KR100995914B1

KR100995914B1 - 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치

Info

Publication number: KR100995914B1
Application number: KR1020080112600A
Authority: KR
Inventors: 김기현; 김형우; 서길수; 박현일; 김남균
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2010-11-22
Also published as: KR20100053799A

Abstract

본 발명은 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치에 관한 것으로서, 부하측에 전력을 공급하는 전력공급부와, 스킵모드 제어방식이 적용된 스위칭제어부를 포함하며, 상기 스위칭제어부는 부하측의 출력전압(V_out)을 센싱하여 변화량에 따라 피드백전압(V_fb)을 충전 및 방전시키는 피드백회로부와, 상기 피드백전압(V_fb)과 전류센스저항(2)에 의해 발생되는 전류센싱전압을 비교하여 소정의 펄스폭변조 신호를 발생시키고, 상기 피드백전압(V_fb)과 내부의 비교전압을 비교하여 PWM 신호에 스킵 구간이 생성되도록 하는 PWM제어회로부(20)와, 전류센스저항을 통해 입력되는 센싱전압을 필터링하고 내부의 비교전압과 비교하여 신호를 출력하는 대기모드판별부와, 상기 대기모드판별부의 출력신호를 입력받아 비교전압을 가변시키는 비교전압발생부와, 전류를 공급하여 삼각파발생용 캐패시터를 충전시키는 전류공급부와, 상기 삼각파발생용 캐패시터에 충전된 전압과 상기 비교전압발생부에서 출력되는 비교전압을 비교하여 구동 주파수를 제어는 주파수발생부와, 상기 주파수발생부의 제어신호에 따라 상기 삼각파발생용 캐패시터의 전류를 방전시키는 전류방전회로부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 기존의 대기전력 저감 방법인 스킵모드 제어방식에 스위칭제어부의 동작 주파수를 느리게 하는 오실레이터를 적용시켜 스킵(건너뜀) 구간 이외의 스위칭 제어 시간동안 발생하는 동작 주파수를 느리게 함으로써 스위칭 손실을 최 소화하여 대기전력을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

SMPS, PWM, 대기전력, 오실레이터, VCO, SR래치, 캐패시터, 피드백

Description

대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치{SWITCH MODE POWER SUPPLY FOR REDUCING STANDBY POWER}

본 발명은 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부하측에 연결된 기기가 대기모드로 전환될 시에 PWM 신호에 부분적으로 스킵(건너뜀) 구간이 생성되도록 하는 스킵모드 제어방식이 적용된 스위치모드 전원공급장치에 오실레이터를 적용시켜 대기전력 소모량을 최소화할 수 있는 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 텔레비전, 컴퓨터, 세탁기 등의 전자제품들은 많은 전력을 소비하는 일반동작모드(normal operation mode)와, 정상동작을 기다리며 저전력을 소모하는 대기모드(standby mode)의 두 가지 상태로 작동한다.

대부분의 전자제품에는 소형화에 유리하고 효율이 높아서 전자제품의 경량화 및 소형화에 적합한 스위치모드 전원공급장치(SMPS;Switch Mode Power Supply)가 주력 전원 공급 장치로 자리 잡고 있다.

상기 스위치모드 전원공급장치는 회로 방식 및 입출력 전원의 종류에 따라 여러 가지로 구분되는데, 회로 방식 가운데 최신 기술로 꼽히는 것은 공진 형(resonant) 방식이고, 전원의 종류별로는 110V나 220V로 공급되는 교류(AC) 전기를 5~48V의 직류(DC)로 변환해 주는 AC/DC 변환기와 이를 다시 3.3~48V의 DC로 변환해 주는 DC/DC 변환기가 가장 많이 쓰이고 있다.

이와 같은 스위치모드 전원공급장치는 외부로부터 공급되는 전기를 컴퓨터, 컬러 텔레비전, 비디오 카트리지 녹화기(VCR), 교환기, 무선 통신 기기 등 각종 전기 기기에 맞도록 변환시켜 주는 모듈형의 전원 공급 장치로서, 반도체 스위칭 특성을 이용해 상용 주파수 이상의 고주파에 단속 제어를 하고 충격을 완화시켜 주는 역할을 한다.

대부분의 전자제품은 일반동작모드보다 대기모드 상태로 있는 경우가 많은데, 상기와 같은 스위치모드 전원공급장치의 경우, 대기모드 상태에서도 동작 상태를 유지하기 위한 대기전력이 지속적으로 소모되는 문제점이 있었으며, 이와 같은 문제점을 해결하고자 종래에는 스킵모드제어방식이 적용된 스위치모드 전원공급장치가 제안된바 있다.

종래의 스킵모드제어방식이 적용된 스위치모드 전원공급장치는 스위치 역할을 하는 MOSFET의 게이트 신호를 PWM 신호발생기를 이용하여 제어함으로써 그 기능을 수행하고, 대기전력을 절감시키기 위해 부하측에서 넘어오는 피드백 신호 또는 MOSFET의 소스전류의 변화에 따라 PWM 신호를 기존의 펄스폭 조절보다 큰 주기로 신호를 발생시키지 않도록 하는 신호의 스킵(건너뜀) 방식을 이용하여 스위칭 횟수를 줄임으로써 전력 소모량을 줄이는 기술을 이용하였다.

그러나, 종래의 기술은 대기전력 저감에는 효과가 있으나 일정 크기 이하로 는 낮추기 힘들며, 일정 간격으로 스위칭이 유지되고, 스위칭제어부의 동작 주파수가 빠를 경우 필요 이상의 스위칭 손실이 지속적으로 발생하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 목적은 스킵모드 제어방식이 적용된 스위치모드 전원공급장치가 대기모드로 동작할 시에 스위칭제어부에서 발생하는 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치는 부하측에 전력을 공급하는 전력공급부와, 스킵모드 제어방식이 적용된 스위칭제어부를 포함하며, 상기 스위칭제어부는 부하측의 출력전압(V_out)을 센싱하여 변화량에 따라 피드백전압(V_fb)을 충전 및 방전시키는 피드백회로부와, 상기 피드백전압(V_fb)과 전류센스저항에 의해 발생되는 전류센싱전압을 비교하여 소정의 펄스폭변조 신호를 발생시키고, 상기 피드백전압(V_fb)과 내부의 비교전압을 비교하여 PWM 신호에 스킵 구간이 생성되도록 하는 PWM제어회로부와, 전류센스저항을 통해 입력되는 센싱전압을 필터링하고 내부의 비교전압과 비교하여 신호를 출력하는 대기모드판별부와, 상기 대기모드판별부의 출력신호를 입력받아 비교전압을 가변시키는 비교전압발생부와, 전류를 공급하여 삼각파발생용 캐패시터를 충전시키는 전류공급부와, 상기 삼각파발생용 캐패시터에 충전된 전압과 상기 비교전압발생부에서 출력되는 비교전압을 비교하여 구동 주파수를 제어는 주파수발생부와, 상기 주파수발생부의 제어신호에 따라 상기 삼각파발생용 캐패시터의 전류를 방전시키는 전류방전회로부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, PWM제어회로부는 상기 피드백회로부의 피드백전압(V_fb)과 전류센스저항에 의해 발생되는 전류센싱전압을 비교하여 펄스폭제어 신호를 출력하는 펄스폭제어용 비교기와, 스킵 구간이 생성되도록 스킵모드제어 신호를 출력하는 스킵모드제어용 비교기와, 상기 펄스폭제어용 비교기의 신호와 상기 스킵모드제어용 비교기의 신호를 입력받아 소정의 논리신호를 출력하는 OR게이트와, 상기 OR게이트의 논리신호를 입력받아 펄스폭변조 신호를 발생시키는 PWM신호발생용 SR래치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주파수발생부는 상기 비교전압발생부에서 출력되는 비교전압들과 상기 삼각파발생용 캐패시터에서 발생되는 삼각파를 비교하여 그 비교 결과로서 소정의 논리레벨을 가지는 논리신호를 출력하는 방전제어용 비교기 및 충전제어용 비교기와, 상기 논리신호의 논리레벨에 따라 소정의 클럭신호를 출력하고 상기 전류방전회로부를 제어하는 주파수발생용 SR래치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명의 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치는 기존의 대기전력 저감 방법인 스킵모드 제어방식에 스위칭제어부의 동작 주파수를 느리게 하는 오실레이터를 적용시켜 스킵(건너뜀) 구간 이외의 스위칭 제어 시간동안 발생하는 동작 주파수를 느리게 함으로써 스위칭 손실을 최소화하여 대기전력을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 하기 설명에서 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치의 스위칭제어부를 도시하는 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치의 스위칭제어부를 도시하는 회로도이다.

본 발명의 대기전력 저감용 스위치모드 전원장치는, 크게 부하측에 전력을 공급하는 전력공급부(도시하지 않음)와, 상기 부하측이 대기모드로 동작하게 되면 PWM 신호에 부분적으로 스킵(건너뜀) 구간이 생성되도록 하는 스킵모드 제어방식이 적용된 스위칭제어부를 포함한다.

첨부된 도면을 참조하면, 상기 스위칭제어부는 부하측의 출력전압(V_out)을 센싱하여 변화량에 따라 피드백전압(V_fb)을 충전 및 방전시키는 피드백회로부(10)와, 상기 피드백전압(V_fb)과 전류센스저항(2)에 의해 발생되는 전류센싱전압을 비교하여 소정의 펄스폭변조 신호를 발생시키고, 상기 피드백전압(V_fb)과 내부의 비교전압을 비교하여 PWM 신호에 스킵 구간이 생성되도록 하는 PWM제어회로부(20)와, 전류센스저항(2)을 통해 입력되는 센싱전압을 필터링하고 내부의 비교전압과 비교하여 신호를 출력하는 대기모드판별부(30)와, 상기 대기모드판별부(30)의 출력신호를 입력받아 비교전압을 가변시키는 비교전압발생부(40)와, 전류를 공급하여 삼각파발생용 캐패시터(52)를 충전시키는 전류공급부(50)와, 상기 삼각파발생용 캐패시터(52)에 충전된 전압과 상기 비교전압발생부(40)에서 출력되는 비교전압을 비교하여 구동 주파수를 제어는 주파수발생부(60)와, 상기 주파수발생부(60)의 제어신호에 따라 상기 삼각파발생용 캐패시터(52)의 전류를 방전시키는 전류방전회로부(70)를 포함하여 이루어진다.

피드백회로부(10)는 전기적으로 절연되어 빛을 이용해 상기 부하측의 출력전압(V_out)의 변화량을 확인할 수 있는 포토커플러와, 상기 부하측의 출력전압(V_out)의 값에 따라 전류값이 변하는 종속 전류원과, 상기 종속 전류원에 병렬로 연결되어 피드백전압(V_fb)이 충전 및 방전되는 피드백전압용 캐패시터를 포함하여 이루어진다.

PWM제어회로부(20)는 상기 피드백회로부(10)의 피드백전압(V_fb)과 전류센스저항(2)에 의해 발생되는 전류센싱전압을 비교하여 펄스폭제어 신호를 출력하는 펄스폭제어용 비교기(22)와, 스킵 구간이 생성되도록 스킵모드제어 신호를 출력하는 스킵모드제어용 비교기(24)와, 상기 펄스폭제어용 비교기(22)의 신호와 상기 스킵모드제어용 비교기(24)의 신호를 입력받아 소정의 논리신호를 출력하는 OR게이트(26)와, 상기 OR게이트(26)의 논리신호를 입력받아 펄스폭변조 신호를 발생시키는 PWM신호발생용 SR래치(28)를 포함하여 이루어진다.

대기모드판별부(30)는 전류센스저항(2)에 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 변환된 신호를 비교기를 통해 전원장치에 연결된 부하가 대기모드로 동작하는지의 여부를 판별하며, 상기 전류센스저항(2)을 통해 센싱된 전압이 상기 비교기의 비교전압보다 작으면 부하가 대기모드로 동작하는 것으로 판별하고, 상기 전류센스저항(2)을 통해 센싱된 전압이 상기 비교기의 비교전압보다 크면 부하가 정상모드로 동작하는 것으로 판별한다.

또한, 상기와 같이 전류센싱전압을 이용하지 않고, 삼각파 발생회로를 내장하여 상기 삼각파 발생회로에 의해 발생하는 삼각파를 비교기로 비교한 후 PWM 신호의 듀티(Duty)를 제어함으로써 전원공급장치의 부하량 변화를 확인할 수 있음은 물론이다.

비교전압발생부(40)는 MOSFET 스위칭 소자와 다수개의 저항으로 이루어져 상기 대기모드판별부(30)의 출력신호를 입력받아 비교전압을 가변시키는 역할을 한다.

전류공급부(50)는 전류원 및 트랜지스터 스위치 소자와 삼각파발생용 캐패시터(52)를 포함하며, 상기 삼각파발생용 캐패시터(52)는 전력공급부의 스위칭 주기에 비해 아주 짧은 시간동안 항복 전압까지 충전되게 된다. 상기 삼각파발생용 캐피시터(52)에 전압이 충전되면, 전류원으로부터 전류가 흐르게 되고 스위칭제어부 내부에 흐르는 전류는 증가하게 된다.

주파수발생부(60)는 상기 비교전압발생부(40)에서 출력되는 비교전압들과 상기 삼각파발생용 캐패시터(52)에서 발생되는 삼각파를 비교하여 그 비교 결과로서 소정의 논리레벨을 가지는 논리신호를 출력하는 방전제어용 비교기(62) 및 충전제어용 비교기(64)와, 상기 논리신호의 논리레벨에 따라 소정의 클럭신호를 출력하고 상기 전류방전회로부(70)를 제어하는 주파수발생용 SR래치(66)를 포함하여 이루어진다.

상기 방전제어용 비교기(62)는 상기 비교전압발생부(40)에서 출력되는 비교전압과 삼각파발생용 캐패시터(52)에서 발생하는 삼각파를 비교하며, 상기 주파수발생용 SR래치(66)에 RESET 신호를 입력한다. 상기 주파수발생용 SR래치(66)에 RESET 신호가 입력되면 전류방전회로부(70)에 제어신호 Q-bar를 통해 삼각파발생용 캐패시터(52)에 충전된 전압이 주기에 맞춰 방전되도록 한다.

상기 충전제어용 비교기(64)는 상기 비교전압발생부(40)에서 출력되는 비교 전압과 삼각파발생용 캐패시터(52)에서 발생하는 삼각파를 비교하며, 상기 주파수발생용 SR래치(66)에 SET 신호를 입력한다. 상기 주파수발생용 SR래치(66)에 SET 신호가 입력되면 제어신호 Q를 통해 소정의 클럭신호가 출력되도록 한다.

또한, 상기 주파수발생부(60)는 상기와 같이 두 개의 비교기를 이용하는 구현방식이 아닌 전압제어발진기(VCO;Voltage Controlled Oscillator)를 적용시켜 주파수를 발생시키도록 구현할 수 있는데, 대기모드판별부(30)의 출력신호를 상기 전압제어발진기의 주파수 제어신호에 입력하여 소정의 발진 주파수를 출력시킬 수 있다.

상기 전압제어발진기는 일반적으로 아날로그 음향 합성장치, 이동통신 단말기 등에서 주로 쓰이고, 외부에서 인가된 전압으로 원하는 발진 주파수를 출력할 수 있게 해주는 장치이다.

모든 이동통신기기는 특정 주파수 대역을 가지고 정보를 전달하게 되는데, 이처럼 특정 주파수 대역을 만들어 내는 부품이 전압제어발진기이며, 상기 전압제어발진기는 전압을 제어해 발진 주파수를 조정하는 국부발진기(Local Oscillator) 역할을 하는 핵심부품으로 많이 사용된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치의 스위칭제어부에서 발생하는 시뮬레이션 결과 파형을 도시하는 그래프이며, 대기모드(standby mode) 및 일반모드(normal mode)에서의 모드제어신호(mode control signal)의 출력파형과, 주파수발생부(60)의 구동 주파수 출력파형과, 삼각파발생용 캐패시터(52)의 충전전압 출력파형을 각각 나타내고 있다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다. 또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치의 스위칭제어부를 도시하는 블록도.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치의 스위칭제어부를 도시하는 회로도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치의 스위칭제어부에서 발생하는 시뮬레이션 결과 파형을 도시하는 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

2: 전류센스저항 4: POWER MOSFET

6: 트랜스포머

10: 피드백회로부 20: PWM제어회로부

22: 펄스폭제어용 비교기 24: 스킵모드제어용 비교기

26: OR게이트 28: PWM신호발생용 SR래치

30: 대기모드판별부 40: 비교전압발생부

50: 전류공급부 52: 삼각파발생용 캐패시터

60: 주파수발생부 62: 방전제어용 비교기

64: 충전제어용 비교기 66: 주파수발생용 SR래치

70: 전류방전회로부

Claims

부하측에 전력을 공급하는 전력공급부와, 스킵모드 제어방식이 적용된 스위칭제어부를 포함하는 스위치모드 전원공급장치에 있어서,

상기 스위칭제어부는

부하측의 출력전압(V_out)을 센싱하여 변화량에 따라 피드백전압(V_fb)을 충전 및 방전시키는 피드백회로부(10);

상기 피드백전압(V_fb)과 전류센스저항(2)에 의해 발생되는 전류센싱전압을 비교하여 소정의 펄스폭변조 신호를 발생시키고, 상기 피드백전압(V_fb)과 내부의 비교전압을 비교하여 PWM 신호에 스킵 구간이 생성되도록 하는 PWM제어회로부(20);

전류센스저항(2)을 통해 입력되는 센싱전압을 필터링하고 내부의 비교전압과 비교하여 신호를 출력하는 대기모드판별부(30);

상기 대기모드판별부(30)의 출력신호를 입력받아 비교전압을 가변시키는 비교전압발생부(40);

전류를 공급하여 삼각파발생용 캐패시터(52)를 충전시키는 전류공급부(50);

상기 삼각파발생용 캐패시터(52)에 충전된 전압과 상기 비교전압발생부(40)에서 출력되는 비교전압을 비교하여 구동 주파수를 제어는 주파수발생부(60);

상기 주파수발생부(60)의 제어신호에 따라 상기 삼각파발생용 캐패시터(52)의 전류를 방전시키는 전류방전회로부(70);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치.
제 1항에 있어서,

PWM제어회로부(20)는

상기 피드백회로부(10)의 피드백전압(V_fb)과 전류센스저항(2)에 의해 발생되는 전류센싱전압을 비교하여 펄스폭제어 신호를 출력하는 펄스폭제어용 비교기(22)와,

스킵 구간이 생성되도록 스킵모드제어 신호를 출력하는 스킵모드제어용 비교기(24)와,

상기 펄스폭제어용 비교기(22)의 신호와 상기 스킵모드제어용 비교기(24)의 신호를 입력받아 소정의 논리신호를 출력하는 OR게이트(26)와,

상기 OR게이트(26)의 논리신호를 입력받아 펄스폭변조 신호를 발생시키는 PWM신호발생용 SR래치(28)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로하는 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 주파수발생부(60)는

상기 비교전압발생부(40)에서 출력되는 비교전압들과 상기 삼각파발생용 캐패시터(52)에서 발생되는 삼각파를 비교하여 그 비교 결과로서 소정의 논리레벨을 가지는 논리신호를 출력하는 방전제어용 비교기(62) 및 충전제어용 비교기(64)와,

상기 논리신호의 논리레벨에 따라 소정의 클럭신호를 출력하고 상기 전류방전회로부(70)를 제어하는 주파수발생용 SR래치(66)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대기전력 저감용 스위치모드 전원공급장치.