KR20200103926A - 스위치드 커패시터 dc-dc 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기는 출력 전압(V_OUT)과 기준 전압(V_REF)을 비교하고 VCO의 컨트롤 전압(V_C)을 조절하여 스위칭 주파수를 결정하는 아날로그 루프; 및 상기 아날로그 루프와 병렬로 연결되고, 상기 VCO의 컨트롤 전압(V_C)을 (V_{C_H})과 (V_{C_L})과 비교하여 두 전압 범위에서 벗어나면 디지털 컨트롤 코드를 변경하는 디지털 루프;를 포함하여 디지털 코드를 통한 스위치와 커패시터 사이즈 모듈레이션을 이용하여 낮은 출력 전류부터 높은 출력 전류까지 루프 이득이 크게 변하지 않도록 하여 적은 PI 보상으로도 낮은 출력 전류에서의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있고, 해당 효과로 인해 빠른 부하 전류 응답 속도를 갖는 추가적인 효과가 있다.

Description

스위치드 커패시터 DC-DC 변환기{SWITCHED CAPACITOR DC-DC CONVERTER}

본 발명은 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 낮은 출력 전류에서의 루프 안정성 문제를 해결하고 빠른 부하 전류 응답 성능을 갖도록 하는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기에 관한 것이다.

DC-DC 변환기는 DC 소스전압을 각각의 디바이스에 필요한 DC 전압으로 변환해주는 장치이다. 선형 레귤레이터에 비해 전력 효율이 뛰어나기 때문에 한정된 전력원인 배터리를 사용하는 모바일 기기 등에 널리 사용되고 있다.

주로 인덕터 기반의 스위칭 변환기가 사용되고 있으나 인덕터의 에너지 밀도가 커패시터에 비해 낮고, 효율과 면적 등의 문제로 반도체칩에 완전 집적시키기 어렵다는 문제점이 있다. 그 대안으로 인덕터를 사용하지 않는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기에 대한 관심이 높아지고 있다.

DC-DC 변환기는 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해 기준 전압과 출력 전압을 비교하는 피드-백 시스템으로 구성된다. 피드-백 시스템은 안정도(stability)가 중요한 요소이다. 기존의 PFM(pulse frequency modulation)이나 PWM(pulse width modulaton)등의 단일 전류 컨트롤 방식은 낮은 출력 전류에서 DC-DC 변환기의 루프 이득이 커지게 된다. 이로 인해 낮은 출력 전류에서 변환기 시스템의 안정성이 낮아지게 되고, 낮은 출력 전류를 기준으로 PI 보상을 해야 한다. 과도한 PI 보상은 부하 전류 응답 속도 성능을 떨어트리는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1448130(2014.09.30)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 디지털 코드를 통한 스위치와 커패시터 사이즈 모듈레이션을 이용하여 낮은 출력 전류부터 높은 출력 전류까지 루프 이득이 크게 변하지 않도록 하여 적은 PI 보상으로도 낮은 출력 전류에서의 안정성을 확보하고 이를 통해 빠른 부하 전류 응답 속도를 갖는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기를 제공하는데 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기는 출력 전압(V_OUT)과 기준 전압(V_REF)을 비교하고 VCO의 컨트롤 전압(V_C)을 조절하여 스위칭 주파수를 결정하는 아날로그 루프; 및 상기 아날로그 루프와 병렬로 연결되고, 상기 VCO의 컨트롤 전압(V_C)을 (V_{C_H})과 (V_{C_L})과 비교하여 두 전압 범위에서 벗어나면 디지털 컨트롤 코드를 변경하는 디지털 루프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 아날로그 루프는 상기 출력 전압(V_OUT)이 상기 기준 전압(V_REF)보다 낮으면 스위칭 주파수를 올리고, 상기 출력 전압(V_OUT)이 상기 기준 전압(V_REF)보다 높으면 스위칭 주파수를 낮추어 출력 전압(V_OUT)을 조절하는 PFM으로 동작하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 아날로그 루프는 디지털 컨트롤 코드가 변경되면 컨트롤 전압(V_C)을 (V_{C_H}+V_{C_L})/2로 초기화하여 스위칭 주파수를 중간 값으로 되돌리는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 아날로그 루프는 적은 출력 전류에서는 동작하는 스위치드 커패시터 변환 셀의 개수를 줄이고, 높은 출력 전류에서는 동작하는 셀의 개수를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 아날로그 루프는 상기 출력 전류를 결정하는 코드를 입력으로 받아, 상기 출력 전류에 따라 출력 커패시턴스의 용량을 가변적으로 운용하는 출력 커패시터 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 출력 커패시터 매트릭스는 낮은 출력 전류 모드에서 적은 용량의 출력 커패시턴스로 동작하고, 높은 출력 모드에서 많은 용량의 출력 커패시턴스로 동작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기는 디지털 코드를 통한 스위치와 커패시터 사이즈 모듈레이션을 이용하여 낮은 출력 전류부터 높은 출력 전류까지 루프 이득이 크게 변하지 않도록 하여 적은 PI 보상으로도 낮은 출력 전류에서의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있고, 해당 효과로 인해 빠른 부하 전류 응답 속도를 갖는 추가적인 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기 시스템의 블록다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 스위치드 커패시터 매트릭스 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기에서 출력 전류 적응형 디지털 컨트롤 되는 가변 출력(로드) 커패시터의 구조도 이다.
도 4는 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기에서 디지털 컨트롤 코드 및 스위칭 주파수(VCO의 컨트롤 전압)에 따른 DC-DC 변환기의 출력 전류 그래프 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 디지털 루프 동작 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기에 의한 부하 전류 응답 성능 시뮬레이션 결과도 이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 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 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 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, 복수의 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기 시스템의 블록다이어그램이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기는 아날로그 루프(100) 및 상기 아날로그 루프(100)와 병렬로 연결된 디지털 루프(200)를 포함한다.

상기 아날로그 루프(100)는 에러 엠프(110), VCO(130), 스위치드 커패시터 매트릭스(150), 및 출력 커패시터 매트릭스(170) 등을 포함한다.

상기 에러 엠프(110:ERROR AMP) 즉 오차 증폭기는 상기 출력 전압(V_OUT)과 기준 전압(V_REF)을 서로 비교하여 그에 대한 오차를 증폭하고, TR을 제어하여 출력전압의 FEEDBACK된 전압을 기준 전압(V_REF)과 동일하게 만들어 준다.

상기 VCO(voltage controlled oscillator:130) 즉, 전압 제어 발진기는 외부에서 인가된 전압으로 원하는 발진 주파수를 출력할 수 있게 해준다.

상기 디지털 루프(200)는 비교기(210)와 디지털 코드의 UP/DOWN/HOLD 결정 회로(230), 및 양방향 shift register(250) 등을 포함한다.

상기 아날로그 루프(100)는 출력 전압(V_OUT)과 기준 전압(V_REF)을 비교하고 상기 VCO(130)의 컨트롤 전압을 조절하여 스위칭 주파수를 결정한다.

보다 구체적으로 상기 아날로그 루프(100)는 상기 출력 전압(V_OUT)이 상기 기준 전압(V_REF)보다 낮으면 스위칭 주파수를 올리고, 상기 출력 전압(V_OUT)이 상기 기준 전압(V_REF)보다 높으면 스위칭 주파수를 낮추는 동작으로 출력 전압(V_OUT)을 조절하여 PFM(Pulse Frequency Modulation, 펄스 주파수 변조)으로 동작한다.

또한, 상기 아날로그 루프(100)는 디지털 컨트롤 코드가 변경되면 컨트롤 전압(V_C)을 (V_{C_H}+V_{C_L})/2로 초기화하여 스위칭 주파수를 중간 값으로 되돌린다.

도 2는 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기에서 사용한 2:1 스텝-다운(step-down) 스위치드 커패시터 매트릭스(150) 구조이다.

도 2에 도시된 상기 스위치드 커패시터 매트릭스(150)는 하나의 실시 예로서 스위치(Φ₁, Φ₂)와 플라잉 커패시터(C_fly)의 개수와 배치는 달라질 수 있다.

컨트롤 코드에 관계없이 항상 동작하는 기본 셀과 C<3:0>의 컨트롤 코드에 따라 스위치(Φ₁, Φ₂)와 플라잉 커패시터(C_fly)의 사이즈가 변화하는 매트릭스 구조로 구성하였다.

상기 스위치드 커패시터 매트릭스(150)는 적은 출력 전류에서는 동작하는 스위치드 커패시터 변환 셀의 개수를 줄이고, 높은 출력 전류에서는 동작하는 셀의 개수가 증가하게 된다.

즉, 상기 스위치드 커패시터 매트릭스(150)는 출력 전류가 낮아지는 경우 동작하는 스위치드 커패시터 변환 셀의 개수를 base까지 줄이고, 출력 전류가 높아지는 경우 동작하는 스위치드 커패시터 변환 셀의 개수가 C<0>, C<1>, C<2>, 또는 C<3>까지 점점 증가 되도록 한다.

이를 통해 출력 전류량에 따라 동작하는 상기 스위치(Φ₁, Φ₂)와 플라잉 커패시터(C_fly)의 크기를 조절하여 스위칭 손실과 바닥면 기생 커패시턴스(bottom-plate parasitic capacitance) 손실을 최소화할 수 있다.

도 3은 상기 도 2의 출력 커패시터 매트릭스의 상세한 구조이다.

4비트 디지털 코드로 동작하는 예시이다. 상기 출력 커패시터 매트릭스(170)는 출력 전류를 결정하는 주요 코드인 C<3:0>을 입력으로 받아, 출력 전류에 따라 출력 커패시턴스의 용량을 가변적으로 운용한다.

상기 출력 커패시터 매트릭스(170)는 낮은 출력 전류 모드에서 적은 용량의 출력 커패시턴스로 동작하고, 높은 출력 모드에서 많은 용량의 출력 커패시턴스로 동작하게 된다.

이를 통해, 종래의 낮은 출력 전류 모드에서의 루프 안정성을 확보하기 위한 과도한 PI 보상을 하지 않고도 모든 출력 전류 범위에서 높은 루프 안정성을 갖도록 설계 가능하다. 즉 빠른 출력 전류 응답 성능을 갖도록 설계하는 것이 용이한 구조이다.

상기 디지털 루프(200)의 비교기(210)는 도면 5와 같이 VCO의 컨트롤 전압(V_C)을 (V_{C_H})과 (V_{C_L})과 비교하여 두 전압 범위에서 벗어나면 디지털 컨트롤 코드가 변경하게 된다.

이를 통해, 상기 아날로그 루프(100)만으로 출력 전류 변화를 감당할 수 없을 경우 디지털 루프가 동작하여 스위치드 커패시터 사이즈 모듈레이션이 이루어지게 된다.

상기 (V_{C_H})과 (V_{C_L})은 각각 도 4의 F₁과 F₂에 해당하는 상기 VCO(130) 출력 주파수를 갖는 컨트롤 전압이다.

상기 디지털 루프(200)를 동작시키는 컨트롤 클럭 발생기(270)는 전체 시스템의 루프 특성과 전달 지연 시간을 고려하여 설계된다.

일반적인 디지털 컨트롤 방식 DC-DC 변환기는 높은 출력 전류 해상도를 위해 이진 코드를 사용하여 출력 전류를 조절한다. 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기 구조에서는 디지털과 아날로그 컨트롤을 같이 사용한, 도면 4와 같은 전류 특성을 이용하여 양방향의 상기 쉬프트 레지스터(250)를 사용하였다.

이진 코드에 비해 최소 코드에서 최대 코드까지 변경되는데 걸리는 시간이 짧은 장점이 있다.

도 6은 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기의 부하 전류 응답 속도 시뮬레이션 결과 그래프이다.

상기 시뮬레이션에서 상기 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기는 0.35um CMOS 공정을 사용하였고, 입력 전압을 3.3 V로, 기준 전압을 1.5 V로 출력 전압을 1.5 V로 설정하였다. 디지털 컨트롤 코드가 최소에서 최대까지 변경되도록 부하 전류 응답 성능을 시뮬레이션하였다.

출력 전류가 1mA에서 31mA로 변경되는 시간은 400ns, 31mA에서 1mA로 변경되는 시간은 1100ns로 나타났다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 아날로그 루프
110 : 에러 엠프
130 : VCO
150 : 스위치드 커패시터 매트릭스
170 : 출력 커패시터 매트릭스
200 : 디지털 루프
210 : 비교기
230 : UP/DOWN/HOLD 결정 회로
250 : 시프트 레지스터(shift register)
270 : 컨트롤 클럭 발생기

Claims (6)

1. 출력 전압(V_OUT)과 기준 전압(V_REF)을 비교하고 VCO의 컨트롤 전압(V_C)을 조절하여 스위칭 주파수를 결정하는 아날로그 루프; 및
   상기 아날로그 루프와 병렬로 연결되고, 상기 VCO의 컨트롤 전압(V_C)을 (V_{C_H})과 (V_{C_L})과 비교하여 두 전압 범위에서 벗어나면 디지털 컨트롤 코드를 변경하는 디지털 루프;를 포함하는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 아날로그 루프는
   상기 출력 전압(V_OUT)이 상기 기준 전압(V_REF)보다 낮으면 스위칭 주파수를 올리고, 상기 출력 전압(V_OUT)이 상기 기준 전압(V_REF)보다 높으면 스위칭 주파수를 낮추어 출력 전압(V_OUT)을 조절하는 PFM으로 동작하는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 아날로그 루프는
   디지털 컨트롤 코드가 변경되면 컨트롤 전압(V_C)을 (V_{C_H}+V_{C_L})/2로 초기화하여 스위칭 주파수를 중간 값으로 되돌리는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 아날로그 루프는
   적은 출력 전류에서는 동작하는 스위치드 커패시터 변환 셀의 개수를 줄이고, 높은 출력 전류에서는 동작하는 셀의 개수를 증가시키는 스위치드 커패시터 매트릭스를 포함하는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 아날로그 루프는
   상기 출력 전류를 결정하는 코드를 입력으로 받아, 상기 출력 전류에 따라 출력 커패시턴스의 용량을 가변적으로 운용하는 출력 커패시터 매트릭스를 포함하는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 출력 커패시터 매트릭스는
   낮은 출력 전류 모드에서 적은 용량의 출력 커패시턴스로 동작하고, 높은 출력 모드에서 많은 용량의 출력 커패시턴스로 동작하는 스위치드 커패시터 DC-DC 변환기.

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