KR100331575B1

KR100331575B1 - 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드전원공급기

Info

Publication number: KR100331575B1
Application number: KR1020000034392A
Authority: KR
Inventors: 정홍주
Original assignee: 정홍주
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2002-04-06
Also published as: KR20000058653A

Abstract

본 발명은 스위칭 모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply) 에 관한 것으로, 종래의 출력 트랜스포머(Transformer)를 제어하는 PWM 제어부를 종래의 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식을 채택하여 종래의 SMPS에 있어서 에러 엠프(Error Amp)의 양단에 인가되는 임피던스(impedance)값에 따른 SMPS의 응답특성 및 안정도를 높이기 위해 PWM 제어부를 개선한 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS에 관한 것으로 교류전원을 입력받아 트랜스포머의 발진동작을 제어하여 필요로 하는 정전압을 생성하는 SMPS에 있어서, 동작 초기에 동작이 개시되어 아날로그 시그널인 입력 전압 및 전류를 검출하여 각각 디지털 데이터로 변환하는 A/D 변환부와; 상기 A/D 변환부에서 변환된 데이터의 노이즈를 제거하며 각각의 P, I, D 값을 지정하고, 상기 노이즈 제거된 데이터를 PWM 발진부(303)에 입력하는 PID 필터(Filter)부와; 상기 PID 필터부에 연결되어 각각의 P, I, D값을 연산하는 마이크로컴퓨터와; 상기 마이크로컴퓨터와 연결되어 상기 마이크로컴퓨터를 단말장치와 연결하는 통신 포트와; 상기 마이크로컴퓨터와 연결되어 디스플레이부를 연결하며 동작상태를 표시하는 디지털 I/O와; 상기 마이크로컴퓨터와 연결되어 메모리부를 연결하는 메모리통신포트로 구성하여 상기 트랜스포머의 발진동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS를 제공하여 종래의 문제점을 극복하고자 한다.

Description

디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기{SMPS converting by high-frequency that makes use of Digital Control System}

본 발명은 스위칭 모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply, 이하 SMPS라 함)에 관한 것으로,

더 상세하게는 종래의 출력 트랜스포머(Transformer)를 제어하는 PWM 제어부를 종래의 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식을 채택하여 종래의 SMPS에 있어서 에러 엠프(Error Amp)의 양단에 인가되는 임피던스(impedance)값에 따른 SMPS의 응답특성 및 안정도를 높이기 위해 PWM 제어부를 개선한 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 SMPS는 도 2에 회로도로 도시한 바와 같은 전압 제어 방식과 도 3에 회로도로 도시한 바와 같은 전류 제어 방식으로 분류를 할 수가 있다.

이와 같은 종래의 아날로그 방식은 도 4에 블록도로 도시한 바와 같이,

입력되는 교류전원에 혼입되는 노이즈를 제거하는 필터 및 상기 필터에서 노이즈 제거되어 입력되는 교류전원을 1차적으로 정류하는 정류부(10)와 상기 정류부를 거쳐 정류되어 입력되는 직류 전압을 변압시키는 트랜스포머(Transformer)(2)와 상기 트랜스포머에 연결되어져 트랜스포머의 온/오프 주기를 조절하는 펄스 폭변조(Pulse Width Modulator, 이하 PWM이라 칭함)된 시그널(Signal)을 출력하도록 제어하는 PWM 제어부(30)와 상기 트랜스포머(20)의 2차측 직류 출력 전압을 정류하여 필요로 하는 정전압으로 공급하는 2차측 정류부(40)로 구성이 된다.

도 4를 참조하여 상기 PWM 제어부(30)와 상기 트랜스포머(20)의 동작상태를 상세히 설명하면,

전원이 공급되는 동작 초기에 동작이 개시되어 임의 주기를 갖는 구형파의 PWM 시그널을 출력하여 PWM 제어부(30)에서는 상기 트랜스포머(20)를 온/오프시키게 된다. 만일 상기 트랜스포머(20)가 온되는 경우,

트랜스포머(20)의 1차 권선측에 전류가 흘러 에너지가 저장되며 비례하여 2차 권선측에 전압을 유기시키게 되며, 상기 트랜스포머(20)를 오프하게 되면,

상기 트랜스포머(20)는 2차 권선측에 유기된 전압으로부터 2차측 정류부(40)를 통해 필요로 하는 전압을 출력하게 되는 것이다.

상술한 것과 같이 동작하는 종래의 SMPS는 도 5에 도시한 바와 같이 에러 엠프(Error Amp)의 Z₁과 Z₂에 인가되는 임피던스(Impedance)값을 결정하기가 어렵기 때문에 SMPS의 안정도 및 응답특성에 중요한 변수로 작용하며, 또한 트랜스포머(Transformer)의 설계를 복잡하고 어렵게 하는 요인으로 작용을 하여 왔다.

뿐만 아니라 특히, 단점으로 트랜스포머의 용량에 따른 2차측 권선의 회전수가 달라져 트랜스포머의 종류를 다양하게 하는 원인이 되어 왔던 것이다.

상술한 바와 같이 종래와 같은 SMPS의 문제점을 정리하면,

1. 진폭 및 주파수를 변환시키는 방식인 펄스폭 변조의 주파수에 따른 트랜스포머의 용량이 변한다는 것과

2. 트랜스포머의 용량에 따른 2차측 권선의 회전수가 달라진다는 것과

3. 트랜스포머의 코어 로스(Core Loss), 코일(Coil)분포 용량, 변환 로스(Loss)등으로 인하여 PWM 주파수를 150KHz이상으로 하기가 어렵다는 문제점이 있어왔던 것이다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 교류전원을 입력받아 트랜스포머의 발진동작을 제어하여 필요로 하는 정전압을 생성하는 SMPS에 있어서, 동작 초기에 동작이 개시되어 아날로그 시그널인 입력 전압 및 전류를 검출하여 각각 디지털 데이터로 변환하는 A/D 변환부와; 상기 A/D 변환부에서 변환된 데이터의 노이즈를 제거하며 각각의 P, I, D 값을 지정하고, 상기 노이즈 제거된 데이터를 PWM 발진부에 입력하는 PID 필터(Filter)부와; 상기 PID 필터부에 연결되어 각각의 P, I, D값을 연산하는 마이크로컴퓨터와; 상기 마이크로컴퓨터와 연결되어 상기 마이크로컴퓨터를 단말장치와 연결하는 통신 포트와; 상기 마이크로컴퓨터와 연결되어 디스플레이부를 연결하며 동작상태를 표시하는 디지털 I/O와; 상기 마이크로컴퓨터와 연결되어 메모리부를 연결하는 메모리통신포트로 구성하여 상기 트랜스포머의 발진동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS를 제공하고자 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS의 구조를 블록으로 상세히 도시한 블록도

도 2 는 종래의 전압 제어 방식의 SMPS를 도시한 참고도

도 3 은 종래의 전류 제어 방식의 SMPS를 도시한 참고도

도 4 는 종래의 SMPS를 블록으로 간략히 도시한 블록도

도 5 는 종래의 에러 앰프 양단에 인가되는 임피던스를 도시한 참고도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 필터 및 정류부 200 : PFC 회로부

300 : PWM 제어부 400 : 트랜스포머 및 2차 정류부

301 : A/D 변환부 302 : PID 필터부

303 : PWM 발진부 304 : 디지털 I/O(In/Out)

305 : 마이크로컴퓨터 306 : 통신 포트

307 : 메모리 통신 포트

이하, 본 발명에 따른 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS의 바람직한 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS의 구조를 블록으로 상세히 도시한 블록도로,

교류전원에 혼입되어 입력되는 노이즈를 제거하는 필터 및 상기 필터에서 노이즈 제거되어 입력되는 교류전원을 1차적으로 정류하는 정류부(100)와; 상기 정류부(100)를 거쳐 정류되어 입력되는 전압을 승압하는 PFC 회로부(200)와; 상기 PFC 회로부(200)에서 승압된 전압을 입력받아 변압시키는 트랜스포머(Transformer) 및 상기 트랜스포머의 2차측 직류 출력 전압을 정류하여 필요로 하는 정전압으로 공급하는 2차 정류부(400)와; 상기 트랜스포머에 연결되어 그 발진 동작을 제어하는 PWM 제어부(300)로 구성되며,

상기 PWM 제어부(300)는 동작 초기에 동작이 개시되어 아날로그(Analog) 시그널인 입력 전압 및 전류를 검출하여 각각 디지털(Digital) 데이터로 변환하는 A/D 변환부(301)와; 상기 A/D 변환부(301)에서 변환된 데이터의 노이즈를 제거하여 각각의 P, I, D 값을 지정하고, 상기 노이즈 제거된 데이터를 PWM 발진부에 입력하는 PID 필터부(302)와; 상기 PID 필터부(302)에 연결되어 각각의 P, I, D값을 연산하는 마이크로컴퓨터(305)와; 상기 마이크로컴퓨터(305)와 연결되어 상기 마이크로컴퓨터(305)를 단말장치와 연결하는 통신포트(306)와; 상기 마이크로컴퓨터(305)와 연결되어 디스플레이부를 연결하며 동작상태를 표시하는 디지털 I/O(304)와; 상기 마이크로컴퓨터(305)와 연결되어 메모리부를 연결하는 메모리 통신 포트(307)와; 상기 PID 필터부(302)에서 지정한 각각의 P, I, D값에 따라 펄스폭 변조파를 생성하여 상기 트랜스포머의 발진동작을 제어하는 PWM 발진부(303)로 구성된다.

또한, 상기 디지털 I/O(304)와 연결되어 출력 전압 및 전류를 디스플레이하는 디스플레이부(308), 상기 메모리 통신 포트(307)와 연결되어 필요에 따라 메모리를 추가하며 상기 마이크로컴퓨터(305)에서 연산한 데이터를 입, 출력하는 메모리부(310), 상기 통신 포트(306)와 연결되어 출력전압과 전류값 및 필요한 데이터의 연산을 수행하는 단말장치(309)를 선택에 따라 더 구비하여 구성함이 바람직하다.

또한, 상기 필터 및 정류부(100)에서 사용되는 필터는 EMI 필터를 구비하여 사용함이 바람직하다.

또한, 상기 통신 포트(306)는 시리얼 포트(Serial Port)를 구비하고 상기 메모리 통신 포트(307)는 직렬 주변 장치(Serial Peripheral Interface)를 구비하여 사용함이 바람직하다.

또한, 상기 트랜스포머 및 2차 정류부(400)에서 사용하는 트랜스포머는 종래의 EI Core 나 PQ Core를 이용한 권선방식의 트랜스포머를 사용하지 않고 평면으로 PCBs를 적층하여 병렬 연결한 Planar 트랜스포머 또는 Qubic 트랜스포머를 구비하여 사용함이 바람직하다.

이상에서와 같이 구성되는 본 발명에 따른 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS의 일 실시예에 따른 동작상태를 설명하면,

필터 및 정류부(100)는 외부로부터 AC 85 - 265V의 교류 전원을 입력받아 혼입되어 입력되는 노이즈(Noise)를 제거하는 필터링을 수행하고, 상기 노이즈 제거되어 입력되는 교류전원을 1차적으로 약 300V의 직류 전압으로 정류하여 PFC 회로부(200)에 입력을 한다.

상기 정류된 직류 전압을 입력받아 PFC 회로부(200)는 인덕턴스(Inductance)의 축적소자를 이용하여 출력 전압을 약 400V로 승압하여 변압 및 2차 정류부(400)의 트랜스포머의 1차측에 승압된 직류 전압을 입력하게 된다.

상기 승압된 직류 전압을 입력받아 2차 정류부(400)에서는 PWM 제어부(300)의 명령에 따라 온/오프를 하여 만일 트랜스포머가 온 되어지면, 트랜스포머의 1차측에 전류가 흐르게 되어 에너지가 저장되며 비례하여 2차측에 전압을 유기시키게 된다. 상기와 같이 유기된 전압은 상기 트랜스포머가 오프되게 되면 2차측에 유기된 전압은 2차측 정류부에 입력되어 2차로 정류되어서 필요로 하는 정전압을 출력하게 된다.

또한 출력단과 A/D 변환부(301)를 서로 피드백(Feedback)을 걸어 주어 부하에 따른 출력 전압의 오차율을 수정할 수 있게 한다.

상술한 것과 같이 동작을 하는 본 발명에 따른 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS인 PWM 제어부(300)의 동작 상태를 보다 상세히 설명하면,

종래의 12비트(Bit)나 14비트를 사용하는 A/D 변환부(301)는 전원이 공급되는 동작 초기에 동작이 개시되어 보조전원으로부터 입력받은 아날로그 전압이나 전류를 2진수 디지털(Digital)로 변환하여 PID 필터부(302)로 입력한다.

상기 디지털 시그널을 입력받아 상기 PID 필터부(302)에서는 디지털 필터(Digital Filter)를 사용하여 입력된 디지털 시그널 중 노이즈를 제거하며 PID(Proportional Integral Differential)제어방식을 사용하여 각각의 P, I, D값을 지정하게 되는데,

하기 [식 1]의 변수 e(t)는 추적오차(tracking error)를 나타내며 원하는 출력값과 실제 출력값의 차이이다. 이 오차신호 e(t)가 PID 필터부(302)에 보내지고 상기 PID 필터부(302)는 이 오차신호의 미분값과 적분값을 지정하게 된다. 상기 PID 필터부(302)에서 출력되는 신호 u(t)는 오차에 비례이득 P(Kp)를 곱한 것, 오차의 적분값에 I(Ki)를 곱한 것, 오차의 미분값에 D(Kd)를 곱한 것의 합으로 계산된다. 즉, [식 1]과 같이 계산된다.

[식 1]

상기 마이크로컴퓨터(305)는 각각의 P, I, D값을 연산하여 상기 PID 필터부(302)에 입력을 한다. 상기 마이크로컴퓨터(305)가 연산하는 각각의 P, I, D값은 테스트 프로그램에 의해 자동으로 지정되거나 선택에 따라 통신 포트(306)를 통해 상기 마이크로컴퓨터(305)와 연결되는 단말장치(309)를 통해 수동으로 각각의 P, I, D 값을 지정할 수도 있다.

PWM 발진부(303)는 상기 PID 필터부(302)에서 지정한 P, I, D값에 따라 약 500KHz의 펄스폭 변조파를 생성하여 트랜스포머(20)를 제어해서 필요로 하는 출력 전압을 생성시킨다. 상기 PWM 발진부(303)는 Half Bridge 및 Full Bridge 방식을 채택할 수 있도록 2개 및 4개의 출력을 생성함이 바람직하다.

상술한 것과 같이 동작하는 본 발명에 따른 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS는 선택에 따라 마이크로컴퓨터(305)와 디스플레이부(308)를 연결하며, 또한 리모트 컨트롤 기능을 가지며 각종 동작 상태를 표시하는 알람기능을 수행하는 디지털 I/O(304)를 통해 출력 전압 및 전류를 디스플레이할 수 있는 디스플레이부(308), 마이크로컴퓨터(305)와 메모리부(310)를 연결하는 메모리 통신 포트(307)와 연결되어 필요시마다 데이터를 추가하며 상기 마이크로컴퓨터(305)가 연산하는 데이터를 입, 출력하는 메모리부(310), 마이크로컴퓨터와 연결되는 통신 포트(306)를 통해 마이크로컴퓨터(305)와 연결되어 데이터를 연산하고 상기한 각각의 P, I, D값을 지정하여 상기 마이크로컴퓨터(305)에 입력하는 단말장치(309)를 선택적으로 추가하여 구성할 수도 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 SMPS는 종래 트랜스포머의 2차 권선에 대한 문제점을 극복할 수가 있으며, 단말장치를 이용하여 전압과 전류 설정을 임의로 할 수가 있을 뿐만 아니라 각 제품의 시뮬레이션도 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래에 있어서는 임피던스값에 따른 SMPS의 응답특성을 효율적으로 조정을 할 수가 없었지만 상기한 것과 같이 구성되는 본 발명에 따르면 펄스폭 변조파를 적절하게 생성하여 응답특성을 높일 수가 있는 것이다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

교류전원을 입력받아 트랜스포머의 발진동작을 제어하여 필요로 하는 정전압을 생성하는 SMPS에 있어서,

동작 초기에 동작이 개시되어 아날로그 시그널인 입력 전압 및 전류를 검출하여 각각 디지털 데이터로 변환하는 A/D 변환부(301)와;

상기 A/D 변환부(301)에서 변환된 데이터의 노이즈를 제거하며 각각의 P, I, D 값을 지정하고, 상기 노이즈 제거된 데이터를 PWM 발진부(303)에 입력하는 PID 필터(Filter)부(302)와;

상기 PID 필터부(302)에 연결되어 각각의 P, I, D값을 연산하는 마이크로컴퓨터(305)와;

상기 마이크로컴퓨터(305)와 연결되어 상기 마이크로컴퓨터(305)를 단말장치와 연결하는 통신 포트(306)와;

상기 마이크로컴퓨터(305)와 연결되어 디스플레이부를 연결하며 동작상태를 표시하는 디지털 I/O(304)와;

상기 마이크로컴퓨터(305)와 연결되어 메모리부를 연결하는 메모리통신포트(307)로 구성하여 상기 트랜스포머의 발진동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기
제 1 항에 있어서,

상기 트랜스포머는 플래너(Planar) 트랜스포머로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기
제 1 항에 있어서,

상기 트랜스포머는 큐빅(Qubic) 트랜스포머로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기
제 1 항에 있어서,

상기 시리얼 포트(Serial Port)와 연결되어 출력전압과 전류값을 설정하고 데이터를 연산하는 단말장치를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 I/O와 연결되어 전압 및 전류를 디스플레이 하는 디스플레이부를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기
제 1 항에 있어서,

상기 SPI와 연결되어 필요한 데이터를 추가하는 메모리부를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드전원공급기
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 I/O와 연결되어 전압 및 전류를 디스플레이 하는 디스플레이부와 상기 SPI와 연결되는 메모리부를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 I/O와 연결되어 전압 및 전류를 디스플레이 하는 디스플레이부와; 상기 시리얼 포트(Serial Port)와 연결되어 출력전압 및 전류값을 설정하며 데이터를 연산하는 단말장치를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 제어 시스템을 이용한 고주파 변환 스위칭모드 전원공급기