KR101145551B1 - 동기식 정류기 - Google Patents

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톰슨 라이센싱
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Abstract

개시된 실시예는 전력 공급기에서의 전력 손실을 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 자신이 도전 상태일 때에 제1 신호(S2)를 기준 레벨(접지)에 결합하는 수단(214)과, 제2 신호(S3)의 주기의 일부의 지속시간 동안 결합 수단을 도전 상태에 두는 수단(202,204)과, 제2 신호의 진폭에 응답하여 결합 수단의 도전의 지속시간을 변화시키는 수단(206)을 포함하는 장치가 제공된다.
전력 공급기, 변압기, 1차 권선, 2차 권선, 결합 수단

Description

동기식 정류기{SYNCHRONOUS RECTIFIER}
본 발명은 전반적으로 전력 공급기 분야에 관한 것으로, 특히 스위치 모드 전력 공급기에서 동기식 정류의 이용에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전형적인 스위치 모드 전력 공급기(SMPS)는 1차측 컴포넌트(150)와 2차측 컴포넌트를 포함한다. "핫 사이드(hot side)"라고도 불리는 1차측 컴포넌트는 스위치 모드 제어기(106), 스위치 모드 금속 산화물 반도체(MOSFET, 108), MOSFET 히트싱크(heatsink, 110), 전류 감시 저항(120), 서지 억제 캐패시터(surge suppression capacitor, 114), 1차 권선(120)과 2차 권선(118)을 구비하는 변압기(116), 정규기 다이오드(102), 필터 캐패시터(104) 및 광 격리기(opto-isolator, 126)를 포함한다. 2차측 또는 "콜드 사이드(cold side)" 컴포넌트는 2차 변압기 권선(122,124) 및 각각의 싱크 히트(130,138)와 필터 캐패시터(132,134)를 가지는 정류기 다이오드(128,136)를 포함한다. 전체 스위치 모드 공급기는 비조정 전원(100)으로부터 전력이 공급된다. 제어기(106)는 구동 신호 VD를 MOSFET(108)에 제공하여 변압기(116)의 1차 권선(120)에 전류를 생성한다. 변압기(116)의 2차 권선(118)은 전원을 제공하여, 다이오드(102) 및 캐패시터(104)에 의해서 각각 정류되고 필터링되는 때에 전압 VDD를 제어기(106)에 제공한다. 피드백 신호 VFB가 정류되고 필터링된 2차 공급기 +12V로부터 발생되어 광 격리기(126)를 통해서 제어기(106)로 피드백되어서, MOSFET(108)의 스위칭 온(on) 및 오프(off)를 제어하기 위한 피드백 루프를 확립한다. 피드백 신호 VFB와 제어기(106)의 기준 값의 비교 및 피드백 신호와 기준 레벨 사이의 차에 응답하는 MOSFET(108)의 도전 싸이클의 변화에 의해서, SMPS의 동작 레벨의 조정이 구현될 수 있다. 저항(112)은 전류 모드 제어기(106)로의 전류 피드백 신호의 역할을 하는, MOSFET(108)를 흐르는 1차 전류를 감지한다. 전류 모드 제어를 이용하면, 과부하 조건하에서 스위치 모드 공급기로부터 과도 전류가 인출되는 것을 방지한다. 다이오드(128,136)에 의해서 변압기(116) 2차 권선(112,124)으로부터의 신호를 각각 정류함으로써, 조정된 출력 전압 +6.5V 및 +12V가 발생되어 캐패시터(132,134)에 의해서 각각 필터링된다. 권선(122,124)에서 발생된 신호의 정류는 접지와 공급기 출려 사이에서 그 각각의 권선과 직렬 접속된 다이오드에 의해서 행해질 수 있을 것이다. 이와 같이 기술된 전형적인 SMPS에서, 다이오드 중 하나(128)가 특정 공급기의 양의 출력에 캐소드를 접속한 채 배치되어, 다이오드(128)의 애노드와 캐소드 모두가 접지로부터 떨어지게 한다. 예시적인 +12V 공급기에서, 다이오드(136)는 그 애노드가 접지에 접속되도록 배치된다. 이러한 예시적인 스위치 모드 공급기에서 기술된 타입의 정류기에서, 비효율성의 큰 원인은 종종 정류기 다이오드 양단에서의 전압 강하이다. 보다 높은 전력 공급기에서 다이오드 양단의 전압 강하 에 의해서 도입되는 비효율성은 심각할 수 있어서, 히트 싱킹과, 가능하게는 강제 공기 냉각과 같은 적극적인 수단을 요구한다.
정류기 효율을 향상시키기 위하여, 트랜지스터, 통상적으로는 MOSFET가 다이오드를 대체하는 저전압 강하 스위치로서 이용될 수 있을 것이다. 이러한 기술은 동기식 정류로 불린다. 동기식 정류는 정류되는 신호의 적절한 부분 동안에 MOSFET를 턴 온 또는 턴 오프하는 동기식 정류기에의 구동의 제어를 요구한다. MOSFET의 도전을 제어하는 데에는 집적 회로 제어기가 종종 이용된다. ST Microelectronics STS-R3 또는 Anachip AP436과 같은 집적 회로는 적당히 고가이며, 4 내지 8개의 부가적인 외부 컴포넌트를 요구한다. 이들 IC는 종종 클럭 생성 회로 및 동기식 정류기 MOSFET의 온/오프 제어를 결정하기 위한 기타 복잡한 방법을 포함한다. 본 발명은 스위치 모드 전력 공급기에서 동기식 정류의 저가 구현을 제공하는 데에 이산적인(discrete) 컴포넌트를 이용할 수 있는 덜 복잡한 제어 회로를 포함한다.
<발명의 개요>
원래 청구된 발명과 범위가 동일한 몇몇 측면이 아래에 기술된다. 그러나, 본 발명은 아래에 기술되지 않을 수도 있는 다양한 측면을 포함할 수 있을 것이다.
개시된 실시예들은 자신이 도전 상태가 되는 경우에 제1 신호를 기준 레벨에 결합하도록 구성되는, 가능하게는 트랜지스터와 같은 제1 디바이스와, 제1 신호와는 위상이 다른 제2 신호에 응답하며, 제2 신호의 주기의 일부 동안에 제1 디바이스의 도전을 제어하도록 구성되는, 가능하게는 미분기 또는 고역 통과 필터와 같은 제2 디바이스와, 제2 신호의 진폭에 응답하며, 제1 디바이스의 도전의 지속시간을 변경하도록 구성되는, 가능하게는 다이오드 피크(peak) 검출기와 같은 검출기를 포함하는 장치에 관한 것이다. 이러한 장치에서, 검출기는 제2 신호의 진폭의 증가에 응답하여 제1 디바이스의 도전의 지속시간을 감소시킬 수 있을 것이다.
다른 실시예는 자신이 도전 상태인 경우에 제1 신호를 기준 레벨에 결합하는 수단과, 제2 신호의 주기의 일부의 지속시간 동안에 상기 결합 수단을 도전 상태로 두는 수단과, 상기 제2 신호의 진폭에 응답하여 상기 결합 수단의 도전의 지속시간을 변경시키는 수단을 포함한다.
또 다른 실시예는 디바이스의 도전에 의해서 제1 신호를 기준 레벨에 결합하는 단계와, 제2 신호를 미분하는 단계와, 미분된 제2 신호에 응답하여 디바이스의 도전을 제어하는 단계와, 제2 신호의 진폭에 응답하여 디바이스의 도전을 변경하는 단계를 포함하는 방법이다. 이러한 방법의 변형은 제2 신호의 진폭의 증가에 응답하여 디바이스의 도전의 지속시간을 감소시키는 것을 포함할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는 각 도면에서 유사한 요소가 동일한 참조 부호를 가지는 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 전형적인 스위치 모드 전력 공급기의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 3은 주 스위칭 MOSFET(108)의 드레인 전압의 대표적인 파형을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 동기식 정류기 MOSFET의 드레인 전압과 게이트 전압의 대표적인 파형을 도시하는 도면.
도 2에 도시된 이산적인 제어 신호의 실시예는 저가의 동기식 정류기 제어기에 대한 요구를 충족한다. 도 2는 전자 장치 애플리케이션에서 이용되는 대표적인 스위치 모드 전력 공급기를 도시한다. 1차측 회로(150)는 전형적인 스위치 모드 전력 공급기이며, 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있으며, 전술한 것과 유사하다. 스위치 모드 변압기(116)는 상이한 공급 전압을 발생시키는 다수의 2차 권선(122,124)을 가진다. 이러한 시스템에서 다이오드(128)는 통상적인 정류기로서 이용된다. +6.5V 공급기에 대한 이러한 높은 측의 정류기의 이용은 권선(122)으로부터 신호 S3을 정류하여 +6.5V 공급기를 생성하고, 다이오드(128)에서의 AC 신호 S3가 동기식 정류기 MOSFET(214)를 구동하는 스위칭 제어 신호를 발생시키는 데에 이용가능하게 하는 이중의 목적에 기여한다. MOSFET 트랜지스터는 MOSFET의 도전 시간을 제어하고, 도전이 펄스 파형의 원하는 부분과 일치하도록 함으로써 정류기(동기식 정류)로서 이용될 수 있다. MOSFET는 Schottky 다이오드보다도 훨씬 낮은 전압 강하를 가질 수 있기 때문에, 전력 공급기의 효율이 향상될 수 있다. 동기식 정류가 이용되는 대부분의 경우에, 다이오드를 냉각하는 데에 통상적으로 이용되는 대형 싱크히트를 제거하는 것이 가능하다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, MOSFET(214)은 소스가 2차측 접지에 접속되도록 배치된다. 이러한 구성은 MOSFET(214)로의 구동 신호의 생성을 단순하게 한다. 동기식 정류기(214)의 게이트 구동을 위한 제어 전압은 신호 S3으로부터 발생된다. 펄스 신호 S3은 MOSFET(214)의 드레인에 나타나는 신호 S2와는 반대 극성을 가진다. 이러한 위상 역전은 권선(122,124)의 위상에 의해서 결정되며, 신호 S2가 가장 음인 레벨일 때에 신호 S3의 극성이 MOSFET 게이트를 턴 온하는 데에 요구되는 위상이 되도록 행해진다. 신호 S2가 최대 음의 레벨인 때에 MOSFET(214)의 드레인에서 소스로의 도전은 신호 S2를 접지에 클램핑(clamping)하여, 신호 S2를 정류하여 +12V 출력을 생성한다. 제어기(106)는, 신호 S3의 양의 부분이 보다 높은 라인 전압에서 지속시간이 증가하는 것과 같이, 신호 S2 및 S3이 다양한 듀티 싸이클(duty cycle)을 가지도록 설계된다. 결과적으로, MOSFET(214)에서의 펄스의 지속시간을 줄여서 MOSFET에 대한 적당한 도전 시간을 제공하여 신호 S2가 음의 레벨인 경우에만 MOSFET(214) 도전을 확실히 하는 수단이 요구된다. 캐패시터(202) 및 저항(204)은 MOSFET(214) 게이트를 위한 구동 파형을 생성하기 위하여 신호 S3의 파형을 미분하여 고역 통과 필터를 형성한다. 파형의 미분은 MOSFET(214)의 도전 시간을 감소시키는 것을 도와, MOSFET(214)가 드레인에서의 전압이 음일 때, 또는 그 후에 턴 온하고, 드레인 전압이 상승하는 때 또는 그 후에 턴 오프된다. (다이오드(128)와 같은 통상적인 정류기 다이오드와 비교할 때에) 저전력 다이오드(136)는, 가능하게는 신호 S2의 음의 익스커전보다 지속시간이 작을 수 있는 MOSFET(214)에의 게이트 구동 간격에 기인하여, MOSFET가 턴 온되지 않을 수 있는 시간인 신호 S2의 음의 익스커전(excursion) 동안에 도전한다. 다이오드(136)에 대하여 방금 기술한 기능은 MOSFET(214) 내의 내부 기생 다이오드에 의해서 수행될 수도 있다. 다이오드(206) 및 캐패시터(208)는 신호 S3을 정류하여 비조정 전원(100)( 및 AC 라인 입력 전압) 값에 비례하는 음의 바이어스 전압을 발생시킨다. 음의 바이어스가 증가함에 따라, MOSFET(214)의 게이트에서의 평균 전압을 감소시켜서, MOSFET의 도전 시간을 감소시킨다. 저항(210,204)에 의해서 형성되는 전압 분배기는 다이오드(206) 및 캐패시터(208)에 의해서 발생된 음의 바이어스를 스케일링하여 게이트 구동에 부가되는 음의 바이어스의 원하는 범위를 확립한다. MOSFET(214)의 게이트의 이러한 음의 바이어스는 높은 라인 전압에서의 과도한 도전( 및 증가된 손실)을 방지한다. 저항(200)은 다이오드(206)에 의해서 형성되는 음의 공급기에 대한 전류 제한을 제공한다. 저항(212)은 MOSFET(214)에의 구동 전압의 상승 시간을 감소시켜서 고속 스위칭 변화에 기인하는 방사된 잡음을 최소화한다.
도 3에 도시된 파형은 스위치 모드 MOSFET(110)의 드레인에서의 신호 S1을 도시하며, 이러한 전압은 변압기(116)의 권선(120) 상의 1차 전압이다. 도 4의 상부의 선은 2차 권선(124)에 유도되는 신호 전압 S2를 도시하며, 이것은 동기식 정류기 MOSFET(214)의 드레인 상의 전압과 같다. 도 4의 하부의 선은 MOSFET(214)에의 게이트 구동을 도시한다. MOSFET(214)의 도전 임계값은 도 4에서 R1 및 R2로 도시된 바와 같이 대략 2.5V 내지 3.0V이다. 도전 임계값을 통과하는 게이트 구동 신호의 시간에서의 지점을 도 4의 상부 그래프 내의 드레인 전압 파형 상에 투영하면, 신호 S2의 음의 익스커전의 간격 내에서 MOSFET(214) 도전이 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다. 도 4의 게이트 구동 파형으로부터, 보다 높은 라인 전압에서 발생하는 것과 같이, 검출기(206)를 통해서 MOSFET(214)의 게이트에 인가되는 음의 바이어스가 증가되면, 게이트 구동 전압이 도전 임계값 R1 또는 R2 보다 높은 기간이 감소됨 또한 알 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참고하여 기술되었지만, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 실시예에 대한 다양한 변경이 이루어질 수 있음은 명백하다.

Claims (28)

  1. 동기식 정류기 장치로서,
    변압기와,
    입력 전원 전압(input supply voltage)의 소스와,
    상기 입력 전원 전압을 상기 변압기에 주기적으로 연결(coupling)하여 상기 변압기의 제1 권선에서 교류 전류 전원 전압을 생성하는 제1 스위칭 트랜지스터와,
    상기 제1 권선에 연결되고, 상기 교류 전류 전원 전압을 정류하여 부하(load)에 연결되는 정류된 출력을 생성하는 동기식 정류기를 형성하는 제2 스위칭 트랜지스터와 - 상기 제2 스위칭 트랜지스터는 상기 교류 전류 전원 전압의 주기의 일부 동안 도전 상태가 됨 -,
    상기 제1 스위칭 트랜지스터가 상기 입력 전원 전압을 상기 변압기에 연결할 때, 상기 주기의 일부 동안, 상기 입력 전원 전압에 응답하여 상기 제2 스위칭 트랜지스터에 연결되는 제1 제어 신호를 전개(developing)시키는 검출기 - 상기 검출기는, 상기 입력 전원 전압의 크기를 검출하고, 상기 크기에 따라, 상기 주기 동안, 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 도전 지속 시간을 변경시키는 방식으로 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 도전이 종료하게 되는 때를 변경시키도록 구성됨 -
    를 포함하는 동기식 정류기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 입력 전원 전압 크기의 증가에 응답하여 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 상기 도전 지속 시간을 감소시키는 동기식 정류기 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터는 상기 제1 권선과 기준 레벨 간에 연결되는 동기식 정류기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터는 금속 산화물 반도체(metal-oxide-semiconductor)를 포함하는 동기식 정류기 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변압기는 미분 디바이스(differentiating device)를 통해 상기 변압기로부터 상기 제2 스위칭 트랜지스터로 연결되는 타이밍 정보를 포함하는 제2 제어 신호를 생성하고,
    상기 제2 제어 신호는 상기 입력 전원 전압 크기에 따라 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 도전 시간을 변경시키는 동기식 정류기 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미분 디바이스는 고역 통과 필터(high-pass filter)를 포함하는 동기식 정류기 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고역 통과 필터는 캐패시터 및 저항을 포함하는 동기식 정류기 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터는, 상기 변압기의 권선에서 생성된 신호에 응답하여 상기 주기 동안 상기 제2 스위칭 트랜지스터내의 도전이 시작하는 때를 제어하는 동기식 정류기 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터 양단에 전개되는 전압은 상기 교류 전류 전원 전압의 위상과 반대(opposite)의 위상인 동기식 정류기 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 변압기의 권선에서 전개되는 신호의 피크 값(peak value)에 응답하는 동기식 정류기 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 검출기는 다이오드를 포함하는 동기식 정류기 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 동기식 정류기 장치로서,
    변압기와,
    입력 전원 전압의 소스와,
    상기 입력 전원 전압 소스를 상기 변압기에 주기적으로 연결하여 상기 변압기의 제1 권선에서 주기적 전원 전압을 생성하는 제1 스위칭 트랜지스터와,
    상기 제1 권선에 연결되고, 상기 주기적 전원 전압을 정류하여 부하에 연결된 정류된 출력을 생성하는 동기식 정류기를 형성하는 제2 스위칭 트랜지스터와,
    상기 변압기의 권선에서 전개되는 신호에 응답하여, 제1 스위치 제어 신호 및 타임 시프트된(time shifted) 제2 스위치 제어 신호를 생성하는 펄스 생성기와 - 상기 제1 스위치 제어 신호 및 제2 스위치 제어 신호 양자 모두는 상기 제2 스위칭 트랜지스터에 연결되어 동기식 정류를 제공하기 위해 상기 제2 스위칭 트랜지스터에서, 도전이 시작하는 때와 도전이 종료하는 때를 각각 주기적으로 제어함 -,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터에 연결된 상기 변압기의 권선에서 전개되는 신호를 검출하고, 상기 검출된 신호에 따라 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 도전 시간을 변경시키는 검출기
    를 포함하는 동기식 정류기 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 입력 전원 전압의 크기를 검출하고, 상기 입력 전원 전압의 크기의 대응하는 변경에 따라 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 상기 도전의 지속 시간을 변경시키도록 구성되는 동기식 정류기 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 검출기는, 상기 펄스 생성기에서 상기 제1 및 상기 타임 시프트된 스위치 제어 신호를 생성하는데 이용되는 상기 변압기의 동일한 권선에서 생성되는 동일한 신호를 수신하도록 연결되는 동기식 정류기 장치.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 펄스 생성기는 미분기를 포함하는 동기식 정류기 장치.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 제1 스위치 제어 신호 및 상기 타임 시프트된 스위치 제어 신호는, 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 인가되는 조합 제어 신호의 반대 방향으로 각각 변하는 변이 에지들(transition edges)을 형성하는 동기식 정류기 장치.
  28. 동기식 정류기 전원 장치로서,
    변압기와,
    입력 전원 전압의 소스와,
    상기 입력 전원 전압 소스를 상기 변압기에 주기적으로 연결하여 상기 변압기의 제1 권선에서 주기적 전원 전압을 생성하는 제1 스위칭 트랜지스터와,
    상기 제1 권선에 연결되고, 상기 주기적 전원 전압을 정류하여 부하에 연결되는 정류된 출력을 생성하여 동기식 정류기를 형성하는 제2 스위칭 트랜지스터와,
    상기 변압기의 권선에서 전개되는 신호에 응답하여, 스위치 제어 신호를 생성하는 미분기와 - 상기 스위치 제어 신호는 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 연결되어 동기식 정류를 제공하기 위해 상기 제2 스위칭 트랜지스터에서 스위칭 동작을 제어함 -,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 연결되는 제2 제어 신호를 생성하기 위해 상기 변압기의 권선에서 전개되는 신호를 피크 정류하고, 이에 따라 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 도전 시간을 변경시키는 피크 정류기
    를 포함하는 동기식 정류기 전원 장치.
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