KR20200124063A - 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치 - Google Patents

아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치는, 컨버터의 출력 전압을 제어하는 제1제어기; 및 상기 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제2제어기;를 포함하고, 상기 제1제어기는 디지털 제어 방식으로 상기 컨버터의 출력 전압을 제어하고, 상기 제2제어기는 아날로그 제어 방식으로 상기 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 컨버터의 출력 전압 제어는 디지털 제어 방식으로 제어하고, 컨버터의 인덕터 전류 제어는 아날로그 제어 방식으로 제어하여 유연하게 설계변경 가능하면서 안정도가 뛰어난 컨버터를 위한 제어장치를 제공할 수 있다.

Description

아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치{Apparatus for controlling high frequency switching converter using analog and digital control}
본 발명은 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치에 관한 것으로, 특히 아날로그 제어 방식과 디지털 제어 방식을 동시에 사용하는 컨버터 제어장치에 관한 것이다.
반도체 기술의 발달은 고성능의 마이크로 컨트롤러 및 DSP(Digital Signal Processor)의 발전으로 이어지고 있다. 이러한 반도체 기술의 발달을 기반으로 전력전자시스템의 고속 연산이 가능해짐에 따라 DC-DC 컨버터에 인가되는 PWM 신호의 듀티(duty) 제어를 위해 DC-DC 컨버터의 모델링 및 제어기 설계를 통한 디지털 제어 방식이 주류를 이루고 있다.
일반적인 DC-DC 컨버터는 VLSI(Very Large Scale Integrated Circuit) 시스템, 시스템 온 칩(System On a chip) 등의 거의 모든 회로에 일정한 DC 전압을 공급하기 위한 회로로서 사용된다. 이러한 DC-DC 컨버터에서는 출력단에서 나타나는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시킨 후, 사전에 설정된 기준 출력전압과 비교하여 출력전압을 원하는 레벨로 조절하는 기능을 수행한다. 이때, DC-DC 컨버터에서 출력전압을 원하는 레벨로 조절하기 위해서는 디지털 PWM 제어기가 사용된다.
아날로그 제어는 속도는 빠르고 실시간 동작을 하지만, 유연한 수정, 보완이 어렵고 계산을 이용한 신호처리가 블가능하다는 단점이 있다.
디지털 제어는 아날로그 제어 회로에 비해 회로 구성이 단순하며, 사용자가 여러 가지 기능을 코드를 통해 구현할 수 있기 때문에 그 활용도가 높지만 초고속의 실시간 제어가 불가능하다는 단점이 있다.
이에, 종래특허 1은 고속 스위칭을 위하여 예측적 불연속 Charge 모드 제어 방식을 사용하는 기술이 개시된다. 이는 컨버터에서 불연속 모드 동작시 부하에 따른 듀티를 피드백 제어를 하지 않고 PWM 1회에 필요한 전하량을 입력 전압, 출력 전압, L값, 부하전류 등의 변수로 계산하여 듀티를 결정하고 컨버터를 제어하는 방법이다. 상기 종래특허 1은 DSP를 이용한 디지털 제어를 통해 컨버터를 소형화하기 위한 좋은 방법이나, 연속모드에서는 사용이 불가능하며, DSP는 1회 센싱 및 신호처리 시간이 수십
Figure pat00001
로 아날로그 제어에 비해 긴 편이어서 고주파 스위칭이 힘들고, 컨버터의 인덕터 전류를 불연속으로 제어하는 경우 매우 큰 자속 변화에 의한 철손과 매우 큰 전류 변화에 의한 동손이 발생하는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2016-0062136호
본 발명은 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치에 관한 것으로, 컨버터의 출력 전압 제어는 디지털 제어 방식으로 제어하고, 컨버터의 인덕터 전류 제어는 아날로그 제어 방식으로 제어하여 유연하게 설계변경 가능하면서 안정도가 뛰어난 컨버터를 위한 제어장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치는, 컨버터의 출력 전압을 제어하는 제1제어기; 및 상기 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제2제어기;를 포함하고, 상기 제1제어기는 디지털 제어 방식으로 상기 컨버터의 출력 전압을 제어하고, 상기 제2제어기는 아날로그 제어 방식으로 상기 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 제1제어기는, 상기 컨버터의 출력 전압을 센싱한 센싱전압을 입력으로 받아 기준전압과 비교하여 PI 제어기를 통해 연산하여 출력값을 출력하고 상기 출력값을 상기 제2제어기의 기준전류로 사용하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 제2제어기는, 상기 컨버터의 인덕터의 전류를 센싱한 센싱전류를 입력으로 받아 연산증폭기를 통해 연산하여 PWM을 출력하기 위한 듀티(duty)를 결정하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 제1제어기는, 상기 제2제어기의 출력단에 연결되고, 상기 컨버터에 문제 발생시 PWM의 온/오프(on/off)를 제어하는 보호회로부를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 컨버터의 출력 전압 제어는 디지털 제어 방식으로 제어하고, 컨버터의 인덕터 전류 제어는 아날로그 제어 방식으로 제어하여 유연하게 설계변경 가능하면서 안정도가 뛰어난 컨버터를 위한 제어장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 컨버터의 디지털 제어 장치의 블록도이다.
도 2는 컨버터의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 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.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 컨버터의 디지털 제어 장치의 블록도이다.
도 2는 컨버터의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에서 도 2에 도시된 바와 같이 컨버터는 DC/DC 컨버터 중 벅(buck) 컨버터를 예로 설명하나, 본 발명의 제어장치는 다른 방식의 컨버터에도 적용 가능함은 물론이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치는 제1제어기(100) 및 제2제어기(200)를 포함하여 구성된다. 상기 제1제어기(100)는 컨버터의 출력 전압을 제어하며 디지털 제어방식으로 전압을 제어한다. 상기 제2제어기(200)는 인덕터에 흐르는 전류를 제어하며 아날로그 제어방식으로 인덕터에 흐르는 전류를 제어한다.
도 1을 참조하면, 컨버터를 제어하기 위하여 종래에 이용된 제어장치가 도시되어 있다. 제어기는 전압제어기 및 전류제어기로 이루어지며, 전압제어기의 출력이 전류제어기의 입력, 즉 기준전류(Iref)가 된다. 각 제어기는 PI 제어기가 일반적으로 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이 전압 및 전류 제어를 모두 디지털 제어를 통해 제어한다.
일반적으로 컨버터에서 전압과 전류를 안정적으로 제어할 수 있는 방법은 전압제어기의 출력을 전류제어기의 기준전류(Iref)로 사용하여 PWM을 형성하는 방식이다. PWM에 의한 인덕터 전류 변화 속도는 캐패시터 전압 변화 속도에 비해 매우 빠르기 때문에, 전류제어기가 안정적으로 동작한다고 하면 인덕터는 안정적으로 제어되는 전류원으로 볼 수 있어, 컨버터는 출력 캐패시터만의 1차 함수로 해석할 수 있어 제어 안정도가 뛰어난 컨버터를 설계할 수 있게된다.
그러나, 안정적인 전류 제어를 위해서는 고속 응답 특성이 필요하고, 인턱터의 전류 기울기 보상 제어가 필요하다. 이 부분은 디지털 제어 방식으로는 구현이 힘들고 특히 고주파화는 불가능하다. 그래서 대부분의 디지털 제어를 통한 컨버터는 수십 kHz 이하의 주파수를 사용하게 된다.
따라서, 100 kHz 이상의 고주파 스위칭 컨버터를 제어하기 위하여 전류 제어를 안정적으로 할 필요성이 있으므로, 본 발명은 제2제어기(200)와 같이 아날로그 제어 방식을 통한 구성을 적용하여 인덕터 전류를 제어한다.
도 2를 참조하면, 제1제어기(100)는 컨버터의 출력 전압를 센싱한 센싱전압(Vsen)을 입력으로 받아 기준전압(Vref)과 비교하여 PI 제어기를 통해 연산하여 출력값을 출력하고, 상기 출력된 출력값을 제2제어기(200)의 기준전류(Iref)로 사용한다. 상기와 같은 제1제어기(100)의 제어방식은 디지털 제어이다. 상기 제2제어기(200)는 상기 기준전류(Iref)와 인덕터 전류를 센싱한 센싱전류(Isen)를 입력으로 받아 연산증폭기(210)를 통해 연산하여 PWM을 출력하기 위한 듀티(duty)를 결정한다. 즉, PWM 듀티(duty)는 제2제어기(200)를 통해 형성한다. 상기와 같은 제2제어기의 제어방식은 아날로그 제어이다. 상기 제2제어기(200)를 통해 출력된 듀티(duty)는 PWM으로 인가되고 상기 PWM은 듀티(duty)를 입력받아 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 펄스를 생성하고 상기 생성된 펄스는 컨버터의 스위치 게이트를 통해 인가된다.
보다 구체적으로, 상기 컨버터의 출력전류를 센싱한 센싱전압(Vsen)은 ADC(Analog to Digital Converter)로 읽고 기준전압(Vref)과 비교하여 PI 제어기를 통해 연산하여 출력값을 출력하고, 상기 출력값은 DAC(Digital to Analog Converter)를 통해 제2제어기(200)의 기준전류(Iref)로 사용한다.
고주파 스위칭 컨버터를 제어함에 있어, 인덕터의 전류 제어를 디지털 제어로 하는 경우 미세 듀티(duty) 변동에 의해서도 인덕터에 흐르는 전류가 크게 변해 과전류가 흐를 수 있는 위험이 있어, 전류 제어를 아날로그 제어로 함으로 인해 컨버터를 안정적으로 제어할 수 있게 된다.
또한, 제2제어기(200)를 통해 PWM 듀티를 아날로그 제어방식을 통해 연산함으로 인해 디지털 제어방식을 통해 계산할 때보다 빠르게 계산할 수 있고, 고주파 스위칭 컨버터를 안정적으로 제어할 수 있게된다.
본 발명에 따른 고주파 스위칭 컨버터 제어장치의 제1제어기(100)는 보호회로부(110)를 더 포함할 수 있다. 상기 보호회로부(110)는 제2제어기(200) 출력단에 연결되고 컨버터에 문제 발생시 PWM의 온/오프(on/off)를 제어할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 보호회로부(110)는 컨버터에 예상 불가능한 과전류가 흐르면 PWM을 오프(off)하여 컨버터의 동작을 정지시킬 수 있다. 상기 보호회로부(110)는 디지털 제어 방식을 사용함으로써 소프트웨어적으로 구현되어 발생할 수 있는 문제를 유연하게 대처할 수 있다.
상기 제2제어기(200)를 통해 출력된 듀티(duty)는 PWM으로 인가되고 상기 PWM은 듀티(duty)를 입력받아 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 펄스를 생성하고 상기 생성된 펄스는 보호회로부(110)를 통해 게이트(Gate)로 인가된다. 이 때, 상기 컨버터에 예상 불가능한 과전류가 흐르면 상기 보호회로부(110)에서 PWM을 오프(off)하여 컨버터의 동작을 정지시킬 수 있다.
본 발명은 상기 설명한 바와 같이, 컨버터에 구성되는 인덕터를 작게 하기 위해 고주파 스위칭 제어가 필요하며, 고주파 스위칭 제어를 하기 위해 인덕터에 흐르는 전류를 빠르게 제어할 필요가 있고, 이에 따라 전류 제어를 디지털 제어 방식이 아닌 아날로그 방식을 통해 제어를 함으로써 컨버터를 안정적으로 제어할 수 있는 것에 관한 것이다.
또한, 컨버터 출력 전압의 제어는 디지털 제어 방식을 사용함으로써, 유연한 로직 설계 및 계산식에 의한 신호처리가 가능하게 하여 아날로그 제어와 디지털 제어를 동시에 사용하여 고주파 스위칭을 구현할 수 있어 컨버터의 효율 상승 및 크기 감소를 실현할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 제1제어기 110 보호회로부
200 제2제어기 210 연산증폭기

Claims (4)

  1. 컨버터의 출력 전압을 제어하는 제1제어기; 및
    상기 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제2제어기;를 포함하고,
    상기 제1제어기는 디지털 제어 방식으로 상기 컨버터의 출력 전압을 제어하고,
    상기 제2제어기는 아날로그 제어 방식으로 상기 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1제어기는,
    상기 컨버터의 출력 전압을 센싱한 센싱전압을 입력으로 받아 기준전압과 비교하여 PI 제어기를 통해 연산하여 출력값을 출력하고 상기 출력값을 상기 제2제어기의 기준전류로 사용하는 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2제어기는,
    상기 컨버터의 인덕터의 전류를 센싱한 센싱전류를 입력으로 받아 연산증폭기를 통해 연산하여 PWM을 출력하기 위한 듀티(duty)를 결정하는 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1제어기는,
    상기 제2제어기의 출력단에 연결되고, 상기 컨버터에 문제 발생시 PWM의 온/오프(on/off)를 제어하는 보호회로부를 더 포함하는 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치.



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