KR100344784B1 - 스위칭 전원장치 - Google Patents

Abstract

출력단의 단락 및 트랜스포머 코어의 포화로 인한 과전류를 감지하여 회로의 손상을 방지할 수 있도록 한 스위칭 전원장치에 관한 것으로, 트랜스포머 및 트랜스포머를 통해 흐르는 전류를 조절하기 위한 스위칭부를 구비한 전원장치에 있어서, 스위칭부의 '온'구간동안 입력전압에 비례하는 기울기의 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부와, 스위칭부의 출력과 상기 삼각파 발생부의 출력을 비교하여 스위칭부의 출력레벨이 삼각파 발생부의 출력레벨 이상일 경우 그 차이값을 출력하는 비교부와, 비교부의 차이값 출력이 일정회 이상 연속되면 트랜스포머의 출력 단락 또는 포화로 판단하여 전류 제한신호를 출력하는 판단부와, 트랜스포머의 출력을 피드백시키기 위한 피드백부와, 피드백부 및 판단부의 출력에 따라 스위칭부의 온/오프를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되므로 제품의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

스위칭 전원장치{Switching Power Supply}

본 발명은 전원장치에 관한 것으로서, 특히 스위칭 전원장치에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 기술에 따른 스위칭 전원장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 기술에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 나타낸 레이아웃도이고, 도 2는 도 1의 각부 출력파형을 나타낸 파형도이다.

종래기술에 따른 스위칭 전원장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 1/2차측 권선수에 따라 입력전원의 전압레벨을 변환하여 출력하는 트랜스포머(T), 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선 일단에 연결된 스위칭용 트랜지스터(Q), 상기 트랜지스터(Q)의 소오스에 직렬 연결된 전압 검출용 저항(R_S), 상기 저항(R_S) 양단에 인가된 전압레벨이 기설정 전압레벨 이상일 때 전류를 차단시키기 위한 신호를 출력하는 전류 제한부(12), 상기 트랜스포머(T)의 출력을 피드백시키기 위한 피드백부(13), 상기 피드백부(13) 및 전류 제한부(12)의 출력에 따라 상기 트랜지스터(T)의 게이트에 인가되는 구동신호의 펄스폭을 제어하여 권선을 통해 흐르는 전류량을 조절하는 펄스폭 제어부(11)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 종래기술의 동작을 설명하면 다음과 같다.

외부에서 전원공급 명령이 출력되면 펄스폭 제어부(11)가 도 2와 같이, 게이트 구동전압(V_GS)을 일정 레벨이상으로 인가하고 그에 따라 트랜지스터(Q)가 턴온되어 트랜스포머(T)의 1차 권선에 전류(I_D)가 흐른다.

그리고 트랜스포머(T)의 1/2차 권선비에 따라 입력전압 레벨이 변환되어 각 출력단(V_O1)(V_O2)을 통해 해당 파트로 공급된다.

이어서 트랜지스터(Q)의 소오스를 통해 흐르는 전류는 저항(R_S) 양단에 전압(V_S)형태로 검출되는데, 전압(V_S)에는 도 2와 같이, 서지(Surge) 전류에 의한서지 전압성분이 존재하므로 저항(R₁) 및 커패시터(C₁)로 이루어진 서지 제거회로를 통해 서지 성분이 제거된 도 2와 같은 전압(V_S')형태로 전류 제한부(12)로 입력된다.

그리고 전류 제한부(12)는 입력된 전압(V_S')을 내부 설정전압과 비교하여 입력된 전압이 내부 설정전압 이상이면 입력전류를 제한하기 위한 전류 제한신호를 펄스폭 제어부(11)로 출력한다.

한편, 피드백부(13)는 트랜스포머(T)의 출력을 펄스폭 제어부(11)로 피드백시킨다.

따라서 펄스폭 제어부(11)는 피드백부(13)의 출력에 따라 트랜지스터(Q) 게이트 구동펄스의 폭을 제어함으로서 전류량을 조절하여 트랜스포머(T) 출력전압 레벨을 일정하게 유지시키고, 전류 제한부(12)에서 전류 제한신호가 출력되면 트랜지스터(Q)를 오프시켜 과전압을 방지한다.

종래의 기술에 따른 스위칭 전원장치는 기설정된 기준값을 이용하여 실제 트랜스포머의 1차측에 흐르는 최고 전류값을 검출하는데, 2차 출력이 다단이고 저전압 단락이거나 트랜스포머 코어의 포화일 경우 실제 회로에 손상을 줄 수 있는 전류이지만 상기 기준값 이상으로는 증가하지 않으므로 이를 검출하지 못하고 결국, 스위칭 소자를 비롯한 내부 회로의 손상을 초래하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 출력단의 단락 및 트랜스포머 코어의 포화로 인한 과전류를 감지하여 회로의 손상을 방지할 수 있도록 한 스위칭 전원장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 나타낸 레이아웃도

도 2는 도 1의 각부 출력파형을 나타낸 파형도

도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 나타낸 레이아웃도

도 4는 도 3의 각부 출력파형을 나타낸 파형도도 5a는 도 3의 삼각파 발생부의 구성을 나타낸 회로도도 5b는 도 5a의 삼각파 발생부의 동작을 설명하기 위한 타이밍도도 6a는 도 3의 서지제거부의 구성을 나타낸 회로도도 6b는 도 6a의 서지제거부의 동작을 설명하기 위한 타이밍도도 7은 도 3의 피드백부의 구성을 나타낸 회로도도 8은 도 3의 비교부의 구성을 나타낸 회로도도 9는 도 3의 판단부의 구성을 나타낸 회로도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21: 펄스폭 제어부 22: 삼각파 발생부

23: 서지 제거부 24: 비교부

25: 판단부 26: 피드백부

Q: 트랜지스터 T: 트랜스포머

본 발명은 트랜스포머 및 트랜스포머를 통해 흐르는 전류를 조절하기 위한 스위칭부를 구비한 전원장치에 있어서, 스위칭부의 '온'구간동안 입력전압에 비례하는 기울기의 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부와, 스위칭부의 출력과 상기 삼각파 발생부의 출력을 비교하여 스위칭부의 출력레벨이 삼각파 발생부의 출력레벨 이상일 경우 그 차이값을 출력하는 비교부와, 비교부의 차이값 출력이 일정회 이상 연속되면 트랜스포머의 출력 단락 또는 포화로 판단하여 전류 제한신호를 출력하는 판단부와, 트랜스포머의 출력을 피드백시키기 위한 피드백부와, 피드백부 및 판단부의 출력에 따라 스위칭부의 온/오프를 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 나타낸 레이아웃도, 도 4는 도 3의 각부 출력파형을 나타낸 파형도, 도 5a는 도 3의 삼각파 발생부의 구성을 나타낸 회로도, 도 5b는 도 5a의 삼각파 발생부의 동작을 설명하기 위한 타이밍도, 도 6a는 도 3의 서지제거부의 구성을 나타낸 회로도, 도 6b는 도 6a의 서지제거부의 동작을 설명하기 위한 타이밍도, 도 7은 도 3의 피드백부의 구성을 나타낸 회로도, 도 8은 도 3의 비교부의 구성을 나타낸 회로도이고, 도 9는 도 3의 판단부의 구성을 나타낸 회로도이다.

본 발명에 따른 스위칭 전원장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 1/2차측 권선수에 따라 입력전원의 전압레벨을 변환하여 출력하는 트랜스포머(T), 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선 일단에 연결된 스위칭용 트랜지스터(Q), 상기 트랜지스터(Q)의 소오스에 직렬 연결된 전압 검출용 저항(R_S), 입력전압에 비례하는 기울기를 갖는 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부(22), 상기 저항(R_S) 양단에 유기된 전압(V_S)의 서지 성분을 제거하는 서지 제거부(23), 상기 삼각파 발생부(22)와 서지 제거부(23)의 출력 전압레벨을 비교하여 서지 제거부(23)의 출력 전압레벨이 삼각파 발생부(22)의 출력전압보다 높으면 그 차이값을 출력하는 비교부(24), 상기 비교부(24)의 차이값 출력이 일정회 이상 연속되면 전류제한 신호를 출력하는 판단부(25), 상기 트랜스포머(T)의 출력을 피드백시키기 위한 피드백부(26), 상기 피드백부(26) 및 판단부(25)의 출력에 따라 상기 트랜지스터(Q)의 게이트에 인가되는 구동펄스의 폭을 제어하여 권선을 통해 흐르는 전류량을 조절하는 펄스폭 제어부(21)를 포함하여 구성된다.이때 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 세부구성을 도 5a 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.먼저, 삼각파발생부(22)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 베이스에 저항(R2)을 통해 전압(Vgs)을 인가받고 에미터가 접지되며, 컬렉터에 전압(V_IDC)를 인가받는 저항(R1)과 커패시터(C)가 병렬연결된 트랜지스터(Q)로 구성되고 상기 저항(R1)과 커패시터(C)의 중단을 통해 삼각파 출력전압(V_SS)가 출력된다.이와 같이 구성된 삼각파발생부(22)의 동작을 도 5b의 타이밍도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 즉, 전압(Vgs)에 따라 트랜지스터가 온/오프되고 그에 따라 전압(V_IDC)이 저항(R1)을 통해 커패시터(C)에 충전되어 삼각파 전압(V_SS)이 출력된다. 또한 전압(V_IDC)이 V2레벨로 높아지면 커패시터(C)의 충전전압 기울기가 상승하여 t4 ~ t7과 같이 나타난다.다음으로, 서지제거부(23)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 저항(R0)과 커패시터(C)로 구성되어 전압(Vgs)을 미분하는 미분회로, 상기 미분회로의 출력에서 음(-)전압 성분을 제거하는 제너다이오드(D1), 상기 제너다이오드(D1)를 통해 음(-)전압 성분이 제거된 미분회로 출력을 저항(R1)을 통해 베이스에 인가받고 에미터가 접지되며, 컬렉터에 전류검출전압(V_S)이 인가되는 트랜지스터(Q1)로 구성되고 상기 전류검출전압(V_S)과 상기 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 연결단에서 서지가 제거된 전압(V_SB)이 출력된다.이와 같이 구성된 서지제거부(23)의 동작을 도 6b의 타이밍도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.전압(Vgs)은 도 6b와 같이, 미분회로를 통해 미분되고 제너다이오드(D1)를 거쳐 음(-)전압 성분이 제거되고 V_D와 같은 파형이 출력된다. 이때 V_D파형의 '하이'구간동안 트랜지스터(Q1)가 온되어 V_S전압의 서지성분이 제거되어 결국 V_SB와 같은 파형이 출력된다.

다음으로 펄스폭 제어부(21)는 스위칭 전원에 사용되는 통상의 PWM(Pulse Width Modulation) IC가 사용된다.다음으로 피드백부(26)는 도 7과 같이, 분압비에 의해 출력전압(V_O1) 레벨을 조절하여 피드백 전압(V_FB)으로 출력하기 위한 분압저항(R1)(R2)으로 구성된다. 또한 피드백으로 인한 노이즈를 방지하기 위해 포토 커플러 등을 이용한 절연방식으로 신호를 피드백하는 구성도 사용할 수 있다.다음으로 비교부(24)는 도 8과 같이, 두 입력신호(V_SB)(V_SS)의 차이(V_C)를 출력하는 범용 OP-AMP를 사용하여 구성된다.그리고 판단부(25)는 도 9에 도시된 바와 같이, 다이오드(D1), 다이오드(D1)와 직렬연결된 저항(R1)(R2), 상기 저항(R2)과 컬렉터가 연결되고 에미터가 접지되며 베이스에 지연회로의 일단이 연결된 트랜지스터(Q1)로 구성된다. 그리고 상기 지연회로는 다이오드(D11), 상기 다이오드(D11)와 직렬연결된 저항(R11) 및 저항(R13), 상기 저항(R11)과 저항(R13)의 중간에 병렬연결된 커패시터(C11) 및 저항(R12), 상기 저항(R13)에 베이스가 연결되고 에미터가 접지되며 컬렉터에 저항(R14)을 통해 VCC전원이 연결되고 컬렉터와 저항(R14)의 연결점이 상기 트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결된 트랜지스터(Q11)로 이루어진다.이와 같이 구성된 판단부(25)는 입력전압 즉, 비교부(24) 출력전압(V_C)이 커패시터(C) 충전전압보다 높으면 다이오드(D)를 통해 상기 커패시터(C)에 충전되고 결국, 출력전압(V_P)이 상승하게 된다. 따라서 상기 출력전압(V_P)이 일정 레벨이상이되면 비교부(24) 출력전압(V_C)이 연속으로 일정회 이상 입력된 것으로 판단하는 것이다. 이때 지연회로는 입력전압 즉, 비교부(24) 출력전압(V_C)이 커패시터(C) 충전전압보다 높으면 커패시터(C11)에 충전이되고 그에 따라 트랜지스터(Q11)이 온되어 트랜지스터(Q1)을 오프시킨다. 따라서 상술한 바와 같이, 커패시터(C)의 충전으로 출력전압(V_P)이 상승하게 된다.한편, 비교부(24) 출력전압(V_C) 입력이 일시적으로 중단되거나 커패시터(C) 레벨에 비해 낮은 전압이 일시적으로 입력되면 지연회로의 커패시터(C11)에 충전된 전압이 트랜지스터(Q11)를 온시키고 그에 따라 트랜지스터(Q1)이 오프상태로 유지되므로 상기 커패시터(C) 충전레벨이 방전되지 않고 유지된다. 이는 일시적인 오류 등으로 인해 비교부(24)의 출력이 없을때 트랜지스터(Q1)이 동작하여 커패시터(C)가 방전하는 것을 방지하기 위한 것이다. 그러나 비교부(24) 출력전압(V_C)이 일정시간 이상 즉, 상기 커패시터(C11)가 방전될때까지 입력되지 않을 경우 트랜지스터(Q11)가 오프되고 그에 따라 트랜지스터(Q1)이 온되므로 저항(R2)을 통해 커패시터(C) 충전전압이 방전된다.이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 펄스폭 제어부(21)가 피브백부(25)의 출력과 전압 검출용 저항(R_S)에 유기된 전압(V_S)을 인가받아 트랜스포머(T)의 출력단(V_O1)(V_O2)을 통해 정전압 출력이 이루어지도록 도 4와 같이, 펄스 즉, 게이트 구동전압(V_GS)을 출력하면 구동펄스의 '온'구간동안 트랜지스터(Q)가 턴온되어 트랜스포머(T)의 1차권선에 전류(I_D)가 흐른다.

이어서 트랜스포머(T)의 1/2차 권선비에 따라 입력전압 레벨이 변환되어 출력단(V_O1)(V_O2)을 통해 출력된다.

이와 동시에 상기 펄스의 '온'구간동안 삼각파 발생부(22)는 입력전압(V_IDC)에 비례하는 기울기를 갖는 삼각파(V_SS)를 발생하고 서지 제거부(23)는 전압 검출용 저항(R_S)에 유기된 전압(V_S)에서 서지 성분이 제거된 전압(V_SB)을 출력한다.

상기 전압 검출용 저항(R_S)과 연결되어 저항(R₁)과 커패시터(C₁)로 구성된 서지 제거회로가 구비되어 있지만 상기 서지 제거회로에서 제거되지 못한 서지 성분이 완벽히 제거되어 정확한 신호처리가 이루어지도록 서지 제거부(23)가 추가로 구비된 것이다.

그리고 비교부(24)는 상기 삼각파 발생부(22)와 서지 제거부(23)의 출력을 비교하여 서지 제거부(23)의 출력이 삼각파 발생부(22)의 출력보다 큰 기울기를 가지게 되면 즉, 단위시간동안 큰 폭으로 증가하면 그 차이전압(V_C)을 출력한다.

이때 출력전압이 단락되는 경우 'A'와 같이, 기울기가 점진적으로 커지게 되고 트랜스포머(T) 코어가 포화되는 경우 'B'와 같이 급격히 기울기가 커지게 된다.

이어서 판단부(25)는 비교부(24)의 출력값을 지연 및 누적시켜 일정 수준이상의 차이값 출력이 계속되면 출력단락 또는 트랜스포머 코어의 포화로 판단하여 펄스폭 제어부(21)에 전류 제한신호를 출력한다.

따라서 펄스폭 제어부(21)는 판단부(25)의 출력에 따라 트랜지스터(Q)를 '오프'시켜 전류를 차단한다.

그에 따라 트랜지스터(Q)에 과전류가 인가됨에 따른 손상이 방지되고 트랜스포머(T)의 출력단에 과전압 발생이 차단되어 회로 손상이 방지된다.

본 발명에 따른 스위칭 전원장치는 입력전원에 비례하여 생성된 신호파형을 기준으로 실제 트랜스포머에 인가된 전압파형을 비교하여 저전압 출력단락 및 코어 포화 등으로 인한 과전류 및 과전압을 정확하게 검출하므로 회로손상을 방지하여 제품의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 트랜스포머 및 트랜스포머를 통해 흐르는 전류를 조절하기 위한 스위칭부를 구비한 전원장치에 있어서,

   상기 스위칭부의 '온'구간동안 입력전압에 비례하는 기울기의 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부와,

   상기 스위칭부의 출력과 상기 삼각파 발생부의 출력을 비교하여 스위칭부의 출력레벨이 삼각파 발생부의 출력레벨 이상일 경우 그 차이값을 출력하는 비교부와,

   상기 비교부의 차이값 출력이 일정시간 이상 연속되면 트랜스포머의 출력 단락 또는 포화로 판단하여 전류 제한신호를 출력하는 판단부와,

   상기 트랜스포머의 출력을 피드백시키기 위한 피드백부와,

   상기 피드백부 및 판단부의 출력에 따라 상기 스위칭부의 온/오프를 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위칭부의 턴온시 발생하는 서지(Surge) 성분을 제거하기 위한 서지 제거부를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.