KR20100079542A - 전류 감지 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컨버터(converter) 기술에 있어서, 특히 전류 감지 시 손실을 최소화함과 아울러 컨버팅 효율을 극대화하기 위한 전류 감지 회로에 관한 것으로, 파워 트랜지스터와, 상기 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 일정 비율로 복사하는 감지 트랜지스터(M1)와, 상기 감지 트랜지스터(M1)에 의해 복사된 전류로부터 전압을 검출하는 전류 감지 저항(R1)과, 병렬 연결된 저항들(R2,R3)을 구비하여, 입력 전압(VIN)을 전류로 변환하는 입력 저항과, 상기 입력 저항에 구비된 저항들(R2,R3) 양단의 전류를 조절하는 크로스 셀프 바이어싱 캐스코드 블록과, 상기 입력 저항의 전류 출력을 최종 감지 전압(Visense)으로 변환하는 공통 게이트 트랜지스터(M3)와 기준 저항(R4)을 포함하여 구성되는 것이 특징인 발명이다.
컨버터, 전류 감지 회로, 온저항

Description

전류 감지 회로 {current sensing circuit}
본 발명은 컨버터(converter) 기술에 관한 것으로써, 특히 전류 감지 시 손실을 최소화함과 아울러 컨버팅 효율을 극대화하기 위한 전류 감지 회로에 관한 것이다.
현재 DC-DC Converter의 기술 경향은 소형화와 고효율 대용량화이다. 이에 따라서 소형화를 위해 기존의 보드 레벨(Board Level)의 시스템 회로가 집적 레벨(IC level)로 집적화 되고 있다. 또한 고효율을 구현하기 위해 다양한 기술이 제안되거나 전류 감지 방식이 제안되고 있다.
반면 대용량화를 위해 전력 트랜지스터(POWER TR)의 크기는 역으로 커지고 있다. 한편, 전력 용량에 대한 크기는 감소하고 있다.
이에 따라서 기존의 전류 감지 방식으로 대용량의 전류를 감지할 경우에는, 효율 저하, 속도 감소 또는 오차 값이 커지는 등의 단점이 커지게 되어 전체 시스템의 성능 저하를 야기하였다.
도 1은 종래 기술에 따른 전류 감지 방식을 나타낸 전류 감지 회로의 회로도로써, 벅 컨버터(Buck Converter)에서 High-Side Switch의 전류를 감지하는 방식이 다.
파워 스위치(Power Switch)인 파워 트랜지스터(Power TR)(12)가 전류를 흘리면 감지 트랜지스터(SENSE TR)(32), OP-AMP(34), 그리고 공통 게이트 트랜지스터(Common gate TR)(36)로 네거티브 피이드백(Negative Feedback)을 구성하여 일정 비율로 전류를 감지한다.
그러나, 이러한 종래 방식은 온저항(Rdson)이 1ohm 이상일 때는 문제가 없지만, 1ohm 이하의 시스템에서는 아래와 같은 문제점이 발생하거나 커지게 된다.
- 온저항(Rdson)이 작을수록 Iswitch 와 Isense 비가 커지게 되면 전류 감지의 오차가 커지게 된다.
- 온저항(Rdson)이 작을수록 Iswitch 와 Isense 비를 작게 하면 Isense 가 커지므로 감지 효율이 급격하게 떨어진다.
- OP-AMP(34)를 사용하여 네거티브 피이드백(Negative Feedback)을 구성하기 때문에 대역(Bandwidth) 제한을 받게 된다.
- OP-AMP(34)의 이득에 의해서 옵셋(Offset)이 발생하고, 온도가 변할 경우에는 공통 게이트 트랜지스터(Common gate TR)(36)와 파워 트랜지스터(Power TR)(12), 감지 트랜지스터(Sense TR)(32)의 온도계수 차이에 의해서 신호 파형이 왜곡된다.
- OP-AMP(34)의 입력전압 범위에 따라서 감지된 전류 값의 왜곡이 발생한다.
- OP-AMP(34)의 출력전압 범위의 제한 때문에 미세한 전류 값(100mA이하에서 3A급까지)을 감지할 수 없다.
한편, DC-DC Converter의 효율을 높이고 정확한 제어를 구현하기 위해, 파워 스위치(Power Switch)인 파워 트랜지스터(Power TR)(12)에 흐르는 전류를 감지하는 다양한 기술이 개발되고 있다.
이러한 전류 감지 기술은 단순히 저항을 직렬 연결해서 전류를 감지하는 방법과 파워 트랜지스터(Power TR)(12)와 동일한 소자를 사용하여 감지 트랜지스터(32)로 전류를 감지하는 방법으로 크게 구분된다.
그런데, DC-DC Converter의 용량이 커짐에 따라서 앞서 기술한 여러 가지 문제점이 발생하거나 커지게 된다.
본 발명의 목적은 상기한 점들을 감안하여 안출한 것으로써, 3A급 이상의 대용량 DC-DC Converter에서 보다 정확하게 전류를 감지하고, 전류 감지 시에 발생할 수 있는 손실을 최소화해주는 전류 감지 회로를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전류 감지 회로의 특징은, 파워 트랜지스터와, 상기 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 일정 비율로 복사하는 감지 트랜지스터(M1)와, 상기 감지 트랜지스터(M1)에 의해 복사된 전류로부터 전압을 검출하는 전류 감지 저항(R1)과, 병렬 연결된 저항들(R2,R3)을 구비하여, 입력 전압(VIN)을 전류로 변환하는 입력 저항과, 상기 입력 저항에 구비된 저항들(R2,R3) 양단의 전류를 조절하는 크로스 셀프 바이어싱 캐스코드 블록과, 상기 입력 저항의 전류 출력을 최종 감지 전압(Visense)으로 변환하는 공통 게이트 트랜지스터(M3)와 기준 저항(R4)을 포함하여 구성되는 것이다.
바람직하게, 상기 크로스 셀프 바이어싱 캐스코드 블록은 상기 입력 저항에 구비된 저항들(R2,R3) 양단의 전류를 동일하게 조절한다.
바람직하게, 상기 입력 저항에 구비된 저항들(R2,R3)의 양단 전류원을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 공통 게이트 트랜지스터(M3)는 공통 게이트 증폭기(Common Gate Amplifier)이되, 상기 입력 저항의 전류 출력을 상기 기준 저항에 전달한다. 그에 따라, 상기 기준 저항(R4)은 상기 공통 게이트 트랜지스터(M3)로부터 전달받은 전류 출력을 상기 최종 감지 전압(Visense)으로 변환한다.
바람직하게, 상기 입력 저항 중 하나(R2)와 상기 공통 게이트 트랜지스터(M3)의 게이트 캐패시터가 로우패스필터(Low Pass Filter)를 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 3A급 이상의 대용량 DC-DC Converter에서 보다 정확하게 전류를 감지할 수 있으면서도, 전류 감지 시에 발생할 수 있는 손실을 최소화해 주기 때문에, 변환 효율을 극대화시켜준다.
또한 본 발명의 전류 감지 회로는 OP-AMP를 사용하지 않기 때문에, 온저항(Rdson)이 1ohm 이하로 아주 작아도 수 mA 정도의 작은 전류에서 수 A의 큰 전류까지 정확히 감지 가능하다.
또한 본 발명의 전류 감지 회로는 전류를 감지하기 위한 감지 전류(Sensing Current)를 스위칭 시에 손실 없이 사용할 수 있기 때문에, 효율이 높다.
또한 본 발명의 전류 감지 회로는 OP-AMP를 사용하지 않기 때문에, OP-AMP의 이득에 의한 옵셋(Offset)이 없고, 온도가 변할 경우에도 능동 소자에 의한 신호 파형의 왜곡이 없다.
또한 본 발명의 전류 감지 회로는 감지 트랜지스터(Sense TR)와 메인 파워 스위치(Main Power Switch)의 온도 및 공정 변수 변화에 무관한 전류 감지가 가능하다.
또한, 감지 저항을 포지티브 온도 계수를 갖도록 설계하면, 온도 특성과 연 동하여 과전류 감지 기능을 빠르게 동작시킬 수 있다.
입력 저항(Input Resistor)과 공통 게이트(Common Gate 또는 Base) 회로로 구성된 입력 구조에 의해 로우패스필터(Low Pass Filter) 특성을 갖게 된다. 그리하여 높은 주파수의 감지 전류 잡음(Sensing Current Noise)을 자동적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전류 감지 회로의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.
도 2는 전류 감지 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 M2는 메인 파워 스위치(Main Power Switch)이고, M1은 감지 트랜지스터(Sense TR)이다. 감지 트랜지스터는 전계효과트랜지스터(FET)일 수 있다.
메인 파워 스위치(Main Power Switch)(M2)에 흐르는 메인 전류 (Im : Inductor current)는 N:1 비율로 감지 트랜지스터(M1)에 복사된다.
복사된 전류 Is는 Rs 저항에 흐르면서 감지 전압(Vsen)을 발생시킨다.
전류 감지부(Current Sense)는 입력 전압(VIN)과 감지 전압(Vsen)의 차이를 검출하여 최종 감지 전압(Visense)으로 출력한다.
상기한 도 2의 전류 감지 구조는 매우 일반적이다. 그러나, 파워 스위치인 파워 트랜지스터의 온저항(Rdson)이 1ohm 보다 작은 낮은 저항을 갖게 되면, 여러 문제가 발생하므로, 본 발명에서는 다음 도 3에 도시된 전류 감지 회로를 적용한다.
도 3은 본 발명에 따른 전류 감지 회로를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전류 감지 회로는, 메인 파워 트랜지스터(Main Power TR)(100), 감지 트랜지스터(Sense TR)(110), 전류 감지 저항(Current Sense Resistor)(120), 입력 저항(Input Resistor)(130), 크로스 셀프 바이어싱 캐스코드 블록(Cross Self Biasing Cascode Block)(140), 전류 소스(Current Source)(150), 공통 게이트 트랜지스터(Common Gate TR)(160), 그리고 기준 저항(Reference Resistor)(170)으로 구성된다.
메인 파워 스위치인 메인 파워 트랜지스터(M2)(100)는 스위칭 동작을 한다.
감지 트랜지스터(M1)(110)는 메인 파워 트랜지스터(M1)(100)에 흐르는 메인 전류 (Im : Inductor current)를 일정 비율로 복사한다.
상기에서 메인 파워 트랜지스터(M2)(100)와 감지 트랜지스터(M1)(110)는 전계효과트랜지스터(FET)일 수 있다.
전류 감지 저항(R1)(120)은 감지 트랜지스터(M1)(110)에 의해 복사된 전류를 전압으로써 검출한다.
입력 저항(130)은 두 개의 병렬 연결되는 저항들(R2,R3)로 구성되며, 입력 전압(VIN)을 전류로 변환하고 전체 감지 회로의 이득을 구성한다.
크로스 셀프 바이어싱 캐스코드 블록(140)은 입력 저항(130)의 두 저항들(R2,R3) 양단에 전류를 동일하게 조절한다.
전류 소스(150)는 입력 저항(130)의 양단 전류원이다.
공통 게이트 트랜지스터(M3)(160)와 기준 저항(R4)(170)은 입력 저항(130)의 전류 출력을 최종 감지 전압(Visense)으로 변환한다.
공통 게이트 트랜지스터(M3)(160)는 공통 게이트 증폭기(Common Gate Amplifier)로써, 입력 저항(130)에서 단일한 전류 출력을 최종 기준 저항(170)에 전달한다.
기준 저항(R4)(170)은 전류 출력을 최종 감지 전압(Visense)인 최종 출력 전압으로 변환한다. 기준 저항(R4)(170)은 입력 저항(130) 중 하나인 R2와 함께 회로 전체의 이득을 구성한다.
상기한 본 발명에 따른 전류 감지 회로에서 최종 출력 전압인 최종 감지 전압(Visense) 및 트랜스 임피던스 이득(TransImpedence Gain: GA)은 아래의 수학식 1에 의해 구한다.
[수학식1]
Visense = [[(Is × R1) + (I1 × R3)]/R2 - I0] × R4
= (R4/R2) × R1 × Is
GA = (R4/R2) × R1
상기한 식 1에서 Is는 전류 감지 저항(R1)(120)에 흐르는 전류이고, I1은 전류 소스(150) 중 하나의 전류원으로부터 인가되는 전류로 입력 저항(130) 중 R3에 흐르는 전류이고, I1은 전류 소스(150) 중 하나의 전류원으로 인가되는 전류로 입력 저항(130) 중 R2에 흐르는 전류이다.
최종 출력 전압인 최종 감지 전압(Visense)은 입력 전압(VIN)의 크기에 독립적이고, 전류 감지 저항(R1)이 매우 작아도 (<< 1ohm) 감지 전류(Is)를 크게 하면 충분한 전압을 얻을 수 있다.
이때 감지 전류(Is)는 SW 노드에서 메인 파워 트랜지스터(100)에 흐르는 메인 전류(Im)과 합류하여 외부 스위칭에 사용된다. 그 때문에 손실이 거의 없다.
한편, 공통 게이트 증폭기(Common Gate Amplifier)인 공통 게이트 트랜지스터(M3)(160)는 이득은 낮지만 주파수 특성이 좋다. 그러므로 넓은 대역을 확보할 수 있고 출력 전류를 안정적으로 기준 저항(R4)(170)에 전달한다.
한편, 입력 저항(130) R2와 공통 게이트 트랜지스터(M3)(160)의 게이트 캐패시터가 로우패스필터(Low Pass Filter)를 형성한다. 그 때문에, 공통 게이트 트랜지스터(M3)(160) 및 입력 저항(130) R2의 크기를 크게 할 경우 자동적으로 감지 잡음을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 전류 감지 회로를 온도 관점에서 살펴본다.
전술된 수학식 1을 온도에 계수에 대한 식으로 변환하면 아래 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
△Visense/△T = (△R4/△R2) × △R1 × Is = △R1 × Is
상기한 식 3 에 의해, 전류 감지 저항(R1)(120)으로써 온도에 대해 포지티브 특성을 갖는 저항을 사용하면, 온도가 증가할수록 이득을 증가시키므로 온도 특성과 연동하여 과전류 감지 기능을 빠르게 동작시킬 수 있다. 즉 과전류 보호회로를 전류량과 온도의 연동으로 빠르게 동작시킬 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전류 감지 방식을 나타낸 전류 감지 회로의 회로도.
도 2는 전류 감지 구조를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전류 감지 회로를 나타낸 도면.

Claims (6)

  1. 파워 트랜지스터;
    상기 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 일정 비율로 복사하는 감지 트랜지스터(M1);
    상기 감지 트랜지스터(M1)에 의해 복사된 전류로부터 전압을 검출하는 전류 감지 저항(R1);
    병렬 연결된 저항들(R2,R3)을 구비하여, 입력 전압(VIN)을 전류로 변환하는 입력 저항;
    상기 입력 저항에 구비된 저항들(R2,R3) 양단의 전류를 조절하는 크로스 셀프 바이어싱 캐스코드 블록;
    상기 입력 저항의 전류 출력을 최종 감지 전압(Visense)으로 변환하는 공통 게이트 트랜지스터(M3)와 기준 저항(R4)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전류 감지 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 크로스 셀프 바이어싱 캐스코드 블록은 상기 입력 저항에 구비된 저항들(R2,R3) 양단의 전류를 동일하게 조절하는 것을 특징으로 하는 전류 감지 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 저항에 구비된 저항들(R2,R3)의 양단 전류원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 감지 회로.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공통 게이트 트랜지스터(M3)는 공통 게이트 증폭기(Common Gate Amplifier)이되, 상기 입력 저항의 전류 출력을 상기 기준 저항에 전달하는 것을 특징으로 하는 전류 감지 회로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 기준 저항(R4)은 상기 공통 게이트 트랜지스터(M3)로부터 전달받은 전류 출력을 상기 최종 감지 전압(Visense)으로 변환하는 것을 특징으로 하는 전류 감지 회로.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 저항 중 하나(R2)와 상기 공통 게이트 트랜지스터(M3)의 게이트 캐패시터가 로우패스필터(Low Pass Filter)를 형성하는 것을 특징으로 하는 전류 감지 회로.
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