KR100379057B1 - 버스트 모드 스위칭 모드 파워 서플라이 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 스위칭 모드 파워 서플라이는 전력 공급부, 모드 설정부, 피드백 회로부, 스위칭 제어부를 포함한다.
전력 공급부는 트랜스포머의 1차 코일에 커플링되는 메인 스위치를 포함한다. 이 메인 스위치는 정상 동작 모드시에는 소정 듀티로 스위칭을 행하며 대기 모드시에는 제1 구간 동안은 스위칭을 수행하지 않으며 제2 구간 동안은 제1 듀티로 스위칭을 수행하여 2차측에 전력을 공급한다.
모드 설정부는 트랜스포머의 2차측의 출력 전압에 커플링되는 모드 설정 전압을 조절함으로써 메인 스위치를 정상 동작 모드로 동작시키거나 대기 모드로 동작시킨다.
피드백 회로부는 모드 설정부의 모드 설정 전압에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원과 이 종속 전류원에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 가진다.
스위칭 제어부는 정상 동작 모드 시에는 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭하도록 제어하며 대기 모드 시에는 메인 스위치가 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태를 반복하도록 제어한다.

Description

버스트 모드 스위칭 모드 파워 서플라이{A Burst Mode Switching Mode Power Supply}
본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이(switching mode power supply; SMPS) 에 관한 것으로서, 대기 모드(standby mode)시 버스트 모드로 동작하는 SMPS에 관한 것이다.
텔레비젼, 컴퓨터 모니터, 브이씨알(VCR) 등 기존의 많은 전자 제품들은 많은 전력을 소모하는 정상 동작 모드(normal operation mode)와 정상 동작신호를 기다리며 적은 소비전력을 소모하는 대기 모드의 두 가지 상태로 동작한다.
최근 환경 문제에 대한 인식이 높아짐에 따라 대부분의 전자 제품이 에너지 절약 기능을 가지도록 설계되고 있다. 대부분의 전자제품에서 대기 모드 동안에는 정상 동작 모드 동안에 비해 아주 적은 전력을 소모하지만, 대부분의 전자 제품들이 정상 동작 모드보다 대기 모드 상태로 있는 경우가 많기 때문에 많은 국가에서 대기 모드 동안의 전력 손실에 대한 규제를 강화하고 있다.
따라서, 종래의 전자 제품에서는 대기 모드 시의 입력 전력을 감소시키기 위해 보조 전원을 쓰거나 출력 전압을 줄이는 등의 방법을 사용하였다. 그러나, 출력 전압을 낮추는 방법은 추가되는 부품의 수가 증가하고 대기 모드시의 전력 소비를 낮추는데 한계가 있으며, 보조 전원을 사용하는 방법은 가격 부담이 많아진다는 문제점이 있다.
한편, 일반적인 SMPS의 대기 모드에서는 입력 전원의 대부분이 제어 IC(integrated circuit)와 1차측 메인 스위치의 스위칭 손실로 소모되므로, SMPS의 입력 전력을 감소시키기 위해서는 이와 같은 메인 스위치의 스위칭 손실을 감소시킬 필요가 있다.
그러나, 종래의 SMPS에서는 대기모드 시에도 일정한 고주파로 스위칭을 수행하기 때문에 스위칭 손실이 많다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대기 모드에서 일정시간 동안 SMPS의 스위칭을 수행하고 다시 일정 시간 동안 스위칭을 멈추는 동작을 통해 스위칭 손실을 감소시켜 입력 전력을 감소시키기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 추가되는 부품을 적게 사용하여 대기 모드 시의 출력 전압을 정상 동작 모드인 경우 보다 낮게 유지하기 위한 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이를 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 일부분을 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이 회로의 상세회로도이다.
도4는 도3의 제어 모듈의 상세회로도이다.
도5는 도3 및 도4에 도시한 회로의 주요 동작점의 파형을 나타내는 도면이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이는
트랜스포머의 1차 코일에 커플링되는 메인 스위치를 포함하며, 정상 동작 모드시에는 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭을 행하며 대기 모드 시에는 상기 메인 스위치가 제1 구간 동안은 스위칭을 수행하지 않으며 제2 구간 동안은 제1 듀티로 스위칭을 수행하여 2차측에 전력을 공급하는 전력 공급부; 트랜스포머의 2차측의 출력 전압에 커플링되는 모드 설정 전압을 조절함으로써 상기 메인 스위치를 정상 동작 모드로 동작시키거나 대기 모드로 동작시키는 모드 설정부; 상기 모드 설정부의 상기 모드 설정 전압에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원과 상기 종속 전류원에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 가지는 피드백 회로; 및 정상 동작 모드 시에는 상기 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭하도록 제어하며 대기 모드 시에는 상기 메인 스위치가 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태를 반복하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.
상기 모드 설정부는
트랜스포머의 2차 코일에 애노드가 커플링되는 제1 다이오드; 상기 제1 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 커플링되는 제2 커패시터; 상기 제1 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 저항과; 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이의 접점의 전압인 상기 모드 설정 전압에 커플링되며 상기 모드 설정 전압이 정상 동작 모드시 보다 대기 모드 시에 높게 설정되도록 스위칭하는 제1 스위치를 포함한다.
여기서, 상기 모드 설정부는 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 제1 스위치 사이에 연결되는 제3 저항을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 제1 스위치는 대기 모드시에는 온으로 되며 정상 동작 모드 시에는 오프로 된다.
상기 스위칭 제어부는
스위칭 제어 신호에 따라 상기 메인 스위치가 스위칭 동작을 수행하거나 스위칭 동작을 중지하도록 제어하는 스위치 구동부와,
정상 동작 모드 시에는 상기 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭하도록 제어하며, 대기 모드 시에는 상기 메인 스위치가 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태를 반복하도록 상기 스위칭 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어 신호 생성부를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS 회로는 전력 공급부(100), 피드백 회로부(200), 스위칭 제어부(300)와 모드 설정부(400)로 이루어진다.
전력 공급부(100)는 입력 전원(Vin)에 연결되는 1차 코일, 1차 코일에 연결되는 메인 스위치(SW1)로 이루어진다.
전력 공급부(100)는 입력 전원(Vin)을 입력 받아 메인 스위치(SW1)의 듀티(duty)에 따라 트랜스포머의 2차측 즉, 모드 설정부(400)쪽에 원하는 출력 전압(Vout)을 공급한다. 대부분의 SMPS는 출력 전압(Vout)을 다시 피드백 시키고, 이 피드백된 값을 이용하여 전력 공급부(100)의 메인 스위치(SW1)의 듀티를 제어함으로써 출력 전압을 레귤레이션(regulation)시킨다.
모드 설정부(400)는 트랜스포머의 2차측에 애노드가 연결되는 다이오드(D1), 다이오드(D1)의 캐소드와 접지 사이에 연결되는 커패시터(C1), 다이오드(D1)의 캐소드와 접지 사이에 직렬로 연결되는 저항(R1, R2), 다이오드(D1)의 캐소드에 일단이 연결되는 저항(R3), 저항(R1)과 저항(R2) 사이의 접점과 저항(R3) 사이에 연결되며, 마이컴(500)의 제어신호에 따라 온, 오프가 제어되는 스위치(SW3)로 이루어진다.
모드 설정부(400)는 마이컴(500)의 제어신호에 따라 저항(R1)과 저항(R2) 사이의 접점 전압인 모드 설정 전압(Va)값을 조절하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS를 정상 동작 모드로 동작시키거나 대기 모드로 동작시킨다.
구체적으로 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 정상 동작 모드로 동작하는 경우 마이컴(500)은 스위치(SW3)를 오프로 제어하여 모드 설정 전압(Va)이 다음의 수학식 1로 되도록 제어한다.
또한, 대기 모드로 동작하는 경우 마이컴(500)은 스위치(SW3)를 온으로 제어하여 모드 설정 전압(Va)이 수학식 2로 되도록 제어한다.
여기서, R1//R3는를 나타낸다.
피드백 회로부(200)는 모드 설정 전압(Va)의 값에 따라 전류 값이 변하는 종속 전류원(Ifb)과 커패시터(Cfb)로 이루어진다.
이 피드백 회로부(200)는 모드 설정부(400)의 모드 설정 전압(Va)을 감지하여 이 모드 설정 전압에 대응하는 피드백 전압(Vfb)을 스위칭 제어부(300)로 출력한다.
예컨대, 모드 설정 전압(Va)이 증가하였다고 가정하면 피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)도 따라 증가하므로 커패시터(Cfb)에 충전된 피드백 전압(Vfb)은 감소하게 되며, 이 감소된 피드백 전압(Vfb)은 스위칭 제어부(300)에 입력된다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면 수학식1과 수학식2로부터 알 수 있듯이, 대기 모드시가 정상 동작 모드시 보다 높은 모드 설정 전압(Va)을 가지며, 대기 모드시의 피드백 전압(Vfb)은 거의 영으로 된다.
스위칭 제어부(300)는 메인 스위치(SW1)가 스위칭 동작을 수행하거나 스위칭 동작을 중지하도록 제어하는 스위치 구동부(320)와 이 스위치 구동부(320)에 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 생성부(340)로 이루어진다. 이하에서, "메인 스위치(SW1)가 스위칭 동작을 수행한다"는 것과 "메인 스위치(SW1)가 스위칭 온 상태이다"는 것은 같은 의미로 사용하며, 이는 구체적으로 메인 스위치(SW1)가 소정 듀티로 스위칭을 수행한다는 것을 의미한다. 또한, "메인 스위치(SW1)가 스위칭 동작을 중지한다는 것"과 "메인 스위치(SW1)가 스위칭 오프 상태이다"는 것은 같은 의미로 사용하며, 이는 구체적으로 메인 스위치가 오프 상태를 유지한다는 것을 의미한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 제어 신호 생성부(340)는 1차 코일에 애노드가 연결되는 다이오드(D2), 다이오드(D2)의 캐소드와 접지 사이에 연결되는 커패시터(C2)를 포함한다. 또한, 스위칭 제어 신호 생성부(340)는 전류원(I1, I2), 전류원(I1)에 애노드가 연결되며 피드백 전압(Vfb)에 캐소드가 연결되는 다이오드(D3), 전류원(I1)에 애노드가 연결되는 다이오드(D4), 전류원(I2)과 다이오드(D4)의 캐소드 사이에 연결되는 스위치(SW2), 다이오드(D4)의 캐소드와 접지 사이에 직렬로 연결되는 저항(R4, R5)으로 이루어진다. 본 발명의 제1 실시예에서 스위치(SW2)는 주로 1차측 코일에 유기되는 권선 전압에 의해 커패시터(C2)에 충전된 전압(Vcc)에 의해 온, 오프가 결정된다. 구체적으로 스위치(SW2)는 후술하는 바와 같이 전압(Vcc)이 제1 기준 전압보다 작은 경우에는 온으로 되며, 전압(Vcc)이 상기 제1 전압보다 작은 제2 전압 보다 작거나, 제1 기준 전압 보다 큰 경우에는 오프로 된다.
다음에는 도1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS의 동작을 설명한다.
먼저, 정상 동작 모드에서의 동작을 설명한다. 정상 동작 모드인 경우 메인 스위치(SW1)는 소정의 듀티로 스위칭 동작을 수행하기 때문에, 커패시터(C2)에는 상기 제1 전압보다 큰 전압이 충전되며, 이에 따라 제어 신호 발생부(320)의 스위치(SW2)는 오프 상태로 된다. 또한, 마이컴(500)은 모드 설정부(400)의 스위치(SW3)를 오프로 제어하기 때문에 모드 설정 전압(Va)은 수학식 1과 같이 되며, 피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)은 이 모드 설정 전압(Va)의 크기에 따라 전류값이 결정된다. 이때, 정상 동작 모드에서 종속 전류원(Ifb)의 크기는 전류원(I1)보다 작으며, 이에 따라 커패시터(Cfb)는 소정 피드백 전압(Vfb)으로 충전된다. 한편, 위에서 설명한 바와 같이 스위치(SW2)가 오프 상태이기 때문에 스위칭 제어 전압(Vb)은 피드백 전압(Vfb)과 같게 되며, 결국 피드백 전압(Vfb)에 따라 메인 스위치(SW1)의 듀티가 제어된다.
다음에는 대기 모드시의 동작을 설명한다. 사용자의 조작 등에 의해 전자제품이 대기모드로 동작하는 경우, 마이컴(500)은 모드 설정부(400)의 스위치(SW3)를 온으로 제어한다. 이 경우, 모드 설정 전압(Va)은 수학식 2에 나타낸 바와 같이 정상 동작 모드에 비해 크며, 이에 따라 피드백 회로(200)의 종속 전류원(Ifb)의 크기가 증가한다. 구체적으로 대기 모드 시에 종속 전류원(Ifb)의 크기는 전류원(I1)보다 증가하며, 이에 따라 피드백 전압(Vfb)은 거의 영으로 된다. 또한, 스위치(SW2)는 정상 동작 모드 시부터 오프 상태를 유지하고 있으므로, 스위칭 제어 전압(Vb)도 또한 영으로 된다. 스위칭 제어 전압(Vb)이 영으로 되면, 스위치 구동부(320)는 메인 스위치(SW1)의 스위칭 동작을 중지시킨다. 따라서, 커패시터(C2)에 충전된 전압(Vcc)이 감소하여, 결국 상기 제1 기준 전압 보다 작게 된다.
그러면, 스위치(SW2)는 온 상태로 되며, 스위칭 제어 전압(Vb)은 전류원(I2)에 의해 증가하며, 다음의 수학식 3과 같이 된다.
그러면, 스위치 구동부(320)는 수학식 3에 나타낸 스위칭 제어 전압(Vb)에 대응하는 거의 최소 듀티 레벨인 제1 듀티로 메인 스위치(SW1)의 스위칭 동작을 개시한다. 따라서, 커패시터(C2)에 충전되는 전압(Vcc)은 증가하여 결국 상기 제1 기준 전압 보다 크게 되며, 스위치(SW2)가 오프로 된다. 그러면, 스위칭 제어 전압(Vb)은 이하에서 설명하는 바와 같이 거의 0으로 된다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면 대기 모드 시에 메인 스위치(SW1)가 제1 듀티로 스위칭을 하는 경우에도, 여전히 피드백 전류(Ifb)는 전류원(I1) 보다 크게 설정된다. 이는 모드 설정부(400)의 저항(R1, R2, R3) 값과, 제1 기준 전압과 제2 기준 전압 값을 적절히 설정하면 된다.
따라서, 메인 스위치(SW1)는 다시 스위칭 오프 상태로 되며, 이에 따라전압(Vcc)은 감소하여 상기한 동작을 반복한다.
위에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에서 대기 모드 시 스위치(SW2)가 온으로 되는 경우 전류원(I2)으로부터 공급되는 전류는 커패시터(Cfb)로는 흐르지 않고, 저항(R4, R5)으로만 흐른다. 이는 대기 모드시 다이오드(D4)에는 역 바이어스의 전압이 걸리기 때문이다. 따라서, 스위치(SW2)가 온으로 되는 경우 스위칭 제어 전압(Vb)은 수학식3에 나타낸 바와 같이 일정하게 되기 때문에 메인 스위치(SW1)는 고정된 값인 상기 제1 듀티로 스위칭 동작을 한다.
본 발명의 제1 실시예에서는 스위치(SW2)가 온으로 되는 경우 다이오드(D3, D4)를 사용하여 피드백 회로(200)로의 전류 공급을 차단하였으나, 도2에 도시한 바와 같이, 전압 폴로어 회로(361)를 사용하여 구현할 수도 있다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMPS 중 피드백 회로(200)와 스위칭 제어부(300)만을 도시한 도면이다. 도2에서 도시하지 않은 SMPS의 나머지 부분은 도1에 도시한 본 발명의 제1 실시예와 동일하다. 또한, 도1과 동일한 구성 요소는 동일한 도면 부호를 사용하였으며, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
도2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 커패시터(Cfb)에전류원(I3)이 연결되어 있으며, 커패시터(Cfb)와 저항(R4) 사이에 전압 폴로어(361)가 연결되어 있다. 이 전압 폴로어(361)는 피드백 회로(200)의 피드백 전압(Vfb)을 스위칭 제어 전압(Vb)에는 전달하나, 전류원(I2)으로부터 피드백 회로(200)로 전류가 공급되는 것을 차단하는 역할을 한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMPS의 동작은 위에서 설명한 것과 거의 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS의 상세 회로도이며, 도4는 도3의 제어 모듈(380)의 상세 회로도이다.
도3 및 도4에서 도1과 동일한 구성요소는 동일 부호로 표기하였으며, 중복되는 설명은 생략한다.
도3에서, 전력 공급부(100)는 도1과 비교할 때 교류 입력(AC)을 정류하기 위한 브리지 다이오드(BD), 정류된 전압을 평활화하기 위한 커패시터(Cin), 저항(Rin)을 더 포함하고 있으며, 메인 스위치로서 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)를 사용하였다. 또한, 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)의 소스와 접지 사이에는 감지 저항(Rsense)이 연결되어 있다.
모드 설정부(400)를 살펴보면, 각각 저항(R3)과 저항(R2)에 다이오드(D5)의 애노드와 캐소드가 연결되어 있으며, 다이오드(D5)의 애노드와 접지에 각각 트랜지스터(Q1)의 컬렉터와 이미터가 연결되어 있다. 이들 다이오드(D5)와 트랜지스터(Q1)는 도1의 스위치(SW3)를 이룬다. 또한, 모드 설정부(400)는 저항(R1, R2) 사이의 접점의 전압인 모드 설정 전압(Va)과 기준 전압(Vref3)을 각각 반전 단자와 비반전 단자의 입력으로 하는 오차 증폭기(Amp1)와, 오차 증폭기(Amp1)의 출력 단자에 연결되는 포토 다이오드(PC1)를 더 포함한다.
피드백 회로부(200)는 2차측의 포토 다이오드(PC1)와 포터 커플러를 이루는 포토 트랜지스터(PC2)와 이 포토 트랜지스터(PC2)에 병렬로 연결되는 커패시터(Cfb)로 이루어진다. 포토 트랜지스터(PC2)는 오차 증폭기(Amp1)의 출력 전압에 대응하는 전류를 흐르게 하며, 이 포토 트랜지스터(PC2)는 등가적으로 도1의 종속 전류원(Ifb)으로 나타낼 수 있다.
스위칭 제어부(300)는 커패시터(Cfb)에 충전되는 피드백 전압(Vfb), 1차 코일의 권선 전압에 의해 커패시터(C2)에 충전되는 전압(Vcc), 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)의 드레인-소스 사이를 흐르는 전류량을 감지하는 감지 전압(Vsense)을 각각 입력핀으로 수신하여, 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)의 스위칭을 제어하는 게이트 전압(Vg)을 출력핀을 통해 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)로 출력하는 제어모듈(380)을 포함한다. 도4는 제어모듈(380)의 상세 회로도이다.
도4에 도시한 바와 같이, 제어 모듈(380)에는 전압(Vcc)과 기준 전압 발생부(384)의 출력 전압(Vref)이 각각 반전 단자와 비반전 단자로 입력되는 비교기(CP1)를 포함한다. 여기서 기준 전압 발생부(384)는 기준 전압(Vref1), 기준전압(Vref2)과 기준 전압(Vref1)에 병렬로 연결되는 스위치(SW4)로 이루어진다. 기준 전압 발생부(384)의 출력 전압(Vref)은 스위치(SW4)의 온, 오프 여부에 따라 각각 Vref2와 Vref1+Vref2로 된다.
비교기(CP1)의 출력단자에는 인버터(IN)가 연결되어 있으며, 인버터(IN)의 출력은 스위치(SW4)의 스위칭 제어 신호로서 사용된다. 또한, 비교기(CP1)의 출력 단자는 스위치(SW2)의 스위칭 제어 신호로서 사용된다.
또한, 제어 모듈(380)은 저항(R4)과 저항(R5) 사이의 접점의 전압(Vc)과 감지 전압(Vsense)을 각각 반전 단자와 비반전 단자로 입력받는 비교기(CP2)와, 비교기(CP2)의 출력 전압을 입력받아 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)의 스위칭을 제어하는 신호인 게이트 전압(Vg)을 출력하는 모스 트랜지스터 드라이버(382)를 포함한다.
이하에서는 도3내지 도5를 참조하여 본 발명의 제1 실시예의 동작을 상세히 설명한다. 도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS의 각 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
먼저, 정상 동작 모드에서의 동작을 설명한다.
정상 동작 모드인 경우 마이컴(500)은 트랜지스터(Q1)의 베이스에 하이 전압을 인가하여, 트랜지스터(Q1)를 턴온시킨다. 이 경우, 다이오드(D5)에는 역바이어스의 전압이 인가되기 때문에 다이오드는 오프로 된다. 따라서, 모드 설정 전압(Va)은 수학식 1과 같이 된다. 이 전압(Va)은 오차 증폭기(Amp1)에 입력되어 소정 크기의 전압으로 증폭된다. 오차 증폭기(Amp1)의 출력 전압은 포토 다이오드(PC1)에 입력되며, 포토 트랜지스터(PC2)에는 오차 증폭기(Amp1)의 출력 값에 대응하는 소정 크기의 전류가 흐르게 된다.
이때, 정상 동작 모드에서 포토 트랜지스터(PC2)를 통해 흐르는 전류의 크기는 전류원(I1)보다 작으며, 이에 따라 커패시터(Cfb)는 소정 피드백 전압(Vfb)으로 충전된다.
정상 동작 모드시에는 1차 코일에 높은 권선 전압이 유기되기 때문에 커패시터(C2)에 충전되는 전압(Vcc)은 도5의 (A)에 나타낸 바와 같이 Vref1 + Vref2 보다 큰 Vcc.N으로 된다. 따라서, 비교기(CP1)는 로우 상태의 전압을 출력하며, 이에 따라 스위치(SW4)는 온 상태로 되어 비교 전압 발생부(384)의 출력 전압(Vref)이 Vref2로 된다. 또한, 비교기(CP1)가 로우 상태의 전압을 출력하는 경우스위치(SW2)는 오프 상태로 된다. 정상 동작 모드에서 스위치(SW2)는 오프 상태를 유지하기 때문에 전압(Vb)은 피드백 전압(Vfb)과 같게 된다.
스위칭 제어 전압(Vb)을 저항(R4, R5)으로 분배한 전압인 Vc는 비교기(CP2)에 입력되어 감지 전압(Vsense)과 비교된다. 비교기(CP2)는 비교되는 두 전압의 전압차에 대응하는 값을 모스 트랜지스터 드라이버(382)로 출력하며, 모스 트랜지스터 드라이버(382)는 비교기(CP2)의 출력 값에 대응하는 소정 듀티로 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)를 스위칭시킨다. 이때, 모스 트랜지스터 드라이버(382)는 이미 시중에 상용화되고 있는 IC를 사용할 수 있으며, 구체적으로 본 발명의 제1 실시예에서는 페어차일드 코리아 반도체 주식회사의 제품인 KA3S0765R 드라이버 IC를 사용하였다.
이와 같이 정상 동작 모드에서는 스위치(SW2)가 오프 상태를 유지하므로, 통상적인 피드백 루프에 의해 스위칭 모스 트랜지스터의 스위칭 동작이 제어된다.
다음에는 대기 모드시의 동작을 설명한다. 사용자의 조작 등에 의해 전자제품이 대기모드로 동작하는 경우, 마이컴(500)은 트랜지스터(Q1)의 베이스에 로우 전압을 인가하여, 트랜지스터(Q1)를 턴오프시킨다. 이 경우, 다이오드(D5)에는 순방향의 전압이 인가되기 때문에 다이오드는 도통된다. 따라서, 모드 설정 전압 (Va)은 수학식 2에 나타낸 바와 같이 정상 동작 모드에 비해 증가한다. 이 증가된 전압(Va)은 오차 증폭기(Amp1)에 입력되어 정상 동작 모드 보다 훨씬 큰 전압으로 증폭된다. 따라서, 포토 트랜지스터(PC2)에는 전류원(I1) 보다 큰 전류가 흐르게 되며, 도5의 (C)에 도시한 바와 같이 피드백 전압(Vfb)은 거의 영으로 된다. 또한,스위치(SW2)는 앞서 설명한 바와 같이 정상 동작 모드 시에 오프 상태를 유지하고 있으므로, 도5의 (C)에 도시한 바와 같이 스위칭 제어 전압(Vb)도 또한 영으로 된다. 스위칭 제어 전압(Vb)이 0으로 됨에 따라 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)는 스위칭 오프 상태로 된다. 따라서, 도5의 (A)에 도시한 바와 같이, 커패시터(C2)에 충전된 전압(Vcc)은 감소하며, 결국 전압 Vref2 보다 작게 되며, 또한 도5의 (B)에 도시한 바와 같이 모드 설정부(400)의 출력 전압(Vout)도 점차로 감소한다. 이때, 전압(Vcc)와 전압(Vout)의 감소 기울기는 커패시터(C2)와 커패시터(C1)의 커패시턴스, 트랜스포머의 권선 수 등에 의해 결정된다.
전압(Vcc)가 Vref2 보다 작게 되면, 비교기(CP1)는 하이 전압을 출력하며, 이에 따라 스위치(SW4)는 오프로 되며, 스위치(SW2)는 온으로 된다. 따라서, 기준 전압 발생부(384)의 출력 전압은 Vref1+Vref2로 증가하며, 전류원(I2)로부터의 전류가 저항(R4, R5)으로 공급된다. 스위치(SW2)가 온 상태로 됨에 따라 스위칭 제어 전압(Vb)은 수학식 3과 같이 일정하게 된다. 수학식 3에 기재된 스위칭 제어 전압은 저항(R4, R5)에 의해 분배되어 비교기(CP2)에 입력되고, 분배된 전압(Vc)은 모스 트랜지스터 드라이버(382)가 제1 듀티 레벨로 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)의 스위칭 동작을 개시하도록 한다. 스위치(SW2)가 온 상태를 유지하는 동안은 스위칭 제어 전압(Vb)이 일정하게 되므로, 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)가 온으로 되는 동안 트랜지스터(Qsw)의 드레인과 소스 사이로 흐르는 전류의 값은 매 스위칭 때마다 일정하게 된다.
스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)가 스위칭 동작을 개시하면, 커패시터(C2)에 충전되는 전압(Vcc)은 도5의 (A)에 도시한 바와 같이 증가하기 시작하여 결국 전압 Vref1 + Vref2 보다 크게 된다. 이에 따라 스위치(SW4)와 스위치(SW2)가 각각 오프로 된다. 따라서, 전압(Vcc)은 다시 감소하여 상기한 동작을 반복한다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMPS에서, 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)는 대기 모드 시에 스위칭 오프 및 스위칭 온 상태를 일정 주기로 반복하는 버스트(burst) 모드로 동작한다. 따라서, 대기 모드 시에 일정 주기에만 스위칭 트랜지스터(Qsw)가 스위칭 동작을 수행하기 때문에 대기 모드 시의 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 특히, 트랜스포머의 권선 비 등을 적절히 조절하여, 전압(Vcc)가 Vref2에서 Vref1+Vref2로 상승하는 시간(즉, 스위칭 모스 트랜지스터가 스위칭 온 상태인 구간) 보다 전압(Vcc)이 Vref1+Vref2에서 Vref2로 감소하는 시간(즉, 스위칭 모스 트랜지스터가 스위칭 오프 상태인 구간)을 길게 하면, 더욱 대기 모드시의 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 도5의 (C)에 도시한 바와 같이, 대기 모드 시에 피드백 전압(Vfb)은 거의 0의 전압 값을 유지하므로, 스위칭 제어 전압(Vb)은 피드백 전압(Vfb)(즉, 2차측의 출력 전압 (Vout))에 관계 없이 오직 스위치(SW2)의 온, 오프에 의해서만 결정된다. 따라서, 대기 모드 시의 스위칭 모스 트랜지스터(Qsw)의 스위칭 온 구간과 스위칭 오프 구간은 일정한 주기로 반복된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따르면 도5의 (A)에 도시한 바와 같이 전압 (Vcc)는 정상 동작 모드 시의 전압(Vcc.N) 보다 낮은 전압인 Vref2와 Vref1+Vref2 사이에서 제어되기 때문에, 출력 전압(Vout)도 도5의 (C)에 도시한 바와 같이 정상동작 모드 보다 낮은 전압에서 제어된다. 구체적으로, 전압(Vcc)의 정상 동작일 때의 전압 값(Vcc.N)과 대기 모드 시의 최소값(Vref2)의 비를 K라 하면, 출력 전압(Vout)의 정상 동작 모드 시의 전압을 Vout.N이라 하는 경우, 출력 전압(Vout)의 최소 값은 도5의 (B)에 도시한 바와 같이 KVout.N이 된다.
도5의 (A) 및 (B)에서, 대기 모드가 시작된 경우 일정 시간 동안에는 전압 Vcc가 상승하는 구간에서도 전압(Vout)은 계속하여 하강하는 데, 이는 전압(Vcc)와 전업(Vout)의 감소 기울기가 다르기 때문이다. 이와 같이 감소 기울기가 다른 이유는 커패시터(C1)과 커패시터(C2)의 커패시턴스 및 부하 전류의 비가 다르기 때문이다.
한편, 도2에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMPS의 상세 회로도 도3 및 도4로부터 용이하게 유추할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 외의 많은 변경이나 변형이 가능한 것은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 SMPS에 따르면 대기 모드시에 일정기간 동안 스위칭을 수행하고, 다시 일정 기간 동안 스위칭을 멈추는 동작을 통해 스위칭 손실을 감소시켜 입력 전력을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 적은 부품을 사용하여 대기 모드 시의 출력 전압을 정상 동작 모드인 경우 보다 낮게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 대기 모드 시에 출력 전압에 관계없이 일정한 주기의 버스트 모드로 스위칭 모스 트랜지스터의 스위칭을 제어할 수 있다.

Claims (12)

  1. 트랜스포머의 1차 코일에 커플링되는 메인 스위치를 포함하며, 정상 동작 모드시에는 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭을 행하며 대기 모드시에는 상기 메인 스위치가 제1 구간 동안은 스위칭을 수행하지 않으며 제2 구간 동안은 제1 듀티로 스위칭을 수행하여 2차측에 전력을 공급하는 전력 공급부;
    트랜스포머의 2차측의 출력 전압에 커플링되는 모드 설정 전압을 조절함으로써 상기 메인 스위치를 정상 동작 모드로 동작시키거나 대기 모드로 동작시키는 모드 설정부;
    상기 모드 설정부의 상기 모드 설정 전압에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원과, 상기 종속 전류원에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 가지는 피드백 회로; 및
    정상 동작 모드 시에는 상기 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭하도록 제어하며, 대기 모드 시에는 상기 메인 스위치가 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태를 반복하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하며,
    상기 스위칭 제어부가
    스위칭 제어 신호에 따라 상기 메인 스위치가 스위칭 동작을 수행하거나 스위칭 동작을 중지하도록 제어하는 스위치 구동부와,
    정상 동작 모드 시에는 상기 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭하도록 제어하며, 대기 모드 시에는 상기 메인 스위치가 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태를 반복하도록 상기 스위칭 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어 신호 생성부- 여기서 스위칭 제어 신호 생성부는
    트랜스포머의 1차 코일에 애노드가 연결되는 제3 다이오드,
    상기 제3 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결되는 제3 커패시터,
    제1 및 제2 전류원,
    상기 제1 전류원에 애노드가 연결되며 캐소드가 상기 피드백 회로의 상기 제1 커패시터의 한쪽 단에 연결되는 제4 다이오드,
    상기 제2 전류원에 연결되며 상기 제3 커패시터에 충전된 전압인 제1 전압이 제2 기준 전압보다 작은 경우에는 온으로 되며, 상기 제1 전압이 상기 제2 기준 전압 보다 크거나 상기 제2 기준 전압 보다 작은 제 3기준 전압 보다 작은 경우에는 오프로 되는 제2 스위치,
    상기 제1 전류원과 상기 제2 스위치에 각각 애노드와 캐소드가 연결되는 제5 다이오드와,
    상기 제5 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결되는 제4 및 제5 저항을 포함함- 를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  2. 제1항에서,
    상기 모드 설정부는
    트랜스포머의 2차 코일에 애노드가 커플링되는 제1 다이오드,
    상기 제1 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 커플링되는 제2 커패시터,
    상기 제1 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 저항과,
    상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이의 접점의 전압인 상기 모드 설정 전압에 커플링되며, 상기 모드 설정 전압이 정상 동작 모드시 보다 대기 모드 시에 높게 설정되도록 스위칭하는 제1 스위치를 포함하는 스위칭 제어부를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  3. 제2항에서,
    상기 모드 설정부는
    상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 제1 스위치 사이에 연결되는 제3 저항을 더 포함하며,
    상기 제1 스위치는 대기 모드시에는 온으로 되며, 정상 동작 모드 시에는 오프로 되는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 스위치는
    상기 제1 및 제2 저항 사이의 접점과 상기 제3 저항에 각각 캐소드와 애노드가 연결되는 제2 다이오드와,
    상기 제2 다이오드의 애노드와 접지에 각각 이미터와 컬렉터가 연결되는 제1트랜지스터를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  5. 제4항에서,
    상기 모드 설정부는
    상기 모드 설정 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기와,
    상기 제1 비교기의 출력에 커플링되는 포토 다이오드를 더 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  6. 제5항에서,
    상기 피드백 회로의 상기 종속 전류원은
    상기 포토 다이오드와 포토 커플러를 이루는 포토 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에서,
    상기 스위칭 제어 신호 생성부는
    직렬로 연결된 제4 및 제5 기준 전압과 상기 제4 기준 전압에 병렬로 연결된 제3 스위치로 이루어지며, 상기 제3 스위치의 스위칭 여부에 따라 대응하는 전압을 출력하는 기준 전압 발생부와,
    상기 제1 전압과 상기 기준 전압 발생부의 출력을 비교하며, 출력 값이 각각 제2 및 제3 스위치에 커플링되는 제2 비교기를 더 포함하며,
    상기 제1 전압이 상기 기준 전압 발생부의 출력 전압 보다 큰 경우에는 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 각각 오프 및 온으로 되며, 상기 제1 전압이 상기 기준 전압 발생부의 출력 전압 보다 작은 경우에는 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 각각 온 및 오프로 되는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  10. 제9항에서,
    상기 메인 스위치는 스위칭 모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  11. 제10항에서,
    상기 스위치 구동부는
    상기 제4 및 제5 저항 사이의 접점과, 상기 스위칭 모스 트랜지스터의 소스에 흐르는 전류를 감지한 감지 전압을 비교하는 제3 비교기와,
    상기 제3 비교기의 출력값에 따라 상기 스위칭 모스 트랜지스터의 제어 신호인 게이트 전압을 출력하는 모스 트랜지스터 드라이버를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  12. 트랜스포머의 1차 코일에 커플링되는 메인 스위치를 포함하며, 정상 동작 모드시에는 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭을 행하며 대기 모드시에는 상기 메인 스위치가 제1 구간 동안은 스위칭을 수행하지 않으며 제2 구간 동안은 제1 듀티로 스위칭을 수행하여 2차측에 전력을 공급하는 전력 공급부;
    트랜스포머의 2차측의 출력 전압에 커플링되는 모드 설정 전압을 조절함으로써 상기 메인 스위치를 정상 동작 모드로 동작시키거나 대기 모드로 동작시키는 모드 설정부;
    상기 모드 설정부의 상기 모드 설정 전압에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원과, 상기 종속 전류원에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 가지는 피드백 회로; 및
    정상 동작 모드 시에는 상기 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭하도록 제어하며, 대기 모드 시에는 상기 메인 스위치가 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태를 반복하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하며,
    상기 스위칭 제어부가
    스위칭 제어 신호에 따라 상기 메인 스위치가 스위칭 동작을 수행하거나 스위칭 동작을 중지하도록 제어하는 스위치 구동부와,
    정상 동작 모드 시에는 상기 제1 커패시터에 충전된 피드백 전압에 따라 상기 메인 스위치가 소정 듀티로 스위칭하도록 제어하며, 대기 모드 시에는 상기 메인 스위치가 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태를 반복하도록 상기 스위칭 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어 신호 생성부- 여기서 스위칭 제어 신호 생성부는
    트랜스포머의 1차 코일에 애노드가 연결되는 제3 다이오드,
    상기 제3 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결되는 제3 커패시터,
    상기 피드백 회로의 상기 제1 커패시터에 전류를 공급하는 제1 전류원,
    제2 전류원,
    상기 제2 전류원에 연결되며 상기 제3 커패시터에 충전된 전압인 제1 전압이 제2 기준 전압보다 작은 경우에는 온으로 되며, 상기 제1 전압이 상기 제2 기준 전압 보다 크거나 상기 제2 기준 전압 보다 작은 제 3기준 전압 보다 작은 경우에는 오프로 되는 제2 스위치,
    상기 제2 스위치와 접지 사이에 직렬로 연결되는 제4 및 제5 저항과,
    상기 피드백 회로와 상기 제4 저항 사이에 커플링되는 전압 폴로어를 포함함- 를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
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