KR101091200B1

KR101091200B1 - 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치

Info

Publication number: KR101091200B1
Application number: KR1020090110130A
Authority: KR
Inventors: 서길수; 김형우; 김기현
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-12-09
Also published as: KR20110053554A

Abstract

본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이에 사용되는 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 부하의 크기에 따른 피드백 전압값을 이용하여 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 신호를 발생시키는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치는, 충전과 방전을 통해 삼각파를 발생시키는 콘덴서를 동일 전류량으로 충방전하도록, 기준 전류를 공급하는 충방전 기준 전류 회로; 콘덴서를 고정된 충전 시간 동안 충전하며, 피드백 전압값의 크기에 따라 콘덴서의 방전 시간을 조절하여 구동 신호의 동작 주파수를 제어하는 제1 제어부; 콘덴서의 충전 기간 내에서, 피드백 전압값이 콘덴서의 전압값 이상인 구간에만 스위칭 소자로 구동 신호를 출력하여 구동 신호의 펄스폭을 제어하는 제2 제어부; 및 콘덴서의 최대 전압값 및 최소 전압값을 미리 설정하여 제1 제어부의 콘덴서 충방전 시작점을 결정하고, 콘덴서의 충전 기간 여부 신호를 제2 제어부로 전송하여 구동 신호의 최대 펄스폭을 제한하는 제3 제어부를 포함한다.

본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 신호의 펄스폭과 동작 주파수를 최적화함으로써, 경부하 또는 대기 모드시에 발생하였던 스위칭 소자에 의한 스위칭 손실, 구동 손실, 및 도통 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

스위칭 모드 파워 서플라이, 스위칭 소자, 동작 주파수 제어, 펄스폭 제어

Description

스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치{apparatus for driving switching device of switching mode power supply}

최근 들어, 스위칭 모드 파워 서플라이(switching mode power supply)의 높은 효율이 점차 선호되고 있으며, 부하가 클 때는 물론이고 부하가 작을 때에도 높은 효율을 갖도록 요구되고 있다. 하지만, 부하가 작을 때에는 매번 스위칭 소자가 도통되기 시작할 때, 출력 콘덴서와, 트랜스포머 등의 기생 콘덴서를 방전함에 따른 손실 비중이 점차 커지므로 효율이 작아지는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여. 부하의 크기가 작은 경우에 스위칭 소자의 펄스폭을 줄이는 펄스폭 변조 회로가 도 1과 같이 종래에 개발되어 있다.

도 1은 종래의 스위칭 모드 파워 서플라이의 펄스폭 변조 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 스위칭 모드 파워 서플라이의 펄스폭 변조 회로는, 기준 전압(VF)를 반전 단자로 입력받고 삼각파 발진부의 신호를 비반전 단자로 입력받는 비교기(320)와, 비교기(320)로부터 상태 반전 신호 출력 시 역시 상태 반전 신호를 출력하는 RS 래치(330)와, RS 래치(330) 및 발진부(310)의 파형 신호를 입력 받아 소정 신호를 스위칭 소자로 출력하는 AND 게이트(340)를 포함한다.

부하가 크기가 작을 경우, 기준 전압(VF)은 작아지며 비교기(320) 출력 펄스폭은 커지게 된다. 비교기(320)의 출력은 RS 래치(330)의 출력을 리셋시킴으로써 RS 래치(330)의 출력 펄스폭이 작아지게 된다. 결과적으로 스위칭 소자 구동 신호의 펄스폭이 작아지게 된다.

이와 같이, 종래에는 스위칭 모드 파워 서플라이가 대기 모드에 있을 때 스위칭 소자의 구동 신호의 펄스폭을 제어하였다. 하지만, 이와 같은 방식은 고정 주파수 방식이므로 부하가 작을 때도 고주파로 동작하므로, 스위칭 소자를 구동하는 신호의 펄스폭은 작지만 동작 주파수는 높기 때문에 스위칭 소자에서 발생하는 스위칭 손실을 줄일 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 부하의 크기가 작을 때, 즉 경부하 상태나 대기 모드일 때, 스위칭 소자의 구동 신호의 펄스폭을 최소로 하며, 동작 주파수를 낮추어 스위칭 손실, 도통 손실 및 구동 손실을 최소화하는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 부하의 크기에 따른 피드백 전압값을 이용하여 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 신호를 발생시키는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치는, 충전과 방전을 통해 삼각파를 발생시키는 콘덴서를 동일 전류량으로 충방전하도록, 기준 전류를 공급하는 충방전 기준 전류 회로; 콘덴서를 고정된 충전 시간 동안 충전하며, 피드백 전압값의 크기에 따라 콘덴서의 방전 시간을 조절하여 구동 신호의 동작 주파수를 제어하는 제1 제어부; 콘덴서의 충전 기간 내에서, 피드백 전압값이 콘덴서의 전압값 이상인 구간에만 스위칭 소자로 구동 신호를 출력하여 구동 신호의 펄스폭을 제어하는 제2 제어부; 및 콘덴서의 최대 전압값 및 최소 전압값을 미리 설정하여 제1 제어부의 콘 덴서 충방전 시작점을 결정하고, 콘덴서의 충전 기간 여부 신호를 제2 제어부로 전송하여 구동 신호의 최대 펄스폭을 제한하는 제3 제어부를 포함한다.

본 발명의 제1 제어부는 충방전 기준 전류 회로 및 콘덴서와 연결되는 전류 미러(mirror) 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 제어부는, 피드백 전압값이 증가할 때, 콘덴서의 방전 시간을 감소시키고, 피드백 전압값이 감소할 때, 콘덴서의 방전 시간을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 제어부는, 피드백 전압값과 콘덴서의 전압값을 입력으로 하는 제1 비교기와, 제1 비교기의 출력값과 충전 기간 여부 신호값을 입력으로 하는 OR 게이트와, OR 게이트의 출력값과 스위칭 모드 파워 서플라이를 보호하기 위해 외부에 설치된 보호 회로의 출력값을 입력으로 하며, 스위칭 소자로 구동 신호를 출력하는 NOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3 제어부는, 콘덴서의 전압값과 최대 전압값을 입력으로 하는 제2 비교기와, 콘덴서의 전압값과 최소 전압값을 입력으로 하는 제3 비교기와, 제2 비교기의 출력값과 제3 비교기의 출력값을 입력으로 하며, 반전 출력을 충방전 시작점의 신호로 하고 비반전 출력을 충전 기간 여부 신호로 하는 RS 래치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제 해결 수단에 의해, 본 발명은 종래의 펄스폭 변조 방식의 스위칭 모드 파워 서플라이의 대기 모드시 발생하였던 스위칭 소자에 의한 스위칭 손실, 구동 손실, 및 도통 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 즉, 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하의 크기에 따라 스위칭 소자 구동 신호의 펄스폭과 동작 주파수를 최적화함으로써, 경부하 또는 대기 모드시에 발생하였던 전력 손실을 절감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치에 관한 것으로서, 특히 대기 모드시 스위칭 소자 구동 신호의 펄스폭을 제어하고 동작 주파수를 제어함으로써, 스위칭 소자에 흐르는 최대 전류값을 제한한다. 아울러, 간헐적으로 스위칭 소자를 구동하게 되어 대기 모드시 스위칭 소자의 스위칭 손실, 구동 손실 그리고 도통 손실을 줄임으로써 전력 소모를 최소화한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 모드 파워 서플라이의 제어 회로 전체 동작을 위한 Vcc 전압은 외부 콘덴서(22)의 충전된 전압이다. 콘덴서(22)에 충전 전류를 발생시키기 위한 동작 전압 발생회로(9)와, Vcc 전압이 일정한 전압 이하가 되면 스위칭 소자의 구동을 멈추게 하는 Vcc 전압 검출 회로(21)와, 내부 회로에 온도와 공급 전압에 무관하게 일정한 전압을 공급해주는 기준 전압 발생 회로(10)와, 내부 바이어스 회로로 구성이 되어 있다.

또한, 보호 회로에는 부하의 크기를 감지하는 FB 단자 전압을 이용하여 소정의 전압 이상이 되면 스위칭 소자의 구동 신호를 멈추게 하는 과부하 보호 회로(19)와, Vcc 전압이 일정 전압 이상이 되면 제어회로 내부의 소자 보호를 위한 과전압 보호 회로(18)와, 스위칭 소자에 흐르는 전류가 일정 크기 이상이 되면 스위칭 소자를 보호하기 위해 스위칭 소자 구동 신호를 멈추게 하는 과전류 보호 회로(15)가 집적화되어있다. 또한, 보호 상황이 해제된 이후에 자동으로 스타트를 하게 되는 오토 리스타트 회로(16)가 있다.

본 발명의 일실시예에서는 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하 크기를 검출하기 위해 포토커플러(5), 제너다이오드(7) 및 콘덴서(23)로 구성된 피드백 루프를 이용한다. 여기서, 피드백 전압값, 즉 콘덴서(23)의 전압을 스위칭 소자 구동 장치(14)의 제어 입력 신호로 사용한다.

부하의 크기가 커지게 되면 포토커플러(5)의 다이오드에 흐르는 전류는 작아지며, 트랜지스터의 전류 역시 작아지게 된다. 따라서, 콘덴서(23)는 피드백 전류 발생 회로(20)에 의해 충전되어 전압이 상승하게 된다. 또한, 부하의 크기가 작아지게 되면 포토커플러(5)의 다이오드에 흐르는 전류가 커진다. 이에 따라, 콘덴서(23)는 방전이 일어나게 되며 콘덴서(23)의 전압은 하강하게 된다.

상기의 피드백 루프를 이용한 콘덴서(23)의 전압값을 스위칭 소자 구동 신호의 제어 신호로 사용한다. 피드백 전압인 콘덴서(23)의 전압을 입력으로 하는 스위칭 소자 구동 장치(14)는 부하의 크기에 따라 스위칭 소자의 구동 신호를 제어하여 출력한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치는, 충전과 방전을 통해 삼각파를 발생시키는 콘덴서(C1)를 동일 전류량으로 충방전하도록, 기준 전류를 공급하는 충방전 기준 전류 회로(110)와, 콘덴서(C1)를 고정된 충전 시간 동안 충전하며, 피드백 전압값의 크기에 따라 콘덴서(C1)의 방전 시간을 조절하여 구동 신호의 동작 주파수를 제어하는 제1 제어부(120)와, 콘덴서(C1)의 충전 기간 내에서, 피드백 전압값이 콘덴서(C1)의 전압값 이상인 구간에만 스위칭 소자로 구동 신호를 출력하여 구동 신호의 펄스폭을 제어하는 제2 제어부와, 콘덴서(C1)의 최대 전압값 및 최소 전압값을 미리 설정하여 제1 제어부(120)의 콘덴서 충방전 시작점을 결정하고, 콘덴서(C1)의 충전 기간 여부 신호를 제2 제어부(130)로 전송하여 구동 신호의 최대 펄스폭을 제한하는 제3 제어부(140)로 구성되어 있다.

충방전 기준 전류 회로(110)는 공급 전압과 온도에 무관한, 스위칭 소자의 구동 신호의 펄스폭 제어와 동작 주파수 제어를 위한 기준 전류를 발생시키는 전류원이다. 충방전 기준 전류 회로(110)의 MP1과, 제1 제어부(120)의 MP3 및 MP4 채널의 W/L비는 같다. 따라서, MP3와 MP4에 흐르는 전류(I5, I1)는 MP1에 흐르는 전류와 같다. 또한, MN2와, MN3 및 MN4 채널의 W/L비는 같으므로, MN3와 MN4에 흐르는 전류(I2,I3)는 같다.

콘덴서(C1)는 MP4에 흐르는 전류 I1에 의해 충전되며, 콘덴서(C1)의 전압이 제1 기준 전압 보다 커지게 되면 제2 비교기는 “하이(high)”를 출력하게 된다. 또한, 제2 비교기와 제3 비교기의 출력을 입력으로 하는 RS 래치의 반전 출력(QB)은 “로우(low)”, 비반전 출력(Q)은 “하이”를 출력하게 된다. 따라서, MN1은 턴-오프 상태가 되며 MP3에 흐르는 전류 I5는 MN2에 흐르게 된다. MP3에 흐르는 전류 I5와 MP4에 흐르는 전류 I1의 크기는 같으며, MN2, MN3 및 MN4의 채널 길이 비가 같으므로, I1=I2=I3=I5와 같은 전류 관계가 성립하게 된다. 이에 따라, 콘덴서(C1)의 방전 전류 크기가 충전 전류 2배가 되므로 방전 시간과 충전 시간은 같게 된다.

콘덴서(C1)의 전압이 제2 기준 전압보다 작아지게 되면, 제3 비교기는 “하이”를 출력하게 되며, 제2 비교기는 “로우”를 출력하게 된다. 따라서, RS 래치의 반전 출력(QB)은 “하이” 비반전 출력(Q)은 “로우”이며, MN1은 턴-온된다. MP3에 흐르는 전류 I5는 모두 MN1로 흐르며, MN2에 흐르는 전류는 0A가 된다. 이로 인해, MN3 및 MN4에 흐르는 전류 또한 0A가 된다. 그 결과, 콘덴서(C1)는 MP4에 흐르는 전류 I1에 의해서 충전되어 전압이 상승하게 된다.

상기의 방법으로 콘덴서(C1)는 계속적으로 충전과 방전을 일으키며, 콘덴서(C1)의 전압은 삼각파 형태로 발진하게 된다.

스위칭 모드 파워 서플라이의 부하의 크기가 큰 경우, 피드백 전압(VFB)은 상승하게 된다. 제1 제어부(120)의 MN6의 전류는 MN1이 턴-오프 상태이며, MN3 및 MN4에 전류가 흐르는 경우에만 흐르게 되며, MN6의 전류의 크기는 피드백 전압(VFB)에 의해 결정이 된다. 부하의 크기가 커지게 되면 MN6에 흐르는 전류 I4는 커지게 되며 방전 시간이 짧아지게 된다. 그리고, 피드백 전압(VFB)이 MN6의 문턱 전압보다 낮아지는 경우, 즉 부하의 크기가 작아지거나 대기 모드상태일 때, MN6에 흐르는 전류는 0A가 된다. 따라서, MN3, MN4에 의해서만 방전이 되며 이때 충전 시간과 방전 시간은 같아지게 된다. 충전은 MP4에 흐르는 전류에 의해서만 되므로 고정된 시간이며, 방전 시간이 최대일 때 최대 주기를 가지게 된다.

제2 제어부(130)는 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하의 크기에 따라 스위칭 소자 구동 신호의 펄스폭을 제어하며, 무부하일 때 스위칭 소자를 간헐적으로 구동하는 회로이다. 제2 제어부(130)는 피드백 전압(VFB)과 콘덴서(C1)의 전압을 입력으로 하는 제1 비교기, RS 래치의 비반전 출력(Q)과 제1 비교기의 출력을 입력으로 하는 OR 게이트 및 OR 게이트의 출력과, 도 2에서 상술한 바와 같이 스위칭 모드 파워 서플라이를 보호하기 위해 스위칭 소자 구동 장치(14)의 외부에 설치된 보호 회로의 출력을 입력으로 하는 NOR 게이트로 구성되어 있다.

피드백 전압(VFB)과 콘덴서(C1)의 전압을 비교하는 제1 비교기는 콘덴서(C1)의 전압이 피드백 전압(VFB)보다 크면 “하이”를 출력하게 된다. 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 작아지면 피드백 전압(VFB)은 작아지므로, 제1 비교기의 출력 펄스폭은 커지며, NOR 게이트의 출력 펄스폭은 작아지게 된다. 또한, 피드백 전압(VFB)이 콘덴서(C1)의 최저 전압보다 작아지게 되면, NOR 게이트의 출력은 계속적으로 “로우”가 출력된다.

제3 제어부(140)는, 제1 기준 전압과 콘덴서(C1)의 전압을 비교하는 제2 비교기, 제2 기준 전압과 콘덴서(C1)과 비교하는 제3 비교기 , 상기 제2 비교기와 제3 비교기의 출력을 입력으로 하는 RS 래치로 구성되어 있다. 제3 제어부(140)는 콘 덴서(C1)의 최저 전압값 및 최대 전압값이 미리 설정되어 있으며, 부하가 클 경우, 콘덴서(C1)의 충전 기간 여부 신호를 제2 제어부(130)로 전송함으로써, 구동 신호의 최대 펄스폭을 제한하여 스위칭 소자의 구동 신호를 출력하도록 한다.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 소자 구동 장치의 각 구성 요소의 동작 특성을 도 3 내지 도 8을 참조하여 보다 상세하게 기술하기로 한다.

<제1 제어부>

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 제어부의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 4의 (a)는 콘덴서의 충방전 동작을 설명하기 위해 제1 제어부를 개략적으로 나타낸 회로도이고, 도 4의 (b)는 충방전 동작에 따라 콘덴서에서 출력하는 삼각파를 나타낸 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 제어부(120)의 콘덴서 충전 전류는 충방전 기준 전류 회로(110)의 MP1에 흐르는 전류를 기준으로 하여 MP1과 MP4 채널의 W/L 비로 결정이 된다. 또한, MP3에 흐르는 전류는 MP1과 MP3 채널의 W/L 비로 결정이 된다. MP1, MP3 및 MP4 채널의 W/L 비가 같은 경우, 콘덴서(C1) 충전전류 I1과 I5는 같다. 또한, MN2, MN3 및 MN4 채널의 W/L 비가 같으므로 흐르는 전류는 같다.

최초, I1에 의해서 콘덴서(C1)가 일정 전압 이상으로 충전되면, 제3 제어부(140)의 출력이 “로우”가 된다. 제3 제어부(140)의 출력을 게이트 입력으로 하는 MN1은 턴-오프된다. 따라서, MN1에 흐르는 전류는 0A가 되며, 전류 I5는 MN2로 모두 흐르게 된다. 또한, MN3과 MN4에 흐르는 전류 I2와 I3은 I5와 같은 양의 전류가 흐르게 된다. 결과적으로, I1, I5, I2 및 I3은 모두 같은 크기이며, 콘덴서(C1) 는 방전 전류가 크므로 콘덴서(C1)의 전압이 작아지게 된다. 콘덴서(C1)의 전압이 소정의 전압 이하가 되면, 제3 제어부(140)는 “하이”를 출력하며 MN1은 턴-온된다. I5 전류는 MN1을 통해 흐르게 되며, MN2에 흐르는 전류는 0A가 된다. 따라서, MN3 및 MN4에 흐르는 전류는 0A가 된다. 콘덴서(C1)의 방전 전류가 0A이므로 콘덴서(C1)의 전압은 상승하게 된다. 이와 같이, 콘덴서(C1)의 전압은 제1 제어부(120)와 제3 제어부(140)에 의해 제어된다.

또한, 부하의 크기에 따라 스위칭 소자 구동 신호의 동작 주파수를 제어하기 위해 피드백 전압(VFB)을 입력으로 한다. 피드백 전압(VFB)을 입력으로 하는 MN6의 전류 I4는 피드백 전압(VFB)이 상승하게 되면 증가하게 되며, 피드백 전압(VFB)이 작아지게 되면 감소하게 된다. 단, 상술한 바와 같이 MN1이 턴-오프 상태일 때만 MN5에 전류가 흐르게 된다. 바꾸어 말하면, 제3 제어부(140)의 출력이 “로우”일 때만 피드백 전압(VFB)에 의해서 I4 전류가 제어된다.

상기의 내용을 바탕으로 도 4를 참조하면, 방전 전류 I2,I3 및 I4가 비활성화 상태일 때, 콘덴서(C1)의 전압은 상승하게 된다. 또한, 피드백 전압(VFB)이 MN6 문턱 전압보다 작을 때는 I4는 0A이므로, I2와 I3에 의해 방전이 일어나기 때문에, 도 4의 (b)에서 4b1과 같은 기울기로 전압값이 줄어든다. 이는 방전 전류가 충전 전류의 두배이므로 충전 시간(T1)과 방전 시간(T2)이 같아지게 되는 것이다.

또한, 피드백 전압(VFB)이 MN6의 문턱 전압 이상이 되면, I4의 전류는 커지게 된다. 부하의 크기가 커지면 즉, 피드백 전압(VFB)이 상승하게 되면, I4 전류가 커지게 되어 방전시간(T2)이 짧아지게 되는 것이다. MN2와 MN5 채널 W/L 비가 1:10 인 경우에는 I4는 MN2에 흐르는 전류의 10배가 되며, 이때 방전 시간은 T1/10이 된다. 도 4의 (b)와 같이, 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 큰 경우에는 4b2와 같은 기울기로 방전하게 되며, 경부하이나 대기 모드시에는 4b1과 같은 기울기로 방전하며 최대 방전 시간을 가지게 되어 스위칭 소자를 저주파로 구동한다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 제1 제어부(120)는 충방전 기준 전류 회로(110) 및 콘덴서(C1)와 연결되는 전류 미러(mirror) 회로로 구성됨으로써, 콘덴서(C1)를 고정된 충전 시간 동안 충전하며, 피드백 전압(VFB)의 크기에 따라 콘덴서(C1)의 방전 시간을 조절하여 구동 신호의 동작 주파수를 제어한다.

<제2 제어부>

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 제어부의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, (a)는 피드백 전압(VFB) 및 콘덴서(C1)의 전압값을 나타낸 파형도이고, (b)는 RS 래치의 비반전 출력(Q)을 나타낸 파형도이고, (c)는 제1 비교기의 출력을 나타낸 파형도이고, (d)는 OR 게이트의 출력을 나타낸 파형도이며, (e)는 NOR 게이트의 출력을 나타낸 파형도이다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 제2 제어부(130)는 제1 비교기, OR 게이트 및 NOR 게이트로 구성이 되어 있으며, 피드백 전압(VFB), 콘덴서(C1)의 전압, 제3 제어부(140)의 비반전 출력(Q)을 입력으로 하여 스위칭 소자의 구동 신호의 펄스폭을 제어한다. 도 5의 (C)를 참조하면, 피드백 전압(VFB)과 콘덴서(C1)의 전압을 입력으로 하는 제1 비교기는 콘덴서(C1)의 전압이 피드백 전압(VFB)보다 커지게 되면 “하이”를 출력한다.

피드백 전압(VFB)이 작아지게 되면, 제1 제어부(120)에 의해서 콘덴서(C1)의 방전 시간이 길어지게 되어 도 5의 (a)와 같이 된다. 제3 제어부(140)의 출력의 비반전 출력(Q)이 “하이”일 때, 콘덴서(C1)는 방전하게 되므로, 도 5의 (b)와 같이, 펄스폭은 증가하게 된다. 콘덴서(C1)의 전압과 피드백 전압(VFB)을 입력으로 하는 제1 비교기 출력의 펄스폭 또한 증가하게 되며, 피드백 전압(VFB)이 일정 전압 이하가 되면, 계속적으로 “하이”를 출력하게 된다. 제3 제어부(140)의 비반전 출력(Q)과 제1 비교기의 출력을 입력으로 하는 OR 게이트 출력 또한 펄스폭이 증가를 하게 되며, NOR 게이트 출력은 보호 회로가 동작하지 않을 때 출력 펄스폭이 감소하게 된다. 또한, 피드백 전압(VFB)이 콘덴서(C1)의 최저 전압값 이하가 되면 NOR 게이트 출력은 발생하지 않는다.

피드백 전압(VFB)이 상승하게 되면, 상기와 반대로 동작하게 된다. 단, 피드백 전압(VFB)이 콘덴서(C1)의 최대 전압값보다 커지게 되면 제1 비교기의 출력은 “로우”로 계속적으로 출력되며, RS 래치의 비반전 출력(Q)이 그대로 OR 게이트의 출력이 된다. NOR 게이트는 보호 회로의 출력이 “로우”일 경우에는 OR 게이트 출력을 반전하게 된다. 이때, NOR 게이트 출력 펄스폭은 스위칭 소자 구동 신호의 최대 펄스폭이 된다.

<제3 제어부>

제3 제어부(140)는 콘덴서(C1)의 충방전 전압의 최대값과 최저값을 결정하며, 제1 제어부(120)의 MN1의 게이트 입력 전압을 출력한다. 또한, 스위칭 소자의 구동 신호의 최대 펄스폭을 제한한다. 콘덴서(C1)의 최대 전압값은 제2 비교기의 제1 기준 전압이며, 최저 전압값은 제3 비교기의 제2 기준 전압이다.

콘덴서(C1)는 제1 제어부(120)에 의해서 충전되며 콘덴서(C1)의 전압이 제1 기준 전압보다 커지게 되면, 제2 비교기의 출력은 “하이”, 제3 비교기의 출력은 “로우”를 출력한다. 그 결과, RS 래치의 비반전 출력(Q)은 “하이”이며, 반전 출력(QB)은 “로우”이다. 따라서, 콘덴서(C1)는 제1 제어부(120)에 의해서 방전되며, 콘덴서(C1)의 전압은 하강하게 된다.

또한, 콘덴서(C1)의 전압이 제2 기준 전압보다 작아지면, 제2 비교기의 출력은 “로우”이며, 제3 비교기의 출력은 “하이”이다. 그 결과, RS 래치의 비반전 출력(Q)은 “로우”이며, 반전 출력(QB)은 “하이”가 된다. 따라서, 제1 제어부(120)에 의해서 충전되며, 콘덴서(C1)의 전압은 상승하게 된다.

이와 같이, 콘덴서(C1)의 최대, 최저 전압은 제1 기준 전압과 제2 기준 전압에 의해서 결정이 된다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 큰 경우의 출력 파형을 나타낸 도면이다. 구체적으로, (a)는 피드백 전압(VFB) 및 콘덴서(C1)의 전압값을 나타낸 파형도이고, (b)는 제1 비교기의 출력을 나타낸 파형도이고, (c)는 제3 비교기의 출력을 나타낸 파형도이고, (d)는 제2 비교기의 출력을 나타낸 파형도이고, (e)는 RS 래치의 반전 출력(QB)을 나타낸 파형도이고, (f)는 RS 래치의 비반전 출력(Q)을 나타낸 파형도이고, (g)는 OR 게이트의 출력을 나타낸 파형도이며, (h)는 NOR 게이트의 출력을 나타낸 파형도이다.

도 6을 참조하면, 부하가 큰 경우에는 도 6의 (a)와 같이, 부하가 큰 경우에 는 피드백 전압(VFB)이 크다. 피드백 전압(VFB)을 입력으로 하는 제1 제어부(120)에 의해서 콘덴서(C1)의 방전 시간이 짧아지게 된다. (b)와 같이, 콘덴서(C1)의 전압이 제3 제어부(140)의 제1 기준 전압보다 커지면, 제2 비교기는 “하이”를 출력하며 (e)와 같이, RS 래치의 반전 출력(QB)은 “하이”에서 “로우”로 변화한다. 이로 인해, 제1 제어부(120)의 MN1은 턴-오프되며, MP3에 흐르는 전류 I5는 MN2에 흐르게 되고, MN3 및 MN4에 의하여 콘덴서(C1)는 방전된다. 또한, 피드백 전압(VFB)을 게이트 입력으로 하는 MN6에 의해서 콘덴서(C1)는 급격히 방전하게 된다. (a)와 같이, 콘덴서(C1)의 전압이 제3 제어부(140)의 제2 기준 전압보다 작아지게 되면, (c)와 같이, 제3 비교기는 “하이”를 출력하고, (e)와 같이, RS 래치의 반전 출력(QB)은 “로우”에서 “하이”로 변하며, 비반전 출력(Q)은 “로우”변화한다. 이로 인해, 제1 제어부(120)의 MN1은 턴-온되며, MP3에 흐르는 전류 I5는 MN1로 흐르게 된다. 그 결과 MN3, MN4 및 MN5에 흐르는 전류는 0A가 되어 (a)와 같이, 콘덴서(C1)의 전압은 상승하게 된다.

따라서, 제3 제어부(140)의 RS 래치 비반전 출력(Q)은 콘덴서(C1)의 전압이 하강할 때 “하이”를 출력하며, 제2 제어부(130)의 OR 게이트 입력이 된다. 또한, 피드백 전압(VFB)과 콘덴서(C1)의 전압을 비교하는 제2 제어부(130)의 제1 비교기의 출력은 (b)와 같다. 또한, 제1 비교기의 출력과 RS 래치의 비반전 출력(Q)을 입력으로 하는 OR 게이트 출력과 NOR 게이트 출력은 (g) 및 (h)와 같다. 결과적으로, 부하가 큰 경우 피드백 전압(VFB)은 상승하게 되며, 스위칭 소자 구동 장치의 출력 펄스폭은 커지고 동작 주파수는 빨라진다. 스위칭 소자 구동 장치의 출력은 스위칭 소자를 구동하게 된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 작은 경우의 출력 파형을 나타낸 도면이다. 구체적으로, (a)는 피드백 전압(VFB) 및 콘덴서(C1)의 전압값을 나타낸 파형도이고, (b)는 제1 비교기의 출력을 나타낸 파형도이고, (c)는 제3 비교기의 출력을 나타낸 파형도이고, (d)는 제2 비교기의 출력을 나타낸 파형도이고, (e)는 RS 래치의 반전 출력(QB)을 나타낸 파형도이고, (f)는 RS 래치의 비반전 출력(Q)을 나타낸 파형도이고, (g)는 OR 게이트의 출력을 나타낸 파형도이며, (h)는 NOR 게이트의 출력을 나타낸 파형도이다.

도 7의 (a)와 같이, 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 작은 경우, 피드백 전압(VFB)은 작아진다. 제1 제어부(120)의 MP4에 흐르는 전류 I1에 의해 콘덴서(C1)는 충전되며, MN5에 흐르는 전류는 0A이며 MN3 및 MN4에 흐르는 I2 및 I3에 의해서만 방전된다. 따라서, 충전 시간과 방전 시간은 같아지며, 동작 주파수는 최저가 된다. 또한, 제2 제어부(130)의 제1 비교기의 출력은 (b)와 같으며, 제3 제어부(140)의 제2 비교기와 제3 비교기의 동작 방식은 부하가 클 때와 같이 콘덴서(C1)의 전압이 최대일 때와 최저일 때 “하이”를 출력한다. 제3 제어부(140)의 RS 래치의 반전 출력(QB)과 비반전 출력(Q)은 (e), (f)와 같이, 50% 듀티의 펄스가 출력이 된다. 제2 제어부(130)의 NOR 게이트 출력은 보호 회로가 동작하지 않으면 최소 펄스폭의 구형파를 출력하게 된다. 따라서, 스위칭 소자 구동 장치는 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 작을 때, 최저 주파수와 최소 듀티비의 구형파를 출력한다. 결과적으로, 스위칭 소자의 구동 신호는 최저 주파수와 최저 듀티비로 구 동하게 되며, 대기 모드시 전력손실을 절감하게 된다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하 변동에 따른 스위칭 소자의 구동 신호를 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 부하의 크기가 큰 경우에는 최대 주파수와 최대 듀티비로 스위칭 소자를 구동하게 되며, 부하가 작아지게 되면 동작 주파수와 듀티비는 감소하게 된다. 또한, 대기 모드시에는 최저 주파수와 최저 듀티비로 간헐적으로 스위칭 소자를 구동하게 된다. 따라서, 대기 모드시에 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자의 출력 콘덴서와 트랜스포머 기생 콘덴서에 의한 스위칭 손실과, 스위칭 소자의 도통 손실과, 구동 손실을 절감하게 된다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 제어부의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 제어부의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 큰 경우의 출력 파형을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하가 작은 경우의 출력 파형을 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

14 : 스위칭 소자 구동 장치

110 : 충방전 기준 전류 회로

120 : 제1 제어부

130 : 제2 제어부

140 : 제3 제어부

C1 : 콘덴서

Claims

부하의 크기에 따른 피드백 전압값을 이용하여, 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 신호를 발생시키는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치에 있어서,

충전과 방전을 통해 삼각파를 발생시키는 콘덴서를 동일 전류량으로 충방전하도록, 기준 전류를 공급하는 충방전 기준 전류 회로;

상기 콘덴서를 고정된 충전 시간 동안 충전하며, 상기 피드백 전압값의 크기에 따라 상기 콘덴서의 방전 시간을 조절하여 상기 구동 신호의 동작 주파수를 제어하는 제1 제어부;

상기 콘덴서의 충전 기간 내에서, 상기 피드백 전압값이 상기 콘덴서의 전압값 이상인 구간에만 상기 스위칭 소자로 구동 신호를 출력하여 상기 구동 신호의 펄스폭을 제어하는 제2 제어부; 및

상기 콘덴서의 최대 전압값 및 최소 전압값을 미리 설정하여 상기 제1 제어부의 콘덴서 충방전 시작점을 결정하고, 상기 콘덴서의 충전 기간 여부 신호를 상기 제2 제어부로 전송하여 상기 구동 신호의 최대 펄스폭을 제한하는 제3 제어부;

를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 제어부는 상기 충방전 기준 전류 회로 및 상기 콘덴서와 연결되는 전류 미러(mirror) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 제어부는, 상기 피드백 전압값이 증가할 때, 상기 콘덴서의 방전 시간을 감소시키고, 상기 피드백 전압값이 감소할 때, 상기 콘덴서의 방전 시간을 증가시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 제어부는, 상기 피드백 전압값과 상기 콘덴서의 전압값을 입력으로 하는 제1 비교기와, 상기 제1 비교기의 출력값과 상기 충전 기간 여부 신호값을 입력으로 하는 OR 게이트와, 상기 OR 게이트의 출력값과 스위칭 모드 파워 서플라이를 보호하기 위해 외부에 설치된 보호 회로의 출력값을 입력으로 하며, 상기 스위칭 소자로 구동 신호를 출력하는 NOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
제1항에 있어서,

상기 제3 제어부는, 상기 콘덴서의 전압값과 상기 최대 전압값을 입력으로 하는 제2 비교기와, 상기 콘덴서의 전압값과 상기 최소 전압값을 입력으로 하는 제3 비교기와, 상기 제2 비교기의 출력값과 상기 제3 비교기의 출력값을 입력으로 하며, 반전 출력을 상기 충방전 시작점의 신호로 하고 비반전 출력을 상기 충전 기간 여부 신호로 하는 RS 래치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.