KR20130137659A

KR20130137659A - 직렬 통신 인터페이스를 구비하여 유저 구성가능하고, 효율이 최적화되고, 교정된 센서리스 파워/에너지 변환 스위치 모드 전원 장치

Info

Publication number: KR20130137659A
Application number: KR1020137017294A
Authority: KR
Inventors: 테리 클리브랜드; 클리포드 엘리슨; 스캇 디어본; 키스 파즐
Original assignee: 마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-12-17
Also published as: TWI542133B; US20120139517A1; EP2647114B1; US8456147B2; WO2012075225A3; WO2012075225A2; TW201233028A; CN103329417A; EP2647114A2; KR101889060B1

Abstract

지능형 펄스 폭 변조(PWM) 제어기는 마이크로컨트롤러, PWM 디지털 회로 및 아날로그 회로를 하나의 집적 회로에 집적함으로써 효율을 최적화하고, 핫 스폿을 제거하고, SMPS 시스템 동작 파라미터들을 적용하여 고장을 제거하여 외부 접속부의 수를 저감하고, 실리콘 다이 영역 및 집적 회로 패키지를 축소할 수 있다. 무손실 인덕터 전류 감지 기술은 파워 회로에서 손실을 일으키지 않고 SMPS의 파워 인덕터를 통해 전류를 정확하게 측정하기 위해 정합된 동조 상보 필터와 지능형 SMPS 제어기를 집적한다. 상보 필터는 부품 내성의 영향을 대폭적으로 개선하도록 마이크로컨트롤러에 의해 정밀한 폐루프 제어 및 과전류 방지를 위해 파워 인덕터 전류를 정확하게 측정함으로써 조정된다. 상보 통합 필터의 극 주파수와 이득은 SMPS 시스템의 동적인 변화 동작 조건에 적응하도록 온 더 플라이(on the fly)로 조정될 수 있다.

Description

직렬 통신 인터페이스를 구비하여 유저 구성가능하고, 효율이 최적화되고, 교정된 센서리스 파워/에너지 변환 스위치 모드 전원 장치{USER-CONFIGURABLE, EFFICIENCY-OPTIMIZING, CALIBRATED SENSORLESS POWER/ENERGY CONVERSION SWITCH-MODE POWER SUPPLY WITH A SERIAL COMMUNICATIONS INTERFACE}

본 출원은 Terry Cleveland, Clifford Ellison Ⅲ, Scott Dearborn 및 Keith Pazul의 발명의 명칭이 "직렬 통신 인터페이스를 구비하여 유저 구성가능하고, 효율이 최적화되고, 교정된 센서리스 파워/에너지 변환 스위치 모드 전원 장치(User-Configurable, Calibrated Sensorless Efficiency-Optimizing, Power/Energy Convesion Switch-Mode Power Supply with a Serial Communication Interface)"인 2010년 12월 3일 출원된 공유 미국 가출원 제61/419,593의 우선권의 이익을 주장하고; Scott Dearborn의 발명의 명칭이 "스위치 모드 전원 장치에서의 무손실 인덕터 전류 감지(Lossless Inductor Current Sensing in a Switch-Mode Power Supply)"인 공유 2011년 _______출원된 미국 특허 출원 번호______; Terry Cleveland, Clifford Ellison Ⅲ, Scott Dearborn 및 Keith Pazul의 발명의 명칭이 "직렬 통신 인터페이스를 구비한 스위치 모드 전원 장치에서의 유저 구성가능하고, 효율이 최적화되고, 교정된 센서리스 파워/에너지 변환(User-Configurable, Efficiency-Optimizing, Calibrated Sensorless Power/Energy Conversion in a Switch-Mode Power Supply With Serial Communications Interface)"인 2011년 _______출원된 미국 특허 출원 번호______; 및 Terry Cleveland, Clifford Ellison Ⅲ, Scott Dearborn 및 Keith Pazul의 발명의 명칭이 "직렬 통신 인터페이스를 구비한 스위치 모드 전원 장치에서의 유저 구성가능하고, 효율이 최적화된 파워/에너지 변환(User-Configurable, Efficiency-Optimizing, Power/Energy Conversion in a Switch-Mode Power Supply With Serial Communications Interface)"인 공동 소유의 2011년 _______출원된 미국 특허 출원 번호______에 관한 것이며, 이 모든 내용을 여기에서 참조하기로 한다.

본 발명은 스위치 모드 전원 장치에 관한 것으로, 특히 스위치 모드 전원 장치(switch-mode power supply; SMPS)에서의 효율 최적화되고, 교정된 센서리스 파워/에너지 변환에 관한 것이다.

동기식 버크 스위치 모드 파워 컨버터(synchronous buck switch-mode power converter)는 스위치 모드 전원 장치(SMPS) 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 토폴로지(topology)이다. SMPS 토폴로지는 그의 높은 효율성, 소형 및 경량으로 인해 수용의 폭이 넓다. 그러나 SMPS의 크기가 감소함에 따라 상기 SMPS로부터의 열 소산/제거는 많은 문제를 갖게 되었다. SMPS의 전형적인 효율은 90퍼센트 이지만, 여전히 SMPS가 사용한 에너지의 10퍼센트가 폐열로 낭비되어지고 있는 실정이다. 또한, 고 효율의 SMPS는 단일 부하 조건에서만 최적을 유지한다. 그러나 실제의 응용에서 전력 이용 부하들은 그 변화의 폭이 넓어서 이들 부하에서 해당 SMPS 효율 또한 그 변화의 폭이 넓다. SMPS 토폴로지에서 전류 감지는 당면 과제일 수 있어서 설계적으로 극복해야만 한다. 부하로 입력되는 전류를 인식하거나 감지하면 파워 컨버터를 보호할 수 있으며, 파워 컨버터의 폐쇄 루프 제어 시 동적 성능을 개선할 수 있다.

SMPS에서의 인덕터는 일 부분의 스위칭 주기 동안 에너지를 저장하는데 사용된다. SMPS 인덕터의 전기적인 특성 예를 들어, 인덕턴스 및 자기 포화 값은 광범하게 변할 수 있다. 상기 인덕터 전기적 특성의 내성은 온도 및/또는 전압에 따라 변하므로 SMPS 시스템은 SMPS 시스템 효율을 최적화하기 위해 최악의 조건을 고려하여 "과도 디자인(over-designed)" 되어야 한다. 또한, 다른 부하 전류에서 한 SMPS로부터 다른 SMPS로 흐르는 인덕터 전류는 정확하게 측정하기가 어렵다. 다상(multiphase) SMPS 시스템의 인덕터와 관련되는 인덕터 전류 감지 회로를 정확하게 교정하는 능력을 가지면, 동적 성능이 개선되어 다상 SMPS 시스템에서 다상 컨버터의 핫 스폿(hot spot)을 제거할 수 있다. 또한, SMPS 시스템과 통신할 수 있는 능력을 가짐으로써, 동작 파라미터들을 모니터링할 수 있고 진단을 수행하고 동작 오브젝트들을 변경할 수 있다.

따라서 사실상 모든 부하 조건에 대해 개선된 효율을 유지하고 호스트 시스템과 통신할 수 있어서 동작 파라미터들을 모니터할 수 있고, 진단을 수행할 수 있으며, 동작 오브젝트들을 SMPS에서 변경할 수 있는 고성능 파워/에너지 변환 스위치 모드 전원 장치(SMPS)가 필요하다.

이는 마이크로컨트롤러, 직렬 통신 인터페이스, PWM 디지털 회로 및 아날로그 회로를 하나의 집적 회로에 집적함으로써 효율을 최적화하고, 핫 스폿을 제거하고, SMPS 시스템 동작 파라미터들을 적용하여 고장을 제거하여 종래 기술의 SMPS 시스템에서 필요로 하였던 외부 접속부의 수를 저감하고, 실리콘 다이 영역 및 집적 회로 패키지를 축소하는 지능형 펄스폭 변조(PWM) 제어기에 의해 달성될 수 있다. 따라서 인쇄 회로 기판의 스페이스가 작아지게 되고 외부 부품의 수가 적어지게 되어 제조 비용을 저감하고 SMPS 시스템의 신뢰성을 개선할 수 있게 된다.

사실상 모든 부하 조건에 대한 이러한 개선된 이용 효율은 지능적 제어와 펄스 폭 변조(PWM)의 사용을 교정된 센서리스 궤환 기술에 조합하여 달성될 수 는데 이하에서 보다 상세하게 기술한다. 본 발명의 개시에 따르면, 지능형 SMPS 제어기는 MPS의 사실상의 모든 부하 조건에서 모든 동작 파라미터들 예를 들어, S스위칭 주파수, 스위치들 사이의 지연 시간, 구동 능력 등에 대한 SMPS 효율들을 최적화하도록 프로그램될 수 있다. SMPS 시스템과 통신을 할 수 있는 능력은 동작 파라미터들을 모니터하게 하고 진단을 수행하게 하고 동작 오브젝트들을 변경하게 할 수 있다.

본 개시의 특정 예시의 실시예에 따르면, 스위치 모드 전원 장치(SMPS)는 전압 원(voltage source)에 결합된 적어도 하나의 파워 스위치; 상기 적어도 하나의 전원 스위치에 결합된 파워 인덕터(power inductor); 상기 SMPS의 조정된 전압 출력을 제공하는 상기 파워 인덕터의 부하측에 결합된 필터 커패시터; 및 상기 전압 원, 상기 적어도 하나의 파워 스위치, 상기 파워 인덕터 및 상기 SMPS의 조정된 전압 출력에 결합된 SMPS 제어기를 포함하고, 상기 SMPS 제어기는 상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 적어도 하나의 드라이버; 상기 적어도 하나의 드라이버에 결합된 출력을 가지며 상기 적어도 하나의 드라이버를 제어하는 펄스 폭 변조(PWM) 발생기; 디지털 프로세서- 상기 디지털 프로세서는 메모리를 가지며 상기 PWM 발생기에 결합되고 동작 시 상기 PWM 발생기에 동작 파라미터들을 제공함-; 상기 조정된 전압 출력과 기준 전압을 비교하는 전압 비교 회로- 상기 전압 비교 회로는 상기 조정된 출력 전압과 상기 기준 전압 사이의 차이를 나타내는 에러 신호를 생성하고 상기 에러 신호는 상기 PWM 발생기의 에러 입력에 결합되어 있음-; 상기 파워 인덕터에 결합된 센서리스 동조 상보 필터- 상기 센서리스 동조 상보 필터는 상기 파워 인덕터를 통해 전류를 측정하고, 상기 파워 인덕터를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전압 출력을 디지털 프로세서에 제공함-; 및 상기 디지털 프로세서에 연결되고, 상기 SMPS에 유저 구성가능한 동작 파라미터들을 제공하기 위한 통신 인터페이스를 포함하고, 상기 디지털 프로세서는 SMPS의 모든 동작 조건에서 SMPS 제어기에 동작 파라미터들을 제공함으로써 SMPS의 동작을 최적화한다.

본 개시의 또 하나의 실시예에 따르면, 스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 동작을 유저 구성가능하게 최적화하는 방법은 전압 원에 결합된 적어도 하나의 파워 스위치를 제공하는 단계; 상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 파워 인덕터를 제공하는 단계; 상기 SMPS로부터 조정된 전압을 제공하는 파워 인덕터의 부하 측에 결합된 필터 커패시터를 제공하는 단계; 및 SMPS 제어기를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 SMPS 제어기는 상기 적어도 하나의 파워 스위치에 적어도 하나의 드라이버를 결합하고, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기에 의해 상기 적어도 하나의 드라이버를 제어하고, 전압 비교 회로에 의해 상기 SMPS로부터의 조정된 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 전압 비교 회로에 의해 상기 조정된 전압과 기준 전압 사이의 차이를 나타내는 전압 에러 신호를 생성하고, 상기 PWM 발생기에 상기 전압 에러 신호를 결합하고, 상기 파워 인덕터에 결합된 센서리스 동조 상보 필터에 의해 상기 파워 인덕터를 통하는 전류를 측정하고, 상기 전류 인덕터를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 출력 신호를 상기 센서리스 동조 상보 필터에 제공하고, 메모리를 갖는 디지털 프로세서를 제공하고- 상기 전압 에러 신호 및 상기 전류 출력 신호는 상기 디지털 프로세서 입력들에 인가되고, 상기 디지털 프로세서는 상기 전류 출력 및 전압 에러 신호들을 기반으로 동작 파라미터들을 조정하도록 상기 PWM을 제어함-, 상기 디지털 프로세서에 연결되고, 상기 SMPS에 유저 구성가능한 동작 파라미터들을 제공하기 위한 통신 인터페이스를 제공하는 것을 용이하게 한다.

따라서 인쇄 회로 기판의 스페이스가 작아지게 되고, 외부 부품의 수가 적어지게 되어 제조비용을 저감하고 SMPS 시스템의 신뢰성을 개선할 수 있게 된다.

도 1은 기본 전압 조정 시스템의 개략 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시한 전압 조정 시스템의 보다 상세한 개략 블록도이다.
도 3은 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 스위치 모드 전원 장치(SMPS)로서 실시된 도 2에 도시한 파워 회로의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 도 2에 도시한 제어 회로의 보다 상세한 개략 블록도이다.
도 5는 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 SMPS의 인덕터 전류를 손실 없이 측정하기 위한 회로의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 특정 예시의 실시예에 따른 SMPS의 인덕터 전류를 손실 없이 측정하기 위한 회로의 개략도이다.
도 7은 도 5와 도 6에 도시한 회로들의 극 주파수(pole frequency) 조정 그래프를 도시한다.
도 8은 도 5 및 도 6에 도시한 회로들에 대한 DC 이득 조정 그래프를 나타낸다.
도 9는 도 5 및 도 6에 도시한 동조 상보 필터들의 특정 예시의 실시예들을 이용하여 SMPS 시스템을 제어하기 위한 혼합 신호 집적 회로의 개략 블록도이다.

본 발명은 이하의 첨부 도면과 관련한 상세한 설명을 참조하면 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명은 여러 가지 변형 및 다른 형태로 실시될 수 있지만, 특정 실시예만을 도면에 도시하고 여기에서 기술한다. 그러나 여기에서 기술한 설명은 개시한 특정 형태로 본 발명을 한정하는 것이 아니라 본 발명은 청구범위에 정의된 바와 같이 모든 변형 및 등가물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면을 참조하면 특정 실시예의 구성이 개략적으로 도시된다. 도면에서 유사한 요소에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하고 같은 종류의 요소에 대해서는 다른 소문자 첨자를 붙여 나타낸다.

일반적인 의미로, 파워 컨버터는 하나의 에너지 형태를 다른 에너지 형태로 연속적으로 변환하는 장치로서 정의될 수 있다. 파워 시스템이 그의 변환 기능을 수행하는 동안 상기와 같은 파워 시스템 내에서의 에너지의 저장 및 손실은 일반적으로 에너지 이동(energy translation)의 과정과 동일하다. 비용, 신뢰성, 복잡성 및 효율과 같은 변화의 정도는 있지만, 이러한 기능을 제공할 수 있는 많은 타입의 장치들이 있다.

파워 변환을 위한 메커니즘은 그 성격에 있어서 기계적인, 전기적인 또는 화학적인 처리의 형태와 같이 많은 기본적인 형태를 가질 수 있다. 여기에서는 인덕터, 커패시터, 트랜스포머, 스위치 및 저항을 포함한 제한된 세트의 부품을 이용하여 전기적으로 그리고 동적인 방식으로 에너지 이동을 수행하는 파워 컨버터에 중점을 둔다. 이들 회로 부품들이 접속되는 방식은 소정의 파워 이동에 의해 결정된다. 저항은 바람직하지 않은 파워 손실을 발생한다. 고 효율은 일반적으로 대부분의 응용에 있어서 최우선의 요구이므로, 저항 회로 요소는 주 파워 제어 경로에서 제거되거나 또는 최소화되어야 한다. 드문 경우이긴 해도 그리고 아주 특수한 이유로 주 파워 제어 경로에 파워(전력) 소모 저항이 도입된다. 토탈 시스템의 시퀀스, 모니터 및 제어 전자 회로와 같은 보조 회로에서, 고저항 소자들이 흔하게 사용되는데 이는 그 손실 영향이 일반적으로 대수롭지 않기 때문이다.

도 1을 참조하면, 기본 전압 조정 시스템의 개략 블록도가 도시된다. 파워 시스템(102)은 예를 들어, 비제어(uncontrolled) 전압(또는 전류, 또는 전력) 원의 입력이 파워 시스템(102)의 입력에 인가되는 기본 스위치 모드 파워 컨버터는 그 출력에서 전압(또는 전류, 또는 전력)이 아주 잘 제어될 것이다. 출력 제어의 기본은 출력을 임의 형태의 기준값과 비교하는 것이며, 상기 출력과 기준 값 사이의 편차는 에러가 된다. 피드백 제어 시스템에서, 부 피드백(negative feedback)이 시스템이 필요로 하는 제로에 가까운 수용할만한 값으로 상기 에러 값을 저감하는데 사용된다. 일반적으로는 에러는 신속하게 저감시키는 것이 바람직하지만, 피드백 제어에서는 시스템 응답과 시스템 안정성 사이에 트레이드 오프(trade-off)가 고유하게 존재한다. 피드백 네트워크가 더 응답적일수록 불안정성의 위험은 더 커진다.

이 시점에서, 다른 제어 방법- 피드 포워드(feed forward) 제어가 있다는 것을 언급해야 할 것 같다. 피드 포워드 제어에서는 제어 신호가 입력 변화 또는 섭동(攝動;perturbation)에 응답하여 바로 발생된다. 피드 포워드는 출력 감지가 관련되지 않기 때문에 피드백 보다 덜 정확하지만, 출력 에러 신호가 출현하는 것을 기다리는 대기 지연(delay)이 없으며, 피드 포워드 제어는 불안정성을 유발하지 않는다. 피드 포워드 제어가 전형적으로 전압 조정기에 대한 유일한 제어 방법으로서 적합하지 않다는 것은 명백하지만, 피드 포워드 제어는 때로는 동적 입력 변화에 대한 조정기의 응답을 개선하기 위해 피드백 제어와 함께 사용된다.

도 2를 참조하면, 도 1에 도시한 전압 조정 시스템의 보다 상세한 개략 블록도가 도시된다. 파워 시스템(102)은 두 개의 블록, 즉, 파워 회로(206) 및 제어 회로(208)로 분리된다. 파워 회로(206)는 파워 시스템 부하 전류를 처리하므로, w전형적으로 크고 적응적이고(robust), 넓은 온도 변동을 받는다. 파워 회로의 스위칭 기능은 대부분의 안정성 분석에서 듀티 사이클을 갖는 단지 2 상태 스위치로서 정상적으로 시뮬레이트되는 대 신호 현상(large-signal phenomenon)으로 정의된다. 출력 필터(도시 않음) 또한 파워 회로(206)의 일부라고 생각되지만, 선형 블록이라고 생각할 수 있다. 제어 회로(208)는 일반적으로 파워 스위치들의 듀티 사이클을 정의하는데 사용되는 이득 블록, 에러 증폭기 및 펄스 폭 변조기로 구성된다. 본 발명의 개시의 교시에 따르면, 제어 회로(208)는 소정의 출력값 VOUT을 유지하면서 파워 시스템(102)에서의 외란(外亂; disturbance)에 응답하도록 최적화된다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 스위치 모드 전원 장치(SMPS)로서 실시된 도 2에 도시한 파워 회로의 개략도가 도시된다. SMPS의 파워 회로(206)는 예를 들어 배터리와 같은 전압 원(320), 파워 인덕터(312), 예를 들어 각기 파워 전계 효과 트랜지스터와 같은 하이 및 로우 스위치(316 및 318), 소정의 직류(DC) 출력으로부터의 교류(AC) 리플을 평활하기 위한 부하 커패시터(310), 및 부트 전압 커패시터(314)를 포함할 수 있다. 파워 회로(206)는 도 4에 도시된 제어 회로(208)에 접속되고, 이 제어 회로에 의해 제어되는데, 이하에서 상세히 기술한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 도 2에 도시한 제어 회로의 보다 상세한 개략 블록도가 도시된다. 제어 회로(208)는 도 3에 도시한 파워 회로(206)에 접속되어 있으며, 메모리를 구비한 디지털 프로세서(462) 예를 들어 마이크로컨트롤러, 기능 블록(464)으로 나타낸 데드밴드 로직(deadband logic)을 구비하는 하이 및 로우 스위치 드라이버들, 바이어스 발생기, 전류 및 전압 기준 회로(466)들, 부족 및 과전압 검출기(456)들, PWM 발생기(458), 과전류 검출기(454), 전압 비교 회로(452), 및 센서리스 인덕터 전류 측정 회로(450)를 포함하고 있다. PWM 발생기(458)는 하이 및 로우 스위치 드라이버(464)들에 PWM 제어 펄스를 공급하기 위해 아날로그 또는 디지털 설계 중 하나로 될 수 있다.

기능 블록(464)의 하이 및 로우 스위치 드라이버들은 하이 및 로우 스위치(316 및 318)들에 결합되며, 상기 스위치들이 언제 턴온 및 턴 오프될지를 제어한다. 또한, 상기 기능 블록(464)의 데드밴드 로직은 상기 하이 및 로우 스위치(316 및 318)들이 동시에 온되는 것을 방지하며, 바람직하게 하이 및 로우 스위치(316 및 318) 모두가 오프되는 데드밴드가 있다. PWM 발생기(458)는 언제 그리고 얼마가 길게 파워 인덕터(312)가 전압 원(320)에 결합되고, 상기 전압 원(320)에 의해 충전되는지를 제어한다.

상기 부트 전압 커패시터(314)는 상기 스위치 드라이버(464)의 고역 부분 및 바이어스 발생기, 전류 및 전압 기준 회로(466)들에 전압을 공급한다. 상기 바이어스 발생기, 전류 및 전압 기준 회로(466)들은 상기 전류 및 전압 회로(452, 454 및 456)에 정밀 전류 및 전압 기준 값들을 공급한다. 전압 비교 회로(452)는 출력 전압을 측정해서 그것을 기준 전압 회로(466)로부터의 기준 전압 VREF와 비교한다. 소정의 전압 값과 실제의 출력 전압 값 사이의 차이를 나타내는 전압 비교 회로로부터의 에러 신호는 상기 PWM 발생기(458)의 에러 입력에 인가되며, 상기 PWM 발생기(458)는 그 펄스 파형 출력을 조정하여 그 차이를 최소화한다(폐쇄 루프 피드백, 도 1 참조). 상기 과전류 검출기(454)는 상기 파워 인덕터(312)로 흐르는 전류를 모니터하고, 상기 부족 및 과전압 검출기(456)들은 바람직하지 못한 예를 들어, 비정상인 조건들 예를 들어, 인덕터 전류가 허용가능한 설계 한계를 초과하고, 입력 전압이 설계 동작 입력 전압 범위 이상 또는 이하일 경우를 대비하여 SMPS에 걸리는 입력 전압을 모니터한다. 상기 센서리스 인덕터 전류 측정 회로(450)는 SMPS 파워 인덕터 전류를 손실 없이 측정하고 그 측정된 전류 값을 PWM 발생기(458)와 디지털 프로세서(462)에 공급한다. 상기 센서리스 인덕터 전류 측정 회로(450)의 동작은 도 5 및 도 6에 도시되며, 이하 보다 상세하게 설명된다.

상기 센서리스 인덕터 전류 측정 회로(450)는 일 특정 예시의 실시예(도 5)에서 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA), 가변 저항 및 가변 커패시터를 포함하는 동조 필터를 이용하여 정합된 상보 필터로서 구현될 수 있다. 다른 예시의 특정 실시예에서, 연산 증폭기는 버퍼로서 구성되고, 독립 이득 및 극 위치 조정을 제공하는 가변 저항이 부가된다(도 6). 통신 인터페이스(460)은 SMPS의 동작 파라미터들, 예를 들어 전류, 전압, 효율, 동작 온도, 진단 등을 모니터하기 위해 호스트 시스템과 통신하는데 이용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 SMPS 파워 인덕터 전류를 손실 없이 측정하기 위한 회로의 개략도가 도시된다. 동조 상보 필터 컨덕터 전류 측정 회로는 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)(522), 가변 저항(524), 및 가변 커패시터(526)를 포함한다. OTA(522)는 전압 가변 적분기(voltage variable integrator)로서 구성되고, 1차(first-order) 로우 패스 필터로서 사용된다(도 7 및 도 8 참조). 이 적분기의 전달 함수는

이다.

도 5에 도시한 OTA(522) 회로는 조정가능한 극 주파수 및 조정가능한 DC 이득을 갖는다. 상기 극 주파수는 커패시터 C_F(526)및 저항 R_F(524)에 의해 조정되고, 상기 DC 이득은 저항 R_F(524)에 의해 조정된다. 도 5에 도시한 필터의 전달함수는 다음 식으로 표현된다.

상기 전달 함수의 형식에서 나타낸 바와 같이, DC 이득은

이고 극 주파수는

이다. 극 주파수 및 DC 이득은 독립적으로 조정될 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 특정 예시의 실시예에 따른 SMPS의 파워 인덕터 전류를 손실 없이 측정하기 위한 회로의 개략도가 도시된다. 동조 상보 필터 인덕터 전류 측정 회로는 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)(522), 가변 저항(624), 버퍼로 구성된 연산 증폭기(628), 가변 저항(630) 및 가변 커패시터(526)를 포함하고 있다. 상기 OTA(522)는 광 대역폭을 갖는 전압 가변 입력 이득 단으로서 구성된다. 상기 연산 증폭기(628)는 단극 로우 패스 필터로부터 상기 입력 이득 단을 분리한다. 극 주파수는 저항RF(624) 및/또는 커패시터 CF(526)를 변화시킴으로써 조정될 수 있으며, DC 이득은 가변 저항 RG(630)를 변화시킴으로써 연속적으로 조정될 수 있다. 도 6에 도시한 필터의 전달 함수는 다음 식으로 표현된다.

전달함수의 형식에서 나타낸 바와 같이, DC 이득은

이고

극주파수는

이다. 상기 극 주파수 및 DC 이득은 독립적으로 조정될 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시한 동조 상보 필터들은 L/RL 제로 정합을 위해 조정, 예를 들어 동조(tuned)될 수 있으며, 또한 감지된 전류 신호를 소정의 전압 레벨로 증폭하기 위해 이득이 조정될 수 있다. 동조 상보 필터들은 또한 부품 내성 영향을 상당하게 저감하도록 회로 내(in-circuit)에서 조정될 수 있다. 동조 상보 필터들은 SMPS의 변화하는 동작 조건에 적응하기 위해 온 더 플라이(on-the-fly)로 조정될 수 있다. 상기 동조 상보 필터들이 모든 동작 조건들에 걸쳐 SMPS의 정밀한 폐 루프 제어를 위해 상기 파워 인덕터(312)를 통하는 전류를 정확하게 측정하는데 사용될 수 있기 때문에, PWM 발생기(458)를 거치는 SMPS 효율이 디지털 프로세서(462)에 의해 최대화될 수 있다. 전술한 센서리스 인덕터 전류 측정 회로(450)는 또한 상기 파워 인덕터를 통하는 과전류를 모니터하는데 사용될 수 있으므로, 별도의 과전류 검출기(454)를 제거할 수 있다.

도 5 및 6에 도시한 무손실 전류 측정 회로들은 전력의 손실 없이 SMPS 파워 인덕터(312)를 통하는 전류를 정확하게 측정할 수 있으며, 모든 동작 조건들에 걸쳐 매우 정확하고, 혼합 신호 집적 회로(208)에서의 실시에 있어 융통성이 있고 저비용이 든다(도 4).

도 7을 참조하면, 도 5 및 도 6에 도시한 회로들에 대한 극 주파수 조정치의 그래프가 도시된다.

도 8을 참조하면, 도 5 및 6에 도시한 회로들에 대한 DC 이득 조정치의 그래프가 도시된다.

도 9를 참조하면, 도 5 및 6에 도시한 동조 상보 필터들의 특정 예시의 실시예들을 이용하여 SMPS 시스템을 제어하는 혼합 신호 집적 회로 장치의 개략 블록도가 도시된다. 상기 혼합 신호 집적 회로 장치(902)(예를 들어, 외부 전기 접속부를 갖는 집적 회로 패키지 내의)는 SMPS 제어기(904), 파워 트랜지스터 드라이버(906)들(예를 들어, 도 4의 기능 블록(464)), 마이크로컨트롤러(908)(예를 들어, 디지털 프로세서) 및 관련 메모리(상기 마이크로컨트롤러(908)의 일부가 될 수 있음), OTA(622), 연산 증폭기(728), DC 이득 설정 저항(730), 극 주파수 설정 저항(624) 및 극 주파수 설정 커패시터(626)를 포함한다. SMPS 제어기(904)는 SMPS의 파워 MOSFET 스위치(316 및 318)들에 파워 제어 신호를 제공하는 파워 트랜지스터 드라이버(906)들을 제어하기 위해 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PWM), 펄스 밀도 변조(PDM) 등의 신호를 생성할 수 있다. SMPS 제어기(904)는 전압 조정된 출력 전압 VOUT을 모니터하고, OTA(622), 연산 증폭기(728), 가변 저항(624 및 730) 그리고 동조 커패시터(626)를 포함하는 동조 상보 필터로부터 측정된 인덕터 전류 신호 VO를 모니터한다.

OTA(622), 연산 증폭기(728), 가변 저항(624 및 730) 및 동조 커패시터(626)는 위에서 상세히 기술한 바와 같이 접속되고 동작한다. 마이크로컨트롤러(908)는 가변 저항(624 및 730)을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 SMPS 제어기(904)용의 설정 파라미터들을 제어할 수 있다(파선은 제어 신호를 나타냄). 상기 마이크로컨트롤러(908)는 SMPS 제어기(904)와 같은 기능을 수행할 수 있으며, 상기 SMPS 제어기(904)를 대체할 수 있음이 이해되고, 이러한 사실은 본 발명의 영역 내에 있다. 상기 마이크로컨트롤러(908)는 아날로그 입력들과 아날로그/디지털 변환 회로(도시 않음)를 갖는다. 혼합 신호 집적 회로 장치(902)를 작동하는 프로그램은 상기 마이크로컨트롤러(904)와 관련된 메모리(910) 내에 저장될 수 있다. 상기 혼합 신호 집적 회로 장치(902) 외부에 추가의 커패시터(626a)가 상기 내부 커패시터(626)과 병렬로 부가될 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러(908)는 가변 저항(624 및 730)의 제어와 연계하여 상기 커패시터(626)의 커패시턴스 값을 제어할 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러(908)에 의해 상기 커패시터(626) 및/또는 가변 저항(624 및 730)을 제어함으로써 최적 전류 측정을 위해 SMPS의 변하는 동작 조건들 하에서 상기 동조 상보 필터의 이득 및/또는 극 주파수를 온 더 플라이로 동적 조정할 수 있다. 본 발명의 개시에 따른 상기 동조 상보 필터 실시(들)는 스위치 모드 파워 컨버터(예를 들어, SMPS), 브러시리스 dc 모터 등에 적용될 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들을 본 발명의 예시의 실시예들을 참조로 하여 도시, 기술 및 정의하였지만, 이러한 참조는 개시한 형태로의 한정을 의미하는 것이 아니고, 이러한 한정을 암시하는 것도 아니다. 개시한 주제는 본 발명이 속하는 당업자들에게 일어나는 형태와 방식으로 상당한 변형, 변경 및 등가물로 될 수 있고 본 발명의 이점을 갖게 된다. 본 발명에서 도시하고 기술한 실시예들은 예일 뿐이고, 본 발명의 영역을 한정하고자 하는 것은 아니다.

Claims

스위치 모드 전원 장치(SMPS)로서,
전압 원(voltage source)에 결합된 적어도 하나의 파워 스위치;
상기 적어도 하나의 전원 스위치에 결합된 파워 인덕터(power inductor);
상기 SMPS의 조정된 전압 출력을 제공하는 상기 파워 인덕터의 부하측에 결합된 필터 커패시터; 및
상기 전압 원, 상기 적어도 하나의 파워 스위치, 상기 파워 인덕터 및 상기 SMPS의 조정된 전압 출력에 결합된 SMPS 제어기를 포함하고,
상기 SMPS 제어기는,
상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 적어도 하나의 드라이버;
상기 적어도 하나의 드라이버에 결합된 출력을 가지며 상기 적어도 하나의 드라이버를 제어하는 펄스 폭 변조(PWM) 발생기;
디지털 프로세서- 상기 디지털 프로세서는 메모리를 가지며 상기 PWM 발생기에 결합되고 동작 시 상기 PWM 발생기에 동작 파라미터들을 제공함-;
상기 조정된 전압 출력과 기준 전압을 비교하는 전압 비교 회로- 상기 전압 비교 회로는 상기 조정된 출력 전압과 상기 기준 전압 사이의 차이를 나타내는 에러 신호를 생성하고 상기 에러 신호는 상기 PWM 발생기의 에러 입력에 결합되어 있음-;
상기 파워 인덕터에 결합된 센서리스 동조 상보 필터- 상기 센서리스 동조 상보 필터는 상기 파워 인덕터를 통해 전류를 측정하고, 상기 파워 인덕터를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전압 출력을 상기 디지털 프로세서에 제공함-;
상기 디지털 프로세서에 연결되고, 상기 SMPS에 유저 구성가능한 동작 파라미터들을 제공하기 위한 통신 인터페이스를 포함하고,
상기 디지털 프로세서는 SMPS의 모든 동작 조건에서 SMPS 제어기에 동작 파라미터들을 제공함으로써 SMPS의 동작을 최적화하는 스위치 모드 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 통신 인터페이스는 유저에게 상기 SMPS의 모니터링 및 상태를 제공하는 것을 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치
제1항에 있어서,
상기 센서리스 동조 상보 필터는,
연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA)- 그 적어도 하나의 파워 스위치쪽에서 상기 파워 인덕터에 결합된 제1 입력, 상기 파워 인덕터의 부하쪽에 결합된 제2 입력 및 전류 출력을 가짐-;
상기 OTA의 전류 출력과 상기 전압 원의 리턴단자 사이에 결합된 가변 저항; 및
상기 OTA의 전류 출력과 상기 전압 원의 리턴단자 사이에 결합된 동조 커패시터를 포함하고,
상기 센서리스 동조 상보 필터로부터의 전압 출력은 OTA의 전류 출력과 상기 가변 저항의 공통 노드에서 이용가능한 스위치 모드 전원 장치.
제3항에 있어서,
상기 동조 상보 필터의 극 주파수는 상기 가변 저항의 저항값을 변화시킴으로써 상기 파워 인덕터의 제로 주파수와 정합하도록 조정되는 스위치 모드 전원 장치.
제3항에 있어서,
상기 상보 필터의 극 주파수는 상기 동조 커패시터의 커패시턴스값을 변화시킴으로써 상기 파워 인덕터의 제로 주파수와 정합하도록 조정되는 스위치 모드 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서리스 동조 상보 필터는,
연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA)- 그 적어도 하나의 파워 스위치쪽에서 상기 파워 인덕터에 결합된 제1 입력, 상기 파워 인덕터의 부하쪽에 결합된 제2 입력 및 전류 출력을 가짐-;
버퍼 증폭기로서 구성되고, 상기 OTA의 전류 출력에 결합된 입력을 갖는 연산 증폭기;
상기 OTA의 출력과 상기 전압원의 리턴 단자 사이에 결합된 제1 가변 저항;
상기 연산 증폭기의 출력에 결합된 제1 단자를 갖는 제2 가변 저항; 및
상기 제2 가변 저항과 상기 전압 원의 리턴 단자 사이에 결합된 동조 커패시터를 포함하고,
상기 센서리스 동조 상보 필터로부터의 전압 출력은 상기 제2 가변 저항의 제2 단자에서 이용가능한 스위치 모드 전원 장치.
제6항에 있어서,
상기 동조 상보 필터의 극 주파수는 상기 제2 가변 저항의 저항값을 변화시킴으로써 상기 파워 인덕터의 제로 주파수와 정합하도록 조정되는 스위치 모드 전원 장치.
제6항에 있어서,
상기 동조 상보 필터의 극 주파수는 상기 동조 커패시터의 커패시턴스값을 변화시킴으로써 상기 파워 인덕터의 제로 주파수와 정합하도록 조정되는 스위치 모드 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 SMPS 제어기는 집적 회로 다이에서 제조된 혼합 신호 집적 회로인 스위치 모드 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 SMPS 제어기는,
상기 디지털 프로세서에 결합된 과전류 검출 출력을 갖는 과전류 검출 회로;
상기 디지털 프로세서에 결합된 부족 또는 과전압 검출 출력을 갖는 부족 및 과전압 검출 회로; 및
바이어스 발생기, 전류 및 전압 기준 회로를 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치.
제10항에 있어서,
상기 SMPS 제어기는 상기 집적 회로 다이에서 제조된 혼합 신호 집적 회로인 스위치 모드 전원 장치.
제10항에 있어서,
상기 SMPS 집적 회로 다이는 외부 전기 접속부를 갖는 집적 회로 패키지에서 패키징되는 스위치 모드 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 동조 커패시터에 결합된 외부 동조 커패시터를 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치.
스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 동작을 유저 구성가능하게 최적화하는 방법으로서,
전압 원에 결합된 적어도 하나의 파워 스위치를 제공하는 단계;
상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 파워 인덕터를 제공하는 단계;
상기 SMPS로부터 조정된 전압을 제공하는 파워 인덕터의 부하 측에 결합된 필터 커패시터를 제공하는 단계; 및
SMPS 제어기를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 SMPS 제어기는
상기 적어도 하나의 파워 스위치에 적어도 하나의 드라이버를 결합하고,
펄스 폭 변조(PWM) 발생기에 의해 상기 적어도 하나의 드라이버를 제어하고,
전압 비교 회로에 의해 상기 SMPS로부터의 조정된 전압과 기준 전압을 비교하고,
상기 전압 비교 회로에 의해 상기 조정된 전압과 기준 전압 사이의 차이를 나타내는 전압 에러 신호를 생성하고,
상기 PWM 발생기에 상기 전압 에러 신호를 결합하고,
상기 파워 인덕터에 결합된 센서리스 동조 상보 필터에 의해 상기 파워 인덕터를 통하는 전류를 측정하고,
상기 전류 인덕터를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 출력 신호를 상기 센서리스 동조 상보 필터에 제공하고,
메모리를 갖는 디지털 프로세서를 제공하고- 상기 전압 에러 신호 및 상기 전류 출력 신호는 상기 디지털 프로세서의 입력들에 인가되고, 상기 디지털 프로세서는 상기 전류 출력 및 전압 에러 신호들을 기반으로 동작 파라미터들을 조정하도록 상기 PWM을 제어함, 및
상기 디지털 프로세서에 연결되고, 상기 SMPS에 유저 구성가능한 동작 파라미터들을 제공하기 위한 통신 인터페이스를 제공하는 것을 용이하게 하는 스위치 모드 전원 장치의 동작을 유저 구성가능하게 최적화하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 통신 인터페이스로 유저에게 상기 SMPS의 모니터링 및 상태를 제공하는 것을 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치의 동작을 유저 구성가능하게 최적화하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 동작 파라미터들을 조정하는 것은 모든 동작 조건을 위해 SMPS의 동작을 최적화하는 것을 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치의 동작을 유저 구성가능하게 최적화하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 파워 인덕터를 통해 전류를 측정하면서 상기 동조 상보 필터의 극 주파수를 조정하는 것을 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치의 동작을 유저 구성가능하게 최적화하는 방법.