KR20100109574A - 스텝-다운 전압 컨버터 - Google Patents

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KR20100109574A
KR20100109574A KR1020107021480A KR20107021480A KR20100109574A KR 20100109574 A KR20100109574 A KR 20100109574A KR 1020107021480 A KR1020107021480 A KR 1020107021480A KR 20107021480 A KR20107021480 A KR 20107021480A KR 20100109574 A KR20100109574 A KR 20100109574A
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output voltage
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KR1020107021480A
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윌리엄 엠. 맨스필드
스티그 린데만
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마이크로 모우션, 인코포레이티드
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • H02M3/10—Conversion 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
    • H02M3/145—Conversion 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
    • H02M3/155—Conversion 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

Abstract

입력 전압(VIN)으로부터 출력 전압(VOUT)을 생성하는 스텝-다운 전압 컨버터(100)가 제공된다. 컨버터(100)는 제 1 단자(112) 및 제 2 단자(114)를 갖는 스위치(111)를 포함하며, 제 2 단자(114)는 출력 전압(VOUT)과 전기적으로 결합된다. 또한 제 1 단자(118) 및 제 2 단자(120)를 갖는 정류기(117)가 포함되며, 제 2 단자(120)는 출력 전압(VOUT)과 전기적으로 결합된다. 제 1 인덕터(124)는 스위치(111)의 제 1 단자(112)를 입력 전압(VIN)과 전기적으로 결합시킨다. 제 1 인덕터(124)와 자기적으로 결합된 제 2 인덕터(126)는 정류기(117)의 제 1 단자(118)를 전압 기준(128)과 전기적으로 결합시킨다. 출력 전압(VOUT)과 결합된 스위치 제어기(110)는 스위치(111)를 제어하도록 구성된다.

Description

스텝-다운 전압 컨버터{STEP-DOWN VOLTAGE CONVERTER}
본 발명은 전반적으로 전압 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교류(AC) 전압 또는 DC 전압으로부터 직류(DC) 전압을 생성하는 전기적 스텝-다운 전압 컨버터에 관한 것이다.
종종 산업 환경에서의 다양한 전기적-전력 장비는 전력을 위해 임의의 다양한 AC 및/또는 DC 전압과 관련된다. 특히, DC-배향 시스템들은 통상적으로는 12 내지 50 볼트 DC(VDC) 범위의 비교적 낮은 DC 전압을 이용하는 경향이 있다. 그러나, AC-배향 시스템들은 100 내지 250 볼트 제곱-평균-제곱근(VRMS) 사이의 범위인 높은 AC 전압을 이용한다. 이러한 범위를 벗어난 다른 AC 또는 DC 전압들이 사용될 수도 있다. 그러나, 질량 흐름 및 도관을 흐르는 물질과 관련된 다른 정보 측정을 위한 코리올리(Coriolis) 유량계와 같은 산업 계측기는 전기 전원으로서, 1.2-24 VDC와 같이 낮은 DC 전압을 요구하는 전기 부품들을 이용하므로, 큰 범위의 AC 또는 DC 입력 전압을 견딜 수 없다. 따라서, 이러한 환경에서 장점을 확대시키기 위해서 AC 또는 DC 입력 전압으로부터 실질적으로 고정된 낮은 DC 출력 전압을 생성할 수 있는 스텝-다운 컨버터가 사용된다.
포지티브 DC 입력 전압(VIN)을 DC 출력 전압(VOUT)으로 변환시키는데 현재 이용되는 하나의 특정 형태의 스텝-다운 또는 "벅" 컨버터(buck converter) 또는 조정기(regulator)의 간략화된 개략도가 도 1에 제공된다. 입력 전압(VIN)은 접지 기준과 결합된 입력 캐패시터(CA) 양단에 제공되며, n-채널 전력 전계-효과 트랜지스터(FET) 스위치(Q)의 드레인 단자와 결합된다. 입력 캐패시터(CA)는 스위치(Q)의 드레인에 일시적 바이어스에 따른 추가 전류를 제공함으로써 입력 전압(VIN)에서의 변화 발생시 스위치(Q)의 드레인에 의해 나타나는 전압 레벨 유지를 보조하는 필터로서 작용한다. 출력 전압(VOUT)에 대한 유사한 기능이 출력 캐패시터(CB)에 의해 제공된다.
스위치(Q)의 게이트는 원하는 또는 목표 출력 전압(VOUT) 레벨과 비교되는 출력 전압(VOUT)의 전압 레벨에 따라 스위치(Q)를 온(ON) 및 오프(OFF)시키는 스위치 제어기(2)에 의해 구동된다. 출력에서 측정가능한 전류와 같은 소정의 다른 양이 선택적으로 또는 부가적으로 스위치 제어기(2)에 의해 이용될 수 있다. 실질적으로 스위치(Q)를 주기적으로 ON 및 OFF 시킴으로써, 스위치 제어기(2)는 출력 전압(VOUT)에 의해 구동되는 부하(load) 및 입력 전압(VIN) 레벨 모두에서의 변화 발생시 원하는 레벨로 출력 전압(VOUT)을 정상적으로 유지할 수 있다. 일반적으로, 스위칭 기간은 하나의 동작 주기 동안 스위치(Q)의 ON 시간 및 OFF 시간의 합이다. 따라서, 스위치(Q)의 듀티 사이클은 ON 시간 대 상기 기간의 비이다. 따라서, 임의의 다수의 기술에 의해, 만족스런 레벨에서 출력 전압(VOUT)을 유지하기 위해 스위치 제어기(2)는 스위치(Q)의 기간 및 듀티 사이클을 제어한다.
컨버터(1)가 동작하는 동안, 스위치(Q)가 ON일 때, 전류는 스위치(Q)의 드레인과 소스 단자, 및 인덕터(L)를 통해 입력 전압(VIN)으로부터 출력 전압(VOUT)으로 흐른다. 인덕터(L)를 흐르는 전류에 의해, 인덕터(L)에 전기 에너지가 저장된다. 통상적으로, 스위치 제어기(2)에 의한 설정에 의해, 스위치(Q)의 ON 시간은 인덕터(L) 및 출력 캐패시터(CB)의 성분 값들에 의해 제한되어 인덕터 양단의 전압(VL)은 ON 시간 동안 거의 일정하다. 이러한 조건하에서, 스위치(Q)가 ON인 동안 스위치(Q)의 소스 단자에 접속된 인덕터(L)의 단자는 거의 입력 전압(VIN)을 유지하며, 인덕터(L)의 나머지 단자는 출력 전압(VOUT) 레벨에 있게 된다. 결과적으로, 스위치(Q)의 소스 단자와 결합된 다이오드(D)의 캐소드(3)에서의 전압은 다이오드(D)가 역바이어스되게 하여, 스위치(Q)가 ON일 때 전도되지 않으며, 이는 다이오드(D)의 애노드(4)가 접지와 접속되기 때문이다.
다음 스위치(Q)가 OFF 될 때, 인덕터(L) 양단의 전압(VL)은 인덕터(L)를 지나는 전류의 연속성이 유지되도록 극성을 반전시킨다. 전압의 "플라이백(flyback)"은 다이오드(D)의 캐소드(3)에서 전압을 접지 이하로 강하시켜, 다이오드(D)가 전도되게 순방향-바이어싱된다. 따라서, 스위치(Q)가 ON인 동안 인덕터(L)에 저장된 전기 에너지는 다이오드(D) 및 인덕터(L)를 지나는 전류로서 출력 전압(VOUT)으로 전달된다. 스위치 제어기(2)에 의해 결정된 일부 포인트에서, 스위치(Q)는 다시 한번 턴 ON되고, 상기 사이클은 반복된다. 따라서, 스위치(Q)가 ON 또는 OFF일 때, 전류는 출력 전압(VOUT)으로 흐른다.
도 1의 스텝-다운 컨버터(1)가 갖는 잠재적 단점 중 하나는 스위치(Q)를 ON 및 OFF 시키기 위해 스위치(Q)의 게이트를 구동시키기 위해 스위치 제어기(2)로부터 요구되는 전압 스윙이 크다는 것이다. 특히, 스위치(Q)를 ON시키고 이 상태를 유지하기 위해, 스위치 제어기(2)는 입력 전압(VIN) 보다 높은 전압 레벨로 게이트를 구동시켜야 하는데, 그 이유는 게이트 전압이 ON 상태 동안 입력 전압(VIN)에 가까운 소스 전압보다 높아야 되기 때문이다. 스위치(Q)를 OFF 시키기 위해, 게이트 전압은 거의 접지되어야 하는데, 그 이유는 인덕터(L)의 플라이백 시기에 순방향 바이어스되는 다이오드(D)로 인해 소스가 접지보다 약간 낮게 구동되기 때문이다. 입력 전압(VIN)이 비교적 낮은 DC 전압인 경우, 스위치(Q)를 ON시키기 위한 적절한 게이트 전압의 생성은 쉽게 이용가능한 전압 "부스트(boost)" 회로에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 입력 전압(VIN)이 약 375 VDC의 최대 DC 전압 레벨로 전환되는 265 VRMS 정도의 큰 AC 전압인 경우, 통상적으로 몇백 볼트의 게이트에서 상당히 큰 전압 스윙을 제공하면서 게이트 전압의 적절하고 정확한 제어는 특정화된 전기적 성분들을 수반하는 스위치 제어기(2)에 대해 비교적 복잡한 회로 설계를 요구한다.
전반적으로, 본 발명의 실시예들은 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 스텝-다운 전압 컨버터를 제공한다. 컨버터는 제 1 및 제 2 단자를 갖는 스위치를 포함하며, 제 2 단자는 출력 전압과 전기적으로 결합된다. 정류기는 제 1 및 제 2 단자를 가지며, 제 2 단자는 출력 전압과 전기적으로 결합된다. 제 1 인덕터는 입력 전압과 스위치의 제 2 단자를 전기적으로 결합시킨다. 제 1 인덕터와 자기적으로 결합된 제 2 인덕터는 전압 기준과 정류기의 제 1 단자를 전기적으로 결합시킨다. 또한, 출력 전압에 결합된 스위칭 제어기는 스위치를 제어하도록 구성된다.
본 발명의 추가 실시예들 및 장점을 당업자들은 첨부되는 도면과 관련하여 이루어진 하기 상세한 설명을 따라 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 일면은 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 스텝-다운 전압 컨버터를 포함하며, 상기 컨버터는
제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 스위치 ― 상기 스위치의 제 2 단자는 출력 전압과 전기적으로 결합됨 ― ;
제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 정류기 ― 상기 정류기의 제 2 단자는 출력 전압과 전기적으로 결합됨 ― ;
스위치의 제 1 단자를 입력 단자와 전기적으로 결합시키는 제 1 인덕터;
제 1 인덕터와 자기적으로 결합되는 제 2 인덕터 ― 상기 제 2 인덕터는 정류기의 제 1 단자를 전압 기준과 전기적으로 결합시킴 ― ; 및
스위치를 제어하도록 구성되며 출력 전압과 결합된 스위칭 제어기
를 포함한다.
바람직하게, 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터 각각은 1.7 밀리헨리의 인덕턴스를 포함한다.
바람직하게, 스텝-다운 전압 컨버터는 입력 전압을 전압 기준과 전기적으로 결합시키는 제 1 캐패시터; 및 출력 전압을 전압 기준과 전기적으로 결합시키는 제 2 캐패시터를 더 포함한다.
바람직하게, 제 1 캐패시터는 22 마이크로패럿(microfarads)의 캐패시턴스를 포함한다.
바람직하게, 제 2 캐패시터는 120 마이크로패럿의 캐패시턴스를 포함한다.
바람직하게, 전압 기준은 접지이다.
바람직하게, 제 1 인덕터의 턴(turn) 수와 제 2 인덕터의 턴 수는 1:1의 비율을 포함한다.
바람직하게, 제 1 인덕터는 변압기의 제 1 권선을 포함하며, 제 2 인덕터는 변압기의 제 2 권선을 포함하며, 제 1 인덕터와 제 2 인덕터는 코어 둘레에 감겨진다.
바람직하게, 코어는 페라이트 코어(ferrite core)이다.
바람직하게, 입력 전압 및 출력 전압은 포지티브 직류 전압이다.
스위치는 n-채널 전계-효과 트랜지스터를 포함하며, 스위치의 제 1 단자는 FET의 드레인 단자를 포함하며, 스위치의 제 2 단자는 FET의 소스 단자를 포함하며, 스위치 제어기는 FET의 게이트 단자에 의해 FET를 제어한다.
정류기는 다이오드를 포함하며, 정류기의 제 1 단자는 다이오드의 애노드를 포함하며, 정류기의 제 2 단자는 다이오드의 캐소드를 포함한다.
바람직하게, 입력 전압 및 출력 전압은 네거티브 DC 전압이다.
스위치는 p-채널 전계-효과 트랜지스터를 포함하며, 상기 스위치의 제 1 단자는 FET의 드레인 단자를 포함하며, 상기 스위치의 제 2 단자는 FET의 소스 단자를 포함하며, 스위치 제어기는 FET의 게이트 단자에 의해 FET를 제어한다.
정류기는 다이오드를 포함하며, 정류기의 제 1 단자는 다이오드의 캐소드를 포함하며, 정류기의 제 2 단자는 다이오드의 애노드를 포함한다.
바람직하게, 스위치 제어기는 스위치를 실질적으로 주기적으로 온 및 오프시킴으로써 스위치를 제어하도록 구성된다.
바람직하게, 스위치 제어기는 출력 전압을 기초로 스위치를 제어하도록 구성된다.
바람직하게, 스위치 제어기는 출력 전압에서의 전류를 기초로 스위치를 제어하도록 구성된다.
바람직하게, 입력 전압은 교류 입력 전압이다.
스텝-다운 전압 컨버터는 제 1 인덕터와 AC 입력 전압을 결합시키는 AC 정류 회로르 더 포함한다.
바람직하게, AC 정류 회로는 AC 입력 전압을 제 1 포지티브 DC 전압으로 변환시키도록 구성된다.
출력 전압은 제 1 포지티브 DC 전압보다 작은 크기를 갖는 포지티브 DC 출력 전압이다.
바람직하게, AC 정류 회로는 AC 입력 전압을 제 1 네거티브 DC 전압으로 변환시키도록 구성된다.
출력 전압은 제 1 네거티브 DC 전압 보다 작은 크기를 갖는 네거티브 DC 출력 전압이다.
바람직하게, 산업 계측 아이템은 스텝-다운 전압 컨버터를 포함한다.
바람직하게, 코리올리(Coriolis) 유량계는 스텝-다운 전압 컨버터를 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 스텝-다운 전압 컨버터의 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스텝-다운 컨버터의 블록도,
도 3은 포지티브 DC 입력 전압으로부터 포지티브 DC 출력 전압을 생성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스텝-다운 컨버터의 개략도,
도 4는 도 3의 스텝-다운 전압 컨버터의 특정 실시예에서 구현되는, 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터를 지나는 전류, 스위치의 드레인에서의 전압, 및 다이오드의 애노드에서의 전압의 타이밍도,
도 5는 네거티브 DC 입력 전압으로부터 네거티브 DC 출력 전압을 생성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스텝-다운 컨버터의 개략도,
도 6은 AC 입력 전압에 대해 AC 정류 회로를 추가로 이용하는 도 2의 스텝-다운 컨버터의 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 입력 전압(VIN)으로부터 출력 전압(VOUT)을 생성하기 위한 스텝-다운 전압 컨버터(100)의 간략화된 블록도이다. 전반적으로, 컨버터(10)는 제 1 단자(112) 및 제 2 단자(114)를 갖는 스위치(111)를 포함하며, 제 2 단자(114)는 출력 전압(VOUT)과 결합된다. 스위치(111)의 제 1 단자(112)는 제 1 인덕터(124)에 의해 입력 전압(VIN)과 전기적으로 결합된다. 스위치(111)는 출력 전압(VOUT)과 결합된 스위치 제어기(110)에 의해 제어된다. 또한, 제 1 인덕터(124)와 자기적으로 결합된 제 2 인덕터(126)는 정류기(117)의 제 1 단자(118)를 전압 기준(128)과 전기적으로 결합시키는 반면, 정류기(117)의 제 2 단자(120)는 출력 전압(VOUT)과 전기적으로 결합된다.
도 3은 스텝-다운 전압 컨버터(100)의 특정한 예인, 본 발명의 실시예에 따라 포지티브 DC 입력 전압(VIN)으로부터 포지티브 DC 출력 전압(VOUT)을 생성하는 인 전압 컨버터(200)의 간략화된 개략도이다. 컨버터(200)는 제 1 단자(212) 및 제 2 단자(214)를 갖는 스위치(Q1)를 포함하며, 제 2 단자(214)는 출력 전압(VOUT)과 결합된다. 스위치(Q1)의 제 1 단자(212)는 제 1 인덕터(L1)에 의해 입력 전압(VIN)과 전기적으로 결합된다. 스위치(Q1)는 출력 전압(VOUT)과 결합된 스위치 제어기(210)에 의해 제어된다. 또한, 제 1 인덕터(L1)와 자기적으로 결합된 제 2 인덕터(L2)는 정류기 또는 다이오드(D1)의 애노드(218)를 전압 기준과 전기적으로 결합시키는 반면, 다이오드(D1)의 캐소드(220)는 출력 전압(VOUT)과 전기적으로 결합된다.
특히 도 3의 컨버터(200)의 특정예와 관련하여, 스위치(Q1)는 드레인 단자(212), 소스 단자(214), 및 게이트 단자(216)를 갖는 n-채널 전력 FET와 같은 FET일 수 있다. 하기에 상세히 개시되는 것처럼, 스위치 제어기(210)는 게이트(216)에 의해 FET(Q1)을 ON 및 OFF 시킴으로써 FET(Q1)을 제어한다. 일 실시예에서, 스위치 제어기(10)는 적어도 부분적으로 출력 전압(VOUT)의 전압 레벨을 기초로, FEQ(Q1)를 실질적으로 주기적으로 ON 및 OFF시킨다. 또 다른 예에서, 스위치 제어기(210)는 FET(Q1)를 제어하기 위해, 전류와 같은, 다른 출력 특성을 이용할 수 있다. 또 다른 예에서, 전압 및 전류와 같은 출력 특성의 조합이 Q1을 제어하는데 이용될 수 있다. 선택적 실시예에서, 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT)와 같은 다른 형태의 전자 부품이 FET(Q1) 대신 유사하게 사용될 수 있다.
도 3의 특정 실시예에서, 제 1 캐패시터(C1)는 입력 전압(VIN)과 전압 기준을 전기적으로 결합시키는 반면, 출력 전압(VOUT)은 제 2 캐패시터(C2)에 의해 기준 전압과 전기적으로 결합된다. 일 실시예에서, 전압 기준은 접지 또는 OV이다. 제 1 캐패시터(C1) 및 제 2 캐패시터(C2)는 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT) 모두의 전압 레벨을 지지할 뿐만 아니라, 고주파수 노이즈를 제거하기 위해 요구되는 단기(short-term) 전류 공급을 보조하기 위해 필터 캐패시터로 사용된다. 특정 구현예에서, 제 1 캐패시터(C1)는 22 마이크로패럿(μF)의 캐패시턴스를 갖는 반면, 제 2 캐패시터(C2)는 120μF의 캐패시턴스를 갖는다.
일 실시예에서, 제 1 인덕터(L1) 및 제 2 인덕터(L2)는 모든 인덕터들(L1, L2)이 감겨지는, 페라이트 코어와 같은 단일 코어(222)를 공유하는 변압기의 제 1 및 제 2 권선을 형성한다. 다른 물질을 포함하는 코어가 본 발명의 또 다른 실시예에 사용될 수 있다. 또한, 일 구현예에서, 코어 둘레에서 제 1 인덕터(L1)의 턴 수와 제 2 인덕터(L2)의 턴 수는 1:1 비율을 형성한다. 1:1 비율이 컨버터(200) 동작의 하기 설명에서 가정되지만, 선택적 실시예에서 다른 비율이 사용될 수 있다. 일 예에서, 인덕터들(L1, L2) 각각은 1.7 밀리헨리(mH)의 인덕턴스를 갖는다.
컨버터(200)의 동작은 스위치 또는 FET(Q1)의 상태와 관련된다. 스위치 제어기(210)는 스위치(Q1)가 턴 ON 되도록 출력 전압(VOUT)인 소스(214)에서의 전압 이상으로 게이트(216)의 전압을 충분히 상승시킴으로써 FET(Q1)를 턴 ON시킨다. FET(Q1)가 ON될 때, FET(Q1)의 드레인(212)에서 전압(VD)은 출력 전압(VOUT)과 거의 동일하며, 제 1 인덕터(L1), FET(Q1)의 드레인(212) 및 소스(214)를 통해 입력 전압(VIN)으로부터 출력 전압(VOUT)으로 전류가 흐른다. 결과적으로, 전기 에너지가 제 1 인덕터(L1)내에, 통상적으로는 제 1 인덕터(L1)가 감겨지는 코어(222) 내에 저장된다. 또한, 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)의 1:1 자성 결합으로 인해, 제 1 인덕터(L1) 양단의 전압(VL1)은 제 2 인덕터(L2) 양단의 전압(VL2)과 같다. 따라서, 제 1 인덕터(L1) 양단의 전압은 실질적으로 입력 전압(VIN) 마이너스 출력 전압(VOUT)과 같고, 다이오드(D1)의 애노드(218)에서의 전압(VA)은 -(VIN-VOUT)이 된다. 따라서, 출력 전압(VOUT)과 결합된 캐소드(220)로 인해, 애노드(218) 전압(VA)은 캐소드(220) 전압 보다 작아, 다이오드(D1)는 역바이어스되고 비전도성이 된다. 따라서, 스위치(Q1)가 ON인 동안 제 2 인덕터(L2)를 통해 본질적으로 전류가 흐르지 않고, 전류가 제 1 인덕터(L1)를 흐르는 동안 전기 에너지가 코어(222)에 저장된다.
스위치 제어기(210)가 스위치(Q1)를 OFF시킬 경우, 제 1 인덕터(L1) 양단의 전압(VL1)은 이전 전류 레벨을 유지하도록 시도될 때 네거티브가 되어, 스위치(Q1)의 드레인(212)은 입력 전압(VIN) 이상으로 구동된다. 2개의 인덕터(L1, L2) 간의 자성 결합으로 인해, 제 2 인덕터(L2) 양단의 전압(VL2)은 제 1 인덕터(L1) 양단의 전압(VL1)과 매칭된다. 결과적으로, 제 2 인덕터(L2) 양단의 전압(VL2)은 다이오드(D1)가 순방향 바이어스되고 전도성이되는 포인트에서, 네거티브 출력 전압(-VOUT)에 접근한다. 다이오드(D1) 양단의 통상적으로 작은 전압 강하를 무시하면, 제 1 인덕터(L1) 양단의 전압(VL1)은 -VOUT으로 제한되고, 이에 따라 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT)의 합(즉, VIN+VOUT)으로 스위치(Q1)의 드레인(212)에서의 전압(VD)이 고정된다. 이러한 고정 결과로, 인덕터들(L1, L2)의 코어(222)에 앞서 저장된 에너지는 제 2 인덕터(L2) 및 다이오드(D1)를 통해 전류 형태로 출력 전압(VOUT)으로 전달된다. 시간 주기 이후, 스위치 제어기(Q1)가 일단 스위치(Q1)를 다시 턴 ON시키고, 상기 프로세스가 반복된다. 스위치(Q1)가 ON이든 또는 OFF이든지 간에, 전류는 컨버터(200)로부터 출력 전압(VOUT)을 향해 흐른다.
도 4는 간략화된 타이밍도에 의해, 본 발명의 특정 실시예에 따라 제 1 인덕터(L1)를 흐르는 전류(IL1)와 제 2 인덕터(L2)를 흐르는 전류(IL2)의 파형을 나타낸다. 또한, 동일한 시간 주기 동안 스위치(Q1)의 드레인(212)에서 전압(VD)과 다이오드(D1)의 애노드(218)에서의 전압(VA)이 도시된다. 본 예에서, 입력 전압(VIN)은 50VDC이며, 출력 전압(VOUT)은 12 VDC이며, 출력 전압(VOUT)에 의해 구동되는 부하(미도시)는 40 옴(Ω)이다. 또한, 특정 예에서, 제 1 캐패시터(C1)는 22μF의 캐패시턴스를 가지며, 제 2 캐패시터(C2)는 120μF의 캐패시턴스를 가지며, 인덕턴스들(L1, L2) 각각은 1.7mH의 인덕턴스를 나타낸다. 또한, 스위치(Q1)는 n-채널 전력 FET(파트 넘버 STD5NM50)이며 다이오드(D1)는 MURS160이다.
도 4의 타이밍도는 컨버터(200) 동작시 전형적인 주기적 특성을 나타낸다. 스위치(Q1)가 ON인 시간(tON) 동안, 제 1 인덕터(L1)를 흐르는 전류(IL1)는 레벨(I1)에서 높은 레벨(I2)로 본질적으로 선형적으로 증가한다. 동일한 시간 주기 동안, 다이오드(D1)는 역바이어스되어, 본질적으로 제 2 인덕터(L2)를 통해 전류가 흐르지 않는다. 또한, 스위치(Q1)의 드레인(212)에서 전압(VD)은 ON상태인 스위치(Q1)로 인해 대략 VOUT으로 유지되며, 다이오드(D1)의 애노드(218)에서 전압(VA)은 앞서 개시된 바와 같이 -(VIN-VOUT)이다. 다른 말로, 인덕터들(L1, L2) 양단의 전압들(VL1, VL2)은 (VIN-VOUT)과 같고, 드레인 전압(VD)은 입력 전압(VIN)의 값에 의해 애노드 전압(VA) 보다 높게 오프셋된다.
인덕터들(L1, L2) 양단의 전압(VL1, VL2)의 이러한 등가 및 드레인 전압(VD)과 애노드 전압(VA) 간의 VIN의 상대적 오프셋은 스위치(Q1)가 OFF일 때, 참(true)인 것으로 유지된다. 스위치(Q1) OFF 시간(tOFF) 동안, 다이오드(D1)는 전도되며, 애노드 전압(VA)은 출력 전압(VOUT)으로 고정된다. 입력 전압(VIN)에 의해 애노드 전압(VA) 보다 높게 드레인 전압(VD)이 오프셋되고, 드레인 전압(VD)은 앞서 개시된 것처럼 (VIN+VOUT)으로 고정된다. 또한, 스위치(Q1)가 OFF이기 때문에, 제 1 인덕터(L1)의 전류는 본질적으로 제로인 반면, 제 2 인덕터(L2)의 전류는 제 2 인덕터(L2) 양단의 일정한 전압(-VOUT)으로 인해 I2에서 I1으로 실질적으로 선형적으로 감소된다.
도 4에 도시된 특정 실시예에서, 상위 전류 레벨(I2)은 약 350밀리암페어(mA)인 반면, 하위 전류 레벨(I1)은 약 250mA이다. 인덕터(L1)를 흐르는 전류(IL1) 및 인덕터(L2)를 흐르는 전류(IL2)가 출력 전압(VOUT)에 제공되기 때문에, 40Ω 부하로 전달되는 평균 전류는 (12 VDC)/(40Ω)=300mA이다. 스위치 제어기(210)는 인덕터들(L1, L2)의 성분 값들을 기초로 tON 및 tOFF를 조절하며, 부하의 허용오차는 출력 전압(VOUT) 및 다른 요인들의 변화로 유도된다. 도 4의 경우, tON은 약 5마이크로초(μs)인 반면, tOFF는 약 15μs이다. 인덕터(L) 양단의 전압이 L(di/dt)와 같기 때문에, VIN-VOUT = (50 VDC)-(12VDC)=38VDC의 tON 동안 제 1 인덕터(L1) 양단의 일정 전압(VL1)은 -VOUT=-12V의 tOFF 동안 제 2 인덕터(L2) 양단의 전압(VL2) 크기의 약 3배가 되며, 이러한 특정한 경우에서 tOFF는 tON의 약 3배인 것으로 간주된다. 물론, 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT)의 상이한 조합으로, tON 대 tOFF의 상이한 비율이 스위치 제어기(210)에 의해 마찬가지로 구현될 수 있다.
본 발명에서는 다양한 실시예의 컨버터(200)가 제공되었으며, 낮은-크기 포지티브 DC 출력 전압(VOUT)을 산출하기 위해 광범위한 범위의 포지티브 DC 전압이 입력 전압(VIN)으로 사용될 수 있다. 앞서 언급된 것처럼, 인덕터들(L1, L2), 캐패시터들(C1, C2), 다이오드(D1), 스위치(Q1) 및 스위치 제어기(210)와 같이, 사용되는 다양한 부품들은 부분적으로 본 발명의 특정 실시예에 대해 허용되는 입력 및 출력 전압(VIN, VOUT)의 제한치를 결정한다.
앞서 개시된 컨버터(200)의 다양한 실시예들의 특정한 장점은 스위치(Q1)를 ON 및 OFF 시키는데 요구되는 스위치(Q1)의 게이트(216)의 제한된 전압 스윙에 있다. 스위치(Q1)의 소스(214)가 출력 전압(VOUT)과 직접 결합되기 때문에, 게이트(216)의 전압은 출력 전압(VOUT)과 스위치(Q1)를 동작시키기 위한 약간 높은 전압 사이에서만 이동되는 것이 요구된다. 따라서, Q1의 게이트(216)는 표준의, 쉽게 이용가능한 전자 부품들에 의해 구동될 수 있어, 스위치 제어기(210)의 설계가 단순화된다. 이러한 하나 이상의 장점 또는 다른 장점들은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 이용하는 다른 분야에서 구현될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라 다른 전압 컨버터(300)에 의해 유사한 장점들이 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 컨버터(300)는 앞서 개시된 컨버터(200)와 유사한 방식으로 동작하며, 네거티브 DC 입력 전압(VIN)을 낮은-크기 네거티브 DC 출력 전압(VOUT)으로 변환시키도록 구성된다. 인덕터들(L1, L2), 코어(222), 및 캐패시터들(C1, C2)들과 같이, 컨버터(200) 및 컨버터(300)의 대부분의 부품들은 동일하지만, 네거티브 DC 입력 전압(VIN)을 처리하기 위해 몇 가지 변형이 이용된다. 컨버터(200)의 스위치(Q1) 대신에 스위치(Q2)가 제공되며, 스위치(Q2)는 도 5의 특정예에서 p-채널 전력 FET이다. 스위치(Q2)는 제 1 인덕터(L1)와 결합된 드레인 단자(312), 출력 전압(VOUT)과 결합된 소스 단자(314), 및 게이트 단자(316)를 포함한다. 컨버터(200)의 스위치 제어기(210)와 유사한 방식으로 동작하는 스위치 제어기(310)는 게이트(315)를 통해 스위치(Q2)의 동작을 제어한다. 스위치 제어기(310)는 출력 전압(VOUT)과 스위치(Q2)를 동작시키기 위해 단지 몇 볼트 낮은 전압 사이에서만 게이트(316)의 전압을 이동시키는 것이 요구되어, 종래 기술의 컨버터에 비해 스위치 제어기(310)의 설계가 단순화된다.
도 5의 컨버터(300)는 제 1 단자(318)와 제 2 단자(320)를 갖는 다이오드(D2)를 포함한다. 입력 및 출력 전압(VIN, VOUT)의 네거티브 극성으로 인해, 제 1 단자(318)는 캐소드인 반면, 제 2 단자(320)는 애노드이며 컨버터(200)의 다이오드(D1)의 방향과 상반된다. 컨버터(300)의 동작은 도 3의 컨버터(200)와 관련하여 설명된 것과 유사하며, 모든 전압 및 전류의 극성은 본질적으로 반전된다.
AC 입력 전압(VIN)을 DC 출력 전압(VOUT)으로 변환시키기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전압 컨버터(400)의 또 다른 실시예가 도 6에 제공된다. 도 2의 컨버터(100)와 관련하여 앞서 개시된 부품들 이외에, 전압 컨버터(400)의 나머지들에 의해 이용가능한 AC 입력 전압(VIN)을 DC 출력 전압(VOUT)으로 변환시키기 위한 AC 정류 회로(430)가 이용되어 원하는 DC 출력 전압(VOUT)이 생성된다. 포지티브 DC 출력 전압(VOUT)이 요구되는 일 실시예에서, AC 정류 회로(430)는 AC 입력 전압(VIN)을 제 1 포지티브 DC 전압으로 변환시키고 그 다음 도 3의 컨버터(200)에 의해 낮은-크기 DC 출력 전압(VOUT)으로 변환시키도록 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 네거티브 DC 출력 전압(VOUT)이 요구될 경우, AC 정류 회로(430)는 AC 입력 전압(VIN)을 제 1 네거티브 DC 전압으로 변환시키고, 그 다음 일 구현예에서 도 5의 컨버터(300)를 통해 낮은-크기 네거티브 DC 출력 전압(VOUT)으로 변환시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시예들이 개시되었으나, 본 발명의 범주내에 포함되는 다른 실시예들도 가능하다. 예를 들어, 상이한 AC 및 DC 전압 레벨들이 선택적 실시예에서 수반되어, 본 발명에 특정하게 개시된 것 이외의 성분 값 사용이 가능하다. 또한, 포지티브 및 네거티브 전압 극성들에 대한 기준은 단지 참조로 제공되는 것이며, 본 발명의 다른 실시예들은 상이한 전압 기준 방식을 이용할 수 있다. 또한, 전기적으로 결합되는 부품들은 선택적 실시예에서 직접적으로 상호접속될 필요는 없다. 또한, 일 실시예의 면들은 본 발명의 추가 구현예를 형성하기 위해 선택적 실시예들과 조합될 수 있다. 따라서, 본 발명은 특정 실시예들을 참조로 개시되었지만, 이러한 설명은 설명을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 적절한 범주는 하기 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (19)

  1. 입력 전압(VIN)으로부터 출력 전압(VOUT)을 발생시키기 위한 스텝-다운 전압 컨버터(100)로서,
    제 1 단자(112) 및 제 2 단자(114)를 포함하는 스위치(111) ― 상기 스위치(111)의 상기 제 2 단자(114)는 상기 출력 전압(VOUT)과 전기적으로 결합됨 ― ;
    제 1 단자(118) 및 제 2 단자(120)를 포함하는 정류기(117) ― 상기 정류기(117)의 상기 제 2 단자(120)는 상기 출력 전압(VOUT)과 전기적으로 결합됨 ― ;
    상기 스위치(111)의 상기 제 1 단자(112)를 상기 입력 전압(VIN)과 전기적으로 결합시키는 제 1 인덕터(124);
    상기 제 1 인덕터(124)와 자기적으로 결합되는 제 2 인덕터(126) ― 상기 제 2 인덕터(126)는 상기 정류기(117)의 제 1 단자(118)를 전압 기준(128)과 전기적으로 결합시킴 ― ; 및
    상기 출력 전압(VOUT)과 결합되며 상기 스위치(111)를 제어하도록 구성된 스위칭 제어기(110)를 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 인덕터(124) 및 상기 제 2 인덕터(126) 각각은 1.7 밀리헨리의 인덕턴스를 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 전압(VIN)을 상기 전압 기준(128)과 전기적으로 결합시키는 제 1 캐패시터(C1); 및
    상기 출력 전압을 상기 전압 기준(128)과 전기적으로 결합시키는 제 2 캐패시터(C2)를 더 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 캐패시터(C1)는 22 마이크로패럿의 캐패시턴스를 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 캐패시터(C2)는 120 마이크로패럿의 캐패시턴스를 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 기준(128)은 접지인,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 인덕터(124)의 턴(turn) 수 및 상기 제 2 인덕터(126)의 턴 수는 1:1 비율을 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 인덕터(124)는 변압기의 제 1 권선(winding)을 포함하며, 상기 제 2 인덕터(126)는 상기 변압기의 제 2 권선을 포함하며, 상기 제 1 인덕터(124) 및 상기 제 2 인덕터(126)는 코어(222) 둘레에 감겨지는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 코어(222)는 페라이트 코어인,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 전압(VIN)과 상기 출력 전압(VOUT)은 포지티브-직류(DC) 전압들이며,
    상기 스위치(111)는 n-채널 전계-효과 트랜지스터(FET)(Q1)을 포함하며, 상기 스위치(111)의 상기 제 1 단자(112)는 상기 FET(Q1)의 드레인 단자(212)를 포함하며, 상기 스위치(111)의 상기 제 2 단자(114)는 상기 FET(Q1)의 소스 단자(214)를 포함하며, 상기 스위치 제어기(110)는 상기 FET(Q1)의 게이트 단자(216)에 의해 상기 FET(Q1)를 제어하며,
    상기 정류기(117)는 다이오드(D1)를 포함하며, 상기 정류기(117)의 상기 제 1 단자(118)는 상기 다이오드(D1)의 애노드(218)를 포함하며, 상기 정류기(117)의 상기 제 2 단자(120)는 상기 다이오드(D1)의 캐소드(220)를 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 전압(VIN)과 상기 출력 전압(VOUT)은 네거티브 DC 전압들이며,
    상기 스위치(111)는 p-채널 전계-효과 트랜지스터(FET)(Q2)를 포함하며, 상기 스위치(111)의 상기 제 1 단자(112)는 상기 FET(Q2)의 드레인 단자(312)를 포함하며, 상기 스위치(111)의 상기 제 2 단자(114)는 상기 FET(Q2)의 소스 단자(314)를 포함하며, 상기 스위치 제어기(110)는 상기 FET(Q2)의 게이트 단자(316)에 의해 상기 FET(Q2)를 제어하며,
    상기 정류기(117)는 다이오드(D2)를 포함하며, 상기 정류기(117)의 상기 제 1 단자(118)는 상기 다이오드(D2)의 캐소드(318)를 포함하며, 상기 정류기(117)의 상기 제 2 단자(120)는 상기 다이오드(D2)의 애노드(320)를 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기(110)는 상기 스위치(111)를 실질적으로 주기적으로 턴 온 및 턴 오프시킴으로써 상기 스위치(111)를 제어하도록 구성되는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기(110)는 상기 출력 전압(VOUT)을 기초로 상기 스위치(111)를 제어하도록 구성되는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기(110)는 상기 출력 전압(VOUT)에서의 전류를 기초로 상기 스위치(111)를 제어하도록 구성되는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 전압(VIN)은 교류(AC) 입력 전압이고,
    상기 스텝-다운 전압 컨버터(100)는 상기 AC 입력 전압을 상기 제 1 인덕터(124)와 결합시키는 AC 정류 회로(430)를 더 포함하는,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 AC 정류 회로(430)는 상기 AC 입력 전압을 제 1 포지티브 DC 전압으로 변환시키도록 구성되며,
    상기 출력 전압(VOUT)은 상기 제 1 포지티브 DC 전압 보다 작은 크기를 갖는 포지티브 DC 출력 전압인,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 AC 정류 회로(430)는 상기 AC 입력 전압을 제 1 네거티브 DC 전압으로 변환시키도록 구성되며,
    상기 출력 전압(VOUT)은 상기 제 1 네거티브 DC 전압 보다 작은 크기를 갖는 네거티브 DC 출력 전압인,
    스텝-다운 전압 컨버터.
  18. 제 1 항의 상기 스텝-다운 전압 컨버터(100)를 포함하는,
    산업 계측 아이템.
  19. 제 1 항의 상기 스텝-다운 전압 컨버터(100)를 포함하는,
    코리올리(Coriolis) 유량계.
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