KR20130137650A - 스위칭 레귤레이터를 제어하는 회로 - Google Patents

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KR20130137650A
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current regulator
amplifier
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KR1020137015249A
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그레고리 슈체스진스키
매튜 샤니아프스키
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알레그로 마이크로시스템스, 엘엘씨
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Abstract

일 측면에서, 회로는 부하에 전력을 제공하는 스위칭 레귤레이터, 상기 부하에 연결된 전류 레귤레이터 회로, 및 상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 변화에 응답하여 상기 스위칭 레귤레이터에 제어 신호를 제공하는 응답 회로를 포함한다. 상기 제어 신호는 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 전기적 변화에 대하여 비선형적으로 변한다. 다른 측면에서, 회로는 전류 레귤레이터 회로의 구동성을 유지하도록 증폭기의 제1 입력에 조정 전압을 제공하는 적응형 조정 전압 회로를 포함한다. 상기 적응형 조정 전압 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 특성을 복제한다.

Description

스위칭 레귤레이터를 제어하는 회로{CIRCUITRY TO CONTROL A SWITCHING REGULATOR}
본 발명은 스위칭 레귤레이터를 제어하는 회로에 관한 것이다.
다이오드 부하들을 구동하기 위하여, 특히, 예를 들어 발광 다이오드(light-emitting diode; LED) 디스플레이를 형성하거나, 또는 예를 들어 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD)와 같은 디스플레이의 백라이트를 형성하는 직렬 연결된 발광 다이오드들의 스트링들에 흐르는 전류를 제어하기 위하여 다양한 전자 회로들이 사용된다. 하나의 유닛에서 다른 유닛으로의 순방향 전압 강하에 있어서 각각의 LED들이 편차를 가지는 것이 알려져 있다. 그러므로, 직렬 연결된 LED들의 스트링들은 순방향 전압 강하 편차를 가질 수 있다.
직렬 연결된 LED들의 스트링들은 상기 LED 스트링들의 일단에서 공통 스위칭 레귤레이터, 예를 들어 승압형 스위칭 레귤레이터(boost switching regulator)에 연결될 수 있고, 상기 스위칭 레귤레이터는 상기 LED 스트링들 각각에 충분히 높은 전압을 제공할 수 있다. 직렬 연결된 LED들의 스트링들 각각의 타단은, 상기 직렬 연결된 LED들의 스트링들 각각으로부터 상대적으로 일정한 전류를 싱크하는 각각의 전류 싱크에 연결될 수 있다.
상기 공통 스위칭 트랜지스터에 의해 생성된 전압이, 최대 총 전압 강하를 가지는 하나의 LED 직렬 연결 스트링에 공급하기 위한 충분한 고전압과, 상기 각각의 전류 싱크의 정상 동작에 필요한 오버헤드 전압의 합이 되어야 한다는 것을 알 수 있을 것이다. 다시 말해서, 네 개의 LED 직렬 연결 스트링들이 각각 30 V, 30 V, 30 V 및 31 V의 전압 강하를 가지고, 각 전류 싱크가 구동하기 위하여 적어도 1 V를 필요로 하는 경우, 상기 공통 승압형 스위칭 레귤레이터는 적어도 32 V를 공급해야만 한다.
본 발명의 일 목적은 스위칭 레귤레이터를 제어하는 회로를 제공하는 것이다.
일 측면에서, 회로는, 부하에 전력을 제공하는 스위칭 레귤레이터, 상기 부하에 연결된 전류 레귤레이터 회로, 및 상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 변화에 응답하여 상기 스위칭 레귤레이터에 제어 신호를 제공하는 응답 회로를 포함한다. 상기 제어 신호는 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 전기적 변화에 대하여 비선형적으로 변한다.
상술한 측면은 다음의 특징들을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 응답 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로의 전압 강하에 응답하여 상기 제어 신호에 대한 비선형 증가를 제공한다. 상기 제어 신호에 대한 상기 비선형 증가는 상기 응답 회로의 전류 출력을 증가시키는 것을 포함한다. 상기 제어 신호에 대한 상기 비선형 증가는 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 전기적 변화에 지수적으로 관련된다. 상기 스위칭 레귤레이터는 DC-DC 변환기이다. 상기 응답 회로는 증폭기를 포함한다. 상기 증폭기는 조정 전압 회로로부터 제1 입력을 수신하고, 상기 전류 레귤레이터 회로로부터 제2 입력을 수신한다. 상기 증폭기는 비선형 증폭기이다. 상기 증폭기는 선형 증폭기이다. 상기 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전류가 소정의 임계 레벨에 도달하였는지를 결정하는 전류 검출 회로를 더 포함한다. 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전류가 상기 소정의 임계 레벨에 도달한 경우, 상기 선형 증폭기의 전류 출력을 증가시키도록 상기 선형 증폭기를 인에이블한다. 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전류가 상기 소정의 임계 레벨에 도달한 경우, 추가 전류를 제공한다. 상기 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압이 포화되었는지를 결정하는 전류 검출 회로를 더 포함한다. 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압이 포화된 경우, 상기 선형 증폭기의 전류 출력을 증가시키도록 상기 선형 증폭기를 제어한다. 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압이 포화된 경우, 추가 전류를 제공한다. 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 전압 강하는 소정의 임계치 이하로 낮아지는 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압에 상응한다. 상기 소정의 임계치는 상기 전류 레귤레이터 회로와 연관된 최소 동작 전압에 관련된다. 상기 부하는 하나 이상의 발광 다이오드들(LEDs)을 포함한다.
다른 측면에서, 회로는, 부하에 전력을 제공하는 스위칭 레귤레이터, 상기 부하에 연결된 전류 레귤레이터 회로, 및 적응형 응답 회로를 포함한다. 상기 적응형 응답 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 변화에 응답하여 상기 스위칭 레귤레이터에 제어 신호를 제공하고, 상기 전류 레귤레이터 회로에 연결된 제1 입력 및 제2 입력을 포함하는 증폭기, 및 상기 전류 레귤레이터 회로의 구동성(operability)을 유지시키도록 상기 증폭기의 상기 제1 입력에 조정 전압을 제공하는 적응형 조정 전압 회로를 포함한다. 상기 적응형 조정 전압 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 특성을 복제한다.
상술한 측면은 다음의 특징들을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 적응형 조정 전압 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로의 제2 전류 소스를 미러링하는 제1 전류 소스를 포함한다. 상기 적응형 조정 전압 회로의 상기 제1 전류 소스는 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 제2 전류 소스에 의해 제공되는 전류의 1/N 배(N은 1 이상)의 전류를 제공한다. 상기 적응형 조정 전압 회로는, 접지에 연결된 전압 소스, 및 상기 전압 소스와 상기 제1 전류 소스 사이에 연결된 제1 저항을 더 포함한다. 상기 전류 레귤레이터 회로는 상기 제2 전류 소스에 연결된 제2 저항을 포함하고, 상기 제1 저항의 저항값은 상기 제2 저항의 저항값의 N 배이다. 상기 제1 전류 소스는 상기 제1 저항에 연결되고, 상기 조정 전압이 상기 제1 저항과 상기 제1 전류 소스 사이의 노드에서 제공된다. 상기 적응형 조정 전압 회로는, 드레인 또는 소스 중 하나가 상기 제1 저항에 연결되고, 상기 드레인 또는 상기 소스 중 다른 하나가 상기 제1 전류 소스에 연결된 제1 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하고, 상기 조정 전압은 상기 제1 FET와 상기 제2 전류 소스 사이의 노드에서 제공된다. 상기 전류 레귤레이터 회로는 제2 FET를 더 포함하고, 상기 제1 FET 및 상기 제2 FET는 동일한 전기적 특성을 가진다. 상기 제1 FET는 완전히 온(on)된다.
본 발명의 실시예들에 따른 회로는 스위칭 레귤레이터가 보다 신속하게 응답하도록 할 수 있다.
상술한 실시예들의 특징들이 첨부된 도면들 및 아래의 상세한 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 것이다. 첨부된 도면들에서,
도 1a는 부하를 구동하는 회로의 블록도이고,
도 1b는 부하로서 발광 다이오드들(light emitting diodes; LEDs)의 하나의 스트링을 포함하는 도 1a의 회로의 일 예의 블록도이며,
도 1c는 부하로서 LED들의 다수의 스트링들을 포함하는 도 1a의 회로의 다른 예의 블록도이고,
도 2a는 비선형 응답 회로의 일 예 및 전류 레귤레이터 회로의 일 예의 블록도이며,
도 2b는 지수적(exponential) 반전 트랜스컨덕턴스 증폭기의 전압 변화에 따른 전류의 그래프이고,
도 2c는 DC-DC 변환기의 일 예의 회로도이며,
도 3a는 비선형 응답 및 전류 레귤레이터 회로들의 다른 예들의 블록도이고,
도 3b는 비선형 응답 회로의 또 다른 예의 블록도이며,
도 4는 전류 싱크 회로의 회로도이고,
도 5는 전류 검출 회로의 회로도이며,
도 6a는 부하를 구동하는 다른 회로의 블록도이고,
도 6b는 적응형 응답 회로의 블록도이며,
도 7a 및 도 7b는 적응형 조정 전압 회로들의 회로도들이다.
본 발명을 설명하기 전에, 일부 도입 개념들 및 용어가 설명된다. 용어 "승압형 스위칭 레귤레이터(boost switching regulator)"는 상기 승압형 스위칭 레귤레이터에 대한 입력 전압보다 높은 출력 전압을 제공하는 알려진 형태의 스위칭 레귤레이터를 의미한다. 여기에 임의의 특정한 회로 토폴로지의 승압형 스위칭 레귤레이터가 도시되어 있으나, 승압형 스위칭 레귤레이터들이 다양한 회로 구성들을 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 여기에 사용되는 바와 같이, 용어 "강압형 스위칭 레귤레이터(buck switching regulator)"는 상기 강압형 스위칭 레귤레이터에 대한 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 제공하는 알려진 형태의 스위칭 레귤레이터를 의미한다. 승압형 스위칭 레귤레이터와 다르고, 강압형 스위칭 레귤레이터와 또 다른 형태들의 스위칭 레귤레이터들이 존재하는 것이 이해되어야 하고, 본 발명은 임의의 한 형태로 한정되지 않는다.
여기에 DC-DC 변환기들이 개시되어 있고, 개시된 DC-DC 변환기들은, 이에 한정되지 않으나 상술한 승압형 및 강압형 스위칭 레귤레이터들을 포함하는 임의의 형태의 스위칭 레귤레이터일 수 있다.
여기서 사용되는 바와 같이, 용어 "전류 레귤레이터(current regulator)"는 회로 또는 회로 구성요소에 흐르는 전류를 소정의, 즉 조정된, 전류로 조정할 수 있는 회로 또는 회로 구성요소를 의미한다. 전류 레귤레이터는 조정된 전류를 입력할 수 있는 "전류 싱크(current sink)"이거나, 조정된 전류를 출력할 수 있는 "전류 소스(current source)"일 수 있다. 전류 레귤레이터는, 전류 소스의 경우 전류가 출력되거나, 전류 싱크인 경우 전류가 입력되는 "전류 노드(current node)"를 가진다.
여기에 부하에 조정된 출력 전압을 공급하는 스위칭 레귤레이터를 제어하는 회로 및 기술을 포함하는 다양한 실시예들이 개시되어 있고, 이러한 부하는 다시 전류 레귤레이터 회로에 의해 제어된다. 일 실시예에서, 회로는 부하에서의 전압 감소에 응답하여 상기 스위칭 레귤레이터에 제공되는 제어 신호에 비선형 증가를 제공하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 상기 스위칭 레귤레이터는 상기 부하에 제공되는 조정된 출력 전압의 강하를 초래하는 스텝 응답에 일반적으로 가능한 것보다 신속하게 응답할 수 있다. 일 예에서, 상기 회로는 상기 전류 레귤레이터 전압의 감소에 응답하여 상기 제어 신호 레벨에 선형보다 높은(higher-than-linear) 증가를 제공하도록 구성된 비선형 증폭기를 포함한다.
다른 실시예에서, 적응형 조정 전압 회로(adaptive regulation voltage circuit)는, 전류 레귤레이터 회로들이 구동성(operability)을 유지하는 것을 보장하도록, 온도, 공정 제약들(processing constraints) 및 다른 전기적 제약들과 무관하게 하나 이상의 전류 레귤레이터들에 충분한 전압을 제공하도록 구성된다. 다른 실시예들이 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 상세한 설명을 참조하여 명확하게 될 것이다.
도 1a를 참조하면, 회로(10)는 부하(40)를 구동하는 전자 회로(20)(예를 들어, 집적 회로(integrated circuit; IC))를 포함한다. 회로(10)는, 일단이 부하(40)에 연결되고, 타단이 접지에 연결된 커패시터(44)를 더 포함한다. 일 예에서, 커패시터(44)는 필터로서 동작할 수 있다. 전자 회로(20)는, 연결(52)을 통하여 전원(미도시)으로부터 입력 전압, Vin을 수신하고, 제어 신호(58)에 응답하여 부하(40)에 연결(54)을 통하여 조정된 출력 전압, Vout을 제공하는 DC-DC 변환기(32)를 포함한다.
전자 회로(20)는 연결(56)에 의해 부하(40)에 연결된 전류 레귤레이터 회로(34)를 더 포함한다. 전자 회로(20)는, 연결(55)에 의해 전류 레귤레이터 회로(34)에 연결되고, 연결(58)에 의해 DC-DC 변환기(32)에 연결된 비선형 응답 회로(36)를 더 포함한다.
여기에 개시된 다양한 연결들은, 여기서 이러한 각각의 연결에 의해 전송되는 신호와 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 참조 번호 52는 DC-DC 변환기(32)로의 연결을 의미하거나, 또는 이러한 연결에 연관된 입력 전압, Vin을 의미하도록 사용될 수 있다.
일 예에서, 비선형 응답 회로(36)는 전류 레귤레이터 회로(34)에서의 전기적 변환에 응답하여 DC-DC 변환기(32)에 제어 신호(58)를 제공한다. 제어 신호(58)는 DC-DC 변환기(32)의 출력에서 제공되는 상기 조정된 전압(Vout)을 제어한다. 특히, 제어 신호(58)는 전류 레귤레이터 회로(34)에서의 상기 전기적 변환에 대하여 비선형적으로 변한다. 일 실시예에서, 전류 레귤레이터 회로(34)에서의 전압이 강하됨에 따라, 제어 신호(58)는 비선형적으로(예를 들어, 도 2a, 2c, 2d) 증가한다. 일 예에서, 상기 비선형적 증가는 지수적(exponential) 증가이다.
일 실시예에서, 부하(40)의 하단에 연결된 것으로 도시된 전류 레귤레이터 회로(34)는 이에 대신하여 부하(40)의 상단에 연결될 수 있다. 이러한 실시예에서, 레귤레이터 입력 노드는 상기 조정된 전압, Vref를 수신하고, 레귤레이터 출력 노드는 상기 부하에 연결된다.
일 실시예에서, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 부하(40)는 하나 이상의 직렬 연결된 발광 다이오드(light emitting diode; LED)들의 하나 이상의 스트링들일 수 있다. 예를 들어, 도 1b에서, 회로(10')는 부하(40)로서 직렬 연결된 LED들(예를 들어, LED(40a), LED(40b), ..., LED(40N))의 하나의 스트링을 포함한다. 다른 예에서, 도 1c에서, 회로(10'')는 각각이 직렬 연결된 LED들을 가지는 복수의 스트링들(예를 들어, 스트링(240a), ..., 스트링(240N))을 포함한다(예를 들어, 스트링(240a)은 LED(340a), LED(340b), ..., LED(340N)을 포함하고, 스트링(240N)은 LED(342a), LED(342b), ..., LED(342N)을 포함함). 일 예에서, 각 스트링(240a-240N)은 각각의 전류 레귤레이터 회로(34a-34N)에 연결되고, 각 전류 레귤레이터 회로(34a-34N)는, 예를 들어 다중 입력 증폭기(미도시)를 포함하는 다중 입력 비선형 응답 회로(37)에 연결된다. 예시적인 다중 입력 증폭기가 2009년 5월 21일에 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 제2009/0128045호, "ELECTRONIC CIRCUITS FOR DRIVING SERIES CONNECTED LIGHT EMITTING DIODE STRINGS"에 개시되어 있고, 이는 전체로서 여기에 참조로 포함된다.
일 예에서, 전류 레귤레이터들(34a-34N)의 하나 이상은 여기에 개시된 전류 레귤레이터들(예를 들어, 도 2a의 전류 레귤레이터 회로(34') 및 도 3a의 전류 레귤레이터 회로(34''))의 하나 이상일 수 있다. 도 1b 및 도 1c에는 부하(40)의 예들로서 LED들이 도시되어 있으나, 다른 전기적 구성요소들이 부하(40)로서 이용될 수 있다.
일 예에서, 도 2a를 참조하면, 도 1a 및 도 1b의 전류 레귤레이터 회로(34)는 전류 레귤레이터 회로(34')로 구성될 수 있고, 도 1a 및 도 1b의 비선형 응답 회로(36)는 비선형 응답 회로(36')로 구성될 수 있다. 여기서 전류 싱크의 형태를 가지는 전류 레귤레이터 회로(34')는, 일단(108b)이 접지에 연결되고, 타단(108a)이 연결(56)에 의해 도 1의 부하(40)에 연결되며 연결(55)에 의해 비선형 응답 회로(36)에 연결된 전류 싱크(108)를 포함한다. 비선형 응답 회로(36')는, 연결(55)에 의해 전류 레귤레이터 회로(34')에 연결된 하나의 입력, 및 전류 싱크 동작을 보장하도록 선택된 증폭기(110)에 조정 전압, Vreg를 제공하는 조정 전압 회로(112)에 연결된 제2 입력을 가지는 비선형 증폭기(110)(예를 들어, 비선형 트랜스컨덕턴스 증폭기)를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 조정 전압, Vreg는 650 mV 단위를 가질 수 있다.
비선형 증폭기(110)의 출력은 커패시터(124)(경우에 따라, 보상 커패시터로 불림)에 연결된다. 커패시터(124)는 DC-DC 변환기(32)의 노드(32b)(도 2a 참조)의 입력 커패시턴스와 병행하여 증폭기(110)의 출력 커패시턴스로 구성될 수 있다. 그러나, 다른 구성들에서, 커패시터(124)는 또한 다른 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터(124)는 피드백 제어 루프를 안정화시키도록 선택된 값을 가질 수 있다. 일 예에서, 커패시터(124)는 10 nF 단위의 커패시턴스를 가질 수 있다. 다른 예에서, 보다 빠른 피드백 응답이 가능하도록 커패시터(124)와 직렬로 저항(미도시)이 추가될 수 있다.
비선형 증폭기(110)는, 이의 출력 전류가 이의 입력들 사이의 차이, 즉 에러 전압에 응답하여 비선형 방식으로 가변되도록 가변 비선형 이득을 가진다. 일부 구성들에서, 증폭기(110)는 전압 전류 출력을 제공하는 트랜스컨덕턴스 증폭기이다. 이러한 구성들에서, 상기 증폭기의 출력단은 입력 신호 레벨들 및 증폭기(110)의 전달 함수에 따라 커패시터(124)를 충전 또는 방전함으로써 이에 상응하도록 제어 신호(58)를 조절할 수 있다.
일 예에서, 비선형 증폭기(110)는, 상기 증폭기의 출력 전류가 이의 입력들 사이의 차이 전압의 감소 및 증가에 각각 지수적으로 증가 및 감소하도록, 지수 함수를 구현한다. 비선형 전달 함수의 예시적인 예가 도 2b에 도시되어 있다.
구동 중, 전류 레귤레이터 노드(108a)의 전압이 조정 전압(Vreg) 이하로 감소함에 따라, 상기 증폭기 출력은 선형 방식보다 더 크게 증가함으로써, 이러한 입력 전압 차이들을 "과대 증폭(over amplify)"하여 상기 DC-DC 컨버터가 일반적으로 가능한 것보다 신속하게 응답하도록 할 수 있다. 특히, 예를 들어 증가된 부하 형태의 스텝 응답이 상기 조정된 출력 전압, Vout의 강하를 초래한 경우, 연결(55)에서의 전압이 강하될 것이다. 일반적으로, 전류 레귤레이터(34)는 대략 650 mV의 전압으로 강압 조정할 수 있고, 이 전압 이하에서는 부하(40)가 충분한 전류를 공급받지 못할 수 있고, 이에 따라 LED들이 디밍(dimming)되거나 완전히 꺼질 수 있다. 상기 전류 레귤레이터에서의 전압이 650 mV 이하, 예를 들어 대략 350 mV의 레벨로 강하되도록 상기 스텝 응답이 큰 경우, 증폭기(110)는 이러한 입력들 사이에서 증폭기 출력 전류 한계에 도달하는 데에 충분하지 못한 에러인 300 mV만을 감지할 수 있다. 전류 한계에 신속하게 도달함으로써 DC-DC 변환기(32)에 비선형적으로 변하는 제어 신호를 제공하는 비선형 증폭기(110)를 이용하여, 상기 DC-DC 변환기는 갑작스런 전압 강하를 처리하도록 충분히 신속하게 증가하는 조정된 출력 전압(Vout)을 제공할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 도 1의 DC-DC 변환기(32)의 일 예는 DC-DC 변환기(32')이다. DC-DC 변환기(32')는 상술한 전자 회로(20)에 포함될 수 있는 제1 부분(114) 및 전자 회로(20)의 외부에 위치하나 전자 회로(20)에 연결된 제2 부분(116)을 포함한다.
제1 부분(114)은 도 1a의 비선형 응답 회로(36)로부터 제어 신호(58)를 수신하도록 구성된 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM) 제어기(118)를 포함한다. PWM 제어기(118)는 PWM 신호(120)를 생성하도록 구성된다. 제어 전류 전송 소자, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor; FET)(122)가 게이트 노드에서 PWM 신호(120)를 수신하고 드레인 노드에서 펄스 전류 신호(123)를 수신하도록 연결된다.
제2 부분(116)은 노드(32c)에서 수신되는 상기 입력 전압, Vin과 접지 사이에 연결된 입력 커패시터(126)를 포함한다. 인덕터(128)는 또한 상기 입력 전압, Vin을 수신하도록 연결된 입력 노드(128a), 및 FET(122)의 상기 드레인 노드에 연결된 출력 노드(128b)를 포함한다. 다이오드(130)는 인덕터(128)의 출력 노드(128b)에 연결된 애노드, 및 상기 조정된 출력 전압, Vout이 생성되는 변환기 출력 노드(32a)에 연결된 캐소드를 포함한다. 출력 커패시터(134)는 출력 노드(32a) 및 접지 사이에 연결된다. 도시된 변환기(32')는, 증가하는 제어 신호(58)에 응답하여 스위치(122)의 듀티 사이클을 증가시켜 상기 조정된 출력 전압의 증가시키도록, 종래의 PWM 승압형 스위칭 레귤레이터의 방식으로 동작한다. 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 이러한 PWM 발진기(118) 및 제어 신호(58)가 전류 또는 전압 노드 듀티 사이클 제어를 구현할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 3a를 참조하면, 도 1a의 전류 레귤레이터 회로(34)의 다른 예는 전류 레귤레이터 회로(34'')이고, 도 1a의 비선형 응답 회로(36)의 다른 예는 비선형 응답 회로(36'')이다. 여기서 또한 전류 싱크의 형태를 가지는 전류 레귤레이터 회로(34'')는, 접지에 연결된 하나의 노드(214b), 및 연결(56)에 의해 상기 부하에 연결되고 연결(55)에 의해 비선형 회로(36)에 연결된 다른 하나의 노드(214a)를 가지는 전류 싱크(214)를 포함한다. 비선형 응답 회로(36'')는, 연결(55)에 의해 전류 레귤레이터 회로(34'')에 연결된 하나의 입력, 및 전류 싱크 동작을 보장하도록 선택된 조정 전압, Vreg을 제공하는 (도 2a의 조정 전압 회로(112)와 유사한) 조정 전압 회로(212)에 연결된 다른 하나의 입력을 포함하는 선형 증폭기(210)(종종 "승압형 에러 증폭기(boost error amplifier)"로 불림)를 포함한다. 비선형 증폭기(210)의 출력은 연결(58)에 의해 DC-DC 변환기(32)에 연결되고, (도 2a의 커패시터(124)와 유사한) 커패시터(224)에 연결된다. 커패시터(224)는 루프 필터를 제공할 수 있고, 피드백 제어 루프를 안정화시키도록 선택된 값을 가질 수 있다. 일 예에서, 커패시터(224)는 10 nF의 단위를 가질 수 있다. 다른 예들에서, 보다 빠른 피드백 응답이 가능하도록 커패시터(224)에 직렬로 연결된 저항(미도시)이 추가될 수 있다.
비선형 응답 회로(36'')는 또한, 커패시터(224)에 연결되고, 연결(58)에 의해 DC-DC 변환기(32)에 연결된 전류 검출 회로(220)를 포함한다. 전류 검출 회로(220)는 또한 연결(254)에 의해 전류 싱크(214)의 노드(214c)에 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 전류 검출 회로(220)는 전류 싱크(214)에 흐르는 전류가 소정의 임계 레벨로 강하되는지(예를 들어, 강하의 시작)를 판단한다.
일 실시예에서, 상기 전류 검출 회로는, 전류 싱크(215)가 포화되는지를 검출함으로써 상기 전류가 강하되는지를 판단한다. 전류 검출 회로(220)가, 상기 전류 싱크의 포화 또는 다른 전류 레벨 조건을 의미할 수 있는, 상기 전류가 상기 소정의 임계 레벨로 강하되는 것을 검출한 경우, 전류 검출 회로(220)는, 예를 들어 보상 커패시터(224)에 추가적인 전류를 공급함으로써 이의 전압 및 부수적으로 제어 신호 레벨(58)을 증가시킬 수 있다.
도 3b를 참조하면, 도 1a의 비선형 응답 회로(36)의 다른 예는 비선형 응답 회로(36''')이다. 비선형 응답 회로(36''')는, (전류 검출 회로(220)와 유사한) 전류 검출 회로(220')가 도 3a의 실시예에서와 같이 상기 증폭기 출력에 연결되는 대신에 선형 증폭기(210)에 연결된 것을 제외하고, 도 3a의 비선형 응답 회로(36'')와 유사하다. 이러한 구성에서, 전류 검출 회로(220')가, 포화(또는 다른 전류 레벨 조건)를 의미할 수 있는, 전류 싱크(214)의 전류가 소정의 임계 레벨로 강하되는 것을 검출한 경우, 전류 검출 회로(220')는 상기 증폭기 출력에 추가적인 전류를 제공하도록 선형 증폭기(210)를 인에이블할 수 있고, 이러한 전류는 보상 커패시터(224)의 전압을 증가시켜 이에 따라 제어 신호(58)의 레벨을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 전류 검출 회로(220')는 선형 증폭기(210)의 출력에 보다 많은 전류를 주입하도록 선형 증폭기(210)의 출력단을 인에이블할 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3a의 전류 싱크의 일 예는 전류 싱크(214')이다. 전류 싱크(214')는, 연결(56)에 의해 부하(40)에 연결되고, 연결(55)에 의해 도 3a의 비선형 응답 회로(36'')에 연결된 제1 단자(예를 들어, FET(360)의 드레인), 값 Rx를 가지는 저항(362)을 통하여 접지에 연결된 제2 단자(예를 들어, FET(360)의 소스)를 가지는 FET(360)를 포함한다. FET(360)의 게이트는 연결(382)에 의해 증폭기(364)의 출력에 연결된다. 증폭기(364)의 하나의 입력은 FET(360)의 상기 제2 단자(예를 들어, 상기 소스)에 연결된다. 증폭기(364)의 다른 하나의 입력은, 저항(394)을 통하여 접지에 연결된 전류 소스(362)에 연결된다. 전류 소스(392)는 전원 전압, Vcc에 연결된다.
전류 싱크(214')는, LED들에 대한 원하는 동작(즉, 원하는 발광)을 달성하도록, 각각의 LED 스트링을 통하여 원하는 전류를 끌어내(draw)도록 설계된다. 이를 위하여, 전류 소스(392)는 상기 각각의 LED 부하에 특정한 사양(specifications)에 따라 사용자 지정 전류를 제공한다. 증폭기(364)는, FET(360)가 FET(360) 및 저항(362)을 통하여 전류 소스(392)에 의해 제공된 것과 동일한 전류를 끌어내게 동작하도록 배치된다. 이러한 구성에서, 노드(396)에서의 전압은 노드(398)에서의 전압과 동일하고, 그러므로, 두 저항들이 동일한 값을 가진 경우, 저항(394)에 흐르는 전류는 저항(362)에 흐르는 전류와 동일하다. 다른 예들에서, 상기 저항들은, 출력 저항(362)이 저항(394)보다 작고, 보다 많은 전류를 끌어내도록, 스케일될(scaled) 수 있다. 하나의 특정한 예에서, 기준 측에서의 1 uA가 1 mA의 LED들에 흐르는 전류를 생성할 때 1000의 스케일링 인자(scaling factor)가 이용될 수 있다.
일 예에서, 전류 소스(392)는, 사용자에 의해 설정된 전류인 Iuser와 동일한 전류를 가진다. 노드(392)에서의 전압은, 각 전류 레귤레이터 회로에서 분리된 전류 레귤레이터 및 저항(392 및 394)의 필요 없이, (예를 들어, 도 1c에 개시된 바와 같이) 다른 병렬적인 전류 레귤레이터 회로들에 공급될 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 예에서, 도 3a 및 도 3b의 전류 검출 회로(220 또는 220')는 전류 싱크(214')에 포함된 FET(360)의 게이트에서의 전압을 측정하여 전류 포화를 검출할 수 있다. 특히, 전류 검출 회로(220'')는, 연결(254)에 의해 FET(360)의 게이트에 연결된 제1 입력, 및 도 4의 증폭기(364)의 포화 전압에 근접할 수 있는 포화 전압, Vsat과 같은 전압에 연결된 제2 입력을 가지는 비교기를 포함한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 적응형 전자 회로(22)는 적응형 응답 회로(adaptive response circuit)(406)를 포함한다. 도 6a 및 도 6b에서, 유사한 구성요소들은 유사한 참조 번호들을 가진다. 적응형 응답 회로(406)는 연결(55)을 통하여 전류 레귤레이터 회로(34)에 연결된 하나의 입력, 및 적응형 조정 전압 회로(412)에 연결된 다른 하나의 입력을 가지는 증폭기(410)를 포함한다. 적응형 조정 전압 회로(412)는 연결(420)을 통하여 증폭기(410)에 조정 전압, Vreg를 제공하도록 구성된다.
예를 들어, 일반적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 조정 전압은, 온도, 공정 제약들 및 다른 전기적 제약들의 관점에서 최악의 시나리오에 대하여 도 1a의 전류 레귤레이터 회로가 정상적인 동작을 위하여 충분한 전압을 제공받는 것을 보장하도록 선택된 고정된 값이다. 결과적으로, 이러한 조정 전압은 일반적인 구동 조건들 하에서 필요한 것보다 훨씬 높은 경향이 있고, 이는 불필요하게 높은 전력 소모를 가져온다. 반대로, 적응형 조정 전압 회로(412)는 실제 구동 조건들에 기초하여 결정된 조정 전압(420)을 제공하고, 이에 따라 조정 전압, Vreg가 최악의 시나리오에 필요한 전압보다는 낮으나 전류 레귤레이터(34)의 정상 동작을 보장하는 데에 충분한 전압보다 높을 수 있다. 특히, 적응형 조정 전압 회로(412)는, 전류 레귤레이터 회로(34)를 "흉내(mimics)" 또는 복제하고, 상기 전류 레귤레이터 회로의 드롭 오프 전압 레벨(drop off voltage level), 즉 전류 레귤레이터(34)가 정상적인 동작을 중지하는 전압을 결정하도록 구성된 회로를 포함한다. 적응형 조정 전압 회로(412)는 상기 드롭 오프 전압 레벨보다 높은 레벨의 조정 전압(420)을 제공한다. 예를 들어, 적응형 조정 전압 회로(412)의 상기 회로는 전류 레귤레이터 회로(34)의 다운 스케일된 버전이나 비슷한(comparable) 물리적 및 전기적 특성들을 가질 수 있다. 따라서, 전류 레귤레이터 회로(34)에, 특히 이의 드롭 오프 전압에 영향을 미치는 조건들(예를 들어, 온도)이 존재하는 경우, 적응형 조정 전압 회로(412)는, 실질적으로 동일한 방식으로 영향을 받으므로, 조정 전압(420)을 상응하게 조절할 수 있다.
도 7a를 참조하면, 도 6b의 적응형 조정 전압 회로(412)의 일 예는 적응형 조정 전압 회로(412')이다. 적응형 조정 전압 회로(412')는, 일단이 전원 전압, Vcc에 연결되고, 타단이 전압 소스(428)에 연결된 저항(426)에 연결된 전류 소스(424)를 포함한다. 전류 소스(424)는 전류 싱크 회로(214')의 도 4의 전류 소스(392)의 전류 미러(current mirror)이다. 저항(426)은 도 4의 저항들(394 및 362)의 스케일된 버전이다. 예를 들어, 저항값은 N*Rx와 같다(N은 1이상). 이와 유사하게, 전류 소스(424)는 전류 소스(392)의 미러(mirror)이지만, 제공되는 전류가 (1/N)*Iuser와 같도록 스케일된다.
전압 소스(428)는 도 4의 전류 싱크(214')가 정상 동작을 하는 데에 요구되는 헤드룸(headroom)의 양을 나타낸다. 이러한 구성에서, 조정 전압(420)(또한 도 6b를 참조)은 전류 소스(424)와 저항(426) 사이에서 제공된다.
일 예에서, 650 mV의 조정 전압이 가정된 최악의 시나리오의 경우, 적응형 조정 전압 회로(412')에 의해 제공되는 전압 소스(428)는, 예를 들어 상온에서 350 mV로 감소될 수 있다. 전압 소스(428)에 의해 제공되는 전압이 도 4의 전류 싱크(214')에 의해 요구되는 전압 헤드룸에 관련된 것을 이해할 수 있을 것이다. 회로(412') 내의 전압들이, 예를 들어 온도에 기인하여, 변함에 따라, 조정 전압(428)은 실질적으로 동일한 방식으로 변한다. 이에 따라, 회로(412')에 의해 소모되는 전력이 감소된다.
도 7b를 참조하면, 도 6b의 적응형 조정 전압 회로(412)의 다른 예는 적응형 조정 전압 회로(412'')이다. 적응형 조정 전압 회로(412'')는, 일단이 전원 전압, Vcc에 연결되고, 타단이 FET(434)의 제1 단자(예를 들어, 드레인)에 연결된 전류 소스(432)를 포함한다. FET(434)의 제2 단자(예를 들어, 소스)는 저항(436)에 연결되고, FET(434)의 게이트는 상기 전원 전압, Vcc에 연결된다. 저항(436)은 전압 소스(438)에 연결된다. 전류 소스(432)는 전류 레귤레이터 회로(214')의 도 4의 전류 소스(392)의 전류 미러이다. 저항(436)은 도 4의 저항들(394 및 362)의 스케일된 버전이다. 예를 들어, 저항값은 N*Rx와 같다. 이와 유사하게, 전류 소스(432)는 전류 소스(392)의 미러(mirror)이지만, 제공되는 전류가 (1/N)*Iuser와 같도록 스케일된다.
전압 소스(438)는 도 4의 전류 싱크(214')가 정상 동작을 하는 데에 요구되는 헤드룸의 양을 나타낸다. FET(434)는 도 4의 FET(360)와 전기적으로 동일하고, 완전히 "온(on)"된다. 조정 전압(420)은 전류 소스(432)와 FET(434) 사이에서 제공된다.
이러한 전기적 구성에서, 회로(412'')가 (예를 들어, 온도에 기인한) FET(360)의 변화를 처리하므로, 동일한 부하(40)에 대하여 회로(412')보다 낮은 조정 전압이 요구되고, 회로(412')의 동적 범위가 증가된다. 하나의 특정한 예에서, 650 mV의 조정 전압이 가정된 최악의 시나리오의 경우, 적응형 조정 전압 회로(412'')에 의해 제공되는 전압 소스(438)는, 예를 들어 상온에서 150 mV로 감소될 수 있다. 전압 소스(438)에 의해 제공되는 전압이 도 4의 전류 싱크(214')에 의해 요구되는 전압 헤드룸에 관련된 것을 이해할 수 있을 것이다. 회로(412'') 내의 전압들이, 예를 들어 온도에 기인하여, 변함에 따라, 조정 전압(438)은 실질적으로 동일한 방식으로 변한다. 이에 따라, 전류 싱크(412'')에 의해 소모되는 전력이 감소된다.
도 4의 저항(394)이 저항(362)과 같은 값, Rx를 가지는 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예들에서, 저항(394)( 및 전류 소스(392))은 다르게 스케일될 수 있다.
여기에 개시된 서로 다른 실시예들의 구성 요소들은 구체적으로 상술되지 않은 다른 실시예들을 형성하도록 조합될 수 있다. 여기에 구체적으로 개시되지 않은 다른 실시예들 또한 하기의 특허청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (26)

  1. 부하에 전력을 제공하는 스위칭 레귤레이터;
    상기 부하에 연결된 전류 레귤레이터 회로; 및
    상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 변화에 응답하여 상기 스위칭 레귤레이터에 제어 신호를 제공하는 응답 회로를 포함하고,
    상기 제어 신호는 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 전기적 변화에 대하여 비선형적으로 변하는 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 응답 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로의 전압 강하에 응답하여 상기 제어 신호에 대한 비선형 증가를 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 신호에 대한 상기 비선형 증가는 상기 응답 회로의 전류 출력을 증가시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 신호에 대한 상기 비선형 증가는 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 전기적 변화에 지수적으로 관련된 것을 특징으로 하는 회로.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭 레귤레이터는 DC-DC 변환기인 것을 특징으로 하는 회로.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 응답 회로는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 증폭기는 조정 전압 회로로부터 제1 입력을 수신하고, 상기 전류 레귤레이터 회로로부터 제2 입력을 수신하는 것을 특징으로 하는 회로.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 증폭기는 비선형 증폭기인 것을 특징으로 하는 회로.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 증폭기는 선형 증폭기인 것을 특징으로 하는 회로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전류가 소정의 임계 레벨에 도달하였는지를 결정하는 전류 검출 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전류가 상기 소정의 임계 레벨에 도달한 경우, 상기 선형 증폭기의 전류 출력을 증가시키도록 상기 선형 증폭기를 인에이블하는 것을 특징으로 하는 회로.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전류가 상기 소정의 임계 레벨에 도달한 경우, 추가 전류를 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압이 포화되었는지를 결정하는 전류 검출 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압이 포화된 경우, 상기 선형 증폭기의 전류 출력을 증가시키도록 상기 선형 증폭기를 제어하는 것을 특징으로 하는 회로.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 전류 검출 회로는, 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압이 포화된 경우, 추가 전류를 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.
  16. 제 2 항에 있어서, 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 전압 강하는 소정의 임계치 이하로 낮아지는 상기 전류 레귤레이터 회로에서의 전압에 상응하는 것을 특징으로 하는 회로.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 소정의 임계치는 상기 전류 레귤레이터 회로와 연관된 최소 동작 전압에 관련된 것을 특징으로 하는 회로.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 부하는 하나 이상의 발광 다이오드들(LEDs)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  19. 부하에 전력을 제공하는 스위칭 레귤레이터;
    상기 부하에 연결된 전류 레귤레이터 회로; 및
    적응형 응답 회로를 포함하고, 상기 적응형 응답 회로는,
    상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 변화에 응답하여 상기 스위칭 레귤레이터에 제어 신호를 제공하고, 상기 전류 레귤레이터 회로에 연결된 제1 입력 및 제2 입력을 포함하는 증폭기; 및
    상기 전류 레귤레이터 회로의 구동성(operability)을 유지시키도록 상기 증폭기의 상기 제1 입력에 조정 전압을 제공하는 적응형 조정 전압 회로를 포함하고,
    상기 적응형 조정 전압 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로의 전기적 특성을 복제하는 것을 특징으로 하는 회로.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 적응형 조정 전압 회로는 상기 전류 레귤레이터 회로의 제2 전류 소스를 미러링하는 제1 전류 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 적응형 조정 전압 회로의 상기 제1 전류 소스는 상기 전류 레귤레이터 회로의 상기 제2 전류 소스에 의해 제공되는 전류의 1/N 배(N은 1 이상)의 전류를 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 적응형 조정 전압 회로는,
    접지에 연결된 전압 소스; 및
    상기 전압 소스와 상기 제1 전류 소스 사이에 연결된 제1 저항을 더 포함하고,
    상기 전류 레귤레이터 회로는 상기 제2 전류 소스에 연결된 제2 저항을 포함하며,
    상기 제1 저항의 저항값은 상기 제2 저항의 저항값의 N 배인 것을 특징으로 하는 회로.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제1 전류 소스는 상기 제1 저항에 연결되고, 상기 조정 전압이 상기 제1 저항과 상기 제1 전류 소스 사이의 노드에서 제공되는 것을 특징으로 하는 회로.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 적응형 조정 전압 회로는,
    드레인 또는 소스 중 하나가 상기 제1 저항에 연결되고, 상기 드레인 또는 상기 소스 중 다른 하나가 상기 제1 전류 소스에 연결된 제1 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하고,
    상기 조정 전압은 상기 제1 FET와 상기 제2 전류 소스 사이의 노드에서 제공되는 것을 특징으로 하는 회로.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 전류 레귤레이터 회로는 제2 FET를 더 포함하고,
    상기 제1 FET 및 상기 제2 FET는 동일한 전기적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 회로.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 제1 FET는 완전히 온(on)되는 것을 특징으로 하는 회로.
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