KR20160012188A - 다중-모드 제어 전력 변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위칭 엘리먼트에 의해 입력 전압 및 스위칭 신호에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 스위칭 가능 전력 스테이지를 포함하는 스위칭식 전력 변환기에 관한 것이며 상기 스위칭 신호는 다중-모드 제어기에 의해 생성되고 상기 다중-모드 제어기는 펄스 폭 변조 스위칭 신호를 생성하기 위한 디지털 제어 경로 및 콘스탄트-온-타임 스위칭 신호를 생성하기 위한 콘스탄트-온-타임 제어 경로를 제어한다. 상기 스위칭 엘리먼트를 제어하기 위한 스위칭 신호는 다중-모드 제어기가 하이 로드 모드에서 실행될 때 상기 디지털 제어 경로에서 생성된다. 상기 스위칭 신호는 다중-모드 제어기가 라이트 로드 모드에서 실행될 때, 콘스탄트-온-타임 제어 경로에서 생성된다.

Description

다중-모드 제어 전력 변환기{MULTI-MODE CONTROLLED POWER CONVERTER}
본 개시는 다중-모드 제어기에 의해 제어되는 스위칭식 전력 변환기 및 관련된 방법에 관한 것이다.
스위칭식 DC-DC 변환기들은 출력 전압이 스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 생성되는 스위칭 가능 전력 스테이지를 포함한다. 스위칭 신호는 기준 전압에 대해 출력 전압을 조정하는 디지털 제어 회로에서 생성된다. 기준 전압에 대해 출력 전압을 조정하는 스위칭식 전력 스테이지는 하이-측 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 로우-측 FET, 및 인덕턴스 및 커패시터로 이루어지는 이중 스위치를 포함한다. 충전 단계 동안, 커패시터를 충전하도록 스위칭 신호에 의해 하이-측 FET는 턴 온되고 로우-측 FET은 턴 오프된다. 방전 단계 동안, 로드 전류에 평균 인덕터 전류를 매칭시키도록 하이-측 FET는 턴 오프되고 로우-측 FET은 턴 온되다. 스위칭 신호는 제어 법칙에 의해 결정된 듀티 사이클을 갖는 디지털 펄스폭 변조 신호로서 생성된다. 제어 법칙은 PID 보상기에 의해 구현될 수 있다.
DC-DC 변환기에 대한 디지털 제어 회로는 양호한 로드 트랜지언트 거동(load transient behavior)을 필요로 하는 고성능 애플리케이션에 상당이 매우 적합하다. 그럼에도 불구하고, 가동되는(powered) 애플리케이션이 라이트 로드에서 실행할 때, 디지털 제어 회로는 너무 많은 전류를 소모하는 단점을 가지고 있으며 그에 따라 DCDC 변환기의 효율은 부정적인 영향을 받는다. 이는 라이트 로드 효율을 열등하게 한다. 다수의 애플리케이션들이 라이트 로드 컨디션에서 그의 시간 대부분을 실행하기 때문에, 이것은 전체 에너지 소비에 부정적으로 영향을 미친다. 그러므로 라이트 로드 컨디션 하에서 더 나은 효율을 갖는 것이 매우 바람직하다.
이 해결책은 독립 장치 청구항에 따른 전력 변환기 및 및 독립 방법 청구항에 따른 다중-모드 스위칭 가능 전력 변환기를 제어하기 위한 방법으로 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 다른 양상들에 관한 것이다.
본 개시는 스위칭 엘리먼트에 의해 스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 스위칭 가능 전력 스테이지를 포함하는 스위칭식 전력 변환기에 관한 것이다. 스위칭 신호는 하이 로드가 존재할 때 디지털 제어 경로에 의해 또는 라이트 로드가 존재할 때 콘스탄트-온-타임 제어 경로에 의해 생성된다. 다중-모드 제어기는 로드 전류 또는 출력 전압에 따라 하이 로드 모드와 라이트 로드 모드 사이에서 토글링(toggling) 하기 위해 제공된다. 다중-모드 제어기가 라이트 로드 모드에서 동작할 때, 콘스탄트-온-타임 제어 경로에 의해 생성된 스위칭 신호는 전력 스테이지의 스위칭 엘리먼트에 제공된다. 다중-모드 제어기가 하이 로드 모드에서 동작할 때, 디지털 회로로부터 생성된 펄스 폭 변조 스위칭 신호는 전력 스테이지의 스위칭 엘리먼트에 제공된다.
다중-모드 제어기가 라이트 로드 모드에서 동작할 때, 디지털 제어 경로는 스위칭 오프될 수 있다. 이는 전력을 절감한다.
다중-모드 제어기는 출력 전압을 모니터링함으로써 또는 측정된 로드 전류로부터 라이트 로드 모드 또는 하이 로드 모드의 실행을 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 또한 스위칭 신호에 따라 스위칭되는 스위칭 가능 전력 스테이지를 포함하는 스위칭식 전력 변환기를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 하이 로드 모드에서 스위칭식 전력 변환기를 실행할 때 디지털 제어 경로에서 펄스 폭 변조 스위칭 신호를 생성하는 단계; 및 라이트 로드 모드에서 스위칭식 전력 변환기를 실행할 때 콘스탄트-온-타임 제어 경로에서 콘스탄트-온-타임 스위칭 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
디지털 제어 경로는, 콘스탄트-온-타임 제어 경로에서 결정된 콘스탄트-온-타임 및 최소 오프-타임의 합이 디지털 제어 경로에서 결정된 디지털 펄스 폭 변조 신호의 정상 기간을 초과하지 않을 때 활성화될 수 있다.
첨부 도면들에 대한 참조가 이루어질 것이다.
도 1은 라이트 로드 모드와 하이 로드 모드를 갖는 다중-모드 보상기에 의해 제어되는 DC-DC 변환기의 블록도를 도시한다.
도 1은 스위칭 가능 전력 스테이지(11)를 포함하는 전력 변환기를 도시한다. 스위칭 가능 전력 스테이지(11)는 제 1 스위칭 엘리먼트(12) 및 제 2 스위칭 엘리먼트(13), 인덕턴스(14), 및 커패시터(15)를 포함한다. 스위칭 엘리먼트들(12 및 13)은 제로 전류 탐지와 더불어 드라이버(117)에 의해 구동된다. 드라이버(117)는 디지털 제어 경로 또는 콘스탄트-온-타임 제어 경로 중 어느 하나에서 생성된 스위칭 신호를 포워딩한다. 디지털 제어 경로는 에러 증폭기(115), ADC(114), PID 보상기(113) 및 디지털 펄스 폭 변조기(112)를 포함한다. 콘스탄트-온-타임 제어 경로는 비교기(18) 및 콘스탄트-온-타임 회로(19) 및 최소 오프-타임 회로(110)를 포함한다. 다중-모드 제어기(111)는 콘스탄트-온-타임 제어 경로가 활성화되는 라이트 로드 모드와 디지털 제어 경로가 활성화되는 하이 로드 모드 간에 토글링하기 위해 제공된다. 모드는 출력 전압을 모니터링함으로써 또는 로드 전류로부터 결정된다. 이러한 목적을 위해, 출력 전압은 비교기(18)에 의해 기준 전압에 비교되고 결과가 다중-모드 제어기(111)에 제공된다.
기준 전압은 디지털로 제공될 수 있으며, DAC(17)에 의해 아날로그 도메인으로 변환된다.
하이 로드가 존재할 때 디지털 제어 경로가 활성화되고 디지털 펄스 폭 변조 스위칭 신호를 생성한다. 에러 증폭기(115)는 에러 신호를 생성하기 위해 출력 전압과 기준 전압 간의 차이를 증폭한다. 에러 신호는 ADC(114)에 의해 디지털 도메인으로 변환된다. PID 보상기(113)는 디지털 펄스 폭 변조 스위칭 신호를 출력하는 디지털 펄스 폭 변조기(112)에 제공되는, 펄스 폭 변조 듀티 사이클을 계산하기 위한 디지털화된 에러 신호를 프로세싱한다.
에러 증폭기(115), ADC(114), PID 보상기(113), 및 디지털 펄스 폭 변조기(112)는 다중-모드 제어기(111)에 의해 대역폭에 관하여 조정된다.
콘스탄트-온-타임 제어 경로는 라이트 로드가 존재하는 경우에 콘스탄트-온-타임 스위칭 신호를 생성한다. 콘스탄트-온 시간 및 최소 오프 시간의 합이 디지털 제어 경로에서 생성된 디지털 펄스 폭 변조 신호의 정상 기간을 초과한다는 것을 최소 오프-타임 회로(110)가 보장한다. 이 컨디션이 충족되지 않는다는 것을 다중-모드 제어기(111)가 검출하는 경우, 디지털 제어 경로가 활성화된다.
콘스탄트-온-타임 스위칭 신호와 펄스 폭 변조 스위칭 신호 간에 스위칭 신호를 멀티플렉싱하기 위한 멀티플렉서(115)가 제공된다. 멀티플렉서(115)는 다중-모드 제어기(110)에 의해 제어된다.
전력 스위칭 가능 전력 스테이지(11)는 출력 전압의 오버슈트를 최소화하도록 과잉 전류를 드레인하기 위해 인덕턴스(14)를 단락하기 위한 제 3 스위칭 엘리먼트(16)를 포함한다.

Claims (13)

  1. 스위칭식 전력 변환기로서,
    스위칭 엘리먼트(12, 13)에 의해 스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 스위칭 가능 전력 스테이지(11)
    를 포함하고,
    상기 스위칭 신호는 다중-모드 제어기(111)에 의해 생성되고, 상기 다중-모드 제어기는 펄스 폭 변조 스위칭 신호를 생성하기 위한 디지털 제어 경로 및 콘스탄트-온-타임 스위칭 신호(constant-on-time switching signal)를 생성하기 위한 콘스탄트-온-타임 제어 경로를 제어하고,
    상기 스위칭 엘리먼트를 제어하기 위한 스위칭 신호는 다중-모드 제어기(111)가 하이 로드 모드(high load mode)에서 실행될 때 상기 디지털 제어 경로에서 생성되고, 상기 스위칭 신호는 상기 다중-모드 제어기(111)가 라이트 로드 모드(light load mode)에서 실행될 때, 콘스탄트-온-타임 제어 경로에서 생성되는,
    스위칭식 전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 경로는 상기 다중-모드 제어기가 라이트 모드에서 실행될 때 파워 서플라이로부터 연결해제되는,
    스위칭식 전력 변환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다중-모드 제어기(111)는 상기 출력 전압을 모니터링함으로써 또는 로드 전류로부터 상기 라이트 로드 모드 또는 상기 하이 로드 모드의 실행을 결정하도록 구성되는,
    스위칭식 전력 변환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 경로는,
    에러 신호를 생성하기 위해 상기 출력 전압과 기준 전압 간의 차이를 증폭하기 위한 에러 증폭기(115);
    상기 에러 신호를 디지털화된 에러 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기;
    상기 디지털화된 에러 신호에 따라 펄스 폭 변조 듀티 사이클을 생성하기 위한 PID 보상기(113); 및
    펄스 폭 변조 스위칭 신호를 생성하기 위한 디지털 펄스 폭 변조기(112)를 포함하는,
    스위칭식 전력 변환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 에러 증폭기(115), 상기 아날로그-디지털 변환기(114), 상기 PID 보상기(113) 및 상기 디지털 펄스 폭 변조기(112)는 다중-모드 제어기(111)에 의해 대역폭에 대하여 조정 가능한,
    스위칭식 전력 변환기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘스탄트-온-타임 스위칭 신호와 상기 펄스 폭 변조 스위칭 신호 간에 스위칭 신호를 멀티플렉싱하기 위한 멀티플렉서(116)
    를 더 포함하고,
    상기 멀티플렉서는 상기 다중-모드 제어기(111)에 의해 제어되는,
    스위칭식 전력 변환기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘스탄트-온-타임 경로는 비교기(18) 및 콘스탄트-온-타임 회로를 포함하고
    상기 비교기(18)는 상기 출력 전압을 기준 전압과 비교하도록 구성되고 상기 비교기(18)는 상기 다중-모드 제어기 및 콘스탄트-온-타임 회로에 연결되는,
    스위칭식 전력 변환기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘스탄트-온-타임 제어 경로는,
    상기 콘스탄트-온-타임 및 최소-오프-타임(minimum-off-time)의 합을 컴퓨팅하도록 구성된 최소-오프-타임 회로(110)
    를 더 포함하는,
    스위칭식 전력 변환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다중모드 제어기(111)는 상기 콘스탄트-온-타임 및 최소 오프-타임의 합이 상기 디지털 펄스 폭 변조 신호의 정상 기간을 초과하지 않을 때 상기 디지털 제어 경로를 활성화하도록 구성되는,
    스위칭식 전력 변환기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 가능 전력 스테이지(11)는 과잉 인덕터 전류를 드레인하도록 상기 인덕터(14)를 단락하기 위한 제 3 스위칭 엘리먼트(16)를 포함하는,
    스위칭식 전력 변환기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 신호에 따라 상기 스위칭 엘리먼트를 구동하기 위한 제로 전류 검출을 갖는 드라이버(117)
    를 더 포함하는,
    스위칭식 전력 변환기.
  12. 스위칭 신호에 따라 스위칭되는 스위칭 가능 전력 스테이지(11)를 포함하는 스위칭식 전력 변환기(11)를 제어하기 위한 방법으로서,
    하이 로드 모드에서 상기 스위칭식 전력 변환기를 실행할 때 디지털 제어 경로에서 펄스 폭 변조 스위칭 신호를 생성하는 단계; 및
    라이트 로드 모드에서 상기 스위칭식 전력 변환기를 실행할 때 콘스탄트-온-타임 제어 경로에서 콘스탄트-온-타임 스위칭 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는,
    스위칭식 전력 변환기(11)를 제어하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 콘스탄트-온-타임 제어 경로에서 결정된 콘스탄트-온-타임 및 최소 오프-타임의 합이 상기 디지털 펄스 폭 변조 신호의 정상 기간을 초과하지 않을 때 상기 디지털 제어 경로를 활성화하는 단계를 포함하는,
    스위칭식 전력 변환기(11)를 제어하기 위한 방법.
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