KR0153863B1 - 멀티 출력 스위칭 레귤레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티 출력 스위칭 레귤레이터에 관한 것으로서, 특히 교류를 직류로 변환하는 정류회로부; 직류를 승압 콘버팅하는 승압 콘버터부; 승압 콘버터부의 출력을 트랜스포머의 1차권선에 축적하고, 축적된 에너지를 2차측에 전달하는 인버터부; 트랜스포머의 2차 제1권선에 전달된 에너지를 제1정전압으로 출력하고, 상기 제1정전압을 트랜스포머의 등가적인 자화 인덕턴스에 축적하고, 축적된 에너지를 2차 제2권선에 전달하는 플라이백형 제1정전압 출력부; 트랜스포머의 2차 제2권선에 전달된 에너지를 제2정전압으로 출력하는 제2정전압 출력부를 구비한 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에서는 두개의 정전압을 출력하면서 입력역률을 개선할 수 있다.

Description

멀티 출력 스위칭 레귤레이터
제1도는 본 발명에 의한 멀티 출력 스위칭 레귤레이터의 구성을 나타낸 회로도.
제2도는 본 발명에 의한 멀티 출력 스위칭 레귤레이터의 동작을 설명하기 위한 타이밍도.
본 발명은 스위칭 레귤레이터에 관한 것으로서, 특히 두개의 정전압을 출력할 수 있는 멀티 출력 스위칭 레귤레이터에 관한 것이다.
최근들어 각국에서 역률규제에 대한 관심이 커지면서 역률 개선(Power Factor Correction, PFC)에 대한 연구가 활발해지고 있다.
그 연구 방향은 승합형 컨버터(Boost Converter)를 이용한 스위칭 방식과 초크 인덕터를 이용한 방법 내지는 역률 개선과 출력 전압 정전압화를 하나의 스위치로 해결하려는 방법이 여러 가지로 진행되고 있다.
승압형 컨버터는 구조적으로 전기 절연을 얻기가 힘이 드는 구조이다. 트랜스포머를 이용하기 위해서는 최소한 두 개의 스위치를 이용해야 하고, 출력측도 양파 정류 회로를 이용해야 하므로 매우 복잡해 진다.
전자 장치의 전원 중에는 정밀한 전압에 리플이 매우 작은 특성을 요구하는 것이 있는가 하면 약간의 리플이 있어도 지장이 없는 경우도 있다.
승압형 컨버터를 역률 개선을 위해 입력 전류를 입력 전압과 같은 모양이 되게 제어하면 그 출력전압은 상용 전원 주파수의 두배(60㎐의 경우 120㎐)에 해당하는 리플 전압은 피할 수 없게 된다.
그리고 일반적인 다출력 컨버터의 경우 두 개의 출력은 트랜스포머의 권선비에 의존하게 되는데 이런 경우에는 출력 전류나 트랜스포머의 누설 인덕턴스 등에 의해 두 출력을 동시에 정전압화 한다는 것은 매우 힘이 든다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 승압형 컨버터의 출력을 트랜스포머로 절연하고, 그 트랜스포머에 플라이백 컨버터를 중첩시켜 역률을 개선하고 절연 및 두 출력을 동시에 정전압화한 역률 개선 및 절연된 출력을 갖는 멀티 출력 스위칭 레귤레이터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 스위칭 레귤레이터는 교류를 직류로 변환하는 정류회로부; 직류를 승압 콘버팅하는 승압 콘버터부; 승압 콘버터부의 출력을 트랜스포머의 1차권선에 축적하고, 축적된 에너지를 2차측에 전달하는 인버터부; 트랜스포머의 2차 제1권선에 전달된 에너지를 제1정전압으로 출력하고 제1정전압을 트랜스포머의 등가적인 자화 인덕턴스에 축적하고, 축적된 에너지를 2차 제2권선에 전달하는 플라이백이 제1정전압 출력부; 트랜스포머의 2차 제2권선에 전달된 에너지를 제2정전압으로 출력하는 제2정전압 출력부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제1도는 본 발명에 의한 멀티 출력 스위칭 레귤레이터의 구성을 나타낸다.
스위칭 레귤레이터는 교류를 직류로 변환하는 정류회로부(10)와, 직류를 승압 콘버팅하는 승압 콘버터부(20), 승압 콘버터부(20)의 출력을 트랜스포머의 1차권선(Wp)에 축적하고 축적된 에너지를 2차측에 전달하는 인버터부(30), 트랜스포머의 2차 제1권선(Ws1)에 전달된 에너지를 제1정전압(V01)으로 출력하고, 제1정전압(V01)을 트랜스포머의 등가적인 자화 인덕턴스(Lm)에 축적하고, 축적된 에너지를 2차 제2권선(Ws2)에 전달하는 플라이백형 제1정전압 출력부(40)와, 트랜스포머의 2차 제2권선(Ws2)에 전달된 에너지를 제2정전압(V02)으로 출력하는 제2정전압 출력부(50)를 포함한다.
상기 승압 콘버터부(20)는 정류회로부(10)의 출력단과 제1노드(N1)사이에 연결된 인덕터(LB), 제1노드(N1)와 접지 사이에 연결되어 인덕터(LB)를 구동시키는 제1스위칭 트랜지스터(Q1), 제1노드(N1)와 접지 사이에 역방향으로 연결된 제1다이오드(D1), 제1노드(N1)와 트랜스포머의 1차권선(Wp)의 일단에 순방향으로 연결된 제2다이오드(D2)를 포함한다.
인버터부(30)는 트랜스포머의 1차권선(Wp)의 타단과 접지사이에 연결되어 제1스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 구간과 일부 오버랩되고 턴오프구간에 턴온되는 제2스위칭 트랜지스터(Q2)를 포함한다.
제1정전압 출력부(40)는 트랜스포머의 2차 제1권선(Ws1)의 일단과 제1출력단자(42)의 사이에 연결된 순방향의 제3다이오드(D3), 트랜스포머의 2차 제1권선(Ws1)의 일단과 제1출력단자(42)의 사이에 연결되어 제1스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 및 턴오프 구간과 역상으로 턴온 및 턴오프되는 제3스위칭 트랜지스터(Q3), 제1출력단자(32)와 접지사이에 연결된 제1캐패시터(C1)를 포함한다. 제2정전압 출력부(50)는 트랜스포머의 2차 제2권선(Ws2)의 일단과 제2출력단자(52)의 사이에 순방향으로 연결된 제4다이오드(D4), 제2출력단자(52)와 접지 사이에 연결된 제2캐패시터(C2)를 포함한다.
즉, 본 발명의 스위칭 레귤레이터는 트랜스포머(T)의 양단 전압(Vtx)이 제2출력단 전압(V2)에 대한 권선의 비(np/ns2)로 얻어진 값과 음의 크기로 같은 값의 전압으로 유지되다가 제로 전압으로 되어 유지되는 동안 커패시터(Cin)의 양단 전압대 인덕턴스(LB)의 비 만큼의 값이 될 때까지 인덕턴스 전류(ILB)를 증가시키고, 인덕턴스 전류(ILB)가 증가되는 동안 자화 인덕턴스(Lm)에 유기되어 있던 전류(ILm)가 전기 자기적으로 동작하는 권선(Ws2)에 의해 전달되어 제2출력수단(V2)에 일정 전압이 축적되도록 하고, 트랜스 포머의 양단 전압(Vtx)이 제1출력단 전압(V1)에 대한 권선의 비(np/ns1)로 얻어지는 값과 같은 값의 전압으로 축적되고 있는 동안 인덕턴스 전류(ILB)가 권선(Ws1)에 의해 전달되어 제1정전압 출력부(40)에 일정 전압이 축적되도록 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 작용·효과는 다음과 같다.
제1도에서 보는 바와 같이, 승압 컨버터부(20)의 출력을 플라이백 컨버터형 제1정전압 출력부(40)로 방출하여 주는 트랜스포머(T)가 이상적이라면 스위칭 트랜지스터(Q2)(Q3)가 없더라도 잘 동작할 수 있으나 이상적인 트랜스포머(T)는 없으므로 제2도의 (f) 파형도를 참고로 하여 설명하면 트랜스포머(T)의 양단전압(Vtx)은 그 평균치가 항상 영이 되도록 제어해 주어야 한다.
이때 제2도의 (f) 파형도에서 시간(t0∼t2)은 승압 컨버터부(20) 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 시간이 되고, 시간(t2∼t3)은 턴오프 시간이 된다.
60㎐ 한 주기 동안 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 시간을 일정하게 하고, 스위칭 한 주기 내에 제2도의 (d) 파형도에서 보는 바와같이, 인덕턴스 전류(ILB)가 다시 영이 되도록(승압형 컨버터 회로가 불연속 모드에서 동작함) 트랜스포머(T)의 양단 전압(Vtx)값을 정해주면 승압 콘버터부(20)로 입력되는 전류는 거의 입력 전압의 모양과 같아져 역률이 0.9 이상으로 가능해진다. 즉 역률 개선이 이루어지는 것이다.
다음으로 제1도 및 제2도를 참고로 하여 두 출력 전압(V1)(V2)을 정전압화하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 첨부된 도면 제2도의 (a) 파형도에서 볼 때 스위칭 트랜지스터(Q1)가 시간(t0)에 턴온되면 제1정전압 출력부(40)의 자화 인덕턴스(Lm)에는 일정한 인덕턴스 전류(ILm)가 흐르고 있고, 이 때 스위칭 트랜지스터(Q2, Q3)는 첨부된 도면 제2도의 (b)(c)에서 보는 바와 같이 시간(t0)에서 턴오프되었다.
상기와 같이 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴온되면 인덕턴스(LB)에는 인덕턴스 전류(ILB)가 0에서부터 입력전압(Vin)대 인덕턴스(LB)의 기울기로 증가하기 시작하고, 에너지가 축적되어 있던 자화 인덕턴스(Lm)에는 자화 인덕턴스 전류(Lm)가 권선(WS1)(WS2)을 통해 출력측(V2)으로 방출된다.
이때 자화 인덕턴스(Lm)에는 역전압이 인가되므로 제2도의 (e) 파형도에서 보는 바와 같이 자화 인덕턴스 전류(ILm)는 감소하기 시작하며, 트랜스포머(T)의 양단 전압(Vtx)은 - (nP/nS2)·V2가 된다.
또한, 시간(t1)에서 스위치(S1)가 턴온 상태에서 스위칭 트랜지스터(Q2가 턴온 상태가 되면 자화 인덕턴스 전류(ILm)는 트랜스포머의 2차측 권선(WS1) 및 트랜스포머의 1차측 권선(WP)에 의해 방출되어 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2)를 통해 흐르거나 다이오드(D1)(D2)를 통해 흐르게 되므로 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2)의 전압 강하를 무시하면, 제2도의 (f) 파형도에 도시된 바와 같이 트랜스포머의 양단 전압(Vtx)은 제로가 되면서 역이 되고, 이때 자화 인덕턴스의 전류(ILm)는 제2도의 (e) 파형도에서 보는 바와 같이 일정한 값을 유지하게 된다.
또한 제2도의 (a) ∼ (c) 파형도에서 보는 바와 같이, 시간 t1에서 스위칭 트랜지스터(Q1)는 턴오프되고, 스위칭 트랜지스터(Q2)가 턴온 상태에서 스위칭 트랜지스터(Q3)가 턴온 상태가 되면 인덕턴스 전류(ILB)는 다이오드(D2)를 통해 트랜스포머(T)의 1차측권선(WP), 스위칭 트랜지스터(Q1)에 의해 트랜스포머(T)의 2차측권선(WS1), 스위칭 트랜지스터(Q3), 다이오드(D3)를 통해 출력측(V1)으로 방출된다.
이때 트랜스포머(T)의 양단 전압(Vtx)은 (nP/nS1)·V1가 되고 제2도의 (e) 파형도에 도시된 바와 같이 자화 인덕턴스 전류(ILm)는 증가하기 시작하고, 반면에 인덕턴스 전류(ILB)는 (Vtx-Vin)/LB의 기울기로 감소한다.
제2도의 (e) 파형도에 도시된 바와 같이, 자화 인덕턴스 전류(ILm)를 항상 영보다 크게 제어하고, 정상 상태에서 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온/오프 시간(t0∼t4)에서 자화 인덕턴스 전류(ILm)의 값이 같다면 트랜스포머(T)의 1차측권선(WP)에 인가되는 전압(Vtx)의 평균치는 영이 되므로, 제2도의 (f) 파형도에 도시된 바와 같이 빗금친 A와 B의 면적이 같게 된다. 따라서, 상기 설명을 식으로 나타내면 다음과 같다.
이상에서 설명한 바와 같이 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 시간인 t0에서 t2까지의 시간이 심하게 변하지 않는다면, 즉 인덕턴스 전류(ILB)가 감소하기 시작하여 영이 되고, 주기(T2)가 크게 변하지 않는다면 주기(T1)를 제어하므로써 제2정전압 출력부(50)의 출력 전압(V2)을 정전압화 할 수 있다.
또한, 제1정전압 출력부(40)의 출력 전압(V1)의 정전압화는 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 시간 t0∼t2를 제어함으로써 얻어진다.
이때 스위칭 트랜지스터(Q1) 턴온/오프 제어는 입력 역률을 개선하기 위해 60㎐ 한 주기내에서 거의 변하지 않으므로 제1정전압 출력부(40)의 출력(V1)에는 비교적 큰 120㎐의 리플이 생기게 된다.
제2정전압 출력부(50)의 출력 전압(V2)의 정전압화는 제1정전압 출력부(50)의 출력전압(V1)에 의해 이루어지므로 정확한 값을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 승압 컨버터의 출력을 트랜스포머에 의해 절연하고, 그 트랜스포머에 플라이 백 컨버터를 중첩시켜 역률 개선, 절연 및 두 출력 동시 정전압화 할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 교류를 직류로 변환하는 정류회로부; 상기 직류를 승압 콘버팅하는 승압 콘버터부; 상기 승압 콘버터부의 출력을 트랜스포머의 1차권선에 축적하고 축적된 에너지를 2차측에 전달하는 인버터부; 상기 트랜스포머의 2차 제1권선에 전달된 에너지를 제1정전압으로 출력하고, 상기 제1정전압을 트랜스포머의 등가적인 자화 인덕턴스에 축적하고, 축적된 에너지를 2차 제2권선에 전달하는 플라이백형 제1정전압 출력부; 상기 트랜스포머의 2차 제2권선에 전달된 에너지를 제2정전압으로 출력하는 제2정전압 출력부를 구비한 것을 특징으로 하는 멀티 출력 스위칭 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 승압 콘버터부는 상기 정류회로부의 출력단과 제1노드 사이에 연결된 인덕터; 상기 제1노드와 접지 사이에 연결되어 상기 인덕터를 구동시키는 제1스위칭 트랜지스터; 상기 제1노드와 접지 사이에 역방향으로 연결된 제1다이오드; 및 상기 제1노드와 상기 트랜스포머의 1차권선의 일단에 순방향으로 연결된 제2다이오드를 구비한 것을 특징으로 하는 멀티 출력 스위칭 레귤레이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 인버터부는 상기 트랜스포머의 1차권선의 타단과 접지사이에 연결되어 상기 제1스위칭 트랜지스터의 턴온 구간과 일부 오버랩되고 턴오프구간에 턴온되는 제2스위칭 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 출력 스위칭 레귤레이터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1정전압 출력부는 상기 트랜스포머의 2차 제1권선의 일단과 제1출력단자의 사이에 연결된 순방향의 제3다이오드; 상기 트랜스포머의 2차 제1권선의 일단과 제1출력단자의 사이에 연결되어 상기 제1스위칭 트랜지스터의 턴온 및 턴오프 구간과 역상으로 턴온 및 턴오프되는 제3스위칭 트랜지스터; 및 상기 제1출력단자와 접지사이에 연결된 제1캐패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 멀티 출력 스위칭 레귤레이터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2정전압 출력부는 상기 트랜스포머의 2차 제2권선의 일단과 제2출력단자의 사이에 순방향으로 연결된 제4다이오드; 및 상기 제2출력단자와 접지 사이에 연결된 제2캐패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 멀티 출력 스위칭 레귤레이터.
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