KR100547182B1

KR100547182B1 - 스위칭 전원회로

Info

Publication number: KR100547182B1
Application number: KR1020040003474A
Authority: KR
Inventors: 김용환
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2006-01-31
Also published as: KR20050075257A

Abstract

본 발명은 스위칭 전원회로에 관한 것으로서, 상용 교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류전압 공급부와, 상기 직류전압 공급부에서 인가된 직류전압에 따라 PWM 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터부와, 상기 트랜지스터부의 온/오프에 따라 유도기전력을 발생시키는 동시에 코어의 자속밀도보다 적은 자속밀도가 발생하도록 코어의 권선수가 정해진 변압기와, 상기 변압기의 유도기전력을 직류전압으로 변환하는 커패시터로 구성되어 온도가 90℃ 이상이 되어도 스위칭 트랜지스터가 열폭주로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

직류전압 공급부, 제어부, 트랜지스터부, 변압기, 커패시터

Description

스위칭 전원회로{Switching Voltage Circuit}

도 1은 일반적인 스위칭 전원회로의 구성이 도시된 도,

도 2는 본 발명에 의한 스위칭 전원회로의 구성이 도시된 도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10 : 직류전압 공급부 20 : 제어부

30 : 트랜지스터 40 : 변압기

50 : 커패시터

본 발명은 스위칭 전원회로에 관한 것으로서, 특히 SMPS에 있어서 권선수를 제어함으로서 코어의 자속밀도를 조정해 고온에서도 열폭주 현상을 방지할 수 있는 스위칭 전원회로에 관한 것이다.

일반적으로 스위칭 전원회로는 상용 교류전압을 전자기기로 공급하기 전에 전자기기 규격에 적합하게 그 전원을 변환하는 회로로서, 예전에는 변압기를 써서 교류 220V를 교류 4- 5 V 정도로 낮춘 다음, 이를 직류로 정류하는 방식을 사용하였다.

그러나, 이러한 리니어 방식의 어댑터는 그 용량이 커짐에 따라 부피가 증가하며 제작 단가가 증가하게 되는 문제점이 있다.

따라서, SMPS의 사용이 증가하게 된 바, SMPS는 Switching Mode Power Supply의 약자로서 현재와 같이 소형화, 소형화, 경량화, 대용량이 요구되는 민수용 및 산업용 기기에서 용량 한계나 부피 또는 무게의 부담을 극복할 수 있도록 사용되고 있다.

즉, SMPS 전원 방식은 교류 주파수(50㎐~60㎐)를 DC로 변환하여 높은 주파수(수십 ㎑~수백 ㎑)로 변경 하여 사용하는 것인 바, 주파수 변환을 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 하여 전원 이용률을 극대화하며 경게성과 효율성 면에서 기존 방식에 비해 높은 경제력을 가진다.

도 1은 상기한 SMPS의 구성이 도시된 도이다.

즉, SMPS는 상용 교류전압을 직류전압으로 변환하여 출력하는 직류전압 공급부(1)와, 상기 직류전압 공급부(1)에서 출력된 전압이 입력되면 PWM 제어신호를 출력하는 제어부(2)와, 상기 제어부(2)의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터(3)와, 상기 트랜지스터(3)의 온/오프에 따라 유도기전력을 발생하여 외부로 출력하는 변압기(4)와, 상기 변압기(4)의 출력을 직류전압으로 변환하느 커패 시터(5)로 구성된다.

상기와 같은 SMPS에 있어서, 변압기(4)의 코어의 권선수가 낮을 경우 그 인덕턴스가 낮아져 임피던스 역시 낮아지는 바, 동일 파어에서의 소비 전류가 줄어들어 전체 시스템의 파워가 증가하게 된다. 또한, 권선수가 낮아지게 되면 변압기의 자속밀도가 높아져 코어의 능력이 향상된다.

그러나, 상기한 자속밀도가 코어의 자속밀도보다 높아지면 특정 온도, 예를 들어 90℃ 이상에서는 포화현상이 발생하여 트랜지스터에 열폭주 현상이 발생해 상기 트랜지스터가 파괴된다는 문제점이 있다.

특히, 이러한 문제점은 생산라인에서는 발견될 수 없는 현상인 바, 그대로 제품출하가 이루어지는 경우 큰 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 SMPS 스위칭 전원회로에 있어서 코어의 권선수를 코어의 자속밀도가 열폭주를 발생하지 않을 정도로 제한함으로서 스위칭 트랜지스터의 손상을 방지할 수 있는 스위칭 전원회로를 제공하는데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 스위칭 전원회로의 특징에 따르면, 상용 교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류전압 공급부와, 상기 직류전압 공급부에서 인가된 직류전압에 따라 PWM 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터부와, 상기 트랜지스터부의 온/오프에 따라 유도기전력을 발생시키는 동시에 코어의 자속밀도보다 적은 자속밀도가 발생하도록 코어의 권선수가 정해진 변압기와, 상기 변압기의 유도기전력을 직류전압으로 변환하는 커패시터로 구성된다.

또한, 본 발명에 의한 스위칭 전원회로의 다른 특징에 따르면, 인가되는 직류전압에 따라 PWM 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터부와, 상기 트랜지스터부의 온/오프에 따라 유도기전력을 발생시키는 동시에 코어의 자속밀도보다 적은 자속밀도가 발생하도록 코어의 권선수가 정해진 변압기와, 상기 변압기의 유도기전력을 직류전압으로 변환하는 커패시터로 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 스위칭 전원회로는 도 2에 도시된 바와 같이 상용 교류전압(11)을 인턱터(L1,L2)와 커패시터(C1,C2) 및 다이오드(D1)를 이용해 정류 및 평활하여 저항(R1)을 거친 후 출력하는 직류전압 공급부(10)와, 상기 직류전압 공급부를 통해 공급된 전압이 Vcc로 인가되면 PWM 제어신호를 출력하여 스위칭 전원회로를 제어하는 제어부(20)와, 상기 제어부(20)의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터(30)와, 상기 트랜지스터(30)가 온/오프 됨에 따라 유도기전력이 발생하 는 변압기(40)와, 상기 변압기(40)의 유도기전력을 직류전압으로 변환하여 공급하는 커패시터(C3; 50)로 구성된다.

이 때, 상기 변압기(40)의 권선수는 상기 변압기(40)에서 발생한 자속밀도가 코어의 자속밀도 이하가 되도록 조정된다.

본발명의 스위칭 전원장치인 SMPS는 전자 계산기, 전자 교환기 및 OA 기기등 전자 통신기기의 직류 안정화 전원으로서 반도체 스위칭의 스위칭 프로세스에 의한 장치이므로 원리적으로 저손실이지만 스위칭 손실이 존재하며 이것은 스위칭 주파수에 비례하며 증가한다.

이 때, 상기 변압기(40)의 권선수는 그 수가 낮으면 낮을수록 인덕턴스가 낮아지며 그 결과 임피던스가 낮아니며, 결국 동일 파워에서의 소비 전류가 감소함에 따라 전체 시스템의 파워가 상승된다. 본발명은 상기한 원리를 이용하는 동시에 권선수가 너무 낮아질 경우 자속밀도가 코어의 자속밀도보다 높아져 열폭주 현상, 특히 고온(90℃ 이상)에서 열폭주 현상이 일어나는 것이 방지되도록 다음식에 따라 권선수를 제한한다.

즉, 상기 변압기의 권선수(Np)는 상기 변압기(40)에서 유도되는 전압이 사인파인 경우 다음 수학식 1의 자속밀도(B)가 상기 코어의 자속밀도 이하의 값을 가지도록 정해진다.

Vin=4×B×Ae×f×Np×{10}^{-8}

이 때, 상기 Vin은 상기 직류전압 공급부에서 공급되는 직류전압의 크기이 며, f는 교류 주파수, Ae는 코어의 실효 단면적이다.

또한, 상기 변압기의 권선수(Np)는 상기 변압기(40)에서 유도되는 전압이 사각파인 경우 다음 수학식 2의 자속밀도(B)가 상기 코어의 자속밀도 이하의 값을 가지도록 정해진다.

Vin=4.44×B×Ae×f×Np×{10}^{-8}

따라서, 예를 들어 단면적 29㎡ 인 Magentic사의 F급 코어를 사용해 변압기를 설계하는 경우 1차 권선수는 절대 5Ton 이하로 설계되면 안된다.

상기와 같이 구성되는 본발명에 의할 경우 스위칭 FET, 즉 트랜지스터(30)의 온도가 90℃ 이상이 되는 경우에도 열폭주 현상이 발생하여 FET가 파괴되는 현상이 방지될 수 있다.

한편, 본발명의 스위칭 전원회로인 SMPS는 상용전원을 DC로 바꿀 경우뿐만 아니라 DC/DC 컨버터에서도 적용 가능하다. 즉, 본 발명의 직류전압 공급부를 제거하고 상기 제어부에 바로 DC 전압을 공급함으로서 DC/DC 컨버터의 역할이 수행되도록 할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 스위칭 전원회로는 상용 교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류전압 공급부와, 상기 직류전압 공급부에서 인가된 직류전압에 따라 PWM 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터부와, 상기 트랜지스터부의 온/오프에 따라 유도기전력을 발생시키는 동시에 코어의 자속밀도보다 적은 자속밀도가 발생하도록 코어의 권선수가 정해진 변압기와, 상기 변압기의 유도기전력을 직류전압으로 변환하는 커패시터로 구성되어 온도가 90℃ 이상이 되어도 스위칭 트랜지스터가 열폭주로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

상용 교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류전압 공급부와, 상기 직류전압 공급부에서 인가된 직류전압에 따라 PWM 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터부와, 상기 트랜지스터부의 온/오프에 따라 유도기전력을 발생시키는 동시에 코어의 자속밀도보다 적은 자속밀도가 발생하도록 코어의 권선수가 정해진 변압기와, 상기 변압기의 유도기전력을 직류전압으로 변환하는 커패시터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로.
인가되는 직류전압에 따라 PWM 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온/오프 되는 트랜지스터부와, 상기 트랜지스터부의 온/오프에 따라 유도기전력을 발생시키는 동시에 코어의 자속밀도보다 적은 자속밀도가 발생하도록 코어의 권선수가 정해진 변압기와, 상기 변압기의 유도기전력을 직류전압으로 변환하는 커패시터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서.

상기 변압기의 권선수는 변압기 코어가 90℃ 이상의 온도에서 포화현상이 발생하지 않도록 코어의 자속밀도보다 적은 수인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서.

상기 변압기의 권선수(Np)는 변압기에서 유도되는 전압이 사인파인 경우 다음식의 자속밀도(B)가 상기 코어의 자속밀도 이하의 값을 가지도록 정해지는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로.

Vin=4×B×Ae×f×Np×{10}^{-8}

(단, 상기 Vin은 제어부로 공급되는 직류전압, Ae는 코어의 실효 단면적, f는 교류 주파수, Np는 권선수임)
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서.

상기 변압기의 권선수(Np)는 변압기에서 유도되는 전압이 사각파인 경우 다음식의 자속밀도(B)가 상기 코어의 자속밀도 이하의 값을 가지도록 정해지는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로.

Vin=4.44×B×Ae×f×Np×{10}^{-8}

(단, 상기 Vin은 제어부로 공급되는 직류전압, Ae는 코어의 실효 단면적, f는 교류 주파수, Np는 권선수임)