KR20200112287A - 스위칭 레귤레이터 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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노미야마 타카히로
김익환
백지선
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 개시의 기술적 사상의 따른 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하여 프로세싱 회로에 제공하도록 구성된 스위칭 레귤레이터는, 제1 출력 노드와 그라운드 사이에 연결된 제1 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 프로세싱 회로의 라이트 로드 조건(light load condition)에 부합하여 제1 DVS(Dynamic Voltage Scaling) 레이트(rate)를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 제1 컨버팅 스테이지(converting stage) 및 제2 출력 노드와 상기 그라운드 사이에 연결된 제2 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 프로세싱 회로의 헤비 로드 조건(heavy load condition)에 부합하여 제2 DVS 레이트를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 제2 컨버팅 스테이지를 포함한다.

Description

스위칭 레귤레이터 및 이를 포함하는 전자 장치{SWITCHING REGULATOR GENERATING AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THEREOF}
본 개시의 기술적 사상은 공급 전압 생성에 관한 것으로서, 자세하게는 스위칭 레귤레이터 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
공급 전압(supply voltage)은 전자 부품들에 전력을 제공하기 위해 생성될 수 있고, 전자 부품에 의한 전력 소모를 감소시키기 위하여, 전자 부품에 제공되는 공급 전압의 레벨이 변경될 수 있다. 예를 들면, 디지털 신호를 처리하는 프로세싱 회로의 경우, 워크로드에 따라 상대적으로 낮은 성능이 요구될 때 낮은 레벨의 공급 전압이 제공될 수 있는 한편, 상대적으로 높은 성능이 요구될 때 높은 레벨의 공급 전압이 제공될 수 있다. 이에 따라, 다양한 레벨의 공급 전압을 생성하는 동시에 효율적인 전력 사용을 가능케 하는 스위칭 레귤레이터에 대한 연구가 진행되고 있는 실정이다.
본 개시의 기술적 사상은, 전자 부품에 제공되는 공급 전압에 대한 DVS(Dynamic Voltage Scaling) 레이트(rate)를 전자 부품의 워크로드별로 다르게하여 전력을 효율적으로 사용하기 위한 스위칭 레귤레이터 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하여 프로세싱 회로에 제공하도록 구성된 스위칭 레귤레이터는, 제1 출력 노드와 그라운드 사이에 연결된 제1 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 프로세싱 회로의 라이트 로드 조건(light load condition)에 부합하여 제1 DVS(Dynamic Voltage Scaling) 레이트(rate)를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 제1 컨버팅 스테이지(converting stage) 및 제2 출력 노드와 상기 그라운드 사이에 연결된 제2 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 프로세싱 회로의 헤비 로드 조건(heavy load condition)에 부합하여 제2 DVS 레이트를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 제2 컨버팅 스테이지를 포함한다.
본 개시의 기술적 사상의 다른 측면에 따른 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하여 출력 단자를 통해 프로세싱 회로에 제공하도록 구성된 스위칭 레귤레이터는, 제1 출력 노드와 그라운드 사이에 연결된 제1 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 출력 전압의 레벨을 제1 DVS 레이트로 조절하도록 구성된 제1 컨버팅 스테이지, 상기 출력 단자와 연결된 제2 출력 노드와 상기 그라운드 사이에 연결된 제2 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 출력 전압의 레벨을 제2 DVS 레이트로 조절하도록 구성된 제2 컨버팅 스테이지 및 상기 제1 컨버팅 스테이지를 선택적으로 상기 출력 단자와 연결시키기 위해 상기 제1 출력 노드 및 상기 제2 출력 노드 사이에 연결된 제1 스위치 소자를 포함한다.
본 개시의 기술적 사상의 또 다른 측면에 따른 전자 장치는 적어도 하나의 프로세싱 회로 및 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하여 상기 프로세싱 회로에 제공하도록 구성된 스위칭 레귤레이터를 포함하고, 상기 스위칭 레귤레이터는, 상이한 캐패시턴스를 갖는 출력 캐패시터를 각각 구비하고, 상이한 DVS 레이트를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 복수의 컨버팅 스테이지들을 포함하며, 상기 프로세싱 회로의 워크로드 조건을 기반으로 상기 복수의 컨버팅 스테이지들 중 적어도 하나를 선택하여 상기 출력 전압을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터는 프로세싱 회로와 같은 전자 부품의 로드 조건 또는 필요한 전압의 레벨에 따라 상이한 DVS(Dynamic Voltage Scaling) 레이트(rate)를 갖는 출력 전압을 제공함으로써 전력을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 개시의 예시적 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 이하의 기재로부터 본 개시의 예시적 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적 실시예들을 실시함에 따른 의도하지 아니한 효과들 역시 본 개시의 예시적 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터를 포함하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 프로세싱 회로의 로드 조건를 고려하지 않고 동일한 DVS 레이트 기반 컨버팅 동작을 통해 생성된 출력 전압을 프로세싱 회로에 제공하였을 때의 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터의 컨버팅 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터(100)를 나타내는 블록도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터의 동작을 설명하기 위한 예시적인 다이어그램이다.
도 6a 내지 도 6c는 스위칭 레귤레이터의 각 컨버팅 모드에서의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터를 나타내는 블록도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 예시적 실시 예들에 따른 도 8의 스위칭 레귤레이터의 동작을 설명하기 위한 예시적인 다이어그램이다.
도 10a 내지 도 10e는 스위칭 레귤레이터의 각 컨버팅 모드에서의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 시스템을 나타내는 도면이다.
본 명세서에서, 스위치의 온(on)은 스위치의 양단이 전기적으로 접속된(connected) 상태를 지칭할 수 있고, 스위치의 오프(off)는 스위치의 양단이 전기적으로 단선된(disconnected) 상태를 지칭할 수 있다. 또한, 온 상태의 스위치 및/또는 도선을 경유하여 전기적으로 접속된 2이상의 구성요소들은 단순하게 접속된(connected) 것으로 지칭될 수 있고, 도선 등을 통해서 전기적으로 항시 접속된 2이상의 구성요소들은 결합된(coupled) 것으로 지칭될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터(10)를 포함하는 전자 장치(1)를 나타내는 블록도이다. 스위칭 레귤레이터(10)는 입력 노드들(13, 14)을 통해서 입력 전압들(VIN1 , VIN2)을 수신할 수 있고, 출력 노드(15)를 통해서 출력 전압(VO)을 출력할 수 있다. 출력 전압(VO)은 다른 전자 부품들(또는, 부하)의 공급 전압(supply voltage)으로서 사용될 수 있다. 이하에서는, 스위칭 레귤레이터(10)의 출력 전압(VO)이 제공되는 전자 부품의 예시로서 프로세싱 회로(2)가 중심으로 서술되나, 이는 예시적인 것에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphic Processing Unit), 카메라 등의 다양한 전자 부품에 출력 전압(VO)이 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(10)는 제1 컨버팅 스테이지(11), 제2 컨버팅 스테이지(12) 및 모드 스위치 소자(SW_MODE)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 스위칭 레귤레이터(10)에 포함된 구성요소들은 하나의 반도체 패키지에 포함될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 스위칭 레귤레이터(10)는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)을 포함할 수 있고, 스위칭 레귤레이터(10)의 구성요소들 중 적어도 2개는 분리된 반도체 패키지들로서 인쇄회로기판(PCB)에 실장될 수 있다. 또한, 모드 스위치 소자(SW_MODE)는 다양한 반도체 소자로 구현될 수 있다.
스위칭 레귤레이터(10)는 소자의 온/오프를 전환(switch)함으로써 출력 전압(VO)을 생성하는 임의의 전자 회로를 지칭할 수 있다. 스위칭 레귤레이터(10)의 예시로서, DC-DC 컨버터는 DC 전압인 제1 입력 전압(VIN1) 및 제2 입력 전압(VIN2) 중 적어도 하나로부터 DC 전압인 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 예를 들면, 벅(buck) 컨버터는 제1 입력 전압(VIN1) 또는 제2 입력 전압(VIN2)의 레벨보다 낮은 레벨의 출력 전압(VO)을 생성할 수 있고, 강압(step-down) 컨버터로서 지칭될 수도 있다. 부스트(boost) 컨버터는 제1 입력 전압(VIN1) 또는 제2 입력 전압(VIN2)의 레벨보다 높은 레벨의 출력 전압(VO)을 생성할 수 있고, 승압(step-up) 컨버터로서 지칭될 수도 있다. 벅-부스트(buck-boost)(또는 승강압) 컨버터는 제1 입력 전압(VIN1) 또는 제2 입력 전압(VIN2)의 레벨보다 낮거나 높은 레벨의 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 이하에서, 본 명세서에서 스위칭 레귤레이터(10)는 다양한 동작 모드로 출력 전압을 생성할 수 있는 벅-부스트 DC-DC 컨버터를 주로 참조하여 설명될 것이나, 본 개시의 예시적 실시 예들이 제1 입력 전압(VIN1) 또는 제2 입력 전압(VIN2)이 AC 전압인 AC-DC 컨버터 등과 같이 다른 종류의 스위칭 레귤레이터(10)에도 적용될 수 있는 점은 이해될 것이다. 또한, 실시 예에 따라 제1 입력 전압(VIN1) 및 제2 입력 전압(VIN2)의 레벨은 동일하거나, 상이할 수 있으며, 더 나아가, 제2 입력 전압(VIN2)의 레벨이 제1 입력 전압(VIN1)의 레벨보다 클 수 있다.
일부 실시 예들에서, 스위칭 레귤레이터(10)는 출력 전압(VO)의 타겟 레벨에 따라 벅 모드, 벅-부스트 모드 또는 부스트 모드 중 어느 하나로 설정될 수 있다. 스위칭 레귤레이터(10)가 벅 모드, 벅-부스트 모드 및 부스트 모드 중 적어도 하나를 지원함으로써, 출력 전압(VO)의 레벨은 넓은 범위에서 변동할 수 있다. 이와 더불어, 제1 컨버팅 스테이지(11)와 제2 컨버팅 스테이지(12)는 벅 모드, 벅-부스트 모드 및 부스트 모드 중 적어도 하나를 지원할 수 있도록 다양한 스위칭 회로(미도시)의 구성을 각각 포함할 수 있다.
제1 컨버팅 스테이지(11)는 제1 입력 전압(VIN1)을 제1 입력 단자(13)로부터 수신하고, 제1 입력 전압(VIN1)으로부터 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(11)는 제1 인덕터(L1), 제1 출력 캐패시터(CO1) 및 스위칭 회로(미도시)를 포함함으로써, 제1 DVS(Dynamic Voltage Scaling) 레이트(rate)를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 조절하도록 구성될 수 있다. DVS 레이트는 출력 전압(VO)의 레벨이 변경되는 속도를 의미할 수 있으며, DVS 민감도(sensitivity)로 지칭될 수 있다. 즉, DVS 레이트가 클수록 출력 전압(VO)의 레벨이 빠르게 변경될 수 있다. 제1 인덕터(L1)의 인덕턴스와 제1 출력 캐패시터(CO1)의 캐패시턴스는 제1 DVS 레이트를 기반으로 컨버팅 동작이 가능한 값으로 결정될 수 있다. 제1 출력 캐패시터(CO1)는 제1 인덕터(L1)의 일단과 그라운드(ground) 사이에 연결될 수 있다. 제1 출력 캐패시터(CO1)와 제1 인덕터(L1)가 접하는 노드는 제1 출력 노드(N1)로 지칭될 수 있다. 제2 출력 캐패시터(CO2)는 제2 인덕터(L2)의 일단과 그라운드 사이에 연결될 수 있다. 제2 출력 캐패시터(CO2)와 제2 인덕터(L2)가 접하는 노드는 제2 출력 노드(N2)로 지칭될 수 있다.
제2 컨버팅 스테이지(12)는 제2 입력 전압(VIN2)을 제2 입력 단자(14)로부터 수신하고, 제2 입력 전압(VIN2)으로부터 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 제2 컨버팅 스테이지(12)는 제2 인덕터(L2), 제2 출력 캐패시터(CO2) 및 스위칭 회로(미도시)를 포함함으로써, 제2 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 조절하도록 구성될 수 있다. 제2 인덕터(L2)의 인덕턴스와 제2 출력 캐패시터(CO2)의 캐패시턴스는 제2 DVS 레이트를 기반으로 컨버팅 동작이 가능한 값으로 결정될 수 있다.
일 실시 예로, 프로세싱 회로(2)의 워크로드 조건(work load condition)에 따라 제1 컨버팅 스테이지(11) 및 제2 컨버팅 스테이지(12) 중 어느 하나가 선택될 수 있으며, 선택된 컨버팅 스테이지를 통해 출력 전압(VO)이 생성되어 출력 단자(15)를 통해 프로세싱 회로(2)에 제공될 수 있다. 구체적으로, 프로세싱 회로(2)가 라이트 로드 조건(light load condition)일 때, 제1 컨버팅 스테이지(11)가 선택되어 출력 전압(VO)을 생성할 수 있으며, 프로세싱 회로(2)가 헤비 로드 조건(heavy load condition)일 때, 제2 컨버팅 스테이지(12)가 선택되어 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 라이트 로드 조건은 프로세싱 회로의 워크로드 레벨이 기준 레벨 이하인 상태(또는, 프로세싱 회로가 기준 전압 레벨 이하의 전압을 필요로 하는 상태)이고, 헤비 로드 조건은 프로세싱 회로의 워크로드 레벨이 기준 레벨을 초과하는 상태(또는, 프로세싱 회로가 기준 전압 레벨을 초과하는 전압을 필요로 하는 상태)로 정의될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 실시 예에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 스위칭 레귤레이터(10)는 더 다양한 프로세싱 회로의 로드 조건에 부합하는 컨버팅 스테이지를 선택하여 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다.
또한, 도 1에서는 두 개의 컨버팅 스테이지들만이 도시되어 있으나, 이는 예시적 실시 예에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 더 많은 컨버팅 스테이지들을 포함하여 더 다양한 DVS 레이트를 기반으로 한 컨버팅 동작을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 프로세싱 회로의 다양한 로드 조건에서도 효율적인 전력 사용이 가능할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 프로세싱 회로(2)의 로드 조건를 고려하지 않고 동일한 DVS 레이트 기반 컨버팅 동작을 통해 생성된 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로(2)에 제공하였을 때의 전력 손실(Loss)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 프로세싱 회로(2)가 라이트 로드 조건인 때에는 프로세싱 회로(2)에서 실제로 필요한 요구 전압(Vdemand)의 레벨이 낮기 때문에 요구 전압(Vdemand)이 시간의 흐름에 따라 변화하여도 변화에 둔감한 낮은 정도의 DVS 레이트를 갖는 출력 전압(VO)이 프로세싱 회로(2)에 제공되어도 이로 인해 발생되는 전력 손실(Loss)은 작을 수 있다.
도 2b를 참조하면, 프로세싱 회로(2)가 헤비 로드 조건인 때에는 프로세싱 회로(2)에서 실제로 필요한 요구 전압(Vdemand)의 레벨이 높기 때문에 요구 전압(Vdemand)이 시간에 흐름에 따라 변화할 때에, 변화에 둔감한 낮은 정도의 DVS 레이트를 갖는 출력 전압(VO)이 그대로 프로세싱 회로(2)에 제공되면 도 2a와 다르게 전력 손실(Loss)은 크게 발생될 수 있으며, 이 때의 전력 손실(Loss)은 스위칭 레귤레이터(10), 더 나아가, 전자 장치(1)의 성능을 저하시킬 우려가 있다.
다시 도 1로 돌아오면, 프로세싱 회로(2)가 라이트 로드 조건인 때에, 제1 컨버팅 스테이지(11)는 비교적 낮은 제1 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 프로세싱 회로(2)의 요구 전압에 맞게 조절하여 프로세싱 회로(2)에 제공할 수 있다. 프로세싱 회로(2)가 헤비 로드 조건인 때에, 제2 컨버팅 스테이지(12)는 비교적 높은 제2 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 프로세싱 회로(2)의 요구 전압에 맞도록 신속하게 조절하여 프로세싱 회로(2)에 제공할 수 있다.
일 실시 예로, 제1 컨버팅 스테이지(11)의 제1 인덕터(L1)의 인덕턴스는 제2 컨버팅 스테이지(12)의 제2 인덕터(L2)의 인덕턴스보다 크고, 제1 컨버팅 스테이지(11)의 제1 출력 캐패시터(CO1)의 캐패시턴스는 제2 컨버팅 스테이지(12)의 제2 출력 캐패시터(CO2)의 캐패시턴스보다 클 수 있다. 다만, 도 1에서는 제2 컨버팅 스테이지(12)는 하나의 제2 인덕터(L2)를 포함하는 구성을 개시하고 있으나, 이에 국한되지 않고, 도 7에서 후술되는 바와 같이 다양한 구성이 적용될 수 있다.
일 실시 예로, 제1 컨버팅 스테이지(11) 및 제2 컨버팅 스테이지(12) 중 선택된 컨버팅 스테이지를 통해 출력 전압(VO)을 생성할 수 있도록 모드 스위치 소자(SW_MODE)는 제1 컨버팅 스테이지(11)의 제1 출력 노드(N1)와 제2 컨버팅 스테이지(12)의 제2 출력 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다. 제2 출력 노드(N2)는 출력 단자(15)와 연결(또는, 결합)되고, 제1 출력 노드(N1)는 모드 스위치 소자(SW_MODE)를 통해 출력 단자(15)와 연결(또는, 접속)될 수 있다. 제1 출력 캐패시터(CO1)의 캐패시턴스는 제2 출력 캐패시터(CO2)의 캐패시턴스보다 크기 때문에 제1 컨버팅 스테이지(11)의 컨버팅 동작시에 제2 출력 캐패시터(CO2)의 캐패시턴스의 영향은 제한적일 수 있으며, 제2 컨버팅 스테이지(11)의 컨버팅 동작시 제1 출력 캐패시터(CO1)와 제2 컨버팅 스테이지(12)는 모드 스위치 소자(SW_MODE)를 통해 단선될 수 있는 바, 각각 컨버팅 동작을 원활하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
일 실시 예로, 프로세싱 회로(2)의 라이트 로드 조건에서 모드 스위치 소자(SW_MODE)는 온되어 제1 출력 노드(N1)와 출력 단자(15)가 연결(또는, 접속)될 수 있으며, 제1 컨버팅 스테이지(11)는 제1 인에이블 제어신호(EN1) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 컨버팅 동작을 수행함으로써 제1 DVS 레이트를 갖는 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로(2)에 제공할 수 있다. 이 때, 제2 컨버팅 스테이지(12)는 디스에이블된 상태일 수 있다. 이하에서, 디스에이블된 상태는 컨버팅 스테이지(11, 12)가 입력 전압(VIN1, VIN2)과 끊긴 상태를 지칭할 수 있다. 다시 말해, 디스에이블된 상태는 컨버팅 스테이지(11, 12)가 입력 단자(13, 14)와 단선된 상태를 지칭할 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(11)를 통해 출력 전압(VO)을 생성하는 스위칭 레귤레이터(10)의 컨버팅 모드는 슬로우(slow) 모드로 지칭될 수 있다.
프로세싱 회로(2)의 헤비 로드 조건에서 모드 스위치 소자(SW_MODE)는 오프되고, 제2 컨버팅 스테이지(12)는 제2 인에이블 제어신호(EN2) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 컨버팅 동작을 수행함으로써 제2 DVS 레이트를 갖는 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로(2)에 제공할 수 있다. 이 때, 제1 컨버팅 스테이지(11)는 디스에이블된 상태일 수 있다. 제2 컨버팅 스테이지(12)를 통해 출력 전압(VO)을 생성하는 스위칭 레귤레이터(10)의 컨버팅 모드는 패스트(fast) 모드로 지칭될 수 있다.
제1 컨버팅 스테이지(11), 제2 컨버팅 스테이지(12) 및 모드 스위치 소자(SW_MODE)를 제어하기 위한 신호들(EN1, EN2, VREF, CS_MODE)은 프로세싱 회로(2)로부터 직접 수신하거나, 스위칭 레귤레이터(10)에 포함된 컨트롤러(미도시)가 프로세싱 회로(2)로부터 소정의 신호를 수신하고, 이를 기반으로 상기 신호들(EN1, EN2, VREF, CS_MODE)을 생성할 수 있다. 도 1에는 도시되지는 않았으나, 제1 컨버팅 스테이지(11)와 제2 컨버팅 스테이지(12)의 컨버팅 동작을 제어하기 위해 필요한 제어신호들이 더 존재할 수 있으나, 이는 당업자 기준으로 충분히 이해될 수 있는 내용인 바 구체적인 내용은 생략한다. 각각 로드 조건에 따른 구체적인 스위칭 레귤레이터(10)의 동작은 도 6a 내지 도 6c 등에서 서술한다.
일 실시 예로, 스위칭 레귤레이터(10)가 프로세싱 회로(2)에 출력 전압(VO)을 제공하는 도중에 프로세싱 회로(2)의 로드 조건이 변경되는 경우 출력 전압(VO)을 생성하는 컨버팅 스테이지가 바뀔 수 있다. 이 때에, 프로세싱 회로(2)의 로드 조건이 변경되는 타이밍을 포함하는 소정의 구간동안 로드 조건 변경 이전에 출력 전압(VO)을 생성했던 컨버팅 스테이지와 로드 조건 변경 이후에 출력 전압(VO)을 생성하는 컨버팅 스테이지가 모두 인에이블되어 동시에 출력 전압(VO)을 생성함으로써 상보적인 컨버팅 동작을 수행할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 5b 등에서 서술한다.
본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터(10)는 프로세싱 회로(2)와 같은 전자 부품의 로드 조건 또는 필요한 전압의 레벨에 따라 상이한 DVS 레이트를 갖는 출력 전압을 제공함으로써 전력을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터의 컨버팅 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 공급되는 프로세싱 회로의 워크로드를 분석할 수 있다(S10). 프로세싱 회로의 워크로드는 프로세싱 회로가 실시간으로 분석하여 앞으로의 워크로드를 예상할 수 있다. 스위칭 레귤레이터는 분석된 워크로드에 따른 컨버팅 모드를 선택할 수 있다(S20). 스위칭 레귤레이터는 프로세싱 회로로부터 분석된 워크로드에 관한 정보를 수신하여 이를 기반으로 컨버팅 모드를 선택하거나, 프로세싱 회로로부터 컨버팅 모드의 선택에 관한 제어신호를 직접 수신하여 이에 응답하여 컨버팅 모드를 선택할 수 있다. 컨버팅 모드는 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 갖는 DVS 레이트에 따라 정의될 수 있다. 이를 위해 스위칭 레귤레이터는 각각 상이한 DVS 레이트를 갖는 출력 전압을 생성하는 복수의 컨버팅 스테이지들을 포함할 수 있으며, 복수의 컨버팅 스테이지들은 각각 적어도 하나의 출력 캐패시터를 포함할 수 있다. 이후, 스위칭 레귤레이터는 선택된 컨버팅 모드 기반 컨버팅 동작을 수행할 수 있다(S30). 즉, 스위칭 레귤레이터는 선택된 컨버팅 모드에 부합하는 컨버팅 스테이지를 인에이블하고, 프로세싱 회로의 워크로드에 적합한 DVS 레이트를 갖는 출력 전압을 생성하여 프로세싱 회로에 제공할 수 있다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터(100)를 나타내는 블록도이다. 도 4에서는 컨트롤러(103)에 의해 본 개시의 실시 예들에 따른 컨버팅 동작이 제어되는 것을 전제하여 서술하였으나, 이는 예시적 실시 예에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 다양한 제어 예들이 적용 가능할 것이다.
도 4를 참조하면, 스위칭 레귤레이터(100)는 제1 스위치 회로(101), 제2 스위치 회로(102), 컨트롤러(103), 인덕터들(L1, L2), 출력 캐패시터들(CO1, CO2) 및 모드 스위치 소자(SW_MODE)를 포함할 수 있다. 제1 스위치 회로(101), 제1 인덕터(L1) 및 제1 출력 캐패시터(CO1)를 포함하는 구성은 도 1의 제1 컨버팅 스테이지(11)에 대응될 수 있으며, 제2 스위치 회로(102), 제2 인덕터(L2) 및 제2 출력 캐패시터(CO2)를 포함하는 구성은 도 1의 제2 컨버팅 스테이지(12)에 대응될 수 있다.
컨트롤러(103)는 프로세싱 회로(미도시)로부터 기준 전압(VREF)을 수신하여 프로세싱 회로의 워크로드를 인지할 수 있으며, 이에 따라, 제1 스위치 회로(101) 및 제2 스위치 회로(102) 중 어느 하나를 선택적으로 제어하여 프로세싱 회로의 워크로드에 부합하는 컨버팅 동작을 제어할 수 있다. 더 나아가, 컨트롤러(103)는 프로세싱 회로로부터 워크로드에 관한 정보를 별도의 신호로 수신할 수 도 있으며, 상기 신호를 기반으로 컨버팅 동작을 제어할 수 있다.
컨트롤러(103)는 프로세싱 회로의 워크로드에 부합하는 컨버팅 모드에 따라 모드 스위치 소자(SW_MODE)에 모드 제어신호(CS_MODE)를 제공하여 모드 스위치 소자(SW_MODE)의 온/오프를 제어할 수 있으며, 출력 단자(115)와 연결된 제2 출력 노드(N2)로부터의 피드백 신호(FB) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 제1 스위치 회로(101) 또는 제2 스위치 회로(102)를 제어할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 6a 내지 도 6c에서 후술한다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터(100)의 동작을 설명하기 위한 예시적인 다이어그램이고, 도 6a 내지 도 6c는 스위칭 레귤레이터(100)의 각 컨버팅 모드에서의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5a를 참조하면, 스위칭 레귤레이터(100)는 프로세싱 회로의 라이트 로드 조건에 해당하는 제1 구간(Period_1)에서 슬로우 모드(MODE_slow) 기반 컨버팅 동작을 수행할 수 있다. 즉, 스위칭 레귤레이터(100)는 프로세싱 회로의 요구 전압(Vdemand)을 느리게 추적하는 비교적 작은 DVS 레이트를 갖는 출력 신호(VO)를 생성하여 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 구체적인 스위칭 레귤레이터(100)의 슬로우 모드(MODE_slow)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 6a를 참조하면, 컨트롤러(103)는 모드 스위치 소자(SW_MODE)에 모드 제어신호(CS_MODEa)를 제공하여 온 시키고, 제2 스위치 회로(102)에 제2 제어신호(CS2a)를 제공하여 제2 스위치 회로(102)를 디스에이블시키며, 제1 스위치 회로(101)에 제1 제어신호(CS1a)를 제공하여 제1 스위치 회로(101)에 대한 스위칭 제어를 통해 제1 인덕터(L1)를 통과하여 출력 단자(115)로 향하는 제1 전달 전류(ID1)를 생성함으로써 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다.
스위칭 레귤레이터(100)는 프로세싱 회로의 헤비 로드 조건에 해당하는 제2 구간(Period_2)에서 패스트 모드(MODE_fast) 기반 컨버팅 동작을 수행할 수 있다. 즉, 스위칭 레귤레이터(100)는 프로세싱 회로의 요구 전압(Vdemand)을 빠르게 추적하는 비교적 큰 DVS 레이트를 갖는 출력 신호(VO)를 생성하여 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 구체적인 스위칭 레귤레이터(100)의 패스트 모드(MODE_fast)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 6b를 참조하면, 컨트롤러(103)는 모드 스위치 소자(SW_MODE)에 모드 제어신호(CS_MODEb)를 제공하여 오프시키고, 제1 스위치 회로(101)에 제1 제어신호(CS1b)를 제공하여 제1 스위치 회로(101)를 디스에이블시키며, 제2 스위치 회로(102)에 제2 제어신호(CS2b)를 제공하여 제2 스위치 회로(102)에 대한 스위칭 제어를 통해 제2 인덕터(L2)를 통과하여 출력 단자(115)로 향하는 제2 전달 전류(ID2)를 생성함으로써 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다.
이후, 스위칭 레귤레이터(100)는 프로세싱 회로의 라이트 로드 조건에 해당하는 제3 구간(Period_3)에서 슬로우 모드(MODE_slow) 기반 컨버팅 동작을 다시 수행할 수 있다.
도 5b를 더 참조하면, 스위칭 레귤레이터(100)는 도 5a와 비교하여 컨버팅 모드가 변경되는 타이밍(또는, 프로세싱 회로의 로드 조건이 변경되는 타이밍)을 포함하는 소정의 구간(Peiod_4, Period_5)에서 트랜지션 모드(TR)로 동작하여 복수의 스위치 회로들(또는, 복수의 컨버팅 스테이지들)을 통해 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 구체적인 스위칭 레귤레이터(100)의 트랜지션 모드(TR)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 6c를 참조하면, 컨트롤러(103)는 모드 스위치 소자(SW_MODE)에 모드 제어신호(CS_MODEc)를 제공하여 온 시키고, 제1 스위치 회로(101)에 제1 제어신호(CS1c)를 제공하고, 제2 스위치 회로(102)에 제2 제어신호(CS2c)를 제공하여 제1 스위치 회로(101) 및 제2 스위치 회로(102)에 대한 스위칭 제어를 통해 제1 인덕터(L1), 제2 인덕터(L2)를 각각 통과하여 출력 단자(115)로 향하는 제1 전달 전류(ID1) 및 제2 전달 전류(ID2)를 생성함으로써 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 스위칭 레귤레이터(100)는 트랜지션 모드(TR)를 통하여 디스에이블된 스위칭 회로가 인에이블되면서 정상적인 컨버팅 동작이 가능해질 때까지 다른 스위칭 회로를 이용한 컨버팅 동작을 병행함으로써 안정적인 출력 전압(VO)을 생성하여 프로세싱 회로에 제공할 수 있다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터(200)를 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 스위칭 레귤레이터(200)는 제1 컨버팅 스테이지(210), 제2 컨버팅 스테이지(220) 및 모드 스위치 소자(SW_MODE)를 포함할 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(210)의 인덕터 연결 구성은 제2 컨버팅 스테이지(220)의 인덕터 연결 구성과 상이할 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(210)는 제1 입력 전압(VIN1)을 제1 입력 단자(213)로부터 수신하고, 제1 입력 전압(VIN1)으로부터 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(210)는 제1 인덕터(L1), 제1 출력 캐패시터(CO1) 및 스위칭 회로(미도시)를 포함하며, 제1 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 조절하도록 구성될 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(210)의 구성은 도 1의 제1 컨버팅 스테이지(11)의 구성과 대응되는 바, 구체적인 내용은 생략한다.
제2 컨버팅 스테이지(220)는 제2 입력 전압(VIN2)을 제2 입력 단자(214)로부터 수신하고, 제2 입력 전압(VIN2)으로부터 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 제2 컨버팅 스테이지(220)는 복수의 제2 인덕터들(L2_1~L2_n), 제2 출력 캐패시터(CO2') 및 복수의 스위칭 회로들(미도시)을 포함함으로써, 제2 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 조절하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 각각의 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)의 일단은 제2 출력 노드(N2)에 공통적으로 연결될 수 있다. 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)은 제2 컨버팅 스테이지(220) 내에서 병렬적으로 연결될 수 있다. 또한, 각각의 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)의 타단은 하나의 스위칭 회로(미도시)와 연결될 수 있다. 일 실시 예로, 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)의 인덕턴스와 제2 출력 캐패시터(CO2')의 캐패시턴스는 제2 DVS 레이트를 기반으로 컨버팅 동작이 가능한 값으로 결정될 수 있다. 또한, 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)은 동일 또는 상이한 인덕턴스를 가질 수 있으며, 도 1의 제2 인덕터(L2)보다 작은 인덕턴스를 가질 수 있다. 제2 컨버팅 스테이지(220)에 포함된 스위칭 회로들(미도시)은 모두 동일한 방식을 기반하여 일괄적으로 스위칭 제어될 수 있으며, 이를 통해, 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)을 통과하는 전달 전류들을 생성함으로써 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다.
제2 컨버팅 스테이지(220)의 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)의 연결 구성을 통해 제2 출력 노드를 통과하는 총 전달 전류의 크기를 증가시킬 수 있고, 제2 인덕터들(L2_1~L2_n)의 구성은 스위칭 레귤레이터(200) 내의 사이즈를 적게 차지하게 때문에 설계시의 공간에 대한 이점을 가져다 줄 수 있다.
스위칭 레귤레이터(200)의 출력 전압(VO)이 제공되는 소정의 프로세싱 회로(미도시)가 라이트 로드 조건일 때, 제1 컨버팅 스테이지(210)가 선택되어 제1 인에이블 제어신호(EN1) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 출력 전압(VO)을 생성할 수 있으며, 프로세싱 회로(미도시)가 헤비 로드 조건일 때, 제2 컨버팅 스테이지(220)가 선택되어 제2 인에이블 제어신호(EN2') 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 스위칭 레귤레이터(300)를 나타내는 블록도이다.
도 8을 참조하면, 스위칭 레귤레이터(300)는 제1 컨버팅 스테이지(310), 제2 컨버팅 스테이지(320), 제3 컨버팅 스테이지(330), 제1 모드 스위치 소자(SWa_MODE) 및 제2 모드 스위치 소자(SWb_MODE)를 포함할 수 있다. 스위칭 레귤레이터(300)는 도 1의 스위칭 레귤레이터(10)와 비교하여 제3 컨버팅 스테이지(330) 및 제2 모드 스위치 소자(SWb_MODE)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 도 1의 스위칭 레귤레이터(10)와 다른 구성을 중심으로 서술한다.
제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 입력 전압(VIN3)을 제3 입력 단자(315)로부터 수신하고, 제3 입력 전압(VIN3)으로부터 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인덕터(L3), 제3 출력 캐패시터(CO3) 및 스위칭 회로(미도시)를 포함함으로써, 제3 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 조절하도록 구성될 수 있다. 제3 인덕터(L3)의 인덕턴스와 제3 출력 캐패시터(CO3)의 캐패시턴스는 제3 DVS 레이트를 기반으로 컨버팅 동작이 가능한 값으로 결정될 수 있다. 일 실시 예로, 제3 출력 캐패시터(CO3)의 캐패시턴스는 제1 출력 캐패시터(CO1)의 캐패시턴스보다 작고, 제2 출력 캐패시터(CO2)의 캐패시턴스보다 클 수 있다. 또한, 제3 인덕터(L3)의 인덕턴스는 제1 인덕터(L1)의 인덕턴스보다 작고, 제2 인덕터(L2)의 인덕턴스보다 클 수 있다.
제3 출력 캐패시터(CO3)는 제3 인덕터(L3)의 일단과 그라운드 사이에 연결될 수 있다. 제3 출력 캐패시터(CO3)와 제3 인덕터(L3)가 접하는 노드는 제3 출력 노드(N3)로 지칭될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 조절하고, 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 DVS 레이트를 기반으로 출력 전압(VO)의 레벨을 조절할 수 있다.
일 실시 예로, 스위칭 레귤레이터(300)의 출력 전압(VO)이 제공되는 프로세싱 회로(미도시)의 워크로드 조건에 따라 제1 컨버팅 스테이지(310), 제2 컨버팅 스테이지(320) 및 제3 컨버팅 스테이지(330) 중 어느 하나가 선택될 수 있으며, 선택된 컨버팅 스테이지를 통해 출력 전압(VO)이 생성되어 출력 단자(316)를 통해 프로세싱 회로(미도시)에 제공될 수 있다. 구체적으로, 프로세싱 회로(미도시)가 라이트 로드 조건일 때, 제1 컨버팅 스테이지(310)가 선택되어 출력 전압(VO)을 생성할 수 있고, 프로세싱 회로(미도시)가 노말 로드 조건일 때, 제3 컨버팅 스테이지(330)가 선택되어 출력 전압(VO)을 생성할 수 있으며, 프로세싱 회로(미도시)가 헤비 로드 조건일 때, 제2 컨버팅 스테이지(320)가 선택되어 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다.
이 때, 라이트 로드 조건은 프로세싱 회로의 워크로드 레벨이 제1 기준 레벨 이하인 상태(또는, 프로세싱 회로가 제1 기준 전압 레벨 이하의 전압을 필요로 하는 상태)이고, 노말 로드 조건은 프로세싱 회로의 워크로드 레벨이 제1 기준 레벨을 초과하고, 제2 기준 레벨 이하인 상태(또는, 프로세싱 회로가 제1 기준 전압 레벨을 초과하고, 제2 기준 전압 레벨 이하의 전압을 필요로 하는 상태)이며, 헤비 로드 조건은 프로세싱 회로의 워크로드 레벨이 제2 기준 레벨을 초과하는 상태(또는, 프로세싱 회로가 제2 기준 전압 레벨을 초과하는 전압을 필요하는 상태)로 정의될 수 있다.
일 실시 예로, 프로세싱 회로의 노말 로드 조건에서 제3 컨버팅 스테이지(330)는 모드 제어신호들(CSa_MODE, CSb_MODE)에 의해 선택되고, 제3 인에이블 제어신호(EN3) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 제3 DVS 레이트를 갖는 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 10a 내지 도 10c에서 후술한다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 예시적 실시 예들에 따른 도 8의 스위칭 레귤레이터(300)의 동작을 설명하기 위한 예시적인 다이어그램이고, 도 10a 내지 도 10c는 스위칭 레귤레이터(300)의 각 컨버팅 모드에서의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 9a를 참조하면, 스위칭 레귤레이터(300)는 프로세싱 회로의 라이트 로드 조건에 해당하는 제1 구간(Period_1)에서 슬로우 모드(MODE_slow) 기반 컨버팅 동작을 수행할 수 있다. 즉, 스위칭 레귤레이터(300)는 프로세싱 회로의 요구 전압을 느리게 추적하는 비교적 작은 제1 DVS 레이트를 갖는 출력 신호(VO)를 생성하여 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 구체적인 스위칭 레귤레이터(300)의 슬로우 모드(MODE_slow)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 10a를 참조하면, 슬로우 모드(MODE_slow)에서 제1 모드 스위치 소자(SWa_MODE)는 제1 모드 제어신호(CSa_MODEa)에 의해 온되고, 제2 모드 스위치 소자(SWb_MODE)는 제2 모드 제어신호(CSb_MODEa)에 의해 오프될 수 있다. 또한, 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 인에이블 제어신호(EN1a)에 의해 인에이블되고, 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 인에이블 제어신호(EN2a)에 의해 디스에이블되며, 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3a)에 의해 디스에이블될 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 인에이블 제어신호(EN1a) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 컨버팅 동작을 수행함으로써 제1 인덕터(L1)를 통과해 출력 단자(316)로 향하는 제1 전달 전류(ID1)를 생성하여 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다.
스위칭 레귤레이터(300)는 프로세싱 회로의 노말 로드 조건에 해당하는 제2 구간(Period_2)에서 노말 모드(MODE_normal) 기반 컨버팅 동작을 수행할 수 있다. 즉, 스위칭 레귤레이터(300)는 프로세싱 회로의 요구 전압을 중간 속도로 추적하는 중간 정도의 제2 DVS 레이트를 갖는 출력 신호(VO)를 생성하여 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 구체적인 스위칭 레귤레이터(300)의 노말 모드(MODE_normal)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 10b를 참조하면, 노말 모드(MODE_normal)에서 제1 모드 스위치 소자(SWa_MODE)는 제1 모드 제어신호(CSa_MODEb)에 의해 오프되고, 제2 모드 스위치 소자(SWb_MODE)는 제2 모드 제어신호(CSb_MODEb)에 의해 온될 수 있다. 또한, 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 인에이블 제어신호(EN1b)에 의해 디스에이블되고, 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 인에이블 제어신호(EN2b)에 의해 디스에이블되며, 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3b)에 의해 인에이블될 수 있다. 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3b) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 컨버팅 동작을 수행함으로써 제3 인덕터(L3)를 통과해 출력 단자(316)로 향하는 제2 전달 전류(ID2)를 생성하여 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다.
스위칭 레귤레이터(300)는 프로세싱 회로의 헤비 로드 조건에 해당하는 제3 구간(Period_3)에서 패스트 모드(MODE_fast) 기반 컨버팅 동작을 수행할 수 있다. 즉, 스위칭 레귤레이터(300)는 프로세싱 회로의 요구 전압을 빠르게 추적하는 비교적 큰 제3 DVS 레이트를 갖는 출력 신호(VO)를 생성하여 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 구체적인 스위칭 레귤레이터(300)의 패스트 모드(MODE_fast)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 10c를 참조하면, 패스트 모드(MODE_fast)에서 제1 모드 스위치 소자(SWa_MODE)는 제1 모드 제어신호(CSa_MODEc)에 의해 오프되고, 제2 모드 스위치 소자(SWb_MODE)는 제2 모드 제어신호(CSb_MODEc)에 의해 오프될 수 있다. 또한, 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 인에이블 제어신호(EN1c)에 의해 디스에이블되고, 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 인에이블 제어신호(EN2c)에 의해 인에이블되며, 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3c)에 의해 디스에이블될 수 있다. 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 인에이블 제어신호(EN2c) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 컨버팅 동작을 수행함으로써 제2 인덕터(L2)를 통과해 출력 단자(316)로 향하는 제3 전달 전류(ID3)를 생성하여 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 일 실시 예로, DVS 레이트 크기는 내림 차순으로 제3 DVS 레이트, 제2 DVS 레이트 및 제1 DVS 레이트 순일 수 있다.
도 9b를 더 참조하면, 스위칭 레귤레이터(300)는 도 9a와 비교하여 컨버팅 모드가 변경되는 타이밍(또는, 프로세싱 회로의 로드 조건이 변경되는 타이밍)을 포함하는 소정의 구간(Period_4, Period_5)에서 트랜지션 모드(TR1, TR2)로 동작하여 복수의 컨버팅 스테이지들을 통해 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다.
구체적인 스위칭 레귤레이터(300)의 트랜지션 모드(TR1)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 10d를 참조하면, 트랜지션 모드(TR1)에서 제1 모드 스위치 소자(SWa_MODE)는 제1 모드 제어신호(CSa_MODEd)에 의해 온되고, 제2 모드 스위치 소자(SWb_MODE)는 제2 모드 제어신호(CSb_MODEd)에 의해 온될 수 있다. 또한, 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 인에이블 제어신호(EN1d)에 의해 인에이블되고, 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 인에이블 제어신호(EN2d)에 의해 디스에이블되며, 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3d)에 의해 인에이블될 수 있다. 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 인에이블 제어신호(EN1d) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로, 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3d) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 컨버팅 동작을 각각 동시에 수행함으로써 제1 인덕터(L1), 제3 인덕터(L3)를 각각 통과하여 출력 단자(316)로 향하는 제1 전달 전류(ID1) 및 제2 전달 전류(ID2)를 생성함으로써 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 스위칭 레귤레이터(300)는 트랜지션 모드(TR1)를 통하여 스위칭 레귤레이터(300)가 슬로우 모드(MODE_slow)에서 노말 모드(MODE_normal)로 변경되는 과도기에 제3 컨버팅 스테이지(330)에 의한 정상적인 컨버팅 동작이 가능해질 때까지 제1 컨버팅 스테이지(310)를 이용한 컨버팅 동작을 병행함으로써 안정적인 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다.
구체적인 스위칭 레귤레이터(300)의 트랜지션 모드(TR2)에서의 컨버팅 동작을 서술하기 위해 도 10e를 참조하면, 트랜지션 모드(TR2)에서 제1 모드 스위치 소자(SWa_MODE)는 제1 모드 제어신호(CSa_MODEe)에 의해 오프되고, 제2 모드 스위치 소자(SWb_MODE)는 제2 모드 제어신호(CSb_MODEe)에 의해 온될 수 있다. 또한, 제1 컨버팅 스테이지(310)는 제1 인에이블 제어신호(EN1e)에 의해 디스에이블되고, 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 인에이블 제어신호(EN2e)에 의해 인에이블되며, 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3e)에 의해 인에이블될 수 있다. 제2 컨버팅 스테이지(320)는 제2 인에이블 제어신호(EN1e) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로, 제3 컨버팅 스테이지(330)는 제3 인에이블 제어신호(EN3e) 및 기준 전압(VREF)을 기반으로 컨버팅 동작을 각각 동시에 수행함으로써 제2 인덕터(L2), 제3 인덕터(L3)를 각각 통과하여 출력 단자(316)로 향하는 제3 전달 전류(ID3) 및 제2 전달 전류(ID2)를 생성함으로써 출력 전압(VO)을 프로세싱 회로에 제공할 수 있다. 스위칭 레귤레이터(300)는 트랜지션 모드(TR2)를 통하여 스위칭 레귤레이터(300)가 노말 모드(MODE_noraml)에서 패스트 모드(MODE_fast)로 변경되는 과도기에 제2 컨버팅 스테이지(320)에 의한 정상적인 컨버팅 동작이 가능해질 때까지 제3 컨버팅 스테이지(330)를 이용한 컨버팅 동작을 병행함으로써 안정적인 출력 전압(VO)을 생성할 수 있다.
이 외에도 스위칭 레귤레이터(300)는 컨버팅 모드가 변경되는 경우, 과도기에 복수의 컨버팅 스테이지들을 이용하여 상보적인 컨버팅 동작을 수행할 수 있으며, 위에 서술된 내용으로 충분히 예상될 수 있는 바, 구체적인 내용은 생략한다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 시스템(400)을 나타내는 도면이다. 시스템(400)은, 일부 실시예들에서 시스템-온-칩(SoC)과 같이 하나의 반도체 집적회로일 수도 있고, 일부 실시예들에서 인쇄회로기판 및 이에 실장된 패키지들을 포함할 수도 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 시스템(400)은 제1 내지 제4 기능 블록(410 내지 440) 및 PMIC(450)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 기능 블록(410 내지 440)은 PMIC(450)로부터 출력되는 제1 내지 제4 공급 전압(VDD1 내지 VDD4)에 의해서 제공되는 전력에 기초하여 동작할 수 있다. 예를 들면, 제1 내지 제4 기능 블록(410 내지 440) 중 적어도 하나는 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP) 등과 같이 디지털 신호를 처리하는 디지털 회로일 수도 있고, 증폭기 등과 같이 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 회로일 수도 있다. 또한, 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter; ADC) 등과 같은 혼합된 신호(mixed signal)를 처리하는 회로일 수도 있다. 비록 도 11에서 시스템(400)은 4개의 기능 블록들을 포함하는 것으로 도시되었으나, 일부 실시예들에서 시스템(400)은 4개 미만 또는 5개 이상의 기능 블록들을 포함할 수도 있다.
PMIC(Power Management Integrated Circuit)(450)는 입력 전압(VIN)으로부터 제1 내지 제4 공급 전압(VDD1 내지 VDD4)을 생성할 수 있고, 전압 제어 신호(C_V)에 따라 제1 내지 제4 공급 전압(VDD1 내지 VDD4) 중 적어도 하나의 레벨을 변경할 수 있다. 제1 내지 제4 기능 블록(410 내지 440) 중 적어도 하나는 요구되는 성능 및 전력 소모에 따라 동적으로 가변되는 레벨의 공급 전압을 수신할 수 있다. 예를 들면, 제1 기능 블록(410)은 이미지 데이터를 처리하는 이미지 프로세서일 수 있고, 일련의 이미지들을 포함하는 동영상을 처리하는 동안 제1 기능 블록(410)은 높은 레벨의 제1 공급 전압(VDD1)을 수신할 수 있는 한편, 단일 이미지를 포함하는 사진을 처리하는 동안 제1 기능 블록(410)은 낮은 레벨의 제1 공급 전압(VDD1)을 수신할 수 있다. PMIC(450)는 제1 기능 블록(410)에서 요구되는 성능 및 전력 소모에 대응하는 전압 제어 신호(C_V)를 수신할 수 있고, PMIC(450)는 전압 제어 신호(C_V)에 기초하여 제1 공급 전압(VDD1)의 레벨을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
PMIC(450)는 도면들을 참조하여 전술된 스위칭 레귤레이터를 포함할 수 있고, 이에 따라 PMIC(450)는 제1 내지 제4 기능 블록(410 내지 440)의 로드 조건에 부합하는 DVS 레이트를 갖는 제1 내지 제4 공급 전압(VDD1 내지 VDD4)을 제1 내지 제4 기능 블록(410 내지 440)에 제공할 수 있다. 위와 같은 동작을 위해 PMIC(450)의 스위칭 레귤레이터는 복수의 컨버팅 스테이지들을 포함할 수 있으며, 각 컨버팅 스테이지는 하나 이상의 출력 캐패시터를 포함할 수 있다. 스위칭 레귤레이터는 도 1 등에서 서술된 실시 예들의 구성의 적용될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시 예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시 예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하여 프로세싱 회로에 제공하도록 구성된 스위칭 레귤레이터로서,
    제1 출력 노드와 그라운드 사이에 연결된 제1 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 프로세싱 회로의 라이트 로드 조건(light load condition)에 부합하여 제1 DVS(Dynamic Voltage Scaling) 레이트(rate)를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 제1 컨버팅 스테이지(converting stage); 및
    제2 출력 노드와 상기 그라운드 사이에 연결된 제2 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 프로세싱 회로의 헤비 로드 조건(heavy load condition)에 부합하여 제2 DVS 레이트를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 제2 컨버팅 스테이지를 포함하는 스위칭 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 출력 캐패시터의 캐패시턴스(capacitance)는, 상기 제2 출력 캐패시터의 캐패시턴스보다 큰 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨버팅 스테이지는, 상기 제1 출력 캐패시터와 상기 제1 출력 노드를 통해 연결된 제1 인덕터를 더 포함하고,
    상기 제2 컨버팅 스테이지는, 상기 제2 출력 캐패시터와 상기 제2 출력 노드를 통해 연결된 제2 인덕터를 더 포함하며,
    상기 제1 인덕터의 인덕턴스(inductance)는, 상기 제2 인덕터의 인덕턴스보다 큰 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로가 상기 라이트 로드 조건인 경우, 상기 제1 컨버팅 스테이지는 상기 제2 출력 캐패시터와 연결되어 상기 제1 출력 캐패시터 및 상기 제2 출력 캐패시터를 이용하여 상기 출력 전압의 레벨을 조절하고,
    상기 프로세싱 회로가 상기 헤비 로드 조건인 경우, 상기 제2 컨버팅 스테이지는 상기 제2 출력 캐패시터를 이용하여 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는,
    상기 프로세싱 회로에 상기 출력 전압을 제공하도록 구성된 출력 단자; 및
    상기 제1 컨버팅 스테이지의 상기 제1 출력 노드 및 상기 제2 컨버팅 스테이지의 상기 제2 출력 노드 중 적어도 하나가 상기 출력 단자와 연결되도록 구성된 스위치 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는,
    상기 프로세싱 회로에 상기 출력 전압을 제공하기 위한 출력 단자; 및
    상기 제1 컨버팅 스테이지의 상기 제1 출력 노드를 상기 출력 단자에 선택적으로 연결시키도록 구성된 스위치 소자를 더 포함하며,
    상기 출력 단자는, 상기 제2 컨버팅 스테이지의 상기 제2 출력 노드와 연결된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로가 상기 라이트 로드 조건인 경우, 상기 스위치 소자는 온 상태로 제어되고, 상기 제1 컨버팅 스테이지는 인에이블되고, 상기 제2 컨버팅 스테이지는 디스에이블되며,
    상기 프로세싱 회로가 상기 헤비 로드 조건인 경우, 상기 스위치 소자는 오프 상태로 제어되고, 상기 제1 컨버팅 스테이지는 디스에이블되고, 상기 제2 컨버팅 스테이지는 인에이블되도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로의 상기 로드 조건이 다른 로드 조건으로 변경되는 타이밍이 포함된 소정의 구간에서, 상기 스위치 소자는 온 상태로 제어되고, 상기 제1 컨버팅 스테이지 및 상기 제2 컨버팅 스테이지가 모두 인에이블되어 동시에 상기 출력 전압을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는,
    제3 출력 노드와 상기 그라운드 사이에 연결된 제3 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 프로세싱 회로의 노말 로드 조건(normal load condition)에 부합하여 제3 DVS 레이트를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 제3 컨버팅 스테이지를 더 포함하는 스위칭 레귤레이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 컨버팅 스테이지는,
    상기 제2 출력 노드에 연결된 복수의 인덕터들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  11. 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하여 출력 단자를 통해 프로세싱 회로에 제공하도록 구성된 스위칭 레귤레이터로서,
    제1 출력 노드와 그라운드 사이에 연결된 제1 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 출력 전압의 레벨을 제1 DVS 레이트로 조절하도록 구성된 제1 컨버팅 스테이지;
    상기 출력 단자와 연결된 제2 출력 노드와 상기 그라운드 사이에 연결된 제2 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 출력 전압의 레벨을 제2 DVS 레이트로 조절하도록 구성된 제2 컨버팅 스테이지; 및
    상기 제1 컨버팅 스테이지를 선택적으로 상기 출력 단자와 연결시키기 위해 상기 제1 출력 노드 및 상기 제2 출력 노드 사이에 연결된 제1 스위치 소자를 포함하는 스위칭 레귤레이터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 DVS 레이트는, 상기 제1 DVS 레이트보다 높고,
    상기 제2 출력 캐패시터는, 상기 제1 출력 캐패시터보다 캐패시턴스가 작은 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  13. 제12항에 있어서,
    슬로우(slow) 모드로 동작하는 경우에, 상기 제1 스위치 소자는 온되고, 상기 제1 출력 노드가 상기 출력 단자와 연결되어 상기 제1 컨버팅 스테이지를 통해 상기 출력 전압의 레벨을 조절하고,
    패스트(fast) 모드로 동작하는 경우에, 상기 제1 스위치 소자는 오프되고, 상기 제2 컨버팅 스테이지를 통해 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 슬로우 모드에서 상기 패스트 모드로 변경되거나, 상기 패스트 모드에서 상기 슬로우 모드로 변경되는 경우, 소정의 구간 동안 상기 제1 스위치 소자는 온되고, 상기 제1 컨버팅 스테이지 및 상기 제2 컨버팅 스테이지를 통해 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는,
    제3 출력 노드와 상기 그라운드 사이에 연결된 제3 출력 캐패시터를 포함하고, 상기 출력 전압의 레벨을 제3 DVS 레이트로 조절하도록 구성된 제3 컨버팅 스테이지; 및
    상기 제3 컨버팅 스테이지를 선택적으로 상기 출력 단자와 연결시키기 위해 상기 제2 출력 노드 및 상기 제3 출력 노드 사이에 연결된 제2 스위치 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제2 컨버팅 스테이지는,
    상기 제2 출력 노드와 병렬적으로 연결된 복수의 인덕터들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로의 워크로드 조건에 따라 상기 제1 컨버팅 스테이지 및 상기 제2 컨버팅 스테이지 중 적어도 하나를 선택하여 컨버팅 동작을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  18. 적어도 하나의 프로세싱 회로; 및
    입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하여 상기 프로세싱 회로에 제공하도록 구성된 스위칭 레귤레이터를 포함하고,
    상기 스위칭 레귤레이터는,
    상이한 캐패시턴스를 갖는 출력 캐패시터를 각각 구비하고, 상이한 DVS 레이트를 기반으로 상기 출력 전압의 레벨을 조절하도록 구성된 복수의 컨버팅 스테이지들을 포함하며, 상기 프로세싱 회로의 워크로드 조건을 기반으로 상기 복수의 컨버팅 스테이지들 중 적어도 하나를 선택하여 상기 출력 전압을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는,
    상기 프로세싱 회로로부터 상기 워크로드 조건에 부합하는 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호를 기반으로 상기 출력 전압을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는,
    상기 워크로드 조건이 변경되는 경우, 소정의 구간 동안 상기 복수의 컨버팅 스테이지들 중 적어도 두 개를 선택하여 상기 출력 전압을 동시에 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자 장치.
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