KR101497918B1 - 양방향 전력 컨버터 - Google Patents

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Abstract

이동 장치 및 다른 장치가 여러 가지 동작 모드를 지원하는데 적합한 전력을 생성하도록 하는 양방향 전력 변환을 위한 회로 및 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 양방향 전력 컨버터는 하나의 전용 변환 기능을 가지는 것이 아니라 스텝 업 및 스텝 다운 구성 모두로 동작할 수 있으며 동일 부품 중 많은 것들을 이용할 수 있어 크기와 복잡성을 감소시킨다.
양방향 전력 컨버터, 전력 변환기, 스텝 업, 스텝 다운, 벅, 부스트

Description

양방향 전력 컨버터{BIDIRECTIONAL POWER CONVERTERS}
본 발명은 쌍방향 전력 컨버터에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 명세서에서 설명되는 본 발명은 전력을 2개의 상이한 방향으로 변환하는데 이용될 수 있는 양방향 전력 컨버터를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전력 변환 회로는 전기를 필요로 하는 사실상 모든 장치에서 발견될 수 있다. 전력 변환 회로의 목적은 전력 공급원으로부터 부하로 일반적으로 소정의 컨디셔닝 및 레귤레이션 회로를 통해 전력을 전송하는 것이다. 전력 변환 회로의 전형적인 애플리케이션은 전력 공급 설비에 의해 공급된 AC 전력을 소비자의 전자기기에 사용하기에 적합한 레귤레이션된 DC 전압으로 변환하는 것이다. 전력 변환 회로가 단독 시스템으로서 종종 구현되지만, 가끔은 집적 회로(IC, integrated circuit)로 구축되어 통신 및 컴퓨터 시스템과 같은 다양한 애플리케이션에서 이용될 수 있다.
통상적으로 사용되는 전력 컨버터의 한 종류는 한 DC 전압 레벨에서 다른 DC 전압 레벨로 변경하는 DC-DC 컨버터이다. 예를 들어, 스텝 다운(step down) 또는 벅(buck) 컨버터는 높은 DC 전압을 소정의 전자기기 시스템에서 바람직한 낮은 DC 전압으로 변환하는 효율적인 방법을 제공한다. 예를 들어, 랩탑 컴퓨터는 12V DC 전압을 공급하는 배터리와 5V DC를 필요로 하는 프로세서를 구비할 수 있다. 일부 외부 부품과 함께 IC로서 구현되는 스텝 다운 컨버터는 12V 배터리 전압을 프로세서가 필요로 하는 5V로 최소 전력 손실을 가지면서 변환하는데 이용될 수 있다.
다른 종류의 DC-DC 컨버터는 스텝 업(step up) 또는 부스트(boost) 컨버터이다. 이러한 컨버터들은 공급원으로부터 부하로 공급되는 전압을 증가시키는데 이용된다. 예를 들어, LED는 발광을 위하여 3.3V를 필요로 할 수 있다. LED는 LED가 필요로 하는 레벨로 배터리 전압을 스텝 업 시킬 수 있는 부스트 컨버터의 사용을 통해 단일의 1.5V 배터에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 부스트 컨버터는 형광등이나 음극선관에 전력을 공급하는데 필요한 더 높은 전압을 제공하는데 이용된다.
많은 경우에, 소비자 전자기기 장치는 스텝 업 컨버터 및 스텝 다운 컨버터를 모두 이용하는 것을 필요로 한다. 휴대폰이나 PDA와 같은 이동 통신 장치는 일반적으로 배터리로 전력을 공급받으며, 밝은 컬러 디스플레이 스크린을 갖는다. 블랙베리(BlackBerry)와 같은 이동 장치가 배터리 전력으로 동작할 때, 디스플레이 스크린을 구동하는데 이용되는 배터리 전압은 부스트 컨버터를 통해 스텝 업된다. 장치가 벽소켓(wall socket)에 연결되어 배터리가 충전될 때, 배터리 충전 회로는 전압을 스텝 다운하는 벅 컨버터에 의존할 수 있으며, 이 경우, 적절한 충전 전압을 제공하며 배터리를 더욱 빠르게 충전하는 전류를 증가킨다.
가끔 PDA 또는 다른 이동 통신 장치는 USB 링크와 같은 범용의 상호연결 링크를 통해 충전된다. 예를 들어, 블랙베리는 동작 전력 및 배터리 충전 모두에 USB 연결에서 제공된 전력을 이용할 수 있다. 이 경우, 벅 컨버터가 공급된 전압을 레귤레이트하는데 이용되며, 이는 충전기에서의 전력 소모를 최소화하고 USB 사양 내에서 전압을 유지하기 위하여 배터리 전압 바로 위에 있는 값으로 설정된다. 이러한 작업을 수행하는 장치의 예는 본 발명의 양도인인 캘리포니아주 밀피타스(Milpitas)에 있는 리니어 테크놀러지 코포레이션(Linear Technology Corpoation)의 LTC 4088이다.
USB와 같은 상호 연결 링크는 일반적으로 호스트(host) 모드 또는 슬레이브(slave) 모드인 2개의 모드로 동작한다. PDA와 같은 장치가 USB 링크를 통해 PC에 연결될 때, PC는 호스트 역할을 하며 USB 링크에 전력을 공급하고 USB 링크를 관리하는 제어 기능을 제공한다. 반대로, PDA에 있는 USB 포트는 슬레이브 모드로 동작하며, PC가 전력을 공급하는 것 양 장치가 서로 통신할 수 있도록 통신을 감시하는 것을 필요로 한다.
그러나, 많은 경우에 PDA 또는 기타 이동 장치에서의 USB 링크는 호스트 모드에서 동작하고 USB 링크를 구동하는 성능을 가지지 않는다. 이동 장치가 USB 통신을 감시하는 필수 제어 회로를 구비할 수도 있지만, USB 링크를 구동하는데 필요한 전력을 공급하는 성능은 가지지 않는다. 이것은 종종 자신의 배터리에 의해 공급된 상대적으로 낮은 전압 때문이며 또한 이동 장치가 USB 링크를 구동하기에 적합한 레벨로 전압을 변환할 수 없기 때문이다. 그 결과, 이동 장치가 메모리 스틱과 같은 USB 슬레이브로서만 동작할 수 있는 장치에 연결된다면, 이동 장치는 USB 링크에 전력을 공급할 수 없으며, 장치들이 서로 통신할 수 없게 한다.
따라서, 전술한 바에 따라, 이동 장치와 다른 장치가 여러 애플리케이션을 지원하기에 적합한 전력을 생성하도록 하는 양방향 전력 변환을 위한 회로 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
이동 장치와 다른 장치가 여러 동작 모드를 지원하기에 적합한 전력을 생성하도록 하는 양방향 전력 변환을 위한 회로 및 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 양방향 전력 컨버터는 하나의 전용 변환 기능을 구비하는 것이 아니라 스텝 업 및 스텝 다운 구성 모두에서 동작할 수 있고, 동일 부품 중 많은 것을 이용할 수 있어 의해 컨버터의 크기 및 복잡성을 줄인다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 방향으로 스텝 다운 컨버터로 동작하고 제2 방향으로 스텝 업 컨버터로 동작하며, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향으로 동작할 때 에너지를 저장하는 하나의 리액티브 소자, 2 이상의 전원 중 하나로 상기 하나의 리액티브 소자를 선택적으로 결합시키는 복수의 스위칭 소자, 및 스텝 다운 컨버터로 동작할 때 제1 전원에 스텝 업 컨버터로 동작할 때 제2 전원에 상기 양방향 전력 컨버터를 선택적으로 결합시켜, 상기 양방향 전력 컨버터가 상기 스텝 업 컨버터로 동작할 때 상기 양방향 전력 컨버터가 전력 부품을 포함하는 통신 링크에 전력을 전달하도록 구성되게 하는 모드 선택 회로를 포함하는 양방향 전력 컨버터가 제공된다.
본 발명에 따른 양방향 전력 컨버터는 하나의 전용 변환 기능을 가지는 것이 아니라 스텝 업 및 스텝 다운 구성 모두로 동작할 수 있으며 동일 부품 중 많은 것들을 이용할 수 있어 크기와 복잡성을 감소시키는 효과가 있다.
본 발명의 원리에 따라 구축된 양방향 전력 컨버터의 일 실시예에 대한 일반적인 블록도가 도 1a에 도시된다. 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 적어도 2개의 모드에서 동작할 수 있는 양방향 전력 컨버터를 포함한다. 이러한 모드는 벅 모드(즉, 스텝 다운) 및 부스트 모드(즉, 스텝 업)를 포함할 수 있다. 컨버터(10)는 어디에 입력 신호가 인가되는가에 따라 한 동작 모드에서 다른 동작 모드로 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 단자(11)와 단자(13) 사이에 전압 V1이 인가되는 경우에 컨버터(10)는 벅 컨버터로 동작할 수 있다(위쪽 화살표로 표시된 방향으로). 이 경우에, 컨버터(10)는 전압 V1을 스텝 다운하고 단자(15) 및 단자(17)에서 감소된 출력 전압 V2를 생성한다. 반대로, 단자(15)와 단자(17) 사이에 전압 V2이 인가되는 경우에 컨버터(10)는 부스트 컨버터로 동작할 수 있다(아래쪽 화살표로 표시된 방향으로). 이 경우에, 전압은 단자(11)와 단자(13)에서 증가된 크기를 갖는 출력 전압 V1을 생성하는 컨버터(10)에 의해 스텝 업된다. 일반적으로 말해서, 컨버터(10)는 임의의 주어진 시간에서 2개의 모드 중 한 모드로 동작한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 컨버터(10)는 벅 모드 및 부스트 모드 모두에서 동일한 부품 중 대다수(또는 모두)를 이용한다(이에 대하여는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다). 이것은 동일한 기능을 제공하기 위하여 각각 전용의 일방향 컨버터를 별도로 2개 제공하여야 하는 필요성을 없앨 뿐만 아니라 컨버터의 크기와 복잡성을 줄이는 것을 포함하는 여러 이유에서 바람직하다. 또한, 컨버터(10)의 작은 크기는 집적 회로에서의 구현에 이상적이도록 할 수 있으며, 따라서, PDA, 이동 전화, 디지털 카메라와 같은 이동 장치와 플래시광과 같은 전압 변환을 필요로 하는 다른 이동 충전 장치에서 단일 컨버터로서 용이하게 채용될 수 있다.
컨버터(10)의 한 애플리케이션은 이동 장치의 내부 및/또는 외부 애플리케이션을 구동하는데 적합한 전력 변환을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 일 양테에 따라 컨버터(10)는 이동 장치(20)(PDA와 같은)에 설치되어 2개의 변환 기능을 수행하는데 이용될 수 있다. 이에 대한 일반적인 예시가 도 1b에 도시된다. 한 변환 기능은 "내부" 애플리케이션에서 고려될 수 있는 애플리케이션과 관련될 수 있으며, 다른 변환 기능은 "외부" 애플리케이션으로서 고려될 수 있다(내부 전용 또는 외부 전용 여러 가지 다른 변환 모드 등과 같이 다른 조합도 가능하지만).
한 내부 애플리케이션은 벽소켓과 같은 외부 전원으로부터 직접 공급된는 전력 또는 일반적으로 사용되는 USB 링크와 같은 전력 부품을 갖는 통신 링크를 통한 전력을 레귤레이션하는 것을 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 외부 전원(23)에 연결될 때, 컨버터(10)는 벅 모드로 동작하고 이동 장치(20)에 전력을 공급하기 위한 전압 레귤레이터 역할을 하며, 배터리를 충전한다(USB 링크나 임의의 다른 적합한 전력 통로와 같은 통신 링크일 수 있는 링크(33)를 통해). 이동 장치(20)가 외부 전원(23)으로부터 접속이 끊어질 때, 전력을 공급하기 위하여 배터리에 의존한다.
이동 장치(20)가 배터리 전력으로 동작할 때, 컨버터(10)는 배터리에 의해 공급된 것보다 더 높은 전압 레벨을 필요로 하는 소정의 외부(또는 다른 내부) 애플리케이션에 대하여도 이용될 수 있다. 예를 들어, 이동 장치는 배터리에 의해 공급된 것보다 더 큰 레벨에서의 전압을 필요로 하는 오디오 스피커(24)와 같은 외부 장치에 연결될 수 있다. 이 경우, 컨버터(10)는 부스트 컨버터 역할을 할 수 있으며 배터리 전압을 파워 링크(32)(임의의 적합한 전력 통로일 수 있는)를 통해 외부 장치에 적합한 더 높은 전압 레벨을 제공하도록 배터리 전압을 스텝 업할 수 있다.
컨버터(10)를 위한 다른 외부 애플리케이션은 USB 포트와 같은 통신 링크를 구동하는데 필요한 전압을 제공하기 위하여 부스트 기능을 이용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 이동 장치(20)는 메모리 스틱(26)과 같은 USB 슬레이브 장치인 외부 장치에 연결될 수 있다. 이 경우, 컨버터(10)는 부스트 컨버터 역할을 할 수 있으며, USB 링크(34)를 통해 메모리 스틱(26)을 구동하는데 필요한 전압을 제공하기 위하여 장치(20)로부터의 배터리 전압을 스텝 업할 수 있다. 일부 실시예에서, 부스트되는 양은 다양하게 다른 애플리케이션을 지원하기 위하여 여러 가지 다른 레벨로 프로그래밍되거나 선택가능할 수 있다. 따라서, 이동 장치(20)는 컨버터를 양방향으로, 즉 들어오는 전력을 레귤레이트하고 다른 애플리케이션과의 사용을 위하여 반대 방향으로 내부 배터리 전압을 부스트하도록 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 USB 버스를 이용하는 특정 구현례는 USB 슬레이브 장치를 구동하고 이와 통신하기 위한 USB의 "On The Go" 사양을 따르도록 컨버터(10)를 구성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 컨버터(10)는 디지털 카메라 내에 설치될 수 있으며, 메모리 스틱에 연결되어 디지털 이미지 파일(미도시)을 전송할 수 있도록 USB 연결을 구동하는데 이용될 수 있다. 이 경우에, PC에 연결될 때 일반적으로 슬레이브 장치인 카메라는 호스트 장치가 되며, USB 스틱에 대한 USB 링크를 통해 메모리 스틱으로 전력을 공급하고 통신을 감시한다. 따라서, 부스트 모드로 동작하는 컨버터(10)는 카메라 배터리로부터의 USB 링크의 전력 버스로 대략 500mA의 정격 전류 한계를 갖는 대략 4.75 내지 5.25V 사이의 전압을 공급하도록 카메라 배터리 전압을 부스트할 수 있다. 슬레이브 장치가 대략 100mA 이하를 필요로 하는 경우에, 더 낮은 전압 문턱값은 대략 4.4V까지 감소될 수 있다.
전술한 바로부터, 전술한 전력 경로는 종래의 전력 케이블 및/또는 USB와 같은 통신 링크를 포함할 수 있다 하더라도, 원한다면 임의의 다른 적합한 전력 통로가 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 파이어와이어(FrireWire)(IEEE 1394), 이더넷(Ethernet)(IEEE 802) 등과 같은, 호스트/슬레이브 구성을 이용하는 다른 통신 링크가 원하는 바에 따라 이용될 수 있으며, 컨버터(10)는 이러한 링크를 구동하는데 적합한 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 더하여, 장치(20)에서의 컨버터(10)는 USB 링크에 전력을 공급하기보다는 제2 이동 장치의 배터리를 충전하도록 전력을 공급하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 통신 링크(예를 들어, 통신 또는 전력 링크 등을 통해 PDA에서 PDA로, 또는 PDA에서 디지털 카메라로)를 구동하기보다는 통신 링크를 통해).
또한, 위에서 컨버터(10)가 벅 컨버터 및 부스트 컨버터를 포함하는 것으로 설명되었지만, 양방향 전력 변환을 위한 부스트, 벅-부스트, 인버팅, 플라이백(flyback), 푸시-풀, H-브리지, 쿡(Cuk) 또는 SEPIC 구성을 포함하지만 이에 한정이 되지 않는 임의의 다른 적합한 DC-DC 컨버터가 유사한 양방향 구성에서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예에서, 크기, 중량 및/또는 비용을 줄이기 위하여 변압기를 필요로 하지 않는 구성을 이용한 컨버터(10)를 구축하는 것이 바람직하다.
컨버터(10)의 한가지 가능한 구현이 도 2의 컨버터(100)로서 일반적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 컨버터(100)는 단자(111, 113, 115, 117), 스위치(102, 104), 인덕터(106) 및 커패시터(108, 110)를 포함한다. 전압원(112)은 일반적으로 AC/DC 벽 어댑터(wall adapter) 또는 USB 호스트와 같은 외부 전원을 나타내지만, 또한 USB 메모리 스틱이나 다른 호스트 애플리케이션과 같은 외부 부하를 나타낼 수 있다. 전압원(114)은 일반적으로 배터리나 다른 저장 소자와 같은 내부 전원을 나타낸다. 전압원(114)은 배터리를 충전하는 경우에는 부하 역할을 하며, 앞에서 언급한 USB 메모리 스틱과 같은 외부 호스트 애플리케이션에 전력을 공급하는 경우에는 전원 역할을 한다. 일반적으로, 전압원(112) 또는 전압원(114) 중 어느 하나는 임의의 주어진 한 시점에서 컨버터(100)에 전력을 능동적으로 공급한다. 이 모두는 컨버터 토폴러지의 개관을 제공하기 위하여 컨버터(100)에 도시된다.
일부 실시예에서, 벅/부스트 모드 선택은 사용자의 입력과 전압원(112, 114)의 상태의 조합에 의해 결정된다. 사용자가 컨버터가 벅 컨버터로서 기능하도록 하는 경우(예를 들어, 스위치(미도시)를 통해), 전압원(112)이 현재 사용가능하다면 컨버터(100)는 그와 같이 동작할 것이다. 전압원(114)은 벅 모드가 이네이블될 때 배터리로서 존재할 수 있다. 컨버터(100)는 두 개의 또는 세 개의 모드 구성으로 동작할 수 있다. 두 개의 모드 구성에서, 컨버터(100)는 벅 모드와 부스트 모드 사이를 스위칭할 수 있다. 세 개의 모드 구성에서, 컨버터(100)는 벅 및 부스트 모드 사이를 스위칭할 수 있으며, 변환 모드가 필요치 않는 경우의 스탠바이 모드를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들은 2 또는 3의 위치 스위치를 각각 채용할 수 있으며, 각 스위치 위치는 동작 모드에 대응한다.
사용자가 컨버터(100)가 부스트 컨버터로서 기능하도록 하면, 전압원(114)이 사용가능하고 전압원(112)에 실질적으로 전압이 이미 존재하고 있지 않다면 그와 같이 동작할 것이다. 이것은 입력 전력이 이미 사용가능한 경우에 컨버터(100)가 단자(111, 113)를 구동하려고 시도하는 것을 방지한다. 그러나, 일부 실시예에서, 부스트 모드가 완전히 고갈되지 않은 배터리(112)를 충전하는데 이용되는 경우와 같이 일부 전압이 허용가능하다.
일 실시예에서, 양방향 컨버터(100)는 USB 듀얼 롤 장치(dual role device)로서 이용하기 위하여 의도된다. 듀얼 롤 장치는 호스트나 주변기기 역할을 할 수 있으며, 전력을 공급하거나 공급받을 수 있다. 이러한 역할(롤, role)은 모드 선택 회로(도 2에는 미도시)에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 바와 같이 사용자가 선택가능한 스위치의 입력이다.
다른 실시예에서, 동작 모드는 연결된 컨버터(100)(예를 들어, 장치(20))의 커넥터 종류에 의해 결정된다. 예를 들어, On-The-Go 애플리케이션용 USB 케이블은 일단에 미니-A 플러그를 구비하고 타단에서 미니-B 플러그를 구비할 수 있다. USB 장치는 미니-AB 리셉터클을 구비하여 어느 플러그와도 짝지어질 수 있다. 일반적으로 플러그는 컨버터(100)가 타입 A 장치(전원) 또는 타입 B 장치(전력 싱크)로 동작할 필요가 있는지를 나타내는 ID 핀을 포함한다.
미니-B 플러그가 단자(111, 113)에 연결된다면, ID 핀은 모드 회로가 적합한 동작 모드를 선택하도록 하는 특성을 갖는다(예를 들어, 접지에 대한 100㏀ 이상의 저항값). 이어, 모드 선택 회로는 컨버터(100)가 스텝 다운 컨버터로 동작하고 전압원(112)으로부터 배터리(114)로 전력을 공급하도록 구성된다.
그러나, 미니-A 플러그가 단자(111, 113)에 연결되면, 모드 선택 회로는 ID 핀에서 상이한 특성을 감지한다(예를 들어, 접지에 대한 10Ω 이하의 저항값). 이 경우에, 모드 회로는 컨버터(100)가 스텝 업 컨버터로 동작하고 단자(111, 113)로 전력을 공급하도록 구성된다.
제1 동작 모드에서, 컨버터(100)는 벅 컨버터로 기능하여 전압원(112)에 의해 인가된 전압을 단자(115, 117)에서 더 낮은 레벨로 변환한다. 벅 모드에서 동작할 때, 전압원(114)은 전압원(112)으로부터의 전력을 흡수하고 그리고/또는 저장 할 수 있도록 컨버터(100)에 연결될 수 있으며, 또는 일부 실시예에서, 컨버터(100)로부터 전기적으로 차단될 수 있다(미도시). 단자(115, 117)에 생성된 결과에 따른 전압은 이동 장치에 전력을 공급하는데 이용될 수 있으며, 그 목적으로 전력 버스에 연결될 수 있다.
전압원(112)에 의해 제공된 전력을 저장하거나 흡수하도록 전압원(114)이 연결된다고 가정하면, 컨버터(100)는 다음과 같이 동작할 수 있다. 일반적으로 말해서, 전압원(112)은 정류된 입력 전압과 같은 입력 전력을 컨버터(100)로 공급한다. 스위치(102, 104)는 단자(115, 117)에서 원하는 전압을 제공하기 위하여 컨버터가 충전 단계와 방전 단계를 교번하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 스위치(102)가 닫히고 스위치(104)가 열릴 때, 전압원(112)은 인덕터(106)에 연결된다. 이것은 전압원(112)으로부터의 에너지가 인덕터(106)에 저장되게 하며(즉, 충전 단계), 인덕터를 흐르는 증가하는 전류를 통해 전력이 단자(115, 117)에 공급되게 한다. 스위치(102)가 열리고 스위치(104)가 닫힐 때, 인덕터(106)에 저장된 에너지는 단자(115, 117)에서 부하로 전송된다(즉, 방전 단계). 2개의 스위치의 듀티 사이클(양 스위치가 모두 닫힌 시간에 대한 한 스위치가 닫힌 시간)을 제어함으로써, 단자(115, 117)의 부하로 전송된 에너지의 양은 상대적으로 부드럽고 레귤레이트된 출력 전압을 단자(115, 117)에서 제공하도록 조정될 수 있다.
그러나, 컨버터(100)는 반대 방향으로 부스트 컨버터로 동작할 수 있다. 예 를 들어, 이제 전압원(112)이 USB 링크와 같은 통신 링크나 스피커와 같은 외부 부하의 전압 버스를 나타낸다고 가정하면, 컨버터(100)는 다음과 같이 동작할 수 있다. 전술한 벅 컨버터와 유사하게, 스위치(102, 104)는 원하는 전압을 제공하기 위하여 컨버터가 충전 단계 및 방전 단계 사이를 교번하도록 제어된다. 예를 들어, 스위치(104)가 닫히고 스위치(102)가 열릴 때, 단자(111, 113) 사이의 부하는 인덕터(106)로부터 분리되며, 전압원(114)으로부터의 에너지는 인덕터(106)에 저장된다(즉, 충전 단계).
스위치(104)가 열리고 스위치(102)가 닫힐 때, 인덕터(106)에 저장된 에너지는 단자(111, 113)에서 부하에 제공된다(즉, 방전 단계). 이러한 스위칭 구성에서, 단자(111, 113)에서의 전압은 전압원(114)의 전압보다 더 크다. 2개의 스위치의 듀티 사이클을 조절함으로써 단자(111, 113)에서의 부하에 전송된 에너지의 양은 상대적으로 부드럽고 레귤레이트된 출력 전압을 단자(111, 113)에서 제공하도록 조정될 수 있다.
전류 모드 제어 또는 전압 모드 제어와 같은 레귤레이트된 출력 전압을 제공하기 위하여 스위칭 컨버터(100) 듀티 사이클을 제어하는 여러 가지 잘 알려진 방법이 있다. 어느 제어 모드에서도, 주 스위치(스텝 다운 모드에서 스위치(102), 스텝 업 모드에서는 스위치(104))는 매 주기의 시점에서 턴온되고 출력 전압은 오차 증폭기의 반전 단자에 연결되고 레퍼런스는 비반전 단자에 연결된다(미도시).
전압 모드 컨버터에서, 오차 증폭기의 출력은 톱니 램프(sawtooth ramp)와 비교된다. 램프 전압이 오차 증폭 전압을 초과하는 경우, 주 스위치는 동기 정류기를 턴오프하고(스텝 다운 모드에서는 스위치(104), 스텝 업 모드에서는 스위치(102)), 그 주기의 나머지 동안에는 턴온한다. 출력 전압이 레퍼런스 전압보다 더 작으면, 오차 증폭기의 출력은 증가하며, 이는 듀티 사이클을 증가시켜 이에 따라 출력 전압을 증가시킨다. 오차 증폭기의 출력을 조정함으로써, 주 스위치의 듀티 사이클은 출력 전압을 레귤레이트하기 위하여 증가되거나 감소될 수 있다.
전류 모드 제어에서, 오차 증폭기의 출력은 원하는 인덕터 전류를 나타내며 주 스위치에 흐르는 전류와 비교된다. 주 스위치가 온인 경우에, 인덕터 전류는 상승한다. 인덕터 전류가 오차 증폭기의 출력 이상으로 상승할 때, 주 스위치는 턴오프되고 동기 정류기는 나머지 사이클 동안 턴온된다. 오차 증폭기의 출력을 조정함으로써 인덕터 전류는 출력 전압을 레귤레이트하기 위하여 증가되거나 감소될 수 있다. 일부 경우에, 잘 알려진 불안정성을 제거하기 위하여 톱니 램프가 스위치 전류 신호에 더해질 수 있다. 이러한 제어 방법에 대한 상세는 아브라함 I. 프레스만(Abraham I. Pressman)의 "스위칭 파워 스플라이 설계(Switching Power Supply Design)"와 같은 본 발명의 기술분야에서 알려진 많은 스위칭 전력 스플라이에 대한 교과서에서 볼 수 있다.
따라서, 앞에서 알 수 있듯이, 동일한 회로 부품의 모두(또는 사실상 모두)를 이용하는 간단한 양방향 전력 컨버터가 제공된다. 컨버터(100)는 여러 가지 이동 애플리케이션 및 기타 애플리케이션에 대하여 유용하다.
본 발명의 원리에 따라 구현된 한가지 가능한 컨버터(100)에 대한 특정 실시예가 도 3에서 컨버터(200)로서 도시된다. 컨버터(200)는 벅 모드에서 동작하는 컨버터(100)를 예시하며, 따라서, 부스트 모드 동작과 관련된 소정의 부품들은 명세서를 명료하게 하기 위하여 생략되었다.
컨버터(200)는 도 2에 도시된 컨버터에 대하여 많은 면에서 유사하며, 일반적으로 동일한 기능과 일반적인 대응을 나타내기 위하여 유사하게 도면 부호가 붙여진 부품 및 기능 블록을 포함한다. 예를 들어, 컨버터(200)는 전압원(212)(도 2에서의 전원(112)), 인덕터(206)와 커패시터(210)(각각 도 2에서의 인덕터(106)와 커패시터(110)), 배터리(214)(전압원(114)), PMOS 트랜지스터(202) 및 NMOS 트랜지스터(204)(각각 도 2에서의 스위치(102) 및 스위치(104)), 및 단자(211, 213, 215, 217)(도 2에서의 단자(111, 113, 115, 117))를 포함한다. 또한, 컨버터(200)는 제어 회로(205), 모드 회로(209)를 포함하며, 선택적인 배터리 충전기 회로(218) 및 다이오드(219)를 포함할 수 있다.
동작시, 컨버터(200)는 외부 신호(수동 또는 자동으로)에 의해 그리고/또는 내부적으로 단자(211, 213, 215, 217)에서 신호를 감지하고 적합한 동작 모드를 선택함으로써 벅 모드에서 동작하도록 설정될 수 있다(예를 들어, 이러한 단자에서의 신호를 비교함으로써). 이것은 적합한 동작 모드를 판단하기 위하여 이용되는 비교회로, 감지 회로 또는 다른 회로를 포함할 수 있는 모드 회로(209)에 의해 달성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 한 방법으로 노드(250)에서 ID 핀의 상태를 감지함으로써 달성될 수 있다. 또한, 컨버터(200)는 전압 레벨이 노드(250)에서 감지된 상태에 따라 예상되는 것인지 확인하기 위하여 모드 회로(209)를 이용하여 경로(251)를 통해 노드(211)에서 전압을 감지할 수 있다. 일부 실시예에서, 노드(211)에서 감지된 전압 레벨이 노드(250)에서 감지된 상태와 일치하지 않는다면, 모드 선택 회로(209)는 컨버터(200)를 스탠바이 상태로 놓을 수 있거나, 또는 모드 선택 결정을 할 때 노드(211)에서 측정된 전압에 의존할 수 있다.
벅 모드가 선택되면, 제어 회로(205)는 컨버터(200)가 벅 모드에서 동작하도록 PMOS 스위치(202)와 NMOS 스위치(204)를 구동하는데 이용되는 제어 신호를 생성한다. 일부 실시예에서, 제어 회로(205)는 PMOS 스위치(202)와 NMOS 스위치(204)를 온 및 오프로 스위칭하는데 적합한 펄스폭 변조 회로 및 구동 회로와 같은 제어 회로를 포함할 수 있다.
따라서, 동작시, 제어 회로(205)는 단자(215, 217)에 원하는 레귤레이트된 출력 전압을 제공하기 위하여 충전 단계와 방전 단계 사이에서 컨버터(200)를 교번 시킨다. 예를 들어, 제어 회로(205)가 PMOS 스위치(202)를 턴온시키고 NMOS 스위치(204)를 턴오프시킬 때, 전압원(212)은 인덕터(206)에 연결된다. 이것은 전압원(212)으로부터의 에너지가 인덕터(206)에 저장되게 하며, 전력이 인덕터에 흐르는 증가하는 전류를 통해 단자(215, 217)로 공급되게 한다. 제어 회로(205)가 PMOS 스위치(202)를 턴오프시키고 NMOS 스위치(204)를 턴온시킬 때, 인덕터(206)는 방전하여 배터리(214), 커패시터(210) 및 단자(215, 217)에 에너지를 공급한다. 일부 실시예에서, 컨버터(200)는 선택적인 배터리 충전 회로(218) 및 다이오드(219)를 포함할 수 있다. 배터리를 충전하기 위하여 전압원(212)이 존재하는 경우에 충전 회로(218)는 배터리(214)의 충전을 제어하는데 이용될 수 있다. 또한, 단자(215, 217)의 레귤레이트된 전압은 소비자 전자기기 장치에 전력을 공급하는 것과 관련된 것과 같은 부하를 구동하는데 더 이용될 수 있다. 전압원(212)이 존재하지 않거나 또는 존재하더라도 시스템 부하가 전압원(212)으로부터 사용가능한 전류를 초과할 때, 선택적인 다이오드(219)는 배터리로부터 단자(215, 217)에 있는 시스템 부하로 전력을 제공한다.
2개의 스위치의 듀티 사이클을 제어함으로써, 제어 회로(205)는 단자(215, 217)에서 상대적으로 부드럽고 레귤레이트된 출력 전압을 배터리(214)로 제공하기 위하여 단자(215, 217)에서의 부하에 전송되는 에너지의 양을 조정한다.
선택적인 배터리 충전기(218)는 충전을 용이하게 하기 위하여 실질적으로 정 전류 및 정전압을 제공하도록 레귤레이터된 전압을 조절한다. 또한, 일부 실시예에서, 컨버터(200)는 감지 경로(203)를 포함하며, 이는 전압원(212)으로부터의 입력 전류를 모니터링하는데 이용될 수 있다. 입력 전류 문턱값을 초과하는 것은 입력 전류가 문턱값의 한계 이하로 복귀할 때까지 제어 회로(205)가 PMOS 스위치(202)의 듀티 사이클을 조정하도록 한다.
도 4를 참조하면, 부스트 모드에서 반대 방향으로 동작하는 컨버터(200)를 대표하는 컨버터(300)가 도시된다. 따라서, 벅 컨버터 동작과 관련된 소정의 부품은 명세서를 명료하게 하기 위하여 생략되었다. 사실상 모든 동일한 부품이 사용되고 동일하거나 매우 유사한 기능을 수행하기 때문에, 부품에 대한 도면 부호는 동일하다.
컨버터(200)에서와 같이, 컨버터(300)는 외부 신호(수동 또는 자동으로)에 의해 그리고/또는 내부적으로 단자(211, 213, 215, 217)에서 신호를 감지하고 적합한 동작 모드를 선택함으로써 부스트 모드에서 동작하도록 설정될 수 있다(예를 들어, 이러한 단자에서의 신호를 비교함으로써). 이것은 적합한 동작 모드를 판단하기 위하여 이용되는 비교회로, 감지 회로 또는 다른 회로를 포함할 수 있는 모드 회로(209)에 의해 달성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 한 방법으로 노드(250)에서 ID 핀의 상태를 감지함으로써 달성될 수 있다. 또한, 컨버터(300)는 전압 레벨이 노드(250)에서 감지된 상태에 따라 예상되는 것인지 확인하기 위하여 모드 회 로(209)를 이용하여 경로(251)를 통해 노드(211)에서 전압을 감지할 수 있다. 일부 실시예에서, 노드(211)에서 감지된 전압 레벨이 노드(250)에서 감지된 상태와 일치하지 않는다면, 모드 선택 회로(209)는 컨버터(300)를 스탠바이 상태로 놓을 수 있거나, 또는 모드 선택 결정을 할 때 노드(211)에서 측정된 전압에 의존할 수 있다.
부스트 모드가 선택되면, 제어 회로(205)는 컨버터(300)가 부스트 모드에서 동작하도록 PMOS 스위치(202)와 NMOS 스위치(204)를 구동하는데 이용되는 제어 신호를 생성한다. 제어 회로(205)가 단자(211, 213)에 원하는 부스트된 출력 전압을 제공하기 위하여 충전 단계와 방전 단계 사이에서 컨버터(300)를 교번시킨다. 예를 들어, 제어 회로(205)가 PMOS 스위치(202)를 턴오프시키고 NMOS 스위치(204)를 턴온시킬 때, 단자(211, 213)에서의 부하는 인덕터(206)로부터 분리되며, 배터리(214)로부터의 에너지는 인덕터(206)에 저장된다.
제어 회로(205)가 PMOS 스위치(202)를 턴온시키고 NMOS 스위치(204)를 턴오프시킬 때, 인덕터(206)에 저장된 에너지는 부하로 공급되고 단자(211, 213)에 부스트된 전압을 생성한다. 레귤레이트된 전압(211, 213)은 UBS 링크와 같은 통신 링크에 전력을 공급하기 위하여 이용되고, 그리고/또는 오디오 스피커 등과 같은 부하를 구동하는데 더 이용될 수 있다.
더하여, 일부 실시예에서, 감지 경로(203)는 컨버터(300)의 출력 전류를 모니터링하기 위하여 제어 회로(205)에 의해 이용될 수 있다. 출력 전류 문턱값을 초과하는 것은 출력 전류가 문턱값의 한계 이하로 복귀할 때까지 제어 회로(205)가 NMOS 스위치(204)의 듀티 사이클을 조정하도록 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 전류 감지는 공급된 전류가 USB 링크와 같은 통신 링크에 의해 특정된 범위 내에서 공급되는 것을 보장하기 위하여 수행될 수 있다. 또한, 부스트 모드 동안, 배터리(214)는 컨버터(300) 및 소비자 전자기기와 같은 임의의 관련된 부하 모두를 구동할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 5를 참조하면, 벅 모드로 동작하는 도 3의 컨버터(200)를 더욱 상세하게 표현한 컨버터(400)가 도시된다. 일부 실시예에서, 컨버터는 집적 회로(301)상에 배치될 수 있다. 컨버터(400)는 도 3에 도시된 컨버터에 비해 많은 면에서 유사하며 일반적으로 동일한 기능과 일반적인 대응을 나타내기 위하여 유사하게 도면 부호가 붙여진 부품 및 기능 블록을 포함한다. 예를 들어, 컨버터(400)는 전압원(312)(도 3에서의 전원(212)), 인덕터(306)와 커패시터(310)(각각 도 3에서의 인덕터(206)와 커패시터(210)), 배터리(314)(도 3에서의 배터리(214)), PMOS 트랜지스터(302)와 NMOS 트랜지스터(304)(각각 도 3에서의 스위치(202)와 스위치(204)), 제어 회로(305)(제어 회로(205)), 모드 회로(309)(모드 회로(209)), 선택적인 배터리 충전 회로(318)(충전기(218)) 및 단자(311, 313, 315, 317)(도 3에서의 단자(도 3의 211, 213, 215, 217)를 포함한다. 또한, 컨버터(400)는 증폭기 회로(320, 322, 324)를 포함하며, 다이오드(330, 332)를 더 포함할 수 있다.
동작시, 컨버터(200)와 유사하게 컨버터(400)는 외부 신호(수동 또는 자동으로)에 의해 또는 내부적으로 입력/출력 단자에서 신호를 감지하고 적합한 동작 모드를 선택함으로써 벅 모드에서 동작하도록 설정될 수 있다. 이것은 적합한 동작 모드를 판단하기 위한 모드 회로(309)에 의해 달성될 수 있다.
예를 들어, 모드 회로(309)는 벅 모드로 동작하는지 또는 부스트 모드로 동작하는지 여부를 결정하기 위하여 노드(350)에 연결된 ID 핀에서의 상태를 감지할 수 있다. 벅 모드 특성이 감지되었다고 가정하면(예를 들어, ID 핀에서 접지에 대하여 100㏀ 이하의 저항값), 모드 선택 회로(309)는 컨버터(400)를 벅 컨버터로서 구성한다. 이 경우에, 모드 회로(309)는 증폭기(320)의 출력을 스위치(352)를 통해 제어 회로(305)로 연결한다. 일부 실시예에서, 컨버터(400)가 벅 모드로 동작할 때 모드 회로(309)는 증폭기(324)를 디스에이블하거나 턴오프할 수 있다.
또한, 컨버터(400)는 전압 레벨이 노드(350)에서 감지된 상태에 따라 예상되는 것인지 확인하기 위하여 모드 회로(309)를 이용하여 경로(351)를 통해 노드(311)에서 전압을 감지할 수 있다. 일부 실시예에서, 노드(311)에서 감지된 전압 레벨이 노드(350)에서 감지된 상태와 일치하지 않는다면, 모드 선택 회로(309)는 컨버터(400)를 스탠바이 상태로 놓을 수 있거나, 또는 모드 선택 결정을 할 때 노드(311)에서 측정된 전압에 의존할 수 있다.
USB 실시예에서, 모드 선택 회로(309)에서의 비교기에 의해 결정되는 바와 같이 4.3V보다 더 크고 그리고/또는 배터리보다 더 큰 전압이 전압원(312)에 존재하면, 컨버터(400)는 자동으로 스텝 다운 컨버터로 동작하고 배터리를 충전하며 단자(315, 317)에 전력을 공급한다. 일부 실시예에서, 선택적인 마이크로 컨트롤러 또는 사용자도 모드 선택 회로에 대한 논리 입력(미도시)을 통해 USB 실시예용으로 100mA 및 500mA 모드 사이에서와 같은 컨버터(400)의 전력 설정을 조정하거나 또는 컨버터(400)를 스탠바이 상태로 두도록 경로(350)를 이용할 수 있다.
벅 모드가 선택되면, 제어 회로(305)는 컨버터(400)가 벅 모드로 동작하도록 PMOS 트랜지스터(302) 및 NMOS 트랜지스터(304)를 구동하는데 이용되는 제어 신호를 생성한다. PMOS 및 NMOS 트랜지스터로 도시되었지만, 스위치(302, 304)가 임의의 적합한 반도체 또는 임의의 극 구성을 갖는 전기자(armature) 타입 스위치로서 구현될 수 있다. 스위치(302)가 PNP 전력 트랜지스터인 경우, 단방향 또는 양방향으로의 트랜지스터 포화를 방지하기 위하여 쇼트키 다이오드가 병렬로 연결될 수 있다. 더하여, 일부 실시예에서, 제어 회로(305)는 PMOS 트랜지스터(302) 및 NMOS 트랜지스터(304)를 온 및 오프로 스위칭하기에 적합한 펄스폭 변조 회로 및 구동 회로와 같은 제어 회로를 포함할 수 있다.
동작시, 컨버터(400)는 단자(311)에서 벽소켓이나 다른 전원으로부터 정류된 입력 전압을 공급받을 수 있다. 제어 회로(305)는 증폭기(320, 322)와 관련되어 동작하며 단자(315, 317)에 원하는 레귤레이터된 출력 전압을 제공하기 위하여 컨버터(400)를 충전 단계 및 방전 단계 사이로 교번시킨다. 제어 회로(305)는 PMOS 트랜지스터(302)를 턴온하고 NMOS 트랜지스터(304)를 턴오프하며, 전압원(312)은 인덕터(306)에 연결된다. 이것은 전원(312)으로부터의 에너지가 인덕터(306)에 저장되게 하며 전력이 인덕터에 흐르는 증가하는 전류를 통해 단자(315, 317)에 공급되도록 한다.
제어 회로(305)가 PMOS 트랜지스터(302)를 턴오프하고, NMOS 트랜지스터(304)를 턴온할 때, 인덕터(306)는 방전하여 단자(315, 317)에 에너지를 공급한다. PMOS 트랜지스터(302)를 통한 입력(311)으로부터 인덕터(306)까지의 전류 경로 및 NMOS 트랜지스터(304)를 통한 접지로부터의 인덕터(306)까지의 전류 경로는 최상부의 점선들로 표시된다. 증폭기(320)는 컨버터(400)의 출력 전압을 사전 설정된 레퍼런스 신호(REF1)와 비교한다.
출력 전압이 REF1보다 작다면, 증폭기(320)는 출력 전압이 RFE1과 실질적으로 동일할 때까지 제어 회로(305)가 PMOS 트랜지스터(302)의 듀티 사이클을 증가시키고 단자(315, 317)에 더 많은 전력을 제공하도록 하는 오차 신호를 제공할 것이다. 출력 전압이 REF1보다 더 크다면, 증폭기(320)는 출력 전압이 RFE1과 실질적 으로 동일할 때까지 제어 회로(305)가 PMOS 트랜지스터(302)의 듀티 사이클을 감소시키고 단자(315, 317)로의 전력을 감소시키도록 하는 오차 신호를 제공할 것이다.
선택적인 배터리 충전 회로(318)를 포함하는 실시예에서, 충전기(318)는 충전을 용이하게 하기 위하여 배터리 전압(314) 이상의 출력 전압(315)으로 실질적으로 일정한 전류 및 일정한 전압을 공급하도록 출력 전압을 더 조절할 수 있다. 이 경우에, 배터리(314)에 연결된 증폭기(320)의 비반전 단자는 출력 전압(315)의 레귤레이트 지점을 제공한다. 배터리 충전 회로(318)의 정확한 동작을 허용하도록 315의 레귤레이트 지점은 일반적으로 배터리 전압보다 약간 더 높게 설정된다.
일반적으로 말해서, 증폭기(320)는 2개의 비반전 입력 모두에서의 신호를 바타탕으로 레귤레이션 지점을 설정할 것이다(예들 들어, 2개의 인가된 전압 중 더 높은 것으로 레귤레이트할 것이다). 입력(311)으로부터 배터리(314)로의 전류 경로는 일반적으로 충전기(318)를 통과하는 밑으로 향하는 점선으로 표시된다. 인덕터(306)로부터 배터리로의 직접 전류 흐름은 다이오드(330, 332)에 의해 차단된다. 이러한 적합한 충전 회로는 LTC 4088에서 볼 수 있다. 또한, 이 동작 모드에서, 단자(315, 317)에 걸린 레귤레이트된 전압은 소비자 전자기기 장치에 전력을 공급하는 것과 관련된 것과 같은 부하를 구동하는데에도 더 이용될 수 있다.
2개의 스위치의 듀티 사이클을 제어함으로써, 증폭기(320)는 제어 회로(305) 가 단자(315, 317)에서의 부하로 전송되는 에너지의 양을 조정하도록 하는 오차 신호를 생성하며, 상대적으로 부드럽고 레귤레이트된 출력 전압을 단자(315, 317)에 제공한다. 더하여, 일부 실시예에서, 컨버터(400)는 저항(340)을 통해 전압원(312)으로부터의 입력 전류를 모니터링하는데 이용되는 감지 경로(303)를 포함할 수 있다(REF2로 설정된 문턱값에 비교되는). 입력 전류 문턱값을 초과하는 것은 제어 회로(305)가 입력 전류가 문턱값 한계 이하로 복귀할 때까지 PMOS 트랜지스터(302)의 듀티 사이클을 감소시키게 하는 오차 신호를 증폭기(322)가 생성하게 할 수 있다. 단자(315)에서 시스템에 의한 전류가 입력 전류 한계 때문에 컨버터(400)로부터 허용 가능한 전류를 초과한다면, 배터리가 내부 다이오드(330) 및 외부 다이오드를 통해 그 차이를 제공할 것이다.
도 6을 참조하면, 부스트 모드로 동작하는 도 4 컨버터(300)를 더욱 상세하게 표현한 컨버터(500)가 도시된다. 일부 실시예에서, 컨버터(500)는 집적 회로(301)상에 배치될 수 있다. 컨버터(500)는 도 4에 도시된 컨버터에 비해 많은 면에서 유사하며 일반적으로 동일한 기능과 일반적인 대응을 나타내기 위하여 유사하게 도면 부호가 붙여진 부품 및 기능 블록을 포함한다. 예를 들어, 컨버터(500)는 배터리(314)(도 4에서의 배터리(214)), 인덕터(306)와 커패시터(310)(각각 도 4에서의 인덕터(206)와 커패시터(210)), PMOS 트랜지스터(302)와 NMOS 트랜지스터(304)(각각 도 4에서의 스위치(202)와 스위치(204)), 제어 회로(305)(제어 회로(205)), 모드 회로(309)(모드 회로(209)) 및 단자(311, 313, 315, 317)(도 3에서 의 단자(211, 213, 215, 217))를 포함한다. 또한, 컨버터(500)는 증폭기 회로(320, 322, 324)를 포함하며, 다이오드(330, 332)를 더 포함할 수 있다.
동작시, 컨버터(300)와 유사하게 컨버터(500)는 외부 신호(수동 또는 자동으로)에 의해 또는 내부적으로 입력/출력 단자에서 신호를 감지하고 적합한 동작 모드를 선택함으로써 부스트 모드에서 동작하도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 모드 회로(309)는 벅 모드로 동작하는지 또는 부스트 모드로 동작하는지 여부를 결정하기 위하여 노드(350)에 연결된 ID 핀에서의 상태를 감지할 수 있다. 부스트 모드 특성이 감지되었다고 가정하면(예를 들어, ID 핀에서 접지에 대하여 10Ω 이하의 저항값), 모드 선택 회로(309)는 컨버터(500)를 부스트 컨버터로서 구성한다. 이 경우에, 모드 회로(309)는 증폭기(324)의 출력을 스위치(352)를 통해 제어 회로(305)로 연결한다. 일부 실시예에서, 컨버터(500)가 부스트 모드로 동작할 때 모드 회로(309)는 증폭기(324)를 디스에이블하거나 턴오프한다.
또한, 컨버터(500)는 전압 레벨이 노드(350)에서 감지된 상태에 따라 예상되는 것인지 확인하기 위하여 모드 회로(309)를 이용하여 경로(351)를 통해 노드(311)에서 전압을 감지할 수 있다. 일부 실시예에서, 노드(311)에서 감지된 전압 레벨이 노드(350)에서 감지된 상태와 일치하지 않는다면, 모드 선택 회로(309) 는 컨버터(500)를 스탠바이 상태로 놓을 수 있거나, 또는 모드 선택 결정을 할 때 노드(311)에서 측정된 전압에 의존할 수 있다.
USB 실시예에서, 단자(315, 317)에서 충분한 배터리 전압이 있다면(예를 들어, 일반적인 단일 셀 LiIon 배터리에 대한 대략 2.8V 보다 더 큰), 모드 회로(309)는 단자(311, 313)에 공급되는 전력을 높이기 위한 스텝 업 컨버터 동작하도록 컨버터(500)를 구성할 수 있다. 이것은 모드 회로(309)에서의 비교기와 관련된 경로(353)를 이용하여 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러(미도시) 또는 사용자는 경로(350)를 통해 컨버터(500)를 스탠바이 모드로 두고 단자(311, 313)에 공급되는 전력을 낮출 수 있다. 이것은 주변 장치가 더 이상 전력을 필요로 하지 않을 때 발생할 수 있다. 주변 장치가 나중에 컨버터(500)로부터의 전력을 필요로 하는 경우, SRP(Session Request Protocol)을 이용하여 마이크로컨트롤러/사용자로부터 이것을 요청할 수 있다. 그 다음 마이크로컨트롤러/사용자는 경로(350)를 통해 스텝 업 컨버터를 다시 이네이블할 수 있다.
부스트 모드 동안에 단자(311, 313) 상에서 외부 입력 공급의 뜻하지 않는 역구동을 방지하기 위하여, 모드 회로(309)는 ID 핀이 접지에 대하여 10Ω 이하를 가질 때 단자에서 대략 4.3V 이상이 이미 있는지를 결정할 수 있다. 이러한 전압이 이미 존재한다면, 모드 회로(309)는 컨버터를 이네이블 하지 않을 것이다. 이 경우는 고장난 ID 핀을 갖는 미니-B 플러그가 단자(311, 313)에 연결되는 경우에 가능하다.
PMOS 및 NMOS 트랜지스터로 도시되었지만, 스위치(302, 304)가 임의의 적합한 반도체 또는 임의의 극 구성을 갖는 전기자(armature) 타입 스위치로서 구현될 수 있다. 스위치(302)가 PNP 전력 트랜지스터인 경우, 단방향 또는 양방향으로의 트랜지스터 포화를 방지하기 위하여 쇼트키 다이오드가 병렬로 연결될 수 있다. 더하여, 일부 실시예에서, 제어 회로(305)는 PMOS 트랜지스터(302) 및 NMOS 트랜지스터(304)를 온 및 오프로 스위칭하기에 적합한 펄스폭 변조 회로 및 구동 회로와 같은 제어 회로를 포함할 수 있다.
동작시, 컨버터(500)는 단자(315)에서 배터리(314)로부터 입력 전압을 공급받는다. 제어 회로(305)는 증폭기(322, 324)와 관련되어 동작하며 단자(311, 313)에 원하는 부스트된 출력 전압을 제공하기 위하여 컨버터(400)를 충전 및 방전 단계 사이로 교번시킨다. 예를 들어, 제어 회로(305)가 PMOS 트랜지스터(302)를 턴오프하고 NMOS 트랜지스터(304)를 턴온할 때, 단자(311, 313)에서의 부하는 인덕터(306)로부터 분리되며, 배터리(314)로부터의 에너지는 인덕터(306)에 저장된다(즉, 충전 단계). 제어 회로(305)가 PMOS 트랜지스터(302)를 턴온하고 NMOS 트랜지스터(304)를 턴오프할 때, 인덕터(306)에 저장된 에너지는 부하로 제공되고 단자(311, 313)에서 부스트된 전압을 생성한다. 배터리(314)로부터 인덕터(306)로의 전류 경로는 다이오드(330, 332)를 통과하는 윗쪽 방향의 점선으로 표시된다. 다 이오드(330, 332)는 전력 손실을 최소화하기 위하여 이상적으로 낮은 순방향 전압 강하를 갖는다. 다이오드로 도시되었지만, 330 및 332는 "이상적인 다이오드" 기능을 더욱 정밀하게 근사화하기 위하여 MOSFET 및 비교기를 이용하여 구현될 수 있다. 언급된 "이상적인 다이오드" 기능은 본 발명의 양도인인 캘리포니아주 밀피타스에 있는 리니어 테크놀러지 코포레이션의 LTC 4088이다.
증폭기(324)는 컨버터(500)의 출력 전압을 사전 설정된 레퍼런스 신호 REF3와 비교한다. 출력 전압이 REF3보다 작다면, 증폭기(324)는 출력 전압이 RFE3과 실질적으로 동일할 때까지 제어 회로(305)가 NMOS 트랜지스터(304)의 듀티 사이클을 증가시키고 단자(311, 313)에 더 많은 전력을 제공하도록 하는 오차 신호를 제공할 것이다. 출력 전압이 REF3보다 더 크다면, 증폭기(324)는 출력 전압이 RFE3과 실질적으로 동일할 때까지 제어 회로(305)가 NMOS 트랜지스터(302)의 듀티 사이클을 감소시키고 단자(311, 313)로의 전력을 감소시키도록 하는 오차 신호를 제공할 것이다. 2개의 스위치의 듀티 사이클을 제어함으로써, 증폭기(324)는 단자(311, 313)에서의 부하로 전송되는 에너지의 양을 조정하며, 상대적으로 부드럽고 레귤레이트된 출력 전압을 단자(311, 313)에 제공한다.
단자(311, 313)에 걸린 레귤레이트된 전압은 USB 링크와 같은 통신 링크에 전력을 공급하는데 이용될 수 있으며, 그리고/또는 오디오 스피커 등과 같은 부하를 구동하는데 이용될 수 있다. 배터리(314)로부터 출력 단자(311)로의 전류 경로 는 다이오드(330, 332)를 통과하고, 인덕터(306)와 PMOS 트랜지스터(302)를 통과하여 (필터 커패시터(308)를 통해) 출력 단자(311)로 가는 윗쪽 경계에 있는 화살표로 표시된다. 이 동작 모드에서, 배터리에 의해 제공된 전압도 단자(315)에서 소비자 전자기기 장치에 전력을 공급하는 것과 관련된 것과 같은 부하를 구동하는데 더 이용될 수 있다.
더하여, 일부 실시예에서 컨버터(500)는 저항(340)을 통해 전원(312)으로부터의 입력 전류를 모니터링하는데 이용되는 감지 경로(303)를 포함할 수 있다(REF2로 설정된 문턱값에 비교되는). 입력 전류 문턱값을 초과하는 것은 제어 회로(305)가 출력 전류가 문턱값 한계 이하로 복귀할 때까지 NMOS 트랜지스터(304)의 듀티 사이클을 감소시키게 하는 오차 신호를 증폭기(322)가 생성하게 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 전류 감지는 공급된 전류가 USB 링크와 같은 통신 링크에 의해 특정된 범위 내에 있는 것을 보장하기 위하여 수행될 수 있다.
다른 회로에 연결된 다양한 회로를 갖는 본 발명의 바람직한 실시예가 개시되었지만, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 설명된 바와 같이 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 이러한 연결이 직접적일 필요는 없으며 부가 회로가 도시된 연결 회로 사이에서 상호연결될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 구체적으로 설명된 실시예가 아니더라도 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 설명된 실 시예들은 한정이 아니라 예시적 목적으로 제공되며, 본 발명은 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명의 상술하였거나 다른 목적 및 이점은 다음의 도면들과 관련하여 설명된 상술한 발명의 내용을 고려할 때 자명하며, 다음의 도면에서는 도면 전반에 걸쳐 유사한 도면 부호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 원리에 따른 양방향 전력 컨버터의 일 실시예에 대한 일반적인 블록도이다;
도 1a는 이동 장치에 채용된 도 1a의 양방향 전력 컨버터에 대한 예시적인 실시예이다;
도 2는 본 발명의 원리에 따른 양방향 전력 컨버터의 일 실시예에 대한 일반적인 개략도이다;
도 3은 도 2의 양방향 전력 컨버터의 더욱 상세한 개략도이다;
도 4는 도 2의 양방향 전력 컨버터의 더욱 상세한 개략도이다;
도 5는 스텝 다운/벅 모드에서 동작하는 도 2의 양방향 전력 컨버터의 더욱 상세한 개략도이다; 그리고,
도 6은 스텝 업/부스트 모드에서 동작하는 도 2의 양방향 전력 컨버터의 더욱 상세한 개략도이다

Claims (22)

  1. 제1 방향으로 스텝 다운 컨버터로 동작하고 제2 방향으로 스텝 업 컨버터로 동작하는 양방향 전력 컨버터에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향으로 동작할 때 에너지를 저장하는 하나의 리액티브 소자;
    2 이상의 전원 중 하나로 상기 하나의 리액티브 소자를 선택적으로 결합시키는 복수의 스위칭 소자; 및
    스텝 다운 컨버터로 동작할 때 제1 전원에 스텝 업 컨버터로 동작할 때 제2 전원에 상기 양방향 전력 컨버터를 선택적으로 결합시켜, 상기 양방향 전력 컨버터가 상기 제2 방향으로 스텝 업 컨버터로 동작할 때 상기 양방향 전력 컨버터가 통신 링크의 전력 부품을 통해 상기 제1 전원에서 부하에 전력을 전달하도록 구성되게 하는 모드 선택 회로;
    를 포함하고,
    상기 제1 전원은 상기 양방향 전력 컨버터가 스텝 다운 컨버터로 동작하고 있을 때 상기 양방향 전력 컨버터에 전력을 공급하도록 구성되고, 상기 제2 전원은 상기 양방향 전력 컨버터가 스텝 업 컨버터로 동작하고 있을 때 상기 양방향 전력 컨버터에 전력을 공급하도록 구성되고,
    상기 양방향 전력 컨버터는, 상기 양방향 전력 컨버터가 스텝 다운 컨버터로 동작하고 있을 때 상기 리액티브 소자로부터 배터리 및 전자기기 장치에 전력을 공급하도록 구성되는,
    양방향 전력 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    스텝 업 컨버터로 동작할 때, USB의 On The Go 사양을 따르도록 상기 통신 링크에 전력을 제공하게 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    배터리 충전 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 충전 회로는 상기 양방향 전력 컨버터가 스텝 다운 컨버터로 동작할 때 에너지 저장 장치로 제공된 전력을 레귤레이트하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모드 선택 회로에 연결된 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 제어 회로는 상기 모드 선택 회로에 의해 제공된 모드 선택 신호에 응답하여 상기 양방향 전력 컨버터가 스텝 업 모드 또는 스텝 다운 모드 중 한 모드로 동작하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 양방향 전력 컨버터가 원하는 레귤레이트된 출력 전압을 제공하도록 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티 사이클을 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모드 선택 회로는 감지 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 감지 회로는 비교 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원은 전력 어댑터인 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전원은 이동 장치의 배터리인 것을 특징으로 하는 양방향 전력 컨버터.
  12. 제1 방향으로 벅 컨버터로 동작하고 제2 방향으로 부스트 컨버터로 동작하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향 중 어느 한 방향으로 동작할 때 에너지를 저장하는 하나의 리액티브 소자;
    2 이상의 전원 중 하나로 상기 하나의 리액티브 소자를 선택적으로 결합시키는 복수의 스위칭 소자; 및
    상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터가 벅 모드 또는 부스트 모드 중 어느 한 모드로 동작하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하여, 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터가 상기 제2 방향으로 부스트 컨버터로 동작할 때 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터가 통신 링크의 전력 부품을 통해 제1 전원에서 부하에 전력을 전달하도록 구성되게 하는 제어 회로;
    를 포함하고,
    상기 제1 전원은 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터가 벅 컨버터로 동작하고 있을 때 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터에 전력을 공급하도록 구성되고,
    상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터는, 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터가 벅 컨버터로 동작하고 있을 때 상기 리액티브 소자로부터 배터리 및 전자기기 장치로 전력을 공급하도록 구성되는,
    양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  13. 제12항에 있어서,
    부스트 컨버터로 동작할 때, USB의 On The Go 사양을 따르도록 상기 통신 링크에 전력을 제공하게 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  14. 제12항에 있어서,
    벅 컨버터로 동작할 때 이동 장치를 동작하기에 충분한 전력을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  15. 제12항에 있어서,
    배터리 충전 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 배터리 충전 회로는 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터가 벅 컨버터로 동작할 때 에너지 저장 장치로 제공된 전력을 레귤레이트하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제어 회로에 연결되며, 상기 벅 컨버터로 동작할 때 제1 전원에 상기 부스트 컨버터로 동작할 때 제2 전원에 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터를 선택적으로 연결하는 모드 선택 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 양방향 DC-DC 전력 컨버터가 원하는 레귤레이트된 출력 전압을 제공하도록 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티 사이클을 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 모드 선택 회로는 감지 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 감지 회로는 비교 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전원은 전력 어댑터인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 전력 컨버터.
  22. 삭제
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