KR20190087277A - 개방-루프 전하 펌프 - Google Patents

개방-루프 전하 펌프 Download PDF

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Abstract

개방-루프 전하 펌프가 제공된다. 개방-루프 전하 펌프에서, 피크 전류 제한 제어 회로가 제어 회로와 부스트 회로 사이에 배치된다. 제어 회로는 과전압 보호 신호에 기초하여 피크 전류 제한 제어 회로를 구동하여, 부스트 회로가 연속적으로 충전 단계 또는 정상 동작 모드에 있도록 제어한다. 출력 전압이 상위 임계 전압보다 높은 경우, 부스트 회로는 연속적으로 충전 단계에 있고, 출력 부하에 전력을 공급하지 않으며, 출력 커패시터는 방전되어 출력 부하에 전력을 공급한다. 출력 전압이 하위 임계 전압보다 낮은 경우, 부스트 회로는 정상 동작 모드에 있다.

Description

개방-루프 전하 펌프 {OPEN-LOOP CHARGE PUMP}
본 출원은 2018년 1월 16일자로 중국 특허청에 출원된 "개방-루프 전하 펌프(OPEN-LOOP CHARGE PUMP)"라는 제목의 중국 특허 출원 제201810038898.X호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 참조로 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 집적 회로의 기술 분야, 특히 개방-루프 전하 펌프에 관한 것이다.
비-유도성 직류/직류(DC/DC) 변환기로도 지칭되는 전하 펌프는, 커패시터가 전력 저장소로서 사용되는 스위치 DC/DC 변환기이다. 배터리에 의해 전력을 공급받는 휴대용 전자 디바이스에서, 부스트(boost) 전하 펌프 회로는 종종 전력 공급 변환기로서 사용된다. 인덕터가 전력 저장을 위해 사용되는 유도형 DC/DC 컨버터와 비교할 때, 전력 인덕터를 갖지 않는 전하-펌프형 변환기는 더 적은 전자기 간섭(EMI)을 갖고, 보드 상의 더 작은 영역을 차지하며, 더 낮은 시스템 비용을 갖는다. 전하 펌프는 일반적으로 전압-안정화 출력형 전하 펌프와 비-전압-안정화 출력형 전하 펌프로 분류된다. 이 전압-안정화 출력형 전하 펌프 회로에서는, 샘플링된 전압을 얻기 위해 전하 펌프 회로의 출력 전압이 분할 저항을 사용하여 샘플링되는 폐쇄-루프 제어 구조가 일반적으로 채용된다. 샘플링된 전압은 미리 설정된 표준 전압과 비교되고, 출력 전압은 오류 증폭기의 출력 제어 회로의 전하 펌프의 전력을 제어하기 위해 스위치 트랜지스터를 사용함으로써 미리 설정된 값으로 안정화된다. 스위치 트랜지스터는 스위치 트랜지스터의 게이트 전압 하에서 완전히 온(on)될 수 없으며, 도전 임피던스가 최소가 아니며, 이는 전하 펌프의 구동 능력에 영향을 미친다. 또한, 폐쇄-루프 전하 펌프에 피드백 루프가 존재하기 때문에, 전하 펌프의 루프의 안정성을 고려할 필요가 있다. 또한, 오류 증폭기는 폐쇄-루프 전하 펌프에 포함되며, 이는 폐쇄-루프 전하 펌프의 큰 전력 소모와 집적된 칩의 넓은 영역을 초래한다.
개방-루프 전하 펌프에서는, 스위치 트랜지스터의 게이트 전압이 전력 공급 전압 및 접지 전압에 도달할 수 있고, 도전 임피던스는 최소일 수 있으며, 루프 제어를 수행할 필요가 없다. 따라서 개방-루프 전하 펌프는 고효율 및 구동 능력으로 인해 광범위하게 적용된다. 개방-루프 전하 펌프는 일반적으로 전류 제한 기능과 과전압 보호 기능을 가지며, 이는 개방-루프 전하 펌프의 효과적이고 신뢰할 수 있는 동작을 보장한다. 개방-루프 전하 펌프 동작 중에, 전력 공급 전압이 전하 펌프에 대한 임계치에 들어가는 과전압 보호를 초과하는 경우, 개방-루프 전하 펌프는 과전압 보호 모드에 들어가며, 부하는 출력 커패시터에 의해 전력을 공급받는다. 부하의 전류가 작으면, 출력 전압이 임계치를 떠나는 과전압 보호로 감소되는 데 긴 시간이 걸린다. 이 경우, 출력 전압의 리플(ripple) 주파수는 낮고, 오디오 신호와 간섭하여 가청 잡음을 생성하는 오디오 주파수 범위(20Hz 내지 20KHz)에 속할 수 있다.
본 발명에서는 개방-루프 전하 펌프가 제공되며, 이는 출력 전압의 리플 주파수를 증가시키고, 개방-루프 전하 펌프의 음악 잡음을 제거함으로써 오디오 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 제공되는 개방-루프 전하 펌프는 제어 회로, 부스트 회로, 출력 전압 검출 회로, 과전압 보호 회로, 피크 전류 제한 제어 회로 및 클럭 회로를 포함한다. 제어 회로는 제1 입력 단자 및 출력 단자를 포함한다. 부스트 회로는 제어 단자 및 부하 단자를 포함한다. 부스트 회로의 부하 단자는 출력 커패시터 및 출력 부하를 포함하는 부하 회로에 접속되고, 부스트 회로의 부하 단자는 출력 전압 검출 회로 및 과전압 보호 회로를 통해 제어 회로의 상기 제1 입력 단자에 접속된다. 출력 전압 검출 회로는 부하 단자에서 출력 전압에 기초하여 검출 전압을 출력하도록 구성되고, 과전압 보호 회로는 기준 전압 및 검출 전압에 기초하여 과전압 보호 신호를 출력하도록 구성된다. 제어 회로의 출력 단자는 피크 전류 제한 제어 회로를 통해 부스트 회로의 제어 단자에 접속된다. 제어 회로는 과전압 보호 신호에 기초하여 피크 전류 제한 제어 회로를 구동하여 부스트 회로를 연속적으로 충전 단계 또는 정상 동작 모드에 있도록 제어한다. 출력 전압이 상위 임계 전압보다 높은 경우, 부스트 회로는 연속적으로 충전 단계에 있고 출력 부하에 전력을 공급하지 않으며, 출력 커패시터는 방전되어 출력 부하에 전력을 공급한다. 출력 전압이 하위 임계 전압보다 낮은 경우, 부스트 회로는 정상 동작 모드에 있다. 정상 동작 모드의 기간에서, 부스트 회로는 클럭 회로의 주파수에 기초하여 방전 단계와 충전 단계 사이에서 전환한다. 부스트 회로가 충전 단계에서 방전 단계로 전환할 때, 피크 전류 제한 제어 회로는 부스트 회로로부터 출력되는 피크 전류를 감소시켜 출력 전압의 리플 주파수를 증가시킨다.
실시예에서, 피크 전류 제한 제어 회로는 제1 스위치 트랜지스터, 제2 스위치 트랜지스터, 제3 스위치 트랜지스터 및 단일 펄스 생성기를 포함한다. 제1 스위치 트랜지스터의 게이트는 부스트 회로의 제어 단자에 접속되고, 제1 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 전력 공급 전압을 수신하도록 구성되고, 제1 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 제1 스위치 트랜지스터의 게이트에 접속된다. 제2 스위치 트랜지스터의 게이트는 단일 펄스 생성기의 출력 단자에 접속되고, 제2 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 접지되고, 제2 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 제1 스위치 트랜지스터의 제2 전극에 접속된다. 제3 스위치 트랜지스터의 게이트는 위상 반전기를 통해 상기 단일 펄스 생성기의 출력 단자에 접속되고, 제3 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 접지되고, 제3 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 전류원을 통해 제1 스위치 트랜지스터의 제2 전극에 접속된다. 위상 반전기의 입력 단자는 단일 펄스 생성기의 출력 단자에 접속되고, 위상 반전기의 출력 단자는 제3 스위치 트랜지스터의 게이트에 접속된다. 단일 펄스 생성기의 입력 단자는 제어 회로의 출력 단자에 접속된다.
실시예에서, 제1 스위치 트랜지스터는 P-채널 금속 산화물 반도체(PMOS) 트랜지스터이고, 상기 제2 스위치 트랜지스터 및 상기 제3 스위치 트랜지스터 모두는 N-채널 금속 산화물 반도체(NMOS) 트랜지스터이다.
실시예에서, 부스트 회로는 제4 스위치 트랜지스터 및 기능 회로를 포함한다. 제4 스위치 트랜지스터의 게이트는 부스트 회로의 제어 단자이고, 제4 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 전력 공급 전압을 수신하도록 구성되고, 제4 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 기능 회로를 통해 부하 회로에 접속된다. 제4 스위치 트랜지스터 및 제1 스위치 트랜지스터는 피크 전류를 감소시키기 위해, 전류 미러를 형성하여 제4 스위치 트랜지스터의 제2 전극의 출력 전류를 제한한다.
실시예에서, 제4 스위치 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터이다.
실시예에서, 과전압 보호 회로는, 출력 전압이 상위 임계 전압보다 높은 경우에 하이 레벨을 갖는 과전압 보호 신호를 출력하고, 출력 전압이 하위 임계 전압보다 낮은 경우에 로우 레벨을 갖는 과전압 보호 신호를 출력한다.
실시예에서, 과전압 보호 회로가 하이 레벨을 갖는 과전압 보호 신호를 출력하는 경우, 제어 회로는, 과전압 보호 신호에 기초하여, 단일 펄스 생성기가 양의 펄스 신호를 출력하도록 제어한다. 양의 펄스 신호는 제2 스위치 트랜지스터가 온되도록 제어하는 데 사용되고, 양의 펄스 신호는 위상 반전기를 통해 음의 펄스 신호로 변환된다. 음의 펄스 신호는, 제4 스위치 트랜지스터가 충전 단계에 있도록 제어하기 위해 상기 제3 스위치 트랜지스터를 오프(off)되게 제어하는 데 사용된다.
실시예에서, 과전압 보호 회로가 로우 레벨을 갖는 과전압 보호 신호를 출력하는 경우, 제어 회로는, 과전압 보호 신호에 기초하여, 단일 펄스 생성기가 음의 펄스 신호를 출력하도록 제어한다. 음의 펄스 신호는 제2 스위치 트랜지스터가 오프되도록 제어하는 데 사용되고, 음의 펄스 신호는 위상 반전기를 통해 양의 펄스 신호로 변환된다. 양의 펄스 신호는 피크 전류를 감소시키기 위해 제3 스위치 트랜지스터가 온되도록 제어하는 데 사용되어, 전류원이 전류 미러에 전류-제한 전류를 제공한다.
실시예에서, 단일 펄스 생성기는 0.5μs의 신호 폭을 갖는 펄스 신호를 출력하도록 구성된다.
상술한 설명으로부터, 본 발명의 기술적 해결책에 따라 제공되는 개방-루프 전하 펌프에서, 피크 전류 제한 제어 회로는 제어 회로와 부스트 회로 사이에 배치된다는 것을 알 수 있다. 제어 회로는 과전압 보호 신호에 기초하여 피크 전류 제한 제어 회로를 구동하여 부스트 회로가 연속적으로 충전 단계 또는 정상 동작 모드에 있도록 제어한다. 출력 전압이 상위 임계 전압보다 높은 경우, 부스트 회로는 연속적으로 충전 단계에 있고 출력 부하에 전력을 공급하지 않으며, 출력 커패시터는 방전되어 출력 부하에 전력을 공급한다. 출력 전압이 하위 임계 전압보다 낮은 경우, 부스트 회로는 정상 동작 모드에 있다. 정상 동작 모드의 기간에서, 부스트 회로는 클럭 회로의 주파수에 기초하여 방전 단계와 충전 단계 사이에서 전환한다. 부스트 회로가 충전 단계에서 방전 단계로 전환될 때, 피크 전류 제한 제어 회로는 부스트 회로로부터 출력된 피크 전류를 감소시켜 출력 전압의 리플 주파수를 증가시킨다. 이러한 방식으로, 오디오 주파수 범위에 있는 전하 펌프의 출력 전압의 리플 주파수에 의해 야기되는 음악 잡음이 회피될 수 있고, 이에 따라 오디오 품질을 향상시킨다.
본 발명의 실시예 또는 종래 기술의 기술적 해결책을 보다 명확하게 예시하기 위해, 이하에서 본 실시예 또는 종래 기술의 설명에 사용되는 도면이 간단하게 설명된다. 명백하게, 이하의 설명에서의 도면은 본 발명의 일부 실시예만을 나타내고, 다른 도면은 어떠한 창의적인 작업 없이도 도면으로부터 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 획득될 수 있다.
도 1은 개방-루프 전하 펌프의 개략 회로도;
도 2는 도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 전압을 예시하는 타이밍도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 출력 전압의 리플 주파수를 증가시키기 위한 개방-루프 전하 펌프의 개략 회로도;
도 4는 도 3에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 피크 전류 제한 제어 회로의 개략 회로도;
도 5는 단일 펄스 생성기의 입력 및 출력 신호의 파형을 나타내는 개략도; 및
도 6은 도 1 및 도 4에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 출력 전압의 리플 주파수 간의 비교를 나타내는 타이밍도.
본 발명의 실시예에서의 기술적 해결책이 이하 본 발명의 실시예에서의 도면과 연계하여 명확하고 완전하게 설명된다. 설명된 실시예는 모든 실시예가 아닌 본 발명의 일부 실시예에 불과하다는 것이 명백하다. 어떠한 창의적인 작업 없이 본 발명의 실시예에 기초하여 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 획득되는 임의의 다른 실시예는 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.
도 1 및 도 2를 참조한다. 도 1은 개방-루프 전하 펌프의 개략 회로도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 전압을 나타내는 타이밍도이다. 개방-루프 전하 펌프는: 출력 전압 검출 회로(14), 과전압 보호 회로(13), 제어 회로(12), 클럭 회로(16), 부스트(boost) 회로(11), 과전류 검출 회로(17) 및 기준 회로를 포함한다. 부스트 회로(11)는 출력 전압 VOUT을 부하 회로(10)에 제공한다.
출력 전압 검출 회로(14)는 출력 전압을 저항으로 분할함으로써 과전압 보호 회로(13)에 대한 검출 전압 Vovp를 생성한다. 과전압 보호 회로(13)는 기준 전압 Vref를 검출 전압 Vovp와 비교한 후, 과전압 보호 신호 OVP를 생성한다. 과전압 보호 신호 OVP는 제어 회로(12)에 입력된다. 제어 회로(12)는, 과전압 보호 신호 OVP에 기초하여 부스트 회로(11)가 정상 동작 모드에 있는지 또는 과전압 보호 모드에 있는지를 결정한다. 클럭 회로(16)는 제어 회로(12) 및 부스트 회로(11)에 대한 스위치 클럭 신호 OSC를 생성한다. 클럭 신호 OSC에 대응하는 시퀀스 조건 하에서, 제어 회로(12)는 과전압 보호 신호 OVP에 기초하여 부스트 제어 신호 Vcon를 생성한다. 부스트 제어 신호 Vcon는 개방-루프 전하 펌프에서 플라잉 커패시터 CF1 및 CF2를 충전 또는 방전하고 출력 전압 VOUT을 생성하기 위하여 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터를 온 또는 오프되게 제어하는 데 사용한다.
도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프에서, 출력 전압을 제어하기 위한 폐쇄 루프가 제공되지 않기 때문에, 과전압 보호 회로(13) 및 출력 전압 검출 회로(14)는 출력 전압 VOUT을 검출할 필요가 있다. 출력 전압 VOUT이 상위 임계 전압 VOVPIN를 초과하면, 과전압 보호 회로(13)는 과전압 보호 모드에 진입하도록 개방-루프 전하 펌프를 제어하고, 하이 레벨을 갖는 과전압 보호 신호 OVP를 생성한다. 과전압 보호 신호 OVP는 제어 회로(12)에 입력되어, 제어 회로(12)는 부스트 제어 신호 Vcon를 생성한다. 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터는 부스트 제어 신호 Vcon의 제어 하에서 충전 단계에 있고, 출력 부하 Rout에 전력을 공급하지 않는다. 이 경우, 출력 부하 Rout은 출력 커패시터 Cout에 의해 전력을 공급받고, 부스트 회로(11)의 출력 전압 VOUT은 점차 감소된다. 출력 전압 VOUT이 하위 임계 전압 VOVPOUT로 감소되면, 과전압 보호 신호 OVP는 로우 레벨로 변하고, 개방-루프 전하 펌프는 정상적으로 동작하고, 출력 전압 VOUT은 증가된다.
도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프에서, 개방-루프 전하 펌프가 과전압 보호 모드를 벗어날 때 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터의 천이 피크 전류가 제어되지 않기 때문에, 큰 피크 전류가 출력 커패시터 Cout로 완전히 흐른다. 이 경우, 개방-루프 전하 펌프의 출력 전압의 리플 진폭이 증가되며, 이는 감소된 출력 전압의 리플 주파수, 오디오 주파수 범위 내의 음악 잡음 및 열등한 오디오 품질로 귀결된다.
도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프는 다음과 같은 단점을 갖는다. 개방-루프 전하 펌프가 과전압 보호 모드에 있는 경우, 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터는 충전 단계에 있거나 오프되고, 출력 부하 Rout은 출력 커패시터 Cout에 의해 전력을 공급받는다. 또한, 개방-루프 전하 펌프가 과전압 보호 모드를 벗어날 때, 일반적으로 2A까지인 스위치 트랜지스터의 큰 천이 피크 전류 IPEAK가 출력 커패시터 Cout로 완전히 흐르고, 출력 전압 VOUT이 증가되고, 출력 전압 VOUT의 최고 전압이 증가되어, 출력 전압 VOUT의 리플 진폭이 증가된다. 이 경우, 과전압 보호 회로(13)는 과전압 보호 신호 OVP를 출력하여 개방-루프 전하 펌프가 과전압 보호 모드에 있도록 제어한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 부하 회로(10)에서의 전류가 작아짐에 따라, 출력 전압 VOUT은 피크 전압으로부터 점차 감소되며, 이는 감소된 출력 전압의 리플 주파수, 오디오 주파수 범위 내의 음악 잡음 및 열등한 오디오 품질로 귀결된다.
본 발명의 일 실시예에서, 피크 전류 제한 제어 모듈이 상술한 문제를 해결하기 위해 도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프에 추가된다.
본 발명의 상술한 목적, 특징 및 이점을 보다 명확하게 하기 위해, 본 발명은 도면 및 특정 실시예와 연계하여 상세하게 추가로 설명된다.
본 발명의 일 실시예에 따라 출력 전압의 리플 주파수를 증가시키기 위한 개방-루프 전하 펌프의 개략 회로도인 도 3을 참조한다. 도 3에 나타낸 개방-루프 전하 펌프는 제어 회로(12) 및 부스트 회로(11)를 포함한다. 제어 회로(12)는 제1 입력 단자 및 출력 단자를 포함한다. 부스트 회로(11)는 제어 단자 및 부하 단자를 포함한다.
부스트 회로(11)의 부하 단자는 부하 회로(10)에 접속된다. 부하 회로(10)는 출력 커패시터 Cout 및 출력 부하 Rout을 포함한다. 부스트 회로(11)의 부하 단자는 출력 전압 검출 회로(14) 및 과전압 보호 회로(13)를 통해 제어 회로(12)의 제1 입력 단자에 접속된다.
출력 전압 검출 회로(14)는 부하 단자에서의 출력 전압 VOUT에 기초하여 검출 전압 Vovp를 출력하도록 구성된다. 과전압 보호 회로(13)는 기준 전압 Vref 및 검출 전압 Vovp에 기초하여 과전압 보호 신호 OVP를 출력하도록 구성된다.
제어 회로(12)의 출력 단자는 피크 전류 제한 제어 회로(18)를 통해 부스트 회로(11)의 제어 단자에 접속된다. 제어 회로(12)는 과전압 보호 신호 OVP에 기초하여 피크 전류 제한 제어 회로(18)를 구동하여 부스트 회로(11)가 연속적으로 충전 단계에 있거나 정상 동작 모드에 있도록 제어한다.
출력 전압 VOUT이 상위 임계 전압 VOPVIN보다 높은 경우, 부스트 회로(11)는 충전 단계에 있고 출력 부하 Rout에 전력을 공급하지 않으며, 출력 커패시터 Cout는 방전되어 출력 부하 Rout에 전력을 공급한다. 출력 전압 VOUT이 하위 임계 전압 VOVPOUT보다 낮은 경우, 부스트 회로(11)는 정상 동작 모드에 있다. 부스트 회로(11)는, 정상 동작 모드의 기간에, 클럭 회로의 주파수에 기초하여 방전 단계와 충전 단계 사이에서 전환한다. 부스트 회로(11)가 충전 단계로부터 방전 단계로 전환할 때, 피크 전류 제한 제어 회로(18)는 출력 전압 VOUT의 리플 주파수를 증가시키기 위해 부스트 회로(11)로부터 출력된 피크 전류를 감소시키는 데 사용된다.
도 3에 도시된 개방-루프 전하 펌프에서, 부스트 회로(11)는 과전류 검출 단자를 더 포함하고, 제어 회로(12)는 제2 입력 단자를 더 포함한다. 과전류 검출 단자는 과전류 검출 회로(17)를 통해 제2 입력 단자에 접속된다. 과전류 검출 회로(17)는 부스트 회로(11)의 전류를 검출하고, 전류 검출 결과에 기초하여 전류 검출 신호 OCP를 생성하고, 전류 검출 신호 OCP를 제어 회로(12)에 송신하는 데 사용된다.
제어 회로(12)는 제3 입력 단자를 더 포함한다. 제3 입력 단자는 클럭 회로(16)에 접속된다. 클럭 회로(16)는 제어 회로(12) 및 부스트 회로(11)에 대한 스위치 클럭 신호 OSC를 생성한다.
제어 회로(12)는 제4 입력 단자를 더 포함한다. 제4 입력 단자는 기준 회로(15)에 접속된다. 기준 회로(15)는 과전압 보호 회로(13)에 기준 전압 Vref를 제공하는 데 사용된다.
도 3에 나타낸 실시예에서, 피크 전류 제한 제어 회로(18)는 도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프에 추가되며, 이는 출력 전압 VOUT의 극도로 낮은 리플 주파수에 의해 야기된 열등한 오디오 품질의 문제를 해결한다. 출력 전압 VOUT이 상위 임계 전압 VOVPIN를 초과하면, 생성된 과전압 보호 신호 OVP는 하이 레벨이다. 과전압 보호 신호 OVP는 제어 회로(12) 및 피크 전류 제한 제어 회로(18)에 입력되고, 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터는 부스트 제어 신호 Vcon의 제어 하에서 충전 단계에 있으며, 출력 부하 Rout에 전력을 공급하지 않는다. 이 경우, 출력 부하 Rout은 출력 커패시터 Cout에 의해 전력을 공급받고, 출력 전압 VOUT은 점차 감소된다. 출력 전압 VOUT이 하위 임계 전압 VOVPOUT로 감소되면, 과전압 보호 신호 OVP는 하이 레벨로부터 로우 레벨로 변하고, 피크 전류 제한 제어 회로(18)는 단일 펄스 신호를 생성하여 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터에 대한 전류 제한 제어를 수행하여, 전류-제한 전류 Ilimit가 개방-루프 전하 펌프의 스위치 트랜지스터를 통해 흐른다. 단일 펄스 신호의 기간에서, 전류-제한 전류 Ilimit는 출력 커패시터 Cout로 완전히 흐른다. 이러한 방식으로, 출력 전압 VOUT는 도 1에 나타낸 경우와 비교하여 더 작은 진폭으로 증가되어, 출력 전압 VOUT의 리플 주파수를 증가시킨다.
도 3에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 피크 전류 제한 제어 회로의 개략 회로도인 도 4를 참조한다. 피크 전류 제한 제어 회로(18)는: 제1 스위치 트랜지스터 MPlim, 제2 스위치 트랜지스터 MN0, 제3 스위치 트랜지스터 MN1, 및 단일 펄스 생성기(181)를 포함한다. 실시예에서, 단일 펄스 생성기(181)는 0.5μs의 신호 폭을 갖는 펄스 신호를 출력하도록 구성된다. 신호 폭은 0.5μs에 한정되지 않는 요건에 따라 조정될 수 있음에 유의해야 한다.
제1 스위치 트랜지스터 MPlim의 게이트는 부스트 회로(11)의 제어 단자에 접속되고, 제1 스위치 트랜지스터 MPlim의 제1 전극은 전력 공급 전압 VBAT를 수신하도록 구성되고, 제1 스위치 트랜지스터 MPlim의 제2 전극은 제1 스위치 트랜지스터 MPlim의 게이트에 접속된다. 제2 스위치 트랜지스터 MN0의 게이트는 단일 펄스 생성기(181)의 출력 단자에 접속되고, 제2 스위치 트랜지스터 MN0의 제1 전극은 접지되고, 제2 스위치 트랜지스터 MN0의 제2 전극은 제1 스위치 트랜지스터 MPlim의 제2 전극에 접속된다. 제3 스위치 트랜지스터 MN1의 게이트는 위상 반전기(183)를 통해 단일 펄스 생성기(181)의 출력 단자에 접속되고, 제3 스위치 트랜지스터 MN1의 제1 전극은 접지되고, 제3 스위치 트랜지스터 MN1의 제2 전극은 전류원(182)을 통해 제1 스위치 트랜지스터 MPlim의 제2 전극에 접속된다.
위상 반전기(183)의 입력 단자는 단일 펄스 생성기(181)의 출력 단자에 접속되고, 위상 반전기(183)의 출력 단자는 제3 스위치 트랜지스터 MN1의 게이트에 접속된다. 즉, 제3 스위치 트랜지스터 MN1에 입력되는 단일 펄스 신호 OVP_ILN 및 제2 스위치 트랜지스터 MN0에 입력되는 단일 펄스 신호 OVP_IL은 동일한 진폭과 반대 위상을 갖는다. 단일 펄스 생성기(181)의 입력 단자는 제어 회로(12)의 출력 단자에 접속된다.
실시예에서, 제1 스위치 트랜지스터 MPlim은 PMOS 트랜지스터이고, 제2 스위치 트랜지스터 MN0 및 제3 스위치 트랜지스터 MN1 모두는 NMOS 트랜지스터이다.
부스트 회로(11)는 제4 스위치 트랜지스터 MP0 및 기능 회로(111)를 포함한다. 제4 스위치 트랜지스터 MP0의 게이트는 부스트 회로(11)의 제어 단자이고, 제4 스위치 트랜지스터 MP0의 제1 전극은 전력 공급 전압 VBAT를 수신하도록 구성되고, 제4 스위치 트랜지스터 MP0의 제2 전극은 기능 회로(111)를 통해 부하 회로(10)에 접속된다. 부스트 회로(11)는 본 명세서에 상세하게 설명되지 않는 기존의 부스트 회로에 의해 구현될 수 있다.
피크 전류를 감소시키기 위해, 제4 스위치 트랜지스터 MP0 및 제1 스위치 트랜지스터 MPlim은 전류 미러를 형성하여 제4 스위치 트랜지스터 MP0의 제2 전극의 출력 전류 Ilimit을 제한한다. 실시예에서, 제4 스위치 트랜지스터 MP0은 PMOS 트랜지스터이다.
본 발명의 실시예에 따른 개방-루프 전하 펌프에서, 출력 전압 VOUT이 상위 임계 전압 VOVPIN보다 높은 경우에 과전압 보호 회로(13)는 하이 레벨을 갖는 과전압 보호 신호 OVP를 출력하고, 출력 전압 VOUT이 하위 임계 전압 VOVPOUT보다 낮은 경우에 로우 레벨을 갖는 과전압 보호 신호 OVP를 출력한다.
본 발명의 실시예에 따른 개방-루프 전하 펌프에서, 과전압 보호 회로(13)가 하이 레벨을 갖는 과전압 보호 신호 OVP를 출력하는 경우, 제어 회로(12)는, 과전압 보호 신호 OVP에 기초하여, 단일 펄스 생성기(181)가 양의 펄스 신호를 출력하도록 제어한다. 양의 펄스 신호는, 제2 스위치 트랜지스터 MN0이 온되도록 제어하는 데 사용되고, 양의 펄스 신호는 위상 반전기(183)를 통해 음의 펄스 신호로 변환된다. 음의 펄스 신호는, 제4 스위치 트랜지스터 MP0이 충전 단계에 있도록 제어하기 위하여, 제3 스위치 트랜지스터 MN1이 오프되도록 제어하는 데 사용된다.
제어 회로(12)는 제어 신호 OVP_CTRL을 사용하여 단일 펄스 생성기(181)가 세트 펄스 신호를 생성하도록 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른 개방-루프 전하 펌프에서, 과전압 보호 회로(13)가 로우 레벨을 갖는 과전압 보호 신호 OVP를 출력하는 경우, 제어 회로(12)는, 과전압 보호 신호 OVP에 기초하여, 단일 펄스 생성기(181)가 음의 펄스 신호를 출력하도록 제어한다. 음의 펄스 신호는 제2 스위치 트랜지스터 MN0이 오프되도록 제어하고, 음의 펄스 신호는 위상 반전기(183)를 통해 양의 펄스 신호로 변환된다. 양의 펄스 신호는 제3 스위치 트랜지스터 MN1이 온되도록 제어하는 데 사용되어, 전류원(182)이 피크 전류를 감소시키기 위해 전류 미러에 전류-제한 전류를 제공한다.
도 4에 나타낸 실시예에서, 과전압 보호 회로(13)는 출력 전압 검출 회로(14)에 의해 출력된 검출 전압 Vovp를 기준 전압 Vref와 비교한다. 출력 전압 VOUT이 상위 임계 전압 VOVPIN를 초과하면, 생성된 과전압 보호 신호 OVP는 하이 레벨이다. 과전압 보호 신호 OVP는 제어 회로(12) 및 피크 전류 제한 제어 회로(18) 내의 단일 펄스 생성기(181)에 입력되고, 신호 OVP_IL 및 신호 OVP_IL의 반전 신호 OVP_ILN이 생성되며, 이는 도 5에 나타내어져 있다. 도 5는 단일 펄스 생성기의 입력 및 출력 신호의 파형을 나타내는 개략도이다. 신호 OVP_IL 및 신호 OVP_ILN은 각각 제2 스위치 트랜지스터 MN0 및 제3 스위치 트랜지스터 MN1을 제어하는 데 사용된다. 개방-루프 전하 펌프가 과전압 보호 모드에서 동작하는 경우, 과전압 보호 신호 OVP는 하이 레벨이다. 이 경우, 신호 OVP_IL은 하이 레벨이고, 신호 OVP_ILN은 로우 레벨이며, 제2 스위치 트랜지스터 MN0은 온된다. 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터는 부스트 제어 신호 Vcon의 제어 하에 충전 단계에 있고, 출력 부하 Rout에 전력을 공급하지 않는다. 이 경우, 부하 전류는 출력 커패시터 Cout에 의해 제공되고, 출력 전압 VOUT은 점차 감소된다. 출력 전압 VOUT이 미리 설정된 기간 후에 하위 임계 전압 VOVPOUT로 감소되면, 과전압 보호 신호는 로우 레벨로 변하고, 신호 폭 Δt를 갖는 음의 펄스 신호 OVP_IL 및 양의 펄스 신호 OVP_ILN이 단일 펄스 생성기(181)에 의해 생성된다. Δt의 기간 동안, 제2 스위치 트랜지스터 MN0은 오프되고, 제3 스위치 트랜지스터 MN1은 온되고, 전류-제한 전류 Ilim_ref는 제1 스위치 트랜지스터 MPlim 및 제4 스위치 트랜지스터 MP0에 의해 형성된 전류 미러로 흐른다. 전류-제한 전류 Ilim_ref가 K회 미러링된 후에 제4 스위치 트랜지스터 MP0으로부터 전류-제한 전류 Ilimit이 흐르며, 이는 피크 전류 IPEAK가 개방-루프 전하 펌프로부터 흐르는 도 1에 나타낸 경우에 비해 출력 전압 VOUT의 피크 진폭을 감소시킨다.
예를 들어, Δt가 0.5μs로 설정되고, 출력 커패시터 Cout의 커패시턴스 Cout가 5μF으로 설정되는 것으로 가정된다. 도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프에서, 과전압 보호 신호 OVP가 하이 레벨에서 로우 레벨로 변할 때, 2A까지인 피크 전류 IPEAK가 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터로부터 출력 커패시터 Cout로 흐른다. 이 경우, 출력 커패시터 Cout의 피크 전압은 다음과 같이 표현된다:
ΔVPEAK1 = IPEAK * Δt/Cout = 200mV
부하 전류 Iload가 5mA이면, 출력 전압 VOUT의 하강 시간은 다음과 같이 표현된다:
Tf1 = ΔVPEAK1 * Cout/Iload = 0.2ms
따라서, 과전압 보호 신호 OVP의 주파수는 fovp1 = 1/Tf1 = 5KHz로 표현된다. 주파수는 오디오 주파수 범위(20Hz 내지 20KHz)에 있으며, 이는 음악 잡음과 열등한 오디오 품질로 귀결되며, 청각 효과에 영향을 미친다.
도 4에 나타낸 개방-루프 전하 펌프에서, 과전압 보호 신호 OVP가 하이 레벨에서 로우 레벨로 변할 때, 300mA와 같은 제한된 전류 Ilimit가 부스트 회로(11)의 스위치 트랜지스터로부터 출력 커패시터 Cout로 흐른다. 이 경우, 출력 커패시터 Cout의 피크 전압은 다음과 같이 표현된다:
ΔVPEAK2 = Ilimit * Δt/Cout = 30mV
부하 전류 Iload가 5mA이면, 출력 전압 VOUT의 하강 시간은 다음과 같이 표현된다:
Tf2 = ΔVPEAK2 * Cout/Iload = 0.03ms
따라서, 과전압 보호 신호 OVP의 주파수는 fovp2 = 1/Tf2 = 33.3KHz로 표현된다. 주파수는 오디오 주파수 범위(20Hz 내지 20KHz) 외에 있으며, 이는 오디오 품질과 청각 효과에 영향을 미치지 않는다.
도 1 및 도 4에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 출력 전압의 리플 주파수 간 비교를 나타내는 타이밍도인 도 6을 참조한다. 도 1에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 전압 신호의 타이밍도는 도 6의 상반부에 나타내어지고, 도 4에 나타낸 개방-루프 전하 펌프의 전압 신호의 타이밍도는 도 6의 하반부에 나타내어진다. 더 낮은 전류-제한 전류 Ilimit가 설정되어 있는 한, 리플 주파수는 추가로 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라 출력 전압의 리플 주파수를 증가시키기 위한 개방-루프 전하 펌프로, 리플 주파수가 오디오 주파수 범위 외부에 있는 주파수로 증가되어, 오디오 품질 및 청각 효과를 향상시킨다는 것을, 출력 전압 VOUT의 출력 파형으로부터 알 수 있다.
개시된 실시예의 상술한 설명에 기초하여, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명을 구현하거나 수행할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자가 이들 실시예에 많은 수정을 가하는 것은 명백하다. 본 명세서에서 규정된 일반적인 원리는 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고도 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 예시된 실시예에 한정되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리 및 새로운 특징들과 일관되는 가장 넓은 범위에 의해 규정되어야 한다.

Claims (9)

  1. 개방-루프 전하 펌프로서,
    제1 입력 단자 및 출력 단자를 포함하는 제어 회로;
    제어 단자 및 부하 단자를 포함하는 부스트 회로;
    출력 전압 검출 회로;
    과전압 보호 회로;
    피크 전류 제한 제어 회로; 및
    클럭 회로를 포함하고,
    상기 부스트 회로의 상기 부하 단자는 출력 커패시터 및 출력 부하를 포함하는 부하 회로에 접속되고, 상기 부스트 회로의 상기 부하 단자는 상기 출력 전압 검출 회로 및 상기 과전압 보호 회로를 통해 상기 제어 회로의 상기 제1 입력 단자에 접속되고, 상기 출력 전압 검출 회로는 상기 부하 단자에서 출력 전압에 기초하여 검출 전압을 출력하도록 구성되고, 상기 과전압 보호 회로는 기준 전압 및 상기 검출 전압에 기초하여 과전압 보호 신호를 출력하도록 구성되고;
    상기 제어 회로의 상기 출력 단자는 상기 피크 전류 제한 제어 회로를 통해 상기 부스트 회로의 상기 제어 단자에 접속되고, 상기 제어 회로는 상기 과전압 보호 신호에 기초하여 상기 피크 전류 제한 제어 회로를 구동하여 부스트 회로를 연속적으로 충전 단계 또는 정상 동작 모드에 있도록 제어하고;
    상기 출력 전압이 상위 임계 전압보다 높은 경우, 상기 부스트 회로는 연속적으로 상기 충전 단계에 있고 상기 출력 부하에 전력을 공급하지 않으며, 상기 출력 커패시터는 방전되어 상기 출력 부하에 전력을 공급하고; 및
    상기 출력 전압이 하위 임계 전압보다 낮은 경우, 상기 부스트 회로는 상기 정상 동작 모드에 있고, 상기 정상 동작 모드의 기간에서, 상기 부스트 회로는 상기 클럭 회로의 주파수에 기초하여 방전 단계와 상기 충전 단계 사이에서 전환하고, 상기 부스트 회로가 상기 충전 단계에서 상기 방전 단계로 전환할 때, 상기 피크 전류 제한 제어 회로는 상기 부스트 회로로부터 출력되는 피크 전류를 감소시켜 상기 출력 전압의 리플 주파수를 증가시키는, 개방-루프 전하 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피크 전류 제한 제어 회로는,
    제1 스위치 트랜지스터;
    제2 스위치 트랜지스터;
    제3 스위치 트랜지스터; 및
    단일 펄스 생성기를 포함하고,
    상기 제1 스위치 트랜지스터의 게이트는 상기 부스트 회로의 상기 제어 단자에 접속되고, 상기 제1 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 전력 공급 전압을 수신하도록 구성되고, 상기 제1 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 상기 제1 스위치 트랜지스터의 상기 게이트에 접속되고;
    상기 제2 스위치 트랜지스터의 게이트는 상기 단일 펄스 생성기의 출력 단자에 접속되고, 상기 제2 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 접지되고, 상기 제2 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 상기 제1 스위치 트랜지스터의 상기 제2 전극에 접속되고;
    상기 제3 스위치 트랜지스터의 게이트는 위상 반전기를 통해 상기 단일 펄스 생성기의 상기 출력 단자에 접속되고, 상기 제3 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 접지되고, 상기 제3 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 전류원을 통해 상기 제1 스위치 트랜지스터의 상기 제2 전극에 접속되고, 상기 위상 반전기의 입력 단자는 상기 단일 펄스 생성기의 상기 출력 단자에 접속되고, 상기 위상 반전기의 출력 단자는 상기 제3 스위치 트랜지스터의 상기 게이트에 접속되고; 및
    상기 단일 펄스 생성기의 입력 단자는 상기 제어 회로의 상기 출력 단자에 접속되는, 개방-루프 전하 펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치 트랜지스터는 P-채널 금속 산화물 반도체(PMOS) 트랜지스터이고, 상기 제2 스위치 트랜지스터 및 상기 제3 스위치 트랜지스터 모두는 N-채널 금속 산화물 반도체(NMOS) 트랜지스터인, 개방-루프 전하 펌프.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 부스트 회로는,
    제4 스위치 트랜지스터; 및
    기능 회로를 포함하고, 상기 제4 스위치 트랜지스터의 게이트는 상기 부스트 회로의 상기 제어 단자이고, 상기 제4 스위치 트랜지스터의 제1 전극은 상기 전력 공급 전압을 수신하도록 구성되고, 상기 제4 스위치 트랜지스터의 제2 전극은 상기 기능 회로를 통해 상기 부하 회로에 접속되고; 및
    상기 제4 스위치 트랜지스터 및 상기 제1 스위치 트랜지스터는 상기 피크 전류를 감소시키기 위해, 전류 미러를 형성하여 상기 제4 스위치 트랜지스터의 상기 제2 전극의 출력 전류를 제한하는, 개방-루프 전하 펌프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제4 스위치 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터인, 개방-루프 전하 펌프.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 과전압 보호 회로는, 상기 출력 전압이 상기 상위 임계 전압보다 높은 경우에 하이 레벨을 갖는 상기 과전압 보호 신호를 출력하고, 상기 출력 전압이 상기 하위 임계 전압보다 낮은 경우에 로우 레벨을 갖는 상기 과전압 보호 신호를 출력하는, 개방-루프 전하 펌프.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 과전압 보호 회로가 하이 레벨을 갖는 상기 과전압 보호 신호를 출력하는 경우, 상기 제어 회로는, 상기 과전압 보호 신호에 기초하여, 상기 단일 펄스 생성기가 양의 펄스 신호를 출력하도록 제어하고; 및
    상기 양의 펄스 신호는 상기 제2 스위치 트랜지스터가 온되도록 제어하는 데 사용되고, 상기 양의 펄스 신호는 상기 위상 반전기를 통해 음의 펄스 신호로 변환되고, 상기 음의 펄스 신호는, 상기 제4 스위치 트랜지스터가 충전 단계에 있도록 제어하기 위해 상기 제3 스위치 트랜지스터를 오프되게 제어하는 데 사용되는, 개방-루프 전하 펌프.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 과전압 보호 회로가 로우 레벨을 갖는 상기 과전압 보호 신호를 출력하는 경우, 상기 제어 회로는, 상기 과전압 보호 신호에 기초하여, 상기 단일 펄스 생성기가 음의 펄스 신호를 출력하도록 제어하고; 및
    상기 음의 펄스 신호는 상기 제2 스위치 트랜지스터가 오프되도록 제어하는 데 사용되고, 상기 음의 펄스 신호는 상기 위상 반전기를 통해 양의 펄스 신호로 변환되고, 상기 양의 펄스 신호는 상기 피크 전류를 감소시키기 위해 상기 제3 스위치 트랜지스터가 온되도록 제어하는 데 사용되어, 상기 전류원이 상기 전류 미러에 전류-제한 전류를 제공하는, 개방-루프 전하 펌프.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 단일 펄스 생성기는 0.5μs의 신호 폭을 갖는 펄스 신호를 출력하도록 구성되는, 개방-루프 전하 펌프.
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