KR101025176B1 - 샘플 및 홀드 회로를 갖는 조절기 회로, 이를 구성하는 방법 및 조절기 회로의 안정성을 향상시키는 시스템 - Google Patents

샘플 및 홀드 회로를 갖는 조절기 회로, 이를 구성하는 방법 및 조절기 회로의 안정성을 향상시키는 시스템 Download PDF

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Abstract

향상된 안정성을 갖는 샘플 및 홀드 회로를 갖는 LED 드라이버가 제공된다. LED 드라이버는 조절 회로와, 입력 노드(V6) 및 출력 노드(V3)에 연결되는 샘플 및 홀드 회로를 포함하고, 입력 및 출력 노드는 조절 회로에 연결된다. 샘플 및 홀드 회로의 전달 함수는, 입력 노드에서의 전압이 출력 노드에서의 전압보다 크면, 의사 모두 통과이고, 입력 노드에서의 전압이 출력 노드에서의 전압보다 작으면, 일정한 신호이다.
샘플 및 홀드, 조절기, PWM, 전달 함수

Description

샘플 및 홀드 회로를 갖는 조절기 회로, 이를 구성하는 방법 및 조절기 회로의 안정성을 향상시키는 시스템{PWM LED REGULATOR WITH SAMPLE AND HOLD}
본 발명은 조절된 LED 전류원(regulated LED current sources)에 관한 것으로, 특히 향상된 안정성(improved stability)을 위해 LED 조절기(LED regulator)를 구성하기 위한 기술에 관한 것이다.
일반적으로, LED 조명 시스템(LED lighting systems)은 LED에 전력을 공급하기 위해, 조절된 전력원(regulated power sources)을 채용한다. LED 드라이버 기술에서, LED로의 전력원으로서 펄스 폭 변조(pulse-width modulated; PWM) 구동 전류(drive current)를 사용하는 것이 알려져 있다. 일반적으로, 조절기 회로는, 전력 조절을 제공하기 위해 함께 동작하는 능동 및 수동 소자를 갖는 여러 개의 서브-회로를 포함한다.
도 1에는, 일련의 LED(LED strings)를 구동하기 위한 전형적인 조절기에 대한 간단한 회로도가 도시된다. 승강압용 컨버터(Buck-Boost converter)는 Q1, L, D1 및 C1으로 형성된다. 직렬의 일련의 LED(serial LED string)는 D5로서 표시된다. 주위 저항(R5, R6, R7, R8)과 함께 OP-AMP1은 R1으로부터의 감지된 전류 신호에 대한 차동 증폭기(differential amplifier)를 형성한다. 아날로그 PID 제어기는, 주위 콤포넌트(R9, R10, R11, R12, C5, C6 및 C7)와 함께 OP-AMP2에 의해 형성된다. PWM 신호는, 변조기(modulator)(COMP1)를 통하여 조절기 회로에 투입된다. 정상 상태 DC 동작(steady-state DC operation)에서, 일련의 LED(D5) 전류는 조절기 회로에 의해 조절된다.
도 2는, 광 출력 조정 또는 조광 기능(light output adjustment or dimming functionality)을 일련의 LED(D5)에 공급하도록 구성되는 조절기 회로를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 직렬 스위치(series switch)(Q2)를 기동(invoke)함으로써 일련의 LED(D5)에 대해 저 주파수 PWM 전류를 사용하는 것이 이롭다고 알려져 있다. 각각의 턴온 이벤트(turn on event)에서 일련의 LED(D5)의 전류 피크 펄스(current peak pulse)를 감소시키기 위하여, R2, R4, C2 및 D2를 포함하는 간단한 샘플 및 홀드(sample-and-hold)(210) 서브회로가 제공된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 샘플 및 홀드 서브회로는 출력 전압(V3) 및 입력 전압(V6)을 갖는다. 다이오드(D2)가 도통(conducts)하면, 샘플 및 홀드(210) 서브회로의 전달 함수(transfer function)는 다음과 같다는 것을 알 수 있다.
Figure 112005033675609-pct00001
여기서,
Figure 112005033675609-pct00002
이고,
Figure 112005033675609-pct00003
수학식 1을 살펴보면, 샘플 및 홀드는 전류 조절 루프(current regulation loop)에, 연관된 90도 위상 지연(associated 90 degree phase delay)으로 폴(pole)을 투입하는 것을 알 수 있다. 그러므로, LED 조절기 위상 마진(LED regulator phase margin)이 감소되고 조절기 회로는 발진하는(oscillate) 경향이 있다. 그러므로, 이들 및 다른 제한사항을 해결하는 향상된 LED 조절기 구성을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은, LED 조절기의 안정성을 향상시키기 위한 시스템 및 방법을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면, 샘플 및 홀드 회로를 갖는 조절기 회로를 구성하기 위한 방법이 제공된다. 샘플 및 홀드 회로의 입력 노드에 입력 전압을 연결하는 단계가 제공된다. 또한, 입력 전압에 응답하여 샘플 및 홀드 회로를 활성화(activating)하는 단계, 및 샘플 및 홀드 회로에 연결되는 출력 노드에서 출력 전압을 감지하는 단계가 제공된다. 입력 노드에서의 입력 전압이 출력 노드에서의 출력 전압보다 큰지를 결정하는 단계, 및 이러한 결정에 기초하여 샘플 및 홀드 함수를 제공하는 단계도 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 향상된 안정성을 갖는 샘플 및 홀드 회로를 갖는 조절기 회로가 제공된다. 조절 회로가 제공된다. 또한, 입력 및 출력 노드에 연결되는 샘플 및 홀드 회로가 제공된다. 샘플 및 홀드 회로의 전달 함수는, 입력 노드에서의 입력 전압이 출력 노드에서의 출력 전압보다 크면, 의사 모두 통과(pseudo-allpass)이고, 입력 노드에서의 입력 전압이 출력 노드에서의 출력 노드보다 작으면, 실질적으로 일정한 신호이다.
본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징과 이점은, 첨부한 도면과 함께 읽으면 예시적인 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 자명하다. 상세한 설명 및 도면은 본 발명을 단순히 설명하는 것이지 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항 및 이의 균등물에 의해 규정된다.
도 1은 종래 기술의 LED 조절 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 종래 기술의 저 주파수 PWM 기반 LED 조절 시스템을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로의 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 도 3의 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로의 실시예를 도시하는 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 샘플 및 홀드 회로를 갖는 조절기 회로를 구성하기 위한 방법의 흐름도.
다음의 설명에서, 명료하게 기술하는 바와 같이, 용어 "연결된(coupled)"은 접속되는(connected) 물건들(things) 간의 직접 접속(direct connection), 또는 도시되거나 도시되지 않을 수 있는 하나 이상의 능동 또는 수동 장치를 통한 접속을 의미한다.
도 3은 본 발명에 따른 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로의 블록도이다. 도 3은 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로(300)를 도시한다. 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로(300)는, 입력 노드(Vin) 및 출력 노드(Vout) - 양자 모두 그라운드(ground)에 기준됨(referenced) - 를 갖는 것으로 도시된다.
의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로(300)는, 샘플 및 홀드 함수를 제공하고 다음의 전달 함수를 가지는 임의의 회로이다.
Vout(s)/Vin(s) = K(s), K(s)는 Vin > Vout일 때 모두 통과 함수(all pass function)이고,
Vout(t)는 Vin < Vout일 때, 거의 일정한 신호이다.
그러므로, 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 구성은, 조절기의 전달 함수에 폴(pole)을 도입시키지 않으면서 조절기 회로에 샘플 및 홀드 함수를 제공한다. 그러면, 조절기는 더 안정적인 방식으로 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로(300)는, 예컨대 집적 회로와 같이, 모두 통과 동작에 대하여 구성되는 능동 샘플 및 홀드 장치이다. 다른 실시예에서, 의사 모두 통과 샘플 홀드 회로(300)는, 저항기, 캐패시터, 다이오드 등과 같은 수동 장치를 포함하는 수동 회로이다. 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로(300)의 수동 실시예는 도 4를 참조하여 상세하게 설명된다.
도 4는 도 3의 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로의 실시예를 도시하는 블록도이다. 도 3은, 도 2에서와 같은 샘플 및 홀드 회로(200), 제1 통과 다이오드(first pass diode)(D6) 및 제2 통과 다이오드(D7)를 포함하는 모두 샘플 및 홀드 회로(all sample-and-hold circuit)(300)를 도시한다. 제1 통과 다이오드(D6)는, 순방향 바이어스(forward bias)로 출력 노드(V3)에 샘플 및 홀드 회로(210)를 연결하는 것을 도시한다. 제2 통과 다이오드(D7)는 순방향 바이어스로 출력 노드와 입력 노드(V6)를 연결하는 것을 도시한다.
동작에서, 통과 다이오드(D7)는, V6에서의 전압 전위(voltage potential)가 V3에서의 전위 전압보다 클 때마다, 전류를 통과시킨다. V6에 인가되는 전위 전압은, 주기적 펄스(periodic pulse)와 같이 시변(time-varying)이거나, DC 값이다. 다이오드(D6 및 D7)의 바이어스는, V3의 전위 전압이 V6보다 크면, 전류 반전(current reversal)을 방지하므로, 샘플 및 홀드 회로를 구성한다.
다음의 프로세스 설명에서, 특정 단계들은 본 발명을 벗어나지 않으면서 동시에 또는 상이한 순서로 결합, 수행될 수 있다.
도 5는, 본 발명에 따라 샘플 및 홀드 회로를 갖는 조절기 회로를 구성하기 위한 방법의 흐름도이다. 프로세스(500)는 단계 "510"에서 시작한다. 일반적으로, 샘플 및 홀드 회로는 각각의 턴온 순간(turn-on moment)에 PWM 구동 하에서 일련의 LED의 전류 피크 펄스를 감소시키도록 동작한다.
단계 "510"에서, 입력 전압은 의사 모두 통과 샘플 및 홀드(300)의 입력 노드(V6)에 연결된다. 일반적으로, 입력 전압은, 예컨대 일련의 LED(D5)를 통한 전류를 모니터링하는 차동 증폭기(differential amplifier)와 같은 조절기 서브회로의 출력이다. 입력 전압은, 주기 펄스와 같이 시변 신호이거나 정적 DC 값(static DC value)일 수 있다. 전압은 임의의 시간에 입력 노드에 연결될 수 있고, PWM 동작 모드와 같은 특정 기능을 위해 선택적으로 동작될 수 있다.
단계 "520"에서, 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로(300)는 단계 "510"에서 연결되는 전압에 응답하여 활성화된다. 의사 모두 통과 샘플 및 홀드 회로(300)는, 캐패시터와 같이 전압이 회로에 연결되면 활성화되는 콤포넌트를 포함한다. 일 실시예에서, 캐패시터는 전압 신호에 응답하여 충전한다. 샘플 및 홀드(300)의 활성화는 단계 "510"에서의 입력 전압의 연결로 즉시 발생한다.
단계 "530"에서, 출력 노드에서의 출력 전압이 감지된다. 일반적으로, 제1 통과 다이오드(D6) 및 제2 통과 다이오드(D7)는 출력 전압의 감지를 허용하도록 샘플 및 홀드 주위에 구성된다. 다이오드는, 출력 전압이 기준 입력 전압보다 크면, 바이어스를 역으로 할 것이다.
단계 "540"에서, 입력 노드에서의 입력 전압이 출력 노드에서의 출력 전압보다 큰지에 대한 결정이 내려진다. 일반적으로, 제1 통과 다이오드(D6) 및 제2 통과 다이오드(D7)는, 입력 전압이 출력 전압보다 큰지에 대한 결정을 제공하는데, 이는 순방향 바이어스된 다이오드(forward biased diodes)가 이러한 조건 하에서 도통할 것이기 때문이다. 입력 전압이 출력 전압보다 작으면, 다이오드(D7)는 도 통하지 않을 것이고 샘플 및 홀드 회로의 출력 전압은 거의 일정한 신호일 것이다.
단계 "550"에서, 샘플 및 홀드 함수는 단계 "540"의 결정에 기초하여 제공된다. 샘플 및 홀드 회로(300)는 단계 "540"에서 결정되는 상대 전압에 기초한 전달 특성을 갖는다. 샘플 및 홀드 함수는, 샘플 및 홀드 회로가 동작하는 모든 시간에서 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 당업자에게는 다수의 변형 및 다른 실시예가 발생할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.

Claims (18)

  1. 샘플 및 홀드 회로(sample-and-hold circuit)(210)를 갖는 조절기 회로(regulator circuit)를 구성하는 방법에 있어서,
    상기 샘플 및 홀드 회로(210)의 입력 노드(V6)에 입력 전압을 연결하는 단계;
    상기 입력 전압에 응답하여 상기 샘플 및 홀드 회로(210)를 활성화하는(activating) 단계;
    상기 샘플 및 홀드 회로(210)에 연결되는 출력 노드(V3)에서 출력 전압을 감지하는 단계;
    상기 입력 노드(V6)에서의 상기 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 상기 출력 전압보다 큰지를 결정하는 단계; 및
    상기 결정에 기초하여 샘플 및 홀드 함수(sample-and-hold function)를 제공하는 단계
    를 포함하며,
    상기 샘플 및 홀드 회로(210)의 전달 함수(transfer function)는, 상기 입력 노드(V6)에서의 상기 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 상기 출력 전압보다 크면, 의사 모두 통과(pseudo-all-pass)이고, 상기 입력 노드(V6)에서의 상기 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 상기 출력 전압보다 작으면, 실질적으로 일정한 신호인 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 조절기 회로는 승강압용 컨버터(buck-boost converter), 차동 증폭기(differential amplifier), PID 제어기, 샘플 및 홀드 회로(210), 및 PWM 변조기(PWM modulator)를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)는 수동(passive)인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)는, 순방향 바이어스된 다이오드(forward biased diode)(D2)의 입력에 연결되는 직렬 입력 저항기(series input resistor)(R4)를 포함하고, 상기 다이오드(D2)의 출력은 그라운드(ground)에 분로되는(shunted) 저항기(R2)와 병렬인 캐패시터(C2)에 연결되며, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)의 출력은 상기 다이오드(D2)의 출력으로부터 취해지는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로(210) 전달 함수를 제공하는 단계는, 상기 입력 노드(V6)와 상기 출력 노드(V3) 간에 연결되는 제1 통과 다이오드(first pass diode)(D7)와, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)와 상기 출력 노드(V3) 간에 연결되는 제2 통과 다이오드(D6)를 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 통과 다이오드(D7) 및 상기 제2 통과 다이오드(D6)는 상기 출력 노드(V3)에서의 상기 출력 전압을 감지하고 있는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)에 상기 입력 전압을 연결하는 단계는, 차동 증폭기의 출력을 연결하는 단계를 포함하고, 상기 차동 증폭기는 LED(D5)를 통한 전류를 감지하도록 배치되는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 입력 전압에 응답하여 상기 샘플 및 홀드 회로(210)를 활성화하는 단계는, 상기 전압 신호로 상기 샘플 및 홀드 회로(210)에 에너지공급하는(energizing) 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 조절기 회로는 LED들(D5)의 DC 동작 및 저 주파수 PWM 전류 구동이 가능한 방법.
  11. 샘플 및 홀드 회로(210)를 갖는 조절기 회로에 있어서,
    조절 회로; 및
    입력 노드(V6) 및 출력 노드(V3)에 연결되는 상기 샘플 및 홀드 회로(210)
    를 포함하고, 상기 입력 노드(V6) 및 상기 출력 노드(V3)는 상기 조절 회로에 연결되며,
    상기 샘플 및 홀드 회로(210)의 전달 함수는, 상기 입력 노드(V6)에서의 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 출력 전압보다 크면, 의사 모두 통과이고, 상기 입력 노드(V6)에서의 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 출력 전압보다 작으면, 실질적으로 일정한 신호인 조절기 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)는, 상기 입력 노드(V6)와 상기 출력 노드(V3) 간에 연결되는 제1 통과 다이오드(D7)와, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)와 상기 출력 노드 간에 연결되는 제2 통과 다이오드(D6)를 더 포함하는 조절기 회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 조절 회로는 LED들(D5)의 DC 동작 및 저 주파수 PWM 전류 구동할 수 있는 조절기 회로.
  14. 제12항에 있어서, 상기 조절 회로는 승강압용 컨버터, 차동 증폭기, PID 제어기, 샘플 및 홀드 회로, 및 PWM 변조기를 포함하는 조절기 회로.
  15. 제14항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)는 수동인 조절기 회로.
  16. 제15항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)는, 순방향 바이어스된 다이오드(D2)의 입력에 연결되는 직렬 입력 저항기(R4)를 포함하고, 상기 다이오드(D2)의 출력은 그라운드에 분로되는 저항기(R2)와 병렬인 캐패시터(C2)에 연결되며, 상기 샘플 및 홀드 회로(210)의 출력은 상기 다이오드(D2)의 출력으로부터 취해지는 조절기 회로.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 통과 다이오드(D7) 및 상기 제2 통과 다이오드(D6)는 상기 입력 노드(V6)로부터 상기 출력 노드(V3)에 순방향 바이어스되는 조절기 회로.
  18. 샘플 및 홀드 회로(210)를 갖는 조절기 회로의 안정성(stability)을 향상시키기 위한 시스템에 있어서,
    샘플 및 홀드 회로(210)의 입력 노드(V6)에 입력 전압을 연결하기 위한 수단;
    상기 입력 전압에 응답하여 상기 샘플 및 홀드 회로(210)를 활성화하기 위한 수단;
    상기 샘플 및 홀드 회로(210)에 연결되는 출력 노드(V3)에서의 출력 전압을 감지하기 위한 수단;
    상기 입력 노드(V6)에서의 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 출력 전압보다 큰지를 결정하기 위한 수단; 및
    상기 결정에 기초하여 샘플 및 홀드 함수를 제공하기 위한 수단
    을 포함하며,
    상기 샘플 및 홀드 회로(210)의 전달 함수(transfer function)는, 상기 입력 노드(V6)에서의 상기 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 상기 출력 전압보다 크면, 의사 모두 통과(pseudo-all-pass)이고, 상기 입력 노드(V6)에서의 상기 입력 전압이 상기 출력 노드(V3)에서의 상기 출력 전압보다 작으면, 실질적으로 일정한 신호인 시스템.
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