KR100983233B1 - 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비대칭 하프브리지 컨버터 제어장치에 관한 것으로서, 특히 제 1 및 제 2 스위칭신호에 의해 스위칭 동작하는 제 1 및 제 2 스위치를 포함하는 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치에 있어서, PWM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PWM 발진부와; PFM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PFM 발진부와; 초기기동시 PFM 발진부의 출력을 선택하여 PFM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치를 구동하고, 이후 하프 브리지 컨버터의 출력이 안정화되면 PWM 발진부의 출력을 선택하여 PWM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치를 구동하는 제어수단; 을 포함하여 구성하므로서, 초기구동시에는 소프트 스타트를 위해 PFM 제어모드로서 제 1 및 제 2 스위치가 50%의 동일한 DUTY 비로서 주파수 가변에의해 제어되도록 하여 2차측 다이오드에 가해지는 비대칭전압 스트레스를 줄여주고, 이후 소프트 스타트 이후에는 PWM 제어모드로서 제 1 및 제 2 스위치를 스위칭 동작시켜 안정된 전원공급이 이루어지도록 한 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치에 관한 것이다.
비대칭 하프 브리지 컨버터, PWM, PFM, 스위치, 트랜스, 콘트롤러, 소프트 스타트,
Description
본 발명은 PDP 또는 LCD 등의 디스플레이장치의 전원부에 적용되는 비대칭 하프-브리지 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정 스위칭 주파수를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 제어되는 제 1 및 제 2 스위치를 초기 기동시 50%의 Duty로서 주파수 가변에 의해 제어되도록 하는 PFM(Pulse Frequency Modulation)제어방식으로 제어하여 이차측 회로의 중요소자에 Unbalancing Voltage가 가해지는 것을 방지하는 비대칭 하프-브리지 컨버터 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply : 이하, SMPS라 함)는 전력용 MOSFET등 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류 전압을 일단 구형파 형태의 전압으로 변환한 후, 필터에 의해 변환되는 직류 출력 전압을 공급하는 전원장치이다.
이러한 SMPS는, 반도체 소자의 스위칭 프로세서를 이용하여 전력의 흐름을 제어함으로 종래의 리니어 방식의 전원 공급장치에 비해 효율이 높고 내구성이 강하며, 소형, 경량화에 유리한 안정화 전원 장치이다.
종래 전원장치에 포함되는 비대칭 하프-브리지 컨버터를 도 1을 참조하여 설 명한다.
도 1은 종래 비대칭 하프-브리지 컨버터의 구성도이다.
도 1에 도시된 종래 비대칭 하프-브리지(Asymmetrical Half-Bridge:AHB) 컨버터는, 전원(Vbus)에서 접지로 연결된 2개의 제1, 제2 스위치(Q1,Q2)를 포함하고, 상기 제1 스위치(Q1)는 미도시된 제어장치의 제 1 스위칭신호(HSG)에 따라 스위칭 동작하고, 상기 제2 스위치(Q2)는 미도시된 제어장치의 제 2 스위칭신호(LSG)에 따라 스위칭 동작하는 스위칭부(11)와, 상기 스위칭부(11)의 스위칭에 따라 1차 권선에 인가되는 전압을 2차 권선에 유기시켜 출력하며, 1차 권선의 인덕턴스(LLK,LM,LPRI)의 인덕턴스 및 커패시터(CR)의 커패시턴스에 의해 공진이 이루어지는는 트랜스부(12)와, 상기 트랜스부(12)로부터의 전압을 정류하고 평활하여 부하측에 전원으로 공급하는 정류부(13)로 구성된다.
상기 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)는 트랜지스터(FET)로 구현한다.
제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)로 인가되는 스위칭신호(HSG,LSG)는 미도시된 제어장치에서 듀티비(Duty Ratio) 제어되어 출력된 PWM(PULSE WIDTH MODULATION) 스위칭신호이며, 이 PWM 스위칭 제어신호에 의해 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 스위칭 동작함에 따라 전원(Vbus)이 구형파 형태로 트랜스부(12)에 공급되고, 트랜스부(12)의 1차측 권선으로 공급된 구형파 형태의 전압이 2차측에 정현파 형태로 유기되어 출력되며, 트랜스부(12)에서 출력된 정편파 형태의 전압은 정류부(13)에는 정류 및 평활되어 일정레벨의 DC전압이 부하측으로 공급되는 것이다.
이러한 비대칭 하프 브리지 컨버터는 다이나믹(Dynamic) 특성이 우수하고, 1차단 무효전력 손실이 적어 1W 이하 대기전력 회로 구성이 용이한 장점을 갖고 있다.
그러나, 종래 비대칭 하프 브리지 컨버터는 초기기동시 2차측 Rectifier Unbalancing Voltage 또는 High Voltage 에 의한 스트레스가 가해지게 되어 트랜스부(12)의 2차측에 연결된 다이오드(D1,D2)를 High Voltage Rating Rectifier Diode로 선정해야만 하므로 제품의 생산단가가 높아지게되는 문제점이 있었고, 또한 2차측 출력전압이 200V 정도로 높을 경우 그에 상응하는 800V 이상의 Rectifier Diode를 사용해야만 하므로 생산단가 상승 및 효율 저하의 문제점이 발생하고 있었다.
즉, 비대칭 하프 브리지 컨버터의 초기기동시 미도시된 제어장치에서 소프트 스타트(Soft-Start)제어를 하면서 Narrow Duty 동작으로 제 1 스위치(Q1)와 제 2 스위치(Q2)의 Duty Gap이 크게 발생(예를들면, 제 1 스위치(Q1)의 Duty를 'D'라 하면 제 2 스위치(Q2)의 Duty는 '1-D')하게되고, 이에따라 2차측 정류회로의 다이오드(D1,D2)에도 비대칭 Duty 동작에 의한 비대칭 전압이 인가되어 전압스트레스가 증가하게되는 문제점이 발생하는 것이다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서는 초기 기동시 제 1 스위치(Q1)와 제 2 스위치(Q2)가 DUTY 50%의 대칭동작을 한다면 초기기동시 발생되는 비대칭 전압에 의해 다이오드(D1,D2)에 가해지는 전압스트레스를 줄여줄 수 있을 것이다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 초기구동시에는 소프트 스타트를 위해 PFM 제어모드로서 제 1 및 제 2 스위치가 50%의 동일한 DUTY 비로서 주파수 가변에의해 제어되도록 하여 2차측 다이오드에 가해지는 비대칭전압 스트레스를 줄여주고, 이후 초기기동 이후에는 PWM 제어모드로서 제 1 및 제 2 스위치를 스위칭 동작시켜 안정된 전원공급이 이루어지도록 한 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은,
제 1 및 제 2 스위칭신호에 의해 스위칭 동작하는 제 1 및 제 2 스위치를 포함하는 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치에 있어서,
PWM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PWM 발진부와;
PFM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PFM 발진부와; 초기기동시 PFM 발진부의 출력을 선택하여 PFM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치를 구동하고, 이후 하프 브리지 컨버터의 출력이 안정화되면 PWM 발진부의 출력을 선택하여 PWM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치를 구동하는 제어수단; 을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 비대칭 하프 브리지 컨버터를 구동 제어할때, 초기구동시에는 소프트 스타트를 위해 PFM 제어모드로서 제 1 및 제 2 스위치가 50%의 동일한 DUTY 비로서 주파수 가변에의해 제어되도록 하여 2차측 다이오드에 가해지는 비대칭전압 스트레스를 줄여주고, 이후 소프트 스타트 이후에는 PWM 제어모드로서 제 1 및 제 2 스위치를 스위칭 동작시켜 안정된 전원공급이 이루어지도록 한 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치를 제공하는 효과를 기대할 수 있다.
이하, 첨부된 도면 도 2 를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 설명에 있어서 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일부호 표기하여 중복설명을 피하기로 한다.
상기 도면에 의하면, 본 발명의 제어장치는
제 1 및 제 2 스위칭신호(HSG,LSG)에 의해 스위칭 동작하는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 포함하는 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치에 있어서,
PWM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PWM 발진부(1)와;
PFM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PFM 발진부(2)와;
초기기동시 PFM 발진부(2)의 출력을 선택하여 PFM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 구동하고, 이후 하프 브리지 컨버터의 출력이 안정화되면 PWM 발 진부(1)의 출력을 선택하여 PWM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 구동하는 제어수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어수단은,
상기 PWM 발진부(1) 또는 PFM 발진부(2)의 출력을 선택하는 선택스위치(3)와;
비대칭 하프 브리지 컨버터의 출력전압을 모니터링하는 모니터링부(4)와;
초기 기동시 선택스위치(3)가 PFM 발진부(2)의 출력을 선택하도록 제어하고, 이후 모니터링부(4)에서 감지되는 비대칭 하프 브리지 컨버터의 출력전압이 설정치 이상일때 선택스위치(3)를 PWM 발진부(1) 측으로 절환시키는 모드 제어부(5)와;
상기 선택스위치(3)의 절환동작에 의해 선택된 작동모드에 따라 초기기동시에는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 동일한 Duty비로 제어되도록 PFM 제어신호를 출력하고, 선택스위치(3)의 절환에 의해 PWM 제어모드로 절환되면 PWM 제어신호를 출력하는 콘트롤러(6)와;
상기 콘트롤러(6)에서 출력된 스위칭 제어신호를 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)에 스위칭제어신호(HSG,LSG)로 공급하여 구동시키는 드라이버(8);
를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 드라이버(8)에는 출력되는 스위칭 제어신호에 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 일시적으로 모두 오프되도록 하는 데드타임신호를 포함시켜 출력하는 데드타임 제어부(7)가 포함된 것을 특징으로 한다.
도 2 에 도시된 본 발명의 제어장치는 비대칭 하프 브리지 컨버터의 스위칭 부(11)를 구성하는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 제어하는 것으로서, 기동 초기에는 소프트 스타트(SS)를 위하여 PFM 제어모드로서 50%의 듀티비를 갖도록 펄스폭이 동일한 PFM 제어신호(HSG,LSG)를 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)에 공급하여 기동초기 소프트 스타트를 구현하고, 소프트 스타트 이후에는 PWM 제어모드로 전환하여 펄스폭을 가변시켜 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 언발란스하게 제어하는 것이다.
본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.
기동초기에는 도 2 에 도시된 바와같이 선택스위치(3)가 PFM 발진부(2) 측으로 선택되어 있으므로, 콘트롤러(6)는 PFM 발진부(2)에서 공급되는 주파수에 따라 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 PFM 제어신호를 출력한다.
상기 PFM 제어신호는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 동일한 듀티비, 즉, 50%의 듀티비로서 작동되도록 한다.
상기 콘트롤러(6)에서 출력된 PFM 제어신호는 드라이버(8)의 데드타임 제어부(7)로 공급되고, 데드타임 제어부(7)는 입력되는 PFM 제어신호에 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 순간적으로 동시에 오프되도록 하는 데드타임 구간을 PFM 제어신호에 포함시킨다.
데드타임이 발생하도록 하는 이유는 순간적으로라도 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 모두 온동작하게되면 전원(Vbus)측과 접지측이 연결되어 회로가 파손되기 때문이다.
한편, 상기 드라이버(8)는 데드타임 구간이 포함된 PFM 제어신호를 스위칭 제어신호(HSG,LSG)로서 출력하므로서, 하프 브리지 컨버터를 구성하는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 PFM 방식으로 구동하게된다.
상기 PFM 제어신호로서 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 구동시키면, 기동 초기에 제 1 스위치(Q1)와 제 2 스위치(Q2)가 50%의 동일한 듀티비로서 스위칭 제어되므로 2차측의 다이오드(D1,D2)에 대칭되게 전압이 인가되어 비대칭 전압에 의한 스트레스가 발생하지 않게된다.
이에따라, 종래기술의 문제점인 비대칭전압에 의해 2차측 2개의 다이오드(D1,D2)중 어느 한쪽으로 높은 전압이 인가됨에 따라 2개의 다이오드 모두를 High Voltage Rating Rectifier Diode로 구현해야만 하는 문제점을 해결할 수 있게되는 것이다.
한편, 상기와같이 초기구동이 이루어질때 모니터링부(4)는 하프 브리지 컨버터의 출력전압을 모니터링하고, 모드제어부(5)는 상기 모니터링부(4)에서 모니터링되는 출력전압이 설정값 이상일때 선택스위치(3)를 PWM 발진부(1)로 절환시켜 이후부터 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)가 PWM 제어신호에 의해 스위칭 동작하도록 한다.
상기 선택스위치(3)에 의해 PWM 발진부(1)가 선택되면, PWM 발진부(1)에서 출력되는 PWM 주파수가 콘트롤러(6)로 공급되고, 콘트롤러(6)는 공급되는 PWM 주파수를 토대로 펄스폭변조된 PWM 제어신호를 데드타임 제어부(7)를 통해 드라이버(8)로 공급하며, 상기 드라이버(8)는 PWM 제어신호를 스위칭제어신호(HSG,LSG)로 스위치(Q1,Q2)에 공급하므로서, 소프트 스타트 이후 부터는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 종래와 같이 PWM 제어방식에 의해 제어되는 것이다.
도 1 일반적인 비대칭 하프 브리지 컨버터를 보인 회로도.
도 2 는 본 발명의 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치를 보인 회로도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: PWM 발진부, 2: PFM 발진부,
3: 선택스위치, 4: 모니터링부,
5: 모드 제어부, 6: 콘트롤러,
7: 데드타임 제어부, 8: 드라이버,
Claims (3)
- 제 1 및 제 2 스위칭신호(HSG,LSG)에 의해 스위칭 동작하는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 포함하는 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치에 있어서,PWM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PWM 발진부(1)와;PFM 제어를 위한 주파수를 출력하는 PFM 발진부(2)와;초기기동시 PFM 발진부(2)의 출력을 선택하여 PFM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 구동하고, 이후 하프 브리지 컨버터의 출력이 안정화되면 PWM 발진부(1)의 출력을 선택하여 PWM 제어모드로 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)를 구동하는 제어수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제어수단은,상기 PWM 발진부(1) 또는 PFM 발진부(2)의 출력을 선택하는 선택스위치(3)와;비대칭 하프 브리지 컨버터의 출력전압을 모니터링하는 모니터링부(4)와;초기 기동시 선택스위치(3)가 PFM 발진부(2)의 출력을 선택하도록 제어하고, 이후 모니터링부(4)에서 감지되는 비대칭 하프 브리지 컨버터의 출력전압이 설정치 이상일때 선택스위치(3)를 PWM 발진부(1) 측으로 절환시키는 모드 제어부(5)와;상기 선택스위치(3)의 절환동작에 의해 선택된 작동모드에 따라 초기기동시에는 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 동일한 Duty비로 제어되도록 PFM 제어신호를 출력하고, 선택스위치(3)의 절환에 의해 PWM 제어모드로 절환되면 PWM 제어신호를 출력하는 콘트롤러(6)와;상기 콘트롤러(6)에서 출력된 스위칭 제어신호를 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)에 스위칭제어신호(HSG,LSG)로 공급하여 구동시키는 드라이버(8);를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 드라이버(8)에는 출력되는 스위칭 제어신호에 제 1 및 제 2 스위치(Q1,Q2)가 일시적으로 모두 오프되도록 하는 데드타임신호를 포함시켜 출력하는 데드타임 제어부(7)가 포함된 것을 특징으로 하는 비대칭 하프 브리지 컨버터 제어장치.
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