KR20220146208A - 스위치 제어 회로 및 그 제어 방법 - Google Patents

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윤주한
안병권
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Abstract

본 발명은 스위치 소자 구동시 스위칭 손실을 효과적으로 방지할 수 있는 스위치 제어 회로 및 그 제어 방법을 제안한다. 본 발명의 스위치 제어 회로는, QR 벅 컨버터 구조의 스위치 제어 회로에서 스위치 소자의 드레인 전압을 감지하는 구성들이 추가된다. 즉 인덕터 전류의 0A 상태를 감지하기 위하여 스위치 소자의 드레인 측에 제1 저항, 제2 스위치, 제2 저항이 전기적으로 연결된다. 그리고 스위치 제어 회로는 감지결과에 따라 인덕터 전류가 OA 이고, 드레인 센싱 전압(ZCD)이 기 설정된 특정 기준 전압(REF) 이하가 되면 상기 스위치 소자를 턴-온 구동시킨다.

Description

스위치 제어 회로 및 그 제어 방법{Switch control circuit and switch control method thereof}
본 발명은 스위치 제어 회로에 관한 것으로, 특히 스위칭 손실이 발생하지 않도록 하는 스위치 제어 회로 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
스위치 제어 회로는 주로 스위치 컨버터 방식으로 구동 되는데, 예를 들면 'Constant Current Mode Buck Converter' 또는 'Quasi Resonant Buck Converter' 방식에 의한 구동 방식이 있을 수 있다. 그리고 이러한 구동 방식이 적용된 스위치 제어 회로에는 스위칭 소자인 모스펫(MOSFET) 등이 포함되는 구조로 설계된다. 상기 모스펫 소자를 포함한 스위치 제어 회로는 교류 전원을 전파 정류하고, 전파 정류된 전압 크기를 센싱하고, 센싱된 전압 크기에 따라 디스플레이 등의 특정 대상 회로에 선택적으로 전파 전압을 인가하게 된다.
그러나 이러한 종래 스위치 제어 회로에서는 모스펫의 스위칭 손실로 인한 문제가 있다. 스위치 제어 회로의 경우 인덕터 전류가 0A(Zero 암페어)일 때 게이트 단자가 하이 상태가 되는 경우에 모스펫 소자의 스위칭 손실을 제거할 수 있지만, 종래 구성들에서는 인덕터 전류가 0A가 되기전에 게이트 단자가 하이 상태가 되어, 이러한 모스펫의 스위칭 손실을 제거할 수 없었다. 나아가 이와 같은 스위칭 손실은 모스펫 소자의 온도를 증가시켜서 소정 주파수(예를 들면 150㎑) 이상에서 스위칭 동작을 어렵게 하는 문제도 초래하였다. 그래서 스위치 제어 회로가 채용된 장치 성능을 저하시키는 원인이 된다.
또한 종래 회로 구성에서는 스위치 제어 회로가 미구동 상태에서도 전류가 소비되는 문제가 있었고, 드레인 전압을 센싱하는 커패시터에 의한 시간 지연(propagation delay) 현상으로 인한 손실이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 인덕터 전류가 OA가 되는 시점에 게이트 단자가 하이 상태가 되게 하여 스위칭 손실을 제거할 수 있는 스위치 제어 회로 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 일정 주파수 이상에서도 스위칭 동작이 가능하도록 하는 스위치 제어 회로 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 회로 미구동시 전류 흐름을 차단하여 소비되는 전류를 최소화하는 스위치 제어 회로 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치 제어 회로는, 입력 전원 단자에 직렬로 연결된 부하, 인덕터, 제1 스위치 및 센싱 저항; 상기 인덕터에 흐르는 전류의 0A 상태를 감지하는 감지부; 상기 센싱 저항의 양단에 걸리는 센싱 전압과 부하전류 셋팅 전압을 비교하는 제1 비교기; 상기 제1 스위치의 드레인 전압을 센싱한 드레인 센싱 전압과 기 설정된 특정 기준 전압을 비교하는 제2 비교기; 및 상기 제1 비교기 및 제2 비교기의 출력신호에 따라 상기 제1 스위치를 제어하는 스위치 구동부를 포함하고, 상기 제2 비교기는, 상기 인덕터 전류가 OA 일때 감소하기 시작하는 드레인 센싱 전압이 상기 기 설정된 특정 기준 전압(REF) 이하가 되면 상기 제1 스위치를 턴-온 시키기 위한 출력신호를 상기 스위치 구동부로 인가하는 것을 특징으로 한다.
상기 감지부는, 상기 제1 스위치의 드레인 단자와 접지 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 제1 저항, 제2 스위치, 제2 저항을 포함한다.
상기 제1 및 제2 스위치는 모스펫(MOSFET)으로 구현된다.
상기 제1 스위치의 드레인 전압의 센싱은, 상기 감지부의 제2 스위치 및 제2 저항 사이에서 이루어진다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로는, 상기한 스위치 제어 회로의 구성들 중 적어도 일부를 포함하는 QR 벅 컨터버(Quasi Resonant Buck Converter) 장치일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 방법은, QR(Quasi Resonant) 모드의 벅 컨버터로 동작하는 스위치 제어 회로의 제어 방법에 있어서, 게이트 단자가 로우 상태일 때 인덕터 전류의 감소를 센싱하는 단계; 상기 인덕터 전류가 0A가 되면, 드레인 센싱 전압과 기 설정된 특정 기준 전압을 비교하는 단계; 및 상기 드레인 센싱 전압이 상기 기 설정된 특정 기준 전압 이하가 되면 상기 게이트 단자를 하이 상태가 되도록 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 게이트 단자는 센싱 저항의 양단에 걸리는 센싱 전압과 부하전류 셋팅 전압이 같아지는 시점에 로우 상태가 된다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로는, 입력 전원 단자에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 제1 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 상기 제1 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로에 있어서, 상기 제1 스위치의 드레인 전압을 센싱하기 위해 드레인 단에 연결된 제1 저항, 제2 스위치 및 제2 저항으로 이루어진 감지부; 및 상기 감지부가 센싱한 드레인 센싱 전압을 기초로 상기 제1 스위치의 턴-온 타이밍을 결정하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 스위치의 드레인 전압의 센싱은, 상기 감지부의 제2 스위치 및 제2 저항 사이에서 이루어진다.
상기 제1 스위치의 소스 단자와 일단이 직렬로 연결되고 타단은 접지 단자와 연결된 센싱 저항을 더 포함한다.
상기 제1 스위치 및 제 2 스위치는 모스펫으로 구현된다.
상기 제어부는 상기 제1 스위치의 소스 단자와 상기 센싱 저항 사이의 센싱 전압을 바탕으로 상기 제1 스위치의 턴-오프 타이밍을 결정한다.
상기 제1 스위치의 소스 단자의 센싱 전압과 부하전류 셋팅 전압을 비교하여 상기 제1 스위치의 턴-오프 타이밍을 결정하는 신호를 출력하는 제1 비교기를 더 포함한다.
상기 드레인 센싱 전압과 기 설정된 특정 기준 전압을 비교하여 상기 제1 스위치의 턴-온 타이밍을 결정하는 신호를 출력하는 제2 비교기를 더 포함한다.
상기 제1 비교기 또는 제2 비교기의 출력 신호를 입력 받아 상기 제1 스위치의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하는 스위치 구동부를 더 포함한다.
상기 제2 비교기는 인덕터 전류가 0A일 때 감소하기 시작하는 상기 드레인 센싱 전압이 상기 기 설정된 특정 기준 전압 이하가 되면, 상기 제1 스위치를 턴-온 시키기 위한 출력 신호를 상기 스위치 구동부로 인가한다.
이상과 같은 본 발명의 스위치 제어 회로 및 그 제어 방법에 따르면, 드레인 전압을 센싱하는 구성으로 저항들 및 스위치를 추가 구성하였고, 센싱동작에 따라 인덕터 전류가 0A일 때 드레인 센싱 전압과 기 설정된 특정 기준 전압을 비교한 후 게이트 단자를 하이 상태가 되도록 제어하고 있다. 따라서 제어 스위치 동작에 따른 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면 스위치 제어 회로의 미구동시에 전류 소비를 방지할 수 있고, 일정 주파수 이상에서도 스위칭 동작이 가능하다.
도 1은 일반적인 CCM 모드(Constant Current Mode)의 벅 컨버터 회로
도 2a 및 도 2b는 동작 타이밍도
도 3은 일반적인 Quasi Resonant 모드의 벅 컨버터 회로
도 4는 동작 타이밍도
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스위치 제어 회로
도 6은 도 5의 이상적인(ideal) 동작 타이밍도
도 7은 도 5의 실질적인 동작 타이밍도
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
공간적으로 상대적인 용어인 아래(below, beneath, lower), 위(above, upper) 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관 관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 아래(below, beneath)로 기술된 소자는 다른 소자의 위(above, upper)에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 아래는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 “부” 또는 “부분” 등의 일부분을 나타내는 표현은 해당 구성요소가 특정 기능을 포함할 수 있는 장치, 특정 기능을 포함할 수 있는 소프트웨어, 또는 특정 기능을 포함할 수 있는 장치 및 소프트웨어의 결합을 나타낼 수 있음을 의미하나, 꼭 표현된 기능에 한정된다고 할 수는 없으며, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
또한, 본 발명에서 사용되는 모든 전기 신호들은 일 예시로서, 본 발명의 회로에 반전기 등을 추가적으로 구비하는 경우 이하 설명될 모든 전기 신호들의 부호가 반대로 바뀔 수 있음을 유의해야 한다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 신호의 방향에 한정되지 않는다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명의 스위치 제어회로와 비교할 수 있는 종래 스위치 제어 회로부터 살펴본다.
도 1은 일반적인 CCM 모드(Constant Current Mode)의 벅 컨버터 회로도, 도 2a 및 도 2b는 동작 타이밍도이다. 도 1의 회로도를 보면 입력 전원 단자(VIN)에 발광 소자들(10)이 직렬로 연결된다.
그리고 발광 소자(10)와 병렬 연결된 커패시터(11), 발광 소자(10) 및 커패시터(11)에 입력되는 전류를 정류하는 다이오드(12), 발광 소자(10)와 커패시터(11)에 직렬 연결되는 인덕터(13)가 포함되며, 인덕터(13)와 접지 단자 사이에는 제어 스위치(20)와 센싱 저항(30)이 연결되어 있다. 상기 제어 스위치(20)는 모스펫(MOSFET)으로 구현될 수 있다.
또 제어 스위치(20)의 턴-온/턴-오프 구동을 위한 스위치 제어부(40)가 제공된다. 스위치 제어부(40)는 센싱 저항(30)의 CS 전압과 기 설정된 ADIM 전압을 비교하여 제어 스위치(20)를 턴-온/턴-오프 구동시키는 제어 신호를 출력한다. CS 전압은 도 1에서 제어 스위치(20)와 연결된 센싱 저항(30)의 양단에 걸리는 전압(또는 CS 단자에 걸리는 전압)을 말하며, ADIM 전압은 부하측 LED 소자를 제어하기 위해 셋팅된 전압을 말한다. 이러한 스위치 제어부(40)는 CS 전압과 ADIM 전압을 비교하는 비교부(42), 오프시간 제어부(44), 그리고 상기 비교부(42) 및 오프시간 제어부(44)의 출력에 따라 제어 스위치(20)를 제어하는 논리소자(SR 래치)(46)를 포함하여 구성된다.
상기 벅 컨버터의 이상적인 동작은 도 2a의 동작 타이밍도와 같다. 스위치 제어부(40)의 출력에 의해 게이트가 하이 상태(t0)가 되면 제어 스위치(20)는 턴-온 구동한다. 그러면 인덕터 전류(IL)가 증가하면서 제어 스위치(20)에 드레인 전류가 흐르게 된다. 드레인 전류의 증가는 CS 전압의 증가를 의미한다.
그리고 CS 전압이 증가하면서 기 설정된 ADIM 전압과 만나는 시점(t1)에 게이트 단자는 로우 상태가 된다. 게이트 단자가 로우 상태가 되면 인덕터(13)는 방전하기 시작하여 인덕터 전류는 다이오드(12)를 통해 피드백된다. 이때 제어 스위치(20)는 턴-오프 된 상태이기 때문에 드레인 전압은 하이 상태(t1)가 된다. 하이 상태는 오프시간 제어부(44)가 SR 래치(46)에 셋(SET) 신호를 주기 전까지 일정시간 유지되며, 다시 게이트 단자가 하이 상태가 되면 앞서 동작은 계속 반복한다.
그러나 도 1의 벅 컨버터는 제어 스위치(20)의 스위칭 동작시 스위칭 손실이 발생하기 때문에, 도 2b와 같이 게이트 및 드레인 전압의 파형은 일정 기울기를 가지면서 동작한다. 이 경우 드레인 전류가 급작스럽게 증가하는 구간에서 드레인 전압이 방전하기 시작하는데, 이러한 구간에서 스위칭 손실이 발생하게 된다. 도 2b에서 t2, t4 시점에 밑줄로 표기된 구간을 말한다.
도 3은 일반적인 Quasi Resonant 모드의 벅 컨버터 회로도, 도 4는 동작 타이밍도이다. 도 1의 CCM 모드로 동작하는 스위치 제어 회로와 비교하면, 제어 스위치(20)의 드레인 전압을 센싱하기 위하여 커패시터(22), 제1 저항(24), 제2 저항(26)이 더 추가된 구성이다. 그리고 스위치 제어부(40)에는 CS 전압과 ADIM 전압을 비교하는 제1 비교기(42), 드레인 센싱 전압인 ZCD 전압과 미리 설정된 기준 전압(REF)을 비교하는 제2 비교기(44), 제1 비교기(42)와 제2 비교기(44)의 출력에 따라 제어 스위치(20)에 제어 신호를 출력하는 논리소자(46)를 포함한다. 논리소자(46)는 SR 래치일 수 있다.
도 3의 Quasi Resonant 모드 회로는 도 4와 같이 인덕터 전류(IL)가 OA가 되면(①) 드레인 전압(DRAIN)이 감소하기 시작하며(②), 이때 드레인 센싱 전압(ZCD)이 미리 설정된 기준 전압(REF) 이하가 되면(③) 스위치 제어부(40)의 출력에 의해 게이트 단자는 하이 상태가 된다. 게이트 단자가 하이가 되는 시점은 드레인 전압이 OV가 되는 시점이다. 이렇게 하면 제어 스위치(20)의 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
그러나 도 3의 Quasi Resonant 모드 회로는 제어 스위치(20)의 드레인측에서 센싱한 드레인 전압을 스위치 제어부(40)의 제2 비교기(44)로 전달할 경우, 커패시터 소자(22)에 의하여 신호 지연 (propagation delay) 현상이 발생하게 된다. 따라서 Quasi Resonant 모드 회로에서도 이러한 신호 지연 현상으로 인한 스위칭 손실을 완벽하게 제거할 수 없었다.
본 발명은 앞서 설명한 종래 회로 구성에서 발생했던 문제들을 해결하기 위한 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스위치 제어 회로이다.
도 5를 참조하면, 스위치 제어 회로(300)는 입력 전원 단자(VIN)에 연결된 적어도 하나의 발광 소자(100)를 포함한다. 발광 소자(100)는 전류가 공급되면 동작하는 LED 등과 같은 소자일 수 있고, 발광 소자들(100)은 직렬로 연결된다. 물론 LED 이외의 다른 소자가 적용될 수 있는 바, 특정 소자에 한정되지 않는다. 여기서 발광 소자(100)는 스위치 제어 회로의 구동에 의해 발광 동작하는 대상 회로(Target circuit)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 스위치 제어 회로(300)는 발광 소자(100)와 병렬 연결되는 커패시터(102) 및 다이오드(104)를 포함한다. 다이오드(104)는 발광 소자(100)와 커패시터(102)에 입력되는 전류를 정류하는 역할을 한다. 또한 발광 소자(100) 및 커패시터(102)와 직렬로 연결되는 인덕터(106)를 포함한다. 인덕터 전류(IL)는 후술하는 제1 스위치(110)로 전달되거나 다이오드(104)를 통해 피드백된다.
인덕터 전류(IL)를 제어하도록 인덕터(106)에는 제1 스위치(110)가 연결된다. 제1 스위치(110)는 인덕터(106)와 직렬 연결되는 제1 모스펫일 수 있다. 제1 스위치(110)는 제어부(200)의 제어 신호에 따라 인덕터(106)에 흐르는 인덕터 전류(IL)를 제어한다. 즉, 제1 스위치(110)는 턴-온 되면 입력 전원 단자(VIN)에 의해 인덕터 전류(IL) 또는 드레인 전류(ID)가 흐르고, 턴-오프 되면 인덕터(106)에 충전된 전류를 방전시켜 발광 소자(100)에 구동 전류(ILED)를 공급한다.
제1 스위치(110)에는 센싱 저항(120)이 연결된다. 센싱 저항(120)은 제1 스위치(110)의 일단과 접지 단자 사이에 연결되고, 상기 센싱 저항(120)의 양단에 걸리는 전압(또는 CS 단자에 걸리는 전압)을 기초로 발광 소자(100)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
본 발명은 스위칭 손실을 제거하기 위한 회로 구성을 제공하는 것이다. 스위칭 손실은 인덕터 전류가 0A일 때 게이트 단자를 하이 상태가 되게 하면 제거할 수 있다. 따라서 인덕터 전류가 OA(IL = 0A)가 되는 시점을 감지하는 구성이 필요하다. 이를 위해 본 발명의 스위치 제어 회로(300)는 제1 스위치(110)의 드레인 단자와 또 다른 접지 단자 사이에 제1 저항(130), 제2 스위치(140) 및 제2 저항(150)이 순서대로 연결되는 구성을 제공한다. 즉 드레인 전압을 센싱하기 위하여 제1 저항(130), 제2 스위치(140) 및 제2 저항(150)이 추가된 것이다. 앞서 설명한 도 1 및 도 3의 종래 회로와 비교할 때 이 구성들이 상이하다. 특히 도 3의 Quasi Resonant 모드 회로와 비교하면, 커패시터(22)를 제거한 대신 스위치 소자인 제2 스위치(140)를 추가하였다. 이와 같이 커패시터(22)를 제거함으로써 드레인 전압(DRAIN)을 시간 딜레이(delay) 없이 감지할 수 있다.
제1 저항(130)과 제2 저항(150)은 드레인 전압을 일정 비율로 낮추는 역할을 한다. 전압 분배 역할을 한다고 할 수 있다. 그리고 제2 스위치(140)는 2가지 기능을 제공한다. 첫 번째는 드레인 전압이 일정 전압 이상으로 올라가는 것을 방지한다. 두 번째는, 스위치 제어 회로(300)가 미구동상태 일 때 상기 제2 스위치(140)는 턴-오프 되기 때문에, 입력 전원 단자(VIN)로부터 인가되는 전류가 발광 소자(100)를 통해 제1 저항(130) 및 제2 저항(150)으로 흐르는 것을 막아주는 역할을 한다. 따라서 스위CL 제어 회로의 미구동시, 제2 스위치(140)를 턴-오프시키면 불필요하게 소비되는 전류 소모를 방지할 수 있는 것이다. 반면에, 상기 스위치 제어 회로가 구동 상태 일 때는 상기 제2 스위치(140)는 턴-온 상태로 동작한다.
도 5에서, 스위치 제어 회로(300)는 제어 신호를 출력하여 제1 스위치(110)를 구동시키는 제어부(200)를 포함한다. 제어부(200)는 센싱 전압(CS)과 기 설정된 ADIM 전압(발광 소자를 컨트롤하기 위해 셋팅된 전압을 말함, Analog Dimming voltage, 이하 부하전류 셋팅 전압이라 하기로 함)을 비교하는 제1 비교기(210), ZCD 전압(드레인측 전압을 센싱한 전압으로, 이하 드레인 센싱 전압이라 하기로 함)과 기 설정된 특정 기준 전압(REF)을 비교하는 제2 비교기(220), 제1 비교기(210)와 제2 비교기(220)의 출력에 따라 제1 스위치(110)에 제어 신호를 출력하는 스위치 구동부(SR 래치)(230)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 스위치 제어 회로는 이상적으로는 도 6의 타이밍도와 같이 인덕터 전류가 0A가 되는 시점(t2)에 게이트 단자는 하이 상태가 되어 스위칭 손실을 없앨 수 있다. 그러나 실질적으로는 게이트 파형과 드레인 파형은 일정 기울기를 가지면서 동작할 수 밖에 없다. 그럼에도 본 발명은 스위칭 손실을 없앨 수 있고, 도 7을 함께 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 스위치 제어 회로의 실질적인 동작 타이밍도이다.
게이트 단자가 하이 상태가 되면 제1 스위치(110)는 턴-온 동작하며, 이에 인덕터 전류(IL) 및 센싱 전압(CS)은 증가하게 된다(t0 ~ t1 구간). 그러다가 인덕터 전류가 특정 피크(peak)에 도달하는 시점(t1), 즉 센싱 전압(CS)과 부하전류 셋팅 전압(ADIM)이 같아지는 시점(P)에 게이트 단자는 오프(로우 상태)된다. 그러면 인덕터 전류(IL)는 감소하기 시작한다(t1 ~ t2 구간). 반면 게이트 단자가 오프되면 제1 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류는 차단되기 때문에, 드레인 전압(DRAIN)은 증가하여 하이 상태가 된다(t1 ~ t2 구간). 드레인 전압은 게이트 오프 상태에서 하이 상태를 유지한다.
이후 인덕터 전류가 감소해서 OA가 되는 시점(t2의 P1)이 되면 드레인 전압도 감소하기 시작한다(P2부터 감소시작, t2 ~ t3 구간). 그러면 제1 저항(130) 및 제2 저항(150)에 의해 분배된 전압이 출력되는데, 드레인 전압이 감소하면 드레인 센싱 전압(ZCD)도 상기 제1 저항(130)과 제2 저항(150)의 비율로 감소하게 된다.
그리고 드레인 센싱 전압(ZCD)이 기 설정된 특정 기준 전압(REF) 이하가 되면(P3), 스위치 구동부(230)는 게이트 단자를 턴-온(하이 상태) 시키는 제어 신호를 출력한다. 따라서 게이트 단자는 다시 턴-온 동작한다(t3).
이처럼 본 발명은 인덕터 전류가 0A가 되는 시점부터 드레인 전압이 감소하게 되는데, 이러한 드레인 전압의 감소 상태를 센싱한 드레인 센싱 전압이 기 설정된 특정 기준 전압 이하가 되면 게이트 단자를 하이 상태로 함으로써, 제1 스위치(110)의 스위칭 손실을 제거하는 것이다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 발광 소자
102: 커패시터
104: 다이오드
106: 인덕터
110: 제1 스위치(제1 모스펫)
120: 센싱 저항
130: 제1 저항
140: 제2 스위치(제2 모스펫)
150: 제2 저항
200: 제어부
210: 제1 비교기
220: 제2 비교기
230: 스위치 구동부
300: 스위치 제어 회로

Claims (16)

  1. 입력 전원 단자에 직렬로 연결된 부하, 인덕터, 제1 스위치 및 센싱 저항;
    상기 인덕터에 흐르는 전류의 0A 상태를 감지하는 감지부;
    상기 센싱 저항의 양단에 걸리는 센싱 전압과 부하전류 셋팅 전압을 비교하는 제1 비교기;
    상기 제1 스위치의 드레인 전압을 센싱한 드레인 센싱 전압과 기 설정된 특정 기준 전압을 비교하는 제2 비교기; 및
    상기 제1 비교기 및 제2 비교기의 출력신호에 따라 상기 제1 스위치를 제어하는 스위치 구동부를 포함하고,
    상기 제2 비교기는, 상기 인덕터 전류가 OA 일때 감소하기 시작하는 드레인 센싱 전압이 상기 기 설정된 특정 기준 전압 이하가 되면 상기 제1 스위치를 턴-온 시키기 위한 출력신호를 상기 스위치 구동부로 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 제1 스위치의 드레인 단자와 접지 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 제1 저항, 제2 스위치, 제2 저항을 포함하는 스위치 제어 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 모스펫(MOSFET)으로 구현되는 스위치 제어 회로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 구성을 포함하는 스위치 제어 회로인 QR 벅 컨터버(Quasi Resonant Buck Converter) 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 드레인 전압의 센싱은, 상기 감지부의 제2 스위치 및 제2 저항 사이에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  6. QR(Quasi Resonant) 모드의 벅 컨버터로 동작하는 스위치 제어 회로의 제어 방법에 있어서,
    게이트 단자가 로우 상태일 때 인덕터 전류의 감소를 센싱하는 단계;
    상기 인덕터 전류가 0A가 되면, 드레인 센싱 전압과 기 설정된 특정 기준 전압을 비교하는 단계; 및
    상기 드레인 센싱 전압이 상기 기 설정된 특정 기준 전압 이하가 되면 상기 게이트 단자를 하이 상태가 되도록 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 게이트 단자는 센싱 저항의 양단에 걸리는 센싱 전압과 부하전류 셋팅 전압이 같아지는 시점에 로우 상태가 되는 스위치 제어 방법.
  8. 입력 전원 단자에 각각 직렬 연결된 부하, 인덕터 및 제1 스위치를 포함하는 전원 공급 장치의 상기 제1 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로에 있어서,
    상기 제1 스위치의 드레인 전압을 센싱하기 위해 드레인 단에 연결된 제1 저항, 제2 스위치 및 제2 저항으로 이루어진 감지부; 및
    상기 감지부가 센싱한 드레인 센싱 전압을 기초로 상기 제1 스위치의 턴-온 타이밍을 결정하는 제어부를 포함하는 스위치 제어 회로.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 드레인 전압의 센싱은, 상기 감지부의 제2 스위치 및 제2 저항 사이에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 소스 단자와 일단이 직렬로 연결되고 타단은 접지 단자와 연결된 센싱 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 제 2 스위치는 모스펫으로 구현되는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 스위치의 소스 단자와 상기 센싱 저항 사이의 센싱 전압을 바탕으로 상기 제1 스위치의 턴-오프 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 소스 단자의 센싱 전압과 부하전류 셋팅 전압을 비교하여 상기 제1 스위치의 턴-오프 타이밍을 결정하는 신호를 출력하는 제1 비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 드레인 센싱 전압과 기 설정된 특정 기준 전압을 비교하여 상기 제1 스위치의 턴-온 타이밍을 결정하는 신호를 출력하는 제2 비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  15. 제 13항 또는 14항에 있어서,
    상기 제1 비교기 또는 제2 비교기의 출력 신호를 입력 받아 상기 제1 스위치의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하는 스위치 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제2 비교기는 인덕터 전류가 0A일 때 감소하기 시작하는 상기 드레인 센싱 전압이 상기 기 설정된 특정 기준 전압 이하가 되면, 상기 제1 스위치를 턴-온 시키기 위한 출력 신호를 상기 스위치 구동부로 인가하는 것을 특징으로 하는 스위치 제어 회로.
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