KR20230078455A - Dc-dc converter and power device including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는, 제1 커패시터와 입력 노드 사이에 연결되는 제1 트랜지스터, 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이에 연결되는 제2 트랜지스터, 상기 제2 커패시터와 상기 제2 트랜지스터 사이의 제1 노드와 제3 커패시터 사이에 연결되는 제3 트랜지스터, 및 상기 제3 커패시터와 접지 노드 사이에 연결되는 제4 트랜지스터를 포함하는 제1 스위칭 회로, 상기 제2 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이에 연결되는 제5 트랜지스터, 상기 제1 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이에 연결되는 제6 트랜지스터와 제7 트랜지스터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 접지 노드 사이에 연결되는 제8 트랜지스터를 포함하는 제2 스위칭 회로, 상기 제6 트랜지스터와 상기 제7 트랜지스터 사이의 노드에 연결되는 제4 커패시터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제8 트랜지스터가 서로 연결되는 제3 노드에 연결되는 LC 필터를 포함한다.A DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a first transistor connected between a first capacitor and an input node, a second transistor connected between the first capacitor and a second capacitor, the second capacitor and the A first switching circuit including a third transistor connected between a first node between second transistors and a third capacitor, and a fourth transistor connected between the third capacitor and a ground node, the second capacitor and the first switching circuit. A fifth transistor connected between three capacitors, a sixth transistor and a seventh transistor connected between the first capacitor and the third capacitor, and an eighth transistor connected between the first capacitor and the ground node. A second switching circuit, a fourth capacitor connected to a node between the sixth transistor and the seventh transistor, and an LC connected to a third node where the first capacitor, the second transistor, and the eighth transistor are connected to each other. Include filters.
Description
본 발명은 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 전원 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a DC-DC converter and a power supply device including the same.
전자 기기는 배터리 또는 외부 전원 등에서 공급되는 전원 전압에 의해 동작한다. 일반적으로 배터리 등에서 출력하는 DC 전압은, DC-DC 컨버터에 의해 전자 기기 내부의 다른 장치들의 동작에 적합한 DC 전압으로 변환될 수 있다. DC-DC 컨버터는 다양한 회로들로 구현될 수 있으며, 입력 전압과 출력 전압의 비율에 관계없이 높은 전력 변환 효율을 갖고, 출력 전압의 리플 성분을 줄임과 동시에 간단한 구조를 갖는 DC-DC 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되는 추세이다.Electronic devices are operated by a power voltage supplied from a battery or an external power source. In general, a DC voltage output from a battery or the like may be converted into a DC voltage suitable for operation of other devices inside an electronic device by a DC-DC converter. The DC-DC converter can be implemented with various circuits, has high power conversion efficiency regardless of the ratio of input voltage to output voltage, reduces the ripple component of the output voltage, and has a simple structure. Research is actively progressing.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 출력 전압의 리플을 줄이고, 스위치 소자로 제공되는 트랜지스터들의 전도 손실을 줄여 전력 변환 효율을 개선할 수 있으며, 추가적인 피드백 회로 없이 간단한 구조로 구현할 수 있는 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 전원 장치를 제공하고자 하는 데에 있다.One of the problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to reduce the ripple of the output voltage, reduce the conduction loss of transistors provided as a switch element, improve power conversion efficiency, and implement a simple structure without an additional feedback circuit. It is to provide a DC-DC converter and a power supply device including the same.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는, 제1 커패시터와 입력 노드 사이에 연결되는 제1 트랜지스터, 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이에 연결되는 제2 트랜지스터, 상기 제2 커패시터와 상기 제2 트랜지스터 사이의 제1 노드와 제3 커패시터 사이에 연결되는 제3 트랜지스터, 및 상기 제3 커패시터와 접지 노드 사이에 연결되는 제4 트랜지스터를 포함하는 제1 스위칭 회로, 상기 제2 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이에 연결되는 제5 트랜지스터, 상기 제1 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이에 연결되는 제6 트랜지스터와 제7 트랜지스터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 접지 노드 사이에 연결되는 제8 트랜지스터를 포함하는 제2 스위칭 회로, 상기 제6 트랜지스터와 상기 제7 트랜지스터 사이의 노드에 연결되는 제4 커패시터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제8 트랜지스터가 서로 연결되는 제3 노드에 연결되는 LC 필터를 포함한다.A DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a first transistor connected between a first capacitor and an input node, a second transistor connected between the first capacitor and a second capacitor, the second capacitor and the A first switching circuit including a third transistor connected between a first node between second transistors and a third capacitor, and a fourth transistor connected between the third capacitor and a ground node, the second capacitor and the first switching circuit. A fifth transistor connected between three capacitors, a sixth transistor and a seventh transistor connected between the first capacitor and the third capacitor, and an eighth transistor connected between the first capacitor and the ground node. A second switching circuit, a fourth capacitor connected to a node between the sixth transistor and the seventh transistor, and an LC connected to a third node where the first capacitor, the second transistor, and the eighth transistor are connected to each other. Include filters.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는, 제1 시간 동안, 입력 노드와 출력 노드 사이에서 제1 커패시터를 충전하는 제1 전류 경로를 제공하는 제1 트랜지스터, 상기 제1 시간 동안, 접지 노드와 상기 출력 노드 사이에서 제2 커패시터를 방전하는 제2 전류 경로를 제공하는 제2 트랜지스터, 상기 제1 시간 동안, 상기 접지 노드와 상기 출력 노드 사이에서 제3 커패시터를 방전하는 제3 전류 경로를 제공하는 제3 트랜지스터와 제4 트랜지스터, 상기 제1 시간과 다른 제2 시간 동안, 상기 제1 내지 제3 커패시터들을 서로 연결하는 제5 내지 제8 트랜지스터들, 및 상기 출력 노드에 연결되는 인덕터, 및 상기 인덕터에 연결되는 출력 커패시터를 갖는 LC 필터를 포함하며, 상기 제2 트랜지스터는, 상기 제2 전류 경로와 상기 제3 전류 경로를 제공한다.In the DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, a first transistor providing a first current path for charging a first capacitor between an input node and an output node for a first time, a ground during the first time a second transistor providing a second current path discharging a second capacitor between a node and the output node, and a third current path discharging a third capacitor between the ground node and the output node during the first time period. a third transistor and a fourth transistor, fifth to eighth transistors connecting the first to third capacitors to each other during a second time different from the first time, and an inductor connected to the output node, and and an LC filter having an output capacitor connected to the inductor, wherein the second transistor provides the second current path and the third current path.
본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치는, 복수의 트랜지스터들과 복수의 커패시터들을 갖는 스위치드 커패시터 회로, 및 인덕터와 출력 커패시터를 갖는 LC 필터를 포함하며, 입력 전압의 레벨을 강압하여 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터, 상기 출력 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력하는 컨트롤 로직, 및 상기 PWM 신호에 기초하여 상기 복수의 트랜지스터들을 제어하는 제어 신호들을 출력하는 드라이버를 포함하며, 상기 컨트롤 로직과 상기 드라이버는, 상기 입력 전압보다 작고 상기 출력 전압보다 큰 전원 전압을 상기 DC-DC 컨버터로부터 공급받아 동작한다.A power supply device according to an embodiment of the present invention includes a switched capacitor circuit having a plurality of transistors and a plurality of capacitors, and an LC filter having an inductor and an output capacitor, and generates an output voltage by stepping down the level of an input voltage. a DC-DC converter, a control logic for outputting a PWM (Pulse Width Modulation) signal by comparing the output voltage with a predetermined reference voltage, and a driver for outputting control signals for controlling the plurality of transistors based on the PWM signal. The control logic and the driver operate by receiving a power supply voltage that is less than the input voltage and greater than the output voltage from the DC-DC converter.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스위치들로 동작하는 복수의 트랜지스터들과 복수의 커패시터들, 및 LC 필터를 DC-DC 컨버터가 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터는 LC 필터에 포함되는 인덕터에 복수의 전류 경로들로 분산시켜 전류를 공급할 수 있으며, 따라서 입력 전압과 출력 전압의 비율에 따른 DC-DC 컨버터의 동작 효율 변화를 줄일 수 있다. 또한, 복수의 전류 경로들 각각에 포함되는 트랜지스터들의 개수를 줄여 전도 손실(conduction loss)을 줄이고, 트랜지스터들 각각에 인가되는 전압을 감소시켜 저전압 트랜지스터들로 DC-DC 컨버터를 구현할 수 있다. 추가로, 별도의 피드백 회로 없이, 커패시터들의 전압 변화를 최소화할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a DC-DC converter may include a plurality of transistors, a plurality of capacitors, and an LC filter that operate as switches. The DC-DC converter can distribute current to the inductor included in the LC filter through a plurality of current paths to supply current, and thus, a change in operating efficiency of the DC-DC converter according to a ratio between an input voltage and an output voltage can be reduced. In addition, the DC-DC converter can be implemented with low-voltage transistors by reducing the number of transistors included in each of the plurality of current paths to reduce conduction loss and reducing the voltage applied to each of the transistors. In addition, it is possible to minimize voltage changes of capacitors without a separate feedback circuit.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various advantageous advantages and effects of the present invention are not limited to the above description, and will be more easily understood in the process of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 3 내지 도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 10 내지 도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 20 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.1 is a block diagram simply illustrating a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic circuit diagram of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
3 to 6 are diagrams provided to explain the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
7A to 7C are graphs for explaining the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
8 and 9 are diagrams provided to explain the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
10 to 16 are diagrams provided to explain the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
17 is a simplified block diagram of a power supply device according to an embodiment of the present invention.
18 is a schematic diagram illustrating a power supply device according to an embodiment of the present invention.
19A to 19C are graphs for explaining the operation of a power supply device according to an embodiment of the present invention.
20 to 22 are graphs for explaining the operation of a power supply device according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 간단하게 나타낸 블록도이다. 1 is a block diagram simply illustrating a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(10)는, 제1 스위칭 회로(11)와 제2 스위칭 회로(12), 커패시터 회로(13) 및 LC 필터(14) 등을 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터(10)는 입력 전압(VIN)을 강압하여 출력 전압(VOUT)을 출력할 수 있으며, 입력 전압(VIN)과 DC-DC 컨버터(10)의 전압 변환 비율에 의해 출력 전압(VOUT)의 크기가 결정될 수 있다.Referring to FIG. 1, a DC-
제1 스위칭 회로(11)와 제2 스위칭 회로(12) 각각은 복수의 스위치들을 포함하며, 복수의 스위치들 각각은 트랜지스터로 구현될 수 있다. 일례로, 제1 스위칭 회로(11)와 제2 스위칭 회로(12)에 포함되는 복수의 트랜지스터들 중 일부는 NMOS 트랜지스터들이고, 나머지 일부는 PMOS 트랜지스터들일 수 있다.Each of the
커패시터 회로(13)는 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 일례로, 복수의 커패시터들은 제1 스위칭 회로(11)와 제2 스위칭 회로(12)에 포함되는 복수의 트랜지스터들과 연결되어 스위치드 커패시터 회로를 제공할 수 있다. 복수의 커패시터들 중 적어도 하나는 제1 스위칭 회로(11) 및 제2 스위칭 회로(12)와 함께 하나의 집적회로 칩에 포함될 수 있으며, 복수의 커패시터들 중 나머지 일부는 집적회로 칩 외부에 배치되어 집적회로 칩에 연결될 수 있다. The
LC 필터(14)는 인덕터 및 출력 커패시터를 포함하며, 제1 스위칭 회로(11), 제2 스위칭 회로(12) 및 커패시터 회로(13)가 제공하는 스위치드 커패시터 회로의 출력단에 연결될 수 있다. 인덕터의 일단은 스위치드 커패시터 회로의 출력단에 직접 연결되며, 인덕터의 타단은 출력 커패시터를 통해 접지 노드에 연결될 수 있다. 따라서, 집적회로 칩의 핀 개수 추가를 최소화하며 스위치드 커패시터 회로에 LC 필터(14)를 연결할 수 있다. The
본 발명의 일 실시예에서는, 제1 스위칭 회로(11), 제2 스위칭 회로(12) 및 커패시터 회로(13)가 제공하는 스위치드 커패시터 회로가 복수의 전류 경로를 통해 LC 필터(14)의 인덕터에 전류를 공급할 수 있다. 일례로, DC-DC 컨버터(10)는 소정의 주기에 따라 동작할 수 있으며, DC-DC 컨버터(10)의 한 주기는 제1 시간 및 제2 시간을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the switched capacitor circuit provided by the
제1 시간 동안, 스위치드 커패시터 회로는 인덕터에 전류를 공급하여 인덕터에 에너지를 저장할 수 있다. 반면, 제2 시간 동안에는 인덕터에 저장된 에너지가 방전될 수 있다. 제1 시간 동안 복수의 전류 경로들을 통해 인덕터에 전류를 공급함으로써, 전류 경로들 각각에 포함되는 트랜지스터의 개수를 최소화하여 전도 손실을 줄일 수 있다. 또한, 하나의 트랜지스터가 감당해야 하는 전류의 레벨을 줄일 수 있으므로, 작은 크기의 트랜지스터들로 DC-DC 컨버터(10)를 구현할 수 있다.During the first time, the switched capacitor circuit may supply current to the inductor to store energy in the inductor. On the other hand, energy stored in the inductor may be discharged during the second time period. By supplying current to the inductor through the plurality of current paths for the first time, conduction loss may be reduced by minimizing the number of transistors included in each of the current paths. In addition, since the level of current that one transistor must handle can be reduced, the DC-
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 간단하게 나타낸 회로도이다.2 is a schematic circuit diagram of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)과 복수의 커패시터들(C1-C4)이 제공하는 스위치드 커패시터 회로 및 LC 필터 등을 포함할 수 있다. LC 필터는 인덕터(L)와 출력 커패시터(COUT)를 포함할 수 있다. 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8) 중 일부는 NMOS 트랜지스터들일 수 있으며, 나머지 일부는 PMOS 트랜지스터들일 수 있다. Referring to FIG. 2 , a DC-
복수의 트랜지스터들(TR1-TR8) 중에서, 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)은 제1 스위칭 회로를 제공하며, 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)은 제2 스위칭 회로를 제공할 수 있다. DC-DC 컨버터(100)는 소정의 주기에 따라 동작할 수 있으며, DC-DC 컨버터(100)의 한 주기는 제1 시간과 제2 시간을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 시간 동안 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)은 턴-온되고 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)은 턴-오프될 수 있다. 반면 제2 시간 동안에는 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)이 턴-오프되고 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)은 턴-온될 수 있다. 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)의 온/오프는 제어 신호들(CTR1-CTR8)에 의해 결정될 수 있다. Among the plurality of transistors TR1 to TR8, the first to fourth transistors TR1 to TR4 provide a first switching circuit, and the fifth to eighth transistors TR5 to TR8 provide a second switching circuit. can provide The DC-
복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)은 복수의 커패시터들(C1-C4)과 연결될 수 있다. 일례로, 제1 트랜지스터(TR1)는 입력 전압(VIN)이 입력되는 입력 노드와 제1 커패시터(C1) 사이에 연결될 수 있으며, 제2 트랜지스터(TR2)는 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2) 사이에 연결될 수 있다. 한편, 제3 트랜지스터(TR3)는 제2 커패시터(C2)와 제2 트랜지스터(TR2)가 서로 연결되는 제1 노드(N1)와 제3 커패시터(C3) 사이에 연결될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제3 트랜지스터(TR3)는 제1 노드(N1) 및 제3 커패시터(C3)가 연결되는 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다. 제4 트랜지스터(TR4)는 제3 커패시터(C3)와 접지 노드 사이에 연결될 수 있다.The plurality of transistors TR1 to TR8 may be connected to the plurality of capacitors C1 to C4. For example, the first transistor TR1 may be connected between an input node to which the input voltage VIN is input and the first capacitor C1, and the second transistor TR2 may be connected between the first capacitor C1 and the second capacitor C1. (C2) can be connected between. Meanwhile, the third transistor TR3 may be connected between the first node N1 to which the second capacitor C2 and the second transistor TR2 are connected to each other and the third capacitor C3. Referring to FIG. 2 , the third transistor TR3 may be connected between the first node N1 and the second node N2 to which the third capacitor C3 is connected. The fourth transistor TR4 may be connected between the third capacitor C3 and the ground node.
제5 트랜지스터(TR5)는 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3) 사이에 연결될 수 있다. 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7)는 제1 커패시터(C1)와 제3 커패시터(C3) 사이에 연결되며, 일례로 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7) 사이의 노드에 제4 커패시터(C4)가 연결될 수 있다. 제8 트랜지스터(TR8)는 제1 커패시터(C1)와 접지 노드 사이에 연결될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제8 트랜지스터(TR8)는 제1 커패시터(C1)와 제2 트랜지스터(TR2) 및 인덕터(L)가 서로 연결되는 제3 노드(N3)와 접지 노드 사이에 연결될 수 있다.The fifth transistor TR5 may be connected between the second capacitor C2 and the third capacitor C3. The sixth transistor TR6 and the seventh transistor TR7 are connected between the first capacitor C1 and the third capacitor C3, for example, a node between the sixth transistor TR6 and the seventh transistor TR7. A fourth capacitor C4 may be connected to. The eighth transistor TR8 may be connected between the first capacitor C1 and the ground node. Referring to FIG. 2 , the eighth transistor TR8 may be connected between the ground node and the third node N3 where the first capacitor C1, the second transistor TR2 and the inductor L are connected to each other.
제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3)은 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)이 포함되는 집적회로 칩 외부에 배치되는 외부 커패시터들일 수 있다. 반면, 제4 커패시터(C4)는 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)과 함께 집적회로 내부에 구현될 수 있다. 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 용량은 제4 커패시터(C4)의 용량보다 클 수 있다. 일례로, 제4 커패시터(C4)의 용량은 수십 내지 수백 pF일 수 있다. 한편, 출력 커패시터(COUT)의 용량 역시 제4 커패시터(C4)의 용량보다 클 수 있다.The first to third capacitors C1 to C3 may be external capacitors disposed outside the integrated circuit chip including the plurality of transistors TR1 to TR8. On the other hand, the fourth capacitor C4 may be implemented inside the integrated circuit together with the plurality of transistors TR1 to TR8. The capacitance of each of the first to third capacitors C1 to C3 may be greater than that of the fourth capacitor C4. For example, the capacitance of the fourth capacitor C4 may be tens to hundreds of pF. Meanwhile, the capacity of the output capacitor COUT may also be greater than that of the fourth capacitor C4.
DC-DC 컨버터(100)가 동작하는 동안, 제1 노드(N1)의 전압은 입력 전압의 1/3일 수 있으며, 제2 노드(N2)의 전압은 입력 전압의 2/3일 수 있다. 따라서, 제2 커패시터(C2)의 전압과 제3 커패시터(C3)의 전압은 각각 입력 전압의 1/3 레벨로 유지될 수 있으며, 제1 커패시터(C1)의 전압은 입력 전압의 2/3의 레벨로 유지될 수 있다.While the DC-
앞서 설명한 바와 같이 DC-DC 컨버터(100)의 한 주기는 제1 시간과 제2 시간으로 구분할 수 있으며, 제1 시간 동안 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)이 턴-온되고, 제2 시간 동안에는 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)이 턴-온될 수 있다. 제1 시간 동안에는 복수의 전류 경로들을 통해 인덕터(L)에 전류가 공급되어 인덕터(L)에 에너지가 충전되며, 제2 시간 동안에는 인덕터(L)의 에너지가 방전될 수 있다. 또한, 도 2에 도시한 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)에서는 별도의 피드백 회로 없이 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 전압이 일정하게 유지될 수 있다. 이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.As described above, one cycle of the DC-
도 3 내지 도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.3 to 6 are diagrams provided to explain the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
도 3은 DC-DC 컨버터(100)의 한 주기의 제1 시간 동안의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 제1 시간 동안 DC-DC 컨버터(100)의 등가 회로를 나타낸 도면일 수 있다. 도 5는 DC-DC 컨버터(100)의 한 주기의 제2 시간 동안의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 제2 시간 동안 DC-DC 컨버터(100)의 등가 회로를 나타낸 도면일 수 있다. 3 is a diagram for explaining the operation of the DC-
먼저 도 3을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 제1 시간 동안 DC-DC 컨버터(100)에서 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)이 턴-온되고 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)은 턴-오프될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 전류 경로들을 통해 제1 내지 제3 전류들(I1-I3)이 인덕터(L)에 공급될 수 있다.First, referring to FIG. 3 , as described above, in the DC-
일례로, 제1 전류(I1)는 제1 트랜지스터(TR1)와 제1 커패시터(C1)를 포함하는 제1 전류 경로에 의해 인덕터(L)에 공급될 수 있다. 제2 전류(I2)는 제2 커패시터(C2)와 제2 트랜지스터(TR2)를 포함하는 제2 전류 경로를 통해 흐를 수 있으며, 제3 전류(I3)는 제3 커패시터(C3)와 제2 내지 제4 트랜지스터들(TR2-TR4)을 포함하는 제3 전류 경로를 통해 흐를 수 있다. 제1 시간 동안, 제1 커패시터(C1)는 충전될 수 있으며, 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3)는 방전될 수 있다.For example, the first current I1 may be supplied to the inductor L through a first current path including the first transistor TR1 and the first capacitor C1. The second current I2 may flow through a second current path including the second capacitor C2 and the second transistor TR2, and the third current I3 may flow through the third capacitor C3 and the second to second transistors TR2. It may flow through a third current path including the fourth transistors TR2 to TR4. During the first time, the first capacitor C1 may be charged, and the second capacitor C2 and the third capacitor C3 may be discharged.
도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 전류 경로와 제2 전류 경로 각각은 트랜지스터를 하나씩 포함하며, 제3 전류 경로는 3개의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)에서는 전류 경로들 각각에 포함되는 트랜지스터의 개수를 최적화할 수 있으며, 따라서 트랜지스터에 흐르는 전류의 제곱에 비례하는 전도 손실을 낮출 수 있다. 복수의 전류 경로들을 통해 전류를 분산시켜 각 전류 경로에 흐르는 전류를 낮추고, 동시에 각 전류 경로에 포함되는 트랜지스터의 개수를 최적화함으로써, DC-DC 컨버터(100)의 전도 손실을 최소화할 수 있다. 일례로, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3)을 이용하여 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8) 중 적어도 일부를 우회하는 전류 경로를 통해 전류들(I1-I3)을 인덕터(L)에 공급할 수 있으며, 따라서 각 전류 경로에 포함되는 트랜지스터의 개수를 줄일 수 있다.As described with reference to FIG. 3 , each of the first current path and the second current path may include one transistor, and the third current path may include three transistors. In the DC-
또한 인덕터(L)에 에너지를 충전하는 데에 필요한 전류들(I1-I3)이 3개의 전류 경로들을 통해 분산되어 인덕터(L)에 공급되므로, 각 전류 경로에 포함되는 트랜지스터들의 부담을 줄일 수 있으며, 작은 크기의 트랜지스터들로 DC-DC 컨버터(100)를 구현할 수 있다. In addition, since the currents I1-I3 required to charge energy in the inductor L are distributed through three current paths and supplied to the inductor L, the burden on transistors included in each current path can be reduced. , the DC-
제1 시간 동안 DC-DC 컨버터(100)의 등가 회로를 나타낸 도 4를 참조하면, 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3)가 서로 병렬로 연결되고, 제1 커패시터(C1)는 제2 커패시터(C2) 및 제3 커패시터(C3)와 직렬로 연결될 수 있다. 한편, LC 필터는 제1 커패시터(C1)와 제3 커패시터(C3) 사이의 노드에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 시간 동안 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 전압은 다음의 수학식 1과 같을 수 있다.Referring to FIG. 4 showing an equivalent circuit of the DC-
[수학식 1][Equation 1]
VIN = VC1 + VC2 = VC1 + VC3VIN = VC1 + VC2 = VC1 + VC3
다음으로 도 5를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 제2 시간 동안에는 DC-DC 컨버터(100)에서 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)이 턴-오프되고 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)이 턴-온될 수 있다. 따라서, 제2 시간에서는 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3)이 서로 연결되고, 제1 커패시터(C1)가 방전되는 반면 제2 및 제3 커패시터들(C2, C3)이 충전될 수 있다.Next, referring to FIG. 5 , as described above, during the second time, the first to fourth transistors TR1 to TR4 are turned off in the DC-
제2 시간 동안 DC-DC 컨버터(100)의 등가 회로를 나타낸 도 6을 참조하면, 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3)이 서로 직렬로 연결되며, 인덕터(L)는 접지 노드에 연결될 수 있다. 따라서, 제2 시간 동안 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 전압은 다음의 수학식 2와 같을 수 있다.Referring to FIG. 6 showing an equivalent circuit of the DC-
[수학식 2][Equation 2]
VC1 = VC2 + VC3 VC1 = VC2 + VC3
수학식 1과 수학식 2를 함께 참조하면, 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3) 각각의 전압은 입력 전압의 1/3에 대응하는 레벨을 가질 수 있으며, 제1 커패시터(C1)의 전압은 입력 전압의 2/3에 대응하는 레벨을 가질 수 있다. 따라서, LC 필터를 통해 출력되는 출력 전압(VOUT)은 입력 전압의 1/3과 접지 전압 사이에서 결정될 수 있다. 일례로, DC-DC 컨버터(100)의 한 주기 내에서 제1 시간과 제2 시간 각각의 길이에 따라 출력 전압(VOUT)의 레벨이 달라질 수 있다. Referring to
일 실시예에서, 제1 시간이 길어지고 제2 시간이 짧아질수록, 출력 전압(VOUT)이 입력 전압의 1/3에 가까운 레벨을 가질 수 있다. 반면, 제1 시간이 짧아지고 제2 시간이 길어질수록, 출력 전압(VOUT)은 접지 전압에 가까운 레벨을 가질 수 있다. In an embodiment, as the first time period becomes longer and the second time period becomes shorter, the output voltage VOUT may have a level close to 1/3 of the input voltage. On the other hand, as the first time period becomes shorter and the second time period becomes longer, the output voltage VOUT may have a level close to the ground voltage.
제1 시간과 달리 제2 시간에서는 제1 커패시터(C1)가 방전되고 제2 및 제3 커패시터들(C2, C3)이 충전되므로, 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 전압이 별도의 피드백 회로 없이도 일정하게 유지될 수 있다. 이하, 도 7a 내지 도 7c를 함께 참조하여 설명하기로 한다.Unlike the first time, since the first capacitor C1 is discharged and the second and third capacitors C2 and C3 are charged at the second time, the voltage of each of the first to third capacitors C1 to C3 is It can be kept constant without a separate feedback circuit. Hereinafter, a description will be made with reference to FIGS. 7A to 7C .
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.7A to 7C are graphs for explaining the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
도 7a는 DC-DC 컨버터(100)에 입력되는 제어 신호들(CTR1-CTR8) 중 하나를 나타낸 그래프일 수 있다. 도 7b는 제3 노드(N3)의 전압을 대략적으로 나타낸 그래프일 수 있으며, 도 7c는 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 전압을 대략적으로 나타낸 그래프일 수 있다.7A may be a graph showing one of the control signals CTR1 to CTR8 input to the DC-
DC-DC 컨버터(100)에 포함되는 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)의 온/오프는, 컨트롤 회로가 출력하는 제어 신호들(CTR1-CTR8)에 의해 결정될 수 있다. 일례로, 컨트롤 회로는 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)에 제1 내지 제8 제어 신호들(CTR1-CTR8) 각각을 매칭시켜 출력할 수 있다. 도 7a는 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8) 중에서 제3 트랜지스터(TR3)에 공급되는 제3 제어 신호(CTR3)를 간단하게 나타낸 그래프일 수 있다. 일례로, 제1 트랜지스터(TR1)에 공급되는 제1 제어 신호(CTR1)는 제3 제어 신호(CTR3)와 같을 수 있다.Turning on/off of the plurality of transistors TR1 to TR8 included in the DC-
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, DC-DC 컨버터(100)는 소정의 주기(TD)에 따라 동작할 수 있다. 하나의 주기(TD)는 제1 시간(T1)과 제2 시간(T2)을 포함하며, 제1 시간(T1)은 인덕터(L)에 에너지가 충전되는 시간이고, 제2 시간(T2)은 인덕터(L)에 충전된 에너지가 방전되는 시간일 수 있다.Referring to FIGS. 7A to 7C , the DC-
도 7b는 제3 노드(N3)의 전압을 나타낸 그래프이며, 제3 노드(N3)는 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 커패시터(C1), 인덕터(L), 제2 트랜지스터(TR2), 및 제8 트랜지스터(TR8)가 서로 연결되는 노드일 수 있다. 제1 시간(T1) 동안 제2 트랜지스터(TR2)가 턴-온되며, 제3 노드(N3)의 전압은 제2 커패시터(C2)의 전압과 같을 수 있다. 7B is a graph showing the voltage of the third node N3, and the third node N3 includes the first capacitor C1, the inductor L, and the second transistor (as described with reference to FIGS. 3 to 6). TR2) and the eighth transistor TR8 may be nodes connected to each other. During the first time T1, the second transistor TR2 is turned on, and the voltage of the third node N3 may be equal to the voltage of the second capacitor C2.
따라서, 앞서 수학식 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 시간(T1) 동안 제3 노드(N3)의 전압은 입력 전압(VIN)의 1/3에 대응하는 레벨로 결정될 수 있다. 반면, 제2 시간(T2) 동안에는 제2 트랜지스터(TR2)가 턴-오프되고 제8 트랜지스터(TR8)가 턴-온될 수 있다. 따라서, 제2 시간(T2) 동안 제3 노드(N3)는 접지 노드에 연결되고, 제3 노드(N3)의 전압은 접지 전압으로 결정될 수 있다.Therefore, as described above with reference to
도 7c는 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 전압을 나타낸 그래프일 수 있다. 앞서 수학식 1과 수학식 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 커패시터(C1)의 전압(VC1)은 입력 전압(VIN)의 2/3에 대응하는 레벨을 가질 수 있다. 반면, 제2 커패시터(C2)의 전압(VC2)과 제3 커패시터(C3)의 전압(VC3) 각각은 입력 전압(VIN)의 1/3에 대응하는 레벨을 가질 수 있다.7C may be a graph showing voltages of each of the first to third capacitors C1 to C3. As described above with reference to
한편, 제1 시간(T1) 동안 제1 커패시터(C1)가 충전되고 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3)는 방전될 수 있다. 따라서, 도 7c에 도시한 바와 같이 제1 시간(T1) 동안 제1 커패시터(C1)의 전압(VC1)이 미세하게 증가하며, 제2 커패시터(C2)의 전압(VC2)과 제3 커패시터(C3)의 전압(VC3)은 미세하게 감소할 수 있다. Meanwhile, during the first time T1, the first capacitor C1 may be charged, and the second capacitor C2 and the third capacitor C3 may be discharged. Therefore, as shown in FIG. 7C, the voltage VC1 of the first capacitor C1 increases minutely during the first time period T1, and the voltage VC2 of the second capacitor C2 and the voltage VC2 of the third capacitor C3 ) of the voltage VC3 may decrease minutely.
제2 시간(T2) 동안에는 앞서 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3)이 서로 직렬로 연결될 수 있다. 제2 시간(T2) 동안 제1 커패시터(C1)가 방전되고 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3)는 충전되며, 따라서 도 7c에 도시한 바와 같이 제1 커패시터(C1)의 전압(VC1)이 미세하게 감소하며, 제2 커패시터(C2)의 전압(VC2)과 제3 커패시터(C3)의 전압(VC3)은 미세하게 증가할 수 있다.During the second time period T2 , as described above with reference to FIG. 6 , the first to third capacitors C1 to C3 may be connected in series with each other. During the second time period T2, the first capacitor C1 is discharged and the second capacitor C2 and the third capacitor C3 are charged, and thus, as shown in FIG. 7C, the voltage of the first capacitor C1 ( VC1) is slightly decreased, and the voltage VC2 of the second capacitor C2 and the voltage VC3 of the third capacitor C3 may be slightly increased.
도 7c를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 각각의 전압이, 별도의 피드백 회로 없이도 일정하게 유지될 수 있다. 따라서 DC-DC 컨버터(100)의 구조를 간소화하고 DC-DC 컨버터(100)를 구현하는 데에 필요한 소자들의 개수를 줄일 수 있다.As described with reference to FIG. 7C , in an embodiment of the present invention, the voltage of each of the first to third capacitors C1 to C3 may be maintained constant without a separate feedback circuit. Therefore, the structure of the DC-
한편, 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)에 입력되는 제어 신호들(CTR1-CTR8) 각각은, 구형파 신호일 수 있다. 다만, 실제 제어 신호들(CTR1-CTR8)은 소정의 슬루율을 가질 수 밖에 없으며, 결과적으로 제어 신호들(CTR1-CTR8) 중 적어도 일부가 완전한 구형파의 파형을 가지지 못할 수 있다. 따라서, 한 주기 내에서 제1 시간(T1)과 제2 시간(T2) 사이에서 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4) 중 적어도 하나가 완전히 턴-오프되기 전에 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8) 중 적어도 하나가 턴-온될 수 있다. 또는, 제1 주기의 제2 시간(T2)과, 제1 주기 직후인 제2 주기의 제1 시간(T1) 사이에서 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8) 중 적어도 하나가 완전히 턴-오프되기 전에 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4) 중 적어도 하나가 턴-온될 수 있다.Meanwhile, each of the control signals CTR1 to CTR8 input to the plurality of transistors TR1 to TR8 may be a square wave signal. However, the actual control signals CTR1 to CTR8 inevitably have a predetermined slew rate, and as a result, at least some of the control signals CTR1 to CTR8 may not have a perfect square wave. Therefore, before at least one of the first to fourth transistors TR1 to TR4 is completely turned off between the first time T1 and the second time T2 within one period, the fifth to eighth transistors are turned off. At least one of (TR5-TR8) may be turned on. Alternatively, at least one of the fifth to eighth transistors TR5 to TR8 is completely turned on between the second time T2 of the first period and the first time T1 of the second period immediately after the first period. Before being turned off, at least one of the first to fourth transistors TR1 to TR4 may be turned on.
제1 시간(T1)과 제2 시간(T2) 사이에서 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4) 중 적어도 하나와 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8) 중 적어도 하나가 동시에 턴-온 상태를 갖는 경우, 입력 노드와 접지 노드를 직접 연결하는 전류 경로가 생성될 수 있다. 또는, DC-DC 컨버터(100)가 동작하는 동안 서로 직접 연결되면 안 되는 노드들이 서로 연결됨으로써 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3) 중 적어도 하나에서 의도치 않은 전하 손실이 발생할 수도 있다.Between the first time T1 and the second time T2, at least one of the first to fourth transistors TR1 to TR4 and at least one of the fifth to eighth transistors TR5 to TR8 are simultaneously turned- When it has an on state, a current path directly connecting the input node and the ground node may be created. Alternatively, as nodes that should not be directly connected to each other are connected to each other while the DC-
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.8 and 9 are diagrams provided to explain the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
먼저 도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터에 입력되는 제어 신호들 중 일부를 간단하게 나타낸 그래프일 수 있다. 한편 도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(200)를 간단하게 나타낸 회로도일 수 있다. 도 9에 도시한 DC-DC 컨버터(200)는, 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 유사한 구조를 가질 수 있으며, 따라서 DC-DC 컨버터(200)의 구조에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.First, FIG. 8 may be a graph simply showing some of control signals input to a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention. Meanwhile, FIG. 9 may be a circuit diagram simply illustrating the DC-
도 8을 참조하면, DC-DC 컨버터(200)의 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)에 입력되는 제어 신호들(CTR1-CTR8) 각각은 소정의 슬루율을 갖는 구형파 신호일 수 있다. 일례로, 제3 제어 신호(CTR3)는 50% 이상의 듀티 비를 갖는 구형파 신호이며, 제8 제어 신호(CTR8)는 50% 이하의 듀티 비를 갖는 구형파 신호일 수 있다. 제3 제어 신호(CTR3)가 입력되는 제3 트랜지스터(TR3)와, 제8 제어 신호(CTR8)가 입력되는 제8 트랜지스터(TR8)는 모두 NMOS 트랜지스터일 수 있다.Referring to FIG. 8 , each of the control signals CTR1 to CTR8 input to the plurality of transistors TR1 to TR8 of the DC-
이상적으로, 제3 트랜지스터(TR3)가 턴-온되는 제1 시간(T1) 동안 제8 트랜지스터(TR8)는 턴-오프될 수 있으며, 제8 트랜지스터(TR8)가 턴-온되는 제2 시간(T2) 동안 제3 트랜지스터(TR3)는 턴-오프될 수 있다. 다만, 도 8에 도시한 바와 같이 제3 제어 신호(CTR3)와 제8 제어 신호(CTR8)가 모두 소정의 슬루율을 가지므로, 제1 시간(T1)과 제2 시간(T2) 사이에서 제3 트랜지스터(TR3)와 제8 트랜지스터(TR8)가 동시에 턴-온될 수도 있다. 일례로, 제1 중간 시점(TI1) 및/또는 제2 중간 시점(TI2)에서 제3 트랜지스터(TR3)와 제8 트랜지스터(TR8)가 동시에 턴-온될 수 있다. 유사한 현상이, 다른 트랜지스터들에서도 나타날 수 있다.Ideally, the eighth transistor TR8 may be turned off during the first time T1 when the third transistor TR3 is turned on, and the second time (T1) when the eighth transistor TR8 is turned on. During T2), the third transistor TR3 may be turned off. However, as shown in FIG. 8, since both the third control signal CTR3 and the eighth control signal CTR8 have a predetermined slew rate, the slew rate is increased between the first time T1 and the second time T2. The third transistor TR3 and the eighth transistor TR8 may be turned on at the same time. For example, the third transistor TR3 and the eighth transistor TR8 may be simultaneously turned on at the first intermediate point TI1 and/or the second intermediate point TI2 . A similar phenomenon may occur in other transistors as well.
DC-DC 컨버터(200)에서, 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)은 제1 시간(T1) 동안 턴-온되고, 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)은 제2 시간(T2) 동안 턴-온될 수 있다. 다만, 제1 시간(T1)에서 제2 시간(T2)으로 진행하는 동안 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)이 모두 턴-오프되기 전에 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8) 중 적어도 하나가 턴-온될 수 있다. 또는, 제2 시간(T2)에서 제1 시간(T1)으로 진행하는 동안, 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)이 모두 턴-오프되기 전에 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4) 중 적어도 하나가 턴-온될 수 있다.In the DC-
이 경우, 입력 노드와 접지 노드가 직접 연결되는 전류 경로가 생성될 수 있다. 일례로, 제1 시간(T1)과 제2 시간(T2) 사이에서 제1 내지 제3 트랜지스터들(TR1-TR3) 및 제6 내지 제8 트랜지스터들(TR6-TR8)이 동시에 턴-온되는 경우, 도 9에 도시한 바와 같이 입력 노드와 접지 노드가 직접 연결되는 전류 경로가 생성될 수 있다. In this case, a current path in which the input node and the ground node are directly connected may be created. For example, when the first to third transistors TR1 to TR3 and the sixth to eighth transistors TR6 to TR8 are simultaneously turned on between the first time T1 and the second time T2 , a current path in which the input node and the ground node are directly connected may be created, as shown in FIG. 9 .
본 발명에서는 상기와 같은 문제가 발생하지 않도록, 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8) 각각의 온/오프 타이밍을 조절할 수 있다. 이하, 도 10 내지 도 16을 참조하여 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)의 온/오프 제어 동작을 설명하기로 한다.In the present invention, the on/off timing of each of the plurality of transistors TR1 to TR8 may be adjusted so that the above problem does not occur. Hereinafter, an on/off control operation of the plurality of transistors TR1 to TR8 will be described with reference to FIGS. 10 to 16 .
도 10 내지 도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.10 to 16 are diagrams provided to explain the operation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
도 10 내지 도 16을 참조하여 설명하는 실시예에서, DC-DC 컨버터(300)는 소정의 주기에 따라 동작하며, 한 주기는 제1 시간 및 제2 시간을 포함할 수 있다. 제1 시간은 인덕터(L)에 에너지가 충전되는 시간일 수 있으며, 제2 시간은 인덕터(L)에 충전된 에너지가 방전되는 시간일 수 있다.In the embodiment described with reference to FIGS. 10 to 16 , the DC-
도 10은 제1 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)에 포함되는 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)의 온/오프 상태를 나타낸 도면일 수 있다. 도 10을 참조하면, 제1 시간 동안 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)이 턴-온되고, 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)은 턴-오프될 수 있다. 제1 시간 동안 제1 커패시터(C1)는 충전되고 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3)는 방전되며, 3개의 전류 경로들을 통해 흐르는 전류들(I1-I3)로 인덕터(L)에 에너지가 충전될 수 있다.10 may be a diagram showing on/off states of the plurality of transistors TR1 to TR8 included in the DC-
도 10 내지 도 16에 도시한 실시예에서, 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)의 온/오프 타이밍을 정확하게 제어하기 위해, 제1 시간과 제2 시간 사이에 경과 시간들이 정의될 수 있다. 일례로, 한 주기 내에서 제1 시간이 종료되고 제2 시간이 시작되는 구간에, 제1 경과 시간 및 제2 경과 시간이 정의될 수 있다. 제1 경과 시간과 제2 경과 시간 각각은, 제1 시간과 제2 시간 중 적어도 하나와 중첩되는 시간일 수 있다. 유사하게, 서로 인접한 제1 주기와 제2 주기를 가정하면, 제1 주기의 제2 시간이 종료되고 제2 주기의 제1 주기가 시작되는 구간에, 제3 경과 시간과 제4 경과 시간이 정의될 수 있다. 제3 경과 시간은 제1 주기의 제2 시간에 중첩되며, 제4 경과 시간은 제2 주기의 제1 시간에 중첩될 수 있다. In the embodiments shown in FIGS. 10 to 16 , elapsed times may be defined between the first time and the second time in order to accurately control the on/off timings of the plurality of transistors TR1 to TR8 . For example, a first elapsed time and a second elapsed time may be defined in a section where the first time ends and the second time starts within one period. Each of the first elapsed time and the second elapsed time may overlap with at least one of the first time and the second time. Similarly, assuming that the first period and the second period are adjacent to each other, the third elapsed time and the fourth elapsed time are defined in the section where the second time of the first period ends and the first period of the second period begins. It can be. The third elapsed time may overlap the second time of the first period, and the fourth elapsed time may overlap the first time of the second period.
일례로, 도 11은 제1 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 제2 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 한편, 도 14는 제3 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 15는 제4 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다.As an example, FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of the DC-
먼저 도 11을 참조하면, 제1 경과 시간 동안 먼저 제1 트랜지스터(TR1)와 제2 트랜지스터(TR2), 제3 트랜지스터(TR3)가 턴-오프 상태에 진입할 수 있다. 제1 경과 시간 동안, 제4 트랜지스터(TR4)는 아직 턴-온 상태를 유지할 수 있다. 제1 내지 제3 트랜지스터들(TR1-TR3)이 턴-오프됨에 따라, 인덕터(L)에 전류를 공급하는 전류 경로들이 모두 차단될 수 있다. 다음으로 도 12를 참조하면, 제2 경과 시간 동안 제4 트랜지스터(TR4)가 턴-오프될 수 있다. First, referring to FIG. 11 , the first transistor TR1 , the second transistor TR2 , and the third transistor TR3 may enter a turn-off state during a first elapsed time. During the first elapsed time, the fourth transistor TR4 may still maintain a turn-on state. As the first to third transistors TR1 to TR3 are turned off, all current paths supplying current to the inductor L may be blocked. Next, referring to FIG. 12 , the fourth transistor TR4 may be turned off during the second elapsed time.
도 13은 제1 경과 시간 및 제2 경과 시간이 모두 도과한 후의 제2 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)에 포함되는 복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)의 온/오프 상태를 나타낸 도면일 수 있다. 도 13을 참조하면, 제2 시간 동안 제1 내지 제4 트랜지스터들(TR1-TR4)이 턴-오프되고, 제5 내지 제8 트랜지스터들(TR5-TR8)은 턴-온될 수 있다. 제2 시간 동안 제1 내지 제3 커패시터들(C1-C3)은 서로 직렬로 연결되며, 제1 시간 동안 인덕터(L)에 충전된 에너지는 제2 시간 동안 방전될 수 있다. FIG. 13 may be a diagram showing on/off states of the plurality of transistors TR1 to TR8 included in the DC-
앞서 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 제2 시간 동안 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3) 각각의 전압은 입력 전압의 1/3에 대응하는 레벨로 유지될 수 있다. 한편 제1 커패시터(C1)의 전압은 입력 전압의 2/3에 대응하는 레벨로 유지될 수 있다. 따라서, 제1 노드(N1)의 전압은 VIN/3일 수 있으며, 제2 노드(N2)의 전압은 2*VIN/3일 수 있다. 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7) 및 제4 커패시터(C4)가 서로 연결되는 노드의 전압은 제2 노드(N2)의 전압과 같을 수 있다.As described above with reference to FIGS. 5 and 6 , the voltage of each of the second capacitor C2 and the third capacitor C3 may be maintained at a level corresponding to 1/3 of the input voltage for the second time period. Meanwhile, the voltage of the first capacitor C1 may be maintained at a level corresponding to 2/3 of the input voltage. Accordingly, the voltage of the first node N1 may be VIN/3, and the voltage of the second node N2 may be 2*VIN/3. A voltage of a node where the sixth transistor TR6 , the seventh transistor TR7 , and the fourth capacitor C4 are connected to each other may be the same as the voltage of the second node N2 .
한 주기 내에서 제2 시간까지 도과하면, 다음 한 주기에서 다시 제1 시간이 시작될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 연속적인 제1 주기와 제2 주기에서, 제1 주기의 제2 시간이 종료되고 제2 주기의 제1 시간이 시작되는 구간에, 제3 경과 시간 및 제4 경과 시간이 정의될 수 있다. 제3 경과 시간은 제1 주기에 포함되는 시간일 수 있으며, 제4 경과 시간은 제2 주기에 포함되는 시간일 수 있다.If the second time passes within one cycle, the first time may start again in the next cycle. As described above, in the first and second consecutive periods, the third elapsed time and the fourth elapsed time are defined in the section where the second time of the first cycle ends and the first time of the second cycle begins. It can be. The third elapsed time may be a time included in the first period, and the fourth elapsed time may be a time included in the second period.
도 14를 참조하면, 제3 경과 시간 동안 먼저 제5 내지 제7 트랜지스터들(TR5-TR7)이 턴-오프될 수 있다. 따라서 제3 커패시터(C3)와 제2 커패시터(C2)가 서로 분리되고, 제1 노드(N1)의 전압이 VIN/3으로 유지될 수 있다. 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7) 및 제4 커패시터(C4)가 서로 연결되는 노드, 및 제2 노드(N2)의 전압은 2*VIN/3으로 유지될 수 있다.Referring to FIG. 14 , the fifth to seventh transistors TR5 to TR7 may first be turned off during the third elapsed time. Therefore, the third capacitor C3 and the second capacitor C2 are separated from each other, and the voltage of the first node N1 can be maintained at VIN/3. Voltages of a node where the sixth transistor TR6 and the seventh transistor TR7 and the fourth capacitor C4 are connected to each other and the second node N2 may be maintained at 2*VIN/3.
다음으로 도 15를 참조하면, 제4 경과 시간 동안 제8 트랜지스터(TR8)가 턴-오프되고, 제4 트랜지스터(TR4)는 턴-온될 수 있다. 제4 경과 시간 직후 제1 내지 제3 트랜지스터들(TR1-TR3)이 턴-온되며, 도 16에 도시한 바와 같이 3개의 전류 경로들이 생성되어 인덕터(L)에 에너지가 충전될 수 있다. 일례로, 제3 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작은 제2 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작과 같을 수 있으며, 제4 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작은 제1 경과 시간 동안 DC-DC 컨버터(300)의 동작과 같을 수 있다.Next, referring to FIG. 15 , the eighth transistor TR8 may be turned off during the fourth elapsed time, and the fourth transistor TR4 may be turned on. Immediately after the fourth elapsed time, the first to third transistors TR1 to TR3 are turned on, and as shown in FIG. 16 , three current paths are created so that energy can be charged in the inductor L. For example, the operation of the DC-
도 10 내지 도 16을 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 시간에서 제2 시간으로 진행하는 구간 및 제2 시간에서 제1 시간으로 진행하는 구간 각각에 소정의 경과 시간들을 두어 트랜지스터들(TR1-TR8)의 온/오프 타이밍을 조절함으로써, 입력 노드가 접지 노드와 직접 연결되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3) 사이의 전하 공유에 따른 손실을 최소화함으로써, 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3) 각각의 전압을 원하는 레벨, 예를 들어 VIN/3으로 유지하고, 제4 커패시터(C4)의 전압을 2*VIN/3으로 유지할 수 있다.As described with reference to FIGS. 10 to 16 , predetermined elapsed times are provided in each of the section from the first time to the second time and the section from the second time to the first time to form transistors TR1 to TR8 By adjusting the on/off timing of , it is possible to prevent the input node from being directly connected to the ground node. In addition, by minimizing loss due to charge sharing between the second capacitor C2 and the third capacitor C3, the voltage of the second capacitor C2 and the third capacitor C3 is set to a desired level, for example, VIN. /3, and the voltage of the fourth capacitor C4 can be maintained at 2*VIN/3.
일 실시예에서, DC-DC 컨버터(300)의 한 번의 주기는 1us로 가정하면, 제1 시간과 제2 시간 각각은 출력 전압(VOUT)의 레벨에 따라 달라질 수 있다. 한편, 입력 노드와 출력 노드가 직접 연결되는 것을 방지하고, 플라잉 커패시터인 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3)의 직접 연결에 따른 전하 공유 손실을 줄이기 위한 제1 내지 제4 경과 시간들 각각은, 각각 수 ns 정도로 설정될 수 있다. 일례로, 제1 내지 제4 경과 시간들의 합은, DC-DC 컨버터(300)의 한 주기의 5% 이하의 시간으로 설정될 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 경과 시간들은 서로 같은 시간으로 설정될 수 있다.In one embodiment, assuming that one cycle of the DC-
복수의 트랜지스터들(TR1-TR8)을 제어하는 제어 신호들(CTR1-CTR8)은, DC-DC 컨버터(300)와 별도로 제공되는 컨트롤 회로에 의해 생성될 수 있다. 컨트롤 회로 역시 능동 소자를 포함하며, 따라서 컨트롤 회로의 동작에는 소정의 전원 전압이 필요할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, DC-DC 컨버터(300)의 동작 중에 일정한 레벨로 출력되는 전압을 컨트롤 회로의 전원 전압으로 공급할 수 있다. 일례로, 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7) 및 제4 커패시터(C4)가 서로 연결되는 제4 노드(N4)의 전압이, 컨트롤 회로에 전원 전압으로서 공급될 수 있다. 제4 노드(N4)의 전압은, 앞서 설명한 바와 같이 DC-DC 컨버터(300)의 동작 중에 2*VIN/3의 레벨로 유지될 수 있다. 따라서, 별도의 전원 공급 없이, DC-DC 컨버터(300)에 입력되는 입력 전압(VIN)만으로 컨트롤 회로의 동작에 필요한 전원 전압을 확보할 수 있다.The control signals CTR1 to CTR8 that control the plurality of transistors TR1 to TR8 may be generated by a control circuit provided separately from the DC-
일례로, 제4 노드(N4)는, 입력 전압(VIN)에 의해 전류를 공급받을 수 있으며, 제1 노드(N1)로 전류를 공급할 수도 있다. 입력 전압(VIN)에 의해 공급되는 전류와 제1 노드(N1)로 빠져나가는 전류는 그 크기가 작고 서로 상쇄될 수 있으며, 따라서 제4 노드(N4)의 전압이 2*VIN/3의 레벨로 유지되는 데에 큰 영향을 주지 않을 수 있다. For example, the fourth node N4 may receive current from the input voltage VIN, and may also supply current to the first node N1. The current supplied by the input voltage VIN and the current flowing out of the first node N1 are small in magnitude and can cancel each other out, so that the voltage at the fourth node N4 reaches a level of 2*VIN/3. It may not have a significant impact on retention.
한편, 제7 트랜지스터(TR7)가 턴-오프될 때, 제4 노드(N4)의 전압이 제7 트랜지스터(TR7)의 기생 커패시턴스로부터 영향을 받을 수 있다. 또한, 제6 트랜지스터(TR6)가 턴-오프될 때에도, 제4 노드(N4)의 전압이 제6 트랜지스터(TR6)의 기생 커패시턴스로부터 영향을 받을 수 있다. 다만, 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7)가 완전히 턴-오프되기 전까지는, 제4 노드(N4)가 제4 커패시터(C4)보다 큰 용량을 갖는 제2 커패시터(C2) 및 제3 커패시터(C3)와 연결된 상태이므로, 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7)의 기생 커패시턴스 역시 제4 노드(N4)의 전압에 큰 영향을 주지 않을 수 있다.Meanwhile, when the seventh transistor TR7 is turned off, the voltage of the fourth node N4 may be affected by the parasitic capacitance of the seventh transistor TR7. Also, even when the sixth transistor TR6 is turned off, the voltage at the fourth node N4 may be affected by the parasitic capacitance of the sixth transistor TR6. However, until the sixth transistor TR6 and the seventh transistor TR7 are completely turned off, the fourth node N4 is connected to the second capacitor C2 and the second capacitor C2 having a larger capacity than the fourth capacitor C4. 3 Since it is connected to the capacitor C3, the parasitic capacitance of the sixth transistor TR6 and the seventh transistor TR7 may also not have a large effect on the voltage of the fourth node N4.
반면, 제1 트랜지스터(TR1) 및 제3 트랜지스터(TR3)의 기생 커패시턴스는 제4 노드(N4)의 전압에 유의미한 영향을 미칠 수 있다. 제1 트랜지스터(TR1)와 제3 트랜지스터(TR3) 각각의 기생 커패시턴스는, 제1 트랜지스터(TR1)와 제3 트랜지스터(TR3)가 턴-온될 때 제4 노드(N4)의 전압에 영향을 줄 수 있다. 제1 트랜지스터(TR1)와 제3 트랜지스터(TR3)가 턴-온될 때, 제4 노드(N4)와 연결된 다른 트랜지스터들, 예를 들어 제6 트랜지스터(TR6)와 제7 트랜지스터(TR7)는 턴-오프된 상태이므로, 제4 노드(N4)의 전압이 기생 커패시턴스에 의해 증가 또는 감소할 수 있다.On the other hand, parasitic capacitances of the first and third transistors TR1 and TR3 may significantly affect the voltage of the fourth node N4. The parasitic capacitance of each of the first and third transistors TR1 and TR3 may affect the voltage of the fourth node N4 when the first and third transistors TR1 and TR3 are turned on. there is. When the first transistor TR1 and the third transistor TR3 are turned on, other transistors connected to the fourth node N4, for example, the sixth transistor TR6 and the seventh transistor TR7 are turned on. Since it is in an off state, the voltage of the fourth node N4 may increase or decrease due to the parasitic capacitance.
본 발명의 일 실시예에서는, 제4 노드(N4)의 전압을 안정적으로 유지할 수 있도록, 제1 트랜지스터(TR1)와 제3 트랜지스터(TR3)를 같거나 비슷한 크기로 형성할 수 있다. 이 경우, 제1 트랜지스터(TR1)의 기생 커패시턴스로부터 제4 노드(N4)로 공급되는 전류와, 제4 노드(N4)에서 제3 트랜지스터(TR3)의 기생 커패시턴스로 빠져나가는 전류가 비슷한 크기를 가질 수 있으며, 결과적으로 제1 트랜지스터(TR1)와 제3 트랜지스터(TR3)의 영향을 상쇄시켜 제4 노드(N4)의 전압을 안정적으로 유지할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first transistor TR1 and the third transistor TR3 may be formed to have the same or similar sizes so as to stably maintain the voltage of the fourth node N4 . In this case, the current supplied from the parasitic capacitance of the first transistor TR1 to the fourth node N4 and the current flowing from the fourth node N4 to the parasitic capacitance of the third transistor TR3 have similar magnitudes. As a result, the voltage of the fourth node N4 can be stably maintained by canceling the effects of the first transistor TR1 and the third transistor TR3.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.17 is a simplified block diagram of a power supply device according to an embodiment of the present invention.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치(400)는 DC-DC 컨버터(410), 컨트롤 로직(420), 드라이버(430) 등을 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터(410)는 입력 전압(VIN)을 강압하여 출력 전압(VOUT)을 내보낼 수 있으며, 앞서 도 1 내지 도 16을 참조하여 설명한 실시예들 중 적어도 하나에 따라 구현될 수 있다. 일례로, DC-DC 컨버터(410)는 복수의 트랜지스터들과 복수의 커패시터들을 포함하는 스위치드 커패시터 회로, 및 스위치드 커패시터 회로에 연결되는 LC 필터 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 17 , a
컨트롤 로직(420)과 드라이버(430)는 하나의 컨트롤 회로에 포함될 수 있다. 컨트롤 로직(420)은 DC-DC 컨버터(410)의 출력 전압(VOUT)을 입력받아 드라이버(430)로 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력할 수 있다. 드라이버(430)는 컨트롤 로직(420)으로부터 수신한 PWM 신호를 이용하여, DC-DC 컨버터(410)에 포함되는 복수의 트랜지스터들을 제어하는 제어 신호들(CTR)의 듀티 비를 조절할 수 있다. 일례로, 컨트롤 로직(420)이 출력하는 PWM 신호와, 드라이버(430)가 출력하는 제어 신호들(CTR) 각각의 듀티 비에 따라, 출력 전압(VOUT)이 결정되며, 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT)의 비율이 달라질 수 있다.The
컨트롤 로직(420)과 드라이버(430)에 포함되는 능동 소자들의 동작에는 소정의 전원 전압이 필요할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, DC-DC 컨버터(410)가 입력 전압(VIN)을 입력받아 동작하는 동안 생성되는 전압들 중 적어도 하나를, 컨트롤 로직(420)과 드라이버(430)가 전원 전압으로 이용할 수 있다.A predetermined power supply voltage may be required for the operation of active elements included in the
이하, 도 18을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치의 동작을 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of the power supply device according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 18 .
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.18 is a schematic diagram illustrating a power supply device according to an embodiment of the present invention.
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치(500)는 DC-DC 컨버터(510), 컨트롤 로직(520) 및 드라이버(530) 등을 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터(510)는 입력 전압(VIN)을 강압시켜 출력 전압(VOUT)을 내보내는 회로일 수 있으며, 출력 전압(VOUT)은 전압 분배 회로(505)를 통해 컨트롤 로직(520)에 입력될 수 있다. 전압 분배 회로(505)는 복수의 저항들과 적어도 하나의 커패시터를 포함하며, 출력 전압(VOUT)에 의해 결정되는 센싱 전압(VSENS)을 컨트롤 로직(520)으로 출력할 수 있다.Referring to FIG. 18 , a
컨트롤 로직(520)은 에러 증폭기(521), 비교기(522), 래치(523) 및 타이밍 컨트롤러(524) 등을 포함할 수 있다. 에러 증폭기(521)는 센싱 전압(VSENS)과 기준 전압(VREF)의 차이 전압을 증폭시켜 에러 전압(VEA)을 출력할 수 있다. 일례로, 출력 전압(VOUT)이 증가하여 센싱 전압(VSENS)과 기준 전압(VREF)의 차이가 커지면, 에러 전압(VEA)의 크기 역시 증가할 수 있다.The
비교기(522)는 에러 전압(VEA)과 램프 전압(RMP)을 입력받아 구형파 신호를 출력할 수 있다. 일례로, 도 18을 참조하면, 에러 전압(VEA)이 비교기(522)의 반전 단자에 입력되고, 램프 전압(RMP)은 비교기(522)의 비반전 단자에 입력될 수 있다. 도 18에 도시한 일 실시예에서는, 에러 전압(VEA)의 크기가 증가함에 따라 비교기(522)가 출력하는 구형파 신호의 듀티 비가 감소할 수 있다. The
래치(523)와 타이밍 컨트롤러(524)는 비교기(522)의 출력을 이용하여 PWM 신호를 생성할 수 있다. 일례로 타이밍 컨트롤러(524)는, 비교기(522)의 출력에 기초하여 출력 전압(VOUT)의 변동을 최소화할 수 있는 듀티 비의 PWM 신호를 출력함과 동시에, 도 10 내지 도 16을 참조하여 설명한 바와 유사하게, DC-DC 컨버터(510)에 포함되는 트랜지스터들의 온/오프 타이밍을 제어할 수 있다. 일례로, 타이밍 컨트롤러(524)는, DC-DC 컨버터(510)에서 입력 전압(VIN)을 수신하는 입력 노드가 접지 노드와 직접 연결되지 않도록, DC-DC 컨버터(510)에 포함되는 트랜지스터들 각각의 온/오프 타이밍을 제어할 수 있다.The
드라이버(530)는 DC-DC 컨버터(510)에 포함되는 트랜지스터들을 제어하기 위한 제어 신호들을 출력할 수 있다. 일례로 드라이버(530)는 레벨 시프터(531) 및 게이트 드라이버(532) 등을 포함할 수 있으며, 게이트 드라이버(532)는 서로 다른 전압 레벨에서 스윙하는 제1 내지 제3 제어 신호들(VS1-VS3)을 출력할 수 있다. The
컨트롤 로직(520)과 드라이버(530)는, DC-DC 컨버터(510)의 동작 중에 생성되는 전압을 전원 전압으로 입력받아 동작할 수 있다. 일례로 컨트롤 로직(520)은 DC-DC 컨버터(510)의 동작 중에 생성되는 VIN/3 레벨의 전압을 전원 전압으로 이용할 수 있다. 따라서, 타이밍 컨트롤러(524)가 출력하는 PWM 신호의 최대 레벨 역시 VIN/3 레벨을 초과할 수 없다.The
다만, 앞서 도 1 내지 도 16을 참조하여 설명한 실시예들에서와 같이, DC-DC 컨버터(510)에 포함되는 복수의 트랜지스터들 중 적어도 일부에는 VIN/3 레벨보다 큰 레벨의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어 도 2에 도시한 일 실시예에서 제1 트랜지스터(TR1)는 입력 전압(VIN)을 그대로 입력받으며, 따라서 제1 트랜지스터(TR1)에 VIN/3 레벨의 전압을 입력하는 것으로는 제1 트랜지스터(TR1)를 정상적으로 온/오프하지 못할 수 있다. However, as in the embodiments described above with reference to FIGS. 1 to 16 , a voltage higher than the VIN/3 level may be applied to at least some of the plurality of transistors included in the DC-
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 레벨 시프터(531)를 이용하여 타이밍 컨트롤러(524)가 출력하는 PWM 신호의 레벨을 증가시키고, 트랜지스터들을 온/오프시키는 데에 적합한 제어 전압 신호들(VS1-VS3)을 생성할 수 있다. 따라서, 드라이버(532)는 전원 전압(VIN) 레벨, 2*VIN/3 레벨, VIN/3 레벨, 및 접지 전압 레벨을 이용하여 동작할 수 있다.In order to solve this problem, in one embodiment of the present invention, the
DC-DC 컨버터(510)가 앞서 도 1 내지 도 16을 참조하여 설명한 실시예들 중 하나에 따라 구현되는 경우, 출력 전압(VOUT)은 VIN/3 이하의 크기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 제어 전압 신호(VS1)는 접지 전압의 레벨과 VIN/3 레벨 사이에서 스윙하는 신호일 수 있으며, 제2 제어 전압 신호(VS2)는 VIN/3 레벨과 2*VIN/3 레벨 사이에서 스윙하는 신호일 수 있다. 제3 제어 전압 신호(VS3)는 2*VIN/3 레벨과 입력 전압(VIN)의 레벨 사이에서 스윙하는 신호일 수 있다.When the DC-
제1 내지 제3 제어 전압 신호들(VS1-VS3)은 DC-DC 컨버터(510)에 포함되는 트랜지스터들 각각의 양단에 인가되는 전압의 레벨에 따라 선택적으로 트랜지스터들에 입력될 수 있다. 예시적으로 도 2에 도시한 회로도를 함께 참조하면, 제7 트랜지스터(TR7)에는 가장 높은 레벨에서 스윙하는 제3 제어 전압 신호(VS3)가 입력될 수 있으며, 제3 트랜지스터(TR3)에는 중간 레벨에서 스윙하는 제2 제어 전압 신호(VS2)가 입력될 수 있다. 한편, 제4 트랜지스터(TR4)에는 가장 낮은 레벨에서 스윙하는 제1 제어 전압 신호(VS1)가 입력될 수 있다. The first to third control voltage signals VS1 to VS3 may be selectively input to the transistors according to the level of the voltage applied across each of the transistors included in the DC-
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.19A to 19C are graphs for explaining the operation of a power supply device according to an embodiment of the present invention.
도 19a는 제1 제어 전압 신호(VS1)를 나타낸 그래프로서, 제1 제어 전압 신호(VS1)는 접지 전압 레벨과 VIN/3 레벨 사이에서 스윙하는 PWM 신호일 수 있다. 도 2에 도시한 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)의 회로도를 함께 참조하면, 제1 제어 전압 신호(VS1)는 제4 트랜지스터(TR4) 및 제5 트랜지스터(TR5)에 제어 신호로서 입력될 수 있다. 제2 트랜지스터(TR2)와 제8 트랜지스터(TR8) 각각에는 제1 제어 전압 신호(VS1)의 상보 신호가 제어 신호로서 입력될 수 있다. 19A is a graph showing a first control voltage signal VS1 , and the first control voltage signal VS1 may be a PWM signal swinging between a ground voltage level and a VIN/3 level. Referring to the circuit diagram of the DC-
도 19b는 제2 제어 전압 신호(VS2)를 나타낸 그래프이며, 제2 제어 전압 신호(VS2)는 VIN/3 레벨과 2*VIN/3 레벨 사이에서 스윙하는 PWM 신호일 수 있다. 마찬가지로 도 2에 도시한 DC-DC 컨버터(100)의 회로도를 함께 참조하면, 제2 제어 전압 신호(VS2)는 제3 트랜지스터(TR3)와 제6 트랜지스터(TR6)에 제어 신호로서 입력될 수 있다. 19B is a graph showing the second control voltage signal VS2, and the second control voltage signal VS2 may be a PWM signal that swings between a VIN/3 level and a 2*VIN/3 level. Likewise, referring to the circuit diagram of the DC-
도 19c는 제3 제어 전압 신호(VS3)를 나타낸 그래프이며, 제3 제어 전압 신호(VS3)는 2*VIN/3 레벨과 입력 전압(VIN)의 레벨 사이에서 스윙하는 PWM 신호일 수 있다. 도 2에 도시한 DC-DC 컨버터(100)의 회로도를 함께 참조하면, 제3 제어 전압 신호(VS3)는 제1 트랜지스터(TR1)와 제7 트랜지스터(TR7)에 제어 신호로서 입력될 수 있다.19C is a graph showing the third control voltage signal VS3, and the third control voltage signal VS3 may be a PWM signal that swings between a level of 2*VIN/3 and the level of the input voltage VIN. Referring to the circuit diagram of the DC-
도 20 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.20 to 22 are graphs for explaining the operation of a power supply device according to an embodiment of the present invention.
이하, 도 18에 도시한 전원 장치(500)의 도면을 함께 참조하여, 그 동작을 설명하기로 한다. 먼저 도 20은, DC-DC 컨버터(510)의 출력 전압(VOUT)이 목표 전압과 유사한 레벨에서 안정적인 상태를 유지하는 실시예를 나타낸 그래프일 수 있다. 도 20을 참조하면, 출력 전압(VOUT)이 목표 전압과 유사한 레벨에서 안정적인 상태를 유지하는 경우, 컨트롤 로직(520)에 포함되는 에러 증폭기(521)는 제1 에러 전압(VEA1)을 출력할 수 있다. Hereinafter, its operation will be described with reference to a drawing of the
비교기(522)는, 제1 에러 전압(VEA1)을 램프 전압(RMP)과 비교하여 제1 PWM 신호(PWM1)를 출력할 수 있다. 비교기(522)의 비반전 단자로 램프 전압(RMP)이 입력되고, 반전 단자로 제1 에러 전압(VEA1)이 입력되는 경우, 제1 PWM 신호(PWM1)는 제1 에러 전압(VEA1)이 램프 전압(RMP)보다 작은 시간 동안 하이 레벨을 가질 수 있다. 제1 PWM 신호(PWM1)의 주기(TD)는 램프 전압(RMP)의 주기와 같을 수 있으며, 제1 시간(T1)은 제1 에러 전압(VEA1)이 램프 전압(RMP)보다 작은 시간에 대응하고, 제2 시간(T2)은 제1 에러 전압(VEA1)이 램프 전압(RMP)보다 큰 시간에 대응할 수 있다.The
다음으로 도 21은, DC-DC 컨버터(510)의 출력 전압(VOUT)이 목표 전압보다 작은 레벨로 감소하는 실시예를 나타낸 그래프일 수 있다. 도 21을 참조하면, 출력 전압(VOUT)이 목표 전압보다 작은 레벨로 감소함에 따라, 에러 증폭기(521)가 제1 에러 전압(VEA1)보다 작은 제2 에러 전압(VEA2)을 출력할 수 있다.Next, FIG. 21 may be a graph illustrating an embodiment in which the output voltage VOUT of the DC-
비교기(522)는, 제2 에러 전압(VEA2)을 램프 전압(RMP)과 비교하여 제2 PWM 신호(PWM2)를 출력할 수 있다. 도 20과 마찬가지로, 비교기(522)의 비반전 단자에 램프 전압(RMP)이 입력되고, 반전 단자로 제1 에러 전압(VEA1)이 입력될 수 있다. 따라서 제2 PWM 신호(PWM2)는 제2 에러 전압(VEA2)이 램프 전압(RMP)보다 작은 제1 시간(T1) 동안 하이 레벨을 갖고, 제2 에러 전압(VEA2)이 램프 전압(RMP)보다 큰 제2 시간(T2) 동안 로우 레벨을 가질 수 있다. The
도 20과 비교하면, 도 21에 도시한 일 실시예에서는 제2 에러 전압(VEA2)이 제1 에러 전압(VEA1)보다 작은 레벨을 갖기 때문에, 제2 PWM 신호(PWM2)의 한 주기(TD) 내에서 제1 시간(T1)이 증가하고 제2 시간(T2)은 감소할 수 있다. 결과적으로 DC-DC 컨버터(510)에서 스위치드 커패시터 회로의 출력단에 연결된 인덕터에 에너지를 충전하는 시간인 제1 시간(T1)이 상대적으로 늘어남에 따라, 출력 전압(VOUT)이 다시 증가할 수 있다.Compared to FIG. 20, in the embodiment shown in FIG. 21, since the second error voltage VEA2 has a lower level than the first error voltage VEA1, one cycle TD of the second PWM signal PWM2 The first time T1 may increase and the second time T2 may decrease. As a result, as the first time T1, which is the time for charging energy to the inductor connected to the output terminal of the switched capacitor circuit in the DC-
다음으로 도 22는, DC-DC 컨버터(510)의 출력 전압(VOUT)이 목표 전압보다 큰 레벨로 증가하는 실시예를 나타낸 그래프일 수 있다. 도 22를 참조하면, 출력 전압(VOUT)이 목표 전압보다 크게 증가함에 따라, 에러 증폭기(521)는 제1 에러 전압(VEA1)보다 큰 제3 에러 전압(VEA3)을 출력할 수 있다.Next, FIG. 22 may be a graph illustrating an embodiment in which the output voltage VOUT of the DC-
비교기(522)는, 반전 단자로 입력되는 제3 에러 전압(VEA3)을 비반전 단자로 입력되는 램프 전압(RMP)과 비교하여 제3 PWM 신호(PWM3)를 출력할 수 있다. 제3 PWM 신호(PWM3)는 제3 에러 전압(VEA3)이 램프 전압(RMP)보다 작은 제1 시간(T1) 동안 하이 레벨을 갖고, 제3 에러 전압(VEA3)이 램프 전압(RMP)보다 큰 제2 시간(T2) 동안 로우 레벨을 가질 수 있다. The
도 20의 그래프와 비교하면, 도 22에 도시한 일 실시예에서는 제3 에러 전압(VEA3)이 제1 에러 전압(VEA1)보다 큰 레벨을 갖기 때문에, 제3 PWM 신호(PWM3)의 한 주기(TD) 내에서 제1 시간(T1)이 감소하고 제2 시간(T2)은 증가할 수 있다. 결과적으로 DC-DC 컨버터(510)에서 스위치드 커패시터 회로의 출력단에 연결된 인덕터에 에너지를 충전하는 시간인 제1 시간(T1)이 상대적으로 짧아짐에 따라, 출력 전압(VOUT)이 감소할 수 있다.Compared to the graph of FIG. 20, in the embodiment shown in FIG. 22, since the third error voltage VEA3 has a higher level than the first error voltage VEA1, one period of the third PWM signal PWM3 ( Within TD), the first time T1 may decrease and the second time T2 may increase. As a result, as the first time T1, which is the time for charging energy in the inductor connected to the output terminal of the switched capacitor circuit in the DC-
도 20 내지 도 22를 참조하여 설명한 바와 같이, 컨트롤 로직(520)과 드라이버(530)는 DC-DC 컨버터(510)의 출력 전압(VOUT)의 증가/감소에 따라, PWM 신호의 듀티 비를 적응적으로 조절함으로써, DC-DC 컨버터(510)를 안정적으로 구동시킬 수 있다. As described with reference to FIGS. 20 to 22 , the
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Therefore, various forms of substitution, modification, and change will be possible by those skilled in the art within the scope of the technical spirit of the present invention described in the claims, which also falls within the scope of the present invention. something to do.
10, 100, 200, 300, 410, 510: DC-DC 컨버터
400, 500: 전원 장치
420, 520: 컨트롤 로직
430, 530: 드라이버
VIN: 입력 전압
VOUT: 출력 전압
C1: 제1 커패시터
C2: 제2 커패시터
C3: 제3 커패시터
C4: 제4 커패시터
L: 인덕터
COUT: 출력 커패시터10, 100, 200, 300, 410, 510: DC-DC converter
400, 500: power unit
420, 520: control logic
430, 530: driver
VIN: input voltage
VOUT: output voltage
C1: first capacitor
C2: second capacitor
C3: third capacitor
C4: fourth capacitor
L: Inductor
COUT: output capacitor
Claims (10)
상기 제2 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이에 연결되는 제5 트랜지스터, 상기 제1 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이에 연결되는 제6 트랜지스터와 제7 트랜지스터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 접지 노드 사이에 연결되는 제8 트랜지스터를 포함하는 제2 스위칭 회로;
상기 제6 트랜지스터와 상기 제7 트랜지스터 사이의 노드에 연결되는 제4 커패시터; 및
상기 제1 커패시터와 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제8 트랜지스터가 서로 연결되는 제3 노드에 연결되는 LC 필터; 를 포함하는 DC-DC 컨버터.
A first transistor connected between a first capacitor and an input node, a second transistor connected between the first capacitor and the second capacitor, and between a first node between the second capacitor and the second transistor and a third capacitor a first switching circuit including a third transistor coupled thereto, and a fourth transistor coupled between the third capacitor and a ground node;
A fifth transistor connected between the second capacitor and the third capacitor, a sixth transistor and a seventh transistor connected between the first capacitor and the third capacitor, and a connection between the first capacitor and the ground node. a second switching circuit including an eighth transistor;
a fourth capacitor connected to a node between the sixth transistor and the seventh transistor; and
an LC filter connected to a third node to which the first capacitor, the second transistor, and the eighth transistor are connected; A DC-DC converter comprising a.
상기 제1, 제2, 제5, 및 제6 트랜지스터들 각각은 PMOS 트랜지스터이고, 상기 제3, 제4, 제7, 및 제8 트랜지스터들 각각은 NMOS 트랜지스터인, DC-DC 컨버터.
According to claim 1,
wherein each of the first, second, fifth, and sixth transistors is a PMOS transistor, and each of the third, fourth, seventh, and eighth transistors is an NMOS transistor.
상기 제1 내지 제8 트랜지스터들 및 상기 제4 커패시터는 하나의 집적회로 칩 내에 포함되며,
상기 제1 내지 제3 커패시터들, 및 상기 LC 필터는 상기 집적회로 칩 외부의 소자들인, DC-DC 컨버터.
According to claim 1,
The first to eighth transistors and the fourth capacitor are included in one integrated circuit chip,
The first to third capacitors and the LC filter are elements external to the integrated circuit chip, the DC-DC converter.
상기 LC 필터는, 상기 제3 노드에 연결되는 인덕터, 및 상기 인덕터에 연결되는 출력 커패시터를 포함하는, DC-DC 컨버터.
According to claim 1,
The LC filter includes an inductor connected to the third node, and an output capacitor connected to the inductor.
상기 제1 커패시터 양단의 전압은, 상기 제2 커패시터 및 상기 제3 커패시터 각각의 양단의 전압보다 큰, DC-DC 컨버터.
According to claim 1,
The voltage across the first capacitor is greater than the voltage across each of the second capacitor and the third capacitor, the DC-DC converter.
상기 제1 시간 동안, 접지 노드와 상기 출력 노드 사이에서 제2 커패시터를 방전하는 제2 전류 경로를 제공하는 제2 트랜지스터;
상기 제1 시간 동안, 상기 접지 노드와 상기 출력 노드 사이에서 제3 커패시터를 방전하는 제3 전류 경로를 제공하는 제3 트랜지스터와 제4 트랜지스터;
상기 제1 시간과 다른 제2 시간 동안, 상기 제1 내지 제3 커패시터들을 서로 연결하는 제5 내지 제8 트랜지스터들; 및
상기 출력 노드에 연결되는 인덕터, 및 상기 인덕터에 연결되는 출력 커패시터를 갖는 LC 필터; 를 포함하며,
상기 제2 트랜지스터는, 상기 제2 전류 경로와 상기 제3 전류 경로를 제공하는, DC-DC 컨버터.
a first transistor providing a first current path charging a first capacitor between an input node and an output node for a first time;
a second transistor providing a second current path discharging a second capacitor between a ground node and the output node during the first time period;
a third transistor and a fourth transistor providing a third current path discharging a third capacitor between the ground node and the output node during the first time period;
fifth to eighth transistors connecting the first to third capacitors to each other during a second time period different from the first time period; and
an LC filter having an inductor coupled to the output node and an output capacitor coupled to the inductor; Including,
The second transistor provides the second current path and the third current path, the DC-DC converter.
상기 제1 시간와 상기 제2 시간 합은, 상기 제1 내지 제8 트랜지스터들을 제어하는 제어 신호들 각각의 한 주기에 대응하며,
상기 출력 노드의 전압은, 상기 제1 시간과 상기 제2 시간의 비율에 따라 결정되는, DC-DC 컨버터.
According to claim 6,
The sum of the first time and the second time corresponds to one period of each of the control signals controlling the first to eighth transistors;
The voltage of the output node is determined according to the ratio of the first time and the second time, DC-DC converter.
상기 제어 신호들 각각에서 상기 한 주기는, 상기 제1 시간 및 상기 제2 시간 중 적어도 하나와 중첩되는 제1 경과 시간과 제2 경과 시간을 포함하며,
상기 제1 경과 시간 동안, 상기 제1 내지 제8 트랜지스터들 중에서 상기 제4 트랜지스터가 턴-온되고 상기 제1 내지 제3 및 제5 내지 제8 트랜지스터들은 턴-오프되며,
상기 제2 경과 시간 동안, 상기 제1 내지 제8 트랜지스터들 중에서 상기 제8 트랜지스터가 턴-온되고 상기 제1 내지 제7 트랜지스터들은 턴-오프되는, DC-DC 컨버터.
According to claim 7,
In each of the control signals, the one period includes a first elapsed time and a second elapsed time overlapping with at least one of the first time and the second time,
During the first elapsed time, the fourth transistor among the first to eighth transistors is turned on and the first to third and fifth to eighth transistors are turned off;
During the second elapsed time, the eighth transistor among the first to eighth transistors is turned on and the first to seventh transistors are turned off.
상기 제어 신호들 각각에서 제1 주기의 상기 제2 시간, 및 상기 제1 주기 직후의 제2 주기의 상기 제1 시간 사이에 제3 경과 시간과 제4 경과 시간이 포함되고,
상기 제3 경과 시간 동안, 상기 제1 내지 제8 트랜지스터들 중에서 상기 제8 트랜지스터가 턴-온되고 상기 제1 내지 제7 트랜지스터들은 턴-오프되며,
상기 제4 경과 시간 동안, 상기 제1 내지 제8 트랜지스터들 중에서 상기 제4 트랜지스터가 턴-온되고 상기 제1 내지 제3 및 제5 내지 제8 트랜지스터들은 턴-오프되는, DC-DC 컨버터.
According to claim 7,
In each of the control signals, a third elapsed time and a fourth elapsed time are included between the second time of the first cycle and the first time of the second cycle immediately after the first cycle,
During the third elapsed time, the eighth transistor among the first to eighth transistors is turned on and the first to seventh transistors are turned off;
During the fourth elapsed time, the fourth transistor among the first to eighth transistors is turned on and the first to third and fifth to eighth transistors are turned off.
상기 출력 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력하는 컨트롤 로직; 및
상기 PWM 신호에 기초하여 상기 복수의 트랜지스터들을 제어하는 제어 신호들을 출력하는 드라이버; 를 포함하며,
상기 컨트롤 로직과 상기 드라이버는, 상기 입력 전압보다 작고 상기 출력 전압보다 큰 전원 전압을 상기 DC-DC 컨버터로부터 공급받아 동작하는, 전원 장치.
a DC-DC converter comprising a switched capacitor circuit having a plurality of transistors and a plurality of capacitors, and an LC filter having an inductor and an output capacitor, and generating an output voltage by stepping down a level of an input voltage;
Control logic for outputting a pulse width modulation (PWM) signal by comparing the output voltage with a predetermined reference voltage; and
a driver outputting control signals for controlling the plurality of transistors based on the PWM signal; Including,
The control logic and the driver operate by receiving a power voltage smaller than the input voltage and larger than the output voltage from the DC-DC converter.
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2022
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