KR20200108390A - 스위치 모드 전원 장치에서 대기 전원 감소 - Google Patents

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KR20200108390A
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usb
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고-옌 리
아드리안 왕
클리브 후앙
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다이오드 인코포레이티드
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Abstract

전원 장치 출력(power supply output)을 조절하기 위한 제어 회로 및 출력을 부하 디바이스(load device)에 연결하기 위한 부하 스위치(load switch)를 갖는 전원 장치에서, 대기 전력(standby power)을 감소시키기 위한 방법은 부하 디바이스가 전원 장치에 연결되어 있는지를 결정하는 단계를 포함한다. 어떤 부하 디바이스도 연결되어 있지 않으면, 부하 스위치가 턴오프되고, 전원 장치가 대기 모드로 진입하고, 이는 절전 모드(power-saving mode)의 제1 기간과 조절 모드(regulating mode)의 제2 기간을 교번하는(alternating) 것을 포함한다. 절전 모드(power-saving mode)에서, 제어 회로는 전원 장치의 출력을 조절하는 것을 중지하고, 출력이 사전 설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지, 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프한다. 조절 모드에서, 제어 회로는 기능 블록들을 턴온하고, 출력이 사전 설정된 높은 출력 한계에 도달할 때까지, 출력이 증가하도록 전원 장치를 조절한다.

Description

스위치 모드 전원 장치에서 대기 전력 감소{REDUCING STANDBY POWER IN A SWITCH MODE POWER SUPPLY}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 3월 9일자로 출원된, 발명의 명칭이 "대기 전력을 감소시키기 위한 회로 및 방법"인, 미국 가특허 출원 제62/816,062호에 대한 우선권을 주장하고, 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 스위칭 모드 전원 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 스위칭 모드 전원 장치의 전력 소비를 감소시키기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
조절된 전원 장치는 현대 전자 제품에서는 필수적인 것이다. 예를 들어, 개인용 컴퓨터에서 전원 장치는 종종 다양한 콘센트(outlets)로부터 입력되는 전력을 수신할 필요가 있다. 데스크탑 및 랩톱 컴퓨터는 종종 CPU, 메모리, 및 주변 회로에 전력을 공급하기 위해 마더보드 상의 전원 장치를 조절한다. 모바일 디바이스는 조절된 충전 전력을 제공하는 충전기가 필요하다. 스위칭 모드 제어기는 가변 듀티 사이클 또는 가변 주파수로 전력 트랜지스터를 신속하게 온 및 오프 전환하고, 원하는 출력 전압 또는 출력 전류인 평균 출력을 제공한다.
USB(Universal Serial Bus)는, 컴퓨터와, 주변 디바이스 및 기타 컴퓨터 사이의 연결, 통신, 및 전력 공급을 위한 케이블 및 커넥터 및 프로토콜에 대한 사양을 확립하는 업계 표준이다. USB 구현자 포럼(Implementers Forum)(USB IF)은 2014년에 범용 3C 제품을 위한 USB 전력 전달(Power Delivery)(PD) 기능 및 타입 C 커넥터를 공개했다. USB PD 및 타입 C는 하나의 커넥터에 모든 디바이스를 연결시키는 것에 관한 것이다. PD 제어기는 USB 타입-C 커넥터를 처리하기 위한 2차측 제어기이다. USB-C 커넥터 및 케이블은 호스트와 디바이스 둘 다에 연결될 수 있어, USB-B 및 USB-A, HDMI, 디스플레이포트(DisplayPort), 및 3.5 mm 오디오 케이블 및 커넥터를 포함하는 다양한 전기 커넥터를 대체할 수 있다. USB PD 제어기는 복잡한 기능을 처리하기 위한 많은 회로 블록들을 포함한다. 예를 들어, PD 기능을 이행(fulfill)하도록 통신 및 전압을 변경하기 위해서, 시스템은 PD 디코더와 같은 추가 구성 요소가 필요하다. 결과적으로, 시스템은 더 많은 전력을 소비한다.
따라서, USB PD 기능을 지원하는 SMPS를 위해 더 전력 효율적인 2차측 제어기가 매우 바람직하다.
발명자는, USB PD 제어기가 이전 제어기보다 복잡한 기능을 지원할 필요가 있고 더 많은 전력을 소비할 필요가 있다는 것을 인식했다. USB-C 커넥터는 부하 스위치(load switch)를 통해 변환기의 출력에 연결된다. USB-C 제어기가, 어떤 부하 디바이스도 변환기에 연결되어 있지 않음을 검출하면, 제어기는, 부하 스위치를 턴오프하여 USB-C 커넥터 및 부하 디바이스에 제공되는 전력을 차단한다. 종래 USB PD 제품에서는, 어떤 부하 디바이스도 연결되어 있지 않은 경우에도, 전원 장치가 일정한 출력 전압 Vout을 유지하고, USB PD 집적 회로(PDIC)가 활성인 채로 남아서 전력을 소비한다.
본 발명은, 부하 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해 USB 인터페이스의 상태를 연속적으로 감시하는 USB PD 제어기를 교시한다. 게다가, 어떤 부하 디바이스도 연결되어 있지 않으면, 부하 스위치를 턴오프하여, USB 커넥터로부터 전원 장치 출력을 연결해제한다. USB PD 제어기는 또한, 피드백 전압(VFB)을 사전-설정된 낮은 값(low value)으로 강제하여(forces), 1차측 제어기로 하여금 출력 전압을 조절하는 것을 중지하게 한다. 이 조건 하에서, 전원 장치 출력 전압 Vout은 시스템의 커패시턴스에 의해 지속되고(sustained), 이는 작동 전력을 능동 회로 블록들에 제공한다. 대기 상태에서 전력 소비를 더 감소시키기 위해, USB PD 제어기는, 부하 디바이스의 상태를 계속해서 감시하는 회로와 변환기의 출력 전압을 감시하는 회로 외에, USB PD 제어기의 모든 기능 블록에의 전력 공급을 턴오프한다. 시스템의 커패시턴스가 방전됨에 따라, 전원 장치 출력 전압 Vout이 강하하기 시작한다. 일단 전원 장치 출력 전압 Vout이 사전-설정된 낮은 전압 한계 VL로 강하하면, USB PD 제어기가 VFB 신호를 상승시켜 조절하기 시작하고, 이는 변환기 출력 전압 Vout이 상승하게 한다. Vout이 사전-설정된 높은 전압 한계 VH에 도달하고 어떤 USB 디바이스도 연결되어 있지 않으면, USB PD 제어기는 1차측 제어기로 하여금 조절하는 것을 중지하게 한다. 이 사이클은, USB PD 제어기가 USB 디바이스가 연결되어 있음을 감지하고, USB PD 제어기가 1차측 제어기를 웨이크업(wake up)하여 정상 조절 기능을 재개하고, 그의 모든 기능 블록들에 대한 전력을 복원하고, 전원 장치 출력을 USB 커넥터에 연결하기 위하여 부하 스위치를 턴온할 때까지 반복된다.
예를 들어, 본 발명은 전원 장치의 출력을 조절하기 위한 제어 회로 및 전원 장치의 출력을 부하 디바이스에 연결하기 위한 부하 스위치를 갖는 전원 장치에서 대기 전력을 감소시키기 위한 방법을 교시한다. 본 발명은, 부하 디바이스가 전원 장치에 연결되어 있는지를 결정하는 단계를 포함한다. 어떤 부가 디바이스도 전원 장치에 연결되어 있지 않다는 결정에 응답하여, 부하 스위치가 턴오프되어 부하 디바이스로부터 연결해제되고, 전원 장치가 대기 모드로 진입한다. 대기 모드는 절전 모드의 제1 기간과 조절 모드의 제2 기간을 교번하는 단계를 포함한다. 절전 모드에서, 제어 회로는, 전원 장치의 출력을 조절하는 것을 중지하고, 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프한다. 조절 모드에서, 제어 회로는, 기능 블록들을 턴온하고, 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계 - 이 포인트에서 전원 장치가 절전 모드에 진입함 - 에 도달할 때까지 출력이 증가하도록 전원 장치를 조절한다. 부하 디바이스가 전원 장치에 연결되어 있다는 결정에 응답하여, 전원 장치는 정상 모드로 진입하고, 여기서 제어 회로가 전원 장치의 출력을 조절하고, 제어 회로의 기능 블록에 전원이 들어오고, 부하 스위치가 턴온되어 부하 디바이스를 전원 장치에 연결한다.
본 발명은 또한, 작동 전력을 수신하기 위해 스위치 모드 전원 장치(switch mode power supply)(SMPS)의 2차 권선에 결합되기 위한 제1 단자, 2차 권선과 USB 커넥터 사이에 결합된 부하 스위치에 제어 신호를 제공하는 제2 단자, 및 SMPS의 1차측 제어기에 피드백 신호를 제공하기 위한 제3 단자를 포함하는 USB PD 제어기를 교시한다. USB PD 제어기는 또한, USB 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하기 위한 디코더를 포함한다. 게다가, USB PD 제어기는 또한, USB 부하 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하도록 구성된 제어 로직을 갖는다. 어떤 USB 부하 디바이스도 USB 커넥터에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, 제어기는, 부하 스위치를 턴오프하여 USB 커넥터로부터 2차 권선을 연결해제하고, 대기 모드로 진입한다. 대기 모드는 절전 모드의 제1 기간과 조절 모드의 제2 기간을 교번하는 것을 포함하고, 절전 모드에서, 제어 로직은, 전원 장치의 출력을 조절하는 것을 중지하고, 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프한다. 조절 모드에서, 제어 로직은, 기능 블록들을 턴온하고, 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 증가하도록 전원 장치를 조절한다. USB 부하 디바이스가 USB 커넥터에 연결되어 있다는 결정 시에, 전원 장치는, 정상 모드로 진입하고, 여기서 제어 로직은 전원 장치의 출력을 조절하고, 기능 블록들에는 전원이 들어오고, 부하 스위치는 턴온되어 부하 디바이스를 전원 장치에 연결한다.
본 발명은 또한, USB PD 제어기를 갖는 스위치 모드 전원 장치(SMPS)를 교시한다. SMPS는 외부 입력 전압에 결합되기 위한 1차 권선 및 SMPS의 출력 전압을 제공하기 위한 2차 권선을 갖는 변압기, 2차 권선을 USB 커넥터에 결합하는 부하 스위치, 및 SMPS의 1차 권선에 결합되기 위한 전원 스위치를 포함한다. SMPS는 또한, 전원 스위치를 제어하도록 전원 스위치에 결합되는 1차측 제어기를 갖고, 1차측 제어기는 광 커플러를 통해 SMPS의 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 수신하기 위한 피드백 단자를 포함한다. 1차측 제어기는, SMPS의 출력 전압을 목표 전압으로 조절하기 위한 피드백 신호에 적어도 기초하여, 전원 스위치를 턴온 및 오프하기 위한 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 1차측 제어기는, 정상 동작 동안 펄스-폭 변조(pulse-width modulation)(PWM) 모드로 동작할 수 있고, 1차측 제어기는, 저부하 또는 무부하 조건 동안 버스트 모드로 동작할 수 있다. SMPS는 또한, USB 전력 전달 동작에 대한 지원을 제공하기 위해 2차 권선에 결합되는 USB PD 제어기를 가지고, 여기서 USB PD 제어기는 USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하도록 구성된다. 활성 모드에서, 어떤 USB 부하 디바이스도 USB 커넥터에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, USB PD 제어기는 SMPS로 하여금 대기 모드로 진입하게 한다.
상기 SMPS에 있어서, 대기 모드에서, USB 부하 디바이스가 USB 커넥터에 연결되어 있다는 결정 시에, USB PD 제어기는 SMPS로 하여금 활성 모드로 진입하게 한다. SMPS로 하여금 대기 모드로 진입하게 하기 위해, USB PD 제어기는, 부하 스위치를 턴오프하여 USB 커넥터로부터 SMPS의 출력 전압을 차단하고, USB PD 제어기의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하고, SMPS의 출력 전압을 감시하도록 구성된다. 출력 전압이 사전-설정된 높은 전압 한계일 수 있는 높은 대기 전압 한계보다 크다는 결정 시에, USB PD 제어기는, 광 커플러를 통해, 1차측 제어기에 대해 피드백 신호를 제1 값으로 설정하여, 1차측 제어기로 하여금 출력 전압을 조절하는 것을 중지하게 하고 출력 전압이 강하하게 한다. 출력 전압이 사전-설정된 낮은 전압 한계일 수 있는 낮은 대기 전압 한계보다 작다는 결정 시에, USB PD 제어기는, 광 커플러를 통해, 1차측 제어기에 대해 피드백 신호를 제2 값으로 설정하여 1차측 제어기로 하여금 출력 전압을 조절하는 것을 시작하게 하고 출력 전압이 상승하게 한다. SMPS로 하여금 활성 모드로 진입하게 하기 위해, USB PD 제어기는, USB PD 제어기의 하나 이상의 기능 블록을 턴온하고, 광 커플러를 통해, 1차측 제어기에 제2 값인 피드백 신호를 설정하여 1차측 제어기로 하여금 활성 모드에서 출력 전압을 조절하는 것을 시작하게 하고, SMPS의 출력 전압을 USB 커넥터에 연결하기 위해 부하 스위치를 턴온하도록 구성된다.
정의
본 개시에서 사용된 용어는, 일반적으로 본 발명의 문맥 내에서 해당 분야에 있어서 그의 통상적인 의미를 지닌다. 특정한 용어는 본 발명의 설명에 관하여 실무자에게 추가적인 지침을 제공하도록 아래에 논의된다. 동일한 것이 여러 방식으로 언급될 수 있음이 이해될 것이다. 결과적으로, 대체 언어 및 동의어가 사용될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, 전원 스위치는 반도체 스위치, 예를 들어, 높은 전력 레벨을 처리하도록 설계된 트랜지스터를 지칭한다.
전력 MOSFET은 상당한 전력 레벨을 처리하도록 설계된, 특정 유형의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이다. 스위칭 동작을 위한 전력 MOSFET의 예시는, 이중-확산(double-diffused) MOS 또는 단순히 DMOS라 불린다.
전력 변환기는, AC와 DC 간 변환, 또는 전압, 전류 또는 주파수의 변경, 또는 이들 변환의 일부 조합과 같은, 전기 에너지를 변환하기 위한 전기 또는 전자-기계 디바이스이다. 전력 변환기는 종종 전압 조절을 포함한다.
레귤레이터 또는 전압 레귤레이터는 일정한 전압 레벨을 자동으로 유지하기 위한 디바이스이다.
스위칭 레귤레이터, 또는 스위치 모드 전원 장치(SMPS)는, 출력의 평균 값을 유지하기 위해 온 및 오프 전환되는 능동 디바이스를 사용하는 전력 변환기이다. 반대로, 선형 레귤레이터는 가변 저항처럼 동작하도록 제조되어, 전압 분배망을 연속적으로 조정하여 일정한 출력 전압을 유지하고 계속해서 전력을 소비한다(dissipating power).
전압 기준은, 디바이스 상의 부하, 전원 장치 변동, 온도 변화, 및 시간 경과에 상관없이, 고정된(일정한) 전압을 이상적으로 생성하는 전자 디바이스이다.
기준 전압은, 비교 동작의 목표로서 사용되는 전압 값이다.
용어 "동일한"은 두개의 수량을 설명하는 데에 사용될 때, 두 수량 값이 측정 한계 내에서 동일한 것으로 결정된다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 USB 디바이스에 전력을 공급하는 전원 장치를 갖는 시스템을 도시하는 단순화된 블록도이고;
도 2는 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 USB 전력 전달(USB PD) 제어기를 사용하여 대기 전력을 감소시키기 위한 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이고;
도 3은 종래 시스템의 대기 상태에서 Vout 및 Vbus의 전압 대 시간 축을 도시하는 도표이고;
도 4는 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 대기 상태에서 Vout 및 Vbus 대 시간 축에 대한 파형을 도시하는 도표이다.
도 5는 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 USB PD 디바이스에 전력을 제공하는 전원 장치를 갖는 시스템을 도시하는 단순화된 개략도이고;
도 6은 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 스위치 모드 전원 장치용 1차측 제어기의 단순화된 블록도이고;
도 7은 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 스위치 모드 전원 장치용 2차측 제어기의 단순화된 블록도이고;
도 8은 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 전원 장치에서 대기 전력을 감소시키기 위한 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 USB PD 디바이스에 전력을 제공하는 전원 장치를 갖는 시스템을 도시하는 단순화된 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은, 전기 전력을 USB 부하 디바이스(120)에 제공하는, 스위치 모드 전원 장치(SMPS)일 수 있는 전원 장치(110)를 포함한다. 부하 디바이스(120)는, 개인용 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 모바일 디바이스, 또는 충전기와 같은, 호환 가능한 USB 커넥터를 갖는 임의의 전자 디바이스일 수 있다.
도 5와 관련하여 후술된 바와 같이, 스위치 모드 전원 장치(SMPS)(110)와 같은 플라이백 변환기(flyback converter)에서, 1차측 제어기(예를 들어, PWM 제어기)는, 피드백 전압(VFB)에 응답하여, 변환기 출력 전압을 나타내는 일정한 출력 전압(또는 전류)를 제공하도록 전원 스위치를 통해 변압기에서 전류를 조절한다. 피드백 전압은, 변압기의 출력 측에서 샘플링되어, 광 커플러와 같은 인터페이스 디바이스를 통해 1차측 제어기에 다시 결합된다.
도 1에서, USB PD 제어기 집적 회로(PDIC)(130)는, 변압기의 2차측에 결합되어 USB PD에 관련된 다양한 제어 기능을 수행한다. PDIC(130)는, 전원 장치(110)를 USB 부하 디바이스(120)에 연결하는 부하 스위치(140)에 결합된다. 전원 장치(110)의 출력 전압은 Vout이고, USB 부하 디바이스(120)에 제공되는 전압은 Vbus이다. USB PD 제어기(130)는, 도 2의 흐름도, 및 도 3 및 도 4의 도면들을 참조하여, 후술된 바와 같이, 시스템에서 전력 소비를 관리하기 위해 USB 인터페이스의 상태를 연속적으로 감시한다.
도 2는 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 USB 전력 전달(PD) 제어기를 사용하여 대기 전력을 감소시키기 위한 방법(200)을 도시하는 단순화된 흐름도이다. 흐름도에 도시된 바와 같이, 210에서, USB PD 제어기는, USB 커넥터와 같은 USB 인터페이스의 CC 핀으로부터 상태 신호를 감시한다. 220에서, USB PD 제어기는, 전원 장치가 대기 모드에 있어야 하는지를 결정한다. 만약 대기 모드에 있어야 한다면, 본 방법은 230으로 진행한다. 그렇지 않다면, 본 방법은 정상 동작 모드로 간다(270). 예시로서, 전원 장치는, 어떤 USB 디바이스도 전원 장치에 연결되어 있지 않으면, 대기 모드에 놓일 수 있다. 한편, USB 디바이스가 연결되어 있으면, 전원 장치는 정상 동작 모드에 있다.
230에서, USB PD 제어기가 전원 장치가 대기 모드에 있어야 한다고 결정하면, USB PD 제어기는 부하 스위치(140)를 턴오프한다. 240에서, USB PD 제어기는 계속해서 대기 상태를 점검한다. 대기 상태가 유지되어야 하는 경우, 250에서, USB PD 제어기는, 조절하는 것을 중지하고, 출력에 전력을 제공하는 것을 중지하기 위해 1차측 제어기에 신호를 전송한다. USB PD 제어기는 단지, 출력 상태를 감시하는 데에 필요한 회로 블록을 유지하고, 전력 소비를 감소시키기 위해 USB PD 제어기의 사용되지 않는 회로 블록들을 턴오프한다. 이 때, 시스템의 전력이 시스템의 커패시터에 남아있는 전하에 의해 제공된다. 260에서, USB PD 제어기는 계속해서 대기 상태를 점검한다.
도 3은 종래 시스템의 대기 상태에서 Vout 및 Vbus의 전압 대 시간 축을 도시하는 도표이다. 대기 모드에서, 부하 스위치가 턴오프되고, USB 커넥터에 제공되는 전압이 0 V인 것을 알 수 있다. 하지만, 전원 장치의 출력은 여전히 Vout으로 유지된다. 게다가, USB PD 제어기는 여전히 완전히 가동되고 계속해서 전력을 소비한다.
도 4는 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 대기 상태에서 Vout 및 Vbus 대 시간 축의 파형을 도시하는 도표이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 어떤 부하 디바이스도 연결되어 있지 않은 경우, 부하 스위치(140)가 턴오프되고, Vbus(410)가 0 V와 동등하다. 게다가, USB PD 제어기는 1차측 제어기로 하여금 출력 전압을 조절하는 것을 중지하게 한다. USB PD 제어기는 또한, 대기 모드로 설정되고, 여기서 부하 디바이스의 상태를 계속해서 감시하는 데에 필요한 회로, 및 변환기의 출력 전압을 감시하기 위한 회로를 제외한, USB PD 제어기의 모든 기능 블록에 대한 전력 공급이 턴오프된다. 예를 들어, 이는 도 5 내지 도 8과 관련하여 상세히 설명된 바와 같이, 피드백 전압(VFB)을 사전-설정된 낮은 값으로 설정함으로써 달성될 수 있다. 이 조건 하에서, 출력 전압 Vout(420)이, 도 4에 도시된 바와 같이, 강하하기 시작한다. 이 시간 동안, 능동 회로 블록이 시스템의 커패시턴스에 저장된 전하로부터 작동 전력을 수신할 수 있다. 일단 전원 장치 출력 전압 Vout이 사전-설정된 낮은 전압 한계 VL까지 강하하면, USB PD 제어기는 1차측 제어기로 하여금, 예를 들어, VFB 신호를 상승시켜, 변환기 출력 전압 Vout이 상승하게 함으로써 조절하는 것을 시작하게 한다. Vout이 상승하여 사전-설정된 높은 전압 한계 VH에 도달하고 어떤 USB 디바이스도 연결되어 있지 않으면, USB PD 제어기는 다시 1차측 제어기로 하여금 조절하는 것을 중지하게 한다. 낮은 대기 전압 한계 VL는, 남아있는 회로 블록이 계속 작동되기에 충분한, USB PD 제어기의 사전-설정된 최소 작동 전압일 수 있다. 예시로서, 목표 변환기 출력 전압 Vout이 5V일 수 있고, 사전-설정된 높은 전압 한계 VH가 5V일 수 있고, 사전-설정된 낮은 전압 한계 VL이 3V일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, Vout(420)은, 강하하는 전압의 제1 기간 T1과, VH로 회복하는 제2 기간 T2를 갖는 톱니 형상(saw tooth shape)을 나타낸다. 제1 기간 T1 동안, 시스템의 작동 전력은 시스템의 커패시턴스에 저장된 전하에 의해 제공된다. USB PD 제어기는, 제2 기간 T1 동안 전력 소비를 감소시키기 위해 사용되지 않는 회로 블록들을 턴오프하고, 전력을 제공하기 위해 전원 장치 조절 기능 없이, 남아있는 능동 회로 블록을 지속시킨다. 기간 T1 동안, 시스템은 절전 모드에 있다. 기간 T2 동안, 시스템은 조절 모드에 있다. 따라서, 대기 모드 동안은, 절전 모드와 조절 모드의 교번하는 기간을 갖는 것으로 설명될 수 있다. 도 4의 톱니 형상 사이클은, USB PD 제어기가 USB 디바이스가 연결되어 있음을 감지할 때까지 반복된다. 따라서, T1 기간이 길수록 감소된 전력 소비로 이어질 수 있다. 예를 들어, 회로 구현예 및 응용에 따라, T1은 1 내지 5 초의 범위 내에, 또는 더 긴 범위 내에 있을 수 있고, T2는 40 내지 400 마이크로초의 범위 내에, 또는 더 짧은 범위 내에 있을 수 있다. 도 4는 또한, 종래 시스템의 대기 동안 Vout(430)을 도시한다. 종래 시스템과 비교하여, 도 1 내지 도 4에 설명된 본 방법은 대기 전력을 실질적으로 저하시키는 것으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 상이한 스위치 모드 전원 장치용 대기 전력에 대한 사양은 15 mW 내지 75 mW에서 가변될 수 있다. 본원에 설명된 기법을 사용하여, 도 4의 Vout(420) 및 Vout(430)에 의해 도시된 시스템들 간에 대기 전력 절약이 10% 내지 30% 또는 더 높게 이루어질 수 있다.
전원 장치가 대기 모드에 있는 경우, 도 4의 톱니 형상 사이클은, USB PD 제어기가 USB 디바이스가 연결되어 있음을 감지할 때까지 반복된다. 이 때, USB PD 제어기는, 1차측 제어기를 웨이크 업하여 정상 동작 기능을 재개한다. 게다가, USB PD 제어기는 대기 모드를 나와서 그의 모든 기능 블록들에 대한 전력을 복원한다. 또한, 세부사항은 도 5 내지 도 8과 관련하여 아래에 설명되어 있다.
본 발명의 특정한 양상들에 따르면, 대기 상태 하에서 전력 소비를 감소시킬 수 있는 방법이 제시된다. 도 1 내지 도 4에서, USB PD 및 타입 C 디바이스는 예시로서 도시되어 있다. 하지만, 본 방법은 임의의 부하 디바이스 및 전원 장치에 적용될 수 있다는 것이 이해된다. 게다가, PDIC 회로는 전원 장치와 부하 디바이스 사이에 배치된 전력 관리 디바이스의 예시일 뿐이다. 더욱이, 부하 스위치는 독립형 디바이스일 수 있는 전원 스위치이거나, 대안적으로, 부하 스위치는 PD와 같은 전력 관리 디바이스에 통합될 수 있다. 즉, PDIC 및 부하 스위치는 2개의 개별 IC 칩이거나, 단일 칩에 내장될 수 있다. 다른 예시에서, 전력 관리 디바이스(예를 들어, 도 1의 PDIC) 및 전원 스위치(예를 들어, 도 1의 부하 스위치)는 전원 장치에 통합될 수 있다.
전술한 방법에 있어서, PDIC와 같은 전력 관리 디바이스는 전력 관리 기능을 구현하기 위한 다양한 기능 블록을 포함할 수 있다. 정상 동작 모드에서, 전력 관리 디바이스는 여러 또는 모든 기능 블록에 전원이 들어 온 상태로 완전히 가동된다. 절전 모드에서는, 부하 디바이스로부터 상태 신호를 감시하는 데에 필요한 기능 블록과 부하 스위치를 제어하는 데에 필요한 회로에만 전원이 들어온다. 모든 다른 블록에는 전원이 들어오지 않을 수 있다.
다른 예시에서, 전력 관리 디바이스의 다른 기능을 활성화하는 것이 바람직할 수 있다. 절전 모드에서, 전원 관리 디바이스의 기능 블록은 특정 응용에 따라 선택적으로 전원이 들어오지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 USB PD 디바이스에 전력을 제공하는 전원 장치를 갖는 시스템을 도시하는 단순화된 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, SMPS(500)는 USB PD(Universal Serial Bus Power Delivery) 제어기(550)를 갖는 스위치 모드 전원 장치이다. SMPS(500)는, 전력 트랜지스터(515)에 직렬로 결합된 1차 권선(511), 2차 권선(512), 및 보조 권선(513)을 갖는 변압기(510)를 포함한다. 1차 권선(511)은, 예시로서, 4개의 다이오드(D1 내지 D4)에 의해 형성되는 다이오드 브리지 및 커패시터(C1)을 포함하는 정류 회로를 통해 교류 전원(AC)에 결합되기 위한 것이다. 정류 회로는 정류된 DC 전압(Vin)을 SMPS에 제공한다. 2차 권선(512)은 SMPS의 출력 전압 Vout을 부하 디바이스에 제공하도록 구성된다.
전력 트랜지스터라고도 지칭되는 전력 스위치(515)는, 1차 권선의 전류 흐름을 제어하기 위해 1차 권선(511)에 결합된다. 1차측 제어기(520)는 피드백 입력 단자 FB를 통해 피드백 신호(533)를 수신하고, CS 입력 단자를 통해 전류 감지 신호(534)를 수신한다. 1차측 제어기(520)는, SMPS를 조절하기 위해 전원 스위치(515)를 턴온 및 턴오프하도록 구성된다. 전원 스위치(515)가 턴온되면, 1차 전류 lp가 에너지를 저장하는 1차 권선(511)에 축적된다. 1차 권선(511)에 저장된 에너지는, 전원 스위치(515)의 턴오프 시간 간격 동안, 2차 권선(512)에 전달된다. 다이오드(D6) 및 평활 커패시터(C3)와 같은, 2차 권선(512)에 연결된 정류기 요소는, 제2 전압 Vs를 DC 전압 Vout으로 변환하여 부하 디바이스에 공급하도록 구성된다.
도 5의 예시에서, 부하 디바이스는 USB 디바이스이다. SMPS(500)는 USB 디바이스(590)에 연결될 수 있는 USB 커넥터(570)에 2차 권선(512)을 결합하는 부하 스위치(525)를 갖는다. USB 커넥터(570)는 수개의 핀을 포함하고 그들 중 일부는 하기에 나열된다:
Vo - SMPS(500)로부터 전압 공급 Vsub를 수신하기 위한 것;
GND - 부하 디바이스에 대한 전기 접지를 제공하기 위한 것;
D- 및 D+ - 직렬 데이터 인터페이스 핀; 및
CC1 및 CC2 - 신호 방향 및 채널 구성을 검출하기 위한 구성 채널.
1차측 제어기(520)는, SMPS의 출력 전압을 목표 전압으로 조절하기 위한 피드백 신호에 적어도 기초하여, 전원 스위치를 턴온 및 턴오프하기 위한 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 1차측 제어기는 정상 동작 동안 펄스-폭 변조(PWM) 모드로 동작할 수 있다. 1차측 제어기는 저부하 또는 무부하 조건 동안, 버스트 모드로 동작할 수 있다. 버스트 모드에서, 전원 장치의 출력 전압을 목표 전압으로 유지하기 위해, 턴온 펄스들의 하나 이상의 버스트가 상대적으로 긴 간격으로 발행된다.
도 5에 도시된 바와 같이, USB PD 제어기(550)는 USB 전력 전달 동작에 대한 지원을 제공하기 위해 2차 권선(512)에 결합된다. USB PD 제어기(550)는, USB 부하 디바이스가 SMPS에 연결되어 있는지와, 기타 연결 정보를 결정하기 위해, USB 커넥터(570)로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시한다. 어떤 USB 부하 디바이스도 USB 커넥터에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, USB PD 제어기(550)는 SMPS(500)로 하여금 대기 모드로 진입하게 한다. USB 부하 디바이스가 USB 커넥터에 연결되어 있다는 결정 시에, USB PD 제어기(550)는 SMPS로 하여금 활성 모드로 진입하게 한다.
예시로서, SMPS(500)가 대기 모드로 진입하게 하기 위해, USB PD 제어기(550)는 SMPS의 출력 전압 Vout을 USB 커넥터(570)로부터 연결해제하기 위해 부하 스위치(525)를 턴오프하고, USB PD 제어기(550) 내의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프한다. 도 1 내지 도 4와 관련하여 상술된 바와 같이, USB PD 제어기(550)는 1차측 제어기로 하여금 조절하는 것을 중지하게 하고, SMPS(500)의 출력 전압 Vout을 감시하고, 도 4에 도시된 바와 같이, 전력 소비를 감소시키기 위해 대기 모드를 지원하는 데에 필요한 기능을 지속시키기에 충분한 범위 내에서 출력 전압 Vout을 유지한다. 예를 들어, 출력 전압 Vout이 높은 대기 전압 한계 VH보다 크다는 결정 시에, USB PD 제어기(550)는, 1차측 제어기(520)의 피드백 단자에 대해 피드백 신호(533)를 제1 값으로 설정하여 1차측 제어기(520)로 하여금 출력 전압 Vout을 조절하는 것을 중지하게 하고 출력 전압 Vout이 강하하게 한다. 도 5의 예시에서, USB PD 제어기(550)는 광 커플러(531)를 통해 피드백 신호(533)를 전송한다. 출력 전압 Vout이 낮은 대기 전압 한계 VL보다 작다는 결정 시에, USB PD 제어기(550)는, 광 커플러(531)를 통해, 1차측 제어기(520)에 대해 피드백 신호(533)를 제2 값으로 설정하여 1차측 제어기(520)로 하여금 출력 전압 Vout을 조절하는 것을 시작하게 하고 출력 전압이 상승하게 한다. 이 사이클이, USB 부하 디바이스가 연결될 때까지 반복되어, USB PD 제어기(550)는 SMPS(500)를 활성 모드로 설정한다.
SMPS(500)로 하여금 활성 모드로 진입하게 하기 위해, USB PD 제어기(550)는, 광 커플러(531)를 통해, 1차측 제어기(550)에 대해 피드백 신호를 제3 값으로 설정하여 1차측 제어기로 하여금 활성 모드에서 출력 전압을 조절하는 것을 시작하게 한다. 예를 들어, 활성 모드에서, 1차측 제어기(550)는 펄스 폭 변조(pulse-width modulation)(PWM) 모드로 동작할 수 있다. SB PD 제어기(550)는 또한, USB PD 제어기(550)의 하나 이상의 기능 블록을 턴온하여 그것이 완전히 기능하게 한다. 게다가, USB PD 제어기(550)는 또한, 부하 스위치(525)를 턴온하여, SMPS의 출력 전압 Vout을 USB 커넥터(570)에 연결한다.
도 6은 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 스위치 모드 전원 장치용 1차측 제어기의 단순화된 블록도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어기(600)는 도 5에 SMPS(500)용 1차측 제어기(520)로서 사용될 수 있는 제어기의 예시이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어기(600)는 단자 VCC, GND, Vaus, FB, CS, SRC, 및 OUT 등을 갖는다. 제어기(600)는 입력 단자 VCC를 통해 작동 전력을 수신하고, GND 단자는 제어기의 전기 접지를 제공한다. Vaux 단자로, 제어기(600)는, SMPS 출력의 상태를 나타내는, 보조 권선의 전류에 관련된 전압을 감지한다. 수개의 회로 블록이 Vaux 단자로부터 신호를 수신하고 다양한 기능을 수행한다. 예를 들어, 회로 블록(612)은 라인 보상을 위해 구성되고, 회로 블록(614)은 부하 검출을 위해 구성되고, 회로 블록(616)은 기능에 있어 침체(valley)를 검출하도록 구성된다. 이들 제어 블록으로부터의 출력은, 후술되는 바와 같이 다양한 기능을 수행하는 로직 제어 블록(620)에 결합된다. 블록(662)은 시동 레귤레이터이고, 블록(664)은 다양한 보호 회로 및 지원 회로를 포함한다.
도 6의 예시에서, 로직 제어 블록(620)은, 제어 신호를 게이트 드라이버 블록(640)에 발행하여, 2차측으로부터의 턴온 신호에 응답하여 전원 스위치를 턴온하고, 1차 전류가, 1차 전류 기준 레벨 또는 피크 1차 전류 레벨로 지칭될 수도 있는, 피크 전류 기준 레벨에 도달할 때, 전원 스위치를 턴오프한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 2차측으로부터, 턴온 신호가, 전류 소스(634) 및 비교기(632)의 입력에 결합된 FB 단자에 수신된다. 비교기(632)의 다른 한 입력이 기준 신호 Vref1에 결합된다. 비교기(632)는, 전원 스위치를 턴온하기 위해, OUT 단자로 제어 신호를 제공하도록 게이트 구동 블록에 결합된 로직 제어 블록(620)에, PW_ON 신호를 제공한다.
비교기(654)의 다른 한 단자는, 피크 1차 전류의 한계에 관련된 전압 신호 Vcs를 수신한다. 도 6의 예시에서, 로직 제어 블록(620)은, 디지털-대-아날로그 변환기(DAC)(652)를 통해, Vcs 신호를 제공한다. 단자 CS에서 전류 감지 신호가 피크 전류 기준 신호 Vcs에 도달하면, 비교기(654)는, 게이트 드라이버(640)를 통해, 전원 스위치를 턴오프하기 위해 OUT 단자로 제어 신호를 전송하는 로직 제어 블록(620)에, 신호 Tonp를 전송한다.
일부 예시에서, 로직 제어 블록(620)은, 전원 스위치를 제어하여 정상 모드 동작에 전원 장치를 조절하기 위해, 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 제공할 수 있다. 저부하 또는 무부하 조건에서, 로직 제어 블록(620)은 버스트 모드로 동작할 수 있고, 여기서 전원 장치의 출력 전압을 목표 전압으로 유지하기 위해, 턴온 펄스들의 버스트가 상대적으로 긴 간격으로 발행된다. 게다가, 대기 모드 또는 절전 모드에서, 로직 제어 블록(620)이, 전원 장치를 조절하는 것으로부터 중지되어, 2차측 제어기로 하여금 출력 전압을 감시하게 한다. 이 경우, 2차측 제어기는, 1차측 제어기로 하여금 조절 기능을 재개하게 하기 위해, 웨이크 업 신호를 발행할 수 있다. 예를 들어, FB 단자에서 Vref1 기준 전압보다 낮은 신호를 수신하는 1차측 제어기에 의해, 대기 모드가 촉발될 수 있다. 웨이크 업 신호는, FB 단자에서 Vref1 기준 전압보다 높은 신호일 수 있다. 도 5의 예시에서, FB 단자는, 광 커플러(531)를 통해, 피드백 신호를 수신한다. 피드백 신호가 예를 들어, 0.6V 보다 낮으면, 1차측 제어기가 전원 스위치를 조절하는 것을 중지한다.
도 7은, 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는 스위치 모드 전원 장치용 2차측 제어기의 단순화된 블록도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 도 7의 2차측 제어기(700)는, 도 5의 SMPS(500)에서 USB PD 제어기(550)로서 사용될 수 있는 제어기의 예시이고, 도 5의 구성 요소들은 이하의 설명에서 참조된다. 제어기(700)는, USB 커넥터(570)에 출력 전압 Vout을 제공하기 위해 SMPS(500)의 2차 권선(512)에 결합되기 위한 제1 단자 VCC, 2차 권선과 USB 커넥터 사이에 결합되는 부하 스위치(525)에 제어 신호를 제공하는 제2 단자 PWR_EN, 및 SMPS의 1차측 제어기에 피드백 신호(533)를 제공하는 광 커플러(531)를 구동하기 위한 제3 단자 OCDRV를 포함한다. 2차측 제어기(700)는 또한, USB 커넥터(570)로부터 대응하는 신호를 수신하기 위한, 단자 D+, D-, CC1, 및 CC2를 포함한다. 2차측 제어기(700)는 또한, 추가 단자를 포함한다. 예를 들어, GND 단자는 전기 접지를 제공하고, ISEN 단자는 2차 권선의 전류를 감지하는 데에 사용되고, VBUS 단자는 USB 커넥터(570)에 제공되는 전압 VBUS에 연결되는 등이다.
2차측 제어기(700)는 수개의 기능 블록을 포함한다. 예를 들어, 제어 블록(710)은, 2차측 제어기(700)의 기능을 구현하기 위해, 다른 기능 블록과 함께 작업한다. USB 블록(720)은, USB 커넥터(570)로부터 신호를 수신하고, 어댑터와 디바이스 사이의 통신을 위한 전력 전달(Power Delivery) 프로토콜을 책임지고 있다. 예를 들어, USB 블록(720)은, USB 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하기 위한 디코더(721)를 포함할 수 있다. OSC 블록은 제어기용 발진기들을 제공한다. LDO(낮은 드롭아웃) 회로는, 제어기 및 커넥터에 조절된 전압을 제공한다. ROM 블록은 판독 전용 메모리를 제공한다. SENSE 블록은, 과전류 보호 및 전류 제어를 위해 출력 전류 감지 및 피드백을 수행한다. 블록(730)은, 더 후술된 바와 같이, 정전압(constant voltage)(CV) 및 정전류(constant current)(CC) 제어를 제공한다.
2차측 제어기(700)는, SMPS의 정전압(CV) 및 정전류(CC) 제어를 제공하기 위해, 2차 권선에 결합된다. 2차측 제어기(700)는, 출력 선택 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 출력 선택 신호는 D+ 및 D- 단자에 수신될 수 있다. 출력 선택 신호에 기초하여, 2차측 제어기(700)는 목표 전압 기준 신호를 선택하고/하거나 목표 전류 기준 신호를 선택할 수 있다. 2차측 제어기(700)는, SMPS의 출력 전압 및 출력 전류를 감시하여, 출력 전압이 목표 전압 기준 신호보다 작은지와, 출력 전류가 목표 전류 기준 신호보다 작은지를 결정할 수 있다. 2차측 제어기(700)는, 출력 전압이 선택된 전압 기준 신호보다 작고, 출력 전류가 선택된 전류 기준 신호보다 작다는 결정 시에, 전원 스위치를 턴온하기 위해, 1차측 제어기에 턴온 신호를 제공할 수 있다. 1차측 제어기는, 2차측으로부터의 턴온 신호에 응답하여, 전원 스위치를 턴온할 수 있다. 일부 실시예에서, 1차측 제어기는, 1차 전류가 피크 1차 전류 기준 레벨에 도달할 때 전원 스위치를 턴오프할 수 있다.
도 7에서, 선택된 전압 기준 신호 CV_vref가 비교기 CV_comp(722)에 결합되고, 선택된 전류 기준 신호 CC_vref가 다른 비교기 CC_comp(724)에 결합된다. 제어기(700)는 또한, SMPS의 출력 전압 및 출력 전류를 감시한다. VCC 단자는 SMPS의 출력에 관한 정보를 제공하고, ISEN 단자는 2차 권선의 전류에 관한 정보를 제공하도록 구성된다. 비교기(722 및 724)에 의해 제공된 정보에 기초하여, 제어기(700)에서 CV 및 CC 로직 회로(726)는, 출력 전압이 선택된 전압 기준 신호보다 작은지와, 출력 전류가 선택된 전류 기준 신호보다 작은지를 결정한다. 제어 회로(700)는, 출력 전압이 선택된 전압 기준 신호보다 작고, 출력 전류가 선택된 전류 기준 신호보다 작다는 결정 시에, 전원 스위치를 턴온하기 위해, 1차측 제어기에 턴온 신호를 더 제공한다. 이 예시에서, 턴온 신호는, 1차측 제어기에 신호를 제공하기 위해 광 커플러에 결합된, 단자 OCDRV에 결합된다. 다른 실시예들에서, 1차측 제어기와 2차측 제어기 사이의 통신은, 상이한 수단에 의해, 예를 들어, 변압기를 통한 유도성 결합(inductive coupling)을 통해, 달성될 수 있다.
제어 로직(710)은 상술된 절전 기능에 대한 제어를 제공한다. 예를 들어, 제어 로직(710)은, USB 부하 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시한다. 어떤 USB 부하 디바이스도 USB 커넥터에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, 제어 로직(710)은 SMPS로 하여금 대기 모드로 진입하게 한다. USB 부하 디바이스가 USB 커넥터에 연결되어 있다는 결정 시에, 제어 로직(710)은 SMPS로 하여금 활성 모드로 진입하게 한다. 대기 모드에서, 제어 로직(710)은 부하 스위치를 턴오프하여 USB 커넥터로부터 SMPS의 출력 전압을 차단하고, USB PD 제어기의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하여 전력 소비를 감소시킨다. 예를 들어, 대기 모드에서, 블록(730)이, 보호 블록, SENSE 블록, VBUS 단자에 결합된 스위치, 및 PD 프로토타입 기능을 처리하는 USB 블록(720)의 일부 등과 함께, 턴오프될 수 있다.
제어 로직(710)은 또한, SMPS의 출력 전압을 감시하고, 다음의 기능들을 수행한다. 출력 전압이 높은 대기 전압 한계보다 크다는 결정 시에, 제어 로직(710)은, 광 커플러를 통해, 제1 피드백 신호를 1차측 제어기에 전송하여, 1차측 제어기로 하여금 출력 전압을 조절하는 것을 중지하게 하고 출력 전압이 강하하게 한다. 출력 전압이 낮은 대기 전압 한계보다 작다는 결정 시에, 제어 로직(710)은, 광 커플러를 통해, 제2 피드백 신호를 1차측 제어기에 전송하여, 1차측 제어기로 하여금 출력 전압을 조절하는 것을 시작하게 하고, 출력 전압이 상승하게 한다.
활성 모드로 진입하기 위해서, 제어 로직(710)은, 광 커플러(531)를 통해, 제3 피드백 신호를 1차측 제어기(550)에 전송하여, 1차측 제어기로 하여금 활성 모드에서 출력 전압을 조절하는 것을 시작하게 한다. 제어 로직(710)은 또한, USB PD 제어기(550) 내의 하나 이상의 기능 블록을 턴온하여, 그것이 완전히 기능하게 한다. 게다가, 제어 로직(710)은 또한, SMPS의 출력 전압 Vout을 USB 커넥터(570)에 연결하기 위해, 부하 스위치(525)를 턴온한다.
도 7은, 작동 전력을 수신하기 위해 스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 2차 권선에 결합되기 위한 제1 단자, 제2 권선과 USB 커넥터 사이에 결합된 부하 스위치에 제어 신호를 제공하는 제2 단자, 및 SMPS의 1차측 제어기에 피드백 신호를 제공하기 위한 제3 단자를 갖는, 범용 직렬 버스 전력 전달(universal serial bus power delivery)(USB PD) 제어기로서 사용될 수 있는, 2차측 제어기의 예시이다. USB PD 제어기는 또한, USB 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하기 위한 디코더를 갖는다. USB PD 제어기의 제어 로직은, USB 부하 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하도록 구성된다. 어떤 USB 부하 디바이스도 USB 커넥터에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, 제어 로직은 USB 커넥터의 2차 권선으로부터 부하 스위치를 연결해제하기 위해 부하 스위치를 턴오프하고, 대기 모드로 진입한다. 대기 모드는 절전 모드의 제1 기간과 조절 모드의 제2 기간을 교번하는 것을 포함한다. 절전 모드에서, 제어 로직은, 전원 장치의 출력을 조절하는 것을 중지하고, 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프한다. 조절 모드에서, 제어 로직은, 기능 블록들을 턴온하고, 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 증가하도록 전원 장치를 조절한다. USB 부하 디바이스가 USB 커넥터에 연결되어 있다는 결정 시에, 제어 로직은 정상 모드로 진입하고, 여기서 제어 로직은 전원 장치의 출력을 조절하고, 기능 블록들에 전원이 들어오고, 부하 스위치가 턴온되어 부하 디바이스를 전원 장치에 연결한다.
도 8은, 본 발명의 특정한 양상들을 구현하는, 전원 장치에서 대기 전력을 감소시키기 위한 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이다. 예시에서, 전원 장치는, 전원 장치의 출력을 조절하기 위한 제어 회로, 및 전원 장치의 출력을 부하 디바이스에 연결하기 위한 부하 스위치를 갖는다. 본 발명은, 부하 디바이스가 전원 장치에 연결되어 있는지를 결정하는 단계를 포함한다. 어떤 부하 디바이스도 전원 장치에 연결되어 있지 않다는 결정에 응답하여, 본 방법은 부하 디바이스로부터 연결해제하기 위해 부하 스위치를 턴오프하는 단계 및 대기 모드로 진입하는 단계를 포함한다. 대기 모드는 절전 모드의 제1 기간과 조절 모드의 제2 기간을 교번하는 단계를 포함한다. 절전 모드에서, 제어 회로는, 전원 장치의 출력을 조절하는 것을 중지하고, 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프한다. 조절 모드에서, 제어 회로는, 기능 블록들을 턴온하고, 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 증가하도록 전원 장치를 조절한다. 한편, 부하 디바이스가 전원 장치에 연결되어 있다는 결정에 응답하여, 본 방법은 정상 모드로 진입하는 단계를 포함하고, 여기서 제어 회로는 전원 장치의 출력을 조절하고, 제어 회로의 기능 블록들에 전원이 들어오고, 부하 스위치가 턴온되어 부하 디바이스를 전원 장치에 연결한다. 예시는 도 8의 흐름도에 더 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 방법(800)은 801에서 시작되고, 803에서, 부하 디바이스가 전원 장치의 출력에 연결되어 있는지를 결정하는 단계를 포함한다. 전술된 USB PD 예시를 위해, 프로세스(803)는, USB 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해 USB PD 프로토콜이 검출되는지를 결정하도록, CC 핀을 점검하는 단계를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 연결 및 프로토콜이 또한 사용될 수 있다. 부하 디바이스가 연결되어 있으면, 805에서, 전원 장치가 정상 모드로 설정되고, 전원 장치가 원하는 출력을 제공하도록 조절되고, 부하 스위치가 턴온되어 부하 디바이스를 연결한다. 어떤 부하 디바이스도 연결되어 있지 않다는 결정 시에, 807에서, 본 방법은 전원 장치를 대기 모드로 설정한다.
대기 모드는 도 8에서 대시 박스로 도시되어 있고, 부하 스위치가 턴오프되어 절전 모드의 제1 기간과 조절 모드의 제2 기간을 교번하는 단계를 포함한다. 도 4에 도시된 예시에서, 절전 모드는 제1 기간 T1이고, 조절 모드는 제2 기간 T2이다. 절전 모드에서, 제어 회로는, 전원 장치의 출력을 조절하는 것을 중지하고, 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프한다. 조절 모드에서, 제어 회로는, 기능 블록들을 턴온하고, 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달할 때까지 출력이 증가하도록 전원 장치를 조절한다.
811에서, 803과 마찬가지로, 본 방법은 부하 디바이스가 연결되어 있는지를 점검(check)한다. 부하 디바이스가 연결된 경우, 전원 장치는 805에서 정상 모드로 진입한다. 어떤 디바이스도 연결되어 있지 않으면, 813에서, 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달되는지를 알기 위해, 전원 장치의 출력, 전압 또는 전류를 점검한다. 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달되지 않은 경우, 815에서, 전원 장치의 조절이 중지되고, 사용되지 않는 기능 블록들이 턴오프되고, 출력이 강하하게 한다. 그 후, 본 방법은 811로 루핑된다(loops).
813에서, 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계 아래로 강하하면, 본 방법은 825로 진행하고, 여기서 전원 장치는 조절 모드로 설정되고 출력이 조절되고 출력이 상승하게 한다.
825로부터, 본 방법은 821로 진행하고, 여기서 다시 부하 디바이스의 연결을 점검한다. 부하 디바이스가 연결되어 있는 경우, 본 방법은 805로 진행하여 정상 모드로 진입한다. 어떤 부하 디바이스도 연결되어 있지 않은 경우, 823에서 전원 장치의 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계와 비교된다.
823에서, 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달하면, 본 방법은 815로 진행하여 절전 모드로 진입하여 사전-설정된 낮은 출력 한계와 사선 설정된 높은 출력 사이의 범위 내에 출력을 유지한다. 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달하지 않았으면, 전원 장치는 조절 모드에 머무른다.
도 1 내지 도 7의 예시에서, 절전 모드에서, 2차측 제어기는 부하 스위치를 턴오프하고 사용되지 않는 기능 블록들을 턴오프한다. 본 방법(800)은 또한, 제1 피드백 신호를 1차 제어기에 전송하는 2차측 제어기, 및 응답하여, 전원 장치를 조절하는 것을 중지하는 1차측 제어기를 포함할 수 있다. 본 방법(800)은 또한, 제2 피드백 신호를 1차 제어기에 전송하는 2차측 제어기, 및 응답하여 전원 장치를 조절하는 것을 중지하고 더 나아가 전력 소비를 더 감소시키기 위해 1차 제어기의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하는 1차측 제어기를 포함할 수 있다. 본 방법(800)은 또한, 제3 피드백 신호를 1차 제어기에 전송하는 2차측 제어기를 포함할 수 있고, 응답하여, 1차측 제어기는 기능 블록들을 턴온하고, 전원 장치를 조절하는 것을 시작한다.
본 방법(800)의 예시는, USB PD 제어기로서 기능하는 2차측 제어기를 갖는 SMPS의 문맥에서 도 1 내지 도 7을 참조하여 전술된다. 본 방법은 또한, 제1 피드백 신호를 1차 제어기에 전송하는 2차측 제어기, 및 응답하여, 전원 장치를 조절하는 것을 중지하는 1차측 제어기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 본 방법은 또한, 제2 피드백 신호를 1차 제어기에 전송하는 2차측 제어기, 및 응답하여, 전원 장치를 조절하는 것을 중지하고, 전력 소비를 더 감소시키기 위해 1차 제어기의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하는 1차측 제어기를 포함할 수 있다. 게다가, 본 방법은, 제3 피드백 신호를 1차 제어기에 전송하는 2차측 제어기, 및 응답하여, 하나 이상의 기능 블록을 턴하고(turning), 전원 장치를 조절하는 1차측 제어기를 포함할 수 있다.
본원에 설명된 예시들 및 실시예들은, 단지 예시적인 목적을 위한 것이고, 그것의 다양한 수정 또는 변경이 당업자에게 제시될 것이고, 본 출원의 정신 및 영역, 및 본 발명의 범위 내에 포함된다. 예를 들어, 전술된 예시들에서, 출력 전압은 제어 파라미터로 지칭된다. 하지만, 전원 장치는 또한, 전류 조절 기능을 포함하고, 전원 장치의 출력은 또한, 출력 전류를 지칭할 수 있거나, 출력 전압 및 출력 전류 둘 다를 지칭할 수 있다. 게다가, 전원 장치는 스위치 모드 전원 장치에 제한되지 않는다. 펄스 폭 변조(PWM) 제어기가 앞선 설명에 사용되어 있을 지라도, 펄스 주파수 변조(PFM) 제어기가 또한, 사용될 수 있다. 더욱이, 본 방법은, 실질적이 수정 없이 다른 전원 장치 또는 변환기에 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 방법은 또한, 절연(isolated) 및 비절연(non-isolated) 변환기, 및 선형 레귤레이터 등에 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 전원 장치에서 대기 전력을 감소시키기 위한 방법으로서, 상기 전원 장치는 상기 전원 장치의 출력을 조절하기 위한 제어 회로, 및 상기 전원 장치의 상기 출력을 부하 디바이스에 연결하기 위한 부하 스위치를 갖고, 상기 방법은:
    부하 디바이스가 상기 전원 장치에 연결되어 있는지를 결정하는 단계;
    어떤 부하 디바이스도 상기 전원 장치에 연결되어 있지 않다는 결정에 응답하여,
    상기 부하 디바이스로부터 연결해제하기 위해, 상기 부하 스위치를 턴오프하는 단계; 및
    대기 모드로 진입하는 단계 - 상기 대기 모드는 절전 모드의 제1 기간과 조절 모드의 제2 기간을 교번하는 것을 포함함 -;
    상기 절전 모드에서, 상기 제어 회로는, 상기 전원 장치의 상기 출력을 조절하는 것을 중지하고, 상기 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지 상기 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하고; 및
    상기 조절 모드에서, 상기 제어 회로는, 상기 기능 블록을 턴온하고, 상기 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달할 때까지 상기 출력이 증가하도록 상기 전원 장치를 조절하고; 및
    부하 디바이스가 상기 전원 장치에 연결되어 있다는 결정에 응답하여,
    정상 모드로 진입하는 단계 - 상기 제어 회로는 상기 전원 장치의 상기 출력을 조절하고, 상기 제어 회로의 상기 기능 블록에 전원이 들어오고, 상기 부하 스위치가 턴온되어 상기 부하 디바이스를 상기 전원 장치에 연결함 - 을 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전원 장치는, 1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 변압기, 상기 1차 권선에 결합되는 전원 스위치, 1차측 제어기, 및 2차측 제어기를 갖는 스위치 모드 전원 장치(switch mode power supply)(SMPS)이고, 상기 방법은:
    상기 2차측 제어기에서,
    부하 디바이스가 상기 SMPS의 출력 커넥터에 연결되어 있는지를 결정하는 단계; 및
    어떤 부하 디바이스도 상기 SMPS에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, 상기 SMPS로 하여금 상기 대기 모드로 진입하게 하고;
    부하 디바이스가 상기 SMPS에 연결되어 있다는 결정 시에, 상기 SMPS로 하여금 상기 정상 모드로 진입하게 하는 것을 포함하고;
    상기 대기 모드에서, 상기 2차측 제어기는:
    상기 SMPS의 출력 전압을 상기 출력 커넥터로부터 연결해제하고;
    상기 2차측 제어기 내의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하고;
    중지 조절 신호(stop regulating signal)를 상기 1차측 제어기에 전송하여, 상기 1차측 제어기로 하여금 상기 SMPS를 조절하는 것을 중지하게 하고;
    상기 SMPS의 출력 전압을 감시하고; 및
    상기 사전-설정된 낮은 출력 한계와 상기 사전-설정된 높은 출력 한계 사이의 범위 내에서 상기 출력 전압을 유지하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1 피드백 신호를 상기 1차 제어기에 전송하는 상기 2차측 제어기, 및 응답하여, 상기 전원 장치를 조절하는 것을 중지하는 상기 1차측 제어기를 더 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 제2 피드백 신호를 상기 1차 제어기에 전송하는 상기 2차측 제어기, 및 응답하여, 상기 전원 장치를 조절하는 것을 중지하고, 전력 소비를 더 감소시키기 위해, 상기 1차 제어기 내의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하는 상기 1차측 제어기를 더 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 제3 피드백 신호를 상기 1차 제어기에 전송하는 2차측 제어기, 및 응답하여, 하나 이상의 기능 블록을 턴하고(turning) 상기 전원 장치를 조절하는 상기 1차측 제어기를 더 포함하는, 방법.
  6. 제2항에 있어서, 광 커플러(opto-coupler)를 통해, 피드백 신호를 상기 1차 제어기에 전송하는 상기 2차측 제어기를 더 포함하는, 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 2차측 제어기는 범용 직렬 버스 전력 전달(USB PD) 제어기인, 방법.
  8. 제7항에 있어서, PD 프로토콜이 검출되어 부하 디바이스가 상기 SMPS에 연결되어 있는지를 결정하기 위해, CC1 및 CC2 신호를 감시하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전원 장치는 비절연(non-isolated) 전원 장치인, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전원 장치는 선형 전원 장치인, 방법.
  11. 범용 직렬 버스 전력 전달(USB PD) 제어기로서,
    작동 전력을 수신하기 위해 스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 2차 권선에 결합되기 위한 제1 단자;
    상기 2차 권선과 USB 커넥터 사이에 결합되는 부하 스위치에 제어 신호를 제공하는 제2 단자;
    상기 SMPS의 1차측 제어기에 피드백 신호를 제공하기 위한 제3 단자;
    USB 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, 상기 USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하기 위한 디코더; 및
    제어 로직을 포함하고, 상기 제어 로직은:
    USB 부하 디바이스가 연결되어 있는지를 결정하기 위해, 상기 USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하고;
    어떤 USB 부하 디바이스도 상기 USB 커넥터에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, 상기 2차 권선을 상기 USB 커넥터로부터 연결해제하기 위해 상기 부하 스위치를 턴오프하여, 대기 모드로 진입하도록 구성되고;
    상기 대기 모드가 절전 모드의 제1 기간과 조절 모드의 제2 기간을 교번하는 것을 포함하고;
    상기 절전 모드에서, 상기 제어 로직은, 상기 전원 장치의 출력을 조절하는 것을 중지하고, 상기 출력이 사전-설정된 낮은 출력 한계에 도달할 때까지 상기 출력이 강하하도록 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하고;
    상기 조절 모드에서, 상기 제어 로직은, 상기 기능 블록을 턴온하고, 상기 출력이 사전-설정된 높은 출력 한계에 도달할 때까지 상기 출력이 증가하도록 상기 전원 장치를 조절하고;
    USB 부하 디바이스가 상기 USB 커넥터에 연결되어 있다는 결정 시에, 정상 모드로 진입하고, 상기 제어 로직은 상기 전원 장치의 상기 출력을 조절하고, 상기 기능 블록에 전원이 들어오고, 상기 부하 스위치가 턴온되어 상기 부하 디바이스를 상기 전원 장치에 연결하는, USB PD 제어기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 로직은, 제1 피드백 신호를 상기 1차측 제어기에 전송하여, 상기 1차 제어기로 하여금 상기 전원 장치를 조절하는 것을 중지하게 하도록 구성되는, USB PD 제어기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제어 로직은, 제2 피드백 신호를 상기 1차 제어기에 전송하여, 상기 1차측 제어기로 하여금 상기 전원 장치를 조절하는 것을 중지하게 하고, 전력 소비를 더 감소시키기 위해, 상기 1차 제어기 내의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하게 하도록 구성되는, USB PD 제어기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제어 로직은, 제3 피드백 신호를 상기 1차 제어기에 전송하고, 상기 1차측 제어기로 하여금 하나 이상의 기능 블록을 턴하고(turn) 상기 전원 장치를 조절하게 하도록 구성되는, USB PD 제어기.
  15. 제11항에 있어서, 상기 USB PD 제어기는, 광 커플러를 통해, 피드백 신호를 상기 1차 제어기에 전송하도록 구성되는, USB PD 제어기.
  16. USB PD 제어기를 갖는 스위치 모드 전원 장치(SMPS)로서,
    외부 입력 전압 및 2차 권선에 결합되기 위한 1차 권선 및 상기 SMPS의 출력 전압을 제공하기 위한 2차 권선을 갖는 변압기;
    상기 2차 권선을 USB 커넥터에 결합하는 부하 스위치;
    상기 SMPS의 상기 1차 권선에 결합되기 위한 전원 스위치;
    상기 전원 스위치를 제어하기 위해 상기 전원 스위치에 결합되는 1차측 제어기 - 상기 1차측 제어기는, 광 커플러를 통해, 상기 SMPS의 상기 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 수신하기 위한 피드백 단자를 포함함 -;
    상기 1차측 제어기는, 상기 SMPS의 상기 출력 전압을 목표 전압으로 조절하기 위해, 상기 피드백 신호에 적어도 기초하여, 상기 전원 스위치를 턴온 및 턴오프하기 위한 제어 신호를 생성하도록 구성되고;
    상기 1차측 제어기는 정상 동작 동안 펄스 폭 변조(PWM) 모드로 동작하고, 상기 1차측 제어기는 저부하 또는 무부하 조건 동안, 버스트 모드로 동작하고;
    USB 전력 전달 동작에 대한 지원을 제공하기 위해 상기 2차 권선에 결합되는 USB PD 제어기 - 상기 USB PD 제어기는:
    상기 USB 커넥터로부터 CC1 및 CC2 신호를 감시하고;
    활성 모드에서, 어떤 USB 부하 디바이스도 상기 USB 커넥터에 연결되어 있지 않다는 결정 시에, 상기 SMPS로 하여금 대기 모드로 진입하게 하고;
    상기 대기 모드에서, USB 부하 디바이스가 상기 USB 커넥터에 연결되어 있다는 결정 시에, 상기 SMPS로 하여금 활성 모드로 진입하게 하고;
    상기 SMPS로 하여금 상기 대기 모드로 진입하게 하기 위해, 상기 USB PD 제어기는:
    상기 SMPS의 상기 출력 전압을 상기 USB 커넥터로부터 연결해제하기 위해 상기 부하 스위치를 턴오프하고;
    상기 USB PD 제어기의 하나 이상의 기능 블록을 턴오프하여;
    상기 SMPS의 출력 전압을 감시하고;
    상기 출력 전압이 높은 대기 전압 한계보다 크다는 결정 시에, 상기 광 커플러를 통해, 상기 1차측 제어기에 대해 상기 피드백 신호를 제1 값으로 설정하여, 상기 1차측 제어기로 하여금 상기 출력 전압을 조절하는 것을 중지하게 하여, 상기 출력 전압이 강하하게 하고;
    상기 출력 전압이 낮은 대기 전압 한계보다 작다는 결정 시에, 상기 광 커플러를 통해, 상기 1차측 제어기에 대해 상기 피드백 신호를 제2 값으로 설정하여, 상기 1차측 제어기로 하여금 상기 출력 전압을 조절하는 것을 시작하게 하여, 상기 출력 전압이 상승하게 하고;
    상기 SMPS로 하여금 상기 활성 모드로 진입하게 하기 위해, 상기 USB PD 제어기는:
    상기 USB PD 제어기의 상기 하나 이상의 기능 블록을 턴온하고;
    상기 광 커플러를 통해, 상기 1차측 제어기에 대해 상기 피드백 신호를 상기 제2 값으로 설정하여, 상기 1차측 제어기로 하여금 상기 활성 모드에서 상기 출력 전압을 조절하는 것을 시작하게 하고;
    상기 부하 스위치를 턴온하여 상기 SMPS의 상기 출력 전압을 상기 USB 커넥터에 연결하도록 구성되는, 스위치 모드 전원 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 부하 스위치는 MOS 트랜지스터인, 스위치 모드 전원 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 전원 스위치는 높은 전압 MOS 트랜지스터인, 스위치 모드 전원 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 1차측 제어기가 제1 값인 상기 피드백 신호를 수신할 때, 상기 1차측 제어기는 상기 출력 전압을 조절하는 것을 중지하도록 구성되는, 스위치 모드 전원 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 1차측 제어기가 제2 값인 상기 피드백 신호를 수신할 때, 상기 1차측 제어기는 상기 출력 전압을 조절하는 것을 시작하도록 구성되는, 스위치 모드 전원 장치.
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