KR20070108088A - 스위칭 전압 조절기 및 제어 신호 생성 방법 - Google Patents

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마이크렐 인코포레이티드
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Abstract

PWM 조절기는 입력 전압이 원하는 조절된 출력 전압 위 또는 아래에 있는지 여부에 따라 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작한다. 이 기법은 위상이 180도 다른 두 개의 톱니형 램프를 사용한다. 두 개의 램프가 교차하는 지점이 벅/부스트 전환 레벨이다. 조절된 전압을 달성하기 위해 필요한 듀티 싸이클에 대응하는 에러 전압은 두 개의 램프에 비교된다. 하나의 모드에서 다른 모드로의 전환은 에러 전압이 두 램프의 벅/부스트 전환 레벨을 통과하는 경우에 발생한다. 로직 회로는 에러 신호가 벅/부스트 전환 레벨 위 또는 아래에 있는지 여부에 따라 PWM 펄스를 벅 스위칭 트랜지스터 또는 부스트 스위칭 트랜지스터에 공급하여 조절된 전압을 달성한다.

Description

스위칭 전압 조절기 및 제어 신호 생성 방법{BUCK-BOOST CONTROL LOGIC FOR PWM REGULATOR}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 조절기(regulator)의 일 실시예에 의해 수행되는 기본적인 단계들의 흐름도,
도 3a는 조절기의 전력 단에 대한 개략도로서 벅 제어 스위치는 벅 모드에서 동시에 스위칭되고, 부스트 제어 스위치는 부스트 모드에서 동시에 스위칭되는 도면,
도 3b는 도 3a의 전력 단의 스위치를 제어하고 또한 벅 모드와 부스트 모드 간을 전환하는데 사용되는 로직의 블록도,
도 4는 위상이 180도 다른 두 개의 램프(ramp)와 벅 모드와 부스트 모드 간의 전환과 일치하는 전환 레벨을 도시하며, 또한 에러 전압이 전환 레벨 아래에 있는 경우 동작의 벅 모드에서 생성되는 다양한 펄스를 나타내는 타이밍을 도시하는 도면,
도 5는 도 4와 유사하나 에러 전압이 전환 레벨 위에 있는 경우 동작의 부스트 모드에서 생성되는 다양한 펄스를 나타내는 타이밍을 나타내는 도면,
도 6은 두 개의 램프와 상기 램프 및 클록이 동기화되도록 하는 클록 펄스(clk, clk_b(반전 clk))를 생성하는 하나의 회로를 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : PWM 전압 조절기 12 : 이중 파형 생성기
14 : 클록 생성기 16 : 펄스폭 로직
22 : 전력 단 62 : 부스트 드라이버
본 발명은 전압 조절기를 스위칭하는 것에 관한 것으로, 특히 펄스폭 변조(PWM) 조절기의 벅 모드와 부스트 모드 간을 전환하는 기법에 관한 것이다.
전형적인 배터리 구동 장치, 예를 들어 카메라, 음악 재생기 또는 그 밖의 장치는 예를 들어 3.3 볼트의 동작 전압을 가질 수 있다. 상기 장치에 대해 사용되는 배터리는 예를 들어 4.7볼트의 완충(fully charged) 전압을 가질 수 있으며 시간이 지남에 따라 결국에는 2.7 볼트로 방전된다. 장치의 내부에 위치한 전압 조절기는 배터리 전압을 조정하여 이 예에서는 3.3 볼트의 일정한 동작 전압을 제공한다.
일반적인 조정 방법은 펄스폭 변조(PWM)이며, 이 변조에서 스위칭 트랜지스 터는 고정된 주파수로, 그러나 조정되는 듀티 싸이클로 스위치 온 및 오프되어, 평균 전류가 원하는 조정된 전압의 부하 전류와 동일하게 된다. 펄스는 필터에 의해 평활화되어 DC 출력 전압을 전달한다. 다른 PWM 조절기는 가변 스위칭 주파수를 사용한다.
필요에 따라 배터리 전압을 상승 또는 하강시켜 일정한 동작 전압을 제공하는 결합된 벅/부스트 조절기를 제공하는 것이 공지되어 있다. 이러한 벅/부스트 조절기는 전형적으로 입력 전압을 출력 전압과 비교하여 동작의 벅 모드를 채택할 것인지 또는 부스트 모드를 채택할 것인지를 결정한다. 이러한 방법을 사용하게 되면 루프 불안정성 및 전환 포인트를 야기한다.
벅 모드와 부스트 모드 간을 전환하는데 사용되는 다른 방법은 안정화가 어려운 미분 입력 및 출력의 연산 증폭기를 사용한다.
PWM 조절기에서 벅 모드와 부스트 모드 간을 전환하는 종래 기술의 단점을 극복한 확실한 방법이 필요하다.
PWM 조절기 내의 전력 단을 벅 모드 또는 부스트 모드(buck mode or boost mode)로 동작시키는 방법이 기술된다. 이 방법은 위상이 180도 다른 두 개의 톱니형 램프를 사용한다. 두 개의 램프가 서로 교차하는 곳이 벅/부스트 전환 레벨이다.
원하는 출력 전압을 생성하기 위해 벅 모드 또는 부스트 모드에서 필요로 하 는 튜티 싸이클을 식별하는 에러 전압이 생성된다. 램프는 두 개의 비교기(1,2)를 사용하여 에러 전압에 비교된다. 일 모드에서 다른 모드로의 전환은 에러 전압이 두 램프의 벅/부스트 전환 레벨을 통과하는 경우에 발생한다.
램프로부터 생성된 클록 신호는 비교의 출력과 함께 PWM 로직 회로에 인가된다. 이들 신호에 기초하여, 로직 회로는 에러 전압이 벅/부스트 전환 레벨 위 또는 아래에 있는지에 따라 PWM 펄스를 벅 스위칭 트랜지스터 또는 부스트 스위칭 트랜지스터에 공급하여 조정된 전압을 달성한다. PWM 신호를 생성하는 회로 및 동작 모드를 결정하는 회로는 동일한 회로이기 때문에, 조절기는 매우 안정적이다. 모드 간을 전환할 시기를 결정하기 위한 부가적인 회로가 필요하지 않다.
이 방법에 대한 변형이 다른 유형의 조절기에 사용될 수 있다.
여러 도면에서 동일한 참보번호는 갖는 소자는 동일한 소자이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 전압 조절기(10)를 나타낸다.
이중 파형 생성기(12)는 서로 위상이 180도 다른 톱니형 램프(1,2)를 생성한다. 도 4 및 도 5는 램프를 보다 상세히 도시한다.
클록 생성기(14)는 방형파 클록 펄스 clk 및 반전된 clk_b 펄스를 램프(1,2)로부터 생성하여 클록 펄스는 램프와 동기화된다. 도 6은 클록 생성기(14)를 보다 자세히 도시한다. clk 신호는 램프(1)가 시작되는 경우 하이가 되고 clk_b 신호는 램프(2)가 시작하면 하이가 된다. clk 신호는 램프가 시작되는 경우 로우가 되고 clk_b 신호는 램프(1)가 시작되면 로우가 된다. 클록 펄스 및 램프의 동기화는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
램프 및 클록 펄스는 펄스폭 로직(16)에 인가된다. 에러 증폭기(18)의 출력(Ve)도 로직(16)에 인가된다. 에러 증폭기(18)는 조절기(10)의 분할된 출력 전압 Vfb와 기준 전압 Vref(20) 간의 차이를 배가시키는 차동 증폭기이다. Ve의 크기는 벅 스위칭 트랜지스터 또는 부스트 스위칭 트랜지스터의 듀티 싸이클에 직접 대응한다. 조절기(10)의 피드백 루프는 벅 또는 부스트 모드 스위칭 트랜지스터의 듀티 싸이클을 조정함으로써 Vrb가 Vref에 매칭되도록 한다.
로직(16)의 출력 신호는 전력 단(22)에서 벅 스위칭 트랜지스터를 제어하는 펄스 또는 부스트 스위칭 트랜지스터를 제어하는 펄스이다. 도 3a는 전력 단(22)을 보다 자세히 도시한다. 전력 단(22)의 출력은 조절된 전압 Vout이다.
조절기의 동작은 나머지 도면과 함께 도 2의 흐름도를 참조하여 기술될 것이다.
도 2의 단계(24)에서, 두 개의 톱니 파형, 즉 램프(1) 및 램프(2)가 위상을 180도 달리하여 생성된다. 이후에 기술되는 도 6은 램프(1) 및 램프(2)가 어떻게 생성될 수 있는지를 도시한다. 도 4는 두 개의 램프를 도시한다. 본 명세서에서 제공된 예시적인 조절기에 있어서, 에러 증폭기(18)의 에러 전압(Ve)의 범위는 0 내지 1.5 볼트이다. 동작 모드 및 듀티 싸이클은 에러 전압이 램프(1) 및 램프(2)를 교차하는 지점에 의해 결정되기 때문에, 램프(1) 및 램프(2)의 범위는 또한 0 내지 1.5 볼트로 설정된다.
0.75볼트의 Ve 임계 레벨은 벅 모드와 부스트 모드 간의 전환점을 식별한다. 램프(1) 또는 램프(2)가 Ve와 교차하는 것이 임계값 아래에서 이루어지면 벅 모드 스위칭 트랜지스터의 스위칭만이 야기될 것이며, 램프(1) 또는 램프(2)가 Ve와 교차하는 것이 임계값 위에서 이루어지면 부스트 모드 스위칭 트랜지스터의 스위칭만이 야기될 것이다.
도 2의 단계(28)에서, 클록 신호 clk 및 반전된 clk_b 신호가 생성된다. 도 6은 램프(1,2)로부터 클록 신호가 생성될 수 있는 방식을 나타낸다. 도 4 및 도 5는 램프(1,2)에 대한 클록 신호의 대응을 나타낸다.
단계(30)에서, 벅 또는 부스트 모드 스위칭 트랜지스터의 듀티 싸이클을 제어하는데 사용되는 에러 전압(Ve)이 생성된다. 도 3a는 전력 단(22)에 접속되어 조절기 출력 전압(Vout) 및 고정된 기준 전압 Vref을 수신하는 에러 증폭기(18)를 도시한다. 저항(R1,R2)은 Vout을 분할한다. 저항(R3,R4)은 에러 증폭기(18)의 이득을 설정한다. 에러 증폭기(18)는 Vfb와 Vef 간의 차이에 따라 캐패시터(C1)에 전하를 더하거나 제거한다. 조절기의 피드백 경로는 Vfb를 Vref에 매칭시키기 위해 Ve에 기초하여 Vout을 조절한다. Vfb가 너무 높은 경우, 전하는 C1으로부터 제거되어 Ve를 낮추며 따라서 듀티 싸이클을 낮춘다(모드는 변경되지 않은 것으로 가정함). Vfb가 너무 낮은 경우, 전하는 C1에 부가되어 Ve를 증가시키며 따라서 듀티 싸이클을 증가시킨다(모드는 변경되지 않은 것으로 가정함). C1은 에러 증폭기 회로 내부에 위치할 수 있다.
0-0.75 볼트의 Ve(즉, 전환 레벨 아래임)는 도 3a의 벅 모드 스위칭 트랜지 스터(34,35)의 듀티 싸이클을 Ve의 크기에 따라 0% 내지 100% 사이에서 변경시킨다. 0.75-1.5 볼트의 Ve(즉, 전환 레벨 이상)는 도 3a의 부스트 모드 스위칭 트랜지스터(36,37)의 듀티 싸이클을 Ve의 크기에 따라 0% 내지 100% 사이에서 변경시킨다. 이에 대해서는 이후에 자세히 기술된다.
도 2의 단계(40)에서, 램프(1)는 도 3b의 비교기(41)에 의해 Ve에 비교되고, 램프(2)는 도 3b의 비교기(42)에 의해 Ve에 비교된다. 비교기(41,42)는 고 이득 차동 증폭기이다. 비교기(41)의 출력은 램프(1)가 Ve보다 큰 경우에는 높을 것이다. 비교기(42)의 출력은 램프(2)가 Ve보다 높은 경우에는 높은 것이다. 그렇지 않으면, 비교기의 출력은 낮다. 램프(1,2)의 위상은 다르기 때문에, 교차 시간은 유사하게 위상이 다를 것이다.
도 2의 단계(48)는 도 3b의 펄스폭 로직(16)과 관련된다. 도 3b에서, D-타입 플립-플롭(A-D) 각각은 아래의 진리표를 가지며, 각 플립 플롭의 D 입력은 하이, 또는 로직 1의 레벨로 고정된다. CLR(클리어) 핀에 인가된 로직 0 신호는 출력 Q가 로직 0이 되도록 한다. CLR 핀에 인가된 신호가 로직 1인 경우, 출력 Q는 CLK 핀 입력을 따를 것이다.
Figure 112007033583845-PAT00001
클록 펄스 clk는 플립 플롭 A의 CLK 핀과 플립 플롭 D의 CLR 핀에 인가된다. 클록 펄스 clk_b는 플립 플롭 B의 CLK 핀과 플립 플롭 C의 CLR 핀에 인가된다. 비교기(41)의 출력(신호 comp1 out)은 플립 플롭 D의 CLK 핀과 플립 플롭 B의 CLR 핀에 인가된다. 비교기(42)의 출력(신호 comp2 out)은 플립 플롭 C의 CLK 핀과 플립 플롭 A의 CLR 핀에 인가된다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 다수의 다른 유형의 로직 회로가 사용되어 동일한 로직 결과를 달성할 수 있다.
비교기(41,42)에 대한 교차점의 타이밍은 조절기가 벅 모드로 동작할 지 또는 부스트 모드로 동작할지와, 전력 단의 스위칭 트랜지스터의 듀티 싸이클을 결정한다.
도 2의 단계(50)에서, 플립-플롭(A,B)의 출력은 OR 게이트(60)의 입력에 접속되며, 상기 게이트(60)의 출력은 도 3a의 전력 단의 부스트 드라이버(62)에 접속된다. 부스트 드라이버(62)는 도 3a의 트랜지스터(36,37)에 부스트 제어 스위칭 신호를 제공하며 또한 임의의 적절한 지연을 제공하여 전력 트랜지스터의 교차 도통을 피한다. 플립-플롭(C,D)의 출력은 OR 게이트(64)의 입력에 접속되며, 상기 게이트(64)의 출력은 도 3a의 벅 드라이버(66)에 접속된다. 벅 드라이버(66)는 도 3a의 트랜지스터(34,35)에 벅 제어 스위칭 신호를 제공하며 또한 임의의 지연을 제공하여 교차 도통을 피한다.
플립 플롭(A-D)에 인가된 신호는 한번에 하나의 플립 플롭 출력 Q만을 로직 1로 야기한다. 나머지 플립 플롭은 CLR 핀에 인가된 로직 0(로직 0 출력을 야기함) 또는 CLK 핀에 인가된 로직 0(로직 0 출력을 생성함)을 갖는다.
벅 또는 부스트 모드로 동작하도록 전력 단을 제어하기 위해 또한 조절기의 출력 전압을 조절하도록 다양한 트랜지스터를 스위칭하기 위해, 후속하는 과정이 수행된다. 조절기를 벅 모드로 조절하기 위해, 부스트 PMOS 트랜지스터(37)는 온(on)으로 남겨지고, 부스트 NMOS 트랜지스터(36)는 오프(off)로 남겨진다. 이것은 부스트 OR 게이트(60)가 로우 신호를 출력하는 경우 로우 구동 신호를 출력하는 부스트 드라이버(62)에 의해 달성된다. 이것은 부스트 트랜지스터가 벅 동작 모드에 대해 영향을 갖지 못하도록 한다. 벅 트랜지스터(34,35)는 듀티 싸이클에서 벅 OR 게이트(64)로부터의 펄스에 의해 동시에 스위칭되어 출력 전압은 예를 들어 배터리와 같은 전력 공급 전압 또는 그 아래의 사전결정된 레벨이 되도록 조절된다.
조절기를 부스트 모드로 제어하기 위해, 벅 PMOS 트랜지스터(34)는 온으로 남겨지고, 벅 NMOS 트랜지스터(35)는 오프로 남겨진다. 이것은 벅 OR 게이트(64)가 로우 신호를 출력하는 경우 로우 구동 신호를 출력하는 벅 드라이버(66)에 의해 달성된다. 이것은 벅 트랜지스터가 부스트 동작 모드에 대해 영향을 갖지 못하도록 한다. 부스트 트랜지스터(36,37)는 듀티 싸이클에서 부스트 OR 게이트(60)로부터의 펄스에 의해 동시에 스위칭되어 출력 전압은 전력 공급 전압 이상의 사전결정된 레벨이 되도록 조절된다.
도 4는 Ve가 Vth로 표시되는 전환(또는 임계) 레벨 아래인 경우, PWM 로직 회로(16)에 의해 생성되는 다양한 신호의 예를 나타낸다. 신호 cmp1 out 및 comp2 out은 각각 비교기(41,42)로부터의 신호이다. 신호 q3 및 q4는 도 3b에 도시되고 도 4에서 재생성된 벅 플립 플롭(C,D)의 Q3 및 Q4 핀으로부터의 신호이다. 조절기 가 벅 모드로 동작하는 동안, 부스트 플립 플롭(A,B)로부터의 Q1 및 Q2는 제로이다. 벅 OR 게이트(64)의 출력이 로우인 경우, PMOS 트랜지스터(34)(도 3a)는 턴온되어 도 3a의 인덕터(70)를 충전하는 반면, NMOS 트랜지스터(35)는 오프이고, 출력 캐패시터(72)는 필터링을 제공하여 Vout에 접속된 부하에 일정한 전압 및 전류를 공급한다. OR 게이트(64)의 출력이 하이인 경우, PMOS 트랜지스터(34)는 턴오프되고, NMOS 트랜지스터(35)는 턴온되어 인덕터(70)를 방전시킨다. 인덕터(70)의 충전 및 방전은 인덕터(70)를 통과하는 삼각 전류를 생성하며, 출력 캐패시터(72)는 필터링을 제공하여 DC 출력 전압을 생성한다.
Ve가 전환 레벨 Vth쪽으로 상승함에 따라, 펄스폭은 감소하고, 벅 모드 듀티 싸이클은 증가한다. Ve가 전환 레벨 Vth와 동일한 경우, 듀티 싸이클은 100%이고, 따라서 PMOS 트랜지스터(34)는 전체 싸이클에서 온이다.
도 5는 Ve가 Vth로 표시되는 전환(또는 임계) 레벨 위인 경우, PWM 로직 회로(16)에 의해 생성되는 다양한 신호의 예를 나타낸다. 신호 q1 및 q2는 도 3b에 도시되고 도 5에서 재생성된 벅 플립 플롭(A,B)의 Q1 및 Q2 핀으로부터의 신호이다. 조절기가 부스트 모드로 동작하는 동안, 벅 플립 플롭(C,D)으로부터의 Q3 및 Q4는 제로이다. 부스트 OR 게이트(60)의 출력이 하이인 경우, NMOS 트랜지스터(36)(도 3a)는 턴온되어 도 3a의 인덕터(70)를 충전하는 반면, PMOS 트랜지스터(37)는 오프이고, 출력 캐패시터(72)는 필터링을 제공하여 Vout에 접속된 부하에 일정한 전압 및 전류를 공급한다. OR 게이트(64)의 출력이 로우 경우, NMOS 트랜지스터(36)는 턴오프되고, PMOS 트랜지스터(37)는 턴온되어 인덕터(70)를 방전시킨 다. 인덕터(70)의 충전 및 방전은 인덕터(70)를 통과하는 삼각 전류를 생성하며, 출력 캐패시터(72)는 필터링을 제공하여 DC 출력 전압을 생성한다.
Ve가 전환 레벨 Vth로부터 떨어져 상승함에 따라, 펄스폭은 증가하고 부스트 모드 듀티 싸이클은 증가한다.
듀티 싸이클 및 동작 모드를 제어하기 위해 동일한 로직 회로를 사용하는 것은 별개의 회로를 사용하는 것보다 본래 더 안정적이며, 따라서 강하고 효율적인 벅/부스트 조절기가 달성된다.
동작 모드 및 PWM 펄스가 동일한 회로를 사용하여 생성되는 등가의 로직 연산을 달성하기 위해 다른 유형의 게이트, 플립-플롭, 접속, 로직 레벨 및 로직 회로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 소정의 신호는 반전되어 CLR 핀 대신에 플립 플롭의 CLK 핀에 인가될 수 있고, 또한 그 반대일 수도 있다. 여러 유형의 잘 알려져 있는 설계 프로그램이 사용되어 등가의 로직 연산을 수행하는 로직 회로를 생성할 수 있고, 모든 그러한 등가 로직 회로는 본 발명에 포함되는 것으로 이해된다.
따라서, PMOS 및 NMOS 스위칭 트랜지스터 대신에, 모든 트랜지스터는 동일한 유형일 수 있고 또는 바이폴라일 수도 있다. 이것은 도 4 및 도 5의 몇몇 PWM 펄스 트레인의 로직 레벨이 반전되는 것을 필요로 하며 또는 드라이버가 반전된 드라이브 신호를 소정의 트랜지스터에 제공할 것을 필요로 한다. 트랜지스터(35,37)는 트랜지스터 대신에 다이오드일 수 있다.
다양한 유형의 잘 알려진 전력 단 구성이 사용되어 조절된 전압이 주어진 스텝 다운(벅) 모드 및 스텝 업(부스트) 모드 PWM 신호를 생성할 수 있다. 벅 및 부 스트라는 용어는 임의의 유형의 스텝 다운 및 스텝 업 조절 구성을 나타내려 한다.
램프 및 클록 신호 생성
램프(1) 및 램프(2) 및 클록 신호 clk 및 clk_b를 생성하는데 다수의 유형의 회로가 사용될 수 있지만, 특히 이들 신호를 생성하는 본 발명의 회로가 도 6에 도시되어 있다.
도 6의 예에서, 전환 레벨은 0.75 볼트이며, 램프가 교차하는 지점에 대응한다. 램프(1)를 생성하기 위해, 전류원(80)은 전압원(Vcc)과 캐패시터(82) 사이에 접속된다. 캐패시터(82)가 충전됨에 따라, 그의 전압(램프 1)은 램프 업될 것이다. 전류원 크기 또는 캐패시턴스 값은 스위칭 트랜지스터의 원하는 스위칭 주파수를 달성하기 위해 필요한 상승 시간을 갖는 램프를 생성하도록 선택된다. 일 실시예에서, 스위칭 주파수는 100 KHz 내지 1 MHz 사이에서 설정된다.
램프(2)는 전류원(84)과 캐패시터(86)를 사용하여 생성된다. 램프(2)가 비교기(85)에 의해 검출되는 0.75에 도달하는 경우, 비교기(85)는 로직 1 클록 신호를 D-플립 플롭(88)의 CLK 입력에 인가하여 Q 핀이 로직 1 리셋 신호(rst1)를 출력하도록 한다. 모든 플립 플롭의 D-입력은 로직 1 신호에 연결된다. 비교기(85) 출력은 또한 인버터(90)에 의해 반전되고 약간 지연되어 플립 플롭(88)의 리셋 핀(RB2)에 인가된다. RB2에 대한 로직 0 신호는 플립을 제로 출력으로 리셋한다. RB2에 대한 입력은 지연된 로직 0이기 때문에, 플립 플롭(88)은 비교기(85)가 트리거되는 경우 짧은 펄스를 출력한다. rst1 펄스는 캐패시터(82)를 신속하게 방전시 키고, 그런 다음 재개방되는 리셋 스위치(92)에 인가되어 램프(1) 신호가 0 볼트로부터 다시 시작하도록 한다.
유사하게, 램프(2)는 램프(1)가 0.75 볼트를 초과하는 것으로 비교기(94)에 의해 결정되는 경우 리셋된다. 다양한 로직 게이트를 통해, 비교기(94) 신호는 램프(1)가 0.75 볼트를 초과하는 경우 플립 플롭(96)의 CLK 핀에 인가되어 펄스형 rst2 신호를 생성한다. 이것은 캐패시터(86)를 신속하게 방전시키는 리셋 스위치(98)를 순간적으로 턴온시켜 램프(2) 신호가 0볼트로부터 다시 시작하도록 한다.
플립 플롭(88,96) 출력을 토글링함으로써, 램프(1,2)는 다른 램프가 전환 레벨(0.75 볼트)에 도달하는 경우 교대로 리셋된다.
플립 플롭(96)의 Qb(반전된 Q)는 반전된 rst2 신호인 rst2b 신호를 생성한다.
rst1 신호는 제 3 플립 플롭(100)의 CLK 핀에 인가되고, rst2b 신호는 플립 플롭(100)의 RB2 핀에 인가된다. 플립 플롭(100)은 램프(1,2)와 동기화되는 clk 및 clkb 신호를 출력한다. 다양한 신호가 에러 전압과 함께 도 3b의 PWM 로직에 인가되어 조절기를 제어한다.
캐패시터(82 및/또는 86)가 동시에 완전 방전 또는 완전 충전되는 경우 회로를 초기에 개시하기 위한 부가적인 로직 회로가 도 6에 사용된다. 적어도 하나의 램프는 발생하게 되는 다양한 로직 전환에 대해 램프 업될 필요가 있으며, 적절한 동작을 위해 양 램프가 동시에 0.75 볼트 초과 또는 미만일 수는 없다. 램프(1)가 0.75 볼트를 초과하고 램프(2)가 1.26 볼트를 초과하는 것으로 비교기(94,102)에 위해 검출되면, 회로는 리셋될 필요가 있다. 이러한 경우, 로직(106)은 rst2 펄스를 생성하여 램프(2)를 리셋한다. 이것은 도 6의 회로가 정상적인 동작을 시작하도록 한다. 개시를 위해 다양한 다른 로직 기법이 사용될 수 있다.
전력 단의 필터를 제외한 모든 조절기 회로는 단일 집적 회로로서 형성될 수 있다.
본 발명을 상세히 설명하였지만, 당업자라면, 개시되어 있는 내용에 기초하여, 본 명세서에서 기술되어 있는 본 발명의 사상 및 개념을 벗어나지 않고 본 발명을 수정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 기술되고 예시되어 있는 특정 실시예에 국한되지는 않는다.
본 발명에 따르면, PWM 조절기에서 벅 모드와 부스트 모드 간을 효율적으로 전환할 수 있다.

Claims (28)

  1. 벅 및 부스트 모드(buck and boost modes)로 동작하는 스위칭 전압 조절기에 있어서,
    소정의 주파수로 제 1 램프 파형 및 제 2 램프 파형- 상기 제 1 램프 파형은 상기 제 2 램프 파형과 위상이 180도 다름 -을 생성하는 이중 램프 생성기(dual ramp generator)와,
    상기 제 1 램프 파형의 주기와 동일한 주기를 갖는 클록 신호 및 반전된 클록 신호를 생성하는 클록 생성기와,
    상기 조절기의 출력에 대응하는 피드백 전압을 수신하고 기준 전압을 수신하는 에러 증폭기- 상기 에러 증폭기의 출력은 상기 기준 전압에 실질적으로 매칭되는 상기 피드백 전압을 유지하기 위해, 입력 전압보다 낮은 조절된 전압을 생성하도록 전력 단의 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터를 스위칭하고, 또는 입력 전압보다 높은 조절된 전압을 생성하도록 상기 전력 단의 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터를 스위칭하는데 필요한 듀티 싸이클에 대응하는 에러 신호임 -와,
    상기 제 1 램프 파형, 상기 제 2 램프 파형, 상기 클록 신호, 상기 반전된 클록 신호 및 상기 에러 신호를 수신하는 로직 회로의 장치- 상기 로직 회로의 장치는 상기 에러 전압이 전환 레벨(transition levle) 위에서 또는 아래에서 상기 제 1 램프 파형 및 상기 제 2 램프 파형과 교차하는지에 기초하여, 상기 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터를 제어하는 펄스폭 변조(PWM) 벅 제어 펄스를 출력하거 나 또는 상기 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터를 제어하는 PWM 부스트 제어 펄스를 출력하도록 구성됨 -를 포함하는
    스위칭 전압 조절기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절기의 출력에서 입력 전압보다 낮은 조절된 전압을 생성하는 듀티 싸이클에서 제어되는 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터와, 상기 조절기의 출력에서 상기 입력 전압보다 높은 조절된 전압을 생성하는 듀티 싸이클에서 제어되는 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터를 포함하는 전력 단을 더 포함하는 스위칭 전압 조절기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터는 상기 입력 전압과 인덕터의 제 1 단자 사이에 접속된 상측 벅 트랜지스터와, 상기 인덕터의 상기 제 1 단자와 접지 사이에 접속된 하측 벅 트랜지스터를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터는 상기 인덕터의 제 2 단자와 상기 조절기의 출력 사이에 접속된 상측 부스트 트랜지스터와, 상기 인덕터의 상기 제 2 단자와 접지 사이에 접속된 하측 부스트 트랜지스터를 포함하는 스위칭 전압 조절기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절기는 단일 집적 회로로서 형성되는 스위칭 전압 조절기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 로직 회로는 상기 제 1 램프 파형을 상기 에러 전압과 비교하여 제 1 비교기 신호를 생성하는 제 1 비교기와, 상기 제 2 램프 파형을 상기 에러 전압과 비교하여 제 2 비교기 신호를 생성하는 제 2 비교기를 포함하는 스위칭 전압 조절기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 로직 회로는 상기 제 1 비교기 신호, 상기 제 2 비교기 신호, 상기 클록 신호 및 상기 반전된 클록 신호에 대응하는 신호에 결합되어 PWM 벅 제어 펄스 또는 PWM 부스트 제어 펄스를 출력하는 다수의 플립 플롭을 더 포함하는 스위칭 전압 조절기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    한번에 단 하나의 플립 플롭만이 PWM 벅 제어 펄스 또는 PWM 부스트 제어 펄스를 출력하는 스위칭 전압 조절기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 플립 플롭은 상기 제 2 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 클록 신호를 수신하고, 제 2 플립 플롭은 상기 제 1 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 반전된 클록 신호를 수신하며, 제 3 플립 플롭은 상기 제 2 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 반전된 신호를 수신하고, 제 4 플립 플롭은 상기 제 1 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 클록 신호를 수신하는
    스위칭 전압 조절기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 플립 플롭 및 상기 제 2 플립 플롭은 PWM 부스트 제어 펄스를 생성하고, 상기 제 3 플립 플롭 및 상기 제 4 플립 플롭은 PWM 벅 제어 펄스를 생성하는 스위칭 전압 조절기.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수의 플립 플롭은 4개의 플립 플롭을 포함하고 제 1 플립 플롭 및 제 2 플립 플롭은 PWM 부스트 제어 펄스를 생성하고, 제 3 플립 플롭 및 제 4 플립 플롭은 PWM 벅 제어 펄스를 생성하는 스위칭 전압 조절기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전환 레벨은 상기 제 1 램프 파형 및 상기 제 2 램프 파형의 크기의 절반과 대략 동일한 크기를 갖는 스위칭 전압 조절기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 램프 파형과 상기 제 2 램프 파형은 위상이 180도 다르다는 것을 제외하고는 동일한 스위칭 전압 조절기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절기의 출력에서 입력 전압보다 낮은 조절된 전압을 생성하는 듀티 싸이클에서 제어되는 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터와, 상기 조절기의 상기 출력에서 상기 입력 전압보다 높은 조절된 전압을 생성하는 듀티 싸이클에서 제어되는 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터를 포함하는 전력 단을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터 또는 상기 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터는 상기 에러 전압이 상기 제 1 램프 파형 및 상기 제 2 램프 파형과 상기 전환 레벨 위에서 또는 아래에서 교차하는 지에 따라, 인덕터를 간헐적으로(intermittently) 충전하도록 상기 회로 장치에 의해 생성되는 PWM 펄스에 의해 제어되며, 상기 인덕터에 의해 도통되는 평균 전류는 상기 조절기의 상기 출력에 접속된 부하에 대한 전류와 동일한
    스위칭 전압 조절기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 단을 상기 벅 모드 또는 상기 부스트 모드로 동작시킬 것인 가에 대한 판정을 위해 부가적인 회로가 사용되지 않기 위하여, 상기 전력 단을 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작시킬 것인지에 대한 판정과, 상기 PWM 벅 제어 펄스 및 PWM 부스트 제어 펄스의 듀티 싸이클의 제어는 동일한 로직 회로에 의해 수행되는 스위칭 전압 조절기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 램프 생성기는,
    전압원과 제 1 캐패시터를 충전하는 상기 제 1 캐패시터의 제 1 단자 사이에 접속된 제 1 전류원과,
    상기 제 1 단자와 상기 제 1 캐패시터를 방전하는 접지 사이에 접속된 제 1의 일시적 단락 스위치- 상기 제 1 캐패시터 양단의 전압은 상기 제 1 램프 파형임 -와,
    상기 전압원과 제 2 캐패시터를 충전하는 상기 제 2 캐패시터의 제 2 단자 사이에 접속된 제 2 전류원과,
    상기 제 2 단자와 상기 제 2 캐패시터를 방전하는 접지 사이에 접속된 제 2의 일시적 단락 스위치-상기 제 2 캐패시터 양단의 전압은 상기 제 2 램프 파형임 -와,
    상기 제 1 램프 파형의 전체 크기의 절반과 동일한 제 1 전압에 상기 제 1 램프 파형을 비교하는 제 1 비교기와,
    상기 제 2 램프 파형을 상기 제 1 전압에 비교하는 제 2 비교기를
    포함하되,
    상기 제 2 비교기의 출력은 상기 제 2 램프 파형이 상기 제 1 전압과 교차하는 경우 상기 제 1의 일시적 단락 스위치에 결합되어 상기 제 1의 일시적 단락 스위치가 폐쇄되도록 제어하고,
    상기 제 1 비교기의 출력은 상기 제 1 램프 파형이 상기 제 1 전압과 교차하는 경우 상기 제 2의 일시적 단락 스위치에 결합되어 상기 제 2의 일시적 단락 스 위치가 폐쇄되도록 제어하는
    스위칭 전압 조절기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 램프 파형과 상기 제 2 램프 파형이 동시에 상기 전환 레벨 위 또는 아래에 있는지를 판정하고 그러한 경우 상기 제 1의 일시적 단락 스위치 또는 상기 제 2의 일시적 단락 스위치 중 하나를 트리거하여 상기 이중 램프 생성기를 리셋하도록 결합된 로직 회로를 더 포함하는 스위칭 전압 조절기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1의 일시적 단락 스위치 및 상기 제 2의 일시적 단락 스위치에 대한 트리거 신호에 대응하는 신호를 수신하고, 그에 대한 응답으로 상기 클록 신호 및 상기 반전된 클록 신호를 생성하는 플립 플롭을 더 포함하는 스위칭 전압 조절기.
  18. 벅-부스트 스위칭 전압 조절기에 대한 펄스폭 변조(PWM) 벅 제어 신호 또는 부스트 제어 신호를 생성하는 방법에 있어서,
    소정의 주파수로 제 1 램프 파형 및 제 2 램프 파형- 상기 제 1 램프 파형은 상기 제 2 램프 파형과 위상이 180도 다름 -을 생성하는 단계와,
    상기 제 1 램프 파형의 주기와 동일한 주기를 갖는 클록 신호 및 반전된 클록 신호를 생성하는 단계와,
    상기 조절기의 출력에 대응하는 피드백 전압을 수신하고 기준 전압을 수신하는 에러 증폭기- 상기 에러 증폭기의 출력은 상기 기준 전압에 실질적으로 매칭되는 상기 피드백 전압을 유지하기 위해 전력 단의 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터 또는 상기 전력 단의 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터를 스위칭하는데 필요한 듀티 싸이클에 대응하는 에러 신호임 -에 의해 에러 전압을 생성하는 단계와,
    상기 에러 전압이 전환 레벨 위에서 또는 아래에서 상기 제 1 램프 파형 및 상기 제 2 램프 파형과 교차하는지에 기초하여, 상기 조절기의 출력에서 입력 전압보다 낮은 조절된 전압을 생성하도록 상기 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터를 제어하는 펄스폭 변조(PWM) 벅 제어 펄스 또는 상기 조절기의 상기 출력에서 상기 입력 전압보다 높은 조절된 전압을 생성하도록 상기 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터를 제어하는 PWM 부스트 제어 펄스를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 PWM 벅 또는 부스트 제어 신호는 상기 제 1 램프 파형, 상기 제 2 램프 파형, 상기 클록 신호, 상기 반전된 클록 신호 및 상기 에러 신호를 수신하는 로직 회로의 장치에 의해 생성되어, 상기 로직 회로의 장치는 상기 벅 제어 펄스 또는 상기 부스트 제어 펄스를 출력할지를 결정하며 또한 상기 펄스폭의 듀티 싸이클을 결정하여 조절된 전압을 달성하는
    제어 신호 생성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터는 상기 입력 전압과 인덕터의 제 1 단자 사이에 접속된 상측 벅 트랜지스터와, 상기 인덕터의 상기 제 1 단자와 접지 사이에 접속된 하측 벅 트랜지스터를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터는 상기 인덕터의 제 2 단자와 상기 조절기의 출력 사이에 접속된 상측 부스트 트랜지스터와, 상기 인덕터의 상기 제 2 단자와 접지 사이에 접속된 하측 부스트 트랜지스터를 포함하는
    제어 신호 생성 방법
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 벅 제어 펄스 또는 상기 부스트 제어 펄스를 생성하는 단계는 제 1 비교기를 사용하여 상기 제 1 램프 파형을 상기 에러 전압과 비교하여 제 1 비교기 신호를 생성하는 단계와, 제 2 비교기를 사용하여 상기 제 2 램프 파형을 상기 에러 전압과 비교하여 제 2 비교기 신호를 생성하는 단계를 포함하는 제어 신호 생성 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 벅 제어 펄스 또는 상기 부스트 제어 펄스를 생성하는 단계는 상기 제 1 비교기 신호, 상기 제 2 비교기 신호, 상기 클록 신호 및 상기 반전된 클록 신호에 대응하는 신호를 PWM 벅 제어 펄스 또는 PWM 부스트 제어 펄스를 출력하도록 결합된 다수의 플립 플롭에 인가하는 단계를 더 포함하는 제어 신호 생성 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    한번에 단 하나의 플립 플롭만이 PWM 벅 제어 펄스 또는 PWM 부스트 제어 펄스를 출력하는 제어 신호 생성 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    제 1 플립 플롭은 상기 제 2 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 클록 신호를 수신하고, 제 2 플립 플롭은 상기 제 1 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 반전된 클록 신호를 수신하며, 제 3 플립 플롭은 상기 제 2 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 반전된 신호를 수신하고, 제 4 플립 플롭은 상기 제 1 비교기 신호에 대응하는 신호와 상기 클록 신호를 수신하는
    제어 신호 생성 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 플립 플롭 및 상기 제 2 플립 플롭은 PWM 부스트 제어 펄스를 생성하고, 상기 제 3 플립 플롭 및 상기 제 4 플립 플롭은 PWM 벅 제어 펄스를 생성하는 제어 신호 생성 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 다수의 플립 플롭은 4개의 플립 플롭을 포함하고 제 1 플립 플롭 및 제 2 플립 플롭은 PWM 부스트 제어 펄스를 생성하고, 제 3 플립 플롭 및 제 4 플립 플롭은 PWM 벅 제어 펄스를 생성하는 제어 신호 생성 방법.
  26. 제 18 항에 있어서,
    상기 전환 레벨은 상기 제 1 램프 파형 및 상기 제 2 램프 파형의 크기의 절반과 대략 동일한 크기를 갖는 제어 신호 생성 방법.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 램프 파형과 상기 제 2 램프 파형은 위상이 180도 다르다는 것을 제외하고는 동일한 제어 신호 생성 방법.
  28. 벅 및 부스트 모드로 동작하는 스위칭 전압 조절기에 있어서,
    소정의 주파수로 제 1 램프 파형 및 제 2 램프 파형- 상기 제 1 램프 파형은 상기 제 2 램프 파형과 위상이 180도 다름 -을 생성하는 이중 램프 생성기와,
    상기 제 1 램프 파형의 주기와 동일한 주기를 갖는 클록 신호 및 반전된 클록 신호를 생성하는 클록 생성기와,
    상기 조절기의 출력에 대응하는 피드백 전압을 수신하고 기준 전압을 수신하는 에러 증폭기- 상기 에러 증폭기의 출력은 에러 신호임 -와,
    상기 제 1 램프 파형, 상기 제 2 램프 파형, 상기 클록 신호, 상기 반전된 클록 신호 및 상기 에러 신호를 수신하는 로직 회로의 장치- 상기 로직 회로의 장치는 상기 에러 전압이 전환 레벨 위에서 또는 아래에서 상기 제 1 램프 파형 및 상기 제 2 램프 파형과 교차하는지에 기초하여, 입력 전압보다 낮은 조절된 전압을 생성하도록 전력 단의 적어도 하나의 벅 스위칭 트랜지스터를 제어하는 펄스폭 변조(PWM) 벅 제어 펄스 또는 입력 전압보다 높은 조절된 전압을 생성하도록 상기 전력 단의 적어도 하나의 부스트 스위칭 트랜지스터를 제어하는 PWM 부스트 제어 펄스를 생성하도록 구성됨-를 포함하고,
    상기 이중 램프 생성기는,
    전압원과 제 1 캐패시터를 충전하는 상기 제 1 캐패시터의 제 1 단자 사이에 접속된 제 1 전류원과,
    상기 제 1 단자와 상기 제 1 캐패시터를 방전하는 접지 사이에 접속된 제 1의 일시적 단락 스위치- 상기 제 1 캐패시터 양단의 전압은 상기 제 1 램프 파형임 -와,
    상기 전압원과 제 2 캐패시터를 충전하는 상기 제 2 캐패시터의 제 2 단자 사이에 접속된 제 2 전류원과,
    상기 제 2 단자와 상기 제 2 캐패시터를 방전하는 접지 사이에 접속된 제 2의 일시적 단락 스위치-상기 제 2 캐패시터 양단의 전압은 상기 제 2 램프 파형임 -와,
    상기 제 1 램프 파형의 전체 크기의 절반과 동일한 제 1 전압에 상기 제 1 램프 파형을 비교하는 제 1 비교기와,
    상기 제 2 램프 파형을 상기 제 1 전압에 비교하는 제 2 비교기를
    포함하되,
    상기 제 2 비교기의 출력은 상기 제 2 램프 파형이 상기 제 1 전압과 교차하는 경우 상기 제 1의 일시적 단락 스위치에 결합되어 상기 제 1의 일시적 단락 스위치가 폐쇄되도록 제어하고,
    상기 제 1 비교기의 출력은 상기 제 1 램프 파형이 상기 제 1 전압과 교차하는 경우 상기 제 2의 일시적 단락 스위치에 결합되어 상기 제 2의 일시적 단락 스위치가 폐쇄되도록 제어하고,
    상기 클록 생성기는 상기 제 1의 일시적 단락 스위치 및 상기 제 2의 일시적 단락 스위치에 대한 트리거 신호에 대응하는 신호를 수신하고, 그에 따른 응답으로 상기 클록 신호 및 상기 반전된 클록 신호를 생성하는 플립 플롭을 포함하는
    스위칭 전압 조절기.
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