JP2000324824A - スイッチング電源機構及びスイッチング電源機構作動方法 - Google Patents

スイッチング電源機構及びスイッチング電源機構作動方法

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JP2000324824A JP2000085658A JP2000085658A JP2000324824A JP 2000324824 A JP2000324824 A JP 2000324824A JP 2000085658 A JP2000085658 A JP 2000085658A JP 2000085658 A JP2000085658 A JP 2000085658A JP 2000324824 A JP2000324824 A JP 2000324824A
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switching power
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switching
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ティモシー・アレン・プレッチャー
Robert Amantea
ロバート・アマンティー
Jae-Young Choi
在永 崔
Chuto Yu
柱東 兪
Jae-Hwan So
在煥 蘇
Binsei Ryo
敏成 梁
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Sarnoff Corp
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Daewoo Electronics Co Ltd
Sarnoff Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 待機モードで省電力化が可能である電源機
構を提供する。 【解決手段】 始動回路を動作停止状態にし、帰還信
号に対して独立して可変周波数動作を具現して待機モー
ドで省電力化が可能である。待機モード検出回路は可変
周波数動作を自動的に具現し、低電圧ロックアウト信号
は、始動回路を動作停止状態にする。始動時間が過ぎた
り、帰還制御が動作状態にされる場合、始動回路が動作
停止状態にされ始動回路は殆ど無視する程度の電力を消
費する。整流されたDCライン電圧に応じて電圧制御発振
器VCOは待機モードで可変周波数動作を提供する。VCOの
周波数出力はライン電圧に反比例して、ライン電圧が増
加してスイッチング周波数が減少することによって出力
電力が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング型電
源機構に関し、特に、待機モードで低電力損失を表す電
源機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明の出願は1999年3月26日付で出願
された米国特許仮出願番号第60/126,525号に基づき優先
権を主張するものである。
【０００３】調整電源機構(regulated power supply)
は、バッテリ充電器、セルラ電話、コンピュータ、コン
ピュータモニター、テレビ、オーディオ機器、ビデオカ
メラを含む殆どの電子装置で見られる。典型的な電源機
構の一つである、DC/DC変換機はDCソース(source)から
作動し、中間過程として交流を発生し、負荷に直流を供
給する。線形の変圧器に基づく電源機構のようなスイッ
チ型DC変換機は、調整された出力を供給して、入力回路
を出力回路から隔離する。しかしながら、線形の電源機
構とは異なり、切換型DC変換機内の変圧器は数MHzのよ
うな遥かに高い周波数で動作する。このようにして、入
力と出力とが完全に隔離されるように維持すると同時
に、変圧器及びキャパシタを含む小さい部品を使用する
ことが可能になる。
【０００４】家電製品における効率的な電源機構に対す
る最近の需要が基本的なDC変換機設計に多様な改善をも
たらす。例えば、テレビ及びコンピュータモニターは、
典型的に多重モードで作動できる電源機構を含む。待機
モードで動作するスイッチ型DC変換機は、固定されたよ
り低い周波数でスイッチングし、実行(run)モードで動
作する変換機より低い電力を消費する。
【０００５】既存の多重モード設計及び技法は、最近の
家電製品の低電力消費要求条件を達成するのに不適合で
ある。電源機構が広範囲のライン電圧にかけて作動し、
広範囲の出力電圧を提供しなければならない場合に現在
設計の不適合性は増大する。現在のテレビは、例えば、
85VRMS〜260 VRMSの範囲のライン電圧で動作可能であ
り、5V〜133Vの正格出力を供給する電源機構を必要とす
る。待機モードで、電源機構は2W未満の損失が要求され
る。現在の設計は、満足すべき低電力損失を、条件に満
たすように達成しながら、このような電圧範囲要求条件
を費用効果的に満たすことはできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の主な
目的は、待機モードで省電力化が可能である電源機構を
提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の原理による電源
機構は、待機モードで既知の電源機構より低い電力損失
を達成しながら、広範囲のライン電圧にかけて作動し、
広い範囲の調整された出力を供給する。始動回路を動作
停止状態にし、帰還信号に対して独立して可変周波数動
作を具現することにより、待機モードにおける低電力損
失が達成される。始動回路は帰還調整が可能になるまで
制御器に電力を供給する。一旦、始動時間が過ぎると、
始動回路は動作停止状態にされて、多くの電力を損失し
なくなる。待機モード検出回路は、可変周波数動作を自
動的に具現する。電力損失要求条件が2W未満であり得る
待機モードで、始動回路を動作停止状態にし、可変周波
数動作を具現することにより電力損失が相当減少する。
【０００８】整流されたDCライン電圧に応じる電圧制御
発振器(VOC)により待機モードで可変周波数動作がなさ
れる。VCOの周波数出力はライン電圧に反比例して、ラ
イン電圧が増加することによりスイッチング周波数が減
少し、これにより出力電力が減少する。VCOがライン電
圧に応じるため、何れの帰還信号も必要としない。電力
スイッチ内でスイッチング損失を減少させ、帰還回路内
での電力損失なしに出力電力を調整することにより回路
は電力損失を最小化する。待機モード検出回路は、スイ
ッチング周波数の制御がVCOにより、或いは帰還回路に
よりなされるかどうかを制御する。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例につ
いて図面を参照しながらより詳しく説明する。
【００１０】本発明の原理による電源機構は、高効率の
2重モード動作がなされるようにし、待機モードで低電
力を消費する。本発明の電源機構は、テレビ、コンピュ
ータモニター、パソコン、セルラ電話、通信装備、オー
ディオ機器、レーダー、その他の類似する装備を含む多
様な電子装置の使用に好適である。本明細書は、本発明
の原理によるハードスイッチング(hard-switching)電流
モード制御電源機構の例示的な実施例を開示する。しか
しながら、当業者であれば電圧モード制御を含む多様な
制御方法を具現するソフトスイッチング(soft-switchin
g)電源機構に本発明が使用できるということがわかる。ハードスイッチング電源機構 本発明の原理による電源機構100を図1に示す。このよう
なハードスイッチング電源機構100は、2重モード動作、
電流モード制御及び低電力損失を提供する。電源機構の
1次側は電圧源106、2つの巻線を有する変圧器102の1次
巻線102a、制御器110、電源スイッチ126、始動回路10
4、基準電圧発生器117、電圧制御発振器VCOで動作する
発振器108を含む。電源機構100は2次側で整流器116、抵
抗(R1)120及び抵抗(R2)122、モード検出回路114及び変
圧器の2次巻線102bを含む。また、低電圧ロックアウト
(under voltage lock out：UVLO)回路112が提供され
る。多様な機能ブロックに供給電圧及びバイアス電圧は
図示しない。
【００１１】電圧源106がターンオンすると、発振器108
はスイッチ信号を発生するための制御器110内の装置(図
示せず)を駆動する。制御器内のスイッチ信号を発生す
るための装置及び技法は当業者によく知られている。UV
LO112は基準電圧信号Vrefを検知し、Vrefが安定するま
で制御器110の動作を中止する。Vrefは、制御器110によ
り使用され、他の信号の中で特に電源スイッチ126に対
するスイッチ信号を発生する基準電圧である。始動回路
104は、UVLO112が安定したVrefを検知するまで制御器に
電力を供給し、制御器110を動作させる信号を送信し、
始動回路104を動作停止状態にするように信号を送る。
電圧は電圧分配器(R1/R2)120、122により発生し、モー
ド検出回路114により検知する。この電圧により、モー
ド検出回路114は電源機構100に対する実行モードまたは
待機モードのいずれかを選択する。
【００１２】実行モードで、負荷要求条件は、正規動作
範囲内にあり、制御器110は電源スイッチ126に対するス
イッチング周波数のPWM制御を具現する。PWM信号は、整
流ダイオード124を通る電流から発生し、多様なスイッ
チ周波数信号が電源スイッチ126にかかるようにする。
【００１３】待機モードで、電流モード制御は動作停止
状態にし、発振器108はVCOとして動作する。VCO108出力
は、ソース電圧106に反比例する周波数を有する信号で
ある。もしソース電圧が増加すると、VCO出力信号の周
波数は減少する。一方、ソース電圧が減少すると、VCO
出力信号の周波数は増加する。制御器110がVCO出力から
スイッチ信号を発生し、ソース電圧106の関数として出
力電力を調整する。待機モードでは、何れの電流または
電圧帰還も使用されない。
【００１４】このような例示的な電源機構100は、実行
モード及び待機モードで電力損失を最小化する。一旦、
制御器110が動作し始めると、始動回路104を動作停止状
態にすることにより実行モードと待機モードとの両方で
回路104内の電力損失が減少する。同様に、待機モード
で帰還制御を動作停止状態にすることにより、主電源ス
イッチ内におけるスイッチング損失が減少し、ライン電
圧に連動して出力電力が調整される。待機モードでVCO
作動は、待機モードで典型的な帰還制御作業に比例して
電力損失を相当減少させる。
【００１５】図1のトポロジー、装置及び機能ブロック
は、単なる例示的なものであり、本発明の原理による少
ない電力損失は多様な電源機構で使用することができ
る。例えば、始動回路が動作停止状態にすることと、帰
還を動作停止状態にしVCO制御をすることは、ソフトス
イッチング電源機構、共振モード電源機構(resonant mo
de power supplies)、可変パルス幅電源機構(variable
pulse width power supplies)、及びエネルギー格納装
置のスイッチングに依存する他の電源機構で具現するこ
とができる。同様に、エネルギー格納装置は、インダク
タ、キャパシタまたは電源機構用途に適合するエネルギ
ー格納装置を含むことができ、発振器108、UVLO112、及
びモード検出回路114のような機能が制御器110内で具現
することができる。
【００１６】図2は、本発明の原理による始動回路200を
示す。この回路200は、固定された時間の間または制御
器110内の基準電圧が安定するまで、図1の制御器110に
電力を供給する。回路200は、ディスエーブルスイッチ
トランジスタ(disable switchtransistor)220、始動ス
イッチトランジスタ210、ツェナーダイオード218、入力
キャパシタ204、始動抵抗208、始動キャパシタ214、ソ
ース抵抗206、ブロッキングダイオード216を含む。電源
始動シーケンスで、電圧源202は始動回路200に電力をか
け、始動スイッチトランジスタ210のゲート電圧は、ツ
ェナーダイオード218降伏電圧である。このような例示
的な回路で、トランジスタ210はFET型である。FET210の
ゲートがツェナー電圧である時、FET210はオンの状態で
あり、電圧源202は始動抵抗208を通じて始動キャパシタ
214を充電し始める。電力は、インダクタ212から制御器
(図示せず)に伝達され、ブロッキングダイオード216を
通じて放電される。
【００１７】ディスエーブルスイッチトランジスタ220
がターンオンする時、始動シーケンスは終結し、これは
正常の動作で基準及びバイアス電圧が安定化し、制御器
が動作状態にされるまで発生する。図1の例で、UVLO回
路112は、基準及びバイアス電圧を検知して制御器110を
動作状態にする。同一信号(または類似信号)を使用し
て、トランジスタ220をターンオンするのに使用するこ
とができる。このようなスイッチング動作は、ツェナー
ダイオード218を電気的にバイパスし、FET210をターン
オフする。何れの電流もFET210のソース及びドレインを
通じては流れず、従って始動抵抗208は回路から動作停
止状態にされる。このことでは、電力を殆どまたは全く
損失させない。さらに電力損失を減少させるために、ソ
ース抵抗206を(数MΩ程度に)大きく選択して、一旦制御
器が動作状態になると、電流の流れがとても少なくな
る。トランジスタ220がターンオンしなくなると(制御器
が動作状態にできない)、始動抵抗208と始動キャパシタ
214のRC時定数(RC time constant)が満了するとき、始
動回路が終結する。
【００１８】図1の回路に使用するための例示的な可変
周波数回路を図3に示す。この回路300は、入力段と発振
段よりなる。入力段は、入力キャパシタ304、電圧分配
器を構成する2つの抵抗306、308、増幅器312を含む。発
振段は入力端の増幅器312により駆動するVCO314であ
る。周波数抵抗322及び周波数キャパシタ324は、発振周
波数に対する時定数を設定し、増幅器312の差分電圧はV
CO周波数を変更する。
【００１９】作動は次のようになされる。電圧源302(整
流されたライン電圧)は、入力キャパシタ304によりフィ
ルタリングされ、抵抗(R1)306及び抵抗(R2)308に分配さ
れる。分配された電圧は、増幅器312の反転入力端313に
かかる。非反転入力端315は、バイアス310に接続されて
いる。差分はVCO出力周波数を設定し、これは329にラン
プ信号を出力する。VCO出力329及び基準電圧330と結合
された比較器328は、図1のスイッチ126のような電源ス
イッチを駆動するための可変周波数である固定パルス幅
信号332を提供する。
【００２０】この回路300は、待機動作モードで動作状
態にされる。待機モードで、要求される出力は、例え
ば、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラに
供給される。テレビのような応用分野では、電圧及び電
力要求条件は待機モードで3W未満の電力で5V未満であり
得る。待機モードにおけるスイッチ信号は、ライン電圧
に反比例する周波数を有する固定パルス幅信号であるた
め、出力はIC及び他の低電力装置に電力を供給するため
に十分調整される。制御器が出力電圧を制御するために
帰還を使用しないため、電力損失が減少し、VCOで制御
された動作は主電源スイッチ内のスイッチング損失を減
少させる。
【００２１】図4は、図1の電源機構100とともに使用す
ることができる例示的な待機モード検出器回路400を示
す。回路400は、帰還電圧406を基準電圧404と比較する
ための比較器402を有する。比較器402は、RSフリップフ
ロップ416のS入力端420に接続された比較器410及びフリ
ップフロップ416のR入力端422に接続された比較器412に
出力する。帰還信号406が電源機構出力電圧が所定閾値
を超えることを表す時、フリップフロップ416は信号418
を出力して制御器110が待機モードで動作するようにす
る。このモードで、図1の電源機構で示す可変周波数発
振器108はスイッチング周波数を制御する。フリップフ
ロップ416出力が低い場合、スイッチング周波数はPWM制
御により固定される。
【００２２】本発明は本明細書に含まれている本発明を
例示し、記述した形式に限られていない。当業者であれ
ば、本発明の範疇を逸脱せず、多様な変化が作られるこ
ともでき、本発明が明細書に記述し図面に示すことに制
限すると解釈してはいけないということが明らかにわか
る。例えば、当分野で知られているように、スイッチン
グMOSFETS内の寄生キャパシタンスによるノイズは、ブ
ランキング(blanking)パルスを使用して減少させること
ができる。帰還技法が動作停止状態にされるため、多様
な類型の電源機構でライン電圧の関数として可変周波数
制御をすることができる。同様に、始動回路内の電力損
失装置を動作停止状態にすることにおいて、他の装置及
びスイッチ技法を使用することができる。上記におい
て、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本
発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改
変をなし得るであろう。
【００２３】
【発明の効果】従って、本発明によれば、始動回路を動
作停止状態にし、帰還信号と無関係に可変周波数動作を
具現することにより、待機モードで省電力化を図ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による電源機構のブロック図であ
る。
【図２】本発明の原理による始動及びディスエーブル回
路を示す図である。
【図３】本発明の例示的なスイッチ周波数制御回路を示
す図である。
【図４】本発明の例示的なモード検出回路を示す図であ
る。
【符号の説明】
１００ ハードスイッチング電源機構 １０２ ２つの巻線を有する変圧器 １０２ａ １次巻線 １０２ｂ ２次巻線 １０４ 始動回路 １０６ 電圧源 １０８ 発振器 １１０ 制御器 １１２ 低電圧ロックアウト回路 １１４ モード検出回路 １１６ 整流器 １１７ 基準電圧発生器 １２０、１２２ 抵抗 １２６ 電源スイッチ ２０２、３０２ 電圧源 ２０４、３０４ 入力キャパシタ ２０６ ソース抵抗 ２０８ 始動抵抗 ２１０ FET ２１２ インダクタ ２１４ 始動キャパシタ ２１６ ブロッキングダイオード ２１８ ツェナーダイオード ２２０ トランジスタ ３００ 回路 ３０６、３０８ 抵抗 ３１０ バイアス ３１２ 増幅器 ３１３ 反転入力端 ３１４ VCO ３１５ 非反転入力端 ３２２ 周波数抵抗 ３２４ 周波数キャパシタ ３２８、４０２、４１０、４１２ 比較器 ３２９ VCO出力 ３３０、４０４ 基準電圧 ３３２ 固定パルス幅信号 ４０６ 帰還電圧 ４１６ フリップフロップ ４１８ 信号 ４２０ S入力端 ４２２ R入力端
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティモシー・アレン・プレッチャー アメリカ合衆国ニュージャージー州08543 −5300・プリンストン・シーエヌ 5300 (72)発明者 ロバート・アマンティー アメリカ合衆国ニュージャージー州08543 −5300・プリンストン・シーエヌ 5300 (72)発明者 崔 在永 大韓民国ソウル特別市麻浦区阿▲けん▼洞 686番地 大宇電子株式会社内 (72)発明者 兪 柱東 大韓民国ソウル特別市麻浦区阿▲けん▼洞 686番地 大宇電子株式会社内 (72)発明者 蘇 在煥 大韓民国ソウル特別市麻浦区阿▲けん▼洞 686番地 大宇電子株式会社内 (72)発明者 梁 敏成 大韓民国ソウル特別市麻浦区阿▲けん▼洞 686番地 大宇電子株式会社内

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スイッチング電源機構(switched powe
    r supply)であって、 前記電源機構が実行モードにある時は帰還制御を提供
    し、前記電源機構が待機モードにある時は帰還非依存制
    御を提供する制御器と、 前記待機モードまたは前記実行モードのいずれかを選択
    するモード検出回路とを含むことを特徴とするスイッチ
    ング電源機構。
  2. 【請求項２】 入力電圧に応じてプログラム可能時間
    の間、前記制御器に電力供給が可能である始動回路と、 前記帰還制御が動作状態にされる時、前記始動回路を動
    作停止状態にするディスエーブル回路(disable circui
    t)と、 前記入力電圧に応じて、前記電源機構が前記待機モード
    にある時、前記制御器にスイッチング信号を提供するた
    めの前記入力電圧に応じる可変周波数発振器とをさらに
    含むことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電
    源機構。
  3. 【請求項３】 前記電源機構が、ハードスイッチング
    電源機構、ソフトスイッチング電源機構、及び共振モー
    ド電源機構を含むグループから選択されるもののいずれ
    かであることを特徴とする請求項1に記載のスイッチン
    グ電源機構。
  4. 【請求項４】 前記制御器が、電流モード制御器であ
    ることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源
    機構。
  5. 【請求項５】 前記制御器が、電圧モード制御器であ
    ることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源
    機構。
  6. 【請求項６】 前記ディスエーブル回路が、 少なくとも三つの端子を有して第1信号に応じ、前記第1
    信号が閾値にある時、第1端子及び第2端子は導通し、前
    記第1信号が閾値未満である時、前記第2端子及び第3端
    子が導通する第1スイッチと、 前記第1信号を閾値に維持するための閾値デバイスと、
    前記入力電圧と前記第1端子との間に直列に接続された
    電力消費デバイスと、前記帰還制御が動作状態にされる
    時、前記閾値デバイスをターンオフし、前記電力消費デ
    バイスが動作停止状態にされる第2スイッチを含むこと
    を特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源機構。
  7. 【請求項７】 前記電力消費デバイスが始動抵抗であ
    り、前記回路が前記第2端子に直列に接続されたキャパ
    シタをさらに含み、前記始動抵抗及び前記キャパシタが
    前記プログラム可能時間を提供することを特徴とする請
    求項6に記載のスイッチング電源機構。
  8. 【請求項８】 前記入力電圧に応じて、電源機構中に
    前記制御器に電力を伝達するエネルギー格納装置をさら
    に含むことを特徴とする請求項6に記載のスイッチング
    電源機構。
  9. 【請求項９】 前記エネルギー格納装置が、インダク
    タであることを特徴とする請求項8に記載のスイッチン
    グ電源機構。
  10. 【請求項１０】前記可変周波数発振器が、前記入力電圧
    に反比例する周波数に前記スイッチング信号を提供する
    電圧制御発振器であることを特徴とする請求項2に記載
    のスイッチング電源機構。
  11. 【請求項１１】 前記モード検出回路が、 基準電圧及び帰還信号に応じる第1比較器と、 前記第1比較器の出力に接続されている反転入力端及び
    基準値に接続されている非反転入力端を有する第2比較
    器と、 基準電圧に接続されている非反転入力端及び前記第1比
    較器の前記出力に接続されている反転入力端を有する第
    3比較器と、 R入力端及びS入力端を有し、前記S入力端は前記第2比較
    器の出力に接続し、前記R入力端は前記第3比較器の出力
    に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のス
    イッチング電源機構。
  12. 【請求項１２】 請求項1に記載の電源機構を含む電
    子装置。
  13. 【請求項１３】 前記電子装置が、テレビ、モニタ
    ー、コンピュータ、電話、及びオーディオ機器を含むグ
    ループから選択されるもののいずれかであることを特徴
    とする請求項12に記載のスイッチング電源機構。
  14. 【請求項１４】 スイッチ信号を制御するための制御
    器を有するスイッチング電源機構作動方法であって、 前記方法が、 プログラム可能時間の間、始動回路から前記制御器に電
    力を供給する段階と、 出力制御が動作状態にされる時、前記始動回路を動作停
    止状態にする段階とを含むことを特徴とするスイッチン
    グ電源機構作動方法。
  15. 【請求項１５】 前記方法が、 要求された出力が閾値より小さい時、待機モードを選択
    する段階と、 前記待機モードが選択された時、入力電圧に反比例して
    スイッチング周波数を変更させる段階とをさらに含むこ
    とを特徴とする請求項14に記載のスイッチング電源機構
    作動方法。
  16. 【請求項１６】 前記始動回路を動作停止状態にする
    前記段階が、 始動抵抗及び始動キャパシタで前記プログラム可能時間
    を設定する段階と、 前記出力制御が動作状態にされる時、前記始動抵抗を電
    気的にバイパスする段階とを含むことを特徴とする請求
    項14に記載のスイッチング電源機構作動方法。
  17. 【請求項１７】 スイッチング周波数を変更させる前
    記段階が、帰還制御を動作停止状態にする段階と、 入力電圧で発振器を制御する段階とを含み、前記発振器
    は前記制御器が前記スイッチング周波数を設定するよう
    に動作することを特徴とする請求項15に記載のスイッチ
    ング電源機構作動方法。
  18. 【請求項１８】 前記制御器が、電圧モード制御器で
    あることを特徴とする請求項14に記載のスイッチング電
    源機構作動方法。
  19. 【請求項１９】 前記制御器が、電流モード制御器で
    あることを特徴とする請求項14に記載のスイッチング電
    源機構作動方法。
  20. 【請求項２０】 前記電源機構が、ハードスイッチン
    グ電源機構であることを特徴とする請求項19に記載のス
    イッチング電源機構作動方法。
  21. 【請求項２１】 前記電源機構が、ソフトスイッチン
    グ電源機構であることを特徴とする請求項14に記載のス
    イッチング電源機構作動方法。
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