KR100893813B1

KR100893813B1 - 스위칭 전원 장치

Info

Publication number: KR100893813B1
Application number: KR1020070086405A
Authority: KR
Inventors: 마사아키 시마다; 마사루 나카무라; 아키히로 우치다
Original assignee: 산켄덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-04-20
Also published as: CN101136593A; JP4923864B2; US20080175027A1; JP2008054478A; CN100525041C; US7545657B2; KR20080021525A

Abstract

스위칭 전원 장치는 변압기의 1차 권선을 통해 직류 전원에 연결된 스위칭 소자, 제어 회로용 기동 회로, 변압기의 2차 권선의 전압의 정류-평활 회로, 및 변압기의 3차 권선의 전압을 제어 회로용 전원 전압으로 정류하고 평활시키는 정류-평활 회로를 포함한다. 기동 회로는 장치를 기동시키는 제1 기동 전류를 공급하고, 장치가 기동되면 제1 기동 전류를 차단한다. 장치가 기동된 후 제어 회로의 전원 전압이 정지 전압으로 저하되면, 기동 전류는 제1 기동 전류보다 작은 제2 기동 전류를 공급한다. 제어 회로에 대한 전원 전압이 정지 전압보다 낮은 소정의 전압으로 더 저하되면, 기동 회로는 제1 기동 전류를 공급한다.

Description

스위칭 전원 장치{SWITCHING POWER SOURCE APPARATUS}

본 발명은 스위칭 전원 장치에 관한 것으로, 특히 스위칭 전원 장치의 기동 회로의 기동 시간을 단축시키고 기동 회로 내의 손실을 최소화하는 기법에 관한 것이다.

도 1은 관련 기술에 따른 스위칭 전원 장치를 도시하는 회로도이다. 도 1에서, 스위칭 전원 장치는 직류 전원(E), 커패시터(C12), 기동 회로(1), 1차 권선(P1), 2차 권선(S), 및 3차 권선(P2)을 가진 변압기(T), 스위칭 소자(Q10)(예: MOSFET), 스위칭 소자(Q10)를 통과하는 전류를 검출하는 저항(R10), 스위칭 소자(Q10)의 온(ON)/오프(OFF) 작동을 제어하는 제어 회로(3), 다이오드(D11)와 커패시터(C11)를 가진 제1 정류-평활 회로, 다이오드(D10)와 커패시터(C10)를 가진 제2 정류-평활 회로, 및 검출기(7)를 포함한다.

커패시터(C12)는 스위칭 전원 장치용의 교류 전원을 정류하고 평활시키는 평활 커패시터와 같은, 스위칭 전원 장치의 입력부에 존재하는 등가 커패시터를 나타낸다. 이러한 구성으로 인해, 직류 전원(E)이 차단될 때, 스위칭 전원 장치에 대한 입력 전압이 즉시 0이 되지 않는다. 기동 회로(1)는 커패시터(C12)의 양극 단자와 제어 회로(3)의 전원 입력 단자 사이에 연결되고, 변압기(T)의 1차 권선(P1)의 제1 단부에도 연결된다. 직류 전원(E)은 항상 또는 간헐적으로 기동 회로(1)에 전원을 인가한다. 제어 회로(3)는 활성(turn-on) 전압(Von)(예: 18V)에 반응하여 작동 상태가 되며, 정지 전압(Voff)(예: 9V)에 반응하여 비작동 상태가 된다. 검출기(7)에 의해 검출된 출력 전압(Vout)에 기초하여 제어 회로(3)가 스위칭 소자(Q10)를 시작/정지시켜서 출력 전압을 소정의 전압으로 유지한다.

기동 회로(1)는, 변압기(T)의 1차 권선(P1)의 제1 단부와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이에 연결된 직렬 회로를 포함하는데, 직렬 회로는 저항(R1), 정전류 회로(CC1), 스위치(SW1), 및 다이오드(D1)를 포함한다. 기동 회로(1)는 비교기(CP)도 포함한다. 비교기(CP)는 다이오드(D1)의 캐소드와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이의 연결점에 연결된 반전 입력 단자, 기준 전원(Vr1)에 연결된 비반전 입력 단자, 및 스위치(SW1)의 접점에 연결된 출력 단자를 갖는다. 비교기(CP)는 히스테리시스(hysteresis) 특징이 있어서, 반전 입력 단자가, 예를 들어 18V에 도달하면 저 레벨의 출력을 제공하고, 비교기(CP)의 출력이 낮은 상태에서 반전 입력 단자가, 예를 들어 9V 아래로 떨어지면 고 레벨의 출력을 제공한다.

도 1의 스위칭 전원 장치의 작동에 대해 설명한다. 스위칭 전원 장치에 대해 직류 전원(E)이 활성화(enalbed)되면, 저항(R1)을 통해 기동 회로(1) 내 정전류 회로(CC1)에 전압(Vst)이 인가된다. 이때, 스위치(SW1)가 온 상태가 되고, 따라서 정전류 회로(CC1)는 정전류(Ist(예를 들어, 2.5 mA))를 보내어 다이오드(D1)를 통해 커패시터(C10)를 충전한다. 커패시터(C10)의 전압은 제어 회로(3)의 전원 단자에 공급된다. 즉, 제어 회로(3)는 전압(Vcc)을 수용한다.

기동 시에, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 18V의 활성 전압(Von)보다 낮아서, 스위치(SW1)의 온(ON) 상태를 유지하기 위해 비교기(CP)가 고 레벨의 출력을 제공한다. 전압(Vcc)이 활성 전압(Von)에 도달하면, 제어 회로(3)는 스위칭 소자(Q10)를 온/오프시키는 구동 신호(Drv)를 제공하기 시작한다. 그 결과, 변압기(T)의 1차 권선(P1)이 직류 전원(E)을 간헐적으로 수용하여 2차 권선(S)에 대한 전압을 유도한다. 2차 권선(S) 상의 전압은 다이오드(D11)와 커패시터(C11)를 통해 부하(5)에 인가되는 출력 전압(Vout)으로 정류 및 평활이 이루어진다. 부하(5)에 공급된 출력 전압(Vout)은, 검출기(7)에서의 기준 전압과 비교되어 제어 회로(3)에 에러 신호를 제공한다. 제어 회로(3)는 에러 신호로 인해 듀티 계수(duty factor)가 결정되는 구동 신호(Drv)를 발생시켜서 스위칭 소자(Q10)를 온/오프시킨다.

제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 활성 전압(Von)에 도달할 때, 비교기(CP)의 출력은 고에서 저로 변하여 스위치(SW1)를 오프시키고, 커패시터(C10)의 충전을 중지한다. 이와 별개로, 변압기(T)의 3차 권선(P2)이 전압을 발생시키는데, 다이오드(D10)와 커패시터(C10)를 통해 직류 전압으로 정류 및 평활이 이루어진다. 이 직류 전압은, 제어 회로(3)가 연속적으로 작동하도록 Vcc로서 제어 회로(3)에 공급된다. 이러한 방식으로, 일단 제어 회로(3)가 기동하면, 기동 전류(Ist)가 차단되어, 이로써 효율성을 개선한다.

도 2는 직류 전원(E)이 차단되고 재개되는 경우에 도 1의 스위칭 전원 장치 내의 신호를 도시하는 타이밍 차트이다. 도 2에서, 스위칭 전원 장치를 기동시키기 위해 직류 전원(E)이 활성화되는데, 일단 차단된 다음, 다시 활성화된다.

t1의 시간에, 직류 전원(E)이 스위칭 전원 장치에 인가된다. 즉, 저항(R1)에 대한 직류 전원(E)의 전압(Vst)이 증가하기 시작한다. t2에서 전압(Vst)은 정전류 회로(CC1)를 구동하는 레벨에 이른다. 정전류 회로(CC1)는 정전류(Ist)를 공급하여 커패시터(C10)를 충전하고, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 증가한다. t3에서 전압(Vcc)은 활성 전압(Von)에 이르고, 따라서 제어 회로(3)는 스위칭 소자(Q10)를 온/오프시키는 구동 신호(Drv)를 제공한다. 동시에 기동 회로(1)의 비교기(CP)는 스위치(SW1)를 오프시키는 저 레벨 출력을 제공한다.

t4에서, 직류 전원(E)은 차단되고, 전압(Vst)이 저하되기 시작한다. t5에서, 제어 회로(3)는 출력 전압(Vout)을 제어할 수 없게 되고, 따라서 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)과 출력 전압(Vout)이 저하되기 시작한다. t6에서, 전압(Vcc)은 정지(turn-off) 전압(Voff)에 도달한다. 그 다음, 비교기(CP)가 스위치(SW1)를 온시키는 고 레벨 출력을 제공하여, 정전류 회로(CC1)에 의해 공급된 기동 전류(Ist)가 커패시터(C10)를 충전한다. 직류 전원(E)이 계속적으로 차단되면, 기동 회로(1)에 대한 전압(Vst)은 더 떨어지고, 정전류 회로(CC1)는 기동 전류(Ist)를 공급할 수 없게 된다. 이때, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)은 활성 전압(Von)까지 상승할 수 없고, 스위칭 전원 장치는 비작동 상태가 된다.

도 2에 도시된 t6에서, 정전류 회로(CC1)는 기동 전류(Ist)를 공급하기 시작한다. t7에서, 기동 전류(Ist)가 지나가는 시간 동안 직류 전원(E)이 재기동 된다. 기동 회로(1)에 대한 전압(Vst)이 증가하기 시작하고, 정전류 회로(CC1)는 계속적 으로 기동 전류(Ist)를 공급하여 커패시터(C10)를 충전한다. t8에서, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)은 활성 전압(Von)에 도달하고, 제어 회로(3)는 구동 신호(Drv)를 제공하여 스위칭 소자(Q10)를 온/오프시킨다.

도 3은, 과부하 상태에서 스위칭 전원 장치가 자동 재기동 작동을 수행할 때 도 1의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시하는 타이밍 차트이다. 자동 재기동 작동은, 부하(5)가 과부하 상태나 스위칭 전원 장치를 중지시키는 단락(short circuit)을 만날 때 발생하고, 일단 과부하 상태나 단락 상태가 소멸하면, 스위칭 전원 장치의 정상 작동을 재개하려고 한다.

과부하 상태가 발생하면, 스위칭 소자(Q10)를 통과하는 전류가 증가하고, 전류 검출 저항(R10)에서의 전압이 증가한다. 이 전압은 t1에서 제어 회로(3)에 의해 검출된다. 전압을 검출한 후, 과부하 상태가 소정의 지연 시간 동안 지속하면, 제어 회로(3)는 t2에서 스위칭 소자(Q10)에 대한 구동 신호(Drv)를 차단한다. 그 결과, 출력 전압(Vout)과 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 저하되고, t3에서 전압(Vcc)은 정지 전압(Voff)에 도달한다. 이것은 스위치(SW1)를 온시키고, 정전류 회로(CC1)로부터의 전류(Ist)로 커패시터(C10)를 충전시켜서 전압(Vcc)을 증가시킨다. t4에서 전압(Vcc)은 활성 전압(Von)에 도달하여, 제어 회로(3)가 구동 신호(Drv)를 재개한다.

과부하 상태가 지연 시간 동안 지속하면, 제어 회로(3)는 또다시 t5에서 스위칭 소자(Q10)에 대한 구동 신호(Drv)를 차단한다. 이러한 동작은 과부하 상태가 해소될 때까지 반복된다. 과부하 상태가 사라지면, 정상 작동이 재개된다. 과부하 상태 동안, 기동 회로(1)가 간헐적으로 기동 전류(Ist)를 공급하여, 스위칭 소자(Q10)가 과부하 상태에서 온/오프 작동을 간헐적으로 수행한다.

도 4는 부하(5)가 단락 상태인, 도 1의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시한다. 부하(5)가 단락되면, 스위칭 소자(Q10)는 지연 시간없이 즉시 차단된다. 단락 상태가 지속되는 동안, 도 3의 과부하 상태와 유사하게 스위칭 소자(Q10)의 간헐적인 온/오프 작동이 수행된다.

직류 전원(E)이 스위칭 전원 장치에 인가된 때부터 스위칭 소자(Q10)가 온/오프 작동을 시작하여 출력 전압(Vout)을 발생시킬 때까지의 기동 시간은 정전류 회로(CC1)로부터의 기동 전류(Ist)와 커패시터(C10)의 정전용량(capacitance)에 의해 결정된다. 기동 시간을 단축하려면, 기동 전류(Ist)가 더 커야 한다. 그러나 큰 기동 전류는 기동 회로(1) 내의 손실을 증가시킨다. 특히 과부하 상태 또는 단락 상태에서 스위칭 소자(Q10)의 온/오프 작동을 간헐적으로 수행함으로써 자동 재기동 작동이 이루어지면, 더 큰 기동 전류가 기동 회로(1)와 스위칭 소자(Q10) 내의 손실을 증가시켜서, 열을 발생시켜 소자들을 파괴한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 일본국 미심사 공개공보 제2003-333840호는 정전류 회로를 포함하는 기동 회로를 가진 스위칭 전원 장치를 제시한다. 이 정전류 회로는 전류 한계 저항, 제1 npn형 트랜지스터, 및 전류 검출 저항을 통해 제어 회로의 전원 단자에 기동 전류를 공급한다. 정전류 회로는 제2 npn형 트랜지스터로 전류 검출 저항의 단자 전압을 검출하고, 제1 npn형 트랜지스터의 베이스로 저항을 통과한 전류를 제어한다. 기동 회로에 의해 공급된 기동 정전류는 전류 검출 저항 을 통과한다. 전류 검출 저항은 커패시터와 병렬로 연결되어, 커패시터가 충전될 때까지 큰 기동 전류가 장치의 기동시 공급된다. 일단 커패시터가 충전되면, 기동 전류는 전류 검출 저항과 제2 npn형 트랜지스터에 의해 결정된다. 정전류 회로는 이러한 방식으로 기동 작동과 정상 작동 사이의 전류값을 달리하여 기동 시간을 단축시키고, 기동 회로 내의 손실을 감소시킨다.

그러나 과부하 상태 또는 단락 상태에서 자동 재기동 작동을 실행하면, 앞서 살펴본 스위칭 전원 장치는 스위칭 소자(Q10)의 간헐적인 온/오프 작동 중에 기동 회로(1)와 스위칭 소자(Q10) 내의 손실을 충분히 감소시키지 못한다. 전류 검출 저항에 병렬인 커패시터가 충전되는 동안의 정전류 회로의 전류값의 증가는 커패시터 충전 시간과, 입력 전압에 변화가 있는 경우 기동 시간을 변화시키는 문제를 제기한다.

본 발명은 스위칭 소자의 간헐적인 온/오프 작동 중에도 기동 회로와 스위칭 소자 내의 손실을 감소시킬 수 있는 스위칭 전원 장치를 제공한다.

본 발명의 한 측면에 따라, 변압기의 1차 권선을 통해 직류 전원에 연결된 스위칭 소자; 스위칭 소자의 온/오프 작동을 제어하도록 구성된 제어 회로; 전원 전압을 제어 회로에 공급하여 기동 전류가 제어 회로를 통과하도록 구성된 기동 회로; 변압기의 제2 권선에 의해 발생된 전압을 출력 전압으로 정류하고 평활시키며, 출력 전압을 부하에 공급하도록 구성된 제1 정류-평활 회로; 및 변압기의 3차 권선에 의해 발생된 전압을 제어 회로에 공급되는 전원 전압으로 정류하고 평활시키도록 구성된 제2 정류-평활 회로를 포함한 스위칭 전원 장치가 제공되어 있다. 기동 회로는 직류 전원으로 발생되어 장치를 기동시키는 제1 기동 전류를 공급하도록 구성되는데, 일단 장치가 기동되면, 제1 기동 전류를 차단하고; 만일 장치가 기동된 후 제어 회로에 대한 전원 전압이 정지 전압으로 저하되면, 제1 기동 전류보다 작은 제2 기동 전류를 공급하며; 만일 제어 회로에 대한 전원 전압이 정지 전압보다 더 낮은 소정의 전압으로 더 저하되면, 제1 기동 전류를 공급한다.

본 발명은 스위칭 소자의 간헐적인 온/오프 작동 중에도 기동 회로와 스위칭 소자 내의 손실을 감소시키는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예는 도 5 내지 10을 참조하여 상세히 설명한다. 이들 도면에서 도 1 내지 4의 관련 기술에서와 같거나 비슷한 부분들은 동일한 도면 부호로 나타낸다.

제1 실시예

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 전원 장치를 도시하는 회로도이다. 도 5의 스위칭 전원 장치는 기동 회로(1a)의 구조에 있어서 도 1의 관련 기술과 다르다. 따라서, 기동 회로(1a)를 상세히 설명한다.

기동 회로(1a)는 변압기(T)의 1차 권선(P1)의 제1 단부와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이에 연결된 직렬 회로를 포함하는데, 직렬 회로는 제너 다이오드(ZD1),저항(R1), 정전류 회로(CC2), 스위치(SW1), 및 다이오드(D1)를 포함한다. 정전류 회로(CC2)의 단부는 정전류 회로(CC1)와 스위치(SW2)를 포함한 직렬 회로에 연결된다.

비교기(CP)는, 다이오드(D1)의 캐소드와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이의 연 결점에 연결된 반전 입력 단자, 기준 전원(Vr1)에 연결된 비반전 입력 단자, 및 스위치(SW1)의 접점에 연결된 출력 단자를 갖는다. 비교기(CP)는 히스테리시스 특징이 있어서, 반전 입력 단자가, 예를 들어, 18 V에 도달하면 비교기(CP)는 저 레벨 출력을 제공하고, 반전 입력 단자가, 예를 들어, 10 V보다 낮아지면, 저 레벨 출력을 고 레벨 출력으로 변화시킨다.

비교기(IC1)는 다이오드(D1)의 캐소드와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이의 연결점에 연결된 반전 입력 단자, 기준 전원 전압(Vcre)(예를 들어, 9.5 V)에 연결된 비반전 입력 단자, 및 RS 플립-플롭(FF)의 셋 단자(S)에 연결된 출력 단자를 갖는다. 인버터(IC2)는 비교기(CP)로부터의 출력를 반전시키고, 반전된 출력을 RS 플립-플롭(FF)의 리셋 단자(R)에 공급한다. RS 플립-플롭(FF)은 스위치(SW2)에 연결된 출력 단자(Q)를 갖는다.

장치를 기동시킬 때, 제1 기동 전류는 상기와 같이 구성된 기동 회로(1a)에 따른 직류 전원(E)에 의해 공급된다. 제1 기동 전류는 정전류 회로(CC1)에 의해 공급된 정전류(Ist)와 정전류 회로(CC2)에 의해 공급된 정전류(Ish)의 합이다. 일단 장치가 기동하면, 기동 회로(1a)는 제1 기동 전류를 차단한다. 그 후, 제어 회로(3)에 대한 전원 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)으로 저하되면, 기동 회로(1a)는 제1 기동 전류(Ist+Ish)보다 작은 제2 기동 전류(즉, 정전류 회로(CC2)로부터의 정전류(Ish))를 공급한다. 만일 제어 회로(3)로의 전압(Vcc)이 정지 전압보다 낮은 소정의 전압으로 더 저하되면, 기동 회로(1a)는 제1 기동 전류를 공급한다.

제1 실시예에 따른 스위칭 전원 장치의 작동을 설명한다. 스위칭 전원 장치 에 대해 직류 전원(E)이 활성화되면, 기동 회로(1a)의 스위치(SW1 및 SW2)가 각각 온 상태가 된다. 따라서 직류 전원(E)의 전압(Vst)은 제너 다이오드(ZD1)와 저항(R1)을 통해 정전류 회로(CC1 및 CC2)에 인가된다. 정전류 회로(CC1)는 2.5 mA의 정전류(Ist)를 제공하고, 정전류 회로(CC2)는 0.5 mA의 정전류(Ish)를 제공하여, 예를 들어, 다이오드(D1)를 통해 커패시터(C10)를 충전한다.

장치의 기동시, 제어 회로(3)의 전압(Vcc)은 기준 전압(Vcre)(예: 9.5 V) 또는 활성 전압(Von)(예: 18 V)보다 낮아서, 비교기(CP)가 고 레벨 출력을 제공하여 스위치(SW1)의 온 상태를 유지한다. 이때, 인버터(IC2)는 저 레벨 출력을 제공하고, 비교기(IC1)는 고 레벨 출력을 제공하며, 따라서 RS 플립-플롭(FF)의 출력(Q)이 고 레벨 출력을 제공하여 스위치(SW2)의 온 상태를 유지한다.

제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 9.5 V로 증가하면, 비교기(IC1)의 출력이 저 레벨로 변한다. 그러나 RS 플립-플롭(FF)의 출력(Q)은 변하지 않아서, 스위치(SW2)가 온 상태를 유지한다. 전압(Vcc)이 활성 전압(Von)으로 증가하면, 제어 회로(3)는 구동 신호(Drv)를 제공하여 스위칭 소자(Q10)가 온/오프 작동을 시작하여 부하(5)에 직류 출력 전압(Vout)을 인가하게 한다. 이때 비교기(CP)의 출력은 저 레벨로 변하여 스위치(SW1)를 오프시키고, 인버터(IC2)의 출력은 고 레벨로 변하여 RS 플립-플롭(FF)을 리셋시킨다. 그 결과, RS 플립-플롭(FF)의 출력(Q)은 저 레벨로 변하여 스위치(SW2)를 오프시킨다.

도 6을 참조하여, 과부하 상태인 도 5의 스위칭 전원 장치의 작동을 설명한다.

과부하 상태가 발생하면, 스위칭 소자(Q10)를 통과하는 전류가 증가하여 전류 검출 저항(R10)에 나타나는 전압을 증가시킨다. 이 전압은 t1에서 제어 회로(3)에 의해 검출된다. 전압 검출로부터 소정의 지연 시간 후에 여전히 과부하 상태가 존재하면, t2에서 제어 회로(3)가 스위칭 소자(Q10)로의 구동 신호(Drv)를 차단한다. 그 결과, 출력 전압(Vout)과 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 저하된다. t3에서 전압(Vcc)은 정지 전압(Voff)(예: 10V)에 도달하고, 비교기(CP)는 고 레벨 출력을 제공하여 스위치(SW1)를 온시킨다.

비록 인버터(IC2)의 출력이 저 레벨로 변하지만, RS 플립-플롭(FF)의 출력(Q)은 변하지 않아, 스위치(SW2)의 오프 상태를 유지한다. 그 결과, 정전류 회로(CC2)로부터의 전류(Ish)(예: 0.5 mA)만 커패시터(C10)를 충전하여 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)을 점진적으로 증가시킨다. t4에서 전압(Vcc)은 활성 전압(Von)에 도달하여 제어 회로(3)가 또다시 구동 신호(Drv)를 출력하게 한다. 이때 스위치(SW1)는 오프되어 정전류 회로(CC2)의 전류(Ish)를 차단한다.

t4로부터 소정의 지연 시간 후에 과부하 상태가 지속하면, 제어 회로(3)는 t5에서 또다시 스위칭 소자(Q10)로의 구동 신호(Drv)를 차단한다. 그 다음 스위치(SW1)가 온되어, 정전류 회로(CC2)에 의해 공급된 전류(Ish)를 보내어 커패시터(C10)를 충전하고, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)을 증가시킨다. 비교기(IC1)의 출력은 낮고, 따라서 RS 플립-플롭(FF)의 출력(Q)이 변하지 않아 스위치(SW2)의 오프 상태를 유지한다. 이러한 동작은 과부하 상태가 사라질 때까지 반복된다. 일단 과부하 상태가 사라지면, 정상 작동이 재개된다.

제1 실시예에 따라, 과부하 상태는 기동 회로(1a)가 간헐적으로 기동 전류를 보내게 하여, 과부하 상태에서 스위칭 소자(Q10)가 간헐적으로 온/오프 작동을 수행한다. 과부하 상태에서 보내어지는 기동 전류는, 기동 회로(1a) 내의 손실을 줄일 정도로 작은 전류(Ish)뿐이다. 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)으로부터 활성 전압(Von)으로 변하는 기동 시간은, 구동 신호(Drv)가 차단되는 간헐적인 시간을 연장할 정도로 길다. 이것이 기동 회로(1a)와 스위칭 소자(Q10) 내의 평균 손실을 감소시킨다.

도 7은 부하(5)가 단락을 일으킬 때 제1 실시예의 스위칭 전원 장치 내의 신호를 도시하는 타이밍 차트이다. 도 4의 관련 기술과 같이, 단락 상태는 스위칭 소자(Q10)가 지연 시간 없이 즉시 비작동 상태가 되게 만든다. 단락 상태 동안, 스위칭 소자(Q10)는 간헐적으로 온/오프 작동을 수행한다. 도 6의 과부하 상태와 유사하게 단락 상태에서 보내어지는 기동 전류는 손실을 감소시킬 정도로 낮은 전류(Ish)뿐이다. 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)에서 활성 전압(Von)으로 변하는 기동 시간은 구동 신호(Drv)가 차단되는 간헐적인 시간을 연장할 정도로 길다. 이것이 기동 회로(1a)와 스위칭 소자(Q10) 내의 평균 손실을 감소시킨다.

도 8은 직류 전원(E)인 오프된 다음 온될 때, 제1 실시예의 스위칭 전원 장치 내의 신호를 도시하는 타이밍 차트이다. 도 9는, 직류 전원(E)이 오프될 때부터 온될 때까지의 시간 동안, 도 8의 신호의 상세 내용을 도시하는 타이밍 차트이다. 도 8 및 9를 참조하여, 직류 전원(E)이 오프된 다음 온될 때의 스위칭 전원 장치의 작동을 설명한다.

t4에서, 직류 전원(E)은 차단되고, 직류 전원(E)의 전압(Vst)은 저하되기 시작한다. t5에서, 출력 전압(Vout)은 제어할 수 없는 상태가 되고, 따라서 저하되기 시작한다. 변압기(T)의 3차 권선(P2)에 의해 발생된 전압은 출력 전압(Vout)에 비례하여 저하된다. 이 때문에, 제어 회로(3)에 인가된 전압(Vcc)도 저하되기 시작한다. t6에서, 직류 전원(E)의 전압(Vst)은 제너 다이오드(ZD1)의 제너 전압(Vzd)(예: 70 V)보다 낮아져서 제너 다이오드(ZD1)를 오프시킨다. 그 결과 전압(Vst)이 정전류 회로(CC1 및 CC2)로부터 차단된다. 이때 스위치(SW1 및 SW2)는 각각 오프되고, 따라서 작동변화는 일어나지 않는다.

전압(Vst, Vout, Vcc)이 계속하여 저하되고, t7에서 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)(예: 10 V)에 도달하여 제어 회로(3)가 스위칭 소자(Q10)로의 구동 신호(Drv)를 차단하고 스탠바이(standby) 상태를 형성한다. 이때 비교기(CP)의 출력은 고 레벨로 변하여 스위치(SW1)를 온시킨다. 그러나 이것은, 제너 다이오드(ZD1)가 비작동/비활성화(disabled) 상태이고, 정전류 회로(CC1 및 CC2)에 인가되는 전압이 없기 때문에, 전류를 보내지 않는다. 전압(Vcc)은 계속 떨어져서 t8에서 기준 전압(Vcre)(예: 9.5 V)에 도달한다. 그 다음, 비교기(IC1)의 출력이 고 레벨로 변하여 RS 플립-플롭(FF)을 셋시키는데, 그 다음 출력(Q)으로부터 고 레벨 출력을 제공하여 스위치(SW2)를 온시킨다. 그러나 이것은, 제너 다이오드(ZD1)가 비활성화된 상태이고, 정전류 회로(CC1)에 인가되는 전압이 없기 때문에, 전류를 보내지 않는다.

t9에서 직류 전원(E)은 전압(Vst)을 다시 증가시키기 시작한다. t10에서, 전 압(Vst)은 제너 다이오드(ZD1)의 제너 전압(Vzd)을 초과하여 제너 다이오드(ZD1)를 활성화시키고, 정전류 회로(CC1 및 CC2)에 전압(Vst)을 인가한다. 이때 스위치(SW1 및 SW2)는 각각 온 상태이고, 따라서 기동 전류(Ist와 Ish)(즉, Ist와 Ish의 합의 제1 기동 전류)는 이것을 통과한다. t11에서 제어 회로(3)에 인가된 전압(Vcc)은 활성 전압(Von)에 도달하고, 제어 회로(3)는 구동 신호(Drv)를 출력하여 스위칭 소자(Q10)가 온/오프 작동을 수행하게 한다. 제1 기동 전류는 양쪽 정전류 회로(CC1 과 CC2)로부터 공급된 전류의 합이므로, 기동 시간이 짧아질 것이다.

스탠바이 상태에서 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)에 도달하는 t7에서 전력 소비가 매우 작아지고, 따라서 전압(Vcc)이 기준 전압(Vcre)으로 더 떨어질 때까지 오래 걸린다. 이 때, 만일 전원 전압(Vst)을 차단할 제너 다이오드(ZD1)가 없으면, 정전류 회로(CC2)는 커패시터(C10)를 충전하여, 전압(Vcc)이 스위치(SW2)가 온되는 기준 전압(Vst)으로 저하되는 것을 막는다. 반대로, 전원 전압(Vst)의 레벨에 따라, 정전류 회로(CC2)에 의해 정상 전류가 공급되어 전압(Vcc)을 증가시킨다. 그렇게 되면 전압(Vcc)은 결코 기준 전압(Vst)으로 저하되어 스위치(SW2)를 온시키지 않는다.

직류 전원(E)이 이때 다시 허용되면, 전원 전압(Vst)이 증가하여, 정전류 회로(CC2)에 의해서 공급된 전류(Ist)만으로 커패시터(C10)를 충전한다. 즉 전류(Ist)가 유일한 기동 전류이고, 따라서 전압(Vcc)을 활성 전압(Von)으로 증가시키는데 긴 기동 시간이 필요하다. 만일 제너 다이오드(ZD1)가 제공되면, 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)(예: 10 V)으로 떨어지기 전에, 예를 들어, 70 V의 제너 전 압(Vzd)을 가진 제너 다이오드(ZD1)가 정전류 회로(CC1, CC2)로부터 전원 전압(Vst)을 차단한다. 이것이 스위치(SW2)를 확실히 온시키는 t7과 t8 사이의 시간을 눈에 띄게 단축시키는 결과를 낳는다. 그 결과, 직류 전원(E)이 재기동하면, 정전류 회로(CC2)에 의한 전류(Ish)와 정전류 회로(CC1)에 의한 전류(Ist)의 합이 짧은 기동 시간을 실현한다.

직류 전원(E)이 차단된 후, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)으로 떨어지면, 제너 다이오드(ZD1)의 제너 전압(항복 전압)(Vzd)이 제너 다이오드(ZD1)에 인가된 직류 전원(E)의 전압보다 크다. 이러한 셋팅에 따라, 제1 기동 전류(Ish + Ist)는 직류 전원(E)이 재개될 때 확실히 제공되어, 긴 기동 시간 대신 단지 제2 기동 전류(Ish)로 인한 짧은 기동 시간을 실현한다.

제2 실시예

도 10은 본 발명의 제2 실시예의 스위칭 전원 장치의 기동 회로를 도시하는 회로도이다. 제2 실시예의 기동 회로(1b)는 도 5의 제1 실시예의 정전류 회로(CC1과 CC2) 대신 다른 정전류 회로를 이용한다. 제2 실시예의 다른 부분들은 제1 실시예와 같고, 따라서 동일한 도면 부호로 나타낸다.

도 10의 기동 회로(1b)에서, 비교기(CP)는, 다이오드(D1)의 캐소드와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이의 연결점에 연결된 비반전 입력 단자("+"로 표기), 기준 전원(Vr1)에 연결된 반전 입력 단자("-"로 표기), 및 인버터(IC2)와 FET(Q5)의 게이트에 연결된 출력 단자를 갖는다.

비교기(IC1)는, 다이오드(D1)의 캐소드와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이의 연결점에 연결된 반전 입력 단자 (-), 기준 전원(Vcre)에 연결된 비반전 입력 단자 (+), 및 RS 플립-플롭(FF)의 리셋 단자(R)에 연결된 출력 단자를 갖는다. 인버터(IC2)는 비교기(CP)로부터의 출력 신호를 반전시키고, 반전된 신호를 RS 플립-플롭(FF)의 셋 단자("S"로 표기)에 공급한다. RS 플립-플롭(FF)의 출력 단자("Q"로 표기)는 FET(Q3)의 게이트에 출력 신호를 제공한다.

변압기(T)의 1차 권선(P1)의 제1 단부와 제어 회로(3)의 제1 단부 사이에는, 제너 다이오드(ZD1), FET(Q1), 저항(R2), 저항(R3), 및 다이오드(D1)를 포함하는 직렬 회로가 연결되어 있다. FET(Q1)의 게이트는 제너 다이오드(ZD2)를 통해 접지되어 있다. FET(Q1)의 게이트와 드레인(drain) 사이에 저항(R4)가 연결되어 있다. 트랜지스터(Tr1)는, 저항(R2와 R3) 사이의 연결점에 연결된 베이스(base), 다이오드(D1)의 애노드(anode)와 저항(R3) 사이의 연결점에 연결된 이미터(emitter), 및 FET(Q1)의 게이트에 연결된 컬렉터(collector)를 갖는다.

트랜지스터(Tr2)는, FET(Q1)의 소스와 저항(R2) 사이의 연결점에 연결된 베이스, FET(Q2)의 드레인에 연결된 이미터, 및 FET(Q1)의 게이트에 연결된 컬렉터를 갖는다. FET(Q2)는, 저항(R6와 R7) 사이의 연결점에 연결된 게이트와 다이오드(D1)의 애노드와 저항(R3) 사이의 연결점에 연결된 소스를 갖는다. 저항(R6)은 FET(Q1)의 소스에 연결된 저항(R5)과 직렬로 연결된다.

FET(Q3)는, RS 플립-플롭(FF)의 출력 단자(Q)에 연결된 게이트, 접지된 소스, 및 저항(R7)에 연결된 드레인을 갖는다. FET(Q4)는, 저항(R8과 R9) 사이의 연 결점에 연결된 게이트, FET(Q1)의 게이트에 연결된 드레인, 및 다이오드(D1)의 애노드와 저항(R3) 사이의 연결점에 연결된 소스를 갖는다. FET(Q5)는, 비교기(CP)의 출력 단자에 연결된 게이트, 접지된 소스, 및 저항(R9)에 연결된 드레인을 갖는다.

FET(Q4와 Q5)와 저항(R8과 R9)은 FET(Q1)를 온/오프하여 정전류 회로를 기동 및 차단하기 위해 사용되는 스위치(SW1)를 형성한다.

FET(Q2와 Q3)와 저항(R5, R6, 및 R7)은 스위치(SW2)를 형성한다. 스위치(SW2)가 오프 상태일 때, FET(Q1), 트랜지스터(Tr1), 및 저항(R2, R3,및 R4)으로 구성된 제1 정전류 회로가 제1 기동 전류(Ist)(예: 2.5 mA)를 공급한다.

스위치(SW2)가 온 상태일 때, FET(Q1), 트랜지스터(Tr2), 및 저항(R2, R3,및 R4)으로 구성된 제2 정전류 소스가 제2 기동 전류(Ish)(예: 0.5 mA)를 공급한다. 제2 기동 전류는 저항(R2)을 통과하고, 따라서 제1 기동 전류보다 작다. 스위치(SW2)는 온 및 오프되어 제1, 제2 정전류 소스의 제1, 제2 기동 전류를 한쪽에서 다른 쪽으로 전환한다.

정전류 스위칭 기능을 이용한 기동 회로(1b)는, FET와 트랜지스터를 사용하기 때문에, 집적 회로(IC) 안으로 통합될 수 있다.

제2 실시예에 따른 기동 회로(1b)는 작동 상태가 되어 장치의 기동 시 제1 기동 전류를 제공하고, 일단 장치가 기동하면 제1 기동 전류를 차단하며, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)으로 떨어지는 경우 제1 기동 전류보다 작은 제2 기동 전류를 제공하고, 또 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)보다 낮은 소정의 전압으로 더 떨어지면, 제1 기동 전류를 제공한다. 결국, 제2 실시예에 따른 스위 칭 전원 장치는 제1 실시예와 동일한 효과를 제공한다.

본 발명의 기동 기법은 도 5의 스위칭 전원 구성뿐만 아니라, 다른 스위칭 전원 구성에도 적용가능하다.

부하(5)(도 5)가 스탠바이 상태이면, 부하(5)를 통과하는 전류가 매우 작아져서 변압기(T)의 3차 권선(P2)에 의해 발생된 전압을 떨어뜨린다. 이로 인해, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 종종 정지 전압(Voff) 아래로 떨어진다.

이와 같은 경우, 본 발명에 다른 제어 회로(3)는 구동 신호(Drv)를 차단하여 스위칭 소자(Q10)의 온/오프 작동을 중지한다. 이렇게 되면, 제1 기동 전류보다 작은 제2 기동 전류가 커패시터(C10)를 충전한다. 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 활성 전압(Von)으로 상승하면, 제어 회로(3)는 구동 신호(Drv)를 재개하고, 제2 기동 전류는 차단된다. 이때 변압기(T)의 3차 권선(P2)에 의해 발생된 전압은 정지 전압(Voff)보다 낮다.

그 결과, 제어 회로(3)에 대한 전압(Vcc)이 저하된다. 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff) 아래로 떨어지면, 스위칭 소자(Q10)의 온/오프 작동이 중단된다. 이러한 동작은 스위칭 소자(Q10)의 온/오프 작동을 간헐적으로 수행하도록 반복된다. 이러한 방식으로, 변압기(T)의 3차 권선(P2)에 의해 발생된 전압을 불충분한 레벨로 저하시키는 부하(5)의 스탠바이 상태는 제2 기동 전류가 스위칭 소자(Q10)의 온/오프 작동을 간헐적으로 수행하도록 유발한다. 제2 기동 전류는 작아서 기동 회로(1a)(또는 1b) 내의 손실을 감소시키고, 스위칭 소자(Q10)의 온/오프 작동 간격을 연장하는 것을 돕는다. 이것은 기동 회로(1a)(또는 1b) 내의 손실을 감소시키고 스 탠바이 상태에서의 전력 소비를 낮추는 결과를 낳는다.

요컨대, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 전원 장치는, 장치가 작동하기 시작할 때 제1 기동 전류를 제공한다. 과부하 상태 또는 부하의 단락 상태에서 자동 재기동 작동을 달성하기 위해, 장치는 제1 기동 전류보다 작은 제2 기동 전류로써 스위칭 소자의 온/오프 작동을 간헐적으로 수행한다. 이 기법은 장치의 기동 회로 내의 손실을 감소시킨다. 작은 제2 기동 전류는 자동 재기동 작동의 기동 시간을 연장하고, 이로써 스위칭 소자의 온/오프 작동 간격을 늘이며, 기동 회로 및 스위칭 소자 등의 평균 손실을 감소시킨다.

기동 회로는 제너 다이오드와 직렬로 연결되어 있어서, 큰 제1 기동 전류로써 장치가 빠르게 재기동 가능하다.

제너 다이오드는, 직류 전원이 차단된 후에 장치의 제어 회로에 인가된 전압(Vcc)이 정지 전압(Voff)으로 떨어질 때 제너 다이오드에 인가되는 직류 전원의 전압보다 큰 항복 전압을 갖는다. 이러한 셋팅으로 인해, 직류 전원이 재기동됨에 따라 큰 제1 기동 전류가 확실히 제공되고, 이에 따라 긴 기동 시간 대신 짧은 기동 시간을 실현한다.

본 출원은 2006년 8월 28일에 제출된 일본 특허출원 제2006-230868호에 대해 35USC §119에 따라 우선권의 혜택을 주장하며, 그 전체 내용을 여기에 참고로 병합한다. 비록 본 발명이 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 상기에 설명되었지만, 발명은 상기 실시예들에 제한되지 않는다. 상기 실시예들의 수정과 변형은 가르침에 비추어 본 기술 분야의 숙련자들에게 일어날 것이다. 본 발명의 범위는 하 기의 청구 범위를 참조하여 정의한다.

도 1은 관련 기술에 따른 스위칭 전원 장치를 도시하는 회로도이다.

도 2는 직류 전원이 차단된 다음, 재개될 때, 도 1의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.

도 3은 과부하 상태에서 도 1의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.

도 4는 단락 상태에서 도 1의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 전원 장치를 도시하는 회로도이다.

도 6은 과부하 상태에서 도 5의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.

도 7은 단락 상태에서 도 5의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.

도 8은 직류 전원이 차단된 다음, 재개될 때, 도 5의 스위칭 전원 장치 내 신호를 도시하는 타이밍 차트이다.

도 9는 전원 오프 지점과 전원 온 지점 사이의 도 8에 도시된 신호의 세부 내용을 도시하는 타이밍 차트이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 전원 장치의 기동 회로를 도시하는 회로도이다.

Claims

스위칭 전원 장치에 있어서,

변압기의 1차 권선을 통해 직류 전원에 연결된 스위칭 소자;

상기 스위칭 소자의 온(ON)/오프(OFF) 작동을 제어하도록 구성된 제어 회로;

상기 제어 회로에 전원 전압을 공급하여 기동 전류(starting current)가 상기 제어 회로를 통과하도록 구성된 기동 회로;

상기 변압기의 2차 권선에 의해 발생된 전압을 출력 전압으로 정류 및 평활시키며, 상기 출력 전압을 부하에 공급하도록 구성된 제1 정류-평활 회로; 및

상기 변압기의 3차 권선에 의해 발생된 전압을, 상기 제어 회로에 공급되는 전원 전압으로 정류 및 평활시키도록 구성된 제2 정류-평활 회로를 포함하며, 상기 기동 회로는,

상기 직류 전원으로부터 발생된 제1 기동 전류를 공급하여 상기 장치를 기동시키고, 일단 상기 장치가 기동하면 상기 제1 기동 전류를 차단하고;

상기 장치가 기동한 후 상기 제어 회로로의 상기 전원 전압이 정지(turn-off) 전압으로 저하되면, 상기 제1 기동 전류보다 작은 제2 기동 전류를 공급하며,

상기 제어 회로로의 상기 전원 전압이 상기 정지 전압보다 낮은 소정의 전압으로 더 저하되면, 상기 제1 기동 전류를 공급하도록 구성된, 스위칭 전원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 기동 회로와 직렬로 연결된 제너 다이오드를 더 포함하는, 스위칭 전원 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 제너 다이오드는, 상기 직류 전원이 차단된 후에 상기 제어 회로로의 상기 전원 전압이 정지 전압에 도달할 때, 상기 직류 전원으로부터 상기 제너 다이오드에 인가되는 전압보다 큰 항복 전압(breakdown voltage)을 갖는, 스위칭 전원 장치.