KR20090007234A - 유도적인 연결을 위한 동기식 정류기 및 제어기 - Google Patents

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Abstract

동기식 정류기가, 정류기의 전압 강하는 최소화하고 전력 손실은 최소화하기 위해 전계 효과 트랜지스터들 (FETs)을 사용하여, 유도적으로 결합된 전력을 정류하도록 구성된다. 전력 손실은 전력 손실은 (대략 2.5 내지 4.5 볼트와 같은) 상당히 낮은 전압에서 (1시간보다 짧은 시간과 같은) 상당히 짧은 시간에 걸쳐서 (배터리 충전기 또는 다른 에너지 저장 기기와 같은) 기기에 상당히 큰 전력이 연결되는 애플리케이션에서는 중요한 고려 사항이다. FET들의 바디 (body) 다이오드들은 FET들을 위한 부트스트랩과 FET들을 제어하기 위한 제어 로직을 위해 전력 공급을 하기 위해 사용될 수 있다.

Description

유도적인 연결을 위한 동기식 정류기 및 제어기 {Synchronous rectifier and controller for inductive coupling}
본 발명은 교류 전류 정류에 일반적으로 관련된다. 더 상세하게는, 본 개시는 유도적으로 연결된 전력의 동기식 정류에 관련된다.
배터리로 전력을 공급받는 이동 기기들에서의 전력 제어는 최근에 관심을 받고 있다. 배터리로 전력을 공급받는 대부분의 이동 기기들은 기기들 내의 다양한 전자 회로들에 공급되고 있는 전력을 제한하고 조절할 수 있는 전압 조절기를 사용한다. 배터리로 전력을 공급받는 이동 기기들의 예들은 개인용 데이터 보조기들 (personal data assistants, PDAs), 셀룰러 전화기들, 이메일과 텍스트 메시지를 위한 휴대용 메시징 기기들, 디지털 카메라들, 개인용 음악 재생기 기기들 등을 포함한다.
다양한 회로 구성들이 배터리를 충전하기 위해 그리고 배터리를 사용하지 않으면서 전력을 공급받는 휴대용 기기를 전력을 공급하기 위해 또한 만들어져 왔다. 예를 들면, 배터리로 전력을 공급받는 이동 기기 내의 코일이 유도적으로 사인 파형의 신호를 생성하고 그 사인 파형 신호가 직류 전류 (DC) 전압을 생성하기 위해 전파 (full-wave) 정류기에 의해 정류되기 위해 사용될 수 있다. 그러면 그 직류 전압은 기기 내의 전자 회로들에게 전력을 공급하기 위해 조절된 5 볼트 소스를 생성하기 위해, 예를 들면, 로우 드롭아웃 (low dropout, LDO) 전압 조절기에 의해 필터되고 조절된다.
전통적인 전파 브리지 정류기들은 접합 다이오드들을 이용한다. 각 접합 다이오드는 대략 0.7 볼트의 순방향 바이어스 (forward bias) 전압 강하를 가진다. 그러므로, 전파 브리지 정류를 위해서, 입력 전압에 상대적인 결과 전압 강하는 1.4 볼트만큼 높을 수 있다. 450 밀리볼트의 전압 강하는 LDO 전압 조절기를 걸쳐서 나타날 수도 있다. 이런 전압 강하들 둘 다 보통은 바람직하지 않은 막대한 열을 생성할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 상기의 문제점을 해결하기 위해, 유도적으로 연결된 전력의 동기식 정류기를 제공하는데 있다.
간략하게는, 본 발명의 개시는 유도적으로 연결된 전력의 동기식 정류에 일반적으로 관련된다. 유도적으로 연결된 전력은 정류기의 전압 강하를 최소화하기 위해 전계 효과 트랜지스터들 ((field effect transistors, FETs)을 사용하여 정류될 수 있으며, 그런 정류기는 전력 손실을 최소화한다. 전력 손실은 (대략 2.5 내지 4.5 볼트와 같은) 상당히 낮은 전압에서 (1시간보다 짧은 시간과 같은) 상당히 짧은 시간에 걸쳐서 (배터리 충전기 또는 다른 에너지 저장 기기와 같은) 기기에 상당히 큰 전력이 연결되는 애플리케이션에서는 중요한 고려 사항이다. FET들의 바디 (body) 다이오드들은 FET들을 위한 부트스트랩과 FET들을 제어하기 위한 제어 로직을 위해 전력 공급을 하기 위해 사용될 수 있다.
몇몇 예들에서, 동기식 스위치 회로들은 인덕터, 동기식 정류기, 에너지 저장 기기 및 제어 회로를 포함하는 것으로 설명된다. 상기 인덕터는 수신된 변화하는 전자기장에 반응하여 교류 전류 전압을 생성하도록 구성된다. 상기 동기식 정류기는 상기 교류 전류 전압을 정류하여 직류 전류 전압을 생성하는 제1 및 제2 하이 사이드 (high side) 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 (low side) 스위치를 포함한다. 상기 에너지 저장 기기는 상기 직류 전류 전압으로부터의 에너지를 저장하도록 구성된다. 상기 제어 회로는 상기 교류 전류 전압 신호의 상태에 반응하여 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 스위치를 제어하도록 구성된다.
동기식 스위치 회로들의 몇몇의 추가적인 예에서, 상기 제1 로우 사이드 스위치 및 제1 하이 사이드 스위치는 상기 교류 전류 전압 신호의 상태가 양으로 가는 영점 교차 (positive-going zero crossing)일 때에 활성화되며, 상기 제2 로우 사이드 스위치 및 제2 하이 사이드 스위치는 상기 교류 전류 전압 신호의 상태가 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)일 때에 활성화된다. 동기식 스위치 회로들의 다른 몇몇의 추가적인 예에서, 상기 제1 하이 사이드 스위치는 상기 생성된 교류 전류 전압의 제1 극성을 가지는 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 활성화되며, 상기 제2 하이 사이드 스위치는 상기 생성된 교류 전류 전압의 제2 극성을 가지는 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 활성화된다. 동기식 스위치 회로들의 또 다른 몇몇의 추가적인 예에서, 상기 제어 회로는 상기 생성된 교류 전류 전압의 제1 극성을 가지는 전압과 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압을 비교한 결과를 래치 (latch)하는 래치를 포함한다.
동기식 스위치 회로들의 다른 몇몇의 예에서, 상기 에너지 기기의 전력 노드에 연결되어 상기 제어 회로에 전력을 공급하는 조절기를 더 포함한다. 동기식 스위치 회로들의 몇몇의 추가적인 예에서, 상기 조절기는 낮은 드롭아웃 (dropout) 전압 조절기이다. 상기 설명된 동기식 스위치 회로들의 다른 몇몇의 추가적인 예에서, 상기 조절기는 벅 부스트 (buck boost) 스위칭 조절기이다. 동기식 스위치 회로들의 다른 추가적인 몇몇의 예에서, 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터들이며 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 PMOS 트랜지스터들이고, 상기 NMOS 트랜지스터들은 로우 사이드 정류 실행을 위한 바디 (body) PN 접합을 포함하며, 상기 PMOS 트랜지스터들은 하이 사이트 정류 실행을 위한 PN 접합을 포함하고, 그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터들의 정류는 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급한다. 동기식 스위치 회로들의 추가적인 몇몇의 예에서, 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며, 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치가 공유하는 기판과 분리되어 있으며, 상기 NMOS 트랜지스터는 정 류 실행을 위한 바디 PN 접합을 포함하며, 그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터의 정류는 상기 에너지 기기의 파워 노드에 전력을 공급한다. 동기식 스위치 회로들의 추가적인 몇몇의 예에서, 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며, 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 스위치의 백게이트들 (backgates)은 공통의 기판에 연결되며, 상기 제1 및 제2 하이 사이드 트랜지스터는 각 하이 사이드 트랜지스터 소스 및 드레인을 가로질러 연결되는 바디 PN 접합을 포함하며, 상기 PN 접합은 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급하기 위해 상기 교류 전류 전압의 정류를 실행한다.
몇몇의 다른 예들에서, 동기식 정류 방법이 설명되며, 그 방법은, 제1 및 제2 입력 단에 전력 신호를 유도적으로 연결하는 단계; 상기 전력 신호의 상태가 양으로 가는 영점 교차 (positive-going zero crossing)일 때에 제1 로우 사이드 스위치와 제1 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 교류 전류 전압 신호의 상태가 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)일 때에 제2 로우 사이드 스위치 및 제2 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 그럼으로써 직류 전류 전압이 생성되는, 단계; 상기 직류 전류 전압으로부터의 에너지를 에너지 저장 기기 내에 저장하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치를 활성화시키기 위한 제어 로직에 상기 에너지 저장 기기로부터 전력을 공급하는 단계;를 포함한다.
몇몇의 추가적인 예의 방법들에서, 상기 에너지 저장 기기는 커패시터이다. 몇몇의 추가적인 예들에서, 상기 제1 입력 단에서의 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 상기 제1 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 상기 제2 입력 단에서의 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 상기 제2 하이 사이드 스위치를 활성화시키는 단계를 더 포함한다. 몇몇의 추가적인 예들에서, 몇몇 예의 방법들은 상기 제어 로직에 전력을 공급하기 위해 상기 에너지 저장 기기로부터의 전압을 조절하는 단계를 더 포함한다. 상기 설명된 방법의 몇몇의 추가적인 예들에서, 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터들이며 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 PMOS 트랜지스터들이고, 상기 NMOS 트랜지스터들은 로우 사이드 정류 실행을 위한 바디 (body) PN 접합을 포함하며, 상기 PMOS 트랜지스터들은 하이 사이트 정류 실행을 위한 PN 접합을 포함하고, 그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터들의 정류는 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급한다. 상기 설명된 방법의 몇몇의 더 추가적인 예들에서, 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며, 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치가 공유하는 기판과 분리되어 있으며, 상기 NMOS 트랜지스터는 정류 실행을 위한 바디 PN 접합을 포함하며, 그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터의 정류는 상기 에너지 기기의 파워 노드에 전력을 공급한다. 상기 설명된 방법의 몇몇의 더 추가적인 예들에서, 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며, 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 스위치의 백게이트들 (backgates)은 공통의 기판에 연결되며, 상기 제1 및 제2 하이 사이드 트랜지스터는 각 하이 사이드 트랜지스터 소스 및 드레인을 가로질러 연결되는 바디 PN 접합을 포함하며, 상기 PN 접합은 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급하기 위해 상기 교류 전류 전압의 정류를 실행한다.
또 다른 예에서, 제1 및 제2 입력 단에 전력 신호를 유도적으로 연결하는 수단; 상기 전력 신호의 상태가 양으로 가는 영점 교차 (positive-going zero crossing)일 때에 제1 로우 사이드 스위치와 제1 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 교류 전류 전압 신호의 상태가 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)일 때에 제2 로우 사이드 스위치 및 제2 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 그럼으로써 직류 전류 전압이 생성되는, 활성화 수단; 상기 직류 전류 전압으로부터의 에너지를 저장하는 수단; 및 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치를 활성화시키기 위한 제어 로직에 상기 에너지 저장 수단으로부터 전력을 공급하는 수단;을 포함하는 동기식 스위치가 설명된다.
추가적인 동기식 스위치들의 예에서, 상기 에너지 저장 수단은 배터리이다. 더 추가적인 예의 동기식 스위치들에서, 상기 제1 및 제2 로우 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 스위치의 바디 다이오드들은 상기 유도적으로 연결된 전력 신호를 정류하기 위해 사용되며, 그럼으로써 상기 제어 로직을 부트스트랩 (bootstrap)하기 위한 전력이 생성된다.
본 발명 및 본 발명의 개선점들에 더 완전한 인식이 아래에서 간단하게 요약 된 첨부 도면들을 참조하고, 본 발명의 예증이 된 실시예들에 대한 이어지는 상세한 설명을 참조하여, 첨부된 청구항들을 참조하여 얻어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 유도적으로 연결된 전력의 동기식 정류에서 전압 강하를 최소화할 수 있으며, 전력이 열로 인해서 손실되는 것을 최소화할 수 있다. 그리고 본 발명을 이용함으로써 그와 같은 정류를 제어를 하기 위한 효율적인 방식을 제공한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.
다양한 실시예들이 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이며, 도면에서 유사한 참조 번호들은 여러 장면들에서 유사한 부분들과 조립품들을 나타낸다. 다양한 실시예들을 참조하는 것은 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 범위는 본원에 첨부된 청구항들에 의해서만 제한된다. 추가로, 이 명세서에서 제시되는 예들은 제한하는 것을 의도하는 것이 아니며 청구된 발명에 대한 여러 가능한 실시예들의 일부를 제시하려는 것일 뿐이다.
본 명세서와 청구항을 통해서, 다음의 용어들은, 문맥상 명백하게 다르게 선언되지 않는다면, 여기에서 명시되어 연관된 의미를 최소한 가진다. 이하에서 식별된 의미들은 그 용어들을 제한하려는 의도가 아니며, 단지 그런 용어들의 설명적인 예들을 제공할 뿐이다. "하나"와 "그(것)"의 의미는 단수 및 복수를 모두 참조하는 것을 포함한다. "내에서"의 의미는 "내에서" 및 "상에서"를 포함할 수 있다. "연결된"의 용어는 연결된 아이템들 간의, 그 사이의 어떤 전기적인, 논리적인 또는 다른 매개물을 제외한, 직접적인 전기적인, 전기-자기적인, 기계적인, 논리적인 또는 다른 연결을 의미할 수 있을 것이다. "연결된"의 용어는 항목들 간의 직접적인 연결, 하나 또는 그 이상의 매개물들을 통한 간접 연결 또는 연결을 구성하지 않을 수도 있는 방식으로 아이템들 간의 통신을 의미할 수 있다. "회로"의 용어는 필요한 기능을 제공하기 위해 서로 연결되는, 단일 컴포넌트, 복수의 컴포넌트들, 능동 및/또는 수동, 별개의 또는 집적된 것을 의미할 수 있다. "신호"는 적어도 하나의 전류, 전압, 전하, 데이터 또는 그것들과 같은 다른 식별 가능한 양을 의미할 수 있다.
간략하게 말하면, 본 발명의 개시는 유도적으로 연결된 전력의 동기식 정류에 일반적으로 관련된다. 유도적으로 연결된 전력은 정류기의 전압 강하를 최소화하기 위해 전계 효과 트랜지스터들 (field effect transistors, FETs)을 사용하여 정류될 수 있으며, 그런 정류기는 전력 손실을 최소화한다. 전력 손실은 (대략 2.5 내지 4.5 볼트와 같은) 상당히 낮은 전압에서 (1시간보다 짧은 시간과 같은) 상당히 짧은 시간에 걸쳐서 (배터리 충전기 또는 다른 에너지 저장 기기와 같은) 기기에 상당히 큰 전력이 연결되는 애플리케이션에서는 중요한 고려 사항이다. FET들의 바디 (body) 다이오드들은 FET들을 위한 부트스트랩과 FET들을 제어하기 위한 제어 로직을 위해 전력 공급을 하기 위해 사용될 수 있다.
도 1은 동기식 정류기 및 유도적으로 (inductive) 연결된 전력을 위한 제어 기를 도시한다. 회로 (100)는 수신 코일 (L101)로부터 전력을 수신한다. 수신 코일 (L101)은 전화기 (110)의 수신 코일일 수 있다. 수신 코일 (L101)의 출력 전압은 (유도성 결합 때문에) 사인 파형이며, 그래서 회로 (100)에 의해서 정류, 피크 검출 및 필터링이 (전통적인 AC 전원 공급에서의 정류 및 필터링과 유사한 방법으로) 전형적으로 실행된다.
동작에 있어서, 영점-교차 검출 비교기 (U102)는 전력 신호들 "플러스 (plus)"와 "마이너스 (minus)"의 영점 교차 (zero crossing)를 검출하기 위해 사용된다. 영점-교차의 검출에 반응하여, 적절한 로우-사이드 스위치를 턴 온 하기 위해 신호들이 생성된다. 예를 들면, 양으로 가는 영점 교차 (positive-going zero crossing)가 검출되면, 비교기 (U102)는 플러스 위상 로우-사이드 스위치 (M102)를 활성화시킨다. 음의 영점 교차 (negative zero crossing)가 검출되면, 비교기 (U102)는 마이너스 위상 로우-사이드 스위치 (M103)를 활성화시킨다.
하이-사이드 스위치들 (M101, M104)은 위상 정류기 비교기들 (U101, U103)은 물론이고 영점-교차 검출 비교기 (U102)의 출력에도 반응하여 인에이블 된다. 예를 들면, 영점-교차 검출 비교기 (U102)의 출력이 양으로 가는 영점 교차인 것을 표시하고 (예를 들면, "위상" 신호가 인가됨) 플러스 위상 정류기 비교기 (U101)가 "플러스 (plus)" 신호가 "Vout"보다 더 큰 것을 표시할 때에 플러스 위상 하이-사이드 스위치 (M104)는 통전한다 (conduct). 영점-교차 검출 비교기 (U102)의 출력이 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)가 검출된 것을 표시하고 (예를 들면, "위상" 신호의 역인, "위상2" 신호가 인가됨) 마이너스 위상 정류기 비교 기 (U103)가 "마이너스 (minus)" 신호가 "Vout" 보다 더 큰 것을 표시할 때에 마이너스 위상 하이-사이드 스위치 (M101)는 통전한다. 그러므로 비교기들은 출력 커패시터 (C101)를 각 위상 전압과 비교하기 위해 사용되며 그 위상 전압이 더 높으면 언제나 하이 (high)일 것이다.
저 전압 제어 회로에 대한 전력은 직렬 조절기 (regulator)를 구동하는 수동 브리지 정류기를 사용하여 유도될 수 있다. 다른 예에서, 도 1의 동기적으로 정류된 위상 전압은 다른 직렬 조절기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 이런 두 조절기들의 출력은 제어 회로들에 전력을 공급하기 위해 병렬로 묶일 수 있다. 도 3 내지 도 6을 참조하여 이하에서 설명될 것과 같이, 정류기 FET들 내의 고유의 바디 다이오드들이 수동 브리지 정류기로서 또한 사용될 수 있다. 그러므로, 동기식 정류기의 출력으로부터 공급되는 단일의 LDO는 정류기 FET들의 바디 다이오드들이 사용될 때에 제어 회로로 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
NMOS 동기식 정류기 FET들에 대한 구동 전압은 커패시터로부터 제공되는 것과 같은 부트스트랩 (bootstrap) 공급으로부터 유도될 수 있으며, 이는 회로 (100)를 구현하는 집적된 회로로 외형적으로 공급될 수 있다. 상기 집적된 회로의 처리 기술에 따라서, PFET들이 사용될 수 있으며, 이는 부트스트랩 공급을 필요로 하지 않는다.
상기의 회로는 전통적인 수동 다이오드 브리지 정류기를 대체하기 위해 보통 사용되며, 이는 통전 동안에 약 1.4 볼트의 강하를 하도록 한다. FET 스위치들을 가로지르는 전압 강하는 FET 스위치들의 Rds-on에 의해 결정되지만, 500 mA의 부하 전류와 전형적인 스위치 크기들에 대해 전형적으로 200 mV (또는 그 이하)로 감소된다.
출력 전압은 충전 코일 (충전 스테이션)과 (전화기나 다른 휴대용 기기 내부의) 수신 코일 사이의 연결의 정도와 부하 전류에 보통 의존한다. 개방 회로 전압의 상당한 양은 전하 (charge)와 (수신 코일 (L101)과 같은) 수신 코일들을 사용하여 형성될 수 있는 변압기의 누설 인덕턴스 (도 1에서 참조번호 L101에서 10 μH로 도시됨)를 따라서 대개는 강하된다.
(충전 스테이션에서는 코일을 그리고 충전될 배터리를 구비한 장비 내의 코일을 보통은 포함하는) "임시 변압기"의 누설 인덕턴스는 종종 상대적으로 크다. 변압기의 그 상대적으로 큰 누설 인덕턴스는 정류기의 출력 전압이 부하 전류의 감소에 응답하여 상승하도록 한다. 이런 이유로, 선형 조절기/LDO 대신에 벅 (buck) 스위칭 조절기를 사용하는 것은 매우 많은 양의 전력을 절약할 수 있게 하며 부하가 기대된 최대 값보다 작을 때에 열 발생을 피할 수 있도록 한다.
변하는 부하 전류에서 전압 강하를 최소화하기 위한 동기식 정류기를 사용하는 것과 최대 부하 전류보다 적은 전류에서 전력 손실을 최소화하기 위한 (이하에서 설명될 것과 같은) 벅 스위칭 조절기를 사용하는 것의 조합은 전통적인 전력 전송 시스템에서 하는 것 보다 더 효율적인 전력 전송을 가져온다. 전력 소실을 최소화하는 것은 심지어는 더 적은 부하 전류일 때보다 전형적으로 더 효율적이다.
벅 스위칭 조절기는 배터리 충전을 위한 적절한 값으로 출력 전압을 낮추도록 조절하는 정류 회로에 의하여 공급될 수 있다. 다른 예에서, 배터리의 충전 상 태에 응답하여 벅 변환기가 일정한 전류 또는 일정한 전압 모드에서 동작하도록 벅 변환기를 설계하여 벅 충전기가 배터리를 직접적으로 충전하도록 구성될 수 있다.
추가로, 배터리 외의 전력 저장 기기들은 회로 (100)에 의해 충전될 수 있다. 예를 들면, 커패시터들 및 연료 셀들이 효율적으로 충전될 수 있다. 상당히 많은 전력이 (대략 2.5 내지 4.5 볼트와 같은) 상당히 낮은 전압에서 (1시간 이내와 같은) 상당히 짧은 시간 동안 기기에 연결되는 애플리케이션들에서 전력 손실은 매우 낮아진다.
도 2는 유도적으로 연결된 전력에 대한 다른 동기식 정류기 및 제어기를 도시하는 개략적인 도면이다. 이 예에서, 정류 및 조절이 하나의 기능으로 결합되어 정류 스위치들 (M201, M204)과 함께 시행된다. 회로 (200)는 플러스 전력 신호들 "플러스 (plus)"와 "마이너스 (minus)"를 구동하는 수신 코일 (210)로부터의 전력을 수신한다.
동작에 있어서, 영점-교차 검출 비교기 (U202)는 전력 신호들 "플러스"와 "마이너스" 상의 영점 교차를 검출하기 위해 사용된다. 전력 신호들 상의 영점-교차 검출에 응답하여, "위상" 및 "위상2" 신호가 적절한 로우-사이드 스위치를 턴 온 시키도록 생성된다. 예를 들면, 양으로 가는 영점 교차가 검출될 때에, 비교기 (U202)는 "위상" 신호를 경유하여 플러스 위상 로우-사이드 스위치 (M202)를 활성화시킨다. 음의 영점 교차가 검출될 때에, 비교기 (U202)는 "위상2" 신호를 경유하여 마이너스 위상 로우-사이드 스위치 (M203)을 활성화시킨다.
하이-사이드 스위치들은 위상 정류기 비교기들 (U201, U203)은 물론이고 영 점-교차 검출 비교기 (U202)의 출력에도 반응하여 인에이블 된다. 예를 들면, 영점-교차 검출 비교기 (U202)의 출력이 양으로 가는 영점 교차인 것을 표시하고 (예를 들면, "위상" 신호가 인가됨) 플러스 위상 정류기 비교기 (U201)가 "플러스 (plus)" 신호가 "Vout"보다 더 큰 것을 표시할 때에 플러스 위상 하이-사이드 스위치 (M204)는 통전한다 (conduct). 영점-교차 검출 비교기 (U202)의 출력이 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)가 검출된 것을 표시하고 (예를 들면, "위상" 신호의 역인, "위상2" 신호가 인가됨) 마이너스 위상 정류기 비교기 (U203)가 "마이너스 (minus)" 신호가 "Vout" 보다 더 큰 것을 표시할 때에 마이너스 위상 하이-사이드 스위치 (M201)는 통전한다. 그러므로 비교기들은 출력 커패시터 (C201)를 각 위상 전압과 비교하기 위해 사용되며 그 위상 전압이 더 높으면 언제나 하이 (high)일 것이다.
비교기 (U204)는 필터링한 출력 전압 (Vout)을 기준 전압 (예를 들면, 도 2에 도시된 것과 같이 5 볼트)과 비교한다. 그러므로 추가적인 상태가 하이-사이드 스위치들을 턴 온 하기 위해 사용된다. 위상 전압은 보통은 상기 출력 전압 위에서 유지되며, 상기 출력 전압은 보통은 상기 기준 전압 아래에서 유지된다. 참조번호 A204 및 A205와 같은 래치들이 (정류기 위상 스위치들의 주파수 온/오프 스위칭과 같은) 잠재적인 "채터링 (chattering)"을 방지하기 위해 사용될 수 있으며, 모든 구현에서 꼭 필요하지는 않다.
회로 (100)에서와 같이, 회로 (200)는 조절기가 배터리를 직접 충전하도록 강제하여 배터리 충전 기능을 제공하도록 사용될 수 있다. 일정한 전류 모드 충전 은, 출력 전압을 감지하고 하이-사이드 스위치들이 충전을 제어하도록 구동하는 것보다는, 부하 전류를 감지하고 하이-사이드 스위치들을 턴 오프하여 구현될 수 있다.
도 3은 로우-사이드 정류에 대해서는 NFET 트랜지스터들을 사용하고 하이-사이드 정류에 대해서는 PFET 트랜지스터들을 사용하는 것을 보여주는 개략적인 도면이다. 회로 (300)는 수신 코일 (L302), NFET 트랜지스터들 (M310, M320), PFET 트린지스터들 (M330, M430) 및 커패시터 (C304)를 포함한다.
회로 (300)는 단일의 P-애피택셜형 (P-epitaxial) CMOS 모놀리식 (monolithic) 프로세스를 사용하여 또는 분리된 FET 트랜지스터들을 사용하여 조립될 수 있다. 두 가지 양쪽의 예들에서, FET들의 바디 다이오드들은 수동 정류기들로서의 기능을 하도록 사용될 수 있어서 전력 소스가 게이트 구동 및 제어 회로를 위해 제공될 수 있도록 한다. 유사하게, FET들의 바디 다이오드들은 스위치 오프될 때에 FET들에 아마도 손상을 가할 수 있는 전압 스파이크들을 방지하기 위해 사용될 수 있다. N-애피택셜형 (N-epitaxial) 프로세스가 사용되면, (분리 우물과 같은) PFET들에 대한 분리 옵션이 보통 사용된다.
도 4는 로우-사이드-스위칭과 하이-사이드-스위칭의 양쪽을 위해 사용되는 (게이트 구동 전류의 필요량을 줄이고 적은 부하 전류에서의 효율을 개선하는) NFET들을 사용하는 것을 보여주는 개략적인 도면이다. 회로 (400)는 수신 코일 (L402), NFET 트랜지스터들 (M410, M420, M430, M440) 그리고 커패시터 (C404)를 포함한다.
회로 (400)는 다이 (die) 영역을 절약하기 위해 (예를 들면, 분리 옵션들을 제거하여) 모놀리식 프로세스를 사용할 수 있다. 회로 (300)는 모놀리식 프로세스를 사용하여 또는 개별 전력 FET들을 사용하여 조립될 수 있다. 회로 (300)에 관해 상기에서 설명된 것과 같이, 회로 (400)의 FET들의 바디 다이오드들은 게이트 구동 및 제어 회로를 위한 전력 소스를 제공하는 수동 브리지를 형성한다. 회로 (400)는 하이-사이드 FET들을 위한 부트스트랩 구동 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 하이 사이드 FET들 (M430, M440)은 (사용된 프로세스에 따라) 보통은 기판으로부터 분리되어 있다.
도 5는 모놀리식 프로세스를 사용하여 구현된 NFET들을 사용하는 것을 보여주는 개략적인 도면이며, 이 경우에 P-에피택셜형 기판으로부터 NFET들이 분리되는 것은 필요하지 않다. 회로 (500)는 수신 코일 (L502), NFET 트랜지스터들 (M510, M520, M530, M540) 그리고 커패시터 (C504)를 포함한다.
회로 (500)에서, 하이-사이트 NFET들의 백게이트들 (backgates)은 그 자체가 기판이다. 하이-사이드 NFET들의 수동 다이오드들은 게이트 구동과 제어 회로를 위한 전력 소스를 제공하고 그 FET들이 스위치 오프될 때에 아마도 그 FET들을 손상시킬 수 있는 전압 스파이크들을 또한 방지하기 위해 그 하이-사이드 NFET들의 소스/드레인 접합과 병렬로 연결된다.
도 6은 동기식 정류기에 의해 전력을 공급받는 회로 및 제어 회로를 구동하는 게이트를 보여주는 개략적인 도면이다. 회로 (600)는 수신 코일 (L602), NFET 트랜지스터들 (M610, M620), PFET 트랜지스터들 (M630, M640), LDO (X610), 비교기 들 (X620, X630), 제어 회로 (X640) 및 커패시터 (C604)를 포함한다.
회로 (600)는 (참조번호 M610, M620, M630 및 M640의 FET들에 의해 도시된 4개의 바디 다이오드들을 포함하는) 정류기의 출력과 제어 회로 (X640) 사이에 연결된 LDO (X610)를 포함한다. 동기식 정류기의 출력은 부하 전류가 감소함에 따라서 증가하기 때문에, LDO는 저-전압 제어 회로를 보호하기 위해 충분하게 낮은 전압을 공급하는 것을 유지하도록 사용된다. 동기식 정류기의, 전부는 아니더라도, 많은 구현에서, 제어되는 LDO 출력 전압의 전체 스윙 (full swing)은 로우-사이드 NFET 게이트들에 인가될 수 있다.
레벨 시프트 회로 (shifting circuitry)는 제어 회로의 출력과 하이-사이드 정류 FET들 (M630 및 M640)의 게이트들 사이에서 사용될 수 있다. 게이트 구동 스윙이 LDO 출력 전압보다 대개 더 커야하기 때문에 레벨 시프트 회로가 종종 사용된다. 예를 들면, 게이트 구동 스윙은 PFET 하이-사이드 FET들인 경우에는 정류기 출력 전압까지 될 수 있으며 NFET 하이-사이드 FET들인 경우에는 부트스트랩 전압까지 될 수 있다.
비록 본 발명이 예시적인 실시예들을 통해서 여기에서 설명되었지만, 여기에서 설명된 구조들 및 방법들의 변형들이 본 발명의 요지와 범위에서 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있을 것이다. 예를 들면, 다양한 컴퍼넌트들의 위치 그리고/또는 크기가 변경될 수 있을 것이다. 개별적인 컴퍼넌트들 그리고 컴퍼넌트들의 구성들은 당 업계에 알려진 것과 같이 대체될 수 있을 것이다. 본 발명에 많은 실시예들이 본 발명의 요지와 범위에서 벗어나지 않고 만들어질 수 있으므로, 본 발명은 첨 부된 청구항들을 제외하고는 제한되지 않는다.
제한되지 않는 그리고 전부 망라한 것이 아닌 실시예들이 다음의 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 전력의 유도적인 연결을 위한 동기식 정류기 및 제어기를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 2는 전력의 유도적인 연결을 위한 다른 동기식 정류기 및 제어기를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 3은 로우-사이드 정류를 위한 NFET 트랜지스터들을 사용하고 그리고 하이-사이드 정류를 위한 PFET 트랜지스터들을 사용하는 것을 보여주는 개략적인 도면이다.
도 4는 로우-사이드-스위칭 그리고 하이-사이드-스위칭 양 쪽 모두에서 사용되는 NFET 트랜지스터들의 사용을 보여주는 개략적인 도면이다.
도 5는 모놀리식 프로세스를 사용하여 구현된 NFET 트랜지스터를 사용하지만, NFET 트랜지스터들을 P-에피택셜형 기판으로부터 분리하는 것은 필요하지 않은 것을 보여주는 개략적인 도면이다.
도 6은 동기식 정류기에 의해 전력을 공급받는 게이트 구동 회로와 제어 회로를 보여주는 간략한 도면이다.

Claims (20)

  1. 수신된 변화하는 전자기장에 반응하여 교류 전류 전압을 생성하는 인덕터;
    상기 교류 전류 전압을 정류하여 직류 전류 전압을 생성하는 제1 및 제2 하이 사이드 (high side) 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 (low side) 스위치를 포함하는 동기식 정류기;
    상기 직류 전류 전압으로부터의 에너지를 저장하는 에너지 저장 기기; 및
    상기 교류 전류 전압 신호의 상태에 반응하여 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 스위치를 제어하는 제어 회로;를 포함하는 동기식 스위치 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 로우 사이드 스위치 및 제1 하이 사이드 스위치는 상기 교류 전류 전압 신호의 상태가 양으로 가는 영점 교차 (positive-going zero crossing)일 때에 활성화되며,
    상기 제2 로우 사이드 스위치 및 제2 하이 사이드 스위치는 상기 교류 전류 전압 신호의 상태가 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)일 때에 활성화되는, 동기식 스위치 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 하이 사이드 스위치는 상기 생성된 교류 전류 전압의 제1 극성을 가지는 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 활성화되며,
    상기 제2 하이 사이드 스위치는 상기 생성된 교류 전류 전압의 제2 극성을 가지는 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 활성화되는, 동기식 스위치 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 생성된 교류 전류 전압의 제1 극성을 가지는 전압과 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압을 비교한 결과를 래치 (latch)하는 래치를 포함하는, 동기식 스위치 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 기기의 전력 노드에 연결되어 상기 제어 회로에 전력을 공급하는 조절기;를 더 포함하는, 동기식 스위치 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조절기는 낮은 드롭아웃 (dropout) 전압 조절기인, 동기식 스위치 회로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 조절기는 벅 부스트 (buck boost) 스위칭 조절기인, 동기식 스위치 회로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터들이며 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 PMOS 트랜지스터들이고,
    상기 NMOS 트랜지스터들은 로우 사이드 정류 실행을 위한 바디 (body) PN 접합을 포함하며, 상기 PMOS 트랜지스터들은 하이 사이트 정류 실행을 위한 PN 접합을 포함하고,
    그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터들의 정류는 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급하는, 동기식 스위치 회로.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며,
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치가 공유하는 기판과 분리되어 있으며,
    상기 NMOS 트랜지스터는 정류 실행을 위한 바디 PN 접합을 포함하며,
    그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터의 정류는 상기 에너지 기기의 파 워 노드에 전력을 공급하는, 동기식 스위치 회로.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며,
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 스위치의 백게이트들 (backgates)은 공통의 기판에 연결되며,
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 트랜지스터는 각 하이 사이드 트랜지스터 소스 및 드레인을 가로질러 연결되는 바디 PN 접합을 포함하며,
    상기 PN 접합은 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급하기 위해 상기 교류 전류 전압의 정류를 실행하는, 동기식 스위치 회로.
  11. 제1 및 제2 입력 단에 전력 신호를 유도적으로 연결하는 단계;
    상기 전력 신호의 상태가 양으로 가는 영점 교차 (positive-going zero crossing)일 때에 제1 로우 사이드 스위치와 제1 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 교류 전류 전압 신호의 상태가 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)일 때에 제2 로우 사이드 스위치 및 제2 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 그럼으로써 직류 전류 전압이 생성되는, 단계;
    상기 직류 전류 전압으로부터의 에너지를 에너지 저장 기기 내에 저장하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치를 활성화시키기 위한 제어 로직에 상기 에너지 저장 기기로부터 전력을 공급하는 단계;를 포함하는 동기식 정류 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 저장 기기는 커패시터인, 동기식 정류 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 입력 단에서의 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 상기 제1 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 상기 제2 입력 단에서의 전압 레벨이 상기 에너지 저장 기기의 전력 단의 전압보다 더 클 때에 상기 제2 하이 사이드 스위치를 활성화시키는 단계;를 더 포함하는, 동기식 정류 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어 로직에 전력을 공급하기 위해 상기 에너지 저장 기기로부터의 전압을 조절하는 단계;를 더 포함하는, 동기식 정류 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터들이며 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 PMOS 트랜지스터들이고,
    상기 NMOS 트랜지스터들은 로우 사이드 정류 실행을 위한 바디 (body) PN 접합을 포함하며, 상기 PMOS 트랜지스터들은 하이 사이트 정류 실행을 위한 PN 접합을 포함하고,
    그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터들의 정류는 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급하는, 동기식 정류 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며,
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치가 공유하는 기판과 분리되어 있으며,
    상기 NMOS 트랜지스터는 정류 실행을 위한 바디 PN 접합을 포함하며,
    그럼으로써 상기 NMOS 및 PMOS 트랜지스터의 정류는 상기 에너지 기기의 파워 노드에 전력을 공급하는, 동기식 정류 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 사이드 스위치는 NMOS 트랜지스터이며,
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 제1 및 제2 로우 사이드 스위치 의 백게이트들 (backgates)은 공통의 기판에 연결되며,
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 트랜지스터는 각 하이 사이드 트랜지스터 소스 및 드레인을 가로질러 연결되는 바디 PN 접합을 포함하며,
    상기 PN 접합은 상기 에너지 기기의 전력 노드에 전력을 공급하기 위해 상기 교류 전류 전압의 정류를 실행하는, 동기식 정류 방법.
  18. 제1 및 제2 입력 단에 전력 신호를 유도적으로 연결하는 수단;
    상기 전력 신호의 상태가 양으로 가는 영점 교차 (positive-going zero crossing)일 때에 제1 로우 사이드 스위치와 제1 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 교류 전류 전압 신호의 상태가 음으로 가는 영점 교차 (negative-going zero crossing)일 때에 제2 로우 사이드 스위치 및 제2 하이 사이드 스위치를 활성화시키며, 그럼으로써 직류 전류 전압이 생성되는, 활성화 수단;
    상기 직류 전류 전압으로부터의 에너지를 저장하는 수단; 및
    상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치 그리고 상기 제1 및 제2 로우 사이드 스위치를 활성화시키기 위한 제어 로직에 상기 에너지 저장 수단으로부터 전력을 공급하는 수단;을 포함하는 동기식 스위치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 에너지 저장 수단은 배터리인, 동기식 스위치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로우 스위치 그리고 제1 및 제2 하이 스위치의 바디 다이오드들은 상기 유도적으로 연결된 전력 신호를 정류하기 위해 사용되며, 그럼으로써 상기 제어 로직을 부트스트랩 (bootstrap)하기 위한 전력이 생성되는, 동기식 스위치.
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