KR20180094344A - 전류 검출 장치 - Google Patents

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KR20180094344A KR1020170020527A KR20170020527A KR20180094344A KR 20180094344 A KR20180094344 A KR 20180094344A KR 1020170020527 A KR1020170020527 A KR 1020170020527A KR 20170020527 A KR20170020527 A KR 20170020527A KR 20180094344 A KR20180094344 A KR 20180094344A
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Abstract

본 발명은 전류 검출 장치에 관한 것으로, 충전부 및 방전부에 포함된 트랜지스터를 통해 출력되는 출력전압에 기초하여 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 전류 검출 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출 장치는 인덕터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 장치에 있어서, 일단은 전원에 연결되고 타단은 인덕터와 연결되어 상기 인덕터에 전류를 충전시키는 충전부, 일단은 상기 인덕터에 연결되고 타단은 접지되어 상기 인덕터에 충전된 전류를 방전시키는 방전부 및 상기 충전부에 의하여 상기 인덕터가 충전될 때 상기 충전부의 제1 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압 또는 상기 방전부에 의하여 상기 인덕터가 방전될 때 상기 방전부의 제2 출력노드에서 출력되는 제2 출력전압에 기초하여 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 것을 특징으로 한다.

Description

전류 검출 장치{Apparatus for detecting current}
본 발명은 전류 검출 장치에 관한 것으로, 충전부 및 방전부에 포함된 트랜지스터를 통해 출력되는 출력전압에 기초하여 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 전류 검출 장치에 관한 것이다.
회로 설계에 있어서, 설계된 회로가 정상적으로 동작하는지 여부를 파악하기 위해 회로의 특정 소자에 흐르는 전류를 측정하거나, 해당 소자에 인가되는 전압을 측정한다. 전류 및 전압 값이 이론 값에 대하여 오차범위 내에서 측정되면 개발자는 해당 회로가 정상적으로 동작한다고 판단한다.
최근에는 전력을 효율적으로 이용하기 위해 전류 및 전압을 저장할 수 있는 수동소자가 활용되고 있으며, 이러한 수동소자에 전력을 충전 또는 방전시키기 위해 트랜지스터와 같은 반도체 소자가 이용되고 있다.
대표적인 수동소자로서 인덕터는 전류를 저장할 수 있고, 저장된 전류를 출력함으로써 전력을 발생시킬 수 있다. 이러한 인덕터가 발생시키는 전력은 인덕터가 충전 또는 방전될 때, 인덕터에 흐르는 전류 또는 인덕터에 인가되는 전압을 검출함으로써 파악될 수 있다. 예를 들어, 고주파 스위칭에 따라 인덕터가 충전 또는 방전될 때, 인덕터에 흐르는 전류를 검출하면 회로의 정상 동작 여부 및 인덕터에 저장되는 전력량 등을 파악할 수 있다.
도 1은 종래 인덕터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 회로도이다. 이하, 도 1을 참조하여 인덕터에 흐르는 전류를 검출하는 종래 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 트랜지스터 Ma가 턴 온 되고 트랜지스터 Mb가 턴 오프 되면 전원(Vs)에 의해 발생된 전류는 인덕터를 통해 흐르고, 인덕터에는 전류가 충전된다. 한편, 트랜지스터 Ma가 턴 오프 되고 트랜지스터 Mb가 턴 온 되면 인덕터에 충전된 전류는 트랜지스터 Mb를 통해 방전된다. 트랜지스터 Ma의 동작 위상(
Figure pat00001
)은 트랜지스터 Mb의 동작 위상(
Figure pat00002
)과 반대로 설정됨으로써, 인덕터는 충전 및 방전을 반복하게 된다.
이 때, 종래 전류 검출 방법은 인덕터와 직렬로 연결된 정밀 저항(Rsense) 양단의 전압(Vsense)을 검출하고, 이를 증폭하여 인덕터에 흐르는 전류를 검출하는 방식을 이용하였다. 그러나, 이와 같은 전류 검출 방법은 고가의 정밀 저항(Rsense)을 사용해야 하므로 회로를 설계하는데 있어서 비용이 많이 소모된다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 전류 검출 방법에 의하면 저항의 크기가 매우 작은 정밀 저항(Rsense)을 이용하므로, 정밀 저항(Rsense)에 인가되는 전압(Vsense)의 크기 또한 매우 작아 이를 증폭하는 과정에서 전류 검출의 정확도가 감소하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 전류 검출 방법에 의하면 정밀 저항(Rsense)에 의한 에너지 손실이 추가적으로 발생되므로 전력을 효율적으로 이용할 수 없고, 이에 따라 저전력 회로에서 이용될 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 인덕터에 흐르는 전류를 측정함에 있어서, 고가의 정밀 저항을 사용하는 대신 트랜지스터를 이용함으로써, 회로를 집적화 할 수 있고 전력 손실을 줄일 수 있는 전류 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 항상 턴 온 상태를 유지하는 트랜지스터를 이용하여 인덕터에서 출력되는 출력전압을 감소시킴으로써, 전류를 검출하기 위한 회로의 안정성을 향상시킬 수 있는 전류 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 트랜지스터를 통해 출력되는 출력전압이 트랜지스터의 폭에 따라 감소됨으로써, 검출하고자 하는 출력전압의 크기를 적절하게 조절할 수 있는 전류 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 검출 저항에 인가되는 전압이 인덕터에 흐르는 전류에 비례하도록 회로를 구성함으로써, 검출의 정확도를 향상시킬 수 있는 전류 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출 장치는 인덕터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 장치에 있어서, 일단은 전원에 연결되고 타단은 인덕터와 연결되어 상기 인덕터에 전류를 충전시키는 충전부, 일단은 상기 인덕터에 연결되고 타단은 접지되어 상기 인덕터에 충전된 전류를 방전시키는 방전부 및 상기 충전부에 의하여 상기 인덕터가 충전될 때 상기 충전부의 제1 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압 또는 상기 방전부에 의하여 상기 인덕터가 방전될 때 상기 방전부의 제2 출력노드에서 출력되는 제2 출력전압에 기초하여 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 인덕터에 흐르는 전류를 측정함에 있어서, 고가의 정밀 저항을 사용하는 대신 트랜지스터를 이용함으로써, 회로를 집적화 할 수 있고 전력 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 항상 턴 온 상태를 유지하는 트랜지스터를 이용하여 인덕터에서 출력되는 출력전압을 감소시킴으로써, 전류를 검출하기 위한 회로의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 트랜지스터를 통해 출력되는 출력전압이 트랜지스터의 폭에 따라 감소됨으로써, 검출하고자 하는 출력전압의 크기를 적절하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 검출 저항에 인가되는 전압이 인덕터에 흐르는 전류에 비례하도록 회로를 구성함으로써, 검출의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 인덕터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출 장치가 수동회로에 연결된 모습을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부가 인덕터에 전류를 충전시키는 모습을 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전부가 인덕터에 충전된 전류를 방전시키는 모습을 도시한 회로도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부가 충전부 또는 방전부의 출력노드와 연결되는 모습을 도시한 회로도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출 장치가 수동회로에 연결된 모습을 도시한 회로도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출 장치가 수동회로에 연결된 모습을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출 장치는 충전부(110), 방전부(120) 및 검출부(130)를 포함하여 구성된다. 도 2에 도시된 전류 검출 장치는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 및 삭제될 수 있다.
본 발명은 인덕터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 고주파 스위칭에 따라 인덕터가 충전 또는 방전될 때, 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출하기 위한 장치이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부(110)는 일단이 전원(VDD)에 연결되고 타단이 인덕터와 연결되어 인덕터에 전류를 충전시킬 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 방전부(120)는 일단이 인덕터에 연결되고 타단이 접지되어 인덕터에 충전된 전류를 방전시킬 수 있다.
인덕터는 전기 에너지를 발생시키지 않는 수동소자로 구성된 수동회로(210)(passive circuit)에 포함될 수 있으며, 수동회로(210)는 인덕터가 외부전원에 의해 충방전되는 임의의 형태로 구성될 수 있다.
충전부(110)가 인덕터에 전류를 충전시킬 때 충전부(110)의 제1 출력노드에는 제1 출력전압(V1)이 출력될 수 있고, 방전부(120)가 인덕터에 충전된 전류를 방전시킬 때 방전부(120)의 제2 출력노드에는 제2 출력전압(V2)이 출력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 검출부(130)는 제1 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압(V1) 또는 제2 출력노드에서 출력되는 제2 출력전압(V2)에 기초하여 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부(110)가 인덕터에 전류를 충전시키는 모습을 도시한 회로도이다. 이하, 도 3을 참조하여 충전부(110)를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 충전부(110)는 일단이 전원(VDD)과 연결되고 타단이 인덕터와 연결되는 제1 메인 트랜지스터(M1), 일단이 전원(VDD)과 연결되고 타단이 제1 출력노드에 연결되어 항상 턴 온 상태를 유지하는 제1 턴온 트랜지스터(M2) 및 일단이 제1 출력노드에 연결되고 타단이 인덕터와 연결되는 제1 서브 트랜지스터(M3)를 포함할 수 있다.
제1 턴온 트랜지스터(M2)는 항상 턴 온 상태를 유지하기 위해 게이트단이 접지될 수 있다. 제1 턴온 트랜지스터(M2)는 전원(VDD)과 인덕터 사이의 전압을 분배하기 위하여 항상 턴 온 상태를 유지하며, 인덕터가 충전될 때 저항과 같은 역할을 수행할 수 있다.
인덕터는 제1 메인 트랜지스터(M1) 및 제1 서브 트랜지스터(M3)가 턴 온 되면 전원(VDD)에 의해 충전될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 메인 트랜지스터(M1) 및 제1 서브 트랜지스터(M3)가 턴 오프 상태이면 전원(VDD)과 인덕터는 분리되고, 제1 메인 트랜지스터(M1) 및 제1 서브 트랜지스터(M3)가 턴 온 되면 전원(VDD)과 인덕터는 연결된다.
전원(VDD)과 인덕터가 연결되면 전원(VDD)에서 인가되는 전압에 의해 인덕터에는 전류가 흐르게 되며, 인덕터에 흐르는 전류는 전원(VDD)에서 수동회로(210)로 향하는 방향으로 흐를 수 있다.
제1 메인 트랜지스터(M1) 및 제1 서브 트랜지스터(M3)는 제1 동작 위상(
Figure pat00003
1)에 따라 동작할 수 있다. 여기서 동작 위상은 트랜지스터를 턴 온 및 턴 오프 하는 주기로서, 제1 메인 트랜지스터(M1) 및 제1 서브 트랜지스터(M3)는 제1 동작 위상(
Figure pat00004
1)에 따라 턴 온 또는 턴 오프 될 수 있다.
충전부(110)의 제1 출력노드는 제1 턴온 트랜지스터(M2)와 제1 서브 트랜지스터(M3) 사이의 노드일 수 있고, 제1 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압(V1)은 충전부(110)에 포함되는 각 트랜지스터의 폭에 따라 결정될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 출력전압(V1)은 제1 서브 트랜지스터(M3) 및 제1 턴온 트랜지스터(M2)의 폭에 대한 제1 메인 트랜지스터(M1)의 폭의 비 및 인덕터에 흐르는 전류의 크기에 의해 결정될 수 있다.
트랜지스터의 폭(width)은 트랜지스터를 통해 흐르는 전류의 크기를 결정하는 파라미터로서, 트랜지스터의 성능에 따라 결정될 수 있다. 보다 구체적으로 폭을 제외한 다른 성능이 동일할 때, 트랜지스터를 통해 흐르는 전류는 트랜지스터의 폭에 비례할 수 있다.
본 발명에서, 제1 서브 트랜지스터(M3) 및 제1 턴온 트랜지스터(M2)의 폭에 대한 제1 메인 트랜지스터(M1)의 폭의 비는 m일 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 트랜지스터(M3) 및 제1 턴온 트랜지스터(M2)의 폭이 0.1um이고, 제1 메인 트랜지스터(M1)의 폭이 0.7um이면 m은 7일 수 있다.
이에 따라, 제1 메인 트랜지스터(M1), 제1 서브 트랜지스터(M3) 및 제1 턴온 트랜지스터(M2)가 트랜지스터의 폭을 제외하고 동일한 성능을 갖는 경우, 제1 메인 트랜지스터(M1)에 흐르는 전류의 크기는 제1 서브 트랜지스터(M3) 및 제1 턴온 트랜지스터(M2)에 흐르는 전류의 크기보다 m배 클 수 있다.
이에 따라, 다시 도 3을 참조하면 제1 서브 트랜지스터(M3) 및 제1 턴온 트랜지스터(M2)에 흐르는 전류의 크기를 I라고 가정하면, 제1 메인 트랜지스터(M1)에 흐르는 전류의 크기는 mI일 수 있다. mI와 I의 합이 인덕터에 흐르는 전류(IL)가 되므로 I는 IL/(m+1)로 표현될 수 있다.
고주파 스위칭 동작에서 충전부(110)의 제1 메인 트랜지스터(M1) 및 제1 서브 트랜지스터(M3)가 턴 온 되면 제1 턴온 트랜지스터(M2)는 상술한 바와 같이 저항의 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 제1 턴온 트랜지스터(M2)에 인가되는 전압은 제1 턴온 트랜지스터(M2)에 흐르는 전류와 제1 턴온 트랜지스터(M2)의 턴온 저항의 곱일 수 있다.
예를 들어, 제1 턴온 트랜지스터(M2)의 턴온 저항이 R2이면, 제1 턴온 트랜지스터(M2)에 인가되는 전압 VM2는
Figure pat00005
로 나타낼 수 있다. 전원의 전압이 VDD라고 하면, 제1 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압은 하기의 <수학식 1>에 의해 표현될 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00006
(V1은 제1 출력전압, VDD는 전원의 전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, m은 제1 서브 트랜지스터 및 제1 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제1 메인 트랜지스터의 폭의 비, R2는 제1 턴온 트랜지스터의 턴온 저항)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전부(120)가 인덕터에 충전된 전류를 방전시키는 모습을 도시한 회로도이다. 이하, 도 4를 참조하여 방전부(120)를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 방전부(120)는 일단이 인덕터와 연결되고 타단이 접지되는 제2 메인 트랜지스터(M2), 일단이 인덕터와 연결되고 타단이 제2 출력노드에 연결되는 제2 서브 트랜지스터(M5) 및 일단이 제2 출력노드에 연결되고 타단이 접지되는 제2 턴온 트랜지스터(M6)를 포함할 수 있다.
제2 턴온 트랜지스터(M6)는 항상 턴 온 상태를 유지하기 위해 게이트단이 전원에 연결될 수 있다. 제2 턴온 트랜지스터(M6)는 인덕터의 전압과 접지 전압 사이의 전압을 분배하기 위하여 항상 턴 온 상태를 유지하며, 인덕터가 방전될 때 저항과 같은 역할을 수행할 수 있다.
인덕터에 충전된 전류는 제2 메인 트랜지스터(M4) 및 제2 서브 트랜지스터(M5)가 턴 온 되면 접지를 통해 방전될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 메인 트랜지스터(M4) 및 제2 서브 트랜지스터(M5)가 턴 오프 상태이면 인덕터의 일단은 접지되지 않고, 제2 메인 트랜지스터(M4) 및 제2 서브 트랜지스터(M5)가 턴 온 되면 인덕터의 일단은 접지된다.
인덕터의 일단이 접지되면 인덕터에 충전된 전류는 접지를 통해 방전될 수 있고, 이에 따라 인덕터에 흐르는 전류는 인덕터에서 접지를 향하는 방향으로 흐를 수 있다.
제2 메인 트랜지스터(M4) 및 제2 서브 트랜지스터(M5)는 제2 동작 위상(
Figure pat00007
2)에 따라 동작할 수 있다. 제2 동작 위상(
Figure pat00008
2)은 충전부(110)에 포함된 트랜지스터의 동작 위상인 제1 동작 위상(
Figure pat00009
1)과 반대일 수 있다. 제2 메인 트랜지스터(M4) 및 제2 서브 트랜지스터(M5)는 제2 동작 위상(
Figure pat00010
2)에 따라 턴 온 또는 턴 오프 되고 이에 따라, 본 발명의 인덕터는 충전과 방전을 일정 주기로 반복할 수 있다.
방전부(120)의 제2 출력노드는 제2 서브 트랜지스터(M5)와 제2 턴온 트랜지스터(M6) 사이의 노드일 수 있고, 제2 출력노드에서 출력되는 제2 출력전압(V2)은 방전부(120)에 포함되는 각 트랜지스터의 폭에 따라 결정될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 출력전압(V2)은 제2 서브 트랜지스터(M5) 및 제2 턴온 트랜지스터(M6)의 폭에 대한 제2 메인 트랜지스터(M4)의 폭의 비 및 인덕터에 흐르는 전류의 크기에 의해 결정될 수 있다.
본 발명에서, 제2 서브 트랜지스터(M5) 및 제2 턴온 트랜지스터(M6)의 폭에 대한 제2 메인 트랜지스터(M4)의 폭의 비는 n일 수 있다. 예를 들어, 제2 서브 트랜지스터(M5) 및 제2 턴온 트랜지스터(M6)의 폭이 0.05um이고, 제1 메인 트랜지스터(M1)의 폭이 0.5um이면 n은 10일 수 있다.
이에 따라, 제2 메인 트랜지스터(M4), 제2 서브 트랜지스터(M5) 및 제2 턴온 트랜지스터(M6)가 트랜지스터의 폭을 제외하고 동일한 성능을 갖는 경우, 제2 메인 트랜지스터(M4)에 흐르는 전류의 크기는 제2 서브 트랜지스터(M5) 및 제2 턴온 트랜지스터(M6)에 흐르는 전류의 크기보다 n배 클 수 있다.
이에 따라, 다시 도 4를 참조하면 제2 서브 트랜지스터(M5) 및 제2 턴온 트랜지스터(M6)에 흐르는 전류의 크기를 I라고 가정하면, 제2 메인 트랜지스터(M4)에 흐르는 전류의 크기는 nI일 수 있다. 인덕터에서 접지 방향으로 흐르는 전류(IL)는 I와 nI로 분리되므로 I는 IL/(n+1)로 표현될 수 있다.
고주파 스위칭 동작에서 방전부(120)의 제2 메인 트랜지스터(M4) 및 제2 서브 트랜지스터(M5)가 턴 온 되면 제2 턴온 트랜지스터(M6)는 상술한 바와 같이 저항의 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 제2 턴온 트랜지스터(M6)에 인가되는 전압은 제2 턴온 트랜지스터(M6)에 흐르는 전류와 제2 턴온 트랜지스터(M6)의 턴온 저항의 곱일 수 있다.
예를 들어, 제2 턴온 트랜지스터(M6)의 턴온 저항이 R6이면, 제2 턴온 트랜지스터(M6)에 인가되는 전압 VM6는
Figure pat00011
로 나타낼 수 있다. 제2 턴온 트랜지스터(M6)에 인가되는 전압은 제2 출력노드에서 출력되는 제2 출력전압(V2)과 동일하므로, 제2 출력전압(V2)은 아래의 <수학식 2>에 의해 표현될 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00012
(V2는 제2 출력전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, n은 제2 서브 트랜지스터 및 제2 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제2 메인 트랜지스터의 폭의 비, R6는 제2 턴온 트랜지스터의 턴온 저항)
후술하는 바와 같이, 인덕터에서 출력되는 고전압은 검출 저항(Rs)에 과도하게 큰 전류를 흐르게 하므로 회로가 불안정해질 수 있다. 본 발명은 상술한 바와 같이, 항상 턴 온 상태를 유지하는 트랜지스터를 이용하여 인덕터에서 출력되는 출력전압을 감소시킴으로써, 전류를 검출하기 위한 회로의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 미리 설정된 트랜지스터를 통해 출력되는 출력전압(제1 출력전압 및 제2 출력전압)이 트랜지스터의 폭에 따라 감소됨으로써, 검출하고자 하는 출력전압의 크기를 적절하게 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부(130)가 충전부(110) 또는 방전부(120)의 출력노드와 연결되는 모습을 도시한 회로도이다. 이하, 도 5를 참조하여 검출부(130)를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5를 참조하면, 검출부(130)는 검출 저항(Rs) 및 제1 출력전압(V1) 또는 제2 출력전압(V2)에 따라 검출 저항(Rs)에 전류를 인가하는 전류 인가부(131)를 포함할 수 있다. 전류 인가부(131)는 제1 출력전압(V1) 또는 제2 출력전압(V2)을 선택적으로 입력받을 수 있는 회로로서, 입력된 전압에 따라 검출 저항(Rs)에 전류를 인가할 수 있다.
검출부(130)는 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압(Vs)에 기초하여 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출할 수 있다. 보다 구체적으로, 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압(Vs)은 제1 출력전압(V1) 또는 제2 출력전압(V2)에 따라 측정될 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 출력전압(V1) 및 제2 출력전압(V2)은 인덕터에 흐르는 전류의 크기에 대한 정보를 포함하고 있으므로, 검출부(130)는 검출 저항(Rs)에서 측정된 전압(Vs)에 기초하여 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 전류 인가부(131)는 피드백 저항(Rf), 차동 증폭기 및 출력단 트랜지스터를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 전류 인가부(131)는 전자회로 분야에서 피드백 저항(Rf), 차동 증폭기 및 출력단 트랜지스터를 포함하여 일정한 전류를 공급할 수 있는 정전류원을 구성하는 임의의 회로를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 전류 인가부(131)는 일 실시예에 따른 것이고, 검출 저항(Rs)에 일정한 전류를 흘려보내기 위한 다양한 형태의 전류원으로 변형될 수 있다.
차동 증폭기는 제1 출력노드 또는 제2 출력노드와 연결되는 제1 입력단자, 피드백 저항(Rf)의 일단에 연결되는 제2 입력단자 및 출력단 트랜지스터와 연결되는 출력단자를 포함할 수 있다. 전류 인가부(131)는 이와 같이 구성된 차동 증폭기를 포함함으로써, 피드백 저항(Rf)에 따라 검출 저항(Rs)에 흐르는 전류의 크기를 조절할 수 있다.
차동 증폭기의 제1 입력단자는 제1 출력노드 또는 제2 출력노드와 선택적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 입력단자는 충전부(110)가 인덕터에 전류를 충전할 때 제1 출력노드에 연결되고, 방전부(120)가 인덕터에 충전된 전류를 방전할 때 제2 출력노드에 연결될 수 있다.
이를 위해, 제1 입력단자의 일단에는 충전 또는 방전 주기에 따라 동작하는 스위칭 소자를 더 포함할 수 있고, 이러한 스위칭 소자는 멀티플랙서(MUltipleXer; MUX)를 통해 구성될 수 있다.
차동 증폭기가 정상 동작하기 위해 제1 입력단자 및 제2 입력단자에 인가되는 전압의 크기는 일정 범위를 가질 수 있다. 이에 따라, 전류 인가부(131)는 제1 입력단자 또는 제2 입력단자에 인가되는 전압의 크기를 변환하는 레벨 시프터(level shifter)를 더 포함할 수 있다.
레벨 시프터는 제1 출력노드 또는 제2 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압(V1) 또는 제2 출력전압(V2)의 크기을 변환하여 차동 증폭기의 제1 입력단자에 인가할 수 있다. 또한, 레벨 시프터는 피드백 저항(Rf)의 일단에서 출력되는 전압의 크기를 변환하여 차동 증폭기의 제2 입력단자에 인가할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출 장치가 수동회로에 연결된 모습을 도시한 회로도이다. 이하, 도 6을 참조하여 전류 검출 장치의 전체적인 동작 및 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압(Vs)을 측정하는 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 충전부(110)에 포함된 트랜지스터(M1, M3)가 턴 온 되면 방전부(120)에 포함된 트랜지스터(M4, M5)는 턴 오프 된다. 이에 따라, 충전부(110)는 전원(VDD)의 전압을 이용하여 수동회로(210)에 전류를 공급하고, 공급된 전류는 인덕터를 충전시킨다. 이 때, 제1 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압(V1)은 상술한 바와 같이,
Figure pat00013
과 같이 표현될 수 있다.
차동 증폭기의 제1 입력단자에 입력되는 전압과 제2 입력단자에 입력되는 전압은 동일하게 유지되므로, 제1 출력전압(V1)은 피드백 저항(Rf)의 일단에서 출력되는 전압과 동일하다. 다시 도 6을 참조하면, 피드백 저항(Rf)에 인가되는 전압은
Figure pat00014
로 표현되고, 피드백 저항(Rf)의 일단에서 출력되는 전압은
Figure pat00015
로 표현된다. 이에 따라,
Figure pat00016
로 표현된다.
한편, 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압은
Figure pat00017
로 표현되고,
Figure pat00018
이므로
Figure pat00019
로 표현된다. 상술한 바와 같이,
Figure pat00020
이므로, 결국 충전부(110)에 의하여 인덕터가 충전될 때 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압은 하기의 <수학식 3>에 의해 표현될 수 있다.
<수학식 3>
Figure pat00021
(VS는 검출 저항에 인가되는 전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, RS는 검출 저항, R2는 제1 턴온 트랜지스터의 턴온 저항, Rf는 피드백 저항, m은 제1 서브 트랜지스터 및 제1 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제1 메인 트랜지스터의 폭의 비)
한편, 방전부(120)에 포함된 트랜지스터(M4, M5) 가 턴 온 되면 충전부(110)에 포함된 트랜지스터(M1, M3)는 턴 오프 된다. 이에 따라, 방전부(120)는 인덕터에 충전된 전류를 접지를 통해 방전시킨다. 이 때, 제2 출력노드에서 출력되는 제2 출력전압(V2)은 상술한 바와 같이,
Figure pat00022
와 같이 표현될 수 있다.
차동 증폭기의 제1 입력단자에 입력되는 전압과 제2 입력단자에 입력되는 전압은 동일하게 유지되므로, 제2 출력전압(V2)은 피드백 저항(Rf)의 일단에서 출력되는 전압과 동일하다. 상술한 바와 같이 피드백 저항(Rf)의 일단에서 출력되는 전압은
Figure pat00023
이고, 이에 따라,
Figure pat00024
로 표현된다.
한편, 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압은
Figure pat00025
로 표현되고,
Figure pat00026
이므로
Figure pat00027
로 표현된다. 상술한 바와 같이,
Figure pat00028
이므로, 결국 방전부(120)에 의하여 인덕터에 충전된 전류가 방전될 때 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압은 하기의 <수학식 4>에 의해 표현될 수 있다.
<수학식 4>
Figure pat00029
(VS는 검출 저항에 인가되는 전압, VDD는 전원의 전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, RS는 검출 저항, R6는 제2 턴온 트랜지스터의 턴온 저항, Rf는 피드백 저항, n은 제2 서브 트랜지스터 및 제2 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제2 메인 트랜지스터의 폭의 비)
상술한 바와 같이, 본 발명은 검출 저항(Rs)에 인가되는 전압이 인덕터에 흐르는 전류에 비례하도록 회로를 구성함으로써, 검출의 정확도를 향상시킬 수 있다. 결국, 본 발명은 인덕터에 흐르는 전류를 측정함에 있어서 고가의 정밀 저항을 사용하는 대신 트랜지스터를 이용함으로써, 회로를 집적화 할 수 있고 전력 손실을 줄일 수 있으며 전류 검출의 정확도를 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (12)

  1. 인덕터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 장치에 있어서,
    일단은 전원에 연결되고 타단은 인덕터와 연결되어 상기 인덕터에 전류를 충전시키는 충전부;
    일단은 상기 인덕터에 연결되고 타단은 접지되어 상기 인덕터에 충전된 전류를 방전시키는 방전부; 및
    상기 충전부에 의하여 상기 인덕터가 충전될 때 상기 충전부의 제1 출력노드에서 출력되는 제1 출력전압 또는 상기 방전부에 의하여 상기 인덕터가 방전될 때 상기 방전부의 제2 출력노드에서 출력되는 제2 출력전압에 기초하여 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 검출부를 포함하는 전류 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전부는
    일단이 상기 전원과 연결되고 타단이 상기 인덕터와 연결되는 제1 메인 트랜지스터;
    일단이 상기 전원과 연결되고 타단이 상기 제1 출력노드에 연결되어 항상 턴 온 상태를 유지하는 제1 턴온 트랜지스터; 및
    일단이 상기 제1 출력노드에 연결되고 타단이 상기 인덕터와 연결되는 제1 서브 트랜지스터를 포함하고,
    상기 방전부는
    일단이 상기 인덕터와 연결되고 타단이 접지되는 제2 메인 트랜지스터;
    일단이 상기 인덕터와 연결되고 타단이 상기 제2 출력노드에 연결되는 제2 서브 트랜지스터; 및
    일단이 상기 제2 출력노드에 연결되고 타단이 접지되는 제2 턴온 트랜지스터를 포함하는 전류 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 메인 트랜지스터 및 상기 제1 서브 트랜지스터가 턴 온 되면 상기 전원에 의하여 상기 인덕터에 전류가 충전되고,
    상기 제2 메인 트랜지스터 및 상기 제2 서브 트랜지스터가 턴 온 되면 상기 인덕터에 충전된 전류가 방전되는 전류 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 메인 트랜지스터 및 상기 제1 서브 트랜지스터는 제1 동작 위상에 따라 동작하고, 상기 제2 메인 트랜지스터 및 상기 제2 서브 트랜지스터는 상기 제1 동작 위상과 반대인 제2 동작 위상에 따라 동작하는 전류 검출 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 출력전압은
    상기 제1 서브 트랜지스터 및 상기 제1 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 상기 제1 메인 트랜지스터의 폭의 비 및 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기에 의해 결정되고,
    상기 제2 출력전압은
    상기 제2 서브 트랜지스터 및 상기 제2 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 상기 제2 메인 트랜지스터의 폭의 비 및 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기에 의해 결정되는 전류 검출 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 출력전압은
    하기의 <수학식 >1에 의해 표현되는 전류 검출 장치.
    <수학식 1>
    Figure pat00030

    (V1은 제1 출력전압, VDD는 전원의 전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, m은 제1 서브 트랜지스터 및 제1 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제1 메인 트랜지스터의 폭의 비, R2는 제1 턴온 트랜지스터의 턴온 저항)
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 출력전압은
    하기의 <수학식 2>에 의해 표현되는 전류 검출 장치.
    <수학식 2>
    Figure pat00031

    (V2는 제2 출력전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, n은 제2 서브 트랜지스터 및 제2 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제2 메인 트랜지스터의 폭의 비, R6는 제2 턴온 트랜지스터의 턴온 저항)
  8. 제2항에 있어서,
    상기 검출부는
    검출 저항; 및
    상기 제1 출력전압 또는 상기 제2 출력전압에 따라 상기 검출 저항에 전류를 인가하는 전류 인가부를 포함하고,
    상기 검출부는
    상기 검출 저항에 인가되는 전압에 기초하여 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 전류 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전류 인가부는
    피드백 저항, 차동 증폭기 및 출력단 트랜지스터를 포함하고,
    상기 차동 증폭기는
    상기 제1 출력노드 또는 상기 제2 출력노드와 연결되는 제1 입력단자, 상기 피드백 저항의 일단에 연결되는 제2 입력단자 및 상기 출력단 트랜지스터와 연결되는 출력단자를 포함하는 전류 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 인가부는
    상기 제1 입력단자 또는 상기 제2 입력단자에 인가되는 전압의 레벨을 변환하는 레벨 시프터를 더 포함하는 전류 검출 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 충전부에 의하여 상기 인덕터가 충전될 때 상기 검출 저항에 인가되는 전압은 하기의 <수학식 3>에 의해 표현되는 전류 검출 장치.
    <수학식 3>
    Figure pat00032

    (VS는 검출 저항에 인가되는 전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, RS는 검출 저항, R2는 제1 턴온 트랜지스터의 턴온 저항, Rf는 피드백 저항, m은 제1 서브 트랜지스터 및 제1 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제1 메인 트랜지스터의 폭의 비)
  12. 제9항에 있어서,
    상기 방전부에 의하여 상기 인덕터가 방전될 때 상기 검출 저항에 인가되는 전압은 하기의 <수학식 4>에 의해 표현되는 전류 검출 장치.
    <수학식 4>
    Figure pat00033

    (VS는 검출 저항에 인가되는 전압, VDD는 전원의 전압, IL은 인덕터에 흐르는 전류, RS는 검출 저항, R6는 제2 턴온 트랜지스터의 턴온 저항, Rf는 피드백 저항, n은 제2 서브 트랜지스터 및 제2 턴온 트랜지스터의 폭에 대한 제2 메인 트랜지스터의 폭의 비)
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