KR20230053421A - 3-레벨 컨버터를 갖는 충전 회로 및 그의 밸런싱 제어 방법 - Google Patents

3-레벨 컨버터를 갖는 충전 회로 및 그의 밸런싱 제어 방법 Download PDF

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Abstract

다양한 실시예들은 3-레벨 컨버터를 갖는 전자 장치의 충전 회로 및 충전 회로에서 밸런싱(balancing)을 제어하는 방법 및 장치에 관하여 개시한다. 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는, 배터리, 프로세서, 및 충전 회로를 포함하고, 상기 충전 회로는, 일단이 적어도 하나의 외부 장치와 충전 패스를 연결하고, 타단이 상기 배터리와 충전 패스를 연결하도록 형성되고, 상기 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 하는 3-레벨 컨버터로서, 복수의 스위칭 소자 및 플라잉 커패시터(flying capacitor)를 포함하는 스위칭 회로, 및 인덕터 및 커패시터를 포함하는 필터 회로를 포함하고, 상기 3-레벨 컨버터의 상기 플라잉 커패시터의 전압의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로로서, 상기 프로세서에 의해 초기 동작 모드로 지정된 모드에 따른 밸런싱 중에, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 상기 지정된 모드에 설정된 밸런싱 제어 방향을 유지하거나 전환하기 위한 출력을 발생하는 밸런싱 제어 회로, 및 상기 밸런싱 제어 회로의 출력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하거나, 또는 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향의 반대 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하는 스위칭 제어 회로를 포함하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예들이 가능하다.

Description

3-레벨 컨버터를 갖는 충전 회로 및 그의 밸런싱 제어 방법{CHARGING CIRCUITRY WITH THREE-LEVEL CONVERTER AND MEHTOD FOR CONTROLLING BALANCING IN THE SAME}
본 개시의 실시예들은 3-레벨 컨버터를 갖는 전자 장치의 충전 회로 및 충전 회로에서 밸런싱(balancing)을 제어하는 방법 및 장치에 관하여 개시한다.
전자 장치의 충전 회로(charging circuitry)는 2-레벨 컨버터(two-level converter)를 대체하는 3-레벨 컨버터(three-level converter)를 포함하여 회로를 설계하고 있다. 예를 들면, 충전 회로에서, 3-레벨 컨버터는 일반적인 2-레벨 컨버터에 비해 상대적으로 작은 용량의 인덕터(inductor)를 사용하더라도, 큰 용량의 인덕터를 사용하는 2-레벨 컨버터와 동일한 리플 전류(ripple current)를 유지할 수 있다. 따라서, 3-레벨 컨버터는 인덕터 용량 감소를 통한 인덕터의 저항 저감으로 높은 전력변환 효율을 얻을 수 있는 장점이 있으며, 전자 장치의 충전 회로에 적용되고 있다.
일반적으로, 전자 장치에 사용되는 충전 회로는 3-레벨 컨버터의 복수의 스위칭 소자(또는 스위치)(예: MOSFET)(예: Q1, Q2, Q3, Q4)의 듀티 사이클(duty cycle)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 충전 회로는 충전 소스(source)가 공급 가능한 전력 이상을 출력 단에 공급하게 되면, 입력 전압이 하강하는 것을 막기 위해 출력 전력을 감소시켜, 입력 전압이 지정된 값 이하로 떨어지지 않는 수준에서 출력 전력을 결정할 수 있다.
또한, 최근 전자 장치의 충전 회로는 유선 충전 패스(path)와 무선 충전 패스를 모두 포함할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치는 유선 충전 패스를 통해 외부 장치에 대한 출력을 제공하고, 무선 충전 패스를 통해 전자 장치에 대한 입력으로 제공할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치는 외부 장치와 무선 충전을 수행하는 동안 다른 외부 장치(예: OTG(on-the-go) 장치)로 전원을 공급하거나, 또는 전자 장치의 유선 충전을 수행하는 동안 전자 장치의 무선 전력 공유(power share) 기능(또는 무선 배터리 공유 모드)을 통해 무선 충전 단으로 전원을 공급할 수 있다. 이러한 경우, 전력을 공급받는 쪽에서 요구(demand)하는 전력이, 전력을 공급하는 쪽의 전력보다 작은 경우에는, 두 전력의 차이가 충전 회로의 출력으로 공급될 수 있다. 이와 반대로, 전력을 공급받는 쪽에서 요구하는 전력이, 전력을 공급하는 쪽의 전력보다 큰 경우에는, 충전 회로가 리버스 부스트(reverse boost)로 동작하며, 두 전력의 차이가 전자 장치의 배터리로부터 공급될 수 있다.
상기와 같은 환경에서는, 충전 회로는 입력 전원이 끊김 없이(seamless transition), 3-레벨 컨버터의 벅 모드(buck mode)(또는 벅 동작(buck operation))와 부스트 모드(boost mode)(또는 부스트 동작(boost operation)) 간의 전환이 이루어져야 한다. 예를 들면, 충전 회로는 3-레벨 컨버터의 벅 모드에서는 제1 스위칭 소자(예: Q1 스위치)가 켜져 있는 동안 3-레벨 컨버터의 플라잉 커패시터(flying capacitor)가 충전되고, 제2 스위칭 소자(예: Q2 스위치)가 켜져 있는 동안 3-레벨 컨버터의 플라잉 커패시터가 방전될 수 있다. 다른 예를 들면, 충전 회로는 3-레벨 컨버터의 부스트 모드에서는 제1 스위칭 소자(예: Q1 스위치)가 켜져 있는 동안 3-레벨 컨버터의 플라잉 커패시터가 방전되고 제2 스위칭 소자(예: Q2 스위치)가 켜져 있는 동안 3-레벨 컨버터의 플라잉 커패시터가 충전될 수 있다.
따라서, 충전 회로에서 3-레벨 컨버터의 플라잉 커패시터의 전압 밸런싱(balancing)을 위한 밸런싱 회로는, 제어 방향이 충전 회로의 동작(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에 따라 자동으로 전환되어야 한다. 예를 들면, 3-레벨 컨버터를 사용한 충전 회로의 경우, 이상적으로는 제1 스위칭 소자(예: Q1 스위치)의 도통 시간과 제2 스위칭 소자(예: Q2 스위치)의 도통 시간이 같아, 플라잉 커패시터의 전압은 입력 전압의 1/2로 유지될 수 있다. 하지만, 실제 충전 회로에서는 회로의 편차 등으로 인해 도통 시간의 미세한 차이가 발생할 수 있고, 이로 인해, 플라잉 커패시터의 전압이 입력 전압의 1/2로 유지되지 않을 수 있다. 이에, 충전 회로에서는 플라잉 커패시터의 전압을 모니터링하여 플라잉 커패시터의 전압이 입력 전압의 1/2을 유지할 수 있도록 제1 스위칭 소자(예: Q1 스위치)와 제2 스위칭 소자(예: Q2 스위치)의 도통 시간을 보상할 수 있는 밸런싱 회로가 필요할 수 있다. 예를 들면, 벅모드 동작 시에는 제1 스위칭 소자(예: Q1 스위치)의 도통 시간을 늘리고, 제2 스위칭 소자(예: Q2 스위치)의 도통 시간을 줄이면, 플라잉 커패시터의 전압이 상승하고, 부스트 모드 동작 시에는 제1 스위칭 소자(예: Q1 스위치)의 도통 시간을 늘리고, 제2 스위칭 소자(예: Q2 스위치)의 도통 시간을 줄이면 플라잉 커패시터의 전압이 감소할 수 있다.
이를 구현하기 위해서, 충전 회로는 3-레벨 컨버터의 인덕터 전류의 평균값이 양의 값인지 음의 값인지를 정확하게 판단할 수 있어야 한다. 예를 들면 충전 회로에서는, 인덕터 전류를 센싱하기 위한 별도의 전류 센싱 회로를 추가적으로 구비해야 한다. 또한, 충전 회로가 전류 센싱 회로를 구비하더라도, 전류 센싱 회로의 오프셋(offset)으로 인하여, 인덕터 전류에 대한 정밀한 센싱(예: zero crossing detect)의 구현이 어려움이 발생할 수 있다. 따라서, 기존 3-레벨 컨버터로 구현된 충전 회로에서는, 벅 모드와 부스트 모드 간의 끊김 없는 전환을 제공할 수 없다. 예를 들면, 유선 충전 패스와 무선 충전 패스를 모두 지원하는 듀얼 입력의 충전 회로에서, 3-레벨 컨버터의 플라잉 커패시터의 밸런싱 제어가 어려울 수 있다.
다양한 실시예들에서는, 3-레벨 컨버터(three-level converter)를 갖는 충전 회로에서 벅 모드와 부스트 모드 간에 끊김 없는 전환을 제공할 수 있는 방법 및 장치에 관하여 개시한다.
다양한 실시예들에서는, 3-레벨 컨버터 및 이의 밸런싱 제어를 위한 밸런싱 회로를 포함하는 충전 회로 및 충전 회로에서 벅 모드와 부스트 모드 간에 끊김 없는 전환을 구현하기 위한 밸런싱(balancing) 방법 및 장치에 관하여 개시한다.
다양한 실시예들에서는, 3-레벨 컨버터를 갖는 충전 회로에서 3-레벨 컨버터의 플라잉 커패시터(flying capacitor)에 대한 적응적 밸런싱 방법 및 장치에 관하여 개시한다.
다양한 실시예들에서는, 3-레벨 컨버터를 갖는 충전 회로에서 플라잉 커패시터의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로를 인덕터의 전류 센싱 없이 구현할 수 있는 방법 및 장치에 관하여 개시한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치는, 배터리, 프로세서, 및 충전 회로를 포함하고, 상기 충전 회로는, 일단이 적어도 하나의 외부 장치와 충전 패스를 연결하고, 타단이 상기 배터리와 충전 패스를 연결하도록 형성되고, 상기 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 하는 3-레벨 컨버터로서, 복수의 스위칭 소자 및 플라잉 커패시터(flying capacitor)를 포함하는 스위칭 회로, 및 인덕터 및 커패시터를 포함하는 필터 회로를 포함하고, 상기 3-레벨 컨버터의 상기 플라잉 커패시터의 전압의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로로서, 상기 프로세서에 의해 초기 동작 모드로 지정된 모드에 따른 밸런싱 중에, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 상기 지정된 모드에 설정된 밸런싱 제어 방향을 유지하거나 전환하기 위한 출력을 발생하는 밸런싱 제어 회로, 및 상기 밸런싱 제어 회로의 출력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하거나, 또는 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향의 반대 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하는 스위칭 제어 회로를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 충전 회로는, 일단이 적어도 하나의 외부 장치와 충전 패스를 연결하고, 타단이 상기 배터리와 충전 패스를 연결하도록 형성되고, 상기 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 하는 3-레벨 컨버터로서, 복수의 스위칭 소자 및 플라잉 커패시터(flying capacitor)를 포함하는 스위칭 회로, 및 인버터 및 커패시터를 포함하는 필터 회로를 포함하고, 상기 3-레벨 컨버터의 상기 플라잉 커패시터의 전압의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로로서, 지정된 모드에 따른 밸런싱 중에, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 유지하기 위한 제1 제어 신호를 발생하거나, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 제2 패스로 전환하기 위한 제2 제어 신호를 발생하는 밸런싱 제어 회로, 및 상기 제1 제어 신호의 입력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하거나, 또는 상기 제2 제어 신호의 입력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향의 반대 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하는 스위칭 제어 회로를 포함하고, 상기 제2 제어 신호는 상기 제1 제어 신호가 반전된 신호를 나타낼 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 동작 방법은, 적어도 하나의 외부 장치와 유무선 충전에 따른 복합 동작 조건에서, 기본 설정에 따라 결정된 모드에 기반하여 밸런싱을 수행하는 동작, 상기 밸런싱을 수행하는 동안, 밸런싱 상태를 체크하여, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부를 판단하는 동작, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하면, 제1 제어 신호를 발생하여, 상기 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 유지하는 동작, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하지 않으면, 상기 제1 제어 신호가 반전된 제2 제어 신호를 발생하여, 상기 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 반전하는 동작, 상기 기본 설정에 따른 상기 결정된 모드를 전환하도록 복수의 스위칭 소자 중 적어도 일부를 선택적으로 스위칭 하는 동작, 및 상기 전환된 모드에서 플라잉 커패시터의 밸런싱을 수행하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 개시의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 개시의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
본 개시에 따른 전자 장치 및 그의 동작 방법에 따르면, 3-레벨 컨버터(three-level converter)를 갖는 충전 회로에서, 플라잉 커패시터(flying capacitor)의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로(예: 자동 밸런싱 동작 전환 회로)를 통해, 3-레벨 컨버터의 벅 모드(또는 벅 동작)과 부스트 모드(또는 부스트 동작) 간에 끊김 없는 전환을 구현할 수 있다. 일 실시예에 따르면, OTG 장치 충전 및 무선 충전 또는 USB 유선 충전 및 무선 전력 공유와 같이, 충전을 위한 입력과 출력의 양방향으로 동작하는 환경에서, 외부 전원의 전력이 부족한 상황에서도, 벅 모드와 부스트 모드 간에 전환을 자연스럽고 끊김 없이 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 3-레벨 컨버터를 이용한 양방향 동작이 가능한 충전 회로에서, 플라잉 커패시터의 전압의 지정된 밸런싱 모드에 관계없이 자동으로 선택하도록 할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따르면, 전자 장치가 유무선 충전을 함께 수행하는 복합 동작 조건에서, 충전 회로의 입력 전원의 끊김 없이 벅 모드와 부스트 모드를 전환할 수 있다. 이를 통해, 충전 회로는 인덕터 전류의 센싱 없이 플라잉 커패시터의 범위만을 이용하여, 현재 설정된 밸런싱 회로의 제어 방향이 적절한지 판단할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 충전 회로는 밸런싱 회로의 제어 방향이 잘못된 경우, 밸런싱 회로의 제어 방향을 적응적으로 변경(현재 충전 패스 변경)하고, 변경된 제어 방향에 따라 정확한 밸런싱(예: 스텝 다운 또는 스텝 업)을 수행할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도면 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 네트워크 환경 내의 전자 장치의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 장치의 충전 동작을 설명하기 위한 전자 장치 및 외부 장치를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 3-레벨 컨버터의 회로 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 2에 따른 3-레벨 컨버터가 벅 모드로 동작하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2에 따른 3-레벨 컨버터가 부스트 모드로 동작하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2에 따른 밸런싱 회로에서 밸런싱 제어 회로의 회로 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 2에 따른 밸런싱 회로에서 스위칭 제어 회로의 회로 구성 및 동작 예를 도시하는 도면들이다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 전자 장치의 밸런싱 제어 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전자 장치에서 충전을 지원하는 동작 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 네트워크 환경(100) 내의 전자 장치(101)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 네트워크 환경(100)에서 전자 장치(101)는 제1 네트워크(198)(예: 근거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(102)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(199)(예: 원거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(104) 또는 서버(108) 중 적어도 하나와 통신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 서버(108)를 통하여 전자 장치(104)와 통신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 프로세서(120), 메모리(130), 입력 모듈(150), 음향 출력 모듈(155), 디스플레이 모듈(160), 오디오 모듈(170), 센서 모듈(176), 인터페이스(177), 연결 단자(178), 햅틱 모듈(179), 카메라 모듈(180), 전력 관리 모듈(188), 배터리(189), 통신 모듈(190), 가입자 식별 모듈(196), 또는 안테나 모듈(197)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 전자 장치(101)에는, 이 구성요소들 중 적어도 하나(예: 연결 단자(178))가 생략되거나, 하나 이상의 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이 구성요소들 중 일부들(예: 센서 모듈(176), 카메라 모듈(180), 또는 안테나 모듈(197))은 하나의 구성요소(예: 디스플레이 모듈(160))로 통합될 수 있다.
프로세서(120)는, 예를 들면, 소프트웨어(예: 프로그램(140))를 실행하여 프로세서(120)에 연결된 전자 장치(101)의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 프로세서(120)는 다른 구성요소(예: 센서 모듈(176) 또는 통신 모듈(190))로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리(132)에 저장하고, 휘발성 메모리(132)에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(134)에 저장할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 메인 프로세서(121)(예: 중앙 처리 장치(CPU, central processing unit) 또는 어플리케이션 프로세서(AP, application processor)) 또는 이와는 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(123)(예: 그래픽 처리 장치(GPU, graphic processing unit), 신경망 처리 장치(NPU, neural processing unit), 이미지 시그널 프로세서(ISP, image signal processor), 센서 허브 프로세서(sensor hub processor), 또는 커뮤니케이션 프로세서(CP, communication processor))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(101)가 메인 프로세서(121) 및 보조 프로세서(123)를 포함하는 경우, 보조 프로세서(123)는 메인 프로세서(121)보다 저전력을 사용하거나, 지정된 기능에 특화되도록 설정될 수 있다. 보조 프로세서(123)는 메인 프로세서(121)와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
보조 프로세서(123)는, 예를 들면, 메인 프로세서(121)가 인액티브(inactive)(예: 슬립(sleep)) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(121)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(121)가 액티브(예: 어플리케이션 실행) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(121)와 함께, 전자 장치(101)의 구성요소들 중 적어도 하나의 구성요소(예: 디스플레이 모듈(160), 센서 모듈(176), 또는 통신 모듈(190))와 관련된 기능 또는 상태들의 적어도 일부를 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 보조 프로세서(123)(예: 이미지 시그널 프로세서 또는 커뮤니케이션 프로세서)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성요소(예: 카메라 모듈(180) 또는 통신 모듈(190))의 일부로서 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 보조 프로세서(123)(예: 신경망 처리 장치)는 인공지능 모델의 처리에 특화된 하드웨어 구조를 포함할 수 있다. 인공지능 모델은 기계 학습을 통해 생성될 수 있다. 이러한 학습은, 예를 들어, 인공지능 모델이 수행되는 전자 장치(101) 자체에서 수행될 수 있고, 별도의 서버(예: 서버(108))를 통해 수행될 수도 있다. 학습 알고리즘은, 예를 들어, 지도형 학습(supervised learning), 비지도형 학습(unsupervised learning), 준지도형 학습(semi-supervised learning) 또는 강화 학습(reinforcement learning)을 포함할 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 인공지능 모델은, 복수의 인공 신경망 레이어들을 포함할 수 있다. 인공 신경망은 심층 신경망(DNN: deep neural network), CNN(convolutional neural network), RNN(recurrent neural network), RBM(restricted boltzmann machine), DBN(deep belief network), BRDNN(bidirectional recurrent deep neural network), 심층 Q-네트워크(deep Q-networks) 또는 상기 중 둘 이상의 조합 중 하나일 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 인공지능 모델은 하드웨어 구조 이외에, 추가적으로 또는 대체적으로, 소프트웨어 구조를 포함할 수 있다.
메모리(130)는, 전자 장치(101)의 적어도 하나의 구성요소(예: 프로세서(120) 또는 센서 모듈(176))에 의해 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(예: 프로그램(140)) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(130)는, 휘발성 메모리(132) 또는 비휘발성 메모리(134)를 포함할 수 있다.
프로그램(140)은 메모리(130)에 소프트웨어로서 저장될 수 있으며, 예를 들면, 운영 체제(OS, operating system)(142), 미들 웨어(middleware)(144) 또는 어플리케이션(146)을 포함할 수 있다.
입력 모듈(150)은, 전자 장치(101)의 구성요소(예: 프로세서(120))에 사용될 명령 또는 데이터를 전자 장치(101)의 외부(예: 사용자)로부터 수신할 수 있다. 입력 모듈(150)은, 예를 들면, 마이크, 마우스, 키보드, 키(예: 버튼), 또는 디지털 펜(예: 스타일러스 펜)을 포함할 수 있다.
음향 출력 모듈(155)은 음향 신호를 전자 장치(101)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 모듈(155)은, 예를 들면, 스피커 또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있다. 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 리시버는 스피커와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
디스플레이 모듈(160)은 전자 장치(101)의 외부(예: 사용자)로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 디스플레이 모듈(160)은, 예를 들면, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 디스플레이 모듈(160)은 터치를 감지하도록 설정된 터치 센서, 또는 상기 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 압력 센서를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(170)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 오디오 모듈(170)은, 입력 모듈(150)을 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 모듈(155), 또는 전자 장치(101)와 직접 또는 무선으로 연결된 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102))(예: 스피커 또는 헤드폰)를 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(176)은 전자 장치(101)의 작동 상태(예: 전력 또는 온도), 또는 외부의 환경 상태(예: 사용자 상태)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 센서 모듈(176)은, 예를 들면, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(177)는 전자 장치(101)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102))와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 인터페이스(177)는, 예를 들면, HDMI(high definition multimedia interface), USB(universal serial bus) 인터페이스, SD(secure digital) 카드 인터페이스, 또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(178)는, 그를 통해서 전자 장치(101)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102))와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 연결 단자(178)는, 예를 들면, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 또는 오디오 커넥터(예: 헤드폰 커넥터)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(179)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(예: 진동 또는 움직임) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 햅틱 모듈(179)은, 예를 들면, 모터, 압전 소자, 또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(180)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 카메라 모듈(180)은 하나 이상의 렌즈들, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 또는 플래시들을 포함할 수 있다.
전력 관리 모듈(188)은 전자 장치(101)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전력 관리 모듈(188)은, 예를 들면, PMIC(power management integrated circuit)의 적어도 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(189)는 전자 장치(101)의 적어도 하나의 구성요소에 전력을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배터리(189)는, 예를 들면, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(190)은 전자 장치(101)와 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102), 전자 장치(104), 또는 서버(108)) 간의 직접(예: 유선) 통신 채널 또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(190)은 프로세서(120)(예: 어플리케이션 프로세서)와 독립적으로 운영되고, 직접(예: 유선) 통신 또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 통신 모듈(190)은 무선 통신 모듈(192)(예: 셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 또는 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈) 또는 유선 통신 모듈(194)(예: LAN(local area network) 통신 모듈, 또는 전력선 통신 모듈)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(198)(예: 블루투스, WiFi(wireless fidelity) direct 또는 IrDA(infrared data association)와 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(199)(예: 레거시 셀룰러 네트워크, 5G 네트워크, 차세대 통신 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(예: LAN 또는 WAN(wide area network))와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 외부의 전자 장치(104)와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성요소(예: 단일 칩)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성요소들(예: 복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은 가입자 식별 모듈(196)에 저장된 가입자 정보(예: 국제 모바일 가입자 식별자(IMSI))를 이용하여 제1 네트워크(198) 또는 제2 네트워크(199)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(101)를 확인 또는 인증할 수 있다.
무선 통신 모듈(192)은 4G 네트워크 이후의 5G 네트워크 및 차세대 통신 기술, 예를 들어, NR 접속 기술(new radio access technology)을 지원할 수 있다. NR 접속 기술은 고용량 데이터의 고속 전송(eMBB, enhanced mobile broadband), 단말 전력 최소화와 다수 단말의 접속(mMTC, massive machine type communications), 또는 고신뢰도와 저지연(URLLC, ultra-reliable and low-latency communications)을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은, 예를 들어, 높은 데이터 전송률 달성을 위해, 고주파 대역(예: mmWave 대역)을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은 고주파 대역에서의 성능 확보를 위한 다양한 기술들, 예를 들어, 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO(multiple-input and multiple-output)), 전차원 다중입출력(FD-MIMO, full dimensional MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 또는 대규모 안테나(large scale antenna)와 같은 기술들을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은 전자 장치(101), 외부 전자 장치(예: 전자 장치(104)) 또는 네트워크 시스템(예: 제2 네트워크(199))에 규정되는 다양한 요구사항을 지원할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 무선 통신 모듈(192)은 eMBB 실현을 위한 Peak data rate(예: 20Gbps 이상), mMTC 실현을 위한 손실 Coverage(예: 164dB 이하), 또는 URLLC 실현을 위한 U-plane latency(예: 다운링크(DL) 및 업링크(UL) 각각 0.5ms 이하, 또는 라운드 트립 1ms 이하)를 지원할 수 있다.
안테나 모듈(197)은 신호 또는 전력을 외부(예: 외부의 전자 장치)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 안테나 모듈(197)은 서브스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함하는 안테나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 안테나 모듈(197)은 복수의 안테나들(예: 어레이 안테나)을 포함할 수 있다. 이런 경우, 제1 네트워크(198) 또는 제2 네트워크(199)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 적어도 하나의 안테나가, 예를 들면, 통신 모듈(190)에 의하여 상기 복수의 안테나들로부터 선택될 수 있다. 신호 또는 전력은 상기 선택된 적어도 하나의 안테나를 통하여 통신 모듈(190)과 외부의 전자 장치 간에 송신되거나 수신될 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 방사체 이외에 다른 부품(예: RFIC(radio frequency integrated circuit))이 추가로 안테나 모듈(197)의 일부로 형성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 안테나 모듈(197)은 mmWave 안테나 모듈을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, mmWave 안테나 모듈은 인쇄 회로 기판, 상기 인쇄 회로 기판의 제1 면(예: 아래 면)에 또는 그에 인접하여 배치되고 지정된 고주파 대역(예: mmWave 대역)을 지원할 수 있는 RFIC, 및 상기 인쇄 회로 기판의 제2 면(예: 윗 면 또는 측 면)에 또는 그에 인접하여 배치되고 상기 지정된 고주파 대역의 신호를 송신 또는 수신할 수 있는 복수의 안테나들(예: 어레이 안테나)을 포함할 수 있다.
상기 구성요소들 중 적어도 일부는 주변 기기들간 통신 방식(예: 버스, GPIO(general purpose input and output), SPI(serial peripheral interface), 또는 MIPI(mobile industry processor interface))을 통해 서로 연결되고 신호(예: 명령 또는 데이터)를 상호간에 교환할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 명령 또는 데이터는 제2 네트워크(199)에 연결된 서버(108)를 통해서 전자 장치(101)와 외부의 전자 장치(104)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 외부의 전자 장치(102, 또는 104) 각각은 전자 장치(101)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 외부의 전자 장치들(102, 104, 또는 108) 중 하나 이상의 외부의 전자 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)가 어떤 기능이나 서비스를 자동으로, 또는 사용자 또는 다른 장치로부터의 요청에 반응하여 수행해야 할 경우에, 전자 장치(101)는 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 또는 추가적으로, 하나 이상의 외부의 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 적어도 일부를 수행하라고 요청할 수 있다. 상기 요청을 수신한 하나 이상의 외부의 전자 장치들은 요청된 기능 또는 서비스의 적어도 일부, 또는 상기 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(101)로 전달할 수 있다. 전자 장치(101)는 상기 결과를, 그대로 또는 추가적으로 처리하여, 상기 요청에 대한 응답의 적어도 일부로서 제공할 수 있다. 이를 위하여, 예를 들면, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 모바일 에지 컴퓨팅(MEC, mobile edge computing), 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다. 전자 장치(101)는, 예를 들어, 분산 컴퓨팅 또는 모바일 에지 컴퓨팅을 이용하여 초저지연 서비스를 제공할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 외부의 전자 장치(104)는 IoT(internet of things) 기기를 포함할 수 있다. 서버(108)는 기계 학습 및/또는 신경망을 이용한 지능형 서버일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 외부의 전자 장치(104) 또는 서버(108)는 제2 네트워크(199) 내에 포함될 수 있다. 전자 장치(101)는 5G 통신 기술 및 IoT 관련 기술을 기반으로 지능형 서비스(예: 스마트 홈, 스마트 시티, 스마트 카, 또는 헬스 케어)에 적용될 수 있다.
본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다. 전자 장치는, 예를 들면, 휴대용 통신 장치(예: 스마트폰), 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 또는 가전 장치를 포함할 수 있다. 본 문서의 실시예에 따른 전자 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않는다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1", "제2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서의 다양한 실시예들에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들은 기기(machine)(예: 전자 장치(101)) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리(136) 또는 외장 메모리(138))에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램(140))로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기(예: 전자 장치(101))의 프로세서(예: 프로세서(120))는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, ‘비일시적’은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들(예: 스마트 폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱(heuristic)하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 장치의 충전 동작을 설명하기 위한 전자 장치 및 외부 장치를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 3-레벨 컨버터의 회로 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 2에 따른 3-레벨 컨버터가 벅 모드로 동작하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2에 따른 3-레벨 컨버터가 부스트 모드로 동작하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따라, 도 2는 전자 장치(101) 및 외부 장치(예: 제1 외부 장치(201) 및/또는 제2 외부 장치(301))에서 충전 동작을 지원하는 것과 관련된 구성의 예를 나타낼 수 있다. 일 실시예에 따라, 도 2에 예시된 전자 장치(101) 및 외부 장치(201, 301)는 도 1을 참조한 설명 부분에서 설명한 바와 같은 전자 장치(101)의 구성 요소의 전부 또는 적어도 일부를 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 일 실시예에 따른 전자 장치(101)는 내부 충전을 위한 입력과 외부 충전을 위한 출력을 동시에 지원 가능한 전자 장치일 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 양방향 충전 동작이 가능한 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 양방향 충전 동작이 가능한 스마트 폰(smart phone), 태블릿 PC(personal computer), 및/또는 랩탑 컴퓨터(laptop computer)를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 전자 장치(101)는 전술한 장치들에 한정되지 않으며, 전자 장치(101)는 배터리(189)를 포함하고 양방향 충전 동작이 가능한 다양한 종류의 장치일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 제1 외부 장치(201)가 OTG(on-the-go) 장치인 경우 제1 외부 장치(201)로 전자 장치(101)의 배터리(189)의 전력을 공급하여 제1 외부 장치(201)를 충전할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 제1 외부 장치(201)가 USB(universal serial bus) 충전기인 경우 제1 외부 장치(201)로부터 전력을 수신하여 전자 장치(101)의 배터리(189)를 충전할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 제2 외부 장치(301)로부터 무선으로 전력을 수신하여 전자 장치(101)의 배터리(189)를 충전할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 제2 외부 장치(301)로 무선으로 전력을 전송하여 제2 외부 장치(301)에 대한 충전을 지원할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 제1 외부 장치(201)와 연결되고, 제1 외부 장치(201)와 충전 동작을 수행하면서, 무선 충전 모드(예: 무선 전력 전송 모드 또는 무선 전력 수신 모드)에 따라 제2 외부 장치(301)와 무선 전력을 전송 또는 수신할 수 있다.
일 실시예에 따른 제1 외부 장치(201)는 전자 장치(101)와 유선 연결(예: USB OTG 연결) 가능한 장치(예: OTG 장치)로, 전자 장치(101)와 직접 통신을 통해 데이터를 교환할 수 있고, 전자 장치(101)와 연결 시 전자 장치(101)로부터 공급되는 전압에 기반하여, 제1 외부 장치(201) 내부의 배터리(미도시)를 충전할 수 있다. 예를 들면, 제1 외부 장치(201)는 워치(watch)(예: 스마트 워치), 이어폰, 헤드셋, 및/또는 글래스(예: AR 글래스)와 같은 웨어러블 장치를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 제1 외부 장치(201)는 전자 장치(101)와 유선 연결(예: USB 연결)로, 전자 장치(101)에 직접 통신을 통해 전력을 제공하는 USB 충전기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 제2 외부 장치(301)는 전자 장치(101)로 무선으로 전력을 전송하여 전자 장치(101)의 무선 충전을 지원하거나, 전자 장치(101)로부터 무선으로 전력을 수신하여 제2 외부 장치(301)의 배터리(미도시)의 충전을 지원하는 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 외부 장치(301)는 스마트 폰, 태블릿 PC, 및/또는 충전 패드와 같은 다양한 종류의 장치를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 제2 외부 장치(301)는 전술한 장치들에 한정되지 않으며, 제3 외부 장치(301)는 무선 전력을 전송하거나, 및/또는 수신이 가능한 다양한 종류의 장치일 수 있다. 일 실시예에 따라, 제2 외부 장치(301)는 전자 장치(101)로 무선으로 전력을 전송 또는 수신할 수 있고, 전자 장치(101)는 제2 외부 장치(201)로부터 무선으로 전력을 수신 또는 전송할 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 전자 장치(101)는 본 개시의 실시예에 따른 충전 동작을 설명하기 위한 충전 회로(200)의 예를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 프로세서(120), 메모리(130), 배터리(189) 및 충전 회로(200)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 프로세서(120)는, 전자 장치(101)가 제1 외부 장치(201)와 연결 시에, 제1 외부 장치(201)가 OTG 장치인 경우 전자 장치(101)의 배터리(189)의 전력을 공급하여 제1 외부 장치(201)를 충전하도록 동작할 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(120)는, 전자 장치(101)가 제1 외부 장치(201)와 연결 시에, 제1 외부 장치(201)가 USB 충전기인 경우 제1 외부 장치(201)로부터 전력을 수신하여 전자 장치(101)의 배터리(189)를 충전하도록 동작할 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 제1 외부 장치(201)가 OTG 장치인 경우 제1 외부 장치(201)와 데이터 통신(예: 오디오 데이터 송수신)을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 제2 외부 장치(301)로부터 무선으로 전력을 수신하여 전자 장치(101)의 배터리(189)를 충전하거나, 또는 제2 외부 장치(301)로 무선으로 전력을 전송하여 제2 외부 장치(301)에 대한 충전을 지원하도록 동작할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 제1 외부 장치(201)와 연결되고, 제1 외부 장치(201)와 충전 동작을 수행하면서, 무선 충전 모드(예: 무선 전력 전송 모드 또는 무선 전력 수신 모드)에 따라 제2 외부 장치(301)와 무선 전력을 전송 또는 수신할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 충전 기능 수행 시에, 충전 회로(200)에서 밸런싱 회로(220)의 초기 동작 모드(예: 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode))를 설정할 수 있고, 프로세서(120)에 의해 설정된 초기 동작 모드에 기반하여 밸런싱 회로(220)가 동작할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(120)는 충전 회로(200)의 초기 동작 시에 밸런싱 회로(220)의 밸런싱 제어 회로(600)(예: 도 6의 토글 회로(620))의 출력을 초기 동작 모드 설정에 의한 값(예: 셋(set) 또는 리셋(reset))으로 결정할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(120)는 제1 충전 기능 및/또는 제2 충전 기능 시에 충전 회로(200)가 부스트 모드로 동작하기 위한 제1 설정 값을 결정하고, 제3 충전 기능 및/또는 제4 충전 기능 시에 충전 회로(200)가 벅 모드로 동작하기 위한 제2 설정 값을 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 벅 모드는 입력 전압을 강압하여 출력하는 모드(예: 스텝다운 모드(step-down mode))를 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 부스트 모드는 입력 전압을 승압하여 출력하는 모드(예: 스텝업 모드(step-up mode))를 나타낼 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 중간 전압(또는 중심 값)에 기반하여 3-레벨 컨버터(210)의 동작 모드를 결정하고, 중간 전압 및 동작 모드에 기반하여 3-레벨 컨버터(210)가 동작하도록 밸런싱 회로(220)를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 충전 기능은, 예를 들면, 벅 모드에서 전자 장치(101)의 배터리(189) 및/또는 제2 외부 장치(301)의 전력으로 제1 외부 장치(201)(예: OTG 장치)를 충전하는 기능을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 충전 기능은, 예를 들면, 전자 장치(101)의 배터리(189)의 전력으로 제2 외부 장치(301)(예: 다른 전자 장치)를 무선으로 충전하는 기능(예: 무선 배터리 공유 모드)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제3 충전 기능은, 예를 들면, 제2 외부 장치(301)(예: 다른 전자 장치 또는 충전 패드)로부터 무선으로 수신하는 전력으로 전자 장치(101)의 배터리(189)를 충전하는 기능을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제4 충전 기능은, 예를 들면, 제1 외부 장치(201)(예: USB 충전기)로부터 유선으로 수신하는 전력으로 전자 장치(101)의 배터리(189)를 충전하는 기능을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 메모리(130)는 도 1을 참조한 설명 부분에서 설명한 바와 같은 메모리(130)의 기능을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 메모리(130)는, 전자 장치(101)의 충전 동작과 관련된 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 데이터는, 전자 장치(101)의 충전 기능 수행 시에, 제1 충전 기능, 제2 충전 기능, 제3 충전 기능 및/또는 제4 충전 기능에 따른 초기 동작 모드 설정 값을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리(189)는 전자 장치(101)의 적어도 하나의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배터리(189)는, 충전 회로(200)로부터, 제1 외부 장치(201) 또는 제2 외부 장치(301)로부터 수신된 전력의 적어도 일부를 공급받아 충전될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배터리(189)는 충전 회로(200)를 통해 제1 외부 장치(201) 또는 제2 외부 장치(301)로 전력을 직접 또는 무선으로 공급하여 제1 외부 장치(201) 또는 제2 외부 장치(301)의 충전을 지원할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배터리(189)는, 예를 들면, 배터리 보호 회로(예: PCM, protection circuit module)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 보호 회로는 배터리(189)의 성능 저하 또는 소손을 방지하기 위한 다양한 기능(예: 사전 차단 기능)을 수행할 수 있다. 배터리 보호 회로는, 추가적으로 또는 대체적으로, 셀 밸런싱, 배터리의 용량 측정, 충방전 횟수 측정, 온도 측정, 또는 전압 측정을 수행하기 위한 배터리 관리 시스템(BMS, battery management system)의 적어도 일부로서 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 충전 회로(200)는 3-레벨 컨버터(three-level converter)(210) 및 밸런싱 회로(balancing circuitry)(220)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 3-레벨 컨버터(210)는 일단이 충전 회로(200)를 통해 적어도 하나의 외부 장치(예: 도 2의 제1 외부 장치(201) 및/또는 제2 외부 장치(301))와의 충전 패스를 연결하도록 형성하고, 타단이 전자 장치(101)의 배터리(189)와 충전 패스를 연결하도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 3-레벨 컨버터(210)는 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 지원할 수 있다. 일 실시예에서, 충전 회로(200)의 3-레벨 컨버터(210)는 스위칭 회로(310) 및 필터 회로(320)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 3-레벨 컨버터(210)의 구조의 예가 도 3에 도시된다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른, 스위칭 회로(310)는 입력 전압(Vin)을 스위칭 제어할 수 있다. 스위칭 회로(310)는 제1 스위칭 소자(Q1), 제2 스위칭 소자(Q2), 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 복수의 스위칭 소자와 플라잉 커패시터(CF, flying capacitor)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 스위칭 소자 각각은 트랜지스터(예: 모스펫(MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor))를 이용할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트 드라이브(gate drive), 제2 스위칭 소자(Q2)의 게이트 드라이브, 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트 드라이브, 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 게이트 드라이브로 스위칭을 제어하기 위한 신호(예: 게이트 구동 신호(gate drive signal))가 인가될 수 있다. 예를 들면, PWM(pulse width modulation) 신호가 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 각 게이트 드라이브에 입력되어 스위칭을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)는, 예를 들면, 소스(source), 게이트(gate) 및 드레인(drain) 단자를 포함할 수 있고, 게이트(gate) 전압의 온/오프(on/off)에 기반하여 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)가 온/오프 될 수 있다. 예를 들면, 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트는 일종의 커패시터와 유사할 수 있고, 커패시터를 채우고 비움으로써 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)가 온/오프되는 원리일 수 있다. 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)는 게이트와 드레인 또는 소스 사이에 전기적 연결을 가지지 않고 분리될 수 있으며, 게이트에 지정된 값 이상의 전압(예: 임계 전압(threshold voltage))이 인가되면, 드레인과 소스 사이에 전류가 흐를 수 있다. 일 실시예에서, 지정된 값 이상의 전압(예: 임계 전압)은, 예를 들면, 2V에서 10V 사이로 다양할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위칭 회로(310)에서, 제3 스위칭 소자(Q3)는 제2 스위칭 소자(Q2)의 반전 회로일 수 있고, 제4 스위칭 소자(Q4)는 제1 스위칭 소자(Q1)의 반전 회로일 수 있다.
일 실시예에서, 플라잉 커패시터(CF)는 전압을 높이기 위해 사용되는 커패시터를 나타낼 수 있다. 플라잉 커패시터(CF)의 음극은 접지에 붙지 않으며, 양 끝단이 스위칭 소자와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플라잉 커패시터(CF)는 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 적어도 일부 스위칭 소자의 동작에 따라 충전, 방전 또는 플로팅(floating)될 수 있다.
일 실시예에서, 플라잉 커패시터(CF)는 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제3 스위칭 소자(Q3)의 동작에 따라 충전되고, 제2 스위칭 소자(Q2) 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 동작에 따라 방전될 수 있다. 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)는, 예를 들어, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)가 온(on) 되고, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위치 소자(Q4)가 오프(off) 되는 동안 충전될 수 있다. 이러한 경우, 스위칭 회로(310)의 출력(예: 인덕터(L)의 입력단 전압 또는 스위칭 노드 전압)은 입력 전압(Vin)의 절반 전압(예: Vin - Vc = Vin/2)일 수 있다. 다른 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)는 예를 들어, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)가 오프 되고, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 온 되는 동안 방전될 수 있다. 이러한 경우, 스위칭 회로(310)의 출력은 입력 전압(Vin)의 절반 전압(예: Vc = Vin/2)일 수 있다.
일 실시예서, 플라잉 커패시터(CF)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되고, 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 오프 되는 경우 플로팅 될 수 있다. 이러한 경우, 스위칭 회로(310)의 출력은 입력 전압(Vin)일 수 있다. 다른 실시예에서, 플라잉 커패시터(CF)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 오프 되고, 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 경우 플로팅 될 수 있다. 이러한 경우, 스위칭 회로(310)의 출력은 0일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온(on) 되는 경우에는 쇼트(short)가 발생할 수 있다. 예를 들면, 제1 스위칭 소자(Q1) 와 제4 스위칭 소자(Q4)의 제어 신호는 서로 반전될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제3 스위칭 소자(Q3)가 동시에 온 되는 경우에는 쇼트가 발생할 수 있다. 예를 들면, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제3 스위칭 소자(Q3)의 제어 신호는 서로 반전될 수 있다.
일 실시예에 따른, 필터 회로(320)는 스위칭 회로(310)의 출력 신호를 평활화 하여 출력 전압(Vo)을 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 필터 회로(320)는 인덕터(L)와 커패시터(Co)를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 필터 회로(320)는 저항(R)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 인덕터(L)는 스위칭 소자가 턴-온 되면 에너지를 충전하고, 스위칭 소자가 턴-오프 되면 전류 관성을 유지한 채 에너지를 출력단으로 전달(에너지 방출)할 수 있다. 일 실시예에서, 인덕터(L)의 일단은 제2 스위칭 소자(Q2)와 제3 스위칭 소자(Q3) 사이의 제1 접점(N1)을 통해 제2 스위칭 소자(Q2) 및 제3 스위칭 소자(Q3)와 연결될 수 있다. 인덕터(L)의 타단은 제2 접점(N2)에서 커패시터(Co)의 일단과 연결될 수 있다. 커패시터(Co)의 타단은 접지와 연결될 수 있다. 여기서, 제2 접점(N2)의 전압은 필터 회로(320)의 출력 전압에 대응할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 필터 회로(320)는 인덕터(L)와 커패시터(Co)에 의한 LC 필터(예: 저역통과필터(LPF, low pass filter))를 형성할 수 있다. 예를 들면, 인덕터(L)와 커패시터(Co)는 출력 단에서 보이는 고주파 성분을 제거하여 직류 성분만 통과시켜서 출력 단에 전달할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전술한 구성을 포함하는 3-레벨 컨버터(210)는 입력 전압(Vin)을 입력 받고, 입력 전압을 배터리(189)를 충전하기 위한 스위칭 동작을 통하여 출력 전압(Vo)을 발생하는 DC-DC 컨버터일 수 있다. 일 실시예에서, "3-레벨"이라는 의미는, DC-DC 컨버터의 스위칭 동작에 이용되는 전압 레벨의 개수에 관련되며, 예를 들면, 입력 전압(Vin), 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2) 및 제로 전압(0V)과 같은 3개의 레벨로 동작 가능한 컨버터인 것을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 3의 예시를 참조하면, 스위칭 소자(예: Q1, Q2, Q3 및 Q4) 중, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴-온 되는 경우 스위칭 노드의 전압은 입력 전압(Vin)이 되고, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3) 또는 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 턴-온 되는 경우 스위칭 노드의 전압은 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)이 되고, 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 턴-온 되는 경우 스위칭 노드의 전압은 제로 전압(0V)이 될 수 있다. 이러한 3-레벌 컨버터(210)의 예가 도 3에 도시되며, 본 개시에서 이용되는 DC-DC 컨버터의 전압 레벨의 개수는 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 3-레벨 컨버터(210)는 입력 전압(Vin) 보다 낮은 목표 전압으로 출력 전압(Vo)을 제어하는 회로일 수 있다. 예를 들면, 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 튜티(duty)(D)(예: 스위칭 듀티)와 입력 전압(Vin)의 곱으로 출력 전압(Vo)을 나타낼 수 있다. 예를 들면, Vo = D*Vin과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 듀티는 듀티비로 0과 1 사이 값을 가지며, 예를 들면, 스위치가 온(on)이면 듀티가 “1”이고, 스위치가 절반만 온이면 듀티가 “0.5”이고, 스위치가 오프(off)이면 듀티가 “0”일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 3-레벨 컨버터(210)는 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반(또는 1/2)으로 유지되고 있는 경우에는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클(duty cycle)이 동일할 수 있고, 듀티 신호의 위상이 서로 180도 차이(또는 위상차)를 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 3-레벨 컨버터(210)는, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 작아지면, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구될 때까지 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시킬 수 있다. 다른 실시예에 따라, 3-레벨 컨버터(210)는 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 커지면, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 감소될 때까지 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 따라, 3-레벨 컨버터(210)는, 듀티가 0.5 이하인 경우 인덕터(L)에 걸리는 전압(VL)은 0에서 Vin/2로 스위칭 되고, 듀티가 0.5 이상인 경우 인덕터(L)에 걸리는 전압(VL)은 Vin/2에서 입력 전압(Vin)으로 스위칭 될 수 있다. 따라서, 3-레벨 컨버터(210)의 경우 일반적인 컨버터(예: 2-레벨 컨버터)에 비해 인덕터(L)에 걸리는 전압이 절반으로 줄어드는 효과가 있다. 이는 인덕터 전류(IL) 리플(ripple)의 크기 및 출력 전압(Vo) 리플을 줄이는 효과를 가질 수 있다. 이와 같이, 3-레벨 컨버터(210)의 경우, 일반적인 2-레벨 컨버터에 비해 다양한 레벨 조합에 기반한 다양한 동작 모드가 가능하다. 또한, 3-레벨 컨버터(210)는 2-레벨 컨버터에 구현되는 인덕터에 비해 상대적으로 작은 용량의 인덕터(L)를 사용하더라도, 큰 용량의 인덕터를 사용하는 2-레벨 컨버터와 동일한 전류 리플을 유지할 수 있기 때문에, 인덕터(L)의 용량 감소를 통한 인덕터(L)의 저항 저감으로 높은 전력 변환 효율을 얻을 수 있다.
일 실시예에 따라, 충전 회로(200)는 유선 충전 패스(path)와 무선 충전 패스를 모두 포함할 수 있다. 예를 들면, 충전 회로(200)는 유선 충전 패스를 통해 제1 외부 장치(201)에 대한 출력을 제공하고, 무선 충전 패스를 통해 제2 외부 장치(301)로부터 수신된 전력을 전자 장치(101)에 대한 입력으로 제공할 수 있다. 다른 예를 들면, 충전 회로(200)는 유선 충전 패스를 통해 제1 외부 장치(201)로부터 수신된 전력을 전자 장치(101)에 대한 입력으로 제공하고, 무선 충전 패스를 통해 제2 외부 장치(301)에 대한 출력을 제공할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 제2 외부 장치(301)와 무선 충전을 수행하는 동안 다른 외부 장치(예: OTG 장치)로 전원을 공급하거나, 또는 전자 장치(101)의 유선 충전을 수행하는 동안 전자 장치(101)의 무선 전력 공유(power share) 기능(또는 무선 배터리 공유 모드)을 통해 무선 충전 단으로 전원을 공급할 수 있다.
이러한 경우, 전력을 공급받는 쪽에서 요구(demand)하는 전력이, 전력을 공급하는 쪽의 전력보다 작은 경우에는, 두 전력의 차이가 충전 회로(200)의 출력으로 공급될 수 있다. 이와 반대로, 전력을 공급받는 쪽에서 요구하는 전력이, 전력을 공급하는 쪽의 전력보다 큰 경우에는, 충전 회로(200)가 리버스 부스트(reverse boost)로 동작하며, 두 전력의 차이가 전자 장치(101)의 배터리(189)로부터 공급될 수 있다.
상기와 같은 환경에서는, 충전 회로(200)는 입력 전원의 끊김 없이(seamless transition), 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드(buck mode)(또는 벅 동작(buck operation))와 부스트 모드(boost mode)(또는 부스트 동작(boost operation)) 간의 전환이 이루어져야 한다. 이의 예가 도 4 및 도 5에 도시된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4 및 도 5는 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드로 동작하는 예(도 4) 및 부스트 모드로 동작하는 예(도 5)를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 도 4는, 예를 들면, 전자 장치(101)가 제1 외부 장치(201)(예: OTG 장치)와 연결되어 데이터 통신 및/또는 충전을 수행하고, 이와 동시에 무선 충전 모드(예: 무선 전력 수신 모드)에 따라 제2 외부 장치(301)로부터 무선 전력을 수신하는 상태를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 예시는 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드에 따른 충전 패스를 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 도 5는, 예를 들면, 도 4와 같은 상태에서, 전자 장치(101)와 제2 외부 장치(301) 사이의 연결이 해제되고, 제2 외부 장치(301)로부터의 무선 전력의 수신이 중단(또는 차단)된 상태를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 예시는 3-레벨 컨버터(210)의 부스트 모드에 따른 충전 패스의 흐름을 나타낼 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 충전 회로(200)는 전자 장치(101)가 제1 외부 장치(201) 및 제2 외부 장치(301)와 각각 연결되고, 벅 모드로 동작 시에, 제2 외부 장치(201)로부터 수신되는 입력 전압(①)의 적어도 일부 전압(②)을 제1 외부 장치(201)로 전달하고, 입력 전압(①)의 나머지 일부 전압(③=①-②)을 전자 장치(101)의 배터리(189)로 전달하는 제1 충전 패스를 구성할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 충전 회로(200)는 도 4와 같은 상태(예: 벅 모드로 동작 중)에서, 전자 장치(101)가 제2 외부 장치(301)와 연결이 해제되어 제2 외부 장치(301)로부터의 입력 전압(①)이 차단되고, 벅 모드로부터 전환되는 부스트 모드로 동작 시에, 전자 장치(101)의 배터리(189)의 전압(VBAT)(④)을 제1 외부 장치(201)로 전달하는 제2 충전 패스를 구성할 수 있다. 예를 들면, 충전 회로(200)는 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드(또는 벅 동작)와 부스트 모드(또는 부스트 동) 사이를 적응적으로 전환할 수 있다.
일 실시예에 따라, 3-레벨 컨버터(210)(예: 스위칭 회로(310))는 벅 모드에서는 제1 스위칭 소자(Q1)가 켜져 있는 동안 플라잉 커패시터(CF)가 충전되고, 제2 스위칭 소자(Q2)가 켜져 있는 동안 플라잉 커패시터(CF)가 방전될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 3-레벨 컨버터(210)(예: 스위칭 회로(310))는 부스트 모드에서는 제1 스위칭 소자(Q1)가 켜져 있는 동안 플라잉 커패시터(CF)가 방전되고, 제2 스위칭 소자(Q2)가 켜져 있는 동안 플라잉 커패시터(CF)가 충전될 수 있다. 따라서, 충전 회로(200)에서 3-레벨 컨버터(210)의 플라잉 커패시터(CF)의 전압 밸런싱(balancing)을 위한 밸런싱 회로(balancing circuitry)는, 제어 방향이 3-레벨 컨버터(210)의 동작(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에 따라 자동으로 전환되어야 한다.
예를 들면, 3-레벨 컨버터(210)를 사용한 충전 회로(200)의 경우, 이상적으로는 제1 스위칭 소자(Q1)의 도통 시간과 제2 스위칭 소자(Q2)의 도통 시간이 같아, 플라잉 커패시터의 전압은 입력 전압의 1/2로 유지될 수 있다. 하지만, 실제 충전 회로(200)에서는 회로의 편차 등으로 인해 도통 시간의 미세한 차이가 발생할 수 있고, 이로 인해, 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압의 1/2로 유지되지 않을 수 있다. 이에, 충전 회로(200)에서는 플라잉 커패시터(CF)의 전압을 모니터링하여 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압의 1/2을 유지할 수 있도록 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 도통 시간을 보상할 수 있는 밸런싱 회로가 필요할 수 있다. 예를 들면, 벅모드 동작 시에는 제1 스위칭 소자(Q1)의 도통 시간을 늘리고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 도통 시간을 줄이면, 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 상승하고, 부스트 모드 동작 시에는 제1 스위칭 소자(Q1)의 도통 시간을 늘리고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 도통 시간을 줄이면 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 감소할 수 있다.
본 개시에서는 3-레벨 컨버터(210)의 플라잉 커패시터(CF) 전압의 지정된 밸런싱 모드에 관계없이, 현재 밸런싱의 상태를 판단(예: 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반한 현재 밸런싱의 적절성 판단)하고, 그에 따라 3-레벨 컨버터(210)의 지정된 밸런싱 모드에서 벅 모드와 부스트 모드에 대응하는 동작 사이의 끊김 없는 전환을 지원할 수 있는 밸런싱 회로(220)가 제공될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 충전 회로(200)는 전술한 바와 같이, 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드와 부스트 모드 사이의 끊김 없는 전환을 제어하기 위한 밸런싱 회로(220)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 전자 장치(101) 또는 전자 장치(101)의 충전 회로(200)는 3-레벨 컨버터(210)의 적응적 동작 제어를 위한 밸런싱 회로(220)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 밸런싱 회로(220)는 3-레벨 컨버터(210)의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱을 조정하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 밸런싱 회로(220)는 3-레벨 컨버터(210)의 인덕터(L) 양단의 인덕터 전류(IL) 및/또는 출력 전압(Vo)의 변화에 기반하여 밸런싱을 위한 제어 신호(예: 게이트 구동 신호(gate drive signal) 또는 듀티 신호)를 생성하여 3-레벨 컨버터(210)의 스위칭 회로(310)로 출력할 수 있다. 이러한 제어 신호에 따라 3-레벨 컨버터(210)의 스위칭 회로(310)에 포함된 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 적어도 일부가 선택적으로 턴-온 되어, 플라잉 커패시터(CF)가 충전되거나 방전될 수 있다.
일 실시예에서, 밸런싱 회로(220)는 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)으로 유지되지 못하고 드리프트(drift) 되는 것을 방지하기 위한 회로일 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 밸런싱 회로(220)는 전자 장치(101)의 유무선 충전에 따른 복합 동작 조건에서, 지정된 밸런싱 모드에 따른 밸런싱을 수행하고, 해당 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 식별할 수 있다. 일 실시예에 따라, 밸런싱 회로(220)는 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 현재 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에서 설정된 제1 패스를 유지하거나, 현재 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에서 설정된 제1 패스를 제1 패스와 반대되는 제2 패스로 토글(toggle)(또는 반전)할 수 있다.
일 실시예에 따라, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서, 제1 패스에 따라, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 작아지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구하도록 동작할 수 있다. 다른 예를 들면, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서, 제1 패스에 따라, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 커지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 감소하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서, 제2 패스에 따라, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 작아지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구하도록 동작할 수 있다. 다른 예를 들면, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서, 제2 패스에 따라, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 커지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 감소하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 밸런싱 회로(220)는 3-레벨 컨버터(210)를 이용한 양방향 동작이 가능한 충전 회로(200)에서, 플라잉 커패시터(CF)의 전압의 지정된 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에 관계없이, 현재 밸런싱이 적절한지를 판단(예: 목표한 밸런싱에 대응하는지(예: 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)으로 유지되는지) 여부 판단)하고, 그 결과에 기반하여 현재 밸런싱에 대응하는(또는 적합한) 패스를 자동으로 선택하여 전환할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른, 밸런싱 회로(220)는 전자 장치(101)가 유무선 충전을 수행하는 복합 동작 조건에서, 충전 회로(200)의 입력 전원의 끊김 없이 3-레벨 컨버터(210)의 현재 모드에 대한 패스를 적응적으로 전환하도록 지원할 수 있다.
일 실시예에서, 복합 동작 조건은, 예를 들면, 전자 장치(101)가 제2 외부 장치(301)와 무선 충전 기능(예: 무선 전력 수신 모드)을 수행하는 중에 제1 외부 장치(201)(예: OTG 장치)의 연결 검출, 제1 외부 장치(201)(예: OTG 장치)와 연결된 중에 제2 외부 장치(301)와 연결 및 무선 충전 기능(무선 전력 수신 모드) 수행 검출, 제1 외부 장치(201)(예: USB 충전기)와 연결되어 유선 충전을 수행하는 중에 제2 외부 장치(301)와 무선 충전 기능(예: 무선 전력 전송 모드 또는 무선 배터리 공유 모드) 수행 검출, 또는 제2 외부 장치(301)와 무선 충전 기능(예: 무선 전력 전송 모드 또는 무선 배터리 공유 모드)을 수행하는 중에 제1 외부 장치(201)(예: USB 충전기)와 연결 및 유선 충전 수행 검출과 같은 다양한 복합적인 환경을 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 밸런싱 회로(220)는 3-레벨 컨버터(210)의 인덕터 전류(IL)의 센싱 없이, 플라잉 커패시터(CF)의 적응적 밸런싱을 제어할 수 있다. 예를 들면, 밸런싱 회로(220)는 충전 회로(200)에서, 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱을 위한 제어 회로(예: 자동 밸런싱 동작 전환 회로)로, 3-레벨 컨버터(210)의 현재 모드에서 패스 전환에 기반하여 벅 모드에 대응하는 동작과 부스트 모드에 대응하는 동작 간에 끊김 없는 전환을 제공할 수 있다. 본 개시에 따른 밸런싱 회로(220)는 밸런싱 제어 회로(balancing control circuitry)(600)와 스위칭 제어 회로(switching control circuitry)(700)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 밸런싱 제어 회로(600)는 3-레벨 컨버터(210)의 인덕터 전류(IL)의 센싱 없이, 플라잉 커패시터(CF)의 범위를 이용하여, 현재 설정된 밸런싱 회로(220)의 제어 방향에 따른 밸런싱 상태를 판단할 수 있다. 일 실시예에서, 밸런싱 제어 회로(600)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향에 의해 지정된 조건을 만족하는지 여부에 기반하여 밸런싱 회로(220)의 현재 제어 방향에 따른 밸런싱이 적절한지 판단(예: 목표한 밸런싱이 유지(예: 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)으로 유지)되는지 또는 목표한 밸런싱과 차이가 발생하지 판단)할 수 있다. 예를 들면, 밸런싱 제어 회로(600)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향에 따른 밸런싱이 지정된 조건을 만족하는 경우(예: 현재 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는 경우) 현재 제어 방향이 정상 방향인(또는 적절한) 것으로 판단할 수 있다. 다른 예를 들면, 밸런싱 제어 회로(600)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향에 따른 밸런싱이 지정된 조건을 만족하지 않는 경우(예: 현재 밸런싱과 목표한 밸런싱에 차이가 발생하는 경우) 현재 제어 방향이 에러 방향인(또는 부적절한) 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에 따라, 밸런싱 제어 회로(600)는, 인덕터(L) 양단의 인덕터 전류(IL) 및/또는 출력 전압(Vo)의 변화에 기반하여 밸런싱을 위한 제어 신호(예: 게이트 구동 신호(gate drive signal))를 생성할 수 있다. 예를 들어, 밸런싱 제어 회로(600)는 현재 설정된 제어 방향에 따른 현재 밸런싱과 목표한 밸런싱의 비교에 기반하여, 현재 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부를 식별할 수 있다. 밸런싱 제어 회로(600)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향에 따른 밸런싱이 적절한 경우(예: 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)으로 유지되는 경우), 예를 들어, 현재 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하면, 현재 설정(예: 제어 방향 또는 패스)을 유지하도록 동작할 수 있다. 밸런싱 제어 회로(600)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향에 따른 밸런싱이 적절하지 않은 경우(예: 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)보다 크거나 작은 경우), 예를 들어, 현재 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하지 않으면, 밸런싱 회로(220)의 제어 방향(예: 패스)을 토글(또는 전환)하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 밸런싱 회로(220)는 벅 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 작아지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구하도록 동작할 수 있다. 밸런싱 회로(220)는 벅 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 커지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 감소하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 밸런싱 회로(220)는 부스트 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 작아지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구하도록 동작할 수 있다. 밸런싱 회로(220)는 부스트 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 커지면, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 감소하도록 동작할 수 있다. 이를 위한 밸런싱 제어 회로(600)의 예가 도 6에 도시된다.
일 실시예에서, 스위칭 제어 회로(700)는 3-레벨 컨버터(210)의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱과 관련된 스위칭 소자(예: Q1, Q2, Q3, Q4)의 스위칭을 위한 제어 신호(예: 게이트 구동 신호)를 발생할 수 있다. 일 실시예에 따라, 스위칭 제어 회로(700)는 밸런싱 제어 회로(600)로부터 수신되는 제어 신호에 기반하여, 밸런싱 회로(220)의 현재 동작 중인 모드에 기반한 제어 방향을 제1 패스 또는 제1 패스를 반전하는 제2 패스로 동작하도록 스위칭 소자(예: Q1, Q2, Q3, Q4)의 스위칭을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위칭 제어 회로(700)는 밸런싱 제어 회로(600)(예: 도 6의 토글 회로(620))로부터, 스위칭 제어 회로(700)의 제어 방향을 반전시킬 수 있는 제어 신호(예: 게이트 구동 신호)를 획득할 수 있다. 예를 들면, 스위칭 제어 회로(700)는 밸런싱 제어 회로(600)의 제1 제어 신호(예: 현재 설정을 유지하도록 지정된 신호로, 예를 들면, ‘high’)에 기반하여, 현재 지정된 밸런싱 모드에 따른 제어 방향(예: 제1 패스)을 유지(예: 현재 설정 유지)하도록 스위칭 할 수 있다. 다른 예를 들면, 스위칭 제어 회로(700)는 밸런싱 제어 회로(600)의 제2 제어 신호(예: 현재 설정을 변경하도록 지정된 신호로, 예를 들면, ‘low’)에 기반하여, 현재 지정된 밸런싱 모드에 따른 제어 방향(예: 제1 패스)을 변경(예: 제1 패스 -> 제2 패스로 변경하여, 현재 설정 반전)하도록 스위칭 할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 제어 회로(700)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향을 제어하여 3-레벨 컨버터(210)의 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)를 적응적으로 전환하도록 함으로써, 플라잉 커패시터(CF)의 전압을 스텝 다운(step-down) 또는 스텝 업(step-up) 할 수 있다. 이를 위한 스위칭 제어 회로(700)의 예가 도 7a 및 도 7b에 도시된다.
도 6 내지 도 7b는 도 2에 따른 밸런싱 회로의 회로 구성 예를 도시하는 도면들이다.
일 실시예에서 도 6은 밸런싱 회로(220)에서 동작하는 밸런싱 제어 회로(600)의 회로 구성 예를 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 도 7a 및 도 7b는 밸런싱 회로(220)에서 동작하는 스위칭 제어 회로(700)의 회로 구성 및 동작 예를 나타낼 수 있다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 밸런싱 제어 회로(600)는 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)과 입력 전압(Vin/2)에 기반하여 현재 밸런싱(예: 밸런싱 상태)을 식별하고, 현재 밸런싱에 대응하는 제어 신호(예: 토글 회로(620)의 출력 신호(S))를 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 밸런싱 제어 회로(600)는 감지 회로(610)와 토글 회로(620)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 감지 회로(610)는 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)과 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)을 비교 연산하여 그 결과를 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 감지 회로(610)는 적어도 2개의 비교기와 논리 게이트(예: OR 게이트)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 감지 회로(610)는 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)과 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)을 비교할 수 있다. 감지 회로(610)는 비교하는 결과에 기반하여, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)에 거의 변동 없이 일정하게 유지되면(예: 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)가 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)의 범위에 포함되면), 현재 제어 방향을 유지하도록 동작할 수 있다. 감지 회로(610)는 비교하는 결과에 기반하여, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)보다 크거나 작으면(예: 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)의 범위를 벗어나면), 현재 제어 방향을 반전하도록 지정된 출력(예: 클럭 신호)를 토글 회로(620)로 전달할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 감지 회로(610)는 논리 게이트(예: OR 게이트)에서 2개의 비교기로부터의 2개의 입력을 논리 연산하고, 논리 연산 결과인 클럭 신호를 토글 회로(620)로 입력할 수 있다.
일 실시예에서, 토글 회로(620)는 플립플롭(F/F, flip-flop)(620)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 플립플롭(F/F)(620)은 토글(T, toggle) 플립플롭(T F/F)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 토글 회로(620)는 감지 회로(610)의 클럭 신호를 이용하여 토글 회로(620)의 출력(S)(예: S = high 또는 S = low)을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 토글 회로(620)의 출력(S)은, 플라잉 커패시터(CF)의 충전 또는 방전을 위한 밸런싱 제어 방향을 선택하기 위한 제어 신호(예: “H”(High) 또는 “L”(Low))를 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 토글 회로(620)는 감지 회로(610)로부터의 클럭 신호 입력에 기반하여, 현재 밸런싱 제어 방향을 반전하는 출력(S)을 발생할 수 있다. 예를 들면, 플립플롭(620)은 감지 회로(610)로부터 클럭 신호가 입력될 때마다 출력(S)(예: high 또는 low)을 반전할 수 있다. 일 실시예에서, 토글 회로(620)의 출력(S)은 스위칭 제어 회로(700)에 입력될 수 있다. 일 실시예에 따라, 토글 회로(620)는 스위칭 제어 회로(700)의 반전 회로(720)(예: 멀티플렉서(mux, multiplexer))와 연결될 수 있다.
도 3, 도 6, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 스위칭 제어 회로(700)는 밸런싱 제어 회로(600)의 출력(S)에 기반하여, 벅 모드 또는 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향을 선택하기 위한 제어 신호(예: 게이트 구동 신호)를 생성하여, 3-레벨 컨버터(210)(예: 스위칭 회로(310))로 입력할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 제어 회로(700)는 모드 결정 회로(710), 반전 회로(720)(또는 보상 회로) 및 동작 제어 회로(730)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 모드 결정 회로(710)는 2개의 비교기(예: 제1 비교기(711) 및 제2 비교기(713))를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 모드 결정 회로(710)의 각각의 비교기(711, 713)는 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)과 기준 전압(예: 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2))을 입력 받고, 대응하는 모드 활성화 신호를 발생할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 모드 결정 회로(710)는 플라잉 커패시터(CF)의 충전 또는 방전하도록, 3-레벨 컨버터(210)의 스위칭 회로(310)에 포함된 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 적어도 일부를 선택적으로 턴-온 하는 모드 활성화 신호(예: 베이스 전압(VB1, VB2))를 출력할 수 있다. 예를 들면, 모드 결정 회로(710)는 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향을 선택하거나, 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향을 선택하고, 대응하는 모드 활성화 신호(예: 베이스 전압(VB1, VB2))를 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 반전 회로(720)는 2개의 멀티플렉서(예: 제1 멀티플렉서(Mux1), 제2 멀티플렉서(Mux2))를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반전 회로(720)는 밸런싱 제어 회로(600)(예: 토글 회로(620))의 출력(S)(예: ‘high’ 또는 ‘low’)에 대응하여, 모드 결정 회로(710)의 모드 활성화 신호(예: 베이스 전압(VB1, VB2))의 패스를 바이패스 또는 전환(예: 모드 결정 회로(710)의 제어 방향을 반대로 제어)하도록 스위칭 할 수 있다.
일 실시예에 따라, 반전 회로(720)는 토글 회로(620)의 출력(S)이 ‘high’(예: S=1)이면, 도 7a에 예시된 바와 같이, 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향을 선택하도록 동작(예: 현재 제어 방향 유지)할 수 있다. 예를 들면, 반전 회로(720)는 모드 결정 회로(710)의 모드 활성화 신호(예: 베이스 전압(VB1, VB2))를 제1 패스(①)를 통해 동작 제어 회로(730)로 전달할 수 있다.
일 실시예에 따라, 도 7a를 참조하면, 반전 회로(720)는 제1 비교기(711)의 제1 베이스 전압(VB1)과 제2 비교기(713)의 제2 베이스 전압(VB2) 패스의 반전 없이 제1 패스(①)를 통해 동작 제어 회로(730)의 입력 전압의 일부로서 각각 전달하도록 동작할 수 있다. 예를 들면, 반전 회로(720)는, 제1 패스(①)에 따라, 제1 비교기(711)의 제1 베이스 전압(VB1)이 보상 전압(Vcntrl)과 결합(예: 합산)된 제1 제어 전압(예: Vcntrl1=Vcntrl+VB1)이 동작 제어 회로(730)의 제1 선택기(731)로 입력하도록 동작할 수 있다. 또한, 반전 회로(720)는, 제1 패스(①)에 따라, 제2 비교기(713)의 제2 베이스 전압(VB2)이 보상 전압(Vcntrl)과 결합(예: 합산)된 제2 제어 전압(예: Vcntrl2=Vcntrl+VB2)이 동작 제어 회로(730)의 제2 선택기(733)로 입력하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 작아지면, 제1 패스(①)에 따라, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구(예: 밸런싱 보상)하도록 동작할 수 있다. 다른 예를 들면, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 커지면, 제1 패스(①)에 따라, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 감소(예: 밸런싱 보상)하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 반전 회로(720)는 토글 회로(620)의 출력(S)이 ‘low’(예: S=0)이면, 도 7b에 예시된 바와 같이, 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향을 선택하도록 동작(예: 현재 제어 방향 반전)할 수 있다. 예를 들면, 반전 회로(720)는 모드 결정 회로(710)의 모드 활성화 신호(예: 베이스 전압(VB1, VB2))를 제2 패스(②)를 통해 동작 제어 회로(730)로 전달할 수 있다.
일 실시예에 따라, 도 7b를 참조하면, 반전 회로(720)는 제1 비교기(711)의 제1 베이스 전압(VB1)과 제2 비교기(713)의 제2 베이스 전압(VB2) 패스(예: 제1 패스(①))를 전환(또는 반전)하여 제2 패스(②)를 통해 동작 제어 회로(730)의 입력 전압의 일부로서 각각 전달하도록 동작할 수 있다. 예를 들면, 반전 회로(720)는, 제2 패스(②)에 따라, 제1 비교기(711)의 제1 베이스 전압(VB1)이 보상 전압(Vcntrl)과 결합(예: 합산)된 제1 제어 전압(예: Vcntrl1=Vcntrl+VB1)이 동작 제어 회로(730)의 제2 선택기(733)로 입력하도록 동작할 수 있다. 또한, 반전 회로(720)는, 제2 패스(②)에 따라, 제2 비교기(713)의 제2 베이스 전압(VB2)이 보상 전압(Vcntrl)과 결합(예: 합산)된 제2 제어 전압(예: Vcntrl2=Vcntrl+VB2)이 동작 제어 회로(730)의 제1 선택기(731)로 입력하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 작아지면, 극성이 반전된 제2 패스(②)에 따라, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구(예: 밸런싱 보상)하도록 동작할 수 있다. 다른 예를 들면, 밸런싱 회로(220)는 현재 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2 보다 커지면, 밸런싱 보상을 위해 극성이 반전된 제2 패스(②)에 따라, 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소시켜, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 감소(예: 밸런싱 보상)하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 반전 회로(720)는, 도 7b에 예시한 바와 같이, 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향에 따라 동작 중에, 토글 회로(620)의 출력(S)이 ‘high’(예: S=1)로 전환되면, 도 7a에 예시된 바와 같이, 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향을 선택하도록 동작(예: 현재 제어 방향 반전)할 수 있다.
일 실시예에 따라, 토글 회로(620)(예: 플립플롭)의 출력(S)이 ‘high’이면 3-레벨 컨버터(210)가 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향(예: 제1 패스(①))으로 선택될 수 있다. 예를 들면, 토글 회로(620)의 출력(S)이 ‘high’인 경우, 반전 회로(720)는 제1 멀티플렉서(Mux1)의 출력이 동작 제어 회로(730)의 제1 선택기(731)와 연결되고, 제2 멀티플렉서(Mux2)의 출력이 동작 제어 회로(730)의 제2 선택기(733)와 연결되도록 스위칭 할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 토글 회로(620)(예: 플립플롭)의 출력(S)이 ‘low’이면 3-레벨 컨버터(210)가 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향으로 선택될 수 있다. 예를 들면, 토글 회로(620)의 출력(S)이 ‘low’인 경우, 반전 회로(720)는 제1 멀티플렉서(Mux1)의 출력이 동작 제어 회로(730)의 제2 선택기(733)와 연결되고, 제2 멀티플렉서(Mux2)의 출력이 동작 제어 회로(730)의 제1 선택기(731)와 연결되도록 스위칭 할 수 있다.
일 실시예에서, 동작 제어 회로(730)는 모드 결정 회로(710) 및 반전 회로(720)를 통해 입력되는 신호(예: 제1 제어 전압(Vcntrl1) 및 제2 제어 전압(Vcntrl2))에 기반하여 3-레벨 컨버터(210)의 스위칭 회로(310)의 스위칭과 관련된 제어 신호(예: 게이트 구동 신호)를 발생할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 동작 제어 회로(730)는 반전 회로(720)를 통해 결정된 모드 결정 회로(710) 및 반전 제어 회로(720)에 의한 제어 방향에 대응하여, 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 적어도 일부가 선택적으로 턴-온하여, 플라잉 커패시터(CF)의 충전 또는 방전을 위한 제어 신호를 발생할 수 있다.
예를 들면, 스위칭 제어 회로(700)는 밸런싱 제어 회로(600)의 토글 회로(620)로부터, 스위칭 제어 회로(700)의 제어 방향을 반전시킬 수 있는 2개의 멀티플렉서(Mux1, Mux2)의 제어 신호를 획득할 수 있다.
일 실시예에서, 스위칭 제어 회로(700)는 토글 회로(620)의 출력(S)이 ‘high’이면, 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향으로 선택되며, 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반 이하로 떨어지면(예: Q1 듀티 감소, Q2 듀티 증가), 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가하고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소하여, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구하도록 제1 선택기(731) 및 제2 선택기(733)의 게이트 구동 신호(예: Q1 ON, Q2 OFF (Q3 ON, Q4 OFF))를 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 스위칭 제어 회로(700)는 토글 회로(620)의 출력(S)이 ‘low’이면, 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향으로 선택되며, 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반 이하로 떨어지면(예: Q1 듀티 증가, Q2 듀티 감소), 제1 스위칭 소자(Q1)의 듀티 사이클을 점차적으로 감소하고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 듀티 사이클을 점차적으로 증가하여, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 1/2로 복구하도록 제1 선택기(731) 및 제2 선택기(733)의 게이트 구동 신호(예: Q1 OFF, Q2 ON (Q3 OFF, Q4 ON))를 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 동작 제어 회로(730)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2) 간에 180도 위상차를 갖도록 제어 신호를 생성할 수 있다.
이상에서, 도 3 내지 도 7b를 참조하여 살펴본 바와 같이, 본 개시에 따른 밸런싱 회로(220)는 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향을 반전(예: 벅 모드 또는 부스트 모드 전환)시킬 수 있는 스위칭 제어 회로(700) 및 스위칭 제어 회로(700)의 출력 제어를 위한 밸런싱 제어 회로(600)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위칭 제어 회로(700)는 2개의 멀티플렉서(예: 제1 멀티플렉서(Mux1) 및 제2 멀티플렉서(Mux2))를 포함하고, 밸런싱 제어 회로(600)는 반전 회로(720)(예: 2개의 멀티플렉서(Mux1, Mux2))의 출력 제어를 위한 토글 회로(620)(예: 토글 플립플롭)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 반전 회로(720)의 출력 제어를 위한 제어 신호는 토글 회로(620)(예: 토글 플립플롭)을 통해 반전 회로(720)의 2개의 멀티플렉서(Mux1, Mux2)로 각각 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 토글 회로(620)의 기본 출력은, 예를 들면, 프로세서(120)에 의해 충전 회로(200)의 초기 동작 모드 설정에 의한 값으로 결정될 수 있다. 예를 들면, 초기 동작 모드는 제1 셋(set)(예: buck setting) 또는 제2 셋(리셋(reset)(예: boost setting))으로 설정될 수 있다. 본 개시에 따르면, 초기 동작 모드 설정에 따른 충전 동작 중에, 선택된 모드에 대해 밸런싱 회로(220)가 제대로 동작하지 못하여, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)보다 지정된 기준 전압(VH)만큼 커지거나 작아지는 경우, 선택된 모드를 강제로 전환하여, 밸런싱 회로(220)의 정상 동작으로 플라잉 커패시터(CF)의 전압 밸런싱을 바로 잡을 수 있다. 이의 예가 도 8a 및 도 8b에 도시된다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 전자 장치의 밸런싱 제어 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8a는, 예를 들어, 프로세서(120)에 의해 벅 모드 또는 부스트 모드가 명확히 지정된 상태의 동작 예를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 프로세서(120)에 의해 충전 회로(200)의 동작 모드가 셋(예: buck setting) 또는 리셋(예: boost setting)으로 설정되어 동작하는 상태를 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 토글 회로(620)에 클럭 신호의 입력 여부에 관계 없이, 지정된 동작 모드에 따라 출력(S)가 ‘high’ 또는 ‘low’로 결정될 수 있다. 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)의 범위가 중심 값(예: Vin/2)을 기준으로 리플을 고려하여 지정된 히스테리시스(예: +VH 및 -VH) 범위 내에서 일정하게 유지되는 상태일 수 있다.
도 8b는, 예를 들어, 도 8a와 같이 동작하는 중에, 도 4 및 도 5에 예시한 바와 같이, 충전을 위한 입력과 출력의 양방향으로 동작하는 복합적인 환경에서, 벅 모드와 부스트 모드가 빈번하게 교차되거나, 전류 방향이 ‘0’ 근처에서 핑퐁(ping-pong)으로 인하여, 벅 모드 또는 부스트 모드가 명확히 판별되지 않는 상태를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)의 범위가 중심 값(예: Vin/2)을 기준으로 지정된 히스테리시스(예: +VH 및 -VH) 범위를 벗어나는 상태의 예를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)보다 크거나 작은 경우가 발생하는 예를 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 현재 동작 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에 따른 밸런싱이 실패한 것으로 보고, 플라잉 커패스터(CF)의 범위를 지정된 범위(예: Vin/2+VH 또는 Vin/2-VH)를 벗어나는 구간(A)에서, 토글 회로(620)에 클럭을 발생할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 토글 회로(620)의 출력(S) ‘high’로 벅 모드에서 동작 중에, (A) 구간에서 클럭 발생에 대응하여 출력(S) ‘high’가 ‘low’로 반전되고, 출력(S) ‘low’에 따라 부스트 모드로 전환하여 동작할 수 있다. 예를 들면, 반전 회로(720)의 멀티플렉서(예: Mux1, Mux2)의 출력을 동작 제어 회로(730)에 교차 출력하여(예: 도 7b의 제2 패스(②)), 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향을 전환할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 토글 회로(620)의 출력(S) ‘low’로 부스트 모드에서 동작 중에, (B) 구간에서 클럭 발생에 대응하여 출력(S) ‘low’가 ‘high’로 반전되고, 출력(S) ‘high’에 따라 벅 모드로 전환하여 동작할 수 있다. 예를 들면, 반전 회로(720)의 멀티플렉서(예: Mux1, Mux2)의 출력을 동작 제어 회로(730)에 바로 출력하여(예: 도 7a의 제1 패스(①)), 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향을 전환할 수 있다.
본 개시에 따르면, 플라잉 커패시터(CF)를 위한 지정된 범위를 설정하고, 플라잉 커패시터(CF)가 지정된 범위 내에 있는 경우, 현재 설정된 밸런싱 회로(220)의 제어 방향을 유지하도록 동작할 수 있고, 지정된 범위를 벗어나는 경우, 클럭을 발생하여 밸런싱 회로(220)의 제어 방향을 적응적으로 전환하도록 동작할 수 있다. 예를 들면, 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)보다 크거나 작은 경우가 발생하면, 토글 회로(620)의 출력(S)의 ‘high’ 또는 ‘low’에 따른 지속 시간을 적응적으로 변경하여, 벅 모드와 부스트 모드 간 동작을 끊김 없이 전환할 수 있다.
도 8a 및 도 8b에 예시한 바와 같이, 토글 회로(620)의 출력(S)은 초기 동작 모드 설정에 의한 값으로 결정될 수 있지만, 선택된 모드의 밸런싱 회로(220)의 전압 밸런싱이 실패하여 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 입력 전압(Vin)의 절반(Vin/2)(예: 중심 값)보다 히스테리시스(VH)만큼 커지거나 작아지는 경우, 선택된 모드를 강제로 전환하여 플라잉 커패시터(CF)의 전압 밸런싱을 바로 잡을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 개시에 따르면, 충전을 위한 입력과 출력의 양방향으로 동작하는 환경에서, 외부 전원의 전력이 부족한 상황에서도, 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드와 부스트 모드 간에 전환(예: 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱 제어 방향 전환)을 자연스럽고 끊김 없이 제공할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치(101)는, 배터리(189), 프로세서(120), 및 충전 회로(200)를 포함하고, 상기 충전 회로(200)는, 일단이 적어도 하나의 외부 장치와 충전 패스를 연결하고, 타단이 상기 배터리와 충전 패스를 연결하도록 형성되고, 상기 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 하는 3-레벨 컨버터(210)로서, 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4) 및 플라잉 커패시터(CF, flying capacitor)를 포함하는 스위칭 회로(310), 및 인덕터(L) 및 커패시터(Co)를 포함하는 필터 회로(320)를 포함하고, 상기 3-레벨 컨버터(210)의 상기 플라잉 커패시터(CF)의 전압의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로(220)로서, 상기 프로세서(120)에 의해 초기 동작 모드로 지정된 모드에 따른 밸런싱 중에, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 상기 지정된 모드에 설정된 밸런싱 제어 방향을 유지하거나 전환하기 위한 출력을 발생하는 밸런싱 제어 회로(600), 및 상기 밸런싱 제어 회로의 출력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하거나, 또는 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향의 반대 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하는 스위칭 제어 회로(700)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 전자 장치(101)의 유무선 복합 동작 조건에서, 상기 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드와 부스트 모드 사이의 전환을 제어하도록 설정되고, 상기 벅 모드는 입력 전압을 강압하여 출력하는 모드를 포함하고, 상기 부스트 모드는 입력 전압을 승압하여 출력하는 모드를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 밸런싱이 상기 목표한 밸런싱에 대응하는 경우, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 유지하기 위한 제어 신호를 발생하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 밸런싱이 상기 목표한 밸런싱에 대응하지 않는 경우, 상기 지정된 모드에 설정된 상기 제1 패스를, 상기 제1 패스와 반대되는 제2 패스로 전환하기 위한 제어 신호를 발생하도록 동작하고, 상기 제2 패스로 전환하기 위한 제어 신호는 상기 제1 패스를 유지하기 위한 제어 신호의 반전 신호를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 스위칭 제어 회로(700)는, 상기 밸런싱 회로(220)의 제어 방향을 반전하기 위한 반전 회로(720)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 반전 회로(720)는, 상기 밸런싱 회로(220)의 제어 방향을 반대로 제어하기 위한 2개의 멀티플렉서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 2개의 멀티플렉서의 동작을 제어하기 위한 토글 회로(620)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 밸런싱 회로(220)의 제어 방향에 의해 지정된 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 토글 회로(620)를 통해 상기 스위칭 제어 회로(700)의 제어 방향을 변경하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 반전 회로(720)는, 상기 토글 회로(620)의 출력이 하이(H)인 경우, 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향을 선택하도록, 상기 스위칭 제어 회로(700)를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 반전 회로(720)는, 상기 토글 회로(620)의 출력이 로우(L)인 경우, 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향을 선택하도록, 상기 스위칭 제어 회로(700)를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 프로세서(120)에 의해, 상기 토글 회로(620)의 출력에 관련된 초기 동작 모드의 설정이 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 초기 동작 모드에 기반한 밸런싱에 의해, 상기 플라잉 커패시터(CF)의 전압이 입력 전압의 절반 전압보다 기준 전압만큼 커지거나 작아지는 경우, 상기 초기 동작 모드를 강제로 전환하도록 대응하는 제어 신호를 발생하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 충전 회로(200)는, 상기 전자 장치(101)의 유무선 복합 동작 조건에서, 상기 플라잉 커패시터(CF)의 전압 밸런싱을 위한 상기 지정된 모드에 관계없이, 현재 밸런싱의 상태에 기반하여 밸런싱 제어 방향을 자동으로 선택하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 3-레벨 컨버터(210)의 인덕터 전류(IL)의 센싱 없이, 상기 플라잉 커패시터(CF)의 범위를 이용하여, 상기 밸런싱 회로(220)의 현재 설정된 밸런싱 제어 방향의 상태를 판단하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 프로세서(120)는, 상기 전자 장치(101)가 적어도 하나의 외부 장치(201, 301)와 충전 기능 수행 시에, 상기 밸런싱 제어 회로(600)의 출력을, 상기 충전 기능에 대응하는 상기 지정된 모드로 초기 동작 모드를 설정하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 회로(220)는, 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 일부를 선택적으로 턴-온 하여, 상기 플라잉 커패시터(CF)의 충전 또는 방전을 제어하도록 동작할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치(101)의 충전 회로(200)는, 일단이 적어도 하나의 외부 장치와 충전 패스를 연결하고, 타단이 상기 배터리와 충전 패스를 연결하도록 형성되고, 상기 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 하는 3-레벨 컨버터(210)로서, 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4) 및 플라잉 커패시터(CF, flying capacitor)를 포함하는 스위칭 회로(310), 및 인버터(L) 및 커패시터(Co)를 포함하는 필터 회로(320)를 포함하고, 상기 3-레벨 컨버터(210)의 상기 플라잉 커패시터(CF)의 전압의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로(220)로서, 지정된 모드에 따른 밸런싱 중에, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 유지하기 위한 제1 제어 신호를 발생하거나, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 제2 패스로 전환하기 위한 제2 제어 신호를 발생하는 밸런싱 제어 회로(600), 및 상기 제1 제어 신호의 입력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하거나, 또는 상기 제2 제어 신호의 입력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향의 반대 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하는 스위칭 제어 회로(700)를 포함하고, 상기 제2 제어 신호는 상기 제1 제어 신호가 반전된 신호를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 전자 장치(101)의 유무선 복합 동작 조건에서, 상기 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드와 부스트 모드 사이의 전환을 제어하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 스위칭 제어 회로(700)는, 상기 밸런싱 회로(220)의 제어 방향을 반대로 제어하기 위한 2개의 멀티플렉서를 포함하고, 상기 밸런싱 제어 회로(600)는, 상기 2개의 멀티플렉서의 동작을 제어하기 위한 토글 회로(620)를 포함할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 전자 장치에서 충전을 지원하는 동작 방법을 도시하는 흐름도이다.
일 실시예에서, 도 9의 동작 방법은 전자 장치(101)의 충전 회로(200)에 의해 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 동작 901에서, 전자 장치(101)는 기본 설정에 따라 결정된 모드에 기반하여 밸런싱을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 적어도 하나의 외부 장치(예: 제1 외부 장치(201) 및/또는 제2 외부 장치(301))와 유선 및/또는 무선 연결되고, 연결된 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작을 개시할 수 있다. 일 실시예에 따라, 전자 장치(101)는 적어도 하나의 외부 장치와 유무선 충전에 따른 복합 동작 조건에서, 지정된 밸런싱 모드에 따른 밸런싱을 수행할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 3-레벨 컨버터(210)를 이용한 양방향 동작이 가능한 충전 회로(200)에서, 지정된 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에서 대응하는 밸런싱 제어 방향에 기반하여 밸런싱을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 복합 동작 조건은, 예를 들면, 전자 장치(101)가 제2 외부 장치(301)와 무선 충전 기능(예: 무선 전력 수신 모드)을 수행하는 중에 제1 외부 장치(201)(예: OTG 장치)의 연결 검출, 제1 외부 장치(201)(예: OTG 장치)와 연결된 중에 제2 외부 장치(301)와 연결 및 무선 충전 기능(무선 전력 수신 모드) 수행 검출, 제1 외부 장치(201)(예: USB 충전기)와 연결되어 유선 충전을 수행하는 중에 제2 외부 장치(301)와 무선 충전 기능(예: 무선 전력 전송 모드 또는 무선 배터리 공유 모드) 수행 검출, 또는 제2 외부 장치(301)와 무선 충전 기능(예: 무선 전력 전송 모드 또는 무선 배터리 공유 모드)을 수행하는 중에 제1 외부 장치(201)(예: USB 충전기)와 연결 및 유선 충전 수행 검출과 같은 다양한 복합적인 환경을 포함할 수 있다.
동작 903에서, 전자 장치(101)는 밸런싱을 체크할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 밸런싱 중에, 밸런싱 회로(220)를 통해 제1 입력 전압(예: 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc))과 제2 입력 전압(예: 입력 전압의 절반 전압(Vin/2))의 비교 연산 결과에 기반하여, 현재 밸런싱을 체크할 수 있다.
동작 905에서, 전자 장치(101)는 현재 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부를 판단할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 밸런싱 회로(220)의 비교 연산 결과에 기반하여, 제1 입력 전압이 제2 입력 전압 간의 차이를 판단할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 입력 전압(Vin)의 절반 전압(Vin/2)을 기준으로 플라잉 커패시터(CF)의 범위를 판단하고, 플라잉 커패시터(CF)의 범위에 따라 밸런싱을 위한 현재 설정된 밸런싱 제어 방향이 적절한지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들면, 현재 밸런싱에 따른 플라잉 커패시터(CF)의 전압(Vc)이 목표한 밸런싱에 대응하는 결과(예: 목표 전압)를 가지는지 식별할 수 있다.
동작 905에서, 전자 장치(101)는 현재 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하면, 동작 911에서, 대응하는 제어 신호(예: 출력(S))를 발생할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 밸런싱 회로(220)를 통해, 현재 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 유지할 수 있는 제어 신호를 발생할 수 있다. 일 예로, 전자 장치(101)는 기본 설정에 따라 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향인 경우, 벅 모드를 유지할 수 있도록 제어 신호를 발생할 수 있다. 다른 예로, 전자 장치(101)는 기본 설정에 따라 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향인 경우, 부스트 모드를 유지할 수 있도록 제어 신호를 발생할 수 있다.
동작 913에서, 전자 장치(101)는 제어 신호에 기반하여 현재 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)를 유지할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향의 전환 없이, 기본 설정에 따른 현재 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)를 유지할 수 있다.
동작 915에서, 전자 장치(101)는 현재 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱을 계속할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 기본 설정에 따른 벅 모드 또는 부스트 모드에서 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱을 계속할 수 있다.
동작 905에서, 전자 장치(101)는 현재 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하지 않으면, 동작 921에서, 제어 신호를 반전할 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)는 밸런싱 회로(220)를 통해, 현재 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 반전하도록 제어 신호를 반전하여 발생할 수 있다. 예를 들면, 제어 신호는 밸런싱 제어 방향을 반대로 제어하기 위한 반전 신호일 수 있다. 일 예로, 전자 장치(101)는 기본 설정에 따라 벅 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향인 경우, 벅 모드를 부스트 모드로 전환할 수 있도록 제어 신호(예: 반전 신호)를 발생할 수 있다. 다른 예로, 전자 장치(101)는 기본 설정에 따라 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향인 경우, 부스트 모드를 벅 모드로 전환할 수 있도록 제어 신호(예: 반전 신호)를 발생할 수 있다.
동작 923에서, 전자 장치(101)는 제어 신호에 기반하여 현재 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)를 다른 모드(예: 부스트 모드 또는 벅 모드)로 전환(또는 토글)할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 밸런싱 회로(220)의 제어 방향을 전환하여, 기본 설정에 따라 현재 선택된 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)를 강제로 전환할 수 있다.
동작 925에서, 전자 장치(101)는 전환된 모드에 따라 스위칭 회로(310)의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3 및 Q4) 중 적어도 일부를 스위칭(예: 선택적 턴-온) 할 수 있다.
동작 927에서, 전자 장치(101)는 전환된 모드에서의 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 기본 설정에 따른 벅 모드 또는 부스트 모드에 따른 플라잉 커패시터(CF)의 제어 방향을 반대로 토글하고, 토글된 모드에 따른 플라잉 커패시터(CF) 밸런싱 제어 방향으로, 플라잉 커패시터(CF)의 밸런싱을 수행할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 개시에 따르면, 전자 장치(101)는 현재 선택된 모드에 기반한 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 현재 선택된 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에서 설정된 제1 패스를 유지하거나, 현재 선택된 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에서 설정된 제1 패스를 제1 패스와 반대되는 제2 패스로 토글(또는 반전)할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 3-레벨 컨버터(210)를 이용한 양방향 동작이 가능한 충전 회로(200)에서, 플라잉 커패시터(CF)의 전압의 지정된 모드(예: 벅 모드 또는 부스트 모드)에 관계없이, 현재 밸런싱이 적절한지를 판단하고, 그 결과에 기반하여 현재 밸런싱에 적합한 밸런싱 모드(또는 패스)를 자동으로 선택하여 전환할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른, 전자 장치(101)는 유무선 충전을 수행하는 복합 동작 조건에서, 충전 회로(200)의 입력 전원의 끊김 없이 3-레벨 컨버터(210)의 벅 모드와 부스트 모드를 적응적으로 전환하도록 지원할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치(101)에서 수행하는 동작 방법은, 적어도 하나의 외부 장치와 유무선 충전에 따른 복합 동작 조건에서, 기본 설정에 따라 결정된 모드에 기반하여 밸런싱을 수행하는 동작, 상기 밸런싱을 수행하는 동안, 밸런싱 상태를 체크하여, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부를 판단하는 동작, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하면, 제1 제어 신호를 발생하여, 상기 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 유지하는 동작, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하지 않으면, 상기 제1 제어 신호가 반전된 제2 제어 신호를 발생하여, 상기 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 반전하는 동작, 상기 기본 설정에 따른 상기 결정된 모드를 전환하도록 복수의 스위칭 소자 중 적어도 일부를 선택적으로 스위칭 하는 동작, 및 상기 전환된 모드에서 플라잉 커패시터의 밸런싱을 수행하는 동작을 포함할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 개시의 다양한 실시예들은 본 개시의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 개시의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 개시의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 개시의 범위는 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 개시의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 전자 장치
201, 301: 외부 장치
120: 프로세서
189: 배터리
200: 충전 회로
210: 3-레벨 컨버터
220: 밸런싱 회로
600: 밸런싱 제어 회로
700: 스위칭 제어 회로

Claims (20)

  1. 전자 장치에 있어서,
    배터리;
    프로세서; 및
    충전 회로를 포함하고, 상기 충전 회로는,
    일단이 적어도 하나의 외부 장치와 충전 패스를 연결하고, 타단이 상기 배터리와 충전 패스를 연결하도록 형성되고, 상기 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 하는 3-레벨 컨버터로서,
    복수의 스위칭 소자 및 플라잉 커패시터(flying capacitor)를 포함하는 스위칭 회로; 및
    인덕터 및 커패시터를 포함하는 필터 회로를 포함하고,
    상기 3-레벨 컨버터의 상기 플라잉 커패시터의 전압의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로로서,
    상기 프로세서에 의해 초기 동작 모드로 지정된 모드에 따른 밸런싱 중에, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 상기 지정된 모드에 설정된 밸런싱 제어 방향을 유지하거나 전환하기 위한 출력을 발생하는 밸런싱 제어 회로; 및
    상기 밸런싱 제어 회로의 출력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하거나, 또는 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향의 반대 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하는 스위칭 제어 회로를 포함하도록 설정된 전자 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 전자 장치의 유무선 복합 동작 조건에서, 상기 3-레벨 컨버터의 벅 모드와 부스트 모드 사이의 전환을 제어하도록 설정되고,
    상기 벅 모드는 입력 전압을 강압하여 출력하는 모드를 포함하고, 상기 부스트 모드는 입력 전압을 승압하여 출력하는 모드를 포함하는 전자 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 밸런싱이 상기 목표한 밸런싱에 대응하는 경우, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 유지하기 위한 제어 신호를 발생하도록 설정된 전자 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 밸런싱이 상기 목표한 밸런싱에 대응하지 않는 경우, 상기 지정된 모드에 설정된 상기 제1 패스를, 상기 제1 패스와 반대되는 제2 패스로 전환하기 위한 제어 신호를 발생하도록 설정되고,
    상기 제2 패스로 전환하기 위한 제어 신호는 상기 제1 패스를 유지하기 위한 제어 신호의 반전 신호인 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 제어 회로는,
    상기 밸런싱 회로의 제어 방향을 반전하기 위한 반전 회로를 포함하는 전자 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반전 회로는,
    상기 밸런싱 회로의 제어 방향을 반대로 제어하기 위한 2개의 멀티플렉서를 포함하는 전자 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 2개의 멀티플렉서의 동작을 제어하기 위한 토글 회로를 포함하는 전자 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    밸런싱 회로의 제어 방향에 의해 지정된 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 토글 회로를 통해 상기 스위칭 제어 회로의 제어 방향을 변경하도록 설정된 전자 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 반전 회로는,
    상기 토글 회로의 출력이 하이(H)인 경우, 벅 모드에서의 플라잉 커패시터 밸런싱 제어 방향을 선택하도록, 상기 스위칭 제어 회로를 제어하는 전자 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 반전 회로는,
    상기 토글 회로의 출력이 로우(L)인 경우, 부스트 모드에서의 플라잉 커패시터 밸런싱 제어 방향을 선택하도록, 상기 스위칭 제어 회로를 제어하는 전자 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 프로세서에 의해, 상기 토글 회로의 출력에 관련된 초기 동작 모드의 설정이 결정되는 전자 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 초기 동작 모드에 기반한 밸런싱에 의해, 상기 플라잉 커패시터의 전압이 입력 전압의 절반 전압보다 기준 전압만큼 커지거나 작아지는 경우, 상기 초기 동작 모드를 강제로 전환하도록 대응하는 제어 신호를 발생하도록 설정된 전자 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로는,
    상기 전자 장치의 유무선 복합 동작 조건에서, 상기 플라잉 커패시터의 전압 밸런싱을 위한 상기 지정된 모드에 관계없이, 현재 밸런싱의 상태에 기반하여 밸런싱 제어 방향을 자동으로 선택하도록 설정된 전자 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 3-레벨 컨버터의 인덕터 전류의 센싱 없이, 상기 플라잉 커패시터의 범위를 이용하여, 상기 밸런싱 회로의 현재 설정된 밸런싱 제어 방향의 상태를 판단하도록 설정된 전자 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 전자 장치가 적어도 하나의 외부 장치와 충전 기능 수행 시에, 상기 밸런싱 제어 회로의 출력을, 상기 충전 기능에 대응하는 상기 지정된 모드로 초기 동작 모드를 설정하는 전자 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 밸런싱 회로는,
    상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 일부를 선택적으로 턴-온 하여, 상기 플라잉 커패시터의 충전 또는 방전을 제어하도록 설정된 전자 장치.
  17. 전자 장치의 충전 회로에 있어서,
    일단이 적어도 하나의 외부 장치와 충전 패스를 연결하고, 타단이 상기 배터리와 충전 패스를 연결하도록 형성되고, 상기 적어도 하나의 외부 장치와 충전 동작에 관련된 입력 및/또는 출력의 양방향 동작을 하는 3-레벨 컨버터로서,
    복수의 스위칭 소자 및 플라잉 커패시터(flying capacitor)를 포함하는 스위칭 회로; 및
    인버터 및 커패시터를 포함하는 필터 회로를 포함하고,
    상기 3-레벨 컨버터의 상기 플라잉 커패시터의 전압의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로로서,
    지정된 모드에 따른 밸런싱 중에, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부에 기반하여, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 유지하기 위한 제1 제어 신호를 발생하거나, 상기 지정된 모드에 설정된 제1 패스를 제2 패스로 전환하기 위한 제2 제어 신호를 발생하는 밸런싱 제어 회로; 및
    상기 제1 제어 신호의 입력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하거나, 또는 상기 제2 제어 신호의 입력에 기반하여 상기 지정된 모드에 따른 밸런싱 제어 방향의 반대 방향으로 상기 스위칭 소자를 스위칭 하는 스위칭 제어 회로를 포함하도록 설정되고,
    상기 제2 제어 신호는 상기 제1 제어 신호가 반전된 신호인 것을 특징으로 하는 전자 장치의 충전 회로.
  18. 제17항에 있어서, 상기 밸런싱 제어 회로는,
    상기 전자 장치의 유무선 복합 동작 조건에서, 상기 3-레벨 컨버터의 벅 모드와 부스트 모드 사이의 전환을 제어하도록 설정된 전자 장치의 충전 회로.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 스위칭 제어 회로는, 상기 밸런싱 회로의 제어 방향을 반대로 제어하기 위한 2개의 멀티플렉서를 포함하고,
    상기 밸런싱 제어 회로는, 상기 2개의 멀티플렉서의 동작을 제어하기 위한 토글 회로를 포함하는 전자 장치의 충전 회로.
  20. 전자 장치의 동작 방법에 있어서,
    적어도 하나의 외부 장치와 유무선 충전에 따른 복합 동작 조건에서, 기본 설정에 따라 결정된 모드에 기반하여 밸런싱을 수행하는 동작;
    상기 밸런싱을 수행하는 동안, 밸런싱 상태를 체크하여, 상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하는지 여부를 판단하는 동작;
    상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하면, 제1 제어 신호를 발생하여, 상기 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 유지하는 동작;
    상기 밸런싱이 목표한 밸런싱에 대응하지 않으면, 상기 제1 제어 신호가 반전된 제2 제어 신호를 발생하여, 상기 밸런싱에 따른 밸런싱 제어 방향을 반전하는 동작;
    상기 기본 설정에 따른 상기 결정된 모드를 전환하도록 복수의 스위칭 소자 중 적어도 일부를 선택적으로 스위칭 하는 동작; 및
    상기 전환된 모드에서 플라잉 커패시터의 밸런싱을 수행하는 동작을 포함하는 방법.
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