KR101119771B1

KR101119771B1 - 스위칭 전원 장치의 출력 전류를 검출하는 방법

Info

Publication number: KR101119771B1
Application number: KR1020057014294A
Authority: KR
Inventors: 래리 키른
Original assignee: 제이엠 일렉트로닉스 엘티디. 엘엘씨
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2012-03-23
Also published as: USRE44406E1; KR20050097975A; EP1595189A4; WO2004070926A2; US20040164719A1; EP1595189A2; US6989657B2; JP4728947B2; JP2006517379A; EP1595189B1; WO2004070926A3

Abstract

부하와 직렬로 연결되는 저항 또는 다른 부품을 필요로 하지 않는, 스위칭 전원 장치의 출력 전류를 검출하는 방법 및 장치이다. 본 발명에 따른 방법은 인덕터를 통해 입력 전압과 인덕터 충전 시간의 함수인 피크 전류를 추정하는 단계; 및 상기 인덕터의 방전 동안의 플라이백 전압(flyback voltage)에 기초하여 상기 부하에 이용할 수 있는 전류를 얻는 단계를 포함한다. 비록 개시된 예가 벅/부스트 토폴로지(buck/boost topology)를 기초로 한 것이지만, 다른 변환기 토폴로지도 예상할 수 있다. 장치와 관련하여, 부하로 방전하는 인덕터를 충전하는데 스위칭 소자가 사용되는 유형의 스위칭 전원 장치에 있어, 본 발명은 상기 부하와 직렬로 연결되는 저항 또는 다른 부품을 필요로 하지 않는, 출력 전류를 검출하도록 마련된 소자들(devices)을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 이들 소자는 피크 인덕터 전류를 나타내는 신호를 생성하도록 동작하는 전기 부품과, 상기 신호를 스위칭하여 파형을 제공하되 상기 파형의 적분값은 인덕터의 방전 듀티 사이클을 곱한 피크 인덕터 전류에 비례하는, 스위치를 포함한다. 회로는 또한 파형과 고정된 기준과 비교하여 부하 전류를 나타내는 신호를 출력하는 데 사용된다.

스위칭, 전원 장치, 추력 전류, 검출, 부하, 직렬 부품

Description

스위칭 전원 장치의 출력 전류를 검출하는 방법 {IMPROVED METHOD OF DETECTING SWITCHING POWER SUPPLY OUTPUT CURRENT}

관련 출원의 참조

본 출원은 2003년 2월 3일에 출원된 미국 가특허출원 제60/444,568호를 기초로 우선권을 주장하며, 그 내용 전부는 참조에 의해 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 일반적으로 스위칭 전원 장치에 관한 것으로, 특히 구성 요소(부품)를 적게 사용하는 그러한 전원 장치의 출력 전류를 검출하는 방법에 관한 것이다.

유도성 부품을 사용하는 스위칭 전원 장치가 잠시 사용되었었다. 비록 대부분의 애플리케이션이 (대개 전압 피드백 통해 구현되는) 일정한 출력 전압을 필요로 하지만, 일부 애플리케이션은 일정한 출력 전류를 필요로 한다.

일정한 전류 출력을 위한 표준적인 실시에는 나중에 피드백으로도 사용될 수 있는, 출력 전류를 전압으로 변환하기 위해 부하와 직렬로 저항을 부가하는 것을 포함한다. 하지만 이 접근법은 직렬 저항 손실과 피드백 전압 크기 사이, 또는 동적 범위의 균형을 취할 것을 강제한다. 따라서 직렬 부품(series components)을 사용하지 않고 스위칭 전원 장치의 출력 전류를 검출하는 방법이 필요하다.

본 발명은 전원 부하와 직렬로 저항 또는 기타 부품을 필요로 하지 않는, 스위칭 전원 장치의 출력 전류를 검출하는 방법 및 장치이다. 광의 및 보편적으로, 이 기술은 입력 전압과 인덕터 충전 시간(charge time)을 통해 스위칭 변환기의 피크 인덕터 전류를 구하고, 인덕터가 방전하는 동안의 플라이백 전압(flayback voltage)을 사용하여 부하에 이용할 수 있는 피크 전압의 전류 적분(current integral)을 계산한다.

더욱 구체적으로는, 본 발명의 방법에 따르면 인덕터를 통해 입력 전압과 인덕터 충전 시간의 함수인 피크 전류를 추정하는 단계, 및 상기 인덕터의 방전 동안의 플라이백 전압에 기초하여 부하에 이용할 수 있는 전류를 구하는 단계를 포함한다. 비록 개시된 예가 벅/부스트(buck/boost) 토폴로지를 기초로 한 것이지만, 다른 변환기 토폴로지도 예상할 수 있다.

장치와 관련하여, 부하로 방전하는 인덕터를 충전하는데 스위칭 소자가 사용되는 유형의 스위칭 전원 장치에 있어, 본 발명은 부하와 직렬로 연결되는 저항 또는 다른 부품을 필요로 하지 않고, 출력 전류를 검출하도록 마련된 장치를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 이들 장치는 피크 인덕터 전류를 나타내는 신호를 생성하도록 동작하는 전기 부품과, 상기 신호를 스위칭하여 파형을 제공하되, 상기 파형의 적분값은 인덕터의 방전 듀티 사이클을 곱한 피크 인덕터 전류에 비례하는, 스위치를 포함한다. 회로는 또한 파형과 고정된 기준을 비교하여 부하 전류를 나타내는 신호를 출력하는데 사용된다.

도 1은 이 기술분야에 공지된 일반적인, 고정 주파수 벅/부스트 변환기를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 회로의 동작 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도면으로 돌아가, 도 1은 이 기술분야에 공지된 일반적인, 고정 주파수 벅/부스트 변환기를 개략적으로 나타낸 도면이다. 펄스폭 변조기(101)는 제어 전압 입력에 비례하여 듀티 사이클을 스위칭 소자(102)에 출력한다. 스위칭 소자(102)는 인덕터(103)의 충전과 다이오드(105)를 통한 부하(106)로의 인덕터(103)의 방전을 번갈아서 허용한다. 커패시터(105)는 부하(106)에 공급되는 합성 전압(resultant voltage)을 필터링 한다. 저항(107)은 부하(106)의 합성 전류(resultant current)를 피드백으로 사용할 수 있는 전압으로 변환한다. 피드백 전압은 저항(110), 커패시터(112), 및 차동 증폭기(111)로 구성된 적분기에 공급되며, 적분기에서 저항(108)과 제너 다이오드(109)로 구성된 고정된 전압 기준과 비교된다. 적분기는 그 후 폐 회로를 닫는 펄스폭 변조기(101)에 제어 전압을 제공한다.

도 2를 참조하면, 선(trace)(202)은 다이오드(104)의 양극(anode)에서의 합성 인덕터 전압을 나타내고, 선(203)은 인덕터(103)의 합성 전류를 나타낸다. 시간 표시자(time marker)(204)에서, 스위칭 소자(102)는 활성화되고, 결과로서 선형 적으로 증가하는 선(203)으로 나타낸 인덕터(103) 전류를 발생시킨다. 시간 표시자(205)에서, 스위칭 소자(102)는 비활성화되고 결과로서 선(202)로 나타낸 인덕터 플라이백 전압과 선(203)으로 나타낸 선형적으로 감소하는 인덕터(103) 전류를 발생시킨다. 시간 표시자(206)에서, 인덕터(103)의 에너지는 공핍되고, 결과로서 선(202)과 선(203) 각각에서 볼 수 있듯이 인덕터(103)에서 전압 및 전류 차가 영(zero)이 되게 한다. 시간 표시자(207)에서 전체 사이클이 반복된다.

인덕터(103)의 피크 전류는 공급 전압과 스위칭 소자(102) 동작 시간(assertion time) 둘 다에 대한 선형 함수라는 것에 유의하여야 한다. 또한 이 피크 전류는, 인덕터(103)가 방전하는 동안의 공핍에 대해 선형적으로 감소한다는 것에도 유의하여야 한다. 부하(106)에 전달되는 평균 전류는 따라서 총 사이클 주기에 대한 방전 시간의 비율을 곱한 피크 인덕터(103) 전류의 반(half)이다. 수학적으로 표현하면, 평균 출력 전류는 ((V*(T205 - T204))/2)*((T206 - T205)/T207 - T205))로 표시할 수 있으며, 이 식에서 V는 공급 전압을 나타내고, Tnnn은 도 2의 표시자로 나타낸 절대 시간을 나타낸다. 시간 표시자(206)에서의 인덕터(103) 전류의 공핍은 선(202)에서 인덕터(103) 전압에 의해 명백하게 나타나 있음에 유의하여 한다. 따라서 인덕터(103)의 방전 시간을 모니터링 할 수 있다.

도 3을 참조하면, 도 3의 회로는 저항(107)과, 저항(110), 커패시터(112) 및 차동 증폭기(111)로 형성된 적분기를 구동하는 부가 회로의 생략으로 인해 도 1의 회로에서 일탈해 있다는 것에 유의하여야 한다. 따라서, 도 3의 부품 301-306 및 308-312는 도 1의 그 대응물과 유사하게 동작하지만, 전류 감지 저항(107)과 피드 백 전압 유도가 없다.

인버터(307)는 스위칭 소자(302)가 인덕터(303)를 충전하고 있을 때면 스위칭 소자(314)를 동작 해제(de-assert)하고, 그렇지 않으면 스위칭 소자(314)를 동작시킨다(assert). 저항(313)과 함께, 스위칭 소자(314)는 그 후 스위칭된 파형을 출력하며, 그것의 적분이 공급 전압 시간이고 인덕터(303) 충전 시간의 듀티 사이클이다. 피크 인덕터 충전 전류에 직접적으로 비례하는 이 스위칭된 파형은 저항(315)과 커패시터(316)에 의해 필터링되고 전압 폴로어(voltage follower)(317)에 의해 버퍼링된다.

전압 폴로어(317)는 따라서 피크 인덕터(303) 전류를 나타내는 필터링된 전압을 출력한다. 이 필터링된 전압은 그 후 비교기(323)의 제어로 스위칭 소자(319)에 의해 저항(318)을 통해 스위칭된다.

도시된 바와 같은 접속으로, 비교기(323)는 (다이오드(304)의 양극에서의) 인덕터(303)의 출력은 들어오는 공급 전압을 초과할 때마다 로우(low) 스위칭 출력을 생성하고, 그렇지 않으면 하이(hing) 스위칭 출력을 생성한다. 이런 식의 제어로, 스위칭 소자(319)와 저항(318) 이어서 스위칭된 파형을 출력하고, 그것의 적분은 인덕터(303) 방전의 듀티 사이클을 곱한 인덕터(303) 피크 전류에 직접적으로 비례한다.

저항(320), 커패시터(321) 및 전압 폴로어(322)에 의한 필터링 및 버퍼링 후에, 출력 부하 전류를 직접적으로 나타내는 이 전압은 저항(310), 커패시터(312) 및 차동 증폭기(311)로 형성된 적분기에 공급되어, 저항(308)과 제너 다이오드 (309)에 의해 공급되는 고정된 기준 전압과 비교된다. 전술한 방법에 의해, 어떠한 부하에 직렬 저항도 사용하지 않고, 출력 전류에 대한 전원 폐회로 종결이 이루어진다.

비록 이상에서는 벅/부스트 토폴로지를 사용하여 설명하였지만, 이 기술분야의 당업자라면 다른 변환기 토폴로지를 예상할 수 있다는 것은 명백하다.

Claims

부하로 방전하는 인덕터를 충전하기 위해 스위칭 소자가 사용되는 유형의 스위칭 전원 장치에서 출력 전류를 검출하는 방법으로서,

입력 전압과 인덕터 충전 시간의 함수로서 상기 인덕터를 통해 흐르는 피크 전류를 추정하는 단계, 및

상기 인덕터의 방전 동안의 플라이백 전압(flyback voltage)에 기초하여 상기 부하에 이용할 수 있는 전류를 얻는(derive) 단계

를 포함하는 출력 전류 검출 방법.
제1항에 있어서, 상기 인덕터는 벅/부스트 토폴로지(buck/boost topology)의 일부를 형성하는 것인, 출력 전류 검출 방법.
부하로 방전하는 인덕터를 충전하는데 스위칭 소자가 사용되는 유형의 스위칭 전원 장치에서 출력 전류를 검출하는 장치로서,

상기 인덕터를 통해 공급되는 입력 전압과 상기 스위칭 소자의 동작 시간(assertion time)에 기초하여 피크 인덕터 전류를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 회로부,

파형을 제공하기 위해 상기 신호를 스위칭하는 스위치로서, 상기 파형의 적분값은 상기 인덕터의 방전 듀티 사이클(duty cycle)에 의해 곱해진 피크 인덕터 전류에 비례하는 것인, 상기 스위치, 및

상기 파형과 고정된 기준을 비교하여 부하 전류를 나타내는 신호를 출력하는 회로부

를 포함하는 출력 전류 검출 장치.
스위칭 전원 장치의 출력 전류를 검출하는 장치로서,

입력 신호에 따라 부하로 방전하는 인덕터를 충전하는데 사용되는 스위칭 소자,

상기 인덕터를 통해 공급되는 입력 전압과 상기 스위칭 소자의 동작 시간에 기초하여 피크 인덕터 전류를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 회로부,

파형을 제공하기 위해 상기 신호를 스위칭하는 스위치로서, 상기 파형의 적분값은 상기 인덕터의 방전 듀티 사이클에 의해 곱해진 피크 인덕터 전류에 비례하는 것인, 상기 스위치, 및

상기 파형과 고정된 기준을 비교하여 부하 전류를 나타내는 신호를 출력하는 회로부

를 포함하는 출력 전류 검출 장치.
제4항에 있어서, 상기 스위칭 소자와 인덕터는 벅/부스트 토폴로지의 일부를 형성하는 것인, 출력 전류 검출 장치.
제1항에 있어서,

상기 인덕터의 방전 동안의 플라이백 전압에 기초하여 상기 인덕터의 방전 시간을 검출하는 단계를 더 포함하고,

상기 전류를 얻는 단계는, 상기 피크 전류와, 상기 방전 시간과, 상기 스위칭 소자가 턴오프된 기간의 함수로서 전류를 얻는 단계를 포함하는 것인, 출력 전류 검출 방법.
전원 장치에 의해 구동되는 부하를 통해 흐르는 출력 전류의 크기를 결정하는 방법에 있어서,

상기 전원 장치 내의 유도성 소자를 충전하는 단계,

상기 유도성 소자 양단의 전압과 상기 유도성 소자의 충전 시간의 함수로서 상기 유도성 소자를 통해 흐르는 피크 전류를 추정하는 단계, 및

상기 피크 전류와 상기 유도성 소자의 방전 동안의 플라이백 전압에 기초하여 상기 출력 전류의 크기를 결정하는 단계

를 포함하는, 출력 전류의 크기를 결정하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 유도성 소자는 벅/부스트 토폴로지의 일부를 형성하는 인덕터를 포함하는 것인, 출력 전류의 크기를 결정하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 전원 장치는 스위칭 전원 장치를 포함하고, 상기 유도성 소자를 충전하기 위해 스위칭 소자가 사용되는 것인, 출력 전류의 크기를 결정하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 출력 전류의 크기를 결정하는 단계는,

파형을 발생시키는 단계로서, 상기 파형의 적분값은 상기 유도성 소자의 방전 시간의 듀티 사이클에 의해 곱해진 상기 피크 전류에 비례하는 것인, 상기 파형을 발생시키는 단계와,

상기 출력 전류의 크기를 나타내는 신호를 제공하기 위해 상기 파형을 고정된 기준 전압과 비교하는 단계

를 포함하는 것인, 출력 전류의 크기를 결정하는 방법.
전원 장치에 의해 구동되는 부하를 통해 흐르는 출력 전류의 크기를 결정하기 위한 장치에 있어서,

상기 전원 장치 내에 포함된 유도성 소자,

상기 유도성 소자에 결합되고, 상기 유도성 소자 양단의 전압과 상기 유도성 소자의 충전 시간의 함수로서 상기 유도성 소자를 통해 흐르는 피크 전류를 결정하도록 동작할 수 있는 제1 회로부, 및

상기 제1 회로부에 결합되고, 상기 피크 전류와 상기 유도성 소자의 방전 동안의 플라이백 전압에 기초하여 상기 출력 전류의 크기를 결정하도록 동작할 수 있는 제2 회로부

를 포함하는, 출력 전류의 크기를 결정하기 위한 장치.
제11항에 있어서, 상기 유도성 소자는 벅/부스트 토폴로지의 일부를 형성하는 인덕터를 포함하는 것인, 출력 전류의 크기를 결정하기 위한 장치.
제11항에 있어서, 상기 제1 회로부는 상기 유도성 소자를 통해 흐르는 피크 전류를 나타내는 신호를 제공하도록 동작할 수 있는 것인, 출력 전류의 크기를 결정하기 위한 장치.
제13항에 있어서, 상기 제1 회로부는 또한, 파형 ?상기 파형의 적분값은 상기 유도성 소자의 방전 시간의 듀티 사이클에 의해 곱해진 상기 피크 전류에 비례함? 을 제공하기 위해 상기 신호를 스위칭하도록 동작할 수 있는 것인, 출력 전류의 크기를 결정하기 위한 장치.
제14항에 있어서, 상기 제2 회로부는 상기 출력 전류의 크기를 나타내는 신호를 제공하기 위해 상기 파형을 고정된 기준 전압과 비교하도록 동작할 수 있는 것인, 출력 전류의 크기를 결정하기 위한 장치.