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KR102096171B1 - Dc-dc 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 방법 - Google Patents

Dc-dc 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 방법 Download PDF

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KR102096171B1
KR102096171B1 KR1020180101139A KR20180101139A KR102096171B1 KR 102096171 B1 KR102096171 B1 KR 102096171B1 KR 1020180101139 A KR1020180101139 A KR 1020180101139A KR 20180101139 A KR20180101139 A KR 20180101139A KR 102096171 B1 KR102096171 B1 KR 102096171B1
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pwm
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김경환
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선전 챌운 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 리니어 충전모드에서 전류를 공급하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 초기레벨로부터 선형적으로 상승시키는 단계와, 스위칭 모드로의 진입 초기에 상기 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 비동기 방식으로 구동 제어하여 돌입전류의 발생을 방지하면서 출력전압을 상승시키는 단계와, 상기 비동기 방식 구동 제어후 상기 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 동기 방식으로 구동 제어하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 목표레벨까지 신속히 상승시키는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

Description

DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 방법{SOFT START APPARATUS AND METHOD FOR DC-DC CONVERTER}
본 발명은 전력공급장치에 관한 것으로, 특히 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전자 통신기기에 있어서 안정된 전력을 공급해 주는 전력공급장치는 시스템의 가장 기본이 되는 부분이라고 할 수 있으며, 이러한 전력공급장치로서 DC-DC 컨버터와 같은 스위칭 모드 전력공급장치의 연구가 활발하다.
부스트 동작을 수행하는 DC-DC 컨버터의 초기 구동(startup) 시에는 과도한 돌입전류(inrush current)가 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 소프트 스타트 기법을 적용할 필요성이 있다.
일반적인 소프트 스타트 기법으로는 출력 커패시터에 제한전류를 공급하여DC-DC 컨버터의 출력전압을 상승시키는 리니어 충전(linear charge) 방식, PWM 듀티를 변경하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 상승시키는 스위칭(switching) 방식 등이 있다.
또한 최근에는 전술한 리니어 충전 방식 및 스위칭 방식을 접목하여 리니어 충전모드 후에 스위칭 모드로 전환하는 소프트 스타트 기법이 제안되어 있다.
그런데 이 경우 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로의 모드 전환이 일어나는 구간에 DC-DC 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류가 순간적으로 급격히 증가하여 과도한 돌입전류가 나타나게 된다. 이와 같은 순간적인 돌입전류의 발생은 인덕터의 열화나 회로 손상, 출력전압의 과도 응답 등을 초래하게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로서 본원 출원인에 의해 선출원되어 등록된 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 방법(대한민국 등록특허 10-1642761호)이 있다. 본 예시 특허발명의 장치는 리니어 충전모드에서 전류를 공급하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 선형적으로 상승시키고, 스위칭 모드에서 PWM 듀티에 따라 스위칭 동작을 수행하여 출력전압을 목표레벨까지 상승시키며, 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로의 진입 여부를 결정하고 스위칭 모드에서 제어신호를 기초로 PWM 듀티를 제어한다. 또한 예시 특허발명의 장치는 모드가 전환되는 구간에 초기 슬로프를 갖는 제어신호를 발생하여 스위칭 모드 초기에 슬로프에 응답하여 PWM 듀티가 서서히 증가되도록 유도하며, 스위칭 모드 동안 전류 제한값을 기준으로 PWM 듀티를 제어하여 DC-DC 컨버터의 전류를 제한한다. 이에 리니어 충전모드 후 스위칭 모드로 전환될 때 나타나는 순간적인 돌입전류의 발생을 효과적으로 방지한다.
하지만 상술한 예시 특허발명의 장치에서는 모드 전환시 선형 제어를 구현하기 위해 초기 슬로프를 갖는 제어신호(E/A OUT)를 발생함으로써 스위칭 모드 초기에 제어신호의 슬로프에 응답하여 PWM 듀티가 서서히 증가될 수 있도록 유도한다. 즉, 모드가 전환되는 구간에서 제어신호(E/A OUT)의 슬로프에 대한 제한이 존재하기 때문에 출력전압을 목표레벨까지 신속히 상승시키는데 한계가 따른다.
대한민국 등록특허 10-1642761호
이에 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 창안된 발명으로써, 본 발명의 목적은 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로 전환될 때 나타나는 순간적인 돌입전류의 발생을 막고 안정된 모드 전환이 이루어질 수 있도록 함은 물론, DC-DC 컨버터의 출력전압을 목표레벨까지 신속히 상승시킬 수 있는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 방법을 제공함에 있다.
더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로의 전환시 돌입전류의 발생을 막기 위해 사용되는 제어신호의 기울기를 조절하지 않고서도 순간적인 돌입전류의 발생을 막을 수 있는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치는,
리니어 충전모드에서 전류를 공급하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 초기레벨로부터 선형적으로 상승시키는 게이트 제어부와;
스위칭 모드에서 PWM 듀티에 따라 스위칭 동작을 수행하여 상기 출력전압을 목표레벨까지 상승시키는 PWM 드라이버와;
스위칭 모드 동안 전류 제한값을 기준으로 상기 PWM 듀티를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 전류를 제한하는 과전류 방지부와;
스위칭 모드에서 제어신호를 기초로 상기 PWM 듀티를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 발생부;를 포함하되, 상기 게이트 제어부는,
상기 DC-DC 컨버터의 입력전압과 출력전압을 비교하여 리니어 충전모드와 스위칭 모드로의 진입 여부를 결정하고, 상기 스위칭 모드의 초기에 DC-DC 컨버터의 인덕터에 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 비동기 방식으로 구동 제어한 후 상기 전력 스위칭 소자들을 동기 방식으로 구동 제어하기 위한 신호들을 생성하여 출력함을 특징으로 한다.
더 나아가 상술한 구성의 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치에 있어서, 상기 게이트 제어부는,
상기 DC-DC 컨버터의 입력전압과 출력전압을 서로 다른 경로에서 각각 비교하여 출력선택신호를 생성하되 입력 오프셋값이 서로 다른 비교기들과;
상기 비교기 각각에서 출력되는 상기 출력선택신호의 조합에 따라 상기 PWM 드라이버에서 입력되는 제2PWM신호와, 상기 출력전압과, 리니어 충전모드에서 DC-DC 컨버터의 출력전압을 선형적으로 상승시키기 위한 전력 스위칭 소자 구동신호 중 하나를 상기 전력 스위칭 소자 중 하나로 인가해 주는 신호 선택 출력부;를 포함하되,
상기 비교기 각각에서 출력되는 출력선택신호 중 하나는 상기 PWM 드라이버의 구동제어신호로 출력됨을 특징으로 한다.
또한 상기 비교기 중 하나는 상기 출력전압이 상기 입력전압에 일정한 오프셋 만큼 감소한 시점에 논리레벨 전환되는 제1출력선택신호를 출력하고, 상기 비교기 중 나머지 하나는 상기 출력전압이 상기 입력전압과 일정한 오프셋을 초과하는 시점에 논리레벨 전환되는 제2출력선택신호를 출력하도록 입력 오프셋 조정됨을 또 다른 특징으로 한다.
더 나아가 상기 PWM 신호 발생부는,
기준전압과 상기 DC-DC 컨버터의 출력전압으로부터 얻어지는 피드백전압 간의 차이를 기초로 스위칭 모드로 전환하기 위한 에러신호를 생성하는 에러 증폭기;
스위칭 모드에서 상기 DC-DC 컨버터의 전류 감지신호 및 램프신호의 합산신호와 상기 에러신호를 기초로 PWM 듀티를 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 비교기;를 포함함을 특징으로 한다.
더 나아가 상기 과전류 방지부의 전류 제한값을 설정하여 소프트 스타트 타임을 결정하는 소프트 스타트 타이머;를 더 포함하고, 상기 과전류 방지부는 상기 DC-DC 컨버터에서 피드백되는 전류 감지신호가 전류 제한값에 도달할 경우 전류 제한신호를 발생하여 상기 PWM 듀티를 제어함을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 방법은 DC-DC 컨버터의 인덕터에 병렬 연결되어 있는 전력 스위칭 소자들의 구동을 제어하기 위한 방법으로서,
리니어 충전모드에서 전류를 공급하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 초기레벨로부터 선형적으로 상승시키는 단계와;
스위칭 모드로의 진입 초기에 상기 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 비동기 방식으로 구동 제어하여 돌입전류의 발생을 방지하면서 출력전압을 상승시키는 단계와;
상기 비동기 방식 구동 제어후 상기 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 동기 방식으로 구동 제어하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 목표레벨까지 신속히 상승시키는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.
이러한 방법에 있어 상기 DC-DC 컨버터의 입력전압과 출력전압을 서로 다른 경로에서 각각 비교하여 상기 리니어 충전모드와 상기 스위칭 모드로의 진입 여부, 상기 비동기 방식 구동과 상기 동기 방식 구동 여부를 각각 결정함을 또 다른 특징으로 한다.
상술한 기술적 해결과제에 따르면, 본 발명은 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로의 진입 초기에 전력 스위칭 소자들을 비동기 방식으로 구동시켜 순간적인 돌입전류의 발생을 방지하면서도 네가티브 피드백에 의해 안정적인 인덕터 파형을 얻을 수 있는 발명인 동시에, 스위칭 모드로의 진입 초기에 비동기 방식을 채용하여 보다 신속하게 DC-DC 컨버터의 출력전압을 목표레벨까지 상승시킬 수 있는 장점을 가지는 발명이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 구성 예시도.
도 2는 도 1 중 게이트 제어부(12)의 구성 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 효과를 부연 설명하기 위한 타이밍 예시도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성, 예를 들면 DC-DC 컨버터의 상세 구성과 같은 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 하기에서 설명되는 용어 중 비동기 구동방식과 동기 구동방식으로 구분 가능한 스위칭 모드는 게이트 제어모드로 새롭게 정의할 수 있을 것이다.
우선 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 구성도를 예시한 것이며, 도 2는 도 1 중 게이트 제어부(12)의 구성도를 예시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치는 리니어 충전모드 및 스위칭 모드를 함께 사용하여 소프트 스타트를 구현하되, 스위칭 모드에서 비동기 구동 방식과 동기 구동방식을 함께 이용함으로써, 스위칭 모드 전환 초기에 돌입전류의 발생을 억제하면서 DC-DC 컨버터의 출력전압을 목표레벨까지 신속히 상승시킴을 특징으로 한다.
이러한 특징을 구현하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 입력전압(VIN)에는 인덕터(L)가 연결되고, 상기 인덕터(L)에는 전력 스위칭 소자인 전력 트렌지스터 N1, P1이 병렬 연결된다. 상기 전력 트렌지스터는 MOS 트렌지스터로 구현 가능하다. 전력 스위칭 소자인 P1이 곧 DC-DC 컨버터의 출력전압(VOUT)단에 연결되며, 상기 전력 스위칭 소자 P1의 일 단자에는 피드백 저항 R1과 R2가 연결되고, 출력 커패시터(C) 그리고 부하(R3)가 연결된다.
또 하나의 전력 스위칭 소자인 N1의 게이트단에는 후술할 PWM 드라이버(11)가 연결되며 스위칭 모드에서 입력되는 구동신호(PWM_N)에 의해 스위칭 동작한다.
한편 게이트 제어부(12)는 DC-DC 컨버터의 입력전압(VIN)과 출력전압(VOUT)을 비교하여 리니어 충전모드와 스위칭 모드로의 진입 여부를 결정하여, 리니어 충전모드에서 전류를 공급해 DC-DC 컨버터의 출력전압(VOUT)을 초기레벨로부터 선형적으로 상승시킨다. 또한 게이트 제어부(12)는 스위칭 모드의 초기에 DC-DC 컨버터의 인덕터(L)에 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들(N1,P1)을 비동기 방식으로 구동 제어한 후 상기 전력 스위칭 소자들(N1,P1)을 동기 방식으로 구동 제어하기 위한 신호들(SEL, PWM_P)을 생성하여 출력한다.
이를 위한 게이트 제어부(12)의 상세 구성 및 동작을 도 2를 참조하여 부연 설명하면, 우선 게이트 제어부(12)는,
DC-DC 컨버터의 입력전압(VIN)과 출력전압(VOUT)을 서로 다른 경로에서 각각 비교하여 출력선택신호(S0,S1)를 생성하되 입력 오프셋값이 서로 다른 비교기들(C0,C1)과,
상기 비교기(C0,C1) 각각에서 출력되는 상기 출력선택신호(S0,S1)의 조합에 따라 후술할 PWM 드라이버(11)에서 입력되는 PWM1 신호(D2)와, 상기 출력전압(VOUT:D1)과, 리니어 충전모드에서 DC-DC 컨버터의 출력전압을 선형적으로 상승시키기 위한 전력 스위칭 소자 구동신호(D0) 중 하나를 전력 스위칭 소자 P1으로 인가해 주는 신호 선택 출력부(M)를 포함하되, 상기 비교기(C0,C1) 각각에서 출력되는 출력선택신호(S0,S1) 중 하나(S0)는 PWM 드라이버(11)의 구동제어신호(SEL)로 출력한다.
상기 전력 스위칭 소자 구동신호는 도 2에 도시한 바와 같이 부스트 컨버터의 high-side SWTR과 기준전류를 미러링한 신호를 이용할 수 있다. 리니어 충전시 출력 커패시터(C)에 전압이 상승할 경우 high-side SWTR 의 Vds가 감소하여 전류 복사값이 감소하게 되는 문제가 발생한다. 따라서 리니어 충전 구간을 출력전압이 입력전압에 거의 도달하는 구간에서 스위칭 모드로 변경한다.
부가적으로, 상기 비교기(C0,C1) 중 하나, 예를 들면 C0는 도 3의 신호 타이밍도의 S0에 도시한 바와 같이 상기 출력전압(VOUT)이 상기 입력전압(VIN)에 일정한 오프셋만큼 감소한 시점(TD0)에 논리레벨 전환되는 제1출력선택신호(S0)를 출력하고, 상기 비교기 중 나머지 하나인 C1은 상기 출력전압(VOUT)이 상기 입력전압(VIN)과 일정한 오프셋을 초과하는 시점(TD1)에 논리레벨 전환되는 제2출력선택신호(S1)를 출력하도록 입력 오프셋 조정되어 있다.
이러한 입력 오프셋 조정치를 갖는 비교기(C0,C1)를 이용할 경우 신호 선택 출력부(M)에 인가되는 출력선택신호 S0와 S1은 각각 "0, 0", "1, 0", "1, 1"의 논리레벨을 가질 수 있으며, 논리레벨 "0, 0"은 리니어 충전모드로, "1,0"은 스위칭 모드 내에서의 비동기 동작모드로, "1,1"은 스위칭 모드내에서의 동기 동작모드를 나타내는 것으로 정의할 수 있다.
정리해 보면, 게이트 제어부(12)는 입력전압(VIN)과 출력전압(VOUT)에 따라 전력 스위칭 소자 P1을 제어하기 위한 PWM_P신호와 PWM 드라이버(11)를 구동시키기 위한 신호(SEL)를 생성하여 리니어 충전모드, 스위칭 모드 구간에서의 비동기 구동과 동기 구동방식으로 전력 스위칭 소자들(N1,P1)의 스위칭을 제어한다. 이러한 게이트 제어부(12)는 리니어 충전모드에서 인덕터(L)에 흐르는 전류를 미러링하고 미러링된 전류에 의해 출력 커패시터(C)를 충전하여 컨버터의 출력전압(VOUT)이 초기레벨로부터 입력전압(VIN) 레벨에 거의 도달할 때까지 선형적으로 상승시킨다.
이하 도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치는 스위칭 모드에서 PWM 듀티에 따라 스위칭 동작을 수행하여 출력전압(VOUT)을 목표레벨까지 상승시키는 PWM 드라이버(11)를 더 포함한다.
PWM 드라이버(11)는 스위칭 모드에서 PWM 듀티에 따라 DC-DC 컨버터의 인덕터(L)에 병렬 연결된 전력 스위칭 소자(N1, P1)를 비동기 혹은 동기 구동방식으로 스위칭함으로써 출력전압(VOUT)을 상승시킨다. 스위칭 구간 동안 PWM 드라이버(11)의 PWM 듀티는 후술할 PWM 신호 발생부(13,16,17)에서 출력되는 PWM 신호(PWM_IN)에 의해 제어된다.
다만, 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치는 과전류 방지부(14)를 더 포함함으로써, 인덕터(L)에 흐르는 전류에 상응하는 전류감지신호(i_sense)가 전류 제한값(Limit_ref)에 도달하는 경우 과전류 방지부(14)에서 전류 제한신호(I_LIMIT)를 출력하여 PWM 듀티를 제어함으로써 인덕터(L)의 전류를 제한한다. 과전류 방지부(14)는 스위칭 모드 동안 전류 제한값을 기준으로 PWM 듀티를 제어하여 컨버터의 인덕터(L)에 흐르는 전류를 제한하여 회로를 보호한다. 상술한 과전류 방지부(14)는 도시한 바와 같이 비교기로 구현될 수 있다.
더 나아가 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치는 소프트 스타트 타이머(15)를 더 포함할 수 있다. 소프트 스타트 타이머(15)는 과전류 방지부(14)의 전류 제한값(Limit_ref)에 의한 전류량 제어시간(SS_T)을 결정할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치는 PWM 신호 발생부(13,16,17)를 더 포함하는데, 이러한 PWM 신호 발생부(13,16,17)는 스위칭 모드에서 제어신호(E/A OUT)를 기초로 상기 PWM 듀티를 제어하기 위한 PWM 신호(PWM_IN)를 출력한다.
PWM 신호 발생부를 구성하는 에러 증폭기(E/A:17)는 리니어 충전모드에서 벗어나는 시점에 피드백 전압(VFB)과 기준전압(VREF)을 비교하여 스위칭 모드로 진입하기 위한 것으로, 반전(-) 단자를 통해 DC-DC 컨버터의 출력전압으로부터 얻어지는 피드백 전압을 입력받고, 비반전(+) 단자를 통해 기준전압을 입력받아서 두 전압 간의 차이를 기초로 스위칭 모드로 전환하기 위한 제어신호(E/A OUT)를 발생한다.
합산기(13)는 DC-DC 컨버터에서 피드백되는 전류감지신호(i_sense)와 램프발생기 신호(Ramp)를 합산한 후 합산신호를 비반전(+) 단자를 통해 비교기(16)로 입력한다.
비교기(16)는 스위칭 모드 동안 DC-DC 컨버터의 전류감지신호(i_sense) 및 램프신호(Ramp)를 합산한 신호와 제어신호(E/A OUT)를 인가받아서 두 신호를 비교하며, 비교결과에 따라 PWM 신호(PWM_IN)를 생성하여 PWM 듀티를 제어한다.
이하 상술한 구성을 가지는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 동작을 도 3과 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도를, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치의 효과를 부연 설명하기 위한 타이밍도를 각각 예시한 것이다.
우선 게이트 제어부(12)는 입력전압(VIN)과 출력전압(VOUT)의 값을 비교하여 리니어 충전모드와 스위칭 모드로의 진입 여부를 결정한다. 게이트 제어부(12) 내의 두 비교기(C0,C1) 출력(출력선택신호 S0,S1)의 논리레벨이 "0,0"이라면 동작모드가 리니어 충전모드로 설정되고, 이러한 리니어 충전모드에서 구동신호 발생부에서 인가되는 신호가 신호 선택 출력부(M)의 출력단자(OUT)를 통해 PWM_P 신호로서 전력 스위칭 소자 P1에 인가되고, 출력선택신호 S0는 출력선택신호(SEL)로서 PWM 드라이버(11)에 인가되어 동작을 멈추게 한다.
이러한 리니어 충전모드에서는 전력 스위칭 소자 N1, P1 각각에 도 3에서 도시한 바와 같은 PWM_P 신호와 PWM_N 신호가 인가됨에 따라 출력전압(VOUT)이 초기레벨에서 선형적으로 상승한다.
즉, 리니어 충전모드에서 입력전압(VIN)이 출력전압(VOUT) 보다 높은 경우 PWM_P의 신호를 전류 미러로 구동해 리니어 차지를 수행한다.
한편 출력전압(VOUT)이 점차 상승하여 도 3에 도시한 바와 같이 TD0 시점에서 입력전압(VIN)에 일정한 오프셋만큼 감소하게 되면 게이트 제어부(12)내의 비교기 C0의 출력(출력선택신호 S0)은 "1"레벨로 반전됨에 따라 스위칭 모드로 진입하게 되고, 이러한 스위칭 모드로의 진입 초기에는 출력전압(VOUT)이 신호 선택 출력부(M)를 통해 PWM_P 신호로서 전력 스위칭 소자 P1에 인가되고, 논리 "1" 레벨의 출력선택신호 S0는 출력선택신호(SEL)로서 PWM 드라이버(11)에 인가된다.
출력전압(VOUT)이 전력 스위칭 소자 P1에 인가됨으로써 전력 스위칭 소자 P1은 오프상태가 됨으로써 오프 듀티 동안 도 1에 도시한 바와 같이 다이오드로 구동하게 되고, PWM 드라이버(11)가 정상 구동하여 출력하는 PWM_N 신호는 전력 스위칭 소자 N1에 인가됨으로써 DC-DC 컨버터를 구성하는 전력 스위칭 소자들은 비동기 방식으로 구동하게 된다. 이러한 비동기 구동모드에서는 도 3에 도시한 바와 같이 PWM_N 신호의 온 듀티(D1)와 오프 듀티(D1')로 구동하게 된다.
참고적으로 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로 진입하는 초기에 전력 스위칭 소자 N1과 P1을 동기 방식으로 구동하게 되면 인덕터(L)를 흐르는 전류 IIND의 기울기는 온 듀티 구간에서 VIN/L 에 의해 상승 기울기를 갖는 반면, 오프 듀티 구간에서는 (VIN-VOUT)/L에 의해 하강 기울기를 가져야 하나 일정 구간까지 상승 기울기를 갖게 된다. 이로 인해 도 4의 IIND1에서와 같이 SS2 구간에서 돌입전류가 발생하게 된다.
이에 반하여 본 발명은 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로 진입하는 초기에 전력 스위칭 소자 N1과 P1을 비동기 방식으로 구동하도록 설계되어 있기 때문에, 도 3에 도시한 바와 같이 인덕터(L)를 흐르는 전류 IIND의 기울기는 온 듀티 구간인 S1 구간에서 VIN/L에 의해서 상승 기울기를 가지며, 오프 듀티 구간인 S7 구간에서는 (VIN-VD(다이오드 전압)-VOUT)　/　L에 의해 하강 기울기를 가짐으로서, 리니어 충전모드 직후 바로 동기방식으로 구동할 경우 발생하는 순간적인 돌입전류의 발생을 방지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 바와 같은 비동기 구동 모드에서 스위칭 동작이 이루어진 후에 출력전압(VOUT)이 더 상승하게 되면 게이트 제어부(12) 내의 비교기 C1의 출력(출력선택신호 S1) 역시 "1"레벨로 반전(도 3의 TD1 시점)되어 동기 구동모드로 전환된다.
동기 구동모드에서는 PWM 드라이버(11)에서 출력되는 PWM1 신호가 PWM_P 신호로서 전력 스위칭 소자 P1으로 인가된다. 이러한 동기 구동모드에서는 도 3에 도시한 바와 같이 PWM_P와 PWM_N 신호의 온 듀티(D2)와 오프 듀티(D2')로 구동하게 된다. 인덕터(L)를 흐르는 전류 IIND의 전류는 S8 구간에서 VIN/L에 의해서 상승 기울기를 가지며, S9 구간에서는 (VIN-VOUT)/L에 의해 하강 기울기를 가지며, 이후네가티브 피드백으로 안정적인 PWM 구동으로 출력전압을 발생시킨다.
이후의 소프트 스타트 구간 전류제한모드에서는 시간이 경과함에 따라 PWM 듀티가 증가하게 되며, 피드백전압과 기준전압(Vref)에 의한 PWM 듀티값을 넘어서게 되는 시점에서는 네가티브 피드백에 의한 PWM 듀티 제어를 통해 정상 제어된다.
참고적으로 과전류 방지부(14)에서 전류 제한값(Limit_ref)을 소프트 스타트 이후의 정상 동작구간 보다 낮게 설정하여 급격한 전류 제공을 억제하도록 설계하면, 스위칭 모드 이후 네거티브 피드백에 의해 PWM 듀티가 정상 제어되는 소프트 스타트 구간이 된다. 전류 제한값(Limit_ref)은 소프트 스타트 타이머의 출력(SS_T)에 의해 결정되며, 설계한 소프트 스타트 시간 이후에 전류 제한값(Limit_ref)을 더 큰 값으로 변경하여 정상 동작구간에서의 전류 구동 능력에 영향이 미치지 않도록 한다. 전류 제한값(Limit_ref)을 소프트 스타트 이후의 정상 동작구간 보다 낮게 설정하여 급격한 전류 제공을 억제하도록 설계하는 것이 바람직하다.
이하 상술한 바와 같이 동작하는 게이트 제어부(12)에 의한 본 발명의 효과를 도 4를 참조하여 설명하면,
우선 도 4에서 LIMIT_REF는 앞서 설명한 전류 제한값을 표시한 것이며, E/A OUT은 제어신호를 , 그리고 IIND1, IIND2, IIND3는 각각 인덕터(L)를 흐르는 전류를 표시한 것인데, IIND1은 리니어 충전모드(LCM)와 동기 구동모드(Sync)만을 채용한 경우(이때의 출력전압은 VOUT1), IIND2는 스위칭 모드 진입 초기에 정해진 초기 슬로프에 응답하여 PWM 듀티가 서서히 증가하도록 유도한 후(E/A OUT) 동기 구동모드(Sync)를 채용(이때의 출력전압은 VOUT2)한 종래 기술의 파형도를 표시한 것이다. 그리고 IIND3는 본 발명을 적용한 경우의 인덕터(L)를 흐르는 전류(이때의 출력전압은 VOUT3)를 표시한 것이다.
도 4에 도시된 IIND1을 보면, 리니어 충전모드를 나타내는 SS1구간 이후 SS2 구간(스위칭 모드 구간)에서 바로 동기 방식으로 전력 스위칭 소자들을 구동할 경우 돌입전류가 발생한다는 것을 알 수 있다.
이에 반하여 IIND2를 보면, SS2의 초입 구간에서 일정한 기울기를 가지는 제어신호(E/A OUT)를 이용해 IIND1에서 나타나고 있는 돌입전류의 발생을 억제하고는 있으나, 이러한 경우 출력전압 VOUT2가 목표레벨에 도달하기까지 시간이 많이 소요된다는 단점이 존재한다.
이에 반하여 본 발명의 일 구성요소인 게이트 제어부(12)의 제어에 의해 인덕터(L)를 흐르는 전류를 표시한 IIND3를 보면, 리니어 충전모드 구간인 SS1구간 이후인 SS2 구간에서 전력 스위칭 소자들(N1,P1)이 비동기 방식으로 구동함에 따라 순간적인 돌입전류의 발생이 방지되면서 전류 제한에 의한 듀티로 구동되기 때문에 출력전압 VOUT3가 VOUT2에 비해 좀 더 빠른 시간에 보다 높은 전압으로 상승된 결과를 나타내고 있다. 이러한 SS2 구간 이후의 SS3 구간에서는 전력 스위칭 소자들(N1,P1)이 동기방식으로 구동하여 네가티브 피드백에 의한 안정적인 구동을 갖는 것으로 나타나고 있다.
즉, 본 발명은 리니어 충전모드에서 스위칭 모드로의 진입 초기에 전력 스위칭 소자들을 비동기 방식으로 구동시켜 순간적인 돌입전류의 발생을 방지하면서도 네가티브 피드백에 의해 안정적인 인덕터 파형을 얻을 수 있는 발명인 동시에, 스위칭 모드로의 진입 초기에 비동기 방식을 채용하여 보다 신속하게 DC-DC 컨버터의 출력전압을 목표레벨까지 상승시킬 수 있는 장점을 가지는 발명이다.
이상은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 리니어 충전모드에서 전류를 공급하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 초기레벨로부터 선형적으로 상승시키는 게이트 제어부와;
    스위칭 모드에서 PWM 듀티에 따라 스위칭 동작을 수행하여 상기 출력전압을 목표레벨까지 상승시키는 PWM 드라이버와;
    스위칭 모드 동안 전류 제한값을 기준으로 상기 PWM 듀티를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 전류를 제한하는 과전류 방지부와;
    스위칭 모드에서 제어신호를 기초로 상기 PWM 듀티를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 발생부;를 포함하되, 상기 게이트 제어부는,
    상기 DC-DC 컨버터의 입력전압과 출력전압을 비교하여 리니어 충전모드와 스위칭 모드로의 진입 여부를 결정하고, 상기 스위칭 모드의 초기에 DC-DC 컨버터의 인덕터에 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 비동기 방식으로 구동 제어한 후 상기 전력 스위칭 소자들을 동기 방식으로 구동 제어하기 위한 신호들을 생성하여 출력함을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 게이트 제어부는,
    상기 DC-DC 컨버터의 입력전압과 출력전압을 서로 다른 경로에서 각각 비교하여 출력선택신호를 생성하되 입력 오프셋값이 서로 다른 비교기들과;
    상기 비교기 각각에서 출력되는 상기 출력선택신호의 조합에 따라 상기 PWM 드라이버에서 입력되는 제2PWM신호와, 상기 출력전압과, 리니어 충전모드에서 DC-DC 컨버터의 출력전압을 선형적으로 상승시키기 위한 전력 스위칭 소자 구동신호 중 하나를 상기 전력 스위칭 소자 중 하나로 인가해 주는 신호 선택 출력부;를 포함하되,
    상기 비교기 각각에서 출력되는 출력선택신호 중 하나는 상기 PWM 드라이버의 구동제어신호로 출력됨을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 비교기 중 하나는 상기 출력전압이 상기 입력전압에 일정한 오프셋만큼 감소한 시점에 논리레벨 전환되는 제1출력선택신호를 출력하고, 상기 비교기 중 나머지 하나는 상기 출력전압이 상기 입력전압과 일정한 오프셋을 초과하는 시점에 논리레벨 전환되는 제2출력선택신호를 출력하도록 입력 오프셋 조정됨을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 PWM 신호 발생부는,
    기준전압과 상기 DC-DC 컨버터의 출력전압으로부터 얻어지는 피드백전압 간의 차이를 기초로 스위칭 모드로 전환하기 위한 에러신호를 생성하는 에러 증폭기;
    스위칭 모드에서 상기 DC-DC 컨버터의 전류 감지신호 및 램프신호의 합산신호와 상기 에러신호를 기초로 PWM 듀티를 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 비교기;를 포함함을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 과전류 방지부의 전류 제한값을 설정하여 소프트 스타트 타임을 결정하는 소프트 스타트 타이머;를 더 포함하고, 상기 과전류 방지부는 상기 DC-DC 컨버터에서 피드백되는 전류 감지신호가 전류 제한값에 도달할 경우 전류 제한신호를 발생하여 상기 PWM 듀티를 제어함을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 장치.
  6. 삭제
  7. DC-DC 컨버터의 인덕터에 전력 스위칭 소자가 병렬 연결되어 있는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 방법에 있어서,
    리니어 충전모드에서 전류를 공급하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 초기레벨로부터 선형적으로 상승시키는 단계와;
    스위칭 모드로의 진입 초기에 상기 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 비동기 방식으로 구동 제어하여 돌입전류의 발생을 방지하면서 출력전압을 상승시키는 단계와;
    상기 비동기 방식 구동 제어후 상기 병렬 연결되는 전력 스위칭 소자들을 동기 방식으로 구동 제어하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 목표레벨까지 신속히 상승시키는 단계를 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터의 입력전압과 출력전압을 서로 다른 경로에서 각각 비교하여 상기 리니어 충전모드와 상기 스위칭 모드로의 진입 여부, 상기 스위칭 모드에서 상기 비동기 방식 구동과 상기 동기 방식 구동 여부를 각각 결정함을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 스위칭 모드에서 DC-DC 컨버터의 출력전압이 입력전압 보다 높아지는 시점에서 상기 동기 방식 구동으로 전환함을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터용 소프트 스타트 방법.
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