KR20200099446A - 벅 컨버터 - Google Patents

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KR20200099446A
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Abstract

본 발명은 벅 컨버터에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터는, 구동신호에 의해 입력전압을 출력전압으로 변환하는 전압 변환부, 상기 출력전압으로부터 정의되는 피드백 신호를 입력받아 오차 보상신호를 생성하는 보상부, 부하 과도(load transient) 발생 시, 램프 바이어스 전압을 조절하여 램프신호를 생성하는 적응 램프 제어부, 상기 램프 신호 및 상기 오차 보상신호를 이용하여 상기 출력전압을 조절하는 출력 전압 제어부를 포함한다.

Description

벅 컨버터{BUCK CONVERTER}
본 발명은 벅 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하 과도(load transient) 발생 시 램프 신호의 파형을 에러 증폭기(error amplifier)의 출력의 모양을 트래킹(tracking) 하도록 변경하여 full duty를 제공함으로써, 언더슛/오버슛을 줄일 수 있고, 모드 전환시 응답속도를 줄일 수 있는 벅 컨버터에 관한 것이다.
전압 조정은 예컨대 디지털 IC, 반도체 메모리, 디스플레이 모듈, 하드 디스크 드라이브, RF 회로, 마이크로 프로세서, 디지털 신호처리기 및 아날로그 IC와 같은 다양한 마이크로 소자에서, 특히 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 소비자 제품과 같은 배터리를 사용하는 응용에서 공급 전압의 변동(variations)을 방지하는데 흔히 요구된다.
제품의 배터리 또는 DC 입력 전압은 종종 더 높은 DC 전압으로 승압되거나, 더 낮은 DC 전압으로 감압되어야 하기 때문에, 이러한 조정기(regulator)는 DC-DC 변환기라고 한다. 흔히 부스트 변환기(boost converter)라고 하는 승압 변환기는 배터리 전압이 부하에 전력을 공급하는데 필요한 전압보다 낮은 경우에 필요하다. 승압 변환기는 유도성 스위칭 조정기나 용량성 전하 펌프를 포함할 수도 있다. 이에 반해, 흔히 벅 변환기(buck converter)라고 하는 감압 변환기는 배터리 전압이 원하는 부하 전압보다 높을 때 사용된다. 감압 변환기(stepdown converter)는 유도성 스위칭 조정기, 용량성 전하 펌프, 및 선형 조정기를 포함할 수도 있다.
이상의 벅 변환기에 있어서 응답 특성을 향상시키는 위한 다양한 시도들이 연구되고 있다.
한편, PWM 벅 컨버터는 LC필터를 사용하기 complex poles 이 발생하며 이를 보상하기 위해 Type-3 보상회로를 사용한다. 하지만 Type-3 보상회로에서는 고주파 경로에 사용되는 대역폭의 필터링에는 큰 capacitor가 필요하다. 이렇게 큰 capacitor를 사용함에 따라서 슬립모드에서 활성모드로 전환하거나 역으로 전환시 언더슛/오버슛이 크게 발생하고 응답속도가 느리게 반응하는 단점이 있다.
이에, PWM 벅 컨버터에 사용되는 Type-3의 단점인 언더슛/오버슛을 줄이고, 모드 전환시 응답속도를 줄일 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
이와 관련 선행기술로는 대한민국등록특허 제10-1574300호(발명의 명칭: 벅 컨버터)가 있다.
본 발명의 목적은 PWM 벅 컨버터에 사용되는 Type-3의 단점인 언더슛/오버슛을 줄이고, 모드 전환시 응답속도를 줄일 수 있는 벅 컨버터를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터는, 구동신호에 의해 입력전압을 출력전압으로 변환하는 전압 변환부, 상기 출력전압으로부터 정의되는 피드백 신호를 입력받아 오차 보상신호를 생성하는 보상부, 부하 과도(load transient) 발생 시, 램프 바이어스 전압을 조절하여 램프신호를 생성하는 적응 램프 제어부, 상기 램프 신호 및 상기 오차 보상신호를 이용하여 상기 출력전압을 조절하는 출력 전압 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전압 변환부는, 적어도 하나의 스위치 트랜지스터로 구성된 스위칭부, 상기 스위칭부로부터 전류를 공급받아 출력전압을 생성하는 필터부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 적응 램프 제어부는, 부하 과도 발생 시, 램프 바이어스 전압을 조절하여 램프 신호의 파형이 상기 보상부의 출력 파형 모양을 트래킹(tracking) 하도록 램프 신호를 생성한다.
바람직하게는, 상기 적응 램프 제어부는, 상기 출력 전압과 기준 전압의 차이에 기초하여 부하 과도 상태를 판단하고, 그 판단결과에 따른 과도 상태 신호를 출력하는 과도 검출기, 부하 과도 상태 발생 시, 상기 오차 보상신호에 기초하여 램프 바이어스 전압을 조절하는 램프 바이어스 발생기, 상기 과도 상태 신호 수신 시, 상기 램프 바이어스 발생기에서 생성된 램프 바이어스 전압을 선택하는 램프 바이어스 선택기, 상기 선택된 램프 바이어스 전압에 기초하여 상기 오차 보상신호를 트래킹하는 램프신호를 생성하는 램프 발생기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 과도 검출기는 상기 출력신호와 기준 신호 사이의 차이를 증폭하여 증폭 신호(VCON)를 생성하는 증폭기, 상기 증폭 신호를 오버 임계 바이어스 전압(VB_over) 또는 언더 임계 바이어스 전압(VB_under)과 비교하여 오버슛 과도 감지 신호(TD_A) 또는 언더슛 과도 감지 신호(TD_B)를 생성하는 제1 및 제2 비교기, 상기 제1 및 제2 비교기의 출력을 통해 과도 상태 발생 여부를 결정하는 오아 게이트를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 비교기는 상기 증폭 신호가 상기 오버 임계 바이어스 전압(VB_over)보다 높은 경우, 오버슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력하고, 상기 오아 게이트는 제1 비교기가 오버슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력한 경우, 과도 상태 신호를 하이로 출력할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 비교기는 상기 증폭 신호가 상기 언더 임계 바이어스 전압(VB_under)보다 작은 경우, 언더슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력하고, 상기 오아 게이트는 제2 비교기가 언더슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력한 경우 과도 상태 신호를 하이로 출력할 수 있다.
바람직하게는, 상기 램프 바이어스 발생기는, 오버슛 발생 시, 상기 오차 보상신호를 레벨 쉬프트하여 제1 상위 램프 바이어스 전압 및 제1 하위 램프 바이어스 전압을 생성하는 제1 레벨 쉬프터, 언더슛 발생 시, 상기 오차 보상신호를 레벨 쉬프트하여 제2 상위 램프 바이어스 전압 및 제2 하위 램프 바이어스 전압을 생성하는 제2 레벨 쉬프터를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 램프 바이어스 선택기는, 오버슛이 발생한 경우, 제1 상위 램프 바이어스 전압과 제1 하위 램프 바이어스 전압을 램프 바이어스 전압으로 선택하고, 언더슛이 발생한 경우, 제2 상위 램프 바이어스 전압과 제2 하위 램프 바이어스 전압을 램프 바이어스 전압으로 선택할 수 있다.
바람직하게는, 상기 램프 발생기는, 바이어스 전류(IBIAS)가 흐르는 커패시터(CRAMP), 상기 바이어스 전류에 의한 램프 신호(VRAMP)의 전압이 상승하여 램프 바이어스 선택기에서 선택된 상위 바이어스 전압(VH)으로 상승 시, 리셋 신호를 출력하고, 상기 램프 신호의 전압이 하강하여 상기 램프 바이어스 선택기에서 선택된 하위 바이어스 전압(VL)으로 하강 시, 리셋 신호를 오프시키는 SR 래치, 상기 리셋 신호에 의해 턴온되어 상기 램프 신호의 전압을 하강시키고, 상기 리셋 신호의 오프 시, 턴오프되어 상기 램프 신호의 전압을 상승시켜, 램프 신호가 출력되도록 하는 리셋 트랜지스터(MRESET)를 포함하되, 상기 램프 신호는 오차 보상신호에 대응하는 모양의 신호일 수 있다.
본 발명에 따르면, PWM 벅 컨버터에 active ramp tracking control 방식을 사용함으로써, 언더슛/오버슛을 줄일 수 있고, 모드 전환시 응답속도를 줄일 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도 검출기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 바이어스 발생기 및 램프 바이어스 선택기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 발생기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호를 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 종래의 PWM 벅 컨버터의 동작 파형과 본 발명의 PWM 벅 컨버터의 동작 파형을 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 active ramp tracking control 기술이 언더슛/오버슛의 크기와 응답 속도의 향상을 검증하기 위하여 종래 기술과 비교한 실험 결과 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 load current의 transient step size에 따른 측정파형이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터(100)는 전압 변환부(110), 보상부(130), 적응 램프 제어부(150), 출력 전압 제어부(170)를 포함한다.
전압 변환부(110)는 구동신호에 의해 입력전압을 출력전압으로 변환한다. 이러한 전압 변환부(110)는 스위칭부(115), 필터부(120)를 포함한다.
스위칭부(115)는 게이트 구동부(175)에서 생성된 구동신호에 따라 입력전압에 의해 출력전압(VOUT)이 생성되도록 필터부(120)에 전류를 공급하는 스위치를 제어한다.
스위칭부(115)는 적어도 하나의 스위치 트랜지스터를 포함한다. 즉, 스위칭부(115)는 스위치 트랜지스터로, 예를 들어 PMOS 파워 트랜지스터(Mp)(111)와 NMOS 파워 트랜지스터(MN)(113)를 포함할 수 있다. 스위칭부(115)는 P-type 트랜지스터(Mp)(111)의 게이트 단자에 인가되는 게이트 전압(Vp) 및 N-type 트랜지스터(MN)(113)의 게이트 단자에 인가되는 게이트 전압(VN)에 따라 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 변환한다.
스위칭부(115)는 예를 들면, PWM 신호가 하이 신호인 경우, 구동신호에 의해 PMOS 파워 트랜지스터(111)를 온(on)시키고, NMOS 파워 트랜지스터(113)를 오프(off)할 수 있다. 또한, 스위칭부(115)는 예를 들면, PWM 신호가 로우 신호인 경우, PMOS 파워 트랜지스터(111)를 오프(off) 시키고, NMOS 파워 트랜지스터(113)를 온(on) 시킬 수 있다.
필터부(120)는 스위칭부(115)로부터 전류를 공급받아 출력전압을 생성하는 구성으로, 일단이 스위칭부(115)에 연결된 인덕터(L)(121), 인덕터(L)(121)의 타단에 직렬로 연결된 커패시터(C)(123)를 포함할 수 있다. 전류원(Iload)(125)은 부하 전류의 모델링일 수 있다.
보상부(130)는 타입-3 보상 네트워크(Type-3 Compensation Network)로, 미리 설정된 기준전압(VREF)과 출력전압(VOUT)의 차이 값을 증폭하여 오차 보상신호를 출력한다. 이때, 보상부(130)는 에러 증폭기(error amplifier)로 칭할 수 있다.
보상부(130)는 오차 신호에 따라 오차를 보상하기 위한 보상신호를 출력한다.
적응 램프 제어부(active ramp tracking control)(150)는 부하 과도 발생 시, 램프 바이어스 전압을 제어하여 램프신호를 생성한다. 즉, 램프 파형 제어부(150)는 부하 과도(load transient) 구간에서 램프 신호(VRAMP)의 파형이 보상부(130)의 출력 파형 모양을 tracking 하도록 변경하여 full duty를 제공한다.
구체적으로, 적응 램프 제어부(150)는 부하 전류(load current)가 갑자기 증가하여 출력전압에 언더슛(under shoot)가 발생할 때, 램프 신호(VRAMP)의 파형을 보상부(130)의 출력전압인 오차 보상신호(VEA)에 따라가면서 값이 작은 모양을 제공해 줌으로써 PWM 신호(VPWM)에 full duty를 제공한다. 반대로 부하 전류(load current)가 갑자기 감소하여 오버슛(over shoot)이 생길때는 램프신호(VRAMP)의 파형을 오차 보상신호(VEA)의 모양을 따라가면서 큰 전압을 제공함으로써 PWM 신호(VPWM)에 full duty를 제공한다. 이로 인해 종래의 벅 컨버터 대비 작은 언더슛/오버슛을 가지며 빠른 응답속도를 가진다.
이러한 적응 램프 제어부(150)는 램프 발생기(ramp generator)(157), 과도 검출기(transient detector)(151), 램프 바이어스 발생기(ramp bias generator)(153), 램프 바이어스 선택기(ramp bias selector)(155)를 포함한다.
과도 검출기(151)는 출력 전압과 기준 전압의 차이에 기초하여 부하 과도 상태를 판단하고, 그 판단결과에 따른 과도 상태 신호를 출력한다. 과도 검출기(151)에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하기로 한다.
램프 바이어스 발생기(153)는 부하 과도 상태 발생 시, 오차 보상신호에 기초하여 램프 바이어스 전압을 생성한다. 램프 바이어스 발생기(153)에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하기로 한다.
램프 바이어스 선택기(155)는 과도 상태 신호 수신 시, 램프 바이어스 발생기(153)에서 생성된 램프 바이어스 전압을 선택한다. 램프 바이어스 선택기(155)에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하기로 한다.
램프 발생기(157)는 램프 바이어스 선택기(155)에서 선택된 램프 바이어스 전압에 기초하여 오차 보상신호를 트래킹(tracking)하는 램프신호를 생성한다. 램프 발생기(157)에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하기로 한다.
출력 전압 제어부(170)는 램프 신호 및 오차 보상신호를 이용하여 출력전압을 조절한다. 출력 전압 제어부(170)는 비교기(comparator)(171), 데드 타임 제어기(dead time controller) 및 제로 전류 검출기(zero current detector)(173), 게이트 드라이버(gate driver)(175)를 포함한다.
비교기(171)는 적응 램프 제어부(150)로부터 발생된 램프 신호와 보상부(130)에서 출력된 오차 보상신호를 비교하고, 그 비교 결과를 가지는 PWM 신호를 출력한다.
데드 타임 제어기 및 제로 전류 검출기(173), 게이트 드라이버(175)는 종래 벅 컨버터에 포함되는 구성으로, 기능이 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도 검출기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과도 검출기(200)는 증폭기(210), 제1 비교기(220), 제2 비교기(230), 오아 게이트(240)를 포함한다.
증폭기(210)는 출력신호와 기준 신호 사이의 차이를 증폭하여 증폭 신호(VCON)를 생성한다.
제1 및 제2 비교기(220, 230)는 증폭기(210)에서 증폭된 증폭신호를 오버 임계 바이어스 전압(VB_over) 및 언더 임계 바이어스 전압(VB_under)과 비교하여 오버슛 과도 감지 신호(TD_A) 및 언더슛 과도 감지 신호(TD_B)를 생성한다. 즉, 제1 비교기(220)는 증폭 신호가 오버 임계 바이어스 전압(VB_over)보다 높은 경우, 오버슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력하고, 제2 비교기(230)는 증폭 신호가 언더 임계 바이어스 전압(VB_under)보다 작은 경우, 언더슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력한다.
오아 게이트(240)는 제1 및 제2 비교기(220, 230)의 출력을 통해 과도 상태 발생 여부를 결정한다. 즉, 오아 게이트(240)는 제1 비교기(220)가 오버 슈트 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력한 경우, 과도 상태 신호를 하이로 출력하고, 제2 비교기(230)가 언더 슈트 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력한 경우 과도 상태 신호를 하이로 출력한다.
이하, 상기와 같이 구성된 과도 검출기(200)의 동작에 대해 설명하기로 한다.
증폭 신호(VCON)는 Vout과 VREF 사이의 차이를 증폭하는 증폭기(210)를 통해 생성된다. 부하 전류(load current)가 갑자기 증가 또는 감소하게 되면 출력전압이 흔들리게 되어 VCON이 흔들리게 된다. 증폭 신호(VCON)의 전압은 제1 및 제2 비교기(220, 230)를 통해 VB_over 및 VB_under와 비교하여 TD_A 및 TD_B를 생성하고, OR 게이트(240)를 통해 부하 과도(load transient)가 발생했는지 여부를 결정한다.
도 2의 (b)를 참조하면, 기존 대기 상태(steady state)에서는 TD_A, TD_B 모두 low 값이므로, 과도 상태 신호(Tran_sel) 값도 low가 된다. 언더슛이 발생하여 VCON이 바이어스 전압 VB_under보다 작아지면 TD_B값이 high가 되어 과도 상태 신호(Tran_sel)값은 high가 된다. 오버슛이 발생하면 TD_A값이 high가 되어 과도 상태 신호(Tran_sel)값은 high가 된다.
상기와 같이 구성된 과도 검출기(200)를 통해 부하 과도(load transient)상황이 발생하였는지 감지하고, 언더슛인지 오버슛인지를 감지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 바이어스 발생기 및 램프 바이어스 선택기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 바이어스 발생기(300)는 제1 레벨 쉬프터(310), 제2 레벨 쉬프터(320)를 포함한다.
제1 레벨 쉬프터(310)는 오버슛 발생 시, 오차 보상신호를 레벨 쉬프트하여 제1 상위 램프 바이어스 전압 및 제1 하위 램프 바이어스 전압을 생성한다.
제2 레벨 쉬프터(320)는 언더슛 발생 시, 오차 보상신호를 레벨 쉬프트하여 제2 상위 램프 바이어스 전압 및 제2 하위 램프 바이어스 전압을 생성한다.
램프 바이어스 발생기(300)는 에러 증폭기(error amplifier)의 출력전압을 level shifter를 이용하여 램프 바이어스 전압을 생성한다.
램프 바이어스 선택기(350)는 부하 과도(load transient) 상황이 발생하는 경우 램프 발생기(300)에 사용되는 램프 바이어스 전압(VH, VL)을 선택하는 구성이다.
램프 바이어스 선택기(350)에 대해 도 3의 (b)를 참조하면, 램프 바이어스 선택기(350)는 기존 steady state에서는 기존 바이어스 전압인 VH_steady, VL_steady를 사용한다. 램프 바이어스 선택기(350)는 오버슛이 발생한 경우, 제1 상위 램프 바이어스 전압과 제1 하위 램프 바이어스 전압을 램프 바이어스 전압으로 선택하고, 언더슛이 발생한 경우, 제2 상위 램프 바이어스 전압과 제2 하위 램프 바이어스 전압을 램프 바이어스 전압으로 선택한다. 즉, 오버슛이 발생하면 되면 VRAMP신호는 VEA보다 작은 값을 가져야 하므로, 제1 상위 램프 바이어스 전압(VH_over), 1 하위 램프 바이어스 전압(VL_over)의 값을 사용한다. 언더슛이 발생하게 되면 VRAMP신호는 VEA보다 작은 값을 가져야하므로 VH_under(제2 상위 램프 바이어스 전압), VL_under(제2 하위 램프 바이어스 전압)의 값을 사용한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 발생기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 발생기(400)는 바이어스 전류(IBIAS)가 흐르는 커패시터(CRAMP)(410), SR 래치(420), 리셋 트랜지스터(MRESET)(430)를 포함한다.
SR 래치(420)는 바이어스 전류에 의한 램프 신호(VRAMP)의 전압이 상승하여 램프 바이어스 선택기에서 선택된 상위 바이어스 전압(VH)으로 상승 시, 리셋 신호를 출력하고, 램프 신호의 전압이 하강하여 하위 바이어스 전압(VL)으로 하강 시, 리셋 신호를 오프시킨다.
리셋 트랜지스터(430)는 리셋 신호에 의해 턴온되어 램프 신호의 전압을 하강시키고, 리셋 신호의 오프 시, 턴오프되어 램프 신호의 전압을 상승시켜, 램프 신호가 출력되도록 한다.
이하, 상기와 같이 구성된 램프 발생기(400)의 동작에 대해 설명하기로 한다.
바이어스 전류 IBIAS가 CRAMP로 흐르고 VRAMP의 전압이 상승한다. VRAMP의 전압이 VH로 상승할 때, SR 래치(420)에서 리셋 신호가 발생되어 MRESET(430)를 턴 온시킨다.　MRESET(430)가 켜지면 CRAMP의 전하가 방전되어 VRAMP 전압이 떨어진다. VRAMP 전압이 VL로 떨어지면, SR 래치(420)에서 리셋 신호가 꺼지고 MRESET(430)가 꺼진다. 따라서, VRAMP 전압은 다시 상승하여 램프 파형을 만든다. 전류가 일정한 구간에서는 종래의 VRAMP파형과 같은 파형을 만들어 준다. Load current가 갑자기 변하게 되어 출력전압이 어느 일정 값이상 변하게 되면, VH, VL, MRESET의 게이트전압의 바이어스 값을 조절함으로써 VEA의 모양을 따라가는 VRAMP를 만들어준다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호를 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 벅 컨버터는 정상 상태에서 기존의 벅 컨버터와 동일한 동작하고(S510), 부하 과도가 발생하였는지를 판단한다(S520). 즉, 벅 컨버터는 출력 전압과 기준 전압의 차이에 기초하여 부하 과도가 발생하였는지를 판단한다.
단계 S520의 판단결과, 부하 과도가 발생한 경우 벅 컨버터는 언더슛이 발생하였는지를 판단한다(S530). 부하 전류가 갑자기 상승하면 Vout에서 언더슛이 발견된다.
단계 S530의 판단결과, 언더슛이 발생하였으면, 벅 컨버터는 오차 보상신호에 기초하여 생성된 제2 상위 램프 바이어스 전압 및 제2 하위 램프 바이어스 전압에 기초하여 램프 신호를 생성한다(S540).
단계 S540의 수행으로 램프 신호가 오차 보상신호의 출력보다 작으므로, 벅 컨버터는 low의 PWM 신호를 출력한다(S550). 즉, 램프 신호의 바이어스 전압을 조정하면 램프 신호는 항상 오차 보상신호(VEA)보다 낮아진다. 이에, 램프 전압은 항상 보상부(오차 증폭기) 출력 전압보다 작기 때문에 PWM 신호는 전체 듀티 사이클을 갖게 된다.
만약, 단계 S530의 판단결과, 오버슛이 발생하였으면, 벅 컨버터는 오차 보상신호에 기초하여 생성된 제1 상위 램프 바이어스 전압 및 제1 하위 램프 바이어스 전압에 기초하여 램프 신호를 생성한다(S560).
단계 S560의 수행으로 램프 신호가 오차 보상신호의 출력보다 작으므로, 벅 컨버터는 high의 PWM 신호를 출력한다(S570). 즉, 부하 전류가 갑자기 감소하면, Vout은 오버슛하게 되고, 램프 신호의 바이어스 전압을 조정하면, 램프 신호는 항상 오차 증폭기보다 높은 전압을 갖는다.
램프 신호는 항상 보상부(에러 증폭기) 보다 높은 전압을 가지므로 PWM 신호는 항상 제로 듀티 사이클을 갖는다. 따라서, 풀 듀티 신호는 에러 증폭기의 출력 파형에 후속하는 램프 신호를 사용함으로써 공급된다. 이를 통해 오버 슛 / 언더 슈트의 크기를 줄이고 부하 과도 상태에서보다 빠른 응답 시간을 허용할 수 있다.
상술한 과정을 종합하면, 정상 상태에서 리셋 전압은 VDD로 사용되어 램프 신호의 전압을 빠르게 낮추지만 과도 상태에서는 램프 신호의 전압이 급속히 감소하지 않도록 리셋 전압을 조정해야 한다. 리셋 전압이 기존 전압으로 사용되면 램프 파형은 에러 증폭기의 출력 파형을 따라갈 수 없다. 이에, 램프 바이어스 전압을 조정함으로써, 에러 증폭기의 출력 파형의 형상을 갖는 램프 파형이 생성된다. 이 램프 파형으로 인해 PWM 신호는 항상 부하 과도 상태에서 완전한 듀티를 가질 수 있다.
도 6은 종래의 PWM 벅 컨버터의 동작 파형과 본 발명의 PWM 벅 컨버터의 동작 파형을 비교한 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래의 PWM 벅 컨버터는 type-3 보상회로에서 큰 capacitor를 사용하기 때문에 좁은 대역폭과 slewing 문제가 발생한다. 이러한 이유 때문에 (a)에서 보이듯이 load current가 갑자기 증가하거나 감소할 경우, error amplifier의 출력 전압이 느리게 움직이게 되어 VPWM신호를 full duty를 제공해 주지 못한다. 이로 인해 큰 언더슛과 오버슛이 나타나며 느린 응답속도를 가진다.
(b)는 본 발명의 동작파형으로서, load current가 갑자기 증가하여 출력전압에 언더슛이 발생할 때 램프신호(VRAMP)의 파형을 error amplifier의 출력전압인 에러 보상신호(VEA)를 따라가면서 값이 작은 모양을 제공해 줌으로써 VPWM신호에 full duty를 제공해 준다. 반대로 load current가 갑자기 감소하여 오버슛이 생길때는 VRAMP의 파형을 VEA의 모양을 따라가면서 큰 전압을 제공함으로써 VPWM 신호에 full duty를 제공해 준다. 이로인해 기존회로 대비 작은 언더슛/오버슛을 가지며 빠른 응답속도를 가진다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 active ramp tracking control 기술이 언더슛/오버슛의 크기와 응답 속도의 향상을 검증하기 위하여 종래 기술과 비교한 실험 결과 도면이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 종래 기술의 측정 파형이며, (c) 및 (d)는 본 발명의 측정파형이다. 측정된 결과에서와 같이 언더슛/오버슛 및 응답속도가 향상된 특성을 보인다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 load current의 transient step size에 따른 측정파형이다.
도 8의 (a)와 (b)는 150mA load transient step의 측정파형이며 (c)와 (d)는 200mA load transient step의 측정파형이다. 측정된 결과와 같이 본 발명의 벅 컨버터는 Vout이 60mV이상 언더슛/오버슛이 발생하게 되면 full duty를 제공해 줌으로써 기존회로대비 작은 언더슛/오버슛 및 빠른 응답속도를 가진다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 벅 컨버터
110 : 전압 변환부
130 : 보상부
150 : 적응 램프 제어부
170 : 출력 전압 제어부

Claims (10)

  1. 구동신호에 의해 입력전압을 출력전압으로 변환하는 전압 변환부;
    상기 출력전압으로부터 정의되는 피드백 신호를 입력받아 오차 보상신호를 생성하는 보상부;
    부하 과도(load transient) 발생 시, 램프 바이어스 전압을 조절하여 램프신호를 생성하는 적응 램프 제어부; 및
    상기 램프 신호 및 상기 오차 보상신호를 이용하여 상기 출력전압을 조절하는 출력 전압 제어부
    를 포함하는 벅 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환부는,
    적어도 하나의 스위치 트랜지스터로 구성된 스위칭부; 및
    상기 스위칭부로부터 전류를 공급받아 출력전압을 생성하는 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적응 램프 제어부는,
    부하 과도 발생 시, 램프 바이어스 전압을 조절하여 램프 신호의 파형이 상기 보상부의 출력 파형 모양을 트래킹(tracking) 하도록 램프 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  4. 제1항에 있어서
    상기 적응 램프 제어부는,
    상기 출력 전압과 기준 전압의 차이에 기초하여 부하 과도 상태를 판단하고, 그 판단결과에 따른 과도 상태 신호를 출력하는 과도 검출기;
    부하 과도 상태 발생 시, 상기 오차 보상신호에 기초하여 램프 바이어스 전압을 조절하는 램프 바이어스 발생기;
    상기 과도 상태 신호 수신 시, 상기 램프 바이어스 발생기에서 생성된 램프 바이어스 전압을 선택하는 램프 바이어스 선택기; 및
    상기 선택된 램프 바이어스 전압에 기초하여 상기 오차 보상신호를 트래킹하는 램프신호를 생성하는 램프 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 과도 검출기는
    상기 출력신호와 기준 신호 사이의 차이를 증폭하여 증폭 신호(VCON)를 생성하는 증폭기;
    상기 증폭 신호를 오버 임계 바이어스 전압(VB_over) 또는 언더 임계 바이어스 전압(VB_under)과 비교하여 오버슛 과도 감지 신호(TD_A) 또는 언더슛 과도 감지 신호(TD_B)를 생성하는 제1 및 제2 비교기; 및
    상기 제1 및 제2 비교기의 출력을 통해 과도 상태 발생 여부를 결정하는 오아 게이트를 포함하는 벅 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 비교기는 상기 증폭 신호가 상기 오버 임계 바이어스 전압(VB_over)보다 높은 경우, 오버슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력하고,
    상기 오아 게이트는 제1 비교기가 오버슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력한 경우, 과도 상태 신호를 하이로 출력하는 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 비교기는 상기 증폭 신호가 상기 언더 임계 바이어스 전압(VB_under)보다 작은 경우, 언더슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력하고,
    상기 오아 게이트는 제2 비교기가 언더슛 과도 감지 신호를 하이(high)로 출력한 경우 과도 상태 신호를 하이로 출력하는 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 램프 바이어스 발생기는,
    오버슛 발생 시, 상기 오차 보상신호를 레벨 쉬프트하여 제1 상위 램프 바이어스 전압 및 제1 하위 램프 바이어스 전압을 생성하는 제1 레벨 쉬프터;
    언더슛 발생 시, 상기 오차 보상신호를 레벨 쉬프트하여 제2 상위 램프 바이어스 전압 및 제2 하위 램프 바이어스 전압을 생성하는 제2 레벨 쉬프터를 포함하는 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 램프 바이어스 선택기는,
    오버슛이 발생한 경우, 제1 상위 램프 바이어스 전압과 제1 하위 램프 바이어스 전압을 램프 바이어스 전압으로 선택하고,
    언더슛이 발생한 경우, 제2 상위 램프 바이어스 전압과 제2 하위 램프 바이어스 전압을 램프 바이어스 전압으로 선택하는 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 램프 발생기는,
    바이어스 전류(IBIAS)가 흐르는 커패시터(CRAMP);
    상기 바이어스 전류에 의한 램프 신호(VRAMP)의 전압이 상승하여 램프 바이어스 선택기에서 선택된 상위 바이어스 전압(VH)으로 상승 시, 리셋 신호를 출력하고, 상기 램프 신호의 전압이 하강하여 상기 램프 바이어스 선택기에서 선택된 하위 바이어스 전압(VL)으로 하강 시, 리셋 신호를 오프시키는 SR 래치; 및
    상기 리셋 신호에 의해 턴온되어 상기 램프 신호의 전압을 하강시키고, 상기 리셋 신호의 오프 시, 턴오프되어 상기 램프 신호의 전압을 상승시켜, 램프 신호가 출력되도록 하는 리셋 트랜지스터(MRESET)를 포함하되,
    상기 램프 신호는 오차 보상신호에 대응하는 모양의 신호인 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
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