KR20190070967A - 효율적인 고속 배터리 충전을 위한 피드백 제어 - Google Patents

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Abstract

전압 조정기 시스템은 스위칭 주파수에서 동작하고 입력 전압을 수신하는 스위치형 커패시터(SC) 조정기; 및 효율에 기초하여 SC 조정기의 스위칭 주파수를 조정함으로써 SC 조정기의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 스위칭 주파수는 최상의 효율을 결정하기 위해 스위핑된다. 일부 실시예들에서, 스위칭 주파수는 입력 전압에 대한 복수의 값 각각에서 스위핑된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 SC 조정기와 직렬인 하나 이상의 스위치를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, SC 조정기는 배터리에 결합되는 출력 단자를 포함한다.

Description

효율적인 고속 배터리 충전을 위한 피드백 제어
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2016년 11월 1일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/416,028호의 이익을 주장하며, 이에 따라 이 가출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
기타 관련 출원
본 출원은 2016년 9월 26일자로 출원된 "효율적인 고속 배터리 충전(Efficient High-Speed Battery Charging)"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/399,588호와 관련되며, 그 전체를 본 명세서에 참고로 포함한다.
기술 분야
본 개시는 배터리를 충전하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
전자 시스템들의 크기를 줄이는 것이 강하게 요구되고 있다. 크기 축소는 공간이 귀한 모바일 전자기기에서 특히 바람직하지만, 빅 데이터 센터들에 배치되는 서버들에서도 바람직한데, 그 이유는 고정 크기의 부동산(real estate)에 가능한 한 많은 서버를 집어넣는 것이 중요하기 때문이다.
전자 시스템들 내의 가장 큰 컴포넌트들 중 하나는 전압 조정기들(전력 조정기들이라고도 함)을 포함한다. 전력 조정기들은 종종 프로세서들, 메모리 디바이스들(예를 들어, 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM)), 라디오 주파수(RF) 칩들, 와이파이(WiFi) 콤보 칩들 및 전력 증폭기들을 포함하는 집적 칩들에 전압들을 전달하기 위한 다수의 부피가 큰 오프-칩 컴포넌트들을 포함한다. 따라서, 전자 시스템들에서 전압 조정기들의 크기를 줄이는 것이 바람직하다.
전력 조정기들은 전원(예를 들어, 배터리)으로부터 출력 부하로 전력을 전달하는 DC-DC 조정기 칩과 같은 반도체 칩들을 포함한다. 출력 부하는 전자 디바이스 내의 다양한 집적 칩들(예를 들어, 애플리케이션 프로세서, DRAM, NAND 플래시 메모리)을 포함할 수 있다. 전력을 효율적으로 전달하기 위해, 전압 조정기는 "벅(buck)" 토폴로지를 사용할 수 있다. 이러한 조정기는 벅 조정기(벅 컨버터라고도 함)로 지칭된다. 벅 조정기는 인덕터를 사용하여 전원으로부터 출력 부하로 전하를 전송한다. 벅 조정기는 전력 스위치들을 사용하여 인덕터를 다수의 전압 중 하나에 접속/분리할 수 있으므로 다수의 전압의 가중 평균인 출력 전압을 제공할 수 있다. 벅 조정기는 인덕터가 다수의 전압 중 하나에 결합되는 시간의 양을 제어함으로써 출력 전압을 조정할 수 있다.
불행하게도, 벅 조정기는 고도로 집적된 전자 시스템들에 적절하지 않다. 벅 조정기의 변환 효율은 특히 전력 변환 비율이 높을 때 그리고 출력 부하에 의해 소비되는 전류의 양이 많을 때 인덕터의 크기에 의존한다. 인덕터는 큰 영역을 차지할 수 있으며, 온-다이 또는 온-패키지 방식으로 집적하기에는 부피가 크므로, 기존의 벅 조정기들은 종종 다수의 오프-칩 인덕터 컴포넌트를 사용한다. 이러한 전락은 종종 인쇄 회로 보드 상의 큰 영역을 요구하며, 이는 또한 전자 디바이스의 크기를 증가시킨다. 모바일 시스템-온-칩(SoC)들이 더 복잡해지고, 점점 더 많은 수의 전압 도메인이 전압 조정기에 의해 전달될 것을 요구함에 따라, 문제가 악화된다.
또한, 벅 조정기는 배터리의 고속 충전에 적절하지 않다. 고속 충전은 일반적으로 높은 입력 전압의 사용을 요구한다. 높은 입력 전압의 사용은 또한 벅 조정기로 하여금 높은 입력 전압(VIN)을 배터리들에 적절한 출력 전압(VOUT)으로 변환하기 위해 높은 전압 변환 비율(VIN/VOUT)을 제공할 것을 요구한다. 불행히도, 높은 전압 변환 비율에서는 벅 조정기의 효율이 상당히 낮으며, 벅 조정기는 열 소산(heat dissipation)을 통해 많은 양의 전력을 낭비한다. 벅 조정기가 소산하는 열은 전자 시스템 내의 디바이스들의 동작 온도를 상승시켜 오동작을 일으킬 수 있다. 따라서, 벅 조정기는 배터리의 고속 충전에 적절하지 않다.
벅 조정기 대신에, 고속 충전 시스템은 스위치형 커패시터 조정기를 사용하여 배터리를 충전할 수 있다. 스위치형 커패시터 조정기는 전압 변환 비율이 정수들의 비율인 한은 높은 전압 변환 비율에서도 효율적인 것으로 알려져 있다.
전압 조정기 시스템은 스위칭 주파수에서 동작하고 입력 전압을 수신하는 스위치형 커패시터(SC) 조정기; 및 효율에 기초하여 SC 조정기의 스위칭 주파수를 조정함으로써 SC 조정기의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 스위칭 주파수는 최상의 효율을 결정하기 위해 스위핑(sweeping)된다. 일부 실시예들에서, 스위칭 주파수는 입력 전압에 대한 복수의 값 각각에서 스위핑된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 SC 조정기와 직렬인 하나 이상의 스위치를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, SC 조정기는 배터리에 결합되는 출력 단자를 포함한다.
따라서, 후술하는 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있고, 기술에 대한 본 기여가 더 잘 인식될 수 있게 하기 위해, 개시되는 주제의 특징들이 상당히 광범위하게 요약되었다. 물론, 이하에 설명되고 첨부된 청구항들의 주제를 형성할 개시되는 주제의 추가적인 특징들이 존재한다.
이와 관련하여, 개시되는 주제의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 개시되는 주제가 그 적용에 있어서 아래의 설명에서 제시되고 도면들에 도시된 구성의 세부 사항들 및 컴포넌트들의 배열들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 개시되는 주제는 다른 실시예들이 가능하며, 다양한 방식으로 실시 및 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다.
따라서, 이 분야의 기술자들은 본 개시의 기초가 되는 개념이 개시되는 주제의 여러 목적을 실행하기 위한 다른 구조들, 방법들 및 시스템들의 설계를 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 알 것이다.
도 1은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른 스위치형 커패시터(SC) 조정기의 모델의 일례를 도시한다.
도 2a-2e는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, SC 조정기의 스위칭 주파수 FSWITCH에 따라 다양한 SC 조정기 파라미터들이 어떻게 변하는지의 예들을 도시한다.
도 3은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 전압 조정기 시스템이 입력 전압 및 스위칭 주파수를 조정하여 최대 효율 포인트를 찾을 수 있는 프로세스의 일례를 도시한다.
도 4는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 전압 조정기 시스템이 입력 전압 및 스위칭 주파수를 조정하여 최대 효율 포인트를 찾을 수 있는 프로세스의 일례를 도시한다.
도 5는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른 충전기 시스템의 일례를 도시한다.
도 6은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른 SC 조정기의 일례를 도시한다.
도 7은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 선형 조정기가 SC 조정기 앞에 배치될 수 있음을 보여주는 일례를 도시한다.
도 8은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 선형 조정기가 SC 조정기 뒤에 배치될 수 있음을 보여주는 일례를 도시한다.
도 9는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 과전압 보호(OVP) 스위치가 SC 조정기 앞에 배치될 수 있음을 보여주는 일례를 도시한다.
도 10은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 스위치가 SC 조정기 뒤에 배치될 수 있음을 보여주는 일례를 도시한다.
도 11은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 추가적인 선형 조정기를 갖지 않는 SC 조정기의 일례를 도시한다.
도 12는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, SC 조정기의 전력 손실이 SC 조정기의 게이트 구동 전압에 따라 어떻게 변하는지의 일례를 도시한다.
도 13a-13e는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 다양한 SC 조정기 파라미터들이 SC 조정기의 듀티 사이클에 따라 어떻게 변화하는지의 일례를 도시한다.
도 14는 일부 실시예들에 따른, V(102)에 대한 값들을 반복적으로 설정하고 FSWITCH를 스위핑함으로써 V(102) 및 FSWITCH(202)에 대한 설정들을 찾기 위한 프로세스의 다이어그램의 일례를 도시한다.
도 15는 일부 실시예들에 따른, FSWITCH에 대한 값들을 반복적으로 설정하고 V(102)를 스위핑함으로써 V(102) 및 FSWITCH(202)에 대한 설정들을 찾기 위한 프로세스의 다이어그램의 일례를 도시한다.
고속 배터리 충전은 모바일 디바이스들의 중요한 특징이다. 도 5는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른 충전 시스템(500)을 도시한다. 충전 시스템(500)은 모바일 디바이스(502), 전력 배출구(power outlet)(510) 및 어댑터(508)를 포함한다. 모바일 디바이스(502)는 많은 가운데 특히 전압 조정기 시스템(520) 및 배터리(506)를 포함한다. 전압 조정기 시스템(520)은 많은 가운데 특히 제어기(524) 및 조정기(526)를 포함한다. 조정기(526)는 배터리(506)에 전력을 제공하도록 구성되며, 따라서 배터리(506)는 조정기(526)에 의해 제공된 전력을 사용하여 충전된다.
일부 실시예들에서, 제어기(524)는 조정기(526)의 동작을 조정하여 고효율을 유지하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제어기(524)는 어댑터(508)가 어댑터(508)의 출력 전압을 조정하게 하도록 구성된다. 후술하는 바와 같이, 제어기(524)는 또한 조정기(526)의 소정의 파라미터들을 제어/조정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 조정기(526)는 스위치형 커패시터(SC) 조정기(SC 컨버터라고도 함)를 포함한다. SC 조정기는 하나 이상의 커패시터를 사용하여 입력 단자(예를 들어, 전원)로부터 출력 단자(예를 들어, 출력 부하)로 전하를 전송할 수 있다. SC 조정기는 전력 스위치들을 사용하여 하나 이상의 커패시터를 상이한 시간들에 상이한 전압 레벨들에 결합/분리할 수 있으므로 다수의 전압 레벨의 가중 평균인 출력 전압을 제공할 수 있다. SC 조정기는 커패시터들이 서로 결합되는 시퀀스 및 구성을 변경함으로써 출력 전압을 제어할 수 있다.
도 6은 일부 실시예들에 따른 SC 조정기의 일례를 도시한다. SC 조정기(600)는 전력 스위치들을 사용하여 2개의 상태 State0과 State1 사이에서 스위칭할 수 있다. 전력 스위치들의 스위칭 주파수는 FSWITCH로 표시할 수 있으며, FSWITCH=1/T이다.
도 5를 다시 참조하면, 조정기(526)는 어댑터(508)에 결합하도록 구성된다. 어댑터(508)는 전력 배출구(510)로부터 높은 AC 입력 전압(예컨대, 110-220V) VOUT_WALL을 수신하고, VOUT_WALL을 더 낮은 DC 전압 VBUS로 변환하도록 구성된다. 그 다음, 어댑터(508)는 DC 전압 VBUS를 USB 포트와 같은 인터페이스를 통해 전압 조정기(526)에 제공한다. 어댑터(508)는 통상적으로 DC/DC 컨버터가 뒤따르는 AC/DC 컨버터를 포함한다.
조정기(526)는 어댑터(508)로부터 VBUS를 수신하고 출력 전압 VBAT를 제공하도록 구성된다. 이어서, 출력 전압 VBAT(및 대응하는 전류 ICHG)는 배터리(506)를 충전하기 위해 배터리(506)로 라우팅된다. 조정기(526)는 통상적으로 DC/DC 컨버터를 포함한다.
일부 실시예들에서, 전압 조정기 시스템(520)은 단일 칩으로 구현될 수 있다. 단일 칩은 본 명세서에서 개시되는 바와 같이 제어기(524) 및 조정기(526) 양자를 포함하는 단일 다이를 포함할 수 있다. 단일 칩은 2개 이상의 다이를 포함할 수 있고, 하나의 다이는 제어기(524)를 포함하고, 다른 하나의 다이는 조정기(526)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 전압 조정기 시스템(520)은 2개 이상의 칩을 포함할 수 있고, 하나의 칩은 제어기(524)를 포함하고, 다른 하나의 칩은 조정기(526)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 제어기(524)는 하드웨어 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어 애플리케이션으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 애플리케이션은 메모리에 저장될 수 있다. 메모리는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체, 플래시 메모리, 자기 디스크 드라이브, 광학 드라이브, 프로그램 가능한 판독 전용 메모리(PROM), 판독 전용 메모리(ROM) 또는 임의의 다른 메모리 또는 메모리들의 조합일 수 있다. 소프트웨어는 컴퓨터 명령어들 또는 컴퓨터 코드를 실행할 수 있는 하드웨어 프로세서 상에서 실행될 수 있다. 하드웨어 프로세서는 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그래밍 가능한 논리 어레이(PLA), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 임의의 다른 집적 회로를 사용하여 하드웨어로 구현될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(524)는 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그램 가능한 논리 어레이(PLA), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 임의의 다른 집적 회로를 사용하여 하드웨어로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어기(524)는 베리로그(Verilog), VHDL 및 블루스펙(Bluespec)을 포함하는 하드웨어 프로그래밍 언어들을 사용하여 합성될 수 있다.
배터리의 충전 속도를 증가시키기 위해, 조정기(526)는 배터리(506)에 더 많은 양의 전력을 전달할 필요가 있다. 조정기(526)에 의해 전달되는 전력의 양은 출력 전압 VBAT와 대응하는 전류 ICHG의 곱으로 계산되므로, 조정기(526)는 충전 속도를 증가시키기 위해 출력 전류 ICHG 또는 출력 전압 VBAT를 증가시켜야 한다.
통상적으로, 조정기(526)는 출력 전압 VBAT를 제어할 수 없다. 출력 전압 VBAT는 통상적으로 배터리 및 특히 배터리 화학(예를 들어, 리튬 이온), 적층된 배터리 셀들의 수 및 배터리에 축적된 전하 상태라고도 하는 전하의 양에 의해 결정된다. 예를 들어, 배터리 양단의 전압과 동등한 출력 전압 VBAT는 배터리가 더 충전됨에 따라 증가된다. 단일 적층 리튬 이온 배터리는 통상적으로 3-4.5V의 배터리 전압 VBAT를 갖는다. 통상적으로, 배터리가 완전히 방전될 때 배터리 전압은 3V이고, 배터리가 완전히 충전될 때 배터리 전압은 4.5V이다. 배터리가 0%에서 100%로 충전됨에 따라 배터리 전압은 3V에서 4.5V로 점차 증가할 수 있다. 따라서, 조정기(526)는 출력 전압 VBAT를 제어할 수 없다. 따라서, 배터리(506)로 전달되는 전력을 증가시키기 위해, 조정기(526)는 일반적으로 출력 전류 ICHG를 증가시켜야 한다.
조정기(526)가 배터리(506)에 증가된 양의 전력(예를 들어, 증가된 양의 전류 ICHG)을 전달하기 위해, 조정기(526)는 어댑터(508)로부터 증가된 양의 전력을 수신해야 한다. 이것은 배터리(506)에 증가된 양의 전력을 전달하기 위해 어댑터(508)가 또한 조정기(526)에 제공되는 출력 전류 IBUS 및/또는 출력 전압 VBUS를 증가시켜야 한다는 것을 의미한다.
어댑터(508)를 조정기(526)에 접속하기 위한 인터페이스 프로토콜들은 통상적으로 인터페이스 프로토콜들을 따르는 인터페이스를 통해 흐를 수 있는 전류의 양을 제한하기 때문에, 어댑터(508)가 출력 전류 IBUS의 양을 증가시키는 것은 종종 어렵다. 예를 들어, 유니버설 직렬 버스(USB) 표준들은 USB 유형 C 인터페이스를 통해 흐르는 전류의 양을 3A로 제한한다. 또한, 어댑터 케이블이 많은 양의 전류에 견디기 위해, 어댑터 케이블은 더 두꺼워져야 하며, 이는 또한 어댑터 케이블의 제조 비용을 증가시킨다. 사실상, 어댑터 케이블들이 더 높은 전류를 수용하도록 설계됨에 따라 어댑터 케이블들은 실제로 더 비싸진다.
출력 전류 IBUS를 증가시키는 대신에, 어댑터(508)는 출력 전압 VBUS를 증가시켜 증가된 양의 전력을 전달할 수 있다. 그러나, 그러한 전략은 조정기(526)가 벅 조정기를 사용할 때는 이상적이지 않다. 출력 전압 VBUS가 증가하면, 조정기(526)는 큰 VBUS를 VBAT로 변환하기 위해 더 높은 전압 변환 비율로 동작할 필요가 있다. 불행하게도, 조정기(526)를 높은 전압 변환 비율로 동작시키는 것은 조정기(526)가 벅 조정기를 사용할 때 문제가 되는데, 그 이유는 변환 비율(예컨대, VBUS/VBAT)이 증가함에 따라 벅 조정기의 효율이 저하되기 때문이다.
조정기(526)의 감소된 효율은 전력 소산을 증가시키기 때문에 매우 문제가 된다. 예를 들어, 조정기(526)의 효율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
효율 = POUT/PIN = (PIN-PDISS)/PIN
여기서, PIN은 입력 전력이고, POUT는 출력 전력이고, PDISS는 조정기(526)에 의해 소산되는 전력이다. 이러한 관계에 기초하여, 조정기(526)에 의해 소산되는 전력의 양은 다음과 같이 유도될 수 있다.
PIN*효율 = PIN-PDISS
PDISS = PIN*(1-효율)
VBUS(조정기(526)에 대한 입력 전압)가 증가할 때, 다음의 두 가지 인자가 또한 PDISS를 증가시키는데: (1) PIN은 VBUS인 더 높은 입력 전압에 따라 증가하고; (2) 효율은 더 높은 변환 비율에 따라 감소한다.
증가된 전력 소산(PDISS)은 모바일 디바이스들에 대한 큰 문제인데, 이는 증가된 전력 소산이 증가된 열 소산을 야기하기 때문이다. 사용자들을 보호하기 위해 모바일 디바이스의 표면이 얼마나 뜨거울 수 있는지에 대한 강력한 제한들이 있다. 모바일 디바이스들은 일반적으로 냉각 메커니즘을 포함하지 않으므로, 열 소산 예산은 매우 엄격하다. 결과적으로, 조정기(526)가 너무 많은 열을 소산할 때, 조정기(526)는 열 소산을 감소시키기 위해 배터리 충전 속도를 조절하도록 설계된다. 이것은 사용자 경험에 바람직하지 않다.
따라서, 엄격한 열 예산 하에서 고속 충전을 유지하기 위해, 높은 입력 대 출력 변환 비율들에서 높은 효율을 유지할 수 있도록 조정기(526)를 제어할 강한 필요성이 있다.
본 개시는 조정기(526)의 동작 포인트를 설정하여 효율을 향상시키도록 구성된 제어 시스템을 제공한다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 조정기(526)의 효율, 조정기(526)의 입력 전압, 조정기(526)의 스위칭 주파수, 조정기(526)의 듀티 사이클 및 조정기(526)의 스위치의 게이트 구동 전압 사이에는 비선형 관계가 있다. 따라서, 개시되는 제어 시스템은 조정기(526)의 효율을 향상시키기 위해 조정기(526)의 입력 전압, 스위칭 주파수, 듀티 사이클 및/또는 게이트 구동 전압을 적응적으로 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 본 개시의 전반에서, 스위칭 주파수를 조정하는 데 적용되는 기술들은 듀티 사이클 및/또는 게이트 구동 전압에 유사하게 적용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어기(524) 및/또는 조정기(526)를 포함할 수 있는 제어 시스템은 효율을 향상시키는 입력 전압 및 스위칭 주파수, 듀티 사이클 및/또는 게이트 구동 전압을 반복적으로 검색함으로써 조정기(526)의 입력 전압, 스위칭 주파수, 듀티 사이클 및/또는 게이트 구동 전압을 적응적으로 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 제어 시스템은 입력 전압을 고정하고, 이어서 그 고정 입력 전압에 대한 효율을 향상시키는 스위칭 주파수를 식별할 수 있다. 이러한 프로세스는 제어 시스템이 효율이 가장 높은 입력 전압 및 스위칭 주파수를 식별할 때까지 복수의 입력 전압 레벨에 대해 수행될 수 있다. 유사하게, 다른 예에서, 제어 시스템은 스위칭 주파수를 고정하고, 이어서 그 고정 스위칭 주파수에 대한 효율을 향상시키는 입력 전압을 식별할 수 있다. 이러한 프로세스는 제어 시스템이 효율이 가장 높은 입력 전압 및 스위칭 주파수를 식별할 때까지 복수의 스위칭 주파수에 대해 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전술한 프로세스는 또한 스위칭 주파수보다는 조정기(526)의 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 입력 전압을 고정하고, 그 고정 입력 전압에 대한 효율을 향상시키는 듀티 사이클을 식별할 수 있다. 이러한 프로세스는 제어 시스템이 효율이 가장 높은 입력 전압 및 듀티 사이클을 식별할 때까지 복수의 입력 전압 레벨에 대해 수행될 수 있다. 유사하게, 다른 예에서, 제어 시스템은 듀티 사이클을 고정하고, 이어서 그 고정 듀티 사이클에 대한 효율을 향상시키는 입력 전압을 식별할 수 있다. 이러한 프로세스는 제어 시스템이 효율이 가장 높은 입력 전압 및 듀티 사이클을 식별할 때까지 복수의 듀티 사이클에 대해 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전술한 프로세스는 또한 스위칭 주파수보다는 조정기(526)의 게이트 구동 전압을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 입력 전압을 고정하고, 이어서 그 고정 입력 전압에 대한 효율을 향상시키는 게이트 구동 전압을 식별할 수 있다. 이러한 프로세스는 제어 시스템이 효율이 가장 높은 입력 전압 및 게이트 구동 전압을 식별할 때까지 복수의 입력 전압 레벨에 대해 수행될 수 있다. 유사하게, 다른 예에서, 제어 시스템은 게이트 구동 전압을 고정하고, 이어서 그 고정 게이트 구동 전압에 대한 효율을 향상시키는 입력 전압을 식별할 수 있다. 이러한 프로세스는 제어 시스템이 효율이 가장 높은 입력 전압 및 게이트 구 동 전압을 식별할 때까지 복수의 게이트 구동 전압에 대해 수행될 수 있다.
조정기(526)의 효율과 조정기(526)의 입력 전압, 조정기(526)의 스위칭 주파수, 조정기(526)의 듀티 사이클 및 조정기(526)의 게이트 구동 전압 사이에는 비선 형 관계가 있다. 도 1은 조정기(526)의 모델(100)을 도시한다. 조정기(526)는 예를 들어 SC 조정기를 포함할 수 있다. SC 조정기 모델(100)은 입력 전압 VIN(102), 출력 전압 VOUT(104), 출력 저항기 ROUT(106), 전압 배율 M/N(108) 및 출력 전류 IOUT(110)를 포함한다. SC 조정기 모델(100)에 포함된 컴포넌트들은 또한 2개 이상의 컴포넌트로 분해될 수 있고/있거나 임의의 적절한 배열로 함께 결합될 수 있다. 또한, 하나 이상의 컴포넌트가 재배열, 변경, 추가 및/ 또는 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, VIN(102)은 VBUS에 대응하고, VOUT(104)는 VBAT에 대응한다.
구체적으로, 도 1에 도시된 SC 조정기 모델(100)은 N:M SC 조정기를 설명한다. 예를 들어, N이 2이고 M이 1인 경우, SC 조정기 모델(100)은 2:1 SC 조정기를 설명한다. 입력 전압 VIN(102)은 출력 저항기 ROUT(106)이 뒤따르는 전압 배율 M/N(108)에 의해 곱해진다. ROUT(106)는 SC 조정기의 스위칭 주파수를 변경하고 SC 조정기의 듀티 사이클을 변경하고/하거나 전력 스위치들의 저항을 변경함으로써 조정될 수 있다. 전력 스위치들의 저항은 전력 스위치들의 게이트 구동 전압을 변경함으로써 또는 전력 스위치들을 병렬로 접속되는 작은 스위치들로 분할하여 전력 스위치들의 유효 폭을 변경하고 상이한 수의 작은 스위치들을 턴온 또는 턴오프함으로써 조정될 수 있다. ROUT(106)는 대략 1/(FSWITCH*(VGATE-VTH))에 비례하며, 여기서 VTH는 전력 스위치의 임계 전압이고, VGATE는 전력 스위치들의 게이트 구동 전압이다. 도 1의 SC 조정기 모델(100)에 기초할 때, VOUT = VIN/N - ROUT x IOUT이다.
도 2a-2e는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, SC 조정기의 스위칭 주파수 FSWITCH(202)에 따라 다양한 SC 조정기 파라미터들이 어떻게 변하는지를 도시한다. 도 2a-2d는 고정된 IOUT(110)를 가정하며, 실선 곡선들은 높은 IOUT(110)에 대응하는 반면, 점선 곡선들은 낮은 IOUT(110)에 대응한다. 일부 실시예들에서, IOUT(110)는 100mA 내지 50A의 범위 또는 임의의 다른 적절한 범위들에 걸칠 수 있다. 따라서, 낮은 IOUT(110)와 높은 IOUT(110) 사이의 비율은 1:10 내지 1:100,000의 범위 또는 임의의 다른 적절한 범위들에 걸칠 수 있다. 따라서, 도 2a-2d의 플롯들은 IOUT(110)가 증가 또는 감소할 때 곡선들이 어떻게 시프트되는지를 도시한다.
도 2a는 ROUT(106)와 FSWITCH(202) 사이의 관계를 도시한다. x축은 FSWITCH(202)이고, y축은 ROUT(106)이다. FSWITCH(202)가 증가함에 따라, ROUT(106)는 감소한다. 또한, 곡선(215)에 의해 시사되는 바와 같이, ROUT(106)는 높은 IOUT(110) 및 낮은 IOUT(110)에 대해 동일할 것이다.
도 2b는 V0UT/VIN과 FSWITCH(202) 사이의 관계를 도시한다. x축은 FSWITCH(202)이고, y축은 VOUT/VIN이다. 곡선(220)은 높은 IOUT(110)에 대응하고, 곡선(225)은 낮은 IOUT(110)에 대응한다. FSWITCH(202)가 증가함에 따라, VOUT/VIN도 증가한다.
도 2c는 전력 손실과 FSWITCH(202) 사이의 관계를 도시한다. 전력 손실은 입력 전력과 출력 전력 사이의 차이로 정의될 수 있다. 충전 시스템의 이상적인 SC 조정기는 입력 전력의 100%를 출력에 전달할 것이다. 그러나, 실제로는 SC 조정기에서 소정의 손실이 존재하며, 따라서 입력 전력의 일부만이 출력으로 전달된다. x축은 FSWITCH(202)이고, y축은 전력 손실이다. 전력 손실은 저항 손실과 스위칭 손실을 포함할 수 있다. 곡선(230)은 높은 IOUT(110)에 대한 저항 손실에 대응하고, 곡선(235)은 낮은 IOUT(110)에 대한 저항 손실에 대응하고, 곡선(240)은 높은 IOUT(110) 및 낮은 IOUT(110) 양자에 대한 스위칭 손실에 대응한다. 저항 손실은 전류가 저항(종종 원하지 않는 기생 저항)을 통과할 때 발생하는 전력 손실이다. 이것은 I2R로 정의되며, 여기서 I는 전류이고, R은 저항이다. 스위칭 손실은 용량(종종 원하지 않는 기생 용량)이 충전되어야 할 때 발생하는 전력 손실이다. 전력 스위치가 턴온 및 턴오프될 때, 게이트 구동 전압은 하나의 전압에서 다른 전압으로 전이되어야 하고, 따라서 스위치의 기생 게이트 용량이 주기적으로 충전 및 방전되어야 하며, 이는 스위칭 손실을 유발한다. 이것은 CV2f로 정의되며, 여기서 C는 기생 용량이고, V는 기생 용량을 충전 및 방전하는 전압의 진폭이고, f는 충전 및 방전의 주파수이다. FSWITCH(202)가 증가함에 따라, 스위칭 손실은 증가하지만, 저항 손실은 감소하는데, 이는 FSWITCH(202)가 증가할 때 ROUT(106)이 감소하기 때문이다. 결과적으로, 스위칭 손실과 저항 손실 사이에는 트레이드오프(tradeoff)가 존재하며, 주어진 IOUT에 대해 효율을 최대화하는 최적의 FSWITCH(202) 값이 존재한다.
도 2d는 효율과 FSWITCH(202) 사이의 관계를 도시한다. 전술한 바와 같이, SC 조정기의 효율은 다음과 같이 정의될 수 있다.
효율 = POUT/PIN = (PIN-PDISS)/PIN
여기서, PIN은 입력 전력이고, POUT은 출력 전력이고, PDISS는 SC 조정기에 의해 소산되는 전력이다. x축은 FSWITCH(202)이고, y축은 효율이다. 곡선(250)은 높은 IOUT(110)에 대응하고, 곡선(255)는 낮은 IOUT(110)에 대응한다. IOUT가 변할 때, 곡선들 중 일부가 시프트되어 최적의 FSWITCH(202) 값을 변화시킨다. FSWITCH_LOW(208) 및 FSWITCH_HIGH(210)는 IOUT(110)가 각각 낮고 높을 때 효율을 최대화하는 최적의 FSWITCH(202) 값들이다. IOUT(110)가 낮을 때, 스위칭 손실이 저항 손실을 지배하기 때문에, 최적의 FSWITCH(202) 값은 작다. IOUT가 높을 때, 저항 손실이 스위칭 손실을 지배하기 때문에, 최적의 FSWITCH(202) 값은 크다.
도 2e는 높은 VIN(102) 및 낮은 VIN(102)에 대한 효율과 FSWITCH(202) 사이의 관계를 도시한다. x축은 FSWITCH(202)이고, y축은 효율이다. 곡선(260)은 높은 VIN(102)에 대응하고, 곡선(265)은 낮은 VIN(102)에 대응한다. 곡선들(260, 265)은 VIN(102)이 증가 또는 감소할 때 효율이 어떻게 변하는지를 나타낸다. 예를 들어, VIN(102)을 감소시키는 것은 곡선(260)을 우측으로 시프트시키고, VIN(102)을 증가시키는 것은 곡선(260)을 좌측으로 시프트시킬 것이다.
도 12는 전력 손실과 VGATE 사이의 관계를 도시한다. 도 12는 고정된 IOUT(110)를 가정하며, 실선 곡선들은 높은 IOUT(110)에 대응하는 반면, 점선 곡선들은 낮은 IOUT(110)에 대응한다. 일부 실시예들에서, IOUT(110)는 100mA 내지 50A의 범위 또는 임의의 다른 적절한 범위들에 걸칠 수 있다. 따라서, 낮은 IOUT(110)와 높은 IOUT(110) 사이의 비율은 1:10 내지 1:100,000의 범위 또는 임의의 다른 적절한 범위들에 걸칠 수 있다. 따라서, 도 12의 플롯은 IOUT(110)가 증가 또는 감소할 때 곡선들이 어떻게 시프트되는지를 도시한다.
x축은 VGATE이고, y축은 전력 손실이다. 전술한 바와 같이, 전력 손실은 저항 손실 및 스위칭 손실을 포함할 수 있다. 곡선(1210)은 높은 IOUT(110)에 대한 저항 손실에 대응하고, 곡선(1220)은 낮은 IOUT(110)에 대한 저항 손실에 대응하고, 곡선(1230)은 높은 IOUT(110) 및 낮은 IOUT(110) 양자에 대한 스위칭 손실에 대응한다. 저항 손실은 전류가 저항(종종 원하지 않는 기생 저항)을 통과할 때 발생하는 전력 손실이다. 이것은 I2R로 정의되며, 여기서 I는 전류이고, R은 저항이다. 스위칭 손실은 용량(종종 원하지 않는 기생 용량)이 충전되어야 할 때 발생하는 전력 손실이다. 전력 스위치가 턴온 및 턴오프될 때, 게이트 구동 전압은 하나의 전압에서 다른 전압으로 전이되어야 하고, 따라서 스위치의 기생 게이트 용량이 주기적으로 충전 및 방전되어야 하며, 이는 스위칭 손실을 유발한다. 이것은 CV2f로 정의되며, 여기서 C는 기생 용량이고, V는 기생 용량을 충전 및 방전하는 전압의 진폭이고, f는 충전 및 방전의 주파수이다. VGATE가 증가함에 따라, 스위칭 손실은 증가하지만, 저항 손실은 감소하는데, 이는 VGATE가 증가할 때 ROUT(106)이 감소하기 때문이다. 결과적으로, 스위칭 손실과 저항 손실 사이에는 트레이드오프가 존재하며, 주어진 IOUT에 대해 효율을 최대화하는 최적의 VGATE 값이 존재한다.
또한, 도 2a, 2b, 2d 및 2e의 y축들에 설명된 파라미터들은 x축들이 FSWITCH에서 VGATE로 변경될 때 본질적으로 동일하게 유지될 것이다.
도 13a-13e는 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 다양한 SC 조정기 파라미터들이 SC 조정기의 듀티 사이클에 따라 어떻게 변하는지를 도시한다. 도 13a-13d는 고정된 IOUT(110)를 가정하며, 실선 곡선들은 높은 IOUT(110)에 대응하는 반면, 점선 곡선들은 낮은 IOUT(110)에 대응한다. 일부 실시예들에서, IOUT(110)는 100mA 내지 50A의 범위 또는 임의의 다른 적절한 범위들에 걸칠 수 있다. 따라서, 낮은 IOUT(110)와 높은 IOUT(110) 사이의 비율은 1:10 내지 1:100,000의 범위 또는 임의의 다른 적절한 범위들에 걸칠 수 있다. 따라서, 도 13a-13d의 플롯들은 IOUT(110)가 증가 또는 감소할 때 곡선들이 어떻게 시프트되는지를 나타낸다.
도 13a는 ROUT(106)와 듀티 사이클 사이의 관계를 도시한다. x축은 듀티 사이클이고, y축은 ROUT(106)이다. 듀티 사이클이 증가함에 따라, ROUT(106)는 먼저 감소한 후에 증가한다. 또한, 곡선(1315)에 의해 시사되는 바와 같이, ROUT(106)는 높은 IOUT(110) 및 낮은 IOUT(110)에 대해 동일할 것이다.
도 13B는 VOUT/VIN과 듀티 사이클 사이의 관계를 도시한다. x축은 듀티 사이클이고, y축은 V0UT/VIN이다. 곡선(1320)은 높은 IOUT(110)에 대응하고, 곡선(1325)은 낮은 IOUT(110)에 대응한다. 듀티 사이클이 증가함에 따라, VOUT/VIN은 먼저 증가한 후에 감소한다.
도 13c는 전력 손실과 듀티 사이클 사이의 관계를 도시한다. 곡선(1330)에 의해 시사되는 바와 같이, 전력 손실은 듀티 사이클의 변화에 영향을 받지않는다.
도 13d는 효율과 듀티 사이클 사이의 관계를 도시한다. 전술한 바와 같이, SC 조정기의 효율은 다음과 같이 정의할 수 있다.
효율 = POUT/PIN = (PIN-PDISS)/PIN
여기서, PIN은 입력 전력이고, POUT은 출력 전력이고, PDISS는 SC 조정기에 의해 소산되는 전력이다. x축은 듀티 사이클이고, y축은 효율이다. 곡선(1340)은 높은 IOUT(110)에 대응하고, 곡선(1345)은 낮은 IOUT(110)에 대응한다. 듀티 사이클이 증가함에 따라, 효율은 먼저 증가한 후에 감소한다.
도 13e는 높은 VIN(102) 및 낮은 VIN(102)에 대한 효율과 듀티 사이클 사이의 관계를 도시한다. x축은 듀티 사이클이고, y축은 효율이다. 곡선(1350)은 높은 VIN(102)에 대응하고, 곡선(1355)은 낮은 VIN(102)에 대응한다. 듀티 사이클이 증가함에 따라, 효율은 먼저 증가한 후 감소한다.
예를 들어, 도 5의 충전 시스템과 같은 충전 시스템에 사용되는 SC 조정기에서, VOUT(104)는 배터리 전압에 의해 고정되고, IOUT(110)는 모바일 디바이스에 의해 설정(배터리를 얼마나 빠르게 충전할 수 있는지)되는 반면, VIN(102) 및 FSWITCH(202)는 SC 효율을 최대화하도록 조정될 수 있다. 도 2a-2e의 플롯들에 기초하여, 충전 시스템은 IOUT(110)의 주어진 값에 대해 효율을 최대화하는 FSWITCH(202) 값을 선택할 수 있다. FSWITCH(202)가 결정되면, 도 2b에 도시된 바와 같이 VOUT/VIN이 결정된다. VOUT(104)는 배터리 전압에 의해 고정되기 때문에, VIN(102)은 결정된 VOUT/VIN 값에 기초하여 설정될 수 있다. 결과적으로, FSWITCH(202) 및 VIN(102)은 효율을 최대화하도록 함께 결정될 필요가 있다. 유사하게, 전술한 바와 같이 그리고 도 12 및 도 13a-13e에 설명된 바와 같이, 스위칭 주파수를 변경하는 대신, 듀티 사이클 또는 게이트 구동 전압이 효율을 최대화하기 위해 VIN(102)에 따라 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(524)는 SC 조정기의 스위칭 주파수, 듀티 사이클 및 게이트 구동 전압과 같은 다양한 파라미터들을 변경하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 충전 시스템은 도 2a-2e에 일반적으로 도시된 바와 같이 효율, 스위칭 주파수 FSWITCH(202), 역 전압 변환 비율(VOUT/VIN) 및/또는 출력 전류 IOUT(110) 사이의 관계를 탐색표들을 사용하여 저장할 수 있다.
일부 실시예들에서, 충전 시스템은 도 2a-2e 및 12에 일반적으로 도시된 바와 같이 효율, 게이트 구동 전압, 역 전압 변환 비율(VOUT/VIN) 및/또는 출력 전류 IOUT(110) 사이의 관계를 탐색표들을 사용하여 저장할 수 있다.
일부 실시예들에서, 충전 시스템은 도 13a-13e에 일반적으로 도시된 바와 같이 효율, 듀티 사이클, 역 전압 변환 비율(VOUT/VIN) 및/또는 출력 전류 IOUT(110) 사이의 관계를 탐색표들을 사용하여 저장할 수 있다.
일부 실시예들에서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 충전 시스템의 효율을 향상시키기 위해 입력 전압 VIN(102) 및 FSWITCH(202)를 결정하도록 구성될 수 있다. 도 2a-2e와 관련하여 설명된 바와 같이, 충전 시스템의 효율은 적어도 2개의 변수: 입력 전압 VIN(102) 및 스위칭 주파수 FSWITCH(202)에 의존한다. 따라서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 입력 전압 VIN(102) 및 FSWITCH(202)를 변경하여 충전 시스템을 개선된 효율로 동작시킬 수 있다.
일부 예들에서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 입력 전압 VIN(102) 및 스위칭 주파수 FSWITCH(202)의 값들을 반복적으로 스위핑함으로써 입력 전압(VIN)(102) 및 FSWITCH(202)를 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(524)는 어댑터(508)의 동작을 조정함으로써 VIN(102)을 스위핑할 수 있다.
도 3은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)가 효율을 향상시키기 위해 VIN(102) 및 FSWITCH(202)를 조정할 수 있는 프로세스(300)를 도시한다. 프로세스(300)가 SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)와 관련하여 도시되지만, 충전 시스템(500)의 하나 이상의 컴포넌트도 관련될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세스(300)는 예를 들어 스텝들을 재배열, 변경, 추가 및/또는 제거함으로써 수정될 수 있다.
프로세스(300)는 SC 조정기가 FSWITCH(202) 및 VIN(102)을 스위핑하여 SC 조 정기를 최대 효율 근처에서 또는 최대 효율로 동작시키는 값들을 찾을 수 있는 방법을 보여준다. 스텝 302에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 고정된 VIN(102)으로 시작하고, FSWITCH(202)를 스위핑하여 제1 국부 최적치(eff1)를 찾을 수 있다.
스텝 304에서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 VIN(102)을 제1의 작은 스텝만큼 증가시킬 수 있다. 스텝은 1mV 내지 2V의 값, 초기 전압 값의 0.1% 내지 50% 또는 임의의 다른 적절한 값들일 수 있다.
스텝 306에서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 FSWITCH(202)를 스위핑하여 제2 국부 최적치(eff2)를 찾을 수 있다. eff2가 eff1보다 높으면, 프로세스(300)는 스텝 304로 진행할 수 있고, 충전기 IC는 eff2가 떨어지기 시작할 때까지 스텝 304 및 306을 반복할 수 있다. eff2가 eff1보다 낮으면, 프로세스(300)는 스텝 308로 진행할 수 있다.
스텝 308에서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 제2의 작은 스텝만큼 VIN(102)을 감소시킬 수 있다. 제1의 작은 스텝 및 제2의 작은 스텝은 동일하거나 상이할 수 있다.
스텝 310에서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 FSWITCH(202)를 스위핑하여 제3 국부 최적치(eff3)를 찾을 수 있다. eff3이 eff1보다 높으면, 프로세스(300)는 스텝 308로 진행할 수 있고, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 eff3이 떨어지기 시작할 때까지 스텝 308 및 310을 반복할 수 있다. eff3이 eff1보다 낮으면, 프로세스(300)는 스텝 304로 진행할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세스(300)는 eff2가 eff1과 같을 경우에 306 후에 중지할 수 있고, 프로세스(300)는 eff3이 eff1과 같을 경우에는 310 후에 중지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 2개의 효율이 서로의 소정 백분율(예를 들어, 0.1%) 내에 있는 경우에 2개의 효율은 동일하다고 간주될 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세스(300)에서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 입력 전압을 설정하도록 구성된다. 이어서, 입력 전압이 주어지면, 제어 시스템은 조정기(526)의 효율이 가장 높은 스위칭 주파수를 식별하기 위해 스위칭 주파수를 스위핑하도록 구성된다. 그 효율은 기본 효율로 식별된다. 이어서, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 기본 효율과 관련된 입력 전압보다 약간 위의 그리고 약간 아래의 입력 전압에서 최고 효율들을 식별할 수 있다. 이러한 효율들은 각각 제1 효율 및 제2 효율로 식별된다. 제어 시스템은 입력 전압을 고정으로 유지하면서 스위칭 주파수를 스위핑함으로써 제1 효율과 제2 효율을 식별할 수 있다.
기본 효율이 제1 효율 및 제2 효율보다 크다면, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 기본 효율과 관련된 입력 전압 및 스위칭 주파수에서 조정기(526)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 제1 효율이 기본 효율보다 크다면, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 기본 효율을 제1 효율로 업데이트하고, 새로운 기본 효율(즉, 제1 효율)과 관련된 입력 전압보다 약간 위의 그리고 약간 아래의 입력 전압에서 최고 효율들을 식별할 수 있다. 제1 효율이 기본 효율보다 낮지만, 제2 효율이 기본 효율보다 높으면, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 기본 효율을 제2 효율로 업데이트하고, 새로운 기본 효율(즉, 제2 효율)과 관련된 입력 전압보다 약간 위의 그리고 약간 아래의 입력 전압에서 최고 효율들을 식별할 수 있다. 이러한 프로세스는 SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)가 효율이 가장 높은 입력 전압 및 스위칭 주파수를 식별할 때까지 반복될 수 있다.
도 4는 본 개시의 소정 실시예들에 따른, 충전 시스템이 VIN(102) 및 FSWITCH(202)를 조정하여 최대 효율 포인트를 찾을 수 있는 프로세스(400)를 도시한다. 프로세스(400)가 SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)와 관련하여 도시되지만, 충전 시스템(500)의 하나 이상의 컴포넌트도 관련될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세스(400)는 예를 들어 스텝들을 재배열, 변경, 추가 및/또는 제거함으로써 수정될 수 있다.
프로세스(400)는 프로세스(400)가 또한 입력 전압들 및 스위칭 주파수들을 스위핑하여 효율이 가장 높은 입력 전압 및 스위칭 주파수를 식별한다는 점에서 프로세스(300)와 유사하다. 그러나, 프로세스(400)에서는, 프로세스(300)와 달리, SC 조정기(526) 및/또는 제어기(524)는 고정된 스위칭 주파수가 주어지면 입력 전압을 스위핑하고, 여러 스위칭 주파수에 대해 이 스텝을 반복할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세스(400)는 스텝 402에서 시작될 수 있으며, 여기서 SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 고정된 FSWITCH(202)로 시작하고 VIN(102)을 스위핑하여 제4 국부 최적치(eff4)를 찾을 수 있다.
스텝 404에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 제3의 작은 스텝만큼 FSWITCH(202)를 증가시킬 수 있다. 스텝은 1kHz 내지 100MHz의 값, 초기 주파수 값의 0.1% 내지 50% 또는 임의의 다른 적절한 값들일 수 있다.
스텝 406에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 VIN(102)을 스위핑하여 제5 국부 최적치(eff5)를 찾을 수 있다. eff5가 eff4보다 높으면, 프로세스(400)는 스텝 404로 진행할 수 있고, 충전기 IC는 eff5가 떨어지기 시작할 때까지 스텝 404 및 406을 반복할 수 있다. eff5가 eff4보다 낮다면, 프로세스(400)는 스텝 408로 진행할 수 있다.
스텝 408에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 제4의 작은 스텝만큼 FSWITCH(202)를 감소시킬 수 있다. 제3의 작은 스텝과 제4의 작은 스텝은 동일하거나 상이할 수 있다.
스텝 410에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 VIN(102)을 스위핑하여 제6 국부 최적치(eff6)를 찾을 수 있다. eff6이 eff4보다 높으면, 프로세스(400)는 스텝 408로 진행할 수 있고, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 eff6이 떨어지기 시작할 때까지 스텝 408 및 410을 반복할 수 있다. eff6이 eff4보다 낮으면, 프로세스(400)는 스텝 404로 진행할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세스(300)는 eff2가 eff1과 같으면 306 후에 중지할 수 있고, 프로세스(300)는 eff3이 eff1과 같으면 310 후에 중지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 2개의 효율이 서로의 소정 비율(예를 들어, 0.1%) 내에 있는 경우에 2개의 효율은 동일하다고 간주될 수 있다.
일부 실시예들에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 탐색표로부터의 값을 사용하여 프로세스(300 또는 400)를 초기화함으로써 최적의 VIN(102) 및 FSWITCH(202) 값들을 찾을 수 있다. 예를 들어, 탐색표는 스위프들이 최적의 VIN(102) 및 FSWITCH(202) 값들을 찾는 데에 너무 오래 걸리지 않도록 양호한 시작 포인트를 제공할 수 있다.
일부 실시예들에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 ROUT(106)를 조정하기 위해 FSWITCH(202) 대신에 전력 스위치들의 게이트 구동 전압(VGATE)을 조정할 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 4와 관련된 프로세스들(300, 400)에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 FSWITCH(202) 대신에 전력 스위치들의 게이트 구동 전압(VGATE)을 조정할 수 있다. 조정 프로세스 동안, 게이트 구동 전압의 증가 또는 감소의 작은 스텝은 전력 스위치 디바이스의 명목 정격 전압의 1%일 수 있다. 예를 들어, 5V 전력 스위치 디바이스의 경우, 게이트 구동 전압을 증가 또는 감소시키는 작은 스텝은 50mV일 수 있다. 일부 실시예들에서, 임의의 다른 적절한 값들이 사용될 수 있다. FSWITCH(202)와 마찬가지로, VGATE의 조정은 저항 손실과 스위칭 손실 사이의 트레이드오프를 갖는다. VGATE를 증가시키는 것은 대략 C x VGATE 2 x FSWITCH인 스위칭 손실을 증가시키지만, 저항 손실을 감소시키는데, 이는 더 높은 게이트 구동이 전력 스위치들의 온 상태 기생 저항을 감소시키기 때문이다. VGATE와 FSWITCH(202)의 조정에는 차이가 있다. 스위칭 손실은 FSWITCH(202)에 대략 비례하고, VGATE의 제곱에 대략 비례한다. 저항 손실 및 ROUT(106)는 1/FSWITCH에 대략 비례하고, 1/(VGATE - VTH)에 비례하며, 여기서 VTH는 트랜지스터 임계 전압이다. VGATE를 조정하는 것은 VGATE를 생성하는 별도의 전원 공급기를 필요로 할 수 있다. FSWITCH(202)를 조정하는 것은 주파수 범위가 너무 넓고 예측 불가능한 경우에 모바일 디바이스에서의 잡음 문제들을 유발할 수 있다. SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 하나 이상의 전력 스위치의 VGATE를 조정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 조정기(526)는 고정된 FSWITCH(202) 및 VGATE에서 동작할 수 있고, ROUT(106)을 조정하기 위해 직렬인 선형 조정기를 포함할 수 있다. 도 7은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 선형 조정기(702)가 N:M SC 조정기(704) 앞에 배치될 수 있음을 도시한다. 도 8은 본 개시의 소정의 실시예들에 따른, 선형 조정기(702)가 N:M SC 조정기(704) 뒤에 배치될 수 있음을 도시한다. 도 7 및 8에서, N:M SC 조정기(704)는 고정 주파수에서 동작할 수 있고, ROUT(106)는 선형 조정기에 의해 조정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 선형 조정기(702) 및 SC 조정기(704)는 단일 칩 내에 집적될 수 있다.
일부 실시예들에서, 선형 조정기(702) 및 SC 조정기(704)는 개별 칩들일 수 있다.
일부 실시예들에서, SC 조정기와 직렬인 스위치가 이미 존재하며, 스위치의 게이트 구동 전압은 선형 조정기와 마찬가지로 조정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 주파수들을 스위핑할 때, 소정의 주파수들 및/또는 주파수 범위들의 스위핑이 생략될 수 있다. 이것은 스위프가 전화 호출들, 와이파이 등에 대한 신호들을 방해하는 것을 방지하거나 스위프가 가청 잡음을 유발하는 것을 방지하는 데 유익할 수 있다.
도 9는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 과전압 보호(0VP) 스위치(902)가 SC 조정기(704) 앞에 배치될 수 있음을 도시한다. 0VP 스위치(902)는 외부 신호들에 의해 제어되는 단일 스위치일 수 있다. 제어기(524)로부터의 신호는 OVP 스위치(902)의 온 상태 저항을 조정할 수 있다. 일부 실시예들에서, SC 조정기(704)는 SC 조정기(704)의 입력 전압(910)에서의 갑작스러운 서지(surge)로부터 보호하기 위해 앞에 OVP IC들(902)을 갖는다. OVP IC를 사용하여 ROUT(106)를 조정함으로써, 일부 실시예들에서 추가적인 선형 조정기가 생략될 수 있다.
도 10은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 스위치(1002)가 SC 조정기(704) 뒤에 배치될 수 있음을 도시한다. 때때로 BATFET 또는 CHGFET(전하 FET)로 지칭되는 스위치(1002)는 배터리 전압(VBAT)과 시스템 전압(VSYS)(1010)을 분리하기 위해 그곳에 있을 수 있다. VSYS(1010)는 전력 관리 IC, 프로세서, RF 통신 칩들, 메모리를 포함하는 모바일 디바이스 내의 다양한 칩들을 포함할 수 있는 시스템 부하(1012)에 접속될 수 있다. 스위치(1002)의 게이트 구동 전압은 ROUT(106)를 조정하도록 조정될 수 있다. 이러한 스위치(1002)를 사용하여 ROUT(106)를 조정함으로써, 추가적인 선형 조정기의 사용을 피할 수 있다.
일부 실시예들에서, ROUT(106)를 조정하기 위해 스위치의 게이트 구동 전압을 조정하는 대신에, SC 조정기(704)와 직렬인 0VP 또는 BATFET 또는 임의의 스위치가 다수의 스위치로 파티션화될 수 있다. 얼마나 많은 파티션(스위치)이 턴온되는지를 조정함으로써, 스위치의 온 저항이 변경되며, 이는 디지털 방식으로 제어되는 선형 조정을 가능하게 한다.
일부 실시예들에서, SC 조정기(704)의 듀티 사이클은 ROUT(106)를 조정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 4와 관련한 프로세스들(300 및 400)에서, SC 조정기(526) 및 제어기(524)는 FSWITCH(202) 대신에 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 조정 프로세스 동안, 듀티 사이클의 증가 또는 감소의 작은 스텝은 1%, 10% 또는 임의의 다른 적절한 값들일 수 있다. ROUT(106)는 듀티 사이클이 50%에 가까울 때 가장 작고, ROUT(106)는 듀티 사이클이 50%에서 벗어남에 따라 증가한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 듀티 사이클은 도 6에 도시된 바와 같이 DT/T로 정의될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 본 개시의 소정의 실시예들에 따르면, ROUT(106)가 듀티 사이클을 조정함으로써 조정되는 경우, 조정기(526)는 추가적인 선형 조정기를 필요로 하지 않고 N:M SC 조정기(704)만을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 조정기(526)는 VIN(102)과 VOUT(104) 사이에 있는 모든 전력 스위치들을 턴온하고, VOUT(104)와 접지 사이에 있는 모든 전력 스위치들을 턴오프하여 1:1 조정기로서 동작하도록 구성될 수 있다. 매우 적은 전력 스위치들이 스위칭되거나 전혀 스위칭되지 않으므로, 효율이 매우 높을 수 있다. N:M SC 조정기와 마찬가지로, VGATE는 출력을 조정하도록 조정될 수 있다. 이러한 구성에 대한 지원은 사용자가 소정 테스트 모드를 위해 VBUS를 VBAT에 접속해야 하는 경우에 또는 사용자가 VBAT에 가까운 VBUS만을 지원할 수 있는 어댑터(508)를 갖는 경우에 유용할 수 있다.
일부 실시예들에서, OVP, BATFET 및 SC 조정기는 단일 칩일 수 있다.
일부 실시예들에서, OVP, BATFET 및 SC 조정기는 단일 충전 시스템 내의 개별 칩들일 수 있다.
도 14를 참조하면, 일부 실시예들에 따른, 효율에 기초하여 V(102) 및 FSWITCH(202)의 값들을 찾기 위한 다른 프로세스의 예(1400)가 도시된다. 도시된 바와 같이, 프로세스가 시작된 후, 1402에서, 프로세스는 V(102)를 임의의 적절한 초기 설정 V0으로 초기화하고, Vstep(V(102)가 변경되는 스텝)을 임의의 적절한 초 기 설정 Vstep0으로 설정할 수 있다.
다음으로, 1404에서, 프로세스는 V에서 FSWITCH(202)를 스위핑하고, 최대 효율(eff1)을 갖는 FSWITCH1을 찾을 수 있다. 임의의 적절한 주파수들 또는 주파수들의 범위들이 스위핑될 수 있고, 전술한 바와 같이, 일부 실시예들에서, (예를 들어, 간섭을 방지하기 위해) 하나 이상의 주파수 또는 주파수 범위가 스위프에서 제외될 수 있다.
1406에서, 프로세스는 Vstep만큼 V(102)를 증가시킬 수 있다. 이어서, 1408에서, 프로세스(1400)는 V에서 FSWITCH(202)를 스위핑하고, 최대 효율(eff2)을 갖는 FSWITCH2를 찾을 수 있다. 임의의 적절한 주파수들 또는 주파수들의 범위들이 스위핑될 수 있고, 전술한 바와 같이, 일부 실시예들에서, (예를 들어, 간섭을 방지하기 위해) 하나 이상의 주파수 또는 주파수 범위가 스위프에서 제외될 수 있다. 다음으로, 1410에서, 프로세스는 eff2가 eff1보다 큰지를 결정할 수 있다. 그러한 경우, 프로세스는 1412에서 eff1을 eff2와 같게 설정하고, FSWITCH1을 FSWITCH2와 같게 설정하고, 이어서 1406으로 루프백한다. 그렇지 않고, 1410에서 프로세스가 eff2가 eff1보다 크지 않다고 결정하면, 프로세스는 1414에서 Vstep만큼 V를 감소시킬 수 있다. 1414 후에, 1416에서, 프로세스는 Vstep이 임의의 적절한 값(예를 들어, V에서의 차이가 상이한 성능을 유발하지 않는 값)을 가질 수 있는 V에 대한 최소 스텝(Vstep_min) 미만인지를 결정할 수 있다. 1416에서 Vstep이 Vstep_min 미만이 아닌 것으로 결정되면, 프로세스(1400)은 1418에서 Vstep을 반으로 나눈 다음에 1420으로 분기할 수 있다.
1420에서, 프로세스는 Vstep만큼 V(102)를 감소시킬 수 있다. 이어서, 1422에서, 프로세스(1400)는 V에서 FSWITCH(202)를 스위핑하고, 최대 효율(eff3)을 갖는 FSWITCH3을 찾을 수 있다. 임의의 적절한 주파수들 또는 주파수들의 범위들이 스위핑될 수 있고, 전술한 바와 같이, 일부 실시예들에서, (예를 들어, 간섭을 방지하기 위해) 하나 이상의 주파수 또는 주파수 범위가 스위프에서 제외될 수 있다. 다음으로, 1424에서, 프로세스는 eff3이 eff1보다 큰지를 결정할 수 있다. 그러한 경우, 1426에서, 프로세스는 eff1을 eff3과 같게 설정하고, FSWITCH1을 FSWITCH3과 같게 설정한 다음, 1420으로 루프백한다. 그렇지 않고, 1424에서 프로세스가 eff3이 eff1보다 크지 않다고 결정하면, 프로세스는 1428에서 Vstep만큼 V를 증가시킬 수 있다. 1428 후에, 1430에서, 프로세스는 Vstep이 임의의 적절한 값(예를 들어, V에서의 차이가 상이한 성능을 유발하지 않는 값)을 가질 수 있는 V에 대한 최소 스텝(Vstep_min) 미만인지를 결정할 수 있다. 1430에서 Vstep이 Vstep_min 미만이 아닌 것으로 결정되면, 프로세스(1400)는 1432에서 Vstep을 반으로 나눈 다음에 1406으로 분기할 수 있다.
1416 또는 1430에서 Vstep이 Vstep _min 미만이 아닌 것으로 결정되면, 프로세스는 1434에서 FSWITCH1 및 V를 출력할 수 있고, 1436에서 종료할 수 있다.
도 15를 참조하면, 일부 실시예들에 따른, 효율에 기초하여 V(102) 및 FSWITCH(202)의 값들을 찾기 위한 다른 프로세스의 예(1500)가 도시된다. 도시된 바와 같이, 프로세스가 시작된 후, 1502에서, 프로세스는 (명확성을 위해 도 15에 F로 표시되는) FSWITCH(202)를 임의의 적절한 초기 설정 F0으로 초기화하고, Fstep(FSWITCH(202)가 변경되는 스텝)을 임의의 적절한 초기 설정 Fstep0으로 설정할 수 있다.
다음으로, 1504에서, 프로세스는 FSWITCH(202)에서 V(102)를 스위핑하고, 최대 효율(eff1)을 갖는 V1을 찾을 수 있다. 임의의 적절한 전압들 또는 전압들의 범위들이 스위핑될 수 있다.
1506에서, 프로세스는 Fstep만큼 FSWITCH(202)를 증가시킬 수 있다. 이어서, 1508에서, 프로세스(1500)는 FSWITCH(202)에서 V(102)를 스위핑하고, 최대 효율(eff2)을 갖는 V2를 찾을 수 있다. 임의의 적절한 전압들 또는 전압들의 범위들이 스위핑될 수 있다. 다음으로, 1510에서, 프로세스는 eff2가 eff1보다 큰지를 결정할 수 있다. 그러한 경우, 1512에서, 프로세스는 eff1을 eff2와 같게 설정하고, V1을 V2와 같게 설정한 다음, 1506으로 루프백한다. 그렇지 않고, 1510에서 프로세스가 eff2가 eff1보다 크지 않다고 결정하면, 1514에서, 프로세스는 FSWITCH를 Fstep만큼 감소시킬 수 있다. 1514 후에, 1516에서, 프로세스는 Fstep이 임의의 적절한 값(예를 들어, FSWITCH에서의 차이가 상이한 성능을 유발하지 않는 값)을 가질 수 있는 FSWITCH에 대한 최소 스텝(Fstep_min) 미만인지를 결정할 수 있다. 1516에서 Fstep이 Fstep_min 미만이 아닌 것으로 결정되면, 프로세스(1500)는 1518에서 Fstep을 반으로 나눈 다음에 1520으로 분기할 수 있다.
1520에서, 프로세스는 Fstep만큼 FSWITCH(202)를 감소시킬 수 있다. 이어서, 1522에서, 프로세스(1500)는 FSWITCH(202)에서 V(102)를 스위핑하고, 최대 효율(eff3)을 갖는 V3을 찾을 수 있다. 임의의 적절한 전압들 또는 전압들의 범위들이 스위핑될 수 있다. 다음으로, 1524에서, 프로세스는 eff3이 eff1보다 큰지를 결정할 수 있다. 그러한 경우, 1526에서, 프로세스는 eff1을 eff3과 같게 설정하고, V1을 V3과 같게 설정한 다음, l520으로 루프백한다. 그렇지 않고, 1524에서 프로세스가 eff3이 eff1보다 크지 않다고 결정하면, 프로세스는 1528에서 Fstep만큼 FSWITCH를 증가시킬 수 있다. 1528 후에, 1530에서, 프로세스는 Fstep이 임의의 적절한 값(예를 들어, FSWITCH에서의 차이가 상이한 성능을 유발하지 않는 값)을 가질 수 있는 FSWITCH에 대한 최소 스텝(Fstep_min) 미만인지를 결정할 수 있다. 1530에서 Fstep이 Fstep_min 미만이 아닌 것으로 결정되면, 프로세스(1500)는 1532에서 Fstep을 반으로 나눈 다음에 1506으로 분기할 수 있다.
1516 또는 1530에서 Fstep이 Fstep_min 미만인 것으로 결정되면, 프로세스는 1534에서 V1 및 FSWITCH를 출력할 수 있고, 1536에서 종료할 수 있다.
개시되는 주제는 그 적용에 있어서 아래의 설명에서 제시되고 도면들에 도시된 구성의 세부 사항들 및 컴포넌트들의 배열들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 개시되는 주제는 다른 실시예들이 가능하며, 다양한 방식으로 실시 및 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다.
따라서, 이 분야의 기술자들은 본 개시의 기초가 되는 개념이 개시되는 주제의 여러 목적을 실행하기 위한 다른 구조들, 시스템들, 방법들 및 매체들의 설계를 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 알 것이다.
도 3, 4, 14 및 15의 프로세스들의 전술한 블록들 중 적어도 일부는 도면들에 도시되고 설명된 순서 및 시퀀스로 제한되지 않는 임의의 순서 또는 시퀀스로 실행되거나 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 도 3, 4, 14 및 15의 프로세스들의 전술한 블록들 중 일부는 지연 시간 및 처리 시간을 줄이기 위해 적절하게 실질적으로 동시에 또는 병렬로 실행되거나 수행될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 도 3, 4, 14 및 15의 프로세스들의 전술한 블록들 중 일부는 생략될 수 있다.
일부 구현들에서, 임의의 적절한 컴퓨터 판독 가능 매체들이 본 명세서에서 설명된 기능들 및/또는 프로세스들을 수행하기 위한 명령어들을 저장하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 컴퓨터 판독 가능 매체들은 일시적 또는 비일시적일 수 있다. 예를 들어, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체들은 (하드 디스크들, 플로피 디스크들 등과 같은) 자기 매체들의 비일시적 형태들, (컴팩트 디스크들, 디지털 비디오 디스크들, 블루레이 디스크들 등과 같은) 광학 매체들의 비일시적 형태들, (플래시 메모리, 전기적으로 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EPROM), 전기적으로 소거 및 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EEPROM) 등과 같은) 반도체 매체들의 비일시적 형태들, 전송 동안 일시적이지 않거나 임의의 외형적인 영속성이 결여되지 않은 임의의 적절한 매체들 및/또는 임의의 적절한 유형적인 매체들과 같은 매체들을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체들은 네트워크들 상의, 와이어들, 도체들, 광섬유들, 회로들 내의 신호들, 전송 동안 일시적이거나 임의의 외형적인 영속성이 결여된 임의의 적절한 매체들 및/또는 임의의 적절한 무형적인 매체들을 포함할 수 있다.
본 발명은 전술한 예시적인 실시예들에서 설명되고 예시되었지만, 본 개시는 단지 예로서 이루어졌으며, 본 발명의 구현의 세부 사항들에서의 많은 변경이 아래의 청구항들에 의해서만 제한되는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 이해된다. 개시된 실시예들의 특징들은 다양한 방식으로 조합되고 재배열될 수 있다.

Claims (5)

  1. 전압 조정기 시스템에 있어서,
    스위칭 주파수에서 동작하고 입력 전압을 수신하는 스위치형 커패시터(SC; switched capacitor) 조정기; 및
    효율(efficiency)에 기초하여 상기 SC 조정기의 상기 스위칭 주파수를 조정함으로써 상기 SC 조정기의 동작을 제어하도록 구성된 제어기
    를 포함하는 전압 조정기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 주파수는 최상의 효율을 결정하도록 스위핑되는(swept) 것인 전압 조정기 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 주파수는 상기 입력 전압에 대한 복수의 값 각각에서 스위핑되는 것인 전압 조정기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 SC 조정기와 직렬인 하나 이상의 스위치를 더 포함하는 전압 조정기 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 SC 조정기는 배터리에 결합되는 출력 단자를 포함하는 것인 전압 조정기 시스템.
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