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KR20130104583A - 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치 - Google Patents

전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치 Download PDF

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KR20130104583A
KR20130104583A KR1020120026200A KR20120026200A KR20130104583A KR 20130104583 A KR20130104583 A KR 20130104583A KR 1020120026200 A KR1020120026200 A KR 1020120026200A KR 20120026200 A KR20120026200 A KR 20120026200A KR 20130104583 A KR20130104583 A KR 20130104583A
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power
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transistor
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신재광
정우인
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삼성전자주식회사
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Abstract

전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 전력 관리 칩은, 하나 이상의 전력 스위치 및 상기 전력 스위치를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되는 하나 이상의 회로부를 포함하는 드라이버부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치{Power Management Chip and Power Management Device having the same}
본 발명은 전력 반도체를 이용한 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치에 관한 것이다.
주 전원을 공급받아 각 소자에 필요한 전압으로 변환하거나 분배하는 전력 반도체가 전자기기에 채용되고 있는 추세이다. 전력 반도체는 실리콘 기반의 반도체를 이용하여 제조되거나, 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC) 등의 화합물 반도체에 기반한 GaN 트랜지스터나 SiC 트랜지스터로 구현될 수 있다.
전력 반도체는 전력 관리 칩 내에서 전원 전압을 스위칭하기 위한 수단으로서 이용될 수 있다. 그러나, 전력 관리 칩을 구동함에 있어서 기생 RLC 성분으로 인하여 노이즈 발생 및 전력 효율 저하를 초래할 수 있으며, 고전압 트랜지스터를 이용하여 전력 관리 칩을 구동할 필요가 있으므로 이에 따른 비용(cost)이 증가하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 노이즈 발생을 감소할 수 있으며, 제조 단가를 감소 및 전력 효율을 향상할 수 있는 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 관리 칩은, 하나 이상의 전력 스위치 및 상기 전력 스위치를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되는 하나 이상의 회로부를 포함하는 드라이버부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 관리 칩은, 하나 이상의 전력 스위치와, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되며, 상기 전력 스위치를 통한 전력 관리 동작을 제어하기 위한 제어신호를 발생하는 콘트롤러부 및 상기 콘트롤러부로부터의 제어신호에 응답하여 상기 전력 스위치를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되는 하나 이상의 회로부를 포함하는 드라이버부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 관리 장치는, 모듈 보드 및 상기 모듈 보드 상에 장착된 전력 관리 칩을 구비하고, 상기 전력 관리 칩은, 하나 이상의 전력 스위치 및 상기 전력 스위치를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되는 하나 이상의 회로부를 포함하는 드라이버부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치에 따르면, 전력 스위치와 이를 구동하기 위한 드라이버를 하나의 반도체 칩에 집적하므로 RLC 성분에 기인한 노이즈 발생을 감소하고 및 전력 효율을 향상할 수 있는 효과가 있으며, 또한 전력 관리 칩 및 전력 관리 장치를 제조하는 단가를 감소할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 전력 스위치의 일 구현예를 나타내는 공정 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전력 관리 칩의 일 구현예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5의 전력 관리 칩의 일 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 5의 전력 관리 칩의 게이트 드라이버의 다른 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 5의 전력 관리 칩의 게이트 드라이버의 또다른 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 관리 칩의 일 구현예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩이 채용된 전력 관리 장치의 일 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩이 채용된 전력 전력 관리의 다른 구현예를 나타내는 회로도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치(1000)는 모듈 보드(1100) 및 모듈 보드(1100) 상에 장착된 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩(1300)을 구비할 수 있다. 또한, 전력 관리 장치(1000) 외부와 통신하고 전력 관리 칩(1300)을 제어하기 위한 제어신호(CON1)를 생성하는 콘트롤러 칩(1200)이 전력 관리 장치(1000)의 모듈 보드(1100) 상에 더 장착될 수 있다.
모듈 보드(1100) 상에는 하나 이상의 반도체 칩들이 장착되고, 모듈 보드(1100)에 형성된 전기적 배선을 통해 반도체 칩들 사이에 신호가 송수신될 수 있다. 콘트롤러 칩(1200)은 전력 관리 장치(1000) 외부와 통신하며, 일예로서 외부의 호스트(미도시)로부터의 명령에 응답하여 전력 관리 칩(1300)을 제어하기 위한 제어신호(CON1)를 생성하고, 이를 모듈 보드(1100) 상의 전기적 배선을 통해 전력 관리 칩(1300)으로 제공한다. 콘트롤러 칩(1200)은 전력 관리 칩(1300)과 별도의 칩으로 구현될 수 있으며, 콘트롤러 칩(1200)에 구비되는 하나 이상의 제어회로들(미도시)은 전력 관리 칩(1300)과 별도의 공정, 일예로서 NMOS 공정 및 PMOS 공정을 통하여 구현될 수 있다.
전력 관리 칩(1300)은 전력 스위치(1310) 및 드라이버부(1320)를 포함할 수 있다. 전력 스위치(1310)는 하나 이상의 전력 반도체를 포함할 수 있으며, 일예로서 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC) 등의 반도체에 기반하는 GaN 트랜지스터나 SiC 트랜지스터를 포함할 수 있다. 또는, 전력 스위치(1310)는 절연 게이트형 바이폴러 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 전력 스위치(1310)가 GaN 트랜지스터를 포함하는 예가 도시되었으며, 전력 스위치(1310)는 상대적으로 고전압을 갖는 제1 전압(VDD1)과 상대적으로 저전압을 갖는 제2 전압(VSS1) 사이에 연결된다. 드라이버부(1320)의 제어하에서 전력 스위치(1310)가 스위칭됨으로써, 전력 관리 장치(1000) 외부의 장치(미도시)로 전력을 제공한다. 전력 스위치(1310)는 고전압 트랜지스터로 동작하며, 일예로서 1000V 이내의 전원 전압에 연결되어 드라이버부(1320)의 제어하에서 상기 전압을 스위칭할 수 있다.
드라이버부(1320)는 전력 스위치(1310)를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 하나 이상의 회로부를 포함한다. 상기 회로부는, 제어신호(CON1)를 처리하여 내부 신호를 생성하는 회로부와, 전력 스위치(1310)의 게이트를 구동하기 위한 게이트 드라이버를 포함할 수 있다. 드라이버부(1320) 내부의 회로부는 전압들(VDD2, VSS2)에 의해 구동될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 전력 스위치(1310)와 드라이버부(1320)가 하나의 반도체 칩으로 구현된다. 예컨대, 동일한 반도체 기판 상에 전력 스위치(1310)를 구현하기 위한 공정 과정과 드라이버부(1320)를 구현하기 위한 공정 과정이 수행되어 동일한 칩에 전력 스위치(1310)와 드라이버부(1320)가 집적된다. 또한, 전력 스위치(1310) 구현을 위한 공정 과정 중 적어도 일부와 드라이버부(1320)를 구현하기 위한 공정 과정 중 적어도 일부는 동일한 공정으로 수행되어도 무방하다.
전력 스위치(1310) 구현을 위한 MOS 트랜지스터 공정에 드라이버부(1320) 구현을 위한 MOS 트랜지스터 공정을 추가함으로써, 전력 스위치(1310)와 드라이버부(1320)를 동일한 반도체 기판(또는 동일한 웨이퍼)에서 제공 가능하도록 한다. 일예로서, 드라이버부(1320)를 구현하기 위하여, 게이트 형성 공정, 도핑(Doping) 공정 및 채널 형성 공정 등의 단계가 추가될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩(1300)은 각종 레벨의 칩들 중 어느 하나로 구현될 수 있으며, 일예로서 전력 관리 칩(1300)은 웨이퍼(wafer) 레벨 칩 스케일을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력 스위치(1310)와 드라이버부(1320)가 동일한 칩에 구현되므로 전력 스위치(1310)와 드라이버부(1320) 사이의 RLC 값을 최소화하여 노이즈 발생 및 오동작 가능성을 감소할 수 있다. 또한 전력 스위치(1310)와 드라이버부(1320)가 동일 칩에 구현되므로 별도의 칩 구현에 요구되는 공정 절차를 감소할 수 있으므로 제조 단가를 감소할 수 있다.
도 2는 도 1의 전력 스위치의 일 구현예를 나타내는 공정 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 스위치(1310)는 반도체 기판(1310_1) 및 이에 적층되는 하부 반도체층(1310_2), 채널층(1310_3), 상부 반도체층(1310_4) 및 하나 이상의 전극들을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 전극들은, 소스 전극(1310_5), 게이트 전극(1310_6) 및 드레인 전극(1310_7)을 포함할 수 있다.
소스 전극(1310_5), 게이트 전극(1310_6) 및 드레인 전극(1310_7)은 상부 반도체층(1310_4) 상에 서로 이격되어 형성되고, 각각 전도성 물질을 포함할 수 있다. 또한, 하부 반도체층(1310_2) 및 상부 반도체층(1310_4)은 서로 다른 밴드갭을 가진 물질을 포함할 수 있으며, 일예로서 하부 반도체층(1310_2)은 GaN, GaAs, InN 등의 물질을 포함할 수 있으며, 상부 반도체층(1310_4)은 AlGaN, AlGaAs, AlInN 등의 물질을 포함할 수 있다. 하부 반도체층(1310_2)과 상부 반도체층(1310_4) 사이의 밴드갭의 차이에 따라, 하부 반도체층(1310_2)과 상부 반도체층(1310_4)의 접합면에 2차원 전자 가스(2DEG, 2 Dimensional Electron Gas) 층이 유도될 수 있으며, 유도된 2차원 전자 가스 층이 채널층(1310_3)으로서 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치(2000)는 모듈 보드(2100) 및 모듈 보드(2100) 상에 장착된 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩(2300)을 구비할 수 있다. 또한, 전력 관리 칩(2300)을 제어하기 위한 제어신호(CON2a, CON2b)를 생성하는 콘트롤러 칩(2200)이 모듈 보드(2100) 상에 더 장착될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예의 전력 관리 장치(2000)에 따르면, 전력 관리 칩(2300)은 전력 스위치부(2310)와 전력 스위치부(2310)를 구동하기 위한 드라이버부(2320)를 포함할 수 있다. 전력 스위치부(2310)는 고전압을 전달하는 제1 전력 스위치(2311) 및 저전압을 전달하는 제2 전력 스위치(2312)를 포함하고, 드라이버부(2320)는 제1 전력 스위치(2311)를 구동하기 위한 제1 드라이버부 및 제2 전력 스위치(2312)를 구동하기 위한 제2 드라이버부를 포함할 수 있다. 도 2에는 전력 스위치부(2310)가 고전압 전달용 및 저전압 전달용의 두 개의 전력 스위치를 포함하는 것이 예시되었으나, 전력 관리 장치(2000)가 적용되는 어플리케이션 종류에 따라 상기 전력 스위치부(2310)는 더 많은 수의 전력 스위치들을 포함할 수 있으며, 드라이버부(2320)는 이에 대응하여 더 많은 수의 드라이버부를 포함할 수 있다.
드라이버부(2320)는 콘트롤러 칩(2200)으로부터의 제어신호(CON2a, CON2b)를 수신하고 이를 처리하여 전력 스위치부(2310)를 구동하기 위한 구동 신호를 생성한다. 또한, 전력 스위치부(2310)에 구비되는 전력 스위치들 및 드라이버부(2320)에 구비되는 하나 이상의 드라이버부는 동일한 반도체 기판 상에 형성되어 하나의 칩으로 구현된다. 전술한 실시예에서와 같이, 전력 스위치부(2310)를 구현하기 위한 MOS 트랜지스터 공정에 드라이버부(2320)를 구현하기 위한 MOS 공정을 추가함으로써 전력 스위치부(2310)와 드라이버부(2320)를 동일한 반도체 기판(또는 동일한 웨이퍼)에서 제공 가능하도록 한다.
드라이버부(2320)는 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)의 게이트를 구동하기 위한 게이트 드라이버 이외에도, 콘트롤러 칩(2200)으로부터 제공되는 제어신호(CON2a, CON2b)를 처리하여 내부 신호를 생성하는 하나 이상의 회로부(미도시)를 포함할 수 있다. 드라이버부(2320)의 게이트 드라이버나 회로부는 MOS 공정을 통해 구현될 수 있으며, 바람직하게는 반도체 기판 상에 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)로서 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터 구현을 위한 공정을 수행함과 함께, 게이트 드라이버나 회로부의 구현을 위한 NMOS 공정 및/또는 공핍(Depletion) MOS 공정(이하, DMOS 공정)을 추가함으로써, 전력 스위치부(2310)와 드라이버부(2320)를 동일한 반도체 칩에 집적시킨다.
도 4는 도 3에 도시된 전력 관리 칩(2300)의 일 구현예를 나타내는 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전력 관리 칩(2300)은 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)를 구비할 수 있으며, 또한 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)를 구동하기 위한 각종 회로부를 구비할 수 있다.
드라이버부(2320)는 그 내부에 구비되는 회로부의 동작 전압의 레벨 특성에 따라 제1 회로부(2320_1) 및 제2 회로부(2320_2)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 회로부(2320_1)는 상대적으로 낮은 전압(예컨대, 0 내지 3V 전압 범위)을 기반으로 동작하며, 제2 회로부(2320_2)는 상대적으로 높은 전압(예컨대, 0 내지 30V 전압 범위)을 기반으로 동작하는 회로들을 포함할 수 있다. 도 4의 실시예에서는, 제1 회로부(2320_1)가 제어 유닛(2321), 에지 검출부(2322) 및 레벨 쉬프터(2323)의 적어도 일부를 포함하며, 제2 회로부(2320_2)가 레벨 쉬프터(2323)의 다른 적어도 일부, 래치부(2324), 제1 전력 스위치(2311)의 게이트를 구동하는 제1 게이트 드라이버(2325) 및 제2 전력 스위치(2312)의 게이트를 구동하는 제2 게이트 드라이버(2326)를 포함하는 예가 도시된다.
제어 유닛(2321)은 외부 콘트롤러 칩과 통신하며, 외부 콘트롤러 칩으로부터의 제어신호를 수신하고 이를 처리하여 제1 내부 제어신호를 생성한다. 에지 검출부(2322)는 내부 제어신호의 에지를 검출하여 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)의 스위칭 타이밍을 조절하기 위한 에지 검출신호를 생성하고 이를 레벨 쉬프터(2323)로 제공한다. 레벨 쉬프터(2323)는 에지 검출신호의 레벨을 제2 회로부(2320_2)의 동작 전압 특성에 맞추어 변환 동작을 수행하고, 레벨 변환된 에지 검출신호(예컨대, 제2 내부 제어신호)를 생성한다.
한편, 래치부(2324)는 레벨 쉬프터(2323)로부터의 제2 내부 제어신호에 응답하여 출력 신호를 생성하고 이를 제1 게이트 드라이버(2325)로 제공한다. 래치부(2324)는 셋/리셋 기능을 갖는 RS 래치로 구현될 수 있으며, 제2 내부 제어신호를 셋 또는 리셋 신호로 이용하여 출력 신호를 생성하고 이를 래치할 수 있다. 래치된 출력 신호는 제1 게이트 드라이버(2325)로 제공되며, 제1 게이트 드라이버(2325)는 상기 출력 신호에 응답하여 제1 전력 스위치(2311)의 게이트를 구동하기 위한 제1 구동 신호를 생성한다.
한편, 제어 유닛(2321)은 외부 콘트롤러 칩으로부터의 제어신호에 응답하여 제2 게이트 드라이버(2326)를 제어하기 위한 내부 제어신호를 더 생성할 수 있다. 제2 게이트 드라이버(2326)는 제어 유닛(2321)으로부터의 내부 제어신호에 응답하여 제2 전력 스위치(2312)의 게이트를 구동하기 위한 제2 구동 신호를 생성한다.
드라이버부(2320)에 구비되는 각종 회로부들은 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)가 구현되는 반도체 기판과 동일한 기판 상에 NMOS 공정 및/또는 DMOS 공정을 추가함에 의해 구현될 수 있다. 또한, 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC)를 이용한 고전압 트랜지스터의 경우 데이터 전달에 이용이 가능하므로, 상기 각종 회로부들의 적어도 일부에 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)와 동일한 공정에 의해 구현되는 고전압 트랜지스터를 적용할 수 있다. 일예로서, 래치부(2324)나 제1 및 제2 게이트 드라이버(2325, 2326)에는 각각의 출력단에 연결되는 로드부가 구비될 수 있으며, 상기 로드부를 구성하는 회로의 경우 PMOS 대신에 제1 및 제2 전력 스위치(2311, 2312)와 동일한 공정에 의해 형성되는 고전압 트랜지스터를 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 관리 칩 및 이를 포함하는 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치(3000)는 모듈 보드(3100) 및 모듈 보드(3100) 상에 장착된 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩(3300)을 구비할 수 있다. 이외에도, 상기 전력 관리 칩(3300)을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 콘트롤러 칩(3200) 및 콘트롤러 칩(3200)으로부터의 제어신호를 처리하여 내부 제어신호를 생성하는 구동 칩(3400)이 모듈 보드(3100) 상에 더 장착될 수 있다.
전력 관리 칩(3300)은 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터로 구현되는 하나 이상의 전력 스위치(제1 및 제2 전력 스위치, 3310, 3320)를 포함하며, 또한 전력 스위치(3310, 3320)의 게이트를 구동하기 위한 하나 이상의 게이트 드라이버들(3340, 3350) 및 외부로부터 제공되는 제어신호를 래치하는 래치부(3330)를 포함할 수 있다. 또한, 구동 칩(3400)은 전력 스위치(3310, 3320)를 구동하기 위해 필요한 다른 회로부들을 포함하는 반도체 칩으로서, 전력 관리 칩(3300)과는 별도의 칩으로 구현되며 제어 유닛(3410), 에지 검출부(3420) 및 레벨 쉬프터(3430)를 포함할 수 있다. 전력 관리 칩(3300)에 구비되는 각종 회로부 및 구동 칩(3400)에 구비되는 각종 회로부는 전술한 실시예에서의 구성과 동일 또는 유사하게 동작하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 전력 스위치(3310, 3320)를 구동하기 위한 드라이버부의 각종 회로부들의 일부만을 전력 스위치(3310, 3320)와 동일한 칩으로 구현한다. 드라이버부의 각종 회로부를 구현함에 있어서 NMOS, DMOS 및 PMOS의 사용 여부를 고려하여 전력 스위치(3310, 3320)와 동일한 칩으로 구현될 회로부를 결정할 수 있다. 일예로서, 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터 공정이 수행되는 반도체 기판에서, 추가의 MOS 공정을 통해 NMOS의 트랜지스터의 구현이 가능한 경우 게이트 드라이버들(3340, 3350)을 전력 스위치(3310, 3320)와 동일 칩으로 구현할 수 있으며, NMOS 및 공핍(Depletion) MOS 트랜지스터(이하, DMOS 트랜지스터)의 구현이 가능한 경우 고전압 영역에서 동작하는 회로부들을 전력 스위치(3310, 3320)와 동일 칩으로 구현할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 래치부(3330)를 전력 스위치(3310, 3320)와 동일 칩으로 구현할 수 있으며, 또는 도 5에 도시된 바와 같이 레벨 쉬프터의 일부 영역(레벨 변환된 출력 신호를 처리하는 회로 영역)이 전력 스위치(3310, 3320)와 동일 칩으로 구현될 수 있다.
도 5의 경우 게이트 드라이버들(3340, 3350)과 래치부(3330) 만이 전력 스위치(3310, 3320)와 동일 칩으로 구현되는 예가 도시되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 국한될 필요는 없다. 일예로서, 전력 스위치(3310, 3320)가 구현되는 반도체 기판에서 MOS 공정을 통해 NMOS 및 PMOS 트랜지스터까지 구현이 가능한 경우 구동 칩(3400)에 구비되는 각종 회로부의 적어도 일부가 전력 스위치(3310, 3320)와 동일한 칩으로 구현될 수 있다.
도 6는 도 5의 전력 관리 칩(3300)의 일 구현예를 나타내는 회로도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전력 관리 칩(3300)은 제1 및 제2 전력 스위치(3310, 3320) 및 제1 및 제2 전력 스위치(3310, 3320)를 구동하기 위한 회로부로서 래치부(3330) 및 제1 및 제2 게이트 드라이버(3340, 3350)를 구비할 수 있다. 래치부(3330)와 제1 및 제2 게이트 드라이버(3340, 3350)는 제1 및 제2 전력 스위치(3310, 3320)와 동일 칩으로 구현된다. 또한, 전력 관리 칩(3300)은 제1 전력 스위치(3310)의 출력단(a)과 제1 게이트 드라이버(3340)로 인가되는 전원전압 사이에 연결되는 커패시터(3510)를 더 포함할 수 있으며, 출력단(a)의 전압 증가시 커패시터(3510)에 의한 커플링 효과에 의하여 제1 게이트 드라이버(3340)로 인가되는 전압의 레벨을 증가시킬 수 있다.
래치부(3330)는 셋 신호(S) 및 리셋 신호(R)를 입력으로 하는 RS 래치회로와, RS 래치회로의 출력단(Q, nQ)에 연결되는 로드부(3331)를 포함할 수 있다. RS 래치회로는 셋 신호(S) 및 리셋 신호(R)를 게이트를 통해 수신하는 NMOS 트랜지스터와 출력단(Q, nQ)에 각각 게이트가 연결되는 NMOS 트랜지스터를 포함하여 구현될 수 있다. 한편, 로드부(3331)는 출력단(Q, nQ)에 각각 연결되는 하나 이상의 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 상기 로드부(3331)의 트랜지스터는 그 게이트가 소스단에 연결되는 DMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다.
한편, 제1 게이트 드라이버(3340)는 DMOS 트랜지스터를 로드로 이용하여 구현되는 하나 이상의 인버터를 포함할 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 로드부(3341)의 트랜지스터가 각 인버터의 출력단에 연결될 수 있다. 제1 게이트 드라이버(3340)의 로드부(3341)에 구비되는 트랜지스터 또한 그 게이트가 소스단에 연결되는 DMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다. 또한, 제2 게이트 드라이버(3350)는 DMOS 트랜지스터를 로드로 이용하여 구현되는 하나 이상의 인버터를 포함할 수 있으며, 제2 게이트 드라이버(3350)의 로드부(3351)는 그 게이트가 소스단에 연결되는 DMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전력 스위치(3310, 3320)와 동일 칩으로 구현되는 드라이버부의 각종 회로들은 NMOS 트랜지스터 및 DMOS 트랜지스터 공정에 의해 구현되며, 제1 및 제2 전력 스위치(3310, 3320)가 형성되는 반도체 기판 상에서 상기 NMOS 및 DMOS 공정을 추가함으로써 구현될 수 있다.
도 7은 도 5의 전력 관리 칩의 게이트 드라이버의 다른 구현예를 나타내는 회로도이다. 도 7에는 설명의 편의상 제1 게이트 드라이버(3340) 만이 도시되며, 제1 게이트 드라이버(3340)로부터의 구동 신호를 수신하는 제1 전력 스위치(3310)가 함께 도시된다.
제1 게이트 드라이버(3340)는 하나 이상의 인버터를 포함할 수 있으며, 제1 게이트 드라이버(3340) 내에 로드부(3342)를 구현함에 있어서 제1 전력 스위치(3310)와 동일한 공정에 의해 형성되는 고전압 트랜지스터(예컨대, GaN 트랜지스터 또는 SiC 트랜지스터)를 이용하여 로드부(3342)를 구현할 수 있다. 고전압 트랜지스터를 이용한 로드부는 제1 게이트 드라이버(3340)의 구동을 위한 내부 제어신호의 전달에 이용되는 인버터에 적용될 수 있으며, 제1 게이트 드라이버(3340)의 게이트에 직접 연결되는 인버터의 경우 풀업 및 풀다운 트랜지스터는 모두 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다.
도 7에 도시된 실시예에 따르면, 하나 이상의 인버터에 로드부를 적용함에 있어서 NMOS 와는 별도의 공정(예컨대 PMOS 공정)을 필요로 하지 않으며, 제1 게이트 드라이버(3340)가 제1 전력 스위치(3310)와 동일한 칩에 구현되므로 제1 전력 스위치(3310)의 고전압 트랜지스터 형성 공정시 로드부를 함께 구현할 수 있다.
도 8은 도 5의 전력 관리 칩의 게이트 드라이버의 또다른 구현예를 나타내는 회로도이다. 도 8에는 설명의 편의상 제1 게이트 드라이버(3340) 만이 도시되며, 제1 게이트 드라이버(3340)로부터의 구동 신호를 수신하는 제1 전력 스위치(3310)가 함께 도시된다.
제1 게이트 드라이버(3340)는 다수의 단(stage)의 인버터들을 포함할 수 있으며, 각각의 인버터는 풀업 트랜지스터와 풀다운 트랜지스터를 포함할 수 있다. 제1 전력 스위치(3310)의 게이트로 구동 신호를 제공하기 위한 마지막 단의 인버터의 경우, 풀업 트랜지스터를 NMOS 트랜지스터로 구현하는 경우 출력 전압의 전압 강하가 발생하여 고전압을 완전하게 제1 전력 스위치(3310)의 게이트로 전달할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 예컨대, 풀업 트랜지스터를 통한 출력은 해당 트랜지스터의 문턱 전압(threshold voltage) 만큼 전압이 감소하며, 또한 소스단의 전압이 증가할수록 전류가 감소하게 된다.
본 실시예에 따르면, 마지막 단의 인버터의 풀업 트랜지스터에 병렬하게 연결되는 MOS 트랜지스터를 더 배치하여, 풀업 트랜지스터 및 이에 병렬하게 연결되는 MOS 트랜지스터가 풀업부(3343)를 구성하도록 한다. 풀업 트랜지스터에 병렬하게 연결되는 MOS 트랜지스터는 DMOS 트랜지스터로 구현될 수 있으며, 상기 DMOS 트랜지스터에 의하여 전압 강하를 감소하고 전류를 보상하도록 한다. DMOS 트랜지스터 또한 제1 전력 스위치(3310)와 동일한 반도체 칩에 구현되므로, 동일한 반도체 기판 상에 DMOS 트랜지스터 공정을 추가하여 구현될 수 있으며, 또한 다른 인버터 단에 구비되는 로드부를 구성하는 DMOS 트랜지스터와 동일한 공정에 의해 구현될 수 있다.
한편, 제1 게이트 드라이버(3340)가 오프(Off)되는 경우 DMOS 트랜지스터를 통해 흐르는 누설 전류(Leakage current)를 최소화하기 위하여, 풀업부(3343)의 NMOS 트랜지스터의 폭(Width)을 크게 하여 메인 드라이버 역할을 하게 하는 반면에, DMOS 트랜지스터의 경우 폭(Width)을 작게 형성하여 보조 드라이버 역할만을 수행하도록 한다. 즉, DMOS 트랜지스터는 드라이빙 능력을 최소화하고 전압 및 전류를 보상하는 역할을 하도록 한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 관리 칩의 일 구현예를 나타내는 블록도이다. 본 발명의 실시예에서는 전력 스위치의 제어에 관계된 콘트롤러의 적어도 일부의 회로와 전력 스위치의 게이트를 구동하기 위한 드라이버부의 적어도 일부의 회로가 전력 스위치와 동일한 칩으로 구현되며, 도 9의 실시예에서는 콘트롤러 및 드라이버부의 모든 회로들이 전력 스위치와 동일한 칩으로 구현되는 예가 도시된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩(4000)은 콘트롤러부(4100), 드라이버부(4200) 및 전력 스위치부(4300)를 구비할 수 있다. 전력 스위치부(4300)는 하나 이상의 전력 스위치로서 제1 및 제2 전력 스위치(4310, 4320)를 포함할 수 있으며, 드라이버부(4200)는 제1 전력 스위치(4310)의 게이트를 구동하기 위한 제1 드라이버부(4210) 및 제2 전력 스위치(4320)의 게이트를 구동하기 위한 제2 드라이버부(4220)를 포함할 수 있다.
콘트롤러부(4100)는 전술한 실시예에서 설명된 콘트롤러 칩과 동일 또는 유사한 동작을 수행한다. 일예로서, 콘트롤러부(4100)는 전력 관리 칩(4000)의 외부와 통신하며, 외부로부터의 명령에 응답하여 전력 스위치부(4300)의 제어에 관계된 제어신호(CON3a, CON3b)를 생성하여 드라이버부(4200)로 제공한다. 드라이버부(4200)는 제어신호(CON3a, CON3b)를 수신하고 이를 처리하여 전력 관리 칩(4000)의 게이트를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하며, 전술한 실시예에서와 같이 드라이버부(4200)는 에지 검출동작, 레벨 쉬프팅 동작, 래치 동작 및 인버팅 동작 등을 수행하기 위한 각종 회로부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 콘트롤러부(4100), 드라이버부(4200) 및 전력 스위치부(4300)가 모두 동일한 칩에 집적된다. 콘트롤러부(4100)나 드라이버부(4200)에 포함되는 회로부들의 경우 NMOS, DMOS 및 PMOS 공정들 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 구현될 수 있으며, 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터가 형성되는 반도체 기판 상에 수행될 수 있는 MOS 공정의 종류에 따라 전력 스위치부(4300)와 동일한 칩에 집적될 회로부들이 결정될 수 있다. 드라이버부(4200)의 회로부들이 NMOS 및/또는 DMOS 공정을 이용하여 형성되고, 콘트롤러부(4100)의 회로부들이 PMOS 공정을 더 요구로 하는 경우, 반도체 기판 상에 NMOS 및 DMOS 공정만이 제작 가능한 경우 드라이버부(4200) 만이 전력 스위치부(4300)와 동일한 칩으로 구현될 수 있으며, 반면에 반도체 기판 상에 PMOS 공정이 제작 가능한 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이 콘트롤러부(4100) 및 드라이버부(4200)가 모두 전력 스위치부(4300)와 동일한 칩으로 구현될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩이 채용된 전력 관리 장치의 일 구현예를 나타내는 회로도이다. 도 10에 도시된 바와 같이 전력 관리 장치(5000)는 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩(5100)을 포함하며, 전력 관리 칩(5100)은 동일한 반도체 칩으로 구현되는 드라이버부(5110) 및 전력 스위치(5120)를 포함한다. 드라이버부(5110)는 전술한 실시예에 따라 전력 관리 칩(5100) 외부에 배치된 콘트롤러 칩(미도시)으로부터 제어신호를 수신하여 전력 스위치(5120)를 구동하거나, 또는 전력 관리 칩(5100) 내부에 배치된 콘트롤러부로부터의 제어신호를 수신하여 전력 스위치(5120)를 구동할 수 있다.
또한, 전력 관리 칩(5100)의 전력 관리 동작에 관련된 각종 회로들이 전력 관리 장치(5000)에 더 구비될 수 있으며, 예컨대 전원 공급부(E), 전원 전압의 노이즈 성분을 제거하거나 전압 레벨을 평탄화하기 위한 제1 커패시터(C11), 전력 관리 칩(5100)의 전력 스위치(5120)가 온 되는 동안 전하를 충전하여 변환된 전압 레벨(예컨대, 승압된 전압 레벨)을 갖는 출력 전압을 부하부(RL)로 제공하는 제2 커패시터(C12) 등이 전력 관리 장치(5000)에 더 구비될 수 있다. 이외에도, 제1 커패시터(C11)의 일 전극과 전력 스위치(5120)의 일 전극 사이에 연결되는 인덕터(L11) 및 제2 커패시터(C12)의 일 전극과 전력 스위치(5120)의 일 전극 사이에 연결되는 다이오드(D11) 등이 전력 관리 장치(5000)에 더 구비될 수 있다.
도 10에 도시되지는 않았으나, 전력 관리 장치(5000)는 전력 관리 칩(5100)이 장착되는 모듈 보드를 더 포함할 수 있으며, 전력 관리 칩(5100) 이외에도 전술한 각종 소자들, 예컨대 전원 공급부(E), 제1 및 제2 커패시터(C11, C12), 인덕터(L11) 및 다이오드(D11) 등이 모듈 보드에 장착될 수 있다. 또한, 도 10에서는 상기 각종 소자들이 전력 관리 칩(5100) 외부의 모듈 보드 상에 장착된 예가 도시되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 국한될 필요는 없다. 예컨대, 상기 각종 소자들 중 적어도 하나는 전력 관리 칩(5100)에 함께 형성될 수 있다. 상기 각종 소자들을 전력 관리 칩(5100)에 집적함에 있어서, 전술한 실시예에서와 같이 전력 관리 칩(5100)을 구현하는 반도체 기판에서 허용되는 MOS 공정에 의해 구현 가능한 소자가 전력 관리 칩(5100)에 집적되도록 한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩이 채용된 전력 전력 관리의 다른 구현예를 나타내는 회로도이다. 도 11에 도시된 바와 같이 전력 관리 장치(6000)는 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 칩(6100)을 포함하며, 전력 관리 칩(6100)은 동일한 반도체 칩으로 구현되는 하나 이상의 드라이버부(6110, 6120) 및 하나 이상의 전력 스위치(6130, 6140, 6150, 6160)를 포함한다. 드라이버부(6110, 6120)는 전력 관리 칩(6100) 외부의 콘트롤러 칩, 또는 전력 관리 칩(6100) 내부의 콘트롤러부로부터의 제어신호를 수신하여 전력 스위치(6130, 6140, 6150, 6160)를 구동할 수 있다.
또한, 전력 관리 칩(6100)의 전력 관리 동작에 관련된 각종 회로들이 전력 관리 장치(6000)에 더 구비될 수 있으며, 예컨대 전원 전압의 노이즈 성분을 제거하거나 전압 레벨을 평탄화하기 위한 제1 커패시터(C21), 하나 이상의 다이오드(6300), 인덕터(L21) 및 제2 커패시터(C22)를 포함하는 정류부, 및 전력 스위치(6130, 6140, 6150, 6160)로부터의 출력 전압의 레벨을 변환하는 변압부(6200) 등이 전력 관리 장치(6000)에 더 구비될 수 있다. 드라이버부(6110, 6120)로부터의 구동 신호에 응답하여 전력 스위치(6130, 6140, 6150, 6160)가 전압을 스위칭하여 출력하고, 출력 전압은 소정의 변압 과정 및 정류 과정을 통해 타 소자의 전력으로 이용된다.
도 11에 도시되지는 않았으나, 본 실시예에서 또한 전력 관리 칩(6100)이 장착되는 모듈 보드를 더 포함할 수 있으며, 전술한 각종 소자들이 상기 모듈 보드에 장착될 수 있다. 또한, 전력 관리 칩(6100)을 구현하는 반도체 기판에서 허용되는 MOS 공정에 따라, 도 11에서 전력 관리 칩(6100) 외부에 배치되는 각종 소자들 중 적어도 일부는 전력 관리 칩(6100)과 동일한 반도체 칩으로 구현되어도 무방하다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 전력 스위치; 및
    상기 전력 스위치를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되는 하나 이상의 회로부를 포함하는 드라이버부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 스위치는,
    갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터, 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터 및 절연 게이트형 바이폴러 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 칩은 웨이퍼(wafer) 레벨 칩 스케일을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 스위치는, 고전압을 전달하는 제1 전력 스위치 및 저전압을 전달하는 제2 전력 스위치를 포함하고,
    상기 드라이버부는, 상기 제1 전력 스위치의 게이트를 구동하는 제1 게이트 드라이버 및 상기 제2 전력 스위치의 게이트를 구동하는 제2 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 드라이버부는,
    상기 전력 스위치를 제어하기 위한 제1 제어신호에 응답하여 출력 신호를 생성하는 래치회로; 및
    상기 래치회로로부터의 출력 신호를 수신하고, 상기 출력 신호에 응답하여 상기 구동 신호를 생성하여 상기 전력 스위치의 게이트로 제공하는 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  6. 제5항에 있어서, 상기 드라이버부는,
    외부로부터의 제2 제어신호에 응답하여 내부 제어신호를 생성하는 제어 유닛;
    상기 내부 제어신호의 에지를 검출하여 에지 검출신호를 생성하는 에지 검출부; 및
    상기 에지 검출신호의 레벨을 변환한 신호를 상기 제1 제어신호로서 생성하는 레벨 쉬프터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  7. 제5항에 있어서, 상기 래치회로는,
    상기 제1 제어신호에 응답하여 래치 출력신호를 발생하는 래치부; 및
    상기 래치부의 출력단에 연결되며, 적어도 하나의 공핍 트랜지스터를 포함하는 로드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는 복수 단(stage)의 인버터를 포함하며,
    상기 복수 단(stage)의 인버터 중 적어도 하나의 인버터는 전원 전압 및 출력단 사이에 연결되는 공핍 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수 단(stage)의 인버터 중 상기 전력 스위치의 게이트에 연결된 최종 단의 인버터는, NMOS 트랜지스터로 구현되는 풀업 및 풀다운 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  10. 제9항에 있어서, 상기 최종 단의 인버터는,
    상기 풀업 트랜지스터에 병렬하게 연결되는 공핍 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  11. 제1항에 있어서, 상기 드라이버부는,
    상기 전력 스위치의 게이트로 제공되는 구동 신호의 레벨을 풀업하는 풀업 트랜지스터;
    상기 전력 스위치의 게이트로 제공되는 구동 신호의 레벨을 풀업하는 풀다운 트랜지스터; 및
    상기 풀업 트랜지스터와 병렬하게 연결되며, 상기 풀업 트랜지스터에 비해 낮은 구동력을 갖는 공핍 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 드라이버부를 구성하는 트랜지스터들 각각은 NMOS 및 DMOS 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  13. 하나 이상의 전력 스위치;
    상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되며, 상기 전력 스위치를 통한 전력 관리 동작을 제어하기 위한 제어신호를 발생하는 콘트롤러부; 및
    상기 콘트롤러부로부터의 제어신호에 응답하여 상기 전력 스위치를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되는 하나 이상의 회로부를 포함하는 드라이버부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전력 스위치는,
    갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터, 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터 및 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전력 관리 칩은, 웨이퍼(wafer) 레벨 칩 스케일을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 스위치는, 고전압을 전달하는 제1 전력 스위치 및 저전압을 전달하는 제2 전력 스위치를 포함하고,
    상기 드라이버부는, 상기 콘트롤러부의 제1 제어신호에 응답하여 상기 제1 전력 스위치의 게이트를 구동하는 제1 게이트 드라이버 및 상기 콘트롤러부의 제2 제어신호에 응답하여 상기 제2 전력 스위치의 게이트를 구동하는 제2 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 드라이버부는 상기 구동 신호를 생성하기 위한 래치 회로 및 인버터 회로를 포함하고,
    상기 래치 회로 및 인버터 회로 중 적어도 하나는 그 출력단에 전기적으로 연결되는 공핍 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 칩.
  18. 모듈 보드; 및
    상기 모듈 보드 상에 장착된 전력 관리 칩을 구비하고,
    상기 전력 관리 칩은,
    하나 이상의 전력 스위치; 및
    상기 전력 스위치를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되는 하나 이상의 회로부를 포함하는 드라이버부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 모듈 보드 상에 장착되고, 상기 전력 스위치를 통한 전력 관리 동작을 제어하기 위한 제어신호를 발생하여 상기 전력 관리 칩으로 제공하는 콘트롤러 칩을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 전력 관리 칩은,
    상기 전력 스위치와 동일한 기판 상에 형성되며, 상기 전력 스위치를 통한 전력 관리 동작을 제어하기 위한 제어신호를 발생하는 콘트롤러부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
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