KR101098772B1 - 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부스트 컨버터 회로에서, 부하가 존재하지 않거나 일정치 이하일 때 출력단을 강제적으로 전류원에 연결하여 출력전압이 허용범위를 벗어나지 않도록 한 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 파워 스위칭 소자에 의해 동작하여 그에 따라 생성된 에너지를 저장하는 인덕터; 상기 파워 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 및 구동부; 부하에 공급되는 전압으로부터 분압되어 피드백되는 전압을 근거로 출력전압이 허용된 한계전압을 벗어나는 것을 검출하여 스위칭 제어신호를 출력하는 한계출력전압 검출기; 상기 스위칭 제어신호에 의해 턴온되어 상기 출력전압의 단자를 전류원에 연결하는 스위칭 소자를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

Description

부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로{STABILIZATION CIRCUIT FOR OUTPUT VOLTAGE OF BOOST CONVERTER}
본 발명은 부스트 컨버터의 출력전압이 허용범위를 벗어나는 것을 방지하는 기술에 관한 것으로, 특히 부하가 존재하지 않거나 일정치 이하일 때 출력단을 강제적으로 전류원에 연결하여 출력전압이 허용범위를 벗어나지 않도록 한 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 부스트 컨버터(boost converter)는 직류전압을 상승시켜 출력하는 회로로서, 인덕터, 인덕터의 스위칭 소자, 정류소자, 커패시터 및 저항으로 구성된다. 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 인덕터의 양단 전류가 증가와 감소를 반복한다. 이때, 상기 인덕터는 전류가 증가될 때 양단전압이 정극성(+)이 되고, 전류가 감소할 때에는 양단전압이 부극성(-)이 된다. 상기 스위칭 소자가 턴온 시 인덕터 양단전압이 정극성전압으로 되어 출력단으로 곧바로 전달되지 않고 충전되고, 오프시에는 양단전압이 부극성으로 되어 출력단에서 보면 입력전압과 인덕터 양단전압이 합해진 것으로 보여 출력단의 전압이 입력단의 전압보다 증가된다.
도 1은 종래 기술에 의한 부스트 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 엔모스 트랜지스터(MN11)에 의해 동작하여 생성된 에너지(전기 에너지, 이하 '에너지'라 칭함)를 저장하는 인덕터(L11)와; 상기 인덕터(L11)에 저장된 에너지를 출력단으로 전달하기 위한 쇼트키다이오드(D11)와; 상기 쇼트키다이오드(D11)를 통해 출력되는 전압을 평활하기 위한 커패시터(C11)와; 상기 커패시터(C11)의 출력전압(VO)을 검출하기 위해 소정 레벨로 분압하는 저항(R11,R12)과; 상기 저항(R11,R12)에 의해 분압된 전압을 근거로 출력전압(VO)의 레벨을 인식하여 원하는 레벨로 출력되도록 상기 엔모스 트랜지스터(MN11)의 스위칭 동작을 제어하는 제어 및 구동부(11)로 구성된 것으로, 이의 작용을 설명하면 다음과 같다.
제어 및 구동부(11)에서 출력되는 게이트신호에 의해 파워 스위칭 소자인 엔모스 트랜지스터(MN11)가 턴온, 턴오프 동작을 반복하고, 이에 의해 인덕터(L11)에서 생성되는 에너지가 쇼트키다이오드(D11)를 통해 부하(LOAD) 측으로 출력된다.
이때, 상기 인덕터(L11)는 엔모스 트랜지스터(MN11)가 턴온되었을 때 에너지를 생성한다. 이렇게 생성된 에너지는 엔모스 트랜지스터(MN11)가 턴오프되었을 때 쇼트키다이오드(D11)를 통해 부하(LOAD) 측으로 출력된다.
상기 쇼트키다이오드(D11)를 통과한 전압은 커패시터(C11)에 의해 평활처리되고, 이와 같은 과정을 통해 생성된 출력전압(VO)이 부하(LOAD) 측으로 공급된다.
상기와 같이 출력되는 출력전압(VO)이 직렬접속된 저항(R11),(R12)에 의해 분압되고, 그 분압된 피드백전압(Vfb)이 상기 제어 및 구동부(11)로 피드백된다.
상기 제어 및 구동부(11)는 상기와 같은 경로를 통해 피드백되는 피드백전압(Vfb)을 근거로 상기 출력전압(VO)의 레벨을 인식하여 목적한 레벨의 전압을 유지하도록 상기 엔모스 트랜지스터(MN11)에 게이트신호를 출력한다. 상기 엔모스 트랜지스터(MN11)에 공급되는 게이트신호로써, 펄스폭변조신호가 많이 사용된다.
도 2의 (a)는 부하량이 감소되는 것을 나타낸 파형도이고, 도 2의 (b)는 스위칭 동작에 따른 인덕터의 전류 파형을 나타낸 것이고, 도 2의 (c)는 상기 부하량 변화에 따른 출력전압(VO)의 변화를 나타낸 파형도이다.
상기 인덕터(L11)에 저장된 에너지는 프리휠링(freewheeling) 기간 동안 부하(LOAD) 측으로 전달된다. 그러나, 어떠한 이유로 인하여 부스트 컨버터에 부하(LOAD)가 존재하지 않거나 부하량이 아주 적을 경우 상기 도 2b에서와 같이 출력전압(VO)이 허용된 한계전압(VO_limit)을 상회하게 된다. 이러한 현상은 입력전압(VIN)과 출력전압(VO)의 차이가 작을수록, 턴온시간이 길수록, 부하량이 적을수록 잘 나타난다. 상기 현상을 [수학식]으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112010061150402-pat00001
여기서, VL은 입력전압(VIN)에 해당된다.
Figure 112010061150402-pat00002
여기서, iL은 엔모스 트랜지스터(MN11)의 턴온시간 동안 상승되는 인덕터(L11)의 전류이다.
Figure 112010061150402-pat00003
여기서, iIN,avg는 한 주기 동안 상기 인덕터(L11)에 공급되는 평균 입력전류량이다.
따라서, 상기 부하(LOAD)의 요구 전류가 상기 평균 입력전류량보다 작은 경우 출력전압(VO)이 상승하여 부스트 컨버터의 허용 가능한 레귤레이션 범위를 벗어나게 된다.
그럼에도 불구하고, 종래의 부스트 컨버터에 있어서는 부하가 존재하지 않거나 부하량이 아주 적을 경우에 스위칭 주파수를 낮추거나 스위칭을 하지 않는 방법등이 있었다. 하지만 인덕터의 남아 있는 에너지는 다이오드를 통해 출력으로 전달되므로 출력전압이 상승되고, 이로 인하여 출력전압이 허용된 한계전압을 벗어나 시스템이 오동작하거나 부품이 소손되는 등의 문제점이 발생되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 부스트 컨버터에서 부하가 존재하지 않거나 일정치 이하로 존재하여 출력전압이 허용범위를 벗어날 우려가 있을 때 출력단에 강제적으로 전류원을 인가하여 출력전압이 허용범위를 상회하지 않도록 하는데 있다.
본 발명의 목적들은 앞에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
파워 스위칭 소자에 의해 동작하여 그에 따라 생성되는 에너지를 저장하는 인덕터;
쇼트키다이오드를 통해 출력되는 전압을 평활하는 커패시터;
상기 커패시터의 출력전압을 검출하기 위해 소정 레벨로 분압하는 직렬저항;
상기 분압되어 피드백되는 전압을 근거로 출력전압의 레벨을 인식하여 그 출력전압이 원하는 레벨로 출력되도록 상기 파워 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 및 구동부;
상기 피드백되는 전압을 근거로 출력전압이 허용된 한계전압을 벗어나는 것을 검출하여 스위칭 제어신호를 출력하는 한계출력전압 검출기;
상기 입력전압의 크기에 따라 커지는 특성을 가지고 스위칭 제어신호에 의해 출력단에 연결되어 동작하는 전류원;
상기 스위칭 제어신호에 의해 턴온되어 상기 출력전압의 단자를 전류원에 연결하는 스위칭 소자로 구성함을 특징으로 한다.
본 발명 부스트 컨버터에서 부하가 존재하지 않거나 부하량이 일정치 이하로 떨어져 출력전압이 상승하여 허용범위를 벗어날 우려가 있을 때 출력단에 강제적으로 전류원을 인가하여 출력전압이 허용범위를 벗어나지 않도록 함으로써, 시스템이 오동작하거나 부품이 소손되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 부스트 컨버터의 회로도.
도 2의 (a)는 도 1에서 부하량의 감소를 나타낸 파형도.
도 2의 (b)는 도 1에서 스위칭에 동작에 따른 인덕터 전류의 파형도.
도 2의 (c)는 도 1에서 부하량의 변화에 따른 출력전압의 변화를 나타낸 파형도.
도 3은 본 발명에 의한 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로도.
도 4는 도 3에서 한계출력전압 검출기의 상세 회로도.
도 5는 도 3에서 전류원의 상세 회로도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 엔모스 트랜지스터(MN31)에 의해 동작하여 생성된 에너지를 저장하는 인덕터(L31); 상기 인덕터(L31)에 저장된 에너지를 출력으로 전달하기 위한 쇼트키다이오드(D31); 상기 쇼트키다이오드(D31)를 통해 출력되는 전압을 평활하기 위한 커패시터(C31); 상기 커패시터(C31)의 출력전압(VO)을 검출하기 위해 소정 레벨로 분압하는 저항(R31,R32); 상기 분압되어 피드백되는 전압(Vfb)을 근거로 출력전압의 레벨을 인식하여 원하는 레벨로 출력되도록 상기 엔모스 트랜지스터(MN31)의 스위칭 동작을 제어하는 제어 및 구동부(31); 상기 피드백되는 전압(Vfb)을 근거로 출력전압(VO)이 허용된 한계전압을 벗어나는 것을 검출하여 스위칭 제어신호(CTL)를 출력하는 한계출력전압 검출기(32); 상기 한계출력전압 검출기(32)에서 출력되는 스위칭 제어신호에 의해 턴온되어 상기 출력전압(VO)의 단자를 전류원(If)에 연결하는 스위칭소자(SW31)로 구성한다.
이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 첨부한 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제어 및 구동부(31)에서 출력되는 펄스폭변조신호 형태의 게이트신호에 의해 파워 스위칭 소자인 엔모스 트랜지스터(MN31)가 턴온, 턴오프 동작을 반복하고, 이에 의해 인덕터(L31)에서 발생되는 유도전압이 쇼트키다이오드(D1)를 통해 출력단으로 출력된다.
이때, 상기 인덕터(L31)는 엔모스 트랜지스터(MN31)가 턴온되었을 때 에너지를 생성한다. 이렇게 생성된 에너지는 엔모스 트랜지스터(MN31)가 턴오프되었을 때 쇼트키다이오드(D31)를 통해 부하로 출력된다.
상기 쇼트키다이오드(D31)를 통과한 전압은 커패시터(C31)에 의해 평활처리되고, 이와 같은 과정을 통해 생성된 직류성분의 출력전압(VO)이 부하(LOAD) 측으로 공급된다.
상기와 같이 출력되는 출력전압(VO)이 직렬접속된 저항(R31),(R32)에 의해 분압되고, 그 분압된 피드백전압(Vfb)이 상기 제어 및 구동부(31)와 한계출력전압 검출기(32)로 피드백된다.
제어 및 구동부(31)는 상기 피드백전압(Vfb)을 근거로 상기 출력전압(VO)의 레벨을 인식하여 목적한 레벨의 전압을 유지하도록 상기 엔모스 트랜지스터(MN31)에 해당 듀티비의 게이트신호를 출력한다.
한편, 어떠한 이유로 인하여 부스트 컨버터에 부하(LOAD)가 존재하지 않거나 부하량이 아주 적을 경우 도 2의 (c)에서와 같이 출력전압(VO)이 미리 설정된 허용범위를 벗어나게 된다. 이를 방지하기 위하여, 상기 한계출력전압 검출기(32)는 상기 피드백전압(Vfb)을 근거로, 상기 출력전압(VO)이 허용범위 이상으로 상승되는 것을 검출하여 스위칭소자(SW31)를 턴온시키기 위한 스위칭제어신호(CTL)를 출력한다.
이에 따라, 상기 스위칭소자(SW31)가 턴온되어 상기 출력전압(VO)의 단자가 그 스위칭 소자(SW31)를 통해 출력전압(VO)의 단자가 전류원(If)에 연결된다. 이로 인하여 상기 출력전압(VO)이 상기 허용범위 이하로 유지된다.
도 4는 상기 한계출력전압 검출기(32)의 일실시 구현예를 나타낸 상세 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 상기 출력전압(VO)으로부터 분배된 피드백전압(Vfb)을 허용된 미리 설정된 한계전압(VO_limit)과 비교하여 '하이' 또는 '로우'의 전압을 출력하는 비교기(CP41); 상기 비교기(CP41)의 출력신호(CTLb)를 반전시켜 스위칭제어신호(CTL)로 출력하는 인버터(I41); 상기 스위칭제어신호(CTL)에 의해 턴온되어 출력전압(VO)의 단자를 전류원(If)에 연결하는 피모스 트랜지스터(MP41)로 구성된다.
비교기(CP41)는 상기 저항(R31),(R32)에 의해 분압출력되는 피드백전압(Vfb)을 허용된 한계전압(VO_limit)과 비교하여 '하이' 또는 '로우'의 스위칭제어신호(CTLb)를 출력한다.
노멀 상태에서는 상기 피드백전압(Vfb)이 허용된 한계전압(VO_limit)보다 낮게 되므로, 상기 비교기(CP41)에서 '로우'의 스위칭제어신호(CTLb)를 출력한다. 상기 '로우'의 스위칭제어신호(CTLb)는 인버터(I41)를 통해 '하이'의 스위칭제어신호(CTL)로 반전되어 피모스 트랜지스터(MP41)의 게이트에 전달된다. 이에 따라 상기 피모스 트랜지스터(MP41)가 오프 상태로 유지된다. 따라서, 상기 출력전압(VO)의 단자가 전류원(If)에 연결되지 않는다.
그러나, 어떠한 이유로 인하여 부스트 컨버터에 부하(LOAD)가 존재하지 않거나 부하량이 아주 적을 경우 도 2의 (c)에서와 같이 출력전압(VO)이 상승되어 상기 피드백전압(Vfb)이 허용된 한계전압(VO_limit)을 상회하게 된다. 이에 따라, 상기 비교기(CP41)에서 '하이'의 스위칭제어신호(CTLb)가 출력된다. 상기 '하이'의 스위칭제어신호(CTLb)는 인버터(I41)를 통해 '로우'의 스위칭제어신호(CTL)로 반전되어 상기 피모스 트랜지스터(MP41)의 게이트에 전달된다. 이에 따라 상기 피모스 트랜지스터(MP41)가 턴온된다. 따라서, 상기 출력전압(VO)의 단자가 전류원(If)에 연결된다. 이로 인하여, 출력전압(VO)이 더 상승되어 허용범위를 상회하지 못하고, 그 이하로 유지된다.
상기 피모스 트랜지스터(MP41)는 상기 도 3에서 스위칭소자(SW31)에 해당된다.
한편, 도 5는 본 발명에 따라 구현된 상기 전류원(If)의 상세 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 상기 한계출력전압 검출기(32)의 비교기(CP41)에서 출력되는 스위칭제어신호(CTLb)를 반전시켜 출력하는 인버터(I51); 상기 인버터(I51)의 출력전압에 의해 턴온되는 피모스 트랜지스터(MP51); 상기 피모스 트랜지스터(MP51)를 통해 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항(Rf); 피모스 트랜지스터(MP51) 및 저항(Rf)을 통해 공급되는 전류에 의해 구동되어 상기 출력전압(VO)을 허용범위 이하로 하강시키는 엔모스 트랜지스터(MN51),(MN52)로 구성된 전류미러로 구성된다.
상기 설명에서와 같이 어떠한 이유로 인하여 부스트 컨버터에 부하(LOAD)가 존재하지 않거나 부하량이 아주 적을 경우, 상기 한계출력전압 검출기(32)의 비교기(CP41)에서 출력되는 '하이'의 스위칭제어신호(CTLb)가 인버터(I51)에 입력되어 이로부터 '로우'가 출력된다.
그리고, 상기 인버터(I51)에 출력되는 '로우'에 의해 피모스 트랜지스터(MP51)가 턴온된다. 이에 따라, 입력전압(VIN)의 단자가 상기 피모스 트랜지스터(MP51) 및 저항(Rf), 엔모스 트랜지스터(MN52)와 함께 전류미러를 구성하는 엔모스 트랜지스터(MN51)의 드레인에 연결된다. 따라서, 상기 엔모스 트랜지스터(MN51)를 통해 소정의 전류가 흐르게 된다.
이에 따라, 상기 출력전압(VO)의 단자가 상기 피모스 트랜지스터(MP41) 및 상기 엔모스 트랜지스터(MN52)를 순차적으로 통해 접지단자로 연결된다. 따라서, 상기 출력전압(VO)이 허용범위 이하로 하강된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
31 : 제어 및 구동부
32 : 한계출력전압 검출기

Claims (4)

  1. 파워 스위칭 소자에 의해 동작하여 그에 따라 생성된 에너지를 저장하는 인덕터;
    쇼트키다이오드를 통해 출력되는 전압을 평활하는 커패시터;
    상기 커패시터의 출력전압을 검출하기 위해 소정 레벨로 분압하는 직렬저항;
    상기 분압되어 피드백되는 전압을 근거로 출력전압의 레벨을 인식하여 그 출력전압이 원하는 레벨로 출력되도록 상기 파워 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 및 구동부;
    상기 피드백되는 전압을 근거로 출력전압이 허용된 한계전압을 벗어나는 것을 검출하여 스위칭 제어신호를 출력하는 한계출력전압 검출기;
    상기 스위칭 제어신호에 의해 턴온되어 상기 출력전압의 단자를 전류원에 연결하는 스위칭 소자로 구성한 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로.
  2. 제1항에 있어서, 파워 스위칭 소자는 모스 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로.
  3. 제1항에 있어서, 한계출력전압 검출기는
    상기 피드백되는 전압을 허용된 한계전압과 비교하여 그 피드백전압이 한계전압보다 높을 때 상기 스위칭소자를 턴온시키기 위한 스위칭제어신호를 출력하는 비교기와;
    상기 비교기에서 출력되는 스위칭제어신호를 반전출력하는 인버터와;
    상기 인버터에서 출력되는 스위칭제어신호에 의해 턴온되어 상기 출력전압의 단자를 전류원에 연결하는 모스 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로.
  4. 제1항에 있어서, 전류원은
    상기 한계출력전압 검출기에서 출력되는 스위칭제어신호를 반전시켜 출력하는 인버터;
    상기 인버터의 출력전압에 의해 턴온되는 피모스 트랜지스터;
    상기 피모스 트랜지스터를 통해 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항;
    모스 트랜지스터 및 저항을 통해 공급되는 전류에 의해 구동되어 상기 출력전압을 허용범위 이하로 하강시키는 제1,2엔모스 트랜지스터로 구성된 전류미러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터의 출력전압 안정화 회로.
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