KR101677705B1 - Multiple output switched capacitor dc-dc converter - Google Patents

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KR101677705B1
KR101677705B1 KR1020140159607A KR20140159607A KR101677705B1 KR 101677705 B1 KR101677705 B1 KR 101677705B1 KR 1020140159607 A KR1020140159607 A KR 1020140159607A KR 20140159607 A KR20140159607 A KR 20140159607A KR 101677705 B1 KR101677705 B1 KR 101677705B1
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양병도
오재문
우기찬
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충북대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps

Abstract

본 발명은 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기에 관한 것으로서, 변하는 입력 전압을 탐지하여 전압 변환 비율 동작 모드를 선택하는 모드 선택기와, 모드 선택에 따른 각각의 출력 전압과 레퍼런스 전압을 비교하는 다수의 비교기와, 비교기의 각 출력에 대응하여 논 오버랩 클럭 생성 여부를 결정하는 논 오버랩 클럭 생성기와, 전압 변환 비율 동작 모드의 선택 코드를 이용하여 전압 변환 비율을 변경하는 제어신호를 생성하는 스위치 제어 드라이버와, 제어신호에 따라 스위치 및 캐패시터의 선택적인 제어가 이루어진 전압 변환 비율(m:n)로 동작하는 스위치 및 캐패시터 어레이를 포함한다. 본 발명에 따르면, 제시된 스위치 및 캐패시터 어레이 구조를 통해 최소한의 스위치 및 캐패시터를 이용하여 다중 출력이 가능하고, 전압 변환 비율을 변경하면서 제어하므로 넓은 입력 전압 범위에서 동작이 가능하다.The present invention relates to a multiple output switched capacitor DC-DC converter, comprising: a mode selector for detecting a varying input voltage to select a voltage conversion ratio operation mode; and a plurality of comparators A non-overlapped clock generator for determining whether or not to generate a non-overlapped clock corresponding to each output of the comparator, a switch control driver for generating a control signal for changing a voltage conversion ratio using a selection code of a voltage conversion ratio operation mode, And a switch and a capacitor array operating at a voltage conversion ratio (m: n) in which switches and capacitors are selectively controlled according to a control signal. According to the present invention, multiple outputs are possible using a minimum number of switches and capacitors through the proposed switch and capacitor array structure, and it is possible to operate in a wide input voltage range because it is controlled while changing the voltage conversion ratio.

Figure R1020140159607
Figure R1020140159607

Description

다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기{MULTIPLE OUTPUT SWITCHED CAPACITOR DC-DC CONVERTER}[0001] MULTIPLE OUTPUT SWITCHED CAPACITOR DC-DC CONVERTER [0002]

본 발명은 반도체 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력 전압이 변하는 경우에도 이를 감지하고, 전압 변환 비율을 변경하여 넓은 입력 전압 범위에서 동작이 가능하며, 스위치 및 캐패시터 구조를 최소화하면서 다중 출력이 가능하도록 한 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기에 관한 것이다.
The present invention relates to a semiconductor circuit, and more particularly, to a semiconductor circuit capable of detecting a change in an input voltage and operating in a wide input voltage range by changing a voltage conversion ratio, and capable of performing multiple outputs while minimizing a switch and a capacitor structure To a multi-output switched-capacitor DC-DC converter.

모든 전자기기는 해당 시스템 특성에 적합한 전원 전압을 공급할 수 있는 전력 관리 장치를 필요로 한다. 이와 같은 전력 관리 장치는 높은 정확도와 고효율 동작이 요구된다. 특히, 요즘 여러 가지 기능을 갖는 시스템을 집적화함으로써 각각 다른 입력 전압 및 출력 전압을 갖는 모듈(Module)이 한 칩 안에 설계(System on Chip; SoC)되고 있다. 이에 따라 각 모듈의 전력공급에 있어서 최소한의 PMIC(Power Management IC)로 여러 시스템의 전원 전압 및 부하 전류를 공급함으로써 전력 소모를 최소화하여 전력 공급 장치의 사용시간을 최대화할 수 있는 기술을 필요로 한다. 또한, 배터리나 태양광 발전기의 출력을 전력 공급 장치 전원으로 사용할 경우, 변화되는 입력 전압에 대해서도 일정한 전압을 출력할 수 있는 변환기가 필요하다.All electronic devices require a power management device capable of supplying a supply voltage suitable for the system characteristics. Such a power management apparatus requires high accuracy and high-efficiency operation. In particular, by integrating systems having various functions, a module having different input voltages and output voltages is designed in a single chip (System on Chip). Therefore, a technique is required to maximize the use time of the power supply by minimizing the power consumption by supplying the power supply voltage and the load current of various systems with the minimum power management IC (PMIC) in the power supply of each module . In addition, when the output of a battery or a photovoltaic generator is used as a power supply, a converter capable of outputting a constant voltage with respect to a changing input voltage is required.

직류 전원 공급 장치로는 크게, 인덕터를 사용한 스위칭 컨버터(Inductor-based Switching Converter; Buck, Boost...)와, 스위치드 캐패시터 컨버터(Switched Capacitor Converter; SCC)가 있다. 넓은 출력 부하 범위를 가지며 고효율의 안정적인 전원공급을 위해, 인덕터를 이용한 스위칭 컨버터를 가장 많이 사용하고 있다. 하지만, 인덕터의 사용으로 인해 PCB 면적과 비용이 증가하며, 낮은 부하에서 효율이 낮아지는 단점이 있다. 또한, 마그네틱 소자의 사용으로 Electro-Magnetic Interference(EMI) 문제가 발생할 수 있게 된다. 그리고, 다중 전압을 출력할 경우 하나의 인덕터를 여러 전압을 출력하는 변환기(Single Inductor Multiple Output; SIMO)가 사용되며, 단일 인덕터에 저장된 에너지를 구간별로 나누어 여러 출력 노드로 에너지를 공급하는 방식이 사용된다. 하지만, SIMO의 경우 출력 부하가 변할 경우 응답속도가 느리며, 한 번 인덕터의 충전된 에너지를 여러 출력 노드에 공급함에 있어서 하나의 출력이 다른 출력의 영향을 미치는 크로스 레귤레이션 효과(Cross regulation effect)가 발생한다.DC power supply devices mainly include an inductor-based switching converter (Buck, Boost ...) and a switched capacitor converter (SCC). In order to supply high efficiency and stable power with a wide output load range, switching converters using inductors are used the most. However, the use of inductors increases PCB area and cost, and lowers efficiency at low loads. In addition, the use of a magnetic device may cause electro-magnetic interference (EMI) problems. In addition, a single inductor multiple output (SIMO) is used to output a plurality of voltages when a plurality of voltages are output, and energy is supplied to a plurality of output nodes by dividing the energy stored in a single inductor by intervals do. However, in the case of SIMO, when the output load changes, the response speed is slow, and once the inductor's charged energy is supplied to multiple output nodes, a cross regulation effect occurs in which one output affects the other output do.

스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는 작은 면적과 간단한 구조로 주로 낮은 부하에서 사용하고 있다. 스위치드 캐패시터 매트릭스 구조를 달리함에 따라 다양한 입출력 전압을 가질 수 있으며, 캐패시터를 사용하기 때문에 칩 안으로 집적이 가능하다는 장점을 지닌다. 하지만 칩 안에 집적할 수 있는 크기에 한계가 있기 때문에 부하에 공급할 수 있는 전력에 제한이 있다. 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기를 이용한 다중 출력기는 일반적으로 동일한 변환기 다수개를 이용하여 사용하는데, 만일 동일한 수의 스위치 및 캐패시터 구조를 갖는 변환기를 n개 사용하여 n개의 출력 전압을 생성한다면, n배의 스위치 및 캐패시터가 필요하다. 이는 면적 및 비용 상승을 초래하고, 많은 수의 스위치를 사용하여 전체적인 변환기 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
Switched-capacitor DC-DC converters are mainly used at low loads with small area and simple structure. By using a switched capacitor matrix structure, various input and output voltages can be obtained, and the capacitor can be integrated into the chip because the capacitor is used. However, there is a limit to the amount of power that can be supplied to the load because there is a limit to the size that can be integrated into the chip. Multi-output devices using switched-capacitor DC-DC converters are generally used with the same number of converters. If n number of converters having the same number of switches and capacitor structures are used to generate n output voltages, Switches and capacitors are needed. This leads to an increase in area and cost, and a problem that the overall converter efficiency is lowered by using a large number of switches.

그러면, 여기서 기존 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기에 대해 설명한다.The existing switched-capacitor DC-DC converter will now be described.

도 1은 기존 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a conventional switched capacitor DC-DC converter.

도 1을 참조하면, 기존 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 출력 전압(

Figure 112014110159871-pat00001
)과 레퍼런스 전압(
Figure 112014110159871-pat00002
)을 비교하는 비교기(1)와, 비교기(1)의 출력에 대응하여 논 오버랩 클럭 생성 여부를 결정하는 논 오버랩 클럭 생성기(2)와, 논 오버랩 클럭에 대응하는 그 구조에 대응하여 전압 변환 비율을 변경하는 제어신호를 생성하는 스위치 제어 드라이버(30)와, 제어신호에 대응하여 전압 변환 비율(m:n)로 동작하는 스위치 및 캐패시터 어레이(4)로 구성되어 있다.Referring to FIG. 1, a conventional switched-capacitor DC-DC converter has an output voltage
Figure 112014110159871-pat00001
) And the reference voltage (
Figure 112014110159871-pat00002
A non-overlapped clock generator 2 for determining whether or not to generate a non-overlapped clock corresponding to the output of the comparator 1, and a non-overlapping clock generator 3 for comparing the voltage conversion ratio And a capacitor array 4 which operates in accordance with a control signal and operates at a voltage conversion ratio (m: n).

이와 같이 구성된 기존 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 비교기(1)를 이용하여 출력 전압(

Figure 112014110159871-pat00003
)과 기준 전압(
Figure 112014110159871-pat00004
)을 비교한다. 출력 전압이 기준전압 보다 높을 경우, 비교기(1) 출력은 '0'이 되어 논 오버랩 클럭 생성기(2)에 의한 논 오버랩 클럭 생성이 차단된다. 한편, 출력 전압이 기준전압 보다 낮을 경우, 비교기(1) 출력이 '1' 이 되어 논 오버랩 클럭 생성기(2)에 의한 논 오버랩 클럭이 생성된다. 논 오버랩 클럭이 생성되면, 스위치 제어 드라이버(3)에서는 논 오버랩 클럭에 따른 그 구조에 대응하여 전압 변환 비율을 변경하는 제어신호를 생성하여 스위치 및 캐패시터 어레이(4)에 전달하고, 이 제어신호에 대응하여 전압 변환 비율(m:n)로 스위치 및 캐패시터 어레이(4)가 동작하게 된다. 이와 같이, 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는 스위치 및 캐패시터 어레이(4)의 구조에 따라 고정된 전압 변환 비율(m:n)로 동작하게 되며, 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 출력 전압은 입력 전압(
Figure 112014110159871-pat00005
)의
Figure 112014110159871-pat00006
배까지만 출력 가능하다. 따라서 고정된 출력 전압을 생성할 경우 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 입력 전압 범위는 아래의 식으로 표현된다.In the conventional switched-capacitor DC-DC converter configured as described above, the output voltage (
Figure 112014110159871-pat00003
) And the reference voltage (
Figure 112014110159871-pat00004
). When the output voltage is higher than the reference voltage, the output of the comparator 1 becomes '0', and generation of the nonoverlapped clock by the overlaid clock generator 2 is interrupted. On the other hand, when the output voltage is lower than the reference voltage, the output of the comparator 1 becomes '1', and the nonoverlapped clock by the overlay clock generator 2 is generated. When a non-overlap clock is generated, the switch control driver 3 generates a control signal for changing the voltage conversion ratio in accordance with the structure according to the nonoverlapped clock, and transmits the control signal to the switch and capacitor array 4, The switch and capacitor array 4 are operated with the voltage conversion ratio m: n. Thus, the switched capacitor DC-DC converter operates at a fixed voltage conversion ratio (m: n) according to the structure of the switch and capacitor array 4, and the output voltage of the switched capacitor DC-
Figure 112014110159871-pat00005
)of
Figure 112014110159871-pat00006
It is possible to print only up to 2 times. Therefore, when generating a fixed output voltage, the input voltage range of the switched-capacitor DC-DC converter is expressed by the following equation.

Figure 112014110159871-pat00007
--- (식 1)
Figure 112014110159871-pat00007
--- (1)

(

Figure 112014110159871-pat00008
)(
Figure 112014110159871-pat00008
)

(식 1)과 같이 기존 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는 전압 변환 비율에 따라 입력 전압 범위가 제한된다. 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 입출력 전압 및 전압 변환 비율에 따른 효율을 표현하면 (식 2)와 같다.(Equation 1), the input voltage range of the conventional switched capacitor DC-DC converter is limited by the voltage conversion ratio. The efficiency according to the input / output voltage and the voltage conversion ratio of the switched capacitor DC-DC converter is expressed by Equation (2).

Figure 112014110159871-pat00009
--- (식 2)
Figure 112014110159871-pat00009
--- (Equation 2)

따라서, 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 효율은 레귤레이션(regulation)된 전압(

Figure 112014110159871-pat00010
)과 출력 전압(
Figure 112014110159871-pat00011
)의 차이가 작을수록 높아진다. 그리고 입력 전압이 변할 때 기존 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기처럼 하나의 전압 변환 비율로만 동작한다면 전체적인 입력 범위에서 효율이 낮아지며 효율 및 출력 전압 생성에 있어서 입력 전압 범위가 극히 제한된다.
Thus, the efficiency of a switched-capacitor DC-DC converter depends on the regulated voltage
Figure 112014110159871-pat00010
) And the output voltage (
Figure 112014110159871-pat00011
) Becomes smaller. When the input voltage is changed, it operates only with a single voltage conversion ratio like a conventional switched capacitor DC-DC converter, resulting in low efficiency over the entire input range and a very limited input voltage range in efficiency and output voltage generation.

도 2는 기존 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 구성도이다.2 is a block diagram of a conventional multi-output switched-capacitor DC-DC converter.

도 2를 참조하면, 기존 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 고정된 입출력 전압 변환 비율을 가진 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기(1, ..., n)를 다수개 사용하여 각 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기별로 입력 전압(

Figure 112014110159871-pat00012
)을 이용하여 출력 전압을 생성한다. 이 경우, 다중 출력 전압 수만큼 전체적인 스위치 및 캐패시터 수가 많아지므로 면적이 많이 증가되고 스위치의 증가로 효율도 낮아지게 된다. 또한, 각 변환기의 효율은 (식 2)와 같이 표현되는데 입력 전압과 출력 전압의 차이가 많이 나는 경우, 상대적으로 레귤레이션된 전압과 출력 전압의 차이(
Figure 112014110159871-pat00013
)가 커지므로 각 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 효율이 낮아져 전체적으로 전력 효율이 낮아진다.
2, a conventional multiple-output switched-capacitor DC-DC converter includes a plurality of switched-capacitor DC-DC converters 1, ..., n having fixed input / output voltage conversion ratios, Input voltage per DC converter (
Figure 112014110159871-pat00012
) To generate the output voltage. In this case, since the total number of switches and capacitors is increased by the number of multiple output voltages, the area is greatly increased and the efficiency is also lowered by increasing the number of switches. The efficiency of each converter is expressed as (Equation 2). When the difference between the input voltage and the output voltage is large, the difference between the relatively regulated voltage and the output voltage
Figure 112014110159871-pat00013
), The efficiency of each switched-capacitor DC-DC converter is lowered and the power efficiency as a whole is lowered.

대한민국 등록특허공보 제10-1289958호(공고일 2013.07.26.)Korean Registered Patent No. 10-1289958 (Publication date 2013.07.26.)

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 입력 전압이 변하는 상황에서도 이를 감지하고, 변화된 스위치 및 캐패시터 어레이를 통해 넓은 입력 전압 범위에서 동작이 가능하도록 함과 아울러 다수개의 변환기를 사용하지 않고 최소한의 스위치 및 캐패시터를 이용하여 다중 출력이 가능하도록 한 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기를 제공하는데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art described above, and it is an object of the present invention to detect the input voltage even when the input voltage changes, and to operate in a wide input voltage range through the changed switch and capacitor array. And a multi-output switched-capacitor DC-DC converter that allows multiple outputs using a minimum number of switches and capacitors without using a plurality of converters.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 변하는 입력 전압을 탐지하여 전압 변환 비율 동작 모드를 선택하는 모드 선택기; 모드 선택에 따른 각각의 출력 전압과 레퍼런스 전압을 비교하는 다수의 비교기; 상기 비교기의 각 출력에 대응하여 논 오버랩 클럭 생성 여부를 결정하는 논 오버랩 클럭 생성기; 상기 전압 변환 비율 동작 모드의 선택 코드를 이용하여 전압 변환 비율을 변경하는 제어신호를 생성하는 스위치 제어 드라이버; 및 상기 제어신호에 따라 스위치 및 캐패시터의 선택적인 제어가 이루어진 전압 변환 비율(m:n)로 동작하는 스위치 및 캐패시터 어레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-output switched-capacitor DC-DC converter comprising: a mode selector for detecting a varying input voltage to select a voltage conversion ratio operation mode; A plurality of comparators for comparing respective output voltages according to mode selection with a reference voltage; A non-overlapped clock generator for determining whether or not to generate a non-overlapped clock corresponding to each output of the comparator; A switch control driver for generating a control signal for changing a voltage conversion ratio using a selection code of the voltage conversion ratio operation mode; And a switch and a capacitor array operating at a voltage conversion ratio (m: n) in which a switch and a capacitor are selectively controlled according to the control signal.

이 때, 상기 스위치 및 캐패시터 어레이는, 입력 전압과 출력 전압의 차가 작은 경우를 찾아 전압 변환 비율을 변경하여 최적의 효율로 하나의 전압을 출력하는 일측 파워스테이지; 및 상기 일측 파워스테이지에서 레귤레이션(regulation)된 전압을 이용하여 출력 전압을 생성하는 타측 파워스테이지를 포함한다.In this case, the switch and the capacitor array may include a one-side power stage for finding a case where a difference between an input voltage and an output voltage is small and outputting one voltage at an optimum efficiency by changing a voltage conversion ratio; And an other power stage for generating an output voltage using a regulated voltage in the one power stage.

또한, 상기 모드 선택기는, 입력 전압을 분배하는 저항 분배기(

Figure 112014110159871-pat00014
,
Figure 112014110159871-pat00015
,
Figure 112014110159871-pat00016
,
Figure 112014110159871-pat00017
); 및 상기 저항 분배기를 통해 분배된 전압(
Figure 112014110159871-pat00018
,
Figure 112014110159871-pat00019
,
Figure 112014110159871-pat00020
)과 레퍼런스 전압(
Figure 112014110159871-pat00021
)을 비교하여 상기 전압(
Figure 112014110159871-pat00022
,
Figure 112014110159871-pat00023
,
Figure 112014110159871-pat00024
)의 레벨에 따라 상기 전압 변환 비율 동작 모드의 선택 코드를 생성하는 다수의 비교기를 포함한다.
The mode selector may further include a resistor divider
Figure 112014110159871-pat00014
,
Figure 112014110159871-pat00015
,
Figure 112014110159871-pat00016
,
Figure 112014110159871-pat00017
); And a voltage divider
Figure 112014110159871-pat00018
,
Figure 112014110159871-pat00019
,
Figure 112014110159871-pat00020
) And the reference voltage (
Figure 112014110159871-pat00021
) Is compared with the voltage (
Figure 112014110159871-pat00022
,
Figure 112014110159871-pat00023
,
Figure 112014110159871-pat00024
And a plurality of comparators for generating a selection code of the voltage conversion ratio operation mode according to a level of the voltage conversion ratio operation mode.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는 다음과 같은 장점이 있다.As described above, the multi-output switched-capacitor DC-DC converter according to the present invention has the following advantages.

1. 본 발명에서 제시된 스위치 및 캐패시터 어레이 구조를 통해 최소한의 스위치 및 캐패시터를 이용하여 다중 출력이 가능하다.1. Multiple outputs are possible using a minimum number of switches and capacitors through the switch and capacitor array structure presented in the present invention.

2. 본 발명에서는 전압 변환 비율을 변경하면서 제어하므로 넓은 입력 전압 범위에서 동작이 가능하다.2. In the present invention, it is possible to operate in a wide input voltage range because it is controlled while changing the voltage conversion ratio.

3. 본 발명에서는 칩 밖의 캐패시터(

Figure 112014110159871-pat00025
)를 사용하므로 인덕터 사용에 따른 큰 PCB 면적, 높은 제작 비용, 전자 방해 잡음(EMI) 문제를 해결할 수 있다.3. In the present invention,
Figure 112014110159871-pat00025
), It is possible to solve the problems of large PCB area, high manufacturing cost, and electromagnetic interference (EMI) due to the use of the inductor.

4. 본 발명은, 배터리나 태양광 발전기의 전압과 같이, 계속적으로 변하는 전압을 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 입력 전압으로 사용할 경우, 효율적으로 동작 가능하게 하여 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.4. The present invention can efficiently operate and prolong the battery life when the continuously changing voltage such as the voltage of the battery or the solar generator is used as the input voltage of the multi-output switched capacitor DC-DC converter.

5. 본 발명은 하나의 칩 안에 여러 가지 기능을 갖는 모듈(module)이 있을 경우, 최소한의 전력 공급 장치를 이용할 수 있도록 하여 PCB의 면적 감소 및 비용 절감을 이룰 수 있다.
5. In the present invention, when a module having various functions is provided in one chip, it is possible to use a minimum power supply device, thereby reducing the area of the PCB and reducing the cost.

도 1은 기존 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 구성도이다.
도 2는 기존 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 구성도이다.
도 3은 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 전압 변환 비율별 동작 구조의 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 이중 출력 시 스위치 및 캐패시터 어레이의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이중 출력 시 전압 변환 비율을 결정하는 모드 선택기의 구조의 예시이다.1 is a configuration diagram of a conventional switched capacitor DC-DC converter.
2 is a block diagram of a conventional multi-output switched-capacitor DC-DC converter.
3 is an example of the operation structure of the switched-capacitor DC-DC converter according to the voltage conversion ratio.
4 is a configuration diagram of a multiple output switched capacitor DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
5 is a configuration diagram of a dual output switch and a capacitor array according to the present invention.
6 is an illustration of the structure of a mode selector for determining the voltage conversion ratio at dual output according to the present invention.

이하, 본 발명의 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the multi-output switched-capacitor DC-DC converter of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 전압 변환 비율별 동작 구조의 예이다.3 is an example of the operation structure of the switched-capacitor DC-DC converter according to the voltage conversion ratio.

도 3의 (a)를 참조하면, 3:1 전압 변환 비율의 동작 구조로서, 충전 구간(

Figure 112014110159871-pat00026
)과 방전 구간(
Figure 112014110159871-pat00027
)으로 나뉘어 캐패시터의 충ㆍ방전 전하에 의해 출력 전압이 결정된다. 이 때, 캐패시터의 충ㆍ방전 전하량(
Figure 112014110159871-pat00028
)은 같아야 하며, 이를 식으로 나타내면 (식 3)과 같다.Referring to FIG. 3A, as an operation structure of the 3: 1 voltage conversion ratio,
Figure 112014110159871-pat00026
) And the discharge interval
Figure 112014110159871-pat00027
), And the output voltage is determined by charge / discharge charge of the capacitor. At this time, the charge / discharge charge amount (
Figure 112014110159871-pat00028
) Should be the same, and it can be expressed as (Equation 3).

Figure 112014110159871-pat00029
Figure 112014110159871-pat00029

Figure 112014110159871-pat00030
--- (식 3)
Figure 112014110159871-pat00030
--- (Equation 3)

따라서 도 3의 (a) 구조로 동작 시, 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 3:1의 전압 변환 비율로 동작하며 입력 전압이 변하는 상황이라 가정하면, 최소 입력 전압은

Figure 112014110159871-pat00031
이 되며, 입력 전압이 출력 전압의 3배 이하일 경우에는 원하는 출력 전압을 생성할 수 없게 된다.Therefore, assuming that the multi-output switched-capacitor DC-DC converter operates at a voltage conversion ratio of 3: 1 and the input voltage is changed when operating in the structure of FIG. 3 (a)
Figure 112014110159871-pat00031
And the desired output voltage can not be generated when the input voltage is three times or less the output voltage.

마찬가지로, 도 3의 (b) 구조의 2:1 전압 변환 비율과, 도 3의 (c) 구조의 2 전압 변환 비율 동작에 대해 캐패시터의 충ㆍ방전 전하량을 이용하여 식으로 표현하면 (식 4),(식 5)와 같다.Similarly, Expression 4 can be expressed by using the charge / discharge charge amount of the capacitor with respect to the 2: 1 voltage conversion ratio of the structure of FIG. 3 (b) and the 2 voltage conversion ratio of the structure of FIG. 3 (c) , And (5).

Figure 112014110159871-pat00032
Figure 112014110159871-pat00032

Figure 112014110159871-pat00033
--- (식 4)
Figure 112014110159871-pat00033
--- (Equation 4)

Figure 112014110159871-pat00034
Figure 112014110159871-pat00034

Figure 112014110159871-pat00035
--- (식 5)
Figure 112014110159871-pat00035
--- (Equation 5)

이와 같이, 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는 스위치 및 캐패시터 어레이의 직ㆍ병렬 구조에 따라 다른 입출력 전압 변환 비율로 동작하게 되며, 입력 전압과 출력 전압의 비율을 이용하여 변환기의 전압 변환 비율을 결정하게 된다.
Thus, the switched capacitor DC-DC converter operates at different I / O voltage conversion ratios depending on the serial-parallel structure of the switches and capacitor arrays, and determines the voltage conversion ratio of the converter using the ratio of the input voltage to the output voltage .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 구성도이다.4 is a configuration diagram of a multiple output switched capacitor DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 변하는 입력 전압을 탐지하여 모드를 선택하는 모드 선택기(10)와, 펄스 스킵핑(Pulse skipping) 동작을 위해, 모드 선택에 따라 출력 전압(

Figure 112014110159871-pat00036
)과 레퍼런스 전압(
Figure 112014110159871-pat00037
) 각각에 대응하여 비교하는 비교기(20)와, 비교기(20)의 출력에 대응하여 논 오버랩 클럭 생성 여부를 결정하는 논 오버랩 클럭 생성기(30)와, 전압 변환 비율 동작 모드 선택 코드를 이용하여 전압 변환 비율을 변경하는 제어신호를 생성하는 스위치 제어 드라이버(40)와, 출력 노드를 공유함으로써 최소한의 스위칭 및 수동 소자를 사용하고, 다수의 전압 변환 비율로 동작시키기 위해, 상기 제어신호에 따라 스위치 및 캐패시터 어레이의 선택적인 제어가 이루어진 전압 변환 비율(m:n)로 동작하는 스위치 및 캐패시터 어레이(50)를 포함한다.
Referring to FIG. 4, the multi-output switched-capacitor DC-DC converter of the present invention includes a mode selector 10 for detecting a changing input voltage and selecting a mode, and a mode selector 10 for pulse skipping operation. Depending on the output voltage (
Figure 112014110159871-pat00036
) And the reference voltage (
Figure 112014110159871-pat00037
A non-overlapped clock generator 30 for determining whether or not to generate a non-overlap clock in response to the output of the comparator 20, A switch control driver (40) for generating a control signal for changing the conversion ratio; and a switch control driver (40) for using the minimum switching and passive elements by sharing the output node, And a capacitor array (50) operating at a voltage conversion ratio (m: n) at which selective control of the capacitor array is made.

이와 같이 구성된 본 발명의 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 변하는 입력 전압을 모드 선택기(10)에서 탐지하여 해당 입력 전압에 따라 전압 변환 비율 동작 모드 선택 코드(M[1:j])를 생성한다. 스위치 제어 드라이버(40)에서는 전압 변환 비율 동작 모드 선택 코드를 이용하여 스위치 및 캐패시터 어레이(50)를 구성하는 스위치 동작을 결정하게 되고, 이에 변하는 입력 전압에 따라 전압 변환 비율 m:n(2, 3:1, 7:3, 2:1, 3:2, 4:3, ...)을 변경한다. 따라서 변하는 입력 전압에 대해 높은 효율을 유지하면서 일정한 출력 전압을 생성할 수 있다. 이 때, 스위치 및 캐패시터 어레이(50)는 다중 출력을 위해 기존 구조에서 스위치 및 캐패시터 개수를 최소화한 기술이 적용된다. 이는 도 5에서 상세히 설명하기로 한다. 한편, 비교기(20)에서는 전압 변환 비율 동작 모드 선택 코드에 대응하는 출력 전압(

Figure 112014110159871-pat00038
)과 레퍼런스 전압(
Figure 112014110159871-pat00039
) 각각을 비교하여 동작 클럭을 제어하며, 출력 전압이 레퍼런스 전압보다 높을 경우에는 비교기 출력이 '0'이 되어 스위칭 클럭이 생성되지 않아 펄스 스킵핑 동작을 하게 된다.
In the multi-output switched capacitor DC-DC converter of the present invention configured as described above, the mode selector 10 detects a varying input voltage and generates a voltage conversion ratio operation mode selection code M [1: j] according to the input voltage do. The switch control driver 40 uses the voltage conversion ratio operation mode selection code to determine the switch operation constituting the switch and capacitor array 50. The voltage conversion ratio m: n (2, 3 : 1, 7: 3, 2: 1, 3: 2, 4: 3, ...). Therefore, a constant output voltage can be generated while maintaining a high efficiency with respect to a varying input voltage. At this time, the switch and capacitor array 50 is applied with a technique of minimizing the number of switches and capacitors in the conventional structure for multiple outputs. This will be described in detail in FIG. On the other hand, in the comparator 20, the output voltage corresponding to the voltage conversion ratio operation mode selection code (
Figure 112014110159871-pat00038
) And the reference voltage (
Figure 112014110159871-pat00039
). When the output voltage is higher than the reference voltage, the output of the comparator becomes '0', so that the switching clock is not generated and the pulse skipping operation is performed.

도 5는 본 발명에 따른 이중 출력 시 스위치 및 캐패시터 어레이의 구성도이다.5 is a configuration diagram of a dual output switch and a capacitor array according to the present invention.

도 5를 참조하면, 이중 출력의 경우, 스위치 및 캐패시터 어레이(50)는 총 2개의 파워스테이지(60, 70)로 구성된다. 초기 동작 시 제1파워스테이지(60)에서는 도 4의 방식으로 입력 전압이 변함에 따라 전압 변환 비율을 변경(1/2, 2/3, 3/4)하면서 출력을 생성한다. 이 때, 제1파워스테이지(60)에서 레귤레이션된 출력 노드(

Figure 112014110159871-pat00040
)의 전압을 이용하여 제2파워스테이지(70)에서 전압 변환 비율을 변경하며 출력 전압을 생성한다. [표 1]은 입력 전압이 0.7∼1.8V 로 변할 때 두 개의 출력 전압
Figure 112014110159871-pat00041
(1V),
Figure 112014110159871-pat00042
(0.5V)을 생성할 경우 도 5의 스위치 및 캐패시터 어레이(50)의 파워스테이지 제어를 보인다. 입력 전압이 높은 경우(1.35V∼1.8V) 제1파워스테이지(60)에서 1V를 출력하고, 제2파워스테이지(70)는
Figure 112014110159871-pat00043
노드(제1파워스테이지(60)의 출력 1V)를 이용하여 1/2 전압 변환 비율로 동작함으로써 0.5V를 출력하게 된다. 반대로, 입력 전압이 낮은 경우(0.7V∼1.34V) 제1파워스테이지(60)에서 0.5V를 출력하며, 제2파워스테이지(70)에서는
Figure 112014110159871-pat00044
노드(제1파워스테이지(60)의 출력 0.5V)를 이용하여 2배 비율로 동작함으로써 1V를 출력하게 된다.Referring to FIG. 5, in the case of a dual output, the switch and capacitor array 50 consists of a total of two power stages 60 and 70. During the initial operation, the first power stage 60 generates an output while changing the voltage conversion ratio (1/2, 2/3, 3/4) as the input voltage changes in the manner of FIG. At this time, in the first power stage 60, a regulated output node (
Figure 112014110159871-pat00040
) To change the voltage conversion ratio in the second power stage 70 and generate an output voltage. [Table 1] shows that when the input voltage changes from 0.7 to 1.8 V,
Figure 112014110159871-pat00041
(1V),
Figure 112014110159871-pat00042
(0.5 V), the power stage control of the switch and capacitor array 50 of FIG. 5 is shown. The first power stage 60 outputs 1V when the input voltage is high (1.35V to 1.8V), and the second power stage 70 outputs 1V
Figure 112014110159871-pat00043
Node (the output 1V of the first power stage 60) and operates at 1/2 voltage conversion ratio to output 0.5V. On the contrary, when the input voltage is low (0.7 V to 1.34 V), 0.5 V is output from the first power stage 60, while in the second power stage 70
Figure 112014110159871-pat00044
Node (the output of the first power stage 60 is 0.5 V) to operate at a ratio of 2, thereby outputting 1 V.

이처럼 본 발명에서 제안하는 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는, 입력 전압과 출력 전압의 차가 작은 경우를 찾아 한 파워스테이지에서 전압 변환 비율을 변경하여 최적의 효율로 하나의 전압을 출력하고 다른 파워스테이지에서는 앞서 레귤레이션된 전압을 이용하여 출력 전압을 생성함으로써, 기존의 다수개 변환기를 사용하는 방식보다 훨씬 적은 스위치 및 캐패시터로 다중 출력이 가능하게 된다. 또한, 입력 전압이 한 파워스테이지를 통해 레귤레이션된 전압

Figure 112014110159871-pat00045
(
Figure 112014110159871-pat00046
)과 출력 전압
Figure 112014110159871-pat00047
의 차이를 최소화하여 전체적인 효율을 향상시킨다.
As described above, in the multi-output switched capacitor DC-DC converter proposed in the present invention, when the difference between the input voltage and the output voltage is small, the voltage conversion ratio is changed in the power stage to output one voltage at the optimum efficiency, , The output voltage is generated using the regulated voltage previously, so that multiple outputs can be realized with much fewer switches and capacitors than the conventional method using multiple converters. Also, if the input voltage is the voltage regulated through one power stage
Figure 112014110159871-pat00045
(
Figure 112014110159871-pat00046
) And the output voltage
Figure 112014110159871-pat00047
Thereby improving the overall efficiency.

Figure 112014110159871-pat00048
Figure 112014110159871-pat00048

도 6은 본 발명에 따른 이중 출력 시 전압 변환 비율을 결정하는 모드 선택기의 구조의 예시이다.6 is an illustration of the structure of a mode selector for determining the voltage conversion ratio at dual output according to the present invention.

도 6을 참조하면, 모드 선택기(10)는 입력 전압을 탐지할 수 있도록 저항 분배기(

Figure 112014110159871-pat00049
,
Figure 112014110159871-pat00050
,
Figure 112014110159871-pat00051
,
Figure 112014110159871-pat00052
)와 4개의 비교기(81∼84)로 이루어져 있다. 저항 분배기(
Figure 112014110159871-pat00053
,
Figure 112014110159871-pat00054
,
Figure 112014110159871-pat00055
,
Figure 112014110159871-pat00056
)를 통해 입력 전압을 분배한 후 얻게 되는 전압,
Figure 112014110159871-pat00057
,
Figure 112014110159871-pat00058
,
Figure 112014110159871-pat00059
는 비교기(81∼84)에서 두 개의 레퍼런스 전압(
Figure 112014110159871-pat00060
)과 비교되어
Figure 112014110159871-pat00061
,
Figure 112014110159871-pat00062
,
Figure 112014110159871-pat00063
전압 레벨에 따라 모드 선택 코드(M<1:4>)를 생성한다. 이 경우, 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기는 모드 선택 코드(M<1:4>)를 이용하여 입력 전압이 변함에 따라 [표 1]과 같이 제어된다. [표 2]는 이중 출력 전압 생성 시 모드 선택 코드표이다.
Referring to FIG. 6, the mode selector 10 includes a resistor divider (not shown)
Figure 112014110159871-pat00049
,
Figure 112014110159871-pat00050
,
Figure 112014110159871-pat00051
,
Figure 112014110159871-pat00052
And four comparators 81 to 84, respectively. Resistance divider (
Figure 112014110159871-pat00053
,
Figure 112014110159871-pat00054
,
Figure 112014110159871-pat00055
,
Figure 112014110159871-pat00056
), The voltage obtained after dividing the input voltage,
Figure 112014110159871-pat00057
,
Figure 112014110159871-pat00058
,
Figure 112014110159871-pat00059
In the comparators 81 to 84, two reference voltages (
Figure 112014110159871-pat00060
)
Figure 112014110159871-pat00061
,
Figure 112014110159871-pat00062
,
Figure 112014110159871-pat00063
And generates a mode selection code (M < 1: 4 &gt;) according to the voltage level. In this case, the multi-output switched-capacitor DC-DC converter is controlled as shown in [Table 1] as the input voltage is changed using the mode selection code (M <1: 4>). [Table 2] is a mode selection code table for generating double output voltage.

Figure 112014110159871-pat00064
Figure 112014110159871-pat00064

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention.

10 : 모드 선택기
20 : 비교기
30 : 논 오버랩 클럭 생성기
40 : 스위치 제어 드라이버
50 : 스위치 및 캐패시터 어레이
60 : 제1파워스테이지
70 : 제2파워스테이지10: Mode selector
20: comparator
30: Non-overlap clock generator
40: Switch control driver
50: Switch and capacitor array
60: first power stage
70: Second power stage

Claims (3)

변하는 입력 전압을 탐지하여 전압 변환 비율 동작 모드를 선택하는 모드 선택기;
모드 선택에 따른 각각의 출력 전압과 레퍼런스 전압을 비교하는 다수의 비교기;
상기 비교기의 각 출력에 대응하여 논 오버랩 클럭 생성 여부를 결정하는 논 오버랩 클럭 생성기;
상기 전압 변환 비율 동작 모드의 선택 코드를 이용하여 전압 변환 비율을 변경하는 제어신호를 생성하는 스위치 제어 드라이버; 및
상기 제어신호에 따라 스위치 및 캐패시터의 선택적인 제어가 이루어진 전압 변환 비율(m:n)로 동작하는 스위치 및 캐패시터 어레이를 포함하며,

상기 스위치 및 캐패시터 어레이는,
입력 전압과 출력 전압의 비율을 이용하여 전압 변환 비율을 변경해 하나의 전압을 출력하는 일측 파워스테이지; 및
상기 일측 파워스테이지에서 레귤레이션(regulation)된 전압을 이용하여 출력 전압을 생성하는 타측 파워스테이지를 포함하는 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기.
A mode selector for detecting a varying input voltage and selecting a voltage conversion ratio operation mode;
A plurality of comparators for comparing respective output voltages according to mode selection with a reference voltage;
A non-overlapped clock generator for determining whether or not to generate a non-overlapped clock corresponding to each output of the comparator;
A switch control driver for generating a control signal for changing a voltage conversion ratio using a selection code of the voltage conversion ratio operation mode; And
A switch and a capacitor array operating at a voltage conversion ratio (m: n) in which a switch and a capacitor are selectively controlled according to the control signal,

The switch and the capacitor array are connected in series,
A one-side power stage for outputting one voltage by changing a voltage conversion ratio by using a ratio of an input voltage and an output voltage; And
And a second power stage that generates an output voltage using the regulated voltage in the one power stage.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 모드 선택기는,
입력 전압을 분배하는 저항 분배기(
Figure 112014110159871-pat00065
,
Figure 112014110159871-pat00066
,
Figure 112014110159871-pat00067
,
Figure 112014110159871-pat00068
); 및
상기 저항 분배기를 통해 분배된 전압(
Figure 112014110159871-pat00069
,
Figure 112014110159871-pat00070
,
Figure 112014110159871-pat00071
)과 레퍼런스 전압(
Figure 112014110159871-pat00072
)을 비교하여 상기 전압(
Figure 112014110159871-pat00073
,
Figure 112014110159871-pat00074
,
Figure 112014110159871-pat00075
)의 레벨에 따라 상기 전압 변환 비율 동작 모드의 선택 코드를 생성하는 다수의 비교기를 포함하는 다중 출력 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기.The method according to claim 1,
Wherein the mode selector comprises:
A resistor divider that divides the input voltage
Figure 112014110159871-pat00065
,
Figure 112014110159871-pat00066
,
Figure 112014110159871-pat00067
,
Figure 112014110159871-pat00068
); And
The voltage across the resistor divider (
Figure 112014110159871-pat00069
,
Figure 112014110159871-pat00070
,
Figure 112014110159871-pat00071
) And the reference voltage (
Figure 112014110159871-pat00072
) Is compared with the voltage (
Figure 112014110159871-pat00073
,
Figure 112014110159871-pat00074
,
Figure 112014110159871-pat00075
A plurality of comparators for generating a selection code of the voltage conversion ratio operation mode according to a level of the voltage conversion ratio operation mode.
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