WO2018128216A1 - 다중 채널 스위칭 컨버터 - Google Patents

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WO2018128216A1
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channel
input voltage
switching
signal
clock signal
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PCT/KR2017/002097
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성동훈
서한석
김종훈
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주식회사 실리콘마이터스
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a multi-channel switching converter supplied with a plurality of input voltages. Specifically, the present invention relates to a control method of a buck-boost converter that operates using a single or a plurality of input voltages according to the magnitude of an input voltage in multiple channels.
  • the buck-boost converter includes a plurality of switching elements including a switching element connected to the input voltage Vin, a plurality of diodes, an inductor, and a capacitor to convert the voltage magnitude of the input voltage Vin to supply to the load RL. Play a role.
  • Single-channel buck-boost converters operate from an input voltage (Vin) from a single energy source.
  • Buck-boost converters are typically implemented through pulse width modulation control, pulse frequency modulation control, or hysteresis control using an integrator. At this time, in order to maintain the output voltage stable, the input voltage must be supplied stably. If the input voltage is not supplied, energy cannot be delivered to the load, and thus the output voltage cannot be maintained.
  • An example of using multiple channels is an energy harvesting system.
  • An energy harvesting system is a system that operates by using various energy sources such as energy transmitted by RF, solar energy, and batteries.
  • the present invention provides a method for selecting a suitable channel according to the input voltage of a plurality of channels when using a multi-channel to maintain a stable output while efficiently receiving energy from a plurality of energy sources.
  • An object of the present invention is to operate a switching converter from several energy sources by using multiple channels, and to drive the switching converter from any one energy source or a plurality of energy sources which are most suitable in consideration of input voltages of the plurality of energy sources. In this way, it is possible to effectively maintain the output voltage and provide a switching converter capable of providing an output through another energy source even if some of the plurality of energy sources have a problem.
  • One aspect of the present invention for achieving the above object is a multi-channel switching converter for generating an output voltage by receiving an input voltage of a plurality of channels, including a plurality of first switching elements, of the plurality of first switching elements A first switching unit having one end connected to each of the plurality of input voltages and the other ends of the plurality of first switching elements connected to each other in common; A control unit for selecting an input voltage to receive energy from among the input voltages of the plurality of channels, and controlling the first switching unit to generate the output voltage using the selected input voltage.
  • a control unit for selecting an input voltage to receive energy from among the input voltages of the plurality of channels, and controlling the first switching unit to generate the output voltage using the selected input voltage.
  • the control unit the operation mode selection unit for generating an operation mode signal for selecting a channel to receive energy in accordance with the magnitude of the input voltage of each channel;
  • a clock signal generator for generating a clock signal of each channel by dividing a basic clock signal;
  • a hysteresis comparator configured to generate a hysteresis comparison result signal by comparing the output feedback voltage with a reference value; And receiving an operation mode signal of the operation mode selector, a basic clock signal and a channel clock signal of the clock signal generator, and a hysteresis comparison result signal of the hysteresis comparator and generating control signals of the first switching elements of the first switching unit.
  • a switching control signal generator for generating an operation mode signal for selecting a channel to receive energy in accordance with the magnitude of the input voltage of each channel.
  • a clock signal generator for generating a clock signal of each channel by dividing a basic clock signal
  • a hysteresis comparator configured to generate a hyster
  • the operation mode selector includes: an input voltage selector configured to generate an input voltage select signal for selecting an input voltage to be used to generate the output voltage according to an input voltage magnitude of each channel; And an operation mode signal generator configured to receive the input voltage selection signal and generate the operation mode signal.
  • the controller In the multi-channel switching converter, 1) when the input voltage selection signal selects an input voltage of any one channel, the controller corresponds to the selected input voltage according to the basic clock signal and the hysteresis comparison result signal.
  • the first switching element is turned on; and 2) when the input voltage selection signal selects an input voltage of two or more channels, the selected input voltage according to the clock signal and the hysteresis comparison result signal of the basic clock signal and the corresponding channel.
  • First switching elements corresponding to the plurality of power switches may be turned on alternately.
  • the input voltage selector selects the largest input voltage among the input voltages of each channel, and an input voltage other than the largest input voltage is equal to or greater than a predetermined ratio of the largest input voltage. In this case, the other input voltage may be selected together.
  • the constant ratio may be set to 0.95.
  • the turned on first switching element may be turned off after a first predetermined time from the basic clock signal.
  • the controller does not turn on any first switching element of the first switching unit in spite of the basic clock signal and the channel clock signal when the hysteresis comparison signal indicates a converter off. Can be.
  • the converter is a buck-boost converter
  • the buck-boost converter has a cathode connected to a terminal to which the other ends of a plurality of first switching elements of the first switching unit are commonly connected, and an anode has a reference potential.
  • a first diode coupled to the;
  • An inductor having one end connected to a cathode of the first diode;
  • a second switching unit connected to the other end of the inductor and connected to the other end of the inductor;
  • a second diode having an anode connected to the other end of the inductor;
  • an output capacitor having one end connected to the cathode of the second diode and the other end connected to the reference potential.
  • the controller distinguishes between a single channel operation mode in which one channel operates and a multi channel operation mode in which a plurality of channels operate, and wherein the controller corresponds to a plurality of channels operating in the multi channel operation mode.
  • One switching device can be controlled to be turned on alternately.
  • the control unit In the multi-channel switching converter, the control unit generates a turn-on signal of the first switching element using a basic clock signal in the single channel operation mode, and combines the basic clock signal and the channel clock signal together in the multi-channel operation mode. To generate a turn-on signal such that the first switching elements operate alternately.
  • the multi-channel switching converter it is possible to operate the switching converter from a number of energy sources by using a multi-channel, in consideration of the input voltage of the plurality of energy sources, any one energy source or a plurality of By driving the switching converter from an energy source, it is possible to effectively maintain the output voltage, and provide a switching converter capable of providing an output through another energy source even when some of the plurality of energy sources have a problem.
  • FIG. 1 illustrates a single channel buck-boost converter.
  • FIG. 2 illustrates a multi-channel switching converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates a multi-channel buck-boost converter according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates an internal block diagram of a control unit.
  • FIG 5 illustrates an internal circuit of an input voltage selector.
  • FIG 6 illustrates an internal circuit of an operation mode signal generator.
  • FIG. 9 illustrates an operating waveform of a multi-channel buck-boost converter according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 10 illustrates an internal circuit of the hysteresis comparison unit.
  • FIG. 11 illustrates an operation waveform of the hysteresis comparison unit.
  • the multi-channel switching converter 200 may receive the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels to generate the output voltage Vo.
  • the multi-channel switching converter 200 may include a power converter 210 and a controller 230.
  • FIG. 2 three input channels are illustrated, but the number of input channels is not limited thereto, and may be configured as appropriate.
  • the power conversion unit 210 may include a first switching unit 212 and a power conversion element unit 214 and receive energy from an input voltage selected from input voltages Va, Vb, and Vc of a plurality of channels. After converting the function to provide the output voltage (Vo).
  • the buck-boost converter is illustrated as the power converter 210 in the present invention, other power converter circuits may be used.
  • the first switching unit 212 includes a plurality of switching elements to receive energy from an input voltage selected from the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels to provide the power conversion element unit 214 at a later stage.
  • An input voltage selected from among the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels may be selectively connected to the power conversion element unit 214 at a later stage.
  • the power conversion element unit 214 may include other switching elements, diodes, inductors, capacitors, etc. which are connected to the first switching unit 212 in the configuration of the power conversion unit 210 to perform a power conversion function.
  • the elements included in the power conversion element unit 214 will vary depending on the type of power conversion circuit used.
  • the controller 230 selects an input voltage to receive energy from among the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels, and generates the output voltage Vo using the selected input voltage.
  • the power conversion element unit 214 may be controlled.
  • the input voltage selected from among the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels may be one input voltage having a maximum magnitude, but a plurality of input voltages are provided when the plurality of input voltages have a similar magnitude and are sufficient to supply energy. You can also get energy from them. For example, if any two input voltages among the plurality of input voltages show close differences with each other in a state sufficient to supply energy, only one input voltage having the maximum value among the two input voltages effectively uses the multiple energy sources. In this case, it may be more effective to use two energy sources together.
  • the operation of the control unit 230 in this regard will be described in detail below.
  • the multi-channel buck-boost converter 300 includes a first switching unit 212, a controller 230, a control power supply unit 330, a switching element S2, diodes D1 and D2, an inductor L, and an output capacitor. (Co) and resistors R1 and R2.
  • the first switching unit 212 may include a plurality of first switching elements S1a, S1b, and S1c, and one end of each of the plurality of first switching elements S1a, S1b, and S1c has a plurality of input voltages.
  • the other ends of the plurality of first switching elements S1a, S1b, and S1c may be connected to each other, and may be connected in common to each other. That is, the plurality of first switching elements S1a, S1b, and S1c of the first switching unit 212 are configured to correspond to the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels, thereby saving energy from the input voltage of any one channel.
  • receiving the power supply it may operate by driving the corresponding first switching device.
  • the first diode D1 may have a cathode connected to a terminal to which the other ends of the plurality of first switching elements S1a, S1b, and S1c of the first switching unit 212 are commonly connected, and the anode may be connected to a reference potential.
  • the reference potential may be ground, but a potential that is a reference of the power converter may be used instead of the actual ground.
  • One end of the inductor L may be connected to the cathode of the first diode D1, and the other end thereof may be connected to one end of the second switching element S2.
  • One end of the second switching unit S2 may be connected to the other end of the inductor L, and the other end thereof may be connected to the reference potential.
  • the second diode D2 may have an anode connected to the other end of the inductor L and a cathode connected to one end of the output capacitor Co.
  • One end of the output capacitor Co may be connected to the cathode of the second diode D2, and the other end thereof may be connected to the reference potential.
  • the control power supply 330 may generate the control power supply VDD from the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels.
  • the control power supply unit 330 may have three anodes of diodes connected to the input voltages Va, Vb, and Vc, and cathodes of the three diodes in common to form a control power supply VDD.
  • the input voltage having the largest value among the input voltages Va, Vb, and Vc supplies power to the control power supply VDD through the corresponding diode and the diodes of other channels may be turned off.
  • the controller 230 may include an operation mode selector 231, a clock signal generator 235, a switching control signal generator 237, and a hysteresis comparator 239.
  • the controller 230 may select an input voltage to receive energy from among the input voltages of the plurality of channels, and control the first switching unit to generate an output voltage using the selected input voltage.
  • the operation mode selector 231 may perform a function of selecting a channel to receive energy according to the magnitude of the input voltage of each channel.
  • the operation mode selector 231 may include an input voltage selector 232 and The operation mode signal generator 233 may be included.
  • the input voltage selector 232 may generate an input voltage selection signal to be used to select an input voltage to be used to generate an output voltage according to the input voltage magnitude of each channel.
  • the operation mode signal generator 233 may receive an input voltage selection signal generated by the input voltage selector 232 and generate an operation mode signal including operation mode information.
  • the clock signal generator 235 may generate a clock signal of each channel by dividing the basic clock signal.
  • the hysteresis comparator 239 may generate a hysteresis comparison result signal by comparing the output feedback voltage and the reference voltage.
  • the switching control signal generator 237 receives the operation mode signal of the operation mode selector 231, the clock signal of the clock signal generator 235, and the hysteresis comparison result signal of the hysteresis comparator 239, and receives the first switching unit.
  • the control signal of the first switching elements may be generated.
  • the input voltage selector 232 may include a plurality of current sources 531, 532, 533, and 534 and a plurality of current mirrors M1 to M9.
  • the input voltage selector 232 may include a plurality of current sources 531, 532, 533, and 534 and a plurality of current mirrors M1 to M9.
  • three input channels Va, Vb, and Vc are used, but the number of input channels may be changed as necessary.
  • the input voltage selector 232 may adjust a ratio of the current sources 531, 532, 533, and 534 to select an input voltage to receive energy.
  • the input voltage selected from among the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels may be one input voltage having a maximum magnitude. However, if the plurality of input voltages have a similar magnitude and are sufficient to supply energy, the plurality of input voltages may be used. You can also get energy. For example, when any two input voltages among the plurality of input voltages Va, Vb, and Vc show close differences with each other in a state sufficient to supply energy, only one input voltage having the maximum value is used. Doing so may be undesirable in view of the efficient use of multiple energy sources, in which case it may be more effective to use two energy sources simultaneously.
  • the input voltage selector 232 selects the largest input voltage among the input voltages Va, Vb, and Vc of each channel, but the input voltage other than the largest input voltage has the largest input voltage. If over a certain ratio, the corresponding input voltage can also be selected.
  • the predetermined ratio which is a criterion for selecting an input voltage other than the maximum input voltage, may be set to various values, but it is preferable to set the selection together when the other input voltage is 0.95 or more of the maximum input voltage.
  • the input voltage selection signals A, B, and C which are outputs of the input voltage selector 232 according to the input voltages Va, Vb, and Vc of the three channels, may be determined in the following manner.
  • the above logic output of the input voltage selector 232 is just one example and the logic output can be configured in a variety of ways including input voltage selection information.
  • an example of assigning a value of '1' to the largest input voltage channel may be performed in a manner of assigning a value of '0' to the largest input voltage channel.
  • the input voltage selector 232 selects a channel to receive energy by comparing the magnitudes of the input voltages Va, Vb, and Vc of the plurality of channels, and selects the resulting input voltage selection signals A, B, and C. You can perform the function to create.
  • the operation mode signal generator 233 may use a plurality of logic circuits NAND, INVERTER, and NOR.
  • the outputs EO1 and EO2 of the operation mode signal generator 233 illustrated in FIG. 6 may operate in the following manner.
  • the operation mode signal generator 233 generates operation mode signals EO1 and EO2 that can distinguish a total of three cases when one input voltage is maximum, two maximum, and all three are the same. can do.
  • the reason for distinguishing the operation mode signals EO1 and EO2 in this way is to make the method of generating the switching control signal different in the case of one input voltage and two and three input voltages to be used.
  • the method of generating the operation mode signal by the operation mode signal generator 233 and the output of the operation mode signal are not limited to the above examples, and the operation mode signal may be divided into a mode in which a single channel operates and a mode in which a plurality of channels operate.
  • the production method of may be various modifications.
  • the clock signal generator 235 may generate the channel clock signals CLKa, CLKb, and CLKc using the basic clock signal CLK.
  • the clock signal generator 235 may divide the basic clock signal CLK into a number corresponding to the number of channels to generate clock signals CLKa, CLKb, and CLKc of each channel. Since the division circuit of the clock signal is generally known in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the basic clock signal CLK may be generated at a predetermined frequency.
  • the clock signals CLKa, CLKb, and CLKc of each channel may be used to generate a switching control signal of the corresponding channel.
  • FIG. 7 illustrates generating three channel clock signals CLKa, CLKb, and CLKc on the assumption of three channels, the number of channels is not limited to three.
  • the switching control signal generator 237 of FIG. 4 includes a switching control signal generator 237a illustrated in FIG. 8 for each channel to control the switching control signals ONa, ONb, and the like. ONc) can be generated.
  • the switching control signal generator 237a of the A channel includes an input voltage Va, an input voltage selection signal A, operation mode signals EO1 and EO2, a basic clock signal CLK, a channel clock signal CLKa, and hysteresis.
  • the switching control signal ONa may be generated using the comparison result signal BM, the first reference signal REF1, and the reset signal RESET.
  • the switching control signal generator 237a may use a plurality of logic circuits (NOR, INVERTER, NAND, comparator and RS flip-flop, etc.) for this purpose. Since the switching control signal generator 237a illustrated in FIG. 8 is for the A channel, in the case of the B channel or the C channel, the input voltage selection signal A and the channel clock signal CLKa which are signals for the A channel in FIG. 8.
  • the input voltage Va may be changed into a signal of a corresponding channel.
  • the input voltage Va the input voltage selection signal A
  • the operation mode signals EO1 and EO2 the basic clock signal CLK
  • the channel clock signal CLKa the basic clock signal CLKa
  • the hysteresis comparison result signal BM, the first reference signal REF1, and the reset signal RESET will be described below.
  • the first reference signal REF1 is configured to prevent the switching converter from operating when the input voltage Va is equal to or less than the reference value.
  • the switching control signal ONa may be generated only when the input voltage Va is greater than or equal to the first reference signal REF1 by comparing the input voltage Va with the first reference signal REF1.
  • a condition in which the switching control signal ONa is generated by comparing the input voltage Va with the first reference signal REF1 may not be used depending on circumstances.
  • the reset signal RESET is a signal for generating a signal for turning off the switching element.
  • the flip-flop when the 'High' signal is applied to the reset signal RESET, the flip-flop is reset so that the switching control signal ONa of the A channel, which is the output thereof, represents the 'Low' signal, and according to this signal,
  • the first switching element can be turned off.
  • the base clock signal CLK may be generated at a predetermined frequency
  • the reset signal RESET may be generated after a predetermined time delay from the base clock signal CLK using a time delay element.
  • the switching converter operates in a manner having a fixed frequency and a fixed turn-on time, and the control of the output voltage can be achieved by adjusting the frequency of the cycle in which the turn-on period occurs and the cycle in which the turn-on period does not occur.
  • the output of the hysteresis comparator can be used to determine which cycle to generate the turn-on period.
  • the hysteresis comparison result signal BM will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
  • the hysteresis comparator 239 may include two comparators 1001 and 1002 and a flip-flop 1003.
  • the lower limit reference value REFL is input to the positive input terminal of the first comparator 1001, and the output feedback voltage FB is input to the negative input terminal.
  • the output feedback voltage FB is input to the positive input terminal of the second comparator 1002 and the upper limit reference value REREF is input to the negative input terminal.
  • the output of the first comparator 1001 is input to the set terminal S of the flip-flop 1003, and the output of the second comparator 1002 is input to the reset terminal R of the flip-flop 1003.
  • the hysteresis comparison unit 239 when the output feedback voltage FB becomes larger than the upper limit reference value REFH, the hysteresis comparison result signal BM indicates 'low' and the output feedback voltage FB.
  • the hysteresis comparison result signal BM may operate in a manner indicating 'high'. That is, the hysteresis comparator 239 may output a comparison result of the output feedback signal FB as a hysteresis comparison result signal BM in a hysteresis manner within the upper limit reference value REREF and the lower limit reference value REFL.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an operating waveform of a multi-channel buck-boost converter according to an embodiment of the present invention.
  • Va, Vb, and Vc are input voltages of respective channels
  • Vo is an output voltage
  • IL is an inductor current
  • CLK is a basic clock signal
  • RESET is a reset signal
  • ONa, ONb, and ONc are switching control signals of each channel.
  • the first section 910 is a section in which channel A operates as Va> Vb> Vc
  • the switching control signal ONa becomes 'high' so that the first switching element of the A channel is turned on to supply energy to the inductor.
  • the inductor current IL increases.
  • the switching control signal ONa becomes 'Low' so that the first switching element of the A channel is turned off and stored in the inductor. Energy can be transferred to the output capacitor from the input voltage of channel A to the output capacitor in such a way that the output voltage Vo rises.
  • the first switching device of the channel A When the first clock signal CLK is generated in the first section 910, the first switching device of the channel A is turned on, and whether or not the first switching device of the channel A is turned on every cycle is compared with hysteresis. It may be determined in consideration of the result signal BM. If the output voltage Vo is higher than the upper limit reference value REFH, the hysteresis comparison result signal BM is performed even if the first switching element of the channel A is turned on by the basic clock signal CLK. The first switching element of channel A may not be turned on. That is, in a section in which one channel is selected, the first switching element corresponding to the input voltage of the selected channel may be turned on according to the basic clock signal CLK and the hysteresis comparison result signal BM. In addition, as mentioned above, the result of comparing the input voltage Va with the first reference value REF1 may also be considered to determine whether to turn on the first switching device.
  • the first switching device may be turned off using the reset signal RESET.
  • the basic clock signal CLK is generated at a constant frequency and the reset signal RESET is generated from the basic clock signal CLK.
  • the reset signal RESET may be generated.
  • the switching converter operates in a manner having a fixed frequency and a fixed turn-on time, and the control of the output voltage Vo may be achieved by adjusting the frequency of the cycle in which the turn-on period occurs and the cycle in which the turn-on period does not occur.
  • Whether or not to generate the turn-on signal may be determined by a hysteresis comparison unit that compares the output voltage Vo with the reference values REREF and REFL. That is, when the hysteresis comparison result signal BM instructs the converter to be turned off (when the output voltage is larger than the upper limit reference value REFH), despite the basic clock signal CLK and the channel clock signals CLKa, CLKb, CLKc, In addition, the first switching element corresponding to any channel may not be turned on.
  • the second section 920 is a section in which channel A and channel B operate together.
  • the second section 920 is next to the section in which only one channel is operated like the first section 910.
  • the channel clock signals CLKa, CLKb, and CLKc are generated by dividing the base clock signal CLK, and then the channel clock is changed by the switching control signal generator 237a of FIG. 8.
  • the base clock CLK and the clock signals CLKa, CLKb or CLKc of the corresponding channel are simultaneously It is possible to use a method of making 'High' the condition that the first switching element of the corresponding channel is turned on.
  • whether the hysteresis comparison result signal BM indicates the turning on of the converter should also be considered.
  • the two channels may be alternately operated by considering the channel clock signals CLKa, CLKb, and CLKc.
  • the input voltage selector selects the input voltage of two or more channels, the input of the selected channel according to the basic clock signal CLK, the clock signal CLKa, CLKb, or CLKc of the corresponding channel and the hysteresis comparison result signal BM.
  • First switching elements corresponding to the voltages may be turned on.
  • the corresponding channel is determined according to the basic clock signal CLK. Allows the first switching element to be turned on, and when two or more channels are operated, when the basic clock signal CLK and the clock signal CLKa, CLKb, or CLKc of the channel are simultaneously 'high', 1 Switching element can be made to be turned on.
  • the switching converter can be operated from several energy sources, and any one energy source is most suitable in consideration of the input voltages of the plurality of energy sources.
  • an output voltage can be effectively maintained by driving the switching converter from a plurality of energy sources, and a switching converter capable of providing an output through another energy source even when some of the plurality of energy sources have a problem can be provided.
  • the multi-channel switching converter may include an input voltage selector and an operation mode signal generator, and thus, one or more suitable for receiving energy by comparing magnitudes of input voltages of a plurality of channels.
  • Basic clock signal when one channel is selected by varying the method of generating a switching control signal using an operation mode signal including information on whether one channel is selected or multiple channels are selected. Whenever occurs, the selected channel can be operated, and when a plurality of channels are selected, the selected channels can be operated alternately.

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Abstract

본 발명에 따른 다중 채널 스위칭 컨버터에 의하면, 다중 채널을 사용함으로써 여러 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 동작시킬 수 있고, 복수의 에너지원의 입력 전압을 고려하여 가장 적합한 어느 하나의 에너지원 또는 복수의 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 구동시킴으로써 효과적으로 출력 전압을 유지할 수 있으며, 복수의 에너지원 중의 일부에 문제가 생겨도 다른 에너지원을 통해 출력을 제공할 수 있는 스위칭 컨버터를 제공할 수 있다.

Description

다중 채널 스위칭 컨버터
본 발명은 복수 개의 입력 전압을 공급받는 다중 채널 스위칭 컨버터에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 다중 채널에서 입력 전압의 크기에 따라 단일 또는 복수의 입력 전압을 사용하여 동작하는 벅-부스트 컨버터의 제어 방법에 관한 것이다.
도 1은 단일 채널 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)를 예시한다. 벅-부스트 컨버터는 입력 전압(Vin)에 연결된 스위칭 소자를 포함하는 복수의 스위칭 소자, 복수의 다이오드, 인덕터 및 커패시터를 포함하여 입력 전압(Vin)의 전압 크기를 변환하여 부하(RL)에 공급하는 역할을 한다. 단일 채널 벅-부스트 컨버터는 하나의 에너지원으로부터 입력 전압(Vin)을 공급받아 동작한다.
벅-부스트 컨버터는 일반적으로 적분기를 사용하는 펄스 폭 변조 제어, 펄스 주파수 변조 제어, 또는 히스테리시스 제어를 통하여 구현된다. 이때 출력 전압을 안정적으로 유지하기 위해서는 입력 전압이 안정적으로 공급되어야 한다. 입력 전압이 공급되지 않으면 부하에 에너지를 전달할 수 없게 되고, 그에 따라 출력 전압을 유지할 수 없다.
하나의 에너지원을 가지는 단일 채널의 경우 입력 전압이 안정적으로 공급되지 않을 경우 출력 전압을 안정적으로 유지하기 어렵다. 다중 채널의 입력 전압을 사용하여 컨버터를 구동하면 단일 채널의 이러한 문제를 해결하고 어느 하나의 에너지원의 전압이 안정적으로 공급되지 않는 경우에도 출력 전압을 안정적으로 유지할 수 있다. 다중 채널을 사용하는 예로는 에너지 하베스팅(harvesting) 시스템을 들 수 있다. 에너지 하베스팅 시스템은 RF로 전송되는 에너지, 태양광 에너지, 배터리 등 다양한 에너지원을 입력으로 사용하여 동작하는 시스템이다.
본 발명은 다중 채널을 사용할 때 복수 채널의 입력 전압에 따라 적합한 채널을 선택하여 다수의 에너지원으로부터 에너지를 효과적으로 공급받으면서 출력을 안정적으로 유지하기 위한 방법을 제시한다.
본 발명의 목적은, 다중 채널을 사용함으로써 여러 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 동작시킬 수 있고, 복수의 에너지원의 입력 전압을 고려하여 가장 적합한 어느 하나의 에너지원 또는 복수의 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 구동시킴으로써 효과적으로 출력 전압을 유지할 수 있으며, 복수의 에너지원 중의 일부에 문제가 생겨도 다른 에너지원을 통해 출력을 제공할 수 있는 스위칭 컨버터를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 복수 채널의 입력 전압을 수신하여 출력 전압을 생성하는 다중 채널 스위칭 컨버터로서, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하되, 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 각각은 그 일단이 상기 복수의 입력 전압 각각에 연결되고 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 타단들은 서로 공통으로 연결된 제1 스위칭부; 상기 복수 채널의 입력 전압 중에서 에너지를 공급받을 입력 전압을 선택하고, 상기 선택된 입력 전압을 사용하여 상기 출력 전압을 생성하도록 상기 제1 스위칭부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터일 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제어부는, 각 채널의 입력 전압의 크기에 따라 에너지를 공급받을 채널을 선택하기 위한 동작 모드 신호를 생성하는 동작 모드 선택부; 기본 클럭 신호를 분주하여 각 채널의 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성부; 출력 피드백 전압과 기준값을 비교하여 히스테리시스 비교 결과 신호를 생성하는 히스테리시스 비교부; 및 상기 동작 모드 선택부의 동작 모드 신호, 상기 클럭 신호 생성부의 기본 클럭 신호와 채널 클럭 신호, 및 상기 히스테리시스 비교부의 히스테리시스 비교 결과 신호를 수신하고 상기 제1 스위칭부의 제1 스위칭 소자들의 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어 신호 생성부;를 포함할 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 동작 모드 선택부는, 각 채널의 입력 전압 크기에 따라 상기 출력 전압을 생성하는데 사용할 입력 전압을 선택하는 입력 전압 선택 신호를 생성하는 입력 전압 선택부; 및 상기 입력 전압 선택 신호를 수신하고 상기 동작 모드 신호를 생성하는 동작 모드 신호 생성부;를 포함할 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제어부는, 1) 상기 입력 전압 선택 신호가 어느 하나의 채널의 입력 전압을 선택한 경우, 상기 기본 클럭 신호와 상기 히스테리시스 비교 결과 신호에 따라 상기 선택된 입력 전압에 대응하는 제1 스위칭 소자가 턴온되도록 하고, 2) 상기 입력 전압 선택 신호가 두 개 이상의 채널의 입력 전압을 선택한 경우, 상기 기본 클럭 신호와 해당 채널의 클럭 신호와 상기 히스테리시스 비교 결과 신호에 따라 상기 선택된 입력 전압들에 대응하는 제1 스위칭 소자들이 교대로 턴온되도록 할 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 입력 전압 선택부는 각 채널의 입력 전압 중에서 가장 큰 입력 전압을 선택하되, 상기 가장 큰 입력 전압 이외의 다른 입력 전압의 크기가 상기 가장 큰 입력 전압 크기의 일정 비율 이상인 경우 상기 다른 입력 전압도 함께 선택할 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 일정 비율은 0.95로 설정될 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 턴온된 제1 스위칭 소자는 상기 기본 클럭 신호로부터 미리 정해진 제1 시간 이후에 턴오프될 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제어부는 상기 히스테리시스 비교 결과 신호가 컨버터 오프를 지시할 경우, 상기 기본 클럭 신호 및 상기 채널 클럭 신호에도 불구하고 상기 제1 스위칭부의 어느 제1 스위칭 소자도 턴온시키지 않을 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 컨버터는 벅-부스트 컨버터이고 상기 벅-부스트 컨버터는, 상기 제1 스위칭부의 복수의 제1 스위칭 소자들의 타단들이 공통으로 연결된 단자에 캐소드가 연결되고 애노드는 기준전위에 연결된 제1 다이오드; 상기 제1 다이오드의 캐소드에 일단이 연결된 인덕터; 상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되고, 그 타단은 상기 기준전위에 연결된 제2 스위칭부; 상기 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 제2 다이오드; 및 상기 제2 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 그 타단은 상기 기준전위에 연결된 출력 커패시터;를 포함할 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제어부는 하나의 채널이 동작하는 단일 채널 동작 모드와 복수의 채널이 동작하는 다중 채널 동작 모드를 구분하고, 다중 채널 동작 모드에서는 동작하는 복수의 채널에 대응하는 제1 스위칭 소자들이 교대로 턴온되도록 제어할 수 있다.
상기 다중 채널 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제어부는 상기 단일 채널 동작 모드에서는 기본 클럭 신호를 사용하여 제1 스위칭 소자의 턴온 신호를 생성하고, 상기 다중 채널 동작 모드에서는 상기 기본 클럭 신호와 채널 클럭 신호를 함께 사용하여 상기 제1 스위칭 소자들이 교대로 동작하도록 턴온 신호를 생성할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 다중 채널 스위칭 컨버터에 의하면, 다중 채널을 사용함으로써 여러 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 동작시킬 수 있고, 복수의 에너지원의 입력 전압을 고려하여 가장 적합한 어느 하나의 에너지원 또는 복수의 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 구동시킴으로써 효과적으로 출력 전압을 유지할 수 있으며, 복수의 에너지원 중의 일부에 문제가 생겨도 다른 에너지원을 통해 출력을 제공할 수 있는 스위칭 컨버터를 제공할 수 있다.
도 1은 단일 채널 벅-부스트 컨버터를 예시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 스위칭 컨버터를 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 벅-부스트 컨버터를 예시한다.
도 4는 제어부의 내부 블록도를 예시한다.
도 5는 입력 전압 선택부의 내부 회로를 예시한다.
도 6는 동작 모드 신호 생성부의 내부 회로를 예시한다.
도 7은 클럭 신호 생성부의 동작을 예시한다.
도 8은 스위칭 제어 신호 생성부의 내부 회로를 예시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 벅-부스트 컨버터의 동작 파형을 예시한다.
도 10은 히스테리시스 비교부의 내부 회로를 예시한다.
도 11은 히스테리시스 비교부의 동작 파형을 예시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 스위칭 컨버터(200)의 블록도이다. 다중 채널 스위칭 컨버터(200)는 복수 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc)을 수신하여 출력 전압(Vo)을 생성할 수 있다. 이를 위해, 다중 채널 스위칭 컨버터(200)는 전력 변환부(210) 및 제어부(230)를 포함할 수 있다. 도 2에서는 입력 채널이 3개인 것으로 예시되어 있으나, 입력 채널의 수는 이로 한정되는 것이 아니고 필요에 따라 적정한 수로 구성될 수 있다.
전력 변환부(210)는 제1 스위칭부(212) 및 전력 변환 소자부(214)를 포함할 수 있고, 복수 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 선택된 입력 전압으로부터 에너지를 공급받아 에너지를 변환한 후 출력 전압(Vo)으로 제공하는 기능을 할 수 있다. 본 발명에서는 전력 변환부(210)로 벅-부스트 컨버터를 예시하고 있으나, 그 외에도 다른 전력 변환 회로가 사용될 수도 있다.
제1 스위칭부(212)는 복수의 스위칭 소자를 포함하여 복수의 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 선택된 입력 전압으로부터 에너지를 공급받아 후단의 전력변환 소자부(214)로 제공하기 위해 복수의 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 선택된 입력 전압과 후단의 전력 변환 소자부(214)를 선택적으로 연결할 수 있다.
전력 변환 소자부(214)는 전력 변환부(210)의 구성 중에서 제1 스위칭부(212)와 연결되어 전력 변환 기능을 수행하는 다른 스위칭 소자, 다이오드, 인덕터, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 전력 변환 소자부(214)에 포함되는 소자는 사용되는 전력 변환 회로의 종류에 따라 달라질 것이다.
제어부(230)는 복수 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 에너지를 공급받을 입력 전압을 선택하고, 선택된 입력 전압을 사용하여 출력 전압(Vo)을 생성하도록 제1 스위칭부(212) 및 전력 변환 소자부(214)를 제어할 수 있다. 여기서 복수의 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 선택된 입력 전압은 최대 크기를 가지는 입력 전압 하나일 수 있지만, 입력 전압 복수 개가 유사한 크기를 가지고 에너지를 공급하기에 충분한 상태라면 복수 개의 입력 전압으로부터 에너지를 공급받을 수도 있다. 예를 들어, 복수 개의 입력 전압 중에서 어느 두 개의 입력 전압이 에너지를 공급하기에 충분한 상태에서 서로 근사한 차이를 나타내고 있는 경우, 굳이 둘 중에서 최대값을 가지는 입력 전압 하나만을 사용하는 것은 복수 에너지원을 효율적으로 사용하는 관점에서 바람직하지 않을 수 있으므로 이런 경우 두 개의 에너지원을 함께 사용하는 것이 더 효과적일 수 있다. 이와 관련한 제어부(230)의 동작에 대해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 벅-부스트 컨버터(300)를 예시한다. 다중 채널 벅-부스트 컨버터(300)는 제1 스위칭부(212), 제어부(230), 제어용 전원 공급부(330), 스위칭 소자(S2), 다이오드(D1, D2), 인덕터(L), 출력 커패시터(Co) 및 저항(R1, R2)을 포함할 수 있다.
제1 스위칭부(212)는 복수의 제1 스위칭 소자(S1a, S1b, S1c)를 포함할 수 있고, 복수의 제1 스위칭 소자(S1a, S1b, S1c)의 각각은 그 일단이 복수의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 각각에 연결되고 복수의 제1 스위칭 소자(S1a, S1b, S1c)의 타단들은 서로 공통으로 연결될 수 있다. 즉, 제1 스위칭부(212)의 복수의 제1 스위칭 소자(S1a, S1b, S1c)는 복수 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc)에 대응하여 구성됨으로써 어느 하나의 채널의 입력 전압으로부터 에너지를 공급받으려는 경우 대응하는 제1 스위칭 소자를 구동하는 방식으로 동작할 수 있다.
제1 다이오드(D1)는, 제1 스위칭부(212)의 복수의 제1 스위칭 소자(S1a, S1b, S1c)들의 타단들이 공통으로 연결된 단자에 캐소드가 연결되고 애노드는 기준전위에 연결될 수 있다. 기준전위는 접지일 수 있지만, 실제 접지가 아닌 전력 변환부의 기준이 되는 전위가 사용될 수 있다.
인덕터(L)는 그 일단이 제1 다이오드(D1)의 캐소드에 연결되고 타단은 제2 스위칭 소자(S2)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 스위칭부(S2)는 그 일단이 인덕터(L)의 타단에 연결되고 그 타단은 기준전위에 연결될 수 있다.
제2 다이오드(D2)는 애노드가 인덕터(L)의 타단에 연결되고 캐소드는 출력 커패시터(Co)의 일단에 연결될 수 있다.
출력 커패시터(Co)는 일단이 제2 다이오드(D2)의 캐소드에 연결되고 타단은 기준전위에 연결될 수 있다.
제어용 전원 공급부(330)는 복수 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc)으로부터 제어용 전원(VDD)를 생성할 수 있다. 제어용 전원 공급부(330)는 다이오드 3개의 애노드가 입력 전압(Va, Vb, Vc)에 각각 연결되고 3개 다이오드의 캐소드가 공통으로 연결되어 제어용 전원(VDD)를 형성할 수 있다. 이 경우 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 가장 큰 값을 가지는 입력 전압이 해당 다이오드를 통해 제어용 전원(VDD)에 전력을 공급하고 다른 채널의 다이오드들은 오프되는 방식으로 제어용 전원을 공급할 수 있다.
도 4는 제어부(230)의 내부 블록도를 예시한다. 제어부(230)는 동작 모드 선택부(231), 클럭 신호 생성부(235), 스위칭 제어 신호 생성부(237), 히스테리시스 비교부(239)를 포함할 수 있다. 제어부(230)는 복수 채널의 입력 전압 중에서 에너지를 공급받을 입력 전압을 선택하고, 선택된 입력 전압을 사용하여 출력 전압을 생성하도록 제1 스위칭부를 제어할 수 있다.
동작 모드 선택부(231)는 각 채널의 입력 전압의 크기에 따라 에너지를 공급받을 채널을 선택하는 기능을 수행할 수 있고, 이를 위해 동작 모드 선택부(231)는 입력 전압 선택부(232) 및 동작 모드 신호 생성부(233)를 포함할 수 있다.
입력 전압 선택부(232)는 각 채널의 입력 전압 크기에 따라 출력 전압을 생성하는데 사용할 입력 전압을 선택하는데 사용될 입력 전압 선택 신호를 생성할 수 있다.
동작 모드 신호 생성부(233)는 입력 전압 선택부(232)에서 생성한 입력 전압 선택 신호를 수신하고 동작 모드 정보를 포함하는 동작 모드 신호를 생성할 수 있다.
클럭 신호 생성부(235)는 기본 클럭 신호를 분주하여 각 채널의 클럭 신호를 생성할 수 있다.
히스테리시스 비교부(239)는 출력 피드백 전압과 기준 전압을 비교하여 히스테리시스 비교 결과 신호를 생성할 수 있다.
스위칭 제어 신호 생성부(237)는 동작 모드 선택부(231)의 동작 모드 신호, 클럭 신호 생성부(235)의 클럭 신호 및 히스테리시스 비교부(239)의 히스테리시스 비교 결과 신호를 수신하고 제1 스위칭부의 제1 스위칭 소자들의 제어 신호를 생성할 수 있다.
이하에서 입력 전압 선택부(232), 동작 모드 신호 생성부(233), 클럭 신호 생성부(235), 스위칭 제어 신호 생성부(237) 및 히스테리시스 비교부(239)에 대해 상세히 설명한다.
도 5는 입력 전압 선택부(232)의 내부 회로를 예시한다. 입력 전압 선택부(232)는 다수의 전류원(531, 532, 533, 534) 및 다수의 전류 미러(M1 ~ M9)를 포함할 수 있다. 도 5에서는 3개의 입력 채널(Va, Vb, Vc)을 사용하는 것으로 예시하고 있으나 입력 채널의 수는 필요에 따라 변경될 수 있다.
입력 전압 선택부(232)는 전류원(531, 532, 533, 534)들의 비율을 조절하여 에너지를 공급받을 입력 전압을 선택하는 기능을 수행할 수 있다. 복수의 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 선택된 입력 전압은 최대 크기를 가지는 입력 전압 하나일 수 있지만, 입력 전압 복수 개가 유사한 크기를 가지고 에너지를 공급하기에 충분한 상태라면 복수 개의 입력 전압으로부터 에너지를 공급받을 수도 있다. 예를 들어, 복수의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 어느 두 개의 입력 전압이 에너지를 공급하기에 충분한 상태에서 서로 근사한 차이를 나타내고 있는 경우, 굳이 둘 중에서 최대값을 가지는 입력 전압 하나만을 사용하는 것은 복수 에너지원을 효율적으로 사용하는 관점에서 바람직하지 않을 수 있으므로 이런 경우 두 개의 에너지원을 동시에 사용하는 것이 더 효과적일 수 있다.
이를 위해, 입력 전압 선택부(232)는 각 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc) 중에서 가장 큰 입력 전압을 선택하되, 가장 큰 입력 전압 이외의 다른 입력 전압의 크기가 가장 큰 입력 전압 크기의 일정 비율 이상인 경우 해당 입력 전압도 함께 선택할 수 있다. 여기서 최대 입력 전압 이외의 다른 입력 전압을 선택하는 기준인 일정 비율은 다양한 값으로 설정될 수 있으나 다른 입력 전압이 최대 입력 전압의 0.95 이상인 경우 함께 선택하는 것으로 설정하는 것이 바람직하다.
3개 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc)에 따른 입력 전압 선택부(232)의 출력인 입력 전압 선택 신호(A, B, C)는 다음과 같은 방식으로 결정될 수 있다.
1) Va > Vb, Vc 인 경우, A = 1, B = 0, C = 0
2) Vb > Va, Vc 인 경우, A = 0, B = 1, C = 0
3) Vc > Va, Vb 인 경우, A = 0, B = 0, C = 1
4) Va = Vb > Vc 인 경우, A = 1, B = 1, C = 0
5) Va = Vc > Vb 인 경우, A = 1, B = 0, C = 1
6) Vb = Vc > Va 인 경우, A = 0, B = 1, C = 1
7) Va = Vb = Vc 인 경우, A = 0, B = 0, C = 0
입력 전압 선택부(232)의 위 논리 출력은 하나의 예시일 뿐이고 입력 전압 선택 정보를 포함하는 다양한 방식으로 논리 출력을 구성할 수 있음은 자명하다. 예를 들어, 가장 큰 입력 전압 채널에 '1'의 값을 할당하는 것으로 예시하였으나 가장 큰 입력 전압 채널에 대해 '0'의 값을 할당하는 방식으로 동작할 수도 있다. 또한, 위에서 'Va = Vb'와 같이 두 입력 전압이 같다는 것의 의미는, 두 입력 전압이 실질적으로 동일한 값을 가지는 경우만을 의미하는 것이 아니라 앞서 언급한 바와 같이 두 입력 전압이 일정 비율 이하의 차이를 가지는 경우로서 두 입력 전압으로부터 에너지를 공급받는 것이 바람직한 경우를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이 입력 전압 선택부(232)는 복수 채널의 입력 전압(Va, Vb, Vc)의 크기를 비교하여 에너지를 공급받을 채널을 선택하고 그 결과인 입력 전압 선택 신호(A, B, C)를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.
도 6은 동작 모드 신호 생성부(233)의 내부 회로를 예시한다. 동작 모드 신호 생성부(233)는 입력 전압 선택부(232)의 출력인 입력 전압 선택 신호(A, B, C) 및 이들의 반전 신호(Ab, Bb, Cb; 예를 들면 A = 1 일 때 Ab = 0)를 사용하여 동작 모드 신호(EO1, EO2)를 출력한다. 이를 위해 동작 모드 신호 생성부(233)는 다수의 논리 회로(NAND, INVERTER, NOR)를 사용할 수 있다.
도 6에 예시된 동작 모드 신호 생성부(233)의 출력(EO1, EO2)은 아래와 같은 방식으로 동작할 수 있다.
1) Va > Vb, Vc 인 경우(A = 1, B = 0, C = 0), EO1 = 0, EO2 = 0
2) Vb > Va, Vc 인 경우(A = 0, B = 1, C = 0), EO1 = 0, EO2 = 0
3) Vc > Va, Vb 인 경우(A = 0, B = 0, C = 1), EO1 = 0, EO2 = 0
4) Va = Vb > Vc 인 경우(A = 1, B = 1, C = 0), EO1 = 1, EO2 = 0
5) Va = Vc > Vb 인 경우(A = 1, B = 0, C = 1), EO1 = 1, EO2 = 0
6) Vb = Vc > Va 인 경우(A = 0, B = 1, C = 1), EO1 = 1, EO2 = 0
7) Va = Vb = Vc 인 경우(A = 0, B = 0, C = 0), EO1 = 1, EO2 = 1
즉, 동작 모드 신호 생성부(233)는 입력 전압이 1개가 최대인 경우, 2개가 최대인 경우 및 3개가 모두 같은 경우의 총 3가지 경우를 구분할 수 있는 동작 모드 신호(EO1, EO2)를 생성할 수 있다. 동작 모드 신호(EO1, EO2)를 이와 같이 구분하는 이유는 사용할 입력 전압이 1개인 경우와 2개 및 3개인 경우에서 스위칭 제어 신호의 생성 방법이 달라지도록 하기 위함이다(이 부분에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다). 즉, 동작 모드 신호 EO1 = 0인 경우는 하나의 채널만 동작하는 단일 채널 동작 모드를 지시하고, 동작 모드 신호 EO1 = 1인 경우는 두 개 이상의 채널이 동작하는 다중 채널 동작 모드를 지시하는 것으로 이해될 수 있다. 동작 모드 신호 생성부(233)가 동작 모드 신호를 생성하는 방법 및 동작 모드 신호의 출력은 위 예시로 한정되지 않으며 단일 채널이 동작하는 모드와 복수의 채널이 동작하는 모드로 구분이 가능한 동작 모드 신호의 생성 방법은 다양한 변형이 가능할 것이다.
도 7은 클럭 신호 생성부(235)의 동작을 예시한다. 클럭 신호 생성부(235)는 기본 클럭 신호(CLK)를 사용하여 각 채널 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)를 생성할 수 있다. 클럭 신호 생성부(235)는 기본 클럭 신호(CLK)를 채널 수에 해당하는 수로 분주시켜 각 채널의 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)를 생성할 수 있다. 이러한 클럭 신호의 분주 회로는 이 분야에서 일반적으로 알려진 것이므로 상세한 설명은 생략한다. 기본 클럭 신호(CLK)는 일정 주파수로 발생될 수 있다. 각 채널의 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)는 해당 채널의 스위칭 제어 신호를 생성하는데 활용될 수 있다. 도 7은 3개 채널을 가정하여 3개의 채널 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)를 생성하는 것을 예시하였으나 채널의 수는 3개로 한정되지 않는다.
도 8은 A 채널의 스위칭 제어 신호 생성부(237a)의 내부 회로를 예시한다. 도 4의 스위칭 제어 신호 생성부(237)는 각 채널마다 도 8에 예시된 스위칭 제어 신호 생성부(237a)를 구비하여 해당 채널의 제1 스위칭 소자를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호(ONa, ONb, ONc)를 생성할 수 있다.
A 채널의 스위칭 제어 신호 생성부(237a)는 입력 전압(Va), 입력 전압 선택 신호(A), 동작 모드 신호(EO1, EO2), 기본 클럭 신호(CLK), 채널 클럭 신호(CLKa), 히스테리시스 비교 결과 신호(BM), 제1 기준 신호(REF1), 리셋 신호(RESET) 등을 사용하여 스위칭 제어 신호(ONa)를 생성할 수 있다. 스위칭 제어 신호 생성부(237a)는 이를 위해 다수의 논리 회로(NOR, INVERTER, NAND, 비교기 및 RS 플립플롭 등)를 사용할 수 있다. 도 8에 예시된 스위칭 제어 신호 생성부(237a)는 A 채널에 대한 것이므로, B 채널 또는 C 채널의 경우 도 8에서 A 채널에 대한 신호인 입력 전압 선택 신호(A), 채널 클럭 신호(CLKa), 입력 전압(Va)을 해당 채널의 신호로 변경하면 된다.
스위칭 제어 신호 생성부(237a)에서 사용하는 신호들 중에서 입력 전압(Va), 입력 전압 선택 신호(A), 동작 모드 신호(EO1, EO2), 기본 클럭 신호(CLK), 채널 클럭 신호(CLKa)에 대해서는 앞서 설명한 바 있으므로, 이하에서는 히스테리시스 비교 결과 신호(BM), 제1 기준 신호(REF1), 리셋 신호(RESET)에 대해 설명한다.
제1 기준 신호(REF1)는 입력 전압(Va)이 기준값 이하인 경우에는 스위칭 컨버터가 동작하지 않도록 하기 위한 구성이다. 이를 위해 입력 전압(Va)을 제1 기준 신호(REF1)와 비교하여 입력 전압(Va)이 제1 기준 신호(REF1) 이상인 경우에만 스위칭 제어 신호(ONa)가 발생하도록 할 수 있다. 그러나 입력 전압(Va)을 제1 기준 신호(REF1)와 비교하여 스위칭 제어 신호(ONa)가 발생하도록 하는 조건은 상황에 따라 사용하지 않을 수도 있다.
리셋 신호(RESET)는 스위칭 소자를 턴오프하기 위한 신호를 발생하기 위한 신호이다. 도 8의 실시예에서 리셋 신호(RESET)에 'High' 신호가 인가되면 플립플롭이 리셋되어 그 출력인 A 채널의 스위칭 제어 신호(ONa)는 'Low' 신호를 나타내고 이 신호에 의해 A 채널의 제1 스위칭 소자는 턴오프 될 수 있다. 일 예로, 기본 클럭 신호(CLK)가 일정 주파수로 발생되고, 시간 지연 소자를 사용하여 기본 클럭 신호(CLK)로부터 일정 시간 지연 후에 리셋 신호(RESET)가 생성되도록 할 수 있다. 이 경우 스위칭 컨버터는 고정 주파수 및 고정 턴온 시간을 가지는 방식으로 동작하게 되고, 출력 전압의 제어는 턴온 구간이 발생하는 주기과 턴온 구간이 발생하지 않는 주기의 빈도를 조절함으로써 달성될 수 있다. 후술하겠지만 어떤 주기에서 턴온 구간을 발생시킬지 여부를 결정하기 위해 히스테리시스 비교기의 출력을 사용할 수 있다.
히스테리시스 비교 결과 신호(BM)에 대해서는 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다. 도 10을 참조하면, 히스테리시스 비교부(239)는 두 개의 비교기(1001, 1002) 및 플립플롭(1003)을 포함할 수 있다.
제1 비교기(1001)의 양의 입력 단자에는 하한 기준값(REFL)이 입력되고 음의 입력 단자에는 출력 피드백 전압(FB)이 입력된다. 제2 비교기(1002)의 양의 입력 단자에는 출력 피드백 전압(FB)이 입력되고 음의 입력 단자에는 상한 기준값(REFH)이 입력된다. 제1 비교기(1001)의 출력은 플립플롭(1003)의 셋 단자(S)에 입력되고 제2 비교기(1002)의 출력은 플립플롭(1003)의 리셋 단자(R)에 입력된다. 이러한 히스테리시스 비교부(239)에 의하면, 도 10에 예시된 바와 같이, 출력 피드백 전압(FB)이 상한 기준값(REFH) 보다 커지면 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)는 'low'를 나타내고 출력 피드백 전압(FB)이 하한 기준값(REFL) 보다 작아지면 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)는 'high'를 나타내는 방식으로 동작할 수 있다. 즉, 히스테리시스 비교부(239)는 상한 기준값(REFH)과 하한 기준값(REFL)의 범위에서 히스테리시스 방식으로 출력 피드백 신호(FB)의 비교 결과를 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)로 출력할 수 있다.
다시 도 8 및 도 9를 참조하여 스위칭 제어 신호 생성부(237a)의 동작을 설명한다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 벅-부스트 컨버터의 동작 파형을 예시하는 도면이다. 도 9에서 Va, Vb, Vc는 각 채널의 입력 전압, Vo은 출력 전압, IL은 인덕터 전류, CLK는 기본 클럭 신호, RESET은 리셋 신호, ONa, ONb, ONc는 각 채널의 스위칭 제어 신호이다.
도 9에서 제1 구간(910)은 Va > Vb > Vc의 경우로서 채널 A가 동작하는 구간이고, 제2 구간(920)은 Va = Vb > Vc의 경우로서 채널 A와 채널 B가 동시에 동작하는 구간이며, 제3 구간(930)은 Va = Vb = Vc의 경우로서 채널 A, B, C가 동시에 동작하는 구간이다.
먼저 제1 구간(910)을 살펴보면, 기본 클럭 신호(CLK)가 'High'가 되면 스위칭 제어 신호(ONa)가 'High'가 되어 A 채널의 제1 스위칭 소자가 턴온되어 인덕터로 에너지가 공급되어 인덕터 전류(IL)가 증가한다. 기본 클럭 신호(CLK)로부터 일정 시간(T1)이 경과한 후 리셋 신호(RESET)가 인가되면 스위칭 제어 신호(ONa)가 'Low'가 되어 A 채널의 제1 스위칭 소자가 턴오프되고 인덕터에 저장된 에너지는 출력 커패시터로 전달되어 출력 전압(Vo)이 상승하는 방식으로 채널 A의 입력 전압으로부터 출력 커패시터로 에너지가 전달될 수 있다.
제1 구간(910)에서 매 기본 클럭 신호(CLK)의 발생 시마다 채널 A의 제 스위칭 소자를 턴온할 수 있는 상태가 되는데, 매 주기마다 채널 A의 제1 스위칭 소자를 턴온할 지 여부는 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)를 고려하여 결정될 수 있다. 만약, 출력 전압(Vo)이 상한 기준값(REFH)보다 높아지는 경우, 기본 클럭 신호(CLK)에 의해 채널 A의 제1 스위칭 소자가 턴온될 수 있는 상태가 된다고 하더라도 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)에 의해 채널 A의 제1 스위칭 소자는 턴온되지 않을 수 있다. 즉, 어느 하나의 채널이 선택된 구간에서는 기본 클럭 신호(CLK)와 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)에 따라 선택된 채널의 입력 전압에 대응하는 제1 스위칭 소자가 턴온될 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 입력 전압(Va)을 제1 기준값(REF1)과 비교한 결과도 함께 고려하여 제1 스위칭 소자의 턴온 여부를 결정할 수도 있다.
제1 구간(910)에서 제1 스위칭 소자는 리셋 신호(RESET)를 사용하여 턴오프될 수 있다. 리셋 신호(RESET) 신호를 생성하는 방법의 일 예로는, 앞서 설명한 바와 같이, 기본 클럭 신호(CLK)가 일정 주파수로 발생되고 리셋 신호(RESET)는 기본 클럭 신호(CLK)로부터 일정한 제1 시간(T1)이 지나면 리셋 신호(RESET)가 생성되도록 할 수 있다. 이 경우 스위칭 컨버터는 고정 주파수 및 고정 턴온 시간을 가지는 방식으로 동작하게 되고, 출력 전압(Vo)의 제어는 턴온 구간이 발생하는 주기과 턴온 구간이 발생하지 않는 주기의 빈도를 조절함으로써 달성될 수 있으며, 어떤 주기에서 턴온 신호를 발생시킬지 여부는 출력 전압(Vo)을 기준값(REFH, REFL)과 비교하는 히스테리시스 비교부에 의해 결정될 수 있다. 즉, 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)가 컨버터의 오프를 지시할 경우(출력 전압이 상한 기준값(REFH)보다 큰 경우), 기본 클럭 신호(CLK) 및 채널 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)에도 불구하고 어느 채널에 대응되는 제1 스위칭 소자도 턴온되지 않을 수 있다.
다음으로 제2 구간(920)은 채널 A와 채널 B가 함께 동작하는 구간인데, 이와 같이 2개의 채널이 함께 동작하는 구간에서는 제1 구간(910)과 같이 하나의 채널만 동작하는 구간에 비해 다음과 같은 동작의 차이가 있다. 제2 구간(920)에서는 2개의 채널이 함께 동작하므로 어느 하나의 채널이 기본 클럭(CLK)이 발생할 때마다 동작하기는 곤란하고, 두 채널이 교대로 동작할 수 있도록 할 필요가 있다. 이를 위해, 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 기본 클럭 신호(CLK)를 분주하여 채널 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)를 생성한 후, 도 8의 스위칭 제어 신호 생성부(237a)에서 채널 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)와 동작 모드 신호(EO1, EO2)를 논리 조합함으로써, 2개 이상의 채널이 동작하는 경우 기본 클럭(CLK)과 해당 채널의 클럭 신호(CLKa, CLKb 또는 CLKc)가 동시에 'High'가 되는 것을 해당 채널의 제1 스위칭 소자가 턴온되는 조건으로 만드는 방법을 사용할 수 있다. 물론 앞서 언급한 바와 같이 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)가 컨버터의 턴온을 지시하는지 여부도 고려되어야 한다. 2개 채널을 함께 사용하는 제2 구간(920)에서는 이와 같이 채널 클럭 신호(CLKa, CLKb, CLKc)를 고려함으로써 2개의 채널이 교대로 동작하도록 할 수 있다. 즉, 입력 전압 선택부가 두 개 이상의 채널의 입력 전압을 선택한 경우, 기본 클럭 신호(CLK)와 해당 채널의 클럭 신호(CLKa, CLKb 또는 CLKc)와 히스테리시스 비교 결과 신호(BM)에 따라 선택된 채널의 입력 전압들에 대응하는 제1 스위칭 소자들이 턴온될 수 있다.
이와 같이, 채널이 1개, 2개 또는 3개가 사용되는 경우를 구분할 수 있는 동작 모드 신호(EO1, EO2)를 사용함으로써 1개의 채널이 동작하는 경우에는 기본 클럭 신호(CLK)에 따라 해당 채널의 제1 스위칭 소자가 턴온될 수 있도록 하고, 2개 이상의 채널이 동작하는 경우 기본 클럭 신호(CLK) 및 해당 채널의 클럭 신호(CLKa, CLKb 또는 CLKc)가 동시에 '하이'인 경우에 해당 채널의 제1 스위칭 소자가 턴온될 수 있도록 만들 수 있다.
다음으로 제3 구간(930)을 살펴보면, Va = Vb = Vc의 조건에서 3개의 채널이 모두 동작하여 3개의 스위칭 제어 신호(ONa, ONb, ONc)가 교대로 발생된다는 점 외에는 제2 구간(920)의 동작 방식과 유사하게 동작할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 스위칭 컨버터에 의하면, 다중 채널을 사용함으로써 여러 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 동작시킬 수 있고, 복수의 에너지원의 입력 전압을 고려하여 가장 적합한 어느 하나의 에너지원 또는 복수의 에너지원으로부터 스위칭 컨버터를 구동시킴으로써 효과적으로 출력 전압을 유지할 수 있으며, 복수의 에너지원 중의 일부에 문제가 생겨도 다른 에너지원을 통해 출력을 제공할 수 있는 스위칭 컨버터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 스위칭 컨버터는 입력 전압 선택부 및 동작 모드 신호 생성부를 구비할 수 있고, 이로 인해 복수 채널의 입력 전압의 크기를 비교하여 에너지를 공급받기에 적절한 한 개 또는 복수의 채널을 선택할 수 있으며, 채널이 한 개 선택되었는지 또는 복수 개가 선택되었는지에 대한 정보를 포함하는 동작 모드 신호를 사용하여 스위칭 제어 신호를 생성하는 방법을 달리함으로써 하나의 채널이 선택된 경우 기본 클럭 신호가 발생할 때마다 선택된 채널이 동작할 수 있도록 하고 복수 개의 채널이 선택된 경우 선택된 채널들이 교대로 동작할 수 있도록 할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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Claims (11)

  1. 복수 채널의 입력 전압을 수신하여 출력 전압을 생성하는 다중 채널 스위칭 컨버터로서,
    복수의 제1 스위칭 소자를 포함하되, 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 각각은 그 일단이 상기 복수의 입력 전압 각각에 연결되고 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 타단들은 서로 공통으로 연결된 제1 스위칭부;
    상기 복수 채널의 입력 전압 중에서 에너지를 공급받을 입력 전압을 선택하고, 상기 선택된 입력 전압을 사용하여 상기 출력 전압을 생성하도록 상기 제1 스위칭부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    각 채널의 입력 전압의 크기에 따라 에너지를 공급받을 채널을 선택하기 위한 동작 모드 신호를 생성하는 동작 모드 선택부;
    기본 클럭 신호를 분주하여 각 채널의 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성부;
    출력 피드백 전압과 기준값을 비교하여 히스테리시스 비교 결과 신호를 생성하는 히스테리시스 비교부; 및
    상기 동작 모드 선택부의 동작 모드 신호, 상기 클럭 신호 생성부의 기본 클럭 신호와 채널 클럭 신호, 및 상기 히스테리시스 비교부의 히스테리시스 비교 결과 신호를 수신하고 상기 제1 스위칭부의 제1 스위칭 소자들의 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어 신호 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 동작 모드 선택부는,
    각 채널의 입력 전압 크기에 따라 상기 출력 전압을 생성하는데 사용할 입력 전압을 선택하는 입력 전압 선택 신호를 생성하는 입력 전압 선택부; 및
    상기 입력 전압 선택 신호를 수신하고 상기 동작 모드 신호를 생성하는 동작 모드 신호 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제어부는,
    1) 상기 입력 전압 선택 신호가 어느 하나의 채널의 입력 전압을 선택한 경우, 상기 기본 클럭 신호와 상기 히스테리시스 비교 결과 신호에 따라 상기 선택된 입력 전압에 대응하는 제1 스위칭 소자가 턴온되도록 하고,
    2) 상기 입력 전압 선택 신호가 두 개 이상의 채널의 입력 전압을 선택한 경우, 상기 기본 클럭 신호와 해당 채널의 클럭 신호와 상기 히스테리시스 비교 결과 신호에 따라 상기 선택된 입력 전압들에 대응하는 제1 스위칭 소자들이 교대로 턴온되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 입력 전압 선택부는 각 채널의 입력 전압 중에서 가장 큰 입력 전압을 선택하되, 상기 가장 큰 입력 전압 이외의 다른 입력 전압의 크기가 상기 가장 큰 입력 전압 크기의 일정 비율 이상인 경우 상기 다른 입력 전압도 함께 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 일정 비율은 0.95로 설정된 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 턴온된 제1 스위칭 소자는 상기 기본 클럭 신호로부터 미리 정해진 제1 시간 이후에 턴오프되는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제어부는 상기 히스테리시스 비교 결과 신호가 컨버터 오프를 지시할 경우, 상기 기본 클럭 신호 및 상기 채널 클럭 신호에도 불구하고 상기 제1 스위칭부의 어느 제1 스위칭 소자도 턴온시키지 않는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터는 벅-부스트 컨버터이고 상기 벅-부스트 컨버터는,
    상기 제1 스위칭부의 복수의 제1 스위칭 소자들의 타단들이 공통으로 연결된 단자에 캐소드가 연결되고 애노드는 기준전위에 연결된 제1 다이오드;
    상기 제1 다이오드의 캐소드에 일단이 연결된 인덕터;
    상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되고, 그 타단은 상기 기준전위에 연결된 제2 스위칭부;
    상기 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 제2 다이오드; 및
    상기 제2 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 그 타단은 상기 기준전위에 연결된 출력 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 하나의 채널이 동작하는 단일 채널 동작 모드와 복수의 채널이 동작하는 다중 채널 동작 모드를 구분하고, 다중 채널 동작 모드에서는 동작하는 복수의 채널에 대응하는 제1 스위칭 소자들이 교대로 턴온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제어부는 상기 단일 채널 동작 모드에서는 기본 클럭 신호를 사용하여 제1 스위칭 소자의 턴온 신호를 생성하고, 상기 다중 채널 동작 모드에서는 상기 기본 클럭 신호와 채널 클럭 신호를 함께 사용하여 상기 제1 스위칭 소자들이 교대로 동작하도록 턴온 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 스위칭 컨버터.
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