KR102065576B1 - 스위칭 직류-직류 변환기, 그의 전압 변환 회로 및 전압 변환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력 전압을 스위칭 구동하여 출력 전압으로 변환하는 스위칭 직류-직류 변환기를 개시한다. 스위칭 직류-직류 변환기는 출력 전압이 과전압으로 진입하는 것에 대응하여 과전압 방지 동작을 수행하며, 출력 전압에 과전압이 발생하는 과전압 방지 동작 구간에서 피드백 루프가 유지됨으로써 출력 전압 및 출력 전류가 안정화될 수 있다. 스위칭 직류- 직류 변환기는 전압 변환 회로를 포함하며, 전압 변환 회로는 출력 전압을 피드백 받아서 입력 전압을 스위칭 구동하는 동작을 수행하고, 출력 전압의 피드백은 노멀 모드와 과전압 모드에 따라 다르게 이루어질 수 있다.

Description

스위칭 직류-직류 변환기, 그의 전압 변환 회로 및 전압 변환 방법{SWITCHING DC-DC CONVERTER, CIRCUIT AND METHOD TO CONVERT VOLTAGE THEREOF}

본 발명은 스위칭 직류-직류 변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스위칭 방식으로 직류-직류 전압 변환을 수행하고, 과전압 보호 기능을 갖는 스위칭 직류-직류 변환기 및 그의 전압 변환 회로 및 전압 변환 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력 관리 집적 회로(Power Management IC : 이하, 'PMIC'라 함)는 출력 전압이 과전압으로 진입하는 경우 출력 전압을 제한하는 과전압 방지(Over-Voltage Protection) 동작을 수행하도록 설계된다.

PMIC는 스위칭 직류-직류 변환기로 구현될 수 있으며, 스위칭 직류-직류 변환기는 상기한 과전압 방지 동작을 수행하도록 설계된다.

스위칭 직류-직류 변환기는 출력 전압이 과전압 방지 설정 전압 이상이 되면 스위칭 동작을 멈추고 과전압 방지 동작을 수행하며 출력 전압이 과전압 방지 설정 전압 이하가 되면 다시 스위칭 동작을 수행한다.

종래의 스위칭 직류-직류 변환기가 과전압에 대응하여 과전압 방지 동작을 수행하면, 정상 상태에 비해서 큰 리플이 출력 전압에 나타난다. 또한, 이 경우 입력 전압 및 입력 전류에도 정상 상태에 비해서 큰 변동(Fluctuation)이 발생한다.

상기한 현상은 입력 전압이 낮거나 출력 리플 전압이 중요한 시스템의 어플리케이션(Application)에서 심각한 문제로 작용할 수 있다. 일예로, 상기한 문제점은 노트북(Notebook) 어플리케이션에서 발생할 수 있다.

즉, 출력 전압이 과전압으로 진입함에 따라 과전압 방지 동작이 수행되는 경우, 종래의 스위칭 직류-직류 변환기의 피드백 루프가 끊어질 수 있고, 스위칭 직류-직류 변환기가 간헐 모드로 동작되어서 과도한 인덕터 전류 변동을 발생할 수 있다. 그 결과 스위칭 직류-직류 변환기의 출력 전압에 큰 리플이 발생할 수 있고, 스위칭 직류-직류 변환기의 입력 전압에 큰 변동이 발생할 수 있다.

그러므로, 출력 전압의 과전압에 대응하여 과전압 방지를 수행하여도 과전압 방지 동작 구간에서 입력 전압과 출력 전압이 안정화될 수 있는 스위칭 직류-직류 변환기의 제시가 필요하다.

본 발명은 과전압이 발생하는 과전압 방지 동작 구간에서 피드백 루프가 유지됨으로써 출력 전압이 안정화될 수 있는 스위칭 직류-직류 변환기 및 그의 전압 변환 회로 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 과전압이 발생하는 과전압 방지 동작 구간에서 피드백 동작으로 출력 전압을 레귤레이션하여서 입력 전압이 안정화될 수 있는 스위칭 직류-직류 변환기 및 그의 전압 변환 회로 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로는 입력 전압을 스위칭 구동하여 출력 전압으로 변환하는 것을 제어한다.

상기 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로는, 구동 펄스에 의하여 상기 입력 전압을 구동하는 상기 스위칭 구동을 수행하는 스위칭 회로; 구동 전압에 대응하는 펄스 폭으로 상기 구동 펄스를 제공하는 펄스 생성 회로; 및 출력 전압을 피드백하여 상기 구동 전압을 제공하는 피드백 경로를 형성하며, 상기 출력 전압이 노멀 모드에 해당하는 경우 제1 기준 전압에 의하여 상기 구동 전압을 제공하는 제1 피드백 경로를 상기 피드백 경로로 제공하고, 상기 출력 전압이 과전압 모드에 해당하는 경우 정전압의 제2 기준 전압에 의하여 상기 구동 전압을 제공하는 제2 피드백 경로를 상기 피드백 경로로 제공하는 피드백 회로;를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 방법은, 출력 전압에 대한 제1 피드백 전압이 제1 기준 전압보다 미리 정해진 제1 오프셋 값 이상 크면 노멀 모드로 판단하고 제2 피드백 전압이 정전압인 제2 기준 전압보다 미리 정해진 제2 오프셋 값 이상 크면 과전압 모드로 판단하는 단계; 상기 노멀 모드에 대응하여 상기 제1 피드백 전압을 피드백 전압으로 선택하고 상기 과전압 모드에 대응하여 상기 제2 피드백 전압을 상기 피드백 전압으로 선택하는 단계; 상기 노멀 모드에 대응하여 상기 제1 기준 전압을 기준 전압으로 선택하고 상기 과전압 모드에 대응하여 상기 제2 기준 전압을 상기 기준 전압으로 선택하는 단계; 상기 피드백 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 구동 전압을 생성하는 단계; 및 상기 구동 전압에 대응하여 상기 입력 전압의 스위칭 구동을 제어하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

또한편, 입력 전압을 스위칭 구동하여 출력 전압으로 변환하는 본 발며에 따른 스위칭 직류-직류 변환기는, 상기 출력 전압에 대응하는 제1 피드백 전압을 피드백하는 제1 피드백 경로와 상기 출력 전압에 대응하는 제2 피드백 전압을 피드백하는 제2 피드백 경로를 노멀 모드와 과전압 모드에 대응하여 선택적으로 피드백 경로로 제공하며, 상기 피드백 경로에서 출력되는 구동 전압으로 상기 입력 전압을 스위칭 구동하고, 상기 제2 피드백 전압이 정전압을 갖는 제2 기준 전압보다 미리 설정된 제1 오프셋 값 이상 크면 상기 과전압 모드로 판단하며 상기 제1 피드백 전압이 상기 제1 기준 전압보다 미리 설정된 제2 오프셋 값 이상 크면 상기 노멀 모드로 판단하여 상기 피드백 경로의 선택을 제어하는 전압 변환 회로; 상기 제1 피드백 전압을 제공하는 제1 피드백 전압 제공 회로; 및 상기 제1 기준 전압을 제공하는 제1 기준 전압 제공 회로;를 포함함을 특징으로 한다.

또한편, 스위칭 구동에 의하여 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 본 발명에 따른 스위칭 직류-직류 변환기는, 노멀 모드에 대응하는 제1 피드백 경로를 제공하며 상기 제1 피드백 경로에 의하여 상기 출력 전압에 대응하는 제1 피드백 전압을 이용한 상기 입력 전압의 스위칭 구동을 수행하는 제1 피드백 회로; 및 과전압 모드에 대응하는 제2 피드백 경로를 제공하며 상기 제2 피드백 경로에 의하여 상기 출력 전압에 대응하는 제2 피드백 전압을 이용한 상기 입력 전압의 스위칭 구동을 수행하는 제2 피드백 회로;를 포함하며, 상기 출력 전압의 상태에 따라 상기 노멀 모드와 상기 과전압 모드가 판단되어서 상기 제1 피드백 경로 또는 상기 제2 피드백 경로 중 어느 하나에 의하여 피드백 기능이 유지됨을 특징으로 한다.

또한편, 본 발명에 따른 스위칭 직류-직류 변환기의 전력 변환 방법은, 출력 전압의 상태에 따라서 노멀 모드와 과전압 모드를 판단하는 단계; 상기 노멀 모드에 대응하는 제1 피드백 경로를 제공하여서 상기 출력 전압에 대응하는 제1 피드백 전압을 이용한 입력 전압의 스위칭 구동을 수행하는 단계; 및 상기 과전압 모드에 대응하는 제2 피드백 경로를 제공하여서 상기 출력 전압에 대응하는 제2 피드백 전압을 이용한 상기 입력 전압의 스위칭 구동을 수행하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의하면 스위칭 직류-직류 변환기가 정상 상태와 과전압 상태의 출력 전압에 대응하여 피드백 루프를 유지할 수 있어서 출력 전압에 리플이 발생하는 것이 개선될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 출력 전압의 과전압에 대응한 과전압 방지 동작 구간에서 출력 전압에 대한 피드백이 유지되어서 스위칭 직류-직류 변환기의 출력 전압이 안정적으로 레귤레이션된다. 그러므로 스위칭 직류-직류 변환기의 입력 전압이 안정화될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 상기와 같이 출력 전압의 과전압에 대응한 과전압 방지 동작을 수행하여도 출력 전압과 입력 전압이 안정화될 수 있어서, 스위칭 직류-직류 변환기의 신뢰성이 확보될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스위칭 직류-직류 변환기의 바람직한 실시예를 나타내는 회로도.
도 2는 도 1의 동작을 설명하기 위한 파형도.
도 3은 도 1의 변형 예를 나타내는 회로도.
도 4는 도 1의 다른 변형 예를 나타내는 회로도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 PMIC에 포함되는 스위칭 직류-직류 변환기를 개시하며, 스위칭 직류-직류 변환기는 과전압 방지 동작을 수행하는 구성을 갖는 것으로 실시된다.

도 1은 전압 변환 회로(10)를 포함하는 스위칭 직류-직류 변환기를 예시한다.

도 1을 참조하면, 직류 성분의 입력 전압(Vin)은 인덕터(L)를 통하여 전달되며, 전압(Vx)은 스위치(SW1)에 의하여 구동되는 인덕터 전압을 의미한다. 이하, 전압(Vx)은 입력 구동 전압이라 하고, 인덕터 전류는 'IL'로 기재한다.

입력 구동 전압(Vx)은 다이오드(SW2)를 통하여 출력 전압(Vo)으로 전달된다. 출력 전압(Vo)은 캐패시터(Co)와 전류원(Io)이 포함된 회로를 통하여 출력되는 것으로 등가적으로 표현한다.

전압 변환 회로(10)는 직류의 입력 전압(Vin)을 스위칭 구동하여 직류의 출력 전압(Vo)으로 변환하는 것을 제어한다.

이를 위하여 전압 변환 회로(10)는 스위칭 회로, 컨트롤러(12), 피드백 전압 제공 회로, 기준 전압 제공 회로, 오차 증폭기(EA) 및 모드 판단부를 포함한다. 전압 변환 회로(10)는 하나의 칩으로 구현될 수 있다.

스위칭 회로는 스위칭 소자(SW1)와 게이트 드라이버(GD)를 포함할 수 있다.

스위칭 소자(SW1)는 NMOS 트랜지스터로 구성될 수 있으며, 게이트 드라이버(GD)를 통하여 전달되는 컨트롤러(12)의 구동 펄스(PWM)에 의하여 인덕터(L)에 인가되는 입력 전압(Vin)을 입력 구동 전압(Vx)으로 구동하는 스위칭 동작을 수행한다. 게이트 드라이버(GD)는 컨트롤러(12)에서 출력되는 구동 펄스(PWM)를 스위칭 소자(SW1)로 전달하며, 통상 풀업 및 풀다운 동작을 수행하는 C-MOS 트랜지스터로 구성될 수 있다.

도 1의 실시예는 직류의 구동 전압(Vc)에 대응하여 구동 펄스(PWM)를 생성하는 펄스 생성 회로를 포함하여 구성되며, 펄스 생성 회로는 컨트롤러(12)로 예시될 수 있다.

컨트롤러(12)는 구동 전압(Vc)의 직류 레벨에 대응하는 펄스 폭을 갖는 구동 펄스(PWM)를 생성하여 출력한다. 컨트롤러(12)는 구동 전압(Vc)의 레벨이 높으면 듀티 비가 큰 구동 펄스(PWM)를 출력하고 구동 전압(Vc)의 레벨이 낮으면 듀티 비가 작은 구동 펄스(PWM)를 출력할 수 있다. 구동 펄스(PWM)는 듀티 비가 큰 경우 펄스 폭이 넓고 듀티 비가 작은 경우 펄스 폭이 좁다.

한편, 본 발명은 피드백 루프를 형성하기 위하여 제1 피드백 전압(Vfbo), 제2 피드백 전압(Vfbi), 제1 기준 전압(Vrefo) 및 제2 기준 전압(Vrefi)를 이용하며, 제2 피드백 전압(Vfbi)은 제1 피드백 전압(Vfbo)보다 낮은 레벨을 갖도록 설정될 수 있고, 제2 기준 전압(Vrefi)도 제1 기준 전압(Vrefo)보다 낮은 레벨을 갖도록 설정될 수 있다.

여기에서, 제1 피드백 전압(Vfbo)과 제2 피드백 전압(Vfbi)은 출력 전압(Vo)에서 분압되어 생성될 수 있다. 그리고, 제1 피드백 전압(Vfbo)과 제2 피드백 전압(Vfbi)은 출력 전압(Vo)을 분압하는 서로 다른 분압기에서 출력되거나 또는 출력 전압(Vo)을 분압하는 동일 분압기의 서로 다른 분압 저항값을 갖는 탭에서 출력될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 전압 변환 회로(10)가 외부에 구성되는 분압기(Fo)에서 출력 전압(Vo)을 분압한 전압을 제1 피드백 전압(Vfbo)으로 제공받도록 구성된 것을 예시한다. 또한, 본 발명에 따른 실시예는 전압 변환 회로(10)가 내부에 구성되는 분압기(Fi)에서 출력 전압(Vo)을 분압한 전압을 제2 피드백 전압(Vfbi)로 제공받도록 구성된 것을 예시한다.

그리고, 본 발명에 따른 실시예는 전압 변환 회로(10)의 외부에 구성되는 전압원에서 제1 기준 전압(Vrefo)을 제공받도록 구성된 것을 예시한다. 또한, 본 발명에 따른 실시예는 전압 변환 회로의 내부에 구성되는 전압원에서 제2 기준 전압(Vrefi)를 제공받도록 구성된 것을 예시한다. 여기에서, 제2 기준 전압(Vrefi)은 정전압으로 제공됨이 바람직하다.

본 발명에 따른 실시예는 제1 피드백 전압(Vfb0) 및 제1 기준 전압(Vrefo)이 전압 변환 회로(10)의 외부에서 제공되고 제2 피드백 전압(Vfbi) 및 제2 기준 전압(Vrefi)이 전압 변환회로(10)의 내부에서 제공되는 것으로 예시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 제작자의 의도에 따라서 다양하게 실시될 수 있다.

제1 피드백 전압(Vfbo)을 제공하는 분압기(Fo)는 출력 전압(Vo)을 분압하는 다수의 저항들을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 제1 기준 전압(Vrefo)은 외부의 외부의 주변 환경(온도 등)이 전압원에 영향을 미쳐서 가변될 수 있다.

일예로, 제1 기준 전압(Vrefo)은 전압 변환 회로(10) 외부의 온도 변화를 대표하는 값을 가질 수 있다. 즉, 제1 기준 전압(Vrefo)은 전압 변환 회로(10)의 외부 온도가 상승하면 레벨이 상승하고 외부 온도가 하강하면 레벨이 하강할 수 있다.

전압 변환 회로(10)는 제1 기준 전압(Vrefo)을 전압 변환기(Kv)를 통하여 멀티플렉서(MUX2)로 제공받을 수 있으며, 전압 변환기(Kv)는 전압의 범위(Range)를 조절하기 위한 일종의 트랜스듀서(Transducer)로 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예로 구성되는 전압 변환기(Kv)는 전압 변환 회로(10)의 내부에 구성된 것으로 예시하였으나 이에 국한되지 않고 외부에 구성될 수 있다.

한편, 전압 변환 회로(10)는 상술한 제1 피드백 전압(Vfbo) 및 제2 피드백 전압(Vfbi)을 선택하여 제공하는 피드백 전압 제공 회로로서 멀티플렉서(MUX1)를 포함할 수 있다.

멀티플렉서(MUX1)는 모드 신호(SFP)에 의하여 전압 변환 회로(10)의 외부의 분압기(Fo)에서 제공되는 제1 피드백 전압(Vfbo)과 전압 변환 회로910)의 내부의 분압기(Fi)에서 제공되는 제2 피드백 전압(Vfbi) 중 어느 하나를 선택하여 피드백 전압(Vfb)으로 출력하도록 구성된다.

모드 신호(SFP)에 의하여, 멀티플렉서(MUX1)는 노멀 모드인 경우 제1 피드백 전압(Vfbo)을 선택하여 피드백 전압(Vfb)으로 출력하고 과전압 모드인 경우 제2 피드백 전압(Vfbi)을 선택하여 피드백 전압(Vfb)으로 출력한다.

또한편, 전압 변환 회로(10)는 상술한 제1 기준 전압(Vrefo) 및 제2 기준 전압(Vrefi)을 선택하여 제공하는 기준 전압 제공 회로로서 멀티플렉서(MUX2)를 포함할 수 있다.

멀티 플렉서(MUX2)는 모드 신호(SFP)에 의하여 전압 변환 회로(10)의 외부의 전압 변환기(KV)를 통하여 제공되는 외부의 전압원의 제1 기준 전압(Vrefo)과 내부의 정전압원에 의하여 제공되는 제2 기준 전압(Vrefi) 중 어느 하나를 선택하여 기준 전압(Vref)으로 출력할 수 있다.

모드 신호(SFP)에 의하여, 멀티플렉서(MUX2)는 노멀 모드인 경우 제1 기준 전압(Vrefo)을 선택하여 기준 전압(Vref)으로 출력하고 과전압 모드인 경우 정전압을 갖는 제2 기준 전압(Vrefi)을 선택하여 기준 전압(Vref)으로 출력한다.

그리고, 전압 변환 회로(10)는 피드백 경로를 형성하기 위한 오차 증폭기(EA)를 포함한다.

오차 증폭기(EA)는 멀티플렉서(MUX1)에서 출력되는 피드백 전압(Vfb)을 네가티브단(-)에 입력받고 멀티 플렉서(MUX2)에서 출력되는 기준 전압(Vref)을 포지티브단(+)에 입력받는다. 오차 증폭기(EA)는 피드백 전압(Vfb)과 기준 전압(Vref)을 비교한 결과를 구동 전압(Vc)으로 출력하며, 구동 전압(Vc)은 컨트롤러(12)에 제공된다.

또한편, 전압 변환 회로(10)는 모드 신호(SFP)를 제공하는 모드 판단부를 포함한다. 모드 판단부는 비교 증폭기(COM1), 비교 증폭기(COM2) 및 RS 플립플롭(14)을 포함하여 구성될 수 있으며, 노멀 모드와 과전압 모드를 판단하여 모드 신호(SFP)를 출력한다.

노멀 모드는 출력 전압(Vo)이 과전압 방지 설정 전압 이하를 유지하는 경우에 해당하고, 과전압 모드는 출력 전압(Vo)이 과전압 방지 설정 전압 이상을 유지하는 경우에 해당한다.

본 발명에 따른 실시예에서 노멀 모드에서 과전압 모드로 진입하는 상태는 비교 증폭기(COM1)에 의하여 판단될 수 있고, 과전압 모드에서 노멀 모드로 진입하는 상태는 비교 증폭기(COM2)에 의하여 판단될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서 제2 기준 전압(Vrefi)은 과전압 방지 설정 전압에 대응하는 정전압을 갖도록 설정될 수 있다.

비교 증폭기(COM1, COM2)는 안정된 동작 특성을 보장하기 위하여 입력에 대한 히스테리시스 특성을 갖는 것으로 구성될 수 있다. 비교 증폭기(COM1, COM2)는 입력에 대하여 수mV 내지 수십mV 정도의 오프셋 값을 갖는 것으로 히스테리시스 특성이 설정될 수 있다. 비교 증폭기(COM1)는 제1 기준 전압(Vrefo)에 추가적인 오프셋 전압(Vosr)이 적용된 구성을 가지며, 비교 증폭기(COM2)는 제2 기준 전압(Vrefi)에 추가적인 오프셋 전압(Voss)이 적용된 구성을 갖는다.

비교 증폭기(COM1)는 포지티브단(+)으로 인가되는 제1 피드백 전압(Vfbo)과 네가티브단(-)으로 인가되는 제1 기준 전압(Vrefo)을 비교한다.

비교 증폭기(COM1)는 제1 피드백 전압(Vfbo)이 제1 기준 전압(Vrefo)과 비교하여 오프셋 전압(Vosr) 보다 큰 차이로 높은 경우 하이 레벨의 노멀 플래그(NOM)를 출력하고, 제1 피드백 전압(Vfbo)이 제1 기준 전압(Vrefo)과 비교하여 오프셋 전압 범위 내의 차이를 갖는 경우 로우 레벨의 노멀 플래그(NOM)를 출력한다. 이때, 오프셋 전압(Vosr)은 수mV 내지 수십mV 조정된 값을 갖도록 설정될 수 있다.

비교 증폭기(COM2)는 포지티브단(+)으로 인가되는 제2 피드백 전압(Vfbi)과 네가티브단(-)으로 인가되는 제2 기준 전압(Vrefi)를 비교한다.

비교 증폭기(COM2)는 제2 피드백 전압(Vfbi)이 제2 기준 전압(Vrefi)과 비교하여 오프셋 전압(Oss) 보다 큰 차이로 높은 경우 하이 레벨의 과전압 플래그(OVP)를 출력하고, 제2 피드백 전압(Vfbi)이 제2 기준 전압(Vrefi)과 비교하여 오프셋 전압 범위 내의 차이를 갖는 경우 로우 레벨의 과전압 플래그(OVP)를 출력한다. 이때, 오프셋 전압(Voss)은 수mV 내지 수십mV 조정된 값을 갖도록 설정될 수 있다.

모드 신호 출력부로서 RS 플립플롭(14)이 구성될 수 있으며, RS 플립플롭(14)은 과전압 플래그(OVP)와 노멀 플래그(NOM)에 동기되어서 모드 신호(SFP)를 출력하도록 구성된다.

RS 플립플롭(14)은 셋(S) 신호로 비교 증폭기(COM2)의 출력인 과전압 플래그(OVP)를 입력받고 리셋(R) 신호로 비교 증폭기(COM1)의 출력인 노멀 플래그(NOM)를 입력받는다.

RS 플립플롭(14)은 셋(S) 신호인 과전압 플래그(OVP)와 리셋(R) 신호인 노멀 플래그(NOM)에 동기되어서 서로 다른 레벨의 모드 신호(SFP)를 노멀 모드와 과전압 모드에 대응하여 출력한다. 모드 신호(SFP)는 노멀 모드에 대응하여 하이 레벨로 출력되고 과전압 모드에 대응하여 로우 레벨로 출력되는 것으로 예시한다.

RS 플립플롭(14)은 셋(S) 신호인 과전압 플래그(OVP)가 하이로 천이되는 시점에 동기하여 모드 신호(SFP)를 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경하고, 리셋(R) 신호인 노멀 플래그(NOM)가 하이 레벨로 천이되는 시점에 동기하여 모드 신호(SFP)를 로우 레벨에서 하이 레벨로 변경하도록 구성될 수있다.

상술한 바와 같이 구성됨에 따라서, 도 1의 실시예는 노멀 모드의 경우 제1 피드백 전압(Vfbo)을 선택한 피드백 루프가 형성되고 과전압 모드의 경우 제2 피드백 전압(Vfbi)을 선택한 피드백 루프가 형성된다.

도 1의 실시예의 설명에 있어서 과전압 방지 동작 구간은 과전압 플래그(OVP)가 하이로 천이된 후 노멀 플래그(NOM)가 하이로 천이될 때까지의 구간을 의미하며, 과전압 모드는 과전압 방지 동작 구간에 해당된다.

도 1의 실시예는 과전압 방지 동작 구간 즉 과전압 모드에서 정상적인 피드백 루프가 형성되어서 유지되므로 출력 전압이 안정화될 수 있다.

상기한 도 1의 실시예의 동작은 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

노멀 모드에 대응하여 멀티 플렉서(MUX1)는 제1 피드백 전압(Vfbo)을 선택하여 피드백 전압(Vfb)으로 출력하고 멀티 플렉서(MUX2)는 제1 기준 전압(Vrefo)을 선택하여 기준 전압(Vref)으로 출력한다.

오차 증폭기(EA)는 제1 피드백 전압(Vfbo)과 제1 기준 전압(Vrefo)을 비교하여 구동 전압(Vc)을 출력하고, 컨트롤러(12)는 구동 전압(Vc)에 대응하는 구동 펄스(PWM)를 출력하며, 스위칭 소자(SW1)는 구동 펄스(PWM)에 의하여 스위칭 동작을 수행한다.

본 발명에 따른 실시예는 구동 전압(Vc)에 대응하는 입력 전압(Vin)의 전압 레귤레이션 동작을 수행하여 출력 전압(Vo)을 제어한다.

노멀 모드에서 제1 피드백 전압(Vfbo) 보다 낮은 레벨의 제2 피드백 전압(Vfbi)은 제2 기준 전압(Vrefi) 보다 낮은 상태를 유지하며, 비교 증폭기(COM2)는 로우 레벨의 과전압 플래그(OVP)를 유지한다.

또한, 노멀 모드에서 제1 피드백 전압(Vfbo)은 제2 기준 전압(Vrefo)과 비교하여 오프셋 범위 내에서 높거나 낮은 상태를 유지하며, 비교 증폭기(COM1)는 로우 레벨의 노멀 플래그(NOM)를 유지한다.

상기와 같이 노멀 모드에서 피드백 루프는 제1 피드백 전압(Vfbo)을 이용하여 입력 전압(Vin)을 스위칭 구동함으로써 출력 전압(Vo)을 레귤레이팅하는 것으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에서 상기한 노멀 모드가 유지되는 중 외부 온도의 상승에 대응하여 제1 기준 전압(Vrefo)이 상승할 수 있다.

제1 기준 전압(Vrefo)이 상승하면 전압 레귤레이팅 동작에 의하여 출력 전압(Vo)이 상승하고 제1 피드백 전압(Vfbo)도 제1 기준 전압(Vrefo)과 오프셋 범위 내의 차이를 유지하면서 상승한다.

본 발명에 따른 실시예에서 상기와 같이 제1 기준 전압(Vrefo)의 상승이 유지되면 출력 전압(Vo)이 과전압 방지 설정 전압을 초과하는 수준으로 상승할 수 있다.

상기한 출력 전압(Vo)의 상승은 제2 피드백 전압(Vfbi)의 상승을 동반한다.

출력 전압(Vo)이 과전압 방지 설정 전압을 초과하는 수준으로 상승하면, 제2 피드백 전압(Vfbi)은 정전압인 제2 기준 전압(Vrefi)과 비교하여 오프셋 전압(Voss) 보다 더 큰 차이를 갖도록 상승한다. 그 결과, 비교 증폭기(COM2)는 과전압 플래그(OVP)를 하이 레벨로 출력한다.

RS 플립플롭(14)은 하이 레벨의 과전압 플래그(OVP)에 동기하여 셋 상태로 전환되며 로우 레벨의 모드 신호(SFP)를 출력한다. 즉, 노멀 모드가 과전압 모드로 전환된다.

상기와 같이 실시예가 과전압 모드로 전환되면, 멀티 플렉서(MUX1)는 제2 피드백 전압(Vfbi)을 선택하여 피드백 전압(Vfb)으로 출력하고 멀티 플렉서(MUX2)는 제2 기준 전압(Vrefi)을 선택하여 기준 전압(Vref)으로 출력한다.

이에 대응하여 오차 증폭기(EA)는 제2 피드백 전압(Vfbi)과 제2 기준 전압(Vrefi)을 비교하여 구동 전압(Vc)으로 출력한다. 본 발명에 따른 실시예는 제2 피드백 전압(Vrefi)과 제2 기준 전압(Vrefi)를 비교한 결과로 생성된 구동 전압(Vc)에 대응하는 구동 펄스(PWM)에 의하여 출력 전압(Vo)이 제어되는 전압 레귤레이션 동작을 수행한다.

즉, 본 발명에 따른 실시예는 과전압 모드에서 제2 피드백 전압(Vfbi)을 이용하여 입력 전압(Vin)을 스위칭 구동하는 피드백 루프가 형성되며, 피드백 루프에 의하여 입력 전압(Vin)을 레귤레이팅하여 출력 전압(Vo)이 출력될 수 있다.

과전압 모드에서 오차 증폭기(EA)는 제2 피드백 전압(Vfbi)과 정전압의 제2 기준 전압(Vrefi)을 비교하여 구동 전압(Vc)를 출력한다. 과전압 모드의 초기 단계에서 제2 피드백 전압(Vfbi)은 제2 기준 전압(Vrefi)와 대비하여 오프셋 전압(Voss) 범위 이상의 차이를 갖는 높은 레벨을 갖는다.

과전압 모드의 피드백 루프는 정전압인 제2 기준 전압(Vrefi)으로 제2 피드백 전압(Vfbi)을 비교하며, 그 결과 출력 전압(Vo)이 점차 제2 기준 전압(Vrefi)를 기준으로 안정화된다. 즉, 과전압 모드에서 제2 피드백 전압(Vfbi)이 제2 기준 전압(Vrefi)에 의하여 제어되므로, 출력 전압(Vo)은 제1 기준 전압(Vrefo)의 변동에 영향을 받지 않고 제2 기준 전압(Vrefi)를 기준으로 레귤레이팅된다.

상기와 같이 과전압 모드가 유지되는 상태에서 출력 전압(Vo)의 레벨이 떨어지면, 제2 피드백 전압(Vfbi)은 제2 기준 전압(Vrefi)와 대비하여 오프셋 전압(Voss) 범위 내의 차이를 갖게 된다. 이때, 과전압 플래그(MON)는 로우 레벨로 시프트된다.

상기와 같이 과전압 모드가 유지되는 상태에서 출력 전압(Vo)의 레벨이 제2 기준 전압(Vrefi)에 의하여 안정되어도, 제1 기준 전압(Vrefo)이 높은 상태를 유지하면 비교 증폭기(COM1)는 노멀 플래그(MON)를 로우 상태로 유지한다. 즉, 제1 기준 전압(Vrefo)이 높은 상태에서 과전압 모드는 유지된다.

상기와 같이 과전압 모드가 유지되는 상태에서 제1 기준 전압(Vrefo)은 외부 온도가 안정화됨에 대응하여 낮은 레벨로 천이될 수 있다.

과전압 모드에서 현재 제2 기준 전압(Vrefi)에 의하여 안정된 출력 전압(Vo)에 연동된 제1 피드백 전압(Vfbo)은 제1 기준 전압(Vrefo)과 비교된다. 외부 온도의 안정화에 의하여 제1 기준 전압(Vrefo)이 충분히 낮아지면, 제1 피드백 전압(Vfbo)과 제1 기준 전압(Vrefo)은 오프셋 전압(Vosr) 범위 이상의 차이를 가질 수 있다. 이때, 비교 증폭기(COM1)는 하이 레벨의 노멀 플래그(MON)를 출력한다.

하이 레벨의 노멀 플래그(MON)가 출력되면 RS 플립플롭(14)에서 출력되는 모드 신호(SFP)가 노멀 모드에 대응하도록 변경된다. 그에 따라서, 본 발명에 따른 실시예는 노멀 모드로 전환되며 상술한 제1 피드백 전압(Vfbo)에 의한 피드백 루프를 형성하여 출력 전압(Vo)을 레귤레이팅하는 동작을 수행한다.

본 발명에 따른 실시예는 상술한 바와 같이 노멀 모드와 과전압 모드의 전환에도 피드백 루프가 지속적으로 유지될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 실시예는 과전압 모드에서 피드백 경로가 유지되어서 출력 전압(Vo)을 안정적으로 유지하고 그 결과 구동 전압(Vc)이 정상적인 동작 영역으로 세팅될 수 있다. 그러므로, 스위칭 소자(SW1)의 스위칭 동작이 안정되어서 인덕터 전류(IL) 및 입력 구동 전압(Vx)가 안정화될 수 있으며, 결국 입력 전압(Vin)이 안정될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 바와 같이 피드백 루프가 지속적으로 유지되고, 노멀 모드에 적용되는 제1 피드백 전압(Vfbo)보다 낮은 레벨의 제2 피드백 전압(Vfbi)이 과전압 모드에 적용되므로 출력 전압(Vo)에 과도한 리플이 발생하는 것이 해소될 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 실시예는 출력 전압(Vo)에 과도한 리플이 발생하는 것이 방지되고 입력 전압(Vin)에 큰 변동이 발생하는 것이 방지될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실시예는 제1 기준 전압(Vrefo)이 안정화될 때까지 과전압 모드를 유지하며 과전압 모드에 대응하여 제2 피드백 전압(Vfbi)을 이용한 피드백 경로가 안정적으로 유지되므로 전압 레귤레이팅 동작이 안정적으로 수행될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 실시예는 제작자의 의도에 따라서 도 3 또는 도 4와 같이 변형 실시될 수 있다.

도 3은 도 1의 실시예에서 전압 변환기(Kv)를 제거하고 지연 회로로 로우패스필터(LPF)를 추가한 구성을 갖는 것으로, 도 1의 실시예와 동일한 부품은 동일 부호로 표시하며, 동일 부품에 대한 중복된 구성 및 동작 설명은 생략한다.

도 3은 도 1의 실시예의 전압 변환기(Kv)의 게인 팩터(Gain Factor)를 '1'로 설정한 것에 해당한다.

그리고, 도 3의 로우패스필터(LPF)는 로직 카운터(Logic counter) 또는 아날로그 딜레이 셀(Analog Delay Cell)로 구현될 수 있다.

여기에서, 로우패스필터(LPF)는 과전압 모드에서 노멀 모드로 진입할 때 지연시간을 적용하여서 안정적인 상태에서 노멀 모드가 수행될 수 있도록 하기 위한 것이다. 로우패스필터(LPF)는 비교 증폭기(COM1)의 히스테리시스 특성을 보강하기 위한 것이다.

한편, 도 4는 도 1의 실시예에서 전압 변환기(Kv)와 비교 증폭기(COM2)에 입력되는 제2 기준 전압(Vrefi)의 오프셋 전압(Voss)를 제거하고 다른 전압 변환기(Kr)를 적용한 구성을 갖는 것으로, 도 1의 실시예와 동일한 부품은 동일 부호로 표시하며, 동일 부품에 대한 중복된 구성 및 동작 설명은 생략한다.

도 4는 도 1의 실시예의 전압 변환기(Kv)의 게인 팩터(Gain Factor)를 '1'로 설정한 것에 해당한다.

그리고, 도 4에서 다른 전압 변환기(Kr)는 과전압에 대응한 안정적인 패드백 경로를 제공하기 위하여 피드백 저항 분압비를 다르게 설정하기 위한 게인 팩터로 구성된 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실시예들이 구성됨에 의하여 직류 직류 변환기의 출력 전압의 과전압에 대응한 과전압 방지를 수행하여도 출력 전압과 입력 전압이 안정화될 수 있어서 신뢰성이 확보될 수 있다.

10 : 전압 변환 회로 12 : 컨트롤러
14 : RS 플립플롭

Claims (22)

1. 입력 전압을 스위칭 구동하여 출력 전압으로 변환하는 것을 제어하는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로에 있어서,
   구동 펄스에 의하여 상기 입력 전압을 구동하는 상기 스위칭 구동을 수행하는 스위칭 회로;
   구동 전압에 대응하는 펄스 폭으로 상기 구동 펄스를 제공하는 펄스 생성 회로; 및
   출력 전압을 피드백하여 상기 구동 전압을 제공하는 피드백 경로를 형성하며, 상기 출력 전압이 노멀 모드에 해당하는 경우 제1 피드백 전압과 제1 기준 전압을 선택 및 비교하여 상기 구동 전압을 제공하는 제1 피드백 경로를 상기 피드백 경로로 제공하고, 상기 출력 전압이 과전압 모드에 해당하는 경우 제2 피드백 전압과 정전압의 제2 기준 전압을 선택 및 비교하여 상기 구동 전압을 제공하는 제2 피드백 경로를 상기 피드백 경로로 제공하는 피드백 회로;를 포함하며,
   상기 제1 피드백 전압과 상기 제2 피드백 전압은 상기 출력 전압을 분압한 전압이고,
   상기 제2 피드백 전압은 상기 제1 피드백 전압보다 낮으며,
   상기 제2 기준 전압은 상기 제1 기준 전압보다 낮음을 특징으로 하는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
2. 제1 항에 있어서, 상기 피드백 회로는,
   모드 판단에 의하여, 상기 노멀 모드에 대응하여 상기 제1 피드백 전압을 피드백 전압으로 제공하고 상기 과전압 모드에 대응하여 상기 제2 피드백 전압을 상기 피드백 전압으로 제공하는 피드백 전압 제공 회로;
   모드 판단에 의하여, 상기 노멀 모드에 대응하여 상기 제1 기준 전압을 기준 전압으로 제공하고 상기 과전압 모드에 대응하여 상기 제2 기준 전압을 상기 기준 전압으로 제공하는 기준 전압 제공 회로;
   상기 피드백 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 상기 구동 전압을 제공하는 오차 증폭기; 및
   상기 제1 피드백 전압과 상기 제1 기준 전압을 비교하여 상기 노멀 모드로 진입하는 것을 감지하고 상기 제2 피드백 전압과 상기 제2 기준 전압을 비교하여 상기 과전압 모드로 진입하는 것을 감지함으로써 상기 피드백 전압 제공 회로와 상기 기준 전압 제공 회로의 상기 모드 판단을 제어하는 모드 판단부;를 포함함을 특징으로 하는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 기준 전압의 전압 범위를 조절하는 전압 변환기와 상기 출력 전압을 분압하여 상기 제2 피드백 전압을 제공하는 분압기 중 하나 이상을 더 포함하는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
   
4. 제2 항에 있어서, 상기 모드 판단부는,
   상기 제1 피드백 전압과 상기 제1 기준 전압의 차가 미리 설정된 제1 오프셋 값 이상인 경우 상기 노멀 모드로 진입하는 것을 표시하는 노멀 플래그를 출력하는 제1 비교 증폭기;
   상기 제2 피드백 전압과 상기 제2 기준 전압의 차가 미리 설정된 제2 오프셋 값 이상인 경우 상기 과전압 모드로 진입하는 것을 표시하는 과전압 플래그를 출력하는 제2 비교 증폭기; 및
   상기 노멀 플래그와 상기 과전압 플래그를 이용하여 상기 모드 판단을 위한 모드 신호를 출력하는 모드 신호 출력부;를 포함하는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 비교 증폭기와 상기 제2 비교 증폭기는 히스테리시스 특성을 갖는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
   
6. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 비교 증폭기의 상기 노멀 플래그를 지연하여 상기 모드 신호 출력부로 제공하는 지연 회로를 더 포함하는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
   
7. 제6 항에 있어서,
   상기 지연 회로는 로우패스필터로 구성되는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
   
8. 제4 항에 있어서, 상기 모드 신호 출력부는,
   상기 과전압 플래그를 셋 신호로 입력받고 상기 노멀 플래그 신호를 리셋 신호로 입력받아서 상기 모드 신호를 출력하는 RS 플립플롭을 포함하는 스위칭 직류-직류 변환기의 전압 변환 회로.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제

Images