KR20170068514A - 펄스식 선형 전력 컨버터 - Google Patents

펄스식 선형 전력 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하이-사이드 스위치 및 로우-사이드 스위치를 포함하는 스위칭 엘리먼트에 의한 입력 전압 및 스위칭 신호에 따른 출력 전압을 생성하기 위한 스위치 가능한 전력 스테이지를 포함하는 스위치 가능한 전력 컨버터에 관한 것이다. 경 부하 모드에서, 제어기는, 로우-사이드 스위치를 디세이블, 즉 턴 오프하고, 스위칭 신호의 온 시간 동안 하이-사이드 스위치를 부분적으로 턴 온하기 위한 스위칭 신호를 생성하도록 구성된다. 하이-사이드 스위치를 부분적으로 턴 온하는 것은 하이-사이드 스위치를 그 선형 범위에서 동작시킴으로써 달성된다.

Description

펄스식 선형 전력 컨버터{ Pulsed linear power converter}
본 개시는 펄스식 선형 전력 컨버터에 관한 것이다.
전력 컨버터의 현대의 설계들은, 특정 성능 요건들, 이를테면, 고효율, 정확한 출력 레귤레이션, 고속 과도 응답, 낮은 솔루션 비용 등을 충족하도록 선택된다. 전력 컨버터는, 주어진 입력 전압으로부터 부하에 대한 출력 전압 및 전류를 생성한다. 정상 상태 및 과도 상태 동안 전류 레귤레이션 또는 부하 전압 요건을 충족하는 것이 요구된다. 특정 애플리케이션에 따라, 선형 전력 컨버터 또는 스위치식 전력 컨버터가 적절한 솔루션일 수 있다.
선형 전력 컨버터들은 저전력 디바이스들에 전력을 공급하는데 적합하다. 이들은 간단하고 저렴하다. 그러나 이들이 동작하는 방식으로 인해, 이들은 현저하게 비효율적이다.
선형 전력 컨버터는, 입력 전압과 출력 전압 사이의 차를 취하고, 전력 차를 폐열로 소산시킴으로써 동작한다. 입력 전압과 출력 전압 사이의 차가 클수록, 더 많은 열이 생성된다. 많은 경우, 선형 전력 컨버터는 더 많은 전력을 낭비하고, 자신이 최종으로 목표 디바이스에 실제로 전달하는 것보다 전압을 감압시킨다.
도 1은 선형 전력 컨버터(11), 출력 커패시터(14) 및 부하(12)를 도시한다. 선형 전력 컨버터(11)는 자신의 선형 모드에서 동작되고, 결국 부하(12)와 직렬로 가변 저항으로서 작용하는 FET(field effect transistor)를 포함한다. 더욱이, 선형 전력 컨버터(11)는 FET(13)의 저항을 동적으로 조정하기 위한 피드백 루프를 포함한다.
피드백 루프를 구축하기 위해, 에러 증폭기(15)가 샘플링 저항기 네트워크(RA 및 RB)를 통해 출력 전압을 센싱하고, 그 다음 피드백 전압(VFB)을 기준 전압(VREF)과 비교한다. 에러 증폭기 출력 전압은 FET의 게이트를 구동시킨다. 입력 전압(Vin)이 감소하거나 부하 전류가 증가하는 경우, 출력 전압이 감소한다. 피드백 전압(VFB)이 또한 감소한다. 그 결과, 피드백 에러 증폭기는 증가된 게이트 전압을 생성한다. 이는 소스와 드레인 사이의 전압 강하(VSD)를 감소시키고 VFB가 VREF와 동일하도록 출력 전압을 되돌린다. 유사한 방식으로, 출력 전압이 상승되는 경우, 네거티브 피드백 루프가 VSD를 증가시킨다. 앞서 설명했듯이, 선형 전력 레귤레이터의 주요한 결점은 과도한 전력 소실이다.
대조적으로, 스위치식 전력 컨버터는, 입력 전압 소스로부터 조금씩 에너지의 작은 청크들을 취하고 이들을 출력으로 이동시킴으로써 동작한다. 이는 전기 스위치 및 에너지가 출력으로 전달되는 레이트를 제어하는 제어기에 의해 달성된다.
이러한 방식으로 에너지의 청크들을 주위로 이동시키는데 수반되는 에너지 손실들은 비교적 작으며, 그 결과 스위치식 전력 컨버터는 일반적으로 훨씬 높은 효율을 가질 수 있다.
도 2는 스위치 가능한 전력 스테이지(21)를 포함하는 스위치식 DC-DC 컨버터를 도시하며, 여기서 출력 전압은 스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 생성된다. 스위칭 신호는 출력 전압(Vout)을 기준 전압(VREF)으로 조정하는 디지털 제어 회로에서 생성된다. 스위치식 전력 스테이지(21)는 하이-사이드(high-side) FET(22)와 로우-사이드(low-side) FET(23)로 구성된 듀얼 스위치, 인덕턴스(24) 및 커패시터(25)를 포함한다. 충전 단계 동안, 커패시터를 충전하기 위한 스위칭 신호에 의해 하이-사이드 FET(22)가 턴 온되고, 로우-사이드 FET(23)가 턴 오프된다. 방전 단계 동안, 평균 인덕터 전류를 부하 전류에 매칭시키기 위해 하이-사이드 FET(22)가 턴 오프되고, 로우-사이드 FET(23)는 턴 온된다. 스위칭 신호가, 제어 규칙에 의해 결정된 듀티 사이클을 갖는 디지털 PWM(pulse width modulation) 신호로서 생성된다. 스위치식 전력 컨버터는 고 부하들에 적합하다. 경 부하들을 구동할 때, PWM 신호들의 듀티 비는 다이오드 에뮬레이션을 실행할 경우 매우 작게 된다. 그러나 하이-사이드 FET의 온 시간을 임의로 작게 할 수 없다. 따라서, 최소 온 시간 요건이 존재한다. 더욱이, 스위칭 손실들이 스위치식 전력 컨버터에서 발생한다.
따라서, 특히 경 부하들을 구동할 경우, 에너지 효율적인 전력 컨버터가 필요하다.
실질적으로 도면들 중 적어도 하나에 도시되고 그리고/또는 이와 관련하여 설명된 전력 컨버터 및 관련된 방법이 청구항들에서 더 완전하게 설명된다.
본 개시는 선형 모드에서 동작되는 하이-사이드 스위치를 갖는 스위치식 전력 컨버터에 관한 것이다. 전력 컨버터의 효율은 50퍼센트보다 크다. 손실들은 선형 전력 컨버터의 손실의 단지 d 배이며, 여기서 d는 온 시간 상관 기간이다.
본 개시의 이러한 그리고 다른 장점들, 양상들 및 신규한 특징들은 물론 이들의 예시된 실시예의 세부사항들이 이하의 설명 및 도면들로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.
첨부한 도면들이 참조될 것이다.
도 1은 선형 전력 컨버터의 블록도를 도시한다.
도 2는 스위치식 전력 컨버터의 블록도를 도시한다.
도 3은 PWM 신호, 및 종래의 스위치식 레귤레이션(파선) 및 펄스식 선형 레귤레이션에 대한 인덕터 전류(실선) 대 시간을 도시한다.
도 4는 효율 측정치 대 Vo/Vin을 도시한다.
도 5는 상대 손실 대 Vo/Vin을 도시한다.
본 발명은 도 2에 도시된 스위치 가능한 전력 컨버터에 관한 것이다. 스위치 가능한 전력 컨버터는, 하이-사이드 스위치(22) 및 로우-사이드 스위치(23)를 포함하는 스위칭 엘리먼트에 의한 입력 전압 및 스위칭 신호에 따른 출력 전압을 생성하기 위한 스위치 가능한 전력 스테이지(21)를 포함한다. 경 부하 모드에서, 제어기(26)는 로우-사이드 스위치(23)를 디세이블, 즉 턴 오프하고, 스위칭 신호의 온 시간 동안 하이-사이드 스위치(22)를 부분적으로 턴 온하기 위한 스위칭 신호를 생성하도록 구성된다. 스위칭 신호의 온 시간은 하이-사이드 스위치(22)의 동작과 관련하여 한정된다. 경 부하 모드에서, 단지 낮은 출력 전류들이 발생한다. 대안적으로, 로우-사이드 스위치를 완전히 턴 오프하고 FET의 경우처럼 스위치 바디 다이오드만을 사용하는 것 대신에, 로우-사이드 스위치가 턴 온되지 않을 경우 바디 다이오드가 전류를 도통시킬 경우에만 로우-사이드 스위치가 턴 온될 수 있다. 로우 사이드 스위치를 턴 온함으로써, 바디 다이오드 손실들이 감소되고 효율이 개선된다.
제어기는 하이-사이드 스위치(22)를 그 선형 범위에서 동작시킴으로써 스위칭 신호의 온 시간 동안 하이-사이드 스위치를 부분적으로 턴 온하기 위한 스위칭 신호를 생성하도록 구성된다. 따라서, 하이-사이드 스위치(22)는 저항기 역할을 한다. 따라서, 전력 컨버터는 펄스식 선형 전력 컨버터이다. 그러나 하이-사이드 스위치 및 저항성 부하를 포함하는 저항성 경로를 통해 전류가 흐르는 시간은 전류가 영구적으로 흐르는 선형 전력 컨버터에 비해 현저히 감소된다.
하이-사이드 스위치(22)가 완전하게 턴 온 또는 턴 오프될 필요가 없기 때문에, 게이트 드라이브 요건들이 감소된다.
도 3은 PWM 신호, 및 스위치식 종래 레귤레이션(파선) 및 펄스식 선형 레귤레이션에 대한 인덕터 전류(실선) 대 시간을 도시한다. PWM 신호는 주기적이며, 듀티 비는 온 시간에 대응한다. PWM 신호가 상승함에 따라 인덕터 전류가 증가한다. PWM 신호가 하강할 경우, 인덕터 전류는 정점에 이른다. 펄스식 선형 레귤레이선에 대한 인덕터 전류가 종래의 스위치식 레귤레이션에 대한 인덕터 전류와 동시에 정점에 이른다는 것이 관찰될 수 있다. 그러나 정점에서의 인덕터 전류의 크기는 펄스식 선형 레귤레이션의 경우가 더 작다. 이는 FET가 자신의 포화 범위에서 동작하는 정도까지 하이-사이드 스위치가 턴 온되지 않는다는 사실에 기인한다. 더욱이, 펄스식 선형 레귤레이션에 있어서는, 종래의 PWM 레귤레이션 및 종래의 선형 레귤레이션에 비해 인덕터 전류가 흐르지 않는 시간이 존재한다.
종래의 선형 레귤레이터의 효율은 입력 전압에 대한 출력 전압의 비(Vo/Vin)이다.
도 4는 효율 측정치 대 펄스식 선형 레귤레이션(실선) 및 종래의 선형 레귤레이션(파선)에 대한 Vo/Vin을 도시한다. 펄스식 선형 레귤레이션의 효율은 적어도 50퍼센트이다. 이는 10% 일 수 있는 종래의 선형 레귤레이션의 경우에 비해 훨씬 높다.
도 5는 상대 손실 대 펄스식 선형 레귤레이션(실선) 및 종래의 선형 레귤레이션(파선)에 대한 Vo/Vin을 도시한다. 손실들은 종래의 선형 레귤레이션의 손실의 단지 d 배이며, 여기서 d는 기간에 관련한 온 시간이다.
도 2를 다시 참조하면, 제어기는 경 부하 모드와 고 부하 모드 사이에서 토글링하도록 추가로 구성될 수 있고, 여기서 스위칭 신호는 하이-사이드 스위치와 로우-사이드 스위치를 선택적으로 스위칭 온 및 오프하도록 생성된다. 그러므로, 전력 컨버터는, 경 부하 모드에서 펄스식 선형 전력 컨버터로서 또는 고 부하 모드에서 종래의 스위치식 전력 컨버터로서 동작될 수 있다. 따라서, 본 발명의 솔루션은, 단일 디바이스에서 펄스식 선형 레귤레이션과 종래의 PWM 레귤레이선의 장점들을 결합한다. 스위치 가능한 컨버터가 광범위한 부하들을 처리하기 위해 유리하게 적응될 수 있다. 스위치 가능한 전력 컨버터는 고 부하를 구동하는지 또는 경 부하를 구동하는 지를 결정하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
경 부하 모드에서의 스위칭 신호의 최소 온 시간은 고 부하 모드에서의 스위칭 신호의 최소 온 시간보다 짧을 수 있다. 특히, 펄스식 선형 레귤레이션에 있어서는, 온 시간이 종래의 PWM 스위치식 레귤레이션에 비해 매우 낮은 듀티 비들로 증가되기 때문에, 온 시간 제한이 전혀 없을 수 있다.
본 발명은 추가로, 하이-사이드 스위치 및 로우-사이드스위치를 포함하는 듀얼 스위칭 엘리먼트를 갖는 스위치 가능한 전력 스테이지를 포함하는 스위치 가능한 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 경 부하 모드에서: 로우-사이드 스위치를 디세이블하고 스위칭 신호의 온 시간 동안 부분적으로 하이-사이드 스위치를 턴 온하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함한다. 본 발명은 추가로, 앞서 설명된 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능 명령들을 갖는 컴퓨터 판독가능 매체에 관한 것이다.

Claims (10)

  1. 스위치 가능한 전력 컨버터로서:
    하이-사이드 스위치 및 로우-사이드 스위치를 포함하는 스위칭 엘리먼트에 의한 입력 전압 및 스위칭 신호에 따른 출력 전압을 생성하기 위한 스위치 가능한 전력 스테이지를 포함하며,
    경 부하 모드에서, 제어기는 상기 로우-사이드 스위치를 디세이블하고, 상기 스위칭 신호의 온 시간 동안 상기 하이-사이드 스위치를 부분적으로 턴 온하기 위한 상기 스위칭 신호를 생성하도록 구성되는,
    스위치 가능한 전력 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이-사이드 스위치는 트랜지스터이며, 상기 제어기는 상기 트랜지스터를 그 선형 범위에서 동작시킴으로써 상기 스위칭 신호의 온 시간 동안 상기 하이-사이드 스위치를 부분적으로 턴 온하기 위한 상기 스위칭 신호를 생성하도록 구성되는, 스위치 가능한 전력 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 스위칭 신호의 크기를 상응하게 조정함으로써 선형 범위에서 상기 트랜지스터를 동작시키기 위한 상기 스위칭 신호를 생성하도록 구성되는, 스위치 가능한 전력 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 경 부하 모드와 고 부하 모드 사이에서 토글링하도록 추가로 구성되며, 여기서 상기 스위칭 신호는 상기 하이-사이드 스위치와 상기 로우-사이드 스위치를 선택적으로 스위칭 온 및 오프하도록 생성되는, 스위치 가능한 전력 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 경 부하 모드에서의 스위칭 신호의 최소 온 시간은 상기 고 부하 모드에서의 스위칭 신호의 최소 온 시간보다 짧은, 스위치 가능한 전력 컨버터.
  6. 하이-사이드 스위치 및 로우-사이드 스위치를 포함하는 듀얼 스위칭 엘리먼트를 갖는 스위치 가능한 전력 스테이지를 포함하는 스위치 가능한 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법으로서,
    경 부하 모드에서:
    상기 로우-사이드 스위치를 디세이블하는 단계; 및
    상기 스위칭 신호의 온 시간 동안 부분적으로 상기 하이-사이드 스위치를 턴 온하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 단계를 포함하는,
    전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하이-사이드 스위치를 턴 온하는 것은, 상기 하이-사이드 스위치를 그 선형 범위에서 동작시키는 것을 부분적으로 포함하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하이-사이드 스위치를 그 선형 범위에서 동작시키는 것은, 상기 스위칭 신호의 크기를 상응하게 조정하는 것을 포함하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 경 부하 모드와 고 부하 모드 사이에서 토글링하는 단계를 더 포함하며,
    여기서 상기 스위칭 신호는 상기 하이-사이드 스위치와 상기 로우-사이드 스위치를 선택적으로 스위칭 온 및 오프하도록 생성되는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    고 부하 모드에 비해 상기 경 부하 모드에서의 스위칭 신호의 최소 온 시간을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 전력 컨버터를 제어하기 위한 방법.
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