KR100191646B1 - 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이 - Google Patents

Abstract

이 발명은 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이에 관한 것으로서, 입력전압을 스위칭하는 메인 스위칭 소자의 구동을 제어하기 위하여 펄스폭 변조용 집적소자를 사용하지 않고 공진전압을 사용하였고, 입력전압에 의한 전류가 과전류일 때 이를 검출하여 회로의 동작을 중지시키기 위한 과전류 보호부를 메인 트랜스포머의 1차측에 구성함으로써, 전력 효율을 향상시켰다. 또한, 펄스폭 변조용 집적소자와 주변소자를 제거함으로써 회로의 구성을 간소화시켰다. 이 발명은 모든 스위칭 모드 파워 써플라이에 사용 가능하고, 특히 펄스폭 변조용 집적소자를 사용하여 메인 스위칭 소자를 구동시키도록 한 스위칭 모드 파워 써플라이에 특히 유용하다.

Description

공진형 스위칭 모드 파워 써플라이

제1도는 종래의 스위칭 모드 파워 써플라이를 나타내는 회로도.

제2도는 이 발명에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이를 나타내는 회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 펄스폭 변조용 집적소자 20, 60 : 과전류 보호부

30 : 궤환부 40 : 제어부

50 : 정합 및 완충부 Vin : 입력전압

Vout : 출력전압 T1, T2 : 트랜스포머

MA : 마그네틱 증폭기 Q1 : 모스 트랜지스터

Q2 : 바이폴라 트랜지스터 R1∼R5 : 저항

D1∼D4 : 다이오드 ZD1∼ZD3 : 제너 다이오드

C1∼C5 : 컨덴서 L1 : 코일

이 발명은 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공진을 이용하여 입력전압을 스위칭 하는 메인 모스 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하고, 마그네틱 증폭기를 이용하여 궤환신호를 제어하며, 과전류로부터 회로를 보호하기 위한 과전류 보호부를 트랜스포머의 1차측에 구성함으로써, 효율을 향상시킨 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이에 관한 것이다.

일반적으로 스위칭 모드 파워 써플라이의 동작을 보면, 상용 교류 전원을 직접 정류하고 필터링하여 직류전압을 얻고, 전력용 반도체 소자(여기서는 모스 트랜지스터)를 스위치 모드에서 사용하여 이 직류전압을 고주파수의 구형파로 변환한다. 구형파의 전압을 일정 권선비를 갖는 절연 변압기에 인가한 후 2차측에 나타난 전압파형을 정류하고 필터링하여 전압을 직류 전용으로 변환한다.

여기서, 부하에 일정한 직류전압을 공급하기 위해서 스위치의 온/오프 시간을 조절한다.

이러한 스위칭 모드 파워 써플라이에는 출력단에 연결되어 있는 부하에 일정하고 안정된 전압을 공급하기 위하여 출력전압 안정화 수단을 구비하게 된다. 종래의 출력전압 안정화 수단은 레귤레이터와 마그네틱 증폭기등 여러 가지 방법이 있으나, 이 발명에서는 마그네틱 증폭기를 이용하여 출력전압을 안정화시키도록 한 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이에 관하여 서술하고자 한다.

종래의 스위칭 모드 파워 써플라이를 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제1도는 종래의 스위칭 모드 파워 써플라이를 나타내는 회로도이다.

제1도를 보면, 입력전압(Vin)을 일정한 크기로 변환하여 후단에 인가하는 트랜스포머(T1)의 1차측에는 트랜스포머(T1)의 동작을 스위칭하는 스위칭용 모스 트랜지스터(Q1)와, 스위칭용 모스 트랜지스터(Q1)의 스위칭 동작을 제어하여 일정한 크기의 출력전압을 얻도록 하는 펄스폭 변조용 집적소자(10)가 구성되어 있다.

또한 트랜스포머(T1)의 2차측에는 트랜스포머(T1)의 1차측으로부터 2차측에 유도된 전압이 일정 크기 이상인 과전압인 경우 이를 소모하여 출력전압(Vout)을 안정화시키는 마그네틱 증폭기(MA)와, 정류용 다이오드(D1, D2) 및 평활용 코일(L1)과, 출력단에 연결되어 부하를 통하여 인가된 전압을 이용하여 전류의 크기를 검출하는 검출용 저항(R1)과, 검출용 저항(R1)의 양단에 걸린 전압차를 검출하여 검출된 전압에 의한 전류가 과전류인지를 판단하여 마그네틱 증폭기(MA)를 제어하는 과전류 보호부(20)와, 출력전압(Vout)을 검출하여 검출된 출력전압이 정상 상태인지를 판단하여 마그네틱 증폭기(MA)를 제어하는 궤환부(30)와, 과전류 보호부(20) 및 궤환부(30)의 출력단에 연결되어 역전압을 방지하는 프리 휠링 다이오드(D3)가 구성되어 있다.

이상에서와 같은 회로를 참조하여 동작을 설명하면 다음과 같다.

초기에 펄스폭 변조용 집적소자(10)에서 출력되는 펄스가 모스 트랜지스터(Q1)의 게이트에 인가되고, 모스 트랜지스터(Q1)는 일정한 듀티를 갖는 상태로 온-오프를 반복하게 된다. 모스 트랜지스터(Q1)가 턴-온되면, 입력전압(Vin)은 트랜스포머(T1)의 1차측에 인가되어 트랜스포머(T1)의 1차측 권선수와 2차측 권선수의 비에 따라 일정한 크기로 변환되어 2차측에 유도된다. 이 전압은 마그네틱 증폭기(MA)에 인가되어 일정한 크기로 안정화된다.

여기서, 마그네틱 증폭기(MA)는 입력전압(Vin)의 크기에 관계없이 항상 일정한 크기의 출력전압(Vout)을 얻기 위하여 트랜스포머(T1)의 2차측에 유도된 전압을 인가받아 일정 크기의 전압만을 후단에 전달하고, 나머지 전압은 자체적으로 소모하도록 하는 출력 안정화 소자이다.

마그네틱 증폭기(MA)을 거친 전압은 출력단자를 통하여 출력된다.

또한, 궤환부(30)는 출력전압을 검출하여 출력전압이 일정 크기 이하인 경우 부족한 전압값을 마그네틱 증폭기(MA)의 출력과 결합시켜 항상 일정한 크기의 출력전압(Vout)을 유지하도록 한다.

한편, 부하(도시되지 않음)을 통하여 리턴된 전압은 전류 검출용 저항(R1)에 인가되어 저항(R1)의 양단의 전압차가 검출된다.

검출된 저항(R1) 양단의 전압은 과전류 보호부(20)에 인가되어, 출력전압(Vout)에 의한 전류의 크기에 따라 마그네틱 증폭기(MA)를 제어하여 과전류로 인한 회로의 파괴를 방지하게 된다.

그런데 상기와 같이 구성된 회로에 있어서, 과전류 보호기능과 궤환부에 의한 출력전압 안정화 기능을 트랜스포머의 2차측에서 수행하도록 함으로써, 과전류 보호를 위하여 구성한 마그네틱 증폭기의 권선수가 많아져서 전력 손실이 많이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 입력전압이 트랜스포머의 1차측에 인가되는 것을 스위칭 모스 트랜지스터의 동작을 펄스폭 변조용 집적소자를 이용하여 제어함으로써, 회로의 구성이 복잡하고 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

이 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이 발명의 목적은 트랜스포머의 1차측으로부터 일정 전압을 유도받아 공진을 발생시켜, 공진전압을 이용하여 입력전압을 스위칭하는 메인 스위칭 소자의 동작을 제어하도록 함과 동시에, 과전류 보호 기능을 트랜스포머의 1차측에서 수행하도록 함으로써, 마그네틱 증폭기에 의한 전력 손실을 감소시키도록 한 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이의 특징은, 입력전압을 인가받아 일정한 크기의 전압으로 변환하여 후단에 인가하는 메인 트랜스포머와, 상기 메인 트랜스포머에 인가되는 입력전압을 스위칭하는 스위칭용 모스 트랜지스터와, 상기 메인 트랜스포머의 1차측으로부터 2차측에 유도된 전압을 안정화시켜 출력하는 마그네틱 증폭기와, 상기 마그네틱 증폭기를 통하여 안정화된 전압을 정류 및 평활하여 직류전압으로 변환하여 출력하는 두 개의 정류용 다이오드와 평활용 코일 및 컨덴서와, 출력전압을 검출하여 출력전압이 정상 상태인지를 판단하여 상기 마그네틱 증폭기에 궤환신호를 인가하는 궤환부를 구비하는 스위칭 모드 파워 써플라이에 있어서; 전압 입력단자로부터 입력전압을 인가받아 병렬 구성된 컨덴서와 보조 트랜스포머를 이용하여 공진시켜 공진전압에 의해 상기 스위칭용 모스 트랜지스터의 게이트에 구동전압을 공급하여 상기 스위칭용 모스트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 제어부와; 상기 메인 트랜스포머로부터 인가된 입력전압을 이용하여 입력전압에 따른 발진 주파수와 제어부의 공진 작용에 따른 공진 주파수를 정합시키고, 입력전압을 완충시키는 정합 및 완충부와; 제어부와 스위칭용 모스 트랜지스터의 게이트사이에 구성되어 입력전압이 과전압인 경우, 과입력 전압을 스위칭 하는 제너 다이오드를 통하여 인가된 전압으로 스위칭되어 상기 제어부로부터 상기 스위칭용 모스 트랜지스터의 게이트에 인가되는 구동전압을 그라운드로 패스시킴으로써, 과전류로부터 회로를 보호하는 과전류 보호부를 포함하는 점에 있다.

이하, 이 발명에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이의 바람직한 하나의 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제2도는 이 발명에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이를 나타내는 회로도이다.

제2도를 보면, 전압 입력 단자로부터 인가된 입력전압(Vin)을 일정 크기로 변환하여 후단에 인가하는 트랜스포머(T1)와, 트랜스포머(T1)와 그라운드사이에서 일정 시간을 주기로 스위칭되어 트랜스포머(T1)의 변환 동작을 스위칭하는 모스 트랜지스터(Q1)가 구성되어 있다. 또한, 트랜스포머(T1)의 2차측에는, 트랜스포머(T1)의 1차측으로부터 변환되어 유도된 일정 전압을 인가받아 정류 및 평활하여 직류전압으로 출력하는 정류용 다이오드(D1, D2)와 평활용 코일(L1) 및 컨덴서(C1)가 구성되어 있다.

또한, 트랜스포머(T1)의 2차측과 정류용 다이오드(D1, D2) 사이에는 출력전압을 안정화시키기 위한 마그네틱 증폭기(MA)가 구성되어 있고, 출력 단자와 리턴 단자에서 각각의 전압을 검출하여 출력전압을 상태를 판단하여 마그네틱 증폭기(MA)에 제어신호를 인가하여 마그네틱 증폭기(MA)에 인가되는 전류량을 제어하는 궤환부(30)가 구성되어 있다.

한편, 트랜스포머(T1)의 1차측 후단에는 트랜스포머(T1)을 통하여 인가된 입력전압(Vin)을 인가받아 공진시키도록 병렬 구성된 공진용 컨덴서(C4)와 트랜스포머(T2)의 1차측과, 공진용 컨덴서(C4)와 트랜스포머(T2)의 1차측에 의해 공진된 공진 전압을 인가받기 위한 트랜스포머(T2)의 2차측과, 정류용 다이오드(D4) 및 평활용 컨덴서(C5)와, 과전류 보호용 제너 다이오드(ZD2, ZD3)를 구비하여 공진용 컨덴서(C4)와 트랜스포머(T2)의 1차측에 의해 발생된 공진전압을 메인 스위칭 소자인 모스 트랜스포머(Q1)의 게이트에 인가하여 모스 트랜지스터(Q1)를 구동시키는 제어부(40)가 구성되어 있다.

한편, 제어부(40)와 모스 트랜지스터(Q1)의 게이트 사이에는 제어부(40)에서 출력된 공진전압을 스위칭 제어하는 제어용 바이폴라 트랜지스터(Q2)가 구성되어 있고, 이 바이폴라 트랜지스터(Q2)를 스위칭하기 위하여 트랜스포머(T1)의 1차측으로부터 인가된 입력전압(Vin)이 베이스에 인가되도록 구성되어 트랜스포머(T1)를 통하여 흐르는 전류가 과전류일 때 바이폴라 트랜지스터(Q2)가 턴-온되어 제어부(40)로부터 모스 트랜지스터(Q1)의 게이트에 인가되는 공진전압을 그라운드로 패스시킴으로써, 트랜스포머(T1)의 동작을 턴-오프시키도록 한 과전류 보호부(60)가 구성되어 있다.

한편, 트랜스포머(T1)의 1차측과 제어부(40) 및 과전류 보호부(60)사이에는 입력전압(Vin)을 충전하여 정합하는 컨덴서(C1)와 모스 트랜지스터(Q1)의 소오스 및 드레인사이에 병렬 연결되어 입력전압(Vin)의 크기에 따라 회로의 동작을 완충시키는 제너 다이오드(ZD1)를 구비하여, 제어부(40)에서 발생되는 공진전압의 주파수와 입력전압(Vin)을 인가받아 트랜스포머(T1)를 통하여 발생되는 발진전압의 주파수를 정합시키고, 입력전압(Vin)을 완충시키는 정합 및 완충부(50)가 구성되어 있다.

이상에서와 같은 회로를 참조하여 동작을 설명하면 다음과 같다.

입력전압(Vin)은 트랜스포머(T1)의 1차측을 통하여 충전용 컨덴서(C3, C4)에 동시 인가된다. 컨덴서(C3)는 일정시간 동안 입력전압을 충전한 후 제어부(40)에 인가함으로써, 발진 주파수와 공진 주파수를 정합시키는 작용을 하고, 컨덴서(C4)는 일정 시간 동안 충전을 계속 한 후, 충전이 완료되면 트랜스포머(T2)의 1차측으로 충전전압을 방전하여 이러한 동작을 반복 수행함으로써 공진전압을 발생시킨다. 트랜스포머(T2)의 1차측으로부터 2차측에 유도된 공진전압은 병렬 구성된 다이오드(D4)와 컨덴서(C5)에 의해 정류 및 평활 된 후, 모스 트랜지스터(Q1)의 게이트에 인가되어 모스 트랜지스터(Q1)를 턴-온시킨다.

모스 트랜지스터(Q1)가 턴-온되면, 입력전압(Vin)은 트랜스포머(T1)의 1차측으로부터 2차측에 일정 전압으로 변환 유도되어 제1도에서 서술한 과정을 통하여 직류 전압으로 변환 출력된다.

이때, 트랜스포머(T1)의 1차측을 통하여 흐르는 전류가 과전류이면, 모스 트랜지스터(Q1)에 병렬 구성된 제너 다이오드(ZD1)가 턴-온되어 입력전압(Vin)을 후단에 인가하는데, 이때 저항(R4)에 의해 검출된 전압은 바이폴라 트랜지스터(Q2)의 베이스에 인가되어 바이폴라 트랜지스터(Q2)를 턴-온시키고, 저항(R5)에 의해 검출된 전압은 그라운드로 패스된다. 따라서, 제어부(40)로부터 모스 트랜지스터(Q1)의 게이트에 인가되는 공진전압은 바이폴라 트랜지스터(Q2)를 통하여 그라운드로 패스되므로, 회로의 동작은 중지된다.

한편, 마그네틱 증폭기(MA)는 궤환부(30)로부터 궤환된 신호를 인가받아 출력전압(Vout)을 안정화시키는 바, 그의 동작은 제1도의 서술 내용과 동일하므로 생략하기로 한다.

이상에서와 같이 이 발명에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이에 의하면, 메인 스위칭 소자인 모스 트랜지스터를 구동시키기 위하여 메인 트랜스포머의 1차측에 입력전압을 공진시켜 모스 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 구성하고, 입력전압에 의한 전류가 과전류인 경우 이를 검출하여 제어부로부터 인가된 공진 전압이 모스 트랜지스터에 인가되지 못하도록 차단하여 회로를 보호하는 과전류 보호부를 메인 트랜스포머의 1차측에 구성함으로써, 전력 효율을 향상시킨 이점이 있다.

또한, 메인 스위칭 소자인 모스 트랜지스터를 구동시키기 위하여 펄스폭 변조용 집적소자를 사용하지 않고, 공진전압을 이용함으로써, 회로를 간소화시킨 이점이 있다.

Claims (1)

1. 입력전압을 인가받아 일정한 크기의 전압으로 변환하여 후단에 인가하는 메인 트랜스포머와, 상기 메인 트랜스포머에 인가되는 입력전압을 스위칭하는 스위칭용 모스 트랜지스터와, 상기 메인 트랜스포머의 1차측으로부터 2차측에 유도된 전압을 안정화시켜 출력하는 마그네틱 증폭기와, 상기 마그네틱 증폭기를 통하여 안정화된 전압을 정류 및 평활하여 직류전압으로 변환하여 출력하는 두 개의 정류용 다이오드와 평활용 코일 및 컨덴서와, 출력전압을 검출하여 출력전압이 정상 상태인지를 판단하여 상기 마그네틱 증폭기에 궤환신호를 인가하는 궤환부를 구비하는 스위칭 모드 파워 써플라이에 있어서; 전압 입력단자로부터 입력전압을 인가받아 병렬 구성된 컨덴서와 보조 트랜스포머를 이용하여 공진시켜 공진전압에의해 상기 스위칭용 모스 트랜지스터의 게이트에 구동전압을 공급하여 상기 스위칭용 모스트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 제어부와; 상기 메인 트랜스포머로부터 인가된 입력전압을 이용하여 입력전압에 따른 발진 주파수와 제어부의 공진 작용에 따른 공진 주파수를 정합시키고, 입력전압을 완충시키는 정합 및 완충부와; 제어부와 스위칭용 모스 트랜지스터의 게이트사이에 구성되어 입력전압이 과전압인 경우, 과입력 전압을 스위칭 하는 제너 다이오드를 통하여 인가된 전압으로 스위칭되어 상기 제어부로부터 상기 스위칭용 모스 트랜지스터의 게이트에 인가되는 구동전압을 그라운드로 패스시킴으로써, 과전류로부터 회로를 보호하는 과전류 보호부를 포함하는 공진형 스위칭 모드 파워 써플라이.