KR20210105837A - 전압 과부하 완화를 위한 전원 스위치의 스위칭 순서 제어 - Google Patents

전압 과부하 완화를 위한 전원 스위치의 스위칭 순서 제어 Download PDF

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Abstract

예시적인 방법은 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것을 포함한다. 전원 스위치는 플라잉 커패시터에 결합되며, 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따른 전압 과부하에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함한다. 이 방법은 제어된 스위칭 순서에 반응하여, 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 제1 전압 레벨의 입력 전압을 제2 전압 레벨의 출력 전압으로 변환하는 것을 더 포함한다.

Description

전압 과부하 완화를 위한 전원 스위치의 스위칭 순서 제어{CONTROLLING A SWITCHING ORDER OF POWER SWITCHES FOR MITIGATING VOLTAGE OVERSTRESS}
다양한 실시예의 양태들은 전압 과부하를 완화하기 위해 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
파워 컨버터는 모바일 장치를 위한 고전압 배터리 충전과 같은 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 파워 컨버터는 제1 전압 레벨의 입력 전력을 제2 전압 레벨의 출력 전력으로 변환할 수 있다. 제2 전압 레벨은 제1 전압 레벨보다 높은 레벨(때론 "상향 변환(up-conversion)"이라고도 함)을 포함할 수도 있고, 제1 전압 레벨보다 낮은 레벨(때론 "하향 변환(down-conversion))"이라고도 함)을 포함할 수도 있다.
이들 및 다른 문제들은 다양한 응용에 있어서 전원 스위치를 어떻게 효율적으로 구현할지에 대한 과제를 제시해왔다.
다양한 실시예는 전술한 바와 같은 사안들 및/또는 파워 컨버터의 구성요소들의 전압 스트레스를 완화하면서 파워 컨버터의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어함으로써 입력 전압을 변환하는 것에 관한 다음의 개시로부터 명확해질 수 있는 다른 사안들과 같은 사안들에 관한 것이다.
소정의 예시적인 실시예에서, 본 개시의 양태는 파워 컨버터의 구성요소들의 전압 과부하를 완화하면서 (결합된 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따른 전압 과부하에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함하는) 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것을 포함한다.
보다 구체적인 실시예에서, 방법은 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것을 포함한다. 복수의 전원 스위치는 플라잉 커패시터에 결합되며, 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따른 전압 과부하에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함한다. 이 방법은 제어된 스위칭 순서에 응답하여, 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 제1 전압 레벨의 입력 전압을 제2 전압 레벨의 출력 전압으로 변환하는 것을 더 포함한다.
스위칭 순서는, 복수의 전원 스위치의 인접 쌍의 제1 전원 스위치 및 제2 전원 스위치를 상이한 시간에 온 상태와 오프 상태 사이에서 전환함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 복수의 전원 스위치는 적어도 두 쌍의 인접한 전원 스위치를 포함한다. 스위칭 순서를 제어하는 것은, 인접한 전원 스위치의 각 쌍에 대해, 제1 시간에 각각의 인접한 전원 스위치 쌍의 제1 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 것과, 제1 시간으로부터 지연된 제2 시간에 각각의 인접한 전원 스위치 쌍의 제2 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 것을 포함할 수 있다. 제2 시간에 각각의 인접한 전원 스위치 쌍의 제 2 전원 스위치를 전환하는 것은, 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있을 때(예컨대, 데드 타임), 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 응답하여 인접한 전원 스위치 쌍의 기생 바이폴라 트랜지스터 중 하나가 다시 온 상태로 전환하는 것을 완화하거나 또는 이를 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 플라잉 커패시터는 전압 과부하에 더욱 민감하다. 이러한 실시예에서, 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것은, 플라잉 커패시터 및 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 이들 복수의 전원 스위치의 인접한 전원 스위치 쌍의 제1 전원 스위치와 제2 전원 스위치를 서로 다른 시간에 온 상태와 오프 상태 사이에서 전환하는 것을 포함할 수 있다. 제2 시간에 각 쌍의 인접한 전원 스위치 중 제2 전원 스위치를 전환하면, 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있을 때 과잉 스트레이 인덕턴스로 인한 플라잉 커패시터 양단의 피크 전압 링잉을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 플라잉 커패시터는 플라잉 커패시터의 최대 정격 전압이 인가 전압에 근접할 때 전압 과부하에 민감할 수 있다.
보다 구체적인 관련 실시예에서, 복수의 전원 스위치는 제1 및 제2의 인접한 전원 스위치 쌍을 포함한다. 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것은, 제2 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제1 인접 전원 스위치 쌍을 온 상태로 전환하는 것과, 제1 시간에 제1 쌍의 제1 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 제1 쌍의 제1 전원 스위치 및 제2 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제1 쌍의 제2 전원 스위치는 온 상태로 유지되도록 하는 것과, 제1 시간으로부터 지연된 제2 시간에 제1 쌍의 제2 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 복수의 전원 스위치 각각이 오프 상태에 있도록 하는 것을 포함한다. 복수의 전원 스위치는 스위치형 커패시터 DC-DC 컨버터(switched-capacitor direct current (DC)-DC converter: SCC)의 일부를 형성하며, 제1 시간은 SCC의 블랭크 타임(blank time)과 연관되고, 제2 시간은 SCC의 데드 타임(dead time)과 연관된다.
스위칭 순서를 제어하는 것은, 제1 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태로 유지되는 동안 제2 인접 전원 스위치 쌍을 온 상태로 전환하는 것과, 제3 시간에 제2 쌍의 제1 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 제2 쌍의 제1 전원 스위치 및 제1 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제2 쌍의 제2 전원 스위치는 온 상태로 유지되도록 하는 것과, 제3 시간으로부터 지연된 제4 시간에 제2 쌍의 제2 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 복수의 전원 스위치 각각이 오프 상태에 있도록 하는 것을 더 포함한다. 제1 시간 및 제3 시간은 SCC의 블랭크 타임과 연관되고, 제2 시간 및 제4 시간은 SCC의 데드 타임과 연관된다.
다수의 실시예에서, 플라잉 커패시터는 과잉 스트레이 인덕턴스를 가지며, 복수의 전원 스위치는 인접한 전원 스위치 쌍을 포함한다. 이 방법은, 복수의 전원 스위치의 제1 인접 전원 스위치 쌍이 온 상태에 있을 때 스트레이 인덕턴스(예컨대, 스트레이 인덕터)가 에너지를 저장하는 것과, 제1 쌍의 하나의 전원 스위치가 오프 상태로 전환되는 한편 제1 쌍의 다른 전원 스위치는 온 상태로 유지되는 것에 응답하여, 저장된 에너지를 배출하는 것을 더 포함한다.
다른 특정 실시예에서, 예시적인 장치는 플라잉 커패시터, 복수의 전원 스위치 및 게이트 제어 회로를 포함한다. 플라잉 커패시터는 전압 과부하에 민감할 수 있다. 복수의 전원 스위치는 플라잉 커패시터에 결합되고, 제1 전압 레벨의 입력 전압을 제2 전압 레벨의 출력 전압으로 변환한다. 복수의 전원 스위치는 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따른 전압 과부하에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 갖는다. 게이트 제어 회로는, 플라잉 커패시터 및 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 입력 전압을 제2 전압 레벨로 변환하도록 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어한다.
다른 특정 실시예에서, 플라잉 커패시터, 복수의 전원 스위치 및 게이트 제어 회로는 SCC의 일부를 형성한다. SCC는 제1 전원으로부터의 제1 전압 레벨의 입력 전압을 상향 변환 모드 및 하향 변환 모드 중 하나 이상을 통해 제2 전압 레벨로 변환할 수 있고, 제2 전압 레벨의 출력 전압을 부하 회로에 제공할 수 있다. 보다 구체적인 실시예에서, 장치는 스위치형 커패시터 DC-DC 컨버트를 포함하는 배터리 충전 시스템을 포함한다.
게이트 제어 회로가 스위칭 순서를 제어하는 것은, 복수의 전원 스위치의 인접 전원 스위치 쌍의 제1 전원 스위치 및 제2 전원 스위치를 상이한 시간에 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 것을 포함한다. 복수의 전원 스위치는 제1 및 제2 인접 전원 스위치 쌍을 포함할 수 있다. 게이트 제어 회로는 전원 스위치의 게이트에 제어 신호를 제공하여 스위칭 사이클 동안 복수의 전원 스위치를 선택적으로 턴온 및 턴오프함으로써 스위칭 순서를 제어한다. 스위칭 사이클은 복수의 전원 스위치 중 적어도 하나의 전원 스위치가 온 상태에 있고 복수의 전원 스위치 중 나머지는 오프 상태에 있는 적어도 하나의 블랭크 타임과, 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있는 적어도 하나의 데드 타임을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 데드 타임은 적어도 하나의 블랭크 타임에 후속할 수 있다. 다양한 실시예에서, 적어도 하나의 블랭크 타임은 복수의 전원 스위치 중 하나의 전원 스위치는 온 상태에 있고, 복수의 전원 스위치 중 나머지 전원 스위치는 오프 상태에 있는 것과 연관된다.
플라잉 커패시터는 과잉 스트레이 인덕턴스를 갖거나 또는 이와 연관될 수 있다. 과잉 스트레이 인덕턴스는, 인접 전원 스위치 쌍이 온 상태에 있을 때 에너지를 저장하고, 인접 전원 스위치 쌍 중 하나의 전원 스위치가 오프 상태로 전환되고 상기 인접 전원 스위치 쌍 중 나머지 전원 스위치가 온 상태로 유지되는 것에 응답하여 저장된 에너지를 배출한다. 예를 들어, 게이트 제어 회로는 (인접 전원 스위치 쌍의)제2 전원 스위치의 오프 상태로의 전환을 (인접 전원 스위치 쌍의)제1 전원 스위치의 오프 상태로의 전환으로부터 지연시킬 수 있으며, 이에 응답하여 스트레이 인덕턴스에 저장된 에너지를 배출할 수 있다.
전술한 논의사항/요약은 본 개시의 각각의 실시예 또는 모든 구현예를 설명하기 위한 것이 아니다. 다음의 도면 및 상세한 설명은 또한 다양한 실시예를 예시한다.
다양한 실시예는 첨부된 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명을 고려하면 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시에 따른, 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 예시적인 장치이다.
도 2는 본 개시에 따른, 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 다른 예시적인 장치이다.
도 3a 내지 3c는 본 개시에 따른, 입력 전압의 하향 변환 및 그에 따른 전압 과부하의 완화를 위한 도 2에 따른 방식으로 구현된 유형의 장치의 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서의 예를 도시한 것이다.
도 4a 내지 4d는 본 개시에 따른, 입력 전압의 상향 변환 및 그에 따른 전압 과부하의 완화를 위한 도 2에 따른 방식으로 구현된 유형의 장치의 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서의 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 개시에 따른 예시적인 스위칭 타이밍을 도시한 것이다.
도 6은 본 개시에 따른, 파워 컨버터를 포함하는 특정한 예시적인 장치를 도시한 것이다.
본 명세서에 논의된 다양한 실시예는 수정될 수 있고 다른 형태를 가질 수 있지만, 그 양태들이 도면에 예로서 도시되었으며 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 개시를 설명된 특정 실시예로 제한하려는 것은 아님을 이해해야 한다. 오히려, 청구 범위에 정의된 특징들을 비롯한 본 개시의 범위 내에 있는 모든 수정, 균등물 및 대안들을 커버하고자 한다. 또한, 본 출원 전체에서 사용되는 "예"라는 용어는 제한이 아니라 예시를 위한 것이다.
본 개시의 양태는, 파워 컨버터를 사용하여 전력을 변환하는 동안 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것을 비롯한 다양한 유형의 장치, 시스템 및 방법에 적용될 수 있는 것으로 여겨진다. 어떤 구현예에서는, 본 개시의 양태들이, 한 쌍의 인접한 전원 스위치들 중에서 한 전원 스위치의 온 및 오프 상태 사이의 전이를 지연시킴으로써 파워 컨버터의 구성요소들의 전압 과부하를 완화시키는 맥락에서 사용될 때 유익한 것으로 나타났다. 반드시 그렇게 제한되는 것은 아니지만, 예시적인 맥락을 사용하는 비 제한적인 예에 대한 다음의 논의를 통해 다양한 양태들이 이해될 수 있다.
따라서, 다음의 설명에서 다양한 특정 세부사항들은 본 명세서에 제시된 특정 예들을 설명하기 위해 제시된다. 그러나, 하나 이상의 다른 예 및/또는 이들 예의 변형이 후술하는 모든 특정 세부사항 없이 실행될 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서는, 잘 알려진 특징은 본 명세서의 예의 설명을 모호하게 하지 않도록 상세하게 설명하지 않았다. 설명을 쉽게 하기 위해, 동일한 요소 또는 동일한 요소의 추가적인 예를 가리키기 위해, 상이한 도면에서 동일한 참조 번호가 사용될 수도 있다. 또한, 일부 경우에 양태들 및 특징들이 개별 도면에서 설명될 수도 있지만, 조합들은 조합으로 명시적으로 도시 또는 설명되지 않더라도, 하나의 도면 또는 실시예의 특징들이 다른 도면 또는 실시예의 특징들과 결합될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
스위치형 커패시터(switched-capacitor) 직류(DC)-DC 변환기(SCC)와 같은 파워 컨버터는 입력 전력을 다른 전압 레벨로 변환하는 데 사용될 수 있다. 구체적인 예로서, 고전압 충전 애플리케이션에 관련된 응용에서, SCC는 외부 전원과 같은 전원의 입력 DC 전압을 배터리로 전력을 전달하는 데 사용되는 배터리 전압으로 변환할 수 있다. 모바일 전화 또는 다른 모바일 장치 응용예에서, 무선 전력 수신기로부터의 출력 전압은 모바일 전화의 배터리에 전력을 공급하기 위해 하향 변환(down-convert)될 수 있다. 반대로, 배터리의 배터리 전압은 배터리 전압보다 큰 DC 전압 출력을 제공하기 위해 상향 변환될 수 있다. 예를 들어, 모바일 전화 또는 다른 모바일 장치는 유도 결합 코일을 통해 외부 장치로 전력을 전송할 수 있다. 본 명세서에서 자세히 설명되는 바와 같이, 파워 컨버터는 복수의 전원 스위치 및 입력 전압을 제1 전압 레벨로부터 제2 전압 레벨로 변환하는 데 사용되는 플라잉 커패시터(flying capacitor)를 포함할 수 있다. 많은 응용에서, 파워 컨버터의 크기가 소형화되며, 파워 컨버터들은 플라잉 커패시터(들)(그리고 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이 일부 예에서 부트 스트랩 커패시터(들))를 제외하고 칩에 통합될 수 있다. 온칩 전원 스위치와 오프 칩 플라잉 커패시터는 부품의 크기 및 인가 전압으로 인해 전압 스트레스에 취약할 수 있다. 한 특정 예로서, 전원 스위치는 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스(excess stray inductance)가 존재할 때 턴온되는 경향이 있는 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함하며, 이는 높은 과도 전력을 소산시키고 전원 스위치 및 함께 집적된 주변 회로를 열화시키는 과도 열원(excessive heat source)을 생성할 수 있다. 플라잉 커패시터의 정격 전압은 각 회로 크기에 따라 제한될 수 있다. 소형화로 인해, 플라잉 커패시터의 최대 동작 전압은 인가 전압에 더 가깝게 되고, 그 결과 전압 과부하에 취약해진다. 본 개시에 따른 실시예는 전원 스위치 및/또는 플라잉 커패시터의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하는 파워 컨버터의 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서 제어를 포함한다.
다양한 특정 실시예에서, 파워 컨버터는 인접한 전원 스위치 쌍(예를 들어, 두 쌍의 인접한 전원 스위치)을 포함한다. 전원 스위치의 온 상태에서 오프 상태로의 전환은, 모든 전원 스위치가 오프 상태에 있는 데드 타임(dead time) 동안 플라잉 커패시터(들)의 스트레이 인덕터에 의해 각각의 인접한 전원 스위치 내의 기생 바이폴라 트랜지스터 내로 강제로 흐르는 고전류를 완화 및/또는 방지하도록 제어된다. 예를 들어, 데드 타임 동안, 매 2개의 인접하게 접속된 전원 스위치는 모두 오프 상태에 있다. 예를 들어, 스트레이 인덕터에 의해, 전원 스위치에 전류가 강제로 흐르면, 기생 바이폴라 트랜지스터가 턴온될 수 있다. (턴온된) 인접한 쌍의 전원 스위치 중 하나의 전원 스위치의 오프 상태로의 전환을 지연시킴으로써, 스트레이 인덕터의 에너지가 배출되어 기생 바이폴라 트랜지스터의 의도하지 않은 턴온을 완화하고, 또한 데드 타임 동안 스트레이 인덕터로 인해 발생하는 플라잉 커패시터 양단의 피크 전압 링잉(peak voltage ringing)을 최소화할 수 있다. 이 기간은 "블랭크 타임(blank time)"이라고도 하며, 본 명세서에서 더 설명한다. 블랭크 타임은 한 쌍의 인접한 전원 스위치 중 하나의 전원 스위치가 온 상태이고 한 쌍의 인접한 전원 스위치 중 다른 하나의 전원 스위치가 오프 상태인 스위칭 주기 내의 소정 시간을 포함한다. 블랭크 타임은 인접한 한 쌍의 전원 스위치 중 하나의 전원 스위치가 온 상태에서 오프 상태로 전환되는 것을 지연시킴으로써 생성될 수 있다.
특정 실시예에서, 전력을 제1 전압 레벨에서 제2 전압 레벨로 변환하는 동안 파워 컨버터의 구성요소들의 전압 과부하를 완화하기 위해 파워 컨버터의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 방법이 사용된다. 이 방법은, 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 단계를 포함하며, 전원 스위치는 플라잉 커패시터에 결합되고, 전원 스위치는 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따른 전압 과부하에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함한다. 이 방법은 제어된 스위칭 순서에 응답하여, 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 제1 전압 레벨의 입력 전압을 제2 전압 레벨의 출력 전압으로 변환하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 플라잉 커패시터는 전압 과부하에 더욱 민감하다.
복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것은, 플라잉 커패시터 및/또는 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 이들 복수의 전원 스위치의 인접한 쌍의 제1 전원 스위치와 제2 전원 스위치를 서로 다른 시간에 온 상태와 오프 상태 사이에서 전환하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 전원 스위치는 두 쌍의 인접한 전원 스위치를 포함한다. 스위칭 순서를 제어하는 것은, 인접한 전원 스위치의 각 쌍에 대해, 제1 시간에 각각의 인접한 전원 스위치 쌍의 제1 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 것과, 제1 시간으로부터 지연된 제2 시간에 각각의 인접한 전원 스위치 쌍의 제2 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 것을 포함할 수 있다. 제2 시간에 제2 전원 스위치를 전환하는 것은, 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따라 전원 스위치 쌍의 기생 바이폴라 트랜지스터가 다시 온 상태로 전환되는 것을 완화하거나 방지한다. 이에 더하여 또는 이에 갈음하여, 제2 시간에 제2 전원 스위치를 전환하는 것은, 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있을 때 과잉 스트레이 인덕턴스로 인한 플라잉 커패시터 양단의 피크 전압 링잉을 최소화한다.
다양한 관련 특정 실시예에서, 복수의 전원 스위치는 제1 및 제2 인접 전원 스위치 쌍을 포함한다. 복수의 전원 스위치는 SCC의 일부를 형성할 수 있다. 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것은, 제2 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제1 인접 전원 스위치 쌍을 온 상태로 전환하는 것과, 제1 시간에 제1 쌍의 제1 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 제1 쌍의 제1 전원 스위치 및 제2 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제1 쌍의 제2 전원 스위치는 온 상태로 유지되도록 하는 것과, 제1 시간으로부터 지연된 제2 시간에 제1 쌍의 제2 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 복수의 전원 스위치 각각이 오프 상태에 있도록 하는 것을 포함한다. 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 것은, 제1 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태로 유지되는 동안 제2 인접 전원 스위치 쌍을 온 상태로 전환하는 것과, 제3 시간에 제2 쌍의 제1 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 제2 쌍의 제1 전원 스위치 및 제1 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제2 쌍의 제2 전원 스위치는 온 상태로 유지되도록 하는 것과, 제3 시간으로부터 지연된 제4 시간에 제2 쌍의 제2 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여 복수의 전원 스위치 각각이 오프 상태에 있도록 하는 것을 더 포함한다. 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이, 제1 및/또는 제3 시간은 SCC의 블랭크 타임과 연관되고, 제2 및/또는 제4 시간은 SCC의 데드 타임과 연관된다.
다양한 실시예에서, 플라잉 커패시터는 과잉 스트레이 인덕턴스를 가지며, 복수의 전원 스위치는 인접한 전원 스위치 쌍을 포함한다. 이 방법은, 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스를 통해, 복수의 전원 스위치의 제1 인접 전원 스위치 쌍이 온 상태에 있을 때 에너지를 저장하는 것과, 제1 쌍의 하나의 전원 스위치가 제1 쌍의 다른 전원 스위치가 온 상태로 유지되는 동안 오프 상태로 전환되는 것에 응답하여, 저장된 에너지를 배출하는 것을 더 포함한다.
다른 실시예는, 전술한 전원 스위치, 플라잉 커패시터 및 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 게이트 제어 회로를 포함하는 장치와 관련된다.
이제 도면을 살펴보면, 도 1은 본 개시에 따른, 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 예시적인 장치이다. 장치(100)는 입력 전압을 제1 전압 레벨에서 제2 전압 레벨의 출력 전압으로 변환하는 SCC와 같은 파워 컨버터를 포함할 수 있다.
파워 컨버터는 복수의 전원 스위치(102) 및 플라잉 커패시터(103)를 포함할 수 있다. 전원 스위치(102)는 플라잉 커패시터(103)의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따른 전압 과부하에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함할 수 있다. 전원 스위치(102)에 결합된 플라잉 커패시터(103) 또한 전압 과부하에 민감할 수 있다. 예를 들어, 플라잉 커패시터(103)는 플라잉 커패시터(103)의 최대 정격 전압이 장치(100)/파워 컨버터의 인가 전압에 근접할 때 전압 과부하에 민감할 수 있다. 플라잉 커패시터의 민감성을 유발할 수 있을 만큼 충분히 가까운 상황을 커버하는 범위의 예로서, Cfly 커패시터의 최대 정격 전압이 파워 컨버터의 최대 인가 전압보다 낮을 때 이러한 과부하를 고려한다. 보다 구체적인 예로서, 20V에서 10V로의 하향 변환 컨버터 또는 10V에서 20V 로의 상향 변환 컨버터에서, 플라잉 커패시터의 최대 정격 전압이 16V(<20V)인 경우, 두 경우 모두 Cfly 양단의 평균 전압이 10V라 하더라도 이러한 문제가 있을 수 있다. Cfly의 스트레이 인덕터로 인해 전압 링잉이 발생하고 적절한 스위칭 순서가 없다면, 20V가 넘는 과도 전압이 Cfly에 인가될 수 있다. 플라잉 커패시터(103)에 결합된 전원 스위치(102)는 플라잉 커패시터(103) 및/또는 복수의 전원 스위치(102)의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화 또는 방지하기 위해 파워 컨버터의 전원 스위치의 스위칭 순서를 사용하여 전압을 변환할 수 있다. 예를 들면, 전원 스위치(102)는 제1 전압 레벨의 입력 전압을 제2 전압 레벨의 출력 전압으로 변환하는 데 사용된다. 입력 전압은 내부 전원(예컨대, 배터리) 또는 외부 전원(예컨대, 유선 또는 무선으로 연결된 전원)에서 제공될 수 있으며, 이는 업 컨버전(예컨대, 내부 전원으로부터의 전압이 상향 변환될 수 있음)으로 구현되는지 또는 하향 변환(예를 들어, 외부 전원으로부터의 전압이 하향 변환될 수 있음)으로 구현되는지에 의존할 수 있다.
장치(100)는 게이트 제어 회로(101)를 더 포함한다. 게이트 제어 회로(101)는 플라잉 커패시터(103) 및/또는 복수의 전원 스위치(102)의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 입력 전압을 제2 전압 레벨로 변환하도록 전원 스위치(102)의 스위칭 순서를 제어한다. 예를 들어, 복수의 전원 스위치(102)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 및 제 2 인접 전원 스위치 쌍과 같은 인접한 전원 스위치 쌍을 포함할 수 있다. 게이트 제어 회로(101)는 전원 스위치(102)의 게이트에 제어 신호를 제공하여 스위칭 사이클 동안 전원 스위치(102) 각각을 선택적으로 턴온 및 턴오프함으로써 스위칭 순서를 제어한다. 예시적인 스위칭 사이클은 도 3a(예컨대, 하향 변환) 및 도 4a-4b(예컨대, SCC 회로 응용의 경우와 관련하여 아래의 도 5와 관련된 상향 변환)에 예시되어 있다.
예시적인 스위칭 사이클은 스위칭 사이클 당 2개의 블랭크 타임 및 2개의 데드 타임과 같이, 적어도 하나의 블랭크 타임 및 하나 이상의 데드 타임을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 블랭크 타임은 복수의 전원 스위치(102) 중 적어도 하나의 전원 스위치가 온 상태에 있고 복수의 전원 스위치(102) 중 나머지가 오프 상태에 있는 시간을 포함하거나 또는 이를 의미한다. 특정 실시예에서, 블랭크 타임은 복수의 전원 스위치(102) 중 하나의 전원 스위치가 온 상태에 있고 복수의 전원 스위치(102) 중 나머지가 오프 상태에 있는 것과 연관되거나 이를 포함한다. 예를 들어, 게이트 제어 회로(101)는 한 쌍의 인접한 전원 스위치 중 제1 전원 스위치의 온 상태에서 오프 상태로의 전환을 그 쌍의 인접한 전원 스위치 중 제2 전원 스위치의 오프 상태로의 전환으로부터 지연시켜 블랭크 타임을 유발할 수 있다. 데드 타임은 복수의 전원 스위치(102) 각각이 오프 상태에 있는 시간을 포함하거나 또는 이를 의미한다.
다양한 실시예에서, 데드 타임은 각각의 블랭크 타임에 후속할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 사이클은 2개의 데드 타임 및 2개의 블랭크 타임(인접한 전원 스위치의 각 쌍에 대해 각각 하나씩)을 포함할 수 있으며, 각 블랭크 타임 뒤에 데드 타임이 이어진다. 플라잉 커패시터(103)는 과잉 스트레이 인덕턴스와 연관될 수 있다. 스트레이 인덕터는, 한 쌍의 인접한 전원 스위치가 온 상태에 있을 때 에너지를 저장할 수 있고, 블랭크 타임에 반응하여(예컨대, 한 쌍의 인접한 전원 스위치 중 하나의 전원 스위치가, 그 중 다른 전원 스위치가 온 상태로 유지되는 동안, 오프 상태로 전환되는 것에 대한 반응으로) 저장된 에너지를 배출할 수 있다.
따라서, 게이트 제어 회로(101)는 복수의 전원 스위치(102)의 인접한 쌍의 제1 전원 스위치 및 제2 전원 스위치를 서로 다른 시간에 온 상태에서 오프 상태로 전환함으로써 스위칭 순서를 제어한다. 게이트 제어 회로(101)는 제2 전원 스위치의 오프 상태로의 전환을 제1 전원 스위치의 오프 상태로의 전환으로부터 지연시킬 수 있으며, 이에 응답하여 과잉 스트레이 인덕턴스를 통해 저장된 에너지가 배출되게 할 수 있다. 저장된 에너지를 배출함으로써, 전원 스위치(102)의 기생 바이폴라 트랜지스터 및/또는 플라잉 커패시터(103)에 대한 과전압 스트레스가 완화될 수 있다.
전술한 파워 컨버터는 입력 전압을 제1 전압 레벨로부터 제1 전압 레벨보다 큰 제2 전압 레벨로 변환하는데 사용될 수 있는데, 여기서는 이를 일반적으로 "상향 변환(up-conversion)"이라고 한다. 다른 실시예에서 및/또는 이에 더하여, 전술한 파워 컨버터는 입력 전압을 제1 전압 레벨로부터 제1 전압 레벨보다 큰 제2 전압 레벨로 변환하는데 사용될 수 있는데, 여기서는 이를 일반적으로 "하향 변환(down-conversion)"이라고 한다. 예를 들어, 플라잉 커패시터(103), 복수의 전원 스위치(102) 및 게이트 제어 회로(101)는 SCC의 일부를 형성한다. SCC는 제1 전원으로부터의 입력 전압을 상향 변환 모드 및 하향 변환 모드 중 하나 이상을 통해 제2 전압 레벨로 변환할 수 있고, 제2 전압 레벨의 출력 전압을 부하 회로에 제공한다.
도 2는 본 개시에 따른, 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 다른 예시적인 장치이다. 이 장치는 전압 변환 회로(210) 및 플라잉 커패시터(216)를 포함하는 SCC와 같은 파워 컨버터(200)를 포함한다. 전압 변환 회로(210)는, 전원 스위치(211, 212, 213, 214)의 기생 바이폴라 트랜지스터(예컨대, 219, 220) 및/또는 플라잉 커패시터(216)에 대한 과전압 스트레스를 완화하는 제어된 방식으로 SCC의 전원 스위치(211, 212, 213, 214)의 스위칭 순서를 제어하는데 사용되는 게이트 제어 회로(215)를 더 포함한다.
각 전원 스위치(211, 212, 213, 214)는 전원 스위치(212, 214)의 기생 바이폴라 트랜지스터(219 및 220)로 도시된 기생 바이폴라 트랜지스터를 갖는다. 기생 바이폴라 트랜지스터는 기생 PNP 또는 NPN 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함할 수 있다. NWELL 또는 DNW(deep NWELL) 또는 N형 매립 층(N-type burier layer: NBL)의 연결에 따라, 각 전원 스위치(212, 214)의 기생 바이폴라 트랜지스터(219, 220)는 플라잉 커패시터(216)의 과잉 스트레이 인덕턴스가 존재할 경우에 턴온되기 쉽다. 의도치 않게 기생 바이폴라 트랜지스터(219, 220)가 턴온되면, 높은 과도 전력이 소실되고 각 전원 스위치(212, 214) 및/또는 전압 변환 회로(210)에 함께 통합된 다른 주변 회로를 열화시킬 수 있는 과도한 열원이 생성될 수 있다. 또한, 플라잉 커패시터(216)의 정격 전압은 플라잉 커패시터(216)의 각각의 크기에 의해 제한된다. 플라잉 커패시터(216)는 또한, 플라잉 커패시터(216)의 최대 전압이 임계 값 내에 있을 때(예컨대, 파워 컨버터(200)의 인가 전압 근처에 있을 때), 과전압 스트레스에 민감하다.
특정 예에서, SCC는 두 쌍의 인접한 전원 스위치, 즉 제1 쌍(212, 214) 및 제2 쌍(211, 213)을 포함한다. 게이트 제어 회로(215)는 기생 바이폴라 트랜지스터(219, 220) 및/또는 플라잉 커패시터(216)에 대한 과전압 스트레스를 완화하면서 입력 전압을 제1 전압 레벨에서 제2 전압 레벨로 변환하도록 제1 쌍(212, 214) 및 제2 쌍(211, 213)의 스위칭 순서를 제어한다.
파워 컨버터(200)는 추가 회로 구성요소를 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 파워 컨버터(200)는 부트스트랩 커패시터(218) 및/또는 출력 전압 커패시터(217)를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 파워 컨버터는, 두 쌍 또는 4개 초과의 전원 스위치, 하나 초과의 플라잉 커패시터(216) 및/또는 하나 초과의 부트 스트랩 커패시터(218)와 같이, 도 2에 도시된 것보다 더 많은 수의 회로 구성요소를 포함할 수 있다.
도 3a 내지 3c는 본 개시에 따른, 입력 전압의 하향 변환 및 그에 따른 전압 과부하의 완화를 위한 도 2에 따른 방식으로 구현된 유형의 장치의 복수의 전원 스위치의 예시적인 스위칭 순서를 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 3a는 하향 변환 모드(예컨대, 입력 전압 레벨 감소)에서의 도 2의 복수의 전원 스위치(211, 212, 213, 214)의 스위칭 사이클에 대한 예시적인 타이밍도를 보여준다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 인접한 전원 스위치 쌍은 동시에 온 상태로 전환되고 지연된 시간에 오프 상태로 전환된다. 보다 구체적으로, 전원 스위치(211, 213)가 스위치 오프인 동안 전원 스위치(212, 214)는 스위치 온된다. 각각의 스위치 쌍을 동시에 스위치 오프(예컨대, 전원 스위치(212, 214) 또는 전원 스위치(211, 213) 모두를 전환)하는 대신에, 이들 쌍의 전원 스위치들 중 하나(예컨대, 전원 스위치(212 및 213))는 그 인접 전원 스위치 쌍의 나머지 하나에 비해 오프 상태로의 전환이 지연된다. 모든 스위치가 오프인 경우, 파워 컨버터는 데드 타임(321)에 있다고 할 수 있다(예컨대, 인접하게 연결된 2개의 전원 스위치 각각이 오프 상태에 있다). 이들 쌍의 전원 스위치들 중 하나가 전환되는 것을 지연시킴으로써, 한 쌍 중 하나의 전원 스위치가 온 상태이고 나머지 복수의 전원 스위치가 오프 상태인 블랭크 타임(331, 332)이 발생한다. 블랭크 타임(331, 332)은, 데드 타임(들)(321) 동안 플라잉 커패시터(216)의 스트레이 인덕터(예컨대, 도 3b 및 도 3c에 도시된 스트레이 인덕터(333))에 의해 고전류가 전원 스위치(212, 214) 내의 기생 바이폴라 트랜지스터(예컨대, 도 2의 트랜지스터(219, 220))로 흐르는 것을 피할 수 있게 하는 한편, 데드 타임(들)(321) 동안 스트레이 인덕터에 의해 야기되는 플라잉 커패시터(216) 양단의 피크 전압 링잉을 최소화할 수도 있다. 본 명세서에 더 설명되는 바와 같이, 블랭크 타임(들)(331, 332) 동안, 스트레이 인덕터에 저장된 에너지가 배출될 수도 있다. 블랭크 타임(들)(331, 332)을 사용하지 않으면, 스트레이 인덕터에 의해 전원 스위치(212, 214)로 흐르는 전류가 있는 경우, 기생 바이폴라 트랜지스터(들)(219, 220)가 턴온될 수 있다.
전환 순서는 상향 변환과 비교하여 하향 변환에서 다를 수 있다. 특정 예에서, 하향 변환은 2:1로 변환할 수 있다. 도 3a에 도시된 스위칭 순서는, 제1 전원 스위치(214)의 온 상태 기간이 제2 전원 스위치(212)와 비교하여 의도적으로 일정 시간(이는 (제1) 블랭크 타임(331)이다)만큼 감소된 것을 보여준다. 제1 및 제2 전원 스위치(212, 214)는 제1 인접 전원 스위치 쌍을 형성한다. 이 블랭크 타임(331) 내에, 스트레이 인덕터에 저장된 에너지가 고갈되고, 따라서 제2 전원 스위치(212)가 오프 상태로 전환될 때, 제2 전원 스위치(212)의 기생 바이폴라 트랜지스터(220)로 강제되는 전류는 없다(또는 최소이다). (제2) 블랭크 타임(332)이 전원 스위치(211)의 온 상태 지속 기간에 적용되며, 이는 스트레이 인덕터에 남아있는 에너지가 없게(또는 최소한으로) 하며, 따라서 제4 전원 스위치(213)가 오프 상태로 전환되고 제1 전원 스위치(214)가 아직 턴온되지 않은 데드 타임(321) 동안 어떠한 전류도(또는 최소한의 전류가) 제1 전원 스위치(214) 내부의 기생 바이폴라 트랜지스터(219)로 들어가지 않게 된다.
도 3b 및 3c는 파워 컨버터(200)가 하향 변환될 때의 예시적인 스트레이 인덕터 전류 경로를 도시한 것이다. 도 3b는 제1 전원 스위치(214)와 연관된 블랭크 타임(331) 동안의 인덕터 전류 경로를 도시한 것으로, 여기서 제2 전원 스위치(212)는 각각의 블랭크 타임(331) 동안 온 상태로 유지되며, 제1 및 제2 전원 스위치(212, 214)는 제1 인접 전원 스위치 쌍을 형성한다. 도 3c는 제3 전원 스위치(211)와 연관된 블랭크 타임(332) 동안의 인덕터 전류 경로를 도시한 것으로, 여기서 제4 전원 스위치(213)는 각각의 블랭크 타임(332) 동안 온 상태로 유지되며, 제3 및 제4 전원 스위치(211, 213)는 제2 인접 전원 스위치 쌍을 형성한다. 또한, 블랭크 타임(332)은 또한 플라잉 커패시터(들)(216)에 인가되는 스트레이 인덕터(333)에 의해 발생된 유도성 전압 링잉으로 인한 과도하게 높은 전압 스트레스를 방지할 수 있다.
도 4a 내지 4d는 본 개시에 따른, 입력 전압의 상향 변환 및 그에 따른 전압 과부하의 완화를 위한 도 2에 따른 방식으로 구현된 유형의 장치의 복수의 전원 스위치의 예시적인 스위칭 순서를 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 4a 및 4b는 하향 변환 모드(예컨대, 입력 전압 레벨 증가)에서의 도 2의 복수의 전원 스위치의 스위칭 사이클에 대한 예시적인 타이밍도를 보여준다. 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 인접한 전원 스위치 쌍은 동시에 온 상태로 전환되고 지연된 시간에 오프 상태로 전환된다. 특정 예에서, 하향 변환은 1:2로 변환할 수 있다.
도 4a는 플라잉 커패시터(들)(216) 양단의 인가 전압이 플라잉 커패시터(216)의 최대 전압 허용 오차보다 충분히 낮은(예컨대, 1:2 상향 변환에서, Cfly 양단의 인가 전압은 Cfly의 최대 전압 허용 오차의 50% 미만이다) 실시예에서의 예시적인 스위칭 순서를 도시한 것이다. 블랭크 타임(451)은 스트레이 인덕터 전류가 제1 전원 스위치(214)의 기생 바이폴라 트랜지스터(219)로 흘러들어가는 것을 방지하기 위해 제2 전원 스위치(212)의 온 상태 기간에 적용된다. 블랭크 타임(452)은 또한 스트레이 인덕터 전류가 제2 전원 스위치(212)의 기생 바이폴라 트랜지스터(220)로 흘러들어가는 것을 방지하기 위해 제4 전원 스위치(213)의 온 상태 기간에 적용된다. 각각의 블랭크 타임(451, 452)에 이어 각각의 데드 타임(431)이 뒤따른다.
도 4b는 플라잉 커패시터(들)(216) 양단의 인가 전압이 플라잉 커패시터(216)의 최대 전압 허용 오차의 임계 값(예컨대, 1:2 상향 변환의 경우 50%) 내에 있는 실시예에서의 예시적인 스위칭 순서를 도시한 것이다. 도 4a와 비교하면, 제2 전원 스위치(212) 대신에 제1 전원 스위치(214)의 온 상태 기간에 블랭크 타임(471)이 적용된다. 이러한 실시예에서, 스트레이 인덕터 전류가 제1 전원 스위치(214)의 기생 바이폴라 트랜지스터(219) 내로 강제로 흘러들어가며, 이는 스트레이 인덕터(333)로 인한 전압 링잉에 의해 플라잉 커패시터(216)가 과부하가 걸릴 위험이 있는 것과 비교하면 파워 컨버터(200)의 신뢰성 및 수명에 덜 치명적일 수 있다. 또한, 도 4a 또는 도 4b의 타이밍 구성을 선택하기 위한 프로그램 가능성이 파워 컨버터(200) 내의 집적된 온칩 레지스터를 사용하는 파워 컨버터(200)를 포함하는 충전 시스템에 제공될 수 있다. 각각의 블랭크 타임(471, 452)에 이어 각각의 데드 타임(431)이 뒤따른다.
도 4c 및 4d는 파워 컨버터(200)가 상향 변환될 때의 예시적인 스트레이 인덕터 전류 경로를 도시한 것이다. 도 4c는 제4 전원 스위치(213)와 연관된 블랭크 타임(452) 동안의 인덕터 전류 경로를 도시한 것으로, 여기서 제3 전원 스위치(211)는 온 상태로 유지된다(제3 및 제4 전원 스위치(211, 213)는 제2 인접 전원 스위치 쌍을 형성한다). 도 4d는 제1 전원 스위치(214)와 연관된 블랭크 타임(471) 동안의 인덕터 전류 경로를 도시한 것으로, 여기서 제2 전원 스위치(212)는 온 상태로 유지된다(제1 및 제2 전원 스위치(212, 214)는 제1 인접 전원 스위치 쌍을 형성한다).
도 5는 본 개시에 따른 예시적인 스위칭 타이밍을 도시한 것이다. 스위칭 타이밍은 다양한 실시예에서 파워 컨버터의 게이트 제어 회로에 의해 사용될 수 있다.
게이트 제어 회로는 하나 이상의 지연 셀(594, 595)을 포함할 수 있다. 50% 듀티 사이클 기본 클록 신호(581)에 대해, 2개의 추가 클록 신호(582, 583)가 지연 셀(594, 595)을 통해 유도될 수 있다. 제1 지연 셀(594)은 블랭크 타임(584)의 양과 동일한 시간 지연을 가질 수 있고, 제2 지연 셀(595)은 데드 타임(585)의 양과 동일한 시간 지연을 가질 수 있다. 지연 프로그램 가능성이 구현되어 상이한 시스템 환경에서 최적의 블랭크 타임의 광범위한 변형을 수용하도록 시스템 개발자에게 제공될 수 있다. 지연 셀(594, 595)은 하강 에지 지연과 동일한 상승 에지 지연을 갖도록 구현될 수도 있고, 또는 하강 지연과 다른 상승 지연을 갖도록 구현될 수도 있다. 후자는 타이밍을 미세 조정하는 데 더 많은 유연성을 제공하지만 더 복잡하고 더 많은 설계 노력이 필요하다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 타이밍도에 따라 전원 스위치를 턴온 또는 턴오프하는 온-오프 제어 신호를 생성하기 위해, 3개의 클록 신호(581, 582, 583)와 관련하여 다양한 래치 기반 제어 로직이 채택될 수 있다. 작동할 타이밍도를 선택하기 위해 업/다운 변환 모드 표시기가 사용될 수 있다.
도 6은 본 개시에 따른, 파워 컨버터를 포함하는 특정한 예시적인 장치를 도시한 것이다. 이 장치는 도 2와 관련하여 앞에서 설명한 하나 이상의 파워 컨버터(200)와 같은 하나 이상의 파워 컨버터를 갖는 충전 시스템(661)을 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 모바일 장치를 위한 많은 고효율 고전압 배터리 충전 응용에서, 파워 컨버터(200, 662)는 범용 직렬 버스(USB)-전력 공급(PD) 어댑터(663) 또는 무선 전력 수신기(RX) 또는 트랜시버(TRX)(664)와 같은 전원으로부터의 DC 전압을, 전력을 배터리(667)에 공급하는 배터리 전압으로 변환하기 위해 사용된다. 예를 들어, 무선 전력 RX(664)로부터의 16.8V의 출력 전압이 파워 컨버터(200)에서 2:1의 비율로 하향 변환될 수 있고, 다른 파워 컨버터(662)에서 2:1의 또 다른 비율로 더 하향 변환되어, 결국 배터리(667)에 연결된 4.2V 전원이 될 수 있다. 다양한 실시예에서, 충전 시스템(661)은 USB-PD(663) 및 무선 전력 RX/TX(664)와 연관된 전원과 같이 하나 초과의 전원을 포함할 수 있으며, 이들은 전원 스위치(665, 666)를 사용하여 전환될 수 있다.
반대로, 도 6에 도시된 파워 컨버터(200, 662)가 상향 변환 모드에서 동작할 수도 있다. 예를 들어, 배터리(667)로부터의 배터리 전압이 다른 파워 컨버터(662) 및 파워 컨버터(200)에 의해 각각 2의 비율로 상향 변환될 수 있으며, 그 결과 유도 결합 코일(668 및 669)을 통해 수신 장치(660)에 전력을 전송하는 무선 트랜시버(664)의 입력 단자에 4배 더 높은 DC 전압이 존재하게 된다.
특정 실시예에서, 파워 컨버터(200 및 662)는 상이한 동작 전압 허용 오차를 위해 상이한 트랜지스터 구현을 갖는 동일한 변환기 회로 토폴로지를 가질 수 있다. 일반성을 잃지 않고, 파워 컨버터(200)는 SCC로서 설명되지만, 예들은 그에 제한되지 않고, 다른 파워 컨버터(662)는 파워 컨버터(200)와 일치하는 방식으로 구현될 수 있다.
모바일 장치용 고전압 고효율 배터리 충전 시스템에 사용되는 것과 같은 모놀리식 스위치형 커패시터 DC-DC 컨버터는 플라잉 커패시터 내의 또는 이와 관련된 과잉 스트레이 인덕터로 인해 발생하는 두 가지 유형의 전기 과부하에 노출된다. 전기적 과부하 유형에는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 및 BCD(Bipolar-CMOS-DMOS(Double Diffused Metal Oxide Semiconductor)) 공정에서 제조된 전원 스위치에 내재된 기생 바이폴라 트랜지스터를 강제로 턴온할 수 있는 전압 오버 슈트 및 커패시터의 최대 전압 허용 오차를 초과하는 피크를 가질 수 있는 플라잉 커패시터(들)의 전압 링잉이 포함된다. 과부하는 파워 컨버터가 스위칭될 때 주기적으로 가해지며, 충전 시스템(661)의 수명이나 신뢰성에 유해하다. 다양한 실시예에 따르면, 예시적인 스위칭 순서는 하향 변환 모드에서 작동하는 SCC에 대한 스트레스 및 상향 변환 모드에서의 적어도 하나의 스트레스 모두를 완화 및/또는 방지하는 데 사용될 수 있으며, 충전 시스템(661)의 견고성을 향상시킨다.
특정 예에서, 전술한 과전압 스트레스를 완화하기 위해 사용되는 파워 컨버터(200) 및/또는 다른 파워 컨버터(662)의 스위칭 사이클은, 제1 시간에 제2 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제1 인접 전원 스위치 쌍이 온 상태로 전환되고, 제2 시간에 제1 쌍의 제1 전원 스위치가 오프 상태로 전환되어, 제1 쌍의 제2 전원 스위치는 온 상태에 있고 제2 쌍은 오프 상태에 있으며, 제3 시간에 제1 쌍의 제2 전원 스위치가 오프 상태로 전환되어, 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있게 되는 것을 포함할 수 있다. 스위칭 사이클은, 제4 시간에 제1 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 제2 인접 전원 스위치 쌍이 온 상태로 전환되고, 제5 시간에 제2 쌍의 제1 전원 스위치가 오프 상태로 전환되어, 제2 쌍의 제2 전원 스위치는 온 상태에 있고 제1 쌍은 오프 상태에 있으며, 제6 시간에 제2 쌍의 제2 전원 스위치가 오프 상태로 전환되어, 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있게 되는 것을 더 포함할 수 있다.
상부/하부, 좌/우, 상단/하단 및 위/아래와 같은 방향을 예시하는 용어는 도면에 도시된 요소들의 상대적 위치를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 용어는 표기를 쉽게 하기 위해서만 사용되며 실제 사용에서 개시된 구조는 도면에 도시된 방향과 다른 방향으로 배치될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 용어는 제한적인 방식으로 해석되어서는 안 된다.
당업자는 본 명세서(청구 범위 포함)에서 사용된 다양한 용어가 달리 지시되지 않는 한 당해 기술 분야에서 일반적인 의미(plain meaning)를 내포한다는 것을 인식할 것이다. 예로서, 명세서는 블록, 모듈, 장치, 시스템, 유닛, 컨트롤러 및/또는 회로 유형 묘사(예컨대, 참조 번호 101 및 215 및 도 1-2는 여기에 설명된 블록/모듈을 묘사 함)와 같은 용어들로서 또는 이들 용어를 사용하여 설명될 수 있는 다양한 회로 또는 회로망을 통해 청구된 개시를 구현하는 데 유용한 양태를 설명 및/또는 예시한다. 이러한 회로 또는 회로망은 특정 실시예가 형태 또는 구조, 단계, 기능, 동작, 활동 등으로 수행될 수 있는 방법을 예시하기 위해 다른 요소들과 함께 사용된다. 예를 들어, 위에서 논의된 특정 실시예에서, 하나 이상의 모듈은 본 명세서에 설명된 접근법으로 수행될 수 있는 이들 동작/활동을 구현하기 위해 구성되고 배열된 개별 논리 회로 또는 프로그램 가능 논리 회로이다. 특정 실시예에서, 그러한 프로그램 가능 회로는 명령어 세트(또는 세트들)로서 실행될(및/또는 프로그래밍 가능 회로가 수행하는 방법을 정의하기 위한 구성 데이터로서 사용되는) 프로그램을 저장하고 액세스하기 위한 메모리 회로를 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 회로이고, 본 명세서에서 설명된 알고리즘 또는 프로세스는 관련 단계, 기능, 동작, 활동 등을 수행하기 위해 프로그래밍 가능 회로에 의해 사용된다. 응용에 따라, 명령어(및/또는 구성 데이터)는 논리 회로에서 구현되도록 구성될 수 있으며, 이들 명령어(객체 코드, 펌웨어 또는 소프트웨어의 형태로 특징지어짐)는 메모리(회로)에 저장되고 이로부터 액세스가능하다.
이상의 설명 및 예시에 기초하여, 당업자는 본 명세서에 예시되고 설명된 실시예 및 응용예를 엄격히 따르지 않고 다양한 실시예에 대해 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도면에 예시된 방법은 본 명세서에서 실시예의 하나 이상의 양태를 유지하면서 다양한 순서로 수행되는 단계들을 포함할 수도 있고, 또는 더 적거나 더 많은 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 장치는 본 명세서에 설명된 다양한 방법을 구현하는 데 사용될 수 있다. 다른 예로서, 도 2에 도시된 파워 컨버터(200)는 도 6에 도시된 배터리 시스템에서 구현될 수 있다. 이러한 수정은 청구범위에 기재된 양태들을 비롯한 본 개시의 다양한 양태의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않는다.

Claims (20)

  1. 방법으로서,
    복수의 전원 스위치들의 스위칭 순서를 제어하는 단계 - 상기 전원 스위치들은 플라잉 커패시터(flying capacitor)에 결합되고, 상기 전원 스위치들은 상기 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스(excess stray inductance)에 따른 전압 과부하(voltage overstress)에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함함 - 와,
    제어된 상기 스위칭 순서에 따라, 상기 복수의 전원 스위치들의 상기 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 제1 전압 레벨의 입력 전압을 제2 전압 레벨의 출력 전압으로 변환하는 단계를 포함하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터는 전압 과부하에 더욱 민감하고, 상기 복수의 전원 스위치들의 스위칭 순서를 제어하는 단계는, 상기 플라잉 커패시터 및 상기 복수의 전원 스위치들의 상기 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 상기 복수의 전원 스위치들의 인접한 쌍들의 제1 전원 스위치 및 제2 전원 스위치를 상이한 시간에 온 상태와 오프 상태 사이에서 전환하는 단계를 포함하는,
    방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전원 스위치는 두 쌍의 인접 전원 스위치 쌍을 포함하고, 상기 스위칭 순서를 제어하는 단계는, 각각의 인접 전원 스위치 쌍에 대해,
    제1 시간에, 상기 각각의 인접 전원 스위치 쌍의 제1 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 단계와,
    상기 제1 시간으로부터 지연된 제2 시간에, 상기 각각의 인접 전원 스위치 쌍의 제2 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 단계를 포함하는,
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 시간에, 상기 각각의 인접 전원 스위치 쌍의 제2 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 단계는, 상기 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 응답하여 상기 각각의 인접 전원 스위치 쌍의 적어도 하나의 기생 바이폴라 트랜지스터가 다시 온 상태로 전환되는 것을 완화하거나 또는 이를 방지하는,
    방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 시간에, 상기 각각의 인접 전원 스위치 쌍의 제2 전원 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 단계는, 상기 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있을 때 상기 과잉 스트레이 인덕턴스로 인한 상기 플라잉 커패시터 양단의 피크 전압 링잉(peak voltage ringing)을 최소화하는,
    방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전원 스위치는 제1 인접 전원 스위치 쌍 및 제2 인접 전원 스위치 쌍을 포함하고, 상기 복수의 전원 스위치의 상기 스위칭 순서를 제어하는 단계는,
    상기 제2 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 상기 제1 인접 전원 스위치 쌍을 온 상태로 전환하는 단계와,
    제1 시간에, 상기 제1 인접 전원 스위치 쌍 중 제1 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여, 상기 제1 인접 전원 스위치 쌍 중 제1 전원 스위치 및 상기 제2 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 상기 제1 인접 전원 스위치 쌍 중 제2 전원 스위치는 온 상태로 유지되도록 하는 단계와,
    상기 제1 시간으로부터 지연된 제2 시간에 상기 제1 인접 전원 스위치 쌍 중 상기 제2 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여, 상기 복수의 전원 스위치 각각이 오프 상태에 있게 하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 전원 스위치는 스위치형 커패시터 DC-DC 컨버터(SCC)의 일부를 형성하며, 상기 제1 시간은 상기 SCC의 블랭크 타임(blank time)과 연관되고, 상기 제2 시간은 상기 SCC의 데드 타임(dead time)과 연관되는,
    방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭 순서를 제어하는 단계는,
    상기 제1 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태로 유지되는 동안 상기 제2 인접 전원 스위치 쌍을 온 상태로 전환하는 단계와,
    제3 시간에, 상기 제2 인접 전원 스위치 쌍 중 제1 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여, 상기 제2 인접 전원 스위치 쌍 중 상기 제1 전원 스위치 및 상기 제1 인접 전원 스위치 쌍이 오프 상태에 있는 동안 상기 제2 인접 전원 스위치 쌍 중 제2 전원 스위치는 온 상태로 유지되도록 하는 단계와,
    상기 제3 시간으로부터 지연된 제4 시간에, 상기 제2 인접 전원 스위치 쌍 중 상기 제2 전원 스위치를 오프 상태로 전환하여, 상기 복수의 전원 스위치 각각이 오프 상태에 있게 하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 시간 및 상기 제3 시간은 블랭크 타임과 연관되고, 상기 제2 시간 및 제4 시간은 데드 타임과 연관되는,
    방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터는 상기 과잉 스트레이 인덕턴스와 연관되고, 상기 복수의 전원 스위치는 인접 전원 스위치 쌍을 포함하며, 상기 방법은, 상기 플라잉 커패시터의 상기 과잉 스트레이 인덕턴스를 통해,
    상기 복수의 전원 스위치의 제1 인접 전원 스위치 쌍이 온 상태에 있을 때 에너지를 저장하는 단계와,
    상기 제1 인접 전원 스위치 쌍 중 하나의 전원 스위치가 오프 상태로 전환되고 상기 제1 인접 전원 스위치 쌍 중 나머지 전원 스위치는 온 상태로 유지되는 것에 응답하여 상기 저장된 에너지를 배출하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터는 상기 플라잉 커패시터의 최대 정격 전압이 인가 전압에 근접할 때 전압 과부하에 더욱 민감하며, 상기 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 단계는, 상기 플라잉 커패시터 및 상기 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하는 단계를 포함하는,
    방법.
  12. 장치로서,
    전압 과부하에 민감한 플라잉 커패시터와,
    상기 플라잉 커패시터에 결합되어 있으며 제1 전압 레벨의 입력 전압을 제2 전압 레벨로 변환하는 복수의 전원 스위치 - 상기 복수의 전원 스위치는 상기 플라잉 커패시터의 과잉 스트레이 인덕턴스에 따른 전압 과부하에 민감한 기생 바이폴라 트랜지스터를 포함함 - 와,
    상기 플라잉 커패시터 및 상기 복수의 전원 스위치의 기생 바이폴라 트랜지스터의 전압 과부하를 완화하면서 상기 입력 전압을 제2 전압 레벨로 변환하도록 상기 복수의 전원 스위치의 스위칭 순서를 제어하는 게이트 제어 회로를 포함하는,
    장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터, 상기 복수의 전원 스위치 및 상기 게이트 제어 회로는 스위치형 커패시터 DC-DC 변환기의 일부를 형성하는,
    장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 전원 스위치는 제1 인접 전원 스위치 쌍 및 제2 인접 전원 스위치 쌍을 포함하고, 상기 게이트 제어 회로는 상기 복수의 전원 스위치의 게이트에 제어 신호를 제공하여 스위칭 사이클 동안 상기 복수의 전원 스위치를 선택적으로 턴온 및 턴오프함으로써 상기 스위칭 순서를 제어하며, 상기 스위칭 사이클은,
    상기 복수의 전원 스위치 중 적어도 하나의 전원 스위치가 온 상태에 있고 상기 복수의 전원 스위치 중 나머지 전원 스위치는 오프 상태에 있는 적어도 하나의 블랭크 타임과,
    상기 복수의 전원 스위치가 오프 상태에 있는 적어도 하나의 데드 타임 - 상기 적어도 하나의 데드 타임은 상기 적어도 하나의 블랭크 타임에 후속함 - 을 포함하는,
    장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 블랭크 타임은 상기 복수의 전원 스위치 중 하나의 전원 스위치는 온 상태에 있고, 상기 복수의 전원 스위치 중 나머지 전원 스위치는 오프 상태에 있는 것과 연관되는,
    장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 과잉 스트레이 인덕턴스는 상기 플라잉 커패시터와 연관되며, 인접 전원 스위치 쌍이 온 상태에 있을 때 에너지를 저장하고, 상기 인접 전원 스위치 쌍 중 하나의 전원 스위치가 오프 상태로 전환되고 상기 인접 전원 스위치 쌍 중 나머지 전원 스위치가 온 상태로 유지되는 것에 응답하여 상기 저장된 에너지를 배출하는,
    장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 장치는 스위치형 DC-DC 컨버터를 포함하는 배터리 충전 시스템을 포함하고, 상기 플라잉 커패시터, 상기 복수의 전원 스위치 및 상기 게이트 제어 회로는 상기 스위치형 커패시터 DC-DC 컨버터의 일부를 형성하는,
    장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터, 상기 복수의 전원 스위치 및 상기 게이트 제어 회로는 상기 스위치형 커패시터 DC-DC 컨버터의 일부를 형성하고, 상기 스위치형 커패시터 DC-DC 컨버터는 상기 제1 전원으로부터의 상기 입력 전압을 상향 변환 모드 및 하향 변환 모드 중 하나 이상을 통해 상기 제2 전압 레벨로 변환하고, 상기 제2 전압 레벨에서의 상기 출력 전압을 부하 회로에 제공하는,
    장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 게이트 제어 회로가 스위칭 순서를 제어하는 것은, 상기 복수의 전원 스위치의 인접 전원 스위치 쌍의 제1 전원 스위치 및 제2 전원 스위치를 상이한 시간에 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 것을 포함하는,
    장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터는 상기 과잉 스트레이 인덕턴스와 연관되고, 상기 게이트 제어 회로는 각각의 인접 전원 스위치 쌍의 상기 제1 전원 스위치의 상기 오프 상태로의 전환으로부터 상기 제2 전원 스위치의 상기 오프 상태로의 전환을 지연시키고, 그 응답으로 상기 플라잉 커패시터의 상기 과잉 스트레이 인덕턴스를 통해 저장된 에너지를 배출하는,
    장치.
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