KR20240019426A - Dc-dc synchronous buck converter and current sensing circuit of high-side power transistor of dc-dc synchronous buck converter - Google Patents

Dc-dc synchronous buck converter and current sensing circuit of high-side power transistor of dc-dc synchronous buck converter Download PDF

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KR20240019426A
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최중호
손지원
김면식
박상순
조정호
김동현
전정희
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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로는 센싱 전류가 흐르는 센싱 트랜지스터를 포함하는 전류 센싱 블록, DC-DC 동기식 벅 변환기의 보상 회로의 출력 전압을 전류 형태로 변환시키는 보상 블록 및 센싱 전류 및 상기 보상 회로의 출력 전압을 변환시킨 전류의 크기를 비교하는 전류 비교 블록을 포함하고, 전류 비교 블록은 센싱 저항, 오프셋 전류 공급 회로 및 다이오드 연결 소자를 포함할 수 있다. The current sensing circuit that senses the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter is a current sensing block that includes a sensing transistor through which the sensing current flows, and the output voltage of the compensation circuit of the DC-DC synchronous buck converter. It includes a compensation block that converts into a current form and a current comparison block that compares the magnitude of the current converted to the sensing current and the output voltage of the compensation circuit, and the current comparison block includes a sensing resistor, an offset current supply circuit, and a diode connection element. It can be included.

Description

DC-DC 동기식 벅 변환기 및 DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로{DC-DC SYNCHRONOUS BUCK CONVERTER AND CURRENT SENSING CIRCUIT OF HIGH-SIDE POWER TRANSISTOR OF DC-DC SYNCHRONOUS BUCK CONVERTER}Current sensing circuit that senses the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter and DC-DC synchronous buck converter {DC-DC SYNCHRONOUS BUCK CONVERTER AND CURRENT SENSING CIRCUIT OF HIGH-SIDE POWER TRANSISTOR OF DC -DC SYNCHRONOUS BUCK CONVERTER}

본 발명은 DC-DC 동기식 벅 변환기 및 DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로에 관한 것이다. The present invention relates to a DC-DC synchronous buck converter and a current sensing circuit that senses the current flowing in the HS (high-side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter.

DC-DC 벅 변환기의 전류 센싱 회로는 온(ON) 타임에 HS(High-Side)에 흐르는 전류를 센싱하고 보상 회로의 출력신호와 비교하여 오프 타임의 동작 타이밍을 결정한다. The current sensing circuit of the DC-DC buck converter senses the current flowing in HS (High-Side) during ON time and determines the operation timing of OFF time by comparing it with the output signal of the compensation circuit.

기존 센싱 FET 기법을 사용한 전압비교 방식의 전류 센싱 회로는 도 1과 같다. 도 1을 참조하면, 온 타임 시 HS 파워 트랜지스터에는 전류가 흐르게 되고, HS 파워 트랜지스터에 의해 LX 노드는 VDD와 전압차이가 생기게 된다. LX 노드는 전류 센싱 회로 내 앰프의 입력인 LXM으로 신호를 전달하게 되면, 앰프에 의해서 LXM과 LXP의 전압은 같은 값이 된다. 이 때, HS 파워 트랜지스터와 MP3 의 소자 사이즈 비에 의해서 MP3로는 예를 들어, HS 파워 트랜지스터의 1/10000에 해당하는 전류가 흐르게 된다. 이렇게 흐르는 전류는 MN1에서 MN2로, MP4에서 MP5로 미러링된다. 이 후 Rsen을 통해 센싱된 전류와 Slope compensation 전류가 흐르게 되면서 생성된 VSENSE 전압과 보상 회로의 출력인 FBOUT신호가 비교되며 OFF 동작의 타이밍을 결정하게 된다. 이를 식으로 표현하면 [수학식 1]과 같다. The current sensing circuit of the voltage comparison method using the existing sensing FET technique is shown in Figure 1. Referring to FIG. 1, during on time, current flows through the HS power transistor, and a voltage difference occurs between the LX node and VDD due to the HS power transistor. When the LX node transmits a signal to LXM, which is the input of the amplifier in the current sensing circuit, the voltage of LXM and LXP becomes the same value by the amplifier. At this time, depending on the device size ratio between the HS power transistor and MP3, a current equivalent to, for example, 1/10000 of the HS power transistor flows through MP3. The current flowing in this way is mirrored from MN1 to MN2 and from MP4 to MP5. Afterwards, the current sensed through Rsen and the slope compensation current flow, and the generated VSENSE voltage is compared with the FBOUT signal, which is the output of the compensation circuit, to determine the timing of the OFF operation. This can be expressed as [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

하지만, 다양한 부하전류와 입력전압에서 기존의 전류 센싱 회로를 그대로 사용하기에는 몇 가지 문제가 있었다. 첫째, 부하 전류가 큰 경우 센싱되는 전류의 크기 또한 커지기 마련인데, 큰 Rsen저항을 사용하는 경우 VSENSE의 전압은 매우 높아지게 된다. 이는 MP5가 직선 영역에 빠지게 만들어 전류 센싱 회로의 비정상 동작을 유발한다. However, there were several problems with using the existing current sensing circuit at various load currents and input voltages. First, when the load current is large, the size of the sensed current also becomes large, and when a large Rsen resistance is used, the voltage of VSENSE becomes very high. This causes MP5 to fall into the straight line region and causes abnormal operation of the current sensing circuit.

둘째, 큰 부하 전류에서 문제되는 점을 해결하기 위하여 낮은 Rsen 저항을 사용하게 된다면 낮은 부하전류에서 동작시키게 될 경우 VSENSE가 함께 낮아지게 된다. 이는 보상 회로의 출력인 FBOUT의 전압값 또한 VSENSE 값에 비례하여 낮아지게 만든다. 결국 보상 회로 내부 에러앰프의 출력전압이 낮아지게 되어 앰프 내부소자들에 영향을 줄 수 있는 가능성이 생기게 된다. Second, if a low Rsen resistance is used to solve the problem at large load currents, VSENSE will also decrease when operated at low load currents. This causes the voltage value of FBOUT, the output of the compensation circuit, to also be lowered in proportion to the VSENSE value. Ultimately, the output voltage of the error amplifier inside the compensation circuit is lowered, creating the possibility of affecting the internal elements of the amplifier.

입력전압이 변하는 라인 레귤레이션(Line regulation) 및 부하가 변하는 로드 레귤레이션(Load regulation) 상황에서 FBOUT이 추가로 낮아질 수 있기 때문에 큰 입력전압과 부하전류의 차이에서도 정상적으로 안정적인 동작하기 어렵다. Because FBOUT may be further lowered in line regulation where the input voltage changes and load regulation where the load changes, it is difficult to operate normally and stably even with a large difference between the input voltage and load current.

한국공개특허공보 제2012-0129876호 (2012.11.28. 공개)Korean Patent Publication No. 2012-0129876 (published on November 28, 2012)

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로를 설계하고자 한다. 이를 통해, 본 발명은 DC-DC 동기식 벅 변환기에 의 전류 센싱 회로의 입력전압 및 부하범위를 향상시키고자 한다.The present invention is intended to solve the problems of the prior art described above, and seeks to design a current sensing circuit that senses the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of a DC-DC synchronous buck converter. Through this, the present invention seeks to improve the input voltage and load range of the current sensing circuit of the DC-DC synchronous buck converter.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다. However, the technical challenges that this embodiment aims to achieve are not limited to the technical challenges described above, and other technical challenges may exist.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로는 센싱 전류가 흐르는 센싱 트랜지스터를 포함하는 전류 센싱 블록; 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 보상 회로의 출력 전압을 전류 형태로 변환시키는 보상 블록; 및 상기 센싱 전류 및 상기 보상 회로의 출력 전압을 변환시킨 전류의 크기를 비교하는 전류 비교 블록을 포함하고, 상기 전류 비교 블록은 센싱 저항, 오프셋 전류 공급 회로 및 다이오드 연결 소자를 포함할 수 있다. As a technical means for achieving the above-described technical problem, the current sensing circuit for sensing the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter according to the first aspect of the present invention is for sensing the sensing current flowing. A current sensing block containing a transistor; A compensation block that converts the output voltage of the compensation circuit of the DC-DC synchronous buck converter into a current form; and a current comparison block that compares the magnitude of the sensing current and the current obtained by converting the output voltage of the compensation circuit, and the current comparison block may include a sensing resistor, an offset current supply circuit, and a diode connection element.

본 발명의 제 2 측면에 따른 DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로는 센싱 전류가 흐르는 센싱 트랜지스터를 포함하는 전류 센싱 블록; 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 보상 회로의 출력 전압을 전류 형태로 변환시키는 보상 블록; 및 상기 센싱 전류 및 상기 보상 회로의 출력 전압을 변환시킨 전류의 크기를 비교하는 전류 비교 블록을 포함하고, 상기 전류 비교 블록은 오프셋 전류를 적용시킴으로써 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시키고, 상기 다이오드 연결 소자에 의해 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시킬 수 있다. The current sensing circuit for sensing the current flowing in the HS power transistor of the DC-DC synchronous buck converter according to the second aspect of the present invention includes a current sensing block including a sensing transistor through which the sensing current flows; A compensation block that converts the output voltage of the compensation circuit of the DC-DC synchronous buck converter into a current form; and a current comparison block that compares the magnitude of the sensing current and the current converted to the output voltage of the compensation circuit, wherein the current comparison block applies an offset current to determine the minimum operation of the load current of the DC-DC synchronous buck converter. The range can be expanded, and the maximum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter can be expanded by the diode connection element.

본 발명의 제 3 측면에 따른 DC-DC 동기식 벅 변환기는 루프 게인을 향상시키는 보상 회로; 오프셋 전류 공급 회로 및 다이오드 연결 소자를 포함하며, 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로; 클럭 신호 및 상기 전류 센싱 회로의 출력 신호에 기초하여 스위칭을 수행하는 PWM 제어 회로를 포함하고, 상기 전류 센싱 회로는 오프셋 전류를 적용시킴으로써 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시키고, 상기 다이오드 연결 소자에 의해 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시킬 수 있다. A DC-DC synchronous buck converter according to a third aspect of the present invention includes a compensation circuit for improving loop gain; A current sensing circuit including an offset current supply circuit and a diode connection element, and sensing the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter; and a PWM control circuit that performs switching based on a clock signal and an output signal of the current sensing circuit, wherein the current sensing circuit extends the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter by applying an offset current. And, the maximum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter can be expanded by the diode connection element.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described means for solving the problem are merely illustrative and should not be construed as limiting the present invention. In addition to the exemplary embodiments described above, there may be additional embodiments described in the drawings and detailed description of the invention.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명은 DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로를 설계할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 DC-DC 동기식 벅 변환기의 전류 센싱 회로의 입력전압 및 부하범위를 향상시킬 수 있다. According to one of the means for solving the problems of the present invention described above, the present invention can design a current sensing circuit that senses the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of a DC-DC synchronous buck converter. Through this, the present invention can improve the input voltage and load range of the current sensing circuit of the DC-DC synchronous buck converter.

도 1은 기존의 전압 비교 방식의 전류 센싱 회로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 동기식 벅 변환기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PI 보상 회로의 블록다이어그램을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 2에 도시된 PWM 제어 회로 및 PWM 제어 회로에 의한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 2에 도시된 전류 센싱 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전류 센싱 회로의 전류 센싱 루프 및 루프의 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 전압비교 방식의 전류 센싱 회로와 본 발명의 전류비교 방식의 전류 센싱 회로 간 동작을 비교한 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 동기식 벅 변환기의 변동률에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 동기식 벅 변환기의 효율 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
Figure 1 is a diagram showing a current sensing circuit using a conventional voltage comparison method.
Figure 2 is a diagram showing a DC-DC synchronous buck converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a block diagram of a PI compensation circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the PWM control circuit shown in FIG. 2 and a simulation result using the PWM control circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the current sensing circuit shown in FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram for explaining the current sensing loop and loop stability of the current sensing circuit according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing a simulation comparing the operation between the current sensing circuit of the voltage comparison method and the current sensing circuit of the current comparison method of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing simulation results for the variation rate of a DC-DC synchronous buck converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing efficiency simulation results of a DC-DC synchronous buck converter according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected," but also the case where it is "electrically connected" with another element in between. . Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. In this specification, 'part' includes a unit realized by hardware, a unit realized by software, and a unit realized using both. Additionally, one unit may be realized using two or more pieces of hardware, and two or more units may be realized using one piece of hardware.

본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다. In this specification, some of the operations or functions described as being performed by a terminal or device may instead be performed on a server connected to the terminal or device. Likewise, some of the operations or functions described as being performed by the server may also be performed on a terminal or device connected to the server.

이하, 첨부된 구성도 또는 처리 흐름도를 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다. Hereinafter, specific details for implementing the present invention will be described with reference to the attached configuration diagram or processing flow diagram.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 동기식 벅 변환기를 나타낸 도면이다. Figure 2 is a diagram showing a DC-DC synchronous buck converter according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, DC-DC 동기식 벅 변환기(100)는 보상 회로(110), 전류 센싱 회로(120) 및 PWM 제어 회로(130)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the DC-DC synchronous buck converter 100 may include a compensation circuit 110, a current sensing circuit 120, and a PWM control circuit 130.

DC-DC 동기식 벅 변환기(100)는 스위칭 소자를 FET으로 사용한 동기식으로 PWM 제어방식을 사용함으로써 큰 부하를 사용하는 충전 모드에서도 스위칭 손실(Switching loss)이 증가하지 않도록 설계될 수 있다. 또한, DC-DC 동기식 벅 변환기(100)에 전류 모드가 사용되기 때문에 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)는 빠른 응답 특성을 갖고 있다. The DC-DC synchronous buck converter 100 can be designed so that switching loss does not increase even in charging mode using a large load by using a synchronous PWM control method using a switching element as a FET. In addition, because the current mode is used in the DC-DC synchronous buck converter 100, the DC-DC synchronous buck converter 100 has fast response characteristics.

보상 회로(110)는 루프 게인을 향상시키면서 주파수 특성을 안정화할 수 있다. 보상 회로(110)가 없는 DC-DC 변환기의 루프 게인은 매우 낮기 때문에 DC-DC 변환기의 출력전압 값과 실제 출력전압 값의 차이가 생길 수 있다. The compensation circuit 110 can stabilize frequency characteristics while improving loop gain. Since the loop gain of the DC-DC converter without the compensation circuit 110 is very low, a difference may occur between the output voltage value of the DC-DC converter and the actual output voltage value.

예를 들어, 보상 회로(110)는 도 3과 같이 전류모드에서 주로 사용하는 PI 보상 회로(300)로 사용될 수 있다. 도 3을 참조하면, PI 보상 회로(300)는 예를 들어 보상 앰프(에러 앰프)와 RC = 50[kΩ], CC =500[pF]로 구성될 수 있다. 정상 상태의 경우 보상앰프는 모바일 DC-DC 모드에서 gm = 614.4[uA/V], roc = 871.71[kΩ]으로 동작하며, 충전 모드에서는 gm = 618.6[uA/V], roc = 867.53[kΩ]으로 동작하도록 설계될 수 있다. PI 보상 회로(300)의 전달함수는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. For example, the compensation circuit 110 may be used as the PI compensation circuit 300 mainly used in current mode, as shown in FIG. 3. Referring to FIG. 3, the PI compensation circuit 300 may be composed of, for example, a compensation amplifier (error amplifier), R C = 50 [kΩ], and C C = 500 [pF]. In the normal state, the compensation amplifier operates at g m = 614.4[uA/V], r oc = 871.71[kΩ] in mobile DC-DC mode, and g m = 618.6[uA/V], r oc = in charging mode. It can be designed to operate at 867.53[kΩ]. The transfer function of the PI compensation circuit 300 can be expressed as Equation 2.

[수학식 2][Equation 2]

[수학식 2]에서 알 수 있듯이 PI 보상 회로(300)는 gmroc만큼 루프 게인을 향상시켜 안정적인 출력전압 값을 유지해 줄 수 있다.As can be seen from [Equation 2], the PI compensation circuit 300 can maintain a stable output voltage value by improving the loop gain by g m r oc .

한편, DC-DC 동기식 벅 변환기(100)는 기설정된 밀리암페어값(예컨대, 1000[mA]) 이하의 부하 전류를 사용하며 기설정된 전압값(예컨대, 5[V])의 입력 전압을 사용하는 충전 모드로 동작할 수 있다. Meanwhile, the DC-DC synchronous buck converter 100 uses a load current of less than a preset milliampere value (e.g., 1000 [mA]) and an input voltage of a preset voltage value (e.g., 5 [V]). It can operate in charging mode.

이 때, 부하 전류 및 입력 전압 간의 차이에 따라 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 주파수 특성이 달라질 수 있다. 예를 들어, 모바일 DC-DC 모드의 경우, DC gain = 75.4[dB], PM = 84.74°, = 158.5[kHz]으로 동작하며, 충전 모드의 경우, DC gain = 55.4[dB], PM = 78.55°, = 63[kHz]으로 동작하므로 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)는 안정적으로 동작할 수 있다. At this time, the frequency characteristics of the DC-DC synchronous buck converter 100 may vary depending on the difference between the load current and the input voltage. For example, for mobile DC-DC mode, DC gain = 75.4[dB], PM = 84.74°, = Operates at 158.5[kHz], in charging mode, DC gain = 55.4[dB], PM = 78.55°, Since it operates at = 63 [kHz], the DC-DC synchronous buck converter 100 can operate stably.

DC-DC 동기식 벅 변환기(100)는 큰 입력전압 및 부하전류에서 동작하는 충전모드와 낮은 입력전압 및 부하전류에서 동작하는 모바일 DC-DC 모드로 동작할 수 있다. The DC-DC synchronous buck converter 100 can operate in a charging mode that operates at a large input voltage and load current and a mobile DC-DC mode that operates at a low input voltage and load current.

전류 센싱 회로(120)는 오프셋 전류 공급 회로 및 다이오드 연결 소자를 포함할 수 있다. The current sensing circuit 120 may include an offset current supply circuit and a diode connection element.

전류 센싱 회로(120)는 전류비교 방식을 사용하며, DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 회로일 수 있다. The current sensing circuit 120 uses a current comparison method and may be a circuit that senses the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter 100.

전류 센싱 회로(120)는 오프셋 전류(Icont)를 적용시킴으로써 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시키고, 다이오드 연결 소자에 의해 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시킬 수 있다. The current sensing circuit 120 extends the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter 100 by applying an offset current (Icont), and increases the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter 100 by a diode connection element. The maximum operating range of load current can be expanded.

부하 전류의 최소 동작 범위를 확장하기 위해, 전류 센싱 회로(120)는 FBOUT 신호를 통해 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)가 안정적으로 동작하는 것을 확인한 후 오프셋 전류를 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)에 적용할 수 있다. In order to expand the minimum operating range of the load current, the current sensing circuit 120 confirms that the DC-DC synchronous buck converter 100 operates stably through the FBOUT signal and then transfers the offset current to the DC-DC synchronous buck converter 100. ) can be applied.

전류 센싱 회로(120)는 FBOUT 전압으로 인해 생성된 부하전류와 오프셋 전류원의 전류를 비교할 수 있다.The current sensing circuit 120 may compare the load current generated due to the FBOUT voltage and the current of the offset current source.

DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 초기 동작시 Soft-start-up 회로에 의해서 FBOUT 전압은 매우 낮은 값을 가질 수 있다. 낮은 FBOUT전압과 Rsense 저항으로 인해 오프셋 전류보다 낮은 부하전류가 흐르게 되고, 전류 센싱 회로(120)의 전압은 VSS의 값을 갖게 된다. 이 때문에 오프셋 전류는 오프가 된다. During initial operation of the DC-DC synchronous buck converter 100, the FBOUT voltage may have a very low value due to the soft-start-up circuit. Due to the low FBOUT voltage and Rsense resistance, a load current lower than the offset current flows, and the current sensing circuit 120 The voltage has the value of VSS. For this reason, the offset current is turned off.

Soft-start-up 동작이후, FBOUT 전압으로 생성된 부하전류인 /가 오프셋 전류보다 큰 경우, 는 VDD가 되게 되어 오프셋 전류를 /로부터 빼내게 된다. 이로써 오프셋 전류가 적용될 수 있다. After soft-start-up operation, the load current generated by the FBOUT voltage / If is greater than the offset current, becomes VDD and the offset current / will be taken out from This allows an offset current to be applied.

전류 센싱 회로(120)는 다이오드 연결 소자를 사용하여 부하전류를 증가시킴에 따라 동작전압을 비선형적으로 증가하게 하도록 함으로써 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시킬 수 있다. The current sensing circuit 120 can expand the maximum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter 100 by using a diode connection element to nonlinearly increase the operating voltage as the load current increases. there is.

전류 센싱 회로(120)는 전류비교 방식을 사용함으로써 부하전류의 동작가능 범위를 증가시키고, 부하전류의 낮은 동작 가능 부하전류범위를 증가시키기 위해 오프셋전류를 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)에 적용할 수 있다.The current sensing circuit 120 increases the operating range of the load current by using a current comparison method, and applies an offset current to the DC-DC synchronous buck converter 100 to increase the operating range of the low load current. can do.

전류 센싱 회로(120)는 높은 동작가능 부하전류범위를 증가시키기 위해 부하전류가 증가함에 따라 비선형적으로 동작가능 전압이 비례하도록 조절할 수 있다. The current sensing circuit 120 may adjust the operable voltage to be non-linearly proportional as the load current increases in order to increase the high operable load current range.

PWM 제어 회로(130)는 클럭 신호 및 전류 센싱 회로(120)의 출력 신호에 기초하여 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 스위칭을 수행할 수 있다.The PWM control circuit 130 may perform switching of the DC-DC synchronous buck converter 100 based on the clock signal and the output signal of the current sensing circuit 120.

예를 들어, PWM 제어 회로(130)는 도 4의 (a)와 같이 설계되고, DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 스위칭 동작을 조절할 수 있다. For example, the PWM control circuit 130 is designed as shown in (a) of FIG. 4 and can control the switching operation of the DC-DC synchronous buck converter 100.

도 4의 (b)를 참조하면, PWM 제어 회로(130)는 클럭 신호를 받아 온 타임으로 동작하고, 온(ON) 타임시 증가하는 센싱된 인덕터 전류에 의해 생긴 VSENSE 신호와 보상 회로(110)의 출력 신호를 처리하는 전류 센싱 회로(120)의 출력 신호(FBOUT_ch 신호)를 비교하여 오프(OFF) 타임으로 동작할 수 있다. Referring to (b) of FIG. 4, the PWM control circuit 130 receives a clock signal and operates at on time, and the VSENSE signal generated by the sensed inductor current that increases during ON time and the compensation circuit 110 It can be operated in OFF time by comparing the output signal (FBOUT_ch signal) of the current sensing circuit 120 that processes the output signal of .

PWM 제어 회로(130)에 의해 생성된 PWM 및 PWMB 신호를 온/오프 타임에 조절하는 신호로 사용하게 될 경우, 센싱 트랜지스터가 동시에 구동되는 쇼트(Short) 현상이 발생할 수 있다. 이는 변환기의 오작동 및 효율에 악영향을 끼치는 데드(Dead) 타임의 원인이 될 수 있다. When the PWM and PWMB signals generated by the PWM control circuit 130 are used as signals to control the on/off time, a short phenomenon in which the sensing transistors are driven simultaneously may occur. This can cause malfunction of the converter and dead time that adversely affects efficiency.

이를 막아 주기 위하여 PWM 제어 회로(130)에 논 오버 랩핑(Non-over lapping) 회로가 사용될 수 있다. 또한, DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 모바일 DC-DC 동작의 경우 100[mA] 이하의 부하전류를 사용하게 되는데 이렇게 낮은 부하 전류를 사용하는 경우 설계상 문제가 없음에도 불구하고 칩을 제작하여 측정하는 경우에 인덕터 전류의 리플이 0[mA] 이하로 떨어지는 경우가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 PWM 제어 회로(130)에 역전류 보호(Reverse current protection) 회로가 사용될 수 있다. 역 전류는 온 타임에 충전한 인덕터의 에너지가 오프 타임에 모두 소모한 이후 출력단의 커패시터에 충전되어있는 에너지에 의해 NMOS 파워 스위치로 전류가 흘러가는 상황을 의미한다. 역전류 보호 회로는 이러한 역전류를 방지할 수 있다. To prevent this, a non-over lapping circuit may be used in the PWM control circuit 130. In addition, in the case of mobile DC-DC operation of the DC-DC synchronous buck converter 100, a load current of 100 [mA] or less is used. Although there is no design problem when using such a low load current, the chip cannot be manufactured. When measuring, the ripple of the inductor current may fall below 0 [mA]. To prevent this, a reverse current protection circuit may be used in the PWM control circuit 130. Reverse current refers to a situation in which current flows to the NMOS power switch due to the energy charged in the capacitor at the output stage after the energy of the inductor charged during on-time is consumed during off-time. A reverse current protection circuit can prevent this reverse current.

센싱 트랜지스터와 인덕터가 연결된 노드(LX)가 오프 타임인 상태에 VSS보다 큰 전압을 갖게 되면 센싱 트랜지스터로 전류가 흘러가는 것을 의미하게 된다. 이를 이용하여 LX 전압이 오프 타임이며 VSS보다 큰 값을 갖게 된다면 센싱 트랜지스터가 오프 타임임에도 오프되도록 스위칭 동작을 조절하여 역전류를 막을 수 있다. If the node (LX) where the sensing transistor and the inductor are connected has a voltage greater than VSS during the off time, this means that current flows to the sensing transistor. Using this, if the LX voltage is in the off time and has a value greater than VSS, reverse current can be prevented by adjusting the switching operation so that the sensing transistor is turned off even in the off time.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 2에 도시된 전류 센싱 회로를 나타낸 도면이다. FIG. 5 is a diagram illustrating the current sensing circuit shown in FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 전류 센싱 회로(120)는 전류 센싱 블록(500), 보상 블록(510), 전류 비교 블록(520) 및 슬로프 보상 블록(530)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the current sensing circuit 120 may include a current sensing block 500, a compensation block 510, a current comparison block 520, and a slope compensation block 530.

기존의 전류 센싱 회로는 고정된 Rsense를 사용하여 부하전류 및 입력전압에 의해 동작 범위가 제한된다는 문제점이 있었이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 전류 센싱 회로(120)는 전류 센싱 회로(120) 내 오프셋 전류를 적용하여 낮은 부하 전류 범위를 확장할 수 있다. 또한 전류 센싱 회로(120)는 부하전류의 증가에 동작전압이 비선형적으로 증가하도록 다이오드 연결 소자를 사용하여 큰 부하 범위를 확장할 수 있다. Existing current sensing circuits used a fixed Rsense and had the problem that the operating range was limited by the load current and input voltage. To solve this problem, the current sensing circuit 120 of the present invention can expand the low load current range by applying an offset current within the current sensing circuit 120. Additionally, the current sensing circuit 120 can expand a large load range by using a diode connection element so that the operating voltage increases non-linearly as the load current increases.

전류 센싱 회로(120)는 오프셋 전류 및 부하전류에 따라 동작전압이 비선형적 특성을 갖도록 조절할 수 있다. The current sensing circuit 120 can adjust the operating voltage to have non-linear characteristics depending on the offset current and load current.

구체적으로, 전류 센싱 블록(500)은 센싱 전류가 흐르는 센싱 트랜지스터를 포함할 수 있다. Specifically, the current sensing block 500 may include a sensing transistor through which sensing current flows.

잠시, 도 6의 (a)는 전류 센싱 회로(120) 내 전류 센싱 블록을 나타낸 회로이고, 도 6의 (b)는 전류 센싱 블록의 안정성에 대한 주파수 특성을 나타낸 도면이다. For a moment, Figure 6(a) is a circuit showing the current sensing block within the current sensing circuit 120, and Figure 6(b) is a diagram showing the frequency characteristics of the stability of the current sensing block.

도 6의 (a)를 참조하면, 온(ON) 타임시 파워 트랜지스터로 흐르는 전류와 파워 트랜지스터에 흐르는 전류의 1/10000, 즉 전류 센싱 회로(120)에서 센싱되는 전류 사이의 오차를 줄이는 것은 매우 중요하다. 전류오차가 큰 경우, 전류모드의 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 듀티 비에 영향을 주게 되어 설계한 출력전압과는 다른 결과를 확인할 수 있다. 전류 오차는 LXM과 LXP의 전압의 차이에 매우 크게 영향을 받는다. 센싱 앰프와 MN3 및 MP3인 센싱 트랜지스터로 인한 루프 안정성이 보장되는 경우 두 전압이 같아져 오차가 굉장히 낮은 값을 갖게 된다. 전류 센싱 앰프의 입력인 LXM 및 LXP는 VDD와 근소한 차이의 값을 갖는다. Referring to (a) of FIG. 6, it is very difficult to reduce the error between the current flowing through the power transistor at ON time and 1/10000 of the current flowing through the power transistor, that is, the current sensed by the current sensing circuit 120. It is important. If the current error is large, it may affect the duty ratio of the current mode DC-DC synchronous buck converter 100, resulting in results different from the designed output voltage. The current error is very greatly affected by the difference in voltage between LXM and LXP. When loop stability is guaranteed due to the sensing amplifier and the sensing transistors MN3 and MP3, the two voltages become equal and the error has a very low value. LXM and LXP, the inputs of the current sensing amplifier, have values slightly different from VDD.

도 6의 (b)를 참조하면, 충전 모드는 VDD = 5[V]의 환경에서 Gain = 38.8[dB], PM = 81[deg], =6.52[MHz]로 동작하고, 모바일 DC-DC 모드는 VDD = 2.5[V]의 환경에서 Gain = 37.9[dB], PM = 80[deg], =6.92[MHz]으로 동작하게 된다.Referring to (b) of Figure 6, the charging mode is Gain = 38.8 [dB], PM = 81 [deg], in an environment of VDD = 5 [V]. = operates at 6.52[MHz], and mobile DC-DC mode is in an environment of VDD = 2.5[V], Gain = 37.9[dB], PM = 80[deg], It operates at =6.92[MHz].

전류 센싱 회로(120)의 센싱 에러는 [수학식 3]과 같이 파워트랜지스터에 흐르는 전류의 1/10000과 센싱 트랜지스터의 전류 간 비교를 통해 도출될 수 있다.The sensing error of the current sensing circuit 120 can be derived through comparison between 1/10000 of the current flowing in the power transistor and the current of the sensing transistor, as shown in [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

충전모드의 경우 Vin = 2.5[V], = 20 ~ 100[mA]의 환경에서 0.005 ~ 0.8[%]의 센싱 에러를 갖게 되며, 모바일 DC-DC 모드에서는 Vin = 5[V], = 1000 ~ 3000[mA]의 환경에서 0.11 ~ 0.19[%]의 센싱 에러를 갖는 것을 확인할 수 있다. In case of charging mode, Vin = 2.5[V], In an environment of = 20 ~ 100 [mA], there is a sensing error of 0.005 ~ 0.8 [%], and in mobile DC-DC mode, Vin = 5 [V], = It can be confirmed that there is a sensing error of 0.11 ~ 0.19 [%] in an environment of 1000 ~ 3000 [mA].

보상 블록(510)은 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 보상 회로(110)의 출력 전압을 전류 형태로 변환시킬 수 있다. The compensation block 510 may convert the output voltage of the compensation circuit 110 of the DC-DC synchronous buck converter 100 into a current form.

전류 비교 블록(520)은 센싱 전류 및 보상 회로(110)의 출력 전압을 변환시킨 전류의 크기를 비교할 수 있다. The current comparison block 520 can compare the magnitude of the current obtained by converting the sensing current and the output voltage of the compensation circuit 110.

여기서, 센싱 전류의 크기는 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 HS 파워 트랜지스터에 흐르는 전류의 크기 및 HS 파워 트랜지스터와 센싱 트랜지스터의 사이즈 비에 기초하여 측정될 수 있다. Here, the size of the sensing current can be measured based on the size of the current flowing in the HS power transistor of the DC-DC synchronous buck converter 100 and the size ratio of the HS power transistor and the sensing transistor.

전류 비교 블록(520)은 센싱 저항, 오프셋 전류 공급 회로 및 다이오드 연결 소자를 포함할 수 있다. The current comparison block 520 may include a sensing resistor, an offset current supply circuit, and a diode connection element.

전류 비교 블록(520)은 센싱 전류 및 보상 회로(110)의 출력 전압을 변환시킨 전류를 각각 FET을 통해 흘림으로써 생성되는 전압차를 비교할 수 있다. The current comparison block 520 can compare the voltage difference generated by flowing the current converted from the sensing current and the output voltage of the compensation circuit 110 through each FET.

예를 들어, 전류 비교 블록(520)은 센싱 전류 및 보상 회로(110)의 출력전압을 V-to-I 회로를 이용하여 전류로 변환시킨 후, 전류를 비교하여 스위치 동작을 할 수 있다. 즉, 전류 비교 블록(520)은 각각의 전류를 FET을 통해 흘리는 과정에서 생성된 VGS를 비교하여 PWM 신호를 생성할 수 있다. For example, the current comparison block 520 may convert the output voltage of the sensing current and compensation circuit 110 into a current using a V-to-I circuit and then compare the currents to perform a switch operation. That is, the current comparison block 520 can generate a PWM signal by comparing the VGS generated in the process of flowing each current through the FET.

오프셋 전류 공급 회로는 오프셋 전류원을 포함하고, 보상 회로(110)의 출력 전압에 의해 센싱 저항에 흐르는 전류의 크기에 기초하여 오프셋 전류의 적용 여부가 결정될 수 있다. The offset current supply circuit includes an offset current source, and whether or not to apply the offset current may be determined based on the magnitude of the current flowing through the sensing resistor by the output voltage of the compensation circuit 110.

전류 비교 블록(520)은 오프셋 전류를 적용시킴으로써 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시키고, 다이오드 연결 소자에 의해 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시킬 수 있다. The current comparison block 520 extends the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter 100 by applying an offset current, and changes the load current of the DC-DC synchronous buck converter 100 by a diode connection element. The maximum range of motion can be expanded.

보상 회로(110)의 출력 전압에 의해 센싱 저항에 흐르는 전류의 크기가 오프셋 전류원에 의한 전류의 크기보다 작은 경우에는 오프셋 전류를 적용하지 않는다. If the magnitude of the current flowing through the sensing resistor due to the output voltage of the compensation circuit 110 is smaller than the magnitude of the current due to the offset current source, the offset current is not applied.

보상 회로(110)의 출력 전압에 의해 센싱 저항에 흐르는 전류의 크기가 오프셋 전류원에 의한 전류의 크기보다 큰 경우에는 오프셋 전류를 적용할 수 있다. If the magnitude of the current flowing through the sensing resistor due to the output voltage of the compensation circuit 110 is greater than the magnitude of the current due to the offset current source, the offset current may be applied.

부하 전류의 최소 동작 범위를 확장하기 위해, 전류 센싱 회로(120)는 FBOUT 신호를 통해 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)가 안정적으로 동작하는 것을 확인한 후 오프셋 전류를 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)에 적용할 수 있다. In order to expand the minimum operating range of the load current, the current sensing circuit 120 confirms that the DC-DC synchronous buck converter 100 operates stably through the FBOUT signal and then transfers the offset current to the DC-DC synchronous buck converter 100. ) can be applied.

전류 센싱 회로(120)는 FBOUT 전압으로 인해 생성된 부하전류와 오프셋 전류원의 전류를 비교할 수 있다.The current sensing circuit 120 may compare the load current generated due to the FBOUT voltage and the current of the offset current source.

DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 초기 동작시 Soft-start-up 회로에 의해서 FBOUT 전압은 매우 낮은 값을 가질 수 있다. 낮은 FBOUT전압과 Rsense 저항으로 인해 오프셋 전류보다 낮은 부하전류가 흐르게 되고, 전류 센싱 회로(120)의 전압은 VSS의 값을 갖게 된다. 이 때문에 오프셋 전류는 오프가 된다. During initial operation of the DC-DC synchronous buck converter 100, the FBOUT voltage may have a very low value due to the soft-start-up circuit. Due to the low FBOUT voltage and Rsense resistance, a load current lower than the offset current flows, and the current sensing circuit 120 The voltage has the value of VSS. For this reason, the offset current is turned off.

Soft-start-up 동작이후, FBOUT 전압으로 생성된 부하전류인 /가 오프셋 전류보다 큰 경우, 는 VDD가 되게 되어 오프셋 전류를 /로부터 빼내게 된다. 이로써 오프셋 전류 공급 회로에 의해 오프셋 전류가 적용될 수 있다. After soft-start-up operation, the load current generated by the FBOUT voltage / If is greater than the offset current, becomes VDD and the offset current / will be taken out from This allows the offset current to be applied by the offset current supply circuit.

오프셋 전류 공급 회로에 의해 오프셋 전류를 적용시킴으로써 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시킬 수 있다. By applying an offset current using an offset current supply circuit, the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter 100 can be expanded.

다이오드 연결 소자를 사용하여 부하전류를 증가시킴에 따라 동작전압을 비선형적으로 증가하게 하도록 함으로써 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시킬 수 있다. 여기서, 다이오드 연결 소자는 The maximum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter 100 can be expanded by using a diode connection element to nonlinearly increase the operating voltage as the load current increases. Here, the diode connection element is

부하전류에 오프셋 전류 및 슬로브 보상 전류가 적용된 전류를 흘려보내게 되는데 이 때, 전압인 FBOUT_ch 전압은 [수학식 4]에 따라 결정될 수 있다.Offset current and slow compensation current are applied to the load current. The current flows, and at this time, The voltage FBOUT_ch voltage can be determined according to [Equation 4].

[수학식 4][Equation 4]

전류 모드에서 D>0 이상의 경우, 전류 센싱 회로(120)는 안정적으로 동작 하기 위한 슬로프 보상 전류를 처리할 수 있다. When D>0 or higher in current mode, the current sensing circuit 120 can process slope compensation current to operate stably.

잠시 도 7을 참조하여 종래의 전류 센싱 회로(전압 비교 방식)와 본 발명의 전류 센싱 회로(120)(전류비교 방식) 간 동작을 비교한 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. Referring to FIG. 7 for a moment, this is a diagram showing a simulation comparing the operation between a conventional current sensing circuit (voltage comparison method) and the current sensing circuit 120 (current comparison method) of the present invention.

도 7을 참조하면, 40[kΩ]의 RSEN 저항을 사용하며, 2000[mA]의 부하전류를 사용하였다. 전압비교방식의 전류 센싱 회로에 대한 시뮬레이션(a)의 경우 큰 저항과 큰 전류를 사용할 경우 전류 센싱 회로 내 전류를 복사하는 트랜지스터가 라이너(Linear)에 빠져 정상적인 센싱 동작이 불가능 한 것을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명의 전류 센싱 회로(120)에 대한 시뮬레이션(b)의 경우 정상 동작하는 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 7, an RSEN resistance of 40 [kΩ] was used and a load current of 2000 [mA] was used. In the case of simulation (a) of the current sensing circuit using the voltage comparison method, it can be seen that when a large resistance and a large current are used, the transistor that copies the current in the current sensing circuit falls into the liner, making normal sensing operation impossible. On the other hand, in the case of simulation (b) of the current sensing circuit 120 of the present invention, it can be confirmed that it operates normally.

다시 도 5로 돌아오면, 슬로프 보상 블록(530)은 전압형태의 슬로브 전압 신호를 생성하고, 슬로브 전압 신호를 통해 슬로프 보상 전류를 생성할 수 있다.Returning to FIG. 5 , the slope compensation block 530 may generate a slope voltage signal in the form of a voltage and generate a slope compensation current through the slope voltage signal.

슬로브 전압 신호는 램프 파형의 형태를 갖을 수 있다. 슬로브 전압 신호는 전류 센싱 회로(120)로 전달되며 V-to-I 회로를 통해서 전류 형태로 변하게 된다. 이렇게 생성되는 전류(슬로프 보상 전류)를 미러링 해주는 과정에서 온 타임의 경우 정상적으로 신호를 미러링 해주는 반면, 오프 타임시 미러링 하지 않는 방법을 사용함으로써 전류 센싱 회로(120) 내의 불필요한 전력소모를 막아줄 수 있다. The slow voltage signal may have the form of a ramp waveform. The slow voltage signal is transmitted to the current sensing circuit 120 and converted into a current form through a V-to-I circuit. In the process of mirroring the current (slope compensation current) generated in this way, the signal is mirrored normally during the on time, but unnecessary power consumption within the current sensing circuit 120 can be prevented by using a method of not mirroring during the off time. .

보상 회로(110)의 출력 전압에 의해 센싱 저항에 흐르는 전류에 오프셋 전류 및 슬로프 보상 전류를 적용시킨 전류를 다이오드 연결 소자로 흘려보낼 수 있다. By applying the offset current and slope compensation current to the current flowing in the sensing resistor by the output voltage of the compensation circuit 110, a current may be sent to the diode connection element.

다이오드 연결 소자에 의해 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 동작 전압을 비선형적으로 증가시킴으로써 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시킬 수 있다. The maximum operating range of the load current can be expanded by non-linearly increasing the operating voltage of the DC-DC synchronous buck converter 100 using a diode connection element.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 변동률에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. Figure 8 is a diagram showing simulation results for the variation rate of the DC-DC synchronous buck converter 100 according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 도 8의 (a)는 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 선전압 변동률(Line Regulation)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Referring to FIG. 8, (a) of FIG. 8 shows simulation results for the line voltage regulation of the DC-DC synchronous buck converter 100.

선 전압 변동률은 부하전류가 일정한 상황에서 입력전압이 변하는 경우 발생하는 출력전압의 변화율을 말한다. 충전 동작의 경우 1000, 2000[mA]의 부하전류에서 4.0~5.0[V]로 변화 하며 출력전압을 측정하고, 모바일 DC-DC 동작은 50, 100[mA]의 부하전류에서 2.5~3.5[V]를 변화시키며 동작을 확인할 수 있다. 선 전압 변동률의 값은 [수학식 5]을 통해 확인할 수 있다.The line voltage fluctuation rate refers to the rate of change in output voltage that occurs when the input voltage changes in a situation where the load current is constant. For charging operation, the output voltage is measured varying from 4.0 to 5.0 [V] at a load current of 1000, 2000 [mA], and for mobile DC-DC operation, the output voltage is measured at 2.5 to 3.5 [V] at a load current of 50, 100 [mA]. You can check the operation by changing ]. The value of the line voltage change rate can be confirmed through [Equation 5].

[수학식 5][Equation 5]

도 8의 (b)는 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 부하 변동률(Load Regulation)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.Figure 8 (b) shows simulation results for load regulation of the DC-DC synchronous buck converter 100.

부하 변동률은 입력전압이 일정한 상황에서 부하전류가 변하는 경우 발생하는 출력전압의 변화율을 말한다. 충전 동작의 경우 800, 1500[mA]의 부하전류에서 동작을 확인할 수 있고, 모바일 DC-DC 동작은 80, 200[mA]의 부하전류에서 동작을 확인할 수 있다. 부하 변동률의 값은 [수학식 6]을 통해 확인할 수 있다.The load change rate refers to the rate of change in output voltage that occurs when the load current changes in a situation where the input voltage is constant. For charging operation, operation can be confirmed at load currents of 800 and 1500 [mA], and for mobile DC-DC operation, operation can be confirmed at load currents of 80 and 200 [mA]. The value of the load change rate can be confirmed through [Equation 6].

[수학식 6][Equation 6]

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 동기식 벅 변환기의 효율 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.Figure 9 is a diagram showing efficiency simulation results of a DC-DC synchronous buck converter according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 모바일 DC-DC 모드 및 충전모드의 효율 그래프를 살펴보면 충전 모드는 최대 96.5[%]의 효율을 가지고 동작하고, 모바일 DC-DC 모드는 95.3[%]의 효율에서 동작하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 9, looking at the efficiency graph of the mobile DC-DC mode and charging mode, the charging mode operates with an efficiency of up to 96.5 [%], and the mobile DC-DC mode operates at an efficiency of 95.3 [%]. You can check it.

DC-DC 동기식 벅 변환기(100)의 효율은 [수학식 7]을 통해 확인할 수 있다. DC-DC 동기식 벅 변환기(100)를 구동하는데 소모된 전력 및 DC-DC 동기식 벅 변환기(100)를 통해 입력 받은 전력과 출력하는 전력을 통하여 결정될 수 있다.The efficiency of the DC-DC synchronous buck converter 100 can be confirmed through [Equation 7]. It can be determined through the power consumed to drive the DC-DC synchronous buck converter 100 and the power input and output through the DC-DC synchronous buck converter 100.

[수학식 7][Equation 7]

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. The scope of the present invention is indicated by the claims described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. .

100: DC-DC 동기식 벅 변환기
110: 보상 회로
120: 전류 센싱 회로
130: PWM 제어 회로
500: 전류 센싱 블록
510: 보상 블록
520: 전류 비교 블록
530: 슬로프 보상 블록
100: DC-DC synchronous buck converter
110: compensation circuit
120: Current sensing circuit
130: PWM control circuit
500: Current sensing block
510: Reward block
520: Current comparison block
530: Slope compensation block

Claims (10)

DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로에 있어서,
센싱 전류가 흐르는 센싱 트랜지스터를 포함하는 전류 센싱 블록;
상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 보상 회로의 출력 전압을 전류 형태로 변환시키는 보상 블록; 및
상기 센싱 전류 및 상기 보상 회로의 출력 전압을 변환시킨 전류의 크기를 비교하는 전류 비교 블록;
을 포함하고,
상기 전류 비교 블록은 센싱 저항, 오프셋 전류 공급 회로 및 다이오드 연결 소자를 포함하는 것인, 전류 센싱 회로.
In the current sensing circuit that senses the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter,
A current sensing block including a sensing transistor through which sensing current flows;
A compensation block that converts the output voltage of the compensation circuit of the DC-DC synchronous buck converter into a current form; and
A current comparison block that compares the magnitude of the sensing current and the current converted into the output voltage of the compensation circuit;
Including,
A current sensing circuit wherein the current comparison block includes a sensing resistor, an offset current supply circuit, and a diode connection element.
제 1 항에 있어서,
상기 센싱 전류의 크기는 상기 HS 파워 트랜지스터에 흐르는 전류의 크기 및 상기 HS 파워 트랜지스터와 상기 센싱 트랜지스터의 사이즈 비에 기초하는 것인, 전류 센싱 회로.
According to claim 1,
The size of the sensing current is based on the size of the current flowing in the HS power transistor and the size ratio of the HS power transistor and the sensing transistor.
제 1 항에 있어서,
상기 전류 비교 블록은 상기 센싱 전류 및 상기 보상 회로의 출력 전압을 변환시킨 전류를 각각 FET을 통해 흘림으로써 생성되는 전압차를 비교하는 것인, 전류 센싱 회로.
According to claim 1,
The current comparison block compares the voltage difference generated by flowing the sensing current and the current converted from the output voltage of the compensation circuit through each FET.
제 1 항에 있어서,
상기 오프셋 전류 공급 회로는 오프셋 전류원을 포함하고,
상기 보상 회로의 출력 전압에 의해 상기 센싱 저항에 흐르는 전류의 크기에 기초하여 오프셋 전류의 적용 여부가 결정되는 것인, 전류 센싱 회로.
According to claim 1,
The offset current supply circuit includes an offset current source,
A current sensing circuit wherein whether to apply an offset current is determined based on the magnitude of the current flowing through the sensing resistor by the output voltage of the compensation circuit.
제 4 항에 있어서,
상기 보상 회로의 출력 전압에 의해 상기 센싱 저항에 흐르는 전류의 크기가 상기 오프셋 전류원에 의한 전류의 크기보다 작은 경우에는 오프셋 전류를 적용하지 않고,
상기 보상 회로의 출력 전압에 의해 상기 센싱 저항에 흐르는 전류의 크기가 상기 오프셋 전류원에 의한 전류의 크기보다 큰 경우에는 오프셋 전류를 적용하는 것인, 전류 센싱 회로.
According to claim 4,
If the magnitude of the current flowing through the sensing resistor due to the output voltage of the compensation circuit is smaller than the magnitude of the current due to the offset current source, the offset current is not applied,
A current sensing circuit wherein an offset current is applied when the magnitude of the current flowing through the sensing resistor due to the output voltage of the compensation circuit is greater than the magnitude of the current by the offset current source.
제 1 항에 있어서,
상기 오프셋 전류 공급 회로에 의해 오프셋 전류를 적용시킴으로써 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시키는 것인, 전류 센싱 회로.
According to claim 1,
A current sensing circuit that extends the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter by applying an offset current by the offset current supply circuit.
제 1 항에 있어서,
슬로프 보상 전류를 생성하는 슬로프 보상 블록을 더 포함하고,
상기 보상 회로의 출력 전압에 의해 상기 센싱 저항에 흐르는 전류에 상기 오프셋 전류 및 상기 슬로프 보상 전류를 적용시킨 전류를 상기 다이오드 연결 소자로 흘리는 것인, 전류 센싱 회로.
According to claim 1,
further comprising a slope compensation block that generates a slope compensation current,
A current sensing circuit, wherein a current obtained by applying the offset current and the slope compensation current to the current flowing in the sensing resistor by the output voltage of the compensation circuit flows to the diode connection element.
제 7 항에 있어서,
상기 다이오드 연결 소자에 의해 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 동작 전압을 비선형적으로 증가시킴으로써 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시키는 것인, 전류 센싱 회로.
According to claim 7,
A current sensing circuit that expands the maximum operating range of load current by non-linearly increasing the operating voltage of the DC-DC synchronous buck converter by the diode connection element.
DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로에 있어서,
센싱 전류가 흐르는 센싱 트랜지스터를 포함하는 전류 센싱 블록;
상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 보상 회로의 출력 전압을 전류 형태로 변환시키는 보상 블록; 및
상기 센싱 전류 및 상기 보상 회로의 출력 전압을 변환시킨 전류의 크기를 비교하는 전류 비교 블록;
을 포함하고,
상기 전류 비교 블록은 오프셋 전류를 적용시킴으로써 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시키고, 상기 다이오드 연결 소자에 의해 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시키는 것인, 전류 센싱 회로.
In the current sensing circuit that senses the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter,
A current sensing block including a sensing transistor through which sensing current flows;
A compensation block that converts the output voltage of the compensation circuit of the DC-DC synchronous buck converter into a current form; and
a current comparison block that compares the magnitude of the sensing current and the current converted into the output voltage of the compensation circuit;
Including,
The current comparison block extends the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter by applying an offset current, and expands the maximum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter by the diode connection element. A current sensing circuit that does this.
DC-DC 동기식 벅 변환기에 있어서,
루프 게인을 향상시키는 보상 회로;
오프셋 전류 공급 회로 및 다이오드 연결 소자를 포함하며, 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 HS(High-Side) 파워 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱 회로;
클럭 신호 및 상기 전류 센싱 회로의 출력 신호에 기초하여 스위칭을 수행하는 PWM 제어 회로
를 포함하고,
상기 전류 센싱 회로는 오프셋 전류를 적용시킴으로써 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최소 동작 범위를 확장시키고, 상기 다이오드 연결 소자에 의해 상기 DC-DC 동기식 벅 변환기의 부하전류의 최대 동작 범위를 확장시키는 것인, DC-DC 벅 변환기.
In the DC-DC synchronous buck converter,
Compensation circuit to improve loop gain;
A current sensing circuit including an offset current supply circuit and a diode connection element, and sensing the current flowing in the HS (High-Side) power transistor of the DC-DC synchronous buck converter;
A PWM control circuit that performs switching based on a clock signal and the output signal of the current sensing circuit.
Including,
The current sensing circuit extends the minimum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter by applying an offset current, and expands the maximum operating range of the load current of the DC-DC synchronous buck converter by the diode connection element. That's what it's supposed to do, a DC-DC buck converter.
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