KR100359709B1 - 스위칭모드 전원공급기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 스위칭 주파수로 동작이 가능한 스위칭모드 전원공급기에 관한 것으로, 소정의 주파수로 동작하여 입력직류전원을 상기 주파수의 구형파로 쵸핑하여 출력하는 스위칭부; 상기 스위칭부에서 출력된 구형파신호의 로직레벨에 따라 서로 번갈아 온 또는 오프되는 상측 출력부 및 하측 출력부를 구비하여, 상기 입력전원의 (+)단자에서 출력 트랜스포머 및 상기 상측 출력부를 통하여 (-)단자로의 전류 경로를 설정하거나 상기 입력전원의 (+)단자에서 출력 트랜스포머 및 상기 하측 출력부를 통하여 (-)단자로의 전류경로를 설정하여, 구형파신호를 발생시키는 인버터부; 상기 인버터부의 출력단자로 흐르는 전류를 검출하여 궤환시키는 전류궤환부; 상기 전류궤환부에서 출력된 감지신호에 따라 상기 스위칭부의 구형파 펄스 위상을 조정하여 최종 출력의 직류전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 스위칭제어부; 상기 인버터부에서 출력된 구형파신호를 정류하여 직류전원으로 출력하는 출력정류부를 포함한다.

Description

스위칭모드 전원공급기{Switching mode power supply}
본 발명은 스위칭모드 전원 공급기에 관한 것으로, 특히 회로내에 발생될 수 있는 발진현상을 방지하여 높은 스위칭 주파수로 동작이 가능한 스위칭모드 전원공급기에 관한 것이다.
스위칭모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply; SMPS)에서 스위칭 주파수(fs)를 최대한 높여 트랜스포머의 크기를 축소시키고 아울러 코일의 턴수를 줄임으로써 코일의 저항에 의한 에너지 손실을 줄이는 시도가 있으나, 종래의 회로 구성에 의하면 스위칭 주파수가 100 KHz 이상만 되어도 발진이 발생하여 부하를 출력단에 연결하면 출력전압이 강하(drop)하는 현상이 발생되어 전원공급기 측의 전력이 출력단의 부하로 제대로 전송되지 않는 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 높은 효율을 얻을 수 있는 스위칭모드 전원공급기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스위칭모드로 동작하는 전원공급기의 기본적인 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 스위칭모드 전원공급기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 전원공급기의 출력정류부의 다른 예를 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 PWM제어회로(11)의 구성도의 일 예이다.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 일 실시예의 스위칭모드 전원공급기는,
소정의 주파수로 동작하여 입력직류전원을 상기 주파수의 구형파로 쵸핑하여 출력하는 스위칭부; 상기 스위칭부에서 출력된 구형파신호의 로직레벨에 따라 서로 번갈아 온 또는 오프되는 상측 출력부 및 하측 출력부를 구비하여, 상기 입력전원의 (+)단자에서 출력 트랜스포머 및 상기 상측 출력부를 통하여 (-)단자로의 전류 경로를 설정하거나 상기 입력전원의 (+)단자에서 출력 트랜스포머 및 상기 하측 출력부를 통하여 (-)단자로의 전류경로를 설정하여, 구형파신호를 발생시키는 인버터부; 상기 인버터부의 출력단자로 흐르는 전류를 검출하여 궤환시키는 전류궤환부; 상기 전류궤환부에서 출력된 감지신호에 따라 상기 스위칭부의 구형파 펄스 위상을 조정하여 최종 출력의 직류전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 스위칭제어부; 상기 인버터부에서 출력된 구형파신호를 정류하여 직류전원으로 출력하는 출력정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상측 출력부는 트랜지스터를 포함하는 적어도 하나의 모듈을 구비하며,각 모듈에 포함된 트랜지스터의 드레인 단자는 공통으로 연결되어 출력 트랜지스터의 1차권선의 업단자에 연결되고, 트랜지스터의 소스 단자는 공통으로 연결되어 입력전원의 (-)단자에 접속되며, 상기 하측 출력부는 트랜지스터를 포함하는 적어도 하나의 모듈을 구비하며, 각 모듈에 포함된 트랜지스터의 드레인 단자는 공통으로 연결되어 출력 트랜지스터의 1차권선의 다운단자에 연결되고, 트랜지스터의 소스 단자는 공통으로 연결되어 입력전원의 (-)단자에 접속되며, 입력 구형파신호의 로직레벨에 따라, 상기 상측 출력부에 포함된 트랜지스터들이 온되어 상기 입력전원의 (+)단자에서 상측 출력부를 거쳐 입력전원의 (-)단자 방향으로 전류를 흐르게 하거나, 상기 하측 출력부에 포함된 트랜지스터들이 온되어 상기 입력전원의 (+)단자에서 하측 출력부를 거쳐 입력전원의 (-)단자 방향으로 전류를 흐르게 하여, 출력단자에 구형파를 발생한다.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 다른 실시예의 스위칭모드 전원공급기는,
소정의 스위칭신호에 따라 온 또는 오프하는 스위칭부; 입력직류전원과 상기 스위칭부 사이에 1차권선이 연결되어 스위칭부의 온오프에 의하여 1차권선에 공급되는 전원을 단속하여 2차권선에 전력을 공급하는 전력변환부; 상기 스위칭부의 온오프 동작에 따라 상기 전력변환부의 1차권선에 흐르는 전류를 감지하여 이를 제어부로 궤환하는 검출부; 출력직류전원을 궤환받아 이를 기준신호와 비교한 오차신호 및 상기 검출부에서 출력된 감지신호에 따라 상기 스위칭신호를 발생하는 제어부; 및 상기 전력변환부의 2차권선에 연결되며, 적어도 둘의 다이오드를 구비하여 상기인버터부에서 전달된 구형파신호의 로직상태에 따라 번갈아 온 또는 오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하여 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 스위칭모드로 동작하는 전원공급기의 기본적인 구성을 나타내는 회로도로서, 교류를 직류로 변환하는 입력정류기(도시되지 않음)의 직류전원(V1)을 입력받아 소전력용의 SMPS를 구현할 수 있다.
우선 입력전원(V1)이 입력되는 입력단자에는 인덕터(L1)와 커패시터(C1, C2)로 구성된 파이형 필터를 구비하여 전원의 잡음을 제거한다. 트랜지스터(Q1)은 PWM 제어회로(11)에서 출력되는 스위칭신호에 따라 온 또는 오프하는 스위칭소자로서 동작한다. 트랜스포머(T1)은 입력직류전원(V1)과 트랜지스터(Q1) 사이에 1차권선(Np)이 연결되어 트랜지스터(Q1)의 온오프에 의하여 1차권선에 교류전원이 공급되어 2차권선에 전력을 공급한다. PWM 제어회로(11)는 출력 직류전원(+FB)을 궤환받아 이를 기준신호와 비교한 오차신호에 따라 PWM 제어하여 스위칭신호(SWout)를 발생한다. 또한, PWM 제어회로(11)로는 출력측 로드(부하)의 변화에 따른 전류의 변동을 센싱하여 그로부터 구한 감지신호(SENSE)가 궤환되며, PWM 제어회로(11)는 이와 같은 감지신호를 고려하여 스위칭신호(SWout)를 발생한다.
스위칭소자는 트랜지스터(Q1)로 구성되며, PWM제어회로(11)의스위칭신호(SWout)의 로직 레벨에 따라 온/오프하여 전력트랜스포머(T1)의 1차권선(Np)에 흐르는 전류를 단속한다. 스위칭 트랜지스터(Q1)의 온오프에 따라 트랜스포머(T1)의 1차권선(Np)에 흐르는 전류가 2차권선으로 유도되어 권선비에 따라 2차권선 양단에 전압이 유기된다. 스위칭 트랜지스터(Q1)에 의하여 발생된 구형파 신호는 트랜스포머(T1)을 통하여 2차권선측으로 전달되어 전계효과 트랜지스터(Q3, Q5)의 게이트 단자로 입력된다. 이 때 구형파의 극성이 정반대로 각 트랜지스터로 인가된다. 따라서, 트랜지스터(Q3, Q5)는 서로 교대로 턴-온/오프 된다.
본 회로도에서는 트랜스포머(T1)의 1차권선은 기본권선(Np)과 보조권선(NT)을 포함한다. 보조권선(NT)은 스위칭 트랜지스터(Q1)이 오프인 동안 에너지를 저장하고 있다가 트랜지스터(Q1)일 온일 때 이 저장된 에너지를 출력측으로 리턴함으로써 구형파의 다운(down) 부분, 즉 로우레벨신호의 에너지를 출력측으로 전달하여 오프신호레벨을 높인다. 따라서, 구형파의 다운(down) 부분 동안 트랜지스터(Q5)을 온시키기에 충분한 게이트신호를 공급할 수 있다. 반대로, 기본권선(Np)은 트랜지스터(Q1)이 온인 동안 에너지를 저장하고 있다가 트랜지스터(Q1)일 오프일 때 이 저장된 에너지를 출력측으로 전달하여 트랜지스터(Q3)을 온시킨다.
기본권선(Np)과 보조권선(NT)은 그 극성이 반대로 권선되어 있으며,다이오드(D1)는 빠른 스위칭(ultra fast) 다이오드를 사용하며, 기본권선(Np)과 보조권선(NT) 사이에 개제되거나 보조권선(NT)과 (-)단자(-V1) 사이에 게재되어 스위칭 트랜지스터(Q1)가 오프인 동안의 전류의 방향을 결정한다. 보조권선(NT)에 사용되는 코일의 굵기 및 권선수는 기본권선(Np)의 그것과 실질적으로 동일하게 구성한다.
PWM제어회로(11)는 콘버터의 출력전압(+FB)을 궤환 입력받고, 인버터 출력전류에 의하여 발생된 센싱전압(SENSE)을 입력받아, 스위칭소자(Q1)의 온/오프 동작을 위한 구형파펄스를 발생시킨다. 이에 대한 자세한 구성은 도 4를 통하여 설명할 것이다.
자기바이어스회로(15)는 PWM제어회로(11) 내에 있는 스위칭신호(SWout)의 출력부로 동작전원을 공급한다. 전력 트랜스포머(T1)의 1차측의 궤환권선(NFB,그 극성표시(dot; 권선의 start점 표시)는 기본권선(Np)의 극성표시와 반대로 됨)에 의하여 유도된 전압은 다이오드(D2)를 통하여 PWM제어회로(11)의 Vcc단자로 인가된다. 여기서, 커패시터(C)는 리플 제거용이다. 그리고, 입력전원(V1)은 스위칭 출력부 이외의 PWM 제어회로(11) 내의 소자에 전원을 공급한다.
도 4는 도 1에 도시된 PWM제어회로(11)의 구성도의 일 예로서, 전류-모드 제어방식을 설명하고 있다. 전력 트랜스포머(T1)의 1차측의 궤환권선(NFB)에 의하여 유기된 전원(Vcc)는 스위칭신호(SWout)를 출력하는 증폭기(45)로 전원을 공급하며,클럭발생기(43), 플립플럽(44), 오차증폭기(41) 및 비교기(42) 등의 회로에는 레규레이터(47)를 통하여 인가되는 입력전원(V1)으로부터 동작전원을 공급받는다.
오차증폭기(41)는 출력신호(+FB)와 기준전압(Vref)을 비교하여 증폭하고, 그 오차신호는 비교기(42)로 입력된다. 그리고, 인버터의 출력전류를 센싱하고 이를 전압으로 변환한 다음 그 센싱신호(SENSE)가 비교기(42)로 입력된다. 비교기(42)는 픽크 스위치 전류에 따른 검출신호(SENSE)를 출력신호와 관련된 오차신호와 비교하여 RS 플립플럽(래치, 44)으로 입력한다. 클럭발생기(43)는 스위칭주파수(fs)에 상응하는 구형파신호인 클럭신호를 발생하며, RS 플립플럽(44)은 비교기(42)의 출력과 클럭신호를 입력받아 스위칭 소자의 온/오프를 구동하는 스위칭신호(SWout)를 발생한다. 스위칭신호는 그 로직 레벨에 따라 뒷단에 연결된 스위칭소자(트랜지스터)를 온/오프한다.
최종 출력단에서 궤환된 메인 출력전압(+FB)는 오차증폭기(41)에서 기준전압(Vref)와 비교되며, 전류궤환신호(SENSE)는 비교기(42)에서 기준전압(1.2V)과 비교되어 그 결과가 플립플럽(44)으로 입력된다. 플립플럽(44)에서는 비교기(42)의 출력신호에 따라 발진기(43)에서 발생되어 입력되는 클럭신호의 위상(또는 폭)을 증감시켜(다시 말하면, 클럭신호의 듀티 사이클이 변화된 펄스폭 변조(PWM)된 신호를 발생시켜) 스위칭신호(SWout)를 발생하여 입력전압과 부하의 변동에 따라 트랜스포머(T1)에 흐르는 전류를 증감시켜 최종 출력단의 출력전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 1의 트랜스포머(T1)의 2차권선 측에 연결된 푸쉬-풀형 인버터부(17) 및 출력정류부(19)의 구성은 다음과 같다. 푸쉬-풀형 인버터부(17)는 포워드(forward)형 상측 및 하측 출력부(171, 173)를 구비한 것으로서, 트랜스포머(T1)의 1차권선 측에서 전달된 구형파신호를 전달받으며, 권선비에 따라 레벨이 변경된 구형파신호에 의하여 트랜지스터들(Q3,Q5)이 교대로 온/오프되어 각 포워드형 출력부는 반 사이클 단위로 전력을 부하로 공급하게 된다. 상측 출력부(171)와 하측 출력부(173)는 2차권선의 극성표시(dot)의 위치가 반대로 된 점을 제외하고는 실질적인 구성이 동일하다.
고주파수용의 전력 트랜스포머(T1)의 1차측 코일의 누설 인덕턴스와 트랜지스터(Q3,Q5)의 게이트와 소스 간의 커패시턴스(CGS)에 의하여 턴-오프 시에 동조회로가 형성되는데, 이와 같은 동조회로에 의하여 과도상태에서 과전압 링깅 현상(transient overvoltage ringing)이 야기된다. 링깅은 턴-오프 기간에서 다이오드나 트랜지스터를 파괴시킬 수 있을 정도로 큰 진폭을 가질 수 있다. 저항(R)와 커패시터(C)로 구성된 RC 소자는 스누버(snubber) 회로로서, 이와 같은 링깅 현상을 억제하는 역할을 하며, 전력 트랜스포머(T1)의 2차권선에 병렬로 연결된다.
그리고, 트랜지스터(Q3,Q5)의 게이트단자에 연결된 게이트저항(R)은 전력 트랜스포머(T1)로부터 전달된 구형파의 상승시간(rising time)과 트랜지스터(Q3,Q5)의상승시간이 매칭되도록 하기 위하여 부가된다.
한편 각 출력부(171, 173)는 도면에 도시된 바와 같은 모듈을 적어도 둘 이상 병렬로 연결하여 구성할 수 있다. 즉, 각 출력부에는 실질적으로 구성이 동일한 모듈을 둘 이상 구비하여 출력부에서 발생되는 손실 전력을 최소화시킨다. 모듈의 수가 증가되면 트랜지스터의 내부저항에 의한 전력손실은 그 증가된 수에 비례하여 감소된다.
상측 출력부(171) 및 하측 출력부(173)에 포함된 각 모듈은 실질적으로 그 내부구성이 동일하며, 다만 상측 출력부(171)에 포함된 트랜지스터(Q3)의 게이트 단자로는 트랜스포머(T1)의 1차권선의 극성과 같은 방향으로 전류가 인가되고, 하측 출력부(171)에 포함된 트랜지스터(Q5)의 게이트 단자로는 트랜스포머(T1)의 1차권선의 극성과 반대 방향으로 전류가 인가된다. 따라서, 트랜스포머(T1)을 통하여 전달된 구형파의 레벨에 따라 상측 출력부(171) 및 하측 출력부(173)에 포함된 트랜지스터들이 교대로 온/오프됨을 알 수 있다.
상측 출력부(171)에 있는 트랜지스터(Q3)의 드레인 단자는 출력 트랜지스터(T3)의 1차권선의 업(UP)측에 연결되고, 트랜지스터(Q3)의 소스 단자는 하측 출력부(173)에 있는 트랜지스터(Q5)의 소스단자와 공통 접속되어 트랜스포머(T2)의 1차권선을 통하여 입력전원(V1)의 (-)단자(-V1)에 접속된다. 하측 출력부(173)에 있는 트랜지스터(Q5)의 드레인 단자는 출력 트랜지스터(T3)의 1차권선의 다운(DOWN)측에 연결되고, 트랜지스터(Q5)의 소스 단자는 상측출력부(171)의 소스단자와 공통 접속되어 트랜스포머(T2)의 1차권선을 통하여 입력전원(V1)의 (-)단자(-V1)에 접속된다.
출력 트랜스포머(T3)의 1차권선에는 인버터의 출력단자가 연결되는데, 그 출력단자로는 상측 출력부(171)에 있는 트랜지스터(Q3)의 드레인 단자, 입력전원(V1)의 (+)단자 및 하측 출력부(173)에 있는 트랜지스터(Q5)의 드레인 단자들이 각각 업측, 중간탭, 다운측의 단자를 형성한다.
트랜스포머(T1)의 2차권선에 구형파신호가 전달되면, 그 로직레벨에 따라 상측 출력부(171)에 포함된 트랜지스터가 온되거나 하측 출력부(173)에 포함된 트랜지스터가 온되어 출력단자에 구형파가 발생된다. 출력신호는 다음에 연결될 출력정류부의 입력이 된다. 다시 말하면, PWM제어회로(11)에 연결된 스위칭 트랜지스터(Q1)가 온되면 상측 출력부(171)의 트랜지스터들은 온되고 하측 출력부(173)의 트랜지스터들은 오프되어 고전압전원(V1)의 (+)단자에서 상측 출력부(171) 및 트랜스포머(T3)의 1차권선(Na1)을 거쳐 입력전원(V1)의 (-)단자(-V1) 방향으로 전류가 흐르게 된다. 다음으로, 스위칭 트랜지스터(Q1)가 오프되면 상측 출력부(171)의 트랜지스터들은 오프되고 하측 출력부(173)의 트랜지스터들은 온되어 입력전원(V1)의 (+)단자에서 하측 출력부(173) 및 트랜스포머(T3)의 1차권선(Na2)을 거쳐 입력전원(V1)의 (-)단자(-V1) 방향으로 전류가 흐르게 된다. 이와 같이, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 온/오프 동작에 의하여 출력 트랜스포머(T3)의 1차코일에 전압레벨이 증폭된 구형파가 형성되고, 그 구형파가 2차코일측으로 전달된다.
전류궤환부(13)는 인버터부(17)에서 입력전원(V1)의 (-)단자(-V1)로 흐르는 전류를 센싱하여 이를 PWM 제어회로(11)로 궤환시킨다. 전류궤환부(13)는 전류 커플링 트랜스포머(T2)를 포함하며, 권선의 극성은 도면에 도시된 바와 같다. 저항(R2)은 트랜스포머(T2)의 2차권선에 유도된 전류를 전압신호로 변환한다. 스위칭 트랜지스터(Q1)의 온 또는 오프 상태에 관계없이 전류의 방향은 고전압전원(V1)의 (+)단자에서 트랜스포머(T3)의 1차권선을 거쳐 (-)단자(-V1) 쪽으로 흐르게 되어 다이오드(D4)에는 순방향 바이어스가 걸려 도통된다. 커패시터(C3)는 잡음 제거용이며, 가변 저항기(VR)은 출력신호(SENSE)의 전위레벨 조정용으로 사용되며, 가변저항기(VR)에 의하여 조정된 전압신호(SENSE)는 PWM제어회로(11)로 궤환된다.
전류궤환부(13)는 출력전류를 센싱하여 스위칭 트랜지스터(Q1)을 제어하는 감지신호(SENSE)를 생성하는데, 트랜스포머(T2)에 의하여 스위칭회로부와 인버터 출력부를 전기적으로 분리한다. 따라서, 스위칭 트랜지스터(Q1)에서의 고주파수 동작에 의하여 인버터의 출력에 나타나는 발진이나 잡음을 방지할 수 있다.
다음으로, 스위칭 전원공급기의 출력정류부(19)에 대하여 설명한다. 출력 트랜스포머(T3)의 1차권선에는 인버터부(17)의 출력단자들이 연결되며, 그 2차권선측에는 출력정류부(19)가 연결된다. 출력 트랜스포머(T3)는 인버터부(17)에서 출력되는 구형파를 입력받아 이를 권선비에 따라 일정한 전압으로 낮추고 정류부는 이를 정류하여 직류전원을 제공한다.
트랜스포머(T3)의 출력측에는 정류용 소자와 필터용 커패시터를 구비하는데, 트랜스포머는 권선비에 따라 출력전압을 조정하며, 트랜지스터들은 정류용 소자이며 커패시터는 필터용 소자이다.
출력정류부(19)는 상측모듈(191)과 하측모듈(193)로 구성된 출력모듈 및 그 출력단자 양단에 연결된 필터용 커패시터(Co)을 포함함을 알 수 있다. 상측모듈(191) 및 하측모듈(193)은 출력용 트랜스포머(T3)의 2차권선에 연결되어 정류작용을 수행한다. 만일 스위칭 트랜지스터(Q1)가 온되면 상측모듈(191)의 트랜지스터(Q7)가 온되고, 스위칭 트랜지스터(Q1)가 오프되면 하측모듈(193)의 트랜지스터(Q9)가 온된다. 출력 커패시터(Co)는 작은 맥류(ripple)를 평활하게 필터링하여 직류전원 출력을 제공한다.
상측모듈(191)은 트랜지스터(Q7) 외에도 스누버회로를 구비하고 있다. 저항(R8)와 커패시터(C8)로 구성된 RC 소자는 트랜스포머(T3)의 1차코일의 누설 인덕턴스와 트랜지스터(Q7)의 게이트 커패시턴스에 의한 과전압 링깅 현상을 방지하기 위한 제1 스누버회로이다 또한, 저항(R)와 커패시터(C)로 구성된 RC 소자는 출력 트랜스포머(T3)의 1차코일의 누설 인덕턴스와 트랜지스터(Q7)의 드레인과 소스간의커패시턴스(Coss)에 의한 과전압 링깅 현상을 방지하기 위하여 트랜지스터(Q7)의 드레인과 소스 단자 사이에 RC 직렬회로로 구성된 제2 스누버회로를 더 구비할 수 있다. 그리고, 트랜지스터(Q7)의 게이트단자에 연결된 게이트저항(R7)은 트랜스포머(T3)로부터 전달된 구형파의 상승시간(rising time)과 트랜지스터(Q7)의 상승시간이 매칭되도록 하기 위하여 부가된다.
하측모듈(193)은 상측모듈(191)의 내부 구성과 실질적으로 동일하며, 스누버회로 및 게이트저항의 기능 및 파라미터도 실적적으로 동일하지만, 상측모듈(191)에서는 트랜지스터(Q7)의 게이트단자가 트랜스포머(T3)의 극성표시(dot)가 있는 권선에 연결되는 반면, 하측모듈(193)에서는 트랜지스터(Q9)의 게이트단자가 트랜스포머(T3)의 극성표시(dot)가 없는 권선에 연결되는 점에서 차이가 있다. 따라서, 트랜스포머(T3)의 1차권선으로부터 전달되는 구형파 전력신호를 그 로직레벨에 따라 번갈아 도통시킬 수 있다.
도 1에 도시된 전원공급기는 핸드폰과 같이 입력전압이 비교적 낮고 출력전압은 입력전압보다 낮지만 출력전류가 비교적 높은 전원장치로서 특히 유용하며, 높은 효율로서 안정된 전원을 공급할 수 있다. 즉, 핸드폰용의 배터리 전압(직류 11~15V) 또는 차량의 전원을 입력전원으로 하여 원하는 출력전원을 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 스위칭모드 전원공급기의 구성을 나타내는 도면이다. 트랜지스터(Q1)은 PWM 제어회로(11)에서 출력되는 스위칭신호에 따라 온 또는 오프하는 스위칭 소자로서 동작한다. 트랜스포머(T1)은 입력직류전원(V1)과 스위칭부 사이에 1차권선(Np)이 연결되어 스위칭부의 온오프에 의하여 1차권선에 고주파수의 구형파 전원이 공급되어 2차권선에 전력을 공급한다. 입력전류검출부(23)는 스위칭 소자(트랜지스터 Q1)의 온오프 동작에 따라 트랜스포머(T1)의 1차권선에 흐르는 전류를 감지하여 이를 PWM 제어회로(21)로 궤환한다. PWM 제어회로(31)는 출력직류전원(+FB)을 궤환받아 이를 기준신호와 비교한 오차신호와 입력전압(V1)의 변동에 따라 변동되는 입력전류를 입력전류검출부(23)를 통하여 검출된 전압레벨에 따라 스위칭신호(SWout)의 온/오프 구간(duration)를 제어하여 1차권선에 흐르는 전류량을 제어한다. 그리고, 전력 트랜스포머(T1)의 2차권선에 연결되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 출력정류부(27)가 구비되어 하나 또는 그 이상의 일정한 전압의 출력을 얻을 수 있다.
출력정류부(27)는 복수의 정류부(271~274)에 의하여 복수의 출력전압을 얻을 수 있다. 각 정류부는 두개의 다이오드가 트랜지스터(T1)의 2차권선에 연결되어 전류의 방향을 결정한다. 즉, 트랜스포머(T1)에서 전달된 구형파신호가 양(+)이면 다이오드(D11)이 온되고 음(-)이면 다이오드(D12)가 온된다. 각 정류부의 인덕터(Lo1~Lo4)는 각 출력전압의 리플 소거용 쵸크 코일이며, 트랜스포머(T1)의 보조권선(NT)은 각 코일에 자화력을 공급하는 기능을 하며, 트랜지스터(Q1)이 턴온되면 전류사 흘러 이들 코일을 자화시킨다. 이 때 출력단의 다이오드(D11, D21,D31, D41)이 도통된다. 다음으로 트랜지스터(Q1)이 턴오프되면 기본코일(Np)에 저장된 에너지가 다이오드(D12, D22, D32, D42)를 통하여 출력으로 전달된다. 특히, 제3, 4 정류부(273, 274)는 부극성의 출력전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
본 실시예에서 스위칭 동작을 위한 회로는 스위칭 신호발생용 PWM 제어회로(31), 트랜지스터(Q1), 전압강압용 트랜스포머(T1) 및 전류감지용 트랜스포머(T2)로 구성된다. PWM 제어회로(31)로부터 발생된 구형파(SWout)에 의하여 트랜지스터(Q1)가 온/오프된다. 트랜지스터(Q1)가 온될 때 트랜스포머(T1)의 1차권선에 전류가 일단 충전되어 있다가 트랜지스터(Q1)가 오프되면 1차권선에 충전된 전류가 2차권선으로 전송되어, 트랜스포머(T1)의 권선비에 따라 2차권선 양단에 전압이 유기된다. 이와 같은 구성에 대한 동작설명은 도 1에서 설명한 바와 기본적으로 동일하다.
한편, 트랜지스터(Q1)의 소스(source) 단자와 마이너스(-) 단자 사이에는 입력전류검출부(23)가 연결되어 트랜지스터(Q1)가 온일 때의 전류에 따라 발생된 신호를 PWM제어회로(21)로 궤환시킨다. 입력전류검출부(23)는 입력측 전압(V1)의 전위 변동에 따라 나타나는 전류 변화 또는 출력측 로드(부하)의 변화에 따른 입력측 전류의 변동을 센싱하여 이를 PWM제어회로(21)로 궤환시키며, 이와 같은 전류 변동에 따른 현상을 보상하기 위하여 PWM제어회로(21)는 센싱신호에 따라 스위칭 동작을 제어한다.
입력전류검출부(23)는 입력전압(V1)의 변동이나 출력전압(또는 부하)의 변동에 따라 전류(Ipp)가 변화하는 것을 감지하여 이를 전압신호로 변환시킨 다음 이를 PWM 제어회로(21)로 궤환(feedback)한다, PWM 제어회로(21)는 입력전압(V1)의 변동이나 출력전압의 변동을 반영하여 스위칭신호(SWout)의 양의 위상(positive phase)의 펄스구간을 조정하여 출력전압이 일정하게 되도록 제어한다. 만일 전류(Ipp)가 증가되었다면 입력전류검출부(23)에서 검출되어 PWM 제어회로(31)로 궤환되는 전류센싱전압이 증가되며, PWM 제어회로(21)는 전류센싱전압에 근거하여 전류(Ipp)가 감소되는 방향으로 제어되도록 스위칭신호(SWout)의 펄스구간을 조정한다.
트랜지스터(Q1)가 온되면 전류-커플링 프랜스포머(T2)의 1차권선에 흐르는 전류에 의하여 2차권선에 전류가 유도된다. 저항(R1)는 프랜스포머(T2)에 유도된 전류를 전압신호로 변환하고, 가변저항(R2)에서의 저항값 조정에 의하여 센싱단자(SENSE)로 인가되는 전압이 결정된다. 그리고, 커패시터(C4, C5)는 리플 및 잡음 제거용이며, 다이오드(D3)는 검출된 구형파신호를 직류신호로 변환 정류시키는 작용을 한다.
트랜스포머(T2)의 1차권선 대 2차권선의 비는 1:50~200 정도가 바람직하다. 예를 들어, 10와트 미만의 소전력용인 경우 메인 트랜스포머(T1)의 1차측 코일에 흐르는 전류(continuius current)(IPDC)가 1.0A 이하일 때 트랜스포머(T2)의 1차권은 1회이고 2차권선은 100회인 것이 바람직하다. 그리고, 트랜스포머(T2)의 코아의 재질은 메인 트랜스포머(T1)의 코아와 같은 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
PWM제어회로(21)는 콘버터의 출력전압(+FB)을 궤환 입력받고, 입력측 전류에 의하여 발생된 센싱전압(SENSE)을 입력받아, 스위칭소자(Q1)의 온/오프 동작을 위한 구형파펄스를 발생시킨다.
자기바이어스회로(25)는 PWM제어회로(21) 내에 있는 스위칭신호(SWout)의 출력부로 동작전원을 공급한다. 전력 트랜스포머(T1)의 1차측의 보조권선(NFB)에 의하여 유도된 전압은 다이오드(D2)를 통하여 PWM제어회로(31)의 Vcc단자로 인가된다.
도 2에 도시된 전원공급기는 핸드폰과 같이 입력전압이 비교적 낮은 경우에 적용하는 것이 특히 유용하며, 여러 개의 극성이 다른 출력전압을 얻을 수 있다. 또한, 출력용 전해 콘덴서들의 용량을 매우 낮은 것으로 사용할 수 있으므로 집적회로화에 특히 유리하다.
도 3은 도 2에 도시된 전원공급기의 출력정류부의 다른 예를 도시한 것으로, 보조권선(NT)가 없는 것을 제외하고는 트랜스포머(T1)의 1차권선측에 연결된 구성은 도 2에서 설명한 바와 실질적으로 동일하다. 출려정류부(37)의 경우 정격이 같은 두 개의 다이오드(D4, D5)를 직렬로 연결하여 내압을 두 배로 증가시킬 수 있으며, 출력용 커패시터도 같은 정격을 갖는 두 개 이상을 사용하여 내압은 두 배로증가시키고 각 용량은 반으로 줄일 수 있다.
따라서, 본 회로는 높은 스위칭 주파수를 동작이 가능하며, 낮은 입력전압으로 높은 출력전압을 얻을 수 있다, 특히, 노트북 컴퓨터와 같은 LCD 디스플레이 화면의 백라이트를 제공하는 형광등에 인가되는 매우 높은 전압(약 550V)을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 스위칭모드 전원공급기에 의하면 높은 스위칭 주파로 동작이 가능하며 높은 효율을 얻을 수 있다. 특히, 낮은 입력전압으로도 필요한 출력전압과 전력을 얻는데 특히 유용하다.

Claims (7)

  1. 소정의 주파수로 동작하여 입력직류전원을 상기 주파수의 구형파로 쵸핑하여 출력하는 스위칭부;
    상기 스위칭부에서 출력된 구형파신호의 로직레벨에 따라 서로 번갈아 온 또는 오프되는 상측 출력부 및 하측 출력부를 구비하여, 상기 입력전원의 (+)단자에서 출력 트랜스포머 및 상기 상측 출력부를 통하여 (-)단자로의 전류 경로를 설정하거나 상기 입력전원의 (+)단자에서 출력 트랜스포머 및 상기 하측 출력부를 통하여 (-)단자로의 전류경로를 설정하여, 구형파신호를 발생시키는 인버터부;
    상기 인버터부의 출력단자로 흐르는 전류를 검출하여 궤환시키는 전류궤환부;
    상기 전류궤환부에서 출력된 감지신호에 따라 상기 스위칭부의 구형파 펄스 위상을 조정하여 최종 출력의 직류전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 스위칭제어부;
    상기 인버터부에서 출력된 구형파신호를 정류하여 직류전원으로 출력하는 출력정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭모드 전원공급기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상측 출력부는 트랜지스터를 포함하는 적어도 하나의 모듈을 구비하며, 각 모듈에 포함된 트랜지스터의 드레인 단자는 공통으로 연결되어 출력 트랜지스터의 1차권선의 업단자에 연결되고, 트랜지스터의 소스 단자는 공통으로 연결되어 입력전원의 (-)단자에 접속되며,
    상기 하측 출력부는 트랜지스터를 포함하는 적어도 하나의 모듈을 구비하며, 각 모듈에 포함된 트랜지스터의 드레인 단자는 공통으로 연결되어 출력 트랜지스터의 1차권선의 다운단자에 연결되고, 트랜지스터의 소스 단자는 공통으로 연결되어 입력전원의 (-)단자에 접속되며,
    입력 구형파신호의 로직레벨에 따라, 상기 상측 출력부에 포함된 트랜지스터들이 온되어 상기 입력전원의 (+)단자에서 상측 출력부를 거쳐 입력전원의 (-)단자 방향으로 전류를 흐르게 하거나, 상기 하측 출력부에 포함된 트랜지스터들이 온되어 상기 입력전원의 (+)단자에서 하측 출력부를 거쳐 입력전원의 (-)단자 방향으로 전류를 흐르게 하여, 출력단자에 구형파를 발생하는 것을 특징으로 하는 스위칭모드 전원공급기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류궤환부는
    상기 인버터부의 출력단자로 흐르는 전류 경로 상에 전류 커플링 트랜스포머를 게재하여, 상기 트랜스포머의 2차권선으로 유도된 전류를 전압신호로 변환하여 상기 스위칭부로 궤환하는 것을 특징으로 하는 스위칭모드 전원공급기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출력정류부는
    상기 인버터부에서 출력된 구형파신호가 트랜스포머를 게재하여 전달되어 상기 전달된 구형파신호의 위상에 따라 서로 번갈아 온 또는 오프되는 상측모듈 및 하측모듈을 구비하되,
    상기 각 상측모듈 및 하측모듈은
    상기 트랜스포머의 2차권선 양단에 게이트단자 및 소스단자가 각각 연결되며 드레인단자에서 출력단자가 인출되는 트랜지스터; 및
    상기 게이트단자 및 소스단자 사이에 상기 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 게이트 커패시턴스에 의한 링깅 현상을 방지하기 위한 제1 스누버회로 및 드레인단자와 소스단자 사이에 상기 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 드레인과 소스간의 커패시턴스에 의한 링깅 현상을 방지하기 위한 제2 스누버회로 중 적어도 하나를 구비하는 스누버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭모드 전원공급기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입력전원이 입력되는 단자에 전원 잡음을 제거하기 위하여 커패시터 및 인덕터로 구성된 파이형 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭모드 전원공급기.
  6. 소정의 스위칭신호에 따라 온 또는 오프하는 스위칭부;
    입력직류전원과 상기 스위칭부 사이에 1차권선이 연결되어 스위칭부의 온오프에 의하여 1차권선에 공급되는 전원을 단속하여 2차권선에 전력을 공급하는 전력변환부;
    상기 스위칭부의 온오프 동작에 따라 상기 전력변환부의 1차권선에 흐르는 전류를 감지하여 이를 제어부로 궤환하는 검출부;
    출력직류전원을 궤환받아 이를 기준신호와 비교한 오차신호 및 상기 검출부에서 출력된 감지신호에 따라 상기 스위칭신호를 발생하는 제어부; 및
    상기 전력변환부의 2차권선에 연결되며, 적어도 둘의 다이오드를 구비하여 상기 인버터부에서 전달된 구형파신호의 로직상태에 따라 번갈아 온 또는 오프되어 교류전원을 직류전원으로 변환하여 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 검출부는
    입력직류전원의 마이너스극과 상기 스위칭부 사이에 연결되어, 상기 스위칭부의 온오프에 따라 상기 전력변환부의 1차권선에 흐르는 전력을 1차권선으로 공급받아 이를 소정의 비율로 변환하여 2차권선으로 전력을 공급하는 전류-커플링 변환기; 및
    상기 전류-커플링 변환기의 2차권선에 유도된 전력으로부터 상기 제어부로 입력되는 감지신호를 생성하는 신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급기.
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