KR0175837B1

KR0175837B1 - 주smps(주스위칭모드 전원공급기)의 출력전압을 이용한 dc-dc 컨버터

Info

Publication number: KR0175837B1
Application number: KR1019960033806A
Authority: KR
Inventors: 이종운
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1996-08-14
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 1999-05-15
Also published as: KR19980014712A

Abstract

본 발명은 주SMPS(Main Switching Mode Power Supply: 주 스위칭 모드 전원공급기)의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 특히 주SMPS의 2차측직류(DC)출력전압과 스위칭펄스를 각각 입력 및 트리거펄스로 공급받아 자려 및 타려발진에 의한 동작을 하도록 함으로써, 종래 DC-DC 컨버터에 비해 입력정류 및 평활회로를 불필요하게 하였을뿐만 아니라 발진부와 구동회로가 간단해졌으며 입력코일을 제거하였으므로 전체회로의 체적을 소형화 할 수있고, AC 110 또는 220 [V] 에 대한 스위칭에 비해 스위칭소자의 스트레스를 줄일 수 있다.

Description

주SMPS(주스위칭모드 전원공급기)의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터

본 발명은 스위칭 모드 전원공급기(Switching Mode Power Supply : 이하“SMPS”라 함)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주스위칭모드 전원공급기(Main SMPS : 이하“주SMPS”라 함)의 2차측 직류(DC)출력전압 및 스위칭펄스를 각각 입력과 트리거펄스로 공급받아 자려 및 타려발진케 함으로써 스위칭소자의 스트레스를 줄이도록 함과 동시에 회로의 구성을 간단하게한 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.

일반적으로, 텔레비전이나 비디오테이프레코더(VTR) 등과 같은 영상기기를 포함하는 전자제품에는 동작전원전압의 공급을 위한 전원회로가 필요하게되는 바, 도 1은 이러한 종래의 통상적인 전원회로의 일예를 나타내는 SMPS 즉, DC-DC 컨버터의 개략적인 블록도로서, 도 1에 도시된 회로구성에 따르면 상용교류(AC)전원을 정류하여 직류(DC)로 변환하는 브리지정류부(100)가 설치되고, 이 브리지정류부(100)의 직류(DC)정류전압 출력단에 SMPS회로(110)가 접속되게 된다. 브리지정류부(100)의 출력단은 SMPS회로(110)의 입력코일(111)에 접속되고, 입력코일(111)의 다른 한 쪽은 SMPS회로(110)의 스위칭부(112)와 발진 및 구동부(116)에 접속되며 스위칭부(112)는 플라이휘일(Flywheel) 다이오우드(D_F) 및 출력코일(113)과 접속된다. 한편, SMPS회로(110)의 직류(DC)출력전압(V_OUT)은 출력오차검출 및 정전압부(114)로 입력되고, 출력오차검출 및 정전압부(114)의 출력단자는 피이드백부(115)와 연결되게되고 피이드백부(115)는 발진 및 구동부(116)와 접속되며 발진 및 구동부(116)는 스위칭부(112)와 다시 접속된다.

이러한 구성요소를 갖춘 종래의 통상적인 SMPS회로의 동작은 다음과 같다. 브리지정류부(100)에 상용전원(AC 110 또는 220 [V])이 공급되면 정류된 직류(DC)전압이 출력되게되고, 교류성분 억제를 위한 SMPS회로(110)의 입력코일(111)을 거쳐 SMPS회로(110)의 스위칭부(112)와 발진 및 구동부(116)에 인가된다. 직류(DC)입력전압(V_IN)이 공급되면 발진 및 구동부(116)에서 발진이 기동되어 스위칭부(112)의 스위칭소자를 구동시키고, 스위칭소자가“온(ON)”되면 출력코일(113)에 에너지를 축적시키며 출력으로 전류(I_O)가 흐르게 되고, 스위칭소자가“오프(OFF)”되면 출력코일(113)에 축적되어있던 에너지는 플라이휘일(Flywheel) 다이오우드(V_F)를 통해 방출된다(I_D). 그리고 출력코일(113)과 평활용콘덴서(C)는 2차의 저역통과필터(Low Pass Filter:LPF) 역할을 하므로 스위칭부(112)의 구형파출력은 직류(DC)출력전압(V_OUT)으로 나타나게 된다. 한편, 직류(DC)출력전압(V_OUT)은 출력오차 및 정전압부(114)에서 기준전압과 비교되며, 출력오차신호에 비례하는 피이드백 신호가 피이드백부(115)를 거쳐 발진 및 구동부(116)로 입력되고, 구동부(116)는 그 신호에 따라 스위칭부(112)의 스위칭을 조절해 준다. 따라서, 항상 일정한 직류(DC)출력전압(V_OUT)값을 유지할 수 있다.

상기와 같은 구성의 종래의 통상적인 DC-DC 컨버터는 발진주파수를 발생시키고 스위칭부(112)를 구동하기 위해 발진부가 필요하며, 구동회로도 복잡하였다. 또한 교류(AC) 전원을 입력으로 사용하므로 입력정류회로 및 평활회로(100,111)가 필요하고, 스위칭소자에도 과도한 스트레스가 가해지게 된다. 더욱이 최근의 영상기기등에는 여러종류의 전압원이 필요하게 되었으며, 현재는 저전압까지도 SMPS기술을 이용하여 공급하므로 스위칭 변압기 및 기타소자들이 추가되어 복잡한 회로형태로 변형되었고, 심지어 고전류의 부하에는 전원공급이 불가능한 상태가 되는 경우도있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 시스템의 주SMPS의 2차측 직류(DC)출력전압과 스위칭펄스를 입력 및 트리거펄스로 공급받아 자려 및 타려발진에 의한 동작을하게 함으로써 입력코일을 포함한 입력정류 및 평활회로를 제거할 수 있으며, 발진 및 구동부가 간단해지고 스위칭소자의 스트레스도 감소되는 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터를 제공함에 있다.

도 1 은 종래의 통상적인 DC-DC 컨버터의 개략적인 블록도,

도 2 는 본 발명이 적용된 DC-DC 컨버터의 개략적인 블록도,

도 3 은 본 발명이 적용된 DC-DC 컨버터의 일예를 나타내는 상세도이다.

* 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 *

V_IN: 직류(DC)입력전압

V_OUT: 직류(DC)출력전압

V_ac: 주SMPS의 교류(AC)입력전압

V_O1: 주SMPS 직류(DC)출력전압

V_O2: 본 발명이 적용된 DC-DC 컨버터의 직류(DC)출력전압

I_O: 출력전류

I_D: 환류전류

D_F,D1 : 플라이휘일(Flywheel) 다이오우드

C,C3 : 평활용 콘덴서

30 : 주SMPS

31 : 자려발진부

32 : 타려발진용 트리거펄스 입력부

33 : 출력오차검출 및 정전압부

34 : 타려발진부

35 : 스위칭부

36 : 출력부

T1 : 자려발진용 변압기 Q1 : 주스위칭용 트랜지스터

T2 : 타려발진펄스폭 조정용 변압기 Q2-Q4 : 스위칭용 트랜지스터

R1 : 기동저항 ZD1-ZD3 : 제너다이오우드

상기와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주SMPS의 2차측 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터의 특징은 종래의 DC-DC 컨버터의 교류(AC)입력과 펄스트리거 대신 주SMPS의 2차측 직류(DC)출력전압과 스위칭펄스를 각각 입력 및 트리거펄스로 공급받아 자려 및 타려발진에 의한 동작을 하도록한 것에 있다.

이하, 본 발명에 따른 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터의 바람직한 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2 는 본 발명 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터의 개략적인 블록도로서, 주SMPS의 직류(DC)출력전압(V_IN)이 입력되어 스위칭되는 스위칭부(20)와, 직류(DC)출력전압(V_IN)을 공급받아 일정한 기준주파수를 출력하는 자려발진부(25)와, 스위칭부(20)의 출력신호를 원하는 직류(DC)출력전압(V_OUT)으로 만들어주는 출력부(21)와, 직류(DC)출력전압(V_OUT)과 기준전압을 비교하여 출력오차를 검출하고 타려발진부(23)에 바이어스신호를 가하는 출력오차검출 및 정전압부(22)와, 주SMPS의 스위칭펄스를 트리거펄스로 받아 펄스폭변조(PWM : Pulse Width Modulation) 시키는 타려발진부(23)와, 타려발진부(23)의 출력신호에 의해 스위칭부(20)를 구동시켜주는 구동부(24)로 구성된다. 이와같이 구성된 본 발명 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터의 작용을 첨부된 도 3 을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

교류(AC)입력전압(Vac)에 대해 주SMPS가 동작을 개시하여 직류(DC)출력전압(V_O1)이 발생하면 이 출력전압(V_O1)은 기동저항(R1)을 통해 주스위칭용 트랜지스터(Q1)를 도통시킨다. 주스위칭용 트랜지스터(Q1)가 도통되면 자려발진용 변압기(T1)의 1차측 권선(L_P1)에는 순방향으로 기전력이 발생하고 주스위칭용 트랜지스터(Q1)는 자려발진상태로 되는데, 이때의 시정수는 콘덴서(C2)와 저항(R3)의 값에 의해 결정된다. 이때 주스위칭용 트랜지스터(Q1)의 컬렉터전류(i_C)는 변압기(T1)의 1차측 권선(L_P1)과 입력전압인 주SMPS의 직류(DC)출력전압(V_O1) 및 출력전압(V_O2)의 시간변화에 의해 나타나고 변압기(T1)의 2차측 권선(L_S1)에도 변압기(T1)의 1차측 권선(L_P1)과 정궤환된 전압이 발생하여 주스위칭용 트랜지스터(Q1)를 더욱 깊이 도통시킨다. 이때 변압기(T1)의 2차측 권선(L_S1)에 유기되는 기전력은 V_S1=×(V_O1-V_O2) 가된다[여기서, N_{P1 :}변압기(T1)의 1차측 권선수, N_{S1 :}변압기(T1)의 2차측 권선수]. 주스위칭용 트랜지스터(Q1)의 컬렉터전류(i_C)가[여기서, h_{FE :}트랜지스터(Q1)의 직류전류증폭률] 만큼 증가하게되면 컬렉터전류(i_C)는 더 이상 증가하지 못하고 일정하게 된다. 그러면 변압기(T1)의 1차측 권선(L_P1)과 2차측 권선(L_S1)에는 역기전력이 발생되어 유기되고 트랜지스터(Q1)을“오프(OFF)”상태로 만든다. 트랜지스터(Q1)이 “오프(OFF)”되면 역기전력은 플라이휘일(Flywheel)다이오우드(D1)를 통해 흐르게되고 이때, 플라이휘일(Flywheel) 다이오우드(D1)의 전류[여기서, i_{CP :}트랜지스터(Q1)의 “온(ON)”시 컬렉터 최대전류, T_ON: 트랜지스터(Q1)의 온-타임, L_P1: 변압기(T1)의 1차측 권선(L_P1)의 인덕턴스] 으로 된다. 또한, 자려발진회로에서의 주파수는,[여기서, P_{O :}출력전력, L_S1: 변압기(T1)의 2차측 권선(L_S1)의 인덕턴스, L_P1: 변압기(T1)의 1차측 권선(L_P1)의 인덕턴스] 으로 나타나고 변압기(T1)의 2차측 권선(L_S1)에 유기되는 전압은[여기서, N_{P1 :}변압기(T1)의 1차측 권선수, N_{S1 :}변압기(T1)의 2차측 권선수] 로 제너다이오우드(ZD1)의 양단전압과 같다. 그리고 주SMPS가 동작을 개시하여 직류(DC)출력전압(V_O1)이 발생하는 것과 때를 같이하여 다이오우드(D3)를 통해 타려발진펄스폭조정용 변압기(T2)에 주SMPS의 구동펄스가 공급되게 된다. 만약 자려발진상태에서 주SMPS의 직류(DC)출력전압(V_O2)이 높아져서 제너다이오우드(ZD2)가 도통되면 바이어스저항(R6,R7) 에 의해 트랜지스터(Q4)가 “온(ON)”되게되고 트랜지스터(Q4)를 통해 흐르는 전류는 저항(R5)를 거쳐 트랜지스터(Q3)를 “온(ON)”시키고 트랜지스터(Q3)가 “온(ON)”되면 트랜지스터(Q2)의 베이스전위는 로우(LOW)상태가 되어 트랜지스터(Q2)는 “오프(OFF)”상태로 된다. 트랜지스터(Q2)가 “오프(OFF)”상태로 되면 변압기(T2)에는 기전력이 발생되지 못하여 트랜지스터(Q1)은 일시정지모드로 되게되고 이때부터 타려발진이 시작된다. 주SMPS의 직류(DC)출력전압(V_O2)이 다시 정상전압으로 되면 제너다이오우드(ZD2)가 “오프(OFF)”상태로되고 트랜지스터(Q4)도 “오프(OFF)”상태로되면 트랜지스터(Q2)는 “온(ON)”상태가 되어 변압기(T1)을 통해 트랜지스터(Q1)을 “온(ON)”상태로 만들게 되며 이 일시정지기간으로인해 발진주파수의 펄스폭을 변화시켜 출력전압(V_O2)을 조절한다. 또한 자려발진상태에서 타려발진상태로 바뀌는 동시에 트랜지스터(Q1)의 스위칭 주파수는 주SMPS의 구동주파수와 연동되게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 주SMPS(주스위칭모드 전원공급기)의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터에 의하면, 주SMPS의 직류(DC)출력전압과 스위칭펄스를 각각 입력 및 트리거펄스로 공급받아 자려 및 타려발진에 의한 동작을 하도록 함으로써, 종래 DC-DC 컨버터에 비해 입력정류 및 평활회로를 제거할 수 있을뿐만 아니라 발진부와 구동회로도 간단해졌으며 입력코일을 제거하였으므로 전체회로의 체적을 소형화 할 수있고, AC 110 또는 220 [V] 에 대한 스위칭에 비해 스위칭소자의 스트레스도 줄일 수 있다.

Claims

주SMPS의 직류(DC)출력전압이 입력되어 스위칭되는 스위칭부와, 직류(DC)출력전압을 공급받아 일정한 기준주파수를 출력하는 자려발진부와, 스위칭부의 출력신호를 원하는 직류(DC)출력전압으로 만들어주는 출력부와, 직류(DC)출력전압과 기준전압을 비교하여 출력오차를 검출하고 타려발진부에 바이어스신호를 가하는 출력오차검출 및 정전압부와, 주SMPS의 스위칭펄스를 트리거펄스로 받아 펄스폭변조(PWM : Pulse Width Modulation) 시키는 타려발진부와, 타려발진부의 출력신호에 의해 스위칭부를 구동시켜주는 구동부로 구성됨을 특징으로하는 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터.
청구항 1 에 있어서, 상기 자려발진부는,

RCC(Ringing Choke Converter)로 회로구성됨을 특징으로 하는 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터.
청구항 1 에 있어서, 상기 출력오차검출 및 정전압부는,

제어되어지는 전원과 직렬로 제너다이오우드의 캐소우드가 연결되며, 이 제너다이오우드의 애노드와 직렬로 스위칭용 트랜지스터가 접속되는 구성을 특징으로 하는 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터.
청구항 1 에 있어서, 상기 타려발진부는,

주SMPS의 스위칭펄스가 애노드로 입력되는 다이오우드와 이 다이오우드의 캐소우드와 제너다이오우드의 캐소우드가 상기 구동부 변압기의 2차측 코일을 통해 직렬로 연결되고, 이 제너다이오우드와 병렬로 스위칭용 트랜지스터가 연결되는 구성을 특징으로 하는 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터.
청구항 1 에 있어서, 상기 구동부는,

변압기로 구성됨을 특징으로 하는 주SMPS의 출력전압을 이용한 DC-DC 컨버터.