KR20150075186A - 히스테리시스를 갖는 스위칭 레귤레이터 - Google Patents

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Abstract

히스테리시스를 갖는 스위칭 레귤레이터가 개시된다. 스위칭 레귤레이터는 전력 변환부 및 스위치 구동부를 포함할 수 있다. 전력 변환부는 스위치 구동신호 및 직류 입력전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생한다. 스위치 구동부는 상기 전력 변환부를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하고, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하고, 직류 출력전압에 기초하여 피드백 전압을 발생하고, 제 1 전압과 피드백 전압을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력을 발생하고, 비교 출력에 기초하여 스위치 구동신호를 발생한다. 따라서, 스위칭 레귤레이터는 안정적인 히스테리시스 루프 제어가 가능하다.

Description

히스테리시스를 갖는 스위칭 레귤레이터{HYSTERETIC SWITCHING REGULATOR}
본 발명은 전력 변환기에 관한 것으로, 특히 히스테리시스 특성을 갖는 스위칭 레귤레이터에 관한 것이다.
최근에 환경적인 이유로 에너지 절약이 매우 요구되고 있다. 셀룰라 폰, 휴대용 개인 정보 단말기 등 배터리를 사용하는 휴대용 정보 처리 장치에서, 전력 소모의 절약은 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 스텝-다운 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터 등 스위치 모드 파워 서플라이가 각종 전자 기기에 사용되고 있다.
본 발명의 목적은 안정적으로 히스테리시스 루프 제어가 가능한 스위칭 레귤레이터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 스위칭 레귤레이터는 전력 변환부 및 스위치 구동부를 포함할 수 있다.
전력 변환부는 스위치 구동신호 및 직류 입력전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생한다. 스위치 구동부는 상기 전력 변환부를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하고, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하고, 상기 직류 출력전압에 기초하여 피드백 전압을 발생하고, 상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력을 발생하고, 상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생한다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위칭 레귤레이터는 부스트(boost) 컨버터일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 전력 변환부는 상기 직류 입력전압이 인가되는 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 연결된 인덕터, 상기 제 2 노드와 접지 사이에 연결되고, 상기 스위치 구동신호에 응답하여 동작하는 파워 스위치, 상기 제 2 노드와 출력 노드 사이에 연결된 다이오드, 및 상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위치 구동부는 상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로(summing circuit), 상기 직류 출력전압을 분배하여 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로, 상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 상기 히스테리시스 모드로 비교하여 상기 비교 출력을 발생하는 비교기, 및 상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 리플 전압 발생기는 상기 제 2 노드에 연결된 제 1 단자를 갖는 저항, 상기 저항의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 직류 전압이 인가되는 제 2 단자를 갖는 제 1 커패시터, 및 상기 저항의 상기 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 상기 리플 전압이 출력되는 제 2 단자를 갖는 제 2 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 리플 전압 발생기는 상기 제 2 노드에 연결된 제 1 단자를 갖는 저항, 상기 저항의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 상기 제 1 노드에 연결된 제 2 단자를 갖는 제 1 커패시터, 및 상기 저항의 상기 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 상기 리플 전압이 출력되는 제 2 단자를 갖는 제 2 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위치 구동부는 상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기, 상기 직류 출력전압을 분배하여 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로, 상기 피드백 전압과 제 1 기준전압의 차이를 증폭하여 제 2 기준전압을 발생하는 증폭기, 상기 리플 전압을 상기 제 2 기준전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로(summing circuit), 상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 상기 히스테리시스 모드로 비교하여 상기 비교 출력을 발생하는 비교기, 및 상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 증폭기는 상기 제 1 기준전압이 인가되는 제 1 비반전(non-inverted) 입력단자 및 제 2 비반전 입력단자, 상기 피드백 전압이 인가되는 제 1 반전(inverted) 입력단자, 및 상기 증폭기의 출력단자에 연결된 제 2 반전 입력단자를 갖는 2 입력쌍(two input pair) 차동증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위치 구동부는 상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로(summing circuit), 상기 직류 출력전압을 분배하여 제 1 피드백 전압 및 제 2 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로, 상기 제 1 전압과 상기 제 1 피드백 전압을 비교하여 제 1 비교 출력을 발생하는 제 1 비교기, 상기 제 1 전압과 상기 제 2 피드백 전압을 비교하여 제 2 비교 출력을 발생하는 제 1 비교기, 및 상기 제 1 및 제 2 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 피드백 회로는 상기 출력 노드에 연결된 제 1 단자를 갖는 제 1 저항, 상기 제 1 저항의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자를 갖는 제 2 저항, 및 상기 제 2 저항의 제 2 단자와 접지 사이에 연결된 제 3 저항을 포함하고, 상기 제 1 저항과 상기 제 2 저항의 연결 점에서 상기 제 1 기준전압이 출력되고, 상기 제 2 저항과 상기 제 3 저항의 연결 점에서 상기 제 2 기준전압이 출력될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 전력 변환부는 상기 직류 입력전압이 인가되는 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 결합된 인덕터, 상기 제 2 노드와 접지 사이에 결합되고, 제 1 스위치 구동신호에 응답하여 동작하는 파워 스위치, 상기 제 2 노드와 출력 노드 사이에 결합되고, 제 2 스위치 구동신호에 응답하여 동작하는 PMOS 트랜지스터, 및 상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 결합된 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위치 구동부는 상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로(summing circuit), 상기 직류 출력전압을 분배하여 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로, 상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 상기 히스테리시스 모드로 비교하여 상기 비교 출력을 발생하는 비교기, 및 상기 비교 출력에 기초하여 상기 제 1 스위치 구동신호 및 상기 제 2 스위치구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 전력 변환부는 상기 직류 입력전압이 인가되는 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 연결되고, 상기 스위치 구동신호에 응답하여 동작하는 파워 스위치, 상기 제 2 노드와 접지 사이에 연결된 다이오드, 상기 제 2 노드와 출력 노드 사이에 연결된 인덕터, 및 상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위치 구동부는 상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로(summing circuit), 상기 직류 출력전압을 분배하여 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로, 상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 상기 히스테리시스 모드로 비교하여 상기 비교 출력을 발생하는 비교기, 및 상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터는 비교기에서 피드백 전압과 인덕터 전류의 정보를 포함하는 기준전압을 히스테리시스 모드로 비교하므로 안정적인 히스테리시스 루프 제어가 가능하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터는 회로가 간단하고, 높은 동작의 안정도 및 빠른 응답 속도를 갖는다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 부스트(boost) 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 리플 전압 발생기의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 리플 전압 발생기의 다른 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 파워 스위치의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 피드백 회로의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 피드백 회로의 다른 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 1의 부스트 컨버터의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 8은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 부스트 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 9는 도 8의 부스트 컨버터에 포함된 증폭기의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 부스트 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 부스트 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 12는 도 11의 부스트 컨버터에 포함된 피드백 회로의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 벅(buck) 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 14는 도 13의 벅 컨버터에 포함된 리플 전압 발생기의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 부스트(boost) 컨버터(100)를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 부스트 컨버터(100)는 스위치 구동부 및 전력 변환부를 포함할 수 있다.
전력 변환부는 스위치 구동신호(SDRV) 및 직류 입력전압(VIN)에 기초하여 직류 출력전압(VO)을 발생한다. 스위치 구동부는 상기 전력 변환부를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하고, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하고, 상기 직류 출력전압에 기초하여 피드백 전압을 발생하고, 상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력을 발생하고, 상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생한다.
전력 변환부는 직류 입력전압(VIN)이 인가되는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결된 인덕터(L1), 제 2 노드(N2)와 접지 사이에 연결되고, 스위치 구동신호(SDRV)에 응답하여 동작하는 파워 스위치(150), 제 2 노드(N2)와 출력 노드(NO) 사이에 연결된 다이오드(D1), 및 출력 노드(NO)와 접지 사이에 연결된 커패시터(CO)를 포함할 수 있다. 스위치 구동부는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 인덕터(L1)를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압(VRIP)을 발생하는 리플 전압 발생기(110), 리플 전압(VRIP)을 기준 전압(VREF)에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압(VR_RIP)을 발생하는 합산 회로(summing circuit)(120), 직류 출력전압(VO)을 분배하여 피드백 전압(VFB)을 발생하는 피드백 회로(160), 제 1 전압(VR_RIP)과 피드백 전압(VFB)을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력(CMPO)을 발생하는 비교기(130), 및 비교 출력(CMPO)에 기초하여 스위치 구동신호(SDRV)를 발생하는 게이트 드라이버(140)를 포함할 수 있다. 제 1 전압(VR_RIP)은 인덕터 전류(IL)와 반대의 위상을 가질 수 있다.
도 1의 부스트 컨버터(100)의 동작은 다음과 같다.
먼저, 스위치 구동신호(SDRV)가 활성화되면, 파워 스위치(150)는 턴-온되고, 인덕터(L1) 및 파워 스위치(150)를 통해 인덕터 전류(IL)가 흐른다. 이때, 인덕터(L1)는 전기 에너지를 전류에 대응하는 자기 에너지 형태로 변환하여 저장한다. 따라서, 스위치 구동신호(SDRV)의 활성화 구간이 길어질수록 인덕터(L1)에 저장되는 자기 에너지도 점차 증가한다.
다음, 스위치 구동신호(SDRV)가 비활성화되면 파워 스위치(150)는 턴-오프되고, 스위치 구동신호(SDRV)의 활성화 구간 동안 코일(L1)에 저장된 자기 에너지는 전기 에너지로 형태로 변환된다. 즉, 인덕터(L1)는 저장된 자기 에너지의 크기에 따른 기전력에 의해 인덕터 전류(IL)를 발생시키고, 인덕터 전류(IL)는 다이오드(D1) 및 피드백 회로(160)를 통해 흐른다. 또한, 인덕터 전류(IL)는 커패시터(CO)를 충전시킨다. 여기서, 인덕터(L1)에 저장된 자기 에너지는 증가할 때와 동일한 속도로 감소한다.
다음, 스위치 구동신호(SDRV)가 다시 활성화되면, 인덕터(L1)는 파워 스위치(150)을 경유하여 다시 흐르게 되고, 인덕터(L1)는 다시 자기 에너지를 저장하게 된다.
부스트 컨버터(100)는 스위치 구동신호(SDRV)의 듀티 비가 높아지면 인덕터(L1)의 기전력을 증가시켜 직류 출력전압(VO)을 증가시키고, 스위치 구동신호(SDRV)의 듀티 비가 낮아지면 인덕터(L1)의 기전력을 감소시켜 직류 출력전압(VO)을 감소시킨다.
도 1에 도시된 바와 같이, 직류 출력전압(VO)을 분배한 피드백 전압(VFB)의 크기에 따라 스위치 구동신호(SDRV)의 듀티비(duty ratio)는 변화된다. 부스트 컨버터(100)는 상기 전력 변환부를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하고, 상기 리플 전압을 기준 전압(VREF)에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압(VR_RIP)을 발생하고, 제 1 전압(VR_RIP)과 피드백 전압(VREF)을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력(CMPO)을 발생하고, 비교 출력(CMPO)에 기초하여 스위치 구동신호(SDRV)를 발생한다. 비교기(130)의 히스테리시스 윈도우가 2d일 때, 제 1 전압(VR_RIP)이 (VFB - d) 보다 작아지면 비교 출력(CMPO)는 로직 로우로 되고, 스위치 구동신호(SDRV)도 로직 로우로 된다. 파워 스위치(150)가 오프 상태가 되고, 인덕터 전류(IL)는 다이오드(D1), 커패시터(CO) 및 부하(미도시)로 흐르게 된다. 이 때, 인덕터 전류(IL)는 감소하게 되며, 리플 전압(VRIP)은 반대로 증가한다. 따라서, 비교기(130)의 비반전 입력단자로 입력되는 제 1 전압(VR_RIP)은 증가하게 된다. 제 1 전압(VR_RIP)이 (VFB + d) 보다 커지면, 비교기(130)의 출력은 로직 하이가 되고, 게이트 드라이버(140)의 출력인 스위치 구동신호(SDRV)는 로직 하이가되어 파워 스위치(150)가 턴온된다. 이와 같은 과정이 반복되면서 부스트 컨버터(100)는 정상적으로 히스테리시스 루프 제어(hysteretic loop control)가 가능해진다. 따라서, 부스트 컨버터(100)는 비교기(130)에서 피드백 전압과 비교되는 기준전압이 인덕터 전류의 정보를 포함하므로 안정적인 히스테리시스 루프 제어가 가능하다.
리플 전압 발생기(110)에 의해 발생되는 리플 전압(VRIP)은 커패시터의 기생 저항, 출력 커패시터, 및 부하 전류에 기인하여 출력 노드(NO)에 발생되는 리플(ripple)보다 큰 값을 가질 필요가 있다. 리플 전압(VRIP)과 피드백 전압에 포함되는 리플의 차이, 히스테리시스 윈도우 크기 등에 의해 부스트 컨버터(100)의 동작 주파수가 결정될 수 있다.
도 2는 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 리플 전압 발생기(110)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 리플 전압 발생기(110a)는 제 2 노드(N2)에 연결된 제 1 단자를 갖는 저항(R1), 저항(R1)의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 직류 전압(VA_DC)이 인가되는 제 2 단자를 갖는 제 1 커패시터(C1), 및 저항(R1)의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 리플 전압(VRIP)이 출력되는 제 2 단자를 갖는 제 2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 리플 전압 발생기(110)의 다른 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 리플 전압 발생기(110b)는 제 2 노드(N2)에 연결된 제 1 단자를 갖는 저항(R1), 저항(R1)의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 제 1 노드(N1)에 연결된 제 2 단자를 갖는 제 1 커패시터(C1), 및 저항(R1)의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 리플 전압(VRIP)이 출력되는 제 2 단자를 갖는 제 2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.
도 4는 도 1의 부스트 컨버터(100)에 포함된 파워 스위치(150)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 파워 스위치(150)는 서로 병렬 연결된 파워 NMOS 트랜지스터(NMOS)와 다이오드(DIODE)를 포함할 수 있다.
도 5는 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 피드백 회로(160)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 피드백 회로(160a)는 출력 노드(NO)와 접지 사이에 직렬 연결된 저항들(RF1, RF2)을 포함하며, 두 저항들(RF1, RF2)의 연결 점에서 피드백 전압(VFB)이 출력된다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 안정적인 히스테리시스 루프 제어를 위해, 리플 전압(VRIP)의 피크-투-피크 전압이 VRIP_PP이고, 직류 출력전압(VO)의 피크-투-피크 전압이 VO_PP일 때, VRIP_PP는 (VO_PP X (RF2/(RF2+RF1))) 보다 큰 값을 가질 수 있다. 두 저항들(RF1, RF2)은 피드백 회로(160)에 포함된 저항들이다.
도 6은 도 1의 부스트 컨버터에 포함된 피드백 회로의 다른 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 피드백 회로(160b)는 출력 노드(NO)와 접지 사이에 직렬 연결된 저항들(RF1, RF2)을 포함하며, 두 저항들(RF1, RF2)의 연결 점에서 피드백 전압(VFB)이 출력된다. 또한, 피드백 회로(160b)는 피드백 루프의 안정된 제어를 위해 출력 노드와 두 저항들(RF1, RF2)의 연결 점 사이에 연결되고 서로 직렬 연결된 저항(RCOMP)과 커패시터(CCOMP)를 포함할 수 있다.
도 7은 도 1의 부스트 컨버터의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 7을 참조하면, 리플 전압(VRIP)은 인덕터 전류(IL)와 반대의 위상을 갖는 신호이며, 직류 출력전압(VO)은 인덕터 전류(IL)의 크기가 감소하는 구간에서 발생하는 펄스 형의 신호이다. 제 1 전압(VR_RIP)은 기준 전압(VREF)과 리플 전압(VRIP)이 더해진 신호이며 리플 전압(VRIP)과 유사한 파형을 갖는다. 피드백 전압(VFB)은 직류 출력전압(VO)과 유사한 파형을 가지며, 직류 출력전압(VO)보다 작은 값을 갖는다. 비교 출력(CMPO)과 스위치 구동신호(SDRV)는 유사한 파형을 가지며, 직류 출력전압(VO)과 반대의 위상을 갖는다.
도 8은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 부스트 컨버터(200)를 나타내는 회로도이다.
도 8을 참조하면, 부스트 컨버터(200)는 스위치 구동부 및 전력 변환부를 포함할 수 있다.
전력 변환부는 직류 입력전압(VIN)이 인가되는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결된 인덕터(L1), 제 2 노드(N2)와 접지 사이에 연결되고, 스위치 구동신호(SDRV)에 응답하여 동작하는 파워 스위치(150), 제 2 노드(N2)와 출력 노드(NO) 사이에 연결된 다이오드(D1), 및 출력 노드(NO)와 접지 사이에 연결된 커패시터(CO)를 포함할 수 있다. 스위치 구동부는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 인덕터(L1)를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압(VRIP)을 발생하는 리플 전압 발생기(110), 직류 출력전압(VO)을 분배하여 피드백 전압(VFB)을 발생하는 피드백 회로(160), 피드백 전압(VFB)과 제 1 기준전압(VREF1)의 차이를 증폭하여 제 2 기준전압(VREF2)을 발생하는 증폭기(170), 리플 전압(VRIP)을 제 2 기준전압(VREF2)에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압(VR_RIP)을 발생하는 합산 회로(120), 제 1 전압(VR_RIP)과 피드백 전압(VFB)을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력(CMPO)을 발생하는 비교기(130), 및 비교 출력(CMPO)에 기초하여 스위치 구동신호(SDRV)를 발생하는 게이트 드라이버(140)를 포함할 수 있다. 제 1 전압(VR_RIP)은 인덕터 전류(IL)와 반대의 위상을 가질 수 있다.
하나의 실시예에 의하면, 증폭기(170)는 제 1 기준전압(VREF1)이 인가되는 제 1 비반전(non-inverted) 입력단자 및 제 2 비반전 입력단자, 피드백 전압(VFB)이 인가되는 제 1 반전(inverted) 입력단자, 및 증폭기(170)의 출력단자에 연결된 제 2 반전 입력단자를 갖는 2 입력쌍(two input pair) 차동증폭기일 수 있다.
도 8의 부스트 컨버터(200)에서 증폭기(170)는 직류 출력전압(VO)의 변동을 보상하는 기능을 하는 일종의 버퍼이다. 증폭기(170)의 이득이 무한대인 이상적인 특정을 가질 때, 버퍼로 동작하는 증폭기(170)의 출력(VREF2)은 VREF1 + (VREF1 - VFB)이 될 수 있다. 따라서, 증폭기(170)의 출력 값은 VREF1 - VFB의 옵셋을 갖게 되며, 이는 부스트 컨버터(200) 전체 루프에서 옵셋을 제거하기 위해 VREF의 크기와 VFB의 크기가 같아지도록 보상하는 역할을 한다.
도 9는 도 8의 부스트 컨버터(200)에 포함된 증폭기(170)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 9를 참조하면, 증폭기(170)는 전원전압(VDD)과 제 3 노드(N5) 사이에 연결된 전류원(171), 제 4 노드(N6)에 공통 연결된 게이트 및 드레인, 및 접지에 연결된 소스를 갖는 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1), 제 5 노드(N7)에 연결된 드레인, 제 4 노드(N6)에 연결된 게이트, 및 접지에 연결된 소스를 갖는 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2), 제 3 노드(N5)에 연결된 소스, 제 4 노드(N6)에 연결된 드레인, 및 제 1 기준전압(VREF1)이 인가되는 게이트를 갖는 제 1 PMOS 트랜지스터(MP1), 제 3 노드(N5)에 연결된 소스, 제 4 노드(N6)에 연결된 드레인, 및 제 1 기준전압(VREF1)이 인가되는 게이트를 갖는 제 2 PMOS 트랜지스터(MP2), 제 3 노드(N5)에 연결된 소스, 제 5 노드(N7)에 공통 연결된 드레인 및 게이트를 갖는 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3), 및 제 3 노드(N5)에 연결된 소스, 제 5 노드(N7)에 연결된 드레인 및 피드백 전압(VFB)이 인가되는 게이트를 갖는 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)를 포함하고, 제 5 노드(N7)에서 제 2 기준전압(VREF2)이 출력될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 부스트 컨버터(300)를 나타내는 회로도이다.
도10의 부스트 컨버터(300)는 스위치 구동부 및 전력 변환부를 포함할 수 있다.
전력 변환부는 직류 입력전압(VIN)이 인가되는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결된 인덕터(L1), 제 2 노드(N2)와 접지 사이에 연결되고, 제 1 스위치 구동신호(NDRV)에 응답하여 동작하는 파워 스위치(150), 제 2 노드(N2)와 출력 노드(NO) 사이에 연결되고, 제 2 스위치 구동신호(PDRV)에 응답하여 동작하는 PMOS 트랜지스터(MP8), 및 출력 노드(NO)와 접지 사이에 연결된 커패시터(CO)를 포함할 수 있다. 스위치 구동부는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 인덕터(L1)를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압(VRIP)을 발생하는 리플 전압 발생기(110), 리플 전압(VRIP)을 기준 전압(VREF)에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압(VR_RIP)을 발생하는 합산 회로(120), 직류 출력전압(VO)을 분배하여 피드백 전압(VFB)을 발생하는 피드백 회로(160), 제 1 전압(VR_RIP)과 피드백 전압(VFB)을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력(CMPO)을 발생하는 비교기(130), 및 비교 출력(CMPO)에 기초하여 제 1 스위치 구동신호(NDRV) 및 제 2스위치 구동신호(PDRV)를 발생하는 게이트 드라이버(340)를 포함할 수 있다. 제 1 전압(VR_RIP)은 인덕터 전류(IL)와 반대의 위상을 가질 수 있다.
도 10의 부스트 컨버터(300)는 도 1의 부스트 컨버터(300)에 포함된 다이오드(D1) 대신에 PMOS 트랜지스터(MP8)를 포함한다. 게이트 드라이버(340)는 제 1 스위치 구동신호(NDRV) 및 제 2 스위치 구동신호(PDRV)를 발생하고, 제 1 스위치 구동신호(NDRV)는 파워 스위치(150)에 제공하고, 제 2 스위치 구동신호(PDRV)는 PMOS 트랜지스터(MP8)의 게이트에 제공한다.
도 11은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 부스트 컨버터(400)를 나타내는 회로도이다.
도 11을 참조하면, 부스트(boost) 컨버터(400)는 스위치 구동부 및 전력 변환부를 포함할 수 있다.
전력 변환부는 직류 입력전압(VIN)이 인가되는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결된 인덕터(L1), 제 2 노드(N2)와 접지 사이에 연결되고, 스위치 구동신호(SDRV)에 응답하여 동작하는 파워 스위치(150), 제 2 노드(N2)와 출력 노드(NO) 사이에 연결된 다이오드(D1), 및 출력 노드(NO)와 접지 사이에 연결된 커패시터(CO)를 포함할 수 있다. 스위치 구동부는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 인덕터(L1)를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압(VRIP)을 발생하는 리플 전압 발생기(110), 리플 전압(VRIP)을 기준 전압(VREF)에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압(VR_RIP)을 발생하는 합산 회로(120), 직류 출력전압(VO)을 분배하여 제 1 피드백 전압(VFB1) 및 제 2 피드백 전압(VFB2)을 발생하는 피드백 회로(160), 제 1 전압(VR_RIP)과 제 1 피드백 전압(VFB1)을 비교하여 제 1 비교 출력(CMPO_1)을 발생하는 제 1 비교기(432), 제 1 전압(VR_RIP)과 제 2 피드백 전압(VFB2)을 비교하여 제 2 비교 출력(CMPO_2)을 발생하는 제 2 비교기(434),및 제 1 및 제 2 비교 출력들(CMPO_1, CMPO_2)에 기초하여 스위치 구동신호(SDRV)를 발생하는 게이트 드라이버(440)를 포함할 수 있다. 제 1 전압(VR_RIP)은 인덕터 전류(IL)와 반대의 위상을 가질 수 있다.
도 10의 부스트 컨버터(300)는 히스테리시스를 갖지 않은 2 개의 비교기(432, 434)를 사용하여 히스테리시스 루프 제어를 한다.
도 12는 도 11의 부스트 컨버터에 포함된 피드백 회로(460)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 12를 참조하면, 피드백 회로(460)는 출력 노드(NO)에 연결된 제 1 단자를 갖는 제 1 저항(RF1), 제 1 저항(RF1)의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자를 갖는 제 2 저항(RF3), 및 제 2 저항(RF3)의 제 2 단자와 접지 사이에 연결된 제 3 저항(RF2)을 포함하고, 제 1 저항(RF1)과 제 2 저항(RF3)의 연결 점에서 제 1 기준전압(VFB1)이 출력되고, 제 2 저항(RF3)과 제 3 저항(RF2)의 연결 점에서 제 2 기준전압(VFB2)이 출력될 수 있다.
도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 벅(buck) 컨버터(500)를 나타내는 회로도이다.
도 13을 참조하면, 벅 컨버터(500)는 스위치 구동부 및 전력 변환부를 포함할 수 있다.
전력 변환부는 직류 입력전압(VIN)이 인가되는 제 1 노드(N11)와 제 2 노드(N12) 사이에 연결되고, 스위치 구동신호(SDRV)에 응답하여 동작하는 파워 스위치(550), 제 2 노드(N12)와 접지 사이에 연결된 다이오드(D11), 제 2 노드(N12)와 출력 노드(NO) 사이에 연결된 인덕터(L2), 및 출력 노드(NO)와 접지 사이에 연결된 커패시터(CO)를 포함할 수 있다.
스위치 구동부는 제 2 노드(N12)에 연결되고, 인덕터(L2)를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압(VRIP)을 발생하는 리플 전압 발생기(510), 리플 전압(VRIP)을 기준 전압(VREF)에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압(VR_RIP)을 발생하는 합산 회로(520), 직류 출력전압(VO)을 분배하여 피드백 전압(VFB)을 발생하는 피드백 회로, 제 1 전압(VR_RIP)과 피드백 전압(VFB)을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력(CMPO)을 발생하는 비교기(530), 및 비교 출력(CMPO)에 기초하여 스위치 구동신호(SDRV)를 발생하는 게이트 드라이버(540)를 포함할 수 있다.
도 14는 도 13의 벅 컨버터에 포함된 리플 전압 발생기(510)의 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도 14를 참조하면, 리플 전압 발생기(510)는 전원전압(VDD)에 연결된 제1 단자를 갖는 제 1 전류원(IS1), 제 1 전류원(IS1)의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자를 갖고, 제 1 제어신호(VB_B)에 응답하여 동작하는 제 1 스위치(512), 제 1 스위치(512)의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자를 갖고, 제 1 제어신호(VB_B)와 반대의 위상을 갖는 제 2 제어신호(VB)에 응답하여 동작하는 제 2 스위치(514), 제 2 스위치(514)의 제 2 단자와 접지 사이에 연결된 제 2 전류원(IS2), 및 제 2 스위치(514)의 제 1 단자와 접지 사이에 연결된 커패시터(C11)를 포함할 수 있다. 제 2 제어신호(VB)는 제 2 노드(N12)의 전압 신호일 수 있다.
본 발명은 파워 컨버터에 적용이 가능하며, 특히 히스테리시스 제어를 하는 스위칭 레귤레이터에 적용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 300, 400: 부스트 컨버터
110: 리플 전압 발생기
120: 합산기
130: 비교기
140, 340, 440: 게이트 드라이버
150: 파워 스위치
160, 460: 피드백 회로
170: 증폭기
432, 434: 비교기

Claims (10)

  1. 스위치 구동신호 및 직류 입력전압에 기초하여 직류 출력전압을 발생하는 전력 변환부; 및
    상기 전력 변환부를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하고, 상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하고, 상기 직류 출력전압에 기초하여 피드백 전압을 발생하고, 상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 히스테리시스 모드로 비교하여 비교 출력을 발생하고, 상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생하는 스위치 구동부를 포함하는 스위칭 레귤레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는 부스트(boost) 컨버터인 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전력 변환부는
    상기 직류 입력전압이 인가되는 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 연결된 인덕터;
    상기 제 2 노드와 접지 사이에 연결되고, 상기 스위치 구동신호에 응답하여 동작하는 파워 스위치;
    상기 제 2 노드와 출력 노드 사이에 연결된 다이오드; 및
    상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 연결된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스위치 구동부는
    상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기;
    상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로(summing circuit);
    상기 직류 출력전압을 분배하여 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로;
    상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 상기 히스테리시스 모드로 비교하여 상기 비교 출력을 발생하는 비교기; 및
    상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 리플 전압 발생기는
    상기 제 2 노드에 연결된 제 1 단자를 갖는 저항;
    상기 저항의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 직류 전압이 인가되는 제 2 단자를 갖는 제 1 커패시터; 및
    상기 저항의 상기 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 상기 리플 전압이 출력되는 제 2 단자를 갖는 제 2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 리플 전압 발생기는
    상기 제 2 노드에 연결된 제 1 단자를 갖는 저항;
    상기 저항의 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 상기 제 1 노드에 연결된 제 2 단자를 갖는 제 1 커패시터; 및
    상기 저항의 상기 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 상기 리플 전압이 출력되는 제 2 단자를 갖는 제 2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 스위치 구동부는
    상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기;
    상기 직류 출력전압을 분배하여 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로;
    상기 피드백 전압과 제 1 기준전압의 차이를 증폭하여 제 2 기준전압을 발생하는 증폭기;
    상기 리플 전압을 상기 제 2 기준전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로;
    상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 상기 히스테리시스 모드로 비교하여 상기 비교 출력을 발생하는 비교기; 및
    상기 비교 출력에 기초하여 상기 스위치 구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 증폭기는
    상기 제 1 기준전압이 인가되는 제 1 비반전(non-inverted) 입력단자 및 제 2 비반전 입력단자, 상기 피드백 전압이 인가되는 제 1 반전(inverted) 입력단자, 및 상기 증폭기의 출력단자에 연결된 제 2 반전 입력단자를 갖는 2 입력쌍(two input pair) 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 전력 변환부는
    상기 직류 입력전압이 인가되는 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 결합된 인덕터;
    상기 제 2 노드와 접지 사이에 결합되고, 제 1 스위치 구동신호에 응답하여 동작하는 파워 스위치;
    상기 제 2 노드와 출력 노드 사이에 결합되고, 제 2 스위치 구동신호에 응답하여 동작하는 PMOS 트랜지스터; 및
    상기 출력 노드와 상기 접지 사이에 결합된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 스위치 구동부는
    상기 제 2 노드에 연결되고, 상기 인덕터를 통해 흐르는 인덕터 전류 정보를 갖는 리플 전압을 발생하는 리플 전압 발생기;
    상기 리플 전압을 기준 전압에 더하여 리플을 갖는 제 1 전압을 발생하는 합산 회로;
    상기 직류 출력전압을 분배하여 피드백 전압을 발생하는 피드백 회로;
    상기 제 1 전압과 상기 피드백 전압을 상기 히스테리시스 모드로 비교하여 상기 비교 출력을 발생하는 비교기; 및
    상기 비교 출력에 기초하여 상기 제 1 스위치 구동신호 및 상기 제 2 스위치구동신호를 발생하는 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
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