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KR20130028018A - 벅 업 전력 변환기 - Google Patents

벅 업 전력 변환기 Download PDF

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KR20130028018A
KR20130028018A KR1020120099451A KR20120099451A KR20130028018A KR 20130028018 A KR20130028018 A KR 20130028018A KR 1020120099451 A KR1020120099451 A KR 1020120099451A KR 20120099451 A KR20120099451 A KR 20120099451A KR 20130028018 A KR20130028018 A KR 20130028018A
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KR
South Korea
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signal
switches
switch
voltage
mode
Prior art date
Application number
KR1020120099451A
Other languages
English (en)
Inventor
팔랍 미드야
Original Assignee
페어차일드 세미컨덕터 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 페어차일드 세미컨덕터 코포레이션 filed Critical 페어차일드 세미컨덕터 코포레이션
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Abstract

본 발명은 DC-DC 변환을 위한 장치, 방법 및 시스템을 제공한다. 장치는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드(Buck mode)에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드(Up mode)에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함하는 스위치 네트워크를 포함한다. 본 예의 장치는 상기 스위치 네트워크에 연결된 부하로부터의 전력 요구를 나타내는 가변 기준 신호에 기초해서 상기 복수의 제1 스위치 및 상기 복수의 제2 스위치의 전도 상태를 제어하는 제어 신호를 생성하도록 구성되어 있는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.

Description

벅 업 전력 변환기{BUCK UP POWER CONVERTER}
본 출원은 2011년 9월 8일에 출원된 미국 가특허출원 No. 61/532,443에 대한 우선권을 주장하는 바이며, 상기 문헌의 내용은 본 명세서에 원용되어 포함된다.
본 발명은 복수의 모드로 동작할 수 있는 DC-DC 변환기 시스템에 관한 것이다.
DC-DC 변환기 시스템은 직류(DC) 입력 전압을 상이한 전압 레벨의 DC 출력 전압으로 변환한다. 출력 전압은 통상적으로, 예를 들어 증폭기 회로와 같은 부하용 공급 전압으로 사용될 수 있다. 어떤 응용분야에서는 입력 전압보다 높은 출력 전압을 제공할 수 있어야 한다. 예를 들어, 부하가 휴대전화용 RF 전력증폭기인 경우, 통화시간을 늘리기 위해서는 더 높은 전압이 제공되어야 한다. 그렇지만, 기존의 DC-DC 변환기 시스템은 통상적으로 2개의 인덕터를 사용하여 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하고 있다.
이러한 방식은, 2개의 인덕터가 통상적으로 변환기에서 가장 큰 구성요소이기 때문에 회로소형화에 걸림돌이 되고 있다.
본 발명의 특징 및 이점은 본 발명의 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 자명하게 될 것이며, 이러한 상세한 설명은 첨부된 도면과 관련해서 고려되어야 한다.
도 1은 본 발명의 벅 업 DC-DC 변환기 시스템(100)에 대한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 제어 회로도이다.
도 3은 벅 모드와 업 모드 사이에서 전환하는 변환기 시스템의 예에 대응하는 한 세트의 신호 플롯을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 벅 업 DC-DC 변환기 시스템에 대한 하나의 예시적인 시스템 구현에 대한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 동작에 대한 흐름도이다.
이하의 상세한 설명은 도해적인 실시예를 참조해서 설명하게 될 것이나, 이에 대한 대안, 변형, 수정은 당업자에게는 자명할 것이다.
일반적으로 본 발명은 DC-DC 변환을 위한 장치, 방법 및 시스템을 제공한다. 변환기는 2가지 모드로 동작하도록 구성되어 있는데, 그 중 한 모드는 벅 모드(Buck mode)로서, 입력 전압(Vin)보다 낮은 출력 전압(Vout)을 생성하는 모드이고, 다른 한 모드는 업 모드(Up mode)로서, 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하는 모드이다. 이롭게도, 여기서 설명하는 변환기는 단일의 인덕터를 제공하여, 입력 전압보다 높은 출력 전압과 낮은 출력 전압을 모두 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 벅 업(Buck Up) DC-DC 변환기 시스템(100)에 대한 회로도이다. 벅 업 변환기 시스템(100)은 2가지 모드로 동작하도록 구성되어 있는데, 그 중 한 모드는 벅 모드(Buck mode)로서, 입력 전압(Vin)보다 낮은 출력 전압(Vout)을 생성하는 모드이고, 다른 한 모드는 업 모드(Up mode)로서, 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하는 모드이다. 또한, 벅 업 변환기 시스템(100)은 벅 모드와 업 모드 사이를 순환주기(cycle-by-cycle basis)로 전환하도록 구성되어 있고, 이러한 순환주기로 전환하는 것은 입력 전압에 의해 제공되는 출력 전압이 순환주기로 전환하지 않는 경우보다 더 큰 출력 전압을 제공할 수 있다. 벅 업 변환기 시스템(100)은 스위치의 수와 다이의 면적 모두를 최소화하도록 최적화될 수 있다. 또한 이롭게도, 벅 업 변환기를 사용하여 RF 장치에 전력을 제공하면, 휴대형 장치(예를 들어, 3G, 4G 무선 장치 등)에 포함되어 있는 것과 같이, RF 전력증폭기의 스펙트럼 마스크(spectral mask)를 충족시키는 데 필요한 레벨보다 스위치 노이즈가 낮다.
벅 업 변환기 시스템(100)은 일반적으로 스위칭 네트워크를 포함하며, 이 스위칭 네트워크는 벅 모드에서 동작하는 복수의 스위치 및 업 모드에서 동작하는 복수의 스위치를 포함한다. 벅 모드에서, 스위칭 파형은 접지와 입력 전압(0, Vin) 사이에서 변환한다. 업 모드에서, 스위칭 파형은 입력 전압과 거의 2배의 입력 전압(Vin, 2Vin) 사이에서 변환한다. 스위칭 네트워크의 출력들과 출력 노드 사이에는 L-C 필터가 배치된다. 도 1의 예에서, 스위치(102 및 104)가 서로 직렬로 연결되어 있고, 일반적으로 벅 모드에서 "하이 사이드(high side)" 스위치로서 동작한다. 2개의 "하이 사이드" 스위치(102 및 104)를 제공하여 역전압의 바디 다이오드 효과(body diode effect)(오류 ON 이벤트)를 방지할 수 있으나, 다른 실시예에서는, 스위치(102 및 104) 대신, 역전압을 차단하도록 구성되어 있는 단일의 스위치를 배치할 수도 있다. 스위치(106)는 벅 모드에서 "로우 사이드(low side)" 스위치로서 동작하도록 구성되어 있다. 스위치(108)는 일반적으로 업 모드에서 "하이 사이드" 스위치로서 동작하고, 스위치(110)는 업 모드에서 "로우 사이드" 스위치로서 동작하도록 구성되어 있다. 충전 커패시터(charge up capacitor)(112)는 벅 스위치와 업 스위치 사이에 연결되어 있다. 제어기 회로(114)는 벅 모드 또는 업 모드에서 동작하도록 스위치 네트워크의 전도 상태를 제어하는 PWM 제어 신호를 생성하며, 이에 대해서는 상세히 후술한다.
동작 시, 벅 업 변환기 시스템(100)이 벅 모드(Vout < Vin)에서 동작하면, 스위치(102/104)가 ON 상태로 되어 Vsw1 노드에서 Vin을 전달하고, 그런 다음 스위치(106)가 ON으로 되어(이때 스위치(102/104)는 OFF로 됨) Vsw1 노드는 접지(예를 들어, 0V)된다. 이 프로세스는 스위치(102/104 및 106)를 제어하는 PWM 제어 신호의 듀티 사이클에 의해 통제된다. 스위치(102/104)가 ON이면, 스위치(110)도 ON으로 되어 커패시터(112)를 Vin으로 충전한다. 벅 업 변환기 시스템(100)이 업 모드(Vout > Vin)에서 동작하면, 스위치(102/104 및 106)가 OFF로 되고, 스위치(108)는 ON으로 되는 반면 스위치(110)는 OFF로 된다. 커패시터(112)는 이미 Vin으로 충전되어 있기 때문에, 스위치(108)가 ON으로 되면, Vsw1 노드에서 대략 2*Vin을 전달하도록 동작한다. 그런 다음 스위치(110, 104 및 102)는 ON으로 되고 스위치(108)는 OFF로 되어 Vsw1 노드가 Vin에 있게 된다. 그러므로 업 모드에서, Vsw1 노드는 대략 2*Vin과 Vin 사이를 전환한다. 이 프로세스는 스위치(108 및 110)를 제어하는 PWM 제어 신호의 듀티 사이클에 의해 통제된다.
이해하는 바와 같이, 특정한 응용분야에서는 입력 전압원이 공급할 수 있는 것보다 더 많은 공급 전압을 순간적으로 요구할 수 있다. 예를 들어, Vin이 전지이고, 부하가 휴대전화의 RF 전력증폭기일 때, Vin이 그 요구된 RF 엔벨로프에 대해 불충분한 전압을 가지는 경우, RF 전력증폭기는 충분한 전력을 생성할 수 없고 이에 호출이 실패로 되어 버릴 수도 있다. 그러므로 수용할 수 있는 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하는 것이 바람직할 때가 있을 수 있는데, 예를 들어 RF 엔벨로프와 부하 조건이 변할 때이다. 전술한 바와 같이, 스위치 네트워크는 벅 모드(Vout < Vin) 및 업 모드(Vout > Vin)에서 동작하도록 제어될 수 있다. 따라서, 도 2는 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 제어기 회로(114')를 도시하고 있다. 전반적으로 보아, 본 실시예의 제어기 회로(114')는 대체적으로, RF 엔벨로프 및 부하 조건에 응답해서 벅 모드 또는 업 모드에서 순환주기로 스위치 네트워크를 제어하도록 구성되어 있다. 제어기 회로(114')는 피드백 증폭기 회로(202)는, 대체로 Vout를 기준 전압 Vref로 구동하도록 구성되어 있는 피드백 증폭기 회로(202), 우대 램프 신호(complimentary ramp signal)(205 및 207)를 생성하도록 구성되어 있는 램프 생성기 회로(204), 및 제어기 회로(114')의 다양한 구성요소의 동작 주파수를 설정하도록 구성되어 있는 클록 생성기 회로(206)를 포함한다. 또한, 비교기(210/212) 및 PWM 회로(208)도 포함되어 있는데, 이것들은 대체로 도 1에 도시된 스위치 네트워크의 ON/OFF 상태를 제어하도록 동작한다. 제어기 회로(114')의 동작에 대해서는 상세히 후술한다.
전술한 바와 같이, Vref는 가변하는 부하 조건에 응답하는 기준 전압으로서 규정된다. 그러므로 예를 들어 부하가 Vin에 의해 전달될 수 있는 것보다 더 큰 전압을 필요로 하는 경우, Vref의 값을 상향 조정할 수 있다. 이에 따라 제어기 회로(114')는 스위치 네트워크를 업 모드에서 동작하도록 제어한다. 그렇지만, 높은 출력 전압이 더 이상 필요 없게 되는 상황으로 부하 조건이 변하게 되면, Vref의 값은 하향 조정될 수 있고, 이에 제어기 회로(114')는 스위치 네트워크가 벅 모드에서 동작하도록 제어한다. 그러므로 Vref는 부하 요구에 따라 변할 수 있는 부하-종속 기준 전압으로 규정된다.
도 1을 계속 참조하면, 피드백 증폭기 회로는 도면부호 202이고, Vsw1, Vout 및 Vref에 따라 에러 신호를 생성하도록 구성되어 있다. 일부의 실시예에서, Vsw1과 Vsw2 간의 관계는 Vin 및 커패시터(112)에 의해 결정될 수 있기 때문에, 피드백 증폭기 회로(202)는 Vsw1에 더하여, 또는 그 대신에, Vsw2를 사용하도록 구성될 수 있다. 램프 생성기 회로(204)는 제1 램프 신호(여기서는 "하위 램프 신호(205)"라 함) 및 제2 램프 신호(여기서는 "상위 램프 신호(207)"라 함)를 생성하도록 구성된다. 상위 램프 신호(207) 및 하위 램프 신호(205)는 일반적으로 우대 신호이다. 주어진 주기(클록 신호(215)로 규정됨)에 걸쳐, 상위 램프 신호(207)는 제1 전압 레벨(VL1)에서 제2 전압 레벨(VL2)로 램핑다운되고, 하위 램프 신호는 제3 전압 레벨(VL3)에서 제2 전압 레벨로 램핑업되며, 단 VL1 > VL2 > VL3이다. 전압 레벨 VL1, VL2, VL3의 값은 예를 들어 피드백 증폭기 회로(202)의 이득에 따라 선택될 수 있으며, 이에 따라 에러 신호(203)의 전압은 VL1과 VL3 사이에서 미리 정해진 범위 내에 있게 된다. 램프 신호(205 및 207)의 기울기(slope)는 피드백 증폭기 회로(202)에 대한 입력 신호의 예상된 기울기에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상위 램프 신호(207)의 기울기는 -Vin에 비례할 수 있고 하위 램프 신호(205)의 기울기는 +Vin에 비례할 수 있다. 에러 신호(203)의 슬로프에서 중요한 것은 +/-Vin인 Vin-Vsw1의 적분에 있다. 피드백 신호(203)가 상위 램프 신호(207)와 같으면, 제어기 회로(114)는 변환기가 업 모드에서 동작하게 하고 Vsw1 노드에서의 전압은 대략 2*Vin으로 간다. 그런 다음 에러 신호(203)의 기울기는 상위 램프 신호(207)의 기울기와 거의 같은 -Vin에 거의 비례하게 된다. 에러 신호(203)가 하위 램프 신호(205)와 같을 때의 주기에서, 제어기 회로(114)는 변환기가 벅 모드에서 동작하게 하고 Vsw1 노드에서의 전압은 대략 0으로 간다. 에러 신호(203)의 기울기는 하위 램프 신호(205)의 기울기에 거의 비례하는 +Vin에 거의 비례한다. 이것이 정확하게 완료되면, 각각의 주기의 끝에서, 시스템의 상태는 PWM 듀티 비뿐만 아니라 PWM 모드에 관계없이 동일하게 된다. 이에 속도는 최대로 되고 응답 시간은 최소로 된다. 램프 신호(205/207) 및 에러 신호의 기울기는 RC 시정수에 반비례하고 Vin에 정비례한다. 그러므로 동일한 기울기 기준이 RC 구성요소 값의 프로세스 변동 및 Vin 전압 변동에도 불구하고 충족될 수 있다.
클록 신호 생성기 회로(206)는 램프 생성기 회로(204) 및 PWM 회로(208)의 동작 주파수를 제어하는 클록 신호(215)를 생성하도록 구성되어 있다. 클록 신호 생성기 회로(206)는 입력 신호(217)에 기초해서 신호(215)의 클록 주파수를 설정하도록 구성될 수 있다. 입력 신호(217)는 예를 들어 시스템 동작 주파수를 포함할 수 있고, 클록 생성기 회로(206)는 이 시스템 동작 주파수와의 간섭을 회피할 수 있도록 신호(215)에 대한 클록 주파수를 설정하도록 구성되어 있다.
비교기 회로(210)는 하위 램프 신호(205)와 에러 신호(203)를 비교하여 제1 출력 신호(211)를 생성하도록 구성되어 있다. 일반적으로, 하위 램프 신호(205)가 신호(203)보다 낮으면, 제1 출력 신호(211)는 제1 전압 레벨(예를 들어, 논리 "로우" 또는 0)일 수 있고, 신호(205)와 신호(203)가 같으면, 제1 출력 신호(211)는 제2 전압 레벨(예를 들어, 논리 "하이" 또는 1)일 수 있다. 비교기 회로(212)는 상위 램프 신호(207)와 피드백 제어 신호(203)를 비교하여 제2 출력 신호(213)를 생성하도록 구성되어 있다. 일반적으로, 상위 램프 신호(207)가 신호(203)보다 낮으면, 제2 출력 신호(213)는 제1 전압 레벨(예를 들어, 논리 "로우" 또는 0)일 수 있고, 상위 램프 신호(207)와 신호(203)가 같으면, 제2 출력 신호(213)는 제2 전압 레벨(예를 들어, 논리 "하이" 또는 1)일 수 있다. PWM 회로(208)는 제1 및 제2 출력 신호(211 및 213)의 상태에 각각 기초하여, 스위치 네트워크의 전도를 제어하는 PWM 신호(219)를 생성하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 제1 출력 신호(211)가 로우에서 하이로 변하면, PWM 회로(208)는 스위치 네트워크가 벅 모드에서 동작하도록 PWM 신호(219)를 생성하도록 구성될 수 있고, 제2 출력 신호(213)가 로우에서 하이로 변하면, PWM 회로(208)는 스위치 네트워크가 업 모드에서 동작하도록 PWM 신호(219)를 생성하도록 구성될 수 있다(이에 대해서는 전술하였다). 일부의 실시예에서, PWM 회로(208)는 불연속 전도 모드에서 스위치 네트워크를 제어하거나 및/또는 펄스 주파수 변조(PFM)를 제어하여 효율을 높이도록 구성될 수 있다.
제어기 회로(114')는 무센서 전류 모드(sensorless current mode: SCM) 제어에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이 목적을 위해, 피드백 증폭기 회로(202)는 커패시터(112)의 한쪽 또는 양쪽에서 스위치 전압을 적분하고, 이에 따라 전류의 패표적인 AC 부분을 생성하고 회로(202)로부터 고이득 대역폭을 필요로 하지 않으면서 전류 피드백과 등가의 저잡음 고대역폭을 제공한다. 또한, 피드백 증폭기 회로(202)는 완전한 제어를 위해 출력 전압의 비례 및 적분 피드백을 제공하는 단일의 연산 증폭기를 사용할 수 있다.
동작 시, 주기의 시작에서, PWM 회로는 스위치(102 및 104)가 ON으로 되고 스위치(206)가 OFF로 되도록 신호(219)를 생성할 수 있다. 이에 따라 Vsw1이 거의 Vin과 같게 된다. Vref > Vin이면, 에러 신호(203)가 증가한다. 다시, 부하 요구가 변환기로부터의 출력 전압의 증가를 필요로 하면, Vref가 Vin보다 크게 될 수 있다. 에러 신호(203)의 전압이 증가하면, 어떤 점에서는, 상위 램프 신호(207)의 전압과 같아지게 될 수 있다. 이에 따라 비교기 회로(212)의 제2 출력 신호(213)는 상태를 (예를 들어 로우에서 하이로) 변화시킬 수 있다. PWM 회로(208)는, 출력 신호(213)가 상태를 변화시키는 것에 응답해서, 스위치 네트워크가 업 모드에서 동작하도록 적절한 스위치 신호(219)로 스위치 네트워크를 제어할 수 있다(이에 따라 대략 2*Vin이 인덕터로 전달된다). Vref < Vin이면, 에러 신호(203)는 감소한다. 다시, 부하 요구가 변환기로부터의 출력 전압의 감소를 필요로 하거나, 부하 요구가 업 모드에서 이전에 전달된 전압보다 낮은 전압을 필요로 하면, Vref는 Vin보다 작을 수 있다. 에러 신호(203)의 전압이 감소하면, 어떤 점에서는 하위 램프 신호(205)의 전압과 같아지게 될 수 있다. 이에 따라 비교기 회로(210)의 제1 출력 신호(211)는 상태를 (예를 들어 로우에서 하이로) 변화시킬 수 있다. PWM 회로(208)는, 출력 신호(211)가 상태를 변화시키는 것에 응답해서, 스위치 네트워크가 벅 모드에서 동작하도록 적절한 스위치 신호(219)로 스위치 네트워크를 제어할 수 있다(이에 따라 대략 0이 인덕터로 전달된다). 어느 경우이든지, PWM 주기의 끝에서, 상위 및 하위 램프 신호(205, 207)는 리셋될 수 있고, PWM 제어 회로(208)는 전술한 바와 같이 다음 주기의 시작에서 스위치 네트워크를 제어할 수 있다.
도 3은 벅 모드와 업 모드 사이에서 전환하는 변환기 시스템의 예에 대응하는 한 세트의 신호 플롯(300)을 도시하는 도면이다. 신호 플롯(300)은 수 개의 PWM 주기(주기1 - 주기6)를 통해 다양한 파형을 나타내고 있다. 신호 플롯(302)은 Vsw1 신호를 나타내고, 신호 플롯(304)은 에러 신호(203)를 나타내고, 신호 플롯(306)은 상위 램프 신호(207)를 나타내고, 신호 플롯(308)은 하위 램프 신호(205)를 나타낸다. 주기1의 시작에서, Vsw1은 Vin과 같다(세그먼트 310). 에러 신호(304)의 전압은 램핑업되고, 전압 레벨(322)에서 상위 램프 신호(306)의 전압과 같다. 에러 신호의 램핑업은 Vref > Vin임을 나타낸다. 이에 따라 변환기 시스템은 업 모드로 진입하게 되고, Vsw1은 주기1의 나머지 부분에 있어서 대략 2*Vin까지 상향전환된다. 주기1의 끝에서, 램프 신호(306 및 308)는 리셋된다. 주기2의 시작에서, Vsw1은 Vin과 같다(세그먼트 312). 에러 신호(304)의 전압은 램핑다운되고, 전압 레벨(324)에서 하위 램프 신호(308)의 전압과 같다. 에러 신호의 램핑다운은 Vref < Vin임을 나타낸다. 이에 따라 변환기 시스템은 벅 모드로 진입하게 되고, Vsw1은 주기2의 나머지 부분에 있어서 대략 0볼트까지 하향전환된다. 주기2의 끝에서, 램프 신호(306 및 308)는 리셋된다. 주기3의 시작에서, Vsw1은 Vin과 같다(세그먼트 314). 에러 신호(304)의 전압은 램핑다운되고, 전압 레벨(326)에서 하위 램프 신호(308)의 전압과 같다. 이에 따라 변환기 시스템은 벅 모드로 진입하게 되고, Vsw1은 주기3의 나머지 부분에 있어서 대략 0볼트까지 하향전환된다. 주기3의 끝에서, 램프 신호(306 및 308)는 리셋된다. 주기4의 시작에서, Vsw1은 Vin과 같다(세그먼트 316). 에러 신호(304)의 전압은 램핑업되지만, Vref는 여전히 Vin보다 낮고, 따라서 에러 신호는 전압 레벨(328)에서 하위 램프 신호(308)의 전압과 같다. 이에 따라 변환기 시스템은 벅 모드로 진입하게 되고, Vsw1은 주기4의 나머지 부분에 있어서 대략 0볼트까지 하향전환된다. 주기4의 끝에서, 램프 신호(306 및 308)는 리셋된다. 주기5의 시작에서, Vsw1은 Vin과 같다(세그먼트 318). 에러 신호(304)의 전압은 램핑업되고, 전압 레벨(330)에서 상위 램프 신호(306)의 전압과 같다. 이에 따라 변환기 시스템은 업 모드로 진입하게 되고, Vsw1은 주기5의 나머지 부분에 있어서 대략 2*Vin까지 상향전환된다. 주기5의 끝에서, 램프 신호(306 및 308)는 리셋된다. 주기6의 시작에서, Vsw1은 Vin과 같다(세그먼트 320). 에러 신호(304)의 전압은 램핑업되고, 전압 레벨(332)에서 상위 램프 신호(306)의 전압과 같다. 이에 따라 변환기 시스템은 업 모드로 진입하게 되고, Vsw1은 주기6의 나머지 부분에 있어서 대략 2*Vin까지 상향전환된다. 주기6의 끝에서, 램프 신호(306 및 308)는 리셋된다. 이와 같은 프로세스는 변환기 시스템의 동작 동안 계속될 수 있다.
도 4는 본 발명의 벅 업 DC-DC 변환기 시스템에 대한 하나의 예시적인 시스템 구현(400)에 대한 블록도이다. 도 4의 예에서, 벅 업 DC-DC 변환기 시스템(100')은 RF 전력증폭기 회로(404)용 파워 서플라이로서 사용된다. 시스템(400)은 RF 기저대역 신호(I,Q)를 송수신하도록 구성된 송수신기 회로를 포함할 수 있다. 송수신기 회로(402)도 RF 입력 신호를 생성하여 RF 증폭기 회로(404)에 송신하도록 구성될 수 있다. RF 신호를 송신할 때의 RF 엔벨로프에 따라, 송수신기 회로(402)는 또한 RF 증폭기 회로(404)의 전력 요구를 나타내는 Vref를 생성하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 벅 업 DC-DC 변환기 시스템(100')은 벅 모드와 업 모드 사이를 전환하도록 Vref를 활용하도록 구성되어 있다. 물론, 도 4의 기술은 예시적인 구현으로서 제공된 것에 지나지 않는다. 여기서 설명하는 변환기 시스템은 전력 출력의 순간적인 증가가 바람직하거나 필요로 하는, 어떠한 시스템, 회로, IC 등에서 사용될 수 있다. 예를 들어, Vin이 전지 전압을 나타내는 전지 시스템에서, 여기서 설명하는 변환기 시스템은 우선적으로 벅 모드에서 동작하는 반면 전지 상의 충전은 상대적으로 높게 유지된다. 그렇지만, 전지 충전이 소모되면, 변환기 시스템은 소모된 전지를 보충하기 위해 필요에 따라 업 모드에서 동작할 수 있다.
본 명세서의 모든 실시예에서 사용되는 "회로소자(circuitry)" 또는 "회로(circuit)"는, 예를 들어 유선 회로, 프로그래머블 회로, 상태 머신 회로, 및/또는 대형 시스템, 예를 들어 집적회로의 일부로서 포함될 수 있는 이산 소자에서 이용 가능하는 회로를 포함할 수 있다. 본 명세서의 모든 실시예에서 사용되는 모듈은 회로소자로서 구현될 수 있다. 또한, 여기서 언급되는 모든 스위치 장치는 MOSFET형 트랜지스터 장치(PMOS 및/또는 NMOS 장치를 포함), BJT 트랜지스터 장치, 및/또는 전도 상태를 제어 가능하게 변화시키도록 구성되는 어떠한 타입의 공지된 또는 개발된 후의 스위치 회로를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 동작에 대한 흐름도(500)이다. 본 실시예의 동작은 스위치 네트워크를 포함하는 DC-DC 변환기 시스템에 공급되는 입력 전압 신호를 가변 기준 신호와 비교하는 단계를 포함하고, 상기 스위치 네트워크는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함한다(502). 가변 기준 신호는 스위치 네트워크에 연결된 부하로부터의 전력 요구를 나타낸다. 본 실시예의 동작은 또한, 가변 기준 전압이 입력 전압보다 낮은 것으로 판정되면 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 복수의 제1 스위치를 제어하는 단계를 포함한다(504). 본 실시예의 동작은 또한 가변 기준 전압이 입력 전압보다 낮은 것으로 판정되면 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 복수의 제2 스위치를 제어하는 단계를 포함한다(506).
도 5에는 일실시예에 따른 다양한 동작들이 도시되어 있으나, 이러한 동작 모두가 필요한 것은 아님을 이해해야 한다. 실제, 본 발명의 다른 실시예에서, 여기에 설명된 동작들은 임의의 도면에 구체적으로 설명되지 않은 방식으로 조합될지라도, 본 발명과는 여전히 일치함을 이해해야 한다. 그러므로 하나의 도면에 정확하게 도시되지 않은 특징 및/또는 동작에 관한 주장은 본 발명의 범주 및 내용에 해당된다.
그러므로 본 발명은 DC-DC 변환용 장치, 방법 및 시스템을 제공한다. 한 관점에 따라 장치가 제공된다. 장치는 스위치 네트워크를 포함하고, 상기 스위치 네트워크는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함한다. 본 예의 장치는 스위치 네트워크에 연결된 부하로부터의 전력 요구를 나타내는 가변 기준 신호에 기초해서 복수의 제1 스위치 및 복수의 제2 스위치의 전도 상태를 제어하는 제어 신호를 생성하도록 구성되어 있는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
다른 관점에 따라 방법이 제공된다. 상기 방법은 스위치 네트워크를 포함하는 DC-DC 변환기 장치에 공급되는 입력 전압 신호와 가변 기준 신호를 비교하는 단계를 포함하며, 상기 스위치 네트워크는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함하고, 상기 가변 기준 신호는 스위치 네트워크에 연결된 부하로부터의 전력 요구를 나타낸다. 본 예의 방법은 가변 기준 전압이 입력 전압보다 낮은 것으로 판정되면 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 복수의 제1 스위치를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 예의 방법은 가변 기준 전압이 입력 전압보다 높은 것으로 판정되면 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 복수의 제2 스위치를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따라 시스템이 제공된다. 시스템은 기저대역 신호를 무선 주파수(RF) 신호로 변환하도록 구성된 송수신기 회로; 상기 송수신기 회로에 연결되어 RF 신호를 증폭하도록 구성된 RF 전력증폭기; 및 상기 송수신기 회로에 의해 제공되는 가변 기준 신호에 기초하여 상기 RF 전력증폭기에 공급 전압을 공급하도록 구성된 DC-DC 변환기 회로를 포함할 수 있다. 본 예의 DC-DC 변환기 회로는 스위치 네트워크를 더 포함할 수 있으며, 상기 스위치 네트워크는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함한다. 본 예의 DC-DC 변환기 회로는 RF 전력증폭기 회로로부터의 전력 요구를 나타내는 가변 기준 신호에 기초해서 복수의 제1 스위치 및 복수의 제2 스위치의 전도 상태를 제어하는 제어 신호를 생성하도록 구성되어 있는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
여기에서 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로서 사용되는 것이지 제한의 용어로서 사용되는 것이 아니며, 이러한 용어 및 표현의 사용에서, 도시되어 설명된 특징(또는 특징의 일부)의 독점 또는 등가를 의도한 것이 아니며, 청구의 범위의 범주 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당연하다. 따라서, 청구의 범위는 이러한 모든 등가를 포함하도록 의도된다. 여기에 다양한 특징, 관점 및 실시예에 대해 설명하였다. 이러한 특징, 관점 및 실시예는 당업자 잘 이해하는 바와 같이, 서로 조합될 수 있을 뿐만 아니라 변형 및 수정도 가능하다. 그러므로 본 발명은 이러한 조합, 변형 및 수정을 망라하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. DC-DC 변환기 장치에 있어서,
    입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드(Buck mode)에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드(Up mode)에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함하는 스위치 네트워크; 및
    상기 스위치 네트워크에 연결된 부하로부터의 전력 요구를 나타내는 가변 기준 신호에 기초해서 상기 복수의 제1 스위치 및 상기 복수의 제2 스위치의 전도 상태를 제어하는 제어 신호를 생성하도록 구성되어 있는 제어 회로
    를 포함하는 DC-DC 변환기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 네트워크에 연결된 필터 네트워크를 더 포함하며,
    상기 필터 네트워크는 커패시터 및 단일의 인덕터를 포함하고 상기 출력 전압을 평활화하도록 구성되어 있는, DC-DC 변환기 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 신호는 펄스 폭 변조(PWM) 신호인, DC-DC 변환기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 신호는 펄스 주파수 변조(PFM) 신호인, DC-DC 변환기 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한 불연속 전도 모드에서 상기 스위치 네트워크를 동작시키도록 구성될 수 있는, DC-DC 변환기 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 스위치는 또한 상기 입력 전압보다 2배 낮은 출력 전압을 생성하도록 업 모드에서 동작하도록 구성되어 있는, DC-DC 변환기 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 전력증폭기 회로인, DC-DC 변환기 장치.
  8. 스위치 네트워크를 포함하는 DC-DC 변환기 장치에 공급되는 입력 전압 신호를 가변 기준 신호와 비교하는 단계로서, 상기 스위치 네트워크는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함하며, 상기 가변 기준 신호는 상기 스위치 네트워크에 연결된 부하로부터의 전력 요구를 나타내는, 상기 비교하는 단계;
    상기 가변 기준 전압이 입력 전압보다 낮은 것으로 판정되면 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 상기 복수의 제1 스위치를 제어하는 단계; 및
    상기 가변 기준 전압이 상기 입력 전압보다 낮은 것으로 판정되면 상기 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 복수의 제2 스위치를 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    커패시터 및 단일의 인덕터를 포함하는 필터 네트워크로 상기 출력 전압을 평활화하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 제1 스위치 및 상기 복수의 제2 스위치는 펄스 폭 변조(PWM) 신호에 의해 제어되는, 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 제1 스위치 및 상기 복수의 제2 스위치는 펄스 주파수 변조(PFM) 신호에 의해 제어되는, 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 네트워크를 불연속 전도 모드에서 동작시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 입력 전압보다 2배 낮은 출력 전압을 생성하도록 상기 복수의 제2 스위치 업 모드에서 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 부하는 전력증폭기 회로인, 방법.
  15. 시스템에 있어서,
    기저대역 신호를 무선 주파수(RF) 신호로 변환하도록 구성된 송수신기 회로;
    상기 송수신기 회로에 연결되어 상기 RF 신호를 증폭하도록 구성된 RF 전력증폭기; 및
    상기 송수신기 회로에 의해 제공되는 가변 기준 신호에 기초하여 상기 RF 전력증폭기에 공급 전압을 제공하도록 구성된 DC-DC 변환기 회로
    를 포함하며,
    상기 DC-DC 변환기 회로는,
    입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하도록 벅 모드(Buck mode)에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제1 스위치 및 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하도록 업 모드(Up mode)에서 동작하도록 구성되어 있는 복수의 제2 스위치를 포함하는 스위치 네트워크; 및
    상기 RF 전력증폭기 회로로부터의 전력 요구를 나타내는 상기 가변 기준 신호에 기초해서 상기 복수의 제1 스위치 및 상기 복수의 제2 스위치의 전도 상태를 제어하는 제어 신호를 생성하도록 구성되어 있는 제어 회로
    를 포함하는, 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 스위치 네트워크에 연결된 필터 네트워크를 더 포함하며,
    상기 필터 네트워크는 커패시터 및 단일의 인덕터를 포함하고 상기 공급 전압을 평활화하도록 구성되어 있는, 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제어 신호는 펄스 폭 변조(PWM) 신호인, 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제어 신호는 펄스 주파수 변조(PFM) 신호인, 시스템
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한 불연속 전도 모드에서 상기 스위치 네트워크를 동작시키도록 구성될 수 있는, 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 제2 스위치는 또한 상기 입력 전압보다 2배 낮은 출력 전압을 생성하도록 업 모드에서 동작하도록 구성되어 있는, 시스템.
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