KR20010072040A - 집적 회로 스위칭 전력 변환기 - Google Patents

집적 회로 스위칭 전력 변환기 Download PDF

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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기는 주 전압 출력을 제공하는 주 전원과 상기 주 전압 출력보다 더 낮은 보조 전압 출력을 제공하는 보조 전원을 포함한다. 상기 주 전원 및 보조 전원의 집적된 소자들은 단일 IC 패키지에 실장되는 단일 IC 다이 내에 형성된다. 경제성 및/또는 효율성을 개선시키기 위해, 상기 주 전원 및 보조 전원은 외부 전기 접속 핀을 공유할 수 있으며, 또한 두 전원이 회로를 공유할 수도 있다.

Description

집적 회로 스위칭 전력 변환기{INTEGRATED CIRCUIT (IC) SWITCHING POWER CONVERTER}
현재, 정도의 차이는 있으나 이러한 요건들을 만족하는 다양한 기술들이 있지만, 모든 면에서 만족할 만한 것은 없다. 예를 들면, 보조 전원은 주 전원과 별도로 동작하는 선형 조정기(linear regulator) 또는 저항기에 의해 간단히 생성될 수 있다. 이러한 해결책은 비용이 싼 편이지만, 특히 주 전압이 높을 때 비효율적이다. 한편, 기존의 스위치형 인덕터 또는 변압기 상에 여분의 권선을 제공하여 보조 전원을 생성할 수도 있는데, 이것은 효율적이지만 비용이 많이 든다. 또한, 동일한 변압기 또는 인덕터와 별도로 동작하는 주 전력 변환기의 동작점 변화가 전압 안정화에 영향을 주기 때문에, 보조 전원의 출력 관계는 최적치보다 못할 것이다. 마지막으로, 개별 트랜지스터와 변환기나, 부분적으로 집적된 제어회로와 스위칭 회로로 형성된 소형의 자려 발진(self-oscillating) 변환기를 사용하여 보조 전원을 생성할 수 있다. 그러나 이러한 해결책은 효율적이며 안정화 문제가 없지만 비용이 증가될 수 있다.
부분적인 집적을 이용하여 보조 전원을 생성하기 위한 종래 기술들을 이용하는 몇몇 상이한 전원 구성들이 1991년자 IEEPESC 806-811 페이지에 Thiel 및 Hach의 "A TRIPLE LOW-SIDE DRIVER POWER IN WITH REGULATION AND MICROPROCESSOR INTERFACE CONTROL"와, 1996년 ESSDERC'96 40-44 페이지에 Murari의 "FUTURE DEVELOPMENT IN ELECTRONIC SYSTEMS IS IMPACTED BOTH BY SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND IC ASSEMBLY TECHNIQUES" 및 미국 특허 제 5,739,582호에 개시되어 있다. 또한, 비교적 비싼 플라이백 변압기를 사용하는 부분적으로 집적된 자려 발진변환기를 채용한 스위칭 전력 변환기가 필립스의 "Greeny" 칩(부품 번호 TEA1501)에 사용되고 있다. 전술한 모든 종래 기술의 구성은 어느 정도는 복잡성,비효율성, 높은 비용, 큰 사이즈 및/또는 최대의 집적도를 얻을 수 없다는 등의 문제점을 갖고 있다
따라서, 비교적 간단하고 효율적이며 경제적이고 콤팩트하며 쉽게 집적되는 스위치 전력 변환기를 갖는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기 분야에 관한 것으로서, 특히 주 전원과 보조 전원을 갖는 스위칭 전력 변환기에 관한 것이다.
전환 모드 전원(switched-mode power supplies)에 사용된 스위칭 전력 변환기 및 회로들은 일반적으로 본 기술분야에 공지되어 있다. 통상적으로 높은 스위칭 주파수가 사용되므로 더 작은 값의 필터링 성분들이 사용될 수 있기 때문에, 이들은 통상적으로 양호한 안정화(regulation) 및 효율적이고 경제적인 필터링을 얻는데 사용된다.
스위칭 전력 변환기에는 주 전원 외에 변환기의 제어 회로에 전력을 공급하기 위해 보조(통상적으로 저 전압) 전원과, 가능하게는 전환 모드 전원의 다른 회로들이 종종 요구된다. 이상적으로는, 이러한 보조 전원은 저 전력 요건으로 저 전압을 생성하며, 효과적으로 동작하며 저렴한 소자들을 사용한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 집적 회로 스위칭 전력 변환기의 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 집적 회로 스위칭 전력 변환기의 개략적인 블록도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 집적 회로 스위칭 전력 변환기의 개략적인 블록도.
따라서, 본 발명의 목적은 구성이 간단하고 콤팩트하며, 동작하는데 효율적이며, 생산하는데 있어서 경제적이고, 최소한의 외부 소자들로 단일 IC 패키지에 쉽게 집적되는 집적 회로 스위칭 전력 변환기를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 이들 목적들은 주 전원과 보조 전원의 새로운 IC 스위칭 전력 변환기에 의해 달성되며, 여기서 상기 주 전원과 보조 전원의 모든 집적 소자들은 단일 IC 패키지에 실장되는 단일 IC 다이 내에 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 주 전원 및 보조 전원은 단일 IC 패키지의 적어도 하나의 외부 전기 접속 핀을 공유한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 회로는 주 전원 및 보조 전원에 의해 공통으로 공유되며, 따라서 전력 변환 회로를 보다 단순하고 콤팩트하며 경제적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들은 후술하는 실시예들과 관련한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1에는 집적 회로 스위칭 전력 변환기의 개략도가 도시되어 있다. 도 1의 블록도에서, 집적 회로 스위칭 전력 변환기(10)는 단일 IC 다이(14)를 포함하는 단일 IC 패키지(12)를 포함하며, 상기 단일 IC 다이(14)는 주 전원부(16)와 점선으로 분리되어 있는 보조 전원부(18)를 갖는다.
주 전원과 보조 전원에 대한 상이한 여러 구성들이 본 발명의 범위내에서 예기되지만, 일례로서, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 주 전원(16)은, 제어 회로(20)가 레벨 시프트 회로(22)에 결합되어 있고, 레벨 시프트 회로(22)는 다시 출력 회로(24)에 결합되며, 상기 출력 회로(22)는 외부 부하(26)를 구동하도록 구성되어 있다. 상이한 여러 타입의 출력 회로가 이용될 수 있지만, 일례로서 반 브리지(half-bridge) 출력 회로(24)가 도시되어 있다.
또한, IC 다이(14) 상의 보조 전원(18)은 발진기 및 제어 회로(28)를 포함하고, 상기 발진기 및 제어 회로(28)는 레벨 시프트 회로(30)에 그 출력을 공급하며, 상기 레벨 시프트 회로(30)는 출력 회로(32)를 구동한다. 다시 한번 강조하지만, 보조 전원과 주 전원의 각각의 회로들에 있어서, 많은 다른 구성들이 가능하며, 따라서, 그러한 회로들은 더 이상 본 명세서에서 상세히 설명하지 않는다.
도 1의 블록도에서, 패키지 또는 다이 핀들은 작은 사각형으로 도시되어 있다. 본 발명에 따르면, 상기 단일 IC 패키지(12)의 적어도 하나의 외부 전기 접속 핀이 단일 IC 다이(14) 상에 형성되어 있는 주 전원(16)과 보조 전원(18)에 의해 공유된다. 도 1에서, 공유된 접속 핀들은 고(주) 전압 입력 핀(34), AUX(보조) 전원 핀(36), 집지(GND) 핀(38)이다. 또한, 보조 전원(18)의 출력 회로(32)는 다운(또는 "buck") 변환기에서 다이오드(50), 캐패시터(60), 인덕터(40)와 접속된다. 상기 다운 변환기의 출력은 AUX SUPPLY로 표시되며, 주 전원의 제어 회로(20)와 보조 전원(핀 36)의 발진기 및 제어 회로(28) 및 저전압 공급을 요구하는 다른 회로들에 대한 저 전압 공급부로서 사용될 수 있다.
주 전원과 보조 전원의 모든 집적 소자들을 단일 IC 패키지에 실장되어 있는 단일 IC 다이로 통합하고, 하나 이상의 공통 외부 전기 접속 핀들을 두 내부 전원 회로에 공급하면, 단순하고 콤팩트하며 경제적인 구성을 얻을 수 있다.
도 2 및 3에는 본 발명의 다른 바람직한 실시예가 도시되어 있으며, 도 1과 관련하여 이미 설명한 요소들은 유사한 참조 번호를 붙였으며 더 이상의 설명은 생략한다.
도 2의 개략적인 블록도의 주요한 특징은 동일 IC 다이(14) 상에 형성되어있는 주 전원(16)과 보조 전원(18) 사이의 회로를 공유한다는 것이다. 두 전원이 모두 동일한 IC 다이 상에 실장되기 때문에, 전압 기준 회로(42), 부족 전압 로크아웃 회로(under voltage lock out circuit)(44), 발진 회로(46)와 같은 회로들이 IC 다이(14) 상에 제공되어 주 전원 및 보조 전원 모두에 신호를 공급하는데 이용될 수 있어, 비용, 사이즈, 복잡성을 보다 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 도 1에서 보조 전원 블록(28)은 자체 발진기를 필요로 하지만, 도 2에서는 블록(28)이 제어 회로이기만 하면 되며, 발진기(46)가 주 전원의 블록(20)과 공통으로 공유된다. 도 2에서 공유된 것으로 도시되어 있는 특정 회로들은 사실상 실례일 뿐이며, 주어진 애플리케이션에 채용되는 특정 전원 구성에 대해 적절하다면 많은 다른 회로들이 두 전원에 의해 공유될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 이러한 회로 공유는 사이즈, 비용, 전력 소모를 축소시킬 뿐만 아니라 성능도 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 두 개의 별개의 발진기를 사용하지 않고 두 전원에 대해 공통 발진기(46)를 사용하면, 전체 시스템의 전기적인 노이즈 성능을 개선할 수 있다.
도 3의 개략적인 블록도에 도시된 구성을 이용하면 부가적으로 비용을 감소시킬 수 있다. 도 1 및 2에 도시된 실시예에서, 보조 전원(18)은, 출력 회로(32)가 오프될 때 전류 경로를 제공하도록 "프리휠링(freewheeling)" 다이오드(50)를 구비한다. 도 1 및 2에서, 종래 기술에서와 같이, 상기 다이오드는 IC 다이 외부에 개별 소자로서 제공된다. 그러나, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 다이오드를 IC 다이(14)에 집적함으로써 추가적인 비용 절감을 얻을 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 다이오드 전도 시간 동안 온(on)으로 되는 트랜지스터스위치(54)와 병렬로 접속된 다이오드(52)로서 개략적으로 도시된 동기 정류기에 의해 다이오드(50) 기능이 행해질 수도 있다. 상기 동기 정류기의 실제 물리적 구동에 있어서, 다이오드(52)는 별개의 소자가 아니라 MOS 트랜지스터(54)의 구조의 일부임을 주지하라. 마지막으로, 본 발명에 따른 집적 회로 스위칭 전력 변환기는 당업자에게 공지되어 있는 다수의 반도체 제조 기술중 어느 한 기술에 의해 제조될 수도 있음을 주지하라. 본 발명의 제조에 대해 특히 유리한 공정 기술은, 필립스 세미콘덕터의 EZ-HVTM공정과 같은 고 전압 절연체상 실리콘(silicon-on-insulator) 반도체 제조 공정을 이용하는데, 이것은 접지 전위보다 높은 고 전압으로 부동할 수 있는 고 전압 트랜지스터를 지원한다. 이러한 기술에서, 주 전원과 보조 전원에 대한 다양한 제어 회로들이 접지 전위에 있을 수 있지만, 보조 변환기의 출력 회로와 같은 다른 회로들은 고 전위에 있을 수 있다.
이런 방식으로, 본 발명은 구성이 간단하고 콤팩트하며, 동작이 효율적이고, 생산하는데 경제적이며 단일 IC 패키지에 쉽게 집적되고 최소의 외부 소자들을 갖는 집적 회로 스위칭 전력 변환기를 제공한다.
이상 본 발명을 몇몇 바람직한 실시예를 참고하여 설명하였지만, 당업자들은 본 발명의 정신 또는 범주로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항에 있어서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 본 명세서에 있어서, "포함"이란 용어는 상세한 설명 또는 청구범위에 개시되어 있지 않는 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하는 것이 아님을 주지하라.

Claims (10)

  1. 주 전압(main voltage) 출력을 제공하는 주(main) 전원(16)과 상기 주 전압 출력보다 더 낮은 보조 전압 출력을 제공하는 보조 전원(18)을 갖는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기(10)에 있어서,
    상기 주 전원 및 상기 보조 전원의 모든 집적된 소자들은 단일 IC 패키지(12)에 실장되는 단일 IC 다이(14)에 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 전원(16) 및 상기 보조 전원(18)은 상기 단일 IC 패키지(12)의 적어도 하나의 외부 전기 접속 핀(34, 36, 38)을 공유하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 외부 전기 접속 핀은 접지 핀(38)을 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 외부 전기 접속 핀은 주 전압 입력 핀(34)을 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 외부 전기 접속 핀은 보조 전압 출력 핀(36)을 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 전원(16) 및 상기 보조 전원(18)은 적어도 하나의 회로(42, 44, 46)를 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회로는 전압 기준 회로(42)를 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회로는 제어 회로(44)를 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회로는 발진기 회로(46)를 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 전원(18)의 집적된 소자들은 적어도 하나의 출력 다이오드 소자(50)를 포함하는 집적 회로(IC) 스위칭 전력 변환기.
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