KR100516051B1 - 직류-직류 변환 장치 및 그 변환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 직류-직류 변환 장치는 전압 입력단을 통해 입력된 전압을 전압 제어 발진부와 반전기, 그리고 전압 승압부를 통해 승압하고, 승압된 전압을 출력단에 공급한다. 출력단의 전압을 감지하여 감지된 전압을 출력 전압 전달부를 통해 전압 제어 발진부에 전달하고, 발진부의 전압 제어 주파수 조절 회로를 통해 발진기의 주파수를 조절함으로써 출력단에 안정적인 직류 전압을 공급한다.

Description

직류-직류 변환 장치 및 그 변환 방법

본 발명은 직류-직류 변환 장치(DC to DC converter)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코일이 없는 구조의 직류-직류 변환 장치 및 그 변환 방법에 관한 것이다.

최근 액정 표시 장치의 모듈 제품에 있어서 경박단소(經薄短小) 경향이 강조되고 있다. 이에 구동회로 구성 부품이 박(薄)형일 것이 요구되고 있으나, 현재 직류-직류 변환 장치에서는 두께가 두꺼운 코일 타입이 사용되고 있어, 코일이 없는 구조의 직류-직류 변환 장치에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위한 종래의 코일 없는 구조의 직류-직류 변환 장치를 도 1 및 도 2에 도시하였다.

다음에서는 도 1 및 도 2를 참고로 하여 종래의 코일 없는 구조의 직류-직류 변환 장치에 대해 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 코일이 없는 직류-직류 변환 장치의 블록도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 코일이 없는 직류-직류 변환 장치의 상세 회로도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 종래의 직류-직류 변환 장치는 발진부(10), 반전기(20), 전압 승압부(30)로 이루어진다.

발진부(10)는 구형파의 전압을 발생시켜, 반전기(20)에 구형파의 전압을 전달한다. 반전기(20)는 구형파의 전압을 입력으로 하여 이 전압과 위상이 반대인 전압을 출력한다. 반전기(20)는 NMOS(N-type metal oxide semiconductor) 트랜지스터(21)와 PMOS(P-type MOS) 트랜지스터(26)로 이루어진 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS ; complementary MOS) 트랜지스터로 형성된다. 두 트랜지스터(21, 26)의 공통 게이트에는 구형파 전압이 인가되고, PMOS 트랜지스터(26)의 소스에는 전원 전압(Vc)이 인가된다.

반전기(20)의 출력 전압은 전압 승압부(30)에 인가된다. 전압 승압부(30)는 Vc의 전원 전압을 2Vc 전압으로 승압하기 위한 것으로서, 두 개의 다이오드(D1, D2)와 두 개의 커패시터(C1, C2)로 이루어진다. 커패시터 C1은 전하를 펌핑(pumping)하기 위한 것으로서, 반전기(20)의 출력에 따라 전원 전압을 충전하고 승압시키는 역할을 한다. 반전기(20)는 발진기(10)의 전압의 위상을 반전시키는 것이므로, 결국 전압 승압부(30)는 발진기(10)에 의해 제어되는 것이다.

전압 승압부(30)의 출력단에는 일반적으로 부하가 연결되어 있기 때문에, 부하 전압의 변동에 따라 전압 승압부(30)의 출력 전압은 변동하게 된다.

일반적으로, 직류-직류 변환 장치의 출력 전압은 안정되게 유지되어야 하나, 상기한 종래의 직류-직류 변환 장치는 부하 전류의 변동에 따라 출력 전압이 변동하게 된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 부하단에 안정적인 직류 전원을 공급하기 위한 직류-직류 변환 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 직류-직류 변환 장치는 출력단의 전압을 발진부로 피드백(feedback)시켜 출력단 전압의 변화를 감지하여 발진기의 주파수를 조절함으로써 출력단의 전압을 일정하게 유지하는 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 직류-직류 변환 장치는, 전압 제어 주파수 조절 회로를 통해 주파수를 조절하여 구형파를 발진시키는 전압 제어 발진부, 전압 제어 발진부로부터 인가되는 구형파를 반전시키는 반전기, 반전기와 전압 입력단과 연결되어 전하 충전을 통해 전압을 승압하는 전압 승압부, 전압 승압부로부터 연결되어 있고 출력단의 전압을 전압 제어 발진부로 전달하는 출력 전압 전달부로 구성된다.

여기서, 반전기는 NMOS와 PMOS 트랜지스터로 이루어진 CMOS 트랜지스터로 이루어지는 것이 바람직하며, 전압 승압부는 두 개의 다이오드와 두 개의 커패시터로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 출력 전압 전달부는 전압 분배기를 포함하는 것이 바람직하다.

그러면 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 직류-직류 변환 장치의 구조를 도 3 및 도 4를 참고로 하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직류-직류 변환 장치의 블록도이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직류-직류 변환 장치의 상세 회로도이다.

전압 제어 발진부(100)는 발진기와 전압 제어 주파수 조절 회로를 가지고 있어 출력 전압 전달부(400)로부터 출력 전압을 전달받아, 이 전압으로써 구형파의 주파수를 조절하여 구형파를 발진시킨다.

반전기(200)는 전압 제어 발진부(100)로부터 인가되는 구형파를 입력으로 하여 반전된 구형파를 출력한다. 반전기(200)는 CMOS 트랜지스터 소자들(210, 260)로 구성된다. 반전기(200)는 쌍을 이룬 두 개의 MOSFET(210, 260)을 사용하는데, 하나는 n채널의 NMOS 트랜지스터(210)이고, 또 하나는 p채널의 PMOS 트랜지스터(260)이다. 반전기의 두 트랜지스터(210, 260)는 각 드레인과 게이트가 서로 연결되어 있으며, 두 트랜지스터의 공통 게이트가 입력단이며, 공통 드레인이 출력단이다. PMOS 트랜지스터(260)의 소스에는 전원 전압(Vc)이 인가되고, NMOS 트랜지스터(210)의 소스는 접지되어 있다.

전압 승압부(300)는 두 개의 다이오드(D1, D2)와 두 개의 커패시터(C1, C2)로 구성된다. 하나의 커패시터(C1)는 충전 펌프용 커패시터로서, 일단이 반전기의 출력단과 연결되고, 타단이 제1 다이오드의 캐소드와 제2 다이오드의 애노드의 접점과 연결된다. 또 하나의 커패시터(C2)는 평활용 커패시터로서, 출력 전압을 평활화 하는데 사용되는데, 일단이 제2 다이오드의 캐소드와 연결되어 있고, 타단은 접지되어 있다.

출력 전압 전달부(400)는 전압 승압부(300)의 출력 전압을 전압 분배기(450)를 통해 전압 제어 발진부(100)에 전달하고, 전달된 출력전압으로 전압 제어 발진부(100)의 발진 주파수를 제어한다.

이 회로의 동작을 도 3, 도 4 및 도 5를 참고로 하여 이하에서 설명한다.

도 5는 발진기에서 인가되는 구형파 전압이 반전기(200)를 통해 변환되어진 N1, N2, N3 마디와 출력단(Vo)에서의 전압을 나타낸 것이다.

전압 제어 발진부(100)에 의해 인가된 구형파가 N1 마디에 발생되었을 때, CMOS 반전기(200)는 도 4에서와 같이 N2 마디에 역위상의 구형파를 발생시킨다.

발진기(100)에서 발생되는 구형파가 높은(high) 전압인 경우에는, PMOS 트랜지스터(260)는 오프(off)가 되고, NMOS 트랜지스터(210)는 온(on)으로 되어 N2 마디는 낮은(low) 접지 전압 상태가 된다. 따라서, 전원 Vc가 N3 마디에 인가되고, 이 전압 Vc는 충전 펌프용 커패시터(C1)에 저장되게 된다.

발진기(100)에서 발생되는 구형파가 낮은(low) 전압인 경우에는, PMOS 트랜지스터(260)는 온(on)으로 되고, NMOS 트랜지스터(210)는 오프(off)로 되어, N2 마디는 높은(high) 전압 상태가 된다. 따라서, N3 마디는 2Vc로 전압 상승된다. 이 전압은 제2 다이오드를 통해 평활용 커패시터(C2)에 의해 평활화되고 출력전압으로 나타난다.

따라서 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)에 의한 전압 강하를 무시하는 경우에 출력단에는 2Vc로 상승된 전압이 나타난다. 출력단에 나타난 전압을 전압 분배기(450)인 두 저항(R1, R2)을 통해 전압 분배하고 분배된 전압으로 발진기(100)에서 발생되는 구형파의 주파수를 조절함으로써 출력단의 전압을 고정시킨다.

이 때 구형파의 주파수를 조절하여 출력단의 주파수를 고정시키는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

출력단의 전압을 고정시키기 위한 구형파의 주파수는 다음과 같이 유도된다.

출력단의 전압을 Va라고 하면 전하량 보존 법칙에 의해 다음과 같은 등식이 성립한다.

시간 t = T1 + T2 에서의 총 전하량 Qt = Va × (C1 + C2) 는 C1에 충전되었던 전하량 Q1과 C2에 남아있는 전하량 Q2에 부하단으로 소비되는 전하량 QL의 합과 같다.

즉,

Qt = Q1 + Q2 - QL --------------------------------------------- (1)

따라서,

Va × (C1 + C2) = 2Vc × C1 + Va × C2 - (T1 + T2) × Va/RL --- (2)

여기서 Qt = Va × (C1 + C2), Q1 = 2Vc × C1, Q2 = Va × C2, 그리고 QL = Va × (T1 + T2)/RL 이고, RL은 부하단의 저항값이다.

(2)식을 정리하여 Va 값을 구하면 다음과 같다.

Va × (C1 + (T1 + T2)/RL) = 2Va × C1

즉,

Va = { 2Vc×C1 } OVER { C1+(T1+T2)/RL } --------------------------- (3)

이 된다.

발진기(100)의 주파수를 f라고 한다면 f = 1/(T1 + T2) 이므로 출력전압 Vo는

Vo(f) = Va = { 2Vc×C1 } OVER { C1+1/(f×RL) } ------------------- (4)

이다.

따라서 (4)식에서 나타난 f×RL 값을 일정하게 유지함으로써 일정한 Va 값을 출력할 수 있다. 즉, 전압 출력단에 나타난 전압을 전압 분배기(400)에 의해서 적절히 분할시키고, 이 분할 전압을 전압 제어 발진부(100)에 인가하여 f×RL 값이 일정하도록 적정 주파수 f를 발생시킨다.

이를테면, 출력 전압 Vo가 적정수준 이하로 떨어지는 경우 발진기(100)의 주파수 f를 증가시키고, 출력 전압 Vo가 적정수준 이상이 될 경우에는 발진기(100)의 주파수가 감소하도록 제어하는 것이다.

이렇게 조정된 주파수 f가 전압 제어 발진부(100)의 파형으로 나타나게 되고, f×RL 값을 일정하게 유지하게 함으로써, 출력단의 전압을 부하 전류에 관계없이 일정하게 유지할 수 있게 된다. 즉, 출력 전압의 피드백(feedback)을 통해 출력 전압을 일정하게 유지하는 것이다.

한편, 본 발명의 한 실시예에 따른 직류-직류 변환 방법은, 제어 전압으로 주파수를 조절하여 구형파를 발진시키는 단계, 상기 발진된 구형파를 반전시키는 단계, 상기 반전된 구형파로써 전원 전압을 승압시키는 단계, 그리고 상기 승압된 전압을 피드백시켜 상기 제어 전압에 전달하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 의하면 출력 전압단의 전압을 감지하여 전압 제어 발진부에 전달함으로써, 출력 전압으로 발진기의 주파수를 조절하여 출력 전압을 일정하게 유지하는 코일 없는 구조의 직류-직류 변환 장치를 구현할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 코일이 없는 직류-직류 변환 장치의 블록도이고,

도 2는 종래 기술에 따른 코일이 없는 직류-직류 변환 장치의 상세 회로도이고,

도 3은 본 발명에 따른 직류-직류 변환 장치의 블록도이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직류-직류 변환 장치의 상세 회로도이고,

도 5는 발진기에서 인가되는 구형파를 나타낸 것이다.

Claims (6)

1. 전압으로 주파수를 조절하여 구형파를 발진시키는 전압 제어 발진부,

   상기 전압 제어 발진부로부터 인가되는 구형파를 반전시키는 반전기,

   상기 반전기와 전압 입력단과 연결되어 전압을 승압하는 전압 승압부, 그리고

   상기 전압 승압부에 연결되어 있고, 출력단의 전압을 상기 전압 제어 발진부로 전달하는 출력 전압 전달부

   를 포함하고 있는 직류-직류 변환 장치.
2. 제1항에서,

   상기 반전기는 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터가 결합된 CMOS 트랜지스터로 구성되는 직류-직류 변환 장치.
3. 제1항에서,

   상기 전압 승압부는 제1 다이오드 및 제2 다이오드와, 충전 펌프용 커패시터, 평활용 커패시터로 구성되는 직류-직류 변환 장치.
4. 제3항에서,

   상기 충전 펌프용 커패시터의 일단은 반전기의 출력단과 연결되고, 타단은 제1 다이오드의 캐소드와 제2 다이오드의 애노드의 접점과 연결되며,

   상기 평활용 커패시터의 일단은 제2 다이오드의 캐소드와 연결되고, 타단은 접지되는 직류-직류 변환 장치.
5. 제1항에서,

   상기 출력 전압 전달부는 전압 분배기를 포함하고 있는 직류-직류 변환 장치.
6. 제어 전압으로 주파수를 조절하여 구형파를 발진시키는 단계,

   상기 발진된 구형파를 반전시키는 단계,

   상기 반전된 구형파로써 전원 전압을 승압시키는 단계,

   상기 승압된 전압을 피드백시켜 상기 제어 전압에 전달하는 단계

   를 포함하는 직류-직류 변환 방법.

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