample to select the duty cycle, which determines the ON time and marks the end of the switching cycle. Both selections are performed immediately upon sampling and timely effect the ON and OFF inherent in the selected duty cycle. The ideal sampling time is determined from the on / off times of DQ1 and DQK. For the start of the switching cycle, the first sampling time is 1/4 (ON1 + ONK) and is cut off (if necessary) to the nearest multiple of Δ; The second sampling time for the OFF time is 1/4 (OFF1 + OFFK) and is cut off (if necessary) to the nearest multiple of Δ. The calculation of the sampling time should be done as often as the set DQj changes.

따라서, 듀티 사이클 셀렉터(211)는 사이클 단위로 세트 DQk(및 그에 대응하는 ON 시간/OFF 시간 쌍)로부터 듀티 사이클을 선택하고, 총 출력 전압 예측이 최고일 때 DQ1을 선택하고, 총 출력 전압 예측이 최저일 때 DQK를 선택하며, 총 출력 전압 오류가 대응하는 중간값들 중 하나일 때 나머지 중간 듀티 사이클 중 하나를 선택한다.Thus, the duty cycle selector 211 selects the duty cycle from the set DQk (and its corresponding ON time / OFF time pair) on a cycle-by-cycle basis, selects DQ1 when the total output voltage prediction is the highest, and estimates the total output voltage. Select DQK when this is the lowest, and select one of the remaining intermediate duty cycles when the total output voltage error is one of the corresponding intermediate values.

소정의 DT 값에 대한 세트 DQj의 결정은 2단계 프로세스를 통해 가변-주파수 듀티 사이클 양자화기(221)에 의해 달성되며, 제 1 단계는 DT의 근방에 있는 양자화된 듀티 사이클의 열거이고, 제 2 단계는 상기 열거된 가능으로부터 DQj의 선택이다. Determination of the set DQj for a given DT value is accomplished by the variable-frequency duty cycle quantizer 221 via a two-step process, where the first step is an enumeration of the quantized duty cycles in the vicinity of the DT, and the second The step is the selection of DQj from the listed possibilities.

제 1 세트(DQj)로부터 제 2 세트 듀티 사이클(DQk)의 결정은 2단계 프로세스를 통해 듀티 사이클 셀렉터(211)에 의해 이루어지며, 제 1 단계는 세트 DQj의 확장이고, 제 2 단계는 세트 DQj의 확장으로부터 DQk의 선택이다. 세트 DQj의 XDQj(j=1,2,...JJ)로의 확장은 효과적인 동작 세트 DQk가 선택될 수 있는 양자화된 듀티 사이클의 포괄적인 세트를 제공한다. 상기 확장은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 아주 간단한 확장은 XDQj = (m+(j-2))/n으로 설정함으로써 수행될 수 있으며, 여기서 DQ1 = m/n이다. 더욱 정밀한 분해능을 제공하기 위해, XDQj는 다음과 같이 설정될 수 있다.Determination of the second set duty cycle DQk from the first set DQj is made by the duty cycle selector 211 through a two step process, the first step being an extension of the set DQj and the second step being a set DQj From the expansion of DQk is the choice. Extension of the set DQj to XDQj (j = 1, 2,... JJ) provides a comprehensive set of quantized duty cycles in which an effective set of operations DQk can be selected. The extension can be accomplished in a variety of ways. A very simple extension can be done by setting XDQj = (m + (j-2)) / n, where DQ1 = m / n. In order to provide more precise resolution, XDQj can be set as follows.

XDQj = (m+(j-3)/2)/n j가 홀수인 경우XDQj = (m + (j-3) / 2) / n j is odd

그리고 XDQj = (m+(j-4)/2)/(n-1) j가 짝수인 경우,And if XDQj = (m + (j-4) / 2) / (n-1) j is even,

또는 XDQj = (m+(j-3)/2)/n j가 홀수인 경우Or XDQj = (m + (j-3) / 2) / n j is odd

그리고 XDQj = (m+(j-2)/2)/(n+1) j가 짝수인 경우.And XDQj = (m + (j-2) / 2) / (n + 1) j is even.

세트 XDQj의 요소의 수(JJ)는 상기 세트에서 최대 듀 티 사이클이 큰 부하에서 기생 효과를 보상하기에 충분히 크도록 충분히 커야 한다. XDQj의 계산은 DQj가 변하는 만큼 자주 행해져야 한다.The number JJ of the elements of the set XDQj must be large enough so that the maximum duty cycle in the set is large enough to compensate for parasitic effects at high loads. The calculation of XDQj should be done as often as the DQj changes.

듀티 사이클 동작 세트(DQk)는 정적으로 또는 동적으로 결정될 수 있으며; 즉 DQk는 XDQj의 미리 정해진 서브 세트이거나, 또는 부하에 의해 결정된 일반적으로 연속된 XDQj의 서브세트에 동적으로 "매핑"될 수 있다. 이 서브세트(K)의 요소들의 수는 어느 경우에나 듀티 사이클 셀렉터의 로직에 의해 결정된다. 듀티 사이클 셀렉터(211)가 ON 시간 또는 OFF 시간 동안에 얻어진 출력 전압 오류 예측의 2 진 또는 3진 샘플에 기초하여 상기 듀티 사이클을 선택하는 경우에, 요소들의 수(K)는 2 또는 3이고; 듀티 사이클 셀렉터(211)가 ON 시간과 OFF 시간 동안에 얻어진 출력 전압 오류 예측의 2진 또는 3진 샘플들에 기초하여 듀티 사이클을 선택하는 경우에, 요소들의 수(K)는 4부터 9까지의 범위에 있다. K=2인 경우, XDQj의 미리 정해진 서브세트, 즉 XDQ1과 XDQJJ는, 수용할 수 없는 출력 전압 리플을 생성한다. 이것은 기생 효과의 인공물일 수 있으며, 낮은 부하보다 높은 부하에서 현저히 더 높은 듀티 사이클을 필연적으로 동반한다. 이를 보상하기 위해서, DQk를 동적으로 결정하는 메커니즘이 유용하다.The duty cycle operation set DQk can be determined statically or dynamically; That is, DQk may be a predetermined subset of XDQj, or may be dynamically "mapped" to a subset of generally contiguous XDQj determined by the load. The number of elements in this subset K is in any case determined by the logic of the duty cycle selector. When the duty cycle selector 211 selects the duty cycle based on a binary or ternary sample of the output voltage error prediction obtained during the ON time or the OFF time, the number of elements K is 2 or 3; When the duty cycle selector 211 selects a duty cycle based on binary or ternary samples of the output voltage error prediction obtained during the ON time and the OFF time, the number of elements K ranges from 4 to 9 Is in. If K = 2, a predetermined subset of XDQj, i.e., XDQ1 and XDQJJ, produces an unacceptable output voltage ripple. This may be a parasitic artifact, inevitably accompanied by significantly higher duty cycles at higher loads than at low loads. To compensate for this, a mechanism for dynamically determining DQk is useful.

K=2인 경우에 듀티 사이클의 동작 세트를 동적으로 결정하는 간단하지만 효과적인 메커니즘은 연속적인 DQ1 또는 DQ2의 수를 세는 것이며, 그 수가 미리 정해진 문턱을 초과하는 때, XDQj 내에서 DQk를 "슬라이딩" 또는 재배치함으로써 DQ1 또는 DQ2를 상하로 조정한다. 또는, DQ2에 대한 DQ1의 또는 DQ1에 대한 DQ2의 초과의 수가 윈도에서 DQ1과 DQ2를 조정하는데 사용될 수 있다. 이들 메커니즘 모두는 K의 다른 값에 대해 적응될 수 있다.A simple but effective mechanism for dynamically determining the operation set of duty cycles when K = 2 is to count the number of consecutive DQ1 or DQ2, and "slid" DQk within XDQj when the number exceeds a predetermined threshold. Or adjust DQ1 or DQ2 up and down by repositioning. Alternatively, the number of DQ1 for DQ2 or an excess of DQ2 for DQ1 may be used to adjust DQ1 and DQ2 in the window. All of these mechanisms can be adapted for other values of K.

부하에 종속적인 기생 효과를 보상하기 위해 가변-주파수 듀티 사이클 양자화, 동일-사이클 출력 전압 피드백, 및 듀티 사이클의 동작 세트의 동적 결정을 적용하는 것은 최소의 계산 비용으로 정적 및 동적 성능을 현저히 개선한다. 전술한 듀티 사이클 제어 메커니즘이 종래의 듀티 사이클 제어 메커니즘과 속성상 유사한 내재적인 성능 한계를 갖지만, 성능상 듀티 사이클 양자화의 효과는 응용 의존을 도입하지 않고 실질적으로 감소한다.Applying variable-frequency duty cycle quantization, equal-cycle output voltage feedback, and dynamic determination of the duty cycle's operating set to compensate for load-dependent parasitic effects significantly improves static and dynamic performance with minimal computational cost . Although the duty cycle control mechanism described above has inherent performance limitations that are similar in nature to conventional duty cycle control mechanisms, the effect of duty cycle quantization on performance is substantially reduced without introducing application dependence.

도 3은 본 발명에 따른 스위치-모드 DC/DC 파워 컨버터를 도시하며, 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환하는 파워 스테이지(102); 파워 스테이지(102)에 포함되고 제어 가능한 스위칭 장치(112)를 ON/OFF 시키는 제어장치(152); 스위칭 장치(112)의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘(202)을 포함한다.3 shows a switch-mode DC / DC power converter according to the present invention, comprising: a power stage 102 for converting an input voltage Vin to an output voltage Vout; A control device 152 for turning on / off the controllable switching device 112 included in the power stage 102; A duty cycle control mechanism 202 that controls the duty cycle of the switching device 112.

상기 제어장치(152)의 추가적인 특징은, 상기 제어장치의 시간적 분해능(△t) 때문에, 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON/OFF 시간 모두가 △t의 정수배로 제한된다. 제어장치(152)가 고정-주파수 제어장치가 아니기 때문에, 스위칭 장치(112)를 ON/OFF 시키기 위해 ON 시간과 OFF 시간을 입력해야 한다.An additional feature of the control device 152 is that, due to the temporal resolution Δt of the control device, both the ON / OFF time of the controllable switching device is limited to an integer multiple of Δt. Since controller 152 is not a fixed-frequency controller, the ON time and the OFF time must be entered to turn ON / OFF the switching device 112.

듀티 사이클 제어 메커니즘은 목표 듀티 사이클 예측기/출력 전압 오류 예측기(232)와, 출력 전압 오류 신호 또는 입력 전압 신호 또는 양자의 조합으로부터, 목표 듀티 사이클(DT), 및 왜곡되지 않은 출력 전압 오류(VE)를 예측하는 메커니즘, 및 상기 예측된 목표 듀티 사이클(DT)에 의해 인덱스 된 듀티 사이클 쌍(242)의 테이블로부터 추출된 한 쌍의 양자화된 듀티 사이클(DT로 총칭되는 DQmin과 DQmax)로부터 양자화된 듀티 사이클(및 그에 대응하는 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍)을 사이클 단위로 선택함으로써 스위칭 장치(112)의 ON 시간/OFF 시간을 결정하고; 상기 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소가 되도록 선택하는 출력-전압-오류-구동 듀티 사이클 셀렉터(252)를 포함한다.The duty cycle control mechanism includes the target duty cycle predictor / output voltage error predictor 232 and the target duty cycle DT and the undistorted output voltage error VE from the output voltage error signal or the input voltage signal or a combination of both. And a quantized duty from a pair of quantized duty cycles (DQmin and DQmax, collectively referred to as DT) extracted from a table of duty cycle pairs 242 indexed by the predicted target duty cycle DT Determine the ON time / OFF time of the switching device 112 by selecting the cycle (and the corresponding quantized ON time / OFF time pair) on a cycle basis; An output-voltage-error-drive duty cycle selector 252 that selects such that the amplitude of the output voltage error continues to be minimum.

디지털 실시에서, 상기 목표 듀티 사이클 예측기(232)는 종종 디지털 PID(proportional-integral-differential) 필터의 형태를 가지며, 출력 전압 오류 신호에 대해 동작한다. 본 발명에 의하면, 상기 필터는 상기 출력 전압 오류 신호 대신에 또는 부가적으로 동작한다. 마찬가지로, 상기 출력 전압 예측기(232)는 PID 필터로서 종종 구현된다. PID 필터는 신호 대 잡음비와 지연간의 절충 가능성을 제공한다. 지연이 최소화되어야 하는 경우, 2진 비교기를 통해 생성된 2값(bi-valued) 출력 전압 오류 예측은 간단하고 효과적이다. 이것이 출력 전압 오류 예측기(232)의 속성이다. 또한, 듀티 사이클 제어 메커니즘(202)에서, 출력 전압 오류는 스위칭 사이클이 시작된 후 그리고 듀티 사이클의 선택 이전에 듀티 사이클 셀렉터(252)에 의해 샘플링되어, 적시에 적용되어 (듀티 사이클 셀렉터(252)에 의해) 상기 선택된 듀티 사이클에 내재한 OFF 동작을 발효시킨다.In a digital implementation, the target duty cycle predictor 232 often takes the form of a digital proportional-integral-differential (PID) filter and operates on an output voltage error signal. According to the invention, the filter operates in lieu of or in addition to the output voltage error signal. Similarly, the output voltage predictor 232 is often implemented as a PID filter. PID filters offer a trade-off between signal-to-noise ratio and delay. When delay is to be minimized, the bi-valued output voltage error prediction produced by the binary comparator is simple and effective. This is a property of the output voltage error predictor 232. In addition, in the duty cycle control mechanism 202, the output voltage error is sampled by the duty cycle selector 252 after the switching cycle begins and before the selection of the duty cycle, and applied in time (to the duty cycle selector 252). By) effectuates the OFF operation inherent in the selected duty cycle.

버크 컨버터(buck converter)에 있어서, 출력 전압 오류 양상이 평균에 대해 대칭적이지 않은 경우, 출력 전압 오류 예측의 도출은 직접적이지 않다. 이 경우에, 2값 출력 전압 오류 예측은 시간상 분리되었지만 정상 상태에서 규정된 오류 전압의 2개의 2값 샘플로부터 가장 용이하게 구성되며, 그 중 한 샘플은 보통 양이고 다른 샘플은 음이다. 예를 들면, 제 1 샘플은 OFF 시간 이후에 1/4(OFFmin + OFFmax)(스위칭 사이클의 시작에 앞서)에서 얻어지고, 제 2 샘플은 이어지는 ON시간 이후(스위칭 사이클의 시작을 표시함) 1/4(ONmin + ONmax)에서 얻어질 수 있으며, 출력 전압 오류 예측이 구성될 수 있도록 하고 적시에 선택된 듀티 사이클이 상기 선택된 듀티 사이클에 내재한 OFF 동작을 발효시킬 수 있도록 한다. 만일 이들 두 샘플이 모두 양이면, 오류 예측은 양이고; 만일 2개의 샘플 모두 음이면, 오류 예측은 음이다. 만일 한 샘플이 양이고 다른 샘플이 음이면, 상기 오류 예측은 이전의 값에서 바뀌지 않는다.In a buck converter, the derivation of the output voltage error prediction is not direct if the output voltage error aspect is not symmetric about the mean. In this case, the binary output voltage error prediction is most easily constructed from two binary samples of the defined error voltage in time separated but steady state, one of which is usually positive and the other is negative. For example, the first sample is taken at 1/4 (OFFmin + OFFmax) (before the start of the switching cycle) after the OFF time, and the second sample is after the subsequent ON time (indicating the start of the switching cycle) 1 Can be obtained at / 4 (ONmin + ONmax), allowing output voltage error prediction to be configured and allowing a timely selected duty cycle to effect the OFF operation inherent in the selected duty cycle. If both these samples are positive, the error prediction is positive; If both samples are negative, the error prediction is negative. If one sample is positive and the other is negative, the error prediction does not change from the previous value.

버크 컨버터이든 부스트 컨버터이든, 듀티 사이클 셀렉터(252)는 사이클 단위로 DQmin 또는 DQmax를 선택하며, 상기 DQmin 및 DQmax 는 DT에 의해 인덱스 된 테이블(242)로부터 추출된 것이고; 상기 출력 전압 오류 예측이 양일 때(왜곡되지 않는 출력 전압이 원하는 출력 전압보다 더 높을 때) DQmin을 선택하고, 출력 전압 오류 예측이 음일 때 DQmax를 선택한다. Whether it is a buck converter or a boost converter, the duty cycle selector 252 selects DQmin or DQmax on a cycle basis, wherein the DQmin and DQmax are extracted from the table 242 indexed by DT; Select DQmin when the output voltage error prediction is positive (when the undistorted output voltage is higher than the desired output voltage), and select DQmax when the output voltage error prediction is negative.

듀티 사이클 쌍의 테이블(242)의 구성과 내용은 도 6에 도시되어 있다. DT의 주어진 값에 대한 DQmin 과 DQmax의 결정은 2단계 프로세스이며, 제 1 단계는 DT의 근처의 양자화된 사이클의 열거이고, 제 2 단계는 상기 열거된 가능성으로부터 DQmin 과 DQmax의 선택이다. 양자화된 듀티 사이클의 시스템적인 열거(enumeration)는 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 세트를 생성함으로써 달성되고, (상기 세트에서) 각 쌍의 양자화된 ON 시간/OFF 시간은 서로 독립적으로 결정되는 특징이 있으며; 즉, ON 시간/ OFF 시간의 합계는 고정되지 않고; 한 세트의 불연속적인 값들 {Tswi} (i=1,2,...I)에 한정되어 쌍 대 쌍으로 변하며, 여기서 Tswi는 △t의 정수배이다. 이 양자화된 쌍들의 세트는 한 세트의 양자화된 듀티 사이클로 평범하게 변환된다. 더 많은 스위칭 사이클 가능성이 더 많은 듀티 사이클 가능성으로 변환하여, 양자화-유도된 출력 전압 리플의 최소화에서 중요한 인자인 DT에 가까이 있는 듀티 사이클을 선택하는 것을 용이하게 한다.The structure and contents of the duty cycle pair table 242 is shown in FIG. Determination of DQmin and DQmax for a given value of DT is a two step process, the first step is the enumeration of quantized cycles in the vicinity of DT, and the second step is the selection of DQmin and DQmax from the possibilities listed above. Systematic enumeration of quantized duty cycles is achieved by generating a set of quantized ON time / OFF time pairs, wherein each pair of quantized ON time / OFF times are determined independently of each other. There is; That is, the sum of the ON time / OFF time is not fixed; It is confined to a set of discrete values {Tswi} (i = 1,2, ... I) and varies from pair to pair, where Tswi is an integer multiple of Δt. This set of quantized pairs is conventionally transformed into a set of quantized duty cycles. More switching cycle possibilities translate into more duty cycle possibilities, making it easier to select a duty cycle close to DT, which is an important factor in minimizing quantized-induced output voltage ripple.

DQmin과 DQmax를 선택하는 한 가지 방법은 DT 부근에서 양자화된 듀티 사이클의 공간을 탐색하고 DT의 어느 한쪽에 가장 가까운 것을 선택하는 것이다. 경험 에 의하면 이들 선택은 상기 선택된 듀티 사이클 중 하나가 DT에 근접하고 다른 하나가 상대적으로 멀리 떨어져 있을 때 문제가 될 수 있다는 것을 알 수 있다(출력 전압 리플에 대해서). 그 경우에, 거부된 듀티 사이클과 같은 DT의 "측면(side)"의 제 2 (또는 제 3) 근접 듀티 사이클에 더 가까운 것을 거부하는 것이 바람직하다. 일단 DQmin과 DQmax가 결정되면, (ON, OFF)min과 (ON, OFF)max로 지정된 관련 ON 시간/OFF 시간 쌍들은 평범하게 도출된다.One way to select DQmin and DQmax is to search the space of the quantized duty cycle around the DT and select the one closest to either side of the DT. Experience has shown that these choices can be problematic (for output voltage ripple) when one of the selected duty cycles is close to DT and the other is relatively far apart. In that case, it is desirable to reject anything closer to the second (or third) close duty cycle of the "side" of the DT, such as the rejected duty cycle. Once DQmin and DQmax are determined, the associated ON time / OFF time pairs specified by (ON, OFF) min and (ON, OFF) max are derived plainly.

테이블(242)의 크기를 예측하기 위해, 1.25 MHz(노미날 스위칭 사이클 당 16 클록)의 명목 스위칭 주파수로 파워 스테이지를 제어하는, 20 MHz 클록을 갖는 듀티 사이클 제어 메커니즘의 예를 고려하는데, 여기서 스위칭 사이클은 노미날(nominal)로부터 ±한 클록 주기 변화가 허용된다. 만일 DQmax와 관련된 ON 및 OFF 시간이 DQmin과 관련된 ON 및 OFF 시간에 대해서 부호화되면, 그 결과로 생성되는 테이블은 12 X 128로서 구성될 수 있을 것이다.To predict the size of the table 242, consider an example of a duty cycle control mechanism with a 20 MHz clock that controls the power stage at a nominal switching frequency of 1.25 MHz (16 clocks per nominal switching cycle), where switching Cycles are allowed to vary by one clock cycle from the nominal. If the ON and OFF times associated with DQmax are encoded for the ON and OFF times associated with DQmin, the resulting table may be configured as 12 X 128.

전술한 듀티 사이클 제어 메커니즘의 단순성은 의미가 있다. 가용할 수 있는 듀티 사이클 쌍들의 테이블을 갖는 것의 계산상의 이점은 가끔 액세스 되는 적당한 양의 메모리의 비용에 기인한다. 그러나 가변-주파수 듀티 사이클 양자화와 동일-주파수 출력 전압 피드백의 조합은 정적 성능과 동적 성능을 크게 향상시킨다. 전술한 듀티 사이클 제어 메커니즘이 종래의 듀티 사이클 제어 메커니즘과 본래 유사한 내재적인 성능 한계를 갖지만, 듀티 사이클 양자화의 성능에 있어서의 효과는 응용에 관계없이 실질적으로 감소한다.The simplicity of the duty cycle control mechanism described above is significant. The computational advantage of having a table of duty cycle pairs available is sometimes due to the cost of a reasonable amount of memory that is accessed. However, the combination of variable-frequency duty cycle quantization and co-frequency output voltage feedback greatly improves static and dynamic performance. Although the duty cycle control mechanism described above has inherent performance limitations inherently similar to conventional duty cycle control mechanisms, the effect on the performance of duty cycle quantization is substantially reduced regardless of the application.

도 4는 본 발명에 따른 스위치-모드 파워 컨버터를 도시하며, 입력 전 압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환하는 파워 스테이지(103); 파워 스테이지에 포함되고 제어 가능한 스위칭 장치(113)를 ON/OFF 동작시키는 제어장치(153); 및 스위칭 장치(113)의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘(203)을 포함한다.4 shows a switch-mode power converter according to the present invention, comprising: a power stage 103 for converting an input voltage Vin into an output voltage Vout; A control device 153 included in the power stage for turning on / off the controllable switching device 113; And a duty cycle control mechanism 203 that controls the duty cycle of the switching device 113.

제어장치(153)의 추가적인 특징은 상기 제어장치의 시간적 분해(△t) 때문에 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON 및 OFF 시간 양자는 △t의 정수배 한정된다. 제어장치(153)는 고정-주파수 제어장치가 아니기 때문에, 스위칭 장치(113)를 ON/OFF 동작시키기 위해서 ON 시간 및 OFF 시간을 입력해야한다. An additional feature of the control device 153 is that both the ON and OFF times of the controllable switching device are limited to an integer multiple of Δt due to the temporal decomposition (Δt) of the control device. Since the control device 153 is not a fixed-frequency control device, the ON time and the OFF time must be input in order to turn ON / OFF the switching device 113.

상기 듀티 사이클 제어 메커니즘은 목표 듀티 사이클 예측기/출력 전압 오류 예측기(233), 출력 전압 오류 신호 또는 입력 전압 신호 또는 양자의 조합으로부터 목표 듀티 사이클(DT)과 왜곡되지 않은 출력 전압 오류(VE)를 예측하는 메커니즘; 상기 목표 듀티 사이클 예측치(DT)에 가장 근접한 양자화된 듀티 사이클(DQ)을 결정하는 가변-주파수 듀티 사이클 양자화기(223); 및 출력-전압-오류-구동 듀티 사이클 셀렉터(213), 각각의 DQ의 값에 대해 3개의 양자화된 듀티 사이클(가장 작은 것부터 가장 큰 것까지 순서로 Dmin, DQ, 및 DQmax)의 세트를 생성함으로써 그리고 사이클 단위로 DQmin 또는 DQ 또는 DQmax(및 대응하는 ON 시간/OFF 시간 쌍)를 선택함으로써 스위칭 장치(113)의 ON 및 OFF 시간을 결정하고, 상기 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소화되도록 선택하는 메커니즘을 포함한다.The duty cycle control mechanism predicts the target duty cycle DT and the undistorted output voltage error VE from the target duty cycle predictor / output voltage error predictor 233, the output voltage error signal or the input voltage signal, or a combination of both. Mechanisms; A variable-frequency duty cycle quantizer (223) for determining a quantized duty cycle (DQ) closest to the target duty cycle prediction (DT); And output-voltage-error-drive duty cycle selector 213, by generating a set of three quantized duty cycles (Dmin, DQ, and DQmax in order from smallest to largest) for the value of each DQ. And determining the ON and OFF times of the switching device 113 by selecting DQmin or DQ or DQmax (and corresponding ON time / OFF time pairs) on a cycle basis, and selecting to continuously minimize the amplitude of the output voltage error. It includes a mechanism.

디지털 실시에 있어서, 목표 듀티 사이클 예측기(233)는 종종 출력 전압 오류 신호에 대해 동작하는 디지털 PID 필터의 형태를 갖는다. 본 발명에 의하면, 상기 필터는 출력 전압 오류 신호 대신에 또는 그에 추가하여 입력 전압 신호에 대해 동작한다. 마찬가지로, 출력 전압 오류 예측기(233)는 PID 필터로서 종종 구현된다. PID 필터는 개선된 신호 대 잡음비와 지연의 절충 가능성을 제공한다. 지연이 최소화되어야 하고 동적 응답이 중요한 경우, 3진 비교기(데드 존(dead zone)을 갖는 2진 비교기)를 통해 도출된 3값 출력 전압 오류 예측치는 간단하고 효과적이다. 그것이 출력 전압 오류 예측기(233)의 속성이다. 또한, 듀티 사이클 제어 메커니즘(230)에서, 출력 전압 오류의 예측치는 스위칭 사이클이 시작된 후 듀티 사이클의 선택이 결정되기 전에 듀티 사이클 셀렉터(213)에 의해 샘플링 되어, 적시에 인가되어(듀티 사이클 셀렉터(123)에 의해) 상기 선택된 듀티 사이클에 내재한 OFF 동작을 발효시킨다.In a digital implementation, target duty cycle predictor 233 often takes the form of a digital PID filter that operates on an output voltage error signal. According to the invention, the filter operates on the input voltage signal instead of or in addition to the output voltage error signal. Similarly, output voltage error predictor 233 is often implemented as a PID filter. PID filters offer improved signal-to-noise ratios and the possibility of compromise of delay. If delay is to be minimized and dynamic response is important, the three-value output voltage error estimate derived through the ternary comparator (binary comparator with dead zone) is simple and effective. That is an attribute of the output voltage error predictor 233. Further, in the duty cycle control mechanism 230, the prediction of the output voltage error is sampled by the duty cycle selector 213 and applied in a timely manner after the switching cycle is started and before the selection of the duty cycle is determined (the duty cycle selector ( 123) ferment the OFF operation inherent in the selected duty cycle.

버크 컨버터(buck converter)에 있어서, 출력 전압 오류 양상이 평균에 대해 대칭적인 경우, 출력 전압 오류 예측치는 3진 비교기를 샘플링함으로써 직접 유도된다. 이상적인 샘플링 시간은 DQmin과 DQmax의 ON 시간으로부터 결정되며; 구체적으로 스위칭 사이클의 시작에 대한 샘플링 시간은 △t의 최인접 배수로 절삭된(필요하다면) 1/4(ONmin + ONmax)이다. 샘플링 시간의 계산은 DQ가 변하는 만큼 자주 행해져야 한다.In a buck converter, if the output voltage error behavior is symmetric about the mean, the output voltage error prediction is directly derived by sampling the ternary comparator. The ideal sampling time is determined from the ON times of DQmin and DQmax; Specifically, the sampling time for the start of the switching cycle is 1/4 (ONmin + ONmax) cut (if necessary) to the nearest multiple of Δt. The calculation of the sampling time should be done as often as the DQ changes.

(3-값 출력 전압 오류 예측치는 시간상 분리된 2개의 2-값 오류 샘플들로부터 구성될 수도 있는데, 여기서 상기 2-값 샘플들은 정상 상태에서 한 샘플은 보통 양이고 다른 샘플은 음이다.)(The 3-valued output voltage error estimate may be constructed from two separate 2-valued error samples in time, where the 2-valued samples are normally positive and one sample negative in the steady state.)

부스트 컨버터(boost converter)에 있어서, 출력 전압 오류 양상이 평균에 대해 대칭적이지 않은 경우, 출력 전압 오류 예측치의 도출은 직접적이지 않다. 이 경우에, 3-값 출력 전압 오류는 시간상 분리된 2개의 2-값 샘플로부터 아주 쉽게 구성될 수 있으며, 상기 샘플들은 정상 상태에서 한 샘플은 보통 양이고 다른 샘플은 음인 것이 특징이다. 예를 들면, 제 1 샘플은 OFF 시간 이후(스위칭 사이클의 시작 전) 1/4(OFFmin + OFFmax)에서 취해지고, 제 2 샘플은 이어지는 ON 시간 이후(스위칭 사이클의 시작을 표시함) 1/4(ONmin + ONmax)에서 취해지며, 출력 전압 오류 예측치가 구성되게 하고 선택된 듀티 사이클이 적시에 상기 선택된 듀티 사이클에 내재한 OFF 동작을 발효시킬 수 있도록 한다. 이들 2개의 샘플 모두가 양이면, 오류 예측치는 양이고; 2개의 샘플이 모두 음이면, 오류 예측치는 0이다(음도 양도 아님).In a boost converter, if the output voltage error pattern is not symmetrical with respect to the mean, derivation of the output voltage error estimate is not direct. In this case, the 3-valued output voltage error can be very easily constructed from two separated 2-valued samples in time, characterized in that one sample is usually positive and the other sample is negative in steady state. For example, the first sample is taken after the OFF time (before the start of the switching cycle) 1/4 (OFFmin + OFFmax), and the second sample is 1/4 after the subsequent ON time (indicating the start of the switching cycle). Taken at (ONmin + ONmax), the output voltage error prediction is constructed and the selected duty cycle can timely effect the OFF operation inherent in the selected duty cycle. If both these samples are positive, the error prediction is positive; If both samples are negative, the error estimate is zero (not negative or positive).

버크 컨버터이든 부스트 컨버터이든, 듀티 사이클 셀렉터(213)는 사이클 단위로 DQmin 또는 DQmax (및 그에 대응하는 ON 시간/OFF 시간 쌍)을 선택하고; 출력 전압 오류 예측치가 양일 때(즉, 비왜곡된 출력 전압이 원하는 출력보다 더 높을 때) DQmin을 선택하고, 출력 전압 오류 예측치가 음일 때 DQmax를 선택하며, 출력 전압 오류 예측치가 0일 때(양도 음도 아님) DQ를 선택한다.Whether it is a buck converter or a boost converter, the duty cycle selector 213 selects DQmin or DQmax (and its corresponding ON time / OFF time pair) in units of cycles; Select DQmin when the output voltage error estimate is positive (that is, when the non-distorted output voltage is higher than the desired output), select DQmax when the output voltage error estimate is negative, and when the output voltage error estimate is zero (positive) Not negative) DQ is selected.

주어진 DT의 값에 대한 DQ의 결정은 2단계 프로세스를 통해 가변-주파수 듀티 사이클 양자화기(223)에 의해 달성되며, 제 1 단계는 DT의 근처에서 양자화된 듀티 사이클의 열거이고, 제 2 단계는 상기 열거된 가능성으로부터 DQ의 선택이다. 양자화된 듀티 사이클의 시스템적인 열거는 한 세트의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍을 생성함으로써 달성되며, 각 쌍(상기 세트에서)의 양자화된 ON 시간 및 OFF 시 간은 고정되어 있지 않고; 한 쌍의 불연속적인 값들 {Tswi} (i=1,2,...I)에 제한되어 쌍 대 쌍으로 변하며 여기서 Tswi는 △t의 정수배이다. 이 양자화된 쌍들의 세트는 한 세트의 양자화된 듀티 사이클로 평범하게 변환된다. 더 많은 스위칭 사이클 가능성들은 더 많은 듀티 사이클 가능성으로 변형되어, 양자화-유도된 출력 전압 리플의 최소화에 중요한 인자인, DT에 더욱 가까운 듀티 사이클을 선택하는 것을 가능하게 한다. DQ는 DT와 가장 가까운 그러나 보다 적은 듀티 사이클로서 선택되고, 그와 관련된 ON 시간/OFF 시간 쌍은 평범하게 유도된다.Determination of DQ for the value of a given DT is accomplished by the variable-frequency duty cycle quantizer 223 via a two step process, where the first step is an enumeration of the quantized duty cycles in the vicinity of the DT and the second step is The choice of DQ from the possibilities listed above. Systematic enumeration of quantized duty cycles is achieved by generating a set of quantized ON time / OFF time pairs, wherein the quantized ON time and OFF time of each pair (in the set) is not fixed; It is limited to a pair of discrete values {Tswi} (i = 1,2, ... I) and turns into a pair-to-pair, where Tswi is an integer multiple of Δt. This set of quantized pairs is conventionally transformed into a set of quantized duty cycles. More switching cycle possibilities are transformed into more duty cycle possibilities, making it possible to select a duty cycle closer to DT, which is an important factor in minimizing quantized-induced output voltage ripple. DQ is chosen as the closest but less duty cycle to DT, and the associated ON time / OFF time pairs are derived plainly.

DQmin과 DQmax의 결정은 듀티 사이클 셀렉터(213)에 의해 이루어진다. 다수의 옵션들이 이용 가능하지만, 단순하고 비용 효과적인 옵션은 다음과 같이 설정된다:Determination of DQmin and DQmax is made by the duty cycle selector 213. While many options are available, simple and cost effective options are set up as follows:

ONmin = ONq -1 x △t OFFmin = OFFq + 1 x △tONmin = ONq -1 x Δt OFFmin = OFFq + 1 x Δt

ONq = ONq OFFq = OFFqONq = ONq OFFq = OFFq

ONmax = ONq + 1 x △t OFFmax = OFFq -1 x △tONmax = ONq + 1 x Δt OFFmax = OFFq -1 x Δt

상기한 바와 같이, 3-값 출력 전압 오류 예측은 ON 시간을 결정하며, -1, 0, 또는 +1 클록으로 ONq를 조정한다. 상기 OFF 시간은 반대 방향으로 OFFq를 조정함으로써 묵시적으로 결정된다. 이 값들은 상기 컨버터가 양호한 출력 전압 리플의 대가로 라인과 부하 조건에 변화에 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.As noted above, the 3-valued output voltage error prediction determines the ON time and adjusts ONq with a -1, 0, or +1 clock. The OFF time is implicitly determined by adjusting OFFq in the opposite direction. These values allow the converter to effectively respond to changes in line and load conditions at the expense of good output voltage ripple.

두 번째의 간단하고 비용 효과적인 옵션은 다음과 같이 설정된다:The second simple and cost effective option is set as follows:

ONmin = ONq -1 x △t OFFmin = OFFqONmin = ONq -1 x Δt OFFmin = OFFq

ONq = ONq OFFq = OFFqONq = ONq OFFq = OFFq

ONmax = ONq OFFmax = OFFq -1 x △tONmax = ONq OFFmax = OFFq -1 x Δt

상기한 바와 같이, 상기 3-값 출력 전압 오류 예측은 상기 ON 시간을 결정하며, -1, 0, 또는 +1 클록으로 ONq를 조정한다. 상기 OFF 시간은 0, 1, 또는 -1로 OFFq를 조정함으로써 결정된다. 이 값들은 상기 컨버터가 라인 및 부하 조건의 변화에 대해 민감도를 증가시키는 비용으로 출력 전압 리플을 감소시킬 수 있도록 한다.As noted above, the 3-valued output voltage error prediction determines the ON time and adjusts ONq with a -1, 0, or +1 clock. The OFF time is determined by adjusting OFFq to 0, 1, or -1. These values allow the converter to reduce output voltage ripple at the expense of increasing sensitivity to changes in line and load conditions.

전술한 듀티 사이클의 단순성은 매력적이다. 또한, 같은 주파수의 3-값 출력 전압 피드백은 정적 및 동적 성능을 현저히 향상시킨다. 전술한 듀티 사이클 제어 메커니즘은 종래의 듀티 사이클 제어 메커니즘과 본질적으로 유사한 내재된 성능 한계를 갖지만, 성능상 듀티 사이클 양자화의 효과는 응용 종속성을 초래하지 않으면서 실질적으로 감소된다.The simplicity of the aforementioned duty cycle is attractive. In addition, three-valued output voltage feedback at the same frequency significantly improves static and dynamic performance. The duty cycle control mechanism described above has an inherent performance limitation that is essentially similar to conventional duty cycle control mechanisms, but in terms of performance the effect of duty cycle quantization is substantially reduced without incurring application dependencies.

도 5는 본 발명에 의한 스위치 모드 DC/DC 파워 컨버터를 도시하며, 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환시키는 파워 스테이지(104); 파워 스테이지(104)에 포함되어 상기 제어 가능한 스위칭 장치(114)를 ON/OFF 동작하는 제어장치(154); 및 스위칭 장치(114)의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘(204)을 포함한다.5 shows a switch mode DC / DC power converter according to the present invention, comprising: a power stage 104 for converting an input voltage Vin into an output voltage Vout; A control device (154) included in the power stage (104) for turning on / off the controllable switching device (114); And a duty cycle control mechanism 204 that controls the duty cycle of the switching device 114.

제어장치(154)의 추가적인 특징은 제어장치의 시간적 분해능(△t) 때문에 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON/OFF 동작 시간 모두가 △t의 정부 배로 한정된다는 것이다. 제어장치(154)는 고정-주파수 제어장치가 아니기 때문에, 스위칭 장 치(114)를 ON/OFF 동작시키기 위해 ON 시간 및 OFF 시간을 입력해야 한다.An additional feature of controller 154 is that both the ON / OFF operating time of the controllable switching device is limited to a government multiple of Δt due to the temporal resolution Δt of the controller. Since the control device 154 is not a fixed-frequency control device, the ON time and the OFF time must be input to turn on / off the switching device 114.

상기 듀티 사이클 제어 메커니즘은 목표 듀티 사이클 예측기/출력 전압 오류 예측기(234), 출력 전압 오류 신호 또는 입력 전압 신호 또는 양자의 조합으로부터 상기 목표 듀티 사이클(DT)과 비 왜곡된 출력 전압 오류(VE)를 예측하는 메커니즘; 상기 듀티 사이클 예측(DT)에 가장 가까운 양자화된 듀티 사이클(DQ)을 결정하는 가변-주파수 듀티 사이클 양자화기(224); 출력-전압-오류-구동 듀티 사이클 셀렉터(214), 각 DQ의 값에 대해 최저부터 최고까지 정렬된 6개의 양자화된 듀티 사이클 세트(DQmin, DQmn, DQn DQx, DQmx, DQmax)를 생성하고 사이클 단위로 DQmin 또는 DQmn 또는 DQn 또는 DQx 또는 DQmx 또는 DQmax (및 그에 대응하는 ON시간/OFF시간 쌍)을 선택함으로써 스위칭 장치(114)의 ON/OFF 동작 시간을 결정하고 상기 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소가 되도록 선택하는 메커니즘을 포함한다.The duty cycle control mechanism is adapted to correct the target duty cycle DT and the non-distorted output voltage error VE from a target duty cycle predictor / output voltage error predictor 234, an output voltage error signal or an input voltage signal, or a combination of both. Predictive mechanism; A variable-frequency duty cycle quantizer (224) for determining the quantized duty cycle (DQ) closest to the duty cycle prediction (DT); Output-voltage-error-drive duty cycle selector 214, generating six quantized duty cycle sets (DQmin, DQmn, DQn DQx, DQmx, DQmax) arranged from lowest to highest for the value of each DQ By selecting DQmin or DQmn or DQn or DQx or DQmx or DQmax (and corresponding ON / OFF time pairs) to determine the ON / OFF operating time of the switching device 114 and the amplitude of the output voltage error It includes a mechanism for selecting to be minimal.

디지털 구현에서, 출력 전압 오류 신호에 대해 동작하는 디지털 PID(proportional-integral-differential) 필터의 형태를 종종 갖는다. 본 발명에 의하면, 상기 필터는 상기 출력 전압 오류 신호 대신에 또는 그에 추가하여 입력 전압 신호에 대해 동작할 수 있다. 마찬가지로, 상기 출력 전압 오류 예측기(234)는 종종 PID 필터로서 구현된다. PID 필터는 지연과 향상된 신호 대 잡음비의 절충 가능성을 제공한다. 지연이 최소화되어야 하고 정적 응답과 동적 응답이 모두 중요한 경우, 다수의 샘플로부터 도출된 더욱 정밀한 출력 전압 오류 예측이 적절할 것이다. 이것이 출력 전압 오류 예측기(234)의 속성이다. 또한, 듀티 사이클 제어 메커니즘(204)에서, 출력 전압 오류의 예측은 상기 스위칭 사이클이 시작된 후 그러나 상기 OFF 동작 시각이 결정되기 이전에 3진 비교기를 통해서 듀티 사이클 셀렉터(214)에 의해 한 번 샘플링되고 상기 OFF 동작 시간 이후 그러나 듀티 사이클의 최종 결정과 그것의 암시된 ON 동작 시간 이전에 2진 비교기를 통해 다시 샘플링된다. 듀티 사이클 셀렉터(214)는 제 1 샘플을 적용하여 듀티 사이클의 선택을 제한하고, 그리하여 OFF 동작 시간을 결정하며; 제 2 샘플을 적용하여 결국 듀티 사이클의 선택을 선택하고; 그리하여 ON 동작 시간을 결정하며; 스위칭 사이클의 종료를 표시한다. 두 선택은 샘플링 시 즉시 이루어지며, 상기 선택된 듀티 사이클 내에 내재한 OFF와 ON 동작 시간을 적시에 발효시킨다.In digital implementations, it often takes the form of a digital proportional-integral-differential (PID) filter that operates on the output voltage error signal. In accordance with the present invention, the filter may operate on an input voltage signal instead of or in addition to the output voltage error signal. Similarly, the output voltage error predictor 234 is often implemented as a PID filter. PID filters offer the possibility of compromise between delay and improved signal-to-noise ratio. If delay should be minimized and both static and dynamic responses are important, more accurate output voltage error predictions derived from multiple samples will be appropriate. This is an attribute of the output voltage error predictor 234. Also, in the duty cycle control mechanism 204, the prediction of the output voltage error is sampled once by the duty cycle selector 214 through a ternary comparator after the switching cycle begins but before the OFF operating time is determined. After the OFF operation time but before the final determination of the duty cycle and its implied ON operation time, it is sampled again via a binary comparator. The duty cycle selector 214 applies the first sample to limit the selection of the duty cycle and thus determine the OFF operating time; Applying a second sample to eventually select the selection of the duty cycle; Thus determining the ON operating time; Marks the end of the switching cycle. Both selections are made immediately upon sampling and timely effect the OFF and ON operating times inherent within the selected duty cycle.

버크 컨버터에 있어서, 출력 전압 오류 양상이 평균에 대해 대칭적인 경우, 출력 전압 오류 예측은 3진 비교기를 샘플링함으로써 직접적으로 도출될 수 있다. 이상적인 샘플링 시간은 DQmin과 DQmax의 ON/OFF 시간으로부터 결정된다. 스위칭 사이클의 시작에 대해서 제 1 샘플링 시간은 △t에 가장 인접한 배수로 (필요하다면) 절삭된 1/4(ONmin + ONmax)이고; OFF 동작 시각에 대해 제 2 샘플링 시간은 △t에 가장 인접한 배수로 (필요하다면) 절삭된 1/4(OFFmin + OFFmax)이다. 상기 샘플링 시간의 계산은 DQ가 변하는 만큼 자주 행해져야 한다.For buck converters, if the output voltage error behavior is symmetric about the mean, the output voltage error prediction can be derived directly by sampling the ternary comparator. The ideal sampling time is determined from the on / off times of DQmin and DQmax. For the start of the switching cycle, the first sampling time is 1/4 (ONmin + ONmax) cut (if necessary) to the nearest multiple to Δt; For the OFF operation time the second sampling time is 1/4 (OFFmin + OFFmax) cut in multiples (if necessary) closest to DELTA t. The calculation of the sampling time should be done as often as the DQ changes.

(주목할 것은 상기 3-값 출력 전압 오류 예측은 시간상 분리된 그러나 정상 상태에서 한 샘플은 보통 양이고 다른 샘플은 음인 것으로 지정된 2개의 2-값 샘플로부터 구성될 수도 있다는 것이다. 또한, 주목할 것은 2개의 2-값 샘플이 3-값 출력 전압 오류 예측치를 얻기 위해 사용되는 경우, 상기 3-값 예측치는 DT > .5일 때 스위치 ON 동안 그리고 DT < .5일 때 스위치 OFF 동안 예정될 수 있다는 것이 다. 이 경우에 상기 2-값 예측치는 DT < .5일 때 스위치 ON 동안 그리고 DT > .5 일 때 스위치 OFF 동안 예정될 수 있다.)(Note that the 3-valued output voltage error prediction may be constructed from two 2-valued samples, designated as one sample is usually positive and the other sample is negative in time separated but steady state. Also note that two If a two-value sample is used to obtain a three-value output voltage error estimate, then the three-value estimate can be scheduled during switch on when DT> .5 and during switch off when DT <.5. In this case, the two-value prediction may be scheduled during switch-on when DT <.5 and during switch-off when DT> .5.)

부스트 컨버터에 있어서, 출력 전압 오류 양상이 평균에 대해 대칭적이지 않은 경우, 출력 전압 오류 예측치의 도출은 직접적이지 않다. 이 경우에, 3-값 출력 전압 오류 예측치는 시간상 분리된 그러나 정상 상태에서 한 샘플은 보통 양이고 다른 샘플은 음인 것으로 지정된 오류 전압의 2개의 2-값 샘플로부터 아주 용이하게 구성된다. 예를 들면, 제 1 샘플은 OFF 동작 시간 이후(스위칭 사이클의 시작 이전에) 1/4(OFFmin + OFFmax)에서 취해지고, 제 2 샘플은 계속되는 ON 동작 시간 이후(스위칭 사이클의 시작을 표시) 1/4(ONmin + ONmax)에 취해져; 출력 전압 오류 예측이 구성될 수 있도록 하고 선택된 듀티 사이클이 상기 선택된 듀티 사이클 내에 내재한 OFF 동작을 적시에 발효킬 수 있도록 한다. 만일 이들 샘플 2개가 양이면, 오류 예측치는 양이고; 두 샘플이 음이면, 오류 예측치는 음이다. 한 샘플이 양이고 다른 샘플이 음이면, 상기 오류 예측치는 0이다(양도 음도 아님).For a boost converter, if the output voltage error behavior is not symmetric about the mean, derivation of the output voltage error prediction is not direct. In this case, the 3-valued output voltage error estimate is very easily constructed from two 2-valued samples of the error voltage, designated as one sample is usually positive and the other sample is negative in time separated but steady state. For example, the first sample is taken at 1/4 (OFFmin + OFFmax) after the OFF operating time (before the beginning of the switching cycle), and the second sample is after the continuing ON operating time (indicating the beginning of the switching cycle) 1 Taken at / 4 (ONmin + ONmax); The output voltage error prediction can be configured and the selected duty cycle can timely effect the OFF operation inherent in the selected duty cycle. If these two samples are positive, the error prediction is positive; If both samples are negative, the error prediction is negative. If one sample is positive and the other sample is negative, the error prediction is zero (not positive).

따라서, 듀티 사이클 셀렉터(214)는 DQmin, DQmn, DQn, DQx, DQmx, 또는 DQmax (및 그에 대응하는 ON 시간/OFF 시간 쌍)를 사이클 단위로 선택하는데; 전체 출력 전압 오류 예측치가 최고일 때 DQmin을 선택하고, 전체 출력 전압 오류 예측치가 최저일 때 DQmax를 선택하고, 전체 출력 전압 오류가 상기 대응하는 중간값들 중 하나일 때 나머지 중간 듀티 사이클들 중 하나를 선택한다. Thus, the duty cycle selector 214 selects DQmin, DQmn, DQn, DQx, DQmx, or DQmax (and its corresponding ON time / OFF time pair) in cycles; Select DQmin when the total output voltage error estimate is the highest, select DQmax when the total output voltage error estimate is the lowest, and one of the remaining intermediate duty cycles when the total output voltage error is one of the corresponding intermediate values. Select.

주어진 DT의 값에 대한 DQ의 결정은 2단계 프로세스를 통해 가변-주파수 듀티 사이클 양자화기(223)에 의해 달성되며, 제 1 단계는 DT이 근방에 양자화된 듀 티 사이클의 열거이고, 제 2 단계는 상기 열거된 가능성으로부터 DQ의 선택이다. 양자화된 듀티 사이클의 시스템적인 열거는 한 세트의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들을 생성함으로써 달성되며 상기 세트의 각 쌍의 양자화된 ON 시간/OFF 시간은 서로 독립적으로 결정되고; 즉, ON 시간 및 OFF 시간의 합계는 고정되지 않고; 쌍 대 쌍으로 한 세트의 불연속적인 값들 {Tswi} (i=1,2,...I) (여기서 Tswi는 △t의 정수배임)에 제약되어 변할 수 있다. 이 세트의 양자화된 쌍들은 한 세트의 양자화된 듀티 사이클로 보통 변환된다. 더 많은 스위칭 사이클 가능성은 더 많은 듀티 사이클 가능성으로 변환되어, 양자화-유도된 출력 전압 리플의 최소화에 중요 인자인 DT에 더 근접한 듀티 사이클을 선택하는 것을 가능하게 한다. DQ는 DT에 가장 인접하지만 더 작은 것으로 선택되고, 그와 관련된 ON 시간/OFF 시간 쌍은 보통 도출된다.Determination of DQ for the value of a given DT is accomplished by the variable-frequency duty cycle quantizer 223 via a two-step process, where the first step is an enumeration of duty cycles in which the DT is quantized nearby and the second step Is the choice of DQ from the possibilities listed above. Systematic enumeration of quantized duty cycles is achieved by generating a set of quantized ON time / OFF time pairs, wherein each pair of quantized ON time / OFF times is determined independently of each other; That is, the sum of the ON time and the OFF time is not fixed; It can be varied by being constrained by a set of discrete values {Tswi} (i = 1,2, ... I), where Tswi is an integer multiple of [Delta] t. This set of quantized pairs is usually transformed into a set of quantized duty cycles. More switching cycle possibilities translate into more duty cycle possibilities, making it possible to select a duty cycle closer to DT, which is an important factor in minimizing quantized-induced output voltage ripple. DQ is chosen to be closest to the DT but smaller, and the associated ON time / OFF time pair is usually derived.

DQmin 내지 DQmax의 결정은 듀티 사이클 셀렉터(213)에 의해 이루어진다. 다수의 옵션이 이용 가능하지만, 간단하고 비용 효과적인 옵션은 다음과 같이 설정된다:Determination of DQmin to DQmax is made by the duty cycle selector 213. While many options are available, simple and cost effective options are set up as follows:

ONmin = ONq -1 x △t OFFmin = OFFq + 2 x △tONmin = ONq -1 x Δt OFFmin = OFFq + 2 x Δt

ONq = ONq -1 x △t OFFmn = OFFqONq = ONq -1 x Δt OFFmn = OFFq

ONn = ONq OFFn = OFFq + 1 x △tONn = ONq OFFn = OFFq + 1 x Δt

ONx = ONq OFFn = OFFq - 1 x △tONx = ONq OFFn = OFFq-1 x Δt

ONmx = ONq + 1 x △t OFFmx = OFFq ONmx = ONq + 1 x Δt OFFmx = OFFq

ONmax = ONq + 1 x △t OFFmax = OFFq - 2 x △tONmax = ONq + 1 x Δt OFFmax = OFFq-2 x Δt

상기한 바와 같이, 3-값 출력 전압 오류 예측치는 ON 시간을 결정하여, -1, 0, 또는 +1 클록에 의해 ONq를 조정한다. 제 2의 2-값 예측치는 OFF 시간을 결정하여, 2개의 예측의 값에 따라 +2, +1, 0, -1, 또는 -2 클록에 의해 OFFq를 조정한다. 이 값들은 라인과 부하 조건의 변화에 대해 컨버터가 효과적으로 반응하도록 허용하고, 출력 전압 리플을 정상 상태로 제한한다.As noted above, the 3-valued output voltage error estimate determines the ON time and adjusts ONq by a -1, 0, or +1 clock. The second two-value predictor determines the OFF time and adjusts OFFq by +2, +1, 0, -1, or -2 clocks in accordance with the values of the two predictions. These values allow the converter to respond effectively to changes in line and load conditions, and limit the output voltage ripple to steady state.

듀티 사이클 제어 메커니즘의 단순성은 매력적이다. 또한, 같은 사이클 출력 전압 피드백의 2배의 적용은 정적 및 동적 성능을 현저히 향상시킨다. 전술한 듀티 사이클 제어 메커니즘은 종래의 듀티 사이클 제어 메커니즘과 본질적으로 유사한 내재한 성능 한계를 갖지만, 성능상 듀티 사이클 양자화의 효과는 응용 종속성을 초래하지 않으면서 실질적으로 감소된다.The simplicity of the duty cycle control mechanism is attractive. In addition, the application of twice the same cycle output voltage feedback significantly improves static and dynamic performance. The duty cycle control mechanism described above has inherent performance limitations that are essentially similar to conventional duty cycle control mechanisms, but in terms of performance the effect of duty cycle quantization is substantially reduced without incurring application dependencies.

파워 컨버터가 연속 전도 모드에서 동작하는 동안 전술한 듀티 사이클 제어 메커니즘(PWM 체계를 구현함)은 효과적인 출력 전압 레귤레이션을 제공할 수 있지만, 가벼운 부하에서 효율적인 동작을 제공하기 위해서는 상기 파워 컨버터가 불연속 전도 모드로 전환할 때 출력 전압을 레귤레이션 하기 위한 저전력 또는 전력-절감 제어 메커니즘의 추가가 종종 필요하다. 불연속 전도 모드(DCM: discontinuous conduction mode)에서 레귤레이션하는 메커니즘은 일반적으로 펄스 주파수 모듈레이션(PFM: pulse frequency modulation) 체계를 구현하며, 여기서 제어 가능한 스위치는 고정된 기간 동안 출력 전압 오류 예측이 미리 정해진 문턱값 아래로 떨어질 때마다 ON 상태가 된다. 이 경우에, DCM으로의 전환과 그것으로부터 이탈을 검 출하고 하나의 듀티 사이클 제어 메커니즘으로부터 다른 메커니즘으로 부드럽게 전환하는 메커니즘을 고안하는 것이 필요하다. 이와 같은 메커니즘은 부하의 점진적인 변화뿐만 아니라 급격한 변화를 처리해야한 한다.While the power converter is operating in continuous conduction mode, the duty cycle control mechanism described above (implementing the PWM scheme) can provide effective output voltage regulation, but the power converter must be in discontinuous conduction mode to provide efficient operation at light loads. When switching to, it is often necessary to add a low power or power-saving control mechanism to regulate the output voltage. The mechanism for regulating in discontinuous conduction mode (DCM) typically implements a pulse frequency modulation (PFM) scheme, where the controllable switch has a predetermined threshold for predicting output voltage error for a fixed period of time. It turns ON every time it falls down. In this case, it is necessary to devise a mechanism to detect the transition to and departure from DCM and smoothly transition from one duty cycle control mechanism to another. Such a mechanism must deal with the rapid change as well as the gradual change of the load.

(낮은 부하 상태로부터) 부하의 급격한 재개는 전원공급장치 레귤레이터의 설계자에게 더욱 심각한 도전을 제시한다. 버크 컨버터의 경우에, 예를 들면, 출력 전압에서의 (슬램-유도된) 강하가 아마도 PFM 모드에서 스위치를 ON시키는데 사용된 바로 그 메커니즘인 임계 검출 메커니즘을 기동시키는 경우 보통 슬램(slam)이 검출된다. PFM에서 PWM으로의 전환은 컨버터에 저장된 에너지가 원하는 출력 전압 레벨로 새로운 부하를 공급하기에 충분할 때까지(PWM 듀티 사이클 제어 메커니즘을 통해) 상기 스위치를 ON으로 유지함으로써 직접적으로 이루어진다. Rapid resumption of the load (from low load conditions) presents a more serious challenge for the designer of the power supply regulator. In the case of a buck converter, for example, a slam is usually detected when the (slam-induced) drop in the output voltage triggers a threshold detection mechanism, which is probably the same mechanism used to turn on the switch in PFM mode. do. The transition from PFM to PWM is done directly by keeping the switch ON until the energy stored in the converter is sufficient to supply a new load at the desired output voltage level (via the PWM duty cycle control mechanism).

그러나 부스트 컨버터의 경우에, 슬램으로부터의 회복은 부스트 기술의 플라이백 속성 때문에 조금 더 복잡하다. 스위치는 캐패시터에 저장된 에너지가 새로운 부하를 지원하기에 충분할 때까지 ON 상태로 유지될 수 없지만, 순환되어야 한다. 이 경우에 PFM에서 PWM으로 전환을 유효하게 하는 한 가지 방법은, PWM 듀티 사이클 제어 메커니즘에 의해 생성된 듀티 사이클의 동작 세트(DQk)로 수렴하는(위로부터) 일련의 듀티 사이클에 의해 슬램의 검출 시 즉시 OWM으로 전환하는 것이다.In the case of boost converters, however, recovery from the slam is a bit more complicated due to the flyback nature of the boost technique. The switch cannot remain ON until the energy stored in the capacitor is sufficient to support the new load, but must be cycled. One way to enable the transition from PFM to PWM in this case is to detect the slam by a series of duty cycles converging (from above) to the duty set of operation DQk of the duty cycle generated by the PWM duty cycle control mechanism. Will immediately switch to OWM.

Claims (31)

하나 이상의 출력 전압(Vout)을 생성하는 스위치 모드(swictched-mode) DC/DC 컨버터에 있어서,In a switched-mode DC / DC converter generating one or more output voltages (Vout), 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환하고 각각 하나 이상의 제어 가능한 스위칭 장치를 포함하는 하나 이상의 파워 스테이지(power stage); One or more power stages that convert the input voltage Vin into an output voltage Vout and each include one or more controllable switching devices; 상기 제어 가능한 스위칭 장치를 ON/OFF 동작시키는 제어장치; 및A control device for turning on / off the controllable switching device; And 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘을 포함하고,A duty cycle control mechanism for controlling the duty cycle of the controllable switching device, 상기 제어장치는 상기 제어장치의 시간적 분해능(temporal resolution)(△t)에 의해, 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON 시간과 OFF 시간은 △t의 정수 배로 제한되고,The control device is limited by the temporal resolution (Δt) of the control device so that the ON time and the OFF time of the controllable switching device are limited to an integer multiple of Δt, 상기 듀티 사이클 제어 메커니즘은,The duty cycle control mechanism, 비 왜곡된 출력 전압과 원하는 출력 전압(Vdo) 사이의 차이인 출력 전압 오류를 예측하는 메커니즘;A mechanism for predicting an output voltage error that is a difference between the non-distorted output voltage and the desired output voltage Vdo; 상기 원하는 출력 전압(Vdo)을 얻는데 필수적인 듀티 사이클인 목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘;A mechanism for predicting a target duty cycle, which is a duty cycle essential for obtaining the desired output voltage Vdo; 목표 듀티 사이클 예측치에 대해 상기 제어 가능한 스위칭 장치를 제어하는데 적합한 하나 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트를 결정하고, (상기 제 1 세트의) 각 쌍의 양자화된 ON 시간/OFF 시간의 합계는 불연속적인 값들 의 세트{Tswi} [(i= 1,2,...I), I는 양의 정수이고 Tswi는 △t의 정수 배임]에 한정되는 것을 특징으로 하는 메커니즘; 및Determine a first set of one or more quantized ON time / OFF time pairs suitable for controlling the controllable switching device for a target duty cycle estimate, and for each pair of quantized ON time / OFF times (of the first set) The sum of is defined as a set of discrete values {Tswi} [(i = 1,2, ... I), where I is a positive integer and Tswi is an integer multiple of Δt; And 상기 제 1 세트로부터 도출되고 제 1 세트와 마찬가지로 한정된 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트로부터 ON 시간/OFF 시간 쌍을 사이클 단위로 선택함으로써 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON 시간 및 OFF 시간을 결정하고, 상기 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소화되는 방식으로 선택하는 셀렉터 메커니즘(selector mechanism)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 DC/DC 컨버터.The ON time of the controllable switching device by selecting the ON time / OFF time pair in cycle units from a second set of two or more quantized ON time / OFF time pairs derived from the first set and defined as in the first set; And a selector mechanism that determines an OFF time and selects in such a way that the amplitude of the output voltage error is continuously minimized. 제 31 항에 있어서, The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 버크(buck) 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.The converter is a buck converter. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 다-위상(multi-phase) 버크 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.The converter is a multi-phase buck converter. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 부스트(boost) 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said converter is a boost converter. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 인버팅(inverting) 버크-부스트 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said converter is an inverting buck-boost converter. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 업다운(up-down) 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said converter is an up-down converter. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 포워드(forward) 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said converter is a forward converter. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 플라이백(flyback) 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said converter is a flyback converter. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 컨버터는 2개 이상의 제어 가능한 스위칭 장치를 포함한 복수-출력(multi-output) 컨버터인 것을 특징으로 하는 변환 방법.Said converter is a multi-output converter comprising two or more controllable switching devices. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘은 상기 입력전압(Vin)을 포함하는 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.And the mechanism for predicting the target duty cycle uses an algorithm comprising the input voltage Vin. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘은 상기 출력전압(Vout)을 포함하는 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.And the mechanism for predicting the target duty cycle uses an algorithm comprising the output voltage (Vout). 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 듀티 사이클 양자화 메커니즘(DQ)은 예비 ON 시간/OFF 시간 쌍에 의해 표시된 듀티 사이클과 예측된 목표 듀티 사이클 사이의 차이를 고려하여 상기 예측된 목표 듀티 사이클에 대해 결정된 하나 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트에서 상기 예비 ON 시간/OFF 시간 쌍을 포함하는지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The duty cycle quantization mechanism (DQ) is one or more quantized ON time / OFF determined for the predicted target duty cycle taking into account the difference between the duty cycle indicated by the preliminary ON time / OFF time pair and the predicted target duty cycle. Determining whether to include the preliminary ON time / OFF time pair in a first set of time pairs. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 듀티 사이클 양자화 메커니즘(DQ)은 상기 예비 ON 시간/OFF 시간 쌍에 의해 표시된 듀티 사이클과 상기 예측된 목표 듀티 사이클 사이의 차이를, 다른 예비 ON 시간/OFF 시간 쌍들 각각에 의해 표시된 듀티 사이클과 예측된 목표 듀티 사이클 사이의 차이에 대하여 고려하여, 상기 예측된 목표 듀티 사이클에 대해 결정된 하나 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트에서 상기 예비 ON 시간/OFF 시간 쌍을 포함하는지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The duty cycle quantization mechanism (DQ) calculates the difference between the duty cycle indicated by the preliminary ON time / OFF time pair and the predicted target duty cycle, and the duty cycle indicated by each of the other preliminary ON time / OFF time pairs. Considering the difference between the target duty cycles determined, determining whether to include the preliminary ON time / OFF time pair in a first set of one or more quantized ON time / OFF time pairs determined for the predicted target duty cycle. Conversion method characterized in that. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 듀티 사이클 양자화 메커니즘(DQ)은 목표 듀티 사이클 예측에 의해 인덱스 된 세트의 테이블을 액세스함으로써, 목표 듀티 사이클 예측을 위해 하나 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트를 결정하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The duty cycle quantization mechanism (DQ) determines a first set of one or more quantized ON time / OFF time pairs for target duty cycle prediction by accessing a set of tables indexed by target duty cycle prediction. How to convert. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 두 개 이상의 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트는 최저에서 최고까지 표시된 듀티 사이클에 의해서 정렬된 한 세트의 j 쌍들(j=1,2,...J)이고;The second set of two or more ON time / OFF time pairs is a set of j pairs (j = 1, 2, ... J) ordered by the duty cycle indicated from lowest to highest; 상기 출력 전압 오류 예측치는 최고에서 최저까지 정렬된 j-값이고;The output voltage error estimate is a j-value ordered from highest to lowest; 상기 셀렉터 메커니즘(SM)은 상기 현재 출력 전압 오류 예측치가 최고일 때 최저로 표시된 듀티 사이클을 갖는 ON 시간/OFF 시간 쌍을 선택하고, 상기 출력 전압 오류 예측치가 최저일 때 최고로 표시된 듀티 사이클을 갖는 ON 시간/OFF 시간 쌍을 선택하고, 상기 현재 출력 전압 오류가 상기 대응하는 중간값들 중 하나일 때 나머지 중간 쌍들 중 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The selector mechanism SM selects an ON time / OFF time pair having the lowest duty cycle indicated when the current output voltage error estimate is the highest, and an ON having the duty cycle highest indicated when the output voltage error estimate is the lowest. Selecting a time / off time pair and selecting one of the remaining intermediate pairs when the current output voltage error is one of the corresponding intermediate values. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 스위칭 사이클이 시작된 후 그리고 선택된 쌍에 내재한 OFF 동작 시간 이전에, 상기 현재 출력 전압 오류 예측은 생성되고, 상기 ON 시간/OFF 시간 쌍은 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.After the switching cycle begins and before the OFF operating time inherent in the selected pair, the current output voltage error prediction is generated and the ON time / OFF time pair is a second of two or more quantized ON time / OFF time pairs. A conversion method selected from the set. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 스위칭 사이클이 시작된 후 그리고 선택된 쌍에 내재한 OFF 동작 시간 이후에, 상기 현재 출력 전압 오류 예측은 생성되고, 상기 ON 시간/OFF 시간 쌍은 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.After the switching cycle begins and after the OFF operating time inherent in the selected pair, the current output voltage error prediction is generated and the ON time / OFF time pair is a second of two or more quantized ON time / OFF time pairs. A conversion method selected from the set. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 2개 이상의 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 상기 제 2 세트는 로우(Low)부터 하이(High)까지 표시된 듀티 사이클에 의해서 정렬된 정확히 2 쌍들의 세트이고;The second set of two or more ON time / OFF time pairs is exactly a set of two pairs arranged by a duty cycle indicated from Low to High; 상기 출력 전압 오류 예측은 하이와 로우 2-값이며;The output voltage error prediction is high and low two-valued; 상기 셀렉터 메커니즘(SM)은 상기 현재 출력 전압 오류 예측이 하이일 때 로우 표시된 듀티 사이클을 갖는 ON 시간/OFF 시간 쌍을 선택하고, 상기 현재 출력 전압 오류 예측이 로우일 때 하이 표시된 듀티 사이클을 갖는 ON 시간/OFF 시간 쌍을 선택하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The selector mechanism SM selects an ON time / OFF time pair with a low displayed duty cycle when the current output voltage error prediction is high, and ON with a high displayed duty cycle when the current output voltage error prediction is low. A conversion method characterized by selecting a time / off time pair. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 상기 스위칭 사이클이 시작된 후 그리고 상기 선택된 쌍 내에 내재한 OFF 동작 시간 이전에, 상기 현재 출력 전압 오류 예측은 생성되고, 상기 ON 시간/OFF 시간 쌍은 선택되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.After the switching cycle begins and before the OFF operating time inherent in the selected pair, the current output voltage error prediction is generated and the ON time / OFF time pair is selected. 제 19 항에 있어서,The method of claim 19, 상기 예측된 출력 전압 오류는 이진 비교기의 출력인 것을 특징으로 하는 변환 방법.The predicted output voltage error is an output of a binary comparator. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 상기 제 2 세트는 부하-종속적인 기생 효과를 보상하기 위해 동적으로 조정되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said second set of two or more quantized ON time / OFF time pairs is dynamically adjusted to compensate for load-dependent parasitic effects. 제 21 항에 있어서,The method of claim 21, 2개 이상의 양자화된 ON시간/OFF시간 쌍들의 상기 제 2 세트를 조정하기 위해 사용된 메커니즘은 하나 이상의 카운터와 하나 이상의 비교기를 사용하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The mechanism used to adjust the second set of two or more quantized ON time / OFF time pairs uses one or more counters and one or more comparators. 제 31 항에 있어서, The method of claim 31, wherein 2개 이상의 ON시간/OFF시간 쌍의 상기 제 2 세트는 상기 셀렉터 메커니즘(SM)에 의해 과도한 전자기 간섭(EMI: Electromagnetic Interference)을 방지하도록 제약되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said second set of two or more ON time / OFF time pairs is constrained by said selector mechanism (SM) to prevent excessive electromagnetic interference (EMI). 제 23 항에 있어서,The method of claim 23, 상기 제약은 상기 ON시간/OFF 시간 쌍들에 의해 표시된 상기 스위칭 사이클들 중 가장 긴 것이 가장 짧은 것과 최대 n x △t (n=1,2,...N)만큼 상이하다는 요구사항의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The constraint is that the longest of the switching cycles represented by the ON time / OFF time pairs has the form of a requirement that the shortest differs by a maximum of nx Δt (n = 1,2, ... N). Characterized by the conversion method. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 출력 전압 오류를 예측하는 메커니즘의 기능의 일부는 마이크로프로세서에서 소프트웨어로 구현되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.Part of the functionality of the mechanism for predicting the output voltage error is implemented in software in a microprocessor. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘의 기능의 일부는 마이크로프로세서에서 소프트웨어로 구현되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.Part of the functionality of the mechanism for predicting the target duty cycle is implemented in software in a microprocessor. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 듀티 사이클 양자화 메커니즘(DQ)의 기능의 일부는 마이크로프로세서에서 소프트웨어로 구현되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.Part of the functionality of the duty cycle quantization mechanism (DQ) is implemented in software in a microprocessor. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 셀렉터 메커니즘(SM)의 기능의 일부는 마이크로프로세서에서 소프트웨어로 구현되는 것을 특징으로 하는 변환 방법.A part of the function of said selector mechanism (SM) is implemented in software in a microprocessor. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 셀렉터 메커니즘은 상기 다-위상 버크 컨버터의 각 위상의 배열이 표준 다-위상 사례에 따라 이루어지도록 추가로 보증하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.And said selector mechanism further ensures that the arrangement of each phase of said multi-phase buck converter is in accordance with a standard multi-phase case. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 셀렉터 메커니즘은 상기 제어 가능한 스위칭 장치가 동시에 ON으로 스위칭 되지 않도록 추가로 보증하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.The selector mechanism further ensures that the controllable switching device is not switched ON at the same time. 스위칭 모드 DC/DC 컨버터에 의해 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 방법에 있어서,A method of converting an input voltage into an output voltage by a switching mode DC / DC converter, 상기 입력 전압(Vin)은 파워 스테이지(PS)에 의해 출력 전압(Vout)으로 변환되고, The input voltage Vin is converted into an output voltage Vout by the power stage PS, 상기 파워 스테이지는 제어장치(CD)에 의해 ON/OFF 동작되는 하나 이상의 제어 가능한 스위칭 장치(CS)를 포함하며,The power stage includes one or more controllable switching devices CS that are ON / OFF operated by a control device CD, 상기 제어장치의 시간적 분해능(△t)에 의해, 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON 시간/OFF 시간 모두는 △t의 정수 배에 한정되고;By the temporal resolution? T of the control device, both the ON time / OFF time of the controllable switching device is limited to an integer multiple of? T; 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 듀티 사이클을 제어하는 듀티 사이클 제어 메커니즘(DC)은,The duty cycle control mechanism (DC) for controlling the duty cycle of the controllable switching device, 비왜곡된 출력 전압과 원하는 출력 전압(Vdo) 사이의 차이인 출력 전압 오류를 예측하는 메커니즘; A mechanism for predicting an output voltage error that is the difference between the undistorted output voltage and the desired output voltage Vdo; 원하는 출력 전압(Vdo)을 달성하기 위해 필수적인 듀티 사이클인 목표 듀티 사이클을 예측하는 메커니즘;A mechanism for predicting a target duty cycle, which is an essential duty cycle to achieve a desired output voltage Vdo; 목표 듀티 사이클에 대해, 제어 가능한 스위칭 장치를 제어하기에 적합한 하나 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍의 제 1 세트를 결정하는 듀티 사이클 양자화 메커니즘(DQ) - 여기서 (상기 제 1 세트의) 각 쌍의 양자화된 ON 시간/OFF 시간의 합은 한 세트의 불연속적인 값들{Tswi} [(i=1,2,...I), I는 양의 정수이고 Tswi는 △t의 정수 배임]으로 한정됨 -; 및Duty cycle quantization mechanism (DQ), where each pair (of the first set) determines a first set of one or more quantized ON time / OFF time pairs suitable for controlling the controllable switching device, for a target duty cycle. The sum of the quantized ON time / OFF time of is defined as a set of discrete values {Tswi} [(i = 1,2, ... I), where I is a positive integer and Tswi is an integer multiple of Δt] -; And 상기 제 1 세트로부터 도출되고 제 1 세트와 마찬가지로 한정된 2개 이상의 양자화된 ON 시간/OFF 시간 쌍들의 제 2 세트로부터 사이클 단위로 ON 시간/OFF 시간 쌍을 선택함으로써 상기 제어 가능한 스위칭 장치의 ON/OFF 동작 시간을 결정하고, 상기 출력 전압 오류의 진폭이 계속해서 최소화되는 방식으로 선택하는 셀렉터 메커니즘(SM);ON / OFF of the controllable switching device by selecting an ON time / OFF time pair on a cycle basis from a second set of two or more quantized ON time / OFF time pairs derived from the first set and defined like the first set A selector mechanism (SM) for determining an operating time and for selecting in such a way that the amplitude of the output voltage error continues to be minimized; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 변환 방법.Conversion method characterized in that it comprises a.
KR1020077015571A 2004-12-08 2005-11-30 Adaptive digital voltage regulator KR20070094766A (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/008,481 US6992469B1 (en) 2004-12-08 2004-12-08 Digital voltage regulator for DC/DC converters
US11/008,481 2004-12-08
US11/180,399 2005-07-12
US11/180,399 US7098641B2 (en) 2004-12-08 2005-07-12 Adaptive digital voltage regulator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070094766A true KR20070094766A (en) 2007-09-21

Family

ID=36578412

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077015571A KR20070094766A (en) 2004-12-08 2005-11-30 Adaptive digital voltage regulator

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1825340A4 (en)
KR (1) KR20070094766A (en)
WO (1) WO2006062790A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101467685B1 (en) * 2012-05-23 2014-12-01 다이얼로그 세미컨덕터 인크. Predictive power control in a flat panel display

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101196755B (en) * 2006-12-06 2011-01-12 北京中电华大电子设计有限责任公司 High-precision voltage regulator
US10108213B2 (en) 2015-06-16 2018-10-23 The Hong Kong University Of Science And Technology Three-dimensional power stage and adaptive pipeline control

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5475296A (en) * 1994-04-15 1995-12-12 Adept Power Systems, Inc. Digitally controlled switchmode power supply
US5594324A (en) * 1995-03-31 1997-01-14 Space Systems/Loral, Inc. Stabilized power converter having quantized duty cycle
EP0922323B1 (en) * 1997-03-27 2002-10-30 Koninklijke Philips Electronics N.V. Digitally controlled switched-mode voltage converter
JP3688448B2 (en) * 1997-10-02 2005-08-31 富士通株式会社 Switching power supply
JP3744680B2 (en) * 1998-03-31 2006-02-15 富士通株式会社 Power supply device and method for controlling power supply circuit
USRE38780E1 (en) * 1999-09-01 2005-08-23 Intersil Americas Inc. Current mode DC/DC converter with controlled output impedance
EP1261121A3 (en) * 2001-05-22 2004-02-04 Powerdsine Limited Power distribution with digital current control
JP3576140B2 (en) * 2001-12-26 2004-10-13 Tdk株式会社 Switching power supply control circuit and switching power supply using the same
EP1324476B1 (en) * 2001-12-27 2008-10-29 Dialog Semiconductor GmbH Converter with inductor and digital controlled timing
US6933709B2 (en) * 2003-02-10 2005-08-23 Power-One Limited Digital control system and method for switched mode power supply
US7206343B2 (en) * 2003-01-24 2007-04-17 Intersil Americas Inc. High resolution digital pulse width modulator for DC-DC voltage converter
US6992469B1 (en) * 2004-12-08 2006-01-31 Kiawe Forest, Llc Digital voltage regulator for DC/DC converters

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101467685B1 (en) * 2012-05-23 2014-12-01 다이얼로그 세미컨덕터 인크. Predictive power control in a flat panel display

Also Published As

Publication number Publication date
EP1825340A4 (en) 2008-10-08
WO2006062790A3 (en) 2006-10-05
EP1825340A2 (en) 2007-08-29
WO2006062790A2 (en) 2006-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7098641B2 (en) Adaptive digital voltage regulator
JP5313252B2 (en) Switch mode power supply (SMPS) and method thereof
US7211992B2 (en) Adaptive digital voltage regulator with Bresenham sequence generator
KR101946386B1 (en) Current mode pwm boost converter
CN111183576B (en) Method and controller for seamless mode transition in switching regulator
US8847566B2 (en) Switching power supply with mode transition control
US7592789B2 (en) Power supply and related circuits
US7368897B2 (en) Load adaptive power converter
US7456618B2 (en) Digital controller for a voltage regulator module
US7449869B2 (en) Digital current mode controller with low frequency current sampling
US11581812B2 (en) Multi-phase power converter, control circuit and control method thereof
US8274270B2 (en) Adaptive pulse width control power conversation method and device thereof
US20040076024A1 (en) Feed-forward method for improving a transient response for a DC-DC power conversion and DC-DC voltage converter utilizing the same
JP2008228514A (en) Switching regulator and operation control method therefor
JP2009148111A (en) Dc-dc converter
WO2021001771A1 (en) Light load mode entry or exit for power converter
US20080203989A1 (en) Voltage Converter Apparatus and Method Therfor
US20050007796A1 (en) Method for pulse modulation control of switching regulators
KR20070094766A (en) Adaptive digital voltage regulator
US7081740B2 (en) Digital duty cycle regulator for DC/DC converters
US11621625B2 (en) Controller for a power supply and a power supply
Krug et al. Variable frequency digital PWM controller for low-power buck converters
JP2007195363A (en) Dc-dc converter

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid