KR100263031B1 - 대기 모드를 가지는 스위칭 모드 파워 서플라이 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 스위칭 모드 파워 서플라이는 부하측에 전력을 공급하는 전력 공급부와 부하측의 출력 전압을 피드백하여 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로와 피드백 회로에 전류를 공급하는 전류 공급부와 피드백 전압을 입력으로 받아 전력 공급부의 스위칭을 제어하는 스위칭 구동부로 이루어진다. 전력 공급부는 대기 모드시에는 제1 구간 동안은 스위칭을 수행하지 않으며 제2 구간 동안은 최소 듀티 레벨보다 큰 듀티로 스위칭을 수행한다. 이를 위해 전류 공급부는 제1 구간 보다 제2 구간동안에 더 많은 전류를 피드백 회로로 공급한다.

Description

대기 모드를 가지는 스위칭 모드 파워 서플라이
본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이(switching mode power supply; SMPS) 에 관한 것으로서, 특히 대기 모드(standby mode)시 입력 전력을 줄이기 위한 SMPS에 관한 것이다.
텔레비젼, 컴퓨터 모니터, 브이씨알(VCR) 등 기존의 많은 전자 제품들은 많은 전력을 소모하는 정상 동작 모드(normal operation mode)와 정상 동작신호를 기다리며 최소의 소비전력을 소모하는 대기 모드의 두 가지 상태로 동작한다.
대부분의 전자제품에서 대기모드 동안에는 정상 동작 모드 동안에 비해 아주 적은 전력을 소모한다. 그러나, 대부분의 전자 제품은 정상 동작 모드보다 대기모드 상태로 있는 경우가 많으며, 이런 이유로 최근 각국에서는 대기모드에서의 입력 전력(input power)에 대한 규제가 시작되었다.
따라서, 종래의 전자 제품에서는 대기모드시의 입력 전력을 감소시키기 위해 보조 전원을 쓰거나 출력 전압을 줄이는 등의 방법을 사용하였는데 이러한 방법은 상당한 원가 상승의 요인으로 작용하고 있었다.
한편, 일반적인 SMPS의 대기 모드에서는 입력 전원의 대부분이 제어 IC(integrated circuit)와 1차측 메인 스위치의 스위칭 손실로 소모되므로, SMPS의 입력 전력을 감소시키기 위해서는 이와 같은 메인 스위치의 스위칭 손실을 감소시킬 필요가 있다.
그러나, 종래의 SMPS에서는 대기모드 시에도 일정한 고주파로 스위칭을 수행하기 때문에 스위칭 손실이 많다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대기 모드에서 일정시간 동안 SMPS의 스위칭을 수행하고 다시 일정 시간 동안 스위칭을 멈추는 동작을 통해 스위칭 손실을 감소시켜 입력 전력을 감소시키기 위한 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이 회로를 나타내는 도면이다.
도2는 도1에 도시한 전류 공급부의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.
도3은 대기 모드시 도2에 도시한 각 회로의 주요 동작점의 파형을 나타내는 도면이다.
도4는 도1에 도시한 전류 공급부의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.
도5는 대기 모드시 도4에 도시한 각 회로의 주요 동작점의 파형을 나타내는 도면이다.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 상세 회로도이다.
도7은 도6의 각 회로의 주요 동작점의 파형을 나타내는 도면이다.
도8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 상세 회로도이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 대기 모드시에 제1 구간 동안에는 최소 듀티 레벨 보다 약간 큰 듀티 레벨로 SMPS를 스위칭시키고, 제2 구간 동안에는 SMPS를 스위칭시키지 않는다. 이와 같은 SMPS의 스위칭 제어는 SMPS의 1차 측의 메인 스위치가 스위칭을 할 때와 스위칭을 하지 않을 때에, 피드백회로에 공급되는 전류 레벨을 다르게 함으로써 행해진다.
본 발명의 특징에 따른 SMPS는 부하측에 전력을 공급하는 전력 공급부와, 부하측의 출력 전압을 피드백하여 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로와, 피드백 회로에 전류를 공급하는 전류 공급부와, 피드백 전압을 입력으로 받아 전력 공급부의 스위칭을 제어하는 스위칭 구동부를 포함한다.
전력 공급부는 정상 동작 모드시에는 제1 듀티로 스위칭을 행하며, 대기 모드시에는 제1 구간 동안은 스위칭을 수행하지 않으며 제2 구간 동안은 제2 듀티로 스위칭을 수행한다.
피드백 회로는 부하측의 출력전압에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원과 종속 전류원에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 가지며, 전류 공급부는 상기 제1 구간 동안에는 제1 전류를 제1 커패시터로 공급하며 상기 제2 구간 동안에는 제2 전류를 제1 커패시터로 공급한다.
이때, 상기 제1 전류는 상기 제2 전류 보다 작은 것이 바람직하며, 상기 제1 구간은 상기 제2 구간 보다 긴 것이 바람직하다.
여기서, 전력 공급부는 입력 전원에 한쪽 단이 연결되는 제1 코일과, 제1 코일의 다른쪽 단에 한쪽 단이 연결되는 제2 커패시터와, 제2 커패시터와 병렬로 연결되는 스위치를 포함하는 것이 바람직하며, 전류 공급부는 1차 코일에 커플링되는 2차 코일에 인가되는 권선 전압에 따라 상기 제1 전류 또는 상기 제2 전류를 피드백회로에 공급하는 것이 바람직하다.
이 때, 본 발명의 하나의 특징에 따른 전류 공급부는
전류원과, 전류원에 애노드가 연결되며 캐소드가 상기 피드백 회로의 상기 제1 커패시터의 한쪽 단에 연결되는 제1 다이오드와, 전류원에 애노드가 각각 연결되는 제2, 제3 다이오드와, 제2 다이오드의 캐소드에 직렬로 연결되며 접점의 전압이 스위칭 구동부에 입력되는 제1, 제2 저항과, 제3 다이오드의 캐소드에 각각 한쪽단이 연결되는 제3 저항 및 제3 커패시터와, 제3 다이오드의 캐소드에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드와, 제너 다이오드의 캐소드에 한쪽 단이 연결되는 제4저항과, 제4 저항의 다른쪽 단에 캐소드가 연결되며 상기 권선 전압이 애노드에 인가되는 제4 다이오드를 포함한다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전류 공급부는
전류원과, 전류원에 애노드가 연결되며 캐소드가 피드백 회로의 상기 제1 커패시터의 한쪽 단에 연결되는 제1 다이오드와, 전류원에 애노드가 연결되는 제2 다이오드와, 제2 다이오드의 캐소드에 직렬로 연결되며 접점의 전압이 상기 스위칭 구동부에 입력되는 제1, 제2 저항과, 상기 권선 전압이 애노드에 인가되는 제3 다이오드와, 제3 다이오드의 캐소드에 한쪽 단이 연결되는 제3 저항과, 제3 저항의 다른쪽 단에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드와, 제3 저항의 다른쪽 단에 각각 한쪽단이 연결되는 제4, 제5 저항과, 제4 저항의 다른쪽 단에 한쪽단이 연결되는 제6 저항과, 제4 저항과 제6 저항의 접점에 베이스가 연결되며 제5 저항에 컬렉터가 연결되며 제1 커패시터의 한쪽단에 이미터가 연결되는 바이폴라 트랜지스터를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명의 SMPS 회로를 나타내는 도면이다.
도1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 SMPS 회로는 전력 공급부(100), 피드백 회로부(200), 전류 공급부(300), 스위칭 구동부(400)로 이루어진다.
전력 공급부(100)는 입력 전원(Vin)에 연결되는 1차 코일, 1차 코일에 연결되는 커패시터(C1), 커패시터(C1)의 양단에 병렬로 연결되는 메인 스위치(SW1)로 이루어진다.
전력 공급부(100)는 입력 전원(Vin)을 입력 받아 메인 스위치(SW1)의 듀티(duty)에 따라 부하측(500)에 원하는 출력 전압(Vout)을 공급한다. 대부분의 SMPS는 출력 전압(Vout)을 다시 피드백 시키고, 이 피드백된 값을 이용하여 전력 공급부(100)의 메인 스위치(SW1)의 듀티를 제어함으로써 원하는 출력 전압을 출력측에 공급한다.
피드백 회로부(200)는 부하측의 출력 전압(Vout)의 값에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원(Ifb)과 커패시터(Cfb)로 이루어진다.
피드백 회로부(200)는 부하측(500)의 출력 전압(Vout)을 감지하여 이 출력 전압에 대응하는 피드백 전압(Vfb)을 스위칭 구동부(400)로 출력한다.
예컨대, 출력 전압(Vout)이 증가하였다고 가정하면 피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)도 따라 증가하므로 커패시터(Cfb)에 충전된 전압(Vfb)은 감소하게 되며, 이 감소된 피드백 전압(Vfb)은 스위칭 구동부(400)에 입력된다.
전류 공급부(300)는 피드백 회로(200)의 커패시터(Cfb)에 전류를 공급하기 위한 것으로서, 개념적으로 두 개의 전류원(I1, I2)과 스위치(SW2)로 이루어진다.
본 발명의 전류 공급부(300)에 따르면, 시스템이 정상 동작 모드인 경우에는 항상 스위치(SW2)가 온 또는 오프 상태를 유지한다. 즉, 정상 동작 모드에서는 항상 전류원(I1,I2)로부터 동시에 전류가 커패시터(Cfb)로 공급되거나, 항상 전류원 I1으로부터 전류가 커패시터(Cfb)로 공급된다.
한편, 대기 모드에서는 전력 공급부(100)의 메인 스위치(SW1)가 스위칭을 하는 구간 동안에는 스위치(SW2)가 온으로 되며, 메인 스위치(SW1)가 스위칭을 하지 않는 구간 동안에는 스위치(SW2)가 오프로 된다. 즉, 대기 모드에서는 메인 스위치가 스위칭을 하는 구간 동안에는 전류원 I1과 I2가 동시에 커패시터(Cfb)에 공급되나, 메인 스위치가 스위칭을 하지 않는 구간 동안에는 전류원 I1만이 커패시터(Cfb)에 공급된다.
따라서, 대기 모드에서는 메인 스위치의 스위칭 오프 구간 보다 스위칭 온 구간에 더 많은 전류가 커패시터에 공급된다.
도1에서는 개념적으로 전류원 (I1, I2), 스위치(SW2)로서 전류 공급부(300)를 구성하였지만, 대기 모드에서 메인 스위치의 스위칭 온 구간이 스위칭 오프 구간 보다 더 큰 전류를 피드백 회로의 커패시터(Cfb)에 공급하는 것이면 어느 것이나 상관없다.
스위칭 구동부(400)는 피드백회로(200)로부터 피드백 전압(Vfb)을 입력받아, 이 피드백 전압에 따라 메인 스위치(SW1)의 스위칭을 제어한다.
다음에는 도1의 동작을 설명한다.
먼저, 정상 동작 모드에서는 전류 공급부(300)는 항상 커패시터(Cfb)에 I1 + I2의 전류를 공급하며, 또한 부하측에서 많은 전력이 소모되므로 전력 공급부(100)의 메인 스위치(SW1)는 큰 듀티를 가지고 스위칭 한다.
대기 모드 동안에는 정상 동작 모드에 비해 상당히 적은 전력을 소모해야 하므로 다음과 같은 방법으로 동작한다.
종래 SMPS에서는, 대기 모드시에 최소 듀티로 정해진 주파수로 메인 스위치를 스위칭하였다. 그러나, 경우에 따라서는 대기 모드에서 설정된 메인 스위치의 듀티보다 적은 듀티로 스위칭을 할 것이 요구되는 경우가 있으며, 이런 경우 종래에는 스위칭을 한 주기나 두 주기를 생략하는 방식(간헐 스위칭)으로 출력 전압을 제어하였다.
그러나, 대기 모드의 스위칭 손실을 줄이기 위해서는 이러한 종래의 간헐 스위칭 보다 더 적은 횟수로 스위칭을 할 필요가 있으며, 이를 위해 본 발명은 위에서 설명한 바와 같이, 대기모드시 메인 스위치(SW1)의 스위칭 여부에 따라 전류 공급부(300)로부터 피드백 회로에 공급되는 전류의 크기를 달리하고 있다.
즉, 대기 모드에서 메인 스위치(SW1)의 스위칭이 멈추는 구간 즉, 스위칭이 오프인 구간 동안에는 전류 공급부(200)의 스위치(SW2)는 오프로 되며, 이에 따라 커패시터(Cfb)에는 전류(I1)만이 공급된다.
메인 스위치의 스위칭이 오프인 구간 동안에는 부하측에 전력이 공급되지 않으므로, 출력 전압(Vout)은 계속해서 감소하게 된다. 따라서, 종속 전류원(Ifb)도 계속해서 감소하여 결국 전류원(I1) 보다 작게 된다. 종속 전류원(Ifb)이 전류원(I1) 보다 작게 되면 커패시터(Cfb)에는 전하가 충전되어 피드백 전압(Vfb)이 증가하게 된다.
커패시터(Cfb)의 충전 전압(Vfb)이 증가하여 최소 듀티를 위해 설정한 기준 전압보다 크게 되면, 스위칭 구동부(400)는 전력 공급부(100)의 메인 스위치(SW1)가 스위칭을 시작하도록 한다. 전력 공급부의 스위칭이 개시되면, 전류 공급부(300)의 스위치(SW2)도 같이 온으로 되며, 이에 따라 피드백 회로(200)에 공급되는 전류는 I1 + I2로 갑자기 증가한다. 따라서, 도1의 전력 공급부(100)는 최소 듀티보다 큰 듀티로 스위칭을 수행한다.
이와 같이 본 발명의 전력 공급부(100)는 대기 모드에서 최소 듀티 이상의 듀티와 제로 듀티(스위칭 오프)의 두 가지 상태로 스위칭을 반복한다.
한편, 메인 스위치(SW1)가 스위칭 온으로 되는 경우에는 부하측에 전달되는 출력 전압(Vout)이 증가하게 되고, 이에 따라 출력 전압의 크기에 대응하는 피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)도 따라 증가하게 된다. 따라서, 커패시터(Cfb)에 충전된 전하는 종속 전류원(Ifb)이 전류원(I1,I2)의 합보다 크게 되는 경우 방전을 시작하고, 이에 따라 피드백 전압(Vfb)은 감소하게 된다.
피드백 전압(Vfb)이 감소하여, 최소 듀티를 위해 설정한 상기 기준 전압보다 작게 되면, 스위칭 구동부는 메인 스위치의 스위칭을 다시 오프시키고 상기 과정을 반복한다.
도2는 도1에 도시한 전류 공급부의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.
도2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전류 공급부(600)는 전류원(I3), 저항(Ra, Rb, R1, R2, R3), 커패시터(C2), 다이오드(D1, D2, D3, D4), 제너 다이오드(ZD1, ZD2)로 이루어진다.
다이오드(D2, D3, D4)는 전류원(I3)에 모두 애노드가 연결되어 있으며, 다이오드(D3)의 캐소드는 피드백 회로의 커패시터(Cfb)의 한쪽 단에 연결되어 있다. 다이오드(D4)의 캐소드와 접지점 사이에는 저항(Ra, Rb)이 직렬로 연결되어 있으며, 저항(Ra, Rb) 사이의 접점의 전압(Vd)은 스위칭 구동부(400)에 입력된다.
다이오드(D1)의 애노드는 전력 공급부(100)의 1차 코일과 커플링되는 2차 코일에 연결되며, 다이오드(D1)의 캐소드는 저항(R1)의 한쪽 단에 연결된다. 저항(R1)의 다른쪽 단은 제너 다이오드(ZD1)의 캐소드와, 커패시터(C2)와 저항(R2, R3)의 한쪽 단에 각각 연결된다. 저항(R3)의 다른쪽 단은 제너 다이오드(ZD2)의 캐소드에 연결되며, 제너 다이오드(ZD1, ZD2)의 애노드, 커패시터(C2) 및 저항(R2)의 다른쪽 단은 접지점에 연결된다.
다음에는 도2의 전류 공급부(600)의 동작을 설명한다.
먼저, 정상 동작 모드인 경우를 설명한다.
정상 동작 모드에서, 매 스위칭 마다 1차 코일로부터 2차 코일측으로 유기되는 권선 전압(Va)은 다이오드(D1)을 도통시키고, 커패시터(C2)를 제너 다이오드(ZD1)의 항복 전압레벨까지 충전시킨다. 이 때, 커패시터(C2)는 전력 공급부(100)의 스위칭 주기에 비해 아주 짧은 시간동안 항복 전압까지 충전되게 된다.
커패시터(C2)의 충전 전압(Vb)이 제너 다이오드(ZD1)의 항복 전압으로 되면, 다이오드(D2)에는 역방향의 전압이 인가되며, 이에 따라 다이오드(D2)는 오프로 된다. 따라서, 전류원(I3)으로부터의 전류는 다이오드(D3, D4)를 통해 흐르게 된다. 즉, 피드백 회로(200)로 흐르는 전류는 증가하게 된다. 이는 개념적으로 살펴본 도1에서 스위치(SW2)가 온으로 되는 것과 같다.
정상 동작 모드에서, 부하의 변동으로 출력 전압이 설정된 전압보다 약간 상승하였다고 가정하자.
그러면, 출력 전압(Vout)에 대응하여 전류값이 바뀌는 종속 전류원(Ifb)의 전류는 증가하게 된다. 따라서, 커패시터(Cfb)의 충전 전압인 피드백 전압(Vfb)은 감소하게 된다. 피드백 전압(Vfb)이 감소하면, 다이오드(D4)의 캐소드의 전압도 감소하게 되므로 스위칭 구동부(400)에 인가되는 전압(Vd)도 감소하게 된다. 스위칭 구동부에 인가되는 전압이 감소되면, 스위칭 구동부(400)는 도1의 전력 구동부(100)의 듀티를 작게 한다. 따라서, 부하측에 공급되는 출력 전압(Vout)을 원하는 전압으로 감소시킬 수 있다.
한편, 출력 전압이 부하의 변동에 의해 원하는 전압보다 하강한 경우에는 피드백 회로의 종속 전류원(Ifb)이 하강하게 되고, 이에 따라 커패시터(Cfb)는 전류원(I3)로부터 다이오드(D3)를 통해 공급되는 전류에 의해 충전된다.
따라서, 피드백 전압(Vfb)이 증가하여 스위칭 구동부(400)에 입력되는 전압(Vd)이 증가하므로, 전력 공급부(100)의 메인 스위치의 듀티가 증가하게 된다. 따라서, 부하측으로 공급되는 출력 전압이 증가하여 출력 전압을 원하는 전압으로 상승시킨다.
다음은 대기 모드에서의 동작을 도3을 참조로하여 설명한다. 도3은 대기 모드시 도2의 도시한 각 회로의 주요 동작점의 파형을 나타내는 도면이다.
먼저, 대기 모드에서 전력 공급부(100)의 스위칭이 온에서 오프로 되었다고 가정하자.
그러면, 전력 공급부(100)의 1차 코일에 의해 2차측으로 유기되는 권선 전압(Va)은 거의 접지 레벨로 떨어지며, 이에 따라 다이오드 D1은 오프로 된다. 따라서, 커패시터(C2)에 충전된 전압(Vb)은 저항(R2)을 통해 방전되어 결국 전압 Vb가 피드백 전압(Vfb) 보다 낮게 된다. 전압(Vb)이 피드백 전압(Vfb) 보다 낮아지면, 다이오드(D2)는 온으로 되며, 이에 따라 전류원(I3)의 일부 전류가 다이오드(D2)를 통해 저항(R2)으로 흐르게 된다. 따라서, 피드백 회로(200)에 공급되는 전류 즉, 다이오드(D3)를 통해 흐르는 전류(ID3)는 다이오드(D2)를 통해 흐르는 양만큼 감소하게 된다.
한편, 전력 공급부(100)의 스위칭이 오프인 경우에는 전력 공급부(100)로부터 부하측으로 전력이 공급되지 않으므로, 출력 전압(Vout)은 도3에 도시한 바와 같이 계속 감소하게 된다. 출력 전압(vout)이 감소하면 피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)의 크기도 작게 된다.
도3에서, 종속 전류원(Ifb)의 크기가 작아져 결국 다이오드(ID3)에 흐르는 전류보다 작아지면, 커패시터(Cfb)에는 전하가 충전되기 시작하여 피드백 전압(Vout)은 증가하기 시작한다. 피드백 전압이 증가하여 최소 듀티시의 전압레벨에 도달하면, 전력 공급부의 메인 스위치는 스위칭 동작을 시작하고, 이에 따라 권선 전압(Va)은 증가하여 다이오드(D1)를 온시킨다. 따라서, 권선 전압(Va)이 커패시터(C2)에 충전됨에 따라 전압(Vb)은 증가하고, 결국 전압(Vb)은 피드백 전압(Vfb) 보다 커지게 된다. 따라서, 다이오드(D2)는 오프로 되고, 이에 따라 다이오드(D3)를 통해 피드백 회로(200)로 흐르는 전류는 급증하게 된다. 따라서, 피드백 전압(Vfb)은 급증하여 최소 듀티시의 피드백 전압 보다 훨씬 큰 리플 성분의 전압으로 된다. 따라서, 전력 공급부(100)의 메인 스위치는 최소 듀티보다 더 큰 듀티로 스위칭을 수행하며, 이에 따라 부하측의 출력 전압(Vout)은 증가하게 된다. 출력 전압(Vout)이 증가하여 설정된 출력 전압에 도달하면 전력 공급부(100)는 다시 스위칭 동작을 수행하지 않는다. 이와 같이 스위칭 동작이 온에서 오프로 바뀌면 위에서 설명한 동작을 반복한다.
도3의 파형도에서는 위에서 설명한 전력 공급부의 스위칭이 온에서 오프로 되는 경우 또는 오프에서 온으로 되는 과도 구간에 대하여는 도시하지 않았다. 이는 이와 같은 과도 구간이 전체 스위칭의 온 구간과 오프 구간에 비해 작기 때문이다.
도3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 대기 모드시에 스위칭 오프 구간이 스위칭 온 구간보다 긴 것을 알 수 있다. 따라서, 스위칭 주파수가 종래에 비해 감소하게 되고 이에 따라 스위칭 손실이 감소되게 된다.
이와 같이, 도3에서 스위칭 오프 구간이 스위칭 온 구간보다 긴 이유는 위에서 설명한 바와 같이 전력 공급부의 메인 스위치가 스위칭을 하는 경우에 피드백 회로에 공급되는 전류보다 스위칭을 하지 않는 경우에 피드백 회로에 공급되는 전류가 작기 때문이다.
다음은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전류 공급부(700)를 설명한다.
도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전류 공급부(700)를 나타내는 도면이다.
도4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전류 공급부(700)는 전류원(I4), 다이오드(D5, D6, D7), 저항(R4, R5, R6, R7, Rc,Rd), 제너 다이오드(ZD3), npn 바이폴라 트랜지스터(Q1)로 이루어진다.
다이오드(D5)의 애노드는 도1의 전력 공급부(100)의 1차 코일에 커플링되는 2차 코일에 연결되며, 캐소드는 저항(R4)의 한쪽 단에 연결된다. 저항(R4)의 다른쪽 단에는 각각 제너 다이오드(ZD3)의 캐소드, 저항(R5, R7)의 한쪽 단이 연결되며, 저항(R5)의 다른쪽 단은 저항(R6)의 한쪽 단과 트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결된다. 저항(R7)의 다른쪽 단은 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 연결되며, 트랜지스터(Q1)의 이미터는 피드백 회로(200)의 커패시터(Cfb)의 한쪽 단에 연결된다.
전류원(I4)은 다이오드(D6, D7)의 애노드에 연결되며, 다이오드(D6)의 캐소드는 커패시터(Cfb)의 한쪽 단에 연결된다. 다이오드(D7)의 캐소드와 접지점 사이에는 저항(Rc, Rd)이 직렬로 연결되어 있으며, 저항(Rc, Rd) 사이의 접점의 전압( Vg)은 스위칭 구동부(300)에 입력된다.
다음은 도4에 도시한 회로의 동작을 설명한다.
먼저, 정상 동작 모드인 경우에 대하여 설명한다. 정상 동작 모드인 경우에는 부하측에 공급되는 전력이 커지게 되며, 이에 따라 전력 공급부(100)는 높은 듀티로 스위칭을 수행한다. 따라서, 피드백 전압(Vfb)도 높은 전압을 유지하게 된다.
전력 공급부(100)의 스위칭 때마다 코일의 2차측에 유기되는 전압은 다이오드(D5)를 통해 정류되면서 제너 다이오드(ZD3)를 도통시킨다. 이때, 전압(Ve)은 제너 다이오드(ZD3)의 항복 전압 레벨로 된다. 이 전압(Ve)은 저항(R6, R7)에 의해 분배되어 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가된다.
이 경우 정상 동작 모드시에는 피드백 전압(Vfb)이 크기 때문에 트랜지스터(Q1)의 베이스-이미터 사이의 다이오드에 역전압이 인가된다. 따라서, 정상 동작 모드시에는 트랜지스터(Q1)는 오프 상태로 된다.
다음은 대기 모드에서의 동작을 도5를 참조하여 설명한다. 도5는 대기 모드시 도4의 도시한 각 회로의 주요 동작점의 파형을 나타내는 도면이다.
먼저, 대기 모드에서 전력 공급부(100)의 스위칭이 온에서 오프로 되었다고 가정하자.
그러면, 전력 공급부(100)의 1차 코일에 의해 2차측으로 유기되는 권선 전압(VT)는 거의 접지 레벨로 떨어지며, 이에 따라 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되는 전압도 거의 접지 레벨로 떨어진다. 따라서, 트랜지스터(Q1)의 베이스- 이미터간 사이의 다이오드에는 역전압이 걸리게 되므로 트랜지스터(Q1)는 오프로 된다.
전력 공급부(100)의 스위칭이 오프인 경우에는 전력 공급부(100)로부터 부하측으로 전력이 공급되지 않으므로, 출력 전압(Vout)은 도5에 도시한 바와 같이 계속 감소하게 된다. 출력 전압(Vout)이 감소하면 피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)의 크기도 작게 된다.
도5에서, 종속 전류원(Ifb)의 크기가 작아져 결국 다이오드(D6)에 흐르는 전류보다 작아지면, 커패시터(Cfb)에는 전하가 충전되기 시작하여 피드백 전압(Vfbt)은 증가하기 시작한다. 피드백 전압이 증가하여 최소 듀티시의 전압레벨에 도달하면, 전력 공급부(100)의 메인 스위치(SW1)는 스위칭 동작을 시작하고, 이에 따라 권선 전압(VT)은 증가한다. 권선 전압(VT)이 증가하면, 트랜지스터(Q1)의 베이스 전압이 증가하게 되고, 이에 따라 트랜지스터(Q1)는 온으로 된다. 정상 동작 모드와는 달리 대기 모드에서 스위칭 온 구간 동안 상기 트랜지스터(Q1)가 온으로 되는 이유는 대기 모드 동안에는 피드백 전압(Vfb)이 거의 최소 듀티시의 전압 부근 값으로 되어 트랜지스터(Q1)의 베이스와 이미터 사이에 순방향의 전압이 걸리기 때문이다.
트랜지스터(Q1)가 온으로 되면, 트랜지스터(Q1)을 통해 전류(IQ1)이 피드백회로에 공급되기 때문에 피드백 회로(200)로 흐르는 전류는 급증하게 된다. 따라서, 피드백 전압(Vfb)은 급증하여 최소 듀티시의 피드백 전압 보다 훨씬 큰 리플 성분의 전압으로 된다. 따라서, 전력 공급부(100)의 메인 스위치는 최소 듀티보다 더 큰 듀티로 스위칭을 수행하며, 이에 따라 부하측의 출력 전압(Vout)은 증가하게 된다. 출력 전압(Vout)이 증가하여 결국 설정된 출력 전압에 도달하면 전력 공급부(100)는 다시 스위칭을 오프시킨다. 이와 같이 스위칭 동작이 온에서 오프로 바뀌면 위에서 설명한 동작을 반복한다.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS의 상세 회로도이다. 도1 및 도2와 동일한 구성요소는 동일 부호로 표기하였으며, 이하에서는 동일부호에 대한 중복 설명은 생략한다.
도6에서, 전력 공급부(100)는 도1에 비해 교류 입력(AC)을 정류하기 위한 브리지 다이오드(BD), 정류된 전압을 평활화하기 위한 커패시터(Cin), 저항(Rin)을 더 포함하고 있으며, 메인 스위치로서 스위칭 모스 트랜지스터(110)를 사용하였다.
피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)은 포토 커플러(photo-coupler)(210)를 이용하여 구성하였다.
스위칭 구동부(400)는 모스 트랜지스터(110)의 소스와 접지점 사이에 연결되는 감지 저항(Rsen)과, 옵셋 전압(Voffset)과 전류 공급부(600)로부터 인가되는 전압(Vd)을 반전 입력단자로 하고, 옵셋 전압을 비반전 입력단자로 하는 비교기(410)로 이루어진다.
다음에는 도6의 상세회로의 동작을 도7을 참조하여 설명한다.
도7은 도6의 중요 회로의 동작점의 파형을 나타내는 도면이다.
먼저, 정상 동작 모드에서의 동작에 대해 설명한다.
정상 동작 모드에서는 부하측(500)에 많은 전력을 공급해야 하기 때문에 전력 공급부(100)의 스위칭 모스 트랜지스터(100)는 큰 듀티로 스위칭을 한다.
도7에 도시한 바와 같이, 정상 동작 모드시에는 부하측의 출력 전압(Vout)은 설정된 출력 전압값으로 일정하게 되며, 이에 따라 피드백 전압(Vfb)도 일정하게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 다이오드(D2)에는 전류가 흐르지 않으며, 다이오드(D3)에는 전류원(I3)로부터 일정 전류가 흐르게 된다.
다음에는 사용자 등의 조작에 의해 정상 동작 모드에서 대기 모드로 바뀐 경우의 동작을 설명한다.
정상 동작 모드에서 대기 모드로 바뀌는 시점에서는 부하측(500)의 부하가 갑자기 줄고, 전력 공급부(100)로부터는 일정한 전력이 공급되므로 출력 전압(Vout)은 순간적으로 설정된 전압보다 커지게 된다.
출력 전압(Vout)이 증가함에 따라 포토 커플러(210)로부터 출력되는 전류(Ifb)가 크게 증가하고, 이에 따라 커패시터(Cfb)에 충전되는 피드백 전압(Vout)은 정상 동작 모드에 비해 크게 감소하여 비교기(410)에 인가되는 전압(Vd)은 옵셋 전압(Voffset) 이하로 떨어지게 된다. 따라서, 스위칭 모스 트랜지스터의 스위칭은 오프 상태로 되며, 도6의 SMPS 회로는 대기 모드로 들어가게 된다.
대기 모드에서의 동작에 대해서는 이미 설명하였기 때문에 이에 대한 설명은 생략한다. 다만, 도7에서 최소 듀티시의 피드백 전압(Vfb)은 비교기에 입력되는 전압(Vd)이 옵셋 전압과 같아지게 되는 시점을 말하며, 구체적으로 최소 듀티시의 피드백 전압(Vfb)은 이다.
도8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMPS의 상세회로도이다. 도8에서도 도1, 도4, 도6과 동일한 회로에 대해서는 동일한 부호로 표기하였다. 도8에 도시한 회로의 동작은 이전의 설명으로부터 당업자라면 알 수 있는 내용이기 때문에 그 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 하나의 실시예일 뿐 본 발명이 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 또한 상기 실시예 외에 많은 변경이나 변형이 가능한 것은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 SMPS에 따르면 대기 모드시에 일정기간 동안 스위칭을 수행하고, 다시 일정 기간 동안 스위칭을 멈추는 동작을 통해 스위칭 손실을 감소시켜 입력 전력을 감소시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 정상 동작 모드시에는 제1 듀티로 스위칭을 행하며, 대기 모드시에는 제1 구간 동안은 스위칭을 수행하지 않으며 제2 구간 동안은 제2 듀티로 스위칭을 수행하여 부하측에 전력을 공급하는 전력 공급부와;
    상기 부하측의 출력전압에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원과, 상기 종속 전류원에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 가지는 피드백 회로와;
    상기 제1 구간 동안에는 제1 전류를 상기 제1 커패시터로 공급하며, 상기 제2 구간 동안에는 제2 전류를 상기 제1 커패시터로 공급하는 전류 공급부와;
    상기 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 상기 전력 공급부의 스위칭을 제어하는 스위칭 구동부를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 전류는 상기 제2 전류 보다 작은 스위칭 모드 파워 서플라이.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 구간은 상기 제2 구간 보다 긴 스위칭 모드 파워 서플라이.
  4. 제2항에서,
    상기 종속 전류원은
    상기 부하측의 출력 전압을 입력으로 하는 포토 커플러인 스위칭 모드 파워 서플라이.
  5. 제2항에서,
    상기 전력 공급부는
    입력 전원에 한쪽 단이 연결되는 제1 코일과, 상기 제1 코일의 다른쪽 단에 한쪽 단이 연결되는 제2 커패시터와, 상기 제2 커패시터와 병렬로 연결되는 스위치를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  6. 제5항에서,
    상기 전력 공급부는
    교류 입력을 정류하기 위한 브리지 다이오드와, 상기 브리지 다이오드에 의해 정류된 전압을 평활화하여 상기 입력 전원을 생성하기 위한 제3 커패시터를 더 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  7. 제5항에서,
    상기 전류 공급부는
    상기 1차 코일에 커플링되는 2차 코일에 인가되는 권선 전압에 따라 상기 제1 전류 또는 상기 제2 전류를 상기 피드백회로에 공급하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  8. 제7항에서,
    상기 전류 공급부는
    전류원과,
    상기 전류원에 애노드가 연결되며 캐소드가 상기 피드백 회로의 상기 제1 커패시터의 한쪽 단에 연결되는 제1 다이오드와
    상기 전류원에 애노드가 각각 연결되는 제2, 제3 다이오드와,
    상기 제2 다이오드의 캐소드에 직렬로 연결되며, 접점의 전압이 상기 스위칭 구동부에 입력되는 제1, 제2 저항과,
    상기 제3 다이오드의 캐소드에 각각 한쪽단이 연결되는 제3 저항 및 제3 커패시터와,
    상기 제3 다이오드의 캐소드에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드와,
    상기 제너 다이오드의 캐소드에 한쪽 단이 연결되는 제4저항과,
    상기 제4 저항의 다른쪽 단에 캐소드가 연결되며, 상기 권선 전압이 애노드에 인가되는 제4 다이오드를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  9. 제8항에서,
    상기 제3 다이오드는 상기 정상 동작 모드와 상기 대기 모드의 상기 제2 구간 동안에는 오프로 되며, 상기 대기 모드의 제1 구간 동안에는 온으로 되는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  10. 제8항에서,
    상기 전력 공급부의 상기 스위치는
    상기 제2 커패시터의 양쪽 단에 각각 소스와 드레인이 연결되는 스위칭 모스 트랜지스터인 스위칭 모드 파워 서플라이.
  11. 제10항에서,
    상기 스위칭 구동부는
    상기 스위칭 모스 트랜지스터의 소스와 접지점 사이에 연결되는 감지 저항과,
    상기 감지 저항에 의해 감지된 전압이 제1 입력 단자에 입력되고, 상기 전류 구동부의 상기 제1 및 제2 저항 사이의 접점의 전압이 제2 입력단자에 입력되고, 출력이 상기 모스 트랜지스터의 게이트에 인가되는 비교기를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  12. 제11에서,
    상기 스위칭 구동부는
    상기 감지 저항과 상기 비교기의 제1 입력 단자 사이에 연결되는 옵셋 전압을 더 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  13. 제7항에서,
    상기 전류 공급부는
    전류원과,
    상기 전류원에 애노드가 연결되며 캐소드가 상기 피드백 회로의 상기 제1 커패시터의 한쪽 단에 연결되는 제1 다이오드와
    상기 전류원에 애노드가 연결되는 제2 다이오드와,
    상기 제2 다이오드의 캐소드에 직렬로 연결되며, 접점의 전압이 상기 스위칭 구동부에 입력되는 제1, 제2 저항과,
    상기 권선 전압이 애노드에 인가되는 제3 다이오드와,
    상기 제3 다이오드의 캐소드에 한쪽 단이 연결되는 제3 저항과,
    상기 제3 저항의 다른쪽 단에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드와,
    상기 제3 저항의 다른쪽 단에 각각 한쪽단이 연결되는 제4, 제5 저항과,
    상기 제4 저항의 다른쪽 단에 한쪽단이 연결되는 제6 저항과,
    상기 제4 저항과 제6 저항의 접점에 베이스가 연결되며, 상기 제5 저항에 컬렉터가 연결되며, 상기 제1 커패시터의 한쪽단에 이미터가 연결되는 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  14. 제13항에서,
    상기 바이폴라 트랜지스터는
    상기 정상 동작 모드와 상기 제1 구간 동안에는 오프로 되며, 상기 제2 구간 동안에는 온으로 되는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  15. 제13항에서,
    상기 전력 공급부의 상기 스위치는
    상기 제2 커패시터의 양쪽 단에 각각 소스와 드레인이 연결되는 스위칭 모스 트랜지스터인 스위칭 모드 파워 서플라이.
  16. 제15항에서,
    상기 스위칭 구동부는
    상기 스위칭 모스 트랜지스터의 소스와 접지점 사이에 연결되는 감지 저항과,
    상기 감지 저항에 의해 감지된 전압이 제1 입력 단자에 입력되고, 상기 전류 구동부의 상기 제1 및 제2 저항 사이의 접점의 전압이 제2 입력단자에 입력되고, 출력이 상기 모스 트랜지스터의 게이트에 인가되는 비교기를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  17. 제16항에서,
    상기 스위칭 구동부는
    상기 감지 저항과 상기 비교기의 제1 입력 단자 사이에 연결되는 옵셋 전압을 더 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
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