KR101877371B1 - 전원 변조기를 보호하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

전원 변조기를 보호하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선형 레귤레이터 및 SMPS를 포함하는 하이브리드 전원 변조기의 전기적 스트레스를 인지하고, 상기 전기적 스트레스로부터 회로를 보호하기 위한 것으로서, 상기 하이브리드 전원 변조기는, 상기 전원 변조기 회로 내의 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 적어도 하나의 센싱부와, 상기 센싱 결과가 나타내는 적어도 하나의 전기적 스트레스 상황에 대응되는 보호 조치를 수행하는 적어도 하나의 동작부를 포함한다.

Description

전원 변조기를 보호하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROTECTING SUPPLY MODULATOR}
본 발명은 전원 변조기(supply modulator)에 관한 것으로, 특히, 전원 변조기에서 전기적 스트레스(electrical over-stress) 상황을 인지하고, 상기 전기적 스트레스로부터 상기 전원 변조기의 회로를 보호하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
전원 변조기는 DC(Direct Current) 전원(supply)을 변조하여, 입력 신호에 따라 변동하는 AC(Alternating Current) 전원을 부하(load)로 공급하는 장치이다. 상기 전원 변조기는 주로 제한된 배터리(battery) 전원을 이용하여 고효율로 입력 기저대역(baseband) 신호를 출력 RF(Radio Frequency) 신호로 변환하려는 이동통신용 단말기에서 주로 활용된다. 처리 신호의 광대역화, 높은 PAPR(Peak to Average Powe Ratio) 등 점점 까다로워지는 성능 요건들에 부응하여, 상기 이동통신 단말기에 활용되는 전원 변조기는 보다 효율적인 구조로 진화 중이다. 종래의 경우, 전력(power) IC(Intergrated Circuit) 분야에서 DC-DC 컨버터(converter)로 주로 활용되는 선형 레귤레이터(linear regulator) 또는 SMPS(Switching Mode Power Supplier) 기술을 각각 단독으로 응용한 전원 변조기가 구현되었다. 그러나, 기술적 한계를 극복하기 위해, 상기 선형 레귤레이터 및 상기 SMPS 모두를 포함하는 하이브리드(hybrid) 구조의 전원 변조기가 제안된 바 있다.
상기 선형 레귤레이터 및 상기 SMPS 중 하나만을 포함하는 전원 변조기의 경우, 실재 구현에 있어서 시스템 상황에 맞춘 최적화가 필요할 것이다. 그러나, 최적화에도 불구하고, 모든 경우에 구조 및 개념상 유사한 보호(protection) 장치들이 적용될 수 있다. 그러나, 상기 선형 레귤레이터 및 상기 SMPS가 핵심 구성(core)들로서 결합된 하이브리드(hybrid) 전원 변조기의 경우, 보호를 요하는 이상(anomaly) 상황은 상기 선형 레귤레이터 및 상기 SMPS 중 하나만을 포함하는 전원 변조기의 경우와 상이한 지점에서 상이한 형태로 나타나게 될 것이다. 따라서, 상기 하이브리드 전원 변조기에서 이상 상황을 인지하고, 보호 조치(action)을 수행할 대안이 제시되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전원 변조기의 전기적 스트레스 상황을 인지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전원 변조기의 회로 보호를 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 전원 변조기의 전기적 스트레스 상황을 인지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 전원 변조기의 회로 보호를 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 전원 변조기에서 전원 불균형으로 인한 유입 전류(in-current) 상황을 인지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 전원 변조기에서 부하 단락(short)으로 인한 과전류(over-current) 상황을 인지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 전원 변조기에서 부하 개방(open)으로 인한 과전류(over-current) 상황을 인지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 전원 변조기에서 출력의 과전압(over-voltage) 상황을 인지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 변조된 전원 신호의 전류를 생성하는 SMPS(Switching Mode Power Supplier) 및 상기 SMPS에서 생성된 전류의 부족량을 보충하는 공급(sourcing) 전류 및 과잉량을 제거하는 감쇄(sinking) 전류를 생성하는 선형 레귤레이터를 포함하는 하이브리드 전원 변조기 장치는, 상기 전원 변조기 회로 내의 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 적어도 하나의 센싱부와, 상기 센싱 결과가 나타내는 적어도 하나의 전기적 스트레스 상황에 대응되는 보호 조치를 수행하는 적어도 하나의 동작부를 포함하며, 상기 SMPS는, 입력 신호에 따라 적어도 하나의 스위치를 제어하는 드라이버, 상기 드라이버의 제어에 따라 전류량을 조절하는 적어도 하나의 스위치, 상기 스위치를 통과한 신호를 필터링하는 필터(filter)를 포함하며, 상기 선형 레귤레이터는, 상기 공급 전류를 생성하는 제1트랜지스터, 상기 감쇄 전류를 생성하는 제2트랜지스터, 상기 제1트랜지스터 및 상기 제2트랜지스터에서 생성되는 전류량을 조절하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2견지에 따르면, 변조된 전원 신호의 전류를 생성하는 SMPS 및 상기 SMPS에서 생성된 전류의 부족량을 보충하는 공급 전류 및 과잉량을 제거하는 감쇄 전류를 생성하는 선형 레귤레이터를 포함하는 하이브리드 전원 변조기의 동작 방법은, 상기 전원 변조기 회로 내의 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 과정과, 상기 센싱 결과가 나타내는 적어도 하나의 전기적 스트레스 상황에 대응되는 보호 조치를 수행하는 과정을 포함하며, 상기 SMPS는, 입력 신호에 따라 적어도 하나의 스위치를 제어하는 드라이버, 상기 드라이버의 제어에 따라 전류량을 조절하는 적어도 하나의 스위치, 상기 스위치를 통과한 신호를 필터링하는 필터를 포함하며, 상기 선형 레귤레이터는, 상기 공급 전류를 생성하는 제1트랜지스터, 상기 감쇄 전류를 생성하는 제2트랜지스터, 상기 제1트랜지스터 및 상기 제2트랜지스터에서 생성되는 전류량을 조절하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 전원 변조기의 특수성에 기인하는 전기적 스트레스 상황들을 인지하고, 전기적 스트레스로부터 회로를 보호하는 구조를 제안함으로써, 전원 변조기를 양산할 때 반드시 필요한 안전 장치의 기초를 제공한다. 본 발명에 따른 기법을 적용함으로 인해, 이동 단말기의 동작 시 발생할 수 있는 대부분의 이상 상황(anomaly situation)에 대하여 전원 변조기에 가해질 수 있는 손상을 차단 또는 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 고려하는 하이브리드 전원 변조기의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에서 고려하는 하이브리드 전원 변조기에서 발생한 유입 전류를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에서 고려하는 전원 변조기에서 발생한 유입 전류의 측정 결과를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 제1전압 센서의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 전류 파형을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 제1전류 센서의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 논리부의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 제2전류 센서 및 통과부의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 제2전압 센서의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 유입 전류로부터의 보호 절차를 도시하는 도면,
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 부하 단락에 의한 과전류로부터의 보호 절차를 도시하는 도면,
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 부하 개방에 의한 과전류로부터의 보호 절차를 도시하는 도면,
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 과전압 출력으로부터의 보호 절차를 도시하는 도면,
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 동작 중 유입 전류, 과열, 배터리 저전압/고전압으로부터의 보호 절차를 도시하는 도면,
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 전원 변조기의 전류 파형을 도시하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 선형 레귤레이터 및 SMPS(Switching Mode Power Supplier)의 결합으로 구성되는 하이브리드(hybrid) 전원 변조기의 전기적 스트레스 상황을 인지하고, 회로를 보호하기 위한 기술에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에서 고려하는 하이브리드 전원 변조기의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 전원 변조기는 선형 레귤레이터 코어(core)(110) 및 SMPS 코어(120)를 포함한다.
상기 선형 레귤레이터 코어(110) 및 상기 SMPS 코어(120) 각각의 출력(output)이 결합됨으로써 하나의 전원 변조기 출력이 생성된다. 다양한 방식으로 하나의 소스(source)인 신호 입력(signal input)의 정보를 공유함으로써, 제어 정보(control information)는 상기 선형 레귤레이터 코어(core)(110) 및 상기 SMPS 코어(120) 각각을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 선형 레귤레이터 코어(core)(110)는 OP AMP(Operational Amplifier)(111), 제1피드백회로(feedback network)(112), 제2피드백회로(113), 상단 패스 트랜지스터(upper pass transistor)(114), 하단 패스 트랜지스터(lower pass transistor)(115)를 포함한다. 상기 상단 패스 트랜지스터(114)는 PMOS(p-channel metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터로서, 소스(source)는 전원에, 게이트(gate)는 상기 OP AMP(111)에, 드레인(drain)은 상기 선형 레귤레이터 코어(110)의 출력단에 연결된다. 상기 하단 패스 트랜지스터(114)는 NMOS(n-channel metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터로서, 드레인은 상기 선형 레귤레이터 코어(110)의 출력단에, 게이트는 상기 OP AMP(111)에, 소스는 그라운드(ground)에 연결된다.
상기 선형 레귤레이터 코어(110)는 상기 OP AMP(111)로 입력되는 입력 신호에 따라 상기 피드백 회로(feedback network)들(112, 113)로 구성되는 피드백 루프(feedback loop)를 통해 패스 트랜지스터들(114, 115)의 출력 전압을 조절(regulate)함으로써, 입력 전압(voltage) 신호를 선형 변환한다.
상기 SMPS 코어(120)는 상단 스위치 트랜지스터(121), 하단 스위치 트랜지스터(122), 인덕터(inductor)(123), 캐패시터(capacitor)(124), 제3피드백회로(125), 비교기(126), 스위치 드라이버(driver)(127)를 포함한다. 상기 상단 스위치 트랜지스터(121)는 PMOS(n-channel metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터로서, 소스는 전원에, 게이트는 상기 스위치 드라이버(127)에, 드레인은 상기 인덕터(123)에 연결된다. 상기 하단 스위치 트랜지스터(122)는 NMOS(n-channel metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터로서, 드레인은 상기 인덕터(123)에, 게이트는 상기 스위치 드라이버(127)에, 소스는 상기 그라운드에 연결된다.
상기 SMPS 코어(120)의 출력은 상기 제3피드백회로(125)에 의해 스케일링(scailing)된 후, 상기 비교기(126)로 제공된다. 상기 비교기(126)는 입력 신호 및 상기 스케일링된 출력 신호를 비교한다. 상기 스위치 드라이버(127)는 상기 비교기(126)의 비교 결과에 따라 상기 스위치 트랜지스터들(121, 122)의 스위칭 주파수(switching frequency) 또는 온/오프 충격 계수(on-off duty ratio)를 제어함으로써 부하(load)(130)로 공급되는 전류의 양을 조절한다. 구체적으로, 상기 출력 신호가 상기 입력 신호보다 크면, 상기 스위치 드라이버(127)는 출력 신호의 전류를 감소시키기 위해 상기 상단 스위치 트랜지스터(121)를 오프하고, 상기 하단 스위치 트랜지스터(122)를 온한다. 반대로, 상기 출력 신호가 상기 입력 신호보다 작으면, 상기 스위치 드라이버(127)는 출력 신호의 전류를 증가시키기 위해 상기 상단 스위치 트랜지스터(121)를 온하고, 상기 하단 스위치 트랜지스터(122)를 오프한다. 즉, 상기 스위치 트랜지스터들(121, 122)은 상기 스위치 드라이버(127)의 제어에 따라 출력 신호의 전류량을 조절한다. 이때, 상기 스위치 트랜지스터들(121, 122)에 의해 PFM(Pulse Frequency Modulation) 신호 또는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호가 발생한다. 상기 스위치 트랜지스터들(121, 122)을 통해 상기 부하(130)로 공급되는 신호는 출력단에 연결된 상기 인덕터(123), 상기 캐패시터(124)로 구성되는 LPF(Low Pass Filter)에 의해 필터링(filtering)된다. 상기 필터링을 통해 상기 SMPS 코어(120)의 최종 출력 전류는 입력 전압 신호에 유사(resemble)하도록 제어된다. 즉, 상기 SMPS 코어(120)의 출력 전압 파형(voltage waveform)에 대응하여 상기 부하(130)가 필요로 하는 대부분의 전류를 공급한다.
상기 하이브리드 전원 변조기가 고주파 성분까지 포함하는 광대역의 입력 신호를 이용하여 전원 변조를 수행하는 경우, 상기 SMPS 코어(120)의 스위칭 동작 및 필터링에 의해 발생하는 협대역 특성으로 인해, 상기 SMPS 코어(120)는 고주파 전류 성분을 원활히 공급할 수 없다. 다시 말해, 상기 SMPS 코어(120)의 출력 전류는 상대적으로 느리게 변화한다. 이로 인해, 상기 부하(130)가 필요로 하는 전류 중 일부가 공급되지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 상기 공급되지 못하는 부분인 고주파 전류 성분은 출력단을 공유하고 있는 상기 선형 레귤레이터 코어(110)의 출력을 통해서 보충된다. 즉, 상기 선형 레귤레이터 코어(110)가 출력하는 전류 보충 성분은 상기 SMPS 코어(120)로부터 출력된 저주파 벌크(bulk) 전류에 추가되며, 그 결과 상기 전원 변조기의 최종 출력 전류가 생성된다.
나아가, SMPS 코어(120)로부터의 저주파 벌크 전류는 부하(130)가 필요로 하는 전류보다 모자라는 형태뿐만 아니라, 초과하는 형태로도 출력될 수 있다. 따라서, 상기 벌크 전류를 보충하는 상기 선형 레귤레이터 코어(110)의 출력은 상기 SMPS 코어(120)의 출력 전류의 부족량을 보충하는 전류를 공급(sourcing)함은 물론, 상기 SMPS 코어(120)의 출력 전류의 과잉 성분을 제거하기 위하여, 상기 SMPS 코어(120)의 출력 전류의 과잉 부분을 감쇄(sinking)할 수도 있다. 상기 공급(sourcing) 및 상기 감쇄(sinking) 모두를 수행하기 위해, 상기 선형 레귤레이터 코어(110)는 상단 패스 트랜지스터(114) 및 하단 패스 트랜지스터(115)를 포함함으로써, 상호 보환적인(complementary) 푸쉬-풀(push-pull) 구조를 가진다. 즉, 상기 상단 패스 트랜지스터(114)에서 출력단을 향해 흐르는 전류에 의해 상기 공급(sourcing)이 이루어지고, 상기 하단 패스 트랜지스터(115)에서 그라운드를 향해 흐르는 전류에 의해 상기 감쇄(sinking)가 이루어진다. 즉, 상기 상단 패스 트랜지스터(114)는 공급 전류를, 상기 하단 패스 트랜지스터(115)는 감쇄 전류를 생성한다. 상기 상단 패스 트랜지스터(114) 및 상기 하단 패스 트랜지스터(115)에 흐르는 전류의 양은 게이트 전압에 의해 변화하므로, 상기 공급 및 상기 감쇄의 전류량은 상기 게이트 전압을 인가하는 상기 OP AMP(111)에 의해 조절된다.
상기 도 1과 같은 구조의 하이브리드 전원 변조기에서 발생 가능한 전기적 스트레스(electrical over-stress) 상황들은 다음과 같다. 상기 전기적 스트레스 상황들은 1)유입 전류(In-rush current) 상황, 2)과잉 전류(Over-current) 상황, 3)과잉 전압(Over-voltage) 상황, 4)과열(Over-temperature) 상황, 5)배터리의 저전압/고전압(under voltage/over voltage) 상황 등을 포함한다.
상기 유입 전류 상황은 다음과 같다. 상기 전원 변조기는 빠르게 변화하는(fast varying) AC 신호 입력에 따라 변조된(modulated) AC 전원을 출력한다. 따라서, 종래의 DC-DC 컨버터와 달리, 상기 전원 변조기는 상기 DC-DC 컨버터에서 요구되는 부하 과도(load transient) 상황의 DC-전압 조절(DC-voltage regulation)을 위한 대용량의 캐패시터를 필요로 하지 아니한다. 또한, 전환 대역폭(conversion bandwidth)의 향상을 위하여, 출력단에 배치되는 캐패시터는 최소의 값으로 제한된다. 따라서, 상기 전원 변조기의 경우, 시스템 초기 구동(start-up) 시 DC-DC 컨버터에서 흔히 발생하는 대용량 부하 캐패시터(load capacitor)의 충전 고갈(charge depletion) 상태 때의 등가 단락 회로(short-circuit)에 의한 부하 캐패시터로의 유입 전류(in-rush current) 현상은 크게 완화된다. 그러나, 상기 하이브리드 전원 변조기에서 선형 레귤레이터 및 SMPS 각각에 서로 다른 값의 전원들이 제공되는 경우, 특히, 상기 선형 레귤레이터의 전원이 스텝-업(step-up) DC-DC 컨버터의 출력을 이용해서 공급되는 경우, 종래에 발생하지 아니하는 새로운 형태의 유입 전류(in-rush current)가 발생할 수 있다.
구체적으로, 상기 도 2와 같은 하이브리드 전원 변조기에서, 본 발명은 상기 선형 레귤레이터 코어(210)로 제공되는 전원A는 DC-DC 컨버터(230)를 통해 공급되는 전원이고, 상기 SMPS 코어(220)로 제공되는 전원B는 배터리와 같이 항상 이용 가능한(available) 전원이라고 가정한다. 이 경우, 상기 DC-DC 컨버터(230)를 포함한 전체 시스템이 초기 턴-온(turn-on)되면, 항상 이용 가능한 전원B를 공급받는 상기 SMPS 코어(220)는 먼저 준비(ready) 상태가 된다. 그러나, 상기 DC-DC 컨버터(230)로부터 공급되는 전원A를 공급받는 상기 선형 레귤레이터 코어(210)는, 상기 DC-DC 컨버터(230)로부터 공급되는 상기 전원A가 정상 전압 레벨(level)에 도달하는데 소요되는 시간, 즉, 상기 DC-DC 컨버터(230)가 동작을 시작하고 출력단에 위치한 캐패시터가 완전히 충전됨으로써 동작 출력 전압에 도달하는데 필요한 시간으로 인하여, 일정 시간 지연(delay)된 후 준비 상태가 된다. 이때, 유입 전류 상황은 상기 전원A을 제공하는 상기 DC-DC 컨버터(230)의 출력 캐패시터(load capacitor)(240)로 인하여 발생한다. 일반적으로, 상기 DC-DC 컨버터(230)의 출력단에 배치되는 상기 캐패시터(240)는 마이크로 패럿(micro farad) 단위의 대용량을 가진다. 따라서, 상기 DC-DC 컨버터(230)의 턴-온과 함께 상기 DC-DC 컨버터(230)의 코어(core) 회로가 공급할 수 있는 최대 전류가 공급되더라도, 상기 캐패시터(240)가 즉시 충전될 수 없다.
하지만, 상기 부하 캐패시터(240)가 완전히 충전되지 못한 시점에, 상기 전원B의 입장에서, 상기 부하 캐패시터(240)는 등가 단락 회로(short-circuit)로, 즉, 그라운드(ground)와 등가이다. 또한, 상기 SMPS 코어(220)는 이미 준비 상태이므로 전류를 출력할 수 있다. 상기 선형 레귤레이터 코어(210)가 아직 준비 상태가 아닌 경우, 상기 SMPS 코어(220)에서 출력된 전류는 부하를 향해 공급되지 아니하고, 상기 그라운드의 상기 전원A를 향하여 공급된다. 상기 선형 레귤레이터 코어(210)의 출력단을 통해 흐르는 역전류는 상단 패스 트랜지스터(upper pass transistor)(211) 또는 상기 상단 패스 트랜지스터의 바디 다이오드(body diode)를 턴-온 시키고, 상기 DC-DC 컨버터(230)의 부하 캐패시터(240)로 향한다. 다시 말해, 유입 전류(in-rush current)가 상기 SMPS 코어(220)에서 발생하여 아직 웨이크 업(wake-up)되지 아니한 상기 선형 레귤레이터 코어(210) 내에서 역방향으로 흐름으로써, 상기 트랜지스터(211)를 역방향으로 턴-온시키며, 상기 선형 레귤레이터 코어(210)의 전원을 제공하는 상기 DC-DC 컨버터(230)의 상기 부하 캐패시터(240)를 충전시킨다. 즉, 상기 유입 전류는 상기 SMPS 코어(220)의 스위치(221)에서 생성되고, 상기 선형 레귤레이터 코어(210)의 상단 패스 트랜지스터(211)를 관통하여 역방향으로 흘러 상기 DC-DC 컨버터(230)의 부하 캐패시터(240)를 향한다. 상기 도 2에서, 상기 유입 전류의 경로는 굵은 점선으로 도시되었다.
도 3은 전원 변조기에서 발생한 유입 전류의 측정 결과를 도시하고 있다. 상기 도 3은 상기 도 1과 같은 하이브리드 전원 변조기가 10MHz 신호의 크기 신호(amplitude signal)를 입력받아 전원을 변조하는 경우를 가정한 결과이다. 또한, 상기 도 3은 전원B를 배터리 전압에 해당하는 3.4V로, 전원B를 부스트(boost) DC-DC 컨버터의 동작으로 얻을 수 있는 5V로 가정한다. 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 최초 구동 시점에서, 상기 전원B는 즉시 3.4V의 전압을 제공하지만, 상기 전원A는 5V에 이르기까지 일정 시간 지연을 가진다. 이에 따라, 약 2㎲ 내지 약 20㎲ 구간에서, 유입 전류가 발생한다.
상기 도 2 및 상기 도 3을 참고하여 설명한 유입 전류 현상은 종래의 전력 IC, 단일 선형 레귤레이터, 단일 SMPS 등의 전원 변조기에서 발생하지 아니하는 상황이다. 따라서, 선형 레귤레이터 및 SMPS에 서로 다른 전원들 공급하는 비균일(unbalanced) 전원 소스(sources)로 구동되는 하이브리드 전원 변조기의 경우, 상술한 유입 전류 상황으로부터 회로를 보호하기 위한 보호 매커니즘(protection mechanism)이 강구되어야 한다.
상기 과전류(over-current) 상황은 다음과 같다. 일반적인 전력 IC와 마찬가지로, 전원 변조기에서의 과전류는 구동하는 부하의 변동에 의해서 발생할 수 있다. 그러나, 하이브리드 전원 변조기의 경우는 과전류 발생의 양상이 일반적인 전력 IC의 경우와 상이하다. 상기 도 2를 이용하여 상가 과전류 발생의 양상을 설명하면 다음과 같다. 전원 변조기가 동작 중 부하가 갑자기 낮은 임피던스(low impedance) 로 바뀌는 경우(예 : 단락 회로의 경우), 과전류는 상대적으로 대역폭(bandwidth)이 넓으므로, 부하 변화에 상대적으로 빠르게 반응할 수 있는 상기 선형 레귤레이터 코어(210)가 상기 과전류를 먼저 출력할 것이다. 이때, 상기 과전류는 상단 패스 트랜지스터(211)를 통해서 공급된다. 만일, 상기 과전류가 상기 상단 패스 트랜지스터(211)가 견딜 수 있는 양과 시간을 초과하여 흐르는 경우, 상기 상단 패스 트랜지스터(211)의 칩(chip)에 영구적 손상(permanent damage)이 가해질 수 있다.
상기 도 2와 같은 경우, 상기 선형 레귤레이터 코어(210)의 전원이 상기 DC-DC 컨버터(230)를 거친 전원B이다. 따라서, 상기 부하 단락 회로(load short-circuit)의 경우, 상기 상단 패스 트랜지스터(211)를 통해 흐르는 과전류도 상기 DC-DC 컨버터(230)로부터 제공된다. 일반적으로 상기 DC-DC 컨버터(230)는 자체 과전류 보호 회로를 내장하므로, 상기 선형 레귤레이터 코어(210)가 상기 전원A로부터 발생시키는 과전류가 상기 DC-DC 컨버터(230) 내부의 보호 회로의 한계치를 초과하면, 상기 DC-DC 컨버터(230)는 전류 공급을 중단할 것이다. 그러나, 전원 변조기는 상기 선형 레귤레이터 코어(210) 뿐만 아니라 상기 SMPS 코어(220)도 포함하므로, 상기 DC-DC 컨버터(230)는 전류 공급을 중단한 때, 상기 선형 레귤레이터 코어(210)의 출력에서 부족한 과전류를 상기 SMPS 코어(220)가 출력하기 시작할 것이다. 즉, 상기 SMPS 코어(220)가 출력하는 과전류는 상기 스위치(221)를 통해서 공급될 것이고, 보호 장치가 없는 한 상기 스위치(221)의 칩에 영구적 손상이 가해질 수 있다.
반대로, 부하가 높은 임피던스(high impedance)로 바뀐 경우(예 : 개방 회로의 경우), 전원 변조기는 부하에서 불필요하게 된 전류 공급을 즉시 중단하여야 하한다. 이때, 상대적으로 광대역의 상기 선형 레귤레이터 코어(210)는 공급 전류를 비교적 빨리 멈출 수 있으나, 협대역의 상기 SMPS 코어(220)는 공급하던 전류를 즉시 중단할 수 없다. 따라서, 순간적으로, 상기 SMPS 코어(220)에서 공급을 멈추지 못한 전류는 상기 부하로 흐르지 못하고, 상기 선형 레귤레이터 코어(210)의 출력단을 통해서 역방향으로 흐른다. 상기 역방향으로 흐르는 전류는 하단 패스 트랜지스터(212)를 통해 그라운드로 향한다. 상기 역방향으로 흐르는 전류는 상기 선형 레귤레이터 코어(210)가 전류 공급을 멈춘 후 상기 SMPS 코어(220)가 전류공급을 멈출 때까지 발생하며, 전류의 양도 상기 전원 변조기가 정상 동작 시 상기 부하로 공급하는 양을 초과하지 아니하므로, 낮은 부하 임피던스의 경우보다 위험성은 낮다. 그러나, 전원 변조기가 고 전력(high power)를 공급(drive)하고, 상기 선형 레귤레이터 코어(210)의 피드백 회로(feedback network)이나 하단 패스 트랜지스터(212)가 해당 크기의 전류를 견딜 정도로 설계되지 못한 경우, 칩 손상에 야기될 수 있다.
과전압(over-voltage) 상황은 다음과 같다. 상기 과전압은 전원 변조기 자체의 오동작에 의하여 상기 전원 변조기의 출력 전압이 조절의 한계를 벗어난 경우에 발생한다. 상가 과전압이 발생한 경우, 출력 전압을 감시(monitoring)하여 과전류 발생을 센싱(sense)한다는 개념은 일반적인 전력 IC에 적용되는 방식과 동일하다. 그러나, 선형 레귤레이터 코어 및 SMPS 코어가 결합된 하이브리드 전원 변조기의 특수성으로 인하여, 보호해야할 대상 및 조치는 상기 일반적인 전력 IC의 경우와 상이하다.
과열 상황 및 배터리의 저전압/고전압 상황은 다음과 같다. 상기 과열 상황 및 상기 배터리의 저전압/고전압 상황에 대응한 보호는 일반적인 전력 IC의 경우와 동일하다. 즉, 상기 과열 상황 및 상기 배터리의 저전압/고전압 상황이 발생하는 구체적인 원인 및 증상은 각각 다르나, 전원 변조기로부터의 전류 공급을 차단(shut-off)하여 칩을 보호하기 위한 조치는 동일하다. 즉, 상기 과열 상황 및 상기 배터리의 저전압/고전압 상황을 센싱하기 위해 감시할 대상은 일반적인 전력 IC의 경우와 동일하다. 그러나, 하이브리드 전원 변조기의 특수성에 따라 스트레스 상황의 인지 방식, 보호해야할 대상 및 조치가 적절히 결정되어야 한다.
이하 본 발명은 상술한 스트레스 상황들을 인지하고, 조치를 취하기 위한 전원 변조기의 구성 및 동작을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기는 선형 레귤레이터 코어(410), SMPS 코어(420), 센싱부들(sence units)(451 내지 457), 논리부(logic unit)(461), 버퍼부(buffer unit)(471), 작동부들(actuator units)(481 내지 484)을 포함하여 구성된다.
상기 선형 레귤레이터 코어(410)는 입력 신호를 선형 변환하며, 상기 SMPS 코어(420)의 출력에 전류를 보충 또는 감쇄한다. 상기 선형 레귤레이터 코어(410)는 상단 패스 트랜지스터(411), 하단 패스 트랜지스터(412), OP AMP(413), 제1피드백 회로(feedback network)(414), 제2피드백 회로(feedback network)(415)를 포함한다. 상기 SMPS 코어(420)는 부하로 제공할 전류를 생성한다. 상기 SMPS 코어(420)는 상단 스위치(upper side switch device)(421), 하단 스위치(lower side switch device)(422), 스위치 드라이버(switch driver)(423), 제3피드백 회로(feedback network)(424), 비교기(comparator)(425), 인덕터(426), 캐패시터(427)를 포함한다.
상기 센싱부들(451 내지 457)은 상술한 전기적 스트레스 상황들의 정도를 센싱하고, 센싱된 스트레스의 정도를 기준치와 비교한 후, 비교 결과에 따라 결정(decision) 값을 출력한다. 구체적으로, 상기 센싱부들(451 내지 457)은 제1전류센서(451), 제2전류센서(452), 제1전압센서(454), 제2전압센서(455), 온도센서(456), 배터리센서(457)를 포함한다.
상기 제1전류센서(451)는 상기 상단 패스 트랜지스터(411)를 통해서 공급되는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 공급 전류(sourcing current)를 센싱하고, 상기 공급 전류가 과전류 시 이를 알리는 논리 신호를 상기 논리부(461)로 출력한다.
상기 제2전류센서(452)는 상기 하단 패스 트랜지스터(412)를 통해서 그라운드를 향해 흐르는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 감쇄 전류(sinking current)를 센싱하고, 이 감쇄 전류가 과전류 시 이를 알리는 논리 신호를 상기 논리부(461)로 출력한다.
상기 제1전압센서(454)는 선형 레귤레이터 코어(410)의 전원A의 전압을 센싱하고, 상기 전원A의 전압을 기준 전압 값과 비교한 후, 상기 전원A가 상기 기준 전압 값보다 크면, 이를 알리는 논리 신호를 상기 논리부(461)로 출력한다.
상기 제2전압센서(455)는 전원 변조기의 출력 전압을 센싱하고, 상기 전압이 과전압 시 이를 알리는 논리 신호를 상기 논리부(461)로 출력한다.
상기 온도센서(456)는 칩의 온도를 센싱한다. 상기 배터리센서(457)는 배터리의 전압을 센싱한다.
상기 논리부(461)는 상기 센싱부들(451 내지 457)의 결정 값을 제공받아 다른 블록들의 동작을 제어하는 명령 논리 신호들(command logic signals)을 생성한다. 구체적으로, 상기 논리부(461)는 상기 센싱부들(451 내지 457) 중 적어도 하나로부터의 논리 신호를 제공받고, 상기 작동부들(481 내지 484) 중 제공된 논리 신호에 대응되는 적어도 하나를 동작시키는 명령 논리 신호를 생성한다.
상기 버퍼부(471)는 상기 명령 논리 신호를 해당 블록에서 인지 가능한 전기적 레벨의 신호로 변환한다. 구체적으로, 상기 버퍼부(471)는 상기 논리부(461)로부터 명령 논리 신호를 제공받고, 상기 작동부들(481 내지 484) 중 적어도 하나가 보호 조치를 수행할 수 있도록 상기 명령 논리 신호를 해당 작동부에서 인지할 수 있는 레벨의 전기적 신호로 변환한 후, 상기 전지적 신호를 해당 작동부로 제공한다.
상기 작동부들(481 내지 484)은 상기 버퍼부(471)로부터 제공되는 신호에 따라 상기 선형 레귤레이터 코어(410) 및 상기 SMPS 코어(420) 내부의 대응되는 블록에 전기적 자극(stimulus)을 가한다. 구체적으로, 상기 작동부들(481 내지 484)은 제1차단부(481), 제2차단부(482), 통과(bypass)부(483), 종료(shut-down)부(484)를 포함한다.
상기 제1차단부(481)는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)가 공급하는 전류가 과전류 인 경우 상기 선형 레귤레이터 코어(410)가 부하로 공급하는 전류를 차단한다. 예를 들어, 상기 제1차단부(481)는 상기 상단 패스 트랜지스터(411)의 게이트(gate)를 풀-업(pull-up)한다. 상기 풀-업은 상기 게이트의 전압을 상승시킴으로써 상기 게이트 단자 및 소스 단자 간 전압차를 0으로 만드는 동작을 의미한다. 상기 제2차단부(482)는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)가 공급 전류가 과전류이거나 또는 상기 SMPS 코어(420)가 공급하는 전류가 과전류인 경우 상기 SMPS 코어(420)가 부하로 공급하는 전류를 차단한다. 예를 들어, 상기 제2차단부는 상기 상단 스위치(421)의 게이트(gate)를 풀-업(pull-up)한다. 상기 풀-업은 게이트-소스 간 전압차를 0으로 만드는 동작을 의미한다.
상기 통과부(483)는 상기 하단 패스 트랜지스터(412)를 통해 상기 선형 레귤레이터 코어(410)가 감쇄(sinking)시키는 전류가 과전류인 경우 안전하게 전류를 그라운드로 감쇄하기 위해 우회 전류 감쇄 경로를 제공한다. 상기 종료부(484)는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)로부터 공급되는 전류 또는 상기 SMPS 코어(420)로부터 공급되는 전류가 일시적인 과전류가 아니고 영구적인 과전류이거나, 상기 전원 변조기의 출력 전압이 일시적인 과전압이 아니고 영구적인 과전압인 경우, 전원 변조기 전체를 셧-다운(shut-down) 시키는 신호를 출력한다. 또한, 칩이 과열되거나, 배터리 전압이 저전압 또는 과전압인 경우, 상기 종료부(484)는 상기 전원 변조기 전체를 셧-다운(shut-down)시키는 신호를 출력한다.
상기 도 4에 도시된 구성을 참고하여 유입 전류로부터의 회로 보호를 설명하면 다음과 같다.
상기 도 2를 참고하여 설명한 바와 같이, 상기 유입 전류는 상기 SMPS 코어(420)에서 발생하므로, 상기 유입 전류로부터의 보호는 상기 SMPS 코어(420)에서 공급되는 전류를 차단함으로써 이루어질 수 있다. 즉, 시스템의 초기 턴-온 후, DC-DC 컨버터가 동작을 시작한 후 상기 DC-DC 컨버터의 부하 캐패시터에 전하가 충전됨으로써 전원A가 기준(reference) 전압 값에 도달하기 전까지, 상기 SMPS 코어(420)의 상기 상단 스위치(421) 및 상기 유입 전류가 통과하는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 상기 상단 패스 트랜지스터(411) 중 적어도 하나를 오프(off) 상태로 유지함으로써, 상기 유입 전류로부터 회로가 보호될 수 있다. 즉, 시스템에 전원 인가 후, 다시 말해, 파워 업(power-up) 후, 상기 전압A가 상기 기준 전압 값에 도달하기 전까지, 상기 유입 전류가 통과하는 적어도 하나의 트랜지스터의 전류 흐름이 차단됨으로써, 상기 유입 전류로부터 회로가 보호될 수 있다. 상기 초기 턴-온 시, 상기 전원A의 전압이 상기 기준 전압 값에 도달하기 전의 상태는 상기 전원 변조기를 오프 상태로 강제(force)하는 상태와 동일하다. 따라서, 상기 SMPS 코어(420)의 상기 인덕터(426)에 흐르는 전류가 없으므로, 프리 휠링 경로(free wheeling path)를 확보하기 위한 상기 하단 스위치(422)도 함께 오프 상태이어도 무방하다. 또한, 상기 SMPS 코어(420)로부터의 과잉 전류를 감쇄(sinking)하기 위한 선형 레귤레이터 코어(410)의 상기 하단 패스 트랜지스터(412)도 함께 오프 상태이어도 무방하다.
여기서, 상기 기준 전압 값은 구체적 값으로 설정되어야 한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 현재의 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 값으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 이동 단말기의 경우, 상기 전원은 배터리 전원이며, 상기 전원A는 스텝 업(step-up) DC-DC 컨버터에 의해 생성될 수 있다. 이 경우, 시스템의 초기 턴-온 후 상기 DC-DC 컨버터가 동작을 시작함으로써 상기 부하 캐패시터가 점차 충전되면, 상기 전원A의 전압은 0V부터 서서히 증가하게 된다. 상기 전원A의 전압이 상기 배터리 전압보다 낮은 경우, 상기 전원 변조기는 상기 SMPS 코어(420)의 상단 스위치(421) 및 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 상기 상단 패스 트랜지스터(411) 중 적어도 하나를 오프 상태로 유지한다. 이를 위해, 상기 제1전압센서(454)는 초기 턴-온 후 상기 전원A의 전압 상승을 센싱하고, 상기 전원A의 전압이 상기 기준 전압 값보다 높아짐을 인지한다. 즉, 초기 턴-온 후 상기 전원A의 전압 상승을 센싱하고, 상기 전원A의 전압이 상기 기준 전압 값보다 높아지면, 상기 제1전압센서(454)는 결정 값을 상기 논리부(461)로 출력한다. 예를 들어, 상기 제1전압센서(454)는 이하 도 5와 같이 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 상기 제1전압센서(454)의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1전압센서(454)는 전원A의 전압 및 배터리 전원의 전압을 비교하는 비교기(510), 상기 전원A의 전압 값에 대응하는 상기 비교기(510)로의 입력을 생성하는 저항들(521, 522), 상기 배터리 전원의 전압 값에 대응하는 상기 비교기(510)로의 입력을 생성하는 저항들(531, 532)을 포함한다. 고정된 전압을 가지는 상기 배터리 전원은 상기 저항들(531, 532)로 구성된 저항 회로(network)에 의해 선형 스케일링(linear scaling)되고, 선형 스케일링된 값이 상기 비교기(510)의 네거티브(nagative) 입력에 기준 전압으로 공급된다. 그리고, 가변 전압을 가지는 상기 전원A가 상기 저항들(521, 522)로 구성된 저항 회로에 의해 선형 스케일링되고, 상기 비교기(510)에서 상기 기준 전압과 비교된다. 상기 전원A의 전압 레벨이 상기 배터리 전원의 전압 레벨보다 크면, 상기 비교기(510)의 출력은 하이(high)가 된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 전류 파형을 도시하고 있다. 즉, 상기 도 6은 상술한 과정에 의해 상기 유입 전류가 제거된 경우의 전원 변조기의 파형의 예이다. 상기 도 6에서, 본 발명은 상기 기준 전압 값을 3.4V로 가정한다. 상기 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 DC-DC 컨버터의 부하 캐패시터가 충전되어 상기 전원A가 배터리 전압인 3.4V에 도달하기 전까지, 상기 선형 레귤레이터 코어(410) 및 상기 SMPS 코어(420)는 오프 상태를 유지한다. 이에 따라, 상기 선형 레귤레이터 코어(410) 및 상기 SMPS 코어(420)는 상기 전원A가 3.4V를 넘어서는 시점 이후부터 활성화된다.
상기 도 4에 도시된 구성을 참고하여 부하의 단락 회로에 의한 과전류로부터의 회로 보호를 설명하면 다음과 같다.
전원 변조기의 정상 동작 중 발생할 수 있는 부하의 단락 회로에 의한 과전류로부터의 보호는 빠른 반응이 가능한 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 상기 상단 패스 트랜지스터(411)의 전류 공급을 차단함으로써 이루어질 수 있다. 이를 위해, 상기 제1전류센서(451)는 상기 상단 패스 트랜지스터(411)를 통해 흐르는 전류를 센싱하고, 센싱된 전류 값이 상기 과전류 기준 값을 초과한 경우, 상기 제1전류센서(451)는 과전류 발생을 알리는 결정 값을 상기 논리부(461)로 출력한다. 이에 따라, 상기 논리부(461)는 제어 명령을 생성하고, 상기 버퍼부(471)는 상기 제어 명령을 해당 동작 블록에 적합한 전기적 신호로 변한 후, 해당 동작 블록인 상기 제1차단부(481)로 상기 전기적 신호를 출력한다. 상기 제1차단부(481)는 상기 상단 패스 트랜지스터(411)의 게이트(gate)를 상기 전원A의 레벨로 풀-업함으로써, 상기 상단 패스 트랜지스터(411)를 차단(shut-off)시킨다.
또한, 상기 선형 레귤레이터 코어(410)보다는 느리게 반응하지만 더 큰 전류 공급 능력을 가진 상기 SMPS 코어(420)의 전류도 차단될 수 있다. 상기 SMPS 코어(420)의 전류 차단은 상기 SMPS 코어(420)의 상단 스위치(421)를 턴-오프(turn-off)시킴으로써 이루어진다. 즉, 상기 제2차단부(482)는 상기 상단 스위치(421)의 게이트를 풀-업함으로써 상기 상단 스위치(421)의 전류를 차단할 수 있다. 이때, 상기 SMPS 코어(420)의 하단 스위치(422)는 온 상태로 유지되어야 한다. 왜냐하면, 상기 전원 변조기가 정상 동작 중 상기 SMPS 코어(420)의 상기 인덕터(426)를 통해 흐르던 전류는 갑자기 차단(shut-off) 될 수 없기 때문에, 상기 인덕터(426)에 흐르던 전류가 프리 휠링 경로(free wheeling path)를 통해 자연스럽게 소멸(spontaneous fade-out)되도록 하기 위함이다.
상기 부하 단락 회로 상황은 간헐적인(intermittent) 부하 변화에 의해서 일시적으로 발생할 수 있다. 또한, 상기 부하 단락 회로 상황은 부하의 완전한 고장(complete failure)에 의해 지속적인 과전류를 유발시킬 수 있다. 상기 완전한 고장의 경우, 상기 SMPS 코어(420)의 상기 상단 스위치(421) 및 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 상기 상단 패스 트랜지스터(411)뿐만 아니라, 상기 전원 변조기에 포함되는 구성하는 모든 핵심 구성들(cores) 및 각 기능 블럭들을 완전하게 셧-다운(shut-down) 시키는 것이 칩의 안전성 및 불필요한 전력 소모 방지의 관점에서 보다 유리할 수 있다.
영구적 부하 고장 시스템을 셧-다운시키고자 하는 경우, 시스템 셧-다운에 앞서 단락 회로 상황의 원인 파악이 선행되어야 한다. 예를 들어, 단락 회로 상황의 반복적 발생이 영구적 부하 고장으로 인한 단락 회로 상황의 판단 기준으로 정의될 수 있다. 이 경우, 상기 전원 변조기는 부하 단락 회로에 의한 과전류가 확인(checking)되면 상술한 전류 제한(current limiting) 절차를 수행하고, 이벤트(event) 발생을 기록(logging)한 후, 전류 제한을 해제한다. 이때, 기록된 이벤트 발생 횟수가 임계값을 초과하면, 상기 전원 변조기는 영구적 고장으로 인한 부하 단락 회로 상황이라 판단하고, 상기 논리부(461)는 시스템 전체를 셧-다운하는 명령 논리 출력을 생성한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 상기 제1전류센서(451)의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 7을 참고하면, 트랜지스터 Mps(702)는 상기 상단 패스 트랜지스터 Mp(411)에 흐르는 전류를 K:1로 스케일링하여 센싱한다. 상기 K:1의 스케일링을 위하여, 상기 트랜지스터 Mps(702) 및 상기 상단 패스 트랜지스터 Mp(411)의 드레인(drain) 전압은 전압 이퀄라이저(704)에 의해 등화(equalize)된다. 1/K 배로 스케일링된 선형 레귤레이터의 출력 전류는 참고 저항 Rref(706)를 통해 전압으로 변환된다. 비교기(708)는 과전류 기준에 해당하는 내부 참고 전압(710)과 상기 전압을 비교하고, 상기 전압이 상기 참고 전압(710)보다 크면, 하이 신호를 출력한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 상기 논리부(461)의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 8에 도시된 상기 논리부(461)의 구성 예는 과전류 확인(checking), 전류 제한(limiting), 이벤트 기록(event logging) 및 제한 해제(releasing) 기능을 가진다. 상기 도 8을 참고하면, SR 래치(SR latch)(802)의 S 입력으로 하이(high)가 입력되면, Q 출력의 상태는 로우(low)에서 하이로 전환된다. 상기 Q 출력의 하이 상태 값은 제1버퍼(804) 및 제1풀업(806)을 거쳐 상기 선형 레귤레이터(410)의 상기 상단 패스 트랜지스터(411)의 게이트 전압을 상기 전원A의 전압으로 풀-업한다. 또한, 상기 Q 출력의 하이 상태 값은 제2버퍼(808) 및 제1풀업(810)을 거쳐 상기 SMPS(420)의 상기 상단 스위치(421)의 게이트 전압을 상기 전원B의 전압으로 풀-업한다. 또한, 상기 Q 출력의 하이 상태 값은 인버터 셀(inverter cell)(812)을 통해 로우로 전환되고, 지연소자(Delay cell)(814)에서 일정 시간 지연된 후, 상기 SR 래치(802)의 R 입력으로 피드백된다. 상기 일정 시간 지연된 후 로우 상태 값이 상기 R 입력으로 입력되면, 상기 SR 래치(802)는 Q 출력의 상태를 하이에서 로우로 전환한다. 이에 따라, 상기 제1버퍼(804) 및 상기 제1풀업(806)을 통과하는 출력은 오픈(open)으로 전환되고, 상기 상단 패스 트랜지스터(411)를 통한 전류 공급이 재개된다. 또한, 상기 제1버퍼(808) 및 상기 제2풀업(810)을 통과하는 출력도 오픈으로 전환되고, 상기 상단 스위치(421)를 통한 전류 공급도 재개된다. 상술한 바와 같이, 상기 지연소자(814)에 의해 상기 전원 변조기의 출력 전류 공급이 일정 시간 셧-오프된 후 재개되면, 상기 제1전류센서(451)에 의핸 과전류 센싱이 다시 수행되고, 또 다시 상기 과전류가 발생하면 상술한 절차가 반복 수행된다.
상기 도 8에서, 카운터(816)는 상기 SR 래치(802)의 Q 출력의 상승 엣지(rising edge)를 검출(detect) 및 기록(log)하고, 기록된 횟수가 설정된 횟수를 초과하면 논리 출력(logic output)을 하이로 변환한다. 상기 카운터(816)는 UVLO(Undervoltage Lockout)와 같이 전체 칩의 셧-다운을 명령할 수 있는 락-아웃(lock-out) 로직의 입력으로 상기 논리 출력을 출력함으로써 전체 칩의 셧-다운을 명령한다. 즉, 상술한 절차의 반복에 의해 과전류 검출의 횟수가 설정치를 초과하면, 상기 논리부(461)는 절차의 반복을 중단하고 전체 칩을 셧-다운한다. 상기 도 8에 도시된 구성 블록들 중, 상기 버퍼들(804, 808)은 인버터들의 스케일드 스택(scaled stack)으로 구현될 수 있고, 상기 풀업들(806, 810)은 스위치 회로로 구현될 수 있고, 상기 카운터(816)는 D-플립플롭(filp flop)과 같은 메모리 소자(memory devices)를 이용하여 구현될 수 있고, 상기 지연소자(814)는 캐스캐이드 인버터들(cascaded inverters) 및 RC 회로(RC network)로 구현될 수 있다.
상기 도 4에 도시된 구성을 참고하여 부하의 개방 회로에 의한 과전류로부터의 회로 보호를 설명하면 다음과 같다.
전원 변조기의 정상 동작 중 부하의 개방 회로가 발생하면, 상기 선형 레귤레이터 코어(410)는 상황에 반응하여 전류 공급을 상대적으로 빠르게 줄일 수 있으나, 상기 SMPS 코어(420)는 협대역 특성으로 인하여 빠르게 반응할 수 없다. 이때, 상기 부하로 향하지 못하는 상기 SMPS 코어(420)의 출력 전류는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 출력단을 향해 흐르고, 상기 선형 레귤레이터 코어(410) 내부로 유입되어 상기 하단 패스 트랜지스터(412)를 통해 그라운드로 방출되려고 할 것이다. 이때, 상기 전류의 크기가 상기 하단 패스 트랜지스터(412)가 수용할 수 있는 한계 값보다 작은 경우, 칩에 손상을 야기하지 아니하므로, 상기 전류가 상기 그라운드로 방출되어도 무방하다. 그러나, 상기 전류의 크기가 상기 하단 패스 트랜지스터(412)가 수용할 수 있는 한계 값보다 크면, 칩에 손상이 가해질 수 있으므로, 상기 전원 변조기는 과전류가 상기 하단 패스 트랜지스터(412)를 통과하는 것을 방지해야 한다. 따라서, 상기 하단 패스 트랜지스터(412)을 통해 그라운드로 버려지는(dump) 전류의 크기가 센싱되고, 상기 전류의 크기가 설정한 기준치를 초과하는지 검사되어야 하며, 상기 기준치를 초과하는 경우 대응되는 보호 조치가 수행되어야 한다.
상기 보호 조치로서, 상기 전원 변조기는 상기 과전류를 상기 하단 패스 트랜지스터(412)가 아닌 다른 우회 경로를 통해 상기 그라운드로 방출되도록 할 수 있다. 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2전류센서(452)는 상기 하단 패스 트랜지스터(412)에 흐르는 전류를 센싱하고, 상기 전류 크기가 설정치를 초과하는 과전류라 판단되면, 과전류의 발생을 알리는 신호를 상기 논리부(461)로 출력한다. 이에 따라, 상기 통과부(483)가 활성화되며, 그 결과, 상기 과전류가 상기 하단 패스 트랜지스터(412)에 도달하기에 앞서 그라운드로 방출된다. 즉, 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 출력단 및 상기 그라운드를 바이패스하는 우회 경로를 제공하는 상기 통과부(483)를 활성시킴으로서, 상기 과전류로부터 회로가 보호될 수 있다.
상기 부하 개방 회로의 경우에도, 상기 부하 단락 회로의 경우와 유사하게, 상기 전원 변조기는 상황 반복 발생 여부에 따라 영구적 개방 회로를 판단하고, 칩을 완전히 셧-다운(shut-down)시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 상기 제2전류센서(452) 및 상기 통과부(483)의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 9를 참고하여 상기 제2전류센서(452)를 설명하면, 트랜지스터 Mns(902)는 상기 하단 패스 트랜지스터(412)에 흐르는 전류를 K':1로 스케일링하여 센싱한다. K':1의 스케일링을 위하여, 상기 하단 패스 트랜지스터(412) 및 상기 트랜지스터 Mns(902)의 드레인 전압은 전압 이퀄라이저(904)에 의해 등화(equalize)된다. 1/K'배로 스케일링된 선형 레귤레이터(410)의 출력 전류는 PMOSFET(p-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 미러 턴-어라운드(mirror turn-around)인 트랜지스터 Mps1(906) 및 트랜지스터 Mps2(908), 저항 Rref'(910)에 의하여 그라운드 기준의 전압으로 변환된다. 비교기(912)는 과전류 기준에 해당하는 내부 참고 전압(914) 및 상기 그라운드 기준의 전압을 비교하고, 상기 그라운드 기준의 전압이 더 크면 출력 전압 상태를 하이로 전환한다.
상기 도 9를 참고하여 상기 통과부(483)를 설명하면, 상기 비교기(912)의 출력이 로우에서 하이로 전환되면, 상기 비교기(912)의 출력은 인버터(inverter)(916) 및 제1버퍼(Buffer)(918)를 거쳐 하단 패스 트랜지스터 Mn(412)의 게이트로 인가된다. 상기 게이트 전압은 로우로 풀-다운(pull-down)되며, 이로 인해 상기 하단 패스 트랜지스터 Mn(412)은 턴-오프(turn-off)된다. 또한, 상기 비교기(912)의 출력인 하이 신호는 제2버퍼(920)를 거쳐 트랜지스터 Mns1(922)의 게이트로 인가된다. 상기 게이트 전압은 풀-업(pull-up)되며, 상기 트랜지스터 Mns1(922)이 턴-온(turn-on)됨으로써 과전류가 그라운드로 방출된다.
상기 도 4에 도시된 구성을 참고하여 과전압으로부터의 회로 보호를 설명하면 다음과 같다.
전원 변조기의 정상 동작 중 출력 전압의 제한(regulation) 범위를 초과하는 과전압이 발생하면, 상기 제2전압센서(455)는 과전압을 센싱한다. 상기 과전압에 센싱되면, 상기 전원 변조기가 더 이상의 전류를 공급하지 아니하도록, 상기 부하 단락 회로의 경우와 유사하게, 상기 제2전압센서(455)에서 센싱된 전압이 과전압 기준 값을 초과하면, 상기 전원 변조기는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 상기 상단 패스 트랜지스터(411)를 턴-오프 시키고, 상기 SMPS 코어(420)의 상기 상단 스위치(421)을 오프로 유지한다. 상기 과전압으로부터의 보호는 트랜지스터의 고장(breakdown)을 대비한 장치의 신뢰성을 보장하는 것을 목적으로 한다. 단, 상기 SMPS 코어(420)의 상기 인덕터(426)에 남은 전류(remnant inductor current)의 프리 휠링(free wheeling)을 위하여, 상기 하단 패스 트랜지스터(412) 및 상기 하단 스위치(422)는 온 상태를 유지함이 바람직하다.
상기 과전압의 경우 또한, 상기 전원 변조기는 상황 반복 발생 여부에 따라 상기 전원 변조기의 영구적 고장(permanent failure)에 의한 연속적 과전압을 판단하고, 시스템을 완전히 셧-다운(shut-down)할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 상기 제2전압센서(455)의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 10을 참고하면, 상기 전원 변조기의 출력 전압인 Vout은 저항 Ra(1002) 및 저항 Rb(1004)로 구성된 저항 회로에 의해 레벨 쉬프트(level shift)된다. 비교기(1008)는 과전압 기준인 내부 참고 전압(1006) 및 상기 레벨 쉬프트된 전압을 비교하고, 상기 레벨 쉬프트된 전압이 더 크면 출력 전압 상태를 하이로 전환한다.
상기 도 4에 도시된 구성을 참고하여 과열 및 배터리의 저전압/고전압으로부터의 회로 보호를 설명하면 다음과 같다.
전원 변조기의 동작 구간 전체에서 감시(monitor)되어야 하는 과열 및 배터리의 저전압/고전압은 상기 온도센서(456), 및 상기 배터리센서(457)에 의해 센싱될 수 있다. 상기 과열 및 상기 배터리의 저전압/고전압이 센싱되면, 보호 조치로서, 상기 과전압의 경우와 유사하게, 상기 전원 변조기는 상기 선형 레귤레이터 코어(410)의 상기 상단 패스 트랜지스터(411)를 턴-오프 시키고, 상기 SMPS 코어(420)의 상단 스위치(421)을 오프로 유지한다. 또한, 상기 SMPS 코어(420)의 상기 인덕터(426)에 남은 전류(remnant inductor current)의 프리 휠링(free wheeling)을 위하여, 상기 하단 패스 트랜지스터(412) 및 상기 하단 스위치(422)는 온 상태를 유지하여야 한다. 그러나, 상기 과열 및 상기 배터리 저전압/고전압의 경우, 상기 과전류 및 상기 과전압의 경우와 달리, 상황 반복 발생 여부에 따라 영구적 손상을 판단하는 절차 없이 최초의 상황 발생 시 칩 전체를 셧-다운시키는 것이 바람직하다. 단, 프리 휠링 경로는 확보되어야 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기는 상술한 바와 같이 구성될 수 있다. 이하 본 발명은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 동작을 이하 도 11 내지 도 15를 참고하여 설명한다. 후술되는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기의 동작은 CPU(Centural Processing Unit), DSP(Digital Signal Processing) 프로그램으로 구현되어 전원 변조기를 구비한 시스템에서 실시될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 본 발명은 전기적 스트레서 인지 및 보호 동작의 주체를 '시스템'으로 정의한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기에서 유입 전류로부터의 보호 절차를 도시하고 있다.
상기 도 11을 참고하면, 시스템은 1101단계에서 상기 시스템에 전원이 인가되는지 판단한다. 다시 말해, 상기 시스템은 파워 업(power-up)되는지, 즉, 초기 구동되는지 판단한다.
상기 시스템에 전원이 인가되면, 상기 시스템은 1103단계로 진행하여 전원 변조기의 선형 레귤레이터 코어의 전원이 기준 전압 값에 도달한 후 상기 전원 변조기를 활성시킨다. 다시 말해, 상기 시스템은 상기 전원 변조기의 선형 레귤레이터 코어의 전원이 기준 전압 값에 도달하기 전까지 상기 전원 변조기를 비활성 상태로 제어한다. 상기 선형 레귤레이터 코어의 전원의 전압을 센싱하기 위해, 상기 전원 변조기는 상기 선형 레귤레이터 코어의 전원에 연결된 전압 센서를 구비할 수 있다.
즉, 상기 시스템의 전원 인가 신호를 공유하는 구성 요소들, 예를 들어, DC-DC 컨버터 등은 모두 턴-온되나, 상기 전원 변조기 내부의 상기 선형 레귤레이터 코어 및 SMPS 코어는 비활성 상태로 강제(force)된다. 예를 들어, 상기 시스템은 상기 SMPS 코어의 상단 스위치 및 유입 전류가 통과하는 상기 선형 레귤레이터 코어의 상단 패스 트랜지스터 중 적어도 하나를 오프(off) 상태로 유지함으로써, 상기 전원 변조기를 비활성 상태로 제어할 수 있다. 상기 DC-DC 컨버터의 동작으로 인해 상기 DC-DC 컨버터의 부하 캐패시터가 충전되고, 상기 선형 레귤레이터 코어의 전원의 전압이 기준 전압 값을 초과하면, 상기 선형 레귤레이터 코어 및 상기 SMPS 코어는 동시에 턴-온 되어 전원 변조 동작을 시작한다. 여기서, 상기 기준 전압 값은 상기 SMPS 코어로 제공되는 배터리 전압으로 정의될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기에서 부하 단락에 의한 과전류로부터의 보호 절차를 도시하고 있다.
상기 도 12를 참고하면, 시스템은 1201단계에서 전원 변조기의 정상 동작 중 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱한다. 이를 위해, 상기 시스템의 상기 전원 변조기는 전류 센서 및 전압 센서 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
이어, 상기 시스템은 1203단계로 진행하여 상기 센싱 결과를 이용하여 부하 단락에 의한 과전류가 발생하는지 판단한다. 상기 부하 단락에 의한 과전류는 상기 전원 변조기의 출력단에 연결된 부하가 등가 단락 회로가 됨으로써 선형 레귤레이터 코어 및 SMPS 코어 내부에 과전류가 흐르는 현상을 의미한다. 예를 들어, 상기 선형 레귤레이터 코어 내부의 상단 패스 트랜지스터에 흐르는 전류가 기준치를 초과하는 경우, 상기 시스템은 상기 부하 단락에 의한 과전류의 발생을 판단한다.
상기 부하 단락에 의한 과전류가 발생하면, 상기 시스템은 1205단계로 진행하여 상기 선형 레귤레이터 코어의 상기 상단 패스 트랜지스터를 차단하고, SMPS 코어의 상단 스위치를 턴-오프한다. 상기 상단 패스 트랜지스터를 차단하기 위해, 상기 시스템은 상기 상단 패스 트랜지스터의 게이트를 풀-업할 수 있다. 이에 따라, 상기 선형 레귤레이터 코어 및 상기 SMPS 코어로부터 부하로 공급되는 과전류는 차단된다.
이후, 상기 시스템은 1207단계로 진행하여 상기 부하 단락에 의한 과전류에 대응되는 이벤트 카운터를 1 증가시킨다. 상기 이벤트 카운터는 상기 부하 단락에 의한 과전류 현상이 발생한 횟수를 카운팅하기 위한 것으로서, 영구적 부하 단락 상황을 판단하기 위해 사용된다. 이어, 상기 시스템은 1209단계로 진행하여 상기 이벤트 카운트가 임계값을 초과하는지 판단한다. 다시 말해, 상기 시스템은 미리 정의된 횟수를 초과하여 상기 부하 단락에 의한 과전류 상황이 발생하였는지 판단한다.
만일, 상기 이벤트 카운트가 임계값 이하이면, 상기 시스템은 상기 1201단계로 되돌아간다. 반면, 상기 이벤트 카운트가 임계값을 초과하면, 상기 시스템은 1211단계로 진행하여 시스템을 셧-다운한다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 시스템은 상기 전원 변조기만을 셧-다운시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기에서 부하 개방에 의한 과전류로부터의 보호 절차를 도시하고 있다.
상기 도 13를 참고하면, 시스템은 1301단계에서 전원 변조기의 정상 동작 중 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱한다. 이를 위해, 상기 시스템의 상기 전원 변조기는 전류 센서 및 전압 센서 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
이어, 상기 시스템은 1303단계로 진행하여 상기 센싱 결과를 이용하여 부하 개방에 의한 과전류가 발생하는지 판단한다. 상기 부하 개방에 의한 과전류는 상기 전원 변조기의 출력단에 연결된 부하가 등가 개방 회로가 됨으로써 선형 레귤레이터 코어 및 SMPS 코어 내부에 과전류가 흐르는 현상을 의미한다. 예를 들어, 상기 선형 레귤레이터 코어 내부의 하단 패스 트랜지스터에 흐르는 전류가 한계 값을 초과하는 경우, 상기 시스템은 상기 부하 개방에 의한 과전류의 발생을 판단한다.
상기 부하 개방에 의한 과전류가 발생하면, 상기 시스템은 1305단계로 진행하여 상기 선형 레귤레이터 코어의 출력단을 그라운드로 바이패스(by-pass)한다. 다시 말해, 상기 시스템은 상기 과전류를 상기 하단 패스 트랜지스터가 아닌 다른 우회 경로를 통해 상기 그라운드로 방출되도록 제어한다. 이를 위해, 상기 전원 변조기는 상기 선형 레귤레이터 코어의 출력단에 일단을, 그라운드에 타단을 연결한 바이패스 회로를 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 선형 레귤레이터 코어의 하단 패스 트랜지스터를 향해 흐르는 과전류는 그라운드로 방출된다.
이후, 상기 시스템은 1307단계로 진행하여 상기 부하 개방에 의한 과전류에 대응되는 이벤트 카운터를 1 증가시킨다. 상기 이벤트 카운터는 상기 부하 개방에 의한 과전류 현상이 발생한 횟수를 카운팅하기 위한 것으로서, 영구적 부하 개방 상황을 판단하기 위해 사용된다. 이어, 상기 시스템은 1309단계로 진행하여 상기 이벤트 카운트가 임계값을 초과하는지 판단한다. 다시 말해, 상기 시스템은 미리 정의된 횟수를 초과하여 상기 부하 개방에 의한 과전류 상황이 발생하였는지 판단한다.
만일, 상기 이벤트 카운트가 임계값 이하이면, 상기 시스템은 상기 1301단계로 되돌아간다. 반면, 상기 이벤트 카운트가 임계값을 초과하면, 상기 시스템은 1311단계로 진행하여 시스템을 셧-다운한다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 시스템은 상기 전원 변조기만을 셧-다운시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기에서 과전압 출력으로부터의 보호 절차를 도시하고 있다.
상기 도 14를 참고하면, 시스템은 1401단계에서 전원 변조기의 정상 동작 중 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱한다. 이를 위해, 상기 시스템의 상기 전원 변조기는 전류 센서 및 전압 센서 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
이어, 상기 시스템은 1403단계로 진행하여 상기 센싱 결과를 이용하여 전원 변조기 출력의 과전압이 발생하는지 판단한다. 상기 출력의 과전압은 상기 전원 변조기의 출력단의 전압이 출력 전압의 제한(regulation) 범위를 초과하는 현상을 의미한다. 예를 들어, 상기 전원 변조기의 출력단의 전압이 기준치를 초과하는 경우, 상기 시스템은 상기 출력의 과전압의 발생을 판단한다.
상기 출력의 과전압이 발생하면, 상기 시스템은 1405단계로 진행하여 상기 선형 레귤레이터 코어의 상기 상단 패스 트랜지스터를 차단하고, SMPS 코어의 상단 스위치를 턴-오프한다. 상기 상단 패스 트랜지스터를 차단하기 위해, 상기 시스템은 상기 상단 패스 트랜지스터의 게이트를 풀-업할 수 있다. 이에 따라, 상기 선형 레귤레이터 코어 및 상기 SMPS 코어로부터 부하로 공급되는 과전류는 차단되고, 출력 전압이 하강한다. 단, 상기 도 14에 도시되지 아니하였으나, 상기 SMPS 코어의 인덕터에 남은 전류의 프리 휠링(free wheeling)을 위하여, 상기 시스템은 상기 선형 레귤레이터 코어의 하단 패스 트랜지스터 및 상기 SMPS 코어의 하단 스위치를 온 상태로 유지할 수 있다.
이후, 상기 시스템은 1407단계로 진행하여 상기 출력의 과전압에 대응되는 이벤트 카운터를 1 증가시킨다. 상기 이벤트 카운터는 상기 출력의 과전압 현상이 발생한 횟수를 카운팅하기 위한 것으로서, 전원 변조기의 영구적 고장을 판단하기 위해 사용된다. 이어, 상기 시스템은 1409단계로 진행하여 상기 이벤트 카운트가 임계값을 초과하는지 판단한다. 다시 말해, 상기 시스템은 미리 정의된 횟수를 초과하여 상기 출력의 과전압 상황이 발생하였는지 판단한다.
만일, 상기 이벤트 카운트가 임계값 이하이면, 상기 시스템은 상기 1401단계로 되돌아간다. 반면, 상기 이벤트 카운트가 임계값을 초과하면, 상기 시스템은 1411단계로 진행하여 시스템을 셧-다운한다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 시스템은 상기 전원 변조기만을 셧-다운시킬 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조기에서 동작 중 유입 전류, 과열, 배터리 저전압/고전압으로부터의 보호 절차를 도시하고 있다.
상기 도 15를 참고하면, 시스템은 1501단계에서 전원 변조기의 정상 동작 중 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱한다. 이를 위해, 상기 시스템의 상기 전원 변조기는 전류 센서 및 전압 센서 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
이어, 상기 시스템은 1503단계로 진행하여 상기 센싱 결과를 이용하여 과열, 배터리 저전압/고전압, 선형 레귤레이터 코어의 전원이 기준 전압 값 이하로 하강 중 적어도 하나의 현상이 발생하는지 판단한다. 상기 과열 여부를 판단하기 위해, 상기 전원 변조기는 온도 센서를 구비할 수 있다. 상기 배터리 저전압/고전압을 판단하기 위해, 상기 전원 변조기는 배터리 센서를 구비할 수 있다. 상기 선형 레귤레이터 코어의 전원의 전압을 센싱하기 위해, 상기 전원 변조기는 상기 선형 레귤레이터 코어의 전원에 연결된 전압 센서를 구비할 수 있다.
상기 과열, 상기 배터리 저전압/고전압, 상기 선형 레귤레이터 코어의 전원이 기준 전압 값 이하로 하강 중 적어도 하나의 현상이 발생하면, 상기 시스템은 1505단계로 진행하여 시스템을 셧-다운한다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 시스템은 상기 전원 변조기만을 셧-다운시킬 수 있다. 단, 상기 도 15에 도시되지 아니하였으나, 상기 시스템은 상기 전원 변조기 내부에 잔존하는 전류의 프리 휠링을 위한 프리 휠링 경로를 일정 시간 동안 제공할 수 있다.
상기 도 11 내지 상기 도 15를 참고하여 설명한 전원 변조기의 스트레스 인지 및 보호 동작들은 각자 별도로 실시될 수 있고, 적어도 2개의 절차가 동시에 실시 될 수 있다. 상기 도 11 내지 상기 도 15의 절차가 모두 수행되는 경우, 최초 시스템 전원 인가 시 상기 도 11의 절차가 수행되며, 이후 상기 전원 변조기가 동작하는 동안 상기 도 12 내지 상기 도 15의 절차들 각각이 병렬적으로 수행된다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 전원 변조기의 전류 파형을 도시하고 있다. 상기 도 16은 상기 도 4와 같은 구조의 전원 변조기를 모의 실험한 결과이다. 상기 모의 실험에서, 본 발명은 LTE(Long Term Evolution) 10MHz 신호의 진폭(amplitude) 정보로 전원을 변조하는 중 부하 단락(short-load)이 발생한 경우를 가정하였다. 검정색 파형은 부하로 공급되는 전류 중 상기 SMPS 코어가 공급하는 양을, 회색 파형은 부하로 공급되는 전류 중 선형 레귤레이터 코어가 공급하는 양을 나타낸다.
상기 도 16을 참고하면, 약 300㎲ 시점에서 발생한 부하 단락에 의해 선형 레귤레이터 코어의 전류가 가장 빠르게 반응하여 1A 정도 크기의 과전류를 출력하였고, 상단 패스 트랜지스터 Mp의 게이트 풀-업에 의해 상기 선형 레귤레이터 코어로부터의 과전류는 차단되었다. 상기 선형 레귤레이터 코어의 전류 차단 시, 상단 스위치도 오프 상태로 유지됨으로써, SMPS 코어로부터의 전류 공급도 차단되었다. 하지만, 잔존 SMPS 전류는 하단 스위치를 프리 휠링에 의하여 서서히 감소하고 있다. 이후, 상단 패스 트랜지스터 Mp의 게이트 풀-업이 해제되면, 상기 과전류가 다시 상기 선형 레귤레이터 코어로부터 출력되고, 나머지 과정들이 반복된다. 각 과정은 약 1.5㎲의 짧은 주기로 반복되고 있으며, 상기 선형 레귤레이터 코어로부터의 펄스(pulse) 과전류 출력이 16번 연속 반복 나타났다. 과전류 상황의 반복 발생으로 인해, 상기 상단 패스 트랜지스터 Mp의 게이트는 영구적으로 풀-업되었으며, 상단 스위치 또한 영구히 오프되었다. 이로 인해, 상기 전원 변조기는 셧-다운(shut-down)되었다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (34)

  1. 변조된 전원 신호의 전류를 생성하는 SMPS(Switching Mode Power Supplier)및 상기 SMPS에서 생성된 전류의 부족량을 보충하는 공급(sourcing) 전류 및 과잉량을 제거하는 감쇄(sinking) 전류를 생성하는 선형 레귤레이터를 포함하는 하이브리드(hybrid) 전원 변조기 장치에 있어서,
    상기 전원 변조기 회로 내의 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 적어도 하나의 센싱부; 및
    상기 센싱 결과가 나타내는 적어도 하나의 전기적 스트레스 상황에 대응되는 보호 조치를 수행하는 적어도 하나의 동작부를 포함하며,
    상기 보호 조치는 상기 적어도 하나의 전기적 스트레스 상황에 대응되는 상기 적어도 하나의 지점을 흐르는 전류의 차단을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스트레스 상황은,
    상기 SMPS의 전원으로부터 상기 선형 레귤레이터 코어의 전원을 향해 흐르는 유입 전류 상황, 상기 전원 변조기의 출력단에 연결된 부하의 부하 단락에 의한 과잉 전류 상황, 상기 전원 변조기의 출력단에 연결된 부하의 부하 개방에 의한 과잉 전류 상황, 상기 전원 변조기 출력의 과잉 전압 상황, 과열 상황, 배터리의 저전압/고전압 상황 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센싱부는, 상기 선형 레귤레이터의 전원 전압을 센싱함으로써 상기 유입 전류 상황을 인지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 시스템 전원 인가 후, 상기 선형 레귤레이터의 전원 전압이 기준 전압 값에 도달하기 전까지, 상기 전원 변조기를 오프 상태로 강제(force)하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 시스템 전원 인가 후, 상기 선형 레귤레이터의 전원 전압이 기준 전압 값에 도달하기 전까지, 상기 유입 전류가 통과하는 적어도 하나의 트랜지스터의 전류 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랜지스터는, 상기 선형 레귤레이터의 전원에 연결된 트랜지스터, 상기 SMPS의 전원에 연결된 스위치 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 기준 전압 값은, 상기 SMPS의 전원 전압인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센싱부는, 상기 선형 레귤레이터의 전원에 연결된 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱함으로써 상기 부하 단락에 의한 과전류 상황을 인지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 상기 트랜지스터에 흐르는 전류가 과전류 기준 값을 초과하면, 상기 트랜지스터에 흐르는 전류 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 상기 트랜지스터에 흐르는 전류가 과전류 기준 값을 초과하면, 상기 SMPS의 전원에 연결된 스위치 트랜지스터를 턴-오프하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센싱부는, 상기 선형 레귤레이터의 출력단 및 그라운드 사이에 연결된 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱함으로써 상기 부하 개방에 의한 과전류 상황을 인지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 상기 트랜지스터에 흐르는 전류가 과전류 기준 값을 초과하면, 상기 출력단 및 상기 그라운드를 바이패스하는 우회 경로를 활성시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센싱부는, 상기 전원 변조기의 출력단의 전압을 센싱함으로써 상기 과잉 전압 상황을 인지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 상기 출력단의 전압이 과잉 전압 기준 값을 초과하면, 상기 SMPS의 전원에 연결된 스위치 트랜지스터를 턴-오프하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 상기 출력단의 전압이 과잉 전압 기준 값을 초과하면, 상기 선형 레귤레이터의 전원에 연결된 트랜지스터에 흐르는 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 상기 적어도 하나의 스트레스 상황이 미리 정의된 횟수만큼 반복하여 발생하면, 상기 전원 변조기를 셧-다운하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센싱부의 센싱 결과에 대응하는 명령 논리 신호를 생성하는 논리부와,
    상기 명령 논리 신호를 상기 적어도 하나의 작동부에서 인지 가능한 전기적 레벨의 신호로 변환하는 버퍼부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 변조된 전원 신호의 전류를 생성하는 SMPS(Switching Mode Power Supplier)및 상기 SMPS에서 생성된 전류의 부족량을 보충하는 공급(sourcing) 전류 및 과잉량을 제거하는 감쇄(sinking) 전류를 생성하는 선형 레귤레이터를 포함하는 하이브리드(hybrid) 전원 변조기의 동작 방법에 있어서,
    상기 전원 변조기 회로 내의 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 과정과,
    상기 센싱 결과가 나타내는 적어도 하나의 전기적 스트레스 상황에 대응되는 보호 조치를 수행하는 과정을 포함하며,
    상기 보호 조치는 상기 적어도 하나의 전기적 스트레스 상황에 대응되는 상기 적어도 하나의 지점을 흐르는 전류의 차단을 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스트레스 상황은,
    상기 SMPS의 전원으로부터 상기 선형 레귤레이터의 전원을 향해 흐르는 유입 전류 상황, 상기 전원 변조기의 출력단에 연결된 부하의 부하 단락에 의한 과잉 전류 상황, 상기 전원 변조기의 출력단에 연결된 부하의 부하 개방에 의한 과잉 전류 상황, 상기 전원 변조기 출력의 과잉 전압 상황, 과열 상황, 배터리의 저전압/고전압 상황 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 과정은,
    상기 선형 레귤레이터의 전원 전압을 센싱함으로써 상기 유입 전류 상황을 인지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 작동부는, 시스템 전원 인가 후, 상기 선형 레귤레이터의 전원 전압이 기준 전압 값에 도달하기 전까지, 상기 전원 변조기를 오프 상태로 강제(force)하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 보호 조치를 수행하는 과정은,
    시스템 전원 인가 후, 상기 선형 레귤레이터의 전원 전압이 기준 전압 값에 도달하기 전까지, 상기 유입 전류가 통과하는 적어도 하나의 트랜지스터의 전류 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랜지스터는, 상기 선형 레귤레이터의 전원에 연결된 트랜지스터, 상기 SMPS의 전원에 연결된 스위치 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 기준 전압 값은, 상기 SMPS의 전원 전압인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 과정은,
    상기 선형 레귤레이터의 전원에 연결된 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱함으로써 상기 부하 단락에 의한 과전류 상황을 인지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 보호 조치를 수행하는 과정은,
    상기 트랜지스터에 흐르는 전류가 과전류 기준 값을 초과하면, 상기 트랜지스터에 흐르는 전류 차단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 보호 조치를 수행하는 과정은,
    상기 트랜지스터에 흐르는 전류가 과전류 기준 값을 초과하면, 상기 SMPS의 전원에 연결된 스위치 트랜지스터를 턴-오프하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제19항에 있어서,
    상기 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 과정은,
    상기 선형 레귤레이터의 출력단 및 그라운드 사이에 연결된 트랜지스터에 흐르는 전류를 센싱함으로써 상기 부하 개방에 의한 과전류 상황을 인지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 보호 조치를 수행하는 과정은,
    상기 트랜지스터에 흐르는 전류가 과전류 기준 값을 초과하면, 상기 출력단 및 상기 그라운드를 바이패스하는 우회 경로를 활성시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제19항에 있어서,
    상기 미리 정의된 적어도 하나의 지점에서 전류 및 전압 중 적어도 하나를 센싱하는 과정은,
    상기 전원 변조기의 출력단의 전압을 센싱함으로써 상기 과잉 전압 상황을 인지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 보호 조치를 수행하는 과정은,
    상기 출력단의 전압이 과잉 전압 기준 값을 초과하면, 상기 SMPS의 전원에 연결된 스위치 트랜지스터를 턴-오프하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 보호 조치를 수행하는 과정은,
    상기 출력단의 전압이 과잉 전압 기준 값을 초과하면, 상기 선형 레귤레이터의 전원에 연결된 트랜지스터에 흐르는 전류를 차단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제19항에 있어서,
    상기 보호 조치를 수행하는 과정은,
    상기 적어도 하나의 스트레스 상황이 미리 정의된 횟수만큼 반복하여 발생하면, 상기 전원 변조기를 셧-다운하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센싱부의 센싱 결과에 대응하는 명령 논리 신호를 생성하는 과정과,
    상기 명령 논리 신호를 상기 적어도 하나의 작동부에서 인지 가능한 전기적 레벨의 신호로 변환하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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