KR100330638B1 - 스위칭전원장치 - Google Patents

Abstract

<목적> 동기 정류의 기능을 담당하는 트랜지스터 정류 소자에 보호 기능을 겸용시키므로써 회로를 부하 단락등의 이상 상태로부터 보호할 수 있게 한 스위칭 전원장치를 제공한다.

<구성> 정류 소자인 트랜지스터(Q2)의 동작을 제어하기 위해 트랜지스터(Q2)의 베이스에 그 주전류로를 접속한 구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스와 에미터 사이에 보호 트랜지스터(Q4)의 콜렉터 및 에미터를 접속한다. 보호 트랜지스터(Q4)의 베이스는 출력 전압의 이상 저하시에 신호를 출력하고 PWM 제어 IC (3)의 래치 출력 단자(SR)에 접속한다.

<효과> 부하 단락 등의 이상시에는 정류 소자인 트랜지스터(Q2)가 풀 오프 상태로 되어 출력을 차단하기 때문에 출력 단자에 전압이 나타나지 않으며 전원 장치의 소자가 보호된다. 정류 소자인 트랜지스터(Q2)에 보호 기능을 겸용시켰으므로 보호동작을 위해 추가하는 소자수는 적고, 회로는 간소하다.

Description

스위칭 전원 장치

산업상 이용분야

본 발명은 동기 정류 기능을 하는 트랜지스터 정류 소자에 출력 이상시의 보호 기능을 갖게 한 스위칭 전원 장치에 관한 것이다.

종래 기술

스위칭 방식의 전원 회로를 구동하기 위한 제어 회로로서, PWM 제어 방식이 일반적으로 많이 사용되며, 그 회로의 IC 화도 진행되어 왔다. 시판되고 있는 PWM제어 회로의 IC 에 있어서, 피드백되는 전원 회로의 출력 전압이 단락등의 이상에 의해 저하되면 듀티 100% 오프되는 신호를 출력하여 제어 대상인 스위칭 트랜지스터 동작을 정지시키고, 그후 회로의 보호를 행하는 것이 많다.

그런데, 입력 전압보다 높은 출력 전압을 필요로 하는 경우에 사용하는 전원 회로로서는, 제 2 도에 도시된 회로가 잘 알려져 있다.

제 2 도에 도시하는 회로는 소위 비절연형의 촙업(chop-up) DC-DC 콘버터이며, 스위칭 트랜지스터(Q1)가 온상태일 때 초크 코일(L1)에 에너지를 축적하고, 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴오프됐을때 쵸크 코일(L1)에 축적한 에너지를 플라이백 전압의 형태로 출력된다. 입력 전압(V_IN)에 그 플라이백 전압을 중첩시켜 높은 전압을 얻고, 이 높은 전압을 이용하여 다이오드(D2)를 거쳐 콘텐서(C2)를 충전한다. 그 결과, 콘텐서(C2) 양단에 나타나는 입력 전압(V_IN)보다 높은 전압이 출력 전압(V₀)으로서 출력된다.

제 2 도에 있어서 참조부호(1) 및 (2)는 각각 스위칭 전원 장치의 입력 단자와 출력 단자이고, 참조부호(3)는 IC 화된 PWM 제어 회로(이하, PWM 제어 IC 라 한다)이고, 참조부호(R1) 및 (R2)는 PWM 제어 IC(3)에 출력 전압(V₀)을 피드백하기 위한 분압 저항이며, 참조부호(C1)은 노이즈 커트용 콘텐서이다.

발명이 해결하려는 과제

그런데, 제 2 도에 도시하는 전원 회로의 PWM 제어 IC(3)에는 상기 듀티 100% 오프로 되는 신호의 출력으로 회로의 보호를 행하는 기능이 구비되어 있다.여기에서, 예컨대 부하 단락에 의해서 대전류가 흘러서 출력 전압(V₀)의 저하가 발생하면, 출력 전압(V₀)의 분압 전압의 피드백으로 이를 검지한 PWM 제어 IC(3)는 듀티 100% 오프의 신호를 출력해서 스위칭 트랜지스터(Q1)의 동작을 정지시킨다.

그러나, 제 2 도에 도시하는 회로에서는, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭 동작의 정지에 의해서 회로의 콘버터로서의 동작은 정지해도, 입력 단자(1)와 출력단자(2)가 쵸크 로일(L1)과 다이오드(D2)를 거쳐서 접속되어 있기 때문에, 출력 단자(2)에는 입력 단자(V_IN)에서 쵸크 코일(L1)의 전압 강하와 다이오드(D2)의 순방향강하 전압을 뺀 값의 전압이 나타나게 된다.

따라서, 일반적인 PWM 제어 IC 에 구비되어 있는 듀티 100% 오프로 되는 신호를 출력하는 회로의 보호 기능은 비절연형의 촙업 DC-DC 콘버터에서는 부하 단락등의 이상시에 대해서 회로를 보호하는 역할을 다하지 않는다. 이런것에서 비절연형의 촙업 DC-DC 콘버터에 의한 스위칭 전원 장치는 회로 보호를 행하기 어렵다는 결점이 있었다.

그래서 본 발명은 동기 정류 기능을 담당하는 트랜지스터 전류 소자에 보호기능을 겸용시키므로써 회로를 단락 등의 이상 상태로부터 보호할 수 있는 승압형의 스위칭 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은 초크 코일과 스위칭 소자를 직렬로 접속하고 스위칭 소자가 턴오프 했을때 쵸크 코일에 발생하는 플라이백 전압에 의한 에너지를 트랜지스터 소자를 정류 소자로서 사용한 동기 정류 회로에서 정류하여 소망의 출력 전압을 얻는 스위칭 전원 장치에 있어서, 출력 전압의 이상 저하에서 부하의 이상 상태를 검출하는 기능을 갖는 회로가 출력 전압 이상시에 출력하는 신호를 받았을 때, 동기 정류 회로의 트랜지스터 정류 소자를 구동하기 위한 신호가 트랜지스터 정류 소자의 베이스에 입력되는 것을 저지하여, 트랜지스터 정류 소자를 오프 상태로 하는 보호트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치이다.

실시예

부하 단락 등의 이상 상태시 회로의 보호를 트랜지스터 정류 소자에 행하게 한 본 발명에 따른 스위칭 전원 장치의 회로가 제 1도에 도시되어 있다. 제 1 도 있어서, 제 2 도와 동일한 구성 요소에 대해선 동일 부호를 부여하였다.

제 1 도에 있어서 그 회로 구성은 이하와 같다. 여기에서, 참조부호(1) 및 (2)는 고전위측의 입력 단자와 출력 단자를 도시하고 있으며, 저전위측의 입, 출력단자는 접지와 공통으로 했다.

입력 단자(1)를 쵸크 코일(L1)을 거쳐서 NPN 형 트랜지스터인 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉터에 접속하고, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 에미터를 접지에 접속한다.

쵸크 코일(L1)과 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉터와의 접속점을 동기 정류용 트랜지스터 정류 소자로서의 PNP 형 트랜지스터인 트랜지스터(Q2)의 에미터에 접속하고, 트랜지스터(Q2)의 콜렉터는 출력 단자(2)에 접속한다.

입력 단자(1)와 접지 사이에는 콘텐서(C1)를 접속하고 출력 단자(2)와 접지사이에는 콘텐서(C2) 및 출력 전압 분방용 저항(R1) 및 저항(R2)의 직렬 회로를 접속한다.

저항(R1) 및 저항(R2)의 접속점을 PWM 제어 IC (3)의 전압 검출 단자(FB)에 접속하고, PWM 제어 IC (3)의 펄스 출력 단자(Po)를 스위칭 트랜지스터(Q1)의 베이스와 접속한다.

트랜지스터(Q2)의 베이스를 저항(R3)과 콘텐서(C3)의 병렬 회로를 거쳐서 NPN 형 트랜지스터인 구동용 트랜지스터(Q3)의 콜렉터에 접속하고, 구동용 트랜지스터(Q3)의 에미터를 접지에 접속한다.

트랜지스터(Q2)의 베이스를 다이오드(D1)의 캐소드에 접속하고, 다이오드(D1)의 애노드를 접지에 접속한다.

트랜지스터(Q2)의 에미터와 구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스 사이에 저항(R4)를 접속하고, 구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스와 에미터 사이에 저항(R5)을 접속한다.

구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스와 접지 사이에 NPN 형 트랜지스터인 보호 트랜지스터(Q4)의 콜렉터, 에미터를 접속하고, 보호 트랜지스터(Q4)의 베이스를 PWM 제어 IC (3)의 보호 동작을 위한 신호 출력용 래치 출력 단자(SR)에 접속한다.

또한, 참조부호(E)는 외부의 전압원, 참조부호(RL)은 부하를 나타낸다.

이상같이 구성된 한 회로의 동작은 이하와 같다.

PWM 제어 IC (3)에서의 펄스 출력 신호에 의해 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴오프하면, 쵸크 코일(L1)에는 스위칭 트랜지스터(Q1)가 온 상태였을때, 저장된 에너지에 의해 플라이백 전압이 발생한다. 그로 인해, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉터와 정류 소자로서의 트랜지스터(Q2)의 에미터에는 입력 전압(V_IN)에 쵸크 코일(L1)에 발생한 플라이백 전압이 중첩된 높은 전압이 가해지게 된다.

트랜지스터(Q2)의 에미터에 가해지는 입력 전압(V_IN)과 플라이백 전압이 합해진 높은 전압은 저항(R4)을 거쳐서 구동용 트랜지스터(Q3)와 베이스내로 입력된다. 여기에서, 보호 트랜지스터(Q4)는 PWM 제어 IC (3)의 래치 출력 단자(SR)에 신호가 발생하지 않는 한, 오프 상태를 유지하게 된다. 이것에 의해서 구동용 트랜지스터(Q3)는 베이스와 에미터 사이에 정(正) 바이어스를 받아서 턴온한다.

구동용 트랜지스터(Q3)가 온 상태로 되므로서 트랜지스터(Q2)는 에미터와 베이스 사이가 정 바이어스 되어 온 상태로 되며 입력 전압(V_IN)과 플라이백 전압이 합해진 높은 접압이 콘텐서(C2)를 충전한다. 그리고, 콘텐서(C2)의 양단에 나타나는 전압이 출력 전압(V₀)으로서 부하(RL)에 공급된다.

다음에 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴온하면, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉터 및 트랜지스터(Q2)의 에미터의 전압이 저하되며, 동시에 저항(R4)을 거쳐서 구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스에 인가되고 있던 전압도 저하한다. 이에 의해 구동용 트랜지스터(Q3)는 턴오프된다. 트랜지스터(Q2)는 구동용 트랜지스터(Q3)가 오프 상태로 되므로서, 에미터, 베이스 사이의 정 바이어스 상태가 해제되어 오프 상태로 된다.

이같이 부하가 정상인 경우, 트랜지스터(Q2)는 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭 동작에 맞춰서 상호 보완적으로 온/오프 동작을 행하며, 동기 정류 기능을 다한다.

여기에서, 예컨대 부하 단락 등의 이상 상태가 발생하고 스위칭 전원 장치의 출력 전압(V₀)이 크게 저하되었다고 가정하면, PWM 제어 IC(3)는 저항(R1)과 저항(R2)의 접속점에서 전압 검출 단자(FB)에 피드백되는 출력 전압(V₀)의 분압 전압에서 출력 전압(V₀)의 저하를 검지하고 보호 동작을 개시한다.

이 보호 동작에 의해서 PWM 제어 IC (3)의 펄스 출력 단자(Po)에서 출력되는 신호는 듀티 100% 오프로 되며, 스위칭 트랜지스터(Q1)는 오프 상태인 채 스위칭 동작을 정지한다. 또한, 동시에 래치 출력 단자(SR)에서는 보호 동작 신호가 출력되어서 보호 트랜지스터(Q4)가 온 상태로 된다.

스위칭 트랜지스터(Q1)가 오프 상태인 채 스위칭 동작을 정지하면, 구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스에는 저항(R4)을 거쳐서 대략 입력 전압(V_IN)과 같은 전압이 가해지게 된다.

그러나, 보호 트랜지스터(Q4)가 온 상태로 되므로서 구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스와 에미터 사이는 단락되고, 구동용 트랜지스터(Q3)의 베이스는 정 바이어스 상태로 될 수 없다.

따라서, 구동용 트랜지스터(Q3)는 오프 상태로 되며 구동용 트랜지스터(Q3)에 의해 동작이 제어되는 트렌지스터(Q2)도 오프 상태로 된다. 여기에서, PWM 제어 IC (3)의 출력 단자(SR)에서 출력되는 신호에 대해서는 외부에서 인위적으로 리세트되지 않는한 신호의 출력이 유지되며, 그결과, 트랜지스터(Q2)는 오프 상태를 계속하게 된다.

이것에 의해서, 스위칭 전원 장치의 출력은 차단되며, 종래의 촙업 DC-DC 콘버터에 의한 스위칭 전원 장치와 같이 보호 동작에 의한 전원 장치 정지후에도 대략 입력 전압(V_IN)과 같은 전압이 출력 단자에 나타나는 사태를 방지할 수 있다.

또한, 이상까지의 제 1 도에 도시하는 본 발명의 실시예에서는, PWM 제어 IC에 예컨대 MB3800(후지쯔 제품) 같은 출력 전압의 이상 저하 검출 기능과 출력 전압이 이상 저하시 펄스 출력 신호를 듀티 100% 오프로 하는 동시에 래치 출력을 행하는 기능을 갖는 것을 사용한 경우를 가정해서 설명했다. 그러나, 시판되고 있는 PWM 제어 IC 중에는 펄스 출력 신호를 듀티 100% 오프로 하는 기능은 있어도 래치출력을 행하지 않는 것, 또는 보호 동작을 행하기 위한 기능을 갖지 않는 것도 있다. 이경우에는, 별도의 출력 전압 검출 회로를 설치하고 그 출력 신호로 보호 트랜지스터(Q4)를 온 상태로 하는 수단을 강구하면 좋다.

제 1 도는 본 발명에 의한 스위칭 전원 장치의 실시예의 회로도.

제 2 도는 종래의 비절연형 스위칭 전원 장치의 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 입력 단자 2 : 출력 단자

3 : PWM 제어 IC Q1 : 스위칭 트랜지스터

Q2 : 정류 소자로서의 트랜지스터

Q3 : 구동용 트랜지스터 Q4 : 보호 트랜지스터

상술한 바와같이, 본 발명에 의한 스위칭 전원 장치는 부하 단락 등의 출력전압의 이상 저하시 트랜지스터 정류 소자를 구동하는 신호의 입력을 저지하고, 이것으로서 트랜지스터 정류 소자를 오프 상태로 하므로써 출력을 차단하고, 동기 정류 기능을 다하는 트랜지스터 정류 소자에 보호 기능을 겸용시킨 것이다.

이것에 의해서, 종래의 비절연형의 촙업 DC-DC 콘버터와 같이, 부하 단락 등의 이상 상태에 대해서 회로의 콘버터로서의 기능은 정지해도 출력 단자에 대략 입력 전압과 같은 전압이 나타나는 사태를 방지할 수 있고, 회로를 구성하는 소자를 보호할 수 있다.

또한, 동기 정류를 행하는 트랜지스터 정류 소자에 이상시의 출력 차단을 행하게 하고 있으므로, 보호 동작을 위해서 전원 장치에 추가하는 소자의 수는 적어도 되며, 회로가 간소하다.

Claims (6)

1. 쵸크 코일과 스위칭 소자를 직렬로 접속하고, 스위칭 소자가 턴오프했을때 그 쵸크 코일에 플라이백 전압을 발생시키고, 상기 플라이백 전압에 의한 에너지를 트랜지스터 소자를 정류 소자로서 사용하는 동기 정류 회로에서 정류하여 소망의 출력 전압을 얻는 스위칭 전원 장치에 있어서,

   출력 전압의 이상 저하시 부하의 이상 상태를 검출하는 기능을 갖는 회로가 출력 전압 이상시에 출력되는 신호를 받았을 때, 상기 동기 정류 회로의 상기 트랜지스터 정류 소자를 구동하기 위한 신호가 상기 트랜지스터 정류 소자에 입력되는 것을 저지하여, 트랜지스터 정류 소자를 오프 상태로 하는 보호 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
2. 쵸크 코일과 스위칭 소자를 직렬로 접속하고, 스위칭 소자가 턴오프했을때 상기 쵸크 코일에 플라이백 전압을 발생시키고, 상기 플라이백 전압에 의한 에너지를 트랜지스터 소자를 정류 소자로서 사용하는 동기 정류 회로에서 정류하여 소망의 출력 전압을 얻는 스위칭 전원 장치에 있어서,

   PNP 형의 바이폴라 트랜지스터로 된 상기 트랜지스터 정류 소자.

   상기 트랜지스터 정류 소자의 동작을 제어하기 위해 상기 트랜지스터 정류 소자의 베이스에 주전류로(主電流路)를 접속한 NPN 형의 바이폴라 트랜지스터로 된 구동용 트랜지스터 및,

   출력 전압의 이상 저하시 부하의 이상 상태를 검출하는 기능을 갖는 회로가 출력 전압 이상시에 출력되는 신호를 받았을 때, 상기 트랜지스터 정류 소자와 상기 쵸크 코일의 접속점에서의 온, 오프 제어 신호가 상기 구동용 트랜지스터의 베이스에 공급되는 것을 저지하여, 상기 트랜지스터 정류 소자를 오프 상태로 하는 보호 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 NPN 형 바이폴라 트랜지스터를 보호 트랜지스터로 사용하여, 그 주전류로를 상기 구동용 트랜지스터의 에미터와 베이스 사이에 접촉한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   보호 래치 출력을 구비한 PWM 제어 IC 를 상기 스위칭 소자를 구동하기 위한 제어 회로로서 사용하고, 상기 출력 전압 이상시에 출력되는 신호로서 상기 PWM 제어 IC 의 보호 래치 출력을 사용한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   출력 전압 이상시에는 상기 트랜지스터 정류 소자를 오프 상태로 하는 동시에, 스위칭 소자의 동작을 듀티 100% 오프하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   출력 전압 이상시에는 상기 트랜지스터 정류 소자를 오프 상태로 하는 동시에, 스위칭 소자의 동작을 듀티 100% 오프하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.