KR20230126196A - 고효율 하이브리드 레귤레이터 - Google Patents

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KR20230126196A
KR20230126196A KR1020230020165A KR20230020165A KR20230126196A KR 20230126196 A KR20230126196 A KR 20230126196A KR 1020230020165 A KR1020230020165 A KR 1020230020165A KR 20230020165 A KR20230020165 A KR 20230020165A KR 20230126196 A KR20230126196 A KR 20230126196A
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switch
voltage
regulator
switch block
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Application number
KR1020230020165A
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송경훈
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루시드 마이크로시스템스 피티이 엘티디.
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Publication date
Application filed by 루시드 마이크로시스템스 피티이 엘티디. filed Critical 루시드 마이크로시스템스 피티이 엘티디.
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Abstract

일 실시예는, 서로 직렬연결되는 제1스위치블럭, 제2스위치블럭, 제3스위치블럭 및 제4스위치블럭를 포함하고, 상기 제1스위치블럭 및 상기 제2스위치블럭이 연결되는 노드와 상기 제3스위치블럭 및 상기 제4스위치블럭이 연결되는 노드로 플라잉캐패시터가 연결되고, 상기 제2스위치블럭 및 상기 제3스위치블럭이 연결되는 노드로 인덕터가 연결되는 스위치네트워크; 및 상기 제1스위치블럭과 상기 제2스위치블럭이 턴온되는 제1스테이트, 상기 제3스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제2스테이트, 상기 제1스위치블럭과 상기 제3스위치블럭이 턴온되는 제3스테이트 및 상기 제2스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제4스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트가 교번되도록 상기 스위치네트워크를 제어하고, 상기 인덕터전류의 크기가 요구범위를 벗어날 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트 혹은 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 제어회로를 포함하는 레귤레이터를 제공한다.

Description

고효율 하이브리드 레귤레이터{HIGH EFFICIENCY HYBRID REGULATOR}
본 실시예는 전력변환장치에 관한 것이다.
일반적인 벅컨버터 또는 부스트컨버터는 인덕터를 통해 에너지를 전달한다.
이러한 벅컨버터 또는 부스트컨버터에서 인덕터에 흐르는 전류가 잘 제어된다면 출력전력이 안정적으로 제어될 수 있다는 장점이 있지만 인덕터의 상대적으로 높은 직류저항으로 인한 전력손실이 단점이 될 수 있다. 직류저항에서의 전력손실은 출력전류의 제곱에 비례하여 커지기 때문에 인덕터를 통한 전력전달은 전달하고자 하는 전력량이 커질수록 효율이 낮아지는 문제를 가질 수 있다.
이를 개선하기 위해 낮은 직류저항을 가지는 캐패시터를 통해 에너지를 전달하는 스위치드 캐패시터 컨버터가 대두되고 있다.
스위치드 캐패시터 컨버터는 효율이 높다는 장점을 가지고 있지만 출력전력을 안정적으로 제어하기 위해서는 효율이 낮은 리니어 레귤레이터를 별도로 추가하거나 PPS(Programmable Power Supply) 어댑터와 같이 별도의 글로벌 루프를 통해 입력전력을 제어해줘야하는 단점이 있다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 효율이 높은 전력변환장치를 제공하는 것이다. 다른 측면에서, 본 실시예의 목적은, 복잡한 구성을 추가하지 않고 전력변환장치를 안정적으로 제어하는 기술을 제공하는 것이다. 또 다른 측면에서, 본 실시예의 목적은, 상대적으로 사이즈가 작은 전력변환장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 서로 직렬연결되는 제1스위치블럭, 제2스위치블럭, 제3스위치블럭 및 제4스위치블럭를 포함하고, 상기 제1스위치블럭 및 상기 제2스위치블럭이 연결되는 제1노드와 상기 제3스위치블럭 및 상기 제4스위치블럭이 연결되는 제2노드로 플라잉캐패시터가 연결되고, 상기 제2스위치블럭 및 상기 제3스위치블럭이 연결되는 제3노드로 인덕터가 연결되는 스위치네트워크; 및 상기 제1스위치블럭과 상기 제2스위치블럭이 턴온되는 제1스테이트, 상기 제3스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제2스테이트, 상기 제1스위치블럭과 상기 제3스위치블럭이 턴온되는 제3스테이트 및 상기 제2스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제4스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트가 교번되도록 상기 스위치네트워크를 제어하고, 상기 인덕터전류의 크기가 요구범위를 벗어날 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트 혹은 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 제어회로를 포함하는 레귤레이터를 제공한다.
상기 제어회로는 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달할 때, 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트를 종료시킬 수 있다.
상기 제1스위치블럭의 일측으로 고전압이 공급되고, 상기 제어회로는 상기 인덕터전류의 크기가 상기 요구범위보다 작을 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제어회로는 입력전압이 출력전압의 R(R은 2 이상의 양수)배에서 델타전압을 차감한 전압보다 작을 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제4스위치블럭의 일측으로 저전압이 공급되고, 상기 제어회로는 상기 인덕터전류의 크기가 상기 요구범위보다 클 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제어회로는, 상기 제3노드의 전압이 제1하한값보다 낮아질 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하거나, 상기 플라잉캐패시터의 전압이 상한값보다 작고, 제2하한값보다 클 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제어회로는 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달하기 전에 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트를 종료시키고, 상기 제2스테이트에서 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달할 때, 상기 제2스테이트를 종료시킬 수 있다.
상기 제어회로는, 상기 제1스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제5스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 플라잉캐패시터의 전압이 미리 설정한 전압범위보다 낮을 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제5스테이트로 제어할 수 있다.
상기 제어회로는, 상기 제5스테이트에서 상기 제1스위치블럭 혹은 상기 제4스위치블럭에 포함되는 전력반도체를 리니어모드로 동작시켜 상기 플라잉캐패시터로 공급되는 전류의 크기를 제한할 수 있다.
상기 제어회로는, 상기 제2스위치블럭과 상기 제3스위치블럭이 턴온되는 제6스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 플라잉캐패시터의 전압이 미리 설정한 전압범위보다 높을 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제6스테이트로 제어할 수 있다.
상기 제어회로는, 제어값과 참조값의 차이가 기준값이상일 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트로 제어하고, 상기 제어값과 상기 참조값의 차이가 상기 기준값보다 작을 때, 상기 제1스위치블럭 내지 상기 제4스위치블럭이 턴오프되는 스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제어회로는 상기 스위치네트워크를 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트로 제어하는 것을 기본으로 하되, 제3스테이트와 제4스테이트 만으로 충분한 전력을 전달하지 못할 경우 제1스테이트로 제어할 수 있고, 상기 인덕터 전류의 크기가 상기 요구 범위보다 클 때 제2스테이트로 제어할 수 있다.
상기 제1스위치블럭의 일측으로 고전압이 공급되고, 상기 제1스위치블럭에 포함되는 전력반도체는 바이디렉셔널 바디다이오드(Bi-directional body diode) 특성을 지닌 능동소자일 수 있다.
다른 실시예는, 복수의 스위치소자들을 포함하고, 상기 스위치소자들의 연결노드들 중 적어도 두 개의 연결노드들에 플라잉캐패시터가 연결되고, 상기 연결노드들 중 적어도 하나의 연결노드에 인턱터가 연결되며, 일측으로 고전압이 공급되고, 타측으로 저전압이 공급되는 스위치네트워크; 및 상기 인덕터의 일측으로 상기 고전압이 연결되는 제1스테이트, 상기 인덕터의 일측으로 상기 저전압이 연결되는 제2스테이트, 상기 고전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제3스테이트 및 상기 저전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 상기 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제4스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트가 교번되도록 상기 스위치네트워크를 제어하고, 상기 인덕터전류의 크기가 요구범위를 벗어날 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트 혹은 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 제어회로를 포함하는 레귤레이터를 제공한다.
상기 제어회로는 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달할 때, 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트를 종료시킬 수 있다.
상기 제어회로는 제어값과 참조값의 차이가 기준값 이상일 때, 펄스인에이블 신호를 하이 레벨로 출력하되, 상기 펄스인에이블 신호가 하이 레벨을 유지한 상태에서, 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달하는 횟수가 N(N은 2 이상의 자연수)회 이상 발생하면 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제어회로는 상기 제1스테이트가 동작될 때, 상기 고전압을 공급하는 파워서플라이어가 출력전력을 증가시키도록 파워업 플래그를 발생시켜 상기 파워서플라이어를 제어하는 장치로 송신할 수 있다.
상기 제어회로는 상기 제1스테이트가 동작되지 않을 때, 상기 파워업 플래그를 미발생시키고, 효율값을 계산하며, 상기 효율값이 목표치보다 작을 때, 파워다운 플래그를 발생시켜 상기 파워서플라이어가 출력전력을 감소시키도록 할 수 있다.
상기 제어회로는 상기 인덕터전류의 크기가 상기 요구범위보다 작을 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제어회로는 상기 인덕터전류의 크기가 상기 요구범위보다 클 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
상기 제어회로는, 상기 인덕터의 일측이 플로팅되고, 상기 고전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 저전압이 직렬연결되는 제5스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 플라잉캐패시터의 전압이 미리 설정한 전압범위보다 낮을 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제5스테이트로 제어할 수 있다.
상기 제어회로는, 초기 기동에서 상기 스위치네트워크를 상기 제5스테이트로 제어하고, 상기 제5스테이트에서 턴온되는 전력반도체를 리니어모드로 동작시켜 상기 플라잉캐패시터로 공급되는 전류의 크기를 제한할 수 있다.
또 다른 실시예는, 복수의 스위치소자들을 포함하고, 상기 스위치소자들의 연결노드들 중 적어도 두 개의 연결노드들에 플라잉캐패시터가 연결되고, 상기 연결노드들 중 적어도 하나의 연결노드에 인턱터가 연결되며, 일측으로 고전압이 공급되고, 타측으로 저전압이 공급되는 스위치네트워크; 및 상기 인덕터의 일측으로 상기 고전압이 연결되는 제1스테이트, 상기 인덕터의 일측으로 상기 저전압이 연결되는 제2스테이트, 상기 고전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제3스테이트 및 상기 저전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 상기 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제4스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트가 교번되도록 상기 스위치네트워크를 제어하고, 상기 인덕터전류의 크기가 요구범위를 벗어날 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트 혹은 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 제어회로를 포함하는 복수의 레귤레이터블럭들이 출력을 공유하면서 서로 병렬로 배치되는 레귤레이터를 제공한다.
상기 레귤레이터는 상기 레귤레이터블럭들의 입력을 공유시킬 수 있는 먹스회로를 더 포함할 수 있다.
상기 레귤레이터는 상기 레귤레이터블럭들의 입력에 스위치드 캐패시터 컨버터를 더 배치할 수 있다.
상기 레귤레이터는 상기 제3스테이트 및 상기 제4스테이트에 대해 상기 레귤레이터블럭들 중 적어도 두 개의 레귤레이터블럭들을 서로 다른 스테이트로 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전력변환장치의 효율을 높일 수 있고, 전력변환장치에 복잡한 구성을 추가하지 않으면서 전력변환장치를 안정적으로 제어할 수 있으며, 전력변환장치의 사이즈를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 전력변환장치의 일 예시 구성도이다.
도 2는 전력변환장치의 다른 일 예시 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 레귤레이터의 구성도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제0스테이트를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제1스테이트를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제2스테이트를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제3스테이트를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제4스테이트를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에서 제3스테이트와 제4스테이트를 이용하여 인덕터전류를 펄스쉐이핑하는 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에서 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트 및 제2스테이트가 더 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 11은 오버쉐입드 펄스와 언더쉐입드 펄스를 나타내는 도면이다.
도 12a는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제1예시 도면이다.
도 12b는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제2예시 도면이다.
도 13a는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제2스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제1예시 도면이다.
도 13b는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제2스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제2예시 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제5스테이트를 나타내는 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제6스테이트를 나타내는 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 제어회로에서 펄스스킵 제어를 수행하는 예시 구성을 나타내는 도면이다.
도 17a는 펄스스킵 제어의 제1예시에서의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 17b는 펄스스킵 제어의 제2예시에서의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 18은 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제3예시 도면이다.
도 19는 일 실시에에 따른 레귤레이터의 입력과 출력의 예시를 나타내는 도면이다.
도 20은 일 실시예의 스위치네트워크에서 제1스위치의 소자 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 확장된 레귤레이터의 제1예시 구성도이다.
도 22는 확장된 레귤레이터의 제2예시 구성도이다.
도 23은 확장된 레귤레이터의 제3예시 구성도이다.
도 24는 제3예시에 따른 레귤레이터의 제1제어스테이트를 나타내는 도면이다.
도 25는 제3예시에 따른 레귤레이터의 제2제어스테이트를 나타내는 도면이다.
도 26은 제3예시에 따른 레귤레이터의 제3제어스테이트를 나타내는 도면이다.
도 27은 제3예시에 따른 레귤레이터의 제4제어스테이트를 나타내는 도면이다.
도 28은 제3예시에 따른 레귤레이터의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 29는 일 실시예에 따른 레귤레이터와 호스트의 협력제어를 나타내는 도면이다.
도 30은 일 실시예에 따른 레귤레이터와 호스트의 협력제어 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 전력변환장치의 일 예시 구성도이다.
도 1을 참조하면, 전력변환장치(10)는 인덕터컨버터(11), 스위치드 캐패시터 컨버터(12), 입력스테이지(13) 및 과전압보호IC(14, IC:integrated circuit) 등을 포함할 수 있다.
인덕터컨버터(11)는 상측스위치(QE), 하측스위치(QF) 및 인덕터(L)를 포함할 수 있다.
그리고, 스위치드 캐패시터 컨버터(120)는 제1스위치(QA), 제2스위치(QB), 제3스위치(QC) 및 제4스위치(QD)를 포함하고, 플라잉캐패시터(CFLY)를 포함할 수 있다.
전력변환장치(10)는 경우에 따라 제1전압(V1)을 가지고 입력되는 전력을 변환하여 제2전압(V2)을 가지는 전력을 출력할 수 있고, 제2전압(V2)을 가지고 입력되는 전력을 변환하여 제1전압(V1)을 가지는 전력을 출력할 수 있다.
전력변환장치(10)는 PPS 어댑터로 기능하지 않는 경우에 인덕터컨버터(11)를 이용하여 전력을 변환할 수 있고, PPS 어댑터로 기능하는 경우, 스위치드 캐패시터 컨버터(12)를 이용하여 전력을 변환할 수 있다.
여기서, 스위치드 캐패시터 컨버터(12)는 전류가 흐르는 중에 스위치가 온/오프되는 하드 스위치드 캐패시터 컨버터이다.
도 1에 도시된 전력변환장치(10)는 두 개의 서로 다른 IC를 같이 사용해야 하기 때문에 솔루션 사이즈가 크고 가격이 높은 단점이 있다. 또한, 전력변환장치(10)는 스위치드 캐패시터 컨버터(12)를 이용할 때, 비정상적인 상황-예를 들어, PPS 어댑터의 전력제어 오동작 혹은 늦는 동작-에서 전력의 레귤레이션을 위해 별도의 입력스테이지(13) 및 과전압보호IC(14)를 사용해야하기 때문에 효율이 낮아지고 사이즈가 커질 수 있다. 또한, 전력변환장치(10)는 스위치드 캐패시터 컨버터(12)의 효율을 높이기 위해 캐패시턴스가 큰 플라잉캐패시터(CFLY)를 사용할 수 있는데, 이러한 큰 플라잉캐패시터(CFLY)로 인해 전체 사이즈가 커질 수 있다.
도 2는 전력변환장치의 다른 일 예시 구성도이다.
도 2를 참조하면, 전력변환장치(20)는 3-레벨 벅/부스트 컨버터(22), 입력스테이지(23) 및 과전압보호IC(24) 등을 포함할 수 있다.
3-레벨 벅/부스트 컨버터(22)는 제1스위치(QA), 제2스위치(QB), 제3스위치(QC) 및 제4스위치(QD)를 포함하고, 인덕터(L) 및 플라잉캐패시터(CFLY)를 포함할 수 있다.
전력변환장치(20)는 제1전압(V1)을 가지고 입력되는 전력을 변환하여 제2전압(V2)을 가지는 전력을 출력할 수 있다.
전력변환장치(20)는 PPS 어댑터로 기능하지 않는 경우에 3-레벨 벅/부스트 컨버터(22)를 이용하여 전력을 변환할 수 있고, PPS 어댑터로 기능하는 경우, 3-레벨 벅/부스트 컨버터(22)에 포함된 구성들을 하드 스위치드 캐패시터 컨버터로 동작시킬 수 있다.
도 2에 도시된 전력변환장치(20)는 도 1에 도시된 전력변환장치(도 1의 10 참조)보다 솔루션 사이즈가 작을 수 있다. 그러나, 도 2에 도시된 전력변환장치(20)는 하드 스위치드 캐패시터 컨버터로 동작할 때, 인덕터(L)의 높은 직류저항으로 인해 전력손실이 크게 나타나기 때문에 일반적인 스위치드 캐패시터 컨버터보다 전력변환의 효율이 낮을 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 전력변환장치(20)는 도 1에 도시된 전력변환장치(도 1의 10 참조)와 마찬가지로 입력스테이지(23) 및 과전압보호IC(24)를 사용해야하기 때문에 효율이 낮아지고 사이즈가 커질 수 있고, 캐패시턴스가 큰 플라잉캐패시터(CFLY)로 인해 전체 사이즈가 커질 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 레귤레이터의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 레귤레이터(300)는 스위치네트워크(310), 제어회로(320) 및 전류센서들(331 ~ 334)을 포함할 수 있다.
레귤레이터(300)는 제1전압(V1)을 가지고 제1노드(N1)로 입력되는 전력을 변환하여 제2전압(V2)을 가지는 전력을 생성하고 제6노드(N6)로 출력할 수 있다. 혹은 레귤레이터(300)는 제2전압(V2)을 가지고 제6노드(N6)로 입력되는 전력을 변환하여 제1전압(V1)을 가지는 전력을 생성하고 제1노드(N1)로 출력할 수 있다.
스위치네트워크(310)는 서로 직렬연결되는 제1스위치블럭, 제2스위치블럭, 제3스위치블럭 및 제4스위치블럭을 포함할 수 있다.
각 스위치블럭에는 적어도 하나의 스위치가 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1스위치블럭에는 제1스위치(Q1)가 포함되고, 제2스위치블럭에는 제2스위치(Q2)가 포함되고, 제3스위치블럭에는 제3스위치(Q3)가 포함되고, 제4스위치블럭에는 제4스위치(Q4)가 포함될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 각 스위치블럭에 하나의 스위치가 포함된 예시를 중심으로 설명하나 본 실시예가 이러한 예시로 제한되는 것은 아니다.
이하에서, 제1스위치(Q1)에 대한 제어는 제1스위치블럭에 대한 제어로 이해될 수 있고, 제2스위치(Q2)에 대한 제어는 제2스위치블럭에 대한 제어로 이해될 수 있고, 제3스위치(Q3)에 대한 제어는 제3스위치블럭에 대한 제어로 이해될 수 있고, 제4스위치(Q4)에 대한 제어는 제4스위치블럭에 대한 제어로 이해될 수 있다. 예를 들어, 제1스위치(Q1)를 턴오프하는 것은 제1스위치블럭을 턴오프하는 것으로 이해될 수 있고, 제2스위치(Q2)를 턴온하는 것은 제2스위치블럭을 턴온하는 것으로 이해될 수 있다.
제1스위치(Q1), 제2스위치(Q2), 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)는 전력반도체일 수 있다. 예를 들어, 제1스위치(Q1), 제2스위치(Q2), 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있고, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있고, 다른 형태의 전력반도체일 수 있다.
제1스위치(Q1), 제2스위치(Q2), 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)는 서로 직렬로 연결될 수 있는데, 예를 들어, 제1스위치(Q1)와 제2스위치(Q2)는 제2노드(N2)를 통해 서로 연결되고, 제2스위치(Q2)와 제3스위치(Q3)는 제3노드(N3)를 통해 서로 연결되고, 제3스위치(Q3)와 제4스위치(Q4)는 제4노드(N4)를 통해 서로 연결될 수 있다.
제1스위치(Q1)의 일측으로 제1노드(N1)가 형성되고 타측으로 제2노드(N2)가 형성될 수 있는데, 제1노드(N1)로는 제1전압(V1)이 공급되거나 출력될 수 있다. 그리고, 제4스위치(Q4)의 일측으로 제5노드(N5)가 형성되고 타측으로 제4노드(N4)가 형성될 수 있는데, 제5노드(N5)로는 저전압-예를 들어, 그라운드전압-이 공급될 수 있다. 제1노드(N1)로 공급되는 제1전압(V1)은 제5노드(N5)로 공급되는 저전압보다 상대적으로 높은 전압일 수 있다. 이에 따라, 제1노드(N1)로 공급되는 전압을 고전압이라고 호칭하고 제5노드(N5)로 공급되는 전압을 저전압으로 호칭할 수 있다.
스위치네트워크(310)에는 인덕터(L)와 플라잉캐패시터(CFLY)가 연결될 수 있다.
플라잉캐패시터(CFLY)는 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)가 연결되는 제2노드(N2)에 일측이 연결되고, 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)가 연결되는 제4노드(N4)에 타측이 연결될 수 있다.
인덕터(L)는 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)가 연결되는 제3노드(N3)로 일측이 연결되고 제2전압(V2)이 출력되는 제6노드(N6)에 타측이 연결될 수 있다.
추가적으로, 제6노드(N6)와 저전압 사이에 출력캐패시터(C)가 더 배치될 수 있다.
제어회로(320)는 스위치네트워크(310)에 포함되는 스위치들(Q1 ~ Q4)을 제어할 수 있다. 제어회로(320)는 스위치들(Q1 ~ Q4)을 턴온 혹은 턴오프시키면서 스위치네트워크(310)를 복수의 스테이트로 만들 수 있다.
제어회로(320)는 각 스위치들(Q1 ~ Q4)의 게이트로 게이트신호를 송신하여 각 스위치들(Q1 ~ Q4)을 턴온 혹은 턴오프시킬 수 있다.
제어회로(320)는 스위치들(Q1 ~ Q4) 중 적어도 하나를 리니어모드(선형모드)로 동작시킬 수 있다. 리니어모드로 동작할 때, 게이트신호에 따라 적어도 하나의 스위치로 흐르는 전류의 양이 일정 수준으로 제한될 수 있다.
제어회로(320)는 스위치네트워크(310) 혹은 각 노드(N1 ~ N6)의 전류, 전압 등을 센싱하고, 센싱된 값을 이용하여 스위치네트워크(310)의 스테이트를 변경할 수 있다.
예를 들어, 제어회로(320)는 제1전압(V1), 제2전압(V2), 플라잉캐패시터전압(VCFLY), 제3노드전압(VSW) 등을 센싱할 수 있다. 그리고, 제어회로(320)는 제1스위치전류(IQ1), 제2스위치전류(IQ2), 제3스위치전류(IQ3), 제4스위치전류(IQ4) 등을 센싱할 수 있다.
그리고, 제어회로(320)는 제1전압(V1), 제2전압(V2), 플라잉캐패시터전압(VCFLY), 제3노드전압(VSW), 제1스위치전류(IQ1), 제2스위치전류(IQ2), 제3스위치전류(IQ3) 및 제4스위치전류(IQ4) 중 적어도 하나의 센싱값을 이용하여 스위치네트워크(310)의 스테이트를 결정하거나 변경할 수 있다.
전술한 값들이 모두 센싱될 수 있고 일부의 값들만 센싱될 수 있다. 예를 들어, 제어회로(320)는 제1스위치전류(IQ1) 및 제3스위치전류(IQ3) 중 하나만 센싱할 수 있고, 제2스위치전류(IQ2) 및 제4스위치전류(IQ4) 중 하나만 센싱할 수 있다.
제어회로(320)는 스위치네트워크(310)를 후술하는 7개의 스테이트로 제어할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제0스테이트를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 제어회로는 스위치네트워크(310)의 모든 스위치들(Q1 ~ Q4)을 턴오프시켜 스위치네트워크(310)를 제0스테이트로 만들 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제1스테이트를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)를 턴온시키고, 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)를 턴오프시켜 스위치네트워크(310)를 제1스테이트로 만들 수 있다.
제1스테이트에서 플라잉캐패시터(CFLY)는 플로팅되고, 플라잉캐패시터전압(VCFLY)은 일정 수준을 유지할 수 있다.
제1스위치(Q1)의 일측으로 제1전압(V1)-고전압-이 공급될 수 있는데, 제1스테이트에서 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)가 턴온되고, 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)가 턴오프됨으로써, 인덕터(L)의 일측으로 제1전압(V1)이 공급될 수 있다.
인덕터(L)의 타측으로는 제2전압(V2)이 공급될 수 있는데, 이에 따라, 제1스테이트에서 인덕터(L)의 일측으로 제1전압(V1)이 공급되고, 타측으로 제2전압(V2)이 공급될 수 있다. 그리고, 이러한 전압들(V1, V2)에 의해 제1스테이트에서 인덕터전류(iL)가 빌드업될 수 있다.
제1스테이트는 벅컨버터 혹은 부스트컨버터에서의 동작과 동일할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제2스테이트를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)를 턴오프시키고, 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)를 턴온시켜 스위치네트워크(310)를 제2스테이트로 만들 수 있다.
제2스테이트에서 플라잉캐패시터(CFLY)는 플로팅되고, 플라잉캐패시터전압(VCFLY)은 일정 수준을 유지할 수 있다.
제4스위치(Q4)의 일측으로 그라운드전압-저전압-이 공급될 수 있는데, 제2스테이트에서 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)가 턴오프되고, 제3스위치(Q3) 및 제4스위치(Q4)가 턴온됨으로써, 인덕터(L)의 일측으로 그라운드전압-저전압-이 공급될 수 있다.
인덕터(L)의 타측으로는 제2전압(V2)이 공급될 수 있는데, 이에 따라, 제2스테이트에서 인덕터(L)의 일측으로 그라운드전압-저전압-이 공급되고, 타측으로 제2전압(V2)이 공급될 수 있다. 그리고, 이러한 전압들에 의해 제2스테이트에서 인덕터전류(iL)가 빌드업될 수 있다.
인덕터전류(iL)는 제1스테이트와 제2스테이트에서 서로 반대 방향으로 빌드업될 수 있다. 예를 들어, 인덕터(L)의 일측에서 타측으로 흐르는 전류의 방향을 양의 방향이라고 할 때, 제1스테이트에서 인덕터전류(iL)는 증가하는 방향으로 빌드업될 수 있고, 제2스테이트에서 인덕터전류(iL)는 감소하는 방향으로 빌드업될 수 있다.
제2스테이트는 벅컨버터 혹은 부스트컨버터에서의 동작과 동일할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제3스테이트를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 제3스위치(Q3)를 턴온시키고, 제2스위치(Q2) 및 제4스위치(Q4)를 턴오프시켜 스위치네트워크(310)를 제3스테이트로 만들 수 있다.
제3스테이트에서 플라잉캐패시터(CFLY)와 인덕터(L)는 직렬로 연결되면서 인덕터전류(iL) 및 플라잉캐패시터전압(VCFLY)이 공진파형을 형성할 수 있다.
제3스테이트에서 인덕터전류(iL)는 증가했다가 감소하는 공진파형을 형성할 수 있다. 이러한 인덕터전류(iL)의 공진파형에 따라 제어회로는 각 스위치(Q1 ~ Q4)를 영전류에서 턴오프시키거나 영전류에서 턴온시킬 수 있다.
제3스테이트는 공진컨버터에서의 동작과 동일할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제4스테이트를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 제3스위치(Q3)를 턴오프시키고, 제2스위치(Q2) 및 제4스위치(Q4)를 턴온시켜 스위치네트워크(310)를 제4스테이트로 만들 수 있다.
제4스테이트에서 플라잉캐패시터(CFLY)와 인덕터(L)는 직렬로 연결되면서 인덕터전류(iL) 및 플라잉캐패시터전압(VCFLY)이 공진파형을 형성할 수 있다.
제4스테이트에서 인덕터전류(iL)는 증가했다가 감소하는 공진파형을 형성할 수 있다. 이러한 인덕터전류(iL)의 공진파형에 따라 제어회로는 각 스위치(Q1 ~ Q4)를 영전류에서 턴오프시키거나 영전류에서 턴온시킬 수 있다.
제4스테이트는 공진컨버터에서의 동작과 동일할 수 있다.
제어회로는 제3스테이트와 제4스테이트가 교번되도록 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 레귤레이터는 플라잉캐패시터와 인덕터의 공진을 통해 전력이 전달되도록 할 수 있다.
제어회로는 제3스테이트와 제4스테이트를 플라잉캐패시터와 인덕터의 공진주파수 혹은 그에 근접한 주파수로 구동할 수 있는데, 이렇게 되면, 공진컨버터와 같이 플라잉캐패시터와 인덕터의 공진을 통해 전력을 전달할 수 있게 된다.
제3스테이트와 제4스테이트는 교번되도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 스위치네트워크는 제3스테이트로 동작된 후에 제4스테이트로 동작되고, 제4스테이트로 동작된 후에 제3스테이트로 동작될 수 있다.
인덕터전류가 증가했다가 감소하면서 하나의 증가/감소파형을 형성하는 것을 펄스쉐이핑(pulse-shaping)이라고 할 때, 제3스테이트와 제4스테이트에서 각각 하나의 펄스쉐이핑이 이루어질 수 있다.
도 9는 일 실시예에서 제3스테이트와 제4스테이트를 이용하여 인덕터전류를 펄스쉐이핑하는 것을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 제어회로는 스위치네트워크를 제어하여 제3스테이트와 제4스테이트가 교번되도록 할 수 있다.
그리고, 제어회로는 인덕터전류(iL)가 제로수준에 도달할 때, 제3스테이트 혹은 제4스테이트를 종료시킬 수 있다.
제3스테이트에서 플라잉캐패시터는 충전되고 플라잉캐패시터전압(VCFLY)은 증가할 수 있다. 그리고, 인덕터전류(iL)는 증가하다가 감소할 수 있다. 제어회로는 제3스테이트에서 인덕터전류(iL)가 제로수준-제로에서 미리 설정된 오차범위 이내의 수준-에 도달할 때, 제3스테이트를 종료시키면서 펄스쉐이핑의 끝을 형성할 수 있다.
제4스테이트에서 플라잉캐패시터는 방전되고 플라잉캐패시터전압(VCFLY)은 감소할 수 있다. 그리고, 인덕터전류(iL)는 증가하다가 감소할 수 있다. 제어회로는 제4스테이트에서 인덕터전류(iL)가 제로수준-제로에서 미리 설정된 오차범위 이내의 수준-에 도달할 때, 제4스테이트를 종료시키면서 펄스쉐이핑의 끝을 형성할 수 있다.
레귤레이터는 이러한 제3스테이트와 제4스테이트를 교번시킬 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 다른 스테이트가 형성되게 할 수 있다.
도 10은 일 실시예에서 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트 및 제2스테이트가 더 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제어회로는 스위치네트워크를 제어하여 제3스테이트와 제4스테이트가 교번되도록 하되, 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트 및 제2스테이트가 더 형성되도록 할 수 있다.
제어회로는 스위치네트워크를 제3스테이트로 제어하기 전에 제1스테이트로 제어할 수 있다. 제1스테이트에서 인덕터의 일측으로 제1전압이 공급됨으로써 인덕터전류가 리니어하게 증가할 수 있다.
그리고, 제어회로는 스위치네트워크를 제3스테이트로 제어하여 플라잉캐패시터와 인덕터의 공진에너지를 출력으로 전달할 수 있다. 그리고, 이때, 인덕터전류는 공진파형을 형성할 수 있다.
제1스테이트에 의해 인덕터전류가 일정 크기만큼 증가되었기 때문에, 제3스테이트는 인덕터전류가 제로보다 높은 레벨에서 종료될 수 있다.
제어회로는 제3스테이트를 종료한 후에 스위치네트워크를 제2스테이트로 제어할 수 있다. 제2스테이트에서 인덕터의 일측으로 저전압이 공급됨으로써 인덕터전류가 리니어하게 감소할 수 있다.
그리고, 제어회로는 스위치네트워크를 제1스테이트로 제어하고, 제1스테이트 후에 제4스테이트로 제어하며, 제4스테이트 후에 제2스테이트로 제어할 수 있다.
한편, 인덕터전류에 대한 펄스쉐이핑이 원하는 형태로 되지 않을 수 있다. 인덕터전류의 피크가 원하는 레벨보다 더 높게 형성될 수도 있고, 인덕터전류의 피크가 원하는 레벨보다 더 낮게 형성될 수도 있다. 인덕터전류의 피크가 원하는 레벨보다 높게 형성되었을 때, 그 파형을 오버쉐입드 펄스(over-shaped pulse)라고 하고, 원하는 레벨보다 낮게 형성되었을 때, 그 파형을 언더쉐입드 펄스(under-shaped pulse)라고 할 수 있다.
도 11은 오버쉐입드 펄스와 언더쉐입드 펄스를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 경우에 따라, 인덕터전류(iL)의 레벨이 원하는 레벨보다 높게 형성되는 오버쉐입드 펄스가 형성될 수 있다. 이때, 출력전류(iout)는 원하는 레벨보다 높게 형성될 수 있다.
그리고, 경우에 따라, 인덕터전류(iL)의 레벨이 원하는 레벨보다 낮게 형성되는 언더쉐입드 펄스가 형성될 수 있다. 이때, 출력전류(iout)는 원하는 레벨보다 낮게 형성될 수 있다.
출력전류(iout)를 원하는 레벨로 맞추기 위해 레귤레이터는 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 다른 스테이트를 배치할 수 있다.
도 12a는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트를 추가하는 것을 나타내는 도면이다.
도 12a를 참조하면, 레귤레이터의 제어회로는 인덕터전류(iL)의 크기가 요구범위 혹은 요구레벨보다 작을 때, 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트를 형성시킬 수 있다.
제어회로는 인덕터전류(iL)의 피크와 미리 설정한 요구레벨을 비교하고 인덕터전류(iL)의 피크가 요구레벨보다 낮은 경우, 제3스테이트와 제4스테이트 사이 혹은 제4스테이트와 제3스테이트 사이에 제1스테이트를 추가할 수 있다.
인덕터전류(iL)의 크기는 공진시의 플라잉캐패시터전압의 함수로 결정될 수 있는데, 공진시에 플라잉캐패시터에 충전되는 에너지가 불충분하면 원하는 크기의 인덕터전류(iL)가 만들어지지 않을 수 있다.
이를 개선하기 위해, 제어회로는 제1스테이트를 통해 인덕터전류를 빌드업해 준 뒤, 공진-제3스테이트와 제4스테이트의 교번 동작-을 시키게 되면 원하는 크기의 인덕터전류(iL)를 만들 수 있고, 이를 통해 원하는 출력전류의 크기를 만들 수 있게 된다.
제어회로는 입력되는 센싱값들-예를 들어, 제1전압, 제2전압, 플라잉캐패시터전압, 제3노드전압 등-의 조합으로 제1스테이트를 추가할 시점과 종료할 시점을 결정할 수 있다. 혹은 제어회로는 입력되는 센싱값들의 조합으로 제1스테이트, 제3스테이트 및 제4스테이트의 전환 시점을 결정할 수 있다.
도 12b는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제2예시 도면이다.
도 12b를 참조하면, 제어회로는 레귤레이터의 입력전압과 출력전압의 관계에 따라 제1스테이트의 추가 여부를 결정할 수 있다.
제어회로는 레귤레이터의 입력전압이 출력전압의 2배에서 델타전압을 차감한 전압보다 작을 때(S1210에서 YES), 제1스테이트를 제3스테이트와 제4스테이트 사이 혹은 제4스테이트와 제3스테이트 사이에 추가할 수 있다(S1220).
제1전압(V1)이 입력전압이고 제2전압(V2)이 출력전압일 때, 제어회로는 제1전압(V1)이 제2전압(V2)의 2배에서 델타전압을 더한 전압보다 작을 때, 제1스테이트를 추가할 수 있다. 그리고, 제2전압(V2)이 입력전압이고 제1전압(V1)이 출력전압일 때, 제어회로는 제2전압(V2)이 제1전압(V1)의 2배에서 델타전압을 더한 전압보다 작을 때, 제1스테이트를 추가할 수 있다. 여기서, 델타전압은 마진에 해당되는 전압으로 실시예에 따라 서로 다른 크기를 가질 수 있다.
그리고, 제어회로는 레귤레이터의 입력전압과 출력전압의 관계에 따라 제1스테이트의 동작을 중지시킬 수 있다.
제어회로는 레귤레이터의 입력전압이 출력전압의 2배에서 델타전압을 더한 전압보다 클 때(S1230에서 YES), 제1스테이트를 동작시키지 않을 수 있다(S1240).
제1전압(V1)이 입력전압이고 제2전압(V2)이 출력전압일 때, 제어회로는 제1전압(V1)이 제2전압(V2)의 2배에서 델타전압을 더한 전압보다 클 때, 제1스테이트를 동작시키지 않을 수 있다. 그리고, 제2전압(V2)이 입력전압이고 제1전압(V1)이 출력전압일 때, 제어회로는 제2전압(V2)이 제1전압(V1)의 2배에서 델타전압을 더한 전압보다 클 때, 제1스테이트를 동작시키지 않을 수 있다.
도 13a는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제2스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제1예시 도면이다.
도 13a를 참조하면, 레귤레이터의 제어회로는 인덕터전류(iL)의 크기가 요구범위 혹은 요구레벨보다 클 때, 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제2스테이트를 형성시킬 수 있다.
제어회로는 인덕터전류(iL)의 피크와 미리 설정한 요구레벨을 비교하고 인덕터전류(iL)의 피크가 요구레벨보다 높은 경우, 제3스테이트와 제4스테이트 사이 혹은 제4스테이트와 제3스테이트 사이에 제2스테이트를 추가할 수 있다.
인덕터전류(iL)의 크기는 공진시의 플라잉캐패시터전압의 함수로 결정될 수 있는데, 공진시에 플라잉캐패시터에 충전되는 에너지가 필요 이상으로 많으면 원하는 크기의 인덕터전류(iL)가 만들어지지 않고, 인덕터전류(iL)가 과도하게 증가할 수 있다. 이렇게 되면, 출력전류도 원하는 크기로 만들 수 없을 뿐만 아니라 과도한 전류로 인해 내부 소자 혹은 외부 소자가 파손될 가능성도 있다.
이를 개선하기 위해, 제어회로는 제2스테이트를 통해 인덕터전류를 낮춘 뒤, 공진-제3스테이트와 제4스테이트의 교번 동작-을 시키게 되면 원하는 크기의 인덕터전류(iL)를 만들 수 있고, 이를 통해 원하는 출력전류의 크기를 만들 수 있게 된다.
제어회로는 입력되는 센싱값들-예를 들어, 제1전압, 제2전압, 플라잉캐패시터전압, 제3노드전압 등-의 조합으로 제2스테이트를 추가할 시점과 종료할 시점을 결정할 수 있다. 혹은 제어회로는 입력되는 센싱값들의 조합으로 제2스테이트, 제3스테이트 및 제4스테이트의 전환 시점을 결정할 수 있다.
제어회로는 인덕터전류(iL)가 제로수준에 도달할 때, 제2스테이트를 종료할 수 있다.
도 13b는 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제2스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제2예시 도면이다.
도 13b를 참조하면, 레귤레이터의 제어회로는 일 예로서, 제3노드전압(VSW)과 제1하한값(limitLower1)과 비교하고, 제3노드전압(VSW)이 제1하한값(limitLower1)보다 낮아질 때, 제2스테이트 인에이블 신호(Enable_State2)를 발생시킬 수 있다-제2스테이트 인에이블 신호(Enable_State2)를 로우에서 하이로 변경할 수 있다-. 제어회로는 제1하한비교기(1312)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1하한비교기(1312)의 플러스입력단으로는 제1하한값(limitLower1)에 대응되는 신호가 입력되고, 마이너스입력단으로는 제3노드전압(VSW)에 대응되는 신호가 입력될 수 있다. 그리고, 제1하한비교기(1312)는 제3노드전압(VSW)과 제1하한값(limitLower1)을 비교하고, 제3노드전압(VSW)이 제1하한값(limitLower1)보다 낮아질 때, 제2스테이트 인에이블 신호(Enable_State2)를 발생시킬 수 있다.
다른 예로서, 레귤레이터의 제어회로는 플라잉캐패시터전압(VCFLY)과 상한값(limitUpper), 그리고, 제2하한값(limitLower2)을 비교하고, 플라잉캐패시터전압(VCFLY)이 상한값(limitUpper)보다 작고 제2하한값(limitLower2)보다 클 때, 제2스테이트 인에이블 신호(Enable_State2)를 발생시킬 수 있다-제2스테이트 인에이블 신호(Enable_State2)를 로우에서 하이로 변경할 수 있다-. 제어회로는 상한비교기(1322), 제2하한비교기(1324) 및 AND논리회로(1326)를 포함할 수 있다. 그리고, 상한비교기(1322)의 플러스입력단으로는 상한값(limitUpper)에 대응되는 신호가 입력되고, 마이너스입력단으로는 플라잉캐패시터전압(VCFLY)에 대응되는 신호가 입력될 수 있다. 그리고, 제2하한비교기(1324)의 플러스입력단으로는 플라잉캐패시터전압(VCFLY)에 대응되는 신호가 입력되고, 마이너스입력단으로는 제2하한값(limitLower2)에 대응되는 신호가 입력될 수 있다. 그리고, 상한비교기(1322)의 출력과 제2하한비교기(1324)의 출력은 AND논리회로(1326)로 입력되고, 두 출력이 모두 하이일 때, AND논리회로(1326)는 제2스테이트 인에이블 신호(Enable_State2)를 출력할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제5스테이트를 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 제4스위치(Q4)를 턴온시키고, 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)를 턴오프시켜 스위치네트워크(310)를 제5스테이트로 만들 수 있다.
초기 기동시 혹은 비정상적인 상황에서 플라잉캐패시터전압(VCFLY)이 미리 설정한 전압범위 혹은 전압레벨보다 낮을 때, 제어회로는 스위치네트워크(310)를 제5스테이트로 제어할 수 있다.
제5스테이트에서 제1전압(V1), 제1스위치(Q1), 플라잉캐패시터(CFLY), 제4스위치(Q4) 및 그라운드전압 사이에 직렬로 전류경로가 형성되고, 이러한 전류경로에서의 전류에 의해 플라잉캐패시터(CFLY)가 충전될 수 있다.
제5스테이트에서 과도한 전류-예를 들어, 인러쉬전류-가 제1스위치(Q1) 및/혹은 제4스위치(Q4)로 흐르는 것을 방지하기 위해, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 혹은 제4스위치(Q4)를 리니어모드로 동작시킬 수 있다. 이때, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 혹은 제4스위치(Q4)로 흐르는 전류를 센싱하면서 센싱값에 따라 제1스위치(Q1) 및 혹은 제4스위치(Q4)를 제어할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 스위치네트워크의 제6스테이트를 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 제어회로는 제1스위치(Q1) 및 제4스위치(Q4)를 턴오프시키고, 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)를 턴온시켜 스위치네트워크(310)를 제6스테이트로 만들 수 있다.
비정상적인 상황에서 플라잉캐패시터전압(VCFLY)이 미리 설정한 전압범위 혹은 전압레벨보다 높을 때, 제어회로는 스위치네트워크(310)를 제6스테이트로 제어할 수 있다.
제6스테이트에서 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)는 플라잉캐패시터(CFLY)와 병렬로 배치될 수 있다. 그리고, 이러한 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)를 통해 플라잉캐패시터(CFLY)가 방전될 수 있다.
제6스테이트에서 과도한 전류가 제2스위치(Q2) 및/혹은 제3스위치(Q3)로 흐르는 것을 방지하기 위해, 제어회로는 제2스위치(Q2) 및 혹은 제3스위치(Q3)를 리니어모드로 동작시킬 수 있다. 이때, 제어회로는 제2스위치(Q2) 및 혹은 제3스위치(Q3)로 흐르는 전류를 센싱하면서 센싱값에 따라 제2스위치(Q2) 및 혹은 제3스위치(Q3)를 제어할 수 있다.
레귤레이터는 인덕터전류의 공진파형을 형성하는 펄스쉐이핑 제어와 함께 펄스스킵 제어를 수행할 수 있다.
레귤레이터는 제3스테이트 혹은 제4스테이트를 통해 인덕터전류가 공진파형이 되게 할 수 있다. 이렇게 인덕터전류를 공진파형으로 형성하는 것을 펄스 출력이라고 할 때, 인덕터전류를 제로수준으로 유지시키거나 매우 낮은 수준으로 유지시키는 것을 펄스 스킵이라고 할 수 있다.
레귤레이터는 제어를 통해 펄스를 출력하거나 펄스를 스킵시킬 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 제어회로에서 펄스스킵 제어를 수행하는 예시 구성을 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 제어회로의 펄스스킵제어기(1600)는 센싱값조합부(1610), 제1비교부(1620) 및 제2비교부(1630) 등을 포함할 수 있다.
센싱값조합부(1610)는 멀티플렉서를 이용하여 센싱값들 중 하나의 센싱값을 선택하거나, 둘 이상의 센싱값들을 조합하여 하나의 값을 생성할 수 있다.
센싱값조합부(1610)의 출력을 제어값이라고 할 때, 제1비교부(1620)는 제어값을 참조값(VREF_S)과 비교하여 에러값(Vc)을 생성할 수 있다. 제1비교부(1620)는 제어값에서 참조값(VREF_S)을 빼서 에러값(Vc)을 생성할 수 있다.
제2비교부(1630)는 에러값(Vc)과 기준값(VREF_C)을 비교하고, 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C) 이상일 때, 펄스인에이블 신호를 출력하고, 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C)보다 작을 때, 펄스인에이블 신호의 출력을 중단할 수 있다.
그리고, 제어회로는 펄스인에이블 신호가 출력될 때, 스위치네트워크를 제3스테이트 혹은 제4스테이트로 제어하여 펄스를 출력하고, 펄스인에이블 신호가 출력되지 않을 때, 펄스가 출력되지 않도록 펄스스킵 제어를 수행할 수 있다.
도 17a는 펄스스킵 제어의 제1예시에서의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 17a를 참조하면, 제어회로는 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C)에 도달할 때, 펄스쉐이핑 제어를 통해 인덕터전류(iL)의 파형을 공진파형으로 만들 수 있다. 그리고, 제어회로는 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C) 이상일 때, 스위치네트워크를 제3스테이트 혹은 제4스테이트로 제어하는 펄스쉐이핑 제어를 통해 인덕터전류(iL)의 파형을 공진파형으로 만들 수 있다.
그리고, 제어회로는 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C)보다 작을 때, 펄스스킵 제어를 통해 인덕터전류(iL)가 제로수준을 유지하도록 할 수 있다. 이때, 제1스위치 혹은 제4스위치가 턴오프될 수 있다.
제어회로는 펄스쉐이핑 제어를 수행할지 펄스스킵 제어를 수행할지를 일정한 주기 혹은 펄스쉐이핑 제어가 종료되는 시점마다 판단할 수 있다.
도 17b는 펄스스킵 제어의 제2예시에서의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 17b를 참조하면, 제어회로는 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C)에 도달할 때, 펄스쉐이핑 제어를 통해 인덕터전류(iL)의 파형을 공진파형으로 만들 수 있다. 그리고, 제어회로는 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C) 이상일 때, 스위치네트워크를 제3스테이트 혹은 제4스테이트로 제어하는 펄스쉐이핑 제어를 통해 인덕터전류(iL)의 파형을 공진파형으로 만들 수 있다.
그리고, 제어회로는 에러값(Vc)이 기준값(VREF_C)보다 작을 때, 펄스스킵 제어를 통해 인덕터전류(iL)가 제로수준을 유지하도록 할 수 있다. 이때, 제1스위치 혹은 제4스위치가 턴오프될 수 있다.
한편, 기준값(VREF_C)은 변하는 값일 수 있다. 예를 들어, 기준값(VREF_C)은 인덕터전류(iL)의 일정 배수에 해당하는 값일 수 있다.
레귤레이터의 입력은 제1전압이고, 출력은 제2전압일 수 있다. 혹은 레귤레이터의 입력은 제2전압이고, 출력은 제1전압일 수 있다.
한편, 도 12를 참조하여 설명한 것과 별도로, 제어회로는 펄스인에이블 신호에 따라 제1스테이트의 동작여부를 결정할 수 있다.
도 18은 레귤레이터가 제3스테이트와 제4스테이트 사이에 제1스테이트를 추가하는 것을 나타내는 제3예시 도면이다.
도 18을 참조하면, 제어회로는 펄스인에이블 신호와 인덕터전류(IL)의 크기를 이용하여 제1스테이트의 추가 여부를 결정할 수 있다.
제어회로는 펄스인에이블 신호가 계속 출력되는 상황-신호가 계속해서 하이(high) 레벨을 유지하는 상황-에서 인덕터전류(IL)의 ZCD(Zero Current Detection)이 연속적으로 N(N은 2 이상의 자연수)회 발생할 때(S1810에서 YES), 제1스테이트를 제3스테이트와 제4스테이트 사이 혹은 제4스테이트와 제3스테이트 사이에 추가할 수 있다(S1820).
그리고, 제어회로는 인덕터전류(IL)가 제로수준을 유지하다가 펄스인에이블 신호가 발생하는 상황-펄스인에이블 신호에 라이징에지가 발생하는 상황-이 연속적으로 M(M은 2 이상의 자연수)회 발생할 때(S1830에서 YES), 제1스테이트를 동작시키지 않을 수 있다(S1840).
도 19는 일 실시에에 따른 레귤레이터의 입력과 출력의 예시를 나타내는 도면이다.
도 19의 좌측과 같이 레귤레이터는 제1전압(V1)을 입력으로 하고 제2전압(V2)을 출력으로 할 수 있다. 이러한 예시에서, 부하는 제2전압(V2)이 형성되는 노드에 연결될 수 있다. 그리고, 입력전류(iIN)는 제1스위치(Q1)를 통해 공급되고, 출력전류(iOUT)는 인덕터전류(iL)와 매우 유사한 파형을 가질 수 있다.
도 19의 우측과 같이 레귤레이터는 제2전압(V2)을 입력으로 하고 제1전압(V1)을 출력으로 할 수 있다. 이러한 예시에서, 부하는 제1전압(V1)이 형성되는 노드에 연결될 수 있다. 그리고, 입력전류(iIN)는 인덕터전류(iL)와 매우 유사한 파형을 가질 수 있고, 출력전류(iOUT)는 제1스위치(Q1)를 통해 부하로 공급될 수 있다.
도 20은 일 실시예의 스위치네트워크에서 제1스위치의 소자 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 20에서 좌측은 도 2를 참조하여 설명한 전력변환장치(20)이고, 도 20에서 우측은 일 실시예에 따른 레귤레이터이다.
도 2를 참조하여 설명한 전력변환장치(20)에서는 과전압보호IC(24) 및 입력스테이지(23)가 필요하였는데, 일 실시예의 스위치네트워크(310)에서는 제1스위치(Q1)가 과전압보호IC(24) 및 입력스테이지(23)의 기능을 함께 수행할 수 있다.
일 실시예의 스위치네트워크(310)에서 제1스위치(Q1)는 양방향 바디다이오드(Bi-directional body diode) 특성을 가진 능동소자일 수 있다. 예를 들어, 제1스위치(Q1)는 Bi-directional GaN FET일 수 있고, Si-FET Back to Back 소자일 수 있다.
이러한 능동소자가 제1스위치(Q1)로 사용될 경우, 제1스위치(Q1)는 스위칭소자의 기능 뿐만 아니라 제1전압(V1)이 특정 전압레벨보다 높아지면 스위치네트워크를 제0스테이트로 전환시키는 기능과 입력스테이지에서의 리버스블럭의 기능을 함께 수행할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 높은 확장성을 가질 수 있다.
전술한 제어회로, 스위치네트워크, 플라잉캐패시터 및 인덕터가 결합된 구조를 레귤레이터블럭이라고 할 때, 복수의 레귤레이터블럭들이 출력을 공유하면서 하나의 확장된 레귤레이터를 구성할 수 있다.
도 21은 확장된 레귤레이터의 제1예시 구성도이다.
도 21을 참조하면, 레귤레이터(2100)는 제1레귤레이터블럭(2110)과 제2레귤레이터블럭(2120)을 포함할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2110)과 제2레귤레이터블럭(2120)은 각각 전술한 일 실시예에 따른 스위치네트워크를 포함할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2110)과 제2레귤레이터블럭(2120)은 각각 전술한 제0스테이트 내지 제6스테이트의 7개의 스테이트로 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2110)과 제2레귤레이터블럭(2120)은 제2전압(V2)을 출력할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2110)과 제2레귤레이터블럭(2120)은 서로 병렬로 배치되고 출력을 공유할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2110)은 제1-1스위치(Q1A), 제2-1스위치(Q2A), 제3-1스위치(Q3A) 및 제4-1스위치(Q4A)를 포함하는 제1스위치네트워크(2111)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2110)은 제1-1전압(V1A)을 입력으로 받고 제2전압(V2)을 출력할 수 있다.
제2레귤레이터블럭(2120)은 제1-2스위치(Q1B), 제2-2스위치(Q2B), 제3-2스위치(Q3B) 및 제4-2스위치(Q4B)를 포함하는 제2스위치네트워크(2121)를 포함할 수 있다. 그리고, 제2레귤레이터블럭(2120)은 제1-2전압(V1B)을 입력으로 받고 제2전압(V2)을 출력할 수 있다.
제1-1전압(V1A)과 제1-2전압(V1B)은 서로 다른 전압레벨을 가지는 전압일 수 있고, 서로 같은 전압레벨을 가지는 전압일 수 있다.
제1예시에 따른 레귤레이터(2100)는 제1-1전압(V1A)이 공급되는 노드에서 제2전압(V2)이 출력되는 노드로 전력이 흐르는 제1전력경로와, 제1-2전압(V1B)이 공급되는 노드에서 제2전압(V2)이 출력되는 노드로 전력이 흐르는 제2전력경로를 가질 수 있다.
도 22는 확장된 레귤레이터의 제2예시 구성도이다.
도 22를 참조하면, 레귤레이터(2200)는 제1레귤레이터블럭(2210), 제2레귤레이터블럭(2220) 및 먹스회로(2230) 등을 포함할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2210)과 제2레귤레이터블럭(2220)은 각각 전술한 일 실시예에 따른 스위치네트워크를 포함할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2210)과 제2레귤레이터블럭(2220)은 각각 전술한 제0스테이트 내지 제6스테이트의 7개의 스테이트로 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2210)과 제2레귤레이터블럭(2220)은 제2전압(V2)을 출력할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2210)과 제2레귤레이터블럭(2220)은 서로 병렬로 배치되고 출력을 공유할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2210)은 제1-1스위치(Q1A), 제2-1스위치(Q2A), 제3-1스위치(Q3A) 및 제4-1스위치(Q4A)를 포함하는 제1스위치네트워크(2211)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2210)은 제2전압(V2)을 출력할 수 있다
제2레귤레이터블럭(2220)은 제1-2스위치(Q1B), 제2-2스위치(Q2B), 제3-2스위치(Q3B) 및 제4-2스위치(Q4B)를 포함하는 제2스위치네트워크(2221)를 포함할 수 있다. 그리고, 제2레귤레이터블럭(2220)은 제2전압(V2)을 출력할 수 있다.
먹스회로(2230)는 제1-1전압(V1A)과 제1-2전압(V1B)을 선택적으로 제1레귤레이터블럭(2210) 및/혹은 제2레귤레이터블럭(2220)으로 전달할 수 있다.
일 예로, 먹스회로(2230)는 제1-1전압(V1A)을 제1레귤레이터블럭(2210)으로 전달하고, 제1-2전압(V1B)을 제2레귤레이터블럭(2220)으로 전달할 수 있다. 이 경우, 제2예시에 따른 레귤레이터(2200)는 제1예시에 따른 레귤레이터(도 21의 2100 참조)와 유사하게 동작할 수 있다.
다른 예로, 먹스회로(2230)는 제1-1전압(V1A)을 제1레귤레이터블럭(2210) 및 제2레귤레이터블럭(2220)로 동시에 전달할 수 있고, 먹스회로(2230)는 제1-2전압(V1B)을 제1레귤레이터블럭(2210) 및 제2레귤레이터블럭(2220)로 동시에 전달할 수 있다.
먹스회로(2230)는 상측스위치(QHA), 하측스위치(QHB) 및 연결스위치(QI) 등을 포함할 수 있다.
상측스위치(QHA)는 제1입력노드(NI1)와 제1출력노드(NO1)의 연결을 제어할 수 있다. 그리고, 하측스위치(QHB)는 제2입력노드(NI2)와 제2출력노드(NO2)의 연결을 제어할 수 있다. 그리고, 연결스위치(QI)는 제1출력노드(NO1)와 제2출력노드(NO2)의 연결을 제어할 수 있다.
제1입력노드(NI1)로는 제1-1전압(VIA)이 공급되고, 제2입력노드(NI2)로는 제1-2전압(NI2)이 공급될 수 있다. 그리고, 제1출력노드(NO1)는 제1레귤레이터블럭(2210)의 입력과 연결되고, 제2출력노드(NO2)는 제2레귤레이터블럭(2220)의 입력과 연결될 수 있다.
먹스회로(2230)는 상측스위치(QHA) 및 하측스위치(QHB)를 턴온시키고, 연결스위치(QI)를 턴오프시켜 제1-1전압(V1A)을 제1레귤레이터블럭(2210)으로 전달하고, 제1-2전압(V1B)을 제2레귤레이터블럭(2220)으로 전달할 수 있다.
그리고, 먹스회로(2230)는 상측스위치(QHA)를 턴온시키고, 하측스위치(QHB)를 턴오프시키고, 연결스위치(QI)를 턴온시켜 제1-1전압(V1A)을 제1레귤레이터블럭(2210) 및 제2레귤레이터블럭(2220)로 동시에 전달할 수 있다.
그리고, 먹스회로(2230)는 상측스위치(QHA)를 턴오프시키고, 하측스위치(QHB)를 턴온시키고, 연결스위치(QI)를 턴오프시켜 제1-2전압(V1B)을 제1레귤레이터블럭(2210) 및 제2레귤레이터블럭(2220)로 동시에 전달할 수 있다.
이러한 병렬구조에서는 제2전압(V2)이 출력되는 노드에서 바라보는 임피던스가 낮아 효율이 증가할 수 있다.
그리고, 상측스위치(QHA) 및 하측스위치(QHB)가 과전압방지용으로 사용될 수 있어, 제1-1스위치(Q1A) 및 제1-2스위치(Q1B)가 양방향 바디다이오드 동작을 지원할 필요가 없다.
제1-1전압(V1A)과 제1-2전압(V1B)은 서로 다른 전압레벨을 가지는 전압일 수 있고, 서로 같은 전압레벨을 가지는 전압일 수 있다.
도 23은 확장된 레귤레이터의 제3예시 구성도이다.
도 23을 참조하면, 레귤레이터(2300)는 제1레귤레이터블럭(2310), 제2레귤레이터블럭(2320) 및 스위치드 캐패시터 컨버터(2330) 등을 포함할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2310)과 제2레귤레이터블럭(2320)은 각각 전술한 일 실시예에 따른 스위치네트워크를 포함할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2310)과 제2레귤레이터블럭(2320)은 각각 전술한 제0스테이트 내지 제6스테이트의 7개의 스테이트로 스위치네트워크를 제어할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2310)과 제2레귤레이터블럭(2320)은 제2전압(V2)을 출력할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2310)과 제2레귤레이터블럭(2320)은 서로 병렬로 배치되고 출력을 공유할 수 있다.
제1레귤레이터블럭(2310)은 제1-1스위치(Q1A), 제2-1스위치(Q2A), 제3-1스위치(Q3A) 및 제4-1스위치(Q4A)를 포함하는 제1스위치네트워크(2311)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1레귤레이터블럭(2310)은 제2전압(V2)을 출력할 수 있다
제2레귤레이터블럭(2320)은 제1-2스위치(Q1B), 제2-2스위치(Q2B), 제3-2스위치(Q3B) 및 제4-2스위치(Q4B)를 포함하는 제2스위치네트워크(2321)를 포함할 수 있다. 그리고, 제2레귤레이터블럭(2320)은 제2전압(V2)을 출력할 수 있다.
스위치드 캐패시터 컨버터(2330)는 먹스의 기능과 컨버터의 기능을 모두 수행할 수 있다.
스위치드 캐패시터 컨버터(2330)의 먹스 기능에 의해, 제1-1전압(V1A)에서 제2전압(V2)으로 전력을 전달하는 전력경로와, 제1-2전압(V1B)에서 제2전압(V2)으로 전력을 전달하는 전력경로를 형성할 수 있고, 반대로, 제2전압(V2)에서 제1-1전압(V1A)으로 전력을 전달하는 전력경로와, 제2전압(V2)에서 제1-2전압(V1B)으로 전력을 전달하는 전력경로를 형성할 수 있다.
스위치드 캐패시터 컨버터(2330)의 컨버터 기능에 의해, 제1-1전압(V1A)에서 제2전압(V2)으로 변환하는 비율(conversion ratio) 혹은 제1-2전압(V1B)에서 제2전압(V2)으로 변환하는 비율을 4 to 1 혹은 3 to 1으로 확장할 수 있다.
스위치드 캐패시터 컨버터(2330)는 제1제어스위치(QU), 제2제어스위치(QW), 제3제어스위치(QS), 제4제어스위치(QL) 및 플라잉캐패시터(CFLY_H)를 포함할 수 있다.
각 레귤레이터블럭(2310, 2320)에 포함된 플라잉캐패시터(CFLY_L)와 스위치드 캐패시터 컨버터(2330)에 포함된 플라잉캐패시터(CFLY_H)를 구분하기 위해, 각 레귤레이터블럭(2310, 2320)에 포함된 플라잉캐패시터(CFLY_L)를 제1플라잉캐패시터(CFLY_L)라고 하고, 스위치드 캐패시터 컨버터(2330)에 포함된 플라잉캐패시터(CFLY_H)를 제2플라잉캐패시터(CFLY_H)로 호칭한다.
제1제어스위치(QU)는 제1컨버터노드(NC1)와 제3컨버터노드(NC3) 사이의 연결을 제어할 수 있다. 제2제어스위치(QW)는 제3컨버터노드(NC3)와 제2컨버터노드(NC2) 사이의 연결을 제어할 수 있다. 제3제어스위치(QS)는 중간노드(NM)와 제4z컨버터노드(NO4) 사이의 연결을 제어할 수 있다. 그리고, 제4제어스위치(QL)는 중간노드(NM)와 저전압단-예를 들어, 그라운드전압이 연결되는 부분- 사이의 연결을 제어할 수 있다.
제1컨버터노드(NC1)에 제1-1전압(V1A)이 형성되고, 제2컨버터노드(NC2)에 제1-2전압(V1B)이 형성될 수 있다.
제3컨버터노드(NC3)는 제1레귤레이터블럭(2310)의 제1-1스위치(Q1A) 외측과 연결되고, 제4컨버터노드(NC4)는 제2레귤레이터블럭(2320)의 제1-2스위치(Q1B) 내측과 연결될 수 있다. 여기서, 외측은 스위치네트워크의 외부측을 의미하고 내측은 스위치네트워크의 내부측을 의미할 수 있다.
제4컨버터노드(NC4)는 제2레귤레이터블럭(2320)의 제1-2스위치(Q1B) 내측과 연결될 때, 제5컨버터노드(NC5)는 2레귤레이터블럭(2320)의 제1-2스위치(Q1B) 외측과 연결될 수 있다.
제2컨버터노드(NC2)는 제5컨버터노드(NC5)와 전기적으로 같은 노드일 수 있다.
제2플라잉캐패시터(CFLY_H)의 일측은 제3컨버터노드(NC3)와 연결되고 타측은 중간노드(NM)와 연결될 수 있다.
정상 동작 중에 중간노드(NM)에는 제1-1전압(V1A)의 대략 1/2에 해당되는 전압 혹은 제1-2전압(V1B)의 1/2에 해당되는 전압이 형성될 수 있다.
도 24는 제3예시에 따른 레귤레이터의 제1제어스테이트를 나타내는 도면이고, 도 25는 제3예시에 따른 레귤레이터의 제2제어스테이트를 나타내는 도면이고, 도 26은 제3예시에 따른 레귤레이터의 제3제어스테이트를 나타내는 도면이고, 도 27은 제3예시에 따른 레귤레이터의 제4제어스테이트를 나타내는 도면이며, 도 28은 제3예시에 따른 레귤레이터의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
레귤레이터(2300)에서, 제1레귤레이터블럭(2310)과 제2레귤레이터블럭(2320)은 서로 다른 스테이트로 제어될 수 있다.
도 24 내지 도 28을 참조하면, 레귤레이터(2300)는 제1제어스테이트에서, 제1레귤레이터블럭(2310)을 제4스테이트로 제어하고, 제2레귤레이터블럭(2320)을 제3스테이트로 제어할 수 있다.
이때, 제2플라잉캐패시터(CFLY_H)가 충전될 수 있다.
제1제어스테이트에서 제2레귤레이터블럭(2320)은 제1-2스위치(Q1B)를 턴오프시킬 수 있다. 이때, 스위치드 캐패시터 컨버터(2330)의 제3제어스위치(QS)가 제1-2스위치(Q1B) 대신 턴온됨으로써, 제2레귤레이터블럭(2320)이 제3스테이트와 동일한 형태를 가질 수 있다.
제1제어스테이트에서 제1제어스위치(QU)는 턴온되고, 제2제어스위치(QW)는 턴오프되고, 제3제어스위치(QS)는 턴온되고, 제4제어스위치(QL)는 턴오프될 수 있다.
레귤레이터(2300)는 제2제어스테이트에서, 제1레귤레이터블럭(2310)을 제3스테이트로 제어하고, 제2레귤레이터블럭(2320)을 제4스테이트로 제어할 수 있다.
이때, 제2플라잉캐패시터(CFLY_H)가 방전될 수 있다.
제2제어스테이트에서 제1제어스위치(QU)는 턴오프되고, 제2제어스위치(QW)는 턴오프되고, 제3제어스위치(QS)는 턴오프되고, 제4제어스위치(QL)는 턴온될 수 있다.
레귤레이터(2300)는 제3제어스테이트에서, 제1레귤레이터블럭(2310)을 제4스테이트로 제어하고, 제2레귤레이터블럭(2320)을 제3스테이트로 제어할 수 있다.
이때, 제2플라잉캐패시터(CFLY_H)가 충전될 수 있다.
제3제어스테이트에서 제2레귤레이터블럭(2320)은 제1-2스위치(Q1B)를 턴오프시킬 수 있다. 이때, 스위치드 캐패시터 컨버터(2330)의 제3제어스위치(QS)가 제1-2스위치(Q1B) 대신 턴온됨으로써, 제2레귤레이터블럭(2320)이 제3스테이트와 동일한 형태를 가질 수 있다.
제3제어스테이트에서 제1제어스위치(QU)는 턴오프되고, 제2제어스위치(QW)는 턴온되고, 제3제어스위치(QS)는 턴온되고, 제4제어스위치(QL)는 턴오프될 수 있다.
레귤레이터(2300)는 제4제어스테이트에서, 제1레귤레이터블럭(2310)을 제3스테이트로 제어하고, 제2레귤레이터블럭(2320)을 제4스테이트로 제어할 수 있다.
이때, 제2플라잉캐패시터(CFLY_H)가 방전될 수 있다.
제4제어스테이트에서 제1제어스위치(QU)는 턴오프되고, 제2제어스위치(QW)는 턴온되고, 제3제어스위치(QS)는 턴온되고, 제4제어스위치(QL)는 턴오프될 수 있다.
정상 동작 중에 제2플라잉캐패시터(CFLY_H)의 전압은 대략 1/2에 해당되는 전압 혹은 제1-2전압(V1B)의 1/2에 해당되는 전압이 될 수 있는데, 이 보다 높은 전압이 되는 경우, 레귤레이터(2300)는 제2제어스테이트 혹은 제4제어스테이트를 연속적으로 2회 이상 수행하고, 이 보다 낮은 전압이 되는 경우, 레귤레이터(2300)는 제1제어스테이트 혹은 제3제어스테이트를 연속적으로 2회 이상 수행할 수 있다. 그렇지 않는 경우, 레귤레이터(2300)는 제1제어스테이트 내지 제4제어스테이트를 순차적으로 수행할 수 있다.
한편, 레귤레이터는 호스트와의 협력제어를 통해 효율을 더 개선시킬 수 있다.
도 29는 일 실시예에 따른 레귤레이터와 호스트의 협력제어를 나타내는 도면이다.
도 29를 참조하면, 레귤레이터(2910)는 호스트(2920)로 파워업 플래그(PWU)를 발생시켜 파워서플라이어(2930)가 레귤레이터(2910)로 더 높은 출력을 내 보낼 수 있게 할 수 있다.
예를 들어, 레귤레이터(2910)가 파워업 플래그(PWU)를 발생시켜 호스트(2920)로 송신하면 호스트(2920)는 파워서플라이어(2930)를 제어하여 레귤레이터(2910)로 공급하는 제1전압(V1)의 레벨을 상승시킬 수 있다.
헤비 로드에서 펄스스킵없이 제3스테이트와 제4스테이트를 연속하여 교번 동작시키면 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 레귤레이터(2910)는 파워서플라이어(2930)로부터 충분한 전력이 공급되지 않을 때, 제1스테이트를 추가적으로 동작시키되, PPS 어댑터와 같이 출력 전력이 조절되는 파워서플라이어의 경우에는 호스트(2920)를 통해 파워서플라이어(2930)의 출력을 증가시켜 제1스테이트가 동작되지 않게 할 수 있다.
한편, 파워서플라이어의 출력이 필요 이상으로 높을 시 펄스스킵이 발생될 수 있는데, 이러한 제어는 라이트 로드에서는 효율을 증가시킬 수 있지만 헤비 로드에서는 펄스스킵없이 제3스테이트와 제4스테이트가 연속하여 교번 동작하는 것이 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 이에 따라, 레귤레이터(2910)는 헤비 로드에서는 제1스테이트가 동작되지 않는 상황에서 효율이 충분한지 체크하고 효율이 충분하지 않다면 파워서플라이어(2930)가 출력을 낮춰 최적의 효율을 가질 수 있도록 파워다운 플래그(PWD)를 발생시킬 수 있다.
도 30은 일 실시예에 따른 레귤레이터와 호스트의 협력제어 방법의 흐름도이다.
도 30을 참조하면, 레귤레이터의 제어회로는 제1스테이트 동작여부를 확인할 수 있다(S3010).
그리고, 제어회로는 제1스테이트가 동작된다고 판단될 때(S3010에서 YES), 파워서플라이어를 제어하는 장치-예를 들어, 호스트-로 파워업 플래그(PWU)를 발생시킬 수 있다(S3012).
그리고, 이러한 파워업 플래그(PWU)에 따라 파워서플라이어가 출력을 증가시킬 수 있다(S3014).
그리고, 제어회로는 제1스테이트가 동작되지 않는 상태라고 판단될 때(S3010에서 NO), 파워업 플래그(PWU)를 발생시키지 않을 수 있다(S3016).
그리고, 제어회로는 효율을 계산할 수 있다(S3018). 효율을 예를 들어, 출력전압과 출력전류를 곱합 값을 입력전압과 제1스위치에 흐르는 전류를 곱한 값으로 나누어서 계산할 수 있다.
제어회로는 계산된 효율값과 목표치를 비교하고 효율값이 목표치 이상일 때(S3020에서 YES), 제1스테이트의 동작여부를 판단하는 S3010 단계로 돌아갈 수 있다.
그리고, 제어회로는 계산된 효율값이 목표치보다 작을 때(S3020에서 NO), 파워다운 플래그(PWD)를 발생시킬 수 있다(S3022).
그리고, 이러한 파워다운 플래그(PWD)에 따라 파워서플라이어가 출력을 감소시킬 수 있다(S3024).
그리고, 제어회로는 다시 제1스테이트의 동작여부를 판단하는 S3010 단계로 돌아갈 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 작은 사이즈로 고효율의 레귤레이션을 수행할 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 입력전력(제1전압 혹은 제2전압)의 종류(전력제어 레벨)에 무관하게 레귤레이션이 가능하기 때문에 별도의 벅컨버터 혹은 부스트컨버터를 추가할 필요가 없고, 이에 따라, 솔루션의 사이즈가 감소할 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 LC 공진주파수에서 스위칭이 가능하기 때문에 전력손실을 최소화하고 효율을 높일 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 공진 스위치드 캐패시터 컨버터로 동작할 수 있기 때문에 작은 사이즈의 플라잉캐패시터로 충분하고 이에 따라 수동소자의 사이즈를 줄일 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 과전압보호IC 혹은 입력스테이지가 불필요할 수 있어, 솔루션의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 레귤레이터는 출력 전력 증가 및 복수개의 입력 소스를 지원할 수 있는 확장성이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전력변환장치의 효율을 높일 수 있고, 전력변환장치에 복잡한 구성을 추가하지 않으면서 전력변환장치를 안정적으로 제어할 수 있으며, 전력변환장치의 사이즈를 줄일 수 있게 된다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 서로 직렬연결되는 제1스위치블럭, 제2스위치블럭, 제3스위치블럭 및 제4스위치블럭를 포함하고, 상기 제1스위치블럭 및 상기 제2스위치블럭이 연결되는 제1노드와 상기 제3스위치블럭 및 상기 제4스위치블럭이 연결되는 제2노드로 플라잉캐패시터가 연결되고, 상기 제2스위치블럭 및 상기 제3스위치블럭이 연결되는 제3노드로 인덕터가 연결되는 스위치네트워크; 및
    상기 제1스위치블럭과 상기 제2스위치블럭이 턴온되는 제1스테이트, 상기 제3스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제2스테이트, 상기 제1스위치블럭과 상기 제3스위치블럭이 턴온되는 제3스테이트 및 상기 제2스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제4스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트가 교번되도록 상기 스위치네트워크를 제어하고, 상기 인덕터전류의 크기가 요구범위를 벗어날 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트 혹은 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 제어회로
    를 포함하는 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달할 때, 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트를 종료시키는 레귤레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어회로는 입력전압이 출력전압의 R(R은 2 이상의 양수)배에서 델타전압을 더한 전압보다 작을 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 레귤레이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어회로는,
    상기 제3노드의 전압이 제1하한값보다 낮아질 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하거나,
    상기 플라잉캐패시터의 전압이 상한값보다 작고, 제2하한값보다 클 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 레귤레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달하기 전에 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트를 종료시키고, 이후 상기 제2스테이트에서 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달할 때, 상기 제2스테이트를 종료시키는 레귤레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어회로는,
    상기 제1스위치블럭과 상기 제4스위치블럭이 턴온되는 제5스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 플라잉캐패시터의 전압이 미리 설정한 전압범위보다 낮을 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제5스테이트로 제어하는 레귤레이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어회로는,
    상기 제5스테이트에서 상기 제1스위치블럭 혹은 상기 제4스위치블럭에 포함되는 전력반도체를 리니어모드로 동작시켜 상기 플라잉캐패시터로 공급되는 전류의 크기를 제한하는 레귤레이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어회로는,
    상기 제2스위치블럭과 상기 제3스위치블럭이 턴온되는 제6스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 플라잉캐패시터의 전압이 미리 설정한 전압범위보다 높을 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제6스테이트로 제어하는 레귤레이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어회로는,
    제어값과 참조값의 차이가 기준값이상일 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트로 제어하고, 상기 제어값과 상기 참조값의 차이가 상기 기준값보다 작을 때, 상기 제1스위치블럭 내지 상기 제4스위치블럭이 턴오프되는 스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어하는 레귤레이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1스위치블럭의 일측으로 고전압이 공급되고, 상기 제1스위치블럭에 포함되는 전력반도체는 바이디렉셔널 바디다이오드(Bi-directional body diode) 특성을 지닌 능동소자인 레귤레이터.
  11. 복수의 스위치소자들을 포함하고, 상기 스위치소자들의 연결노드들 중 적어도 두 개의 연결노드들에 플라잉캐패시터가 연결되고, 상기 연결노드들 중 적어도 하나의 연결노드에 인턱터가 연결되며, 일측으로 고전압이 공급되고, 타측으로 저전압이 공급되는 스위치네트워크; 및
    상기 인덕터의 일측으로 상기 고전압이 연결되는 제1스테이트, 상기 인덕터의 일측으로 상기 저전압이 연결되는 제2스테이트, 상기 고전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제3스테이트 및 상기 저전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 상기 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제4스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트가 교번되도록 상기 스위치네트워크를 제어하고, 상기 인덕터전류의 크기가 요구범위를 벗어날 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트 혹은 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 제어회로
    를 포함하는 레귤레이터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달할 때, 상기 제3스테이트 혹은 상기 제4스테이트를 종료시키는 레귤레이터.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어회로는 제어값과 참조값의 차이가 기준값 이상일 때, 펄스인에이블 신호를 하이 레벨로 출력하되, 상기 펄스인에이블 신호가 하이 레벨을 유지한 상태에서, 상기 인덕터전류가 제로수준에 도달하는 횟수가 N(N은 2 이상의 자연수)회 이상 발생하면 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 레귤레이터.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 제1스테이트가 동작될 때, 상기 고전압을 공급하는 파워서플라이어가 출력전력을 증가시키도록 파워업 플래그를 발생시켜 상기 파워서플라이어를 제어하는 장치로 송신하는 레귤레이터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 제1스테이트가 동작되지 않을 때, 상기 파워업 플래그를 미발생시키고, 효율값을 계산하며, 상기 효율값이 목표치보다 작을 때, 파워다운 플래그를 발생시켜 상기 파워서플라이어가 출력전력을 감소시키도록 하는 레귤레이터.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제어회로는,
    상기 인덕터의 일측이 플로팅되고, 상기 고전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 저전압이 직렬연결되는 제5스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 플라잉캐패시터의 전압이 미리 설정한 전압범위보다 낮을 때, 상기 스위치네트워크를 상기 제5스테이트로 제어하는 레귤레이터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어회로는,
    초기 기동에서 상기 스위치네트워크를 상기 제5스테이트로 제어하고, 상기 제5스테이트에서 턴온되는 전력반도체를 리니어모드로 동작시켜 상기 플라잉캐패시터로 공급되는 전류의 크기를 제한하는 레귤레이터.
  18. 복수의 스위치소자들을 포함하고, 상기 스위치소자들의 연결노드들 중 적어도 두 개의 연결노드들에 플라잉캐패시터가 연결되고, 상기 연결노드들 중 적어도 하나의 연결노드에 인턱터가 연결되며, 일측으로 고전압이 공급되고, 타측으로 저전압이 공급되는 스위치네트워크; 및
    상기 인덕터의 일측으로 상기 고전압이 연결되는 제1스테이트, 상기 인덕터의 일측으로 상기 저전압이 연결되는 제2스테이트, 상기 고전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제3스테이트 및 상기 저전압, 상기 플라잉캐패시터 및 상기 인덕터가 직렬로 연결되면서 상기 인덕터전류가 공진파형을 형성하는 제4스테이트로 상기 스위치네트워크를 제어할 수 있고, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트가 교번되도록 상기 스위치네트워크를 제어하고, 상기 인덕터전류의 크기가 요구범위를 벗어날 때, 상기 제3스테이트와 상기 제4스테이트 사이에 상기 제1스테이트 혹은 상기 제2스테이트가 형성되도록 상기 스위치네트워크를 제어하는 제어회로
    를 포함하는 복수의 레귤레이터블럭들이 출력을 공유하면서 서로 병렬로 배치되는 레귤레이터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 레귤레이터블럭들의 입력에 스위치드 캐패시터 컨버터를 더 배치하는 레귤레이터.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제3스테이트 및 상기 제4스테이트에 대해 상기 레귤레이터블럭들 중 적어도 두 개의 레귤레이터블럭들을 서로 다른 스테이트로 제어하는 레귤레이터.
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