KR20220048732A - 단일 인덕터를 이용한 직류 대 직류 전압 변환기 회로 및 전압 변환 방법 - Google Patents

단일 인덕터를 이용한 직류 대 직류 전압 변환기 회로 및 전압 변환 방법 Download PDF

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Abstract

스텝 업 모드 및 스텝 다운 모드로 동작 가능한 직류 대 직류 전압 변환기로서, 스텝 업 모드의 제1 시간 구간에서는 커패시터에 충전된 전압과 함께 입력 전압이 스택된 전압을 인덕터에 제공하고 제2 시간 구간에서는 입력 전압을 인덕터에 제공하는 것을 교대로 반복함으로써 출력 전압을 생성할 수 있다.

Description

단일 인덕터를 이용한 직류 대 직류 전압 변환기 회로 및 전압 변환 방법{DC TO DC VOLTAGE CONVERSION METHOD AND CIRCUIT USING SINGLE INDUCTOR}
이하, 단일 인덕터를 이용한 직류 대 직류 전압 변환 기술이 제공된다.
직류 대 직류 컨버터는 직류 전원의 전압을 변환하는 컨버터로서, 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)는 입력 전압에 관계없이 입력 전압보다 더 작거나 큰 범위의 전압을 출력 가능한 컨버터이다.
벅-부스트 컨버터는 전력 변환 비율(Conversion ratio)의 범위(range)가 넓어, 범용 어플리케이션에 이용된다. 다만, 벅-부스트 컨버터는 전도 손실(conduction loss) 및 스위칭 손실(switching loss)이 크기 때문에 전력 변환 효율이 낮다.
일 실시예에 따른 전압 변환기(voltage converter ) 회로는 제1 입력 스위치를 통해 입력 전원과 선택적으로 연결되는 제1 단(first end) 및 제2 입력 스위치를 통해 상기 입력 전원과 선택적으로 연결되는 제2 단(second end)을 가지는 커패시터; 및 노드에서 상기 제1 입력 스위치를 통해 상기 입력 전원과 선택적으로 연결되고, 상기 노드에서 상기 커패시터의 상기 제1 단과 연결되며, 상기 노드의 전압 에 응답하여 출력 전압을 생성하는 단일 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 커패시터 및 상기 인덕터는 항상 연결될 수 있다.
상기 커패시터 및 상기 인덕터는 스위치 없이 직접적으로(directly) 연결될 수 있다.
상기 단일 인덕터는, 상기 전압 변환기 회로가 스텝 업 모드(step up mode)로 동작하는 동안, 상기 커패시터를 포함하는 제1 스텝 업 전력 경로에 따른 전압 및 상기 제1 입력 스위치를 포함하는 제2 스텝 업 전력 경로에 따른 전압을 교대로 수신함으로써 상기 출력 전압을 생성할 수 있다.
상기 단일 인덕터는, 스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 열리고 상기 제2 입력 스위치가 닫힌 동안, 상기 커패시터로부터 상기 입력 전원의 입력 전압보다 높은 전압을 상기 노드에서 수신할 수 있다.
상기 커패시터는, 스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 열리고 상기 제2 입력 스위치가 닫힌 동안, 상기 입력 전원의 입력 전압에 상기 커패시터에 충전된 충전 전압이 부가된(add) 전압을 상기 단일 인덕터로 전달할 수 있다.
상기 단일 인덕터는, 스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 닫히고 상기 제2 입력 스위치가 열린 동안, 상기 제1 입력 스위치를 경유하여 상기 입력 전원의 입력 전압을 상기 노드에서 수신할 수 있다.
전압 변환기 회로는 상기 커패시터의 상기 제2 단을 접지와 선택적으로 연결하는 커패시터 스위치를 더 포함하고, 상기 커패시터 스위치는, 스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 닫히고 상기 제2 입력 스위치가 열린 동안, 상기 커패시터의 상기 제2 단을 상기 접지에 연결함으로써 상기 입력 전원으로 상기 커패시터를 충전시킬 수 있다.
전압 변환기 회로는 스텝 업 모드 동안 입력 전압의 1배 이상 2배 이하의 전압 범위 내 전압 값을 갖는 출력 전압을 생성할 수 있다.
전압 변환기 회로는 스텝 다운 모드(step down mode)를 위해 상기 노드에서 상기 인덕터를 선택적으로 접지와 연결하는 접지 스위치를 더 포함하고, 스텝 업 모드 동안 상기 접지 스위치의 개방 상태(open state)를 유지하며, 상기 스텝 다운 모드 동안 상기 제2 입력 스위치 및 커패시터 스위치의 개방 상태를 유지할 수 있다.
상기 단일 인덕터는, 상기 전압 변환기 회로가 상기 스텝 다운 모드로 동작하는 동안, 상기 제1 입력 스위치를 포함하는 제1 스텝 다운 전력 경로에 따른 전압 및 상기 접지 스위치를 포함하는 제2 스텝 다운 전력 경로에 따른 전압을 교대로 수신함으로써 상기 출력 전압을 생성할 수 있다.
상기 단일 인덕터는, 상기 스텝 다운 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 닫히고 상기 접지 스위치가 열린 동안, 상기 입력 전원의 입력 전압을 상기 노드에서 수신할 수 있다.
상기 단일 인덕터는, 상기 스텝 다운 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 열리고 상기 접지 스위치가 닫힌 동안, 접지 전압을 상기 노드에서 수신할 수 있다.
상기 단일 인덕터는, 스텝 업 모드에서 상기 단일 인덕터에 흐르는 인덕터 전류를 램프 업(ramp up)시키는 제1 시간 구간 및 상기 인덕터 전류를 램프 다운(ramp down)시키는 제2 시간 구간에서 상기 인덕터 전류와 동일한 파형의 부하 전류를 출력할 수 있다.
상기 단일 인덕터와 연결된 복수의 출력 단자들을 더 포함하고, 상기 복수의 출력 단자들 중 한 출력 단자를 선택하여 상기 선택된 출력 단자로 상기 단일 인덕터에 의해 생성된 상기 출력 전압을 공급할 수 있다.
전압 변환기 회로는 복수의 입력 전원들의 각각 및 상기 커패시터의 상기 제1 단을 선택적으로 연결하는 복수의 제1 입력 스위치들; 및 상기 복수의 입력 전원들의 각각 및 상기 커패시터의 상기 제2 단을 선택적으로 연결하는 복수의 제2 입력 스위치들을 포함할 수 있다.
전압 변환기 회로는 복수의 추가 스위치들을 통해 상기 커패시터와 병렬 연결 및 직렬 연결 중 하나를 수립하는 하나 이상의 추가 커패시터를 더 포함하고, 스텝 업 모드의 제2 시간 구간 동안 병렬로 연결되는 상기 커패시터 및 상기 하나 이상의 추가 커패시터를 상기 입력 전원을 이용하여 충전하며, 제1 시간 구간 동안 직렬로 연결되는 상기 커패시터 및 상기 하나 이상의 추가 커패시터에 충전된 충전 전압들을 상기 입력 전원의 입력 전압에 부가하여 상기 단일 인덕터로 전달할 수 있다.
전압 변환기 회로는 상기 출력 전압 및 설정된 목표 전압(target voltage)에 기초하여 스위치들을 스위칭하는 듀티 비(duty ratio) 를 조절하는 스위칭 제어부를 더 포함할 수 있다.
복수의 제1 입력 스위치들의 각각은 외부 전원 단자 및 배터리 전원 단자를 선택적으로 상기 커패시터의 상기 제1 단에 연결하고, 복수의 제2 입력 스위치들의 각각은 상기 외부 전원 단자 및 상기 배터리 전원 단자를 선택적으로 상기 커패시터의 상기 제2 단에 연결하며, 상기 단일 인덕터는, 상기 배터리 전원 단자 , 제1 출력 단자, 및 제2 출력 단자 중 하나와 선택적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 전압 변환 방법은, 스텝 업 모드의 제1 시간 구간 동안 입력 전원 및 인덕터 간의 제1 입력 스위치를 턴오프하고 상기 입력 전원 및 커패시터 간의 제2 입력 스위치를 턴온 하는 단계; 상기 제1 시간 구간 동안 상기 제2 입력 스위치를 통해 상기 입력 전원의 입력 전압 및 상기 커패시터에 충전된 충전 전압을 상기 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성하는 단계; 상기 스텝 업 모드의 제2 시간 구간 동안 상기 제1 입력 스위치를 턴온하고 상기 제2 입력 스위치를 턴오프하는 단계; 및 상기 제2 시간 구간 동안 상기 커패시터를 충전하고 상기 입력 전압을 상기 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 예시적인 스텝 업 다운 변환기를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로의 스텝 다운 모드 동작을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로의 스텝 업 모드 동작을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 전압 변환기 회로들의 구조 차이로 인한 부하 전류 파형을 설명한다.
도 6및 도 7은 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로가 전류 불연속 모드(DCM, discontinuous current mode)에서 스텝 다운 모드로 동작하는 것을 설명한다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로가 DCM에서 스텝 업 모드로 동작하는 것을 설명한다.
도 10은 일 실시예에 따른 다중 출력을 갖는 전압 변환기 회로를 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 다중 입력 및 다중 출력을 갖는 전압 변환기 회로를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따라 확장된 변압 비율을 갖는 전압 변환기 회로의 스텝 업 모드 동작을 설명한다.
도 13은 일 실시예에 따른 전압 변환기 장치의 예시적인 구성을 설명한다.
도 14 및 도 15는 일 실시예에 따른 전압 변환 방법을 도시한 흐름도이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 예시적인 스텝 업 다운 변환기를 도시한다.
전압 변환기 회로는 전압을 변환하는 회로이다. 전압 변환기 회로 중 직류 대 직류 변환기 회로는 직류 전압 레귤레이팅(DC voltage regulating)이 요구되는 다양한 장치에 사용될 수 있다. 직류 대 직류 변환기 회로는 입력되는 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 회로를 나타낼 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 전압 변환기 회로로서 직류 대 직류 변환기 회로를 주로 설명한다. 직류 대 직류 변환기 회로는 DC/DC 변환기, DC-DC 변환기, 및 직류 변압기 등으로 표현될 수 있다. 전압 변환기 회로는 전압 변환기(100)라고도 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따른 전압 변환기(100)는 스텝 업 및 스텝 다운 변환기로서, 스텝 다운 동작 및 스텝 업 동작을 모두 수행 가능한 변환기이다. 스텝 다운 동작은 입력 전압 이하의 전압을 갖는 전기 신호를 출력하는 동작을 나타낼 수 있다. 스텝 업 동작은 입력 전압 이상의 전압을 갖는 전기 신호를 출력하는 동작을 나타낼 수 있다. 전압 변환기(100)가 직류 대 직류 변환기 회로인 경우, 직류 입력(DC input)을 수신하여 직류 출력(DC output)을 생성할 수 있다.
도 1에 도시된 전압 변환기(100)는 입력 측에 배터리 전압 단자(VBAT) 및 외부 전원 단자(VRECT)와 연결될 수 있다. 배터리 전압 단자(VBAT)는 전압 변환기(100)를 포함하는 전자 장치(electronic device) 및/또는 전기 장치(electric device)에 장착되는 배터리로부터 전력을 수신하는 단자일 수 있다. 외부 전원 단자는 외부로부터 전력을 수신하는 단자일 수 있다. 예시적으로 전자 장치는 외부로부터 유선 및/또는 무선으로 전력을 수신하여 동작하거나, 내장된 배터리의 전력을 이용하여 동작하는 장치일 수 있다. 전압 변환기(100)는 출력 측에 배터리 전압 단자(VBAT), 제1 출력 단자(VOUT1), 및 제2 출력 단자(VOUT2)과 연결될 수 있다. 전압 변환기(100)는, 전자 장치의 동작 동안, 전자 장치에게 요구되는 전압을 선택적으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 전압 변환기(100)는 전자 장치 내의 다른 모듈(module), 소자(element), 및 회로 등을 동작시키기 위해 제1 출력 단자(VOUT1) 및 제2 출력 단자(VOUT2) 중 한 단자로 출력 전압을 생성할 수 있다. 다른 예를 들어, 전압 변환기(100)는 배터리 전압 단자(VBAT)를 통해 출력 전압을 생성하여 전자 장치에 내장된 배터리를 충전시킬 수도 있다.
상술한 전자 장치는 생체 삽입형 장치(implanted device)로서, 외부 전력 및 내장 배터리 전력을 선택적으로 이용하여 동작하면서, 외부 전력을 이용하여 내장 배터리 전력을 충전시킬 수도 있다. 생체 삽입형 장치는 체외로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작 및 배터리를 충전시키고, 무선 전력 수신이 불가능한 상황에서는 내장 배터리의 전력을 이용하여 동작할 수 있다.
도 1에 도시된 예시에서 전압 변환기(100)는 전자 장치의 배터리 전압 단자(VBAT)를 통해 1.0V 내지 1.6V의 전압을 수신할 수 있다. 전압 변환기(100)는 전자 장치의 외부 전원 단자(VRECT)를 통해 1.0V 내지 1.8V의 전압을 수신할 수 있다. 배터리 전압 단자(VBAT) 및 외부 전원 단자(VRECT)는 직류 전압을 수신할 수 있다. 제1 출력 단자(VOUT1)는 1.8V의 직류 전압을 출력하는 단자이고, 제2 출력 단자(VOUT2)는 1.0V의 직류 전압을 출력하는 단자이다. 앞서 설명한 배터리 전압 단자(VBAT)는 출력 단자로서도 연결될 수 있다. 전압 변환기(100)는 배터리 전압 단자(VBAT)를 통해 수신되는 전압으로부터 제1 출력 단자(VOUT1)로 전압을 출력하기 위해 스텝 업 동작을 수행할 필요가 있다. 또한, 전압 변환기(100)는 외부 전원 단자(VRECT)를 통해 수신되는 전압으로부터 제2 출력 단자(VOUT2)로 전압을 출력하기 위해 스텝 다운 동작을 수행할 필요가 있다. 참고로, 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로는 전력 관리 집적 회로(PMIC, Power Management Integrated Circuit)에 일부로서 포함될 수도 있다.
벅-부스트 회로는 출력 전류가 불연속적이어서 낮은 전력 효율을 가지는 바, 아래에서는 출력 전류를 연속적으로 제공하여 높은 전력 효율을 가지면서도 스텝 업 동작 및 스텝 다운 동작을 수행할 수 있는 전압 변환기 회로를 설명한다. 또한, 다중 입출력이 요구되는 전자 장치, 예를 들어, 모바일 장치에서 다중 입출력을 위해 복수의 전력 관리 집적 회로들이 포함될 경우, 각 전력 관리 집적 회로가 개별적으로 인덕터를 포함하여야 하는데, 인덕터의 부피가 다른 소자에 비해 상대적으로 커서 전자 장치의 전체 부피가 증가된다. 아래에서는 다중 입출력이 가능하면서도 소형(small size)으로 구현 가능한, 단일 인덕터를 이용하여 스텝 업 동작 및 스텝 다운 동작을 수행하는 전압 변환기(100)를 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로를 도시한다.
일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(200)는 복수의 스위치들, 커패시터(Cx), 및 단일 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 전압 변환기 회로(200)의 입력 측 단자를 입력 단자(201)(input terminal), 출력 측 단자를 출력 단자(209)(output terminal)이라고 나타낼 수 있다. 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 입력 단자(201) 및 출력 단자(209)가 각각 1개씩 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 도 10 및 도 11에서 후술하는 바와 같이 복수의 단자들를 포함할 수도 있다.
입력 단자(201)는 입력 전원과 연결되는 단자를 나타낼 수 있다. 입력 단자(201)는 제1 입력 스위치(SWia) 및 제2 입력 스위치(SWib)와 연결될 수 있다. 입력 단자(201)의 전압을 입력 전압이라고 나타낼 수 있다.
제1 입력 스위치(SWia)는 입력 단자(201)를 커패시터(Cx) 및 단일 인덕터(L)에 선택적으로 연결하는 스위치를 나타낼 수 있다. 제1 입력 스위치(SWia)는 스텝 업 모드 및 스텝 다운 모드의 각 시간 구간 별로 커패시터(Cx)의 제1 단(first end) 및 단일 인덕터(L)를 입력 단자(201)에 연결(connect)하거나 입력 단자(201)로부터 분리(disconnect)할 수 있다.
제2 입력 스위치(SWib)는 입력 단자(201)를 커패시터(Cx)의 제2 단(second end)에 선택적으로 연결하는 스위치를 나타낼 수 있다. 제2 입력 스위치(SWib)는 스텝 업 모드의 각 시간 구간 별로 커패시터(Cx)의 제2 단을 입력 단자(201)에 연결(connect)하거나 입력 단자(201)로부터 분리(disconnect)할 수 있다. 제2 입력 스위치(SWib)는 스텝 다운 모드에서는 개방 상태(open state)를 유지할 수 있다.
참고로, 상술한 제1 입력 스위치(SWia) 및 제2 입력 스위치(SWib)는 각각 1개씩만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 입력 단자(201)의 개수에 대응하여 배치될 수 있다. 복수의 제1 입력 스위치들 및 복수의 제2 입력 스위치들은 하기 도 11에서 설명한다.
커패시터(Cx)는 제1 입력 스위치(SWia)를 통해 입력 전원과 선택적으로 연결되는 제1 단 및 제2 입력 스위치(SWib)를 통해 입력 전원과 선택적으로 연결되는 제2 단을 가질 수 있다. 커패시터(Cx)의 제2 단은 커패시터 스위치(SWcg)를 통해 접지와 선택적으로 연결될 수 있다. 커패시터(Cx)의 제1 단은 노드에서 제1 입력 스위치(SWia), 인덕터, 및 접지 스위치(SWgnd)와 연결된다. 커패시터(Cx)의 제2 단은 제2 입력 스위치(SWib) 및 커패시터 스위치(SWcg)와 연결된다.
커패시터 스위치(SWcg)는 커패시터(Cx)의 제2 단을 접지에 선택적으로 연결하는 스위치를 나타낼 수 있다. 커패시터 스위치(SWcg)는 커패시터(Cx)를 충전시키기 위해 사용될 수 있다. 커패시터 스위치(SWcg)는 스텝 업 모드의 각 시간 구간 별로 커패시터(Cx)의 제2 단을 접지 단자에 연결하거나 접지 단자로부터 분리할 수 있다. 커패시터 스위치(SWcg)는 스텝 다운 모드에서는 개방 상태를 유지할 수 있다.
단일 인덕터(L)는 노드에서 제1 입력 스위치(SWia)를 통해 입력 전원과 선택적으로 연결될 수 있다. 노드는 단일 인덕터(L)의 입력 측 노드로서, 제1 입력 스위치(SWia), 커패시터(Cx), 접지 스위치(SWgnd), 및 인덕터가 연결되며, 노드의 전압을 노드 전압(Vx)이라고 나타낼 수 있다. 단일 인덕터(L)는 노드에서 커패시터(Cx)의 제1 단과 연결될 수 있다. 단일 인덕터(L)는 노드에서 접지 스위치(SWgnd)를 통해 접지와 선택적으로 연결될 수 있다. 단일 인덕터(L)의 입력 측은 노드와 연결되고, 단일 인덕터(L)의 출력 측은 출력 단자(209)와 연결될 수 있다. 단일 인덕터(L)는 노드의 전압에 응답하여 출력 전압을 생성할 수 있다.
접지 스위치(SWgnd)는 노드에서 커패시터(Cx)의 제1 단, 제1 입력 스위치(SWia), 단일 인덕터(L), 및 접지 단자 사이에 연결될 수 있다. 접지 스위치(SWgnd)는 스텝 다운 모드의 시간 구간 별로 노드를 접지 단자에 연결하거나 접지 단자로부터 분리할 수 있다. 접지 스위치(SWgnd)는 스텝 업 모드에서 개방 상태를 유지할 수 있다.
커패시터(Cx) 및 인덕터는 모드 및 모드 별 시간 구간과 무관하게 항상 연결된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 커패시터(Cx) 및 인덕터는 스위치 없이 직접적으로(directly) 연결된다. 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(200)에서는 커패시터(Cx) 및 인덕터가 항상 연결되므로, 출력 단자(209)를 통해 출력되는 출력 신호의 부하 전류가 연속된다. 따라서, 전압 변환기 회로(200)는 개선된 전력 변환 효율을 가질 수 있다. 후술하겠으나, 전압 변환기 회로(200)는, 대부분의 실용적(practical) 어플리케이션에서 요구하는, 0이상 2이하의 전압 변환 비율(conversion ratio) M를 커버할 수 있다.
아래 도 3는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(200)의 스텝 다운 모드를 설명하고, 도 4는 스텝 업 모드를 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로의 스텝 다운 모드 동작을 도시한다.
일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(200)는 스텝 다운 모드로 동작할 수 있다. 스텝 다운 모드의 매 사이클(cycle)은 복수의 시간 구간들(time intervals)로 구분될 수 있다. 사이클은 주기(period)라고도 나타낼 수 있다. 전압 변환기 회로(200)는 복수의 시간 구간들마다 복수의 스위치들 중 적어도 일부를 턴온하거나 턴오프시킬 수 있다. 아래는 연속 전류 모드(CCM, continuous current mode)의 구성(configuration) 예시를 설명한다.
전압 변환기 회로(200)는 스텝 다운 모드의 제1 시간 구간 동안 제1 스텝 다운 전력 경로(310)를 활성화하고, 제2 시간 구간 동안 제2 스텝 다운 전력 경로(320)를 활성화할 수 있다. 제1 시간 구간은 단일 인덕터(L)에 흐르는 인덕터 전류가 증가하는 램프 업 구간이고, 제2 시간 구간은 인덕터 전류가 감소하는 램프 다운 구간일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 전압 변환기 회로(200)는 스텝 다운 모드(step down mode)를 위해 노드(Nx)에서 인덕터를 선택적으로 접지와 연결하는 접지 스위치(SWgnd)를 포함할 수 있다. 참고로, 전압 변환기 회로(200)는 스텝 다운 모드 동안 제2 입력 스위치(SWib) 및 커패시터 스위치(SWcg)의 개방 상태를 유지할 수 있다.
우선, 전압 변환기 회로(200)는, 스텝 다운 모드의 제1 시간 구간 동안, 제1 입력 스위치(SWia)를 턴온하고, 접지 스위치(SWgnd)를 턴오프할 수 있다. 제1 입력 스위치(SWia)는 입력 단자(201)를 단일 인덕터(L)에 연결하고, 접지 스위치(SWgnd)는 단일 인덕터(L)로부터 접지 단자를 분리할 수 있다. 단일 인덕터(L)는, 스텝 다운 모드에서 제1 입력 스위치(SWia)가 닫히고 접지 스위치(SWgnd)가 열린 동안, 입력 전원의 입력 전압 Vin을 노드(Nx)에서 수신할 수 있다. 상술한 스위칭에 의해 노드(Nx)의 노드 전압 Vx가 입력 전압 Vin까지 상승할 수 있다. 노드(Nx)의 노드 전압 Vx의 상승에 의해 인덕터(L)의 인덕터 전류가 램프업(ramp-up)될 수 있다.
그리고 스텝 다운 모드의 제2 시간 구간 동안, 전압 변환기 회로(200)는 제1 입력 스위치(SWia)를 턴오프하고, 접지 스위치(SWgnd)를 턴온할 수 있다. 제1 입력 스위치(SWia)는 입력 단자(201)로부터 단일 인덕터(L)를 분리하고, 접지 스위치(SWgnd)는 접지 단자를 단일 인덕터(L)에 연결할 수 있다. 단일 인덕터(L)는, 스텝 다운 모드에서 제1 입력 스위치(SWia)가 열리고 접지 스위치(SWgnd)가 닫힌 동안, 접지 전압을 노드(Nx)에서 수신할 수 있다. 상술한 스위칭에 의해 노드(Nx)의 노드 전압 Vx가 접지 전압(예를 들어, 0V)까지 하강할 수 있다. 노드(Nx)의 노드 전압 Vx의 하강에 의해 인덕터 전류가 램프다운(ramp-down)될 수 있다. 참고로, 출력 단자(209)에 출력 커패시터(Cout)가 연결되어, 단일 인덕터(L) 및 출력 커패시터(Cout)가 LC 회로를 형성하므로, 인덕터 전류는 점진적으로 감소한다.
따라서 단일 인덕터(L)는, 스텝 다운 모드 동안, 제1 입력 스위치(SWia)를 포함하는 제1 스텝 다운 전력 경로(310)에 따른 전압 및 접지 스위치(SWgnd)를 포함하는 제2 스텝 다운 전력 경로(320)에 따른 전압을 노드(Nx)에서 교대로 수신함으로써 출력 전압 Vout을 생성할 수 있다. 전압 변환기 회로(200)는 스텝 다운 모드 동안 0V 이상 입력 전압의 1배 이하의 전압 범위 내 전압 값을 갖는 출력 전압 Vout을 생성할 수 있다. 출력 전압 Vout은 듀티 비에 따라 결정될 수 있다. 스텝 다운 모드에서 동작하는 전압 변환기 회로(200)는 듀티 비(duty ratio)에 따라 0이상 1이하의 변환 비율을 나타낼 수 있다. 듀티 비는 제1 시간 구간 및 제2 시간 구간에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 듀티 비 D=(제1 시간 구간/(제1 시간 구간+제2 시간 구간))으로 정의될 수 있다. 도 13에서 후술하는 스위칭 제어부가 듀티비를 조절하여 출력 전압 Vout을 조절할 수 있다.
참고로, 제1 시간 구간 및 제2 시간 구간 동안 CCM으로 구성된 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(200)는 끊김 없이 연속적인 부하 전류를 공급할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로의 스텝 업 모드 동작을 도시한다.
일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(200)는 스텝 업 모드로 동작할 수 있다. 스텝 업 모드의 매 사이클도, 상술한 스텝 다운 모드와 유사하게, 복수의 시간 구간들로 구분될 수 있다. 전압 변환기 회로(200)는 복수의 시간 구간들마다 복수의 스위치들 중 적어도 일부를 턴온하거나 턴오프시킬 수 있다. 도 4도 CCM 구성의 예시를 설명한다.
전압 변환기 회로(200)는 스텝 업 모드의 제1 시간 구간 동안 제1 스텝 업 전력 경로(410)를 활성화하고, 제2 시간 구간 동안 제2 스텝 업 전력 경로(420)를 활성화할 수 있다. 제1 시간 구간은 단일 인덕터(L)에 흐르는 인덕터 전류가 증가하는 램프 업 구간이고, 제2 시간 구간은 인덕터 전류가 감소하는 램프 다운 구간일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전압 변환기 회로(200)는 커패시터(Cx)의 제2 단을 접지와 선택적으로 연결하는 커패시터 스위치(SWcg)를 포함할 수 있다. 참고로, 전압 변환기 회로(200)는 스텝 업 모드 동안 접지 스위치(SWgnd)의 개방 상태(open state)를 유지할 수 있다.
우선, 전압 변환기 회로(200)는, 스텝 업 모드의 초기 동작을 개시하기 전에 제1 입력 스위치(SWia) 및 커패시터 스위치(SWcg)를 턴온하고 제2 입력 스위치(SWib)를 턴오프할 수 있다. 전압 변환기 회로(200)는 커패시터(Cx)를 입력 전압 Vin으로 충전시킬 수 있다. 이후, 전압 변환기 회로(200)는 스텝 업 모드를 개시할 수 있다.
전압 변환기 회로(200)는, 스텝 업 모드의 제1 시간 구간 동안, 제2 입력 스위치(SWib)를 턴온하고, 제1 입력 스위치(SWia) 및 커패시터 스위치(SWcg)를 턴오프할 수 있다. 제2 입력 스위치(SWib)는 입력 단자(201)를 커패시터(Cx)의 제2 단에 연결할 수 있다. 제1 입력 스위치(SWia) 및 커패시터 스위치(SWcg)는 커패시터(Cx)를 각각 입력 단자(201) 및 접지로부터 분리할 수 있다. 단일 인덕터(L)는, 스텝 업 모드에서 제1 입력 스위치(SWia)가 열리고 제2 입력 스위치(SWib)가 닫힌 동안, 커패시터(Cx)로부터 입력 전원의 입력 전압 Vin보다 높은 전압을 노드에서 수신할 수 있다. 상술한 스위칭에 의해 커패시터(Cx)는, 스텝 업 모드에서 제1 입력 스위치(SWia)가 열리고 제2 입력 스위치(SWib)가 닫힌 동안, 입력 전원의 입력 전압에 커패시터(Cx)에 충전된 충전 전압 Vcx이 부가된(add) 전압을 단일 인덕터(L)로 전달할 수 있다. 입력 전압 Vin에 커패시터(Cx)에 충전된 충전 전압 Vcx가 더해지고, 도 4의 예시에서 충전 전압 Vcx=입력 전압 Vin이므로, 노드(Nx)의 노드 전압 Vx가 2Vi까지 상승할 수 있다. 노드(Nx)의 노드 전압 Vx의 상승에 의해 인덕터 전류가 램프업될 수 있다.
그리고 스텝 업 모드의 제2 시간 구간 동안, 전압 변환기 회로(200)는 제1 입력 스위치(SWia) 및 커패시터 스위치(SWcg)를 턴온하고, 제2 입력 스위치(SWib)를 턴오프할 수 있다. 제1 입력 스위치(SWia)는 입력 단자(201)를 커패시터(Cx)의 제1 단 및 인덕터에 연결하고, 커패시터 스위치(SWcg)는 커패시터(Cx)의 제2 단을 접지에 연결할 수 있다. 단일 인덕터(L)는, 스텝 업 모드에서 제1 입력 스위치(SWia)가 닫히고 제2 입력 스위치(SWib)가 열린 동안, 제1 입력 스위치(SWia)를 경유하여 입력 전원의 입력 전압 Vin을 노드에서 수신할 수 있다. 상술한 스위칭에 의해 노드(Nx)의 노드 전압 Vx가 입력 전압 Vin까지 하강할 수 있다. 노드(Nx)의 노드 전압 Vx의 하강에 의해 인덕터(L)의 인덕터 전류가 램프다운될 수 있다. 또한, 커패시터 스위치(SWcg)는, 스텝 업 모드에서 제1 입력 스위치(SWia)가 닫히고 제2 입력 스위치(SWib)가 열린 동안, 커패시터(Cx)의 제2 단을 접지에 연결함으로써 입력 전원으로 커패시터(Cx)를 충전시킬 수 있다. 다시 말해, 전압 변환기는 제2 시간 구간에서 동시에 커패시터(Cx)를 입력 전압 Vin으로 충전시킬 수 있다. 이 때, 커패시터(Cx)의 크기가 지나치게 작지 않다면, 커패시터(Cx)의 전하 밸런스(charge balance)가 과도하게 변하지 않고 유지될 수 있다.
따라서 단일 인덕터(L)는, 스텝 업 모드(step up mode) 동안, 커패시터(Cx)를 포함하는 제1 스텝 업 전력 경로(410)에 따른 전압 및 제1 입력 스위치(SWia)를 포함하는 제2 스텝 업 전력 경로(420)에 따른 전압을 교대로 수신함으로써 출력 전압을 생성할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전압 변환기는, 커패시터(Cx)의 충전 전압을 이용하여 제1 시간 구간 동안 노드(Nx)의 노드 전압 Vx를 입력 전압 Vin보다 높게 증가시킴으로써, 입력 전압 Vin보다 더 높은 출력 전압 Vout을 생성할 수 있다. 전압 변환기 회로(200)는 스텝 업 모드 동안 입력 전압 Vin의 1배 이상의 전압 값을 갖는 출력 전압 Vout을 생성할 수 있다. 도 4에 도시된 전압 변환기 회로(200)는 스텝 업 모드 동안 입력 전압 Vin의 1배 이상 2배 이하의 전압 범위 내 전압 값을 갖는 출력 전압 Vout을 생성할 수 있다. 출력 전압 Vout은 듀티 비에 따라 결정될 수 있다. 스텝 업 모드에서 동작하는 전압 변환기 회로(200)는 듀티 비에 따라 1이상 2이하의 변환 비율을 나타낼 수 있다. 듀티 비는 제1 시간 구간 및 제2 시간 구간에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 듀티 비 D=(제1 시간 구간/(제1 시간 구간+제2 시간 구간))으로 정의될 수 있다. 도 13에서 후술하는 스위칭 제어부가 듀티비를 조절하여 출력 전압 Vout을 조절할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 전압 변환기 회로(200)가 스텝 다운 모드에서 0이상 1이하의 변환 비율을 가지고, 스텝 업 모드에서 1이상 2이하의 변환 비율을 가지므로, 최종적으로 0 이상 2 이하의 변환 비율을 가질 수 있다. 더 나아가, 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(200)는 0 이상 2 이하의 변환 비율 범위 내에서 끊김 없이 연속적인 부하 전류를 공급할 수 있다. 전압 변환기 회로(200)는 출력 전압 리플(Ripple), 및 부하 천이(Load Transient) 측면에서도 개선된 효과를 가지는 바, 하기 도 5a 및 도 5b에서 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 전압 변환기 회로들의 구조 차이로 인한 부하 전류 파형을 설명한다.
도 5a는 벅-부스트 구조 회로(500a) 및 해당 회로에서의 전류 파형을 도시하고, 도 5b는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(500b) 및 해당 회로에서의 전류 파형을 도시한다.
도 5b에 도시된 전압 변환기 회로(500b)에서, 복수의 제1 입력 스위치들의 각각은 외부 전원 단자(VWPT) 및 배터리 전원 단자(VBAT)를 선택적으로 커패시터의 제1 단에 연결할 수 있다. 복수의 제2 입력 스위치들의 각각은 외부 전원 단자(VWPT) 및 배터리 전원 단자(VBAT)를 선택적으로 커패시터의 제2 단에 연결할 수 있다. 단일 인덕터는, 배터리 전원 단자 (VBAT), 제1 출력 단자(VHIGH), 및 제2 출력 단자(VLOW) 중 하나와 선택적으로 연결될 수 있다.
우선, 벅-부스트 구조 회로(500a)는 제1 경로(501a) 및 제2 경로(502a)를 교대로 활성화하여 출력을 생성할 수 있다. 여기서, 벅-부스트 구조 회로(500a)는 제1 경로(501a) 및 제2 경로(502a)를 교대로 활성화할 때마다 같은 출력 단자로 전력을 공급하더라도 출력 스위치를 매번 스위칭하여야 한다.
반면, 전압 변환기 회로(500b)는, 출력 단자를 변경하지 않고 계속해서 같은 출력 단자로 전력을 공급하는 동안, 제1 스텝 다운 전력 경로(511b), 제2 스텝 다운 전력 경로(512b), 제1 스텝 업 전력 경로(521b), 및 제2 스텝 업 전력 경로(522b)를 전환할 때 해당 출력 단자에 대한 출력 스위치를 스위칭할 필요가 없다. 따라서, 전압 변환기 회로(500b)는 벅-부스트 회로 대비 적은 스위칭 손실을 가진다.
더 나아가, 전압 변환기 회로(500b)는 앞서 설명한 바와 같이 항상 연결된 인덕터 및 커패시터를 가지고, 인덕터의 출력 측이 출력 단자에 계속해서 연결되므로 부하로의 전류 공급이 연속적이다. 다시 말해, 전압 변환기 회로(500b)는 스텝 다운 모드 뿐만 아니라 스텝 업 모드에서도 항상 연속적인 부하전류를 출력 측 부하에 공급할 수 있다. 전압 변환기 회로(500b)는 연속적인 전류 공급으로 인해 감소된 RMS(root mean square)의 출력 전류를 제공하고, 이로 인해 기생저항(예를 들어, 인덕터의 DCR(DC Resistance) 혹은 스위치의 ON 저항) 에서의 전도 손실(conduction loss)이 감소된다. 전압 변환기 회로(500b)의 출력 전압의 리플(ripple) 성분 또한 감소하기 때문에, 출력 측 커패시터의 크기 요구 조건이 상대적으로 감소된다. 전압 변환기 회로(500b)는 제어기 루프(controller loop)의 대역폭(bandwidth)에 악영향을 주는 포지티브 제로(positive zero)도 제거되므로, 빠른 부하 천이(load transient) 속도를 가진다.
전압 변환기 회로(500b)의 단일 인덕터는, 스텝 업 모드에서 단일 인덕터에 흐르는 인덕터 전류를 램프 업(ramp up)시키는 제1 시간 구간 및 인덕터 전류를 램프 다운(ramp down)시키는 제2 시간 구간에서 인덕터 전류와 동일한 파형의 부하 전류를 출력할 수 있다. 인덕터 전류 IL의 파형과 부하 전류 ILOAD의 파형이 동일하므로, 전력 효율도 증가될 수 있다. 반면 벅-부스트 구조 회로(500a)에서는 부하 전류 ILOAD가 인덕터 전류 IL이 상승하는 구간에서 존재하지 않는 바, 불연속적이므로, 나쁜 전력 효율을 갖는다.
또한, 도 5b에 도시된 예시에서는 다중 출력이어서 출력 단자 별로 출력 스위치가 연결되었으나, 단일 출력일 경우 출력 스위치가 필요 없다. 반면, 도 5a에 도시된 벅-부스트 구조 회로(500a)는 단일 출력에 대해서도 출력 스위치가 요구된다. 단일 출력으로 구현될 시 전압 변환기 회로(500b)의 전력 경로는 벅-부스트 구조 회로(500a)의 전력 경로보다 적은 개수의 스위치를 포함하게 된다. 따라서, 단일 출력으로 구현될 시, 전압 변환기 회로(500b)는 벅-부스트 구조 회로 대비 적은 전송 손실을 가지게 된다.
도 6및 도 7은 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로가 전류 불연속 모드(DCM, discontinuous current mode)에서 스텝 다운 모드로 동작하는 것을 설명한다.
도 6에 도시된 전압 변환기 회로(600)는 DCM으로 구성되며, 도 2에 도시된 구조 대비 프리윌링(freewheeling) 스위치(SWfw)를 포함하는 프리윌링 경로(630)를 더 포함할 수 있다. 도 7은 도 6에 도시된 DCM으로 구성된 전압 변환기 회로(600)의 스텝 다운 모드에서의 타이밍도를 도시한다. 전압 변환기 회로(600)는 스텝 다운 모드의 사이클(600)마다 제1 시간 구간(710), 제2 시간 구간(720), 및 제3 시간 구간(730)의 동작들을 순차적으로 반복할 수 있다. 다만, 프리윌링 경로(630)를 도 6 및 도 8에 도시된 바로 한정하는 것은 아니다. 프리윌링 경로(630)는 일부 시간 구간에서 단일 인덕터(L)를 쇼트시킬 수 있도록 구성되는 다양한 전기 경로를 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 유사하게, 전압 변환기 회로(600)는 제1 스텝 다운 전력 경로(610)를 활성화하는 동안 단일 인덕터(L)에 입력 전압을 공급하여 출력 전압을 생성할 수 있다. 사이클(790)의 제1 시간 구간(710) 동안 노드 전압 Vx가 입력 전압 VIN까지 상승할 수 있다.
그리고 전압 변환기 회로(600)는 제2 스텝 다운 전력 경로(620)를 활성화하는 동안 단일 인덕터(L)에 접지 전압을 공급할 수 있다. 사이클(790)의 제2 시간 구간(720) 동안 노드 전압 Vx가 접지 전압 0V까지 하강할 수 있다. 이 때, 입력 전류 IIN는 제1 시간 구간(710) 동안 상승하고 나머지 시간 구간들에서는 차단된다. 출력 전류 IOUT는 제1 시간 구간(710) 및 제2 시간 구간(720) 동안 인덕터 전류와 같은 파형으로 생성된다.
이후, 전압 변환기 회로(600)는 사이클(790)의 제3 시간 구간(730) 동안 프리윌링 경로(630)를 활성화할 수 있다. 다시 말해, 전압 변환기 회로(600)는 프리윌링 스위치(SWfw)를 턴온함으로써, 단일 인덕터(L)의 양단을 쇼트시킬 수 있다. 이 때, 제1 입력 스위치(SWia)도 활성화될 수 있고, 노드 전압 Vx가 입력 전압 VIN과 동일하게 유지될 수 있다.
DCM 구성에서도 듀티 비 D=(제1 시간 구간(710)/(제1 시간 구간(710)+제2 시간 구간(720)))으로 결정될 수 있다. 스텝 다운 모드의 출력 전압 VOUT=D·VIN 으로 출력될 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 예시에서, 입력 전류 IIN의 평균 IIN_AVG는 43.57mA이고, 출력 전류 IOUT의 평균 IOUT_AVG=59.88mA이며, 전력 효율은 92%일 수 있다. 참고로 전력 효율은 입력 전력 PIN 대비 출력 전력 POUT의 비율 POUT/PIN으로 계산될 수 있다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로가 DCM에서 스텝 업 모드로 동작하는 것을 설명한다.
도 8은 전압 변환기 회로(600)의 스텝 업 모드 동작을 설명한다. 도 9는 전압 변환기 회로(600)의 스텝 업 모드에서의 타이밍도를 도시한다. 전압 변환기 회로(600)는 스텝 업 모드의 사이클(990)마다 제1 시간 구간(910), 제2 시간 구간(920), 및 제3 시간 구간(930)의 동작들을 순차적으로 반복할 수 있다.
앞서 설명한 바와 유사하게, 전압 변환기 회로(600)는 제1 스텝 업 전력 경로(810)를 활성화하는 동안 단일 인덕터(L)에 입력 전압 VIN및 충전 전압 Vcx이 합해진 전압을 공급하여 출력 전압 VOUT을 생성할 수 있다. 충전 전압 Vcx은 입력 전압 VIN과 동일하게 충전되므로, 사이클(990)의 제1 시간 구간(910) 동안 노드 전압 Vx이 2VIN까지 상승할 수 있다. 예시적으로 도 9에서 입력 전압 VIN=1.3V이고, 출력 전압 VOUT=1.7V이며, 제1 시간 구간(910)에서 노드 전압 Vx은 2.6V까지 상승한다.
그리고 전압 변환기 회로(600)는 제2 스텝 업 전력 경로(820)를 활성화하는 동안 단일 인덕터(L)에 입력 전압 VIN을 공급할 수 있다. 사이클(990)의 제2 시간 구간(920) 동안 노드 전압 Vx이 입력 전압 VIN까지 하강할 수 있다. 도 9에 도시된 예시에서 제2 시간 구간(920) 동안 노드 전압 Vx은 1.3까지 하강한다. 전압 변환기 회로(600)는 동시에 제2 시간 구간(920) 동안 커패시터(Cx)를 입력 전압 VIN으로 충전시킬 수 있다. 커패시터(Cx)가 임계 커패시턴스 이상의 커패시턴스를 가지는 경우, 제1 시간 구간(910) 동안 충전 전압 Vcx이 천천히 감소하고 제2 시간 구간(920) 동안 충전 전압 Vcx이 다시 입력 전압 VIN까지 복원된다. 따라서, 커패시터(Cx)의 전하 밸런스가 매 사이클(990)마다 유지될 수 있다. 커패시터(Cx)는 각 사이클(990)에서 제2 시간 구간(920)을 제외한 나머지 시간 구간 동안 접지 단자로부터 분리될 수 있다.
출력 전류 IOUT는 제1 시간 구간(910) 및 제2 시간 구간(920) 동안 인덕터 전류와 같은 파형으로 생성된다. 따라서, 단일 인덕터(L)는 제1 시간 구간(910) 및 제2 시간 구간(920) 동안 출력 단자(209)로 끊임없이 부하 전류를 공급할 수 있다.
이후, 전압 변환기 회로(600)는 사이클(990)의 제3 시간 구간(930) 동안 프리윌링 경로(830)를 활성화할 수 있다. 다시 말해, 전압 변환기 회로(600)는 프리윌링 스위치(SWfw)를 턴온함으로써, 단일 인덕터(L)의 양단을 쇼트시킬 수 있다. 앞서와 유사하게, 노드 전압 Vx가 입력 전압 VIN과 동일하게 유지될 수 있다.
DCM 구성에서도 듀티 비 D=(제1 시간 구간(910)/(제1 시간 구간(910)+제2 시간 구간(920)))으로 결정될 수 있다. 스텝 업 모드의 출력 전압 VOUT=(1+D)VIN 으로 출력될 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 예시에서, 입력 전류 IIN의 평균 IIN_AVG는 89.29mA이고, 출력 전류 IOUT의 평균 IOUT_AVG=59.23mA이며, 전력 효율은 91%일 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 다중 출력을 갖는 전압 변환기 회로를 도시한다.
도 10에 도시된 전압 변환기 회로(1000)는 도 2에 도시된 회로에 단일 인덕터(L)와 연결된 복수의 출력 단자들이 추가된 회로이다. 예를 들어, 제1 출력 단자 내지 제M 출력 단자(Vo,1, Vo,2 내지 Vo,M)를 포함할 수 있다. 복수의 출력 스위치들, 예를 들어, 제1 출력 스위치 내지 제M 출력 스위치(SWo1, SWo2, 내지 SWoM)의 각각은 단일 인덕터(L)를 해당하는 출력 단자에 선택적으로 연결할 수 있다. 여기서, M은 2이상의 정수일 수 있다.
전압 변환기 회로(1000)는 복수의 출력 단자들 중 한 출력 단자를 선택하여 선택된 출력 단자로 단일 인덕터(L)에 의해 생성된 출력 전압을 공급할 수 있다. 전압 변환기 회로(1000)는 스텝 다운 동작에 따른 전압 및 스텝 업 동작에 따른 전압 중 한 전압을 선택된 출력 단자로 공급할 수 있다.
또한, 전압 변환기 회로(1000)는, 다른 출력 단자로 변경하기 전까지, 선택된 출력 단자 및 단일 인덕터(L) 간의 연결을 유지할 수 있다. 다시 말해, 스텝 다운 동작 및 스텝 업 동작을 위한 출력 단자 및 단일 인덕터(L) 간의 스위칭이 불필요하다. 따라서, 전압 변환기 회로(1000)는 선택된 출력 단자에 대해 연속적인 부하 전류를 끊임 없이 제공할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 다중 입력 및 다중 출력을 갖는 전압 변환기 회로를 도시한다.
도 11에 도시된 전압 변환기 회로(1100)는 도 10에 도시된 회로에 복수의 입력 스위치들이 추가된 회로이다. 전압 변환기 회로(1100)는 복수의 제1 입력 스위치들(SWi1a, SWi2a, 내지 SWiNA) 및 복수의 제2 입력 스위치들(SWi1b, SWi2b 내지 SWiNb)을 포함할 수 있다. N개의 입력 전원들(Vi,1, Vi,2 내지 Vi,n)의 각각마다 대응하는 제1 입력 스위치 및 제2 입력 스위치가 커패시터(Cx)의 양단에 연결될 수 있다. 여기서, N은 2이상의 정수일 수 있다.
복수의 제1 입력 스위치들(SWi1a, SWi2a, 내지 SWiNA)은 복수의 입력 전원들(Vi,1, Vi,2 내지 Vi,n)의 각각 및 커패시터(Cx)의 제1 단을 선택적으로 연결할 수 있다. 복수의 제2 입력 스위치들(SWi1b, SWi2b 내지 SWiNb)은 복수의 입력 전원들(Vi,1, Vi,2 내지 Vi,n)의 각각 및 커패시터(Cx)의 제2 단을 선택적으로 연결할 수 있다. 전압 변환기 회로(1100)는 복수의 입력 전원들(Vi,1, Vi,2 내지 Vi,n) 중 한 입력 전원으로부터 수신한 전압을 스텝 업 또는 스텝 다운시켜 출력 전압을 생성하고, 복수의 출력 단자들(Vo,1, Vo,2 내지 Vo,M) 중 한 출력 단자로 생성된 출력 전압을 공급할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따라 확장된 변압 비율을 갖는 전압 변환기 회로의 스텝 업 모드 동작을 설명한다.
도 12에 도시된 전압 변환기 회로(1200)는 도 2에 도시된 회로에 추가 커패시터(Cx2)가 추가된 회로이다. 예를 들어, 전압 변환기 회로(1200)는 복수의 추가 스위치들을 통해 커패시터(Cx1)와 병렬 연결 및 직렬 연결 중 하나를 수립하는 하나 이상의 추가 커패시터(Cx2)를 더 포함할 수 있다. 스텝 다운 모드의 동작은 도 3과 동일하므로 생략한다.
전압 변환기 회로(1200)는 제2 스텝 업 전력 경로(1220)를 활성화하는 동안, 커패시터(Cx1) 및 추가 커패시터(Cx2)를 충전할 수 있다. 예를 들어, 전압 변환기 회로(1200)는 스텝 업 모드의 제2 시간 구간 동안 병렬로 연결되는 커패시터(Cx1) 및 하나 이상의 추가 커패시터(Cx2)를 입력 전원을 이용하여 충전할 수 있다.
전압 변환기 회로(1200)는 제1 스텝 업 전력 경로(1210)를 활성화하는 동안, 커패시터(Cx1) 및 추가 커패시터(Cx2)를 이용하여 출력 전압을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전압 변환기 회로(1200)는 스텝 업 모드의 제1 시간 구간 동안 직렬로 연결되는 커패시터(Cx1) 및 하나 이상의 추가 커패시터(Cx2)에 충전된 충전 전압들을 입력 전압에 부가하여 단일 인덕터(L)로 전달할 수 있다. 도 12에 도시된 예시에서, 커패시터(Cx1) 및 추가 커패시터(Cx2)는 각각 입력 전압 Vin으로 충전되었으므로, 노드 전압 Vx은 3Vin까지 상승한다. 입력 단자(201), 커패시터(Cx1), 및 추가 커패시터(Cx2)가 모두 직렬로 연결되기 때문이다. 따라서, 전압 변환기 회로(1200)는 스텝 업 모드에서 듀티 비 D에 따라 입력 전압의 1배 이상 3배 이하의 전압을 출력할 수 있다.
또한, 설명의 편의를 위해 도 12에서는 추가 커패시터(Cx2)가 1개만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 출력하고자 하는 전압에 따라 스택(stack)되는 커패시터의 개수가 결정될 수 있다. 예시적으로, 전압 변환기 회로(1200)는 커패시터(Cx1) 및 K개의 추가 커패시터들을 포함하고, 제1 시간 구간에서는 모든 커패시터를 직렬로 연결하고, 제2 시간 구간에서는 모든 커패시터를 병렬로 연결하게 구성되는 스위치들을 포함할 수 있다. 전압 변환기 회로(1200)는 스텝 업 모드에서 입력 전압의 1배 이상 (2+K)배 이하의 전압을 출력할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 전압 변환기 장치의 예시적인 구성을 설명한다.
도 13에 도시된 전압 변환기 장치(1300)는 도 2에 도시된 전압 변환기 회로 및 해당 회로의 스위치들을 제어하는 스위칭 제어부(1350)를 포함한다.
스위칭 제어부(1350)는 전압 변환기 회로의 스위치들의 스위칭 타이밍을 제어할 수 있다. 스위칭 제어부(1350)는 스텝 다운 모드 및 스텝 업 모드 별로 사이클의 시간 구간에 따라 각 스위치의 턴온 및 턴오프를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 제어부(1350)는 제1 스텝 다운 전력 경로, 제2 스텝 다운 전력 경로, 제1 스텝 업 전력 경로, 및 제2 스텝 업 전력 경로 별로 도 2 내지 도 12에서 상술한 바와 같이 제1 입력 스위치(SWia), 제2 입력 스위치(SWib), 커패시터 스위치(SWcg), 및 접지 스위치(SWgnd)의 스위칭을 제어할 수 있다. 스위칭 제어부(1350)는 출력 전압 및 설정된 목표 전압(target voltage)에 기초하여 스위치들을 스위칭하는 듀티 비(duty ratio)를 조절할 수 있다. 스위칭 제어부(1350)는 네거티브 피드백 회로(negative feedback)로서, 예를 들어, 스위칭 제어부(1350)는 출력 전압 및 목표 전압 간의 차이에 기초하여 결정되는 듀티 비에 따라 제1 시간 구간 및 제2 시간 구간에서 각 스위치의 스위칭을 제어할 수 있다.
도 14 및 도 15는 일 실시예에 따른 전압 변환 방법을 도시한 흐름도이다.
도 14는 스텝 다운 모드의 전압 변환 방법을 도시한 흐름도이다.
우선, 단계(1410)에서 전압 변환기 회로는 스텝 다운 모드의 제1 시간 구간 동안 제1 입력 스위치를 턴온하고 접지 스위치를 턴오프할 수 있다.
그리고 단계(1420)에서 전압 변환기 회로는 제1 시간 구간 동안 제1 입력 스위치를 통해 입력 전원의 입력 전압을 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성할 수 있다.
이어서 단계(1430)에서 전압 변환기 회로는 스텝 다운 모드의 제2 시간 구간 동안 제1 입력 스위치를 턴오프하고 접지 스위치를 턴온할 수 있다.
그리고 단계(1440)에서 전압 변환기 회로는 제2 시간 구간 동안 접지 전압을 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성할 수 있다.
전압 변환기 회로는 상술한 단계들(1410 내지 1440)을 매 사이클마다 반복함으로써, 스텝 다운 전압을 출력할 수 있다. 스텝 다운 모드의 전압 변환기 회로 동작의 상세는 도 3에서 상술하였으므로 생략한다.
도 15는 스텝 업 모드의 전압 변환 방법을 도시한 흐름도이다.
우선, 단계(1510)에서 전압 변환기 회로는 스텝 업 모드의 제1 시간 구간 동안 입력 전원 및 인덕터 간의 제1 입력 스위치를 턴오프하고 입력 전원 및 커패시터 간의 제2 입력 스위치를 턴온할 수 있다.
그리고 단계(1520)에서 전압 변환기 회로는 제1 시간 구간 동안 제2 입력 스위치를 통해 입력 전원의 입력 전압 및 커패시터에 충전된 충전 전압을 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성할 수 있다.
이어서 단계(1530)에서 전압 변환기 회로는 스텝 업 모드의 제2 시간 구간 동안 제1 입력 스위치를 턴온하고 제2 입력 스위치를 턴오프할 수 있다.
그리고 단계(1540)에서 전압 변환기 회로는 제2 시간 구간 동안 커패시터를 충전하고 입력 전압을 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성할 수 있다.
전압 변환기 회로는 상술한 단계들(1510 내지 1540)을 매 사이클마다 반복함으로써, 스텝 업 전압을 출력할 수 있다. 스텝 업 모드의 전압 변환기 회로 동작의 상세는 도 4에서 상술하였으므로 생략한다.
일 실시예에 따른 전압 변환기 회로 및 전압 변환기 장치는 전력 충전 또는 DC 전압 레귤레이팅이 필요하며, 적은 부피 조건으로 인해 다수의 외장 수동 소자를 사용할 수 없는 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 전압 변환기(voltage converter) 회로에 있어서,
    제1 입력 스위치를 통해 입력 전원과 선택적으로 연결되는 제1 단(first end) 및 제2 입력 스위치를 통해 상기 입력 전원과 선택적으로 연결되는 제2 단(second end)을 가지는 커패시터; 및
    노드에서 상기 제1 입력 스위치를 통해 상기 입력 전원과 선택적으로 연결되고, 상기 노드에서 상기 커패시터의 상기 제1 단과 연결되며, 상기 노드의 전압에 응답하여 출력 전압을 생성하는 단일 인덕터
    를 포함하는 전압 변환기 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 및 상기 인덕터는 항상 연결되는,
    전압 변환기 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 및 상기 인덕터는 스위치 없이 직접적으로(directly) 연결되는,
    전압 변환기 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단일 인덕터는,
    상기 전압 변환기 회로가 스텝 업 모드(step up mode)로 동작하는 동안, 상기 커패시터를 포함하는 제1 스텝 업 전력 경로에 따른 전압 및 상기 제1 입력 스위치를 포함하는 제2 스텝 업 전력 경로에 따른 전압을 교대로 수신함으로써 상기 출력 전압을 생성하는,
    전압 변환기 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단일 인덕터는,
    스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 열리고 상기 제2 입력 스위치가 닫힌 동안, 상기 커패시터로부터 상기 입력 전원의 입력 전압보다 높은 전압을 상기 노드에서 수신하는,
    전압 변환기 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터는,
    스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 열리고 상기 제2 입력 스위치가 닫힌 동안, 상기 입력 전원의 입력 전압에 상기 커패시터에 충전된 충전 전압이 부가된(add) 전압을 상기 단일 인덕터로 전달하는,
    전압 변환기 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단일 인덕터는,
    스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 닫히고 상기 제2 입력 스위치가 열린 동안, 상기 제1 입력 스위치를 경유하여 상기 입력 전원의 입력 전압을 상기 노드에서 수신하는,
    전압 변환기 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터의 상기 제2 단을 접지와 선택적으로 연결하는 커패시터 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 커패시터 스위치는,
    스텝 업 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 닫히고 상기 제2 입력 스위치가 열린 동안, 상기 커패시터의 상기 제2 단을 상기 접지에 연결함으로써 상기 입력 전원으로 상기 커패시터를 충전시키는,
    전압 변환기 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환기 회로는,
    스텝 업 모드 동안 입력 전압의 1배 이상 2배 이하의 전압 범위 내 전압 값을 갖는 출력 전압을 생성하는,
    전압 변환기 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    스텝 다운 모드(step down mode)를 위해 상기 노드에서 상기 인덕터를 선택적으로 접지와 연결하는 접지 스위치
    를 더 포함하고,
    스텝 업 모드 동안 상기 접지 스위치의 개방 상태(open state)를 유지하며, 상기 스텝 다운 모드 동안 상기 제2 입력 스위치 및 커패시터 스위치의 개방 상태를 유지하는,
    전압 변환기 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단일 인덕터는,
    상기 전압 변환기 회로가 상기 스텝 다운 모드로 동작하는 동안, 상기 제1 입력 스위치를 포함하는 제1 스텝 다운 전력 경로에 따른 전압 및 상기 접지 스위치를 포함하는 제2 스텝 다운 전력 경로에 따른 전압을 교대로 수신함으로써 상기 출력 전압을 생성하는,
    전압 변환기 회로.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 단일 인덕터는,
    상기 스텝 다운 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 닫히고 상기 접지 스위치가 열린 동안, 상기 입력 전원의 입력 전압을 상기 노드에서 수신하는,
    전압 변환기 회로.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 단일 인덕터는,
    상기 스텝 다운 모드에서 상기 제1 입력 스위치가 열리고 상기 접지 스위치가 닫힌 동안, 접지 전압을 상기 노드에서 수신하는,
    전압 변환기 회로.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단일 인덕터는,
    스텝 업 모드에서 상기 단일 인덕터에 흐르는 인덕터 전류를 램프 업(ramp up)시키는 제1 시간 구간 및 상기 인덕터 전류를 램프 다운(ramp down)시키는 제2 시간 구간에서 상기 인덕터 전류와 동일한 파형의 부하 전류를 출력하는,
    전압 변환기 회로.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단일 인덕터와 연결된 복수의 출력 단자들
    을 더 포함하고,
    상기 복수의 출력 단자들 중 한 출력 단자를 선택하여 상기 선택된 출력 단자로 상기 단일 인덕터에 의해 생성된 상기 출력 전압을 공급하는,
    전압 변환기 회로.
  16. 제1항에 있어서,
    복수의 입력 전원들의 각각 및 상기 커패시터의 상기 제1 단을 선택적으로 연결하는 복수의 제1 입력 스위치들; 및
    상기 복수의 입력 전원들의 각각 및 상기 커패시터의 상기 제2 단을 선택적으로 연결하는 복수의 제2 입력 스위치들
    을 포함하는 전압 변환기 회로.
  17. 제1항에 있어서,
    복수의 추가 스위치들을 통해 상기 커패시터와 병렬 연결 및 직렬 연결 중 하나를 수립하는 하나 이상의 추가 커패시터
    를 더 포함하고,
    스텝 업 모드의 제2 시간 구간 동안 병렬로 연결되는 상기 커패시터 및 상기 하나 이상의 추가 커패시터를 상기 입력 전원을 이용하여 충전하며,
    제1 시간 구간 동안 직렬로 연결되는 상기 커패시터 및 상기 하나 이상의 추가 커패시터에 충전된 충전 전압들을 상기 입력 전원의 입력 전압에 부가하여 상기 단일 인덕터로 전달하는,
    전압 변환기 회로.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전압 및 설정된 목표 전압(target voltage)에 기초하여 스위치들을 스위칭하는 듀티 비(duty ratio)를 조절하는 스위칭 제어부
    를 더 포함하는 전압 변환기 회로.
  19. 제1항에 있어서,
    복수의 제1 입력 스위치들의 각각은 외부 전원 단자 및 배터리 전원 단자를 선택적으로 상기 커패시터의 상기 제1 단에 연결하고,
    복수의 제2 입력 스위치들의 각각은 상기 외부 전원 단자 및 상기 배터리 전원 단자를 선택적으로 상기 커패시터의 상기 제2 단에 연결하며,
    상기 단일 인덕터는,
    상기 배터리 전원 단자, 제1 출력 단자, 및 제2 출력 단자 중 하나와 선택적으로 연결되는,
    전압 변환기 회로.
  20. 전압 변환 방법에 있어서,
    스텝 업 모드의 제1 시간 구간 동안 입력 전원 및 인덕터 간의 제1 입력 스위치를 턴오프하고 상기 입력 전원 및 커패시터 간의 제2 입력 스위치를 턴온하는 단계;
    상기 제1 시간 구간 동안 상기 제2 입력 스위치를 통해 상기 입력 전원의 입력 전압 및 상기 커패시터에 충전된 충전 전압을 상기 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성하는 단계;
    상기 스텝 업 모드의 제2 시간 구간 동안 상기 제1 입력 스위치를 턴온하고 상기 제2 입력 스위치를 턴오프하는 단계; 및
    상기 제2 시간 구간 동안 상기 커패시터를 충전하고 상기 입력 전압을 상기 인덕터로 전달하여 출력 전압을 생성하는 단계;
    를 포함하는 전압 변환 방법.
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