KR20150106044A

KR20150106044A - 스위치 제어 회로, 스위치 제어 방법 및 이를 이용한 변환기

Info

Publication number: KR20150106044A
Application number: KR1020140027968A
Authority: KR
Inventors: 신두수; 류영기; 최지원; 김해욱; 황인호
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2015-09-21
Also published as: CN111342640B9; CN104917357B; CN111342640A; CN111342640B; CN104917357A; US20150256068A1; TWI657327B; US9502975B2; TW201535087A; KR102084801B1

Abstract

입력 전원에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 전류 제어 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로는 상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 측정된 전류를 적분하는 전류 적분부; 상기 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교하는 비교부; 및 상기 전류 제어 스위치에 연결되고, 상기 비교부에서 비교한 결과 동일한 경우 상기 전류 제어 스위치를 턴온프시키며, 상기 전류 제어 스위치가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간이 경과하면 상기 전류 제어 스위치를 턴온시키는 제어부를 포함한다. 따라서, 스위치 제어 회로는 감지된 전류와 기준 전류를 각각 적분 및 비교하여 신속하고 정확한 평균전류 제어가 가능할 수 있다.

Description

스위치 제어 회로, 스위치 제어 방법 및 이를 이용한 변환기{SWITCH CONTROL CIRCUIT, SWITCH CONTROL METHOD AND CONVERTER USING THE SAME}

본 발명은스위치 제어 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력 및 부하의 변화나 설정된 스위치 오프 시간과 무관하게 안정된 평균전류 제어가 가능한 스위치 제어 회로(260), 스위치 제어 방법 및 이를 이용한 변환기에 관한 것이다.

전원 공급 장치는 부하에 전력을 제공하는 장치에 해당한다. 전원 공급 장치 중 벅 변환기(BUCK converter)는 감압 직류-직류 변환기, 즉, 입력 전압 보다 낮은 전압을 출력하는 변환기에 해당하고, 인덕터 및 인덕터를 제어하는 2 개의 스위치(예를 들어, 트랜지스터와 다이오드)를 이용하여 인덕터에 에너지를 저장하는 과정과 인덕터로 상기 에너지를 공급하는 과정을 반복적으로 수행한다.

직류 전원의 전압을 낮추기 위하여 선형 조정기를 이용할 수 있으나, 선형 조정기는 여분의 전력을 열로 소진시키기 때문에 에너지 낭비가 큰 문제점이 있고, 한편, 벅 변환기는 집적회로로 구현되는 경우 95%이상의 전력을 변환할 수 있다는 점에서 벅 변환기를 이용하는 것이 일반적이다.

발광 소자(LED : LIGHT EMITTING DIODE)에 연결된 벅 변환기는, LED에 흐르는 전류를 제어하는 스위치, 부하측(예를 들어, 직렬 연결된 LED와 인덕터) 전류를 감지하는 감지 회로 및 감지된 부하측 전류를 기초로 스위치를 제어하는 제어회로를 포함하여 부하 측의 평균 전류를 일정하게 유지하도록 제어한다.

미국등록특허 제8,120,335호는 평균 전류 모드 전환 컨버터(Average inductor current mode switching converters)에 관한 것이고, 미국등록특허 제7,863,836호는 스위칭 컨버터에 있는 평균 인덕터 전류를 조절하는 제어 회로와 방법(Control circuit and method for regulating average inductor current in a switching converter)에 관한 것으로, 전원 공급 장치에 있어서 부하 측의 전류를 제어하는 제어 회로에 대하여 개시하고 있다.

도 1은 종래의 제어 회로에 의해 제어되는 부하 전류의 파형도를 나타낸다.

도 1을 참조하면, X축과 Y축은 각각 시간과 전류의 크기를 나타낸다.

종래의 제어 회로는 감지 회로를 통해 부하측에 흐르는 전류를 감지하고, 감지된 전류가기 설정된 기준 전류(REF)에 도달하는 시점을 저장한다. 보다 구체적으로, 제어 회로는 전류를 제어하는 스위치가 턴온(turn on)된 시점부터 상기 도달 시점까지의 도달 시간(T1)을 저장한다.

종래의 제어 회로는감지된 전류가 기 설정된 기준 전류(REF)에 도달하는 시점에서 저장된 도달 시간(T1)을 카운팅하고, 도달 시간만큼 경과한 시점(T2)에 스위치를 턴오프시킨다. 이를 통해, 부하측 전류의 평균 전류를 기 설정된 기준 전류(REF)로 유지한다.

그러나, 종래의 제어 회로는 부하측 전류가 일정하게 증가함을 전제로 함에 따라,부하측 전류가 일정하게 변화하지 않은 경우 평균 전류를 기준 전류와 동일하도록 제어하기 어려운 문제점을 가진다.

또한, 종래의 제어 회로는 감지된 전류가 기준 전류에 도달하는 시점을 판단하고 이를 저장하기 위한 중간 연산 회로를 포함함에 따라, 전류 제어에 지연 시간이 발생하고, 결과적으로 입력 전원과 부하의 변화에 따라 평균전류 제어가 어려운 문제점을 가진다.

미국등록특허 제7,863,836호(2011.01.04.등록) 미국등록특허 제8,120,335호(2012.02.21.등록)

본 발명은 신속하고 정확하게 평균전류 제어가 가능한 전원 공급 장치의 스위치 제어기술을 제공하고자 한다.

본 발명은 실시간으로 전류 제어가 가능한 전원 공급 장치의 스위치 제어 기술을 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 입력 전원에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 전류 제어 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로는 상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 측정된 전류를 적분하는 전류 적분부; 상기 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교하는 비교부; 및 상기 전류 제어 스위치에 연결되고, 상기 비교부에서 비교한 결과 동일한 경우 상기 전류 제어 스위치를 턴온프시키며, 상기 전류 제어 스위치가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간이 경과하면 상기 전류 제어 스위치를 턴온시키는 제어부를 포함한다.

여기에서, 상기 전류 제어 스위치는 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET : Metal Silicon Field Effect Transister)로 구현될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전류 측정부는 상기 전류 제어 스위치의 일단과 기준 전위 사이에 연결된 전류 측정 저항을 포함하고, 상기 전류 측정 저항의 양단에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. 여기에서, 상기 전류 적분부는 상기 측정된 전압을 전류로 변환하는 전압-전류 변환기(VI converter)를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전류 적분부는 기 설정된 기준 전류를 적분하여 시간에 따라 변하는 상기 기준 전압을 생성할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전류 적분부는 상기 측정된 전류와 동일한 크기의 제1 전류를 공급하는 제1 종속 전류원; 상기 기준 전압과 연관된 기준 전류와 동일한 크기의 제2 전류를 공급하는 제2 종속 전류원; 및 상기 제1 종속 전류원 및 제2 종속 전류원에 각각 직렬 연결된 한 쌍의 커패시터들을 포함하고, 상기 한 쌍의 커패시터들 각각을 통해 상기 측정된 전류와 상기 기준 전류에 대한 적분 연산을 수행할 수 있다.

여기에서, 상기 제2 종속 전류원은 상기 기준 전류를 2배 증폭하여, 상기 측정된 전류와 차동 증폭(differential amplifying)을 수행하는 차동 증폭 회로를 더 포함할 수 있다.

다른 일 실시예에서, 상기 전류 적분부는 특정 전류를 공급하는 정전류원; 상기 정전류원에 직렬 연결되고 상기 측정된 전류에 의해 제어되는 제1 스위치; 상기 정전류원에 직렬 연결되고 상기 기준 전압과 연관된 기준 전류에 의해 제어되는 제2 스위치; 및 상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 각각 직렬 연결되어 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 통해 흐르는 전류에 대한 적분 연산을 수행하는 한 쌍의 커패시터들을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 비교부는차동 증폭기(differential amplifier)로 구현될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 전류 제어 스위치가 턴오프되는 시점으로부터 상기 기 설정된 오프시간을 카운팅하는 오프시간 제어부; 및 상기 비교부의 출력과 상기 오프시간 제어부의 출력을 기초로 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 구동부를 포함할 수 있다.

여기에서, 상기 스위치 구동부는 상기 비교부의 출력과 상기 오프시간 제어부의 출력에 대해 NOR 또는 NAND 논리 연산을 수행하는 SR 래치로 구현될 수 있다.

실시예들 중에서, 스위치 제어 방법은 입력 전원에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 전류 제어 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로에서 수행된다. 스위치 제어 방법은 상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전류를 적분하는 단계; 상기 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교하는 단계; 상기 비교부에서 비교한 결과 동일한 경우 상기 전류 제어 스위치를 턴온프시키는 단계; 및 상기 전류 제어 스위치가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간이 경과하면 상기 전류 제어 스위치를 턴온시키는 단계를 포함한다.

실시예들 중에서, 컨버터는 입력 전원에 직렬 연결된 부하; 상기 부하에 직렬 연결된 인덕터; 상기 인덕터에 직렬 연결되어 상기 부하에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 스위치; 상기 직렬 연결된 부하와 인덕터에 병렬 연결되는 환류 다이오드; 및 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로를 포함하고, 상기 스위치 제어 회로는 상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 측정된 전류를 적분하는 전류 적분부; 상기 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교하는 비교부; 및 상기 전류 제어 스위치에 연결되고, 상기 비교부에서 비교한 결과 동일한 경우 상기 전류 제어 스위치를 턴온프시키며, 상기 전류 제어 스위치가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간이 경과하면 상기 전류 제어 스위치를 턴온시키는 제어부를 포함한다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 제어 기술은 감지된 전류와 기준 전류를 각각 적분 및 비교하여신속하고 정확한 평균전류 제어가 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 제어 기술은 전류 적분 연산을 통해 실시간으로 전류 제어가 가능할 수 있다.

도 1은 종래의 제어 회로에 의해 제어되는 부하 전류의 파형도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2에 있는 전류 적분부의 일 실시예와 출력되는 파형을 나타내는 예시도이다.
도 4는 도 2에 있는 전류 적분부의 다른 실시예와 출력되는 파형을 나타내는 예시도이다.
도 5는 도 2에 있는 전류 적분부의 또 다른 실시예와 출력되는 파형을 나타내는 예시도이다.

본 발명의 실시예에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명의 실시예에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것이다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변환기를 나타내는 회로도이다.

도 2를 참조하면, 변환기(200)는 부하(210), 인덕터(220), 환류 다이오드(230), 전류 제어 스위치(240) 및 스위치 제어 회로(260)를 포함한다.

변환기(200)는 전원 공급 장치에 해당하고, 보다 구체적으로, 입력 전압보다 낮은 전압을 출력하는 벅 변환기(BUCK converter)에 해당한다.

부하(210)는 입력 전원(VIN)에 직렬로 연결되어 에너지를 소비하는 구성 요소에 해당하고, 예를 들어, 발광 소자(LED : light emitting diode)로 구현될 수 있다.

인덕터(220)(inductor)는 후술할 전류 제어 스위치(240)의 동작에 따라 입력 전원을 통해 공급되는 에너지를 저장하거나 또는 저장된 에너지를 방출한다. 인덕터(220)는 인덕터(220)에 흐르는 전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도하여 전류의 급격한 변화를 억제할 수 있고, 또한, 흐르는 전류량의 제곱에 비례하는 에너지를 저장할 수 있다.

인덕터(220)의 용량이 가변함에 따라서 전류 제어 스위치(240)의 턴온 및 턴오프 주기가 대응되게 가변되며, 따라서 전류 제어 스위치(240)의 동작 주파수가 이에 상응하게 가변한다.

환류 다이오드(230)(Free wheeling diode)는 인덕터(220)에서 에너지가 방출되는 경우 해당 에너지를 부하(210)에 공급할 수 있는 전류 이동 경로(loop)를 형성한다. 보다 구체적으로, 환류 다이오드(230)는 후술할 전류 제어 스위치(240)가 턴오프되면 인덕터(220)에 저장된 에너지가 부하(210)에 흘러 소비될 수 있도록 하며, 또한, 인덕터(220)에 충전된 전류가 전류 제어 스위치(240)로 흐름에 따라 발생할 수 있는 변환기(200)의 손상(예를 들어, 스파크로 인한 전류 제어 스위치(240)의 손상)을 방지할 수 있다.

전류 제어 스위치(240)는 인덕터(220)에 직렬 연결되고, 턴온 및 턴오프 동작을 반복적으로 수행하여 부하(210)에 흐르는 전류량을 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 전류 제어 스위치(240)는 제어 신호에 의하여 턴온 또는 턴오프되고, 턴온 및 턴오프에 따라 인덕터(220)에 흐르는 전류의 이동 경로를 선택적으로 제공할 수 있다.

먼저, 전류 제어 스위치(240)가 턴온되면 입력 전원에 의해 인덕터(220)에 전류가 흘러 인덕터(220)에 에너지가 축적되고, 부하(210)를 통해 전류가 증가하며 흐르게 된다.

이후, 전류 제어 스위치(240)가 턴오프되면 인덕터(220)에 축적된 에너지인 인덕터(220) 전류가 환류 다이오드(230)를 통해 부하(210)에 흐르도록 전류 이동 경로를 만들어 주고, 인덕터(220) 전류는 전류 제어 스위치(240)가 턴온 될 때까지 감소한다. 한편, 변환기(200)는 반복적으로 전류 제어 스위치(240)를 턴온 및 턴오프시켜 펄스 형태의 전류를 출력할 수 있다.

스위치 제어 회로(260)는 전류 제어 스위치(240)의 동작을 제어한다. 보다 구체적으로, 스위치 제어 회로(260)는 부하(210)에 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 적분하는 적분 연산과 적분 연산의 결과와 기준 전압을 기초로 전류 제어 스위치(240)의 동작을 제어한다. 이하, 제어 회로에 대하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 제어 회로는 전류 측정부, 전류 적분부(261), 비교부(262) 및 제어부를 포함한다.

전류 측정부는 부하(210)에 흐르는 전류를 측정한다. 보다 구체적으로, 전류 측정부는 전류 제어 스위치(240)의 일단과 기준 전위 사이에 연결된 전류 측정 저항(250)을 포함하고, 전류 측정 저항(250)의 양단에 걸리는 전압(또는 CS 단자에 걸리는 전압)을 기초로 부하(210)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.

일 실시예에서, 전류 측정부는 전류 측정 저항(250)의 양단에 걸리는 전압을 측정 전류로 변환하는 전압-전류 변환기(VI converter)를 포함할 수 있다. 여기에서, 전압-전류 변환기는 전류 측정을 위한 단자에서 제어 회로 측 내부에 설치될 수 있다. 한편, 전압-전류 변환기는 전류 측정부와 전류 적분부(261) 사이에 배치됨에 따라, 앞서 설명한 바와 달리, 전류 적분부(261)에 포함되어 구현될 수도 있다.

전류 적분부(261)는 측정된 전류에 대하여 적분 연산을 수행한다.

일 실시예에서, 전류 적분부(261)는 기 설정된 기준 전류를 적분하여 시간에 따라 변하는 기준 전압을 생성할 수 있다. 여기에서, 기 설정된 기준 전류는 제조 단계에서 설정될 수 있거나,전류 적분부(261) 외부에 설치된 핀(pin) 또는 특정 프로그램을 통해 가변될 수 있다. 예를 들어, 설정된 기준 전류는 Average 단자를 통해 사용자에 의해 설정될 수 있다.

보다 구체적으로, 전류 적분부(261)는 전류 측정부를 통해 측정된 전류와 기 설정된 기준 전류를 수신하고, 이들 각각에 대하여 적분 연산을 수행할 수 있다.

전류 적분부(261)의 구체적인 구성에 대해서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술한다.

일 실시예에서, 전류 적분부(261)는 전류 제어 스위치(240)가 턴온되는 시간 동안 적분 연산을 수행하며, 전류 제어 스위치(240)가 턴오프되는 시점에 리셋될 수 있다. 예를 들어, 전류 적분부(261)는 전류 제어 스위치(240)가 턴오프되는 동안 커패시터에 축적된 에너지를 방출시킴으로써 리셋될 수 있다.

비교부(262)는 전류 적분부(261)에서 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교한다. 여기에서, 기준 전압은 특정 기울기를 갖고 증가하는 형태에 해당할 수 있거나, 또는 전류 적분부(261)에서 기 설정된 기준 전류를 적분한 결과에 해당할 수 있다. 이하에서는, 기준 전압은 적분된 기준 전류에 해당하는 경우를 예로 들어 설명한다.

비교부(262)는 전류 적분부(261)에서 적분된 전류들 각각의 크기를 상호 비교한다.

보다 구체적으로, 비교부(262)는 측정된 전류의 적분값(이하, “제1 적분값”이라 함)와 기준 전류의 적분값(또는 기준 전압, 이하, “제2 적분값”이라 함)을 상호 비교한다.

일 실시예에서, 비교부(262)는 증폭기(amplifier)로 구현될 수 있으며, 특히, 차동 증폭기(differential amplifier)로 구현될 수 있다.

예를 들어, 비교부(262)는 제1 적분값과 제2 적분값을 비교하고, 그 차이(제1적분값 - 제2적분값)을 출력할 수 있다. 전류 제어 스위치(240)가 턴온되는 시점에서 기준 전류의 크기가 측정된 전류의 크기보다 크므로, 비교부(262)는 음의 값(로우 레벨 또는 0)을 출력하고, 시간이 경과함에 따라 부하(210)에 흐르는 전류의 크기가 증가하므로, 이후에 양의 값(하이 레벨 또는 1)을 출력할 수 있다.

제어부는 전류 제어 스위치(240)에 연결되고, 비교부(262)에서 비교한 결과 동일한 경우 전류 제어 스위치(240)를 턴 오프시킨다. 여기에서, 제어부는 전류 제어 스위치의 GATE 단자에 연결된다.

보다 구체적으로, 먼저 제어부는 전류 제어 스위치(240)를 턴온시키는 제어신호를 생성하여 전류 제어 스위치(240)로 하여금 입력 전원에 의해 부하(210)에 전류가 흐를 수 있는 전류 이동 경로를 구성하도록 제어한다.

이후, 제어부는 앞서 예를 들어 설명한 바와 같이, 비교부(262)의 출력의 부호가 변화하는 시점(음의 값 ->양의 값), 즉, 적분된 측정 전류와 기준 전압이 동일한 경우(또는 적분된 전류들 각각의 크기가 동일한 경우)전류 제어 스위치(240)를 턴오프시키는 제어신호를 생성하여 입력 전원에 의해 전류가 흐르는 전류 이동 경로를 차단시킬 수 있다.

또한, 제어부는전류 제어 스위치(240)가 턴오프된 시점으로부터 특정 시간(예를 들어, 기 설정된 off time)이 경과하면 전류 제어 스위치(240)를 턴온시키는 제어신호를 생성하여 전류 제어 스위치(240)를 통해 입력 전원에 의해 부하(210)에 전류가 흐를 수 있는 전류 이동 경로를 구성하도록 한다.

일 실시예에서, 제어부는 전류 제어 스위치(240)가 턴오프되는 시점으로부터 상기 기 설정된 오프시간을 카운팅하는 오프시간 제어부(263)를 포함할 수 있다. 여기에서, 오프시간은 전류 제어 스위치(240)가 턴오프된 시점으로부터 턴오프된 상태를 유지하는 시간에 해당한다.

예를 들어, 오프시간 제어부(263)는 턴오프 시간 동안에는 로우 레벨(Low level or 0)의 신호를 출력하고, 턴오프 시간이 경과하면 하이 레벨(high level or 1)의 신호를 출력할 수 있다.

일 실시예에서,오프시간 제어부(263)는 외부의 입력에 따라, 또는 특정 프로그램에 의하여 오프 시간을 설정할 수 있는 시간 설정 모듈을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 오프 시간은 RT-OFF 단자를 통해 사용자에 의해 설정될 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는 비교부(262)의 출력과 오프시간 제어부(263)의 출력을 기초로 상기 전류 제어 스위치(240)를 제어하는 스위치 구동부(264)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 스위치 구동부(264)는 비교부(262)의 출력과 오프시간 제어부(263)의 출력에 대해 NOR 또는 NAND 논리 연산을 수행하여 전류 제어 스위치(240)를 제어하는 제어신호를 출력할 수 있다.

일 실시예에서, 스위치 구동부(264)는 상기 비교부(262)의 출력과 상기 오프시간 제어부(263)의 출력에 대해 NOR 또는 NAND 논리 연산을 수행하는 SR 래치로 구현될 수 있다.

예를 들어, SR 래치의 입력단자 S 및 R 각각에 오프시간 제어부(263)의 출력과 비교부(262)의 출력이 입력되고,S 단자에 하이 레벨의 신호(예를 들어, 1)이 입력되면, SET이 되어 출력 Q를 통해 전류 제어 스위치(240)를 턴온시키는 제어신호를 출력한다. 이후, R 단자에 비교부(262)의 출력에 따라 하이 레벨의 신호(예를 들어, 1 또는 양의 신호)가 입력되면, SR 래치는 RESET되어 출력 Q를 통해 전류 제어 스위치(240)를 턴오프시키는 제어신호를 출력할 수 있다. 한편, 오프시간 제어부(263)는 비교부(262)의 출력이 하이 레벨에 도달하는 경우, 로우 레벨의 신호를 출력한다.

이를 통해, 스위치 제어 회로(260)는 신속하고 정확하게 부하(210)측의 전류를 제어할 수 있고, 또한, 전류 제어 스위치(240)가 턴온되는 시간동안만 적분 연산을 수행하여 입력 전원 및 출력 변화를 실시간으로 반영하여 종래 기술보다 정확하게 부하(210)의 평균 전류를 제어할 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 도 2에 있는 전류 적분부(261)의 구체적인 구성에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 도 2에 있는 전류 적분부(261)의 일 실시예와 출력되는 파형을 나타내는 예시도이다.

도 3(a)을 참조하면, 한 쌍의 종속 전류원들과 한 쌍의 종속 전류원들 각각에 직렬 연결된 한 쌍의 커패시터들을 포함한다.

보다 구체적으로, 제1 종속 전류원은 측정된 전류에 대응하여 제1 전류(I1)를 공급하는 전류원에 해당하고, 제2 종속 전류원은 기준 전류에 대응하여 제2 전류(I2)를 공급하는 전류원에 해당한다.

제1 전류원은 “gm * VCS1”에 해당하는 전류(I1)를 공급하고, 여기에서, gm은 측정된 전류에 대한 전류비에 해당하고, 임의의 상수(예를 들어, 1)에 해당할 수 있다.제2 전류원은 “gm * Average”에 해당하는 전류(I2)를 공급하고, gm은 제1 전류원의 값과 동일할 수 있다.

한 쌍의 커패시터들은 측정된 전류와 기준 전류 각각에 대한 적분 연산을 수행한다.

제1 종속 전류원과 커패시터가 연결된 제1 노드는 비교부(262)의 입력단(예를 들어, + 단자)과 연결되어, 제1 노드에 걸리는 전압을 비교부(262)의 입력으로 제공한다. 이와 마찬가지로, 제2 종속 전류원과 커패시터가 연결된 제2 노드는 비교부(262)의 다른 입력단(예를 들어, - 단자)과 연결되어, 제2 노드에 걸리는 전압을 비교부(262)의 입력으로 제공한다.

도 3(b)를 참조하면, x축과 y축 각각은 시간과 전류의 크기를 나타낸다.

기준 전류(Average)는 시간의 흐름과 무관하게 기 설정된 크기로 일정하게 나타나고, 측정된 전류(VCS1)는 시간의 흐름에 따라 증가하는 형태를 나타낸다.

도 3(c)를 참조하면, x축과 y축 각각은 시간과 적분된 전류의 크기(적분값, Q)를 나타낸다.

전류 적분부(261)는 전류 제어 스위치(240)가 턴온되는 시점(예를 들어, 0)부터 전류들 각각에 대한 적분을 수행한다. 도시된 바와 같이, 일정한 크기의 기준 전류에 대한 적분값(제1 적분값)은 특정 기울기를 갖는 형태로 나타나고, 시간에 따라 증가하는 측정 전류에 대한 적분값(제2 적분값)은 포물선 형태로 나타난다.

제1 적분값과 제2 적분값의 그래프가 만나는 시점(t1)은 제1 적분값과 제2 적분값의 크기가 동일한 시점을 나타낸다. 즉, 도 3(b)에서 각각 다른 방향으로 사선 처리된 부분의 면적이 동일한 시점을 나타낸다.

한편, t1 시점에서, 스위치 제어 회로(260)는 전류 제어 스위치(240)를 턴오프시키고, 전류 적분부(261)는 리셋된다.

일 실시예에서, 제2 종속 전류원은 기준 전류를 2배 증폭하여, 측정된 전류와 차동 증폭(differential amplifying)을 수행하는 차동 증폭 회로를 더 포함할 수 있다.

도 4는 도 2에 있는 전류 적분부(261)의 다른 일 실시예와 출력되는 파형을 나타내는 예시도이다.

도 4(a)를 참조하면, 도 3(a)와 비교하여 유사한 구성을 나타내나, 제2 종속 전류원에서 공급되는 전류의 크기(I2)는 "gm * (2 * average - VCS1)"로 나타난다.

보다 구체적으로, 제2 종속 전류원은 내부 회로에 증폭기를 포함하여 기준 전류를 2배 증폭하고, 증폭된 기준 전류와 측정된 전류를 차동 증폭하여 "gm * (2 * average - VCS1)" 에 해당하는 전류(I2)를 공급할 수 있다.

이를 통해, 측정된 전류에 잔류 편차(offset)이 발생하더라도, 제1 종속 전류원 및 제2 종속 전류원이 포함하고 있는 잔류 편차 값을 상보(mutual supplement 또는 mutual compensation)하여 잔류 편차에 무관하게 보다 정확한 전류 제어가 가능하도록 할 수 있다.

도 4(b)를 참조하면, 제2 종속 전류원의 전류는 시간의 흐름에 따라 감소하는 형태로 나타난다.

도 4(c)를 참조하면, 제1 적분값은 최고값을 갖는 포물선의 일부분과 같은 형태로 나타나고, 제2 적분값은 최저값을 갖는 포물선의 일부분과 갖은 형태를 나타낸다. 도 3(c)에서 설명한 바와 마찬가지로, 제1 적분값과 제2 적분값의 그래프가 만나는 시점(t2)에서 제어 회로는 전류 제어 스위치(240)를 턴오프시키고, 전류 적분부(261)는 리셋된다.

일 실시예에서, 전류 적분부(261)는 특정 전류를 공급하는 정전류원, 정전류원에 직렬 연결되고 측정된 전류에 의해 제어되는 제1 스위치, 정전류원에 직렬 연결되고 기준 전류에 의해 제어되는 제2 스위치, 제1 스위치 및 제2 스위치에 각각 직렬 연결되어 제1 스위치 및 제2 스위치를 통해 흐르는 전류에 대해 적분 연산을 수행하는 한 쌍의 커패시터들을 포함할 수 있다.

도 5는 도 2에 있는 전류 적분부(261)의 또 다른 일 실시예와 출력되는 파형을 나타내는 예시도이다.

도 5(a)를 참조하면, 도 3(a)와 비교하여, 전류 적분부(261)는 하나의 정전류원, 정전류원에 각각 직렬 연결된 제1 스위치와 제2 스위치를 포함한다.

정전류원은 하나로 도시하였으나, 이는 제1 스위치 및 제2 스위치에 공급되는 전류(I3)의 크기가 동일함을 의미하고, 공급하는 전류의 크기가 동일한 2개의 전류원으로 구현될 수 있음은 자명하다.

제1 스위치에 있어서, 제1 커패시터로 흐르는 전류량은 측정된 전류의 크기에 의해 결정되고, 제2 스위치에 있어서, 제2 커패시터로 흐르는 전류량은 기준 전류의 크기에 의해 결정된다.

도 5(b)를 참조하면, 도 3(b)와 마찬가지로, 기준 전류(Average)는 시간의 흐름과 무관하게 기 설정된 크기로 일정하게 나타나고, 측정된 전류(VCS)는 시간의 흐름에 따라 증가하는 형태를 나타낸다.

도 5(c)를 참조하면, 제1 적분값(즉, 제1 커패시터에 축적되는 전하량)는 제1 스위치(예를 들어, MOSFET의 구현된 경우)의 게이트에 인가되는 크기가 일정함에 따라 특정 값에 포화되는 형태로 나타나고, 제2 적분값은 제2 스위치의 게이트에 인가되는 크기가 증가함에 따라 특정시점(예를 들어, 스위치의 문턱 전압을 초과하는 시점)에 급격히 증가하는 형태로 나타난다.

도 3(c)에서 설명한 바와 마찬가지로, 제1 적분값과 제2 적분값의 그래프가 만나는 시점(t3)에서 제어 회로는 전류 제어 스위치(240)를 턴오프시키고, 전류 적분부(261)는 리셋된다.스위치 제어 방법은 입력 전원에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 전류 제어 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로(260)에서 수행된다.

스위치 제어 회로(260)는 전류 측정부를 통해 부하에 흐르는 전류를 측정한다(S610).

스위치 제어 회로(260)는 전류 적분부(261)를 통해 측정된 전류를 적분한다(S620).

앞서 설명한 바와 같이, 스위치 제어 회로(260)는 기 설정된 기준 전류에 대한 적분 연산을 수행하여 기준 전압을 생성할 수 있다.

스위치 제어 회로(260)는 비교부(262)를 통해 적분된 전류와 기준 전압(또는 적분된 기준 전류)의 크기를 상호 비교한다(S630).

스위치 제어 회로(260)는 비교부(262)에서 비교한 결과 동일한 경우 스위치 구동부(264)를 통해 상기 전류 제어 스위치(240)를 턴온프시킨다(S640).

스위치 제어 회로(260)는 전류 제어 스위치(240)가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간이 경과하면 전류 제어 스위치(240)를 턴온시킨다.

보다 구체적으로, 스위치 제어 회로(260)는 오프시간 제어부(263)를 통해 전류 제어 스위치(240)가 턴오프된 시점으로부터 오프 시간(off time)을 카운팅하고, 오프시간을 경과한 경우 스위치 구동부(264)를 통해 전류 제어 스위치(240)를 턴온시킨다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

200 : 변환기
210 : 부하
220 : 인덕터(220)
230 : 환류 다이오드(230)
240 : 전류 제어 스위치(240)
250 : 전류 측정 저항(250)
260 : 스위치 제어 회로(260)
261 : 전류 적분부(261)
262 : 비교부(262)
263 : 오프시간 제어부(263)
264 : 스위치 구동부(264)

Claims

입력 전원에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 전류 제어 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로에 있어서,
상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부;
상기 측정된 전류를 적분하는 전류 적분부;
상기 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교하는 비교부; 및
상기 전류 제어 스위치에 연결되고, 상기 비교부에서 비교한 결과 동일한 경우 상기 전류 제어 스위치를 턴온프(trun-off)시키며, 상기 전류 제어 스위치가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간(off time)이 경과하면 상기 전류 제어 스위치를 턴온(turn-on)시키는 제어부를 포함하는 스위치 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 전류 제어 스위치는
금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET : Metal Silicon Field Effect Transister)로 구현되는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 전류 측정부는
상기 전류 제어 스위치의 일단과 기준 전위 사이에 연결된 전류 측정 저항을 포함하고,
상기 전류 측정 저항의 양단에 걸리는 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
제3항에 있어서, 상기 전류 적분부는
상기 측정된 전압을 전류로 변환하는 전압-전류 변환기(VI converter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 전류 적분부는
기 설정된 기준 전류를 적분하여 시간에 따라 변하는 상기 기준 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 전류 적분부는
상기 측정된 전류와 동일한 크기의 제1 전류를 공급하는 제1 종속 전류원;
상기 기준 전압과 연관된 기준 전류와 동일한 크기의 제2 전류를 공급하는 제2 종속 전류원; 및
상기 제1 종속 전류원 및 제2 종속 전류원에 각각 직렬 연결된 한 쌍의 커패시터들을 포함하고,
상기 한 쌍의 커패시터들 각각을 통해 상기 측정된 전류와 상기 기준 전류에 대한 적분 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
제6항에 있어서, 상기 제2 종속 전류원은
상기 기준 전류를 2배 증폭하여, 상기 측정된 전류와 차동 증폭(differential amplifying)을 수행하는 차동 증폭 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 전류 적분부는
특정 전류를 공급하는 정전류원;
상기 정전류원에 직렬 연결되고 상기 측정된 전류에 의해 제어되는 제1 스위치;
상기 정전류원에 직렬 연결되고 상기 기준 전압과 연관된 기준 전류에 의해 제어되는 제2 스위치; 및
상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 각각 직렬 연결되어 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 통해 흐르는 전류에 대한 적분 연산을 수행하는 한 쌍의 커패시터들을 포함하는 스위치 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 비교부는
차동 증폭기(differential amplifier)로 구현되는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 제어부는
상기 전류 제어 스위치가 턴오프되는 시점으로부터 상기 기 설정된 오프시간을 카운팅하는 오프시간 제어부; 및
상기 비교부의 출력과 상기 오프시간 제어부의 출력을 기초로 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 구동부를 포함하는 스위치 제어 회로.
제10항에 있어서, 상기 스위치 구동부는
상기 비교부의 출력과 상기 오프시간 제어부의 출력에 대해 NOR 또는 NAND 논리 연산을 수행하는 SR 래치로 구현되는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
입력 전원에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 전류 제어 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로에서 수행되는 스위치 제어 방법에 있어서,
상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 단계;
상기 측정된 전류를 적분하는 단계;
상기 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교하는 단계;
상기 비교부에서 비교한 결과 동일한 경우 상기 전류 제어 스위치를 턴온프시키는 단계; 및
상기 전류 제어 스위치가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간이 경과하면 상기 전류 제어 스위치를 턴온시키는 단계를 포함하는 스위치 제어 방법.
입력 전원에 직렬 연결된 부하;
상기 부하에 직렬 연결된 인덕터;
상기 인덕터에 직렬 연결되어 상기 부하에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 스위치;
상기 직렬 연결된 부하와 인덕터에 병렬 연결되는 환류 다이오드; 및
상기 전류 제어 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로를 포함하고,
상기 스위치 제어 회로는
상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부;
상기 측정된 전류를 적분하는 전류 적분부;
상기 적분된 전류와 기준 전압의 크기를 상호 비교하는 비교부; 및
상기 전류 제어 스위치에 연결되고, 상기 비교부에서 비교한 결과 동일한 경우 상기 전류 제어 스위치를 턴온프시키며, 상기 전류 제어 스위치가 턴오프된 시점으로부터 기 설정된 오프시간이 경과하면 상기 전류 제어 스위치를 턴온시키는 제어부를 포함하는 변환기.