KR20200037379A

KR20200037379A - 무선 충전 신호를 사용한 배터리 충전을 위한 시스템

Info

Publication number: KR20200037379A
Application number: KR1020207006928A
Authority: KR
Inventors: 한스 마이배르트; 아론 멜가르; 원영 김
Original assignee: 라이온 세미컨덕터 인크.
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2020-04-08
Also published as: US10523039B2; KR20220107087A; CN111194514A; WO2019033033A1; CN111194514B; US20190052113A1; KR102425109B1

Abstract

배터리를 충전하기 위한 시스템이 제공되며, 본 시스템은: 배터리에 커플링된 출력부를 가지며, 입력부를 갖는 레귤레이터; 레귤레이터의 입력부에 커플링된 출력부를 가지며, 무선 충전 송신기로부터 전력 신호를 수신하는 입력부를 갖는 무선 충전 수신기; 레귤레이터의 입력부에 커플링된 제1 입력부를 가지며, 레귤레이터의 출력부에 커플링된 제2 입력부를 가지며, 무선 충전 송신기에 커플링된 제1 출력부를 갖는 제어기 - 제어기는, 제어기의 제1 출력부를 사용하여, 무선 충전 송신기로 하여금 무선 충전 수신기에 제공되는 전력 신호를 변경하게 하는 제어 신호를, 무선 충전 송신기에 전송하도록 구성됨 - 를 포함한다.

Description

무선 충전 신호를 사용한 배터리 충전을 위한 시스템

[관련 출원에 대한 상호 참조]

본 출원은 2017년 8월 11일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/674,870호의 이익을 주장하며, 이 미국 특허 출원은 이로써 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.

[기술분야]

본 개시내용은 배터리를 충전하기 위한 장치, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.

전자 시스템의 사이즈를 감소시키라는 강한 요구가 있다. 사이즈 감소는 공간이 중요한 모바일 전자장치에서 특히 바람직하지만, 가능한 한 많은 서버를 고정 사이즈의 실면적(real estate) 내로 집어넣는 것이 중요하므로 빅 데이터 센터에 배치되는 서버에서 또한 바람직하다.

전자 시스템 내에서의 가장 큰 컴포넌트 중 일부는 전압 레귤레이터(전력 레귤레이터라고도 지칭됨)이다. 전압 레귤레이터는, 프로세서, 메모리 디바이스(예컨대, DRAM(dynamic random access memory)), RF(radio-frequency) 칩, WiFi 콤보 칩, 및 전력 증폭기를 포함한, 집적 칩에 전압을 전달하기 위해, 많은 수의 덩치가 큰(bulky) 오프-칩(off-chip) 컴포넌트를 종종 포함한다. 따라서, 전자 시스템 내의 전압 레귤레이터의 사이즈를 감소시키는 것이 바람직하다.

전압 레귤레이터는, 각각이 전원(예컨대, 배터리)으로부터 출력 부하로 전력을 전달하는, DC-DC 레귤레이터 칩과 같은, 반도체 칩을 포함한다. 출력 부하는 전자 디바이스 내의 각종의 집적 칩(예컨대, 애플리케이션 프로세서, DRAM, NAND 플래시 메모리 등)을 포함할 수 있다.

전력을 효율적으로 전달하기 위해, 전압 레귤레이터는 "벅(buck)" 토폴로지를 사용할 수 있다. 그러한 레귤레이터는 벅 레귤레이터(벅 컨버터라고도 지칭됨)라고 지칭될 수 있다. 벅 레귤레이터는 인덕터를 사용하여 전원으로부터 출력 부하로 전하를 전달한다. 벅 레귤레이터는 전력 스위치를 사용하여 인덕터를 (각각 상이한 시점에서) 다수의 전압에/다수의 전압으로부터 신속하게 접속/접속해제시켜, 그에 의해 다수의 전압의 가중 평균인 출력 전압을 제공할 수 있다. 벅 레귤레이터는 인덕터가 다수의 전압 각각에 접속되는 시간의 양을 제어함으로써 출력 전압을 조정할 수 있다.

안타깝게도, 벅 레귤레이터는 고집적(highly integrated) 전자 시스템에 적합하지 않다. 벅 레귤레이터의 변환 효율은, 특히 전력 변환비가 높을 때 및 그의 출력 부하에 의해 소비되는 전류의 양이 많을 때, 그의 인덕터의 사이즈에 의존한다. 인덕터는 큰 면적을 점유할 수 있고 온-다이로(on-die) 또는 온-패키지로(on-package) 집적시키기에는 덩치가 크기 때문에, 기존의 벅 레귤레이터는 많은 수의 오프-칩 인덕터 컴포넌트를 종종 사용한다. 이 전략은 기존의 벅 레귤레이터 및 그의 대응하는 오프-칩 인덕터 컴포넌트가 위치되는 인쇄 회로 기판 상에서 큰 면적을 종종 요구하고, 이는, 차례로, 인쇄 회로 기판이 위치되는 전자 디바이스의 사이즈를 증가시킨다. 모바일 시스템-온-칩(SoC)이 보다 복잡해지고 그들의 전압 레귤레이터에 의해 전달될 점점 더 많은 수의 전압 도메인을 필요로 함에 따라서 이 과제가 악화된다.

게다가, 벅 레귤레이터는 배터리의 고속 충전에 적합하지 않다. 고속 충전은 일반적으로 높은 입력 전압의 사용을 요구한다. 높은 입력 전압의 사용은, 차례로, 높은 입력 전압(V_IN)을 배터리에 적합한 출력 전압(V_OUT)으로 변환하기 위해 벅 레귤레이터가 높은 전압 변환비(V_IN/V_OUT)를 제공할 것을 요구한다. 안타깝게도, 높은 전압 변환비에서는, 적어도 부분적으로 벅 레귤레이터가 열 소실을 통해 많은 양의 전력을 낭비하기 때문에, 벅 레귤레이터의 효율이 다른 유형의 전압 레귤레이터와 비교할 때 상대적으로 낮다. 벅 레귤레이터에 의해 소실되는 열은 전자 시스템 내의 디바이스의 동작 온도를 상승시킬 수 있고, 이는 오작동을 야기할 수 있다. 따라서, 벅 레귤레이터는 배터리의 고속 충전에 적합하지 않다.

벅 레귤레이터 대신에, 고속 충전 시스템은 스위치드 커패시터 레귤레이터(switched-capacitor regulator)를 사용하여 배터리를 충전할 수 있다. 스위치드 커패시터 레귤레이터는, 전압 변환비가 정수인 한, 높은 전압 변환비에서도 효율적인 것으로 알려져 있다. 안타깝게도, 기존의 충전 시스템은 스위치드 커패시터 레귤레이터의 변환비를 정수로 유지하기 위한 메커니즘을 포함하지 않으며, 그러므로 동작 조건들에 걸쳐 스위치드 커패시터 레귤레이터의 높은 효율이 유지될 수 없다. 따라서, 높은 입력 대 출력 변환비에서 높은 효율을 유지할 수 있는 충전 시스템을 제공할 강한 필요성이 있다.

무선 충전 신호를 사용한 배터리 충전을 위한 시스템이 제공된다. 일부 실시예에서, 배터리를 충전하기 위한 시스템이 제공되며, 본 시스템은: 배터리에 커플링된 출력부를 가지며, 입력부를 갖는 레귤레이터; 레귤레이터의 입력부에 커플링된 출력부를 가지며, 무선 충전 송신기로부터 전력 신호를 수신하는 입력부를 갖는 무선 충전 수신기; 레귤레이터의 입력부에 커플링된 제1 입력부를 가지며, 레귤레이터의 출력부에 커플링된 제2 입력부를 가지며, 무선 충전 송신기에 커플링된 제1 출력부를 갖는 제어기 - 제어기는, 제어기의 제1 출력부를 사용하여, 무선 충전 송신기로 하여금 무선 충전 수신기에 제공되는 전력 신호를 변경하게 하는 제어 신호를, 무선 충전 송신기에 전송하도록 구성됨 - 를 포함한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어 신호는, 무선 충전 송신기로 하여금, 무선 충전 수신기의 인덕터에 유도적으로 커플링되는 무선 충전 송신기의 인덕터 상의 AC 전압의 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 변경하게 한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어 신호는, 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이 변경되게 한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어 신호는, 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이 스텝 양(step amount)만큼 증가되게 한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어 신호는, 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이 스텝 양만큼 감소되게 한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 레귤레이터는 스위치드 커패시터 레귤레이터를 포함하며, 제어 신호는, 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이, 레귤레이터의 출력부에 의해 출력되는 전압의 정수배인 전압으로 변경되게 한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기는 제1 입력부에서 제1 측정 전압을 측정하고 제2 입력부에서 제2 측정 전압을 측정한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기는 제1 입력부에서 제1 측정 전압을 측정하고 제2 입력부에서 제2 측정 전압을 측정하며, 제1 측정 전압 대 제2 측정 전압의 비율에 기초하여 제어 신호를 전송한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기는 제1 입력부에서 제1 측정 전압을 측정하고 제2 입력부에서 제2 측정 전압을 측정하며, 제1 측정 전압 대 제2 측정 전압의 비율이 어떤 값보다 더 큰 것에 기초하여 제어 신호를 전송한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 그 값은, 레귤레이터의 변환 인자를 초과하는지에 관한 문턱치이다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기는, 레귤레이터로 하여금 모드를 스위칭하게 하는, 레귤레이터에 커플링된 제2 출력부를 갖는다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기는, 레귤레이터로 하여금 모드를 스위칭하게 하는, 레귤레이터에 커플링된 제2 출력부를 가지며, 제어기는, 레귤레이터로하여금 레귤레이터의 제1 변환 모드로부터 레귤레이터의 제2 변환 모드로 변경하게 한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기는, 레귤레이터로 하여금 모드를 스위칭하게 하는, 레귤레이터에 커플링된 제2 출력부를 가지며, 제어기는, 레귤레이터로하여금 레귤레이터의 제1 변환 모드로부터 레귤레이터의 제2 변환 모드로 변경하게 하며, 레귤레이터의 제1 변환 모드는 레귤레이터의 제2 변환 모드와는 상이한 변환 인자를 갖는다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기의 제1 출력부는 무선 충전 송신기에 무선으로 커플링된다.

이러한 실시예 중 일부에서, 제어기의 제1 출력부는 무선 충전 수신기를 사용하여 무선 충전 송신기에 무선으로 커플링된다.

이러한 실시예 중 일부에서, 레귤레이터의 입력부는 또한, 유선 충전 어댑터에 커플링되도록 구성된 어댑터 포트에 커플링된다.

이러한 실시예 중 일부에서, 레귤레이터의 입력부는 또한, 유선 충전 어댑터에 커플링되도록 구성된 어댑터 포트에 커플링되고, 제어기는 어댑터 포트에 유선 충전 어댑터가 커플링되어 있는지의 여부를 결정하고, 제어기가, 어댑터 포트에 유선 충전 어댑터가 커플링되어 있다고 결정할 때, 제어기는, 어댑터에 의해 제공되는 출력 전압을 제어한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 레귤레이터의 입력부는 또한, 유선 충전 어댑터에 커플링되도록 구성된 어댑터 포트에 커플링되고, 제어기는 어댑터에 의해 제공되는 출력 전압이, 레귤레이터의 출력부에 제공되는 전압의 정수배이도록 제어한다.

이러한 실시예 중 일부에서, 레귤레이터의 입력부는 또한, 유선 충전 어댑터에 커플링되도록 구성된 어댑터 포트에 커플링되고, 레귤레이터의 입력부는 스위치에 의해 무선 충전 수신기에 커플링된다.

이러한 실시예 중 일부에서, 레귤레이터의 입력부는 또한, 유선 충전 어댑터에 커플링되도록 구성된 어댑터 포트에 커플링되고, 레귤레이터의 입력부는 스위치에 의해 어댑터 포트에 커플링된다.

개시된 주제의 다양한 목적, 특징, 및 장점은, 비슷한 참조 번호가 비슷한 요소를 식별하는, 이하의 도면과 관련하여 고려될 때, 개시된 주제의 이하의 상세한 설명을 참조하여 보다 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 종래 기술에서 알려진 바와 같은 모바일 디바이스를 위한 일반적인 충전 시스템의 블록 다이어그램의 예를 묘사한다.
도 2는 일부 실시예에 따른 전압 레귤레이터 시스템을 동작시키는 데 사용될 수 있는 프로세스의 예를 보여주는 흐름 다이어그램의 예를 예시한다.
도 3a 및 도 3b는 일부 실시예에 따른 전압 레귤레이터 시스템의 동작을 보여주는 그래프의 예를 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 일부 실시예에 따른 비이상성(non-ideality)을 갖는 전압 레귤레이터 시스템의 동작을 보여주는 그래프의 예를 예시한다.
도 5는 일부 실시예에 따른 비이상성을 갖는 스위치드 커패시터(switched capacitor; SC) 레귤레이터의 효율 곡선을 보여주는 그래프의 예를 예시한다.
도 6은 일부 실시예에 따른 2개의 변환 모드에서의 재구성가능 SC 레귤레이터의 효율 곡선을 보여주는 그래프의 예를 예시한다.
도 7은 일부 실시예에 따른 3개의 변환 모드에서의 하이브리드 레귤레이터의 효율 곡선을 보여주는 그래프의 예를 예시한다.
도 8은 일부 실시예에 따른 재구성가능 SC 레귤레이터 또는 하이브리드 레귤레이터를 갖는 전압 레귤레이터 시스템을 동작시키는 데 사용될 수 있는 프로세스의 예를 예시하는 흐름 다이어그램의 예를 도시한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 전압 레귤레이터 시스템 내의 제어기를 동작시키는 데 사용될 수 있는 프로세스의 예를 예시하는 상세한 흐름 다이어그램의 예를 도시한다.
도 10은 일부 실시예에 따른 모바일 디바이스의 충전 시스템의 블록 다이어그램의 예를 도시한다.
도 11은 종래 기술에서 알려진 바와 같은 모바일 디바이스를 위한 일반적인 무선 충전 시스템의 블록 다이어그램의 예를 묘사한다.
도 12는 일부 실시예에 따른 모바일 디바이스를 위한 무선 충전 시스템의 블록 다이어그램의 예를 묘사한다.
도 13은 일부 실시예에 따른 유선 충전 어댑터에 또한 접속될 수 있는 모바일 디바이스를 위한 무선 충전 시스템의 블록 다이어그램의 예를 묘사한다.

이하의 설명에서, 개시된 주제의 완전한 이해를 제공하기 위해, 개시된 주제에 따라 구현될 수 있는 장치, 시스템, 및 방법의 예 그리고 그러한 장치, 시스템, 및 방법이 동작할 수 있는 환경에 관한 수많은 특정 세부사항이 기재되어 있다. 그렇지만, 개시된 주제는 그러한 특정 세부사항 없이 실시될 수 있다는 것과, 본 기술분야에 공지된 특정한 특징은 개시된 주제를 과도하게 복잡하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 설명되어 있지 않다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이다. 그에 추가하여, 아래에서 제공되는 예는 예시 목적을 위한 것이라는 것과, 제공된 예와는 상이한, 개시된 주제의 범위 내에 있는 다른 장치, 시스템, 및 방법이 있음이 고려된다는 것이 이해될 것이다.

빠른 배터리 충전은 모바일 디바이스의 중요한 특징이다. 도 1은 모바일 디바이스의 일반적인 충전 시스템의 예를 묘사한다. 충전 시스템은, 다른 것들 중에서도, 레귤레이터(104) 및 배터리(106)를 포함하는 모바일 디바이스(102)를 포함한다. 레귤레이터(104)는 레귤레이터(104)에 의해 제공되는 전력을 사용하여 배터리가 충전되도록 배터리(106)에 전력을 제공하도록 구성된다.

모바일 디바이스(102) 내의 레귤레이터(104)는 어댑터(108)에 커플링되도록 구성된다. 어댑터(108)는 전원 콘센트(110)로부터 높은 AC 입력 전압(예컨대, 110V 내지 220V)(V_{OUT_WALL})을 수신하고 V_{OUT_WALL}을 보다 낮은 DC 전압(V_BUS)으로 변환하도록 구성된다. 어댑터(108)는 이어서 DC 전압(V_BUS)을, USB 포트와 같은, 인터페이스를 통해 전압 레귤레이터(104)에 제공한다. 어댑터(108)는 일반적으로 AC/DC 컨버터 및 이에 뒤이은 DC/DC 컨버터를 포함한다.

레귤레이터(104)는 어댑터(108)로부터 V_BUS를 수신하고 출력 전압(V_BAT)을 제공하도록 구성된다. 출력 전압(V_BAT)(및 대응하는 전류(I_CHG))은 이어서 배터리(106)로 라우팅되어 배터리를 충전한다. 레귤레이터(104)는 일반적으로 DC/DC 컨버터, 보다 구체적으로는, 벅 레귤레이터와 같은, 스위칭-인덕터 전압 레귤레이터를 포함한다.

배터리의 충전 속도를 증가시키기 위해, 레귤레이터(104)는 배터리(106)에 보다 많은 양의 전력을 전달할 필요가 있다. 레귤레이터(104)에 의해 전달되는 전력의 양은 출력 전압(V_BAT)과 그 대응하는 전류(I_CHG)의 곱셈으로서 계산되므로, 레귤레이터(104)는 충전 속도를 증가시키기 위해 출력 전류(I_CHG) 또는 출력 전압(V_BAT) 중 어느 하나를 증가시켜야 한다.

일반적으로, 레귤레이터(104)는 출력 전압(V_BAT)을 제어할 수 없다. 출력 전압(V_BAT)은 일반적으로 배터리, 특히 배터리 화학물(예컨대, Li 이온), 적층된 배터리 셀의 수, 및, 충전 상태라고도 지칭되는, 배터리에 축적된 전하의 양에 의해 결정된다. 예를 들어, 배터리가 보다 많이 충전됨에 따라, 배터리에 걸친 전압과 동등한, 출력 전압(V_BAT)이 증가된다. 단일 스택 Li 이온 배터리는 일반적으로 3V 내지 4.5V의 배터리 전압(V_BAT)을 갖는다. 일반적으로, 배터리가 완전히 방전될 때 배터리 전압은 3V이고, 배터리가 완전히 충전될 때 배터리 전압은 4.5V이다. 배터리가 0%로부터 100%로 충전됨에 따라, 배터리 전압은 3V로부터 4.5V로 점진적으로 증가할 수 있다. 따라서, 레귤레이터(104)는 출력 전압(V_BAT)을 제어할 수 없다. 그러므로, 배터리(106)에 전달되는 전력을 증가시키기 위해, 레귤레이터(104)는 일반적으로 출력 전류(I_CHG)를 증가시켜야 한다.

레귤레이터(104)가, 증가된 양의 전력(예컨대, 증가된 양의 전류(I_CHG))을 배터리(106)에 전달하기 위해, 레귤레이터(104)는 어댑터(108)로부터 증가된 양의 전력을 수신해야 한다. 이것은, 증가된 양의 전력을 배터리(106)에 전달하기 위해, 어댑터(108)는 레귤레이터(104)에 제공되는 출력 전류(I_BUS) 및/또는 출력 전압(V_BUS)을 또한 증가시켜야 한다는 것을 의미한다.

어댑터(108)가 출력 전류(I_BUS)의 양을 증가시키는 것은 종종 어려운 일인데, 그 이유는, 어댑터(108)를 레귤레이터(104)에 접속시키기 위한 인터페이스 프로토콜은 일반적으로, 인터페이스 프로토콜을 준수하는 인터페이스를 흐를 수 있는 전류의 양을 제한하기 때문이다. 예를 들어, USB 표준은 USB 타입 C 인터페이스를 흐르는 전류의 양을 3A로 제한한다. 더욱이, 어댑터 케이블이 많은 양의 전류를 견디기 위해서는, 어댑터 케이블이 보다 굵게 만들어져야 하며, 이는 차례로, 어댑터 케이블을 제조하는 비용을 증가시킨다. 사실, 어댑터 케이블이 보다 많은 전류를 수용하도록 설계됨에 따라서 어댑터 케이블이 실제로 보다 비싸졌다.

출력 전류(I_BUS)를 증가시키는 대신에, 어댑터(108)는 증가된 양의 전력을 전달하기 위해 출력 전압(V_BUS)을 증가시킬 수 있다. 그렇지만, 그러한 전략은 레귤레이터(104)가 벅 레귤레이터를 사용할 때 이상적이지 않다. 출력 전압(V_BUS)이 증가되면, 레귤레이터(104)는 큰 V_BUS를 V_BAT로 변환하기 위해 보다 높은 전압 변환비로 동작할 필요가 있다. 안타깝게도, 레귤레이터(104)가 벅 레귤레이터를 사용할 때 레귤레이터(104)를 높은 전압 변환비로 동작시키는 것은 문제가 되는데, 그 이유는 변환비(예컨대, V_BUS/V_BAT)가 증가함에 따라 벅 레귤레이터의 효율이 저하되기 때문이다.

레귤레이터(104)와 같은 레귤레이터의 감소된 효율은 매우 문제가 되는데 그 이유는 그것이 전력 소실을 증가시키기 때문이다. 예를 들어, 레귤레이터의 효율은 다음과 같이 쓰여질 수 있고:

효율 = P_OUT/P_IN = (P_IN - P_DISS) / P_IN

여기서 P_IN은 입력 전력이고, P_OUT은 출력 전력이며, P_DISS는 레귤레이터에 의해 소실되는 전력이다. 이 관계에 기초하여, 레귤레이터에 의해 소실되는 전력의 양은 다음과 같이 도출될 수 있다:

P_IN * 효율 = P_IN - P_DISS

P_DISS = P_IN * (1 - 효율)

V_BUS(레귤레이터에 대한 입력 전압)가 증가할 때, 다음의 2개의 인자는 P_DISS를 역시 증가시킨다: (1) V_BUS인 입력 전압이 보다 높아짐에 따라 P_IN이 증가하는 것; (2) 변환비가 보다 높아짐에 따라 효율이 감소하는 것.

증가된 전력 소실(P_DISS)은 모바일 디바이스의 경우 큰 문제인데 그 이유는 증가된 전력 소실이 증가된 열 소실을 가져오기 때문이다. 사용자를 보호하기 위해 모바일 디바이스의 표면이 얼마나 뜨거울 수 있는지에 대한 강력한 제한이 있다. 모바일 디바이스는 일반적으로 냉각 메커니즘을 포함하지 않기 때문에, 열 소실 버짓(heat dissipation budget)이 매우 빠듯하다. 그 결과, 레귤레이터가 너무 많은 열을 소실시킬 때, 레귤레이터는 일반적으로 열 소실을 감소시키기 위해 배터리 충전 속도를 스로틀링하도록 설계되어 있다. 이것은 사용자 경험에 바람직하지 않다.

따라서, 빠듯한 열 소실 버짓 하에서 고속 충전을 유지하기 위해서는, 높은 입력-대-출력 변환비에서 높은 효율을 유지할 수 있는 충전 시스템을 제공할 강한 필요성이 있다.

개시된 주제의 일부 실시예는 모바일 디바이스의 고속 충전을 수용하기 위해 모바일 디바이스 내에 임베딩된 전압 레귤레이터 시스템을 포함한다. 전압 레귤레이터 시스템은 높은 입력-대-출력 변환비에서 높은 효율을 유지하기 위해 전압 레귤레이터의 동작을 레귤레이팅할 수 있다.

도 10은 일부 실시예에 따른 모바일 디바이스의 충전 시스템을 도시한다. 충전 시스템은, 도 1에 개시된 충전 시스템과 유사하게, 배터리(106)를 갖는 모바일 디바이스(102), 어댑터(108), 및 전원 콘센트(110)를 포함한다. 그렇지만, 충전 시스템은 전압 레귤레이터 시스템(1002)을 또한 포함하는데, 전압 레귤레이터 시스템(1002)은 차례로 제어기(1004) 및 레귤레이터(1006)를 포함한다. 레귤레이터(1006)는 입력 단자 및 출력 단자를 포함한다. 레귤레이터의 입력 단자는 입력 전압을 수신하기 위해 어댑터(108)에 커플링되고, 레귤레이터의 출력 단자는 충전을 위해 배터리(104)에 출력 전압을 제공하기 위해 배터리(104)에 커플링된다. 제어기(1004)는 높은 입력-대-출력 변환비에서 높은 효율을 유지하기 위해 레귤레이터(1006)의 동작을 레귤레이팅하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 레귤레이터(1006)는 스위치드 커패시터(SC) 레귤레이터(SC 컨버터라고도 지칭됨)를 포함한다. SC 레귤레이터는 하나 이상의 커패시터를 사용하여 (예컨대, 전원에 접속되는) 입력 단자로부터 (예컨대, 출력 부하에 접속되는) 출력 단자로 전하를 전달할 수 있다. SC 레귤레이터는 전력 스위치를 사용하여 하나 이상의 커패시터를 (각각 상이한 시점에서) 다수의 전압 레벨에/다수의 전압 레벨로부터 신속하게 접속/접속해제시켜, 그에 의해 다수의 전압 레벨의 가중 평균인 출력 전압을 제공할 수 있다. SC 레귤레이터는 커패시터들이 서로 커플링되는 구성, 시퀀스, 및 듀티 사이클을 변화시킴으로써 출력 전압을 제어할 수 있다.

이후부터, 변환비라는 용어는 레귤레이터의 입력 전압과 출력 전압 사이의 실제 전압비를 지칭하고, 변환 모드라는 용어는 (비이상성을 갖지 않는) 이상적인 레귤레이터가 최고 효율을 달성하는 입력 전압과 출력 전압 사이의 전압비(예컨대, 변환 인자)를 지칭한다. 예를 들어, 2:1의 변환 모드에서 동작하는 이상적인 SC 레귤레이터는 SC 레귤레이터의 변환비가 2일 때 최고 효율을 달성하지만, 2:1의 변환 모드에서 동작하는 SC 레귤레이터는 여전히 2.5의 변환비에서 그러나 보다 낮은 효율로 동작할 수 있다. 이상적인 SC 레귤레이터에서는, 변환비가 변환 모드의 변환 인자와 동일할 수 있지만, 비이상적인 SC 레귤레이터에서는, 변환비가 일반적으로 변환 모드의 변환 인자보다 더 크다.

벅 레귤레이터는 높은 변환비에서 열악한 효율을 갖지만, SC 레귤레이터는 변환비가 높을 때에도 높은 효율을 갖는 경향이 있다. 특히, SC 레귤레이터는, 변환비의 실제 값에 관계없이, 변환비가 정수에 가까울 때 높은 효율을 갖는 경향이 있다. 안타깝게도, 변환비가 정수로부터 벗어남에 따라 SC 레귤레이터의 효율이 저하된다. 예를 들어, SC 레귤레이터는 입력 전압이 SC 레귤레이터의 출력 전압의 N배일 때 높은 효율을 달성할 수 있다. 그렇지만, 동일한 SC 레귤레이터는 출력 전압이 N으로부터 벗어날 때 높은 효율을 제공하지 않을 수 있다.

일부 실시예에서, 레귤레이터(1006) 내의 SC 레귤레이터의 높은 효율을 유지하기 위해, 제어기(1004)는 SC 레귤레이터의 변환비를 정수에 가깝게 유지하도록 구성될 수 있다. SC 레귤레이터의 입력-대-출력 전압 변환비가 - 부분적으로, 배터리가 충전됨에 따른 배터리 전압의 증가로 인해 - 정수 값으로부터 벗어날 때, 제어기(1004)는 입력-대-출력 전압 변환비가 정수 값에 가깝게 유지되도록 어댑터가 SC 레귤레이터에 대한 입력 전압을 증가시킬 것을 요청할 수 있다.

예를 들어, 레귤레이터(1006) 내의 SC 레귤레이터가 2의 변환 인자를 갖는 변환 모드에서 동작하고 있으며, 배터리가 (예컨대, 단일 스택 Li 이온 배터리에서 3V로부터 4.5V로) 충전됨에 따라 레귤레이터(1006)의 출력 전압(예컨대, V_BAT)이 계속 상승한다고 가정한다. 그 경우에, 제어기(1004)는, 어댑터가 그의 출력 전압(예컨대, V_BUS)이 2 x V_BAT에 가깝도록 출력 전압을 증가시킬 것을 요청하는 명령어(예컨대, 신호)를 어댑터(108)에 전송할 수 있다. 그러한 방식으로, SC 레귤레이터(1006)의 변환비는 변환 모드의 변환 인자에 가깝게 유지될 수 있다.

배터리 전압(V_BAT)은 매우 느리게 그리고 예측가능하게(예컨대, 배터리 화학물, 적층된 배터리 셀의 수, 및 배터리의 충전 상태에 의해 결정됨) 변하기 때문에, 어댑터(108)가, 배터리 전압(V_BAT)보다 N배 더 큰 그의 출력 전압(예컨대, V_BUS)을 신뢰성있게 제공하는 것이 가능하다.

도 2는 일부 실시예에 따른, 도 10에 도시된 전압 레귤레이터 시스템(1002)과 같은, 전압 레귤레이터 시스템을 동작시키는 데 사용될 수 있는 프로세스의 예(200)를 보여주는 흐름 다이어그램의 예를 예시한다. 블록(202)에서, 제어기는 전압 레귤레이터 시스템 내의 SC 레귤레이터의 변환비를 결정하도록 구성된다. 블록(204)에서, 제어기는 SC 레귤레이터의 변환비와 SC 레귤레이터의 변환 모드의 변환 인자 사이의 차이를 결정하도록 구성된다. 그 차이가 미리 결정된 문턱값보다 더 크면, 제어기는 변환비가 변환 모드의 변환 인자에 가까워지도록 SC 레귤레이터에 대한 입력 전압을 변경하라는 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 예를 들어, 변환비가, 미리 결정된 문턱치 초과만큼 변환 모드의 변환 인자보다 더 클 때, 제어기는 어댑터가 SC 레귤레이터에 대한 입력 전압을 감소시킬 것을 요청할 수 있고; 변환비가, 미리 결정된 문턱치 미만만큼 변환 모드의 변환 인자보다 더 클 때, 제어기는 어댑터가 SC 레귤레이터에 대한 입력 전압을 증가시킬 것을 요청할 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 결정된 문턱치는 제로일 수 있다.

일부 실시예에서, 블록(204)에서, 제어기는 변환비가 변환 모드의 변환 인자보다 더 작을 때 SC 레귤레이터에 대한 입력 전압(V_BUS)을 증가시키라는 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 일부 경우에서, 제어기는 변환비가 변환 모드보다 더 커질 때까지 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 변환비는 레귤레이터의 동작 동안 변환 모드의 변환 인자보다 더 크도록 레귤레이팅될 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기는 어댑터에 커플링된 데이터 신호 라인을 통해 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 예를 들어, 제어기는 대부분의 어댑터 상에서의 D+ 핀 및 D- 핀을 사용하여 요청을 전송하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기는 어댑터에 의해 제공되는 출력 전압(V_BUS)을 변조함으로써 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 어댑터가 USB 타입 C 어댑터일 때, 제어기는 CC1 핀 및 CC2 핀을 사용하여 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제어기는 하나 이상의 유선 통신 프로토콜에 따라 요청을 어댑터에 전송한다. 그러한 유선 통신 프로토콜은, 예를 들어, Qualcomm QuickCharge 2.0, Qualcomm QuickCharge 3.0, Samsung Adaptive Fast Charging, MediaTek Pump Express 2.0, MediaTek Pump Express 3.0, USB Power Delivery 2.0, USB Power Delivery 3.0, 또는 임의의 다른 적합한 유선 통신 프로토콜 또는 프로토콜의 조합을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 도 2의 프로세스는 제어기(1004) 및 어댑터(108)를 사용하여 전압 레귤레이터(1006) 내에 구현될 수 있으며, 모두 도 10에 예시되어 있다.

도 3a 및 도 3b는 일부 실시예에 따른 도 10에 도시된 것과 같은 전압 레귤레이터 시스템의 동작을 보여주는 그래프의 예를 예시한다. 도 3a는 배터리가 충전됨에 따른 SC 레귤레이터의 입력 전압을 도시하고; 도 3b는 SC 레귤레이터의 입력 전압을 증가시킬 시간 인스턴스(time instance)를 나타내는 인터럽트 신호를 도시한다. 그래프의 수직축은 전압 레벨을 나타내고, 그래프의 수평축은 시간을 나타낸다. 이들 그래프는 (1) SC 레귤레이터가 N:1의 변환 모드(N:1의 변환 인자)에서 동작하고 있으며, (2) SC 레귤레이터의 변환비가 SC 레귤레이터의 변환 모드보다 작을 때(예컨대, V_BUS가 N x V_BAT보다 더 작을 때) 어댑터가 SC 레귤레이터에 대한 입력 전압을 변경할 것을 요청하도록 제어기가 구성되는 전압 레귤레이터 시스템의 실시예의 동작을 예시한다. 배터리가 방전될 때, 배터리 전압(V_BAT)은 V_{BAT_MIN}과 동일하다. 배터리가 전압 레귤레이터 시스템에 의해 충전됨에 따라, 배터리 전압(V_BAT)은, 도 3a에서 점선 N x V_BAT(302)로서 도시된, V_{BAT_MAX}로 증가한다.

배터리가 충전되고 배터리 전압(V_BAT)이 V_{BAT_MIN}으로부터 V_{BAT_MAX}로 증가함에 따라, Nx V_BAT(302)가 입력 전압(V_BUS)보다 더 커지도록 배터리 전압(V_BAT)이 충분히 커질 수 있다. 이것은 변환비가 변환 모드보다 더 작음을 나타낸다. 이 경우에, V_BUS(304)가 NxV_BAT(302)보다 더 높게 유지되도록, 제어기는 어댑터에 V_BUS(304)를 증가시키라고 요청하도록 구성된다. 이 요청은 도 3b에 도시된 바와 같이 단일 비트 인터럽트 신호(V_{IN_INC_INT})일 수 있다. Nx V_BAT(302)가 입력 전압(V_BUS)(304)보다 더 커질 때, 제어기는 단일 비트 신호(V_{IN_INC_INT})(306)를 트리거링할 수 있다. 배터리가 특정 퍼센티지에 이르기까지 충전되거나 완전히 충전될 때까지, 제어기는 이 프로세스를 반복할 수 있다. 일부 실시예에서, 어댑터는 SC 레귤레이터에 대한 입력 전압(V_BUS)(304)을 스텝 단위로(in steps): 한 번에 전압 스텝(V_{BUS_MIN_STEP})(308)씩 증가시키도록 구성될 수 있다. 이 경우에, SC 레귤레이터에 제공되는 입력 전압(V_BUS)(304)은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 계단처럼 보일 것이다. 일부 실시예에서, V_{BUS_MIN_STEP}(308)은 1mV와 2V 사이의 전압, 또는 임의의 다른 적합한 전압 범위일 수 있다.

실제로, SC 레귤레이터는 일반적으로, 예를 들어, 기생 저항에 의해 야기되는 전압 강하와 같은 비이상성으로 인해 N x V_BAT를 V_BAT로 정밀하게 변환할 수 없다. 그 대신에, 일반적인 SC 레귤레이터는 입력 전압(N x V_BAT)을 V_BAT보다 낮은 출력 전압으로 변환할 것이다. 비이상성은 전압 마진(voltage margin)으로서 모델링될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 일부 실시예에 따른 비이상성을 갖는 도 10에 도시된 것과 같은 전압 레귤레이터 시스템의 동작을 보여주는 그래프의 예를 예시한다. 비이상성이 고려될 때, 제어기는, Nx V_BAT(302) + V_MAR(402)이 입력 전압(V_BUS)보다 더 커질 때 어댑터에 V_BUS(304)를 증가시키라고 유효하게 요청할 수 있다. 일부 실시예에서, V_MAR(402)은 1mV와 2V 사이의 전압, 또는 임의의 다른 적합한 전압 범위일 수 있다.

도 5는 일부 실시예에 따른 비이상성을 갖는 SC 레귤레이터의 효율의 그래프의 예를 예시한다. 플롯의 우측으로부터 시작하여, 변환비(V_BUS/V_BAT)가 변환 모드(N)에 접근함에 따라, 효율 곡선(502)에 의해 도시된, SC 레귤레이터의 효율이 증가한다. 효율 곡선은 어떤 지점에서(동작점 A(504)에서) 피크 값에 도달하고, 변환비가 변환 모드(N)에 가까워짐에 따라 "절벽"과 같이 급격히 떨어지기 시작한다. 환언하면, V_BUS/N - V_BAT와 동일한 V_{SC_DROP}이 0에 접근함에 따라, SC 레귤레이터의 효율(502)은 급격히 떨어진다. N:1 SC 레귤레이터는 비이상적인 조건에서 V_BAT를 V_BUS/N으로 레귤레이팅할 수 없는데, 그 이유는 V_{SC_DROP}이 0과 동일할 수 없기 때문이다.

효율 곡선(506)에 의해 도시된 바와 같이, 기생 전압 강하가 증가함에 따라 효율 곡선(502)은 우측으로 시프트하며, 이는 보다 높은 출력 전류에 의해 야기될 수 있다. V_BUS와 V_BAT가 고정되어 있을 때에도, 출력 전류가 변할 때 효율 곡선(502)이 우측으로 시프트할 수 있다. 효율 곡선이 출력 전류에 의존하기 때문에, SC 레귤레이터의 효율을 희생시키지 않으면서 SC 레귤레이터의 동작점(예컨대, 변환비)을 미리 결정하는 것은 어렵다. 예를 들어, 기생 전압 강하가 작을 때, 효율 곡선(502) 상의 동작점 A(504)는 SC 레귤레이터에 대한 가장 효율적인 동작점이다. 따라서, SC 레귤레이터는 SC 레귤레이터 효율을 최대화하기 위해 동작점 A(504)에서 동작될 수 있다. 그렇지만, 기생 전압 강하가 크면, 효율 곡선(502)은 우측으로 시프트하고, 동작점 B(508)에 의해 도시된 바와 같이, 그 SC 레귤레이터에 대한 동일한 변환비는 이제 매우 낮은 효율을 갖는다. 그러한 낮은 효율은 과도한 전력 소실로 인해 열 문제를 야기할 수 있고 전압 레귤레이터 시스템으로 하여금 출력 레귤레이션(regulation)을 상실하게 하고 따라서 출력 전압을 요구되는 값으로 레귤레이팅할 수 없게 할 수 있다.

일부 실시예에서, 도 10에 도시된 전압 레귤레이터 시스템(1002)과 같은, 전압 레귤레이터 시스템은 피크 동작점(504)으로부터 떨어져 있는 차선의(sub-optimal) 동작점에서 SC 레귤레이터를 동작시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 그러한 전압 레귤레이터 시스템은 피크 동작점 A(504)에 대응하는 변환비로부터 충분히 오프셋된 변환비를 갖는 동작점 C(510)에서 SC 레귤레이터를 동작시키도록 구성될 수 있다. 동작점 C(510)의 변환비와 피크 동작점 A(504)의 변환비 사이의 오프셋은 SC 레귤레이터가 낮은 효율로 진입하는 것으로부터 보호하는 안전 마진(safety margin)을 제공한다.

일부 실시예에서, 일단, 도 10에 도시된 전압 레귤레이터 시스템(1002)과 같은, 전압 레귤레이터 시스템이 그의 SC 레귤레이터에 대한 동작점을 결정하면, SC 레귤레이터의 변환비가, 결정된 동작점과 연관된 변환비와 매칭되도록, 전압 레귤레이터 시스템은 어댑터가 V_BUS를 제공할 것을 요청할 수 있다.

일부 실시예에서, 그러한 전압 시스템에서 사용되는 레귤레이터는, 각각이 복수의 정수 변환비 중 하나와 연관된, 복수의 변환 모드 중 하나에서 동작하도록 재구성될 수 있는 재구성가능 SC 레귤레이터일 수 있다. 예를 들어, 3:1 재구성가능 SC 레귤레이터는 3개의 변환 모드: 3:1, 2:1, 및 1:1을 지원할 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터의 변환비에 기초하여 재구성가능 SC 레귤레이터의 변환 모드를 재구성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 변환비가 3:1에 가까울 때, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터를 3:1 변환 모드에서 동작하도록 구성할 수 있다. (예컨대, 입력 전압이 감소하거나 출력 전압이 증가하기 때문에) 변환비가 감소함에 따라, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터를 2:1 변환 모드에서 동작하도록 구성할 수 있다. 변환비가 1:1에 가까운 지점으로 변환비가 더 감소함에 따라, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터를 1:1 변환 모드에서 동작하도록 구성할 수 있다. 이것은 전압 레귤레이터 시스템이 상당한 효율 손실 없이 광범위한 입력 전압을 수용할 수 있게 해준다.

일부 실시예에서, 전압 레귤레이터 시스템에서 사용되는 레귤레이터는, Crossley 등에 의해 2016년 4월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "ASYMMETRIC SWITCHING CAPACITOR REGULATOR"인 미국 특허 출원 제15/092,037호; 및/또는 Puggelli 등에 의해 2016년 4월 18일자로 출원되고 발명의 명칭이 "RECONFIGURABLE DICKSON STAR SWITCHED CAPACITOR VOLTAGE REGULATOR"인 미국 가특허 출원 제62/324,091호에 개시된 바와 같은 재구성가능 SC 레귤레이터를 포함할 수 있으며, 이 미국 특허 출원 및 미국 가특허 출원 각각은 이로써 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.

도 10의 레귤레이터(1006)와 같은 레귤레이터가 재구성가능 SC 레귤레이터를 포함하는 실시예에서, 제어기는, 요구되는 배터리 충전 속도에 기초하여 재구성가능 SC 레귤레이터의 변환 모드를 동적으로 재구성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 재구성가능 SC 레귤레이터가 2:1 변환비와 연관된 변환 모드에서 동작하고 있으며 보다 빠른 속도로 배터리를 충전하는 것이 바람직하게 된다고 가정한다. 이 경우에, SC 레귤레이터가 보다 높은 변환 모드 N:1(예컨대, 3:1 또는 4:1)에서 동작하도록, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터로 하여금 변환 모드를 변경하게 할 수 있다. 또한, 재구성가능 SC 레귤레이터의 입력 전압이 배터리 전압(V_BAT)보다 N배 더 크도록, 제어기는 어댑터가 재구성가능 SC 레귤레이터의 입력 전압을 증가시킬 것을 요청할 수 있다. 이것은 전압 레귤레이터 시스템이 배터리의 충전 속도를 동적으로 변화시킬 수 있게 해준다. 도 10에 도시된 전압 레귤레이터 시스템(1002)은 빠른 충전을 위한 역호환성(backwards compatibility)을 가능하게 해주는데, 이는, 높은 전류를 지원하지 않는 구형 충전 케이블과 함께 사용되도록 구성된 모바일 디바이스 또한, I_BUS(119) 대신에 V_BUS(103)를 증가시킴으로써 빠른 충전으로부터 이득을 볼 수 있다는 것을 의미한다.

일부 실시예에서, 도 10의 제어기(1004)와 같은, 제어기는, 제어기가 현재 변환 모드에서 재구성가능 SC 레귤레이터의 효율이 낮다는 것을 검출할 때, 재구성가능 SC 레귤레이터를 재구성할 수 있다. 예를 들어, 재구성가능 SC 레귤레이터 효율이, 부분적으로, 증가된 기생 전압 강하로 인해 크게 감소될 때, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터를 보다 낮은 변환 모드에서 동작하도록 재구성할 수 있다. 그러한 방식으로, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터의 심각한 효율 저하로부터 보호할 수 있다.

도 6은 일부 실시예에 따른 2개의 변환 모드 - N:1 및 (N+1):1 - 에서 재구성가능 SC 레귤레이터의 효율 곡선을 보여주는 그래프의 예를 예시한다. 곡선(602, 604)은 N:1의 변환 모드에서의 재구성가능 SC 레귤레이터의 효율을 도시하고; 곡선(606, 608)은 (N+1):1의 변환 모드에서의 재구성가능 SC 레귤레이터의 효율을 도시한다.

초기에, 재구성가능 SC 레귤레이터는 기생 전압 강하가 작은(예컨대, 출력 전류가 작은) (N+1):1의 변환 모드에서 동작할 수 있다. 이 경우에, 재구성가능 SC 레귤레이터를 포함하는 전압 레귤레이터 시스템은 재구성가능 SC 레귤레이터를 최적의 동작점 A(610)에서 동작시킬 수 있다. 기생 전압 강하가 (예컨대, 보다 큰 출력 전류로 인해) 커질 때, 효율 곡선(606)은 효율 곡선(608)에 의해 도시된 바와 같이 우측으로 시프트할 것이다. 기생 전압 강하의 이러한 증가로 인해, 재구성가능 SC 레귤레이터의 효율은 (효율 곡선(608)의 "절벽" 부분에서) 크게 떨어질 것이다.

이러한 효율 감소를 해결하기 위해, 일단, 기생 전압 강하가 증가했다는 것을 전압 레귤레이션 시스템의 제어기가 검출하면, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터를 (N+1):1 대신에 N:1의 변환 모드에서 동작하도록 재구성할 수 있다. 이러한 방식으로, 재구성가능 SC 레귤레이터는, 효율 곡선(608) 상의 "절벽"에서 떨어지는 대신에, 강제로 효율 곡선(604) 상에서 동작하게 될 수 있다. 환언하면, 재구성가능 SC 레귤레이터가 동작점 B(612)에서 동작하도록, 전압 레귤레이터 시스템은 재구성가능 SC 레귤레이터를 재구성할 수 있다. 제어기는 심각한 효율 저하로부터 보호하도록 재구성가능 SC 레귤레이터를 재구성할 수 있기 때문에, 제어기는 재구성가능 SC 레귤레이터를 그의 최적의 동작점 A(610)에서 동작시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 일단 제어기가 재구성가능 SC 레귤레이터에 대한 동작점을 결정하면, 재구성가능 SC 레귤레이터의 변환비가, 결정된 동작점과 연관된 변환비와 매칭되도록, 제어기는 어댑터가 V_BUS를 제공할 것을 요청할 수 있다.

일부 실시예에서, 레귤레이터(1006)와 같은, 레귤레이터는, 2-스테이지 레귤레이터라고도 지칭되는, 하이브리드 레귤레이터를 포함할 수 있다. 하이브리드 레귤레이터는 일련의 2개의 전압 레귤레이터: 제1 스테이지 레귤레이터 및 제2 스테이지 레귤레이터를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 스테이지 레귤레이터는 SC 레귤레이터를 포함하고 제2 스테이지 레귤레이터는 스위칭 전압 레귤레이터(예컨대, 벅 레귤레이터)를 포함한다. 그러한 하이브리드 레귤레이터는, SC 레귤레이터는 전압을 미리 결정된 분수 값에 걸쳐 분압하는 데 우수하고, 스위칭 전압 레귤레이터는 넓은 범위의 출력 전압을 미세한 스텝 단위로 레귤레이팅하는 데 우수할 수 있다는 사실을 이용한다. 이것은 하이브리드 레귤레이터가 비정수(non-integer) 변환비에서도 높은 변환 효율을 달성할 수 있게 해준다.

일부 실시예에서, 그러한 하이브리드 레귤레이터는 Lion Semiconductor Inc.에 2015년 9월 22일자로 발행되고 발명의 명칭이 "APPARATUS, SYSTEMS, AND METHODS FOR PROVIDING A HYBRID POWER REGULATOR"인 미국 특허 제9,143,032호; 및/또는 Puggelli 등에 의해 2016년 4월 18일자로 출원되고 발명의 명칭이 "RECONFIGURABLE DICKSON STAR SWITCHED CAPACITOR VOLTAGE REGULATOR"인 미국 가특허 출원 제62/324,091호 - 총칭하여, "하이브리드 레귤레이터 문서" - 에 개시된 바와 같은 하이브리드 레귤레이터를 포함할 수 있으며, 하이브리드 레귤레이터 문서 각각은 이로써 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.

일부 실시예에서, 하이브리드 레귤레이터는 상이한 변환비를 지원하기 위해 복수의 변환 모드를 지원할 수 있다. 예를 들어, (1) 재구성가능 3:1 SC 레귤레이터 및 (2) 스위치드 인덕터(switched-inductor) 레귤레이터를 갖는 하이브리드 레귤레이터는 5개의 동작 모드: S3 변환 모드, H32 하이브리드 변환 모드, S2 변환 모드, H21 하이브리드 변환 모드, 및 S1 변환 모드를 지원할 수 있다.

하이브리드 레귤레이터 문서에서 논의된 바와 같이, 하이브리드 레귤레이터는 재구성가능 SC 레귤레이터의 2개 이상의 변환 모드의 "평균" 출력 전압을 제공하기 위해 재구성가능 SC 레귤레이터의 2개 이상의 변환 모드 사이에서 디더링(dithering)할 수 있다. 예를 들어, H32 하이브리드 변환 모드에서 동작하는 하이브리드 레귤레이터는 입력 전압(V_IN)을 수신하고, S2 변환 모드라고도 지칭되는, 2:1 스위치드 커패시터 변환 모드와, S3 변환 모드라고도 지칭되는, 3:1 스위치드 커패시터 변환 모드 사이에서 디더링하여, V_IN/2와 V_IN/3 사이에 있는 출력 전압을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 하이브리드 변환 모드(예컨대, H32 하이브리드 변환 모드)에서의 하이브리드 레귤레이터의 실제 출력 전압은 각 스위치드 커패시터 변환 모드에서 소비된 시간의 비율(예컨대, 듀티 사이클)에 의해 결정된다. 예를 들어, 하이브리드 레귤레이터가 S2 변환 모드에서 D 양의 시간을 소비하고 S3 변환 모드에서 (1-D) 양의 시간을 소비할 때, 출력 전압은 (D x V_IN/2 + (1-D) x V_IN/3)일 것이다. 따라서, 듀티 사이클(D)의 값을 제어함으로써, 하이브리드 레귤레이터의 출력 전압이 정확하게 제어될 수 있다.

일부 실시예에서, 하이브리드 변환 모드는, 비정수인 변환 인자를 가질 수 있다. 예를 들어, H32 하이브리드 변환 모드는 (2D + 3(1-D))의 변환 인자를 가질 수 있다. 보다 일반적으로, H(N+1)N 하이브리드 변환 모드는 (D x N + (1-D) x (N+1))의 변환 인자를 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 도 10에 도시된 제어기(1004)와 같은, 제어기는 하이브리드 레귤레이터의 변환비에 기초하여 하이브리드 레귤레이터에 의해 지원되는 복수의 변환 모드 중 하나로 하이브리드 레귤레이터를 구성할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 레귤레이터의 변환비가 3:1에 가까울 때, 하이브리드 레귤레이터는 S3 변환 모드에서 동작할 수 있다. (예컨대, 입력 전압이 감소하거나 출력 전압이 증가하기 때문에) 변환비가 감소함에 따라, 제어기는 하이브리드 레귤레이터를 H32 변환 모드에서 동작하도록 구성할 수 있다. 변환비가 2:1에 가까운 지점으로 변환비가 더 감소함에 따라, 제어기는 하이브리드 레귤레이터를 S2 변환 모드에서 동작하도록 구성할 수 있다. 이 프로세스가 계속됨에 따라, 하이브리드 레귤레이터는 일부 실시예에서 H21 변환 모드에서 그리고 궁극적으로 S1 변환 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다. 하이브리드 레귤레이터가 S_N 변환 모드(N:1 스위칭 커패시터 변환 모드)로부터 S1 변환 모드로 전환됨에 따라 변환 모드는 "하위(lower)" 모드로 전환되고; 하이브리드 레귤레이터가 S1 변환 모드로부터 S_N 변환 모드로 전환됨에 따라 변환 모드는 "상위(higher)" 모드로 전환된다.

일부 실시예에서, 도 10에 도시된 전압 레귤레이터(1002)와 같은, 전압 레귤레이터 시스템은 하이브리드 레귤레이터를 사용함으로써 큰 범위의 변환비에 걸쳐 그의 효율을 개선시킬 수 있다. 도 7은 일부 실시예에 따른 3개의 변환 모드 - 스위치드 커패시터 N:1 모드, 스위치드 커패시터 (N+1):1 모드, 및 하이브리드 H(N+1)N 모드 - 에서 하이브리드 레귤레이터의 효율 곡선을 보여주는 그래프의 예를 예시한다. 전압 레귤레이터 시스템 내의 제어기는 큰 범위의 변환비에 걸쳐 전압 레귤레이터 시스템의 효율을 개선시키기 위해 전압 레귤레이터 시스템 내의 하이브리드 레귤레이터를 특정의 변환 모드에서 동작하도록 구성할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 하이브리드 레귤레이터는 2개의 스위치드 커패시터 변환 모드 사이에서 디더링할 수 있다. 2개의 그러한 스위치드 커패시터 변환 모드와 연관될 수 있는 효율 곡선이 곡선(702 및 704)에 의해 도시되어 있다. 스위치드 커패시터 변환 모드 사이의 디더링은, 효율 곡선(704)에서의 "절벽"을, 효율 곡선(702 및 704)을 연결시키는 라인(706)으로 사실상 대체한다. 따라서, 하이브리드 레귤레이터는 기생 전압 강하의 큰 변동이 있을 때에도 갑작스런 효율 저하 및 출력 레귤레이션의 상실의 위험이 없다. 예를 들어, 하이브리드 레귤레이터가 (N+1):1 스위치드 커패시터 변환 모드에 있고 출력 레귤레이션을 상실하여 "절벽"에서 떨어지려고 할 때, 제어기는 하이브리드 레귤레이터를 H(N+1)N 하이브리드 변환 모드로 동작하도록 구성할 수 있다. 이것은 전압 레귤레이터 시스템이 큰 범위의 변환비에 걸쳐 고효율 동작점에서 동작할 수 있게 해준다.

도 8은 일부 실시예에 따른 재구성가능 SC 레귤레이터 또는 하이브리드 레귤레이터를 갖는, 도 10에 도시된 전압 레귤레이터 시스템(1002)과 같은, 전압 레귤레이터 시스템을 동작시키는 데 사용될 수 있는 프로세스의 예를 예시하는 흐름 다이어그램의 예를 도시한다. 블록(802)에서, 제어기는 특정의 충전 속도로 배터리를 충전하라는 명령어를 수신한다. 블록(804)에서, 제어기는, 특정의 충전 속도를 수용할 수 있는 레귤레이터의 변환 모드를 결정하고, 결정된 변환 모드에서 동작하게 레귤레이터를 구성하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 제어기는 변환 모드 테이블을 사용하여 레귤레이터의 초기 변환 모드를 결정하도록 구성된다. 변환 모드 테이블은 목표 충전 속도와 대응하는 변환 모드 사이의 매핑을 포함할 수 있다. 따라서, 제어기가, 목표 충전 속도가 제1 레벨에 있어야 한다는 지시를 수신할 때, 제어기는 변환 모드 테이블을 사용하여 그 제1 레벨과 연관된 변환 모드를 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 목표 충전 속도는 목표 충전 전류(I_CHG)로서 표현된다. 그러한 실시예에서, 변환 모드 테이블은 목표 충전 전류(I_CHG)와 변환 모드 사이의 매핑을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기는 (1) 목표 충전 전류와 (2) 레귤레이터에 전력을 제공하는 어댑터의 최대 출력 전류 사이의 비율에 기초하여 초기 변환 모드를 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 목표 충전 전류(I_CHG)가 5A이고 어댑터의 최대 출력 전류(I_{BUS_MAX})가 3A일 때, 제어기는, 목표 충전 전류(I_CHG)와 어댑터의 최대 출력 전류(I_{BUS_MAX}) 사이의 비율을 결정하여, 목표 변환비가 5/3에 가깝다고 결정할 수 있다. 따라서, 제어기는 S2 변환 모드 또는 H21 변환 모드에 있게 레귤레이터의 변환 모드를 설정하도록 구성된다. 다른 예로서, 목표 충전 전류(I_CHG)가 8A이고 레귤레이터에 전력을 제공하는 어댑터의 최대 출력 전류(I_{BUS_MAX})가 3A일 때, 제어기는, 목표 충전 전류(I_CHG)와 어댑터의 최대 출력 전류(I_{BUS_MAX}) 사이의 비율을 결정하여, 목표 변환비가 8/3에 가깝다고 결정할 수 있다. 따라서, 제어기는 S3 변환 모드 또는 H32 변환 모드에 있게 레귤레이터의 변환 모드를 설정하도록 구성된다.

일단 제어기가 초기 변환 모드를 결정하고 레귤레이터를 초기 변환 모드에서 동작하도록 구성하면, 제어기는, 블록(806) 및 블록(808)에서 논의되는 바와 같이, 가장 에너지 효율적인 변환 모드를, 실질적으로 실시간으로, 결정하기 위해 레귤레이터의 효율을 트래킹할 수 있다.

블록(806)에서, 제어기는 레귤레이터의 변환비(예컨대, V_BUS/V_BAT의 현재 값)를 결정하도록 구성된다. 블록(808)에서, 제어기는 결정된 변환비를 레귤레이터의 변환 모드와 비교하도록 구성된다. 레귤레이터의 변환 모드와 변환비 사이의 차이가 문턱값보다 더 크면, 제어기는 레귤레이터에 대한 입력 전압(V_BUS)을 변경하라는 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 블록(808)에서, 입력 전압(V_BUS)이 (변환 인자) x V_BAT보다 더 작을 때, 제어기는 요청을 어댑터에 전송하도록 구성된다. 제어기는 레귤레이터가 동작하는 변환 모드와 연관된 변환 인자에 가까운 변환비를 유지하기 위해 블록(806) 및 블록(808)을 반복할 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기가, 새롭게 요구되는 배터리 충전 속도를 수신할 때, 블록(806) 및 블록(808)의 반복은 중단될 수 있으며, 이 경우에 프로세스(800)는 블록(802)으로 루프백(loop back)할 것이다(이 루프백은 도 8에 도시되지 않음). 일부 실시예에서, 제어기가 레귤레이터의 효율이 낮다고 결정할 때, 블록(806) 및 블록(808)의 반복이 중단될 수 있다. 이 경우에, 제어기는 레귤레이터에 대한 보다 나은 변환 모드를 결정하기 위해 블록(804)으로 루프백하도록 구성된다(이 루프백은 도 8에 도시되지 않음).

일부 실시예에서, 레귤레이터의 입력 전력 및 출력 전력을 측정함으로써 레귤레이터의 효율이 측정될 수 있다. 입력 전력 및 출력 전력은 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 같은 회로를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, 입력 전력을 결정하기 위해 하나 이상의 ADC가 입력 전압 및 입력 전류를 측정할 수 있고, 출력 전력을 결정하기 위해 하나 이상의 ADC가 출력 전압 및 출력 전류를 측정할 수 있다. 일부 경우에서, 단일 ADC가 입력 전력과 출력 전력 둘 다를 측정할 수 있다.

도 9는 일부 실시예에 따른, 도 10에 도시된 전압 레귤레이터 시스템(1002)과 같은, 전압 레귤레이터 시스템 내의 제어기를 동작시키는 데 사용될 수 있는 프로세스의 예(900)를 예시하는 상세 흐름 다이어그램의 예를 도시한다.

상위 수준에서, 프로세스(900)에서, 제어기는 4개의 페이즈(phase): 인에이블 페이즈(902), 초기 동작점 셋업 페이즈(904), 감분 루프 페이즈(906), 및 증분 루프 페이즈(908)에서 동작한다.

인에이블 페이즈(902) 동안, 제어기는 전압 레귤레이터 시스템 내의 레귤레이터를 인에이블시키도록 구성된다.

초기 동작점 셋업 페이즈(904) 동안, 제어기는 레귤레이터에 대한 초기 변환 모드를 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 전압 레귤레이터 시스템 내의 레귤레이터가 하이브리드 레귤레이터이면, 하이브리드 레귤레이터는 H21 하이브리드 변환 모드에 있도록 구성될 수 있고; 전압 레귤레이터 시스템 내의 레귤레이터가 재구성가능 SC 레귤레이터이면, 재구성가능 SC 레귤레이터는 S1 변환 모드에 있도록 구성될 수 있다. 후속하여, 입력 전압(V_BUS)이 (변환 인자) x (레귤레이터의 출력 전압(V_BAT))에 상당히 가깝도록, 제어기는, 레귤레이터에 대한 입력 전압(V_BUS)을 증가시키라는 하나 이상의 요청을, 전압 레귤레이터 시스템에 전력을 제공하는 어댑터에 전송한다.

감분 루프 페이즈(906) 및 증분 루프 페이즈(908) 동안, 일단 레귤레이터가 목표 변환 모드에 있고 입력 전압(V_BUS)이 (변환 인자) x (레귤레이터의 출력 전압(V_BAT))에 상당히 가까우면, 레귤레이터가 그 변환 모드에서 머무를 수 있도록, 전압 레귤레이터 시스템은 어댑터 출력(입력 전압(V_BUS))을 조정하도록 구성된다. 예를 들어, 레귤레이터의 변환비가, 변환 모드와 연관된 변환 인자보다 더 높으면(예컨대, 이는 V_BUS/V_BAT가 변환 모드의 변환 인자보다 더 크거나 V_SCDROP이 예상보다 더 크다는 것을 의미함), 레귤레이터의 변환비가 변환 모드의 목표 변환 인자로 복귀하도록, 제어기는 어댑터가 그의 출력(입력 전압(V_BUS))을 감소시킬 것을 요청하도록 구성된다. 또한, 다른 예로서, 레귤레이터의 변환비가, 변환 모드와 연관된 변환 인자보다 더 낮으면(예컨대, 이는 V_BUS/V_BAT가 변환 모드의 변환 인자보다 더 작거나 V_SCDROP이 예상보다 더 작다는 것을 의미함), 레귤레이터의 변환비가 변환 모드의 목표 변환 인자로 복귀하도록, 제어기는 어댑터가 그의 출력(입력 전압(V_BUS))을 증가시킬 것을 요청하도록 구성된다.

도 9는 일부 실시예에 따른 4개의 페이즈의 상세 동작을 예시한다. 이 도면은 레귤레이터가 S2 변환 모드에서(예컨대, 2의 변환 인자에서) 최대 효율에 도달하는 실시예를 예시한다. 따라서, 레귤레이터가 충전 사이클에 걸쳐 가능한 한 오랫동안 S2 변환 모드에서 머무르도록, 제어기는 어댑터 출력 전압(V_BUS)을 조정하도록 구성된다.

인에이블 페이즈(902) 동안, 블록(910)에서, 모바일 디바이스가 어댑터에 커플링된다. 일단 모바일 디바이스가 어댑터에 커플링되면, 제어기는 블록(912)에서 초기화 루틴을 수행하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 초기화 루틴은 어댑터의 특성을 식별하는 단계를 포함한다. 어댑터의 특성을 식별하는 단계는, 예를 들어, 제어기로부터 요청을 수신할 시에 어댑터가 그의 출력 전압(V_BUS)을 조정할 수 있는지의 여부를 식별하는 단계를 포함할 수 있다. 어댑터의 특성을 식별하는 단계는 또한, 예를 들어, 어댑터가 특정의 표준(예컨대, 범용 직렬 버스 또는 USB)과 호환된다는 것을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 초기화 루틴은 또한, 어댑터가 특정의 디폴트 값을 출력 전압(V_BUS)으로서 제공할 것을 요청하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 어댑터가 USB 호환이면, 제어기는 어댑터가 5VDC를 디폴트 출력 값으로서 제공할 것을 요청할 수 있다.

일부 실시예에서, 어댑터가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 전류를 레귤레이터가 인출(draw)하려고 시도하지 않도록, 초기화 루틴은 또한, 레귤레이터의 입력 전류에 대한 한계를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 초기화 루틴은 또한, 레귤레이터가, 요구되는 변환비에 대한 올바른 변환 모드에 있음을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 어댑터는 5VDC의 출력 전압(V_BUS)을 디폴트 값으로서 제공하도록 구성될 수 있다. 배터리(예컨대, 단일 스택 Li 이온 배터리)에 대한 배터리 전압(V_BAT)은 종종 3V와 4.5V 사이이기 때문에, 레귤레이터의 변환비(V_BUS/V_BAT)는 따라서 일반적으로 초기 모드에서 1과 2 사이일 것이다. 따라서, 초기 모드에서, 레귤레이터가 하이브리드 레귤레이터이면, 제어기는 레귤레이터의 변환 모드를 H21 하이브리드 변환 모드로서 설정하도록 구성될 수 있다. 레귤레이터가, 하이브리드 변환 모드를 수용하지 않는 재구성가능 SC 레귤레이터이면, 제어기는 레귤레이터의 변환 모드를 S1 변환 모드로서 설정하도록 구성될 수 있다.

일단 제어기가 인에이블 페이즈(902)를 완료하면, 제어기는 초기 동작점 셋업 페이즈(904)로 이동한다. 이 페이즈에서, 제어기는 레귤레이터에 대한 초기 동작점을 설정하도록 구성된다.

블록(914)에서, 제어기는, MODE_CHANGE_INT라고 명명된 인터럽트 신호가 어서트(assert)되었는지의 여부를 체크함으로써, 모드 변경이 있는지의 여부를 체크하도록 구성된다. MODE_CHANGE_INT가 어서트되지 않을 때, 제어기는 레귤레이터가 초기 동작 모드(예컨대, 하이브리드 레귤레이터의 경우 H21 변환 모드, 또는 재구성가능 SC 레귤레이터의 경우 S1 변환 모드)에 있다는 것을 안다.

MODE_CHANGE_INT가 어서트되지 않을 때, 제어기는 블록(916)으로 이동한다. 블록(916)에서, 제어기는 보다 빠른 배터리 충전을 위해 어댑터 출력 전압(V_BUS)을 증가시키도록 설계되어 있기 때문에, 제어기는 어댑터가 그의 출력 전압을 증가시킬 것을 요청하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제어기는 어댑터가 그의 출력 전압을 특정의 전압 스텝(예컨대, V_{MIN_STEP})만큼 증가시킬 것을 요청하도록 구성될 수 있다.

제어기로부터 요청을 수신하는 데 응답하여, 어댑터는 그의 출력 전압(V_BUS)을 증가시킬 수 있다. 어댑터가 그의 출력 전압을 증가시킬 때, 출력 전압은 약간의 과도(transient) 리플(ripple) 또는 글리치(glitch)를 가질 수 있다. 따라서, 출력 전압을 증가시키라는 요청을 어댑터에 전송한 후에, 제어기는 다음 블록으로 이동하기 전에 (리플 또는 글리치가 사라지도록) 미리 결정된 기간의 시간 동안 기다릴 수 있다. 일부 실시예에서, 모드 변경이 있을 때까지(예컨대, 인터럽트 신호(MODE_CHANGE_INT)가 어써트될 때까지) 제어기는 블록(914) 및 블록(916)을 반복할 수 있다.

MODE_CHANGE_INT가 어서트될 때, 제어기는 레귤레이터의 변환 모드를 이전 변환 모드보다 한 단계 상위인 변환 모드로 업데이트하도록 구성된다. 예를 들어, 레귤레이터가 하이브리드 레귤레이터이면, 제어기는 레귤레이터의 변환 모드를 H21 변환 모드로부터 S2 변환 모드로 업데이트할 수 있고; 레귤레이터가 재구성가능 SC 레귤레이터이면, 제어기는 레귤레이터의 변환 모드를 S1 변환 모드로부터 S2 변환 모드로 업데이트할 수 있다.

감분 루프 페이즈(906)의 블록(918)에서, 제어기는 레귤레이터의 현재 변환 모드를 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 제어기는 레귤레이터의 현재 변환 모드를 결정하기 위해 신호(MODE_STS)를 체크할 수 있다.

어떤 이유로 레귤레이터가 S2 변환 모드에 있지 않으면(예컨대, H32 또는 SC3에 있으면), 블록(920)에서, 제어기는 어댑터 출력 전압을 전압 스텝(예컨대, V_{BUS_MIN_STEP})만큼 감소시키도록 구성된다. 제어기는, 블록(918) 및 블록(920)을 반복함으로써, 레귤레이터가 S2 변환 모드에서 동작할 때까지 어댑터 출력 전압을 감소시키도록 구성된다.

레귤레이터가, 예상된 것인, S2 변환 모드(SC2)에 있으면, 레귤레이터는 도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이 동작할 수 있으며, 배터리가 충전됨에 따라 레귤레이터는 어댑터 출력 전압을 전압 스텝(예컨대, V_{BUS_MIN_STEP})만큼 증가시킨다. 제어기는 이어서 증분 루프 페이즈(908)로 이동한다.

증분 루프 페이즈(908)의 블록(922)에서, 제어기는 슬립 모드에 진입하도록 구성된다. 이것은 제어기가 인터럽트 신호를 수신하거나 제어기가 미리 결정된 기간의 시간 동안 슬립 모드에 있을 때까지 제어기가 어댑터가 그의 출력 전압을 수정할 것을 요청하지 않는다는 것을 의미한다.

블록(924)에서, 제어기가 슬립 모드로부터 웨이크 업할 때, 제어기는, 제어기가 인터럽트 신호를 수신했는지(예컨대, 인터럽트 신호(MODE_CHANGE_INT)가 어써트되는지)의 여부를 결정하도록 구성된다. 제어기가 인터럽트 신호를 수신하지 않았으면, 블록(926)에서, 제어기는 어댑터 출력 전압이 증가되어야 하는지의 여부를 결정하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제어기는, 제어기에 의해 생성될 수 있는 VIN_INC_INT라고 불리는 다른 인터럽트 신호를 분석함으로써, 어댑터 출력 전압(V_BUS)이 증가되어야 하는지의 여부를 결정하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 제어기는, 어댑터 출력 전압과 (변환 인자) x (배터리 전압)을 비교함으로써, 어댑터 출력 전압(V_BUS)이 증가되어야 하는지의 여부를 결정하도록 구성된다.

제어기가, 어댑터 출력 전압이 증가될 필요가 없다고 결정할 때, 제어기는 블록(922)에서 슬립 모드로 복귀한다. 제어기가, 어댑터 출력 전압이 증가되어야 한다고 결정할 때, 블록(928)에서, 제어기는 출력 전압(V_BUS)을 전압 스텝(예컨대, V_{BUS_MIN_STEP})만큼 증가시키라는 요청을 어댑터에 전송한다.

블록(930)에서, 제어기는, 예를 들어, 상태 신호(MODE_STS)를 분석함으로써 레귤레이터의 현재 변환 모드를 결정하도록 구성된다. 레귤레이터(1006)가 S2 변환 모드(SC2)에 있으면, 제어기는 블록(922)에서 슬립 모드로 복귀한다. 레귤레이터가 H21 변환 모드(H21) 또는 S1 변환 모드(SC1)와 같은 하위 모드에 있으면, 제어기는 레귤레이터가 S2 변환 모드에서 동작할 때까지 어댑터가 출력 전압을 V_{BUS_MIN_STEP}만큼 증가시킬 것을 요청하도록 구성된다.

블록(924)으로 돌아가서, 변환 모드가 변경되어야 한다는 것을 나타내는 인터럽트 신호를 제어기가 수신했다면, 제어기는, 예를 들어, 블록(912)에서 상태 신호(MODE_STS)를 분석함으로써 현재 변환 모드를 결정하도록 구성된다.

현재 변환 모드가, H21 변환 모드 또는 S1 변환 모드와 같이, S2 변환 모드보다 하위이면, 제어기는 블록(928)을 수행한다. 현재 변환 모드가, H32 변환 모드 또는 SC3 변환 모드와 같이, S2 변환 모드보다 상위이면, 제어기는 2개의 옵션 중 하나를 수행할 수 있다. 첫 번째 옵션은, 전압 레귤레이터 시스템이, 블록(922)으로 이동함으로써 현재 모드에서 머무르고, 전압 레귤레이터 시스템이 S2 변환 모드에서 동작하는 지점까지 배터리 전압이 증가하기를 기다리는 것이다. 두 번째 옵션은 레귤레이터가 S2 변환 모드에 보다 신속하게 진입할 수 있도록 감분 루프 페이즈(906)의 블록(920)으로 가서 어댑터 출력 전압을 V_{BUS_MIN_STEP}만큼 감소시키는 것이다.

도 9는 레귤레이터가 S2 변환 모드(SC2)에서(예컨대, 2의 변환 인자에서) 최대 효율에 도달하는 실시예를 예시하지만, 이 동작은 레귤레이터가 S_N 변환 모드에서 최대 효율에 도달하는 경우에서 사용될 수 있다. 그 경우에, S1, H21, H32, S3은, 제각기, S(N-1), H_N(N-1), H_(N+1)N, S_(N+1) 변환 모드로 변경될 수 있다. 이 경우에, 레귤레이터가 충전 사이클에 걸쳐 가능한 한 오랫동안 S_N 변환 모드에서 머무르도록, 제어기는 어댑터 출력 전압(V_BUS)을 조정하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 레귤레이터가 하이브리드 레귤레이터일 때, 레귤레이터가 가능한 한 오랫동안 스위치드 커패시터 변환 모드(예컨대, S2, S3, ... S_N)에서 머무르도록, 제어기는 어댑터 출력 전압을 조정하도록 구성될 수 있으며, 여기서 N은 1보다 큰 정수이다. 스위치드 커패시터 변환 모드가 하이브리드 변환 모드보다 유리할 수 있는데, 그 이유는 스위치드 커패시터 변환 모드에서의 레귤레이터의 효율이 하이브리드 변환 모드에서의 레귤레이터의 효율보다 더 높을 수 있기 때문이다.

도 11을 살펴보면, 모바일 디바이스를 충전하기 위한 일반적인 무선 충전기 시스템의 예가 도시되어 있다. 도 1에 도시되고 도 1과 관련하여 설명된 것과 같이, 도 11의 시스템은 모바일 디바이스(102), 레귤레이터(104), 및 전원 콘센트(110)를 포함한다. 그렇지만, 도 1과 달리, 도 11의 시스템은 무선 충전 송신기(1112) 및 무선 충전 수신기(1114)를 포함한다. 동작 동안, 무선 충전 송신기(1112)는 전력을 무선 충전 수신기(1114)에 무선 송신한다. 이 무선 송신은, 송신기와 수신기 사이의 유도성 커플링(inductive coupling)을 사용하는 것에 의해서와 같은, 임의의 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 무선 송신은 도 11에서 라인(1116)에 의해 예시되어 있다.

도 12는 일부 실시예에 따른 모바일 디바이스를 충전하기 위한 무선 충전기 시스템의 예를 예시한다. 도 10에 도시되고 도 10과 관련하여 설명된 것과 같이, 도 11의 시스템은 전원 콘센트(110), 전압 레귤레이터 시스템(1002), 및 배터리(106)를 포함한다. 전원 콘센트(110), 전압 레귤레이터 시스템(1002), 및 배터리(106)는, 위에서 설명된 것과 유사하게, 구현될 수 있고 거동할 수 있다. 도 10에서의 것과 달리, 도 12에 도시된 무선 충전 시스템은 어댑터(108)를 사용하지 않고, 그 대신에 무선 충전 송신기(1212) 및 무선 충전 수신기(1214)를 사용한다.

일부 실시예에서, 무선 충전 송신기(1212)는 (도 12에서 라인(1216)에 의해 나타내어진) 자기장을 생성하기 위해 (주어진 진폭 및 주어진 주파수를 갖는) AC 전압을 사용하여 송신기에 의해 통전(energize)되는 인덕터 코일을 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 무선 충전 수신기(1214)는 이 자기장 내에 위치되는 인덕터 코일을 포함할 수 있으며, 그 결과 자기장에 의해 수신기의 도체 코일에 유도되는 전류 및 수신기의 도체 코일에 걸쳐 생성되는 AC 전압으로서 전력이 수신된다. DC 전압으로서의 V_BUS 출력을 생성하기 위해, 수신기는 수신기의 인덕터 코일 상의 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 정류기를 포함할 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이 어댑터(108)에 의해 수행되는 것처럼, 일부 실시예에서, (예컨대, 레귤레이터(1006)가 SC 레귤레이터일 때) 레귤레이터(1006)의 요구되는 변환비와 매칭시키기 위해 V_BUS를 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예에서, 그렇게 하기 위해, 일단 수신기의 AC 전압이 정류되면, 결과적인 DC 전압이, 요구되는 전압(V_BUS)이도록 하기 위하여, 무선 충전 수신기의 인덕터 코일 상의 AC 전압의 진폭 및 주파수가 주어진 값을 갖도록, 무선 충전 송신기의 인덕터 코일을 통전시키는 데 사용되는 AC 전압의 진폭 및 주파수가 제어될 수 있다.

송신기의 AC 전압의 진폭 및 주파수를 제어하기 위해, 제어기(1004)는 하나 이상의 무선 제어 신호를 무선 충전 송신기에 전송할 수 있다. 이들 무선 제어 신호는 임의의 적합한 메커니즘을 사용하여 송신될 수 있다. 예를 들어, 이들 제어 신호는 무선 충전 수신기에 의해 무선 충전 송신기에 송신될 수 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어, 무선 충전 수신기는 후방 산란 변조(backscatter modulation) 또는 임의의 다른 적합한 무선 신호를 사용하여 제어 신호를 무선 충전 송신기에 송신할 수 있다. 그러한 후방 산란 변조는 무선 충전 수신기가 무선 충전 송신기로부터 충전 신호를 수신하는 데 사용하는 인덕터를 통해 인출된 전류를 무선 충전 수신기가 변조하는 것 - 이는 충전 신호를 송신하기 위해 무선 충전 송신기에 의해 사용되는 인덕터에서의 전류를 변조함 - 에 의해, 그리고 무선 충전 송신기가 그의 인덕터에서의 전류 변조를 검출, 복조 및 디코딩하여, 수신된 제어 신호를 생성하는 것에 의해 동작할 수 있다. 임의의 적합한 정보 신호(즉, 충전 신호만이 아닌 신호)가 이러한 방식으로 수신기로부터 송신기에 송신될 수 있다. 일부 실시예에서, 무선 충전 송신기는, 수신기의 인덕터에서의 전류가 변조되도록 송신기의 인덕터에서의 전류를 변조함으로써 유사한 방식으로 하나 이상의 정보 신호를 무선 충전 수신기에 전송할 수 있으며, 이 정보 신호는 이어서 수신기에서 검출, 복조, 및 디코딩되어, 수신된 정보 신호를 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 무선 충전 시스템은 도 13의 예에 도시된 바와 같이 유선 및 무선 충전 둘 다를 할 수 있다. 예시된 바와 같이, 모바일 디바이스는 어댑터 포트(1302) 및 무선 충전 수신기(1214) 둘 다에 커플링된 전압 레귤레이터 시스템(1002)을 가질 수 있다. 전압 레귤레이터 시스템(1002)은, 임의의 적합한 방식으로, 예를 들어 하나 이상의 스위치에 의한 방식, 멀티플렉서에 의한 방식 등으로, 어댑터 포트(1302) 및 무선 충전 수신기(1214) 둘 다에 커플링될 수 있다. 모바일 디바이스를 충전하기 위해, 사용자는, 도시되지 않은 전원 콘센트로부터 전력을 수신할 수 있는 어댑터(108)에 어댑터 포트(1302)를 접속시킬 수 있다. 대안적으로, 사용자는 모바일 디바이스의 무선 충전 수신기 내의 인덕터가, 도시되지 않은 전원 콘센트로부터 전력을 수신할 수 있는 무선 충전 송신기(1212)에 의해 생성된 자기장 내에 있도록 모바일 디바이스를 위치시킬 수 있다.

도 13의 모바일 디바이스가 어댑터(108)에 접속되어 있는지 또는 송신기(1212)의 자기장 내에 위치되는지의 여부에 따라, 전압 레귤레이터 시스템은 (예컨대, 제어기(1004)를 사용하여), (전압(V_BUS)을 수신하는) 레귤레이터(1006)에 대한 입력부가 하나 이상의 스위치를 사용하여 어댑터의 출력부 또는 무선 충전 수신기의 출력부에 접속되도록 설정할 수 있다. 제어기는 이어서 위에서 설명된 바와 같이 어댑터 또는 무선 충전 수신기에 의해 출력되는 바와 같은 V_BUS를 제어할 수 있다.

유선 및 무선 충전을 위해 2개의 개별 전압 레귤레이터 시스템을 사용하는 것과 비교하여, 어느 하나에 접속될 수 있는 단일 전압 레귤레이터 시스템을 사용하는 것은 전체 시스템 BOM(Bill of Materials) 및 비용을 감소시킨다. 이는, 유선 충전에 사용되는 SC 레귤레이터가, 무선 충전에 사용되는 SC 레귤레이터와는 상이한 N:M SC 비율로 동작할 필요가 있을 때에도 가능하다. 예를 들어, 유선 충전 시스템은 3:1 SC 레귤레이터(V_BUS가 3x V_BAT에 가까움)에 최적화될 수 있는 반면, 무선 충전 시스템은 4:1 SC 레귤레이터(V_BUS가 4x V_BAT에 가까움)에 최적화될 수 있다. 개별 3:1 SC 레귤레이터와 개별 4:1 SC 레귤레이터를 사용하는 대신에, 3:1 및 4:1 둘 다를 지원하는 단일의 재구성가능 SC 레귤레이터가 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 도 10에 도시된 전압 레귤레이터 시스템(1002)과 같은, 전압 레귤레이터 시스템은 단일 칩으로서 구현될 수 있다. 단일 칩은 본 명세서에 개시된 바와 같은 제어기 및 레귤레이터 둘 다를 포함하는 단일 다이를 포함할 수 있다. 단일 칩은 2개 이상의 다이를 포함할 수 있고, 하나의 다이는 제어기를 포함하고 다른 다이는 레귤레이터를 포함한다. 다른 실시예에서, 전압 레귤레이터 시스템은 2개 이상의 칩을 포함할 수 있고, 하나의 칩은 제어기를 포함하고 다른 칩은 레귤레이터를 포함한다.

일부 실시예에서, 도 10에 도시된 제어기(1004)와 같은 제어기는 하드웨어 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어 애플리케이션으로서 구현될 수 있다. 소프트웨어 애플리케이션은 메모리에 저장될 수 있다. 메모리는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체, 플래시 메모리, 자기 디스크 드라이브, 광학 드라이브, PROM(programmable read-only memory), ROM(read-only memory), 또는 임의의 다른 메모리 또는 메모리들의 조합일 수 있다. 소프트웨어는 컴퓨터 명령어 또는 컴퓨터 코드를 실행할 수 있는 하드웨어 프로세서 상에서 실행될 수 있다. 하드웨어 프로세서는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC(application specific integrated circuit), PLA(programmable logic array), FPGA(field programmable gate array), 또는 임의의 다른 적합한 회로와 같은 임의의 적합한 하드웨어로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 ASIC(application specific integrated circuit), PLA(programmable logic array), FPGA(field programmable gate array), 또는 임의의 다른 적합한 회로를 사용하여 하드웨어로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 Verilog, VHDL, 및 Bluespec을 포함한 하드웨어 프로그래밍 언어를 사용하여 합성될 수 있다.

이에 따라, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용의 기초가 되는 개념이, 개시된 주제의 몇 개의 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 장치, 시스템, 및 방법의 설계를 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 그러한 등가의 구성이, 개시된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한, 청구범위는 그러한 등가의 구성을 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.

개시된 주제가 전술한 예시적인 실시예에서 설명되고 예시되었지만, 본 개시내용은 단지 예로서 이루어졌다는 것과, 이하의 청구범위에 의해서만 제한되는 개시된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 개시된 주제의 구현의 세부사항의 수많은 변경이 이루어질 수 있음이 이해된다.

Claims

배터리를 충전하기 위한 시스템으로서,
상기 배터리에 커플링된 출력부를 가지며, 입력부를 갖는 레귤레이터;
상기 레귤레이터의 입력부에 커플링된 출력부를 가지며, 무선 충전 송신기로부터 전력 신호를 수신하는 입력부를 갖는 무선 충전 수신기;
상기 레귤레이터의 입력부에 커플링된 제1 입력부를 가지며, 상기 레귤레이터의 출력부에 커플링된 제2 입력부를 가지며, 상기 무선 충전 송신기에 커플링된 제1 출력부를 갖는 제어기 - 상기 제어기는, 상기 제어기의 제1 출력부를 사용하여, 상기 무선 충전 송신기로 하여금 상기 무선 충전 수신기에 제공되는 상기 전력 신호를 변경하게 하는 제어 신호를, 상기 무선 충전 송신기에 전송하도록 구성됨 -
를 포함하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 신호는, 상기 무선 충전 송신기로 하여금, 상기 무선 충전 수신기의 인덕터에 유도적으로 커플링되는 상기 무선 충전 송신기의 인덕터 상의 AC 전압의 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 변경하게 하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 신호는, 상기 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이 변경되게 하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 신호는, 상기 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이 스텝 양(step amount)만큼 증가되게 하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 신호는, 상기 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이 스텝 양만큼 감소되게 하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 레귤레이터는 스위치드 커패시터 레귤레이터(switched capacitor regulator)를 포함하며, 상기 제어 신호는, 상기 무선 충전 수신기의 출력부에 의해 출력되는 전압이, 상기 레귤레이터의 출력부에 의해 출력되는 전압의 정수배인 전압으로 변경되게 하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 입력부에서 제1 측정 전압을 측정하고 상기 제2 입력부에서 제2 측정 전압을 측정하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제7항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 측정 전압 대 상기 제2 측정 전압의 비율에 기초하여 상기 제어 신호를 전송하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제8항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 비율이 어떤 값보다 더 큰 것에 기초하여 상기 제어 신호를 전송하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제9항에 있어서, 상기 값은, 상기 레귤레이터의 변환 인자(conversion factor)를 초과하는지에 관한 문턱치인, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 레귤레이터로 하여금 모드를 스위칭하게 하는, 상기 레귤레이터에 커플링된 제2 출력부를 갖는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제11항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 레귤레이터로 하여금 상기 레귤레이터의 제1 변환 모드로부터 상기 레귤레이터의 제2 변환 모드로 변경하게 하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제12항에 있어서, 상기 레귤레이터의 제1 변환 모드는 상기 레귤레이터의 제2 변환 모드와는 상이한 변환 인자를 갖는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기의 제1 출력부는 상기 무선 충전 송신기에 무선으로 커플링되는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기의 제1 출력부는 상기 무선 충전 수신기를 사용하여 상기 무선 충전 송신기에 무선으로 커플링되는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 레귤레이터의 입력부는 또한, 유선 충전 어댑터에 커플링되도록 구성된 어댑터 포트에 커플링되는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제16항에 있어서, 상기 제어기는 상기 어댑터 포트에 유선 충전 어댑터가 커플링되어 있는지의 여부를 결정하고, 상기 제어기가, 상기 어댑터 포트에 유선 충전 어댑터가 커플링되어 있다고 결정할 때, 상기 제어기는, 상기 유선 충전 어댑터에 의해 제공되는 출력 전압을 제어하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제16항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 유선 충전 어댑터에 의해 제공되는 출력 전압이, 상기 레귤레이터의 출력부에 제공되는 전압의 정수배이도록 제어하는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제16항에 있어서, 상기 레귤레이터의 입력부는 스위치에 의해 상기 무선 충전 수신기에 커플링되는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.
제16항에 있어서, 상기 레귤레이터의 입력부는 스위치에 의해 상기 어댑터 포트에 커플링되는, 배터리를 충전하기 위한 시스템.