KR20210155842A - 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치 및 그 동작 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 직류-직류 변환 장치는, 입력 DC 전압 보다 낮은 레벨의 출력 DC 전압을 출력단으로 출력하는 벅 컨버터(Buck Converter) 회로와, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 동작 모드일 때 제1 기준 전압을 상기 벅 컨버터 회로로 공급하는 제1 기준 전압 공급부와, 상기 제1 기준 전압 공급부 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계되고, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드일 때 상기 출력단으로 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 제2 기준 전압 공급부를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 직류-직류 변환 장치가 대기 모드일 때 낮은 전류를 사용하여 출력단에 일정 수준의 전압을 유지시킴으로써, 직류-직류 변환 장치의 고속 웨이크-업이 가능하다.

Description

전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치 및 그 동작 방법{DC-DC CONVERTING APPARATUS FOR FAST WAKE-UP IN ELECTRONIC DEVICE AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로 대기 구간 동안 낮은 대기 전류를 사용하여 대기 모드에서 동작 모드로 빠르게 웨이크-업할 수 있는 위한 직류-직류 변환 장치 및 직류-직류 변환 장치의 동작 방법에 관한 것이다.
한편, 본 발명은 산업통상자원부 및 한국산업기술진흥원의 WC300 프로젝트 기술개발지원 사업의 일환으로 수행된 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: S2435123, 과제명: 스마트홈 및 사물인터넷 서비스를 위한 55nm이하급 공정, 0.6V이하 저전압 회로기술을 활용한 초저전력 Smart MCU 플랫폼 개발 개발].
최근 이동형 기기의 발달로 배터리 사용시간 및 저전력 고속 웨이크-업 시간이 큰 이슈가 되고 있다. 최근 이동형 배터리를 사용하는 기기는 정상동작의 소비전력 최적화, 대기동작 소비전력 최적화가 필수적이며, 또한 대기동작에서 정상동작으로 돌아올 때의 고속 웨이크-업 시간을 요구하고 있다. 이에 따라 정상동작의 소비전력을 최적화를 위해 서브-마이크론 공정에 적합하고, 높은 효율을 가지는 직류-직류 변환기가 사용된다.
직류-직류 변환기의 경우, 상대적으로 소비전력이 크기 때문에, 전체 배터리 사용 시간을 증가시키기 위하여 대기 동작 구간에서는 사용되지 않는다. 하지만 직류-직류 변환기가 대기동작 이후 웨이크-업 동작으로 넘어갈 때, 직류-직류 변환기 내부에 사용되는 밴드갭 레퍼런스(Bandgap Reference, BGR) 회로, 로우 드랍 아웃(Low Dropout, LDO) 회로의 정착 시간(settling time) 또는 DC-DC 컨버터의 정착 시간으로 인하여, 웨이크-업을 위한 시간이 길어진다는 문제가 존재한다.
이에 따라 정상동작 구간에서는 직류-직류 변환기를 사용하여 전압 효율을 극대화하고, 대기동작에서는 직류-직류 변환기를 턴-오프시켜 저전력으로 동작하면서, 대기동작에서 정상동작으로 돌아갈 때 빠른 웨이크-업 시간을 갖는 방법 및 장치가 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 실시예는 정상동작 구간에서는 직류-직류 변환기를 사용하여 전압 효율을 극대화하고, 대기동작에서는 직류-직류 변환기를 턴-오프시켜 저전력으로 동작하면서, 대기동작에서 정상동작으로 돌아갈 때 빠른 웨이크-업 시간을 갖는 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치 및 그 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 고속-웨이크 업을 위한 직류-직류 변환 장치는, 입력 DC 전압 보다 낮은 레벨의 출력 DC 전압을 출력단으로 출력하는 벅 컨버터(Buck Converter) 회로와, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 동작 모드일 때 제1 기준 전압을 상기 벅 컨버터 회로로 공급하는 제1 기준 전압 공급부와, 상기 제1 기준 전압 공급부 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계되고, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드일 때 상기 출력단으로 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 제2 기준 전압 공급부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 직류-직류 변환 장치는, 레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 제1 기준 전압 또는 상기 제2 기준 전압 중 하나를 기준 전압으로서 출력하는 기준 전압 스위치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 직류-직류 변환 장치는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드임을 지시하는 대기 모드 신호에 기반하여 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 스위치 인에이블 신호를 출력하는 컨트롤러와, 상기 레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 기준 전압을 하향 변환하여 출력 전압을 출력하는 레귤레이터와, 스위치 인에이블 신호에 기반하여 상기 출력 전압을 상기 출력단으로 출력하는 리텐션 스위치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 벅 컨버터 회로가 상기 대기 모드로 전환되면, 제1 타이밍에 상기 고속 웨이크업 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-온 시키고, 상기 제1 타이밍으로부터 제1 연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 고속 웨이크업 스위치 인에이블 신호를 턴-온 시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 대기 모드 신호가 턴-오프 되는 제3 타이밍으로부터 제2 연속 모드 대기 구간 이후의 제4 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호 및 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-오프시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 출력단의 전압이 기준 값 이하인 경우 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)를 일정 시간 동안 턴-온 시키고, 상기 제1 타이밍으로부터 불연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 클락 신호의 상승 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키고, 상기 상승 타이밍으로부터 스위칭 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 동작 방법은, 벅 컨버터(Buck Converter) 회로로 입력된 입력 DC 전압 보다 낮은 레벨의 출력 DC 전압을 출력단으로 출력하는 단계와, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 동작 모드일 때 제1 기준 전압 공급부로부터 출력되는 제1 기준 전압을 상기 벅 컨버터로 공급하는 단계와, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드일 때 상기 제1 기준 전압 공급부 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계된 제2 기준 전압 공급부로부터 출력되는 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 기준 전압을 상기 벅 컨버터로 공급하는 단계는, 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-오프 시킴으로써 상기 제1 기준 전압 공급부로부터 출력되는 상기 제1 기준 전압을 기준 전압으로서 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 단계는, 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-온 시킴으로써 상기 제2 기준 전압 공급부로부터 출력된 상기 제2 기준 전압을 기준 전압으로서 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 단계는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드임을 지시하는 대기 모드 신호에 기반하여 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계와, 상기 레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 기준 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 단계와, 스위치 인에이블 신호에 기반하여 상기 출력 전압을 상기 출력단으로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)를 출력하는 단계는, 상기 벅 컨버터 회로가 상기 대기 모드로 전환되면, 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-온 시키는 단계와, 상기 제1 타이밍으로부터 제1 연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 턴-온 시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)를 출력하는 단계는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 대기 모드 신호가 턴-오프 되는 제3 타이밍으로부터 제2 연속 모드 대기 구간 이후의 제4 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호 및 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-오프시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 출력단의 전압이 기준 값 이하인 경우 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계와, 상기 제1 타이밍으로부터 불연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계는, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 클락 신호의 상승 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계와, 상기 상승 타이밍으로부터 스위칭 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치는, 입력 DC 전압을 공급하는 전원과, 상기 전원에 연결된 제1 스위치와, 상기 제1 스위치와 연결된 제2 스위치와, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 단자에 연결된 인덕터와, 상기 인덕터의 타단에 연결된 커패시터와, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 신호 생성부와, 현재 모드가 동작 모드일 때 제1 기준 전압을 상기 스위칭 신호 생성부로 공급하는 제1 기준 전압 공급부와, 상기 제1 기준 전압 공급부 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계되고, 현재 모드가 대기 모드일 때 상기 출력단으로 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 제2 기준 전압 공급부와, 레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 제1 기준 전압(BGR_OUT) 또는 상기 제2 기준 전압 중 하나를 기준 전압으로서 출력하는 기준 전압 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 직류-직류 변환 장치가 대기 모드일 때 낮은 전류를 사용하여 출력단에 일정 수준의 전압을 유지시킴으로써, 직류-직류 변환 장치의 고속 웨이크-업이 가능하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 직류-직류 변환 장치의 예를 나타내는 도면이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 고속 웨이크-업 직류-직류 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 직류-직류 변환 장치의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 연속모드 동작시 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 불연속 모드 동작시 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 스위칭 모드 동작시 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 고속 웨이크-업 직류-직류 변환기의 동작 방법의 예를 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 결합)"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
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.
도 1은 종래의 직류-직류 변환 장치의 예를 나타내는 도면이다. 도 1을 참고하면, 전원으로부터 입력 DC 전압(VBAT)이 공급되고, 입력 DC 전압 보다 낮은 레벨의 출력 전압(BUCK_OUT)(출력 DC 전압)이 출력단에 출력된다. 보다 구체적으로, 종래의 직류-직류 변환 장치는 벅 컨버터(Buck Converter) 회로(또는 DC-DC 벅 컨버터)(100)와, 기준 전압을 제공하는 BGR(band gap reference) 회로(105)와, BGR 회로로부터 제공된 기준 전압을 하향 변환하여 벅 컨버터 회로(100)로 출력하는 LDO(low drop-out) 회로(110)를 포함한다.
개략적인 벅 컨버터 회로(100)의 동작은 다음과 같다. 제1 스위치(PMOS1)는 제1 스위칭 신호(HIGH_S)에 의해 한 스위칭 주기에서 제1 스위칭 구간 동안 턴-온(turn-on) 되고, 한 스위칭 주기의 나머지 구간 동안 턴-오프(turn-off) 된다. 제1 스위치(PMOS1)가 턴-온 된 제1 스위칭 구간 동안 전원으로부터 제공된 입력 DC 전압(VBAT)으로부터 인덕터(L1)에 에너지가 공급 및 저장된다. 여기서, 제1 스위칭 신호(HISH_S)는 제2 스위칭 신호(LOW_S)가 턴-오프 된 이후 턴-온 된다.
제2 스위치(NMOS1)는 제2 스위칭 신호(LOW_S)에 의해 한 스위칭 주기에서 제2 스위칭 구간만큼 턴-온 되고, 한 스위칭 주기의 나머지 구간 동안 턴-오프 된다. 제2 스위치(NMOS1)가 턴-온 되는 구간 동안 인덕터(L1)는 접지 단자(VSS)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제2 스위칭 신호(LOW_S)는 제1 스위칭 신호(HISH_S) 턴-오프 된 이후 턴-온 된다.
즉, 매 스위칭 주기는 제1 스위칭 신호(HIGH_S)가 턴-온 되고 제2 스위칭 신호(LOW_S)가 턴-오프 되는 제1 스위칭 구간, 제1 스위칭 신호(HIGH_S)가 턴-오프 되고 제2 스위칭 신호(LOW_S)가 턴-온 되는 제2 스위칭 구간, 그리고 제1 스위칭 신호(HIGH_S)와 제2 스위칭 신호(LOW_S)가 모두 턴-오프 되는 공통 차단 구간을 포함할 수 있다. 벅 컨버터 회로(100)에서, 매 스위칭 주기의 제1 스위칭 구간에서 전원으로부터 인덕터(L1)로 에너지가 충전되고, 제2 스위칭 구간에서 전원이 차단되고 인덕터(L1)로부터 커패시터(C1)로 에너지가 충전된다.
벅 컨버터 회로(100)는 연속 모드(continuous current mode, CCM) 또는 불연속 모드(discontinuous current mode, DCM) 중 하나로 동작할 수 있다. 연속 모드는 높은 부하 임피던스에 대하여 효율적인 모드로서, 제1 스위치(PMOS1) 및 제2 스위치(NMOS1)로 인가되는 스위칭 신호(펄스)의 주파수를 고정시키고, 부하 전압에 따라 스위칭 신호의 폭을 조절한다. 불연속 모드는 낮은 부하 임피던스에 대하여 효율적인 모드로서, 제1 스위치(PMOS1) 및 제2 스위치(NMOS1)로 인가되는 스위칭 신호(펄스)의 폭을 고정시키고, 부하 전압에 따라 스위칭 신호의 주파수를 조절한다. 벅 컨버터 회로(100)의 모드는 제1 스위치(PMOS1)와 제2 스위치(NMOS1) 사이의 노드와 출력단 사이에 흐르는 전류에 따라 결정되며, 동작 모드를 결정하기 위한 전류는 전류 센싱 블록(Current sensing block)에 의해 측정된다. CCM/DCM 컨트롤러는 측정된 전류에 대한 신호(VSENSE)로부터 벅 컨버터 회로(100)의 동작 모드를 결정하여 동작 모드를 지시하는 신호(MODE_SEL)를 출력한다.
벅 컨버터 회로(100)의 동작 모드를 지시하는 신호(MODE_SEL)에 따라 멀티플렉서(MUX)에 의해 CCM 모드 컨트롤러(PWM)로부터 출력된 신호 또는 DCM 모드 컨트롤러(PFM)로부터 출력된 신호 중 하나가 스위칭 신호 생성부로 입력될 수 있다. 본 명세서에서 스위칭 신호 생성부는 제1 스위치(PMOS1) 및 제2 스위치(NMOS1)로 스위칭 신호를 출력하는 모듈로서, 데드 타임 생성기(Deadtime Generator), 게이트 드라이버 컨트롤러(Gate Driver Controller), 게이트 드라이버(Gate Driver), 제로 크로싱 검출기(zero crossing detector, ZCD)를 포함할 수 있다. 데드 타임 생성기(Deadtime Generator)는 CCM 모드 컨트롤러(PWM) 또는 DCM 모드 컨트롤러(PFM)로부터 입력된 펄스 신호에서 제1 스위칭 신호(HIGH_S)와 제2 스위칭 신호(LOW_S)가 모두 턴-온 되는 상태를 방지하기 위한 데드 타임이 반영된 제1 데드 타임 펄스(PP)와 제2 데드 타임 펄스(NN)가 게이트 드라이버 컨트롤러(Gate Driver Controller)로 출력된다. 게이트 드라이버 컨트롤러(Gate Driver Controller)는 제1 데드 타임 펄스(PP)와 제2 데드 타임 펄스(NN), 그리고 스위칭 신호의 턴-오프 시 출력단에서 역전류가 발생하는 제로 크로싱을 고려하여 스위칭을 위한 제1 드라이빙 신호(P_DRV) 및 제2 드라이빙 신호(N_DRV)를 생성한다. 여기서 제로 크로싱에 대한 신호(VZCD)는 제로 크로싱 검출기(ZCD)로부터 제공될 수 있다. 게이트 드라이버 컨트롤러(Gate Driver Controller)로부터 제공된 제1 드라이빙 신호(P_DRV) 및 제2 드라이빙 신호(N_DRV)는 게이트 드라이버(Gate Driver)를 통해 제1 스위치(PMOS1) 및 제2 스위치(NMOS1)로 제1 스위칭 신호(HISH_S) 및 제2 스위칭 신호(LOW_S)로 제공된다. 게이트 드라이버(Gate Driver)는 버퍼로서 동작할 수 있으며, 필요에 따라 제1 드라이빙 신호(P_DRV) 또는 제2 드라이빙 신호(N_DRV)를 부스팅하여 제1 스위치(PMOS1) 및 제2 스위치(NMOS1)로 제1 스위칭 신호(HISH_S) 및 제2 스위칭 신호(LOW_S)를 출력할 수 있다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치는, 벅 컨버터 회로(100)와, 벅 컨버터 회로(100)의 고속 웨이크-업을 위한 웨이크-업 회로(200)를 포함할 수 있다. 도 1에서 설명한 것과 같이, 벅 컨버터 회로(100)는 제1 스위치(PMOS1), 제2 스위치(NMOS1), 커패시터(C1), 인덕터(L1), 연속 모드 컨트롤러(CCM Mode Controller), 불연속 모드 컨트롤러(DCM Mode Controller), 데드 타임 생성기(Deadtime Generator), 게이트 드라이버 컨트롤러(Gate Driver Controller), 게이트 드라이버(Gate Driver)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 벅 컨버터 회로(100)로 전원을 공급하는 LDO가 제공된다.
고속 웨이크-업 회로(200)는, 벅 컨버터 회로(100) 내 모듈의 동작을 위한 기준 전압(제1 기준 전압(BGR_OUT))을 공급하는 제1 기준 전압 공급부(BGR)(또는 제1 BGR 회로)(205), 고속 웨이크-업을 위한 기준 전압(제2 기준 전압(FW_BGR_OUT))을 공급하는 제2 기준 전압 공급부(FW BGR)(또는 제2 BGR 회로)(210), 제1 기준 전압(BGR_OUT) 또는 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT) 중 하나를 기준 전압(REF_OUT)으로서 출력하는 기준 전압 스위치(Ref. SW)(215), 벅 컨버터 회로(100)의 모드에 따라 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN) 및 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)를 출력하는 컨트롤러(FW Controller)(220), 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)에 기반하여 기준 전압(REF_OUT)을 하향 변환하여 출력 전압(FW_OUT)을 출력하는 레귤레이터(FW Regulator)(225), 그리고 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)에 기반하여 출력 전압(FW_OUT)을 벅 컨버터 회로(100)의 출력단으로 출력하는 리텐션 스위치(Ret. SW)(230)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 벅 컨버터 회로(100)의 상태가 동작 모드일 때 제1 기준 전압 공급부(205)의 제1 기준 전압(BGR_OUT)이 벅 컨버터 회로(100)에 공급된다. 벅 컨버터 회로(100)의 상태가 대기 모드일 때 제2 전압 공급부(210)의 제2 기준 전압(FW_BGT_OUT)이 벅 컨버터 회로(100)의 출력단에 공급된다.
여기서, 제2 전압 공급부(210)는 제1 전압 공급부(205) 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계된다. 일반적으로, 기준 전압 공급부(BGR 회로)는 온도에 대하여 일정한 전압을 공급하기 위한 소자들로 구성되는데, 예를 들어, 기준 전압 공급부(BGR 회로)는 온도에 따라 전압이 증가하는 특성을 갖는 소자와 온도에 따라 전압이 감소하는 특성을 갖는 소자를 결합함으로써 구성될 수 있다. 이때, BGR 회로의 성능과 소모 전력은 반비례 관계를 갖는데, BGR 회로의 성능(예: 전압 정확도, 균일성, 정착 시간(settling time))을 높이고자 하는 경우 많은 소자와 전류가 필요하므로 소모 전력이 함께 증가하고, BGR 회로의 소모 전력을 감소시키고자 적은 전류를 사용하는 경우 BGR 회로의 성능(예: 전압 정확도, 균일성, 정착 시간)은 저하된다. 그리하여, 벅 컨버터 회로(100)의 상태가 동작 모드일 때 정확하고 균일한 기준을 공급하기 위하여 상대적으로 높은 전력을 소모하는 제1 기준 전압 공급부(205)가 사용되고, 벅 컨버터 회로(100)의 상태가 대기 모드일 때 상대적으로 부정확하고 불균일한 제2 기준 전압을 출력하지만 낮은 전력을 소모하는 제2 기준 전압 공급부(210)가 사용될 수 있다. 이는 벅 컨버터 회로(100)의 상태가 대기 모드일 때 벅 컨버터 회로(100)의 출력단으로 일정 레벨의 전압이 공급되면 충분할 뿐 해당 출력 전압이 높은 수준으로 정확할 것을 요구하지 않기 때문이다.
기준 전압 스위치(215)는 컨트롤러(220)로부터 제공된 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)에 따라 제1 기준 전압 공급부(205)로부터의 제1 기준 전압(BGR_OUT) 또는 제2 기준 전압 공급부(210)로부터의 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT) 중 하나를 기준 전압(REF_OUT)으로서 출력한다. 예를 들어, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-오프 된 경우 제1 기준 전압(BGR_OUT)을 기준 전압(REF_OUT)으로서 출력하고, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 된 경우, 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)을 기준 전압(REF_OUT)으로서 출력한다.
컨트롤러(220)는 벅 컨버터 회로(100)와 관련된 신호에 기반하여 고속 웨이크-업 회로(200) 내 모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 예를 들어, 컨트롤러(220)는 벅 컨버터 회로(100)의 동작 상태가 대기 모드 인지 여부를 지시하는 신호(STAND_BY_MODE), 벅 컨버터 회로(100)의 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN), 클락 신호(32K CLK), 벅 컨버터 회로(100)의 모드를 지시하는 모드 신호(FW_MODE), 기준 전압(REF_OUT)을 입력으로 하여, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN) 및 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)를 출력한다.
레귤레이터(225)는 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)에 기반하여 기준 전압 스위치(215)로부터 출력된 기준 전압(REF_OUT)을 하향 변환하여 출력 전압(FW_OUT)을 출력한다. 예를 들어, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 된 경우 하향 변환된 출력 전압(FW_OUT)이 출력되고, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-오프 된 경우 전압이 출력되지 않는다. 레귤레이터(225)는 LDO 회로로 구성될 수 있다.
리텐션 스위치(230)는 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)에 기반하여 레귤레이터(225)로부터 출력된 출력 전압(FW_OUT)을 벅 컨버터 회로(100)의 출력단으로 출력하거나 차단한다. 예를 들어, 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 된 경우 출력 전압(FW_OUT)을 벅 컨버터 회로(100)의 출력단으로 출력하고, 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-오프 된 경우 출력 전압(FW_OUT)을 차단한다.
상술한 바와 같이, 벅 컨버터 회로(100)의 상태가 대기 모드인 경우, 고속 웨이크-업 회로(200)는 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)를 사용하여 벅 컨버터 회로(100)의 출력단의 전압을 조절할 수 있다. 여기서 고속 웨이크-업 회로(200)는 3가지의 동작 모드 중 하나의 모드로 동작할 수 있다. 첫 번째는 연속 모드, 두 번째 불연속 모드, 세 번째 스위칭 모드이다.
벅 컨버터 회로(100)가 동작 모드일 때, 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)는 턴-온, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)는 턴-오프, 벅 컨버터 회로(100)가 대기 모드일 때 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)는 턴-오프, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)는 턴-온이 된다.
연속 모드에서, 모드 신호(FW_MODE<N:0>)가 연속모드에 해당하는 제1 비트 값으로 설정되고, 동작 모드에서 대기 모드로 전환될 때 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온이 되면서 레귤레이터(225)가 하향 변환된 출력 전압(FW_OUT)을 출력한다. 일정 시간(제1 연속 모드 대기 구간) 이후, 리텐션 스위치(230)에 제공되는 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온이 될 때 출력 전압(FW_OUT)이 출력단의 출력 전압(BUCK_OUT)으로서 출력된다. 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 제2 연속 모드 대기 구간 이후 턴-온 되는 이유는 순간적으로 리텐션 스위치(230)를 차단함으로써 레귤레이터(225)의 관점에서 출력단에 높은 존재가 발생하는 것과 같은 효과를 유발함으로써 출력단의 전압을 빠르게 상승시키기 위함이다. 이때 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-오프가 되면서 벅 컨버터 회로(100)는 턴-오프 상태가 되고, 벅 컨버터 회로(100)를 통해 출력되는 전압은 발생하지 않고, 턴-온 되어있는 레귤레이터(225)만을 통하여 벅 컨버터 회로(100)의 출력단에 출력 전압 발생한다. 저전력으로 설계된 제2 기준 전압 공급부(205), 레귤레이터(225), 컨트롤러(220)를 통해서 출력 전압(BUCK_OUT)을 유지함으로써 동작모드로 전환 후 고속 웨이크-업이 가능하다.
대기 모드 이후 동작 모드로 전환되면, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)는 턴-오프 되고, 일정 시간(제2 연속 모드 대기 구간) 이후 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)와 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)도 턴-오프가 된다. 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 된 시점으로부터 제2 연속 모드 대기 구간 이후 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)와 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-오프 되는 이유는 벅 컨버터 회로(100)의 출력단에 전압 공급이 끊기지 않게끔 하기 위함이다. 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-온 되면서 벅 컨버터 회로(100)의 정착 시간(Settling time)을 일정시간 동안 요구되고, 일정시간 이후 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)와 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-오프 되면서, 고속 웨이크-업이 가능하다.
연속 모드는 대기 모드에서 연속적으로 동작하기 때문에 불연속 모드와 스위칭 모드에 비해서 전력 소비는 증가하지만, 대기 모드에서 동작모드 전환 시 정착 시간은 불연속 모드와 스위칭 모드에 비해 짧다.
불연속 모드의 경우, 모드 신호(FW_MODE<N:0>)가 불연속 모드에 해당하는 제2 비트 값으로 설정되고, 동작 모드에서 대기 모드로 전환될 때 컨트롤러(220)에서 출력단의 출력 전압(BUCK_OUT)과 기준 값(예: REF_OUT)을 비교하여 출력단의 출력 전압(BUCK_OUT)이 기준 값 이하로 떨어지면, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 된다. 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)는 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 된 후, 일정 시간(불연속 모드 대기 구간) 이후에 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 된다. 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)의 턴-온 시점과 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)의 턴-온 시점 사이에 일정 시간(불연속 모드 대기 구간)이 존재하는 이유는 레귤레이터(225)가 턴-온 된 이후의 정착 시간(Settling time) 동안 리텐션 스위치(230)를 차단함으로써 출력단의 임피던스가 매우 큰 것으로 보이도록 함으로써 빠르게 출력 전압을 높이기 위함이다. 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 모두 턴-온이 되는 시점에, 레귤레이터(225)를 통해서 출력된 출력 전압(FW_OUT)이 출력단의 출력 전압(BUCK_OUT)으로서 출력된다. 이때 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-오프 되면서, 벅 컨버터 회로(100)도 턴-오프 상태가 되고, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 되어있는 시간 동안 벅 컨버터 회로(100)가 아닌 레귤레이터(2250)만 통해 출력단으로 전압이 출력된다. 저전력으로 설계된 제2 기준 전압 공급부(210), 레귤레이터(225), 컨트롤러(220)를 통해서 출력 전압(BUCK_OUT)이 유지함에 따라 동작모드로 전환 시, 고속의 웨이크-업이 가능하다.
벅 컨버터 회로(100)가 대기 모드 이후 동작 모드로 전환되면, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 되고, 일정 시간 이후 레귤레이터 인에이블 신호(FW_SW_EN) 및 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-오프가 된다. 이에 따라, 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-온 되면서, 일정시간 동안 벅 컨버터 회로(100)의 정착 시간 이후 웨이크-업 하여 동작한다.
불연속 모드에 따르면, 대기 모드시 출력 전압(BUCK_OUT)과 기준 값(예: 기준 전압(REF_OUT))과의 비교를 통해 동작하기 때문에 연속 모드에 비해서 낮은 전력이 소모될 수 있다.
스위칭 모드에서, 모드 신호(FW_MODE<N:0>)가 스위칭 모드에 대응하는 제3 비트 값으로 설정되고, 동작 모드에서 대기 모드로 전환될 때, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)는 클락 신호(32K CLK)의 주기에 따라 일정시간 턴-온, 턴-오프를 동작을 반복한다. 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)도 마찬가지로 클락 신호(32K CLK)에 따라 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)보다 일정시간 이후에 턴-온 되고, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 동일한 시점에 턴-오프 된다. FW_REG_EN과 FW_SW_EN의 턴-온 시간 사이에 일정시간이 존재하는 이유는 FW Regulator의 정착시간(Settling time)때문이다. FW_REG_EN과 FW_SW_EN이 둘 다 턴-온이 되는 시점에 FW Regulator를 통해서 출력 전압(BUCK_OUT)에 전압이 출력된다. 이때 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-오프가 되면서 벅 컨버터 회로(100)는 턴-오프 상태가 된다. 이 때 벅 컨버터 회로(100)를 통해 출력단에 전압이 출력되지 않고, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN) 및 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 되어있는 시간 동안 레귤레이터(225)를 통해 출력단의 출력 전압이 발생한다. 저전력으로 설계된 제2 기준 전압 공급부(210), 레귤레이터(225), 컨트롤러(220)를 통해서 출력 전압(BUCK_OUT)을 유지함으로써 동작 모드로 전환 시, 고속 웨이크-업이 가능하다.
대기 모드 이후 동작 모드로 전환되면 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 되고, 일정 시간 이후 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-오프가 된다. 그리하여, 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-온 되면서 일정시간 동안 벅 컨버터 회로(100)의 정착 시간 이후 고속의 웨이크-업이 수행된다. 스위칭 모드는 대기 모드에서도 일정 시간 동안만 동작하기 때문에 연속 모드와 불연속 모드에 비해 저전력으로 동작할 수 있다.
도 3은 종래의 직류-직류 변환 장치의 동작을 나타내는 타이밍도이다. 도 3을 참조하면, 동작 모드(Operation region) 이후에 대기 모드(Stand-by region)로 전환되면, 벅 컨버터 회로(100)가 턴-오프 되면서 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-오프 되고, 제 1 스위칭 신호(HIGH_S)와 제 2 스위칭 신호(LOW_S)가 함께 턴-오프되고, 출력 전압(BUCK_OUT)은 누설 전류(leakage current)로 인하여 서서히 감소한다. 대기모드(Stand-by region)에서 동작모드(Operation region)로 전환되면, 제 1 스위칭 신호(HIGH_S)와 제 2 스위칭 신호(LOW_S)가 턴-온이 되면서 일정한 정착 시간 동안 출력 전압(BUCK_OUT)이 상승하게 된다. 종래의 DC-DC 벅 컨버터의 경우, 긴 정착 시간이 소요되기 때문에 고속 웨이크-업 동작이 어렵다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 연속모드 동작시 타이밍도이다. 동작 모드(Operation region) 이후에 대기 모드(Stand-by region)로 전환되면, 벅 컨버터 회로(100)가 턴-오프 되면서, 파워 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-오프 되고, 제 1 스위칭 신호(HIGH_S)와 제 2 스위칭 신호(LOW_S)가 턴-오프 되고, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-온 된다. 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)는 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)의 턴-온 시점에 턴-온 되고, 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)는 일정시간(제1 연속 모드 대기 구간)(△tc1)이후에 턴-온 된다. 제1 연속 모드 대기 구간(△tc1)은 레귤레이터(225)의 정착 시간을 고려하여 설정될 수 있다. 대기모드(Stand-by region)에서 동작모드(Operation region)로 전환되면, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 된다. 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)는 일정시간(제2 연속 모드 대기 구간)(△tc2)이후에 턴-오프 된다. 제2 연속 모드 대기 구간(△tc2)은 벅 컨버터 회로(100)의 정착 시간을 고려하여 설정될 수 있다. 그리하여, 도 3과 같은 기존의 동작에 비하여, 벅 컨버터 회로(100)는 신속한 웨이크-업이 가능하며, 대기 모드에서는 낮은 대기전력으로 동작하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 불연속 모드 동작시 타이밍도이다. 동작모드(Operation region) 이후에 대기모드(Stand-by region)로 전환되면, 벅 컨버터 회로(100)가 턴-오프 되면서 전력 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-오프 되고, 제 1 스위칭 신호(HIGH_S)와 제 2 스위칭 신호(LOW_S)가 턴-오프 되고, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-온 된다. 컨트롤러(220)를 통해 출력 전압(BUCK_OUT)과 기준 값(예: REF_OUT)을 비교하여, 출력 전압(BUCK_OUT)이 기준 값 이하로 감소하게 되면 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되고, 일정 시간(불연속 모드 대기 구간)(△tdc1)이후 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 된다. 이때, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 되는 시간은 내부 회로의 동작 시간과 추가적인 딜레이가 반영된 시간이다. 대기모드(Stand-by region)에서 동작모드(Operation region)로 전환되면, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 되고, 일정 시간(△tdc2) 이후 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_REG_EN)도 턴-오프가 된다. 일정 시간(△tdc2)은 벅 컨버터 회로(100)의 정착 시간을 고려하여 설정될 수 있다. 그리하여, 종래의 방법에 비해서 고속의 웨이크-업이 가능하다. 또한, 불연속 모드로 동작하는 고속 웨이크-업 회로(200)는 대기 모드에서 소모되는 전력을 저감시키고, 연속 모드에 비해서도 더 낮은 전력으로 동작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 스위칭 모드 동작시 타이밍도이다. 동작 모드(Operation region) 이후에 대기 모드(Stand-by region)로 전환되면, 벅 컨버터 회로(100)가 턴-오프 되면서 파워 인에이블 신호(DCDC_PEN)가 턴-오프 되고, 제 1 스위칭 신호(HIGH_S)와 제 2 스위칭 신호(LOW_S)가 턴-오프 되고, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-온이 된다.
컨트롤러(220)를 통해 클락 신호(32K_CLK)의 상승 엣지에 따라 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되고, 일정시간(스위칭 모드 대기 구간)(△ts1)이후 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 된다. 이때, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 되는 시간은 내부 회로의 일정시간 딜레이가 반영된 시간이다. 대기모드(Stand-by region)에서 동작모드(Operation region)로 전환되면, 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 되고, 일정시간(△ts2) 이후 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)와 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)도 턴-오프 된다. 일정시간(△ts2)은 벅 컨버터 회로(100)의 정착 시간을 고려하여 설정될 수 있다. 그리하여, 종래의 방법에 비해서 고속의 웨이크-업이 가능하다. 또한, 불연속 모드로 동작하는 고속 웨이크-업 회로(200)는 대기 모드에서 소모되는 전력을 저감시키고, 연속 모드에 비해서도 더 낮은 전력으로 동작할 수 있다. 도 6은 32KHz의 클락 신호가 인가되는 경우의 예를 나타내나, 클락 신호의 주파수는 실시예에 따라 변경될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 고속 웨이크-업 직류-직류 변환기의 동작 방법의 예를 나타내는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, S705 단계에서, 저전력 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 컨트롤러(220)에서 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-온 된다. 이후 고속 웨이크-업 회로(200)의 동작 모드에 따라 고속 웨이크-업 회로(200)는 다른 방식으로 동작할 수 있다. S710 단계 내지 S713 단계는 연속 모드의 동작 방법, S720 단계 내지 S725 단계는 불연속 모드의 동작 방법, S730 단계 내지 S735 단계는 스위칭 모드의 동작 방법을 나타낸다. 모드 신호(FW_MODE<N:0>)에 따라 동작 모드가 결정될 수 있다.
연속 모드의 경우, S710 단계에서 모드 신호(FW_MODE<N:0>)가 연속 모드를 지시하도록 설정된다. S711 단계에서, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온되면서 레귤레이터(225)를 통해 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)이 출력된다. 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되면서 제2 기준 전압 공급부(210)로부터 출력된 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)은 기준 전압 스위치(215)를 통해 레귤레이터(225)에 입력된다. 즉, 기준 전압 스위치(215)는 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)을 기준 전압(REF_OUT)으로서 출력한다. S712 단계에서, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되고 일정시간(제1 연속 모드 대기 구간) 이후, 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 되면서 하향 변환된 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)이 리텐션 스위치(230)를 통해 출력단의 출력 전압(BUCK_OUT)으로서 출력된다. S713 단계에서, 컨트롤러(220)에 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 될 때까지 S712 단계가 유지한다.
불연속 모드의 경우, S720 단계에서 모드 신호(FW_MODE<N:0>)가 불연속 모드를 지시하도록 설정된다. S721 단계에서, 컨트롤러(220)는 출력 전압(BUCK_OUT)과 기준 값(예: 기준 전압(REF_OUT))을 비교한다. 출력 전압(BUCK_OUT)이 기준 값 이하로 감소하면, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 된다. S722 단계에서, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되면서 제2 기준 전압 공급부(210)의 출력인 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)은 기준 전압 스위치(215)를 통해 레귤레이터(225)에 입력되고, 레귤레이터(225)는 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)을 변환하여 출력 전압(FW_OUT)을 출력한다. S723 단계에서, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되고 일정시간(불연속 모드 대기 구간) 이후, 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 되면서 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)이 리텐션 스위치(230)를 통해 출력단으로 출력된다. S724 단계에서, 일정시간 이후 컨트롤러(220)의 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-오프 되고, 출력 전압(BUCK_OUT)은 부하 전류(load current)에 따라 감소하게 된다. S725 단계에서, 컨트롤러(220)는 출력 전압(BUCK_OUT)과 기준 값(예: 기준 전압(REF_OUT))을 비교하여 반복 동작을 진행한다. 반복은 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 될 때까지 수행된다.
스위칭 모드의 경우, S730 단계에서 모드 신호(FW_MODE<N:0>)가 스위칭 모드를 지시하도록 설정된다. S731 단계에서, 컨트롤러(220)는 클락 신호(32K_CLK)를 입력으로 하여, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)를 일정 시간 동안 턴-온 시킨다. S732 단계에서, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되면 제2 기준 전압 공급부(210)로부터 제공되는 제2 기준 전압(FW_BGR_OUT)은 기준 전압 스위치(215)를 통해 레귤레이터(225)에 입력되고, 레귤레이터(225)는 제2 기준 전압을 변환하여 출력 전압(FW_OUT)으로서 출력한다. S733 단계에서, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)가 턴-온 되고 일정시간 이후, 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-온 되면서 리텐션 스위치(230)를 통해 변환된 제2 기준 전압이 출력 전압(BUCK_OUT)으로서 출력된다. S734 단계에서, 일정시간 이후, 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN) 및 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)가 턴-오프 되고, 출력 전압(BUCK_OUT)은 부하 전류(load current)에 따라 감소하게 된다. S735 단계에서, 컨트롤러(220)는 클락 신호(32K_CLK)를 통해 레귤레이터 인에이블 신호(FW_REG_EN)와 스위치 인에이블 신호(FW_SW_EN)의 턴-온 및 턴-오프 반복 동작을 수행한다. 이는 대기 모드 신호(STAND_BY_MODE)가 턴-오프 될 때까지 반복된다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치로서,
    입력 DC 전압 보다 낮은 레벨의 출력 DC 전압을 출력단으로 출력하는 벅 컨버터(Buck Converter) 회로;
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 동작 모드일 때 제1 기준 전압을 상기 벅 컨버터 회로로 공급하는 제1 기준 전압 공급부; 및
    상기 제1 기준 전압 공급부 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계되고, 상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드일 때 상기 출력단으로 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 제2 기준 전압 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 제1 기준 전압 또는 상기 제2 기준 전압 중 하나를 기준 전압으로서 출력하는 기준 전압 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드임을 지시하는 대기 모드 신호에 기반하여 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 스위치 인에이블 신호를 출력하는 컨트롤러;
    상기 레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 기준 전압을 하향 변환하여 출력 전압을 출력하는 레귤레이터;
    스위치 인에이블 신호에 기반하여 상기 출력 전압을 상기 출력단으로 출력하는 리텐션 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 벅 컨버터 회로가 상기 대기 모드로 전환되면, 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-온 시키고, 상기 제1 타이밍으로부터 제1 연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 턴-온 시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 대기 모드 신호가 턴-오프 되는 제3 타이밍으로부터 제2 연속 모드 대기 구간 이후의 제4 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호 및 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-오프시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 출력단의 전압이 기준 값 이하인 경우 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키고,
    상기 제1 타이밍으로부터 불연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 클락 신호의 상승 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키고,
    상기 상승 타이밍으로부터 스위칭 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  8. 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치의 동작 방법으로서,
    벅 컨버터(Buck Converter) 회로로 입력된 입력 DC 전압 보다 낮은 레벨의 출력 DC 전압을 출력단으로 출력하는 단계;
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 동작 모드일 때 제1 기준 전압 공급부로부터 출력되는 제1 기준 전압을 상기 벅 컨버터로 공급하는 단계; 및
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드일 때 상기 제1 기준 전압 공급부 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계된 제2 기준 전압 공급부로부터 출력되는 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 기준 전압을 상기 벅 컨버터로 공급하는 단계는,
    레귤레이터 인에이블 신호를 턴-오프 시킴으로써 상기 제1 기준 전압 공급부로부터 출력되는 상기 제1 기준 전압을 기준 전압으로서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 단계는,
    레귤레이터 인에이블 신호를 턴-온 시킴으로써 상기 제2 기준 전압 공급부로부터 출력된 상기 제2 기준 전압을 기준 전압으로서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 단계는,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 대기 모드임을 지시하는 대기 모드 신호에 기반하여 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계;
    상기 레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 기준 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 단계; 및
    스위치 인에이블 신호에 기반하여 상기 출력 전압을 상기 출력단으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계는,
    상기 벅 컨버터 회로가 상기 대기 모드로 전환되면, 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-온 시키는 단계; 및
    상기 제1 타이밍으로부터 제1 연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 턴-온 시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계는,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 대기 모드 신호가 턴-오프 되는 제3 타이밍으로부터 제2 연속 모드 대기 구간 이후의 제4 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호 및 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-오프시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계는,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 출력단의 전압이 기준 값 이하인 경우 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계; 및
    상기 제1 타이밍으로부터 불연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 상기 스위치 인에이블 신호를 출력하는 단계는,
    상기 벅 컨버터 회로의 상태가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 클락 신호의 상승 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계; 및
    상기 상승 타이밍으로부터 스위칭 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치의 동작 방법.
  16. 전자 기기의 고속 웨이크-업을 위한 직류-직류 변환 장치로서,
    입력 DC 전압을 공급하는 전원;
    상기 전원에 연결된 제1 스위치;
    상기 제1 스위치와 연결된 제2 스위치;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 단자에 연결된 인덕터;
    상기 인덕터의 타단에 연결된 커패시터; 및
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 신호 생성부;
    현재 모드가 동작 모드일 때 제1 기준 전압을 상기 스위칭 신호 생성부로 공급하는 제1 기준 전압 공급부;
    상기 제1 기준 전압 공급부 보다 낮은 전력으로 동작하도록 설계되고, 현재 모드가 대기 모드일 때 상기 출력단으로 제2 기준 전압을 상기 출력단으로 공급하는 제2 기준 전압 공급부; 및
    레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 제1 기준 전압 또는 상기 제2 기준 전압 중 하나를 기준 전압으로서 출력하는 기준 전압 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 현재 모드가 대기 모드임을 지시하는 대기 모드 신호에 기반하여 상기 레귤레이터 인에이블 신호 및 스위치 인에이블 신호를 출력하는 컨트롤러;
    상기 레귤레이터 인에이블 신호에 기반하여 상기 기준 전압을 하향 변환하여 출력 전압을 출력하는 레귤레이터;
    스위치 인에이블 신호에 기반하여 상기 출력 전압을 상기 출력단으로 출력하는 리텐션 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 현재 모드가 상기 대기 모드로 전환되면, 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-온 시키고, 상기 제1 타이밍으로부터 제1 연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 턴-온 시키고,
    상기 현재 모드가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 대기 모드 신호가 턴-오프 되는 제3 타이밍으로부터 제2 연속 모드 대기 구간 이후의 제4 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호 및 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 턴-오프 시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 현재 모드가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 상기 출력단의 전압이 기준 값 이하인 경우 제1 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키고, 상기 제1 타이밍으로부터 불연속 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 현재 모드가 상기 대기 모드로부터 상기 동작 모드로 전환되면, 클락 신호의 상승 타이밍에 상기 레귤레이터 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키고, 상기 상승 타이밍으로부터 스위칭 모드 대기 구간 이후의 제2 타이밍에 상기 스위치 인에이블 신호를 일정 시간 동안 턴-온 시키는 것을 특징으로 하는 직류-직류 변환 장치.
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JP2001211640A (ja) * 2000-01-20 2001-08-03 Hitachi Ltd 電子装置と半導体集積回路及び情報処理システム
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Title
유성목, "고효율 3중 모드 DC-DC 벅 변환기 설계", 공학석사학위논문, 인천대학교 대학원, 전자공학과(2011.12.31.) *

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