KR101084411B1 - 용량적으로 결합된 전력 공급기 - Google Patents

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Abstract

전력 공급기는 용량성 전압 분배기를 형성하는 제1 및 제2 커패시터들 한 쌍을 포함한다. 주기 입력 공급 전압의 소스는, 상기 제2 커패시터 내에 부하 회로에 연결되어 있는 제2 공급 전압을 상기 주기 입력 공급 전압의 일부로부터 생성하기 위하여 상기 용량성 전압 분배기에 연결되어 있다. 스위치는 상기 제2 공급 전압을 조정하기 위하여 하나의 방식으로 상기 제1 커패시터를 상기 제2 커패시터에 선택적으로 연결시키기 위해 상기 제2 커패시터에 연결되어 있다.
전력 공급기, 전원, 전압 분배기, 전압 소스, 커패시터, 스위치, 제어 회로, 다이오드, 트랜지스터, 정류기, AC 소스, 충전, 방전

Description

용량적으로 결합된 전력 공급기{CAPACITIVELY COUPLED POWER SUPPLY}
본 출원은 2002.10.16에 출원된 U.S.C 119조 35항에 따른 가출원 제 60/418,823호의 우선권을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 전력 공급기에 관련되어 있으며, 좀 더 구체적으로는 용량성 전압 분배기를 사용하여 공급 전압을 발생하는 것에 관련되어 있다.
전력 공급기는 입력 전압을 하나 또는 수 개의 출력 전압으로 변환시키는 목적을 수행한다. AC 전력 소스는, DC 조정 출력 전압(regulated output voltage)으로 변환되는 AC 전력 라인 입력을 공급하는데 사용될 수 있다. 나아가, 집적 회로(IC) 제어기 등과 같은 소형 신호 장치에 전력을 공급하기 위해서는 일반적으로, 정류된 주 전압 전력 공급기의 전압보다 더 낮은 출력 전압을 생산하는 전력 공급기를 필요로 한다. 그러한 전력 공급기는 내부에서 발생하는 손실을 최소화하여야 한다. 점감 변압기(step down transformers)가 전력 공급기로 사용되어 왔는데, 그러한 장치들은 대규모, 대형이며 상대적으로 비용이 높은 경향이 있다. AC 전력 소스로부터 부하 양단에 걸리는 지정된 출력 전압 레벨로 입력 전압을 변환하기 위해서 용량성 소자를 사용하는 조정 전력 공급기(regulated power supply)가 요구된다.
본 발명의 관점에 따르는 전력 공급기는, 용량성 전압 분배기를 형성하는 제1 및 제2 커패시터 한 쌍을 포함한다. 주기 입력 공급 전압 소스는, 제2 커패시터 내에 부하에 연결되는 제2 공급 전압을 주기 입력 공급 전압의 일부로부터 생산할 목적으로 용량성 전압 분배기에 연결되어 있다. 스위치는 제2 공급 전압을 조정하기 위하여 하나의 방식으로 제1 커패시터를 제2 커패시터에 선택적으로 연결할 목적으로 제2 커패시터에 연결되어 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르는 제어된 용량성 분배기를 사용하는 전력 공급기는, 제1 커패시터와 스위치를 수단으로 제1 커패시터에 선택적으로 연결되는 제2 커패시터를 포함한다. 제어 회로는 제1 및 제2 커패시터 중 하나에 대해 양단의 전압을 감지하고; 제1 및 제2 커패시터를 선택적으로 연결하기 위해 스위치에 제어 신호를 공급한다.
도 1은 본 발명의 예시 실시예에 따라 용량적으로 결합된 전원 공급기의 예시도.
도 2는 본 발명의 또 다른 예시 실시예에 따라 용량적으로 결합된 전원 공급기의 예시도.
도 3은 본 발명의 또 다른 예시 실시예에 따라 용량적으로 결합된 전원 공급기의 예시도.
도 4는 본 발명의 또 다른 예시 실시예에 따라 용량적으로 결합된 전원 공급 기의 예시도.
도 5는 본 발명의 또 다른 예시 실시예에 따라 용량적으로 결합된 전원 공급기의 예시도.
도 1은 본 발명을 구현하는 일반적인 원리에 따라 용량성 분배기를 사용하여조정되는 공급 전압을 발생시키기 위한 회로(100)를 도시하는 블록도이다. 도면 전체에 걸쳐, 동일한 부품을 지시하는 데에는 동일한 참조 번호가 사용되었다. 회로(100)는 노드(10a)에 가해지는 AC 전력 소스(10)를 포함한다. 전압 또는 전류 소스가 사용될 수 있는데, 주된 응용의 경우에 있어서 소스는, AC 전력 라인 입력을 포함하는 것으로 이해된다. 직렬로 연결된 커패시터(Cmains) 및 커패시터(CL)을 포함하는 용량성 분배기는, 노드(10a)에서의 입력 전압(Vin)을 부하 장치(RL) 양단에서 요구되는 출력 전압 레벨 V1으로 변환하기 위해 사용된다. 에너지 전달은 커패시터(Cmains)에 의해 결정되므로, 전압 소스는 자동으로 전류 소스로 간주될 수 있다.
전압 분배기 배치(voltage divider arrangement)에 연결되어 있는 제어 회로(60)는 출력 전압 V1을 측정하고, 스위치형 정류기 회로(30)를 제어하기 위해 측정된 출력 전압과 기준 전압 Vref를 비교한다. 스위치형 정류기 회로(30)에 대해서는 두 개의 기본 배치가 있다. 제1 배치는, 요구되는 출력 전압 레벨에 도달하자마자(V1=Vref), 커패시터(CL)이 더 이상 충전되지 않도록 억제한다. 이 배치는 순방향 제어 션트 스위치(forward controlled shunt switch)로서 구현될 수 있다. 제2 배치는, 출력 전압(V1)이 요구되는 값(Vref)를 초과하는 동안에는, 커패시터 (CL)이 빠르게 방전되도록 한다. 이 배치는, 그 귀로 전류가 제어되는 제어형 직렬 스위치(controlled series switch)로서 구현될 수 있다. 이 두 개의 기본 구현들은 각각 도 2 및 도 3에 더 상세하게 도시되어 있다.
예시 응용에서, 스위치 모드 전력 공급기 내에서 보조 전력의 생성은 다음의 방식으로 이루어질 수 있다. 이제, 도 2와 관련하여 주기 입력 전압 Vin의 소스는 정류기(12)에 연결된 AC 소스(10)로부터 노드(10a)로 진행되어 있다. 필터 커패시터(Cmains)의 제1 단자는 노드(10a)에 연결되어 있고, 제2 단자는 노드(10b)에 연결되어 있다. 다이오드(D1)은 노드(10b)와 접지(GND) 사이에 역-바이어스 형태로 연결되어 있다. 필터 커패시터(Cmains)는 다이오드(D2)를 통해서 커패시터(CL)과 연결되어 전압분배기 배치를 갖는다. 커패시터(CL)의 제1 단자는 노드(10c)에서 다이오드(D2)의 음극과 연결되어 있고, 제2 단자는 접지되어 있다. 스위치(S1)은 노드(10b)와 접지 사이에 다이오드(D1)과 병렬로 연결되어 있다. 제어 회로(60)는 노드(10c)에서 부하 저항(RL) 및 커패시터(CL)과 병렬로 연결되어 있다. 바이어스 저항(Rbias)는 노드(10a)와 노드(10c) 사이에 연결되어 있다. 다이오드(D2)가 순방향으로 바이어스된 경우(즉, 전도), 노드(10b)와 노드(10c)는 다이오드(D2) 양단의 상대적으로 소량의 전압 강하를 제외하면 실질적으로 동일한 전위인 것을 주목한다. 저항(Rbias)는 상대적으로 큰 값을 가져서, 일반적으로 사용되는 기본 제어기 IC에 대해 시동 전압(start up voltage)(V1)을 전달한다. 저항(Rmains)는 주요 부하 저항을 나타내며, 입력 노드(10a) 및 GND 사이에 연결되어 있다.
제어 회로(60)는, Cmains 및 CL을 선택적으로 연결하는 스위치(S1)에 통신으로 연결(대시 라인(63)으로 도시)되어 있다. 제어 회로(60)는 출력 전압(V1)을 감지하고, S1을 열거나 닫게 하는 제어 신호를 생성하기 위해 그 출력 전압과 미리 정해진 기준 전압 Vref를 비교하는데, 그럼으로써 Cmains와 CL 사이의 전기적 경로를 스위치로 연결/분리하게 된다. 노드(10c)에서의 출력 전압 V1은 기본 스위치 제어 회로 또는 제어기(60)를 위해 사용된다. 예시 구현에서, 스위치 제어 회로는 펄스 폭 변조(pulse width modulated, PWM) 제어 회로 또는 임의의 다른 유형의 스위치 제어 배치가 될 수 있다. 커패시터(Cmains)는 AC 신호를 스위치 정류 회로(30) 및 제어기(60)에 연결하는 것으로 이해된다.
DC 전압 Vin은 나아가 주 부하 저항을 나타내는 Rmains 양단에 걸린다.
CL >> Cmains인 경우에, 커패시터(Cmains)는 본질적으로 노드(10a)에 걸리는 주기 입력 신호를 필터하기 위한 필터 커패시터로서 동작한다. CL 내에 전달된 에너지는 Cmains 내에 전달된 에너지보다 훨씬 더 적다. 스위치(S1)이 열렸을 때, 커패시터(CL)은 정류된 입력 전류(Iin)에 의해 전도 다이오드(D2)를 통해서 충전된다. 이는 충전 전류가 흐르는 동안에는, Cmains 및 CL 양단 전압의 증가로 나타난다. AC 소스(10)의 입력 전압이 전압 Vin 아래로 떨어지면, 정류기(12)는 AC 소스(10)를 회로의 나머지 부분(즉, 노드(10a))로부터 분리한다. 이 때, 커패시터(Cmains)는 전도 다이오드(D1)에 의해 전류를 부하(Rmains)로 전달한다. 이 경우, 다이오드(D2)는 그 사이에 흐르는 임의의 전류를 차단하는 역할을 하기 때문에 Cmains 및 CL 사이에 존재하는 전류 경로는 없다. CL을 통해 흐르는 상대적으로 소량의 전류는 부하 저항(RL)을 통해 방전된다. CL을 통해 흐르는 이 방전 전류는 오직 제어 회로(60) 및 부하(RL)에만 공급되고 있음을 주목한다. 이는, 예를 들면, 텔레비전 세트에서의 대기 전력(예를 들어 1-3 와트)을 나타낸다. 이는 다이오드(D1), 커패시터(Cmains) 및 TV 세트의 주 부하를 의미하는 Rmains(예를 들어 100-150 와트)를 통해 방전되는 전류의 양보다 훨씬 적은 것이다. 다이오드(D2)는 역 바이어스되기 때문에, CL 양단의 전압 V1은 양수로 유지되며, 전압 강하는 오직 보조 부하 저항(RL)에 의해서만 결정된다.
본 발명의 관점에 따라 Cmains의 충전 조건이 주로 CL 내에서 충전을 결정한다. 좀 더 구체적으로는 Cmains가 방전되는 제1 방전 주기 이후, 다음 주요 주기 동안에는 커패시터(Cmains)가 충전되며 동시에 다이오드(D2)의 전도에 기인하여 커패시터(CL)이 충전된다. 일 실시예에서, CL은 Cmains보다 대략 3-4배 더 큰 것(예컨대, Cmains는 약 68 uF(마이크로 패럿), 반면 CL은 220 uF)에 주목한다. Rmains 및 RL에서의 전압은 요구되는 출력 전압 V1을 얻기 위해 선택된 비율을 가짐을 주목한다. 그러나, 주 전력 공급기에 대한 Rmains는 종종 광범위하게 달라질 수 있다. 예를 들면, Rmains는 전형적으로 TV와 같은 소비자 전자 장치에 대한 주 전력 공급기이므로, 그 전력은 사운드, 영상 파라미터 등과 같은 요인들에 따라 50 W에서 150W의 범위에서 어떤 값이든 그 장치의 실행 모드 범위 내이면 될 수 있다. 그러나, V1의 대기 출력 전력은 1W 또는 그 미만으로 떨어질 수 있다. 나아가, 부하 RL은 예컨대, 마이크로프로세서, 제어기 및 IR 수신기와 같은 소형 신호 장치들에 공급하기 위해 실질적으로 상수로 유지된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스위치(S1)은 스위치형 션트 제어기 배치(shunt controller arrangement)로 구성되어 있다. 여기에서, S1은 제어 회로(60)의 신호에 응답하여 닫히며, 그럼으로써 노드 10c에서 요구되는 출력 전압에 도달되자마자 CL에 대한 더 이상의 충전은 억제된다. 이러한 방식으로, 스위치 S1을 열고 닫음으로써, RL 양단의 출력 전압 V1은 제어될 수 있다. 이 구현은 출력 전압이 미리 정해진 레벨을 넘어서면 안되는 경우, 회로 배치를 제공하는데 유용하다. 좀 더 구체적으로, CL에서 요구되는 출력 전압 레벨에 도달되어 제어 회로(60)에 의해 감지되자마자, CL에서 더 이상의 충전없이, 따라서 전압 V1으로 유지될 수 있도록 Cmains, S1 및 입력으로 돌아가는 전류 경로를 형성하기 위해 스위치(S1)은 닫힌다. S1은 50 또는 60Hz 입력 사인파의 1주기 내에서 닫히거나 열릴 수 있음을 주목한다.
도 3에 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 3의 실시예는 스위치(S1)이 노드(10b) 및 노드(10c) 사이에 전도 다이오드(D2)와 병렬로 연결되어 있다는 점에서 도 2와 다르다. 이 경우, 출력 전압 V1의 최대값은 임계 제한으로 정확하게 결정되지 않는다. 스위치(S1)은 제어 회로(60)의 신호에 응답하여, S1 및 Cmains를 통해서 CL로부터 Rmains까지 방전 경로를 활성화시키기 위해 닫힌다. 요구되는 출력 전압의 최소값에 도달되자마자 스위치가 열리면, 더 이상의 Rmains로의 방전은 억제된다. 이 구현에서, RL 양단의 출력 전압은 충전 주기(S1이 열린 경우) 동안 제어되지 않는다. 상술된 실시예는 직렬 연결된 레귤레이터와 같은 전압 제한기 뒤에 오는 경우에는 언제나 유용한 해결책을 제시한다. 도 3에 따른 해결은, 유용하 게도 Cmains 및 라인 정류기 내에서 과도 전류(current transients)를 생성하지 않는다. 도 2 및 도 3에 도시된 상술된 실시예로부터, 도 2의 실시예에서는 충전이 제어되고, 반면 도 3의 실시예에서는 방전이 제어된다.
도 2 및 도 3의 방식 개념을 구현하는 세부 회로도가 각각 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 도시된 대로, 스위치 모드 전력 공급기에서 일반적으로 사용되는 기본 제어기에 대해 보조 전력을 생성하기 위한 배치가 구현되어 있다. 초기 시동 전압은 Rbias에 의해 제공된다. 정상 실행 모드에서, 제어기에 대한 전력 소모는 저항(Rbias)이 전달할 수 있는 것보다 더 높다. 여기에서, 이용되는 커패시터 (Cmains 및 CL)는 상술된 바와 같이 제어기에 전력을 지원한다. 도 2의 개념적인 스위치(S1)는, 도 4에서 고이득 트랜지스터(Q1 및 Q2)라는 수단으로 성립되어 있다. 도 4에 도시된 대로, pnp 트랜지스터(Q1)은 그의 베이스 단자(b1)가 트랜지스터(Q2)의 c2 단자에 연결되어 있다. Q1의 e1 단자는 노드(10b)에 연결되어 있으며, 반면, Q1의 c1 단자는 npn 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자(b2)에 연결되어 있다. c1, b2 단자는 노드(10d)에 연결되어 있으며, 노드(10d)는 저항(R2)을 통해 GND에 연결되어 있다. 저항(R1)은 Q1, Q2의 b1, c2 단자를 각각 노드(10b)에 연결한다. 제너 다이오드(Zener diode)(D4)는 노드(10c)와 노드(10d) 사이에 연결되어 있다. 출력 전압은 다이오드(D4)에 의해 감지되며, 고이득 트랜지스터(Q1, Q2)를 직접 제어한다. 회로(400)는 실행 전력이 없는 발진기에서 구현될 수 있는데, 이 때 발진기의 동작은 2차 사이드(410)의 출력 전압에 따라 활성화/억제된다. 앞서 언급된 대로, 초기 시동 전압은 Rbias에 의해 공급된다. CL 양단의 전압이 임계값 아래인 동안, D2를 통해 Cmains로부터 CL로 향하는 전류 경로가 성립되며, 커패시터(Cmains 및 CL)는 충전을 계속한다. 그러나, 전력 발진기의 동작에 따라 발진기에서 소모되는 전력은 Rbias가 전달할 수 있는 것 보다 더 높다. 그러므로, Cmains 및 CL에 저장된 에너지가 전력 발진기의 구동기에 전력을 공급하기 위해 사용된다.
유사한 방식으로 도 3의 스위치(S1)는 도 5에 도시된 회로 배치(500)에서는 트랜지스터(Q1)으로서 구현되어 있다. 도 5에 도시된 대로, pnp 트랜지스터(Q1)은 그의 베이스 단자(b1)가 저항(R2)을 통해서 npn 트랜지스터(Q2)의 c2 단자에 연결되어 있다. Q1의 e1 단자는 다이오드(D2)의 음극에 연결되어 있으며, 반면, Q1의 c1 단자는 노드(10b)에서 다이오드(D2)의 양극에 연결되어 있다. 저항(R1)은, R2와의 전압 분배기 배치 내에서 D2의 음극과 Q1의 b1 단자 사이에 연결되어 있다. 다이오드(D1)는 노드(10b)와 GND 사이에 연결되어 있다. npn 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자(b2)는 노드(10e)에서 제너 다이오드(D4)와 연결되어 있다. 저항(R3)는 노드(10e)와 GND 사이에 연결되어 있으며, 반면 다이오드(D4)의 음극은 저항(R4)를 통해서 노드(10c)에 연결되어 있다. 트랜지스터(Q2)의 e2단자는 GND에 연결되어 있다. 여기에서, 제너 다이오드(D4)는 제어기(60)의 입력에서 구동 전압을 주어진 또는 미리 정해진 값으로 제한한다. 다이오드(D4)는 드라이버(Q2)를 통해서 Q1을 제어한다. 그러므로, 커패시터(CL)은 제어기(60)의 입력에서 요구되는 최소 전압에 도달될 때까지 Cmains에 또, 2차 사이드 상에 변환된 부하(Rs)에 대응하는 주 부하(Rmains)에 스위치로 연결되어 있는 상태가 유지된다. 그 때, 커패시터(CL)은 제어기에 요구되는 상대적으로 작은 전류로써 제어 회로(60)를 통해 방전된다. 이것은 Cmains에 다음 충전 기간이 도달할 때까지 발생한다. 대안적인 배치로서, 다이오드(D4)는 일반적으로 사용되는 직렬 전압 제한기 또는 안정화 회로의 일부일 수 있다.
비록 본 발명이 예시 실시예에 관하여 설명되었지만, 그에 한정되지 않는다. 첨부된 청구항들은, 본 발명의 균등 범위와 사상을 벗어나지 않고 당업자에 의해 이루어질 수 있는 실시예들 및 다른 변형들을 포함하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 전력 공급기로서,
    인가 공급 전압의 소스;
    제1 커패시터;
    제2 커패시터;
    상기 제2 커패시터에서의 출력의 제1 부분을 생성하기 위하여 상기 인가 공급 전압에 대하여 용량성 분압기를 형성하도록 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터를 주기적으로 연결시키기 위한 스위치; 및
    상기 제2 커패시터에서의 출력의 제2 부분을 생성하기 위하여 상기 제1 커패시터를 바이패스(bypass)하는 방식으로, 상기 인가 공급 전압의 소스 및 상기 제2 커패시터에 연결되어 있는 임피던스
    를 포함하는 전력 공급기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는, 제2 공급 전압을 조정하기 위하여 네거티브 피드백(negative feedback) 방식으로 상기 제1 커패시터를 상기 제2 커패시터에 선택적으로 연결시키도록 상기 제2 커패시터에 연결되어 있는
    전력 공급기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는, 상기 제1 커패시터를 상기 제2 커패시터에 선택적으로 연결시키기 위하여, 상기 출력의 제2 부분을 감지하고, 상기 감지된 전압을 기준 전압과 비교하는 제어 회로로부터의 제어 신호에 응답하는
    전력 공급기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이에 연결되어 있고, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터를 선택적으로 연결시키기 위하여 제어 회로로부터의 제어 신호에 응답하는
    전력 공급기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터를 선택적으로 연결시키기 위하여 상기 제2 커패시터 양단에 설치되는 션트 회로(shunt circuit)를 포함하는
    전력 공급기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는, 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하는
    전력 공급기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이에 제1 다이오드가 연결되어 있고, 상기 제2 커패시터는 기준 전위에 연결된 제1 단자를 갖는
    전력 공급기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 커패시터와 상기 기준 전위 사이에 제2 다이오드가 연결되어 있는
    전력 공급기.
  9. 제1항에 있어서,
    주기적인 입력 공급 전압의 소스는, 정류기에 연결된 AC 소스를 포함하는
    전력 공급기.
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