KR20220145192A - 연속적인 승압비를 가진 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작방법 - Google Patents

연속적인 승압비를 가진 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중 출력 변환기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 연속적인 승압비를 가진 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기는 복수개의 단위 파워부를 포함하고, 상기 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급하는 파워부, 상기 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 전송부, 및 아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하거나 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 이중 출력단 제어부를 포함한다.

Description

연속적인 승압비를 가진 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기 및 그 동작방법{DUAL OUTPUT SWITCHED CAPACITOR DC-DC CONVERTER WITH CONTINUOUS BOOST RATIO AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 이중 출력 변환기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 연속적인 승압비를 가진 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기에 관한 것이다.
현재 전력 관리제품들은 전체 시스템을 구성하는 각종 모듈들에게 필요한 전력을 공급하기 위해 여러 개의 직류-직류 변환기와 많은 LDO(Low Drop Out)가 하나의 칩에 집적된다. 이 때 하나의 직류-직류 변환기마다 각각의 외부 소자들을 사용하며, LDO는 낮은 효율로 부하에 전압 전류를 공급하게 된다. 그러나 많은 외부 소자는 비용의 증가뿐만 아니라 넓은 면적을 요구하여 곧 전체 시스템에 대한 비용 부담으로 연결된다.
또한, 기존의 이산의 승압비를 가지는 스위치드 커패시터 직류-직류 변압기의 경우 비효율적인 단계가 존재하고, 스위치와 커패시터의 배치의 변화를 위해 추가적인 스위치가 필요하여, 스위치를 구동하기 위한 추가적인 전력 소비가 필요하다. 이에 더해, 이중 출력을 제어하기 위해 각 출력단의 출력을 다른 출력단으로 전달하는 전력 전달 채널 네트워크의 토플로지가 요구된다.
그러나, 종래의 다중 출력기 기술의 경우 비연속적인 승압비의 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기로 고효율을 보장할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 연속적인 승압비를 가지는 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기는 복수개의 단위 파워부를 포함하고, 상기 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급하는 파워부, 상기 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 전송부, 및 아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하거나 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 이중 출력단 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송부는 제1 및 제2 모드를 포함하며, 상기 제1 모드는 상기 파워부의 제2 출력을 상기 제1 출력단으로 보내는 모드이고, 상기 제2 모드는 상기 파워부의 제1 출력을 상기 제2 출력단으로 보내는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송부는, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 전력을 전달하는 전달부, 및 상기 전력을 전달할 때 발생하는 전압 상승 현상을 낮추기 위한 리프레시부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송부는 상기 파워부의 전력을 상기 이중 출력단 제어부로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이중 출력단 제어부는 상기 아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하는 제1 출력단 제어부, 및 상기 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 제2 출력단 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 출력단 제어부는 시스템 주파수를 조절하여 상기 제1 출력단의 전압이 제1 레퍼런스 전압이 되도록 상기 제1 출력단의 전력을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 출력단 제어부는 상기 제2 출력단의 전압과 제2 레퍼런스 전압을 비교기를 통해 비교하여, 상기 단위 파워부의 할당 및 상기 전송부의 모드를 조절하여 상기 제2 출력단의 전력을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 디지털 방식은 양방향 쉬프트 레지스터를 통하여 상기 단위 파워부의 할당을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기의 동작 방법은 복수개의 단위 파워부를 포함하고, 상기 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급하는 단계, 상기 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 단계, 및 아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하거나 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 단계는 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 전력을 전달하는 단계, 및 상기 전력을 전달할 때 발생하는 전압 상승 현상을 낮추는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이중 출력 변환기는 다중의 변압기를 하나의 변압기를 통해서 공급함에 따라 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다.
본 발명의 연속적인 승압비를 가지는 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기는 연속적으로 변하는 입력과 출력의 변화에도 유연하게 반응하여 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기를 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 파워부의 동작을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송부의 스위치 연결구조를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 전송부의 동작을 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 전송부의 동작을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 제어부의 양방향 쉬프트 레지스터 동작을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기의 동작방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시(present disclosure)를 설명한다. 본 개시는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 개시 가운데 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 개시에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시에서 "또는" 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, "A 또는 B"는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
본 개시 가운데 "제 1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들이 본 개시의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분 짓기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는 모두 사용자 기기이며, 서로 다른 사용자 기기를 나타낸다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시가 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 개시에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기를 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기(10)는 연속적인 승압비를 가지는 이중 출력 스위치드 커패시터 직류-직류 변환기로, 파워부(100), 전송부(200), 및 이중 출력단 제어부(300)를 포함한다.
파워부(100)는 복수개의 단위 파워부를 포함하고, 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급할 수 있다. 구체적으로 파워부(100)는 복수 개의 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 전달부(210)에 전력을 공급할 수 있다.
파워부(100)에 대한 구체적인 내용은 도 3 및 도 4에서 후술될 것이다.
전송부(200)는 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 포함하고, 제1 및 제2 스위치를 제어하여 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송한다.
전송부(200)는 파워부(100)의 전력을 제1 및 제2 출력단에 필요한만큼 전달할 수 있다. 전송부(200)는 대기모드, 제1 및 제2 모드를 포함할 수 있다. 이때, 대기모드는 파워부(100)의 제1 출력이 제1 출력단으로 전송되고, 파워부(100)의 제2 출력이 제2 출력단으로 전송되는 모드일 수 있다. 제1 모드는 스위치의 연결을 통해 파워부(100)의 제2 출력을 이중 출력 변환기(10)의 제1 출력단으로 보내는 모드이고, 제2 모드는 스위치의 연결을 통해 파워부(100)의 제1 출력을 이중 출력 변환기(10)의 제2 출력단으로 보내는 모드일 수 있다.
예를 들어, 제1 모드는 제1 출력단에 전력량이 많아야 할 때 동작되는 모드일 수 있고, 제2 모드는 제2 출력단에 전력량이 많아야 할 때 동작되는 모드일 수 있다. 이와 관련된 구체적인 내용은 도 5a 내지 도 5c에서 후술될 것이다.
또한, 전송부(200)는 제1 및 제2 스위치를 제어하여 전력을 전달하는 전달부(210) 및 전력을 전달할 때 발생하는 전압 상승 현상을 낮추기 위한 리프레시부(230)를 포함할 수 있다. 이와 관련된 구체적인 내용은 도 6a 및 도 6b, 도 7a 및 도 7b에서 후술될 것이다.
이중 출력단 제어부(300)는 제1 출력단 및 제2 출력단의 전력량을 제어한다. 구체적으로, 아날로그 방식으로 제1 출력단의 전력량을 제어하는 제1 출력단 제어부(310) 및 디지털 방식으로 제2 출력단의 전력량을 제어하는 제2 출력단 제어부(330)를 포함한다.
이에 더해, 이중 출력단 제어부(300)는 신호 제어부(350)를 더 포함할 수 있다. 이때, 신호 제어부(350)는 P 신호, 전달부(210)가 리프레시 동작을 수행하기 위한 신호, 및 모드 신호를 입력으로 받아, 파워부(100)와 전달부(210)의 스위치를 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다.
제1 출력단 제어부(310)는 에러 앰플리파이어(311), 전압 오실레이터(313), 비중첩위상발생기(315), 및 클럭 신호 생성기(317)를 포함할 수 있다.
제1 출력단 제어부(310)는 전압 조절 오실레이터(313)를 통해 시스템 주파수를 조절하여 제1 출력단의 전압이 제1 레퍼런스 전압이 되도록 제1 출력단의 전력을 조절할 수 있다.
구체적으로, 제1 출력단 제어부(310)는 전압 조절 오실레이터(313)의 공급 전압에 따라서 공급 주파수가 달라질 수 있다. 공급 전압은 에러 앰플리파이어(311)를 통해서 VOUT1이 제1 레퍼런스 전압보다 작아졌을 때, 에러 앰플리파이어(311)의 출력 전압이 감소할 수 있다
이때, 파워부(100)에서 공급하는 전류가 증가하여, 로컬 공급 전압이 증가할 수 있다. 따라서, 공급 주파수가 증가하게 되고 신호 제어부(350)에서 생성된 스위치 시그널의 동작 주파수가 증가하여 VOUT1과 VOUT2에 공급하는 전력이 증가하여 VOUT1이 증가될 수 있다.
반면, VOUT1이 제1 레퍼런스 전압보다 커졌을 경우에는 에러 앰플리파이어(311)의 출력 전압이 증가하고, 파워부(100)의 공급 전류가 감소하여 로컬 공급 전압이 감소함에 따라, 동작 주파수가 작아져 VOUT1과 VOUT2에 공급하는 전력이 감소하여 VOUT1이 감소될 수 있다.
제1 출력단 제어부(310)는 비중첩위상발생기(315)(No-Overlapping Phase generator)를 통해 66개의 P신호가 서로 겹치지 않도록 펄스를 생성할 수 있다. 또한, 클럭 신호 생성기(317)는 전달부(210)가 리프레시 동작을 수행하기 위한 신호와 비교기(331)가 주기적인 동작을 하기위한 신호를 생성할 수 있다.
제2 출력단 제어부(330)는 비교기(331)와 양방향 쉬프트 레지스터(333)를 포함할 수 있다.
제2 출력단 제어부(330)는 비교기(331)를 통해 제2 출력단의 전압과 제2 레퍼런스 전압을 비교하여, 단위 파워부의 할당 및 전송부(200)의 모드를 조절하여 제2 출력단의 전력을 조절할 수 있다. 이때, 단위 파워부의 할당은 디지털 방식인 양방향 쉬프트 레지스터(333)를 이용하여 결정될 수 있다. 이와 관련된 구체적인 내용은 도 2에서 후술될 것이다.
제2 출력단 제어부(330)는 VOUT2와 제2 레퍼런스 전압을 비교기(331)를 통해 비교할 수 있다. 예를 들어, 제2 레퍼런스 전압보다 VOUT2가 작게 되면 비교기(331) 출력은 Low가 나오고, VOUT2가 크게 되면 비교기(331) 출력은 High가 나올 수 있다.
이를 통해서, 제2 출력단 제어부(330)는 Q<1:33>이라는 33비트의 출력과 모드를 양방향 쉬프트 레지스터(333)에서 출력할 수 있다. 이때, 신호 제어부(350)는 33비트의 출력과 모드 신호는 33개의 단위 파워부의 G_OUT1,2<1:2> 신호를 제어할 수 있다.
또한, 제2 출력단 제어부(330)는 모드에 따라서 전달부(210)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, VOUT2가 제2 레퍼런스 전압보다 작다면 VOUT2를 증가시키기 위하여 제2 모드로 동작하도록 할 수 있다.
즉, 신호 제어부(350)는 제2 출력단 제어부(330)의 결과에 기초하여, VOUT1으로 전달하는 전류를 VOUT2로 보내게 되고, Q 신호가 1에서 0으로 바뀌어 Q<k>가 0으로 변하게 되면 k번째 단위 파워부에서 G_OUT1<1> 스위치를 끄고 G_OUT<2>를 동작시켜, VOUT1으로 갈 전류를 전달부(210)를 거쳐 VOUT2로 보낼 수 있다. 이때, 신호 제어부(350)는 Q 신호가 첫번째 단위 파워부부터 시작하여 선형 검색을 통해 목표하는 단위 파워부가 될 때까지 제어할 수 있다.
반대로, 제2 출력단 제어부(330)는 VOUT2가 제2 레퍼런스 전압보다 크다면 VOUT2를 감소시키기 위하여 제1 모드로 동작하도록 할 수 있다. 즉, VOUT2으로 전달하는 전류를 VOUT1로 보내게 되고, Q 신호가 0에서 1로 바뀌어 Q<k>가 1으로 변하게 되면 k번째 단위 파워부에서 G_OUT2<1> 스위치를 끄고 G_OUT2<2>를 동작시켜, VOUT2으로 갈 전류를 전달부(210)를 거쳐 VOUT1로 보낼 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 이중 출력 변환기(10)는 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급하고, 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하며, 아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하거나 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 할 수 있다.
상술한 구조를 가지는 본 발명의 이중 출력 변환기(10)는 다중의 변압기를 하나의 변압기를 통해서 공급함에 따라 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다. 또한, 연속적으로 변하는 입력과 출력의 변화에도 유연하게 반응하여 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
도 3, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 파워부의 동작을 도시한 도면이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 파워부는 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 전류 및 전력을 전송할 수 있다.
파워부는 33개의 단위 파워부를 포함할 수 있으며, 한 개의 파워부가 페이즈 별로 동작할 수 있다. 이때, 파워부는 캐패시터에 입력단 전하의 저장과 저장된 전하를 출력 부하의 공급이 동시에 일어나기 때문에 연속적인 승압비를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기한 구조를 가진 파워부를 포함하는 이중 출력 변환기는 입력과 출력의 변화에 유연하게 반응하여 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
구체적으로, 도 3에 개시된 바와 같이 단위 파워부의 MOSFET를 스위치로 치환하여 설명하면, 첫번째 페이즈(1)에서는 VSS에 연결되어 있는 스위치가 닫히고 VOUT에 연결되어 있는 스위치가 닫혀있게 된다.
그 후, 순차적으로 B10에 연결되어 있는 스위치에서부터 B1에 연결되어 있는 스위치가 온/오프되면, 두번째 페이즈(M)가 동작을 하게 되고, VOUT2에 연결되어 있는 스위치가 닫히고 T1에서부터 T6까지의 스위치가 온/오프하게되면, 세번째 페이즈(N) 동작을 하게된다.
이때, M은 10개, N은 6개로 총 34개의 페이즈가 존재할 수 있다. 따라서, 상기의 방법으로 34개의 페이즈 동작을 한 단위 파워부가 동작할 수 있게 된다.
파란색은 VOUT1으로 전달되는 전류 및 전력의 이동을 표현한 것이다. 구체적으로 도 4a를 참조하면, 도 3에서 j를 7로 가정했을 때의 전류 및 전력이 VOUT1으로 전달되는 과정은 다음과 같다. 단위 파워부의 스위치가 VIN과 B7이 연결되어 있으며, B7과 VOUT1이 연결되어 있다. 즉, VIN의 입력전압에서부터 전류 및 전력을 B7을 거쳐 VOUT1으로 전달하게 된다.
반면, 빨간색은 VOUT2으로 전달되는 전류 및 전력의 이동을 표현한 것이다. 구체적으로 도 4b를 참조하면, 도 3에서 i를 2로 가정했을 때의 전류 및 전력이 VOUT2로 전달되는 과정은 다음과 같다. 단위 파워부의 스위치가 VSS와 T2가 연결되어 있으며, T2가 VOUT2로 연결되어 있다. 즉, VSS의 입력전압에서부터 전류 및 전력을 T2를 거쳐 VOUT2로 전달하게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송부의 스위치 연결구조를 도시한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 대기 상태에서의 전송부의 동작은 다음과 같다. 대기 상태에서의 전송부는 스위치와 관련없이, 파워부의 제1 출력 전압을 이중 출력 변환기의 제1 출력단으로 전달하고, 파워부의 제2 출력전압을 이중 출력 변환기의 제2 출력단으로 전달한다.
도 5b를 참조하면, 제1 모드에서의 전송부의 동작은 다음과 같다. 제1 모드에서의 전송부는 제1 출력단에 전달되는 전력량이 많아야하는 모드로, 파워부의 제2 출력을 이중 출력 변환기의 제1 출력단으로 보내는 모드이다. 즉, 스위치 제어를 통해 이중 출력 변환기의 제2 출력단으로 전달될 전력을 제1 출력단으로 전달하도록 하는 모드이다.
전송부는 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 포함하며, 제1 모드에서 제1 스위치는 이중 출력 변환기의 제1 출력단에 연결되고 제2 스위치는 파워부의 제2 출력에 대응되는 바텀 플레이트 전압(VBP)에 연결될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제2 모드에서의 전송부의 동작은 다음과 같다. 제2 모드에서의 전송부는 제2 출력단에 전달되는 전력량이 많아야하는 모드로, 파워부의 제1 출력을 이중 출력 변환기의 제2 출력단으로 보내는 모드이다. 즉, 스위치 제어를 통해 이중 출력 변환기의 제2 출력단으로 전달될 전력을 제2 출력단으로 전달하도록 하는 모드이다.
이때, 제2 모드에서 제1 스위치는 파워부의 제1 출력단에 대응되는 상단 플레이트 전압(VTP) 연결되고, 제2 스위치는 이중 출력 변환기의 제2 출력단으로 연결될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 전송부의 동작을 도시한 도면이다.
구체적으로 도 6a는 제1 모드에서의 전달부의 동작을 도시한 것이고 도 6b는 제1 모드에서의 리프레시부의 동작을 도시한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 제1 모드에서의 전달부는 바텀 플레이트 전압에 충전되며 제1 출력단으로 전류를 전달하여 전력을 전달할 수 있다. 이때, 입력단의 전압(바텀 플레이트 전압과 상단 플레이트 전압의 차)은 (VOUT1-VOUT2)-ΔV일 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제1 모드에서의 리프레시부는 바텀 플레이트 전압에 전하가 충전됨에 따라 전압이 상승하게 되어, 상승된 전압을 낮추거나 쌓인 전하를 방출할 수 있다.
즉, 리프레시부는 오른쪽 캐패시터에 VOUT1만큼 충전되어 있고, 왼쪽 캐패시터는 병렬 연결되어 절반의 전압인 {(VOUT1-VOUT2)-ΔV}/2만큼 충전되어 상단 플레이트에서 전위차로 인하여 충전된 전하가 VOUT1으로 방출되어 상승된 전압을 낮출수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 전송부의 동작을 도시한 도면이다.
도 7a를 참조하면, 제2 모드에서의 전달부는 상단 플레이트 전압에 충전되며 제2 출력단으로 전류를 전달하여 전력을 전달할 수 있다. 이때, 입력단의 전압(바텀 플레이트 전압과 상단 플레이트 전압의 차)은 (VOUT1-VOUT2)+ΔV일 수 있다.
도 7b를 참조하면, 제2 모드에서의 리프레시부는 상단 플레이트 전압에 전하가 충전됨에 따라 전압이 상승하게 되어, 상승된 전압을 낮추거나 쌓인 전하를 방출할 수 있다.
즉, 리프레시부는 오른쪽 캐패시터에 VOUT1-VOUT2만큼 충전되어 있고, 왼쪽 캐패시터는 병렬 연결되어 절반의 전압인 {(VOUT1-VOUT2)-ΔV}/2만큼 충전되어 바텀 플레이트에서 전위차로 인하여 충전된 전하가 VOUT2로 방출되어 상승된 전압을 낮출수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 제어부의 양방향 쉬프트 레지스터 동작을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 양방향 쉬프트 레지스터는 제2 모드이고 비교기의 결과가 H(high)일 경우, 제2 출력단의 전달 출력을 낮추기 위하여 좌 쉬프트하여 단위 파워부의 할당량을 높이게 된다. 제2 모드이고 비교기의 결과가 L일 경우, 전달 출력을 높이기 위하여 우 쉬프트하여 단위 파워부의 할량을 낮추게 된다.
반면, 제1 모드이고, 비교기의 결과가 H일 경우에는 제2 출력단의 전달 전력을 높이기 위하여 우 쉬프트하고, 비교기의 결과가 L일 경우에는 좌 쉬프트를 한다.
대기모드에서 비교기의 결과가 H인 경우에는 제1 모드, 비교기의 결과가 L인 경우에는 제2 모드로 전달부의 방향성을 결정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 변환기의 동작방법을 도시한 순서도이다.
도 9를 참조하면, S11 단계는 복수 개의 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급한다. 예를 들어, 33개의 단위 파워부 중 한 개의 파워부가 페이즈 별로 동작할 수 있다. 이때, 캐패시터에 입력단 전하의 저장과 저장된 전하를 출력 부하의 공급이 동시에 일어나기 때문에 연속적인 승압비를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기한 구조를 가진 이중 출력 변환기는 입력과 출력의 변화에 유연하게 반응하여 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
S13 단계는 제1 및 제2 출력단에 대응하는 스위치를 제어하여 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송한다. 예를 들어, 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 단계는, 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 전력을 전달하는 단계 및 전력을 전달할 때 발생하는 전압 상승 현상을 낮추는 단계를 포함할 수 있다.
전력은 스위치의 연결을 통해 제2 출력을 이중 출력 변환기의 제1 출력단으로 전송하거나, 스위치의 연결을 통해 제1 출력을 이중 출력 변환기의 제2 출력단으로 전송할 수 있다.
S15 단계는 제1 출력단의 전력량을 제어해야하는지에 대해 판단하는 단계이다. 예를 들어, S13 단계에서 제1 스위치가 이중 출력 변환기의 제1 출력단에 연결되고 제2 스위치가 파워부의 제2 출력에 대응되는 바텀 플레이트 전압(VBP)에 연결되었다면, 제1 출력단의 전력량을 제어해야하는 것으로 판단하여 S17 단계로 넘어갈 수 있다.
반면, S13 단계에서 제1 스위치가 파워부의 제1 출력단에 대응되는 상단 플레이트 전압(VTP) 연결되고, 제2 스위치가 이중 출력 변환기의 제2 출력단으로 연결되었다면, 제2 출력단의 전력량을 제어해야하는 것으로 판단하여 S19 단계로 넘어갈 수 있다.
S17 단계는 아날로그 방식으로 제1 출력단의 전력량을 제어한다. 예를 들어, 제1 출력단 제어부는 전압 조절 오실레이터를 통해 시스템 주파수를 조절하여 전력량을 제어할 수 있다.
S19 단계는 디지털 방식으로 제2 출력단의 전력량을 제어한다. 예를 들어, 제2 출력단 제어부는 비교기를 통해 제2 출력단의 전압과 제2 레퍼런스 전압을 비교하여, 단위 파워부의 할당 및 전송부의 모드를 조절하여 제2 출력단의 전력을 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 이중 출력 변환기는 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급하고, 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하며, 아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하거나 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 할 수 있다.
상술한 방법를 가지는 본 발명의 이중 출력 변환기는 다중의 변압기를 하나의 변압기를 통해서 공급함에 따라 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다. 또한, 연속적으로 변하는 입력과 출력의 변화에도 유연하게 반응하여 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
10 : 이중 출력 변환기
100 : 파워부
200 : 전송부
210 : 전달부
230 : 리프레시부
300 : 이중 출력단 제어부
310 : 제1 출력단 제어부
311 : 에러 앰플리파이어
313 : 전압 조절 오실레이터
315 : 비중첩위상발생기
317 : 클럭 신호 생성기
330 : 제2 출력단 제어부
331 : 비교기
333 : 양방향 쉬프트 레지스터
350 : 신호 제어부

Claims (10)

  1. 복수개의 단위 파워부를 포함하고, 상기 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급하는 파워부;
    상기 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 전송부; 및
    아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하거나 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 이중 출력단 제어부를 포함하는, 이중 출력 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전송부는 제1 및 제2 모드를 포함하며,
    상기 제1 모드는 상기 파워부의 제2 출력을 상기 제1 출력단으로 보내는 모드이고,
    상기 제2 모드는 상기 파워부의 제1 출력을 상기 제2 출력단으로 보내는 모드인, 이중 출력 변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전송부는,
    상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 전력을 전달하는 전달부; 및
    상기 전력을 전달할 때 발생하는 전압 상승 현상을 낮추기 위한 리프레시부를 포함하는, 이중 출력 변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전송부는,
    상기 파워부의 전력을 상기 이중 출력단 제어부로 전송하는, 이중 출력 변환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이중 출력단 제어부는,
    상기 아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하는 제1 출력단 제어부; 및
    상기 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 제2 출력단 제어부를 포함하는, 이중 출력 변환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 출력단 제어부는 시스템 주파수를 조절하여 상기 제1 출력단의 전압이 제1 레퍼런스 전압이 되도록 상기 제1 출력단의 전력을 조절하는, 이중 출력 변환기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 출력단 제어부는 상기 제2 출력단의 전압과 제2 레퍼런스 전압을 비교기를 통해 비교하여, 상기 단위 파워부의 할당 및 상기 전송부의 모드를 조절하여 상기 제2 출력단의 전력을 조절하는, 이중 출력 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 방식은 양방향 쉬프트 레지스터를 통하여 상기 단위 파워부의 할당을 결정하는, 이중 출력 변환기.
  9. 복수개의 단위 파워부를 포함하고, 상기 단위 파워부가 쌍으로 연결되어 제1 및 제2 출력단에 전력을 공급하는 단계;
    상기 제1 및 제2 출력단에 각각 대응하는 제1 및 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 단계; 및
    아날로그 방식으로 상기 제1 출력단의 전력량을 제어하거나 디지털 방식으로 상기 제2 출력단의 전력량을 제어하는 단계를 포함하는, 이중 출력 변환기의 동작방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 출력단에 전력을 전송하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여 상기 전력을 전달하는 단계; 및
    상기 전력을 전달할 때 발생하는 전압 상승 현상을 낮추는 단계를 포함하는, 이중 출력 변환기의 동작방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200103926A (ko) * 2019-02-25 2020-09-03 중앙대학교 산학협력단 스위치드 커패시터 dc-dc 변환기
KR20200124063A (ko) * 2019-04-23 2020-11-02 주식회사 이진스 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013062966A (ja) * 2011-09-14 2013-04-04 Toyota Central R&D Labs Inc 電源装置
KR20200103926A (ko) * 2019-02-25 2020-09-03 중앙대학교 산학협력단 스위치드 커패시터 dc-dc 변환기
KR20200124063A (ko) * 2019-04-23 2020-11-02 주식회사 이진스 아날로그 및 디지털 제어를 이용한 고주파 스위칭 컨버터 제어장치

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