KR20150016809A - 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터 - Google Patents

Abstract

서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터는 복수의 레퍼런스 전압들을 공급하는 기준 전압부; 상기 복수의 레퍼런스 전압들 중 적어도 하나와 출력 전압을 비교하는 비교기; 상기 비교기의 출력에 응답하여, 서미스터의 온도에 대응하는 펄스 폭을 갖는 제1 스위치 신호를 생성하는 펄스 컨트롤러; 및 상기 제1 스위치 신호를 기초로 상기 복수의 레퍼런스 전압들 중 어느 하나의 레퍼런스 전압을 선택하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성부를 포함한다.

Description

서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터{To Output Ripple Voltage Control the Hysteretic Buck Converter Using Thermister}

본 발명은 히스테리틱 벅 컨버터에서 서미스터를 이용하여 펄스폭 시간 만큼의 출력전압을 센싱한 뒤 기준 레퍼런스 전압과 비교하여 출력 리플 전압을 온도에 따라 변화 시키는 기술에 관한 것으로, 특히 이 기술은 낮은 리플 전압을 요구하는 디지털 회로 전력 관리 회로로 적용 가능한 히스테리틱 벅 컨버터 구동방식에 관한 것이다.

다양한 기능을 접목 시킨 휴대장치에는 다양한 전자기기들이 집적되었고, 이는 다양한 전원 공급의 수요를 의미한다. 하나의 휴대장치가 하나의 배터리로부터 전원을 공급 받더라도, 각각의 구성블록은 서로 다른 전력공급 조건을 요구한다. 그래서 다양한 전력 공급 회로장치가 필요하다. 전력 공급 회로장치에서 전압을 강압시키는 회로로서 벅 컨버터가 있는데, 벅 컨버터 종류 중에는 히스테리틱 벅 컨버터가 있다. 히스테리틱 벅 컨버터는 비교기를 이용하여 출력 전압이 두 개의 레퍼런스 전압과 비교된다. 이 비교된 신호는 스위치를 ON/OFF시켜 출력 전압을 증가, 감소 된다. 출력 전압은 두개의 레퍼런스 전압 근처에 형성되는 구조로 현재 사용되고 있다.

기존의 히스테리틱 벅 컨버터의 출력 리플 전압은 두 개의 레퍼런스 전압이 비교기에서 비교되어 스위치를 ON을 시킬 것인지 OFF를 시킬 것인지 결정 된다. 스위치가 ON되면 출력전압을 상승 시키고, OFF를 시키면 출력전압이 하강 된다. 이로 인해 출력 전압은 두 개의 레퍼런스 전압을 기준으로 형성된다. 두 개의 레퍼런스 전압의 차이는 프로세스, 온도, 파워공급전압 변동률을 염두에 두어야 하기 때문에 어느정도 넓게 잡아야 한다. 결국 이 이유로 출력 리플 전압이 크게 형성된다.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 보완하기 위한 것으로서, 서미스터를 이용하여, 본 회로의 구성단인 펄스 컨트롤러의 펄스 폭 동안의 출력 전압을 센싱하여 환경온도에 따라 두 개의 레퍼런스 전압을 변화 시킴으로서 출력 리플 전압을 조절할 수 있다.

서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터는 복수의 레퍼런스 전압들을 공급하는 기준 전압부; 상기 복수의 레퍼런스 전압들 중 적어도 하나와 출력 전압을 비교하는 비교기; 상기 비교기의 출력에 응답하여, 서미스터의 온도에 대응하는 펄스 폭을 갖는 제1 스위치 신호를 생성하는 펄스 컨트롤러; 및 상기 제1 스위치 신호를 기초로 상기 복수의 레퍼런스 전압들 중 어느 하나의 레퍼런스 전압을 선택하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성부를 포함한다.

상기 펄스 컨트롤러는 상기 서미스터의 온도가 높을수록 상기 제1 스위치 신호의 펄스 폭을 증가시키고, 상기 서미스터의 온도가 낮을수록 상기 제1 스위치 신호의 펄스 폭을 감소시키는 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절한다.

상기 제어 신호 생성부는 상기 서미스터의 온도가 높을수록 출력 리플 전압이 증가하도록 상기 레퍼런스 전압을 선택하고, 상기 서미스터의 온도가 낮을수록 출력 리플 전압이 감소하도록 상기 레퍼런스 전압을 선택한다.

상기 제어 신호 생성부는 상기 제1 스위치 신호에 의하여 제1 스위치가 ON되는 경우, 상기 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 기초하여 상기 제어 신호를 선택한다.

상기 제1 스위치 신호의 펄스 폭에 대응하는 구간 동안 출력 전압을 센싱하고, 센싱된 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압과 비교하는 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절한다.

서미스터를 이용하여, 본 회로의 구성단인 펄스 컨트롤러의 펄스 폭 동안의 출력 전압을 센싱하여 환경온도에 따라 두 개의 레퍼런스 전압을 변화 시킴으로서 출력 리플 전압을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회로도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 여러 신호들의 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 블록도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회로도를 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 여러 신호들의 타이밍도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 회로도에 포함된 기준 전압부(미도시)는 회로의 각 블록에 외부 환경 요인(온도 등)과 무관하게 일정한 레퍼런스 전류들 혹은 레퍼런스 전압들을 제공한다. 도 1의 회로도에서 VOHN, VOH는 양의 레퍼런스 전압들을 나타내며, VOLN, VOL은 음의 레퍼런스 전압을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하단의 회로는 양의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로와 음의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로를 쌍대적으로 포함하며, 아래에서는 양의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로를 위주로 설명한다. 즉, 양의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로에 대한 아래의 설명은 음의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로에도 동일하게(쌍대적으로) 적용된다. 또한, 편의상 양의 레퍼런스 전압들을 '레퍼런스 전압들'이라고 부르기로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 회로도는 비교기 1, 2를 포함한다. 비교기 1은 VOH와 출력 전압을 비교하여 SW1, SW3의 펄스를 생성하며, 비교기 2는 VOL와 출력 전압을 비교하여 SW2, SW4를 생성한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 회로도는 버퍼부를 포함하며, 버퍼부는 출력 전압을 회로의 제어 결과로부터 차단한다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 회로도는 샘플 앤 홀드부를 포함하며, 이는 초기에 VOH값을 펄스 SW3로 유지하다가, 펄스 SW1 신호에 의하여 출력 전압을 센싱한 후 SWH에 의해 전압 결정이 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 회로도는 VOHS와 VOLS의 값과 출력 전압을 비교하는 비교기 3, 4를 포함하며, 비교기 3, 4의 출력으로부터 SET, RESET 신호를 결정하는 RS래치부를 포함한다. 그리고, 트랜지스터 MP1과 트랜지스터 MN1의 동시에 ON/OFF를 막아 주기 위한 사구간 제어부(데드 타임 컨트롤러), MP1과 MN1에 온전한 펄스를 인가하기위한 게이트 드라이버부를 포함한다.

서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터는 기본적으로 복수개의 레퍼런스 전압들을 제공한 이후에, 서미스터의 온도가 높을수록 출력 리플 전압이 증가하도록 상기 레퍼런스 전압을 선택하고, 상기 서미스터의 온도가 낮을수록 출력 리플 전압이 감소하도록 상기 레퍼런스 전압을 선택한다.

도 1에 도시된 VOH와 VOL의 폭이 좁을수록 낮은 출력 리플 전압을 만들 수 있다. 하지만 온도에 따른 회로 동작의 변화를 고려해 어느 정도 폭을 두어야 한다. 그래서 온도가 높을 때는 VOH와 VOL의 차이를 넓게 잡고, 온도가 일반적인 상황인 때는 보다 낮은 차이인 VOHN과 VOLN을 연결하여 출력 리플 전압을 줄이는 것이 필요하다.

초기 동작에서, 출력전압 (Vo)와 VOH, VOL의 비교기 1 및 비교기 2에서 나오는 출력에 따라 충방전이 일어나며 정현파 형태의 Vo가 형성된다. VOHS노드는 초기에 VOH전압을 유지하다가 비교기1의 출력 신호인 R이 0이 될 때, SW1(제1 스위치 신호)이 순간적으로 ON이 되어 VOH에서 Vo으로 바뀐다. 이때의 신호와 VrefH가 펄스 컨트롤3에서 비교가 되어 SWH 신호를 내보낸다. 이 SWH신호는 최종적으로 레퍼런스 전압을 VOH 혹은 VOHN으로 결정할 스위치 신호이다.

SW1이 ON이 될 때 Vo가 VrefH보다 작으면 VOH에 다시 연결이 되고 Vo가 VrefH보다 크면 VOHN에 연결이 된다. 서미스터는 펄스컨트롤1, 펄스컨트롤2에 들어 가게되며, 서미스터가 높은 온도 일 때는 SW1의 펄스폭이 넓어짐에 따라 Vo가 그 폭만큼 넓은 구간 동안 센싱되어 VrefH보다 작은 전압이 되어 결국 VOH에 연결이 된다. 낮은 온도 일 때는 SW1의 펄스폭이 좁아져 Vo가 짧은 구간동안 센싱되어 VrefH보다 높은 전압이 되어 VOHN에 연결이 된다.

본 발명은 서미스터를 이용하여 온도를 감지하고 그에 따른 최적의 레퍼런스 전압을 결정할 수 있다. PVT Variation중에 Temperature Variation을 고려하여 온도가 변함에 따라 회로의 Worst Case를 고려하여 비교기1, 비교기2에 입력되는 레퍼런스 전압을 인가한다. 예를 들어 이상적인 설계 온도는 25도 인데, 칩 내부 온도가 90도 라면 전압 Variation을 고려하여 두 레퍼런스 전압들의 차이를 넓게 잡아야 한다. 하지만 칩 내부 온도가 25도 라면 90도 일 때보다 변화량이 크지 않을 것으로 판단하여 레퍼런스 전압을 좁힘으로써 출력 리플 전압을 감소시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터는 기준 전압부(310), 비교기(320), 펄스 컨트롤러(330) 및 제어 신호 생성부(340)를 포함한다. 위에서 설명한 바와 같이, 도 1에 도시된 회로는 양의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로와 음의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로를 포함하며, 이 두 개의 회로들은 서로 쌍대적으로 동작할 수 있으므로, 양의 레퍼런스 전압들이 공급되는 회로에 대해서만 설명한다.

기준 전압부(310)는 VOH, VOHN을 공급한다. 이 때, 비교기(320)는 도 1에 도시된 비교기 1과 같은 형태로 구현될 수 있으며, Vo와 VOH를 서로 비교한다. 이러한 비교 결과에 따라 R이 비교기(320)로부터 출력된다.

이 때, 비교기(320)의 출력 R이 0이 되는 시점에서, 펄스 컨트롤러(330, 도 1에서 펄스 컨트롤러 1)는 제1 스위치 신호 SW1의 펄스를 생성한다. 이 때, 도 1의 VOHS 노드의 전압은 VOH에서 Vo로 바귄다. 그리고 난 후, 제어 신호 생성부(340, 도 1에서 펄스 컨트롤 3)는 레퍼런스 전압들 VOH 혹은 VOHN 중 어느 하나를 선택하기 위하여 제어 신호 SWH 신호를 생성한다. 즉, 스위치 1이 ON되는 경우, Vo가 미리 설정된 기준 전압 VrefH보다 작으면, VOH가 다시 연결되며, Vo가 VrefH보다 크면 VOHN과 연렬된다. 따라서, 펄스 컨트롤(330)에 포함되는 서미스터의 온도가 높을수록 SW1의 펄스 폭이 넓어지고, 그에 따라 Vo가 대응하는 폭만큼 넓은 구간 동안 센싱된다. 따라서, 센싱된 Vo는 VrefH보다 작은 전압이 되므로, 결국 VOH에 연결된다. 반대로, 서미스터의 온도가 낮을수록 SW1의 펄스 폭이 짧아지고, 그에 따라 Vo가 대응하는 폭만큼 짧은 구간 동안 센싱된다. 따라서, 센싱된 Vo는 VrefH보다 높은 전압이 되므로, 결국 VOHN에 연결된다.

본 발명에 따른 회로를 구성하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 파일 데이터, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(Floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터에 있어서,
   복수의 레퍼런스 전압들을 공급하는 기준 전압부;
   상기 복수의 레퍼런스 전압들 중 적어도 하나와 출력 전압을 비교하는 비교기;
   상기 비교기의 출력에 응답하여, 서미스터의 온도에 대응하는 펄스 폭을 갖는 제1 스위치 신호를 생성하는 펄스 컨트롤러; 및
   상기 제1 스위치 신호를 기초로 상기 복수의 레퍼런스 전압들 중 어느 하나의 레퍼런스 전압을 선택하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성부
   를 포함하는 서비스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 펄스 컨트롤러는
   상기 서미스터의 온도가 높을수록 상기 제1 스위치 신호의 펄스 폭을 증가시키고, 상기 서미스터의 온도가 낮을수록 상기 제1 스위치 신호의 펄스 폭을 감소시키는 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어 신호 생성부는
   상기 서미스터의 온도가 높을수록 출력 리플 전압이 증가하도록 상기 레퍼런스 전압을 선택하고, 상기 서미스터의 온도가 낮을수록 출력 리플 전압이 감소하도록 상기 레퍼런스 전압을 선택하는 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어 신호 생성부는
   상기 제1 스위치 신호에 의하여 제1 스위치가 ON되는 경우, 상기 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 기초하여 상기 제어 신호를 선택하는 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 스위치 신호의 펄스 폭에 대응하는 구간 동안 출력 전압을 센싱하고, 센싱된 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압과 비교하는 서미스터를 이용하여 출력 리플 전압을 조절하는 히스테리틱 벅 컨버터.

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