WO2022080677A1 - 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치 - Google Patents

슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치 Download PDF

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WO2022080677A1
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sleep timer
pwm
low
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이원태
이원지
신창식
정춘식
이규원
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    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a low-power control device using a sleep timer, and more particularly, in order to minimize power consumption according to the degree of load, the width of the OFF signal is greater than the width of the ON signal in a light load state.
  • Each component of the circuit is deactivated while the output voltage Vo is discharged using the control signal of the large sleep timer, and each component of the circuit is sequentially activated according to a preset order while the output voltage is charged
  • the present invention relates to a low-power control device using a sleep timer that can be controlled.
  • Voltage regulation is used in various micro devices such as digital ICs, semiconductor memories, display modules, hard disk drives, RF circuits, microprocessors, digital signal processors and analog ICs, especially batteries such as cellular phones, notebook computers and consumer products. It is often required to avoid variations in the supply voltage in applications where
  • a power supply that supplies stable power can be said to be the most basic part of a system, and as such a power supply, research on a switching mode power supply such as a DC-DC converter is active.
  • the desired output voltage is obtained from the input voltage by finding the error voltage between the output voltage and the first reference voltage and controlling the output current according to the differential voltage between the error voltage and the second reference voltage.
  • a DC/DC converter for generating
  • Korean Patent Registration [10-1379375] discloses a dual output type DC-DC converter device that generates a positive voltage and a negative voltage.
  • Korean Patent Registration [10-1504884] discloses a DC/DC voltage converter.
  • Korean Patent Registration [10-1957062] discloses a dual input single inductor boost converter.
  • power converters typically have separate circuitry to reduce the power used during light load and no-load conditions.
  • a power converter with a low power standby mode may be used.
  • Japanese Patent [H04-42771] discloses a DC-DC converter that reduces power loss by intermittently driving a duty cycle (PWM) control circuit under light load conditions.
  • PWM duty cycle
  • an object of the present invention is to minimize power consumption according to the degree of load of the load. OFF)
  • Each component of the circuit is inactivated while the output voltage Vo is discharged using the control signal of the sleep timer with a large signal width, and each component of the circuit is set in a predetermined order while the output voltage is being charged
  • An object of the present invention is to provide a low-power control device using a sleep timer that can be controlled to be sequentially activated in accordance with the present invention.
  • an apparatus for controlling low power using a sleep timer includes: a low power clock generator 100 for generating and outputting a clock signal; a sleep timer 200 receiving the clock signal and the output voltage Vo under a light load condition and generating a control signal CTL for controlling an on/off operation of each component of the circuit; In response to the control signal, receiving the input voltage (Vin), the output voltage (Vo), and the reference voltage (VREF), a TON generator (TON Generator) 300 for generating a signal to control the pulse width modulation (PWM) ;
  • the sleep timer deactivates each component of the circuit while the output voltage Vo is discharged, and sequentially activates each component of the circuit according to a preset order while the output voltage is charged do it with
  • the first power MOSFET may have a larger capacity than the second power MOSFET.
  • the first gate driver may be controlled to operate when the load of the output terminal is a heavy load.
  • the second gate driver may be controlled to operate when the load of the output terminal is a light load.
  • the Tion generator 300 includes an inverter 301 receiving the pulse width modulation (PWM) signal and outputting an inverted signal; a switch 302 switched according to an output signal of the inverter; a current source (303) for generating a current by using the input voltage and the output voltage; a capacitor (304) provided between the output of the current source and a ground (GND); and a comparator (305) in which the output of the current source is connected to a negative terminal and the reference voltage (VREF) is connected to a positive terminal, and the output signal is changed according to the reference voltage (VREF). do.
  • PWM pulse width modulation
  • the current source is characterized in that the following [Equation 3] is satisfied.
  • the comparator 305 is characterized in that when the pulse width modulation (PWM) signal is logic high (H, High, '1'), the capacitor is charged and a rising edge occurs, and the capacitor is charged When the voltage becomes equal to the reference voltage VREF of the comparator, a falling edge is generated.
  • PWM pulse width modulation
  • the output terminal of the error amplifier may include a first resistor (Rc) and a first capacitor (Cc) connected in series between the output terminal of the error amplifier and a ground (GND); and a second capacitor (Cz) provided between the output terminal of the error amplifier and the ground.
  • Rc first resistor
  • Cc first capacitor
  • GND ground
  • Cz second capacitor
  • P ON is the power when each component of the circuit is in an ON state
  • P OFF is the power when each component of the circuit is in an OFF state
  • D is the ratio of ON (signal), D ON /( D ON + D OFF ), D ON is the width of the ON signal, D OFF is the width of the OFF signal)
  • the output voltage ( While Vo) is discharged, each component of the circuit is deactivated, and while the output voltage is being charged, each component of the circuit is sequentially activated according to a preset order.
  • the low power control device using the sleep timer by sequentially activating each component of the circuit according to a preset order while the output voltage is being charged, power consumption can be further reduced. It works.
  • the low-power control device using the sleep timer is used in a buck converter, a boost converter, a buck-boost converter, a DC-DC converter, an AC-DC converter, a linear regulator, and a circuit requiring low-power driving. It has the effect that it can be used in various forms.
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for controlling low power using a sleep timer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an apparatus for controlling low power using a sleep timer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a configuration diagram of one embodiment of the thione generator of Figure 1.
  • FIG. 4 is a view for explaining an output voltage and a control signal of a sleep timer in a circuit having a low power control device using a sleep timer according to an embodiment of the present invention
  • 5A is a diagram for explaining off control of a sleep timer in a circuit including a low power control device using a sleep timer according to an embodiment of the present invention
  • 5B is a diagram for explaining ON control of a sleep timer in a circuit including a low power control apparatus using a sleep timer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram for explaining power consumed in a conventional circuit without a sleep timer
  • FIG. 7 is a diagram for explaining power consumed in a circuit having a low power control device using a sleep timer according to an embodiment of the present invention.
  • thione generator 400 pulse width modulation (PWM) controller
  • first gate driver 1000 second gate driver
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for controlling low power using a sleep timer according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for controlling low power using a sleep timer includes a low power clock generator (Adaptive Reference Generator) 100, a sleep timer (Sleep Timer) 200, and a Tion generator (TON). Generator) (300), Pulse Width Modulation Controller (PWM Controller) (400), Current RAMP (500), Differential Sensing Block (600), Error Amplifier (700), and a pulse width modulation (PWM) comparator 800 , a first gate driver 900 , and a second gate driver 1000 .
  • Adaptive Reference Generator Adaptive Reference Generator
  • Sleep Timer sleep timer
  • TON Tion generator
  • PWM Controller Pulse Width Modulation Controller
  • Current RAMP 500
  • Differential Sensing Block 600
  • Error Amplifier 700
  • PWM pulse width modulation
  • the low-power clock generator 100 generates and outputs a clock signal.
  • the low-power clock generator 100 may generate a clock signal when it is "light load”.
  • the sleep timer 200 receives the clock signal and the output voltage Vo, and generates and outputs a control signal CTL for controlling the on/off operation of each component of the circuit.
  • the Tion generator 300 receives an input voltage Vin, an output voltage Vo, and a reference voltage VREF in response to the control signal CTL, and controls the pulse width modulation (PWM) controller 400 . generate a signal that
  • the pulse width modulation (PWM) controller 400 outputs a pulse width modulation (PWM) signal using the output signal VREF of the Tion generator 300 and the output signal of the pulse width modulation (PWM) comparator 800 . do.
  • the current ramp 500 receives the current information of the inductor L provided in the output terminal in response to the control signal CTL, changes it into a voltage signal, and outputs it.
  • the differential sensing unit 600 senses, differentially amplifies, and outputs the output voltage Vo in response to the control signal CTL.
  • the error amplifier 700 amplifies an error using the reference voltage VREF and the output signal of the differential sensing unit 600 in response to the control signal CTL.
  • the output terminal VCP of the error amplifier 700 has a first resistor Rc and a first capacitor Cc connected in series between the output terminal of the error amplifier 700 and the ground GND for loop stabilization, and A second capacitor Cz is provided between the output terminal of the error amplifier 700 and the ground.
  • the pulse width modulation (PWM) comparator 800 receives the output signal of the error amplifier 700 and the output signal of the current ramp 500 in response to the control signal CTL, and modulates the comparison signal with the pulse width modulation signal. (PWM) output to the controller 400 .
  • the first gate driver 900 receives the output signal PWM of the pulse width modulation (PWM) controller 400 in response to the control signal CTL, and turns on the power MOSFETs M1 and M2. Outputs a driving signal.
  • PWM pulse width modulation
  • the second gate driver 1000 receives the output signal PWM of the pulse width modulation (PWM) controller 400 in response to the control signal CTL, and power MOSFETs M3 and M4. output a signal that drives PWM of the pulse width modulation (PWM) controller 400 in response to the control signal CTL, and power MOSFETs M3 and M4. output a signal that drives PWM of the pulse width modulation (PWM) controller 400 in response to the control signal CTL, and power MOSFETs M3 and M4. output a signal that drives PWM of the pulse width modulation (PWM) controller 400 in response to the control signal CTL, and power MOSFETs M3 and M4. output a signal that drives PWM of the pulse width modulation (PWM) controller 400 in response to the control signal CTL, and power MOSFETs M3 and M4. output a signal that drives PWM of the pulse width modulation (PWM) controller 400 in response to the control signal CTL, and power MOSFETs M3 and M4. output a signal that drives
  • the first gate driver 900 may be controlled to operate when the load of the output terminal is a light load.
  • the sleep timer 200 deactivates each component of the circuit while the output voltage Vo is discharged, and sequentially activates each component of the circuit according to a preset order while the output voltage is charged make it
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an apparatus for controlling low power using a sleep timer according to an embodiment of the present invention.
  • the low power control device using the sleep timer includes a low power clock generator 100 , a sleep timer 200 , a power switch 201 , and a modulator. (Modulator) 202 , an error signal generator 203 , and a sensor gain (H(S)) 204 .
  • Modulator Modulator
  • H(S) sensor gain
  • the power switch 201 means including a gate driver and a power MOSFET
  • the modulator 202 means a comparator
  • the error signal generator 203 means an error amplifier.
  • the sensor gain H(S) means a differential sensing amplifier.
  • FIG. 2 shows a concept of a loop for low power consumption under a light load condition.
  • the sleep timer 200 monitors the level of the output voltage Vo and the output of the low power clock generator 100 . It receives a signal as an input and generates a control signal to control each internal component.
  • Figure 3 is a configuration diagram of one embodiment of the thione generator of Figure 1.
  • the Tion generator 300 of FIG. 1 includes an inverter 301 , a switch 302 , a current source 303 , a capacitor 304 , and a comparator 305 .
  • the inverter 301 receives the pulse width modulation (PWM) signal and outputs an inverted signal.
  • PWM pulse width modulation
  • the switch 302 is switched according to the output signal of the inverter 301 .
  • the current source 303 generates a current using the input voltage Vin and the output voltage Vo.
  • the current source 303 satisfies the following [Equation 1].
  • I K ⁇ (I VIN /I VO )
  • I VIN is an input current
  • I VO is an output current
  • K is a compensation value
  • the capacitor 304 is provided between the output of the current source 303 and the ground (GND).
  • the output of the current source 303 is connected to a negative terminal and the reference voltage VREF is connected to a positive terminal, so that an output signal is changed according to the reference voltage VREF.
  • the Tion generator 300 changes the duty according to a change in the input reference voltage VREF.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an output voltage and a control signal of a sleep timer in a circuit including a low power control device using a sleep timer according to an embodiment of the present invention.
  • the control signal CTL of the sleep timer 200 is turned on 401 while the output voltage Vo is charged. , during the period in which the output voltage Vo is discharged is turned OFF (401).
  • FIG. 5A is a diagram for explaining off control of a sleep timer in a circuit having a low power control device using a sleep timer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a diagram for explaining an off control of a sleep timer using a sleep timer according to an embodiment It is a diagram for explaining the ON control of the sleep timer in a circuit including a low power control device.
  • block A Block A
  • block B Block B
  • block C Block C
  • FIG. 6 is a diagram for explaining power consumed in a conventional circuit without a sleep timer.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining power consumed in a circuit having a low power control device using a sleep timer according to an embodiment of the present invention.
  • the power consumed depends on the duration of the OFF signal of the sleep timer 200 . will decrease accordingly.
  • the width of the ON signal of the sleep timer 200 is D ON and the width of the OFF signal is D OFF , the longer D OFF than D ON , the lower the power consumption, so the average power (P AVG ) is also lowered.
  • the average power of is expressed as [Equation 2] below.
  • P AVG is the average power
  • P ON is the power when each component of the circuit is in an ON state
  • P OFF is the power when each component of the circuit is in an OFF state
  • D is Ratio of ON (signal)
  • D ON is the width of the ON signal
  • D OFF is the width of the OFF signal.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

본 발명은 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로드의 부하 정도에 따라 전력소모를 최소화하기 위해, 경부하 상태에서 온(ON) 신호의 폭 보다 오프(OFF) 신호의 폭이 큰 슬립 타이머의 제어 신호를 이용하여 출력 전압(Vo)이 방전되는 동안 회로의 각 구성 요소를 비활성화시키고, 상기 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시키는 제어가 가능한 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 제공한다.

Description

슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치
본 발명은 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로드의 부하 정도에 따라 전력소모를 최소화하기 위해, 경부하 상태에서 온(ON) 신호의 폭 보다 오프(OFF) 신호의 폭이 큰 슬립 타이머의 제어 신호를 이용하여 출력 전압(Vo)이 방전되는 동안 회로의 각 구성 요소를 비활성화시키고, 상기 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시키는 제어가 가능한 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에 관한 것이다.
전압 레귤레이션은 예컨대 디지털 IC, 반도체 메모리, 디스플레이 모듈, 하드 디스크 드라이브, RF 회로, 마이크로프로세서, 디지털 신호처리기 및 아날로그 IC와 같은 다양한 마이크로 소자에서, 특히 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 소비자 제품과 같은 배터리를 사용하는 응용에서 공급 전압의 변동(variations)을 방지하는데 흔히 요구된다.
전자 통신기기에 있어서 안정된 전력을 공급해 주는 전력공급장치는 시스템의 가장 기본이 되는 부분이라고 할 수 있으며, 이러한 전력공급장치로서 DC-DC 컨버터와 같은 스위칭 모드 전력공급장치의 연구가 활발하다.
한국등록특허 [10-0595868]에서는 출력 전압 및 제1 기준 전압 사이의 에러 전압을 찾아내어, 상기 에러 전압 및 제2 기준 전압 사이의 차등 전압에 따라 출력 전류를 제어함으로써 입력 전압으로부터 원하는 출력 전압을 발생시키는 DC/DC 컨버터가 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1379375]에서는 양전압과 음전압을 발생시키는 듀얼 출력형 DC-DC 컨버터 장치가 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1504884]에서는 ＤＣ／ＤＣ 전압 컨버터가 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1957062]에서는 듀얼 입력 싱글 인덕터 부스트 컨버터가 개시되어 있다.
한편, 전력 변환기들은 전형적으로, 경부하 및 무부하 상태 동안에 사용되는 전력을 저감하기 위해 별도의 회로를 구비한다. 경부하 및 무부하 상태 동안에 전력 변환기를 효율적으로 동작시키기 위해, 저전력 스탠바이 모드를 구비한 전력 변환기가 사용될 수 있다.
한편, 경부하 조건에서 컨버터의 효율을 개선하기 위해 많은 기술이 제안되었다. 예를 들어, 일본특허 [H04-42771]에는 경부하 조건에서 간헐적으로 듀티 사이클 (PWM) 제어 회로를 구동하여 전력 손실을 줄이는 DC-DC 컨버터가 개시되어 있다.
따라서, 로드의 부하 정도에 따라 전력소모를 최소화하기 위한 회로 및 회로 구현 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 로드의 부하 정도에 따라 전력소모를 최소화하기 위해, 경부하 상태에서 온(ON) 신호의 폭 보다 오프(OFF) 신호의 폭이 큰 슬립 타이머의 제어 신호를 이용하여 출력 전압(Vo)이 방전되는 동안 회로의 각 구성 요소를 비활성화시키고, 상기 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시키는 제어가 가능한 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치는, 클럭 신호를 생성하여 출력하기 위한 저전력 클럭 생성기(Low Power Clock Generator)(100); 경부하 조건에서 상기 클럭 신호 및 출력 전압(Vo)을 입력받아 회로의 각 구성 요소의 온/오프 동작을 컨트롤하는 제어신호(CTL)를 생성하기 위한 슬립 타이머(200); 상기 제어신호에 응답하여 입력 전압(Vin), 상기 출력 전압(Vo) 및 기준 전압(VREF)을 입력받아, 펄스폭변조(PWM)를 제어하는 신호를 생성하는 티온 생성기(TON Generator)(300); 상기 티온 생성기의 출력 신호와 펄스폭변조(PWM) 비교기의 출력 신호를 이용하여 펄스폭변조(PWM) 신호를 출력하기 위한 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기(PWM Controller)(400); 상기 제어신호에 응답하여 상기 출력단에 구비된 인덕터(L)의 전류 정보를 전달받아 전압 신호로 변경하기 위한 전류 램프(Current RAMP)(500); 상기 제어신호에 응답하여 상기 출력 전압을 감지 및 차동 증폭하여 출력하기 위한 차동 감지부(Differential Sensing Block)(600); 상기 제어신호에 응답하여 상기 기준 전압과 상기 차동 감지부의 출력 신호를 이용하여 오차 증폭하기 위한 오차 증폭기(Error Amplifier)(700); 상기 제어신호에 응답하여 상기 오차 증폭기의 출력 신호와 상기 전류 램프의 출력 신호를 전달받아 비교 신호를 출력하기 위한 상기 펄스폭변조(PWM) 비교기(PWM Comparator)(800); 상기 제어신호에 응답하여 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기의 출력 신호를 입력받아 제1 파워 모스(MOSFET)를 구동하는 신호를 출력하기 위한 제1 게이트 드라이버(Gate Driver)(900); 및 상기 제어신호에 응답하여 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기의 출력 신호를 입력받아 제2 파워 모스(MOSFET)를 구동하는 신호를 출력하기 위한 제2 게이트 드라이버(Gate Driver)(1000)를 포함한다.
상기 슬립 타이머는, 상기 출력 전압(Vo)이 방전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 비활성화시키고, 상기 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 파워 모스(MOSFET)는, 상기 제2 파워 모스(MOSFET) 보다 용량이 큰 것을 특징으로 한다.
상기 제1 게이트 드라이버는, 상기 출력단의 로드가 고부하(Heavy Load)인 경우 동작하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 게이트 드라이버는, 상기 출력단의 로드가 경부하(Light Load)인 경우 동작하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 티온 생성기(300)는, 상기 펄스폭변조(PWM) 신호를 입력받아 인버팅된 신호를 출력하는 인버터(301); 상기 인버터의 출력 신호에 따라 스위칭되는 스위치(302); 상기 입력 전압과 상기 출력 전압을 이용하여 전류를 생성하는 전류원(303); 상기 전류원의 출력과 접지(GND) 사이에 구비된 캐패시터(304); 및 음의 단자에 상기 전류원의 출력이 연결되고, 양의 단자에 상기 기준 전압(VREF)이 연결되어, 상기 기준 전압(VREF)에 따라 출력 신호가 변경되는 비교기(305)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류원은 하기 [수학식 3]을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3] I = K× (IVIN /IVO)
(여기서, IVIN은 입력 전류, IVO는 출력 전류, K는 보상 값(compensation value))
상기 비교기(305)는, 상기 펄스폭변조(PWM) 신호가 로직 하이(H, High,'1')이면, 상기 캐패시터가 충전되고, 라이징 에지가 발생하는 것을 특징으로 하고, 상기 캐패시터에 충전된 전압이 상기 비교기의 기준 전압(VREF)과 같아지면, 폴링 에지가 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 오차 증폭기의 출력단은, 상기 오차 증폭기의 출력단과 접지(GND) 사이에 직렬로 연결된 제1저항(Rc) 및 제1 캐패시터(Cc); 및 상기 오차 증폭기의 출력단과 접지 사이에 구비되는 제2 캐패시터(Cz)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어신호(CTL)의 로직 하이 구간을 DON, 로직 로우 구간을 DOFF 라고 할 때, 상기 회로의 평균 전력은, 하기 [수학식 4]와 같이 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 4] PAVG = [D × PON] +[(1-D) × POFF]
(여기서, PAVG는 평균 전력, PON은 상기 회로의 각 구성요소가 온(ON)상태일 때의 전력, POFF는 상기 회로의 각 구성요소가 오프(OFF)상태일 때의 전력, D는 ON(신호)의 비율로, DON /( DON + DOFF ), DON은 온(ON)신호의 폭, DOFF는 오프(OFF)신호의 폭)
본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에 의하면, 경부하 상태에서 온(ON) 신호의 폭 보다 오프(OFF) 신호의 폭이 큰 슬립 타이머의 제어 신호를 이용하여 출력 전압(Vo)이 방전되는 동안 회로의 각 구성 요소를 비활성화시키고, 상기 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시키는 제어가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에 의하면, 로드의 부하 정도에 따라 용량이 다른 게이트 드라이버를 선택함으로써, 전력 소모를 더 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에 의하면, 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시킴으로써, 전력 소모를 더욱 줄 일수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치는 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부수트 컨버터, DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터, 리니어 레귤레이터 및 저전력 구동이 필요한 회로에서 사용할 수 있어 여러 가지 형태로 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치의 개념도.
도 3은 도 1의 티온 생성기의 일실시예 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 출력 전압 및 슬립 타이머의 제어 신호를 설명하기 위한 도면.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 슬립 타이머의 오프 제어를 설명하기 위한 도면.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 슬립 타이머의 온 제어를 설명하기 위한 도면.
도 6은 슬립 타이머가 없는 기존의 회로에서 소비되는 전력을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 소비되는 전력을 설명하기 위한 도면.
*도면의 주요부호에 대한 상세한 설명*
100: 저전력 클럭 생성기 200: 슬립 타이머
300: 티온 생성기 400: 펄스폭변조(PWM) 제어기
500: 전류 램프 600: 차동 감지부
700: 오차 증폭기 800: PWM 비교기
900: 제1 게이트 드라이버 1000: 제2 게이트 드라이버
201: 파워 스위치 202: 모듈레이터
203: 오차 신호 생성기 204: 센서 게인
301: 인버터 302: 스위치
303: 전류원 304: 캐패시터
305: 비교기
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치는 저전력 클럭 생성기(Adaptive Reference Generator)(100), 슬립 타이머(Sleep Timer)(200), 티온 생성기(TON Generator)(300), 펄스폭변조제어기(PWM Controller)(400), 전류 램프(Current RAMP)(500), 차동 감지부(Differential Sensing Block)(600), 오차 증폭기(Error Amplifier)(700), 펄스폭변조(PWM) 비교기(PWM Comparator)(800), 제1 게이트 드라이버(Gate Driver)(900), 및 제2 게이트 드라이버(Gate Driver)(1000)를 포함한다.
상기 저전력 클럭 생성기(100)는 클럭 신호를 생성하여 출력한다. 상기 저전력 클럭 생성기(100)는 "경부하" 인 경우, 클럭 신호를 생성할 수 있다.
상기 슬립 타이머(200)는 상기 클럭 신호 및 출력 전압(Vo)을 입력받아 회로의 각 구성 요소의 온/오프 동작을 컨트롤하는 제어신호(CTL)를 생성하여 출력한다.
상기 티온 생성기(300)는 상기 제어신호(CTL)에 응답하여 입력 전압(Vin), 출력 전압(Vo) 및 기준 전압(VREF)을 입력받아, 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기(400)를 제어하는 신호를 생성한다.
상기 펄스폭변조(PWM) 제어기(400)는 상기 티온 생성기(300)의 출력 신호(VREF)와 펄스폭변조(PWM) 비교기(800)의 출력 신호를 이용하여 펄스폭변조(PWM) 신호를 출력한다.
상기 전류 램프(500)는 상기 제어신호(CTL)에 응답하여 출력단에 구비된 인덕터(L)의 전류 정보를 전달받아 전압 신호로 변경하여 출력한다.
상기 차동 감지부(600)는 상기 제어신호(CTL)에 응답하여 상기 출력 전압(Vo)을 감지 및 차동 증폭하여 출력한다.
상기 오차 증폭기(700)는 상기 제어신호(CTL)에 응답하여 상기 기준 전압(VREF)과 상기 차동 감지부(600)의 출력 신호를 이용하여 오차 증폭한다.
상기 오차 증폭기(700)의 출력단(VCP)은 루프 안정화를 위해, 상기 오차 증폭기(700)의 출력단과 접지(GND) 사이에 직렬로 연결된 제1저항(Rc) 및 제1 캐패시터(Cc), 와 상기 오차 증폭기(700)의 출력단과 접지 사이에 구비되는 제2 캐패시터(Cz)가 구비된다.
상기 펄스폭변조(PWM) 비교기(800)는 상기 제어신호(CTL)에 응답하여 상기 오차 증폭기(700)의 출력 신호와 상기 전류 램프(500)의 출력 신호를 전달받아 비교 신호를 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기(400)로 출력한다.
상기 제1 게이트 드라이버(Gate Driver)(900)는 상기 제어신호(CTL)에 응답하여 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기(400)의 출력 신호(PWM)를 입력받아 파워 MOSFET(M1, M2)을 구동하는 신호를 출력한다.
상기 제2 게이트 드라이버(Gate Driver)(1000)는 상기 제어신호(CTL)에 응답하여 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기(400)의 출력 신호(PWM)를 입력받아 파워 모스MOSFET(M3, M4)을 구동하는 신호를 출력한다.
상기 파워 모스(MOSFET)(M1, M2)는, 상기 파워 모스(MOSFET)(M3, M4)보다 용량이 크게 설계되었다면, 상기 제1 게이트 드라이버(900)는, 상기 출력단의 로드가 고부하(Heavy Load)인 경우 동작하도록 제어되고, 제2 게이트 드라이버(1000)는, 상기 출력단의 로드가 경부하(Light Load)인 경우 동작하도록 제어될 수 있다.
상기 슬립 타이머(200)는, 상기 출력 전압(Vo)이 방전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 비활성화시키고, 상기 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치의 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치는, 저전력 클럭 생성기(Adaptive Reference Generator)(100), 슬립 타이머(Sleep Timer)(200), 파워 스위치(Power Switch)(201), 모듈레이터(Modulator)(202), 오차 신호 생성기(203) 및 센서 게인(H(S))(204)을 포함한다.
여기서, 파워 스위치(201)는 게이트 드라이버 및 파워모스(MOSFET)를 포함하는 의미이고, 상기 모듈레이터(202)는 비교기(Comparator)를 의미하고, 오차 신호 생성기(203)는 오차 증폭기(Error Amplifier)를 의미하고, 상기 센서 게인(H(S))은 차동 감지 증폭기(Differential Sensing Amplifier)를 의미한다.
도 2는 경부하 조건에서 저전력 소모를 위한 루프(loop)에 대한 개념을 도시한 것으로, 상기 슬립 타이머(200)는 출력 전압(Vo)의 레벨을 모니터링한 값과 저전력 클럭 생성기(100)의 출력 신호를 입력으로 받아 각각의 내부 구성 요소들을 제어하기 위한 제어신호를 생성한다.
도 3은 도 1의 티온 생성기의 일실시예 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 1의 티온 생성기(300)는 인버터(301), 스위치(302), 전류원(303), 캐패시터(304), 및 비교기(305)를 포함한다.
상기 인버터(301)는 상기 펄스폭변조(PWM) 신호를 입력받아 인버팅된 신호를 출력한다.
상기 스위치(302)는 상기 인버터(301)의 출력 신호에 따라 스위칭된다.
상기 전류원(303)은 상기 입력 전압(Vin)과 상기 출력 전압(Vo)을 이용하여 전류를 생성한다.
상기 전류원(303)은 하기 [수학식 1]을 만족한다.
[수학식 1]
I = K × (IVIN /IVO)
여기서, IVIN은 입력 전류, IVO는 출력 전류, K는 보상 값(compensation value)이다.
상기 캐패시터(304)는 상기 전류원(303)의 출력과 접지(GND) 사이에 구비된다.
상기 비교기(305)는 음의 단자에 상기 전류원(303)의 출력이 연결되고, 양의 단자에 상기 기준 전압(VREF)이 연결되어, 상기 기준 전압(VREF)에 따라 출력 신호가 변경된다.
상기 비교기(305)는, 상기 펄스폭변조(PWM) 신호가 로직 하이(H, High,'1')이면, 상기 캐패시터(304)가 충전되고, 라이징 에지가 발생한다.
이후, 상기 캐패시터(304)에 충전된 전압이 상기 비교기(305)의 기준 전압(VREF)과 같아지면, 폴링 에지가 발생한다.
상기 티온 생성기(300)는 입력되는 기준 전압(VREF)의 변화에 따라 듀티를 변경시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 출력 전압 및 슬립 타이머의 제어 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 로드가 경부하(LIGHT LOAD)인 경우, 슬립 타이머(200)의 제어신호(CTL)는 출력 전압(Vo)이 충전되는 구간 동안은 온(ON)(401)되고, 상기 출력 전압(Vo)이 방전되는 구간 동안은 오프(OFF)(401)된다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 슬립 타이머의 오프 제어를 설명하기 위한 도면이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 슬립 타이머의 온 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 슬립 타이머(200)가 오프(OFF)인 구간 동안, 블록 A(Block A), 블록 B(Block B), 및 블록 C(Block C)는 모두 비활성화되어 슬립 모드 상태가 된다.
한편, 도 5b에 도시된 바와 같이, 슬립 타이머(200)가 온(ON)인 구간 동안, 오프에서 온으로 상태가 변경되면, 블록(Block)들은 기설정된 순서대로 순차적으로 슬립 모드에서 빠져나와 활성화된다. 일 예로, 블록 A(Block A), 블록 B(Block B), 및 블록 C(Block C)의 순서대로 활성화 될 수 있다.
도 6은 슬립 타이머가 없는 기존의 회로에서 소비되는 전력을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기존 방식으로 제어된 경우 정전류가 흐르는 상태에서, 소비되는 전력은 시간이 지나도 변하지 않고 일정한 값을 가진다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로에서 소비되는 전력을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에서는, 경부하 조건하의 정전류가 흐르는 상태에서, 소비되는 전력은 슬립 타이머(200)의 오프(OFF)신호의 지속 시간에 따라 감소하게 된다.
슬립 타이머(200)의 온(ON) 신호의 폭을 DON이라 하고, 오프(OFF) 신호의 폭을 DOFF 라고 하면, DON보다 DOFF 가 길어질수록 소모 전력이 낮아지므로, 평균 전력(PAVG)도 낮아진다.
상기 제어신호(CTL)의 로직 하이(High, '1') 구간을 DON, 로직 로우 (Low, '0') 구간을 DOFF 라고 할 때, 상기 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치를 구비한 회로의 평균 전력은, 하기 [수학식 2]와 같이 표현된다.
[수학식 2]
PAVG = [D × PON] +[(1-D) × POFF]
여기서, PAVG는 평균 전력, PON은 상기 회로의 각 구성요소가 온(ON)상태일 때의 전력, POFF는 상기 회로의 각 구성요소가 오프(OFF)상태일 때의 전력, D는 ON(신호)의 비율로, DON /( DON + DOFF ), DON은 온(ON)신호의 폭, DOFF는 오프(OFF)신호의 폭이다.
슬립 타이머(200) 오프 신호의 지속시간이 길수록 소비 전력이 더욱 감소한다.
또한, 경부하 조건에서, 입력 실효 정전 용량(effective capacitance)을 작게 변경할 수도 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

Claims (10)

  1. 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치에 있어서,
    클럭 신호를 생성하여 출력하기 위한 저전력 클럭 생성기(Low Power Clock Generator)(100);
    경부하 조건에서 상기 클럭 신호 및 출력 전압(Vo)을 입력받아 회로의 각 구성 요소의 온/오프 동작을 컨트롤하는 제어신호(CTL)를 생성하기 위한 슬립 타이머(200);
    상기 제어신호에 응답하여 입력 전압(Vin), 상기 출력 전압(Vo) 및 기준 전압(VREF)을 입력받아, 펄스폭변조(PWM)를 제어하는 신호를 생성하는 티온 생성기(TON Generator)(300);
    상기 티온 생성기의 출력 신호와 펄스폭변조(PWM) 비교기의 출력 신호를 이용하여 펄스폭변조(PWM) 신호를 출력하기 위한 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기(PWM Controller)(400);
    상기 제어신호에 응답하여 상기 출력단에 구비된 인덕터(L)의 전류 정보를 전달받아 전압 신호로 변경하기 위한 전류 램프(Current RAMP)(500);
    상기 제어신호에 응답하여 상기 출력 전압을 감지 및 차동 증폭하여 출력하기 위한 차동 감지부(Differential Sensing Block)(600);
    상기 제어신호에 응답하여 상기 기준 전압과 상기 차동 감지부의 출력 신호를 이용하여 오차 증폭하기 위한 오차 증폭기(Error Amplifier)(700);
    상기 제어신호에 응답하여 상기 오차 증폭기의 출력 신호와 상기 전류 램프의 출력 신호를 전달받아 비교 신호를 출력하기 위한 상기 펄스폭변조(PWM) 비교기(PWM Comparator)(800);
    상기 제어신호에 응답하여 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기의 출력 신호를 입력받아 제1 파워 모스(MOSFET)를 구동하는 신호를 출력하기 위한 제1 게이트 드라이버(Gate Driver)(900); 및
    상기 제어신호에 응답하여 상기 펄스폭변조(PWM) 제어기의 출력 신호를 입력받아 제2 파워 모스(MOSFET)를 구동하는 신호를 출력하기 위한 제2 게이트 드라이버(Gate Driver)(1000)
    를 포함하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬립 타이머는,
    상기 출력 전압(Vo)이 방전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 비활성화시키고,
    상기 출력 전압이 충전되는 동안 상기 회로의 각 구성 요소를 기설정된 순서에 따라 순차적으로 활성화시키는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파워 모스(MOSFET)는,
    상기 제2 파워 모스(MOSFET) 보다 용량이 큰 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 게이트 드라이버는,
    상기 출력단의 로드가 고부하(Heavy Load)인 경우 동작하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 게이트 드라이버는,
    상기 출력단의 로드가 경부하(Light Load)인 경우 동작하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 티온 생성기(300)는,
    상기 펄스폭변조(PWM) 신호를 입력받아 인버팅된 신호를 출력하는 인버터(301);
    상기 인버터의 출력 신호에 따라 스위칭되는 스위치(302);
    상기 입력 전압과 상기 출력 전압을 이용하여 전류를 생성하는 전류원(303);
    상기 전류원의 출력과 접지(GND) 사이에 구비된 캐패시터(304); 및
    음의 단자에 상기 전류원의 출력이 연결되고, 양의 단자에 상기 기준 전압(VREF)이 연결되어, 상기 기준 전압(VREF)에 따라 출력 신호가 변경되는 비교기(305)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전류원은 하기 [수학식 3]을 만족하는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
    [수학식 3]
    I = K × (IVIN /IVO)
    (여기서, IVIN은 입력 전류, IVO는 출력 전류, K는 보상 값(compensation value))
  8. 제6항에 있어서,
    상기 비교기(305)는,
    상기 펄스폭변조(PWM) 신호가 로직 하이(H, High,'1')이면, 상기 캐패시터가 충전되고, 라이징 에지가 발생하는 것을 특징으로 하고,
    상기 캐패시터에 충전된 전압이 상기 비교기의 기준 전압(VREF)과 같아지면, 폴링 에지가 발생하는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 오차 증폭기의 출력단은,
    상기 오차 증폭기의 출력단과 접지(GND) 사이에 직렬로 연결된 제1저항(Rc) 및 제1 캐패시터(Cc); 및
    상기 오차 증폭기의 출력단과 접지 사이에 구비되는 제2 캐패시터(Cz)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어신호(CTL)의 로직 하이 구간을 DON, 로직 로우 구간을 DOFF 라고 할 때,
    상기 회로의 평균 전력은, 하기 [수학식 4]와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 슬립 타이머를 이용한 저전력 제어 장치.
    [수학식 4]
    PAVG = [D × PON] +[(1-D) × POFF]
    (여기서, PAVG는 평균 전력, PON은 상기 회로의 각 구성요소가 온(ON)상태일 때의 전력, POFF는 상기 회로의 각 구성요소가 오프(OFF)상태일 때의 전력, D는 ON(신호)의 비율로, DON /( DON + DOFF ), DON은 온(ON)신호의 폭, DOFF는 오프(OFF)신호의 폭)
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