KR100806774B1 - Ａｃ/ｄｃ 변환기 및 이를 이용한 ａｃ/ｄｃ 변환 방법 - Google Patents

Ａｃ/ｄｃ 변환기 및 이를 이용한 ａｃ/ｄｃ 변환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회로가 간단하고 노이즈 발생이 적으며 트랜스포머를 없애 무게와 크기를 줄일 수 있으면서도 AC/DC 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 AC/DC 변환기 및 이를 이용한 AC/DC 변환 방법에 관한 것으로, 상용 전원을 맥류파 교류 전원으로 변환하는 정류회로부; 상기 변환된 맥류파 교류 전원과 기준 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 1 제어회로부; 상기 제 1 제어회로부에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 상기 정류회로부에서 출력되는 맥류파 교류 전원을 스위칭하여 출력하는 제 1 스위칭부; 그리고 상기 제 1 스위칭부로부터 출력되는 맥류파 교류 전원을 평활하여 1차 직류 전원으로 변환하여 출력하는 전하 축적회로부를 구비하여 구성된 것이다.
AC/DC 변환기, 정류회로, 제 1 및 제 2 스위칭부,

Description

ＡＣ/ＤＣ 변환기 및 이를 이용한 ＡＣ/ＤＣ 변환 방법{AC-to-DC converter and method for converting AC to DC using the same}
도 1은 종래의 리니어 AC/DC 변환기의 구성 블럭도
도 2는 종래의 스위칭모드 AC/DC 변환기의 구성 블럭도
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기를 나타낸 블록 구성도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 제 1 제어회로부의 상세 구성 블록도
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 제 2 제어회로부의 상세 구성 블록도
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 구성 블록도
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 각부의 입/출력 파형도
＊도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＊
102 : 정류 회로부 103 : 제 1 제어회로부
104 : 제 1 스위칭부 108, 125 : 전하 축적회로
126 : 제 2 스위칭부 128 : 제 2 제어회로부
114 : 보호회로부 116 : 부하
132 : 제 1 구동전압 발생부 134, 154 : 비교부
136 : 맥류 비례전압 발생부 138, 156 : 기준 전압 발생부
140, 158 : 제 1 비교부 152 : 출력전압 센싱부
본 발명은 회로가 간단하고 잡음(EMI; ElectroMagnetic Interference) 발생이 적으며, 트랜스포머(transformer)를 없애 무게와 크기를 줄일 수 있으면서도 AC/DC 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 AC/DC 변환기에 관한 것이다.
일반적으로, 실생활에서 다양하게 사용되는 주변의 가전기기, 컴퓨터, 단말기, 산업용 기기 및 계측기기 등의 전기/전자기기들은 내부에 제어부를 비롯한 전자회로가 내장되어 있다. 그리고, 이들을 구동하기 위해서는 배터리를 사용하거나 AC/DC 변환기들을 이용하여 상용 교류전원(110V,220V/60Hz)을 직류전원으로 변환하여 사용한다.
하지만, 종래의 AC/DC 변환기들은 1차 권선과 2차 권선비를 이용하여 전압을 강압하는 트랜스포머를 반드시 사용하였으며, 전류 용량이 대용량으로 갈수록 트랜스포머의 크기가 커지고 무거워지는 문제가 발생하였다. 또한, 상기 트랜스포머를 사용하므로 인해 AC/DC 변환 효율이 35%이하로 낮고, 무부하 시의 대기전력 소모가 크다는 단점이 있었다.
그리고, 수백 KHz 이상의 스위칭 제어신호를 이용하는 고전압의 고속 스위칭 AC/DC 변환기의 경우 변환된 직류신호의 리플 즉, 직류전원(DC)의 전압 레벨이 불안정하게 유지되는 단점과 불필요한 고주파 EMI가 발생하는 문제점이 있었다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 AC/DC 변환기를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 리니어 AC/DC 변환기의 구성 불럭도이다.
종래의 리니어 AC/DC 변환기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상용전원(AC 100-220V)의 전압 레벨을 강압(降壓) 또는 승압(昇壓) 시키기 위한 트랜스포머(2)와, 상기 트랜스포머(2)를 통해 전압 레벨이 변환된 교류신호(AC)를 반파 또는 전파 정류하기 위한 정류회로(4)와, 상기 정류회로(4)를 통해 정류된 교류 신호를 평활화하여 직류 전원(DC)으로 변환하기 위한 평활회로(6)와, 상기 직류 전원(DC)의 전압 레벨을 안정화시켜서 부하(10)로 출력하는 정전압회로(8)를 구비하여 구성된다.
상기 트랜스포머(2)는 1차측 권선과 2차측 권선비에 의해 입력되는 교류 전원(AC)의 전압 레벨을 사용자가 원하는 전압 레벨의 교류 전원으로 강압 또는 승압하게 된다.
상기 정류회로(4)는 상기 트랜스포머(2)로부터의 전압 레벨이 변환된 교류 전원을 반파 또는 전파정류한 후, 상기 평활회로(6)에 공급한다. 상기 평활회로(6)는 정류된 교류 전원을 평활하여 직류 전원(DC)으로 변환한다.
이후, 상기 평활회로(6)로부터의 직류 전원(DC)는 상기 정전압회로(8)를 통해 정확하게 사용자가 원하는 레벨의 정전압으로 출력된다.
한편, 도 2는 종래의 스위칭모드 AC/DC 변환기의 구성 불럭도이다.
종래의 스위칭모드 AC/DC 변환기는, 도 2에 도시된 바와 같이, 입력되는 상용 전원(AC 100-220V)를 1차 정류 및 평활하여 1차 직류 전원으로 변환하기 위한 제 1 정류 및 평활회로(22)와, 1차측 권선과 2차측 권선을 구비하여 상기 제 1 정류 및 평활회로(22)에서 출력된 1차 직류 전원의 전압 레벨을 승압 또는 강압하기 위한 트랜스포머(24)와, 상기 트랜스포머(24)의 1차측 권선에 직류 전원이 공급되므로 상기 1차측 권선에 인가되는 직류 전원을 교류화하기 위해 스위칭 제어펄스에 따라 스위칭하는 스위칭 회로(32)와, 상기 스위칭 제어펄스를 생성하여 상기 스위칭 회로(32)를 제어하기 위한 스위칭 제어회로(34)와, 상기 트랜스포머(24)에서 출력되는 전원을 정류 및 평활하여 사용자가 원하는 레벨의 2차 직류 전원(DC)으로 변환하기 위한 제 2 정류 및 평활회로(26)와, 상기 2차 직류 전원(DC)의 전압 레벨을 안정화시켜서 부하(10)로 출력하는 정전압회로(8)를 구비한다.
그러나, 상기에서 설명한 종래의 AC/DC 변환기에는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 종래의 리니어 AC/DC 변환기 및 스위칭모드 AC/DC 변환기는 승합 또는 강압을 위해 트랜스포머(2) 또는 펄스 트랜스포머(24) 등을 필수적으로 사용해야 하므로, AC/DC 변환시에는 변환 효율이 저하된다.
둘째, 전류 용량이 대용량일수록 사용되는 트랜스포머(2) 또는 펄스 트랜스포머(24)의 크기가 커지고 무거워진다.
셋째, 스위칭모드 AC/DC 변환기의 경우, 고속 스위칭에 따른 직류 전원(DC) 출력시 직류 전원(DC)의 전압 레벨이 불안정하게 유지되는 리플 및 고주파 EMI가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회로가 간단하고 EMI 발생이 적으며 무게와 크기를 줄일 수 있으면서도 AC/DC 변환 효율을 향상시킬 수 있는 AC/DC 변환기 및 이를 이용한 AC/DC 변환 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 AC/DC 변환기는, 상용 전원을 맥류파 교류 전원으로 변환하는 정류회로부; 상기 변환된 맥류파 교류 전원과 기준 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 1 제어회로부; 상기 제 1 제어회로부에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 상기 정류회로부에서 출력되는 맥류파 교류 전원을 스위칭하여 출력하는 제 1 스위칭부; 그리고 상기 제 1 스위칭부로부터 출력되는 맥류파 교류 전원을 평활하여 1차 직류 전원으로 변환하여 출력하는 전하 축적회로부를 구비하여 구성됨에 그 특징이 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 AC/DC 변환 방법은, 교류 전원을 맥류파 교류 전원으로 변환하는 단계; 상기 변환된 맥류파 교류 전원과 제 1 기준 전원을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 단계; 상기 펄스 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 변환된 맥류파 교류 전원을 출력하는 단계; 그리고 상기 상기 펄스 제어신호에 따라 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하여 1차 직류 전원을 출력하는 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 AC/DC 변환기를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기를 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기는, 도 3에 도시한 바와 같이, 입력되는 상용전원(AC 100-220V)을 전파 또는 반파 정류하여 맥류파 교류전원으로 변환하는 정류회로부(102)와, 상기 변환된 맥류파 교류 전원과 기준 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 1 제어회로부(103)와, 상기 제 1 제어회로부(103)에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 상기 정류회로부(102)에서 출력되는 맥류파 교류 전원을 스위칭하여 출력하는 제 1 스위칭부(104)와, 제 1 스위칭부(104)로부터 출력되는 맥류파 교류 전원을 평활하여 1차 직류 전원으로 변환하여 출력하는 제 1 전하 축적회로부(108)를 구비하여 구성된다.
또한, 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기는, 상기 제 1 전하 축적회로부(108)에서 출력되는 1차 직류 전원을 사용자가 원하는 전압 레벨로 다양하게 변환하기 위한 펄스 제어신호를 출력하는 제 2 제어회로부(128)와, 상기 제 2 제어회로부(128)에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 상기 전하 축적회로부(108)에서 출력되는 1차 직류 전원을 출력하는 제 2 스위칭부(126)와, 상기 제 2 스위칭부(126)로부터 출력되는 1차 직류 전원으로 2차 직류 전원으로 변환하여 출력하는 제 2 전하 축적회로부(125)와, 상기 제 2 전하 축적회로부(125)에서 출력되는 2차 직류 전원의 출력상태를 검출하여 과전압 또는 과전류가 발생하면 상기 제 1 제어 회로부(103)의 동작을 정지시키는 보호회로부(114)를 더 구비하여 구성된다.
상기 제 2 스위칭부(126)은 적어도 하나의 스위칭 소자(MOSFET, 바이폴라 트랜지스터 등)로 구성된다.
상기 정류회로부(102)는 브릿지 다이오드(BD)를 이용하여 외부로부터 공급되는 상용 전원 (AC 100-220V)를 전파 정류하거나 반파 정류하여 맥류파 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 예를 들어, 상기 브릿지 다이오드를 이용하여 정류할 경우 상기 상용전원이 AC 220V의 전압 레벨로 상기 정류회로부(102)에 입력된다면 상기 정류회로부(102)에서 전파 정류된 맥류파 교류 전원은 피크치가 약 311V 내지 318V의 전압 레벨을 갖는 맥류파로 변환될 수 있다.
상기 제 1, 제 2 전하 축적회로부(108, 125)는 각각 적어도 하나의 커패시터로 구성되어, 상기 제 1, 제 2 스위칭부(104)로부터 출력되는 전압을 평활하여 직류 전원으로 변환한다. 또한, 상기 제 1,제 2 전하 축적회로부(108, 125)는 펄스 노이즈를 제거하기 위하여 인덕터를 더 구성할 수도 있다.
여기서, 상기 제 1 제어회로부(103)과 제 2 제어회로부(128)의 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 제 1 제어회로부의 상세 구성 블록도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 제 2 제어회로부의 상세 구성 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 제 1 제어회로부(103)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 정류회로부(102)에서 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하고 강압하여 구동전압을 출력하는 제 1 구동전압 발생부(132)와, 상기 정류회로부(102)에서 출력된 맥류파 교류 전압의 레벨을 변환하여 출력하는 맥류 비례전압 발생부(136)와, 상기 제 1 구동전압 발생부(132)에서 출력되는 전압을 가변하여 기준 전압으로 출력하거나 상기 정류회로부(102)에서 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하고 강압하여 기준 전압으로 출력하는 제 1 기준전압 발생부(138)와, 상기 맥류 비례전압 발생부(136)에서 출력된 전압과 상기 제 1 기준전압 발생부(138)에서 출력되는 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 1 비교부(134)를 구비하여 구성된다.
또한, 상기 제 1 제어회로부(103)는, 상기 제 1 비교부(134)에서 출력되는 펄스 제어신호의 레벨을 상기 제 1 스위칭부(104)에서 필요로 하는 펄스 제어신호 레벨로 업/다운시키고, 상기 보호회로부(114)에서 과전압 또는 과전류가 검출되면 상기 제 1 제어회로부(103)의 펄스 제어신호 출력을 차단하는 제 1 업/다운부(140)를 더 구비할 수도 있다. 여기서, 제 1 업/다운부(140)는 적어도 하나의 스위칭 소자(MOSFET, 바이폴라 트랜지스터 등)로 구성된 제 1 스위칭부(104)가 스위칭 될 수 있도록 하는 상기 펄스 제어신호의 레벨을 업/다운시킨다. (일반적으로, 상기의 스위칭 소자는 그 크기에 따라 스위칭 되는 구동레벨 예를 들어, 문턱 전압이 미리 설정되어 있기 때문에 제 1 업/다운부(140)는 상기의 스위칭 되는 구동레벨을 기준으로 상기 펄스 제어신호의 레벨을 변환할 수 있다. 이러한, 사항들은 통상적으로 연산 증폭기를 구비한 피드백(feedback) 회로를 사용하거나, 비교기 및 레벨 쉬프터를 이용하여서도 수행된다.)
상기 제 1 구동전압 발생부(132)는 적어도 하나의 저항, 커패시터 및 제너 다이오드 등으로 구성되어 상기 정류회로부(102)로부터 맥류파로 변환된 교류 전원의 전압 레벨을 변환하고 직류 전원으로 변환하여 상기 제 1 제어회로부(103)의 각부를 구동하기 위한 구동전압을 생성한다.
상기 맥류 비례전압 발생부(136)는 상기 정류회로부(102)로부터 출력된 맥류파 교류 전원을 분압하여 출력한다.
상기 제 1 비교부(134)는 비교기를 구비하여, 상기 제 1 기준전압 발생 부(138)에서 출력된 기준전압을 상기 비교기의 비반전 단자(+)로 입력하고, 상기 맥류 비례전압 발생부(136)에서 출력되는 전압을 상기 비교기의 반전 단자(-)로 입력한다. 따라서, 상기 기준전압보다 상기 맥류 비례전압 발생부(136)에서 출력되는 전압이 낮을 경우 하이 레벨, 상기 기준전압보다 상기 맥류 비례전압 발생부(136)에서 출력되는 전압이 높을 경우 로우 레벨을 갖는 펄스 제어신호를 출력한다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 제 2 제어회로부(128)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 전하 축적회로부(125)에서 출력되는 2차 직류 전원을 센싱하여 피드백하는 출력전압센싱부(152)와, 상기 제 1 구동전압 발생부(132)에서 출력되는 전압을 가변하거나 상기 제 1 전하 축적회로부(108)에서 출력되는 1차 직류 전원의 레벨을 가변하여 상기 1차 직류 전원을 사용자가 원하는 전압 레벨로 다양하게 변환하기 위한 기준 전압을 출력하는 제 2 기준전압 발생부(156)와, 상기 출력전압센싱부(152)에서 출력된 전압과 상기 제 2 기준전압 발생부(156)에서 출력되는 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 2 비교부(154)를 구비하여 구성된다.
물론, 상기 제 2 제어회로부(128)에서도, 상기 제 2 비교부(154)에서 출력되는 펄스 제어신호의 레벨을 상기 제 2 스위칭부(126)에서 필요로 하는 펄스 제어신호 레벨로 업/다운시키기 위한 제 2 업/다운부(158)를 더 구비할 수도 있다. 상술한 바와 같이, 제 2 업/다운부(158)는 적어도 하나의 스위칭 소자(MOSFET, 바이폴라 트랜지스터 등)로 구성되기 때문에 상기 제 2 스위칭부(126)가 스위칭 될 수 있도록 하는 상기 펄스 제어신호의 레벨을 업/다운시킨다. (일반적으로, 상기의 스위칭 소자는 그 크기에 따라 스위칭 되는 구동레벨 예를 들어, 문턱 전압이 미리 설정되어 있기 때문에 제 2 업/다운부(158)는 상기의 스위칭 되는 구동레벨을 기준으로 상기 펄스 제어신호의 레벨을 변환할 수 있다. 이러한, 사항들은 통상적으로 연산 증폭기를 구비한 피드백(feedback) 회로를 사용하거나, 비교기 및 레벨 쉬프터를 이용하여서도 수행된다.)
상기 도 3에서 상기 제 2 스위칭부(126), 제 2 제어회로부(128) 및 제 2 전하 축적회로부(125) 대신에 일반적으로 널리 사용되고 있는 DC/DC 변환기를 사용하여도 무방하다.
이와 같이 DC/DC 변환기를 사용한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AC/DC 변환 기의 구성은 도 6과 같다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 구성 블록도이다.
즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 구성은, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에서 상기 제 2 스위칭부(126), 제 2 제어회로부(128) 및 제 2 전하 축적회로부(125) 대신에 사용자의 요구에 따라 직류 전원의 레벨을 가변할 수 있는 DC/DC 변환기(129)를 사용한 것이다.
상기 DC/DC 변환기(129)는 사용자가 원하는 레벨의 직류 전원을 출력하도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 각부의 입/출력 파형도이다.
먼저, 본 발명에 따른 AC/DC 변환기의 동작을 보다 쉽게 설명하기 위해 상용전원(60Hz의 AC 220V)으로부터 5V의 직류(DC) 전원을 출력하는 경우를 예를들어 설명하면 다음과 같다.
상기 정류회로부(102)는, 도 7(a)와 같이, 상용전원(60Hz의 AC 220V)를 전파 정류하여 피크치가 약 311V 내지 318V이고 주파수가 120Hz인 맥류파 교류 전원으로 변환하여 출력한다.
이 때, 상기 제 1 구동전압 발생부(132)는 적어도 하나의 저항, 커패시터 및 제너 다이오드 등으로 구성되어 상기 정류회로부(102)로부터 맥류파로 변환된 교류 전원를 평활하여 직류 전압으로 변환하여 상기 제 1 제어회로부(103)의 각부를 구동하기 위한 구동전압을 생성한다.
상기 제 1 기준전압 발생부(138)에는 도 7(b)와 같이, 부하에 공급하는 전류의 크기에 따라 기준전압이 설정될 수 있다. 부하에 공급하려는 전류가 크면 클수록 높게 설정하는 것이 바람직하다. (통상적으로, 부하는 전력을 공급받아 소비하는 장치이기 때문에 부하의 정격전력 예를 들어, 각 전력장치의 구동전력 및 소비전력은 미리 설정되어 있다. 이에 따라, 상기 제 1 기준전압 발생부(138)에는 부하에 공급하는 전류의 크기에 대응하도록 기준전압이 설정될 수 있다. 따라서, 제 1 기준전압 발생부(138)에 설정되는 기준전압은 도 7(b)와 같이, 정해진 부하에 공급하고자 하는 전압 또는 직류 출력전압에 따라 설정 가능하다.)
상기 맥류 비례전압 발생부(136)는, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 상기 정류회로부(102)에서 출력된 맥류파 교류 전압을 분압하여 레벨이 낮은 전압을 출력한다.
상기 제 1 비교부(134)는 상기 제 1 기준전압 발생부(138)에서 출력된 기준전압을 비교기의 비반전 단자(+)로 입력하고, 상기 맥류 비례전압 발생부(136)에서 출력되는 전압을 상기 비교기의 반전 단자(-)로 입력한다. 그리고, 도 7(c)에 도시한 바와 같이, 상기 기준전압보다 상기 맥류 비례전압 발생부(136)에서 출력되는 전압이 낮을 경우 하이 레벨, 상기 기준전압보다 상기 맥류 비례전압 발생부(136)에서 출력되는 전압이 높을 경우 로우 레벨을 갖는 펄스 제어신호를 출력한다.
상기 제 1 비교부(134)에서 출력된 도 7(c)와 같은 펄스 제어신호가 상기 제 1 스위칭부(104)에 공급된다.
따라서, 상기 제 1 스위칭부(104)는 상기 제 1 비교부(134)에서 출력된 펄스 제어신호의 로우 레벨구간에서는 오프되고 하이 레벨 구간에서 온되어 상기 정류회로부(102)에서 출력된 도 7(a)와 같은 맥류파 교류 전원을 상기 전하 축적회로(108)에 공급한다.
상기 전하 축적회로부(108)는, 도 7(d)에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 스위칭부(104)로부터 출력된 전원을 1차 직류전압으로 변환한다. 이 때, 상기 전하 축적회로부(108)에서 출력하는 1차 직류 전압은 방전을 통하여 부하에 전류를 공급하지 않으면 일정한 정전압이 유지되지만 부하에 전류를 공급하게되면 반전으로 인하여 점차 1차 직류전압의 크기가 감소하다가 펄스 제어신호가 하이레벨 일 때 충전하고 로우레벨 일 때 방전하는 반복적인 충방전 현상이 일어나 도7(d)의 전압파형이 나타나게 된다. 예를들어 부하에 5V의 정전압을 공급하고자 하면 도7(d)의 전압파형에서 피크전압을 약 9V 최저전압을 약 6V정도로 설정하는 것이 적당하다. 물론 이러한 값들은 회로 설계자가 기준전압, 맥류 비례전압 발생부의 출력전압, 부하에 흐르는 전류, 상기 제 1, 제 2 전하축적회로부(108, 125)의 캐패시터 용량 등을 조절하여 임의로 설정할 수 있다.
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상기 제 1 기준전압 발생부(134)에서 기준 전압을 더 낮게 설정하면 상기 제 2 스위칭부(126)를 사용하지 않고도 상기 제 1 전하 축적회로부(108)에서 출력되는 1차 직류 전원을 5V 정도로 출력할 수 있으므로 바로 부하 구동에 이용할 수 있다.
이 후, 제 2 제어회로부(128)는 상기 제 1 전하 축적회로부(108)에서 출력되 는 1차 직류 전원을 사용자가 원하는 전압 레벨로 다양하게 변환하기 위한 펄스 제어신호를 출력하고, 상기 제 2 스위칭부(126)는 상기 제 2 제어회로부(128)에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 상기 제 1 전하 축적회로부(108)에서 출력되는 1차 직류 전원을 스위칭하여 출력한다. 그리고 상기 제 2 전하 축적회로부(125)에서 상기 제 2 스위칭부(126)에서 출력되는 전원을 평활하고 노이즈를 제거하므로 2차 직류 전원을 출력한다 (도 7(e) 참조).
또한, 상기 보호회로부(114)가 상기 제 2 전하 축적회로부(125)에서 출력되는 2차 직류 전원의 출력상태를 검출하여 과전압 또는 과전류가 발생하면, 상기 제 1 제어회로부(103)의 동작을 정지시키게 된다. 즉, 상기 제 1 제어회로부(103)의 제 1 업/다운부(140)에서 제 1 스위칭부(104)를 구동하지 않으므로 전원이 출력되지 않는다. 다시 말하여, 상기 보호회로부(114)는 상기 제 2 전하 축적회로부(108)에서 출력되는 2차 직류 전원의 전압 레벨의 변화를 검출하여 과전압 또는 과전류 발생시 제 1 업/다운부(140)가 제 1 제어회로부(103)의 동작을 정지시키도록 한다. (상술한 바와 같이, 통상적인 부하의 소비전력 및 정격은 미리 설정되어 있기 때문에, 미리 설정되어 있는 부하의 소비전력이나 정격 전압 대비 공급되는 전류나 전압이 높아지면 과전압이나 과전류로 판단할 수 있다. 이와 같이, 과전압이나 과전류 검출시 제 1 업/다운부(140)가 제 1 스위칭부(104)의 동작을 정지시키도록 하는데 이는, 일반적인 부하 예를 들어, 전력 소비제품에 사용되는 퓨즈나 릴레이 스위치 등의 기능과도 유사하다. 이는, 통상적인 경우와 마찬가지로 제 1 비교부(134)의 출력단이나 제 1 업/다운부(140)의 출력단 등에 적어도 하나의 퓨즈나 릴레이 스위치를 구비하거나, 논리곱 연산회로 등을 구비함으로써 이루어질 수 있다.)
물론, 상기 제 2 제어회로부(128), 제 2 스위칭부(126) 및 제 2 전하 축적회로부(125)가 구비되지 않은 상태에서도 상기 보호회로부(114)가 상기 축적회로부(108)에서 출력되는 전압을 검출하여 과전압 또는 과전류가 발생하면, 상기 제 1 제어회로부(103)의 동작을 정지시킬 수 있다.
상기 제 2 제어회로부(128)의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 출력전압센싱부(152)가 상기 제 2 전하 축적회로부(125)에서 출력되는 2차 직류 전원을 센싱하여 피드백하고, 상기 제 2 기준전압 발생부(156)는 사용자가 원하는 전압 레벨에 상응하는 기준 전압을 출력한다.
그리고 상기 제 2 비교부(154)는 상기 출력전압센싱부(152)에 의해 피드백되 는 전압과 상기 제 2 기준전압 발생부(156)에서 출력되는 기준 전압을 비교하여 상기 제 2 스위칭부(126)를 제어하기 위한 펄스 제어신호를 출력한다.
따라서, 상기 제 2 스위칭부(126)는 상기 제 2 비교부(154)에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 제 1 전하 축적회루부(108)에서 출력되는 1 차 직류 전원을 출력하고, 상기 제 2 전하 축적회로부(125)에서 상기 제 2 스위칭부(126)에서 출력되는 전원을 평활하고 노이즈를 제거하여 레벨이 가변되고 안정화된 2차 직류 전원을 출력한다.
즉, 상기 제 2 전하 축적회로부(125)는, 상기 제 2 스위칭부(126)가 상기 제 2 비교부(154)에서 출력되는 펄스 제어신호에 의해 온/오프되므로, 상기 펄스 제어신호가 하이레벨 일때 충전하고 로우레벨 일 때 방전하는 반복적인 충방전 현상이 일어나 도7(e)의 전압 파형이 나타나게 된다.
물론, 상기 제 2 업/다운부(158)는 상기 제 2 비교부(154)에서 출력되는 펄스 제어신호의 레벨이 원하는 값에 도달하지 못하면 상기 펄스 신호 레벨을 업/다운 시켜 출력한다.
한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AC/DC 변환기의 동작도 상기 본 발명의 제 1 실시예의 AC/DC 변환기와 유사하다. 즉, DC/DC 변환기는 일반적으로 널리 이용되고 있는 것으로, 직류 전원을 사용자의 설정에 의해 전원 레벨을 가변하여 출력한다.
상술한 바와 같이 구성 및 동작되는 본 발명의 실시예에 따른 AC/DC 변환기는 종래의 AC/DC 변환기의 단점인 크기, 무게 등을 개선할 수 있다. 또한, AC/DC 변환 효율을 약 89% 향상시킬 수 있으며, 120Hz의 낮은 주파수로 스위칭하므로 스위칭에 따른 EMI 발생이 적다. 이와 아울러, AC/DC 변환기의 대기전력도 수십 ~ 수백 ㎼로 작으며, 소형 패키지의 Hybrid IC화, One chip화가 가능하다. 따라서, AC/DC 변환 회로의 설계시 설계 공간을 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 AC/DC 변환기 및 그의 구동방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 트랜스포머 등과 같은 교류 전원의 레벨 승압 또는 강압하는 변압기가 불필요함에 따라 AC/DC 변환기의 크기와 무게 등을 효과적으로 줄일 수 있고, AC/DC 변환 회로의 설계시 설계 공간이 감소되어 AC/DC 변환기의 소형 패키지화 및 원-칩(One-Chip)화가 가능하다.
둘째, AC/DC 변환 효율을 약 89% 이상으로 향상시킬 수 있으며, 120Hz의 낮은 주파수로 스위칭하므로 스위칭에 따른 불필요한 EMI 발생이 적다. 또한, AC/DC 변환기의 대기전력을 감소할 수 있다.

Claims (13)

  1. 상용 전원을 맥류파 교류 전원으로 변환하는 정류회로부;
    상기 변환된 맥류파 교류 전원과 기준 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 1 제어회로부;
    상기 제 1 제어회로부에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 상기 정류회로부에서 출력되는 맥류파 교류 전원을 스위칭하여 출력하는 제 1 스위칭부; 그리고
    상기 제 1 스위칭부로부터 출력되는 맥류파 교류 전원을 평활하여 1차 직류 전원으로 변환하여 출력하는 제 1 전하 축적회로부를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어회로부는, 상기 정류회로부에서 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하고 강압하여 구동전압을 출력하는 제 1 구동전압 발생부와,
    상기 정류회로부에서 출력된 맥류파 교류 전압의 레벨을 변환하여 출력하는 맥류 비례전압 발생부와,
    상기 제 1 구동전압 발생부에서 출력되는 전압을 가변하여 기준 전압으로 출력하거나 상기 정류회로부에서 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하고 강압하여 기준 전압으로 출력하는 제 1 기준전압 발생부와,
    상기 맥류 비례전압 발생부에서 출력된 전압과 상기 제 1 기준전압 발생부에 서 출력되는 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 상기 제 1 스위칭부로 출력하는 제 1 비교부를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 제어회로부는, 상기 제 1 비교부에서 출력되는 펄스 제어신호의 레벨이 원하는 값에 도달하지 못하면 상기 펄스 제어신호 레벨을 업/다운 시키는 제 1 업/다운부(140)를 더 구비함을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 비교부는 상기 맥류 비례전압 발생부에서 출력된 전압이 상기 제 1 기준전압 발생부에서 출력되는 전압보다 낮을 경우 하이 레벨을 출력하고, 상기 맥류 비례전압 발생부에서 출력된 전압이 상기 제 1 기준전압 발생부에서 출력되는 전압보다 높을 경우 로우 레벨을 출력함을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전하 축적회로부에서 출력되는 1차 직류 전원을 사용자가 원하는 전압 레벨로 다양하게 변환하기 위한 펄스 제어신호를 출력하는 제 2 제어회로부와,
    상기 제 2 제어회로부에서 출력되는 펄스 제어신호에 따라 상기 제 1 전하 축적회로부에서 출력되는 1차 직류 전원을 출력하는 제 2 스위칭부와,
    상기 제 2 스위칭부에서 출력되는 전원을 평활하여 2차 직류 전원으로 변환하여 출력하는 제 2 전하 축적회로부를 더 구비함을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 제어회로부는, 상기 제 2 전하 축적회로부에서 출력되는 2차 직류 전원을 센싱하여 피드백하는 출력전압센싱부와,
    상기 1차 직류 전원을 사용자가 원하는 전압 레벨로 다양하게 변환하기 위한 기준 전압을 출력하는 제 2 기준전압 발생부와,
    상기 출력전압센싱부에서 출력된 전압과 상기 제 2 기준전압 발생부에서 출력되는 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 2 비교부를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 제어회로부는, 상기 제 2 비교부에서 출력되는 펄스 신호의 레벨이 원하는 값에 도달하지 못하면 상기 펄스 신호 레벨을 업/다운 시키기 위한 제 2 업/다운부를 더 구비함을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 전하 축적회로부에서 출력되는 1차 직류 전원을 사용자가 원하는 전압 레벨로 다양하게 변환하여 2차 직류 전원을 출력하는 DC/DC 변환기를 더 포함함을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 전하 축적회로부에서 출력되는 1차 또는 2차 직류 전원 또는 DC/DC 변환기에서 출력되는 2차 직류 전원의 출력상태를 검출하여 과전압 또는 과전류가 발생하면 상기 제 1 제어회로부의 동작을 정지시키는 보호회로부를 더 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 제어회로부는, 상기 정류회로부에서 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하고 강압하여 구동전압을 출력하는 제 1 구동전압 발생부와,
    상기 정류회로부에서 출력된 맥류파 교류 전압의 레벨을 변환하여 출력하는 맥류 비례전압 발생부와,
    상기 제 1 구동전압 발생부에서 출력되는 전압을 가변하여 기준 전압으로 출력하거나 상기 정류회로부에서 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하고 강압하여 기준 전압으로 출력하는 제 1 기준전압 발생부와,
    상기 맥류 비례전압 발생부에서 출력된 전압과 상기 제 1 기준전압 발생부에서 출력되는 전압을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 제 1 비교부와, 그리고
    상기 제 1 비교부에서 출력되는 펄스 제어신호의 레벨이 원하는 값에 도달하지 못하면 상기 펄스 제어신호 레벨을 업/다운 시키고, 상기 보호회로부에서 과전압 또는 과전류가 검출되면 상기 펄스 제어신호 출력을 차단하는 제 1 업/다운부를 구비함을 특징으로 하는 AC/DC 변환기.
  11. 정류 회로부가 교류 전원을 맥류파 교류 전원으로 변환하는 단계;
    제 1 제어 회로부가 상기 변환된 맥류파 교류 전원과 제 1 기준 전원을 비교하여 펄스 제어신호를 출력하는 단계;
    제 1 스위칭부가 상기 펄스 제어신호에 따라 스위칭하여 상기 변환된 맥류파 교류 전원을 출력하는 단계; 및
    제 1 전하 축적 회로부가 상기 펄스 제어신호에 따라 출력된 맥류파 교류 전원을 평활하여 1차 직류 전원을 출력하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 AC/DC 변환 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 펄스 제어신호는,
    상기 맥류파 교류 전원이 상기 제 1 기준 전압보다 낮을 경우 하이 레벨을 갖고, 상기 맥류파 교류 전원이 상기 제 1 기준 전압보다 높을 경우 로우 레벨을 갖음을 특징으로 하는 AC/DC 변환 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    제 2 제어 회로부, 제 2 스위칭부, 및 제 2 전하 축적 회로부가 상기 1 차 직류 전원을 사용자가 원하는 전압 레벨로 다양하게 변환하여 2차 직류 전원을 출력하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 AC/DC 변환 방법.
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