KR100378107B1

KR100378107B1 - 스위칭전원장치의 대기전력 절감회로

Info

Publication number: KR100378107B1
Application number: KR10-2000-0056599A
Authority: KR
Inventors: 박유열
Original assignee: 주식회사 디테크
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2003-03-29
Also published as: KR20020024832A

Abstract

본 발명은 스위칭전원장치에 이용되는 기술로서, 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 보조권선에서의 전압변동에 따라 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제1제어회로 및 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 스위칭전류의 변화에 따라 상기 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제2제어회로를 포함하는 스위칭전원장치의 대기전력 절감회로에 관한 것이다.

본 발명에 따른 스위칭 전원장치 대기전력 절감회로는, 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 보조권선에서의 전압변동에 따라 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제1제어회로 및 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 스위칭전류의 변화에 따라 상기 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제2제어회로를 포함한다.

Description

스위칭전원장치의 대기전력 절감회로{Circuit for reducing stand-by power in switching power supply}

본 발명은 스위칭 전원장치에 이용되는 기술로서, 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 보조권선에서의 전압변동에 따라 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제1제어회로 및 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 스위칭전류의 변화에 따라 상기 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제2제어회로를 포함하는 스위칭전원장치의 대기전력 절감회로에 관한 것이다.

일반적으로 PC, 모니터, 복사기, 팩시밀리, 프린터, TV, SVR(위성방송 수신기), 모뎀 등의 기기에는 전원장치로서 스위칭 전원장치(SMPS, switching modepower supply)가 사용된다. 스위칭전원이 아닌 종래의 전원장치는 상용 교류전압을 낮은 교류전압으로 강하하여 평활하지만, 스위칭전원은 입력되는 상용 교류전압을 일단 정류한 다음에 직접 스위칭하여 저압의 교류로 변환하고 이 교류전압으로부터 필요한 전압을 얻는 방식을 채용하고 있다.

스위칭 전원은 제품 크기가 작고 원하는 정전압을 손쉽고 안정되게 얻을 수 있는 장점이 있지만, 수십~수백 kHz의 스위칭이 필요하기 때문에 스위칭 노이즈 및 스위칭손실을 감수하여야 하는 단점도 있다.

일반적으로 스위칭전원에서는 PWM IC의 발진시정수에 의해 스위칭 동작주파수가 결정되며 고정된 주파수로서 25kHz 이상의 주파수로 동작을 한다. 스위칭소자(TR 또는 FET)의 온/오프 동작시 발생하는 스위칭 손실은 주파수가 증가함에 따라서 같이 증가하는데, 스위칭전원을 채용한 기기의 대기상태에서의 스위칭손실은 급증하는 전기.전자 제품의 수요에 따라 무시할 수 없는 전력을 낭비하게 된다.

출원인은 스위칭전원의 대기전력을 가능한한 간단한 방법으로 줄이는 방법을 연구하던 중, 트랜스포머의 보조권선에 유기되는 전압의 변화에 따라 PWM IC의 발진주파수를 변화시킬 수 있음에 착안하여 대기상태에서의 스위칭주파수를 가능한한 낮게 설정하여 주파수에 비례하는 스위칭손실에 따른 대기전력을 줄일 수 있는 본 발명을 하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 보조권선에서의 전압변동에 따라 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제1제어회로 및 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 스위칭전류의 변화에 따라 상기 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제2제어회로를 포함하는 스위칭전원장치의 대기전력 절감회로를 제공하는 것이다.

도1a는 본 발명의 전체회로도.

도1b는 본 발명을 적용하여 동작주파수를 변화시키는 유형들을 나타내는 예시도.

도2a~g는 제1제어회로의 다른 실시예도.

도3은 제2제어회로의 다른 실시예도.

본 발명의 원리

스위칭 전원장치에는 스위칭에 의해 교류로 변환된 전압으로부터 필요한 전압을 얻기 위해 트랜스포머를 사용하고 있다. 트랜스포머는 주지하다시피 코일의 유도작용에 의해 1차권선에 인가된 교류전압에 의해 2차권선에 교류전압이 인가되는 유도기기이다.

트랜스포머에서 1차전압 V1, 1차전류 I1, 2차전압 V2, 2차전류 I2 사이의 관계식은 I2/I1=V1/V2가 된다. 따라서, 2차전류 I2가 증가하면 V1도 증가하게 된다(V2가 일정한 경우).

스위칭전원에 사용되는 트랜스포머는 보통 1차(입력)권선, 2차(출력)권선 이외에 3차권선(내지는 보조권선)으로 구성되는데, 2차권선의 전압은 PWM 등의 제어에 의해 부하전류와 상관없이 일정한 전압을 유지하지만(정전압), 보조권선에 유기되는 전압은 2차권선의 부하전류의 변화에 비례하여 변화하게 된다. 또한, 1차권선의 스위칭전류는 2차권선의 부하전류에 비례하여 변화한다.

이러한 원리를 이용하여, 본 발명에서는 보조권선의 전압변화에 따라 PWM IC의 발진시정수를 변화시켜서 대기상태의 동작주파수를 가능한한 낮게 설정하여 주파수에 비례하는 스위칭손실을 줄이도록 하였다.

PWM IC에는 보조권선에 유기된 교류전압으로부터 정류된 전압이 공급되는 Vcc단과, 인가되는 바이어스 전류에 따라 동작주파수를 변화시키는 OSC단이 포함되는데,

제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단과 OSC단 사이에 연결되는 회로로서 Vcc단에 공급되는 전압이 설정치 이상일 때에 동작하는 제너다이오드와, 이 제너다이오드에 따라 동작하는 스위칭소자를 포함하여, 2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 보조권선에서의 전압변동에 따라 PWM IC의 OSC단에 인가하는 바이어스 전류를 가변하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제2제어회로는 스위칭소자를 흐르는 스위칭전류의 선상에 위치하여 스위칭전류에 의해 전압강하를 발생시키는 전류검출 저항과, 이 전류검출 저항에서 강하된 전압에 따라 PWM IC의 OSC단에 바이어스 전류를 변화시키도록 스위칭되는 스위칭소자로 구성되어, 부하전류의 변화에 따라 변화하는 스위칭전류의 변화값에 따라 PWM IC의 OSC단에 인가되는 바이어스 전류를 가변하는 것을 특징으로 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 기술사상을 구현하는 실시예에 대해 설명한다.

실시예

도1a는 본 발명에 따른 대기전력 절감회로를 채용한 스위칭 전원회로의 개괄적인 회로도이다. 트랜스포머(TRANS1)는 1차권선(T1), 2차권선(T2), 보조권선(T3)으로 구성되어 있는데, T1에는 AC로부터 브리지다이오드(RB1) 및 콘덴서(C1)에 의해 정류된 직류전압이 인가되어 스위칭소자 Q1에 의해 스위칭되어 교류로 변환된다. T1에 발생한 교류전압은 T2에서 강압 또는 승압되어 정류다이오드(D2)와 평활콘덴서(C2)에 의해 직류전압(V1)으로 출력된다.

한편, 보조권선 T3에 유기된 교류전압은 다이오드(D4)와 콘덴서(C3)에 의해 정류되어 PWM IC의 Vcc에 인가된다. PWM IC는 스위칭소자 Q1의 베이스 또는 게이트에 스위칭펄스를 공급하는 역할을 하는데, PWM IC에서 발생하는 스위칭펄스의 주파수는 제1제어회로(10)와 제2제어회로(20)에 의해 제어된다. PWM IC는 OSC 단자에 인가되는 전압에 따라 발진주파수가 결정된다.

제1제어회로(10)는 PWM IC의 Vcc단과 발진단(OSC)에 연결되는데, T3에 유기되는 전압의 변화에 따라 변화되는 출력전압을 PWM IC의 OSC에 인가하여 PWM IC의 발진시정수를 변화시키는 역할을 한다.

제2제어회로(20)는 스위칭소자 Q1의 이미터와 PWM IC의 OSC에 연결되는데, Q1에 흐르는 전류 IS의 변화에 따라 변화되는 출력전압을 PWM IC의 OSC에 인가하여 PWM IC의 발진시정수를 변화시키는 역할을 한다.

각 제어회로의 동작에 대해서 좀더 구체적으로 설명한다. 제1제어회로(10)는 저항(R1, R2)과 제너다이오드(ZD1)가 트랜지스터(Q2)의 바이어스 회로로서 구성된다. T2에 흐르는 부하전류 IL이 증가하면 T3의 전압 vs가 상승하게 되고, 상승된 전압이 D4와 C3에 의해 정류되어 Q2의 동작전압을 변화시키게 된다. 따라서, Q2에서 출력되는 전류가 PWM IC의 OSC단으로 바이어스되어 PWM IC의 동작주파수를 가변시키게 된다.

제2제어회로(20)는 트랜지스터 Q3, 저항 R4, 전류검출저항 RS로 구성된다. 스위칭소자 Q1에는 전류 IS가 흐르고 있는데, 부하전류 IL의 증가에 따라 1차권선 T1의 전류가 상승하면 RS에는 증가된 IS에 비례하는 전압강하 vd가 생기고 이 전압의 변화에 따라 Q3이 스위칭된다. 결국 PWM IC의 OSC단에 인가되는 바이어스 전류를 R4와 Q3을 통해 그라운드로 바이패스시킴으로써 PWM IC의 동작주파수가 가변된다.

제1제어회로(10)와 제2제어회로(20)를 종합해 볼 때, 스위칭전원의 대기상태와 동작상태일 때에는 부하전류 IL이 서로 다르므로 각 제어회로의 동작에 의해 PWM IC의 OSC단에 인가되는 바이어스 전류가 가변되므로 대기상태와 동작상태에서의 스위칭주파수를 다르게 제어할 수 있다.

상기 제1제어회로(10)와 제2제어회로(20)에 사용된 소자들의 정수는 원하는 동작주파수 특성에 따라 결정될 수 있다. 즉, 부하전류의 변화에 따라 동작주파수의 출력특성을 원하는 형태가 되도록 고려하여 PWM IC의 OSC단에 인가되는 바이어스 전류를 얻도록 소자 정수들을 결정할 수 있다. 이는 전자회로 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 기술적 사항이다. 도1b에 여러가지 가능한 동작주파수 모드를 표시하였다.

제어회로의 다른 실시예

도1a에서 개시한 제어회로 이외에 다양한 방식으로 본 발명의 기술사상을 구현할 수 있다. 도2a~도2g는 도1a의 제1제어회로(10) 대신에 사용할 수 있는 제어회로들이고, 도3은 도1a의 제2제어회로(20) 대신에 사용할 수 있는 제어회로의 예를 나타낸다. 도2a~g는 T3 전압 vs로부터 정류된 Vcc와 PWM IC의 OSC단 사이에 연결되는 회로들로서 궁극적으로는 Vcc의 변화에 따라 OSC단의 바이어스 전류값을 변화시키는 회로들이다.

하나하나 설명하면, 도2a는 PWM IC의 Vcc단과 OSC단 사이에 저항 Ra가 연결된 제1제어회로를 나타낸다. 도2b에서, 제1제어회로는 Vcc단에 캐소드가 연결된 제너다이오드 ZDb와, 이 제너다이오드 ZDb의 애노드와 OSC단 사이에 연결된 저항 Rb로 구성된다. 도2c와 도2d에서, 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단에 콜렉터와 베이스가 연결되고 OSC단에 이미터가 연결된 트랜지스터 Qc로 구성되는데, Qc는 도2c의 경우에는 저항 Rc1, Rc2, Rc3으로 바이어스되고, 도2d의 경우에는 Rd1, Rd2에 의해 바이어스된다. 도2e의 경우에, 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단에 캐소드가 연결된 제너다이오드 ZDe와, 제너다이오드 ZDe의 애노드에 베이스가 연결되며 OSC단에 콜렉터가 연결되고 이미터는 접지되는 트랜지스터 Qe로 구성된다. Qe는 Re1과 Re2에 의해 바이어스된다. 도2f의 경우에, 제1제어회로는 Vcc단에 베이스가 연결되며 OSC 단에 콜렉터가 연결되고 이미터는 접지되는 트랜지스터 Qf로 구성된다. Qf는 Rf1과 Rf2에 의해 바이어스된다. 도2g에서, 제1제어회로는 Vcc단에 이미터가 연결되며OSC단에 콜렉터가 연결되고 베이스는 제너다이오드 ZDg를 통해 접지되는 트랜지스터 Qg를 포함한다. Qg의 이미터는 Rg를 통해 Vcc에 연결된다.

도3은 스위칭전류 IS 검출용 저항 RS와 PWM IC의 OSC단 사이에 연결되는 제2제어회로로서 궁극적으로는 IS의 변화에 따라 OSC단의 바이어스 전류값을 변화시키는 역할을 하는 회로이다. 도3에서, 제2제어회로는 스위칭소자를 흐르는 스위칭전류의 선상에 위치하여 스위칭전류에 의해 전압강하를 발생시키는 전류검출 저항(RS)과, Vcc에 콜렉터와 베이스가 연결되며 콜렉터는 OSC단에 연결되는 제1트랜지스터 Q31과, 콜렉터는 Vcc 및 제1트랜지스터의 베이스에 연결되고 베이스는 전류검출 저항에 연결되며 이미터는 접지되는 제2트랜지스터 Q32를 포함하는 것을 특징으로 한다.

물론 당연히, 도2a~g 및 도3에 나타낸 회로들은 본 발명의 기술적 사상을 다르게 구현하는 예시일 뿐으로, 다른 회로들에 의해 본 발명의 기술사상이 구현될 수도 있음은 당업자에게 자명하다.

본 발명의 전력절감 효과를 측정해본 결과, 동작주파수가 100kHz이고 대기전력인 2.7W인 스위칭전원에 본 발명을 적용하여 대기시 동작주파수를 5kHz 낮추었을 때 1.9W를 얻어, 종래의 방식에 비해 약 30%의 절전효과를 얻을 수 있었다.

Claims

1차권선, 2차권선, 보조권선으로 구성되는 트랜스포머, 1차권선에 공급되는 직류전압을 스위칭하는 스위칭소자, 스위칭소자에 인가하는 스위칭펄스를 제어하는 PWM IC로 구성되는 스위칭 전원장치에 있어서,

2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 보조권선에서의 전압변동에 따라 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제1제어회로와,

2차권선에 흐르는 부하전류의 변화에 따른 스위칭전류의 변화에 따라 상기 PWM IC의 동작주파수를 가변하는 제2제어회로를 포함하는 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

삭제

청구항 1에서,

상기 PWM IC에는 보조권선에 유기된 교류전압으로부터 정류된 전압이 공급되는 Vcc단과, 인가되는 바이어스 전류에 따라 동작주파수를 변화시키는 OSC단을 포함하고,

상기 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단과 OSC단 사이에 연결되는 회로로서 Vcc단에 공급되는 전압이 설정치 이상일 때에 동작하는 제너다이오드(ZD1)와, ZD1에 따라 동작하는 스위칭소자(Q2)를 포함하며,

상기 제2제어회로는 스위칭소자를 흐르는 스위칭전류의 선상에 위치하여 스위칭전류에 의해 전압강하를 발생시키는 전류검출 저항(RS)과, RS에서 강하된 전압에 따라 PWM IC의 OSC단에 바이어스 전류를 변화시키도록 스위칭되는 스위칭소자(Q3)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

삭제

청구항 1에서,

상기 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단과 OSC단 사이에 연결된 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

청구항 1에서,

상기 제1제어회로는 Vcc단에 캐소드가 연결된 제너다이오드와, 이 제너다이오드의 애노드와 OSC단 사이에 연결된 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

청구항 1에서,

상기 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단에 콜렉터와 베이스가 연결되고 OSC단에 이미터가 연결된 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

청구항 1에서,

상기 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단에 캐소드가 연결된 제너다이오드와, 제너다이오드의 애노드에 베이스가 연결되며 OSC단에 콜렉터가 연결되고 이미터는 접지되는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

청구항 1에서,

상기 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단에 베이스가 연결되며 OSC단에 콜렉터가 연결되고 이미터는 접지되는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

청구항 1에서,

상기 제1제어회로는 PWM IC의 Vcc단에 이미터가 연결되며 OSC단에 콜렉터가 연결되고 베이스는 제너다이오드를 통해 접지되는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.

청구항 1에서,

상기 제2제어회로는 스위칭소자를 흐르는 스위칭전류의 선상에 위치하여 스위칭전류에 의해 전압강하를 발생시키는 전류검출 저항(RS)과, Vcc에 콜렉터와 베이스가 연결되며 콜렉터는 OSC단에 연결되는 제1트랜지스터와, 콜렉터는 Vcc 및 제1트랜지스터의 베이스에 연결되고 베이스는 전류검출 저항에 연결되며 이미터는 접지되는 제2트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원장치의 대기전력 절감회로.