KR100534132B1

KR100534132B1 - 전원변환장치

Info

Publication number: KR100534132B1
Application number: KR10-2004-0007331A
Authority: KR
Inventors: 박정규
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-12-08
Also published as: KR20050079168A

Abstract

본 발명은, 입력전압을 제공하는 배터리 및 이와 상이한 입력전압을 제공하는 상용교류전원 어댑터를 포함하는 전원공급부와; 소정의 기준전압에 따른 스위칭주파수를 갖는 펄스신호를 출력하는 VCO와; 상기 스위칭주파수 및 듀티비에 기초하여 상기 펄스신호를 PWM신호로 출력하여, 상기 입력전압을 고유의 허용 전압리플값을 갖는 부하에 공급되는 출력전압으로 변환시키는 PWM신호발생부를 포함하는 전원변환장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전원변환장치는, 상기 전원공급부로부터 제공되는 입력전압을 검출하여 배터리모드 또는 어댑터모드를 판별하는 모드판별부와; 배터리모드 시 상기 출력전압이 상기 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 VCO에 제공되는 기준전압을 강하시켜 상기 스위칭주파수를 낮추는 기준전압강하부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 배터리모드 시 스위칭 손실을 줄이고 나아가 배터리의 사용시간을 늘일 수 있게 된다.

Description

전원변환장치{DC/DC Converter}

본 발명은 전원변환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리모드 시 스위칭 손실을 낮추어 배터리 사용시간을 늘일 수 있는 전원변환장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 전원변환장치의 개략적인 기능블록도이다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 전원변환장치는, 입력전압을 제공하는 배터리(11) 및 이와 상이한 입력전압을 제공하는 상용교류전원 어댑터(12)를 포함하는 전원공급부(10)와, 소정의 기준전압을 제공하는 기준전압공급부(20)와, 상기 기준전압에 따른 스위칭주파수를 갖는 펄스신호를 출력하는 VCO(30)와, 상기 스위칭주파수 및 듀티비에 기초하여 상기 펄스신호를 PWM신호로 출력하여, 상기 입력전압을 고유의 허용 전압리플값을 갖는 부하(40)에 공급되는 출력전압으로 변환시키는 PWM신호발생부(50)를 가진다. 또한, 본 도면에 도시하지는 않았으나, 부하(40)에 공급되는 출력전압을 평활시키는 정류회로인 LC필터(미도시)를 더 가진다.

상기와 같은 구성에 의해, 배터리(11) 및 어댑터(12)로부터 공급되는 직류입력전압은, 소정의 기준전압에 따른 스위칭주파수 및 듀티비에 기초하여 소정의 크기를 갖는 직류출력전압으로 변환되게 된다.

이 때, 종래의 전원변환장치에서의 기준전압은 입력전압의 크기와는 무관하게 미리 정해진 크기를 가지므로, 이에 따라 정해지는 스위칭주파수도 입력전압의 크기와는 무관하게 고정되게 된다.

한편, LC필터를 거쳐 부하(40)에 공급되는 직류출력전압은 소정 범위의 리플값을 가지게 되는데, 이러한 출력전압의 리플값은 출력전류의 리플값에 비례하고, 출력전류의 리플값은 입력전압에 비례하고 스위칭주파수에 반비례하는 성질을 가지고 있다.

그러므로, 예를 들어 스위칭주파수가 고정되어 있는 휴대용 컴퓨터에 있어서 11.1V 크기를 갖는 배터리 입력전압의 출력전류리플값은 종래 기술에 따른 휴대용 컴퓨터에 있어서 어댑터모드 및 배터리모드 시의 출력전류리플의 예를 보여주는 도면인 도 2에 도시된 바와 같이 19.5V 크기를 갖는 어댑터 입력전압에 비해 작아지게 된다.

그러나, 배터리로부터 입력전압을 제공받는 배터리모드 시 부하(40)에 공급되는 출력전압의 리플값은, 부하의 허용 전압리플값에 비해 과도하게 낮아, 불필요하게 높은 스위칭주파수에 의해 발생하는 스위칭 손실 및 이로 인한 배터리 사용시간 단축 등의 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 배터리모드 시 스위칭주파수를 낮추어 스위칭 손실을 줄여 궁극적으로 배터리의 사용시간을 늘일 수 있는 전원변환장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 측면이나 장점들은 부분적으로, 이어지는 상세한 설명에 의해 명백해질 것이며, 부분적으로 본 발명의 실제 적용에 의해 알 수도 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 입력전압을 제공하는 배터리 및 이와 상이한 입력전압을 제공하는 상용교류전원 어댑터를 포함하는 전원공급부와; 소정의 기준전압에 따른 스위칭주파수를 갖는 펄스신호를 출력하는 VCO와; 상기 스위칭주파수 및 듀티비에 기초하여 상기 펄스신호를 PWM신호로 출력하여, 상기 입력전압을 고유의 허용 전압리플값을 갖는 부하에 공급되는 출력전압으로 변환시키는 PWM신호발생부를 포함하는 전원변환장치에 있어서, 상기 전원공급부로부터 제공되는 입력전압을 검출하여 배터리모드 또는 어댑터모드를 판별하는 모드판별부와; 배터리모드 시 상기 출력전압이 상기 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 VCO에 제공되는 기준전압을 강하시켜 상기 스위칭주파수를 낮추는 기준전압강하부를 포함하는 것에 의해 달성된다.

나아가, 상기 기준전압강하부는 배터리모드 시 상기 출력전압이 어댑터모드 시의 출력전압리플값과 동일하도록 기준전압을 강하시키는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 기준전압강하부는 배터리모드 시 스위칭온되는 스위치와, 적어도 하나 이상의 저항을 더 포함하여 구성될 수 있다.

또는, 상기 기준전압강하부는 적어도 둘 이상의 저항과, 상기 배터리로부터 제공되는 입력전압을 입력받아 상기 저항에 기초하여 증폭시키는 증폭기를 더 포함하여 구성될 수도 있다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 전원변환장치의 개략적인 기능블록도이다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전원변환장치는, 종래의 전원변환장치와 유사하게, 입력전압을 제공하는 배터리(110) 및 이와 상이한 입력전압을 제공하는 상용교류전원 어댑터(120)를 포함하는 전원공급부(100)와, 소정의 기준전압을 제공하는 기준전압공급부(200)와, 상기 기준전압에 따른 스위칭주파수를 갖는 펄스신호를 출력하는 VCO(300)와, 상기 스위칭주파수 및 듀티비에 기초하여 상기 펄스신호를 PWM신호로 출력하여, 상기 입력전압을 고유의 허용 전압리플값을 갖는 부하(400)에 공급되는 출력전압으로 변환시키는 PWM신호발생부(500)를 가진다. 또한, 본 도면에 도시하지는 않았으나, 부하(400)에 공급되는 출력전압을 평활시키는 정류회로인 LC필터(미도시)를 더 가진다.

나아가, 전원공급부(100)로부터 제공되는 입력전압을 검출하여 배터리모드 또는 어댑터모드를 판별하는 모드판별부(600)와, 배터리모드 시 상기 출력전압이 부하(400)의 허용 전압리플값을 초과하지 않는 범위 내에서 VCO(300)에 제공되는 기준전압을 강하시켜 스위칭주파수를 낮추는 기준전압강하부(700)를 더 가진다.

여기서, 전원공급부(100)는 서로 상이한 입력전압을 제공하는 배터리(110) 또는 어댑터(120)를 포함하는데, 예를 들어, 휴대용 컴퓨터에 있어서, 일반적으로 배터리(110)는 대략 11.1V를, 어댑터(120)는 대략 19.5V의 입력전압을 제공하고, 입력전원의 한계를 가진 배터리로부터 입력전압을 제공받는 배터리모드가 상용교류전원으로부터 입력전원을 제공받아 직류로 변환시킨 입력전압을 제공받는 어댑터모드에 비해 입력전압이 낮은 것이 일반적이다.

상기에서 제공된 입력전압은 CPU, 칩셋 등의 각 부하에 제공되도록 적정한 크기를 갖는 출력전압으로 변환되게 되는데, 이 때 이용되는 것이 VCO(300), PWM신호발생부(500) 및 LC필터(미도시) 등이다.

VCO(300), 즉 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)는 외부에서 인가된 전압으로 원하는 발진 주파수를 출력할 수 있게 해 주는 장치로서, 이동통신기기의 PLL모듈에 사용되고 있고 그 외에 휴대용 컴퓨터 등의 이동가능한 전자기기의 전원회로에 적용가능한 것인데, 인가된 전압에 비례하여 그 발진주파수를 출력하도록 설계되어 있다.

즉, 본 발명에 있어서의 VCO(300) 자체는, 종래 기술에 있어서의 VCO(30)와 동일하게 기준전압에 따른 스위칭주파수를 갖는 펄스신호를 PWM신호발생부(500)로 출력하게 된다. 그러나, 본 발명에 있어서의 VCO(300)는 기준전압이 고정되어 있는 종래 기술에 있어서의 VCO(30)와는 달리, 후술할 기준전압강하부(700)에 의해 변경된 기준전압을 입력받을 수 있게 되어 그 스위칭주파수가 변동가능하게 되는 것에 있어서 차이가 있다. 즉, 본 발명에서는 필요에 따라 VCO(300)에 제공되는 기준전압을 강제로 강하시켜 스위칭주파수를 낮추어주는 것이다.

PWM신호발생부(500)는, 종래 기술에 따른 PWM신호발생부(50)와 유사하게, 스위칭 트랜지스터를 포함하는 경우에 있어서 상기 스위칭주파수 및 듀티비에 기초하여 상기 펄스신호를 PWM신호로 출력하여, 상기 입력전압을 고유의 허용 전압리플값을 갖는 부하(400)에 공급되는 출력전압으로 변환시킨다. 여기서, 듀티비는 전체시간 중 스위칭온되는 시간의 비율인데, 입력전압의 크기, 피드백되는 출력전압의 크기 등의 제반사항에 기초하여 부하에 공급되는 출력전압의 크기에 적절하도록 PWM신호발생부(500)에서 조절하게 된다.

나아가, 모드판별부(600)는, 전원공급부(100)로부터 제공되는 입력전압을 검출하여 배터리모드 또는 어댑터모드를 판별하는데, 이는 배터리(110)와 어댑터(120)로부터 제공되는 입력전압의 크기가 상이한 것에 기초한 것이다.

예를 들어, 소정의 전압검출회로를 구성하여 배터리모드 및 어댑터모드 시 출력되는 신호의 전압이 상이하도록 구성하거나 또는 배터리모드 시에는 스위칭온되어 입력전압이 그대로 출력되고 어댑터모드 시에는 스위칭오프되어 입력전압이 전달되지 않도록 구성할 수 있다.

즉, 상기 예와 같이, 배터리모드 시 어댑터모드와는 구별되는 배터리모드임을 알려주는 신호를 출력하거나, 배터리모드 시에만 배터리(110)로부터 제공되는 입력전압을 그대로 출력하는 등 배터리모드 시 어댑터모드와 구별되는 신호 또는 전압을 출력하도록 구성할 수 있다.

기준전압강하부(700)는, 배터리모드 시 상기 출력전압이 부하(400)의 허용 전압리플값을 초과하지 않는 범위 내에서 VCO(300)에 제공되는 기준전압을 강하시켜 스위칭주파수를 낮추는 기능을 수행한다. 여기서, 부하의 허용 전압리플값을 초과하게 되면 오작동 또는 파손 등의 심각한 문제를 일으키게 되므로 이를 미연에 방지하기 위해 부하의 종류에 따라 허용 전압리플값은 미리 설정되어 있다.

이러한 기준전압강하부(700)는, 예를 들어, 모드판별부(600)로부터 배터리모드 시 어댑터모드와는 구별되는 배터리모드임을 알려주는 신호가 출력되는 경우에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이 구성할 수 있다.

즉, 기존의 전원변환장치에서 기준전압 V_ref이 소정의 값으로 배분되어 VCO(300)에 입력되도록 마련되는 저항 R₂ 및 R₃와, 부가적으로 저항 R₂에 병렬배치한 저항 R₁과, 배터리모드임을 알려주는 신호가 입력되면 스위칭온되어 저항 R₁을 R₂에 병렬연결시켜 VCO(300)에 입력되는 기준전압 V_ref을 가변시키는 스위치 S를 포함한다.

상기와 같은 구성에 의해, 어댑터모드 시에는 기존의 전원변환장치와 같이 저항 R₂ 및 저항 R₃에 의해 기준전압 V_ref가 배분되어 VCO(300)에 입력되고, 배터리모드 시에는 스위치 S가 스위칭온되어 저항 R₁//R₂ 및 저항 R₃에 의해 기준전압 V_ref가 배분되어 VCO(300)에 입력되게 된다.

여기서, 저항 R₂ 및 R₃의 값은, 어댑터 모드 시 부하(400)에 제공되는 출력전압의 리플값이 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않도록 설정되고, 저항 R₁의 값은, 배터리 모드 시 부하(400)에 제공되는 출력전압의 리플값이 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않으면서 어댑터 모드 시의 출력전압의 리플값과 동일한 값을 갖는 스위칭주파수에 대응되는 기준전압으로 강하되도록 설정된다.

도 5는 본 발명에 따른 휴대용 컴퓨터에 있어서 어댑터모드 및 배터리모드 시의 출력전류리플 및 출력전압리플의 예를 보여주는 도면이다. 본 도면은 휴대용 컴퓨터에 있어서, 예를 들어, 부하인 CPU VRM IC에 입력되는 출력전압이 1.31V이고, 어댑터모드 시(우측) 스위칭주파수는 320㎑, 배터리모드 시(좌측) 스위칭주파수는 300㎑가 되도록 저항 R1을 설정하여, 출력전류의 리플값(하단의 톱니모양 파형) 및 출력전압의 리플값(상단의 물결모양 파형)이 동일하게 되는 것을 나타낸 도면이다.

도 5와 같은 조건에 있어서, 배터리모드 시 스위칭주파수를 낮추어 줌으로써 발생되는 배터리 사용시간 연장의 효과를 표 1 및 표 2를 참조하여 설명하기로 한다. 표 1 및 표 2는 각각 출력전압리플값이 동일하도록 설정된 스위칭주파수 300㎑ 및 스위칭주파수 320㎑ 시의 효율 및 입력전력을 나타낸 표이다.

스위칭주파수 300㎑ 시의 효율 및 입력전력

출력전류	출력전압	입력전압	입력전류	효율	입력전력
0.5	1.299	11.091	0.098	59.76	1.086918
1	1.288	11.091	0.16	69.58	1.77456
1.5	1.278	11.091	0.217	76.65	2.406747
2	1.269	11.091	0.285	77.29	3.160935
2.5	1.259	11.091	0.349	78.31	3.870759
3	1.25	11.091	0.414	78.67	4.591674
5	1.222	11.091	0.676	78.49	7.497516
7.5	1.179	11.091	1.016	75.47	11.268456
10	1.136	11.091	1.372	71.65	15.216852

스위칭주파수 320㎑ 시의 효율 및 입력전력

출력전류	출력전압	입력전압	입력전류	효율	입력전력
0.5	1.299	11.091	0.1	58.56	1.1091
1	1.288	11.091	0.162	68.69	1.796742
1.5	1.278	11.091	0.222	74.86	2.462202
2	1.269	11.091	0.291	75.64	3.227481
2.5	1.259	11.091	0.355	76.94	3.937305
3	1.25	11.091	0.421	77.31	4.669311
5	1.221	11.091	0.684	77.47	7.586244
7.5	1.178	11.091	1.027	74.56	11.390457
10	1.135	11.091	1.386	70.83	15.372126

상기 표에서와 같이, 예를 들어, 출력전류가 1.5, 2, 2.5A일 경우, 소비되는 입력전력은 스위칭주파수 320㎑일 때에 비해 스위칭주파수 300㎑일 때, 각각 0.055455, 0.066546, 0.066546W 절약되게 된다.

다시 말하면, 저전력 모드일 때 출력전류가 3A이고, 부하(400), PWM신호발생부(500) 등을 포함하는 시스템에서 10Wh를 소비한다고 가정했을 경우, 25분 정도를 더 사용할 수 있게 되는 배터리 사용시간 연장 효과를 발생하게 되는 것이다.

한편, 모드판별부(600)로부터 배터리모드 시에만 배터리(110)로부터 제공되는 입력전압이 그대로 출력되는 경우에 있어서, 기준전압강하부(700)는 도 6에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.

즉, 저항 R_a 및 R_b와, 배터리(110)로부터 제공되는 입력전압을 입력받아 상기 저항의 비 R_b/R_a로 입력전압을 증폭시키는 증폭기 A를 포함한다.

여기서, 저항 R_a는 증폭기의 비반전 입력단자에 연결되어 배터리 입력전압을 공급받고 저항 R_b는 증폭기의 비반전 입력단자와 출력단자 사이에 마련되어 있으며 증폭기의 반전 입력단자는 그라운드에 연결되어, 배터리(110)로부터 제공되는 입력전압이 저항의 비 R_b/R_a로 증폭되어 증폭기로부터 출력되게 된다.

또한, V_ref는 증폭기를 구동시키는 전압으로 사용되고 있고, 도면에서 커패시터 C는 바이패스 컨덴서이며, 저항 R은 배터리 입력전압이 존재하지 않는 경우 커패시터 C에 충전된 전류를 소모하는 저항인데, 커패시터 C와 저항 R은 본 발명과 직접적인 관련이 없어 생략할 수 있다.

상기와 같은 구성에 의해, 배터리모드 시 배터리(110)의 입력전압에 따라 기준전압이 가변되고 이에 따라 스위칭주파수가 강하된다.

여기서, 저항 R_b/R_a의 값은, 배터리 모드 시 부하(400)에 제공되는 출력전압의 리플값이 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않으면서 어댑터 모드 시의 출력전압의 리플값과 동일한 값을 갖는 스위칭주파수에 대응되는 기준전압으로 강하되도록 설정된다.

이로써, 배터리모드 시 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않으면서 어댑터모드와 동일한 출력전압리플값을 갖도록 VCO에 입력되는 기준전압 및 스위칭주파수를 낮추어 줌으로써, 스위칭 손실을 줄여 궁극적으로 배터리의 사용시간을 늘일 수 있게 된다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람들이라면 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리모드인지 어댑터모드인지 판별하여 배터리모드 시 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않으면서 어댑터모드 시와 동일한 전압리플값을 갖도록 기준전압 및 스위칭주파수를 낮추어 줌으로써, 스위칭 손실을 줄여 궁극적으로 배터리의 사용시간을 늘일 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 전원변환장치의 개략적인 기능블록도,

도 2는 종래 기술에 따른 휴대용 컴퓨터에 있어서 어댑터모드 및 배터리모드 시의 출력전류리플의 예를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 전원변환장치의 개략적인 기능블록도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준전압강하부의 구성도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기준전압강하부의 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 휴대용 컴퓨터에 있어서 어댑터모드 및 배터리모드 시의 출력전류리플 및 출력전압리플의 예를 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 전원공급부 110 : 배터리

120 : 어댑터 200 : 기준전압공급부

300 : VCO 400 : 부하

500 : PWM신호발생부 600 : 모드판별부

700 : 기준전압강하부

Claims

입력전압을 제공하는 배터리 및 이와 상이한 입력전압을 제공하는 상용교류전원 어댑터를 포함하는 전원공급부와; 소정의 기준전압에 따른 스위칭주파수를 갖는 펄스신호를 출력하는 VCO와; 상기 스위칭주파수 및 듀티비에 기초하여 상기 펄스신호를 PWM신호로 출력하여, 상기 입력전압을 고유의 허용 전압리플값을 갖는 부하에 공급되는 출력전압으로 변환시키는 PWM신호발생부를 포함하는 전원변환장치에 있어서,

상기 전원공급부로부터 제공되는 입력전압을 검출하여 배터리모드 또는 어댑터모드를 판별하는 모드판별부와;

배터리모드 시 상기 출력전압이 상기 부하의 허용 전압리플값을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 VCO에 제공되는 기준전압을 강하시켜 상기 스위칭주파수를 낮추는 기준전압강하부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원변환장치.
제1항에 있어서,

상기 기준전압강하부는 배터리모드 시 상기 출력전압이 어댑터모드 시의 출력전압리플값과 동일하도록 기준전압을 강하시키는 것을 특징으로 하는 전원변환장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 기준전압강하부는 배터리모드 시 스위칭온되는 스위치와, 적어도 하나 이상의 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원변환장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 기준전압강하부는 적어도 둘 이상의 저항과, 상기 배터리로부터 제공되는 입력전압을 입력받아 상기 저항에 기초하여 증폭시키는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원변환장치.