KR100577701B1

KR100577701B1 - 고전압 전원공급장치

Info

Publication number: KR100577701B1
Application number: KR1020040036000A
Authority: KR
Inventors: 채영민
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2006-05-10
Also published as: US7187565B2; KR20050110998A; US20050259449A1

Abstract

고전압 전원공급장치에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치는 변압기의 발진을 이용하여 교류전압을 생성, 출력하는 발진회로부, 복수의 전압 체배기를 이용하여 발진회로부로부터 입력받은 교류전압을 증가시켜 출력하는 배압회로부, 및 발진회로부의 구동을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 정격전압이 높은 고가의 소자를 사용하지 않아도 높은 출력전압을 얻을 수 있어, HVPS 회로의 제조단가를 낮출 수 있으며, 향후 저가형 초고압 HVPS 시스템의 활용가능성이 기대된다.

HVPS, 필터, 변압기, PWM, 트랜지스터, 다이오드, 커패시터

Description

고전압 전원공급장치{The high voltage power supply}

도 1은 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치의 블럭도,

도 2는 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치의 상세 회로도,

도 3은 변압기 등가회로를 이용한 시뮬레이션 회로도, 그리고

도 4는 8[kV]의 출력전압 조건에서 도 3에 도시된 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치의 출력측 소자들의 전압파형 및 최종출력전압 파형을 도시한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 *

10: 신호입력부 20: 저역통과 필터부

30: 제어부 40: 발진회로부

42: 제1 변압기 44: 제2 변압기

50: 배압회로부 52: 제1 전압 체배기

54: 제2 전압 체배기 60: 센싱부

70: 회로보호 및 정류부

100: 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치

R1~R16: 저항 C1~C10: 커패시터

D1~D6: 다이오드 Q: 트랜지스터

본 발명은 HVPS 전원회로에 관한 것으로, 특히, 배압회로부를 구비하여 정격전압이 낮은 다이오드나 커패시터 소자 등을 사용하면서 고압 발생이 가능한 고전압 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 고전압 전원공급장치(High Voltage Power Supply:HVPS)는 복사기 및 레이저 프린터, 팩시밀리, 디지털 인쇄기 등에 장착되는 핵심부품으로 12~24V의 저전압을 순간적으로 고전압(수백[V]~수[KV])으로 변환시켜 프린터나 복사기 드럼위로 고압방전을 형성해 문자인쇄 기능을 수행하는 장치를 말한다.

종래의 고전압 전원공급장치에서 높은 출력전압을 발생하여 현상부(도면에 미도시)에 인가하기 위한 방법으로는 2차측 변압기의 턴(turn) 수를 증가시켜 출력전압을 상승시키는 방법이 사용되었다. 이 경우, 변압기 2차측의 턴 수의 증가에 정비례하여 다이오드나 커패시터 양단에 인가되는 전압이 상승되므로, 전기적 출력정격이 큰 소자를 사용하는 것이 필수적이다. 일반적으로 커패시터나 다이오드의 경우 전압정격 상승에 따라 소자의 가격이 비례하여 상승하므로, 고전압 전원공급장치의 제조 단가를 상승시키는 원인이 된다.

더욱이, 최근 고속의 고품질 레이저 프린터 복사기의 경우, 더 높은 출력전압과 전류용량을 갖는 전원공급장치가 요구된다. 따라서, 이에 사용되는 다이오드나 커패시터 등의 소자도 정격전압 및 전류용량이 큰 고가의 소자를 사용하는 것이 불가피하다.

따라서, 본 발명의 목적은 정전압 또는 정전류 방식을 사용하여, 높은 출력전압을 제공하면서, 다이오드나 커패시터 소자의 정격용량을 낮출 수 있는 고전압 전원공급장치를 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치는 변압기의 발진을 이용하여 교류전압을 생성, 출력하는 발진회로부, 복수의 전압 체배기를 이용하여 발진회로부로부터 입력받은 교류전압을 증가시켜 출력하는 배압회로부, 및 발진회로부의 구동을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 고전원 전원공급장치는, 펄스폭 변조 신호를 입력받아, DC 전압으로 변환된 소정 기준신호를 제어부로 출력하는 저역통과 필터부, 배압회로부에서 출력된 전압의 크기를 실시간으로 감지한 후, 전압감지신호를 생성, 출력하는 센싱부, 및 센싱부로부터 입력받은 전압감지신호를 DC 레벨로 정류하여 출력하는 회로보호 및 정류부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 변압기는, 일반 변압기 및 FBT(flyback transformer) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

여기서, 제어부는, 저역통과 필터부에서 입력된 소정 기준신호와 회로보호 및 정류부를 통해 피드백되어 입력된 전압감지신호를 비교하여, 전압감지신호가 기준신보다 작은 경우, 발진회로부를 구동하기 하이레벨의 전압신호를 출력하는 것 이 바람직하다.

여기서, 저역통과 필터부는, 복수의 저항 및 복수의 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 센싱부는, 적어도 하나의 연산증폭기와, 복수의 저항 및 복수의 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 회로보호 및 정류부는, 적어도 하나의 연산증폭기와, 복수의 저항 및 복수의 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치의 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치의 상세 회로도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치(100)는 신호입력부(10), 필터부(20), 제어부(30), 발진회로부(40), 배압회로부 (50), 센싱부(60), 및 회로보호 및 정류부(70)를 포함한다.

신호 입력부(10)는 엔진 제어부(도면에 미도시)로부터 최적 출력전압이나 출력전류에 해당하는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 신호를 입력받아 필터부(20)로 출력한다.

저역통과 필터부(20)는 전압펄스폭 변조신호를 DC 레벨의 신호로 변환하여 제어부(30)에 인가한다. 저역통과 필터부(20)로부터 입력된 DC 레벨의 신호는 제어부(30)의 전압 또는 전류 기준신호로 이용된다. 저역통과 필터부(20)는 복수의 저항(R1, R2, R16)과 커패시터(C1, C10)를 포함한다. 제1저항(R1)의 일단은 신호 입력부(10)와 직렬접속되며, 타단은 제16저항(R16), 제2저항(R2), 제1커패시터(C1)와 각각 병렬접속된다.

제어부(30)는 트랜지스터 구동신호를 생성, 출력하여, 직접적으로 트랜지스터의 구동을 제어함과 동시에 간접적으로 변압기 2차측 출력전압의 크기를 제어한다. 제어부(30)는 적어도 하나의 커패시터(C2), 저항(R3) 및 비교기(OP-AMP 1)를 포함한다.

발진회로부(40)는 변압기의 발진현상을 이용하여 고압의 교류전압을 생성한 후, 배압회로부(50)로 출력한다. 발진회로부(40)는 적어도 하나의 저항(R5)과 커패시터 (C3), 트랜지스터(Q), 복수의 변압기(42,44) 및 DC 바이어스 전원(Vcc)을 포함한다. 여기서, 변압기(42, 44)는 일반 변압기 또는 FBT(flyback transformer)인 것이 바람직하다.

배압회로부(50)는 발진회로부(40)에서 입력받은 교류전압을 배압시킨 출력전압을 생성한다. 배압회로부(50)에서 생성된 출력전압은 출력단(Vout)을 통해 현상부에 인가되는 동시에 센싱부(60)로 입력된다. 배압회로부(50)는 복수의 전압 체배기(Voltage Doubler, 52, 54)를 포함하며, 각 전압 체배기는 복수의 다이오드(D1~D4)와 커패시터(C4~C7)를 포함한다.

센싱부(60)는 복수의 저항(R8~R11), 복수의 커패시터(C7~C8) 및 적어도 하나의 연산증폭기(OP-AMP 2)를 포함한다. 제9저항(R9)은 제2 연산증폭기(OP-AMP 2)의 반전 입력단자(-)와 직렬접속되며, 제10저항(R10 비반전 입력단자(+)에 직렬접속된다. 제10저항(R10)은 제2 연산증폭기(OP-AMP 2)의 반전 입력단자(-)와 출력단자 사이에 접속되며, 제7 커패시터(C7)는 제11항(R11)에 병렬접속된다. 센싱부(60)는 제2 연산증폭기(OP-AMP 2)를 이용하여 배압회로부(50)로부터 출력되는 전압이나 전류의 크기를 실시간으로 감지한다.

회로보호 및 정류부(70)는 적어도 하나의 연산증폭기(OP-AMP 3)와 복수의 저항(R14~R15) 및 복수의 다이오드(D5~D6)를 포함한다. 여기서, 복수의 다이오드(D5~D6)는 정류소자이다. 회로보호 및 정류부(70)는 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치(100)를 보호하고, 센싱부(60)에서 인가되는 교류전압을 DC 전압으로 정류하여 제어부(30)로 출력한다.

먼저, 화상형성장치의 엔진 제어부(CPU)로부터 최적의 출력전압이나 전류에 해당하는 펄스폭 변조(PWM)신호가 신호 입력부(10)에 인가되고, 이 신호는 저역통과 필터부(20)에서 DC 전압신호로 변환된 후, 비교기(OP-AMP 1)의 비반전 입력단자(+)에 인가된다. 한편, 4배 전압 회로부(50)로부터 센싱부(60)와 회로보호 및 정류부(70)를 거쳐 출력된 피드백 전압신호가 비교기(OP-AMP 1)의 반전 입력단자(-)에 인가된다.

비교기(OP-AMP 1)는 피드백 전압신호가 저역통과 필터부(20)에서 인가되는 DC 전압신호보다 작은 경우, 트랜지스터 구동시키기 위한 트랜지스터 구동신호를 생성하여 발진회로부(40)로 출력한다.

트랜지스터 구동신호는 트랜지스터(Q)의 베이스 전류의 크기를 제어하여 변압기 1차측 회로의 시정수 및 출력전류의 크기를 제어한다. 또한, 트랜지스터 구동신호에 의해 트랜지스터(Q)가 구동되면, DC 바이어스 전원(Vcc)과 직렬로 접속된 제1, 제2 변압기(42, 44)의 1차측 권선과 제3 커패시터(C3)사이의 발진현상을 통하 여 제1, 제2 변압기(42, 44)의 2차측에 교류전압이 인가된다.

한편, 제1 변압기(42) 2차측에 인가되는 교류전압의 피크치를 Vm이라하면, (+) 반주기 동안은 제1 다이오드(D1)가 도통되어 제4 커패시터(C4)에 교류전압의 피크치(Vm)가 충전된다. 이와 마찬가지로, (-) 반주기 동안은 제2 다이오드(D2)가 도통되어 제5 커패시터(C5)에 교류전압의 피크치(Vm)가 충전된다. 이와 같은 방식에 의해 제6저항(R6)에는 제1 변압기(42)의 2차측에 인가되는 교류전압의 피크치(Vm)의 2배에 해당하는 2Vm의 전압이 인가된다. 즉, 제1 전압 체배기(52)는 제1 변압기(42)의 2차측에 인가된 교류전압의 피크치(Vm)를 2배로 증가시켜 출력한다.

또한, 제1 전압 체배기(52)와 직렬접속된 제2 전압 체배기(54)도 제1 전압 체배기(52)와 동일한 방식으로 제2 변압기(44)의 2차측에 인가된 교류전압의 피크치(Vm)를 2배로 증가시켜 출력한다.

따라서, 직렬접속된 제1, 제2 전압 체배기(52, 54)에서 각각 변압기(42,44)의 2차측에 인가된 교류전압의 피크치보다 2배 증가된 전압을 출력하므로, 결국, 배압회로부(50)는 변압기(42,44) 2차측에 인가된 교류전압의 피크치보다 4배가 증가된 전압을 출력한다. 따라서, 본 발명에 의하면 정격전압이 큰 고가의 소자를 사용하지 않으면서 높은 출력전압을 발생하는 것이 가능하게 된다.

배압회로부(50)에서 출력된 고전압은 화상형성장치의 현상부에 인가되어, 드럼에서 고압방전을 형성하는데 이용되는 동시에 센싱부(60)와 회로보호 및 정류부(70)를 통해 제어부(30)로 피드백된다.

한편, 도 3은 도 2에 도시된 배압회로부의 시뮬레이션 회로도이고, 도 4는 8[kV]의 출력전압 조건에서 도 3에 도시된 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치의 출력측 소자들에 인가되는 전압파형 및 최종출력전압 파형을 분석한 그래프이다.

도 3에서 도 2에 도시된 구성요소와 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 출력단(V_Out)으로 약 8[kV]의 전압이 출력되는 경우, 제 4 커패시터(C4) 및 제5 커패시터(C5)에 각각 인가되는 전압(v_cap_up1, v_cap_dn_1)은 각각 2[kV]이다. 이와 마찬가지로, 제6 커패시터(C6) 및 제7 커패시터(C7)에 각각 인가되는 전압도 각각 2[kV]가 된다. 종래의 경우, 동일한 전압인 8[kV]가 출력단(V_Out)으로 출력되는 경우. 각 커패시터에 인가되는 전압의 크기는 대략 4[kV]이므로, 본 발명에 의하면 정격전압이 높은 커패시터를 사용하지 않으면서도 종래와 동일한 8[kV]의 출력을 얻을 수 있게 된다.

한편, 제1 변압기(42) 및 제2 변압기(44)의 2차측에 각각 인가되는 전압(v_trans_1, v_trans_2)의 (+) 반주기 동안, 제1 다이오드(D1) 및 제3 다이오드(D3)에 각각 인가되는 전압(v_diod_up, v_diod_dn)은 대략 -2[kV]에서 0[kV]임을 확인할 수 있다. 제1 변압기(42) 및 제2 변압기(44)의 2차측에 각각 인가되는 전압 (v_trans_1, v_trans_2)의 (-) 반주기 동안, 제1 다이오드(D1) 및 제3 다이오드(D3)에 각각 인가되는 전압(v_diod_up, v_diod_dn)은 대략 -4[kV]에서 -2[kV]임을 확인할 수 있다. 즉, 8[kV]가 출력단(V_Out)으로 출력으로 되는 경우, 각각의 다이오드에 인가되는 전압의 크기는 대략 2[kV] 정도가 된다. 종래의 경우, 동일한 전압인 8[kV]가 출력단에 인가되는 경우, 각 다이오드에 인가되는 전압의 크기는 대략 4[kV]이므로, 본 발명에 의하면 정격전압이 높은 다이오드를 사용하지 않으면서도 종래와 동일한 출력을 얻을 수 있게 된다.

도 3에서, 미설명된 R_line1, R_line2는 선로 저항을 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 전원공급장치에 의하면, 변압기 2차측에 정격전압이 크지 않은 커패시터나 다이오드 소자를 사용하여도 높은 출력전압을 얻을 수 있다. 따라서, 정격전압이 큰 고가의 소자를 사용하지 않아도 되므로, 고전압 전원공급장치의 제조단가를 낮출 수 있으며, 향후 저가형 초고압 전원공급장치의 활용가능성이 기대된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위에 있게 된다.

Claims

변압기의 발진을 이용하여 교류전압을 생성, 출력하는 발진회로부;

복수의 전압 체배기를 이용하여 상기 발진회로부로부터 입력받은 교류전압을 증가시켜 출력하는 배압회로부; 및

상기 발진회로부의 구동을 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 전원공급장치.
제1항에 있어서,

펄스폭 변조 신호를 입력받아, DC 전압으로 변환된 소정 기준신호를 상기 제어부로 출력하는 저역통과 필터부;

상기 배압회로부에서 출력된 전압의 크기를 실시간으로 감지한 후, 전압감지신호를 생성, 출력하는 센싱부; 및

상기 센싱부로부터 입력받은 전압감지신호를 DC 레벨로 정류하여 출력하는 회로보호 및 정류부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 전원공급장치.
삭제
제2항에 있어서, 상기 제어부는,

상기 저역통과 필터부에서 입력된 상기 소정 기준신호와 상기 회로보호 및 정류부를 통해 피드백되어 입력된 상기 전압감지신호를 비교하여, 상기 전압감지신호가 상기 소정 기준신호보다 작은 경우, 상기 발진회로부를 구동하기 하이레벨의 전압신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 고전압 전원공급장치.
제2항에 있어서, 상기 저역통과 필터부는,

복수의 저항 및 복수의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 전원공급장치.
제2항에 있어서, 상기 센싱부는,

적어도 하나의 연산증폭기와, 복수의 저항 및 복수의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 전원공급장치.
제2항에 있어서, 상기 회로보호 및 정류부는,

적어도 하나의 연산증폭기와, 복수의 저항 및 복수의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 전원공급장치.