KR20140111594A - 전환 요소, 정류 요소 및 전하 축적 요소를 포함하는 회로 - Google Patents

전환 요소, 정류 요소 및 전하 축적 요소를 포함하는 회로 Download PDF

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Abstract

회로는 전원의 단자들에 전기 접속된 단자들을 구비하고 또한 출력 단자에 전기 접속된 다른 단자들을 구비하는 1쌍의 전환 요소를 포함할 수 있다. 회로는 정류 요소들과 1개 이상의 전하 축적 요소를 포함할 수 있다. 회로는 벅 컨버터(Buck converter)로서 이용될 수 있다. 정류 요소(들) 및 전하 축적 요소(들)는 정상 동작 동안 회로의 출력 단자에서의 링잉을 저감시키고 전환 동작 동안 회로 내의 전환 요소의 전류-전달 전극들 간의 항복 전압을 초과할 가능성을 저감시키는 것을 도울 수 있다.

Description

전환 요소, 정류 요소 및 전하 축적 요소를 포함하는 회로{CIRCUIT INCLUDING A SWITCHING ELEMENT, A RECTIFYING ELEMENT, AND A CHARGE STORAGE ELEMENT}
본 발명은 전환 요소, 정류 요소 및 전하 축적 요소를 포함하는 회로에 관한 것이다.
절연된 게이트 전계-효과 트랜지스터(insulated gate field-effect transistor: IGFET)는 통상의 유형의 전력 전환 장치(power switching device)이다. IGFET는 도 1에 있어서의 전환 회로(100) 등과 같은 전환 회로를 제공하기 위하여 접속될 수 있고, 이는 출력 전압을 실질적으로 전력 소스(102)의 고전압 혹은 저전압으로 할 수 있다. 2개의 n-채널 IGFET(122 및 124)는 IGFET(122)의 드레인이 전력 소스(102)의 양 단자에 전기 접속되고, IGFET(124)의 소스가 전력 소스(102)의 음 단자에 전기 접속되도록 접속된다. IGFET(122)의 소스 및 IGFET(124)의 드레인은 Vout을 제공하는 출력 단자에 전기 접속된다. IGFET(122 및 124)의 게이트는 Vin1 및 Vin2를 제공하는 입력 단자에 전기 접속된다.
입력 단자들은 전환 회로(100)를 제어한다. 이상적으로는, IGFET(122)가 온 상태이고 IGFET(124)가 오프 상태이도록 IGFET(122 및 124)의 상태가 전환될 경우, Vout은, 출력 단자에서의 전압의 오버슛(overshoot), 전압의 언더슛(undershoot), 또는 링잉(ringing)(오버슛 전압과 언더슛 전압 간의 진동)의 어느 것 없이, 즉각적으로 전력 소스(102)의 양 단자의 전압에 있을 것이다. 이상적으로는, IGFET(122)가 오프 상태이고 IGFET(124)가 온 상태이도록 IGFET(122 및 124)의 상태가 전환될 때, Vout은, 출력 단자에서의 전압의 오버슛, 전압의 언더슛 또는 링잉(오버슛 전압과 언더슛 전압 간의 진동)의 어느 것 없이, 즉각적으로 전력 소스(102)의 음 단자의 전압에 있을 것이다.
전환 회로(100)는 이상적이지는 않고, IGFET(122)의 소스와, IGFET(124)의 드레인과, 출력 단자 Vout 간(이들 세 가지가 서로 전기 접속되어 있더라도)에 기생 특성을 갖는다. 기생 특성은 도면에서 대시선으로 표시된 박스 내에 표시된 기생 저항 및 기생 인덕턴스 등과 같은 기생 요소로서 모델링될 수 있다. 전환 회로(100)에서, 기생 특성은 IGFET(122)의 소스와 출력 단자 사이에 직렬로 접속된 기생 저항(parasitic resistance)(132) 및 기생 인덕턴스(parasitic inductance)(134)로 모델링된다. 본 명세서에서 후술하는 바와 같이, 기생 특성은, IGFET(124)의 드레인-대-소스 항복 전압을 초과할 수 있는 상당한 전압 오버슛, 출력 단자에 연결된 부하(도시 생략)에 대한 손상, 또는 다른 부작용을 포함할 수 있는, 출력노드에서의 링잉을 일으킬 수 있다.
실시형태들은 예로서 예시될 뿐, 첨부된 도면들로 제한되는 것은 아니다.
도 1은 전환 회로(종래 기술)의 다이어그램.
도 2는 일 실시형태에 따른 회로의 다이어그램.
도 3은 특정 실시형태에 따른 특정 회로 요소를 갖는 도 2의 회로의 다이어그램.
도 4는 기생 회로 요소로 표시된 기생 특성을 갖는 도 3의 회로의 다이어그램.
도 5는 출력 단자에서의 전압이 상대적으로 저전압에서 상대적으로 고전압으로 변화된 후 도 1 및 도 4에 따른 회로의 출력 전압을 예시한 플롯.
당업자라면, 도면 내의 요소들이 간략성 및 명확성을 위하여 예시되어 있고, 반드시 일정 척도로 그려진 것은 아님을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면 내의 요소들 중 일부의 치수는 본 발명의 실시형태의 이해를 향상시키는 것을 돕기 위하여 다른 요소들에 비해서 과장되어 있을 수 있다. 또한, 개념적인 간략성을 위하여, 단일의 회로 요소로 표시되는 몇몇 구조는 사실상 다른 것과 직렬로, 병렬로 혹은 몇몇 다른 직병렬의 조합으로 접속된 다수의 물리적 요소에 대응할 수 있다.
도면과 조합하여 이하의 설명은, 본 명세서에 개시된 교시를 이해함에 있어서 원조하기 위하여 제공된다. 이하의 논의는 본 교시의 구체적인 구현과 실시형태에 초점을 둘 것이다. 이 초점은 해당 교시를 설명함에 있어서 원조하기 위하여 제공되고, 그 교시의 범위 혹은 적용가능성에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 그러나, 다른 교시는 확실히 본 출원에서 이용될 수 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "연결된"(coupled)이란 용어는, 신호(예컨대, 전류, 전압 혹은 광 신호)가 서로로부터 전송될 수 있는 방식으로 둘 이상의 전자 부품, 회로, 시스템 혹은 (1) 적어도 1개의 전자 부품, (2) 적어도 1개의 회로, 또는 (3) 적어도 1개의 시스템의 임의의 조합의 접속, 링킹 혹은 연합을 의미하도록 의도된다. "결합된"의 비제한적인 예는 전자 부품(들), 회로(들) 또는 전자 부품(들) 사이에 접속된 스위치(들)(예컨대, 트랜지스터(들)) 등을 갖는 이들 간의 전기적 접속을 포함할 수 있다.
전자 부품, 회로, 혹은 이들의 부분에 관하여 "전기 접속된"(electrically connected)이란 용어는, 둘 이상의 전자 부품, 회로, 또는 적어도 1개의 전자 부품과 적어도 1개의 회로의 임의의 조합이 이들 사이에 놓인 임의의 중재 전자 부품을 갖지 않는 것을 의미하도록 의도된다. 기생 저항, 기생 커패시턴스, 기생 인덕턴스, 또는 이들의 임의의 조합은 이 정의의 목적을 위하여 상정된 전자 부품이 아니다. 일 실시형태에 있어서, 전자 부품들은 이들이 서로에 대해서 전기적으로 단락되거나 실질적으로 동일 전압에 놓일 때 전기 접속된다.
"정상 동작"(normal operation) 및 "정상 동작 상태"(normal operating state)란 용어는 전자 부품 혹은 장치가 동작하도록 설계된 조건을 지칭한다. 이 조건은 전압, 전류, 커패시턴스, 저항 또는 기타 전기적 조건에 관한 데이터 시트 혹은 기타 정보로부터 얻어질 수 있다. 이와 같이 해서, 정상 동작은 그의 설계 제한을 충분히 넘어 전기적 구성요소 혹은 장치를 동작시키는 것을 포함하지 않는다.
"전력 트랜지스터"(power transistor)란 용어는 전계-효과 혹은 쌍극성 트랜지스터가 오프 상태에 있을 때 전계-효과 트랜지스터의 드레인과 소스 간에 또는 쌍극성 트랜지스터의 콜렉터와 이미터 간에 적어도 10V 차이를 유지할 수 있는 트랜지스터를 의미하도록 의도된다.
"포함하다"(comprise), "포함하는"(comprising), "포함하다"(include), "포함하는"(including), "구비하다"(갖다)(have), "구비하는"(갖는)(having) 혹은 기타 그의 변형어는, 비배타적인 내포를 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 특성의 나열을 포함하는 방법, 물품 혹은 장치는, 반드시 이들 특성만으로 제한되지 않지만 이러한 방법, 물품 혹은 장치에 고유하거나 명시적으로 열거되지 않은 기타 특성을 포함할 수 있다. 또한, 명시적으로 반대로 기술되지 않는 한, "또는"은 배타적 논리합(exclusive-or)이 아니라 포함적 논리합(inclusive-or)을 지칭한다. 예를 들어, A 혹은 B 조건은 이하의 임의의 하나에 의해 충족된다: A가 참(혹은 존재)이고, B가 거짓(또는 존재하지 않음)이며, A가 거짓(또는 존재하지 않음)이고, B가 참(또는 존재함)이며, A와 B 둘 모두가 참(또는 존재함)이다.
또한, 단수 표현의 사용은 본 명세서에 기재된 요소들 및 구성부품들을 기술하는데 이용된다. 이것은 단지 편리를 위하여 또한 본 발명의 범위의 일반적인 의미를 부여하기 위하여 행해지는 것뿐이다. 이 기재는 하나 혹은 적어도 1개를 포함하도록 읽을 필요가 있고, 단수는 또한 달리 의미하는 것이 명확하지 않는 한, 복수를 포함하거나 그 반대이다. 예를 들어, 단일 항목이 본 명세서에 기재되어 있을 경우, 하나보다 많은 항목이 단일 항목 대신에 이용될 수 있다. 유사하게, 하나 보다 많은 항목이 본 명세서에 기재되어 있을 경우, 단일 항목이 그 하나보다 많은 항목 대신에 대체될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 이용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하는 바와 같은 의미를 갖는다. 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시적일 뿐 제한으로 의도되는 것은 아니다. 본 명세서에 기재되지 않은 정도까지, 특정 재료 및 처리 행위에 관한 많은 상세는 통상적이며, 반도체 및 전자 기술분야 내의 교과서 및 기타 소스에서 발견될 수 있다.
회로는 전원의 단자에 전기 접속된 단자를 갖고 출력 단자에 전기 접속된 다른 단자를 갖는 1쌍의 전환 요소를 포함한다. 회로는 대응하는 전환 요소에 병렬로 전기 접속된 1개 이상의 정류 요소를 포함할 수 있다. 회로는 전원의 단자들 사이에 전기 접속된 1개 이상의 전하 축적 요소를 더 포함할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 전환 요소들은 트랜지스터들이고, 각 트랜지스터는 그 트랜지스터와 병렬로 전기 접속된 대응하는 정류 요소를 구비한다. 정류 요소는 pn 접합 다이오드, 쇼트키 다이오드, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 축적 요소는 팽행판 커패시터 구조, 트랜지스터 구조 등을 갖는 커패시터일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 커패시터는 커패시터의 전극과 전원의 단자들 중 하나 사이의 기생 특성이 커패시터의 다른 전극과 전원의 다른 단자 보다 충분히 낮도록 구현된다. 특정 실시형태에 있어서, 회로는 벅 컨버터(Buck converter)일 수 있다. 회로에 관한 상세는, 이하에 기재된 바와 같은 특정 실시형태에 관하여 더욱 이해될 것이며, 이때 이러한 실시형태는 단지 예시적일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 2는 일 실시형태에 따른 회로(200)의 다이어그램을 포함한다. 전원(202)은 회로(200)에 전력을 제공하고, 접지에 연결된 음 단자 및 양 단자를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 하나보다 많은 전원이 이용될 수 있거나 또는 전원(202)의 단자들 중 단지 하나만이 회로(200)에 연결된다. 추가의 실시형태에 있어서, 회로(200)는 접지 전위에 있지 않은 단자를 갖는 전원의 단자에 연결된다. 전원(202)은 1V, 5V, 12V, 19V의 공칭 전압, 또는 기타 적절한 전압을 제공할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 전원(202)은 직류(DC) 전원이다. 전원(202)은 배터리, 발전기, 교류발전기, 커패시터, 또는 회로(202)에 전력을 제공할 수 있는 기타 적절한 기기를 포함할 수 있다. 추가의 회로는 필요에 따라 혹은 목적에 따라 이용될 수 있다. 예를 들어, 브리지 정류기(도시 생략) 또는 다른 적절한 회로는, 전원(202)이 교류발전기이고, 회로(200)가 교류(AC) 전압 대신에 DC 전압을 받기 위한 것일 경우에 이용될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 전원(202)의 단자들은 회로(200)에 전기 접속되어 있다.
회로(200)는 전원(202)의 양 단자에 연결된 전류-전달 단자(current-carrying terminal) 및 Vout을 제공하는 회로(200)의 출력 단자에 연결된 다른 전류-전달 단자를 갖는 전환 요소(222)를 포함한다. 회로(200)는 전원(202)의 음 단자에 연결된 전류-전달 단자 및 출력 단자에 연결된 다른 전류-전달 단자를 구비한 전환 요소(224)를 포함한다. 전환 요소(222 및 224)는 회로(200)에 각각 Vin1 및 Vin2를 제공하는 회로(200)용의 입력 단자에 연결된 제어 전극을 구비한다.
전환 요소(222 및 224)는 전계-효과 트랜지스터, 쌍극자 트랜지스터, 전환 회로용의 다른 적절한 전환 요소 구조 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 전환 요소(222 및 224)의 각각은 병렬로 접속된 복수의 트랜지스터 구조를 포함할 수 있으므로, 트랜지스터 구조들의 조합은 적절한 트랜지스터에 대해서 전기적으로 등가이다.
회로(200)는 정류 요소(242 및 244)를 더 포함한다. 정류 요소(242)는 전원(202)의 음 단자에 연결된 애노드, 및 전환 요소(222 및 224)의 전류-전달 전극(current-carrying electrode)에 연결된 캐소드를 구비한다. 정류 요소(244)는 전환 요소(222 및 224)의 전류-전달 전극에 결합된 애노드 및 전원(202)의 양 단자에 연결된 캐소드를 구비한다.
정류 요소(242 및 244)는 pn 접합 다이오드, 쇼트키 다이오드, 다른 적절한 정류 요소 구조, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 정류 요소(242 및 244)의 각각은 병렬로 접속된 복수개의 다이오드를 포함할 수 있으므로, 다이오드들의 조합이 단일 다이오드에 대해서 전기적으로 등가이다.
회로(200)는 전하 축적 요소(262 및 264)를 더 포함한다. 전하 축적 요소(262)는 전원(202)의 양 단자에 연결된 전극, 및 정류 요소(242)의 애노드에 연결된 다른 전극을 구비한다. 전하 축적 요소(264)는 정류 요소(244)의 캐소드에 연결된 전극, 및 전원(202)의 음 단자에 연결된 다른 전극을 구비한다.
전하 축적 요소(262 및 264)는 평행판 커패시터 구조, 전계-효과 트랜지스터 구조, 다른 적절한 전하 축적 요소 구조, 또는 이들의 임의의 조합의 형태일 수 있다. 전하 축적 요소(262 및 264)의 각각은 병렬로 접속된 복수개의 구조를 포함할 수 있으므로, 이들 구조들의 조합은 단일의 커패시터에 대해서 전기적으로 등가이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 회로(200)의 비제한적 구현예인 특정 회로(300)의 다이어그램을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같은 회로(300)는 전환 회로, 특히 벅 컨버터이고, 고주파 전압 조절기로서 이용될 수 있다. 도 2의 전환 요소(222 및 224)는 도 3의 n-채널 IGFET(322 및 324)이다. IGFET(322 및 324)는 그들의 소스에 고정된 그들의 동체를 갖는다.
IGFET(322 및 324)의 활성 영역은 pn 접합 다이오드를 형성한다. IGFET(322 및 324)의 pn 접합 다이오드는 IGFET(322 및 324)의 드레인과 소스 양단에서 유지될 수 있는 최대 지속가능한 전압차를 결정하는데 이용될 수 있다. 이러한 전압차는 드레인-대-소스 항복 전압이라 지칭될 수 있다. 전환 회로(200)의 정상 동작 전압은 IGFET를 선택함에 있어서 항복 전압을 결정할 수 있다. 항복 전압은 전원(202)의 단자들 간의 전압의 적어도 2배일 수 있다. 예를 들어, 전원(202)이 12V의 공칭 전압을 갖는다면, IGFET(322 및 324)는 적어도 대략 24V의 드레인-대-소스 항복 전압을 가질 수 있다. 비제한적인 실시형태에 있어서, IGFET(322 및 324)의 드레인-대-소스 항복 전압은 적어도 대략 30V이다. IGFET(322 및 324)는 대략 동일한 드레인-대-소스 항복 전압 또는 상이한 드레인-대-소스 항복 전압을 가질 수 있다. 본 명세서에서 나중에 논의되는 바와 같이, 정류 및 전하 축적 요소는 IGFET들 중 한쪽 혹은 양쪽의 상태가 변화된 후에 IGFET의 드레인-대-소스 항복이 과도 시간 동안 일어나지 않을 가능성을 저감시키는 것을 돕는다.
도 2에서의 정류 요소(242 및 244)는 도 3의 쇼트키 다이오드(342 및 344)이다. 다른 실시형태에 있어서, 쇼트키 다이오드(342 및 344)의 각각은 pn 다이오드, 또는 pn 접합 다이오드와 쇼트키 다이오드의 조합에 의해 교체될 수 있다. 역-바이어스 항복 전압은 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 2.0배 이하일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 역-바이어스 항복 전압은 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 1.5배 이하일 수 있고, 특정 실시형태에 있어서, 역-바이어스 항복 전압은 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 1.2배 이하일 수 있다. 더욱 특정 실시형태에 있어서, 역-바이어스 항복 전압은 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 1.0배 이하일 수 있다. 쇼트키 다이오드(342 및 344)는 동일한 역-바이어스 항복 전압 혹은 상이한 역-바이어스 항복 전압을 가질 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 정류 요소(242), 정류 요소(244) 또는 정류 요소(242 및 244)의 각각은 복수개의 다이오드를 포함할 수 있고, 여기서 다이오드들 중 적어도 하나는 앞서 기재된 바와 같은 역-바이어스 항복을 갖는다. 특정 실시형태에 있어서, 정류 요소(242), 정류 요소(244) 또는 정류 요소(242 및 244)의 각각을 구성하는 다이오드들의 세트 내에 있는 모든 다이오드는 앞서 기재된 바와 같은 역-바이어스 항복을 가질 수 있다.
도 2의 전하 축적 요소(262 및 264)는 도 3의 커패시터(362 및 364)이다. IGFET(322), IGFET(324), 또는 IGFET(322 및 324)의 각각의 드레인-대-소스 커패시턴스에 대한 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스의 비는 적어도 대략 1.5:1일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 드레인-대-소스 커패시턴스에 대한 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 적어도 대략 2:1일 수 있고, 더욱 특정 실시형태에 있어서, 드레인-대-소스 커패시턴스에 대한 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 적어도 대략 4:1일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 드레인-대-소스 커패시턴스에 대한 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 대략 25:1 이하일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 드레인-대-소스 커패시턴스에 대한 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 대략 16:1 이하일 수 있고, 더욱 특정 실시형태에 있어서, 드레인-대-소스 커패시턴스에 대한 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 대략 9:1 이하일 수 있다.
커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는, 상대적인 용어라기보다는 절대적인 용어로 표현될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 적어도 대략 80pF일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 적어도 대략 200pF일 수 있고, 더욱 특정 실시형태에 있어서, 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 적어도 대략 1.5nF일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 대략 40nF 이하일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 대략 30nF 이하일 수 있고, 더욱 특정 실시형태에 있어서, 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 대략 20nF 이하일 수 있다. 추가의 실시형태에 있어서, 커패시터(362), 커패시터(364), 또는 커패시터(362 및 364)의 각각의 커패시턴스는 대략 1.5nF 내지 대략 40nF의 범위일 수 있다.
많은 값이 회로(200 및 300) 내의 전자 요소에 대해서 제공되었다. 이러한 값은 예시적으로 제공될 뿐, 본 명세서에 기재된 바와 같은 개념의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 본 명세서를 읽은 후, 당업자라면, 절대 혹은 상대 값의 선택이 회로가 동작되는 특정 용도 혹은 환경에 따라 좌우된다는 것을 이해할 것이다.
도 2 및 도 3에서 (200) 및 (300)으로 기재된 바와 같은 회로에 있어서, 회로 요소들 간의 연결은 전기적 접속일 수 있다. 도 3에 관하여, 회로(300)의 출력 노드는 IGFET(322)의 소스, IGFET(324)의 드레인, 쇼트키 다이오드(342)의 캐소드, 및 쇼트키 다이오드(344)의 애노드를 포함할 수 있다. 다른 노드는 전원(202)의 양 단자, IGFET(322)의 드레인, 커패시터(362 및 364)의 전극 및 쇼트키 다이오드(344)의 캐소드를 포함할 수 있다. 추가의 노드는 전원(202)의 음 단자, IGFET(324)의 소스, 커패시터(362 및 364)의 다른 전극들 및 쇼트키 다이오드(342)의 애노드를 포함할 수 있다.
도 3의 회로(300)는 구성요소들 간의 상호접속에 기인한 기생 특성을 고려하지 않는다. 예를 들어, IGFET(322 및 324)는 상이한 다이 상에 있을 수 있고, IGFET(322)의 소스, IGFET(324)의 드레인 및 출력 단자를 서로에 대해서 전기적으로 접속하기 위한 금속 스트랩을 포함할 수 있다. 이들 접속은 회로의 동작에 상당히 영향을 미칠 수 있는 기생 특성을 가질 수 있다. 기생 특성은 회로를 모델링할 때 이용될 수 있다.
도 4는 도 3의 회로(300)와 유사한 회로(400)를 포함한다. 회로(400)는 대시선으로 표시된 박스 내에 예시된 기생 저항들과 기생 인덕턴스들을 포함한다. 기생 저항기(parasitic resistor)(432) 및 기생 인덕터(parasitic inductor)(434)는 쇼트키 다이오드(342)의 캐소드와 출력 단자 간에 직렬로 전기 접속되어 있다. 쇼트키 다이오드(342)와 커패시터(362)는 전원(202)의 음 단자에 대해서보다 IGFET(322)에 가깝게 물리적으로 위치된다. 쇼트키 다이오드(342) 및 커패시터(362)의 각각과, 전원(202)의 음 단자 간의 기생 특성은 쇼트키 다이오드(342) 및 커패시터(362)의 각각과 IGFET(322) 간의 기생 특성보다 더욱 상당하다. 이와 같이 해서, 기생 특성은 쇼트키 다이오드(342) 및 커패시터(362)의 각각과 전원(202)의 음 단자 사이에 직렬로 접속된 기생 저항기(452)와 기생 인덕터(454)를 이용해서 모델링된다. 쇼트키 다이오드(344) 및 커패시터(364)는 전원(202)의 양 단자보다 IGFET(324)에 가깝게 물리적으로 위치된다. 쇼트키 다이오드(344) 및 커패시터(364)의 각각과 전원(202)의 양 단자 간의 기생 특성은 쇼트키 다이오드(344) 및 커패시터(364)의 각각과 IGFET(324) 간의 기생 특성보다 더욱 상당하다. 이와 같이 해서, 기생 특성은 쇼트키 다이오드(344) 및 커패시터(364)의 각각과 전원(202)의 양 단자 사이에 직렬로 접속된 기생 저항기(472) 및 기생 인덕터(474)를 이용해서 모델링된다.
모델링 목적을 위하여, 도 1 및 도 4의 기생 저항기는 1mΩ 미만의 값이 할당될 수 있고, 도 1 및 도 4의 기생 인덕터는 1 nH 미만의 값이 할당될 수 있다. 인덕턴스가 상대적으로 낮더라도, 도 1을 포함하여 본 명세서에 기재된 바와 같은 회로는, 메모리 등과 같은 디지털 논리 회로에 이용되는 트랜지스터에서 보여지는 전형적인 전류보다 1000배 이상 큰 상당한 전류와 함께 대략 1㎒의 차수의 주파수에서 동작하기 위한 것이다. 전압과 인덕턴스 간의 관계는 V = L*(di/dt)이므로, di/dt에 대한 매우 큰 값은 도 1의 회로에 대해서 보여지는 것과 같은 링잉을 초래할 수 있다.
본 명세서에게 기재된 바와 같은 회로는 모바일 전자기기, 예컨대, 랩탑 컴퓨터, 노트북, 테이블 퍼스널 컴퓨터 등을 위한 고주파 전압 조절기로서 이용될 수 있다. 비제한적인 실시형태에 있어서, 전원은 12 VDC 배터리일 수 있다. 모바일 전자기기의 정상 동작 동안, 배터리는 충전기에 접속될 수 있고, 이 전원의 단자들 양단의 전압은 19V와 같이 높게 도달할 수 있다. 이와 같이 해서, 회로는 이러한 전압을 견딜 수 있을 필요가 있다.
많은 상이한 양상과 실시형태가 가능하다. 이들 양상 및 실시형태의 일부는 이하에 기술된다. 당업자라면, 본 명세서를 읽은 후, 이들 양상 및 실시형태가 단지 예시적일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 실시형태는 이하에 열거된 바와 같은 1개 이상의 항목에 따를 수 있다.
항목 1. 회로는 제1전류-전달 전극과 제2전류-전달 전극을 구비한 제1전환 요소 및 제1전류-전달 전극과 제2전류-전달 전극을 구비한 제2전환 요소를 포함할 수 있고, 여기서 제2전환 요소의 제1전류-전달 전극은 제1전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결된다. 상기 회로는, 애노드와 캐소드를 각각 구비한, 제1정류 요소 및 제2정류 요소를 더 포함할 수 있다. 제1정류 요소의 애노드는 제1전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결될 수 있고, 제1정류 요소의 캐소드는 제1전환 요소의 제1전류-전달 전극에 연결될 수 있다. 제2정류 요소의 애노드는 제2전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결될 수 있고, 제2정류 요소의 캐소드는 제2전환 요소의 제1전류-전달 전극에 연결될 수 있다. 상기 회로는 제1단자와 제2단자를 구비한 제1전하 축적 요소를 더 포함할 수 있고, 여기서 제1전하 축적 요소의 제1단자는 제1정류 요소의 캐소드에 연결되고, 제1전하 축적 요소의 제2단자는 제2전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결된다.
항목 2. 항목 1의 회로는 제1단자와 제2단자를 구비한 제2전하 축적 요소를 더 포함하고, 여기서 제2전하 축적 요소의 제1단자는 제1전환 요소의 제1전류-전달 전극에 연결되고, 제2전하 축적 요소의 제2단자는 제2정류 요소의 애노드에 연결된다.
항목 3. 항목 2의 회로에 있어서, 제1전하 축적 요소, 제2전하 축적 요소, 또는 제1 및 제2전하 축적 요소의 각각은 커패시터를 포함한다.
항목 4. 항목 3의 회로에 있어서, 제1전하 축적 요소, 제2전하 축적 요소, 또는 제1 및 제2전하 축적 요소의 각각은 적어도 대략 80pF의 커패시턴스를 갖는다.
항목 5. 항목 3의 회로에 있어서, 제1전하 축적 요소, 제2전하 축적 요소, 또는 제1 및 제2전하 축적 요소의 각각은 대략 1.5nF 내지 대략 40nF의 범위의 커패시턴스를 갖는다.
항목 6. 항목 3의 회로에 있어서, 제1전하 축적 요소, 제2전하 축적 요소, 또는 제1 및 제2전하 축적 요소의 각각은 특정 커패시턴스를 갖고; 제1전환 요소, 제2전환 요소 또는 제1 및 제2전환 요소의 각각은 그의 대응하는 제1 및 제2전류-전달 전극 사이의 커패시턴스를 갖고, 그의 대응하는 제1 및 제2전류-전달 전극 사이의 커패시턴스에 대한 특정 커패시턴스의 비는 적어도 1.5:1이다.
항목 7. 항목 1의 회로에 있어서, 제1정류 요소, 제2정류 요소, 또는 제1 및 제2정류 요소의 각각은 쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드를 포함한다.
항목 8. 항목 1의 회로에 있어서, 제1정류 요소, 제2정류 요소, 또는 제1 및 제2정류 요소의 각각은 병렬로 전기 접속된 쇼트키 다이오드 및 pn 접합 다이오드를 포함한다.
항목 9. 항목 8의 회로에 있어서, 제1정류 요소는 제1전환 요소의 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 2.0배 이하인 항복 전압을 갖고; 제2정류 요소는 제2전환 요소의 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 2.0배 이하인 항복 전압을 갖는다.
항목 10. 항목 1의 회로에 있어서, 제1전환 요소는 게이트를 포함하는 절연된 게이트 전계-효과 트랜지스터(insulated gate field-effect transistor)이고, 여기서 제1전환 요소의 제1전류-전달 전극은 드레인이며, 제1트랜지스터의 제2전류-전달 전극은 소스이고; 제2전환 요소는 게이트를 포함하는 다른 절연된 게이트 전계-효과 트랜지스터이고, 여기서 제2전환 요소의 제1전류-전달 전극은 드레인이며, 제2전환 요소의 제2전류-전달 전극은 소스이다.
항목 11. 항목 1의 회로에 있어서, 상기 회로는 전압 조절기의 전환 회로이다.
항목 12. 회로는 제1전류-전달 전극과 제2전류-전달 전극을 구비한 하이 사이드 트랜지스터(high-side transistor), 및 제1전류-전달 전극과 제2전류-전달 전극을 구비한 로우 사이드 트랜지스터(low-side transistor)를 포함할 수 있고, 여기서, 로우 사이드 트랜지스터의 제1전류-전달 전극은 하이 사이드 트랜지스터의 제2전류-전달 전극에 연결된다. 상기 회로는 애노드와 캐소드를 구비한 정류 요소를 더 포함할 수 있고, 여기서 정류 요소의 애노드는 하이 사이드 트랜지스터의 제2전류-전달 전극에 연결되고, 정류 요소의 캐소드는 하이 사이드 트랜지스터의 제1전류-전달 전극에 연결된다. 상기 회로는 제1단자와 제2단자를 구비한 전하 축적 요소를 더 포함하고, 여기서 전하 축적 요소의 제1단자는 하이 사이드 트랜지스터의 제1전류-전달 전극에 연결되고, 전하 축적 요소의 제2단자는 로우 사이드 트랜지스터의 제2전류-전달 전극에 연결된다.
항목 13. 항목 12의 회로에 있어서, 전하 축적 요소는 커패시터를 포함한다.
항목 14. 항목 13의 회로에 있어서, 전하 축적 요소는 커패시턴스를 구비하고, 하이 사이드 트랜지스터, 로우 사이드 트랜지스터, 또는 하이 사이드 및 로우 사이드 트랜지스터의 각각은 그의 대응하는 제1 및 제2전류-전달 전극 사이의 커패시턴스를 갖고, 그의 대응하는 제1 및 제2전류-전달 전극 사이의 커패시턴스에 대한 커패시턴스의 비는 적어도 1.5:1이다.
항목 15. 항목 12의 회로에 있어서, 정류 요소는 병렬로 전기 접속된 pn 다이오드 및 쇼트키 다이오드를 포함한다.
항목 16. 항목 15의 회로에 있어서, 정류 요소는 하이 사이드 트랜지스터의 드레인-대-소스 항복 전압보다 대략 2.0배 이하인 항복 전압을 갖는다.
항목 17. 전환 회로는, 각각 소스, 게이트 및 드레인을 구비한, 하이 사이드 트랜지스터 및 로우 사이드 트랜지스터를 포함할 수 있다. 하이 사이드 트랜지스터의 드레인은 제1전력 단자에 전기 접속될 수 있고; 하이 사이드 트랜지스터의 게이트는 전환 회로의 제1입력에 전기 접속될 수 있으며; 하이 사이드 트랜지스터의 소스는 전환 회로의 출력 단자에 전기 접속될 수 있다. 로우 사이드 트랜지스터의 드레인은 출력 단자에 전기 접속될 수 있고; 로우 사이드 트랜지스터의 게이트는 전환 회로의 제2입력에 전기 접속될 수 있으며; 로우 사이드 트랜지스터의 소스는 제2전력 단자에 전기 접속될 수 있다. 전환 회로는, 각각 애노드와 캐소드를 구비한, 제1쇼트키 다이오드 및 제2쇼트키 다이오드를 더 포함할 수 있다. 제1쇼트키 다이오드의 애노드는 출력 단자에 전기 접속될 수 있고, 제1쇼트키 다이오드의 캐소드는 제1전력 단자에 전기 접속될 수 있으며; 제2쇼트키 다이오드의 애노드는 제2전력 단자에 전기 접속될 수 있고, 쇼트키 다이오드의 캐소드는 출력 단자에 전기 접속될 수 있다. 전환 회로는, 각각 제1단자와 제2단자를 구비한, 제1커패시터 및 제2커패시터를 더 포함할 수 있다. 제1커패시터의 제1단자는 제1전력 단자에 전기 접속될 수 있고, 제1커패시터의 제2단자는 제2전력 단자에 전기 접속될 수 있으며; 제2커패시터의 제1단자는 제1전력 단자에 전기 접속될 수 있고, 제2커패시터의 제2단자는 제2전력 단자에 전기 접속될 수 있다.
항목 18. 항목 17의 회로에 있어서, 제1 및 제2커패시터의 각각은 대략 1.5nF 내지 대략 40nF의 범위의 커패시턴스를 갖는다.
항목 19. 항목 17의 회로에 있어서, 제1 및 제2쇼트키 다이오드의 각각은 로우 사이드 및 하이 사이드 트랜지스터의 각각의 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 2.0배 이하의 항복 전압을 갖는다.
실시예
본 명세서에 기재된 개념은 실시예에 더욱 기술될 것이지만, 이 실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 실시예는, 정류 요소와 전하 축적 커패시터의 조합이 전력 전환 회로의 출력 단자에서 링잉을 저감시키는데 이용될 수 있는 것을 입증한다.
도 1 및 도 4의 회로는 도 5의 타이밍 다이어그램에 대한 데이터를 일반화하는데 이용된다. 이하의 값들은 도 1 및 도 4의 기생 저항 및 인덕터에 할당된다:
기생 저항기(132), 250 μΩ;
기생 인덕터(134), 300 pH;
기생 저항기(432), 250 μΩ;
기생 인덕터(434), 300 pH;
기생 저항기(452), 25 mΩ;
기생 인덕터(454), 150 pH;
기생 저항기(472), 50 mΩ; 및
기생 인덕터(474), 250 pH.
도 5는, 전원이 그의 단자들 양단에서 19V를 가질 경우 전환 이벤트가 일어난 후에도 시간의 함수로서 Vout을 제공하는 출력 단자 상의 전압을 비교하는 타이밍 다이어그램을 포함한다. t=0에서, IGFET(122)는 오프 상태이고, IGFET(124)는 온 상태이다. 출력 단자 상의 전압은 대략 0V이다. 대략 t=15㎱에서, IGFET(124)는 오프 상태로 전환되고, 그 후, IGFET(122)는 온 상태로 전환된다. t=0에서, IGFET(322)는 오프 상태이고, IGFET(324)는 온 상태이다. 출력 단자 상의 전압은 대략 0V이다. 대략 t=15㎱에서, IGFET(324)는 오프 상태로 전환되고, 이어서, IGFET(322)는 온 상태로 전환된다. 이상적으로는, 출력 단자 상의 전압은 전압 오버슛, 언더슛 혹은 링잉 없이 즉석으로 0V에서 19V로 갈 것이다. 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같은 회로는, 이상적이지 않으며, 따라서, 전압 오버슛, 전압 언더슛 및 링잉이 일어난다.
명백하게, 도 4의 회로(400)는 도 1의 회로(100)에 비해서 상당히 양호한 성능을 제공한다. 커패시터(362 및 364)는, 신속하게 충전될 수 있고, 과잉의 전하를 축적할 수 있으며, 전압 오버슛 및 전압 언더슛의 양을 저감시킬 수 있다. 쇼트키 다이오드(342 및 344)는, 전압 오버슛 혹은 언더슛 동안 커패시터(362 및 364)에 대한 낮은 임피던스 전류 통로를 제공하는 것을 돕는 한편, 출력 단자가 전원의 양 단자 상의 전압과 음 단자 상의 전압과 동일하거나 그 사이의 전압에 있을 때 전류의 흐름을 차단한다. 커패시터(362 및 364) 및 쇼트키 다이오드(342 및 344), 예컨대, 도 1에서의 회로(100) 없이도, Vout은 34V에 도달할 수 있고, 이것은 IGFET(124)에 대한 30V의 드레인-대-소스 항복 전압을 초과하는 것이다. 커패시터(362 및 364) 및 쇼트키 다이오드(342 및 344), 예컨대, 도 4의 회로(400)에 의하면, Vout은 26V에 도달할 수 있고, 이것은 IGFET(324)에 대한 30V의 드레인-대-소스 항복 전압 이하이다. 또한, 도 4의 회로(400)에 대한 출력 단자에서 보이는 링잉은, 도 1의 회로(100)의 출력 단자에 대한 것보다 적어도 15㎱ 빠르게 실질적으로 존재하지 않는다.
단, 일반적인 설명 혹은 실시예에서 상기 설명된 행위의 전부가 필요한 것은 아니고, 특정 행위의 일부를 필요로 하는 것은 아니며, 하나 이상의 추가의 행위는 기재된 것들에 부가해서 수행될 수 있다. 또한, 행위들이 열거되는 순서는 반드시 이들이 수행되는 순서는 아니다.
문제에 대한 유익, 기타 이점 및 해법은 특정 실시형태에 관하여 위에 기재되어 있다. 그러나, 문제에 대한 유익, 이점 및 해법, 그리고 임의의 유익, 이점 및 해법을 발생시키거나 혹은 더욱 확연해질 수 있는 임의의 특징(들)은 임의의 혹은 모든 청구항의 중대한, 필요한 혹은 필수적인 특성으로서 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에 기재된 실시형태들의 사양 및 예시는 각종 실시형태의 구조의 일반적인 이해를 제공하도록 의도되어 있다. 이 사양 및 예시는 본 명세서에 기재된 구조 혹은 방법을 이용하는 장치 및 시스템의 요소 및 특성의 모두의 배타적이고도 포괄적인 설명으로서 제공되도록 의도된 것은 아니다. 소정의 특징은, 명확화를 위하여, 별개의 실시형태들의 맥락에서 본 명세서에 기재되어 있고, 또한 단일의 실시형태와 조합하여 제공될 수도 있다. 역으로, 간략화를 위하여 단일의 실시형태의 맥락에서 기재된 각종 특징은, 또한 개별적으로 혹은 임의의 하위조합으로 제공될 수도 있다. 추가로, 범위로 기술된 값에 대한 인용은 그 범위 내의 각각 및 모든 값을 포함한다. 많은 다른 실시형태가 본 명세서를 읽은 후에만 당업자에게 명백할 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 제한적이기보다는 오히려 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (5)

  1. 제1전류-전달 전극(first current-carrying electrode)과 제2전류-전달 전극을 구비한 제1전환 요소(first switching element);
    제1전류-전달 전극과 제2전류-전달 전극을 구비한 제2전환 요소로서, 상기 제2전환 요소의 제1전류-전달 전극이 상기 제1전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결되는, 상기 제2전환 요소;
    애노드와 캐소드를 구비한 제1정류 요소로서, 상기 제1정류 요소의 애노드가 상기 제1전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결되고, 상기 제1정류 요소의 캐소드가 상기 제1전환 요소의 제1전류-전달 전극에 연결되는, 상기 제1정류 요소;
    애노드와 캐소드를 구비한 제2정류 요소로서, 상기 제2정류 요소의 애노드가 상기 제2전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결되고, 상기 제2정류 요소의 캐소드가 상기 제2전환 요소의 제1전류-전달 전극에 연결되는, 상기 제2정류 요소; 및
    제1단자와 제2단자를 구비한 제1전하 축적 요소로서, 상기 제1전하 축적 요소의 제1단자가 상기 제1정류 요소의 캐소드에 연결되고, 상기 제1전하 축적 요소의 제2단자가 상기 제2전환 요소의 제2전류-전달 전극에 연결되는, 상기 제1전하 축적 요소를 포함하는, 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1정류 요소, 상기 제2정류 요소, 또는 상기 제1 및 제2정류 요소들 각각은 병렬로 전기 접속된 쇼트키 다이오드 및 pn 접합 다이오드를 포함하고;
    상기 제1정류 요소는 상기 제1전환 요소의 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 2.0배 이하인 항복 전압을 갖고;
    상기 제2정류 요소는 상기 제2전환 요소의 드레인-대-소스 항복 전압의 대략 2.0배 이하인 항복 전압을 갖는, 회로.
  3. 제1전류-전달 전극과 제2전류-전달 전극을 구비한 하이 사이드 트랜지스터(high-side transistor);
    제1전류-전달 전극과 제2전류-전달 전극을 구비한 로우 사이드 트랜지스터(low-side transistor)로서, 상기 로우 사이드 트랜지스터의 제1전류-전달 전극이 상기 하이 사이드 트랜지스터의 제2전류-전달 전극에 연결되는, 상기 로우 사이드 트랜지스터;
    애노드와 캐소드를 구비한 정류 요소로서, 상기 정류 요소의 애노드가 상기 하이 사이드 트랜지스터의 제2전류-전달 전극에 연결되고, 상기 정류 요소의 캐소드가 상기 하이 사이드 트랜지스터의 제1전류-전달 전극에 연결되는, 상기 정류 요소; 및
    제1단자와 제2단자를 구비한 전하 축적 요소로서, 상기 전하 축적 요소의 제1단자가 상기 하이 사이드 트랜지스터의 제1전류-전달 전극에 연결되고, 상기 전하 축적 요소의 제2단자가 상기 로우 사이드 트랜지스터의 제2전류-전달 전극에 연결되는, 상기 전하 축적 요소를 포함하는, 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전하 축적 요소는 커패시터 및 커패시턴스를 구비하고, 상기 하이 사이드 트랜지스터, 상기 로우 사이드 트랜지스터, 또는 상기 하이 사이드 및 로우 사이드 트랜지스터들 각각은 대응하는 제1 및 제2전류-전달 전극들 사이의 커패시턴스를 갖고, 대응하는 제1 및 제2전류-전달 전극들 사이의 커패시턴스에 대한 상기 커패시턴스의 비는 적어도 1.5:1인, 회로.
  5. 전환 회로로서,
    소스, 게이트 및 드레인을 구비한 하이 사이드 트랜지스터;
    소스, 게이트 및 드레인을 구비한 로우 사이드 트랜지스터;
    애노드와 캐소드를 구비한 제1쇼트키 다이오드;
    애노드와 캐소드를 구비한 제2쇼트키 다이오드;
    제1단자와 제2단자를 구비한 제1커패시터; 및
    제1단자와 제2단자를 구비한 제2커패시터를 포함하고,
    상기 하이 사이드 트랜지스터의 드레인은 제1전력 단자에 전기 접속되고;
    상기 하이 사이드 트랜지스터의 게이트는 상기 전환 회로의 제1입력에 전기 접속되며;
    상기 하이 사이드 트랜지스터의 소스는 상기 전환 회로의 출력 단자에 전기 접속되고;
    상기 로우 사이드 트랜지스터의 드레인은 상기 출력 단자에 전기 접속되며;
    상기 로우 사이드 트랜지스터의 게이트는 상기 전환 회로의 제2입력에 전기 접속되고;
    상기 로우 사이드 트랜지스터의 소스는 제2전력 단자에 전기 접속되며;
    상기 제1쇼트키 다이오드의 애노드는 상기 출력 단자에 전기 접속되고, 상기 제1쇼트키 다이오드의 캐소드는 상기 제1전력 단자에 전기 접속되며;
    상기 제2쇼트키 다이오드의 애노드는 상기 제2전력 단자에 전기 접속되고, 상기 쇼트키 다이오드의 캐소드는 상기 출력 단자에 전기 접속되며;
    상기 제1커패시터의 제1단자는 상기 제1전력 단자에 전기 접속되고, 상기 제1커패시터의 제2단자는 상기 제2전력 단자에 전기 접속되며;
    상기 제2커패시터의 제1단자는 상기 제1전력 단자에 전기 접속되고, 상기 제2커패시터의 제2단자는 상기 제2전력 단자에 전기 접속되는, 전환회로.
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