KR20130027808A - 전력 제어 장치 및 방법 - Google Patents

전력 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

전력 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 전력 제어 장치는 레귤레이터, 레귤레이터로 유입되는 전류를 감지하는 전류 감지부, 레귤레이터의 출력단에 연결된 복수의 저항, 복수의 저항에 연결된 스위치부 및 전류 감지부에서 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하여, 전류값이 상기 기준 전류값보다 크면 레귤레이터의 출력전압이 증대되도록 스위치부를 제어하고, 전류값이 기준 전류값보다 작으면 레귤레이터의 출력 전압이 감소되도록 스위치부를 제어하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, LDO인 레귤레이터 단과 로드 단의 전체 전력 손실을 줄일 수 있다.

Description

전력 제어 장치 및 방법{Power control device and method}
본 발명은 전력 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 시스템 전체의 전력 소모를 최소화하기 위한 전력 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모바일 폰, 피디에이, 휴대용 PC와 같은 전자 기기에 적용되는 전원 공급 장치는 전자 기기의 배터리 사용 시간을 향상시키기 위하여 레귤레이터 출력단에 구현된 로우 볼테이지(Low Voltage) 회로를 통해 출력 전압을 허용 범위만큼 낮추어 실제 부하의 소비 전력을 낮출 수 있다.
DC-DC와 같은 유도성 스위칭 레귤레이터의 경우, 출력 전압을 입력 전압보다 높이거나 낮출 수 있어 고전력에 대한 변환 효율이 우수하다. 그러나, 이 같은 DC-DC와 같은 유도성 스위칭 레귤레이터은 LDO 레귤레이터에 비해 제조 단가가 높은 단점이 있다.
한편, LDO(Low Drop Out)와 같은 레귤레이터는 리니어 레귤레이터(Linear Regulator) 소자로써, 입력된 전압에서 과도한 전압을 제거해 줌으로써, 원하는 출력 전압을 생성해주는 역할을 합니다. 이 같은 LDO 레귤레이터는 DC-DC와 같은 유도성 스위칭 레귤레이터에 비해 매우 저가의 소자로써, 리플(Ripple)이 적은 일정한 전압을 출력한다는 점에서 유리하나, 손실 전력이 DC-DC에 비해 상대적으로 많아 소비 전력이 크게 증가한다. 즉, LDO 레귤레이터는 입력 전압과 출력 전압의 차가 커질수록 소비 전력은 크게 증가함으로써, LDO 레귤레이터의 출력단에서 입력 전압을 낮은 전압으로 변환 시, 입력 전압과 출력 전압 간의 차에 의해 전력 손실이 발생하게 된다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 가격이 저렴한 LDO 레귤레이터를 이용하여 소비 전력을 최소화하고, 그에 따른 전체 전력 손실을 줄이고자 함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치는 레귤레이터, 상기 레귤레이터로 유입되는 전류를 감지하는 전류 감지부, 상기 레귤레이터의 출력단에 연결된 복수의 저항, 상기 복수의 저항에 연결된 스위치부 및 상기 전류 감지부에서 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하여, 상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 크면 상기 레귤레이터의 출력전압이 증대되도록 상기 스위치부를 제어하고, 상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 작으면 상기 레귤레이터의 출력 전압이 감소되도록 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함한다.
그리고, 상기 복수의 저항은, 상기 레귤레이터의 출력단에 연결된 제1 저항, 상기 제1 저항에 직렬 연결된 제2 저항, 상기 제1 저항 및 제2 저항 사이의 노드에 병렬 연결된 제3 및 제4 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 제3 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제1 스위치, 상기 제4 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치는 상기 제어부의 제어에 따라 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 전류값이 상기 기준 전류값 이상이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-온시키고, 상기 전류값이 상기 기준 전류값 미만이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-오프시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 정격 출력 전압 출력 요청 신호가 입력되면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 하나를 턴-오프시키고, 다른 하나를 턴-온시킬 수 있다.
그리고, 상기 기준 전류값은, 최대 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제1 관계 그래프, 최소 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제2 관계 그래프, 정격 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제3 관계 그래프들 간의 교차점에 대응되는 전류값일 수 있다.
또한, 상기 기준 전류값은, 출력 전압 및 출력 전류 사이의 관계에 따른 전체 전력 소모량의 변곡점에 해당하는 전류값일 수 있다.
그리고, 상기 레귤레이터는 LDO(Low Drop Out) 리니어(Linear) 레귤레이터일 수 있다.
또한, 상기 정격 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total1)은 아래 식으로부터 도출되며, P_total1 = P_ldo1 + P_load1 = [(Vin - Vout_typ) * Iout1] + [(Vout_typ * Iout1)]이고, 여기서, Vin은 상기 레귤레이터의 입력 전압, Vout_typ은 정격 출력 전압, Iout1은 기설정된 출력 전류값이며, 상기 최소 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total2)은 아래 식으로부터 도출되며, P_total2 = P_ldo2 + P_load2 = [(Vin - Vout_min) * Iout2] + (P_load1 - Delta_W1)이고, 여기서, Vout_min은 최소 출력 전압, Iout2는 P_load2 / Vout_min, Delta_W1은 [(Vout_typ)2 - (Vout_min)2]이며, 상기 최대 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total3)은 아래 식들로부터 도출되며, P_total3 = P_ldo3 + P_load3 = [(Vin - Vout_max) * Iout3] + (P_load1 + Delta_W2), 여기서, Vout_max는 최대 출력 전압, Iout3는 P_load3 / Vout_max, Delta_W2는 {(Vout_max)2 - (Vout_typ)2}일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 제어 방법에 있어서, 레귤레이터로 유입되는 전류를 감지하는 단계, 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하는 단계 및 상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 크면 상기 레귤레이터의 출력단에 배치된 복수의 저항에 연결된 스위치를 제어하여 상기 레귤레이터의 출력전압을 증대시키고, 상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 작으면 상기 스위치를 제어하여 상기 레귤레이터의 출력 전압을 감소시키는 스위칭 단계를 포함한다.
그리고, 상기 복수의 저항은, 상기 레귤레이터의 출력단에 연결된 제1 저항, 상기 제1 저항에 직렬 연결된 제2 저항. 상기 제1 저항 및 제2 저항 사이의 노드에 병렬 연결된 제3 및 제4 저항을 포함하고, 상기 스위치는, 상기 제3 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제1 스위치, 상기 제4 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제2 스위치를 포함하며, 상기 스위칭 단계는, 상기 전류값이 상기 기준 전류값 이상이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-온시키고, 상기 전류값이 상기 기준 전류값 미만이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-오프시킬 수 있다.
또한, 정격 출력 전압 출력 요청 신호가 입력되면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 하나를 턴-오프시키고, 다른 하나를 턴-온시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기준 전류값은, 최대 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제1 관계 그래프, 최소 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제2 관계 그래프, 정격 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제3 관계 그래프들 간의 교차점에 대응되는 전류값일 수 있다.
또한, 상기 기준 전류값은, 출력 전압 및 출력 전류 사이의 관계에 따른 전체 전력 소모량의 변곡점에 해당하는 전류값일 수 있다.
그리고, 상기 레귤레이터는 LDO(Low Drop Out) 리니어(Linear) 레귤레이터일 수 있다.
또한, 상기 정격 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total1)은 아래 식으로부터 도출되며, P_total1 = P_ldo1 + P_load1 = [(Vin - Vout_typ) * Iout1] + [(Vout_typ * Iout1)]이고, 여기서, Vin은 상기 레귤레이터의 입력 전압, Vout_typ은 정격 출력 전압, Iout1은 기설정된 출력 전류값이며, 상기 최소 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total2)은 아래 식으로부터 도출되며, P_total2 = P_ldo2 + P_load2 = [(Vin - Vout_min) * Iout2] + (P_load1 - Delta_W1)이고, 여기서, Vout_min은 최소 출력 전압, Iout2는 P_load2 / Vout_min, Delta_W1은 [(Vout_typ)2 - (Vout_min)2]이며, 상기 최대 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total3)은 아래 식들로부터 도출되며, P_total3 = P_ldo3 + P_load3 = [(Vin - Vout_max) * Iout3] + (P_load1 + Delta_W2), 여기서, Vout_max는 최대 출력 전압, Iout3는 P_load3 / Vout_max, Delta_W2는 {(Vout_max)2 - (Vout_typ)2}일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전력 제어 장치 및 방법을 통해 LDO인 레귤레이터의 부하 전류량을 측정하여 출력 전압을 변화시켜 LDO인 레귤레이터 단과 로드 단의 전체 전력 손실을 줄임으로써, 배터리 사용시간을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 저가의 전력 제어 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 출력 전압 및 최소 출력 전압에 대한 전체 전력 소모값의 실험 결과도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 출력 전압 및 최소 출력 전압에 대한 전체 전력 소모값의 실험 결과를 그래프로 나타내는 예시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치에서 전체 전력에 대한 소모값을 최소화하는 방법에 대한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전력 제어 장치는 레귤레이터(110), 전류 감지부(120), 복수의 저항(130), 스위치부(140) 및 제어부(150)를 포함한다. 레귤레이터(110)는 전원공급원으로부터 제공되는 전원 전압을 변환하여 내부 동작 전압으로 출력하여 로드 단에 안정적으로 출력 전압을 제공한다. 이 같은 레귤레이터(110)는 LDO(Low Drop Out) 리니어 레귤레이터임이 바람직하며, LDO 리니어 레귤레이터를 통해 입력 전압을 다운시켜 기설정된 정전압으로 변환하며, 그 변환된 전압을 출력 단자를 통해 출력 전압으로 제공한다.
전류 감지부(120)는 레귤레이터(110)로 유입되는 전류를 감지하는 것으로써, 보다 구체적으로, 전원공급원으로부터 DC 전압이 레귤레이터(110)에 입력되면, 레귤레이터(110) 자체에 흐르는 전류를 감지한다. 복수의 저항(130)들은 레귤레이터(110)의 출력 전압의 레벨을 단계적으로 조정하며, 이 같은 복수의 저항(130)들 각각은 스위치부(140)의 스위칭 동작에 따라 레귤레이터(110)의 출력 전압의 레벨을 단계적으로 조정할 수 있다.
제어부(150)는 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하여 스위칭부(140)의 동작을 제어한다. 보다 구체적으로, 제어부(150)는 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하여 감지된 전류값이 기설정된 기준 전류값보다 크면, 레귤레이터(110)의 출력 전압이 증대되도록 스위치부(140)의 동작을 제어한다. 한편, 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값이 기설정된 기준 전류값보다 작으면, 제어부(150)는 레귤레이터(110)의 출력 전압이 감소되도록 스위치부(140)의 동작을 제어한다.
이 같은 제어부(150)의 제어 명령에 따라, 스위치부(140)는 턴-온 또는 턴-오프로의 스위칭을 수행한다. 따라서, 스위치부(140)와 연결된 복수의 저항들에 의해 레귤레이터(110)는 출력 전압을 단계적으로 조정할 수 있다.
지금까지, 본 발명에 따른 전력 제어 장치의 각 구성에 대해 개략적으로 설명하였다. 이하에서는 도 2를 통해 본 발명에 따른 전력 제어 장치의 각 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 입력 전압단과 레귤레이터(110)의 입력단 사이에 저항이 직렬 연결된다. 따라서, 전류 감지부(120)는 입력 전압단과 레귤레이터(110)의 입력단 사이에 형성된 저항의 저항값과 입력 전압값을 이용하여 레귤레이터(110)에 유입되는 전류를 감지할 수 있다. 한편, 제어부(150)는 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하여 복수의 저항(130)들에 연결된 각각의 스위치부(140)의 동작을 제어한다. 구체적으로, 제어부(150)는 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값이 기설정된 기준 전류값보다 크면 레귤레이터(110)의 출력 전압이 증대되도록 스위치부(140)를 제어한다. 한편, 제어부(150)는 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값이 기설정된 기준 전류값보다 작으면 레귤레이터(110)의 출력 전압이 감소되도록 스위치부(140)를 제어한다.
이 같은 제어부(150)의 제어 명령에 따라, 턴-온 또는 턴-오프의 스위칭을 수행하는 스위치부(140)와, 스위치부(140)의 스위칭 동작에 따라 레귤레이터(110)의 출력 전압을 단계적으로 조정하는 복수의 저항(130)은 도시된 바와 같이 연결될 수 있다. 복수의 저항(130)은 레귤레이터(110)의 출력단에 연결되는 제1 저항(R1)과 제1 저항(R1), 직렬로 연결되는 제2 저항(R2), 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2) 사이의 노드에 병렬 연결되는 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)을 포함한다. 그리고, 스위치부(140)는 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)를 포함한다. 제1 스위치(141)는 제3 저항(R3)의 일단 및 그라운드를 연결하며, 제2 스위치(142)는 제4 저항(R4)의 일단 및 그라운드를 연결한다. 이 같은 제1 및 제2 스위치(141,142)는 제어부(150)의 제어 명령에 따라 턴-온 또는 턴-오프의 스위칭을 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어부(150)는 전류 감지부(120)로부터 전류값이 감지되면, 감지된 전류값이 기준 전류값 이상인지 혹은 미만인지를 판단한다. 여기서, 기준 전류값은 출력 전압 및 출력 전류 사이의 관계에 따른 전체 전력 소모량의 변곡점에 해당하는 전류값이다. 그리고, 변곡점은 최대 출력 전압에서의 레귤레이터(110)의 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제1 관계 그래프, 최소 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제2 관계 그래프 및 정격 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제3 관계 그래프들 간 교차되는 교차점이다. 이 같은 기준 전류값과 그 기준 전류값에 해당하는 변곡점은 도 3 내지 도 4를 통해 달성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 출력 전압 및 최소 출력 전압에 대한 전체 전력 소모값의 실험 결과도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 출력 전압 및 최소 출력 전압에 대한 전체 전력 소모값의 실험 결과를 그래프로 나타내는 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 입력 전압(Vin)은 1.5V, 정격 출력 전압(Vout_typ)은 1.2V, 최소 출력 전압(Vout_min)은 1.1V, 최대 출력 전압(Vout_max)은 1.3V, 출력 전류(Iout)는 0~6A일 경우, 기설정된 출력 전류(Iout) 별 최소 출력 전압(Vout_min) 및 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값(340)이 산출되는 것을 알 수 있다. 최소 출력 전압(Vout_min) 및 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값(340)에 대한 산출 방법은 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
기설정된 출력 전류(Iout) 별 최소 출력 전압(Vout_min) 및 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값(340)을 살펴보면, 출력 전류(Iout)가 1A(310)일 때, 최소 출력 전압(Vout_min)의 전체 전력 소모값은 1.32W이며, 최대 출력 전압(Vout_max)의 전체 전력 소모값은 1.60W인 것을 알 수 있다. 그리고, 출력 전류(Iout)가 2A(320)일 때, 최소 출력 전압(Vout_min)의 전체 전력 소모값은 2.96W이며, 최대 출력 전압(Vout_max)의 전체 전력 소모값은 2.93W인 것을 알 수 있다. 또한, 출력 전류(Iout)가 3A(330)일 때, 최소 출력 전압(Vout_min)의 전체 전력 소모값은 4.60W이며, 최대 출력 전압(Vout_max)의 전체 전력 소모값은 4.26W인 것을 알 수 있다.
이와 같은 결과를 살펴보면, 출력 전류(Iout)가 2A 미만까지는 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 손실이 우수하며, 출력 전류(Iout)가 2A 이상부터는 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 손실이 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, 출력 전류(Iout)가 2A 일 때를 기준 전류값으로 설정할 수 있으며, 도 4와 같이, 기설정된 출력 전류(Iout)별 최소 출력 전압값(Vout_min), 최대 출력 전압값(Vout_max) 및 정격 출력 전압(Vout_typ)에 대한 전체 전력 손모값에 대한 관계 그래프가 형성됨을 알 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 1.3V의 최대 출력 전압값(Vout_max)에서는 제1 관계 그래프가 나타날 수 있으며, 1.1V의 최소 출력 전압값(Vout_min)에서는 제2 관계 그래프가 나타날 수 있으며, 1.2V의 정격 출력 전압(Vout_typ)에서는 제3 관계 그래프가 나타날 수 있다. 이 같은 제1,2 및 3 관계 그래프가 서로 교차되는 지점이 변곡점이 될 수 있으며, 그 변곡점이 기준 전류값임을 알 수 있다.
이와 같이 실험을 통해 기준 전류값이 설정되면, 제어부(150)는 그 설정된 기준 전류값과 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값을 비교한다. 비교 결과, 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값이 기준 전류값 미만이면, 제어부(150)는 레귤레이터(110)에서 최소 출력 전압(Vout_min)이 출력되도록 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)가 턴-오프로 스위칭되도록 제어한다. 이에 따라, 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)와 연결된 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)를 제외한 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2) 만이 레귤레이터(110)에 연결됨으로써, 레귤레이터(110)는 최소 출력 전압을 출력할 수 있다.
한편, 비교 결과, 전류 감지부(120)로부터 감지된 전류값이 기준 전류값 이상이면, 제어부(150)는 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)가 턴-온으로 스위칭되도록 제어한다. 이에 따라, 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)이 레귤레이터(110)에 모두 연결됨으로써, 레귤레이터(110)는 최대 출력 전압을 출력할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 추가적인 양상에 따라, 제어부(150)는 외부로부터 정격 전압 출력 요청 신호가 입력되면, 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142) 중 하나의 스위치가 턴-오프가 되도록 제어한다. 그리고, 제어부(150)는 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142) 중 나머지 하나의 스위치가 턴-온이 되도록 제어한다. 이에 따라, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)와 제3 저항(R3) 또는 제4 저항(R4)이 레귤레이터(110)에 연결됨으로써, 레귤레이터(110)는 정격 출력 전압을 출력할 수 있다.
한편, 전술한 최소 출력 전압(Vout_min), 최대 출력 전압(Vout_max) 및 정격 출력 전압(Vout_typ)에 대한 전체 전력 소모값은 수학식1 내지 수학식 3을 통해 도출할 수 있다. 먼저, 정격 출력 전압(Vout_typ)에 대한 전체 전력 소모값(P_total1)은 레귤레이터(110) 단의 전력 소모값(P_ldo1)과 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load1)의 총 합 값으로 산출될 수 있으며, 이 같은 정격 출력 전압(Vout_typ)에 대한 전체 전력 소모값(P_total1)은 아래 수학식 1로부터 도출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, P_total1은 정격 출력 전압(Vout_typ)에 대한 전체 전력 소모값이며, (Vin - Vout_tpy)* Iout1은 레귤레이터(110) 단의 전력 소모값(P_ldo1)이며, (Vout_tpy * Iout1)은 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load1)이다. 그리고, Vin은 레귤레이터(110) 단의 입력 전압, Vout_typ은 정격 출력 전압, Iout1은 기설정된 출력 전류값이다.
한편, 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값(P_total2)은 레귤레이터(110) 단의 전력 소모값(P_ldo2)과 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load2)의 총 합 값으로 산출될 수 있으며, 이 같은 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값(P_total2)은 아래 수학식 2로부터 도출할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, P_total2은 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값이며, (Vin - Vout_min) * Iout2는 레귤레이터(110) 단의 전력 소모값(P_ldo2)이며, (P_load1 - Delta_W1)은 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load2)이다. 그리고, Iout2은 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load2)로부터 최소 출력 전압(Vout_min)을 나누어 산출된 값이며, Delata_W1의 값은 [(Vout_typ)2 - (Vout_min)2]로부터 도출될 수 있다. 이 같은 Delata_W1은 P = CV2f로 V2에 비례한다는 CMOS에 의한 스위칭 전력 손실에 이용된다.
한편, 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값(P_total3)은 레귤레이터(110) 단의 전력 소모값(P_ldo3)과 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load3)의 총 합 값으로 산출될 수 있으며, 이 같은 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값(P_total3)은 아래 수학식 3으로부터 도출할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, P_total3은 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값이며, (Vin - Vout_max) * Iout3는 레귤레이터(110) 단의 전력 소모값(P_ldo3)이며, (P_load1 + Delta_W1)은 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load3)이다. 그리고, Iout3는 로드(160) 단의 전력 소모값(P_load3)으로부터 최대 출력 전압(Vout_max)을 나누어 산출된 값이며, Delata_W2의 값은 [(Vout_max)2 - (Vout_typ)2]으로부터 도출될 수 있다.
한편, 도 3과 같이, 입력 전압(Vin)은 1.5V, 정격 출력 전압(Vout_typ)은 1.2V, 최소 출력 전압(Vout_min)은 1.1V, 최대 출력 전압(Vout_max)은 1.3V, 출력 전류(Iout)는 0~6A일 경우, 전술한 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 정격 출력 전압(Vout_typ), 최소 출력 전압(Vout_min) 및 최대 출력 전압(Vout_max)의 전체 전력 소모값이 산출될 수 있다.
일 실시예에 따라, 출력 전류(Iout)가 1A일 경우, 수학식 1을 통해 정격 출력 전압(Vout_yp)에 대한 전체 전력 소모값(P_total1)은 1.5W가 될 수 있으며, 수학식 2를 통해 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값(P_total2)은 1.32W가 될 수 있다. 그리고, 수학식 3을 통해 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값(P_tatal3)은 1.60W가 될 수 있다. 이 경우, 출력 전류(Iout)가 1A인 상태에서는 최소 출력 전압(Vout_min)에서의 전체 전력 소모값이 가장 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, 제어부(150)는 제1 및 제2 스위치(141,142)가 턴-오프 스위칭 동작을 수행하도록 제어함으로써, 레귤레이터(110) 단은 최소 출력 전압을 출력할 수 있다. 이에 따라, 레귤레이터(110) 단과 로드(160) 단의 전체 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
또다른 실시예에 따라, 출력 전류(Iout)가 2A일 경우, 수학식 1을 통해 정격 출력 전압(Vout_yp)에 대한 전체 전력 소모값(P_total1)은 3.00W가 될 수 있으며, 수학식 2를 통해 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값(P_total2)은 2.96W가 될 수 있다. 그리고, 수학식 3을 통해 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값(P_tatal3)은 2.93W가 될 수 있다. 이 경우, 출력 전류(Iout)가 2A인 상태에서는 최대 출력 전압(Vout_max)에서의 전체 전력 소모값이 가장 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, 제어부(150)는 제1 및 제2 스위치(141,142)가 턴-온 스위칭 동작을 수행하도록 제어함으로써, 레귤레이터(110) 단은 최대 출력 전압을 출력할 수 있다. 이에 따라, 레귤레이터(110) 단과 로드 단(160)의 전체 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
지금까지, 본 발명에 따른 전력 제어 장치의 각 구성들의 동작 설명을 실시예를 통해 상세히 설명하였다. 이하에서는 본 발명에 따른 전력 제어 장치에서 전체 전력 소모값을 최소화하는 방법에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치에서 전체 전력에 대한 소모값을 최소화하는 방법에 대한 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 전력 제어 장치는 전류 감지부로부터 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교한다(S510,S520). 여기서, 전류 감지부는 레귤레이터로 유입되는 전류를 감지하는 것으로써, 보다 구체적으로, 전원공급원으로부터 DC 전압이 레귤레이터에 입력되면, 입력된 DC 전압과 레귤레이터의 입력 단에 연결된 저항값을 이용하여 레귤레이터로 유입되는 전류를 감지할 수 있다. 여기서, 레귤레이터는 LDO(Low Drop Out) 리니어 레귤레이터임이 바람직하다. 이 같은 레귤레이터에 유입되는 전류에 대한 전류값이 감지되면, 전력 제어 장치는 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교한다.
여기서, 기준 전류값은 출력 전압 및 출력 전류 사이의 관계에 따른 전체 전력 소모량의 변곡점에 해당하는 전류값이다. 그리고, 변곡점은 최대 출력 전압에서의 레귤레이터(110)의 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제1 관계 그래프, 최소 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제2 관계 그래프 및 정격 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제3 관계 그래프들 간 교차되는 교차점이다. 이 같은 기준 전류값과 그 기준 전류값에 해당하는 변곡점은 도 3 내지 도 4를 통해 상세히 설명하였기에 하기에서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
이 같은 기준 전류값과 감지된 전류값을 비교하여, 감지된 전류값이 기준 전류값보다 크거나 작은지에 따라, 전력 제어 장치는 레귤레이터의 출력단에 배치된 복수의 저항에 연결된 스위치를 제어한다. 이 같은 스위치의 스위칭에 따라, 레귤레이터의 출력단은 출력 전압을 증대시키거나 감소시킬 수 있다. 여기서, 복수의 저항은 도 2에 도시된 바와 같이, 레귤레이터의 출력단에 연결된 제1 저항(R1), 제1 저항(R1)에 직렬 연결된 제2 저항(R2), 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2) 사이의 노드에 병렬 연결된 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)를 포함한다. 한편, 스위치는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)를 포함하며, 제1 스위치(141)는 제3 저항(R3)의 일단 및 그라운드를 연결한다. 그리고, 제2 스위치9142)는 제4 저항(R4)의 일단 및 그라운드를 연결한다.
따라서, 전력 제어 장치는 감지된 전류값이 기준 전류값 보다 작으면, 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)가 턴-오프로 스위칭되도록 제어한다(S530). 이에 따라, 레귤레이터는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)만이 연결된다. 구체적으로, 도 4와 같이, 변곡점인 기준 전류값을 기준으로 감지된 전류값이 기준 전류값 보다 작으면, 레귤레이터의 출력단의 출력 전압이 최소 출력 전압으로 출력될 때, 전체 전력 소모값은 최소화될 수 있다. 예를 들어, 변곡점인 기준 전류값이 2A, 감지된 전류값이 1A, 입력 전압(Vin)이 1.5V, 정격 출력 전압(Vout_typ)이 1.2V, 최소 출력 전압(Vout_min)이 1.1V, 최대 출력 전압(Vout_max)이 1.3V이면, 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값은 1.32W가 될 수 있다. 그리고, 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값은 1.60W가 될 수 있다. 즉, 기준 전류값이 2A일 경우, 감지된 전류값이 기준 전류값보다 작으면, 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값이 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값에 비해 적은 것을 알 수 있다.
따라서, 전력 제어 장치는 감지된 전류값이 기준 전류값 보다 작으면, 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)가 턴-오프로 스위칭되도록 제어함으로써, 레귤레이터 출력단은 최소 출력 전압을 출력할 수 있다. 이에 따라, 레귤레이터 단과 로드 단의 전체 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
한편, 전력 제어 장치는 감지된 전류값이 기준 전류값 이상이면, 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)가 턴-온으로 스위칭되도록 제어한다(S540). 이에 따라, 레귤레이터는 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)이 연결된다. 구체적으로, 도 4와 같이, 변곡점인 기준 전류값을 기준으로 감지된 전류값이 기준 전류값 이상이면, 레귤레이터의 출력단의 출력 전압이 최대 출력 전압으로 출력될 때, 전체 전력 소모값은 최소화될 수 있다. 예를 들어, 변곡점인 기준 전류값이 2A, 감지된 전류값이 3A, 입력 전압(Vin)이 1.5V, 정격 출력 전압(Vout_typ)이 1.2V, 최소 출력 전압(Vout_min)이 1.1V, 최대 출력 전압(Vout_max)이 1.3V이면, 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값은 4.60W가 될 수 있다. 그리고, 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값은 4.26W가 될 수 있다. 즉, 기준 전류값이 2A일 경우, 감지된 전류값이 기준 전류값 이상이면, 최대 출력 전압(Vout_max)에 대한 전체 전력 소모값이 최소 출력 전압(Vout_min)에 대한 전체 전력 소모값에 비해 적은 것을 알 수 있다.
따라서, 전력 제어 장치는 감지된 전류값이 기준 전류값 이상이면, 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142)가 턴-온으로 스위칭되도록 제어함으로써, 레귤레이터 출력단은 최대 출력 전압을 출력할 수 있다. 이에 따라, 레귤레이터 단과 로드 단의 전체 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
한편, 전술한 정격 출력 전압(Vout_typ), 최소 출력 전압(Vout_min) 및 최대 출력 전압(Vout_max) 각각에 대한 전체 전력 소모값은 전술한 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 도출할 수 있으며, 수학식 1 내지 수학식 3에 정의된 각각의 식에 대한 상세한 설명은 상기에서 상세히 설명하였기에 이하에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 추가적인 양상에 따라, 전력 제어 장치는 단계 S540 이후, 외부로부터 정격 전압 출력 요청 신호가 입력되는지를 체크한다(S550). 체크 결과, 외부로부터 정격 전압 출력 요청 신호가 입력되면, 전력 제어 장치는 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142) 중 하나가 턴-오프로 스위칭되도록 제어한다. 그리고, 전력 제어 장치는 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(142) 중 나머지 하나가 턴-온으로 스위칭되도록 제어한다. 이에 따라, 레귤레이터 출력단은 정격 출력 전압을 출력할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 레귤레이터 120 : 전류 감지부
130 : 저항 140 : 스위치부
141 : 제1 스위치 142 : 제2 스위치
150 : 제어부 160 : 로드

Claims (16)

  1. 레귤레이터;
    상기 레귤레이터로 유입되는 전류를 감지하는 전류 감지부;
    상기 레귤레이터의 출력단에 연결된 복수의 저항;
    상기 복수의 저항에 연결된 스위치부; 및
    상기 전류 감지부에서 감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하여, 상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 크면 상기 레귤레이터의 출력전압이 증대되도록 상기 스위치부를 제어하고, 상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 작으면 상기 레귤레이터의 출력 전압이 감소되도록 상기 스위치부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 전력 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 저항은,
    상기 레귤레이터의 출력단에 연결된 제1 저항;
    상기 제1 저항에 직렬 연결된 제2 저항;
    상기 제1 저항 및 제2 저항 사이의 노드에 병렬 연결된 제3 및 제4 저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 제3 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제1 스위치;
    상기 제4 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제2 스위치;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 스위치는 상기 제어부의 제어에 따라 턴 온 또는 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류값이 상기 기준 전류값 이상이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-온시키고,
    상기 전류값이 상기 기준 전류값 미만이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    정격 출력 전압 출력 요청 신호가 입력되면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 하나를 턴-오프시키고, 다른 하나를 턴-온시키는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
  6. 제1 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 전류값은,
    최대 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제1 관계 그래프, 최소 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제2 관계 그래프, 정격 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제3 관계 그래프들 간의 교차점에 대응되는 전류값인 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
  7. 제1 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 전류값은,
    출력 전압 및 출력 전류 사이의 관계에 따른 전체 전력 소모량의 변곡점에 해당하는 전류값인 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레귤레이터는 LDO(Low Drop Out) 리니어(Linear) 레귤레이터인 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 정격 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total1)은 아래 식으로부터 도출되며,
    P_total1 = P_ldo1 + P_load1 = [(Vin - Vout_typ) * Iout1] + [(Vout_typ * Iout1)]이고, 여기서, Vin은 상기 레귤레이터의 입력 전압, Vout_typ은 정격 출력 전압, Iout1은 기설정된 출력 전류값이며,
    상기 최소 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total2)은 아래 식으로부터 도출되며,
    P_total2 = P_ldo2 + P_load2 = [(Vin - Vout_min) * Iout2] + (P_load1 - Delta_W1)이고, 여기서, Vout_min은 최소 출력 전압, Iout2는 P_load2 / Vout_min, Delta_W1은 [(Vout_typ)2 - (Vout_min)2]이며,
    상기 최대 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total3)은 아래 식들로부터 도출되며,
    P_total3 = P_ldo3 + P_load3 = [(Vin - Vout_max) * Iout3] + (P_load1 + Delta_W2), 여기서, Vout_max는 최대 출력 전압, Iout3는 P_load3 / Vout_max, Delta_W2는 {(Vout_max)2 - (Vout_typ)2}이다.
  10. 레귤레이터로 유입되는 전류를 감지하는 단계;
    감지된 전류값과 기설정된 기준 전류값을 비교하는 단계; 및
    상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 크면 상기 레귤레이터의 출력단에 배치된 복수의 저항에 연결된 스위치를 제어하여 상기 레귤레이터의 출력전압을 증대시키고, 상기 전류값이 상기 기준 전류값보다 작으면 상기 스위치를 제어하여 상기 레귤레이터의 출력 전압을 감소시키는 스위칭 단계;
    를 포함하는 전력 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 저항은,
    상기 레귤레이터의 출력단에 연결된 제1 저항, 상기 제1 저항에 직렬 연결된 제2 저항. 상기 제1 저항 및 제2 저항 사이의 노드에 병렬 연결된 제3 및 제4 저항을 포함하고,
    상기 스위치는, 상기 제3 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제1 스위치, 상기 제4 저항의 일단 및 그라운드를 연결하는 제2 스위치를 포함하며,
    상기 스위칭 단계는,
    상기 전류값이 상기 기준 전류값 이상이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-온시키고, 상기 전류값이 상기 기준 전류값 미만이면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    정격 출력 전압 출력 요청 신호가 입력되면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 하나를 턴-오프시키고, 다른 하나를 턴-온시키는 단계;를 더 포함하는 것을 전력 제어 방법.
  13. 제10 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 전류값은,
    최대 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제1 관계 그래프, 최소 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제2 관계 그래프, 정격 출력 전압에서의 레귤레이터 출력 전류 및 전체 전력 소모값 사이의 제3 관계 그래프들 간의 교차점에 대응되는 전류값인 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
  14. 제10 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 전류값은,
    출력 전압 및 출력 전류 사이의 관계에 따른 전체 전력 소모량의 변곡점에 해당하는 전류값인 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 레귤레이터는 LDO(Low Drop Out) 리니어(Linear) 레귤레이터인 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 정격 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total1)은 아래 식으로부터 도출되며,
    P_total1 = P_ldo1 + P_load1 = [(Vin - Vout_typ) * Iout1] + [(Vout_typ * Iout1)]이고, 여기서, Vin은 상기 레귤레이터의 입력 전압, Vout_typ은 정격 출력 전압, Iout1은 기설정된 출력 전류값이며,
    상기 최소 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total2)은 아래 식으로부터 도출되며,
    P_total2 = P_ldo2 + P_load2 = [(Vin - Vout_min) * Iout2] + (P_load1 - Delta_W1)이고, 여기서, Vout_min은 최소 출력 전압, Iout2는 P_load2 / Vout_min, Delta_W1은 [(Vout_typ)2 - (Vout_min)2]이며,
    상기 최대 출력 전압의 전체 전력 소모값(P_total3)은 아래 식들로부터 도출되며,
    P_total3 = P_ldo3 + P_load3 = [(Vin - Vout_max) * Iout3] + (P_load1 + Delta_W2), 여기서, Vout_max는 최대 출력 전압, Iout3는 P_load3 / Vout_max, Delta_W2는 {(Vout_max)2 - (Vout_typ)2}이다.









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