KR100361774B1 - 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치이다.

본 발명에 따르면, 제1 캐패시터는 일단이 접지된 배터리의 타단에 연결되고, 충전 제어부는 제1 캐패시터의 타단의 전압을 검출하여 검출 전압이 로우 레벨인 경우에는 자기 발진하여 배터리의 직류 전압을 내장된 제2 캐패시터에 충전하고, 소정의 스위칭 동작에 따라 제2 캐패시터에 충전된 에너지를 제1 캐패시터에 전이시키고, 검출 전압이 하이 레벨인 경우에는 자기 발진을 중지시킨다.

그 결과, 캐패시터와 배터리를 직렬 연결하고, 캐패시터의 충전 전압을 체크하여 이에 따라 발진하므로써 배터리가 제공하는 전압 이상의 전압으로 대전류의 직류 전압을 공급할 수 있다.

Description

캐패시터를 이용한 직류 전원 장치{DC to DC converter using a capacitor}

본 발명은 직류 전원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캐패시터를 이용한 고효율의 직류 전원 장치에 관한 것이다.

일반적으로 DC-DC 컨버터는 하나의 레벨의 DC 전압을 다른 레벨의 DC 전압으로 변환하는 장치이다. 이 컨버터는 일반적으로 공통 자심(magnetic core) 주위로 감겨진 1차 및 2차 권선을 가지는 변압기로 구성된다. 1차 회로를 적당한 간격으로 개폐함으로써, 1차 및 2차 권선 사이의 에너지 전달을 제어할 수 있다.

최근의 직류 전원 장치 업계에서는 소형이며, 에너지 효율성이 높으며, 고 성능을 가지는 컨버터에 관한 관심이 높아지고 있고, 기술의 발전에 따라 배터리를 사용하는 얇은 휴대형 기기들이 등장하고 있다.

도 1은 종래의 인덕터를 이용한 직류 전원 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 인덕터를 이용한 직류 전원 장치에서 스텝 업 직류 전원 장치로 동작하는 IC1은 배터리 전압을 제1 단자(T1)에서 요구되는 전압까지 승압하기 위해 사용되는데, 이러한 회로의 문제는 사용되는 캐패시터(C1)의 내압이 T1 단자에서 요구되는 전압 이상으로 높아야 한다는 점이다.

대부분의 기기들은 전원공급을 위해 배터리로부터 스텝 다운(step down) 또는 스텝 업(step up) 컨버터와 같은 DC-DC 컨버터를 사용하여 전자회로에 사용되는 전원을 공급하고 있다. 만약 사용하는 회로가 배터리 전압보다 높은 전원을 요구하는 회로를 사용하는 경우 스텝 업 컨버터를 사용하여야 한다.

배터리 전압보다 높은 전원을 요구하는 회로를 사용하는 경우 스텝 업 컨버터를 사용하여야 한다.

그러나 이러한 인덕터를 이용한 직류 전원 장치는 노이즈 발생의 원인이 되며, 무선 기기의 경우 이러한 노이즈는 매우 심각한 기기의 성능 저하의 원인이 되기도 한다. 또한 배터리 전압보다 높은 전원을 사용하면서 많은 전류를 필요로 하는 회로의 경우 직류 전원 장치의 효율이 전류 사용량에 따라 많은 차이를 가지게 된다. 휴대형 기기의 경우 대부분의 사용 시간에 이러한 회로가 대기(stand by) 상태로 높이게 되며, 이때의 효율은 매우 떨어지게 되는 문제점이 있다.

또한 종래의 인덕터를 사용한 승압 회로는 스위칭 노이즈로 인한 주파수 스펙트럼이 RF 또는 IF 부분의 동작에 영향을 주어 문제를 발생시키고, 배터리와 병렬로 연결된 방식을 사용했으므로 원하는 출력 전압만큼의 높은 전압을 필요로 하는 문제점이 있다.

또한 종래 방식은 인덕터를 사용한 스위칭 방식을 사용하므로 변환 효율이 출력 전류에 따라 크게 변화되는 문제가 발생하는 문제점이 있다.

이에 본 발명의 기술과 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 대용량 캐패시터와 배터리를 이용하여 배터리가 제공하는 직류 전압 이상의 전압으로 대전류의 직류 전원을 공급하기 위한 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 인덕터를 이용한 직류 전원 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치를 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 충전 제어부 110 : 전압 검출기

120 : 자기 발진기 130 : 스위칭부

B : 배터리 C21, C22 : 캐패시터

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치는,

일단이 접지되어, 제1 직류 전압을 출력하는 배터리;

일단이 상기 배터리의 타단 및 노드단에 연결되어, 상기 제1 직류 전압보다는 승압된 제2 직류 전압을 출력하는 제1 캐패시터; 및

상기 제1 캐패시터의 타단의 전압을 검출하여 상기 검출 전압이 소정 레벨 이하인 경우에는 내장된 제2 캐패시터에 상기 제1 직류 전압의 충전을 제어하고, 소정의 스위칭 동작에 따라 상기 제2 캐패시터에 충전된 에너지를 상기 제1 캐패시터에 전이시키고, 상기 검출 전압이 소정 레벨과 같거나 그 이상인 경우에는 상기 자기 발진을 중지시키는 충전제어부를 포함한다.

이러한 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치에 의하면, 배터리에 직렬 연결된 캐패시터의 충전 전압에 따라 발진하므로써 배터리가 제공하는 전압 이상의 전압으로 대전류의 직류 전압을 공급할 수 있다.

그러면, 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 실시예에 관해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치는 배터리(B), 배터리에 직렬 연결된 제1 캐패시터(C21) 및 배터리의 직류 전압을 제1 캐패시터로의 충전을 제어하는 충전 제어부(100)를 포함한다.

배터리(B)는 일단이 접지되고, 타단이 제2 노드(T2)를 경유하여 제1 캐패시터(C21) 및 충전 제어부(100)의 일단에 연결되어 제1 직류 전압을 출력한다.

제1 캐패시터(C21)는 제1 노드(T1)을 경유하여 충전 제어부(100) 및 노드단에 연결되고, 제2 노드(T2)를 경유하여 배터리(B)의 타단에 연결되어, 제1 직류 전압보다는 승압된 제2 직류 전압을 노드단에 출력한다.

충전 제어부(100)는 전압 검출기(110), 자기 발진기(120), 제2 캐패시터(C22) 및 스위칭부(130)로 이루어지며, 제1 캐패시터(C21)의 타단의 전압을 검출하여 검출 전압이 소정 레벨 이하라 체크되는 경우에는 자기 발진하여 배터리(B)의 제1 직류 전압을 내장된 제2 캐패시터(C22)를 충전하고, 소정의 스위칭 동작에 따라 제2 캐패시터(C22)에 충전된 에너지를 제1 캐패시터(C21)에 전이시킨다.

또한 검출 전압이 소정 레벨과 같거나 그 이상인 경우라 체크되는 경우에는 자기 발진을 중지시킨다.

보다 상세히는, 전압 검출기(110)는 제1 캐패시터(C21)의 충전 전압 레벨을 검출하여 하이 또는 로우 레벨 신호를 자기 발진기(120)에 출력한다.

자기 발진기(120)는 전압 검출기(110)의 검출 전압이 소정 레벨 이하라 체크되는 경우에는 자기 발진하고, 전압 검출기(110)의 검출 전압이 소정 레벨과 같거나 그 이상이라 체크되는 경우에는 자기 발진을 중지한다.

제2 캐패시터(C22)는 스위칭부(130)와 병렬 연결되어 자기 발진기(120)의 발진 동작에 따라 배터리에 충전된 제1 직류 전압을 충전하고, 충전된 전압을 제1 캐패시터에 전이시킨다.

스위칭부(130)는 제1 아날로그 스위치(SW1)와 제2 아날로그 스위치(SW2)로 이루어져, 제2 캐패시터(C22)의 양단에 각각 설치되며, 자기 발진기(120)의 발진 동작에 따른 온/오프 동작에 따라 배터리(B)에 저장된 제1 직류 전압을 제2 캐패시터(C22)에 충전 제어하고, 자기 발진기(120)가 비발진하는 경우에는 제2 캐패시터(C22)에 충전된 제1 직류 전압을 제1 캐패시터(C21)에 충전 제어한다.

이하, 본 발명에 따른 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치의 동작을 보다 상세히 설명한다.

초기에 제1 캐패시터(C21)가 충전되어 있지 않은 상태에서 배터리(B)를 연결한다. 이때 제1 노드(T1)의 전압은 4.5V 이하이므로 전압 검출기(110)의 출력이 로우 레벨이 되며 이와 연결된 자기 발진기(120)가 발진한다.

자기 발진기(120)가 발진하면 제2 캐패시터(C22)와 연결된 2개의 아날로그 스위치(SW1, SW2)가 교대로 스위칭 절환되면서, 배터리(B)의 직류 전압을 제2 캐패시터(C22로)로 충전한다.

제2 캐패시터(C22)로 전이된 충전 에너지는 2개의 아날로그 스위치(SW1, SW2)가 절환되면서 제1 및 제2 노드(T1, T2)를 통해 제1 캐패시터(C21)로 전이된다.

제1 노드(T1)의 전압이 출력되기를 원하는 소정의 전압, 바람직하게는 4.5V가 될 때까지 제2 캐패시터(C22)로의 충전 동작 및 제1 캐패시터(C21)의 충전 동작을 반복한다. 이어 소정의 전압, 즉 4.5V가 되면 전압검출기(110)의 출력이 하이 레벨이 되며 지기 발진기(120)의 발진이 중지되어 제1 캐패시터(C21)의 충전 동작이 중지된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 종래의 인덕터를 사용한 승압 회로의 경우에는 과전류를 흘렸을 때 차단되는 양이 없이 전류가 계속 흐르게되는 반면에, 본 발명은 캐패시터의 용량 이상 과대 방전시 전류가 자동 차단되기 때문에 전류를 제한할 수 있다. 또한 인덕터를 사용한 switching regulator 방식이 스위칭시 인덕터에서 EMI 노이즈를 발생시키는 것에 비해, 본 발명은 인덕터가 없기에 EMI 노이즈를 적게 발생시키는 장점이 있으며, 동 방식이 인덕터를 스위칭하여 목적하는 최종전압을 얻는 것에 비해 본 발명은 필요한 전압에서 전지의 전압만큼을 뺀 전압이 캐패시터에 충전되면 되므로 보다 높은 변환 효율을 얻을 수 있다.

또한, 종래의 인덕터를 사용한 승압 회로는 스위칭 노이즈로 인한 주파수 스펙트럼이 RF 또는 IF 부분의 동작에 영향을 주어 문제를 발생시키고 있으나, 본 발명은 스위치드 캐패시터(switched capacitor) 방식을 사용하였으므로 EMI 노이즈를 극소화시킬 수 있어 종래의 인덕터를 사용한 스위칭 파워 써플라이와 비교하여 매우 우수한 EMI 및 스위칭 노이즈 특성을 가질 수 있다.

또한 낮은 내압의 캐패시터를 사용할 수 있다. 즉, 종래의 방식은 배터리와 병렬로 연결된 방식을 사용했으므로 원하는 출력 전압만큼의 높은 전압을 필요로 했으나 본 발명은 캐패시터와 배터리가 직렬로 연결되므로 낮은 내압으로도 가능하고, 이로 인해 가격 및 캐패시터의 부피가 작아지며, 따라서 종래 방식에 비해 작은 면적에 구현 가능하다.

또한 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다. 보다 상세히는, 종래 회로는 인덕터를 사용한 스위칭 방식을 사용하므로 변환 효율이 출력 전류에 따라 크게 변화되는 문제가 발생되었으나, 본 발명은 스위칭시에 발생하는 손실과 연결 패스에 대한 저항을 제외하고는 손실이 없어 매우 효율적이다.

또한 충전 캐패시터으로의 에너지 전달시 스위치드 캐패시터 방식을 사용하였으므로 인덕터를 이용한 종래 스위칭 파워 써플라이에 비해 인러쉬 커런트를 줄일 수 있으며 이로 인해 배터리의 수명을 늘릴 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 인덕터를 사용한 승압 회로에 비해 전류를 제한할 수 있으며, 노이즈를 적게 발생시킬 수 있다.

또한 본 발명에서는 스위치드 캐패시터 방식을 사용하였으므로 EMI 노이즈를 극소화 시킬 수 있어 종래의 인덕터를 사용한 스위칭 파워 써플라이와 비교하여 매우 우수한 EMI 및 스위칭 노이즈 특성을 가질 수 있다.

또한 본 발명은 배터리와 캐패시터를 직렬 연결하므로써 낮은 내압의 캐패시터로로 구현이 가능하고, 이로 인해 가격 및 캐패시터의 부피가 작아지며, 따라서 종래 방식에 비해 작은 면적에 구현할 수 있다.

또한 본 발명은 스위칭시에 발생하는 손실과 연결 패스에 대한 저항을 제외하고는 손실이 없어 매우 효율적이고, 캐패시터로의 충전 에너지 전달시 스위치드 캐패시터 방식을 사용하였으므로 인러쉬 전류(inrush current)를 줄일 수 있으며 이로 인해 배터리의 수명을 늘릴 수 있다.

Claims (3)

1. (정정) 일단이 접지되어, 제1 직류 전압을 출력하는 배터리;

   일단이 상기 배터리의 타단 및 노드단에 연결되어, 상기 제1 직류 전압보다는 승압된 제2 직류 전압을 출력하는 제1 캐패시터; 및

   상기 제1 캐패시터의 타단의 전압을 검출하여 상기 검출 전압이 소정 레벨 미만인 경우에는 내장된 제2 캐패시터에 상기 제1 직류 전압의 충전을 제어하고, 소정의 스위칭 동작에 따라 상기 제2 캐패시터에 충전된 에너지를 상기 제1 캐패시터에 전이시키고, 상기 검출 전압이 소정 레벨 이상인 경우에는 상기 발진을 중지시키는 충전제어부를 포함하며,

   상기 충전제어부는,

   상기 제1 캐패시터의 충전 전압 레벨을 검출하는 전압 검출부;

   상기 전압 검출부의 검출 전압이 소정 레벨 이하라 체크되는 경우에는 발진하고, 상기 전압 검출부의 검출 전압이 소정 레벨과 같거나 그 이상이라 체크되는 경우에는 발진을 중지하는 발진부;

   제2 캐패시터; 및

   상기 제2 캐패시터의 양단에 각각 설치되어 상기 발진부의 발진 동작에 따른 온/오프 동작에 따라 상기 배터리에 저장된 제1 직류 전압을 상기 제2 캐패시터에 충전 제어하고, 상기 발진부가 비발진하는 경우에는 상기 제2 캐패시터에 충전된 제1 직류 전압을 상기 제1 캐패시터에 충전 제어하는 스위칭부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치.
2. (삭제)
3. (정정) 제1항에 있어서, 상기 스위칭부는,

   상기 발진부의 발진 동작에 따라 스위치 온되어 상기 배터리에 저장된 제1 직류 전압을 상기 제2 캐패시터에 충전 제어하고, 상기 발진부의 비발진 동작에 따라 스위치 오프되어 상기 제2 캐패시터의 충전 동작을 중단시키는 제1 스위치; 및

   상기 발진부의 발진 동작에 따라 스위치 오프되고, 상기 발진부의 비발진 동작에 따라 스위치 온되어 상기 제2 캐패시터에 충전된 전압을 상기 제1 캐패시터에 충전 제어하는 제2 스위치

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터를 이용한 직류 전원 장치.