KR101893492B1 - 스위치 모드 파워 변환기에서의 아날로그 궤환 루프의 적응형 디지털 변형 - Google Patents

스위치 모드 파워 변환기에서의 아날로그 궤환 루프의 적응형 디지털 변형 Download PDF

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Abstract

동작 시 동적 성능을 개선하기 위해 부궤환 보상을 적용하는 아날로그 폐 루프 부궤환 시스템이 개시된다. 디지털 지원과 더불어 순수한 아날로그 제어 루프를 사용하면 디지털 제어의 융통성이 있게 되고 아날로그 제어 루프의 속도 및 간결성이 제공된다. 보상을 적용하면 시스템이 모든 DC 동작점들에서 (1) 폐루프 제어에 대한 컨버터의 안정성의 마진, 및 (2) 입력 전압 및/또는 출력 전류에서의 변동에 대한 주파수 영역 및 시간 영역 응답을 정확하게 예견하고 조정할 수 있게 된다. 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들 및 디지털적으로 제어된 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)들은 아날로그 폐루르 부궤환 시스템의 동작 파라미터들을 동적으로 변경하는데 사용된다. 부궤환 시스템은 스위치 모드 전원 장치(SMPS)일 수 있다.

Description

스위치 모드 파워 변환기에서의 아날로그 궤환 루프의 적응형 디지털 변형{ADAPTIVE DIGITAL MODIFICATION OF ANALOG FEEDBACK LOOP IN SWITCH-MODE POWER CONVERTER}
본 출원은 Scott Dearborn, Terry L. Cleveland와 Califford Ellison Ⅲ의 발명의 명칭이 "적응형 집적 아날로그 제어 시스템 보상(Adaptive Integrated Analog Control System Compensation)"인 2010년 12월 29일 출원된 미국 가 출원 번호 61/427,912의 우선권의 이익을 주장하고 그 전체 내용을 여기에서 참조하기로 한다.
본 발명은 폐 루프 아날로그 부궤환 시스템에 관한 것으로, 특히 폐 루프 아날로그 부궤환 시스템의 동작 조건에 대한 적응적 보상에 관한 것이다.
폐 루프 아날로그 부궤환 시스템은 전압 원과 같은 에너지 원에 결합되고, 전력 부하의 범위에 걸쳐서 다른 형태 또는 유용한 에너지 예를 들어 다른 전압 및 전류를 생성하는 많은 응용분야 예를 들어 파워 변환 시스템에 사용되는데 이에만 한정되는 것은 아니다. 폐 루프 아날로그 부궤환 시스템은 일반적으로 최선으로 타협안이 되고 일부 또는 대부분의 다른 동작 조건에서 최적이 될 수 없는 어떤 범위의 다른 동작 조건들에서의 동작을 위해 최적이 된다. 따라서 동적 성능 즉, 과도 응답 등은 아날로그 설계에서 이용할 수 있는 제한되고 고정된 선택으로 인해 차선이 될 수밖에 없다.
일반적인 의미로, 파워 변환 시스템에서 파워 컨버터는 하나의 에너지 형태를 다른 에너지 형태로 연속적으로 변환하는 장치로서 정의될 수 있다. 파워 시스템이 그의 변환 기능을 수행하는 동안 상기와 같은 파워 시스템 내에서의 에너지의 저장 및 손실은 일반적으로 에너지 이동(energy translation)의 과정과 동일하다. 비용, 신뢰성, 복잡성 및 효율과 같은 변화의 정도는 있지만, 이러한 기능을 제공할 수 있는 많은 타입의 장치들이 있다.
파워 변환을 위한 메커니즘은 그 성격에 있어서 기계적인, 전기적인 또는 화학적인 처리의 형태와 같이 많은 기본적인 형태를 가질 수 있다. 여기에서는 인덕터, 커패시터, 트랜스포머, 스위치 및 저항을 포함한 제한된 세트의 부품을 이용하여 전기적으로 그리고 동적인 방식으로 에너지 이동을 수행하는 파워 컨버터에 중점을 둔다. 이들 회로 부품들이 접속되는 방식은 소정의 파워 이동에 의해 결정된다. 저항은 바람직하지 않은 파워 손실을 발생한다. 고 효율은 일반적으로 대부분의 응용에 있어서 최우선의 요구이므로, 저항 회로 요소는 주 파워 제어 경로에서 제거되거나 또는 최소화되어야 한다. 드문 경우이긴 해도 그리고 아주 특수한 이유로 주 파워 제어 경로에 파워(전력) 소모 저항이 도입된다. 시퀀스, 모니터 및 토탈 시스템의 제어 전자 회로와 같은 보조 회로에서, 고저항 값의 저항기들이 흔하게 사용되는데 이는 그 손실 영향이 일반적으로 미미하기 때문이다.
여기서는 이 부분에 주안점을 두고 DC-DC 스위치 모드 파워 컨버터를 기초로 인덕터의 동적 성능에 대해 기술한다. 동적인 동작은 스위치 모드 파워 컨버터의 4 가지의 중요한 특징 즉 1) 궤환 루프의 안정성, 2) 입력 전압 리플의 제거와 입력 전압 변동에 대해 밀접하게 관련된 과도 응답(transient response), 3) 출력 임피던스 및 부하 변동에 대해 밀접하게 관련된 과도 응답, 및 4) 입력 EMI 필터와의 호환성을 직접적으로 결정하거나 또는 영향을 미친다.
스위치 모드 파워 컨버터 동작의 복잡성으로 인해, 이 컨버터의 동적인 동작을 예견하고, 그 전체적인 동작 조건들에 걸쳐 동적인 동작을 보상하는 것은 항상 용이한 일은 아니다. 정확한 예견을 하지 않고, 단지 회로 설계에 따라서 그리고 동작이 만족될 때 까지 부품의 성능실험을 반복하면, 설계비용이 쉽게 단계적으로 상승할 수 있으며, 스케줄이 누락될 수 있고, 최종 설계 해결책이 드물게 최적화된다.
따라서 폐 루프 부궤환 시스템에서 동작 조건들에 보상을 동적으로 적용하기 위한 능력이 필요하다.
일 실시예에 따르면, 스위치 모드 전원 장치(SMPS; switch-mode power supply)는, 전압원에 결합된 적어도 하나의 파워 스위치; 상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 파워 인덕터; SMPS의 조정된 전압 출력을 제공하는 상기 파워 인덕터의 부하측에 결합된 필터 커패시터; 상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 적어도 하나의 드라이버; 상기 적어도 하나의 드라이버에 결합된 적어도 하나의 출력을 가지며, 상기 적어도 하나의 드라이버를 제어하는 펄스 폭 변조(PWM) 발생기- 상기 PWM 발생기의 상기 적어도 하나의 출력은 복수의 펄스들을 포함하는 적어도 하나의 PWM 신호를 제공함-; 메모리를 구비하는 디지털 프로세서; 기준 전압에 결합된 제1 입력, 상기 SMPS의 조정 전압 출력에 결합된 제2 입력, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력을 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA); 상기 제1 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력, 전류 기준단자에 결합된 전류 기준 입력 및 상기 디지털 프로세서의 출력으로부터 전류 값을 제어하는 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력들을 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(current digital-to-analog converter; IDAC); 출력에 결합된 제1 입력, 상기 SMPS의 조정 전압 출력의 공통 단자에 결합된 제2 입력 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력을 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA); 상기 제2 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력, 전류 기준 단자에 결합된 전류 기준 입력, 및 상기 디지털 프로세서의 출력 값으로부터 전류 값을 제어하는 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력들을 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC); 상기 제1 및 제2 OTA들의 출력들 사이에 결합된 제1 커패시터; 및 상기 제1 OTA의 출력과 상기 SMPS의 조정된 전압 출력의 공통 단자 사이에 결합된 제2 커패시터를 포함하고; 상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 IDAC들의 출력을 통해 상기 제1 및 제2 OTA들의 트랜스컨덕턴스를 변화시킴으로써 상기 SMPS의 아날로그 부궤환 동작을 최적화한다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 파워 스위치는 적어도 하나의 파워 트랜지스터이다. 추가의 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터는 적어도 하나의 파워 금속 산화 반도체(MOS) 전계 효과 트랜지스터(FET)이다. 추가의 실시예에 따르면, 통신 인터페이스가 디지털 프로세서에 결합된다. 추가의 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서 및 메모리는 마이크로컨트롤러를 포함한다. 추가의 실시예에 따르면, 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램가능 논리 어레이(PLA) 및 ASIC(application specific integrated circuit)으로 된 그룹 중에서 선택된다.
또 하나의 실시예에 따르면, 스위치 모드 전원 장치(SMPS; switch-mode power supply)는, 전압원에 결합된 파워 스위치; 제1 파워 스위치와 전압 소스 리턴 단자 사이에 결합된 제2 파워 스위치; 상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 파워 인덕터; SMPS의 조정된 전압 출력을 제공하는 상기 파워 인덕터의 부하측에 결합된 필터 커패시터; 상기 제1 파워 스위치에 결합된 제1 드라이버; 상기 제2 파워 스위치에 결합된 제2 드라이버; 상기 제1 및 제2 드라이버에 결합된 제1 및 제2 출력들을 가지며, 상기 제1 및 제2 드라이버들을 각각 제어하는 펄스 폭 변조(PWM) 발생기- 상기 PWM 발생기의 상기 제1 및 제2 출력은 각기 복수의 펄스들을 포함하는 제1 및 제2 PWM 신호를 제공함-; 메모리를 구비하는 디지털 프로세서; 기준전압에 결합된 제1 입력, 상기 SMPS의 조정 전압 출력에 결합된 제2 입력, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력을 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA);상기 제1 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력, 전류 기준단자에 결합된 전류 기준 입력 및 상기 디지털 프로세서의 출력으로부터 전류 값을 제어하는 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력들을 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(current digital-to-analog converter; IDAC); 출력에 결합된 제1 입력, 상기 SMPS의 조정 전압 출력의 공통 단자에 결합된 제2 입력 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력을 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA); 상기 제2 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력, 전류 기준 단자에 결합된 전류 기준 입력, 및 상기 디지털 프로세서의 출력 값으로부터 전류 값을 제어하는 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력들을 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC); 상기 제1 및 제2 OTA들의 출력들 사이에 결합된 제1 커패시터; 및 상기 제1 OTA의 출력과 상기 SMPS의 조정된 전압 출력의 공통 단자 사이에 결합된 제2 커패시터를 포함하고; 상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 IDAC들의 출력을 통해 상기 제1 및 제2 OTA들의 트랜스컨덕턴스를 변화시킴으로써 상기 SMPS의 아날로그 부궤환 동작을 최적화한다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 파워 스위치들은 적어도 하나의 파워 트랜지스터이다. 추가의 실시예에 따르면, 상기 파워 트랜지스터들은 파워 금속 산화 반도체(MOS) 전계 효과 트랜지스터(FET)이다. 추가의 실시예에 따르면, 통신 인터페이스가 디지털 프로세서에 결합된다. 추가의 실시예에 따르면, 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램가능 논리 어레이(PLA) 및 ASIC(application specific integrated circuit)으로 된 그룹 중에서 선택된다.
또 하나의 실시예에 따르면, 디지털적으로 선택가능한 파라미터들을 갖는 폐루프 아날로그 부궤환 회로를 이용하는 파워 변환 시스템은, 기준전압에 결합된 제1 입력, 상기 파워 변환 시스템의 출력 전압에 결합된 제2 입력, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력을 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA); 상기 제1 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력, 전류 기준단자에 결합된 전류 기준 입력 및 상기 디지털 프로세서의 출력으로부터 전류 값을 제어하는 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력들을 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(current digital-to-analog converter; IDAC); 출력에 결합된 제1 입력, 전압 공급 공통 단자에 결합된 제2 입력 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력을 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA); 상기 제2 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력, 전류 기준 단자에 결합된 전류 기준 입력, 및 상기 디지털 프로세서의 출력 값으로부터 전류 값을 제어하는 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력들을 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC); 상기 제1 및 제2 OTA들의 출력들 사이에 결합된 제1 커패시터; 및 상기 제1 OTA의 출력과 상기 전압 공급 공통 단자 사이에 결합된 제2 커패시터를 포함하고; 상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 IDAC들의 출력을 통해 상기 제1 및 제2 OTA들의 트랜스컨덕턴스를 변화시킴으로써 상기 SMPS의 아날로그 부궤환 동작을 최적화한다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 통신 인터페이스가 디지털 프로세서에 결합된다. 추가의 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서 및 메모리를 마이크로컨트롤러를 포함한다. 추가의 실시예에 따르면, 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램가능 논리 어레이(PLA) 및 ASIC(application specific integrated circuit)으로 된 그룹 중에서 선택된다.
또 다른 하나의 실시예에 따르면, 디지털적으로 선택가능한 파라미터들을 갖는 폐루프 아날로그 부궤환 회로를 이용하는 파워 변환 방법은, 기준전압에 결합된 제1 입 및 상기 파워 변환 시스템의 출력 전압에 결합된 제2 입력을 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA)의 트랜스컨덕턴스를 제어하는 단계; 상기 제1 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력 및 전류 기준단자에 결합된 전류 기준 입력을 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(current digital-to-analog converter; IDAC)의 전류 값을 제어하는 단계; 출력에 결합된 제1 입력 및 전압 공급 공통 단자에 결합된 제2 입력 을 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 트랜스컨덕턴스를 제어하는 단계; 상기 제2 OTA의 전류 입력에 결합된 아날로그 출력 및 전류 기준 단자에 결합된 전류 기준 입력을 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)의 전류 값을 제어하는 단계; 상기 제1 및 제2 OTA들의 출력들 사이에 제1 커패시터를 결합하는 단계; 상기 제1 OTA의 출력과 상기 전압 공급 공통 단자 사이에 제2 커패시터를 결합하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 IDAC들의 출력을 통해 상기 제1 및 제2 OTA들의 트랜스컨덕턴스를 변화시킴으로써 상기 SMPS의 아날로그 부궤환 동작을 최적화하는 단계를 포함한다.
추가의 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 OTA들의 트랜스컨덕턴스 및 상기 제1 및 제2 IDAC들의 전류 값들은 디지털 프로세서 및 메모리에 의해 제어된다. 추가의 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서 및 메모리는 마이크로컨트롤러를 포함한다. 추가의 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램가능 논리 어레이(PLA) 및 ASIC(application specific integrated circuit)으로 된 그룹 중에서 선택된다.
본 발명에 의하면, 폐 루프 부궤환 시스템에서 동작 조건들에 보상을 동적으로 적용하기 위한 능력을 갖게 된다.
도 1은 기본 전압 조정 시스템의 개략 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전압 조정 시스템의 보다 상세한 개략 블록도이다.
도 3은 동기 버크(synchronous buck) 스위치 모드 전원 장치로서 구현된 도 2에 도시한 회로들의 개략도이다.
도 4는 아날로그 제어 루프의 에러 증폭기에 대한 종래 기술의 보상d의 개략도이다.
도 5는 아날로그 제어 루프의 에러 증폭기에 대한 다른 종래 기술의 보상의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 교시에 따른 적응형 아날로그 제어 루프 에러 증폭기의 개략 블록도이다.
도 7은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른 적응형 아날로그 제어 루프 에러 증폭기의 개략 블록도이다.
도 8은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른 도 7의 적응형 아날로그 제어 루프 에러 증폭기를 이용하는 제어 회로의 개략 블록도이다.
첨부한 도면과 관련된 다음의 설명을 참조하면 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 수정물 및 대체 형태가 가능하지만, 특정 실시예들이 도면에 도시되고 여기에 상세히 설명되었다. 하지만, 특정 실시예들의 설명은 본 발명을 여기에 개시된 특정 형태로 한정하려는 것이 아니고, 반대로, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정된 모든 수정물 및 등가물을 포함하려 한다.
폐 루프 부궤환 시스템에 대한 동적 적응 보상 능력을 가지면 부궤환 시스템은 그 동작 중에 동적 성능을 개선한다. 이 능력은 또한 신뢰성 및 성능의 개선과 더불어 작고 고도로 집적된 설계 결과를 가져온다. 디지털 지원과 더불어 순수한 아날로그 제어 루프를 사용함으로써, 본 개시의 교시에 따라 디지털 설계 솔루션의 수용성과 연계된 아날로그 설계 솔루션의 속도와 간결성을 제공한다. 보상을 적용함으로써 시스템은 모든 DC 동작점에서 (1) 폐루프 발진에 대한 컨버터의 안정성 마진, 및 (2) 입력 및/또는 출력 전류에서의 변동에 대한 주파수 영역 및 시간 영역 응답을 정확하게 예견하고 조정할 수 있게 된다.
혼합 신호(아날로그 및 디지털) 집적 회로 디바이스는 폐루프 부궤환 시스템에서 디지털 지원과 더불어 아날로그 제어 루프를 구현하는데 이용될 수 있다. 본 개시의 교시에 따르면, 폐 루프 부궤환 시스템에서의 보상이 다른 동작 조건에 동적으로 적용될 수 있어서 이들 다른 동작 조건들에서 시스템의 동적인 성능을 개선한다. 따라서 완전하게 집적된 설계를 이용하여 동적 성능을 개선할 수 있다. 이는 특히 강인성 전원 장치 설계 예를 들어, 요구되는 시스템 요건과 용이하게 부합하는 신뢰성과 과도 응답(transient response)이 향상된 스위치 모드 전원 장치(SMPS)에 특히 장점이 된다. 또한, 상기 전원 장치의 파워 트레인 부품에 대한 설계가 적어지면 작고 낮은 비용의 결과물을 얻게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호로 나타내고, 유사한 구성요소는 아래첨자를 달리하여 동일한 부호로 나타낸다.
도 1을 참조하면, 기본 전압 조정 시스템의 개략 블록도가 도시된다. 파워 시스템(102)은 예를 들어, 비제어(uncontrolled) 전압(또는 전류, 또는 전력) 원의 입력이 파워 시스템(102)의 입력에 인가되는 기본 스위치 모드 파워 컨버터는 그 출력에서 전압(또는 전류, 또는 전력)이 아주 잘 제어될 것이다. 출력 제어의 기본은 출력을 임의 형태의 기준값과 비교하는 것이며, 상기 출력과 기준 값 사이의 편차는 에러가 된다. 부궤환 제어 시스템에서, 부궤환(negative feedback)이 시스템이 필요로 하는 제로에 가까운 수용할만한 값으로 상기 에러 값을 저감하는데 사용된다. 일반적으로는 에러는 신속하게 저감시키는 것이 바람직하지만, 부궤환 제어에서는 시스템 응답과 시스템 안정성 사이에 트레이드 오프(trade-ff)가 고유하게 존재한다. 부궤환 네트워크가 더 응답적일수록 불안정성의 위험은 더 커진다.
이 시점에서, 다른 제어 방법- 정궤환(feed forward) 제어가 있다는 것을 언급해야 할 것 같다. 정궤환 제어에서는 제어 신호가 입력 변화 또는 섭동(攝動;perturbation)에 응답하여 바로 발생된다. 정궤환은 출력 감지가 관련되지 않기 때문에 부궤환 보다 덜 정확하지만, 출력 에러 신호가 출현하는 것을 기다리는 대기 지연(delay)이 없으며, 정궤환 제어는 불안정성을 유발할하지 않는다. 정궤환 제어가 전형적으로 전압 조정기에 대한 유일한 제어 방법으로서 적합하지 않다는 것은 명백하지만, 정궤환 제어는 때로는 동적 입력 변화에 대한 조정기의 응답을 개선하기 위해 부궤환 제어와 함께 사용된다.
도 2를 참조하면, 도 1에 도시한 전압 조정 시스템의 보다 상세한 개략 블록도가 도시된다. 파워 시스템(102)은 두 개의 블록, 즉, 1)파워 회로(206) 및 2)제어 회로(208)로 분리된다. 파워 회로(206)는 파워 시스템 부하 전류를 처리하므로, 크고 강인하고(robust), 넓은 온도 변동을 받는다. 파워 회로의 스위칭 기능은 대부분의 안정성 분석에서 듀티 사이클을 갖는 단지 2 상태 스위치로서 정상적으로 시뮬레이트되는 대 신호 현상(large-signal phenomenon)으로 정의된다. 출력 필터(도시 않음) 또한 파워 회로(206)의 일부라고 생각되지만, 선형 블록이라고 생각할 수 있다. 제어 회로(208)는 일반적으로 파워 스위치들의 듀티 사이클을 정의하는데 사용되는 이득 블록, 에러 증폭기 및 펄스 폭 변조기로 구성된다. 본 발명의 개시에 따르면, 제어 회로(208)는 소정의 출력값 VOUT을 유지하면서 파워 시스템(102)에서의 외란(外亂; disturbance)에 응답하도록 최적화된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 특정 예시의 실시예에 따른 스위치 모드 전원 장치(SMPS)로서 실시된 도 2에 도시한 파워 회로의 개략도가 도시된다. SMPS의 파워 회로(206)는 파워 소스(320) 예를 들어, 배터리로부터 전력(전압 및 전류)을 수신하며, 파워 인덕터(312), 각각의 고전력 및 저전력 파워 스위치(316 및 318)들, 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터들, 및 소정의 직류 (DC) 출력으로부터 교류(AC) 리플을 평활하기 위한 부하 커패시터(310)를 포함한다. 파워 회로(206)는 이하에서 보다 상세히 기술하는 바와 같이 제어 회로(208)에 접속되고, 이 제어 회로(208)에 의해 제어된다.
기울기 보상을 하면서 피크 전류 모드 제어를 이용하는 동기 버크 컨버터의 전달함수는 다음과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112013068834489-pct00001
여기서,
Figure 112013068834489-pct00002
는 전압 궤환 이득이고,
Figure 112013068834489-pct00003
는 기울기 보상 램프에 기인하는 이득 계수(gain factor)이다. 이 추가된 램프는 또한 전압 및 전류 루프 모두의 이득을 감소시키는 영향을 가지며, 여기서
Figure 112013068834489-pct00004
는 컨버터 스위칭 주파수이고,
Figure 112013068834489-pct00005
는 충격 사이클(duty cycle)이고,
Figure 112013068834489-pct00006
는 유효 전류 감지 저항 예를 들어 전류-저항 이득이다.
Figure 112013068834489-pct00007
는 출력 커패시턴스이고,
Figure 112013068834489-pct00008
은 출력 부하이고,
Figure 112013068834489-pct00009
는 시간영역으로부터 주파수 영역으로의 라플라스 변환이다.
Figure 112013068834489-pct00010
는 주파수 영역에서의 에러 증폭기 전달함수이다.
이 전달 함수는
Figure 112013068834489-pct00011
에서 최우위(dominant) 저 주파수 극을 가지며,
Figure 112013068834489-pct00012
에서 다른 고순위의 주파수 극을 갖는다.
상기 시스템은 기본적으로 1순위 시스템이고, 기울기 보상 램프에 기인하는(attributed to) 이득 계수는
Figure 112013068834489-pct00013
이다.
여기서, m1은 인덕터 전류 상승 기울기로서
Figure 112013068834489-pct00014
이며,
m2는 인덕터 전류 하강 기울기로서
Figure 112013068834489-pct00015
이며,
m3는 추가된 안정화 램프이다. 입력 전압과 관련된 이득 블록이 이론적으로는 제로 오디오 자기화율(susceptibility)
Figure 112013068834489-pct00016
에 대응하는 경우에 제로로 됨을 알 수 있을 것이다. 이는 D와 무관하며, 전술한 최소 필요요건 이상인
Figure 112013068834489-pct00017
의 최적의 기울기 보상 램프를 의미한다. 이 기울기 보상의 최적 량이 적용된다고 할 경우는 전달 함수는 모든
Figure 112013068834489-pct00018
의 경우에
Figure 112013068834489-pct00019
로 감소한다.
적응적 보상
전달함수에서 나타낸 바와 같이, 시스템은 출력 커패시터 및 출력 부하에 의해 결정된 최우위 극을 갖는 기본적인 1순위 시스템이다. 이득은 유효 전류 감지 저항 및 궤환 이득에 의해 영향을 받는다. 따라서 최적의 보상은 동작 조건에 따라 다르다. 다음의 용어들은 이하의 안정성 분석을 위해 정의된다.
이득 마진은 위상이 180에 도달했을 때 단위 이득과 실제 이득 사이의 차이이다. 바람직한 값은 -6dB 내지 -12 dB이다.
위상 마진은 이득이 단위 이득에 도달했을 때 180과 실제 위상 사이의 차이이다. 바람직한 값은 45 내지 60이다.
단위 이득 축을 교차할 때의 이득 응답의 기울기가 -6dB/옥타브 이하인 경우, 상기 위상 마진이 45이상이고, 상기 시스템이 안정화되는 안정성 기준은 상기 2개의 정의로부터 유도된 공통 사용 도함수이다.
도 4를 참조 하면, 아날로그 제어 루프에서 에러 증폭기에 대한 종래 기술의 보상에 대한 개략도가 도시된다. 이 에러 증폭기의 전달 함수는 다음과 같다.
Figure 112013068834489-pct00020
도 5를 참조하면, 아날로그 제어 루프에서 에러 증폭기에 대한 다른 종래 기술의 보상에 대한 개략도가 도시된다. 이 에러 증폭기의 전달 함수는 다음과 같다.
Figure 112013068834489-pct00021
도 4 및 도 5는 아날로그 제어 루프에서 에러 증폭이에 대한 고정 보상을 도시한다. 이 보상은 다른 동작 조건들에는 적용될 수 없다. 본 개시의 교시에 따르면, 최적의 안정성 및 동적 성능을 제공하기 위해 다른 동작 조건들에 보상이 적용된다.
도 6을 참조하면, 본 개시의 교시에 따라 동기 버크 컨버터에 적용되는 적응형 아날로그 보상회로의 개략도가 도시된다. 도 6에 도시한 비례 적분 보상의 전달 함수는 다음과 같다.
Figure 112013068834489-pct00022
본 개시의 교시에 따르면, 본 명세서에서 정의한 이득 마진, 위상 마진, 및 안정성 기준과 부합하기 위한 적응형 보상 절차는 다음과 같다.
이득 조정치 C1의 경우,
Figure 112013068834489-pct00023
여기서, 유니트 이득은
Figure 112013068834489-pct00024
이다.
제로 조정치 R1의 경우
Figure 112013068834489-pct00025
제로는 출력 커패시터와 출력 부하에 의해 결정된 최우위 극(dominant pole)의 상부에 위치한다. 제로는 저주파 이득을 증가시키고 “제로” DC 에러를 생성한다. 제로는 다른 동작 조건들에서 적용될 수 있다.
극 조정치 R2의 경우에,
Figure 112013068834489-pct00026
상기 극은 출력 커패시터 및 출력 커패시터 등가 직렬 저항 ESR에 의해 결정된 제로의 상부에 있다. 상기 극은 ESR의 리드 효과를 제거한다. 이러한 방식으로 동적 보상이 파워 변환 회로의 동작 조건들에 적용된다.
도 7을 참조하면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른 적응형 아날로그 제어 루프 에러 증폭기의 개략도가 도시된다. 에러 증폭기(702)는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(0TA)(704), 제2 OTA(706), 제1 전류 디지털-아날로그 변환기(IDAC)(708), 및 제2 IDAC(710)를 포함한다. 커패시터(C2 및 C3)가 포함되기는 하지만 제어불가능하다. 상기 제1 OTA(704)의 트랜스컨덕턴스는 제1 IDAC(708)으로부터의 정전류 출력으로 제어된다. 상기 제1 IDAC(708)의 아날로그 전류 출력은 디지털 프로세서(462)의 디지털 출력에 연결된 제1 IDAC(708)의 디지털 입력을 통해 메모리를 구비한 디지털 프로세서(462)(도 8)에 의해 제어된다. 상기 제2 OTA(706)의 트랜스컨덕턴스는 상기 제2 IDAC(710)의 출력으로부터의 정전류 출력으로 제어된다. 제2 IDAC(710)의 아날로그 전류 출력은 상기 디지털 프로세서(462)의 디지털 출력에 연결된 제2 IDAC(710)의 디지털 입력들을 통해 상기 메모리를 구비한 디지털 프로세서(462)에 의해 제어된다. 제1 및 제2 OTA(704 및 706)는 각기 그 트랜스컨덕턴스를 제어하는 차동 전압 입력들, 전류 출력 및 전류 입력을 포함한다. IDAC(708 및 710)은 또한 기준 전류단 IREF에 연결된다. 디지털 프로세서는 예를 들어 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램가능 논리 어레이(PLA), ASIS(Appliation Specific Integrated Circuit) 등으로 될 수 있지만, 이들로 한정되지는 않는다.
제1 OTA(704) 및 제2 IDAC(708)는 에러 증폭기(702)의 이득을 제어한다. 제2 OTA(706) 및 제2 IDAC(710)은 상기 에러 증폭기(702)의 제로의 위치를 제어한다. 시스템 이득 마진 및 위상 마진은 변화하는 동작 조건들에 적용될 수 있다. 이러한 방식으로, 디지털 프로세서(462)는 본 개시의 교시에 따라 폐 루프 시스템의 이득 마진, 위상 마진 및 안정성을 제어할 수 있다.
도 8은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른 도 7의 적응형 아날로그 제어 에러 증폭기를 이용하는 제어 회로의 개략 블록도를 도시한다. 제어 회로(208)는 도 3에 도시한 파워 회로(206)에 접속되어 있으며, 메모리를 구비한 디지털 프로세서(462) 예를 들어 마이크로컨트롤러, 기능 블록(464)으로 나타낸 데드밴드 로직(deadband logic)을 구비하는 하이 및 로우 스위치 드라이버들, 바이어스 발생기, 전류 및 전압 기준 회로(466)들, 부족 및 과전압 검출기(456)들, PWM 발생기(458), 과전류 검출기(454), 도 7에 도시한 에러 증폭기(702), 파워 인덕터 전류 측정 회로(450)를 그리고 선택적으로 통신 인터페이스(460)를 포함하고 있다. 통신 인터페이스(460)는 메모리를 구비한 디지털 프로세서(462)에 결합될 수 있으며, 동작을 모니터하고 및/또는 파라미터들을 변경하는데 사용될 수 있다.
기능 블록(464)의 하이 및 로우 스위치 드라이버들은 하이 및 로우 스위치(316 및 318)들에 결합되며, 상기 스위치들이 언제 턴온 및 턴 오프될지를 제어한다. 또한, 상기 기능 블록(464)의 데드밴드 로직은 상기 하이 및 로우 스위치(316 및 318)들이 동시에 온되는 것을 방지하며, 바람직하게 하이 및 로우 스위치(316 및 318) 모두가 오프되는 데드밴드가 있다. PWM 발생기(458)는 언제 그리고 얼마가 길게 파워 인덕터(312)가 전압 원(320)에 결합되고, 상기 전압 원(320)에 의해 충전되는지를 제어한다.
에러 증폭기(702)는 출력 전압 +Vsens를 측정하고, 그것을 전압 기준 회로(466)으로부터의 기준 전압VREF과 비교한다. 소정의 전압 값(Vref)과 SMPS 출력 전압 사이의 차이 나타내는 에러 증폭기(702)로부터의 에러 신호는 상기 PWM 발생기(458)의 에러 입력에 인가되며, 상기 PWM 발생기(458)는 그 펄스 파형 출력을 조정하여 그 차이를 최소화한다(폐루프 부궤환, 도 1 내지 3 참조). 상기 과전류 검출기(454)는 상기 파워 인덕터(312)로 흐르는 전류를 모니터하고, 상기 부족 및 과전압 검출기(456)들은 바람직하지 못한 예를 들어, 비정상인 조건들 예를 들어, 인덕터 전류가 허용가능한 설계 한계를 초과하고, 입력 전압이 설계 동작 입력 전압 범위 이상 또는 이하일 경우를 대비하여 SMPS에 걸리는 입력 전압을 모니터한다. 상기 파워 인덕터 전류 측정 회로(450)는 SMPS 파워 인덕터 전류를 측정한다. 상기 파워 인덕터 전류 측정 회로(450)는 상기 파워 인덕터(312)를 통하는 전류를 측정하기 위한 임의의 회로 및 방법 및/또는 회로가 사용될 수 있다고 예측되고, 또한 이것은 본 개시의 범위 내에 있으며 SMPS 시스템 설계 분야에서 통상의 지식을 갖고 본 개시의 이익을 갖는 당업자라면 그러한 전류 측정 회로를 구현할 수 있는 방법을 이해할 수 있을 것으로 생각된다. 여러가지 인덕터 전류 측정 회로가 2010년 12월 3일 출원되고 여기에서 그 전체를 참조로 하는 Scott Dearborn의 공동 소유의 미국 특허 출원 12/959,837에서 상세하게 설명될 것이다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 이러한 참조는 본 발명의 한정을 내포하지 않고 이러한 한정을 의미하지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야의 당업자에 의해 형태와 기능에 있어서 수정물, 대체물, 및 등가물이 고려될 수 있다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.

Claims (20)

  1. 스위치 모드 전원 장치(SMPS; switch-mode power supply)로서,
    전압원에 결합된 적어도 하나의 파워 스위치;
    상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 파워 인덕터;
    상기 스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 조정된 전압 출력을 제공하는, 상기 파워 인덕터의 부하측에 결합된 필터 커패시터;
    상기 적어도 하나의 파워 스위치에 결합된 적어도 하나의 드라이버;
    상기 적어도 하나의 드라이버에 결합된 적어도 하나의 출력부를 가지며 상기 적어도 하나의 드라이버를 제어하는 펄스 폭 변조(PWM) 발생기 - 상기 펄스 폭 변조(PWM) 발생기의 상기 적어도 하나의 출력부는 복수의 펄스들을 포함하는 적어도 하나의 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 제공함 -;
    메모리를 구비하는 디지털 프로세서;
    기준 전압부에 결합된 제1 입력부, 상기 스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 상기 조정된 전압 출력에 결합된 제2 입력부, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력부를 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier; OTA);
    상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상기 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부, 및 자신의 출력의 전류 값을 제어하기 위해 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력부들을 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(current digital-to-analog converter; IDAC);
    자신의 출력부에 결합된 제1 입력부, 상기 전압원의 그라운드부에 결합된 제2 입력부, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력부를 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA);
    상기 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상기 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 상기 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부, 및 자신의 출력의 전류 값을 제어하기 위해 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력부들을 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC);
    상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 출력부들 사이에 결합된 제1 커패시터; 및
    상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 출력부와 상기 전압원의 상기 그라운드부 사이에 결합된 제2 커패시터를 포함하고;
    상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)들을 통해 상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 트랜스컨덕턴스들을 변화시키는, 스위치 모드 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파워 스위치는 적어도 하나의 파워 트랜지스터인, 스위치 모드 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파워 트랜지스터는 적어도 하나의 파워 금속 산화막 반도체(MOS) 전계 효과 트랜지스터(FET)인, 스위치 모드 전원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서 및 메모리는 마이크로컨트롤러를 포함하는, 스위치 모드 전원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램 가능 로직 어레이(PLA) 및 주문형 반도체(ASIC)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 스위치 모드 전원 장치.
  7. 스위치 모드 전원 장치(SMPS)로서,
    전압원에 결합된 제1 파워 스위치;
    상기 제1 파워 스위치와 상기 전압원의 그라운드부 사이에 결합된 제2 파워 스위치;
    상기 제1 및 제2 파워 스위치들에 결합된 파워 인덕터;
    상기 스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 조정된 전압 출력을 제공하는, 상기 파워 인덕터의 부하측에 결합된 필터 커패시터;
    상기 제1 파워 스위치에 결합된 제1 드라이버;
    상기 제2 파워 스위치에 결합된 제2 드라이버;
    상기 제1 및 제2 드라이버들에 각각 결합되고 상기 제1 및 제2 드라이버들을 각각 제어하는 제1 및 제2 출력부들을 갖는 펄스 폭 변조(PWM) 발생기 - 상기 펄스 폭 변조(PWM) 발생기의 상기 제1 및 제2 출력부들은 제1 및 제2 펄스 폭 변조(PWM) 신호들을 제공하고, 상기 제1 및 제2 펄스 폭 변조(PWM) 신호들은 각각 복수의 펄스들을 포함함 -;
    메모리를 구비하는 디지털 프로세서;
    기준 전압부에 결합된 제1 입력부, 상기 스위치 모드 전원 장치(SMPS)의 상기 조정된 전압 출력에 결합된 제2 입력부, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력부를 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA);
    상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상기 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부, 및 자신의 출력의 전류 값을 제어하기 위해 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력부들을 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC);
    자신의 출력부에 결합된 제1 입력부, 상기 전압원의 상기 그라운드부에 결합된 제2 입력부, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력부를 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA);
    상기 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상기 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 상기 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부, 및 자신의 출력의 전류 값을 제어하기 위해 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력부들을 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC);
    상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 출력부들 사이에 결합된 제1 커패시터; 및
    상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 출력부와 상기 전압원의 상기 그라운드부 사이에 결합된 제2 커패시터를 포함하고;
    상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)들을 통해 상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 트랜스컨덕턴스들을 변화시키는, 스위치 모드 전원 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 파워 스위치들은 파워 트랜지스터들인, 스위치 모드 전원 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 파워 트랜지스터들은 파워 금속 산화막 반도체(MOS) 전계 효과 트랜지스터(FET)들인, 스위치 모드 전원 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하는 스위치 모드 전원 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서 및 메모리는 마이크로컨트롤러를 포함하는, 스위치 모드 전원 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램 가능 로직 어레이(PLA) 및 주문형 반도체(ASIC)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 스위치 모드 전원 장치.
  13. 디지털 방식으로 선택 가능한 파라미터들을 갖는 폐루프 아날로그 부궤환 회로를 이용하는 파워 변환 시스템으로서,
    메모리를 구비하는 디지털 프로세서;
    기준 전압부에 결합된 제1 입력부, 상기 파워 변환 시스템의 출력 전압에 결합된 제2 입력부, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력부를 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA);
    상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상기 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부, 및 자신의 출력의 전류 값을 제어하기 위해 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력부들을 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC);
    자신의 출력부에 결합된 제1 입력부, 전압원의 그라운드부에 결합된 제2 입력부, 및 트랜스컨덕턴스를 제어하는 전류 입력부를 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA);
    상기 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상기 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 상기 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부, 및 자신의 출력의 전류 값을 제어하기 위해 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 입력부들을 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC);
    상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 출력부들 사이에 결합된 제1 커패시터; 및
    상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 출력부와 상기 전압원의 상기 그라운드부 사이에 결합된 제2 커패시터를 포함하고;
    상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)들을 통해 상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 트랜스컨덕턴스들을 변화시키는, 파워 변환 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하는 파워 변환 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서 및 메모리는 마이크로컨트롤러를 포함하는, 파워 변환 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램 가능 로직 어레이(PLA) 및 주문형 반도체(ASIC)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 파워 변환 시스템.
  17. 디지털 방식으로 선택 가능한 파라미터들을 갖는 폐루프 아날로그 부궤환 회로를 이용하는 파워 변환 방법으로서,
    기준 전압부에 결합된 제1 입력부, 및 파워 변환 시스템의 출력 전압에 결합된 제2 입력부를 갖는 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 트랜스컨덕턴스를 제어하는 단계;
    상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 및 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부를 갖는 제1 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)의 전류 값을 제어하는 단계;
    자신의 출력부에 결합된 제1 입력부, 및 전압원의 그라운드부에 결합된 제2 입력부를 갖는 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 트랜스컨덕턴스를 제어하는 단계;
    상기 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 전류 입력부에 결합된 아날로그 출력부, 및 상기 전류 기준부에 결합된 전류 기준 입력부를 갖는 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)의 전류 값을 제어하는 단계;
    제1 커패시터를 상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 출력부들 사이에 결합시키는 단계;
    제2 커패시터를 상기 제1 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)의 출력부와 상기 전압원의 상기 그라운드부 사이에 결합시키는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)들을 통해 상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 트랜스컨덕턴스들을 변화시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)들의 트랜스컨덕턴스, 및 상기 제1 및 제2 전류 디지털-아날로그 컨버터(IDAC)들의 상기 전류 값들을 디지털 프로세서 및 메모리로 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서 및 메모리는 마이크로컨트롤러를 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램 가능 로직 어레이(PLA) 및 주문형 반도체(ASIC)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방법.
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8957651B2 (en) * 2010-12-06 2015-02-17 Microchip Technology Incorporated User-configurable, efficiency-optimizing, power/energy conversion switch-mode power supply with a serial communications interface
CN102426825B (zh) * 2011-10-12 2014-01-08 深圳市华星光电技术有限公司 一种pwm电压调节电路及其调节方法、液晶显示装置
TWI495236B (zh) * 2012-12-21 2015-08-01 System General Corp 控制電路及控制方法
JP2015104287A (ja) 2013-11-27 2015-06-04 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置及び電力変換方法
EP3063863A4 (en) * 2014-01-14 2016-12-28 Mediatek Inc POWER SUPPLY CIRCUITS AND THEIR CONTROL METHODS
TWI544302B (zh) 2014-06-05 2016-08-01 台達電子工業股份有限公司 電壓轉換器及電壓轉換方法
DE102014219335B4 (de) * 2014-09-24 2023-02-02 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Verfahren und vorrichtung zur unterdrückung von überschwingen für leistungswandler
US9509318B2 (en) * 2015-03-13 2016-11-29 Qualcomm Incorporated Apparatuses, methods, and systems for glitch-free clock switching
US10224813B2 (en) * 2016-03-24 2019-03-05 Nvidia Corporation Variable frequency soft-switching control of a buck converter
CN106374748A (zh) * 2016-10-09 2017-02-01 昂宝电子（上海）有限公司 Buck变换器及其控制方法
US10141841B1 (en) * 2017-08-30 2018-11-27 Apple Inc. DC-DC converter with a dynamically adapting load-line
CN110391691A (zh) * 2018-04-20 2019-10-29 株洲中车时代电气股份有限公司 一种dc/dc控制方法、***及装置
US11152871B2 (en) 2019-06-18 2021-10-19 Hubbell Incorporated Alternating current (AC) voltage regulator and method of operating the same
EP3832869B8 (en) 2019-12-05 2022-03-30 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Power supply unit with adaptive feedback control loops
US11239688B2 (en) * 2019-12-06 2022-02-01 Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg Power supply unit with adaptive feedback control

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060044070A1 (en) 2004-08-31 2006-03-02 Nec Compound Semiconductor Devices, Ltd. Signal determining apparatus including amplifier circuit with variable response speed

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5999052A (en) * 1998-04-28 1999-12-07 Lucent Technologies Inc. High speed, fine-resolution gain programmable amplifier
DE10312221A1 (de) 2003-03-19 2004-10-07 Infineon Technologies Ag Spannungsregler mit einstellbarer Ausgangsimpedanz
WO2005085969A1 (en) * 2004-02-05 2005-09-15 Monolithic Power Systems Inc. A dc/dc voltage regulator with automatic current sensing selectability for linear and switch mode operation utilizing a single voltage reference
CN101027829B (zh) * 2004-09-28 2012-07-18 Nxp股份有限公司 电流式受控dc-dc转换器
US7221302B1 (en) 2005-12-20 2007-05-22 Cirrus Logic, Inc. Delta-sigma modulator coefficient calibration method and apparatus
US7904035B2 (en) * 2006-03-31 2011-03-08 Silicon Laboratories Inc. Calibration system and method in a communications device
CN100514824C (zh) * 2007-03-28 2009-07-15 通嘉科技股份有限公司 一种切换式电源转换器及脉宽调制控制电路
US7737668B2 (en) * 2007-09-07 2010-06-15 Panasonic Corporation Buck-boost switching regulator
US20090200999A1 (en) * 2008-02-08 2009-08-13 Mediatek Inc. Voltage regulator with compensation and the method thereof
GB0912745D0 (en) * 2009-07-22 2009-08-26 Wolfson Microelectronics Plc Improvements relating to DC-DC converters
US8447275B2 (en) 2010-12-03 2013-05-21 Microchip Technology Incorporated Lossless inductor current sensing in a switch-mode power supply

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060044070A1 (en) 2004-08-31 2006-03-02 Nec Compound Semiconductor Devices, Ltd. Signal determining apparatus including amplifier circuit with variable response speed

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Saggini. S. et al. "A simple digital autotuning for analog controller in SMPS". IEEE. 2010.

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Publication number Publication date
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EP2659578A2 (en) 2013-11-06
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WO2012091979A2 (en) 2012-07-05
EP2659578B1 (en) 2019-03-06
US8922183B2 (en) 2014-12-30
TWI533582B (zh) 2016-05-11

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