KR100483396B1 - 강압형dc-dc변환기 - Google Patents

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Abstract

복잡한 발진 회로를 사용하지 않고, 저 비용, 소형의 간단한 회로로, 스위칭 소자의 듀티를 제어한다.
강압형 DC-DC 변환기는 직류 전원으로부터 부하에 전력을 공급하는 스위칭 소자(Q1)를 연산 증폭기(4)를 구비한 제어 회로(3)로서 스위칭한다. 연산 증폭기(4)는 - 입력 단자에 부하 전압을 CR 지연회로(5)를 거쳐 입력하고, + 입력 단자에 기준 전압을 입력하고, 연산 증폭기(4)의 출력을 풀업 콘덴서(C1)에서 + 입력 단자에 피드백한다. CR 지연회로(5)와 풀업 콘덴서(C1)에서 히스테리시스인 상태에서 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 전환한다.

Description

강압형 ＤＣ-ＤＣ 변환기{VOLTAGE DROP TYPE DC-DC CONVENTER}
본 발명은 스위칭 소자를 온 오프로 전환하여 실질적으로 출력 전압을 강압하는 강압형 DC-DC 변환기에 관한 것이다.
전지 등의 직류 전원으로부터 부하에 공급되는 전력은, 스위칭 소자를 온 오프로 전환하는 듀티를 변경하여 제어할 수 있다. 예를 들면, 오프 시간에 대한 온 시간을 짧게 하는 만큼, 부하에 공급되는 전력은 작아 진다. 따라서, 스위칭 소자의 오프 시간에 대한 온 시간을 단축하여 전지의 공급 전력을 작게 한 것과 실질적으로 동일하게 된다. 이 때문에, 스위칭 소자의 듀티를 변경하여 트랜스포머를 사용하지 않으므로 부하에 실질적으로 공급하는 전압을 작게 할 수 있다.
더욱이, 전지에 직접 부하를 접속하고 전지로부터 부하에 전력을 공급할 때, 전지 전압이 저하하도록 함으로써 부하에 공급되는 전력은 작게 된다. 이 경우, 전지와 부하 사이에 스위칭 소자를 접속하고, 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 부하에 공급하는 전력을 일정하게 제어할 수도 있다.
이와 같은 용도로, 전지 등의 직류 전원과 부하 사이에, 스위칭 소자를 접속하고 상기 스위칭 소자를 온 오프로 전환하는 듀티를 조정하여 부하에 공급하는 전력을 접속하는 강압형 DC-DC 변환기가 사용된다.
강압형 DC-DC 변환기는 스위칭 소자를 온 오프로 전환하는 타이밍을 결정하기 위한 발진 회로를 내장하므로, 회로 구성이 복잡하고 고가로 되며 소형화하는데 곤란하다. 더욱이, 발진 회로를 동작시키기 위해서는 극히 저전력으로 사용될 수 있는 결점도 있다.
본 발명은 이와 같은 결점을 해결하는 것을 목적으로 개발된 것으로, 본 발명의 중요한 목적은 발진 회로를 사용하지 않고 극히 간단하고 저 비용 소형의 회로로, 스위칭 소자의 듀티를 제어할 수 있는 강압형 DC-DC 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 강압형 DC-DC 변환기는 직류 전원으로부터 부하에 전력을 공급하는 스위칭 소자(Q1)와 상기 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 제어하는 제어 회로(3)를 구비하되, 제어 회로(3)가 연산 증폭기(4)를 구비하고 있다.
연산 증폭기(4)는 - 입력 단자에 부하 전압을 CR 지연 회로(5)를 거쳐 입력하고, + 입력 단자에 기준 전압을 입력함과 동시에 연산 증폭기(4)의 출력을 풀업 콘덴서(C1)를 거쳐 입력하고 있다.
CR 지연 회로(5)는 부하 전압의 변동을 지연시켜 연산 증폭기(4)의 - 입력 단자에 입력한다. 풀업 콘덴서(C1)는 연산 증폭기(4)가 "하이(High)"로 되었을 때의 출력 전압을 + 입력 단자에 입력하고 기준 전압을 일시적으로 높게 인상하여 점차 저하시킨다.
스위칭 소자(Q1)가 오프로 될 때, 저하한 부하 전압은 CR 지연 회로(5)를 거쳐 점차 - 입력 단자의 전압을 저하시키고, - 입력 단자의 전압이 + 입력 단자의 전압보다 낮아지면, 연산 증폭기(4)의 출력이 "하이"로 되어 스위칭 소자(Q1)를 온으로 전환한다. 더욱이, 이때, 풀업 콘덴서(C1)는 "하이" 전압에서 기준 전압을 일시적으로 높게 하여 연산 증폭기(4)의 출력을 "하이"로 유지한다. 그후, 풀업 콘덴서(C1)가 충전되어 기준 전압이 점차 저하하여 부하 전압보다 낮아지면, 연산 증폭기(4)의 출력이 "로우(Low)"로 되어 스위칭 소자(Q1)가 오프로 전환된다. 즉, 풀업 콘덴서(C1)가 연산 증폭기(4)의 출력을 + 입력 단자에 피드백시켜 히스테리시스를 구성하여 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 전환한다.
더욱이, 본 발명의 청구항 2의 강압형 DC-DC 변환기는 전원 전압을 저항과 제너 다이오드를 거쳐 연산 증폭기(4)의 - 입력 단자에 입력하고 있다. 상기 DC-DC 변환기는 스위칭 소자(Q1)가 온으로 되었을 때 전원 전압으로 - 입력 단자의 전압 상승을 빠르게 한다. 전원 전압이 높은 만큼 - 입력 단자의 전압 상승을 빠르게 한다. 이 때문에, 전원 전압이 높게 되면, - 입력 단자가 + 입력 단자보다 높게 되는 시간이 짧게 되어 스위칭 소자(Q1)를 단 시간에 오프로 전환한다. 직류 전원 전압이 높게 되면 스위칭 소자(Q1)의 온 시간이 단축되고, 직류 전원 전압에 낮아 지면 스위칭 소자(Q1)의 온 시간이 길게 되므로, 직류 전원 전압이 변동하였을 때부하 전력의 변동을 작게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다. 단, 이하에 도시하는 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 강압형 DC-DC 변환기를 예시하는 것으로 본 발명은 DC-DC 변환기를 하기의 것에 특정하지 않는다.
더욱이, 본 명세서는 특허청구의 범위를 이해하기 쉽도록, 실시예에 도시된 구성요소에 대응하는 번호를, 「특허청구의 범위」 및 「발명이 이루고자 하는 기술적 과제」란에 나타난 구성요소에 부기하고 있다. 단, 특허청구의 범위에 나타난 구성요소를 실시예의 구성요소에 특정한 것으로 결정하고 있지 않다.
도 1에 도시하는 강압형 DC-DC 변환기는 직류 전원인 전지(1)와, 상기 전지(1)로부터 부하인 히터(2)에 전력을 공급하기 위해, 전지(1)와 히터(2) 사이에 접속되어 있는 트랜지스터인 스위칭 소자(Q1)와, 상기 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 제어하는 제어 회로(3)를 구비한다. 도면의 회로도는 부하를 히터로서 하고 있지만, 본 발명은 부하를 히터에 한정하지 않는다. 부하에는 모터나 전구 등으로 할 수도 있다.
이 도면에 도시하는 강압형 DC-DC 변환기는 제어 회로(3)가 연산 증폭기(4)와, 상기 연산 증폭기(4)의 출력으로 제어되는 드라이버용 트랜지스터(Q2)를 구비한다. 연산 증폭기(4)는 - 입력 단자에 부하 전압을 CR 지연 회로(5)를 거쳐 입력하고 있다. CR 지연 회로(5)는 부하와 - 입력 단자 사이에 접속된 저항(R3)과, - 입력 단자와 접지 사이에 접속된 콘덴서(C2)로 구성된다. 상기 콘덴서(C2)에는 분압 저항과 방전 저항을 겸용하는 저항(R5)이 접속되어 있다. CR 지연 회로(5)는 저항(R3)과 콘덴서(C2)를 크게 하면, 부하 전압의 지연 시간이 길어 진다. 즉, 스위칭 소자(Q1)가 온 오프로 전환되었을 때의, - 입력 단자의 전압 변동을 완만하게 한다. 이 때문에, 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 전환하는 타이밍을 길게, 바꿔 말하면, 스위칭하는 주기가 길게 된다.
연산 증폭기(4)는 + 입력 단자에 기준 전압을 입력함과 동시에, 연산 증폭기(4)의 출력을 풀업 콘덴서(C1)를 거쳐 피드백하고 있다. 기준 전압은 직렬로 접속된 저항(R1)과 다이오드(D1)에서 얻어진다. 직렬로 접속된 저항(R1)과 다이오드(D1)는 전지(1)와 병렬로 접속되고, 다이오드(D1)의 순방향 전압 강하에서 약 0.6Ⅴ의 기준 전압을 얻는다. 기준 전압은 저항과 제너 다이오드를 직렬로 접속하여 얻을 수도 있다. 기준 전압은 부하에 공급하는 전력을 고려하여 최적값으로 설정된다. 기준 전압을 높게 하면, 부하에 공급되는 전력은 크게 되고, 반대로 기준 전압을 낮게 하면 부하의 공급 전력은 작게 된다. 그것은 연산 증폭기(4)가 부하 전압을 기준 전압과 같아 지도록 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 제어하기 때문이다.
풀업 콘덴서(C1)는 저항(R2)과 직렬로 접속되고 연산 증폭기(4)의 출력을 + 입력 단자에 입력하여 피드백시킨다. 풀업 콘덴서(C1)는 정전 용량을 크게 하면, 연산 증폭기(4)의 피드백 양이 많아 지고, + 입력 단자의 전압을 연산 증폭기(4)의 "하이" 출력 전압에서 긴 시간 높게 유지한다. 이 때문에, 스위칭 소자(Q1)의 온 시간이 길게 된다.
더욱이, 도 1의 DC-DC 변환기는 전지(1)의 +측을 저항(R4)과 제너 다이오드 (ZD)를 거쳐 연산 증폭기(4)의 - 입력 단자에 접속하고 있다. 저항(R4)과 제너 다이오드(ZD)는 전지 전압에 의해 - 입력 단자의 전압을 상승시켜, 스위칭 소자(Q1)가 온으로 되었을 때 - 입력 단자의 전압 상승을 가속한다. 이 때문에, 스위칭 소자(Q1)가 온으로 되고 - 입력 단자의 전압이 부하 전압에 의해 점차 높아 질 때, 전지 전압이 높으면 보다 빠르게 - 입력 단자의 전압 상승을 가속하여 스위칭 소자(Q1)의 온 시간을 짧게 한다. 반대로, 전지 전압이 저하하면, - 입력 단자의 전압을 상승시키는 속도가 지연되어, 온 상태로 된 스위칭 소자(Q1)를 긴 시간 온 상태로 유지한다. 이것은 전지 전압이 높을 때 스위칭 소자(Q1)의 온 시간을 짧게 하고, 전지 전압이 저하함에 따라서 스위칭 소자(Q1)를 온으로 하는 시간을 길게 하여 부하에의 공급 전력을 일정하게 유지한다. 이 때문에, 전지(1)가 방전되어 전압이 저하하였을 때의, 부하에의 공급 전력의 변동을 작게 할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 도 1의 DC-DC 변환기가 전지(1)와 히터(2)의 전력 제어에 사용되면 전지 전압의 변동에 대한 히터(2)의 소비 전력의 변동을 작게 할 수 있는 장점이 있다.
도 1에 도시하는 강압형 DC-DC 변환기는 하기의 동작을 하여 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 전환한다.
(1) 전원 스위치(6)를 온으로 하면, 스위칭 소자(Q1)는 오프 상태에 있으므로 부하 전압은 0 V로 된다.
(2) 이때, 연산 증폭기(4)의 + 입력 단자에는 기준 전압이 공급되므로, 연산 증폭기(4)는 + 입력 단자의 전압이 - 입력 단자보다 높게 "하이" 전압을 출력한다.
(3) 연산 증폭기(4)의 "하이" 출력은 드라이버용 트랜지스터(Q2)를 온으로 전환한다.
(4) 드라이버용 트랜지스터(Q2)가 온으로 되면, 스위칭 소자(Q1)에 베이스 전류가 공급되어 스위칭 소자(Q1)는 온으로 전환된다.
(5) 온 상태의 스위칭 소자(Q1)는 전지(1)를 부하인 히터(2)에 접속하여 히터(2)에 전력을 공급한다.
(6) 부하에 걸리는 전압은 CR 지연 회로(5)를 거쳐 연산 증폭기(4)의 - 입력 단자에 입력된다. CR 지연 회로(5)는 부하 전압이 전지 전압과 같게 되어도 - 입력 단자의 전압 상승을 지연하게 한다. 따라서, 전지 전압이 부하에 공급되어도 - 입력 단자의 전압은 바로 상승하지 않고 점차 높아 진다.
(7) 한편, 연산 증폭기(4)의 출력이 "하이"로 되면, "하이" 전압은 풀업 콘덴서(C1)을 거쳐 연산 증폭기(4)의 출력을 일시적으로 높게 한다. 풀업 콘덴서(C1)는 충전됨에 따라 + 입력 단자의 전압을 기준 전압으로 저하시킨다.
(8) + 입력 단자의 전압은 풀업 콘덴서(C1)가 충전됨에 따라 점차 저하하고, - 입력 단자의 전압은 CR 지연 회로(5)에 의해 점차 높아 진다.
(9) - 입력 단자의 전압이 + 입력 단자의 전압보다 높아 지면, 연산 증폭기(4)는 출력을 "로우"로 하여 드라이버용 트랜지스터(Q2)를 오프로 전환한다.
(10) 드라이버용 트랜지스터(Q2)가 오프로 되면, 스위칭 소자(Q1)도 오프로 된다.
(11) 스위칭 소자(Q1)가 오프로 되면, 부하가 전지(1)로부터 분리되어 부하는 전력을 소비하지 않게 된다.
(12) 이 상태에 의해, 부하 전압이 0 V로 되면, CR 지연 회로(5)는 - 입력 단자의 전압을 점차 저하시킨다.
(13) 그것과 동시에, 연산 증폭기(4)의 "로우" 전압은 + 입력 단자의 기준 전압을 일시적으로 "로우"로 저하시키지만, 그 후 점차 기준 전압으로 상승되어 + 입력 단자의 전압을 상승시킨다.
(14) + 입력 단자의 전압이 - 입력 단자의 전압보다 높아 지면, 연산 증폭기(4)의 출력은 "하이"로 된다. 그후, 상기 (2)∼(14)의 동작을 반복하여 DC-DC 변환기는 부하인 히터(2)에 전력을 공급한다.
이상 실시예의 강압형 DC-DC 변환기는 전지로서 부하인 히터를 제어한다. 본 발명의 강압형 DC-DC 변환기는, 예를 들면, 상용 전원의 교류 100V를 정류하여 직류로 하고 이 직류로서 직류 모터를 회전시키는 전기 면도날 등의 제어 회로에도 사용할 수 있다.
본 발명의 강압형 DC-DC 변환기는 발진 회로 등의 복잡한 회로를 사용하지 않고, 극히 간단하게 저 비용, 소규모 회로에서 부하에 공급하는 전력을 제어할 수 있는 장점이 있다. 그것은 본 발명의 DC-DC 변환기가 스위칭 소자를 온 오프로 전환할 수 있는 제어회로에 연산 증폭기를 사용하고, 상기 연산 증폭기에는 CR 지연 회로를 거쳐 부하의 전압을 입력하고, 더욱이 출력을 풀업 콘덴서에서 + 입력 단자로 피드백하여 히스테리시스를 구성하여 스위칭하고 있기 때문이다.
더욱이, 본 발명의 청구항 2의 DC-DC 변환기는 직류 전원의 전압이 저하함에 따라 스위칭 소자의 온 시간이 길게 되므로, 직류 전원 전압의 변동에 대한 부하의 소비 전력의 변동을 작게 할 수 있는 장점이 있다. 그것은 스위칭 소자가 온으로 되었을 때 전원 전압으로 연산 증폭기의 - 입력 단자의 전압 상승을 빠르게 하여 - 입력 단자의 전압이 + 입력 단자보다 높아 지면 스위칭 소자를 오프로 전환할 수 있기 때문이다. 이 방법은 전원 전압이 높은 만큼 - 입력 단자의 전압 상승을 빠르게 한다. 바꾸어 말하면, 전원 전압이 저하하면, - 입력 단자의 전압 상승이 지연되어 스위칭 소자를 오프로 전환하는 시간이 길어 진다.
도 1은 본 발명의 실시예인 강압형 DC-DC 변환기를 도시하는 회로도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 전지
2 : 히터
3 : 제어 회로
4 : 연산 증폭기
5 : CR 지연 회로
6 : 전원 스위치
Q1 : 스위칭 소자
Q2 : 드라이버용 트랜지스터
C1 : 풀업 콘덴서
ZD : 제어 다이오드

Claims (2)

  1. 직류 전원으로부터 부하에 전력을 공급하는 스위칭 소자(Q1)와, 상기 스위칭 소자(Q1)를 온 오프로 제어하는 제어 회로(3)를 구비한 강압형 DC-DC 변환기에 있어서,
    제어 회로(3)가 연산 증폭기(4)를 구비하되, 연산 증폭기(4)의 - 입력 단자에는 부하 전압이 CR 지연 회로(5)를 거쳐 입력되고, 연산 증폭기(4)의 + 입력 단자에는 기준 전압이 입력됨과 동시에, 연산 증폭기(4)의 출력이 풀업 콘덴서(C1)를 거쳐 입력되어 피드백되며,
    CR 지연회로(5)는 부하 전압의 변동을 지연하여 연산 증폭기(4)의 - 입력 단자에 입력하고, 풀업 콘덴서(C1)는 연산 증폭기(4)가 "하이"로 되었을 때의 출력 전압을 + 입력 단자에 입력하여 기준 전압을 일시적으로 높게 인상하여 점차 저하시키고,
    스위칭 소자(Q1)가 오프로 되면, 저하한 부하 전압은 CR 지연 회로(5)를 거쳐 점차 - 입력 단자의 전압을 저하시키고, - 입력 단자의 전압이 + 입력 단자의 전압보다 낮아지면, 연산 증폭기(4)의 출력이 "하이"로 되어 스위칭 소자(Q1)를 온으로 전환함과 동시에, 풀업 콘덴서(C1)가 "하이" 전압에서 기준 전압을 일시적으로 높게 하여 연산 증폭기(4)의 출력을 "하이"로 유지하고,
    풀업 콘덴서(C1)가 충전되어 기준 전압이 점차 저하하여 부하 전압보다 낮아 지면, 연산 증폭기(4)의 출력이 "로우"로 되어 스위칭 소자(Q1)가 오프로 전환되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 강압형 DC-DC 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    전원 전압이 저항과 제너 다이오드(ZD)를 거쳐 연산 증폭기(4)의 - 입력 단자에 입력되고, 스위칭 소자(Q1)가 온으로 되었을 때 전원 전압으로 - 입력 단자의 전압 상승을 빠르게 하여 전원 전압으로 스위칭 소자(Q1)의 온 시간을 단축하고, 전원 전압의 변동에 대한 부하 전력의 변동을 작게 하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 강압형 DC-DC 변환기.
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