KR101215074B1 - 전류 제어 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전류 제어 전원 공급 장치(LED DRIVING DEVICE)에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치는, 부하단과 전류 제어 전원 공급 장치 사이의 전기적 절연을 위해 플라이백 컨버터를 이용한다. 본 발명에서는 플라이백 구조를 갖는 변압기(플라이백 컨버터)에 있어서 변압기의 1차 권선에서의 전류를 센싱하여 2차측에 흐르는 전류값을 예측하여 부하단에 흐르는 전류를 제어하는 장치가 개시된다. 종래에는 2차측에 옵토 커플러, 앰프 등을 사용하여 2차측의 부하단에 흐르는 전류를 감지하여 이를 피드백 신호로 하여 스위칭을 제어하였으나, 본 발명에서는 이러한 옵토 커플러 및 앰프 등을 사용하지 않고 변압기의 특성을 이용하여 제1 샘플러는 1차 권선에 흐르는 전류를 감지하여 피크값을 검출하고, 이 값을 적분하여 부하단에 흐르는 전류의 평균값을 산출하여 피드백전압을 통해 스위치의 듀티(duty) 또는 온(on) 시간을 늘리거나 줄이면서 제어를 하게 된다.
또한 입력전원의 주기에 따라 적분기와 제2 샘플러에 리셋(reset)신호를 전달함으로써 스위치의 듀티(duty) 또는 온(on) 시간을 갱신하는 레벨 디텍터(level detector)을 포함하여 입력전압과 부하단에 흐르는 전류의 위상을 조절하여 역률을 높여 전력의 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.

Description

전류 제어 전원 공급 장치{POWER SUPPLY FOR CONTROLLING CURRENT}
본 발명은 전력 공급기, 특히 플라이백 구조를 갖는 변압기(플라이백 컨버터)에 있어서 스위칭 파워 컨버터의 출력전류를 제어하여 부하단의 전류를 제어하는 구동 장치에 대한 발명이다.
일반적으로 사용되는 전기, 전자장치와 같은 부하들은 교류전원으로부터 전력을 공급받는 특성상 부하가 연결되는 출력단에 대한 전기적 절연을 필요로 한다. 이를 위해 전류 제어 전원 공급 장치는 변압기를 이용하여 교류전원이 연결된 구동회로 1차측과 부하가 연결되는 2차측을 절연하며, 2차측에 연결되는 부하에 흐르는 전류 정보를 1차측에 전달하여 피드백 제어를 하게 된다. 종래에는 변압기로 인한 전기적 절연으로 전기 신호를 직접 피드백 할 수 없어 옵토 커플러와 별도의 비교기를 사용하였다.
도 1에 도시된 종래의 전류 제어 전원 공급 장치는 입력 교류전압을 직류전압으로 정류시키고, 정류된 1차측의 입력 직류전압을 플라이백 컨버터를 이용하여 2차측에 전달하게 된다. 부하단에 흐르는 전류는 센스저항에 의해 결정되는 전압으로 변환되고 이 전압과 비교기의 기준전압을 비교하여 적분하여 비교기의 출력전압을 얻게 된다. 이 출력전압은 부하단에 흐르는 전류의 크기가 클수록 낮아지므로, 결국 옵토 커플러에 흐르는 전류는 부하단에 흐르는 전류에 비례하여 증가하고 피드백 전압이 상승하게 된다. 피드백 전압이 증가하면 스위칭 제어부에서 1차 권선에 흐르는 전류의 도통시간을 줄이게 된다. 반대로 부하단에 흐르는 전류의 크기가 감소하면 1차 권선에 흐르는 전류의 도통시간이 증가되어, 부하단에 흐르는 전류를 기준전압에 대응하는 전류의 크기로 제어하게 된다.
이러한 종래의 전류 제어 전원 공급 장치는 옵토 커플러와 추가비교기를 사용하여 비용적인 측면에서 불리하며, 특히 백열등을 대체하는 경우 공간적 제약이 따르는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 옵토 커플러와 비교기를 사용하지 않고 변압기의 특성을 이용하여 1차 권선에 흐르는 전류를 샘플링하여 부하단에 흐르는 전류의 평균값을 예측하고, 그 예측값을 통해 스위칭을 제어하는 전류 제어 전원 공급 장치를 구현하는 것이다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는, 부하단에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 전원 공급 장치에 있어서 역률을 개선하여 전력손실을 줄이는 데 있다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치는, 1차 권선에 흐르는 1차전류를 2차 권선에 흐르는 2차전류로 변환하여 부하단에 공급하는 변압기, 1차전류의 피크값을 샘플링하는 샘플러, 1차전류의 피크값에 비례하는 신호를 이용하여 상기 부하단에 흐르는 전류의 평균값에 비례하는 신호를 출력하는 적분기, 상기 적분기의 출력신호를 통해 상기 1차전류가 흐르는 시간을 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 , 1차 권선 양단에 인가되는 전압을 센싱하여 에너지 시간을 구하여 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해, 변압기에 보조 권선을 달아서 1차 권선에 인가되는 동일파형의 전압을 얻고, 이를 통해 1차 권선의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하여 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해, 1차 권선과 스위치 연결부분의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하여 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해, 스위치 연결부분의 전압이 상기 1차측에 걸리는 전압보다 커지기 시작할 때부터 양 전압이 다시 같아질 때까지의 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 1차 전류를 온/오프 시키는 스위치를 더 포함하고, 상기 샘플러는 상기 스위치가 온인 동안 1차 전류를 샘플링하고, 오프되는 순간의 1차 전류를 상기 1차 전류의 피크값으로 홀딩하며, 상기 스위칭 제어부는 상기 적분기의 출력 신호를 통해 상기 스위치의 턴 온 시간을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기에 리셋(reset)신호를 전달하는 레벨 디텍터(level detector)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호와 소정의 제1 레퍼런스 값(Vref1)과의 차이를 적분하고, 상기 변압기에서 에너지가 전달되지 않는 동안은 상기 제1 레퍼런스 값(Vref1)의 음의 값을 적분하는 것을 특징으로 하고, 상기 적분기로부터 전달받은 값을 소정의 제3 레퍼런스 값(Vref2+△V)과 비교하는 제 1 비교기, 상기 적분기로부터 전달받은 값을 소정의 제4 레퍼런스 값(Vref2-△V)과 비교하는 제 2 비교기, 상기 적분기로부터 전달받은 값이 상기 제3 및 제4 레퍼런스 값 사이에 해당되도록 상기 두 개의 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기의 출력 신호를 샘플링 및 홀딩하여 상기 스위칭 제어부에 전달하는 제2 샘플러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호와 소정의 제1 레퍼런스 값(Vref1)과의 차이를 적분하고, 상기 변압기에서 에너지가 전달되지 않는 동안은 상기 제1 레퍼런스 값(Vref1)의 음의 값을 적분하는 적분기인 것을 특징으로 하고, 상기 제2샘플러로부터 전달받은 값을 소정의 제2 레퍼런스 값(Vref2)과 비교하는 비교기, 상기 적분기로부터 전달받은 값과 상기 제2 레퍼런스 값의 차이가 소정 범위 이내이도록 상기 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 부하단은 하나 이상의 발광소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치는, 1차 전류를 2차 전류로 변환하여 부하단에 공급하는 변압기, 상기 1차 전류의 피크값을 샘플링하는 제1 샘플러, 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 이용하여 상기 부하단에 흐르는 전류의 평균값에 비례하는 신호를 출력하는 적분기, 상기 적분기의 출력 신호를 샘플링하는 제2 샘플러, 적분기와 제2 샘플러에 리셋(reset)신호를 전달하는 레벨 디텍터(level detector), 상기 제2 샘플러의 출력 신호를 통해 상기 1차 전류가 흐르는 시간을 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 레벨 디텍터는, 입력전압의 주기에 따라 적분기의 적분 주기와 제2 샘플러의 샘플링 주기를 갱신하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 레벨 디텍터는 입력전원의 반주기마다 스위치 온 시간을 갱신하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 1차 권선 양단에 인가되는 전압을 센싱하여 에너지 전달시간을 구하여 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 상기 변압기에 보조 권선을 달아서 1차 권선에 인가되는 동일파형의 전압을 얻고, 이를 통해 1차 권선의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하고 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 1차 권선과 스위치 연결부분의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하고 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 상기 1차측과 상기 스위치 연결부분의 전압이 상기 1차측에 걸리는 전압보다 커지기 시작할 때부터 양 전압이 다시 같아질 때까지의 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 1차 전류를 온/오프 시키는 스위치를 더 포함하고, 상기 제1 샘플러는 상기 스위치가 온인 동안 1차 전류를 샘플링하고, 오프되는 순간의 1차 전류를 상기 1차 전류의 피크값으로 홀딩하며, 상기 레벨 디텍터는 입력 전압의 주기에 따라 상기 적분기에 리셋(reset)신호를 전달하며, 상기 제2 샘플러는 상기 레벨 디텍터의 리셋(reset)신호가 로우(low)인 동안 상기 적분기의 출력 신호를 샘플링하고, 상기 레벨 디텍터의 리셋(reset)신호가 하이(high)인 경우에 상기 적분기의 출력 신호를 홀딩하여 상기 스위칭 제어부에 전달하며, 상기 스위칭 제어부는 상기 제2 샘플러로부터의 상기 적분기의 출력 신호를 통해 상기 스위치의 턴 온 시간을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호와 소정의 제1 레퍼런스 값(Vref1)과의 차이를 적분하고, 상기 변압기에서 에너지가 전달되지 않는 동안은 상기 제1 레퍼런스 값(Vref1)의 음의 값을 적분하는 적분기인 것을 특징으로 하고, 상기 제2샘플러로부터 전달받은 값을 소정의 제2 레퍼런스 값(Vref2)과 비교하는 비교기, 상기 적분기로부터 전달받은 값과 상기 제2 레퍼런스 값의 차이가 소정 범위 이내이도록 상기 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호와 소정의 제1 레퍼런스 값(Vref1)과의 차이를 적분하고, 상기 변압기에서 에너지가 전달되지 않는 동안은 상기 제1 레퍼런스 값(Vref1)의 음의 값을 적분하는 것을 특징으로 하고, 상기 제2 샘플러로부터 전달받은 값을 소정의 제3 레퍼런스 값(Vref2+△V)과 비교하는 제 1 비교기, 상기 제2 샘플러로부터 전달받은 값을 소정의 제4 레퍼런스 값(Vref2-△V)과 비교하는 제 2 비교기, 상기 적분기로부터 전달받은 값이 상기 제3 및 제4 레퍼런스 값 사이에 해당되도록 상기 두 개의 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제어 전원 공급 장치는, 상기 부하단은, 하나 이상의 발광소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치는 2차측에서 직접 전류를 센싱하기 위한 옵토 커플러, 비교기 대신 변압기의 특성을 이용하여 1차 권선의 전류를 센싱하여 부하단에 흐르는 전류를 제어함으로써 비용을 절감할 수 있고 부피를 줄여 회로의 집적화가 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따르면 전압제어방식은 부하단이 발광소자인 경우, 발광소자의 특성상 정확한 구동에 제약이 있으나 본 발명은 전류제어방식을 사용하여 세밀하고 정확한 제어가 가능하다.
본 발명에 따르면 전력전달시 입력전원에 따른 2차측 전류의 주기를 제어함으로써 역률개선을 꾀하여 전력손실을 줄이는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 전류 제어 전원 공급 장치를 구현함에 있어서, 고가의 커패시터보다 저가의 저항을 통한 제어를 통해 생산 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 전류 제어 전원 공급 장치에 대한 회로이다.
도 2는 본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치에 대한 회로이다.
도 3은 도 2에 도시된 회로의 주요 신호들을 시간에 따라 표현한 파형도이다.
도 4는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 가진 전류 제어 전원 공급 장치에 대한 회로이다.
도 5는 도 4에 도시된 회로의 주요 신호들을 시간에 따라 근사적으로 표현한 파형도이다.
도 6은 도 4에 도시된 회로의 제어부에 대한 회로이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 생산 비용 절감을 위한 전류 제어 전원 공급 장치의 제어부에 대한 회로이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생산 비용 절감을 위한 전류 제어 전원 공급 장치의 제어부에 대한 회로이다.
도 9는 도 7 및 도 8에서 Vtrans와 Icap의 시간에 따른 변화를 도시한다.
도 10은 도 7 및 도 8에 도시된 회로의 주요 신호들을 시간에 따라 근사적으로 표현한 파형도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 당업자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관해서는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 전원공급장치는 전류 제어 방식으로 제어 가능한 모든 종류의 부하를 대상으로 할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 부하단이 발광소자로 구현되는 경우를 예를 들어 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치는 입력 교류전압을 직류전압으로 정류하는 정류부(201), 정류부(201)에서 정류된 직류전압을 입력으로 하는 변압기(202), 변압기(202)의 1차권선의 일단에 연결되어 1차권선에 흐르는 전류를 제어하는 제어부(210)로 구성되어 있다. 제어부(210)는 변압기(202)의 1차 권선에 흐르는 전류(ISW)를 입력으로 받아 이를 샘플링 및 홀딩하는 제1 샘플러(211), 제1 샘플러(211)가 홀딩한 피크값(IPK)에 비례하는 신호를 입력으로 받아 이를 적분하는 적분기(212), 적분기(212)의 출력값인 피드백 전압(Vfb)을 입력으로 받아 이를 샘플링 및 홀딩하여 홀딩된 값을 스위칭 제어부(214)에 전달하는 제2 샘플러(213), 제2 샘플러(213)의 출력값을 받아 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부(214), 스위칭 제어부(214)의 제어신호에 따라 변압기(202)의 1차권선에 흐르는 전류의 도통여부를 제어하는 스위치(SW)로 구성된다. 스위치(SW)는 소정의 제어 신호에 의해 제어되는 통상의 스위치로 구현될 수 있다. 예를 들면, 스위치(SW)는 드레인 단자, 소스 단자 및 제어 신호가 입력되는 게이트 단자를 포함하는 소정의 트랜지스터로서 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 샘플러(213)는 시스템 구조와 회로 구성의 편의를 위해 생략되고 적분기(212)의 출력이 바로 스위칭 제어부(214)로 전달될 수 있다.
이하에서는 도 2에 도시된 전류 제어 전원 공급 장치의 작동원리에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 발광소자(204)를 구동하기 위한 전원으로서 일반적으로 교류전압을 전원으로 가지게 된다. 브리지 다이오드와 커패시터로 구성된 정류부(201)에서 교류전압을 직류전압으로 정류한다.
정류부(201)에서 정류된 직류전압은 변압기(202)의 1차 권선에 인가된다. 스위치가(SW)가 온(on) 상태인 동안 1차 권선에는 정류부(201)의 출력 신호에 의해 에너지가 저장된다. 이 때, 스위치에 흐르는 전류(ISW)는 시간이 흐름에 따라 증가하게 되는데, 이는 다음의 수학식 1에 의해 산출된다.
Figure 112011042283937-pat00001
수학식 1을 참조하면, 1차 권선에 인가되는 전압이 일정하므로 ISW는 시간에 비례하여 일정하게 증가한다는 것을 알 수 있다. 즉, ISW는 시간에 대해 일정한 기울기를 갖고 증가한다.
제1 샘플러(211)는 스위치가 온(on)인 동안 스위치에 흐르는 전류 ISW를 샘플링하며, 스위치가 오프(off)되는 순간의 ISW를 홀딩하여 그 값을 적분기(212)에 전달한다. ISW는 스위치가 온(on)인 동안 계속적으로 증가하기 때문에, 스위치가 오프(off)되는 순간의 ISW가 이 값의 피크값(IPK)이 되며, 이러한 피크값(IPK)에 비례하는 신호가 적분기(212)에 전달된다.
한편, 발광소자 구동은 전압제어가 아닌 전류제어를 통해 이루어진다. 발광소자(204)에 흐르는 평균 전류(ILEDAVG)는 다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)에 의해 전달되는 전하량을 한 주기(T) 시간동안 평균한 값이 된다. 발광소자(204)에 흐르는 평균 전류는 다음의 과정을 통해 산출될 수 있다.
먼저, 다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)는 다음의 수학식 2에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112011042283937-pat00002
수학식 2에서 N1은 변압기(202)의 1차측 턴(turn) 수, N2는 변압기(202)의 2차측 턴 수이다. 이러한 관계에 의해 다이오드(203)에 흐르는 전류의 피크값인 (
Figure 112011042283937-pat00003
)가 구해질 수 있다.
이에 따라, 발광소자(204)에 흐르는 평균 전류(ILEDAVG)는 다음의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112011042283937-pat00004
수학식 3에서 T는 스위치(SW)가 온/오프 되는 한 주기로서 설명의 편의를 위해 고정되어 있는 것으로 가정하기로 한다. 발광소자(204)에 흐르는 평균전류(ILEDAVG)는 다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)의 평균값이므로, 다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)를 Toff1시간에 대해 적분하면 수학식 3과 같은 결과가 도출된다. 여기서, Toff1는 스위치(SW)가 온(on)인 동안 변압기(202)의 1차 권선에 저장되었던 에너지가 스위치(SW)가 오프(off)된 이후 2차 권선에 모두 전달되기까지의 시간이다. 이 시간 동안 적분기(212)에 인가되는 스위치(SW)의 드레인 전압(Vdrain)이 변압기(202)의 1차측에 걸리는 버스전압(VBUS)보다 높게 된다.
본 발명의 전류 제어 전원 공급 장치에 있어서는 발광소자(204)에 흐르는 평균 전류(ILEDAVG)를 예측하여 발광소자(204)를 구동하는 것이 특징이다. 즉, 변압기(202)의 2차측이 아니라 1차측에 흐르는 전류를 통해 발광소자(204)에 흐르는 평균 전류(ILEDAVG)를 모사하여 발광소자(204) 구동을 위한 전류를 제어하는 것이 특징이다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 적분기(212)는 발광소자(204)에 흐르는 평균전류(ILEDAVG)를 모사한다. 적분기(212)는 변압기(202)의 1차측에 흐르는 전류(ISW)의 피크값(IPK )에 비례하는 신호를 전달받아 이 값을 Toff1동안 적분한다. 이에 따라, 적분기(212)의 출력 값인 피드백 전압(Vfb)는 IPK ×Toff1의 값에 비례하는 신호가 된다. 즉, 피드백 전압(Vfb)은 다음과 같은 수학식 4로 표현된다.
Figure 112011042283937-pat00005
여기서 K값은 다음과 같은 수학식 5와 같다.
Figure 112011042283937-pat00006
수학식 5 로 표현되는 K 값을 적분기(212)의 적분 상수로 설정하게 되면, 피드백 전압(Vfb)은 발광소자(204)에 흐르는 평균전류(ILEDAVG)를 모사하게 된다.
스위치의 제어를 위한 피드백 전압(Vfb)는 피크값(IPK )과 비례관계에 있으며, 결과적으로 피드백 전압(Vfb)은 발광소자(204) 평균전류(ILEDAVG)를 모사하게 된다.
다음으로, 적분기(212)가 다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)를 적분하는 시간인 적분시간(Toff1)을 구하는 방법을 설명한다.
기본적으로 적분기(212)의 적분시간(Toff1)은 스위치(SW)의 드레인 전압(Vdrain)의 변화를 통해 파악할 수 있다.
첫번째 방법으로, 드레인 전압(Vdrain)의 상승 또는 하강 에지(edge)를 감지한 후, 드레인 전압(Vdrain)의 상승지점으로부터 하강지점까지의 시간을 적분시간(Toff1)으로 사용하는 방법이다. 이 적분시간(Toff1)동안 변압기(202)의 1차 권선에서 2차 권선로 에너지가 전달된다.
즉, 드레인 전압(Vdrain)의 레벨(level)차이를 감지하여 일정 레벨(level)이상인 경우로부터 그 일정 레벨(level)이하인 경우까지의 시간을 적분기(212)의 적분시간(Toff1)으로 사용하는 방법이다.
두 번째 방법으로는 변압기(202)의 1차 권선에 인가되는 전압의 변화를 감지하여 적분시간(Toff1)을 직접 구하는 방법이 있다.
세 번째 방법으로는, 변압기(202)의 1차측에 보조 권선을 달아서 변압기(202)의 1차 권선에 인가되는 전압의 파형과 같은 전압 파형을 얻어 그로부터 적분기(212)의 적분시간(Toff1)을 얻어낼 수도 있다.
그러나, 이러한 방법 외에도 스위치(SW)가 오프되는 시간으로부터 변압기(202)의 1차 권선에 저장된 에너지가 2차 권선에 모두 전달되기까지의 시간을 감지하여 적분시간(Toff1)으로 사용할 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 이용될 수 있다.
적분기(212)로부터의 출력 신호인 피드백 전압(Vfb)의 값으로부터 매 스위치(SW) 온/오프 주기마다 발광소자(204)에 흐르는 평균전류(ILEDAVG)를 간접적으로 파악할 수 있다. 이 값은 스위칭 제어부(214)에 입력된다. 스위칭 제어부(214)는 이러한 피드백 전압(Vfb)을 소정의 기준값과 비교하여 스위치(SW)의 듀티(duty) 타임 또는 스위치(SW)의 온(on) 타임을 증감하는 방식으로 변압기(202)의 1차측에 흐르는 전류(ISW)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 변압기(202)의 2차측에 흐르는 전류, 즉, 다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)가 제어되고, 자연히 발광소자(204)에 흐르는 전류값도 제어될 수 있다.
지금까지의 동작을 간단히 정리하면 다음과 같다. 제1 샘플러(211)는 스위치(SW)에 흐르는 전류(ISW)를 입력받고, 이 전류(ISW)의 피크값(IPK)을 출력한다. 제1 샘플러(211)의 동작은 스위치(SW)의 온/오프를 제어하는 제어 신호(Vgate)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어 신호(Vgate)에 의해 스위치(SW)가 온 상태로 지속되는 동안, 전류(ISW)를 샘플링하다가, 제어 신호(Vgate)에 의해 스위치(SW)가 오프 상태가 되는 순간의 전류(ISW)값을 피크값(IPK)으로 홀딩할 수 있다. 적분기(212)는 스위치(SW)에 흐르는 전류(ISW)의 피크값(IPK)에 비례하는 신호를 입력받고, 피드백 전압(Vfb)을 출력한다. 적분기(212)는 스위치(SW)의 드레인 전압(Vdrain)이 변압기(202)의 1차측에 걸리는 버스전압(VBUS)보다 높은 구간, 즉 스위치(SW)가 오프된 이후 변압기(202)에서 에너지 전달이 완료되는 시간을 적분시간(Toff1)으로 하여 적분을 수행한다. 따라서, 적분기(212)의 출력인 피드백 전압(Vfb)은 스위치(SW)의 제어 신호(Vgate)가 온이 되는 순간 리셋(reset)될 수 있다. 제2 샘플러(213)는 피드백 전압(Vfb)을 입력받고 출력신호를 스위칭 제어부(214)로 전달한다. 제2 샘플러(213)는 스위치(SW)가 오프 상태로 지속되는 동안 동작하여 스위칭 제어부(214)로 피드백 전압(Vfb)을 전달하여야 하기 때문에 스위치(SW)의 제어 신호(Vgate)가 온으로 지속되는 동안 홀딩 동작을 수행하고 오프인 동안 샘플링 동작을 수행한다. 제2 샘플러(213)는 시스템 구조에 따라 생략되고 적분기(212)의 출력이 바로 스위칭 제어부(214)로 전달될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 스위치(SW)가 온/오프 되는 한 주기 동안의 주요 신호의 파형을 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 드레인 전압(Vdrain)은 스위치(SW)가 온인 경우, OV가 되고, 변압기(202)의 1차측에는 버스전압(VBUS)이 인가된다. 그 후, 스위치(SW)가 오프되는 순간 변압기(202)의 1차측으로부터 2차측으로의 에너지 전달이 시작되는데 이 때, 변압기(202)의 1차 권선 및 2차 권선 양단에는 권선수에 비례하는 전압이 걸리게 된다. 따라서 드레인 전압(Vdrain)값은 다음의 수학식 6으로 표현되는 값으로 상승한다.
Figure 112011042283937-pat00007
여기서, VOUT은 변압기(202)의 2차 권선에 인가되는 전압이다. 한편, 스위치(SW)에 흐르는 전류(ISW)는 전술한 바와 같이 온 상태인 동안 에너지가 저장되면서 함께 상승하게 된다. 스위치(SW)에 흐르는 전류(ISW)의 상승 기울기는 변압기(202)의 1차 권선에 인가되는 전압의 크기에 비례한다. 다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)는 권선의 권선비에 따라 다음의 수학식 7로 표현되는 최대값을 갖게 된다.
Figure 112011042283937-pat00008
다이오드(203)에 흐르는 전류(Idiode)는 수학식 7로 표현되는 최대값(
Figure 112011042283937-pat00009
)으로부터 일정한 기울기를 갖고 감소하게 된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따라 역률 개선 기능(power factor correction)을 가지는 회로에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역률 개선 기능이 추가된 발광소자(404) 구동 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 역률 개선 회로의 일례로서 고정된 도통 시간(fixed on time) 방식으로 역률 개선을 하는 회로를 나타낸다. 또한, 도 4의 역률 개선 회로는 간접센싱(indirect sensing) 방식을 이용해 구현한 회로의 일례이다.
도 4를 참조하면, 역률 개선 기능이 추가된 전류 제어 전원 공급 장치는 입력 교류전압을 정류하는 정류부(401), 정류부(401)에서 정류된 교류전압을 입력으로 하여 1차측으로부터 2류차측으로 에너지를 전달하는 변압기(402), 변압기(402)의 1차 권선의 일단에 연결되어 1차 권선에 흐르는 전류를 제어하는 제어부(410)로 구성될 수 있다. 제어부(410)는 변압기(402)의 1차 권선에 흐르는 전류(ISW)을 입력으로 받아 이를 샘플링 및 홀딩하는 제1 샘플러(411), 제1 샘플러(411)가 홀딩한 피크값(IPK)에 비례하는 신호를 입력으로 받아 이를 적분하는 적분기(412), 변압기(402)의 2차측 전압을 센싱하고 이를 통해 적분기(412)에 적분시간을 전달해주는 보조 권선(415), 적분기(412)의 출력값인 피드백 전압(Vfb)을 입력으로 받아 이를 샘플링 및 홀딩하여 홀딩된 값을 스위칭 제어부(414)에 전달하는 제2 샘플러(413), 제2 샘플러(413)의 출력값을 받아 스위치(SW)의 온/오프 동작을 제어하는 스위칭 제어부(414), 정류부(401)로부터 정현파를 입력받아 입력 전압의 주기에 따라 적분기(412) 및 제2 샘플러(413)의 리셋 타이밍을 결정해주는 레벨 디텍터(level detector)(416), 스위칭 신호(Vgate) 따라 온/오프되며, 스위칭 제어부(414)의 제어신호에 따라 변압기(402)의 1차 권선에 흐르는 전류의 도통여부를 제어하는 스위치(SW)로 구성될 수 있다.
이하, 도 4에 도시된 전류 제어 전원 공급 장치의 구현방법에 대해 상세히 설명한다.
우선, 도 4에 도시되는 회로는 도 2에 도시되는 전류 제어 전원 공급 장치의 실시예와 기본적으로 유사하다. 다만, 발광소자(404)를 구동하기 위한 전원으로서 교류전압을 전원으로 가지게 됨은 같으나, 도 2의 경우와 달리 커패시터가 없거나, 용량이 매우 작은 커패시터가 연결되어 시정수가 매우 작게 된다. 따라서, 입력전압이 정류부(401)를 거치면 도 5의 버스전압(VBUS)와 같이 정류된 정현파의 형태를 갖게 된다.
그리고, 역률 개선(power factor correction)을 위한 레벨 디텍터(level detector)(416)가 더 부가되었고, 적분시간(Toff1) 산정을 위한 보조 권선(415)이 추가되었다.
발광소자(404)를 구동하기 위한 전원으로부터 ISW가 기울기를 갖고 증가하게 되는 과정은 도 2의 과정과 동일하므로 도 2에 관한 설명을 참조하면 알 수 있다.
다음으로, 적분기(412)의 적분시간(Toff1)을 구하는 방법을 설명한다. 먼저, 보조 권선(415)을 통해 1차 권선에 흐르는 전압과 동일한 파형의 전압을 센싱한다. 보조 권선(415)는 변압기의 1차측 또는 2차측 어느 곳에 올 수 있으며, 이 때, 1차 권선에 인가되는 전압과 2차 권선에 인가되는 전압 및 보조 권선(415)에 인가되는 전압은 모두 동일한 파형을 갖게 된다. 보조 권선(415)으로부터 1차 권선에 흐르는 전압과 동일한 파형의 전압을 얻은 뒤, 도 2의 설명에서 언급한 방법 등으로 보조 권선(415)의 전압변화를 통해 Toff1을 구할 수 있다.
제1 샘플러(411)와 적분기(412)의 작동은 도 2의 경우와 동일하며, 피드백 전압(Vfb)를 통해 제2 샘플러(413)에서 샘플링하고 스위칭 제어부(414)에서 스위치를 제어하는 과정은 도 2에 관한 설명을 참조하면 알 수 있다.
역률 개선 기능(power factor correction)에 대해서 설명하면 다음과 같다. 예를 들어, 전류 제어 전원 공급 장치의 교류 전원공급장치가 60Hz 주기를 가질 경우(일반 가정의 공급전원), 정류부(401)에 의한 정류 작용에 의해 변압기(402)의 1차측 전압인 버스전압(VBUS)은 0V에서 교류 전원공급장치의 피크 전압까지 60Hz 의 두배인 120Hz 주기로 스위프(sweep)하는 정류된 사인파(sine wave)를 갖게 된다. 도 4의 제어 방식에서는 이 120Hz 주기마다 스위치(SW)의 듀티 타임 또는 온 타임을 갱신하는 방식으로 제어를 하게 된다. 이에 따라 적분기(412)는 120Hz의 주기마다 피드백 전압(Vfb)의 전압을 갱신하게 되는데, 그 동안 스위치(SW)는 수십KHz의 주기로 스위칭되기 때문에 매번 스위치(SW)가 스위칭될 때마다 적분한 값이 계속 누적되게 된다. 즉, 도 4에서 피드백 전압(Vfb)은 120Hz 주기동안 발광소자(404)에 흐른 평균 전류의 크기를 나타내게 된다.
상기의 역률 개선 기능을 위해 버스전압(VBUS)을 센싱하여 적분기(412)와 제2 샘플러(413)에 120Hz 주기로 리셋 신호를 전달하는 레벨 디텍터(level detector)(416)가 추가되게 된다. 적분기(412)는 제1 샘플러(411)의 출력값인 피크값(IPK)에 비례하는 신호를 적분하고 적분값인 피드백 전압(Vfb)는 레벨 디텍터(416)에서 리셋신호를 보내기 전까지는 계속 그 값이 누적되게 된다. 120Hz 주기 동안 누적된 피드백 전압을 입력받은 제2 샘플러(413)는 레벨 디텍터(416)의 리셋신호가 로우(low)인 동안 피드백 전압(Vfb)을 샘플링하다가 리셋신호가 하이(high)인 경우 적분기의 피드백 전압(Vfb)의 최고값을 홀딩하여 이 값을 스위칭 제어부(414)로 전달하게 된다.
리셋신호가 로우인 동안은 적분기(412)는 적분을 수행하고 제2 샘플러(413)는 샘플링을 수행하며, 리셋신호가 하이인 경우 적분기(412)는 피드백 전압(Vfb)을 초기화하고 제2 샘플러(413)는 적분기(412) 출력의 피크값을 홀딩한다.
이러한 과정을 거쳐 120Hz동안 누적된 피드백 전압이 스위칭 제어부(414)로 전달되고 스위칭 제어부(414)는 120Hz동안 누적된 상기 피드백 전압으로 스위치(SW)를 제어하게 되므로 결국 발광소자(404)에 흐르는 평균전류(ILEDAVG)도 120Hz의 주기를 갖게 된다. 따라서 발광소자(404)에 인가되는 전압과 전류 모두 120Hz의 주기를 갖게 되므로 역률이 개선되는 효과를 갖게 된다.
도 5는 이러한 동작을 설명하기 위해 주요 신호의 파형 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 변압기(402)의 1차측 전압인 버스전압(VBUS)은 정류부(401)의 브리지 다이오드를 거쳐 정류된 것으로 주기 120Hz의 사인파를 갖게 된다. 스위치(SW)에 흐르는 전류(ISW)은 전술한 바와 같이 버스전압(VBUS) 값에 따라 기울기가 달라지게 된다. 전류(ISW)는 스위치(SW)가 온 상태로 지속되는 동안 에너지 저장을 하면서 일정한 기울기를 가지며 상승한다. 스위치 전류(ISW)의 상승 기울기는 변압기(402)의 1차 권선에 인가되는 전압의 크기에 비례한다. 다이오드(403)에 흐르는 전류(Idiode)는 스위치(SW)가 온(on) 상태로 지속되는 동안 변압기(402)의 1차측에 축적되었던 에너지가 스위치(SW)가 오프됨에 따라 변압기(402)의 2차측으로 전달될 때 최고값을 갖게 되고, 이 시점부터 일정한 기울기로 감소하게 된다. 다이오드(403)에 흐르는 전류(Idiode)의 최대값은
Figure 112012025640767-pat00010
= IPK×N1÷N2 로 표현될 수 있다.
스위치(SW)가 오프되는 순간, 변압기(402)에는 1차측으로부터 2차측으로 전력공급이 시작되고 이 때, 변압기(402)의 1차 권선 및 2차 권선 양단에는 권선수에 비례하는 전압이 걸리게 된다. 따라서 스위치(SW)의 드레인 전압(Vdrain)은 Vdrain = VBUS+VOUT×N1÷N2로 상승하게 된다..
보조 권선(415)의 양단 전압(Vtrans)은 스위치(SW)의 온/오프에 따라 상승 또는 하강을 하게 되는데, 스위치(SW)가 온 상태인 경우 보조 권선(415)의 전압(Vtrans)과 변압기(402)의 1차측 전압인 버스전압(VBUS) 간에는 다음의 수학식으로 표현되는 관계가 성립한다.
Figure 112011042283937-pat00011
한편, 스위치(SW)가 오프 상태인 경우에는 보조 권선(415)의 전압(Vtrans)과 변압기(402)의 2차측 전압(VOUT) 간에 다음과 같은 수학식으로 표현되는 관계가 성립한다.
Figure 112011042283937-pat00012
보조 권선(415)의 전압(Vtrans)은 수학식 8 및 수학식 9에 의하여 산출될 수 있으며, 이러한 보조 권선의 전압(Vtrans)은 상승 또는 하강하게 된다.
전술한 바와 같이 적분기(412)의 출력 전압인 피드백 전압(Vfb)은 변압기(402)의 1차측 전압인 버스전압(VBUS) 파형의 주기에 맞추어 리셋된다. 따라서 피드백 전압(Vfb)은 도 5에 도시되는 바와 같이, 다이오드(403)에 흐르는 전류(Idiode)를 적분한 값이 계속 누적되다가 버스전압(VBUS) 파형의 주기에 맞추어 리셋되는 형태를 갖게 된다.
다시 도 5를 참조하면, 변압기(402)에서 에너지가 1차측에서 2차측으로 전달되는 동안 적분기(412)의 출력 전압인 피드백 전압(Vfb)은 계속 증가하는데, 이 때, 스위치(SW)가 온 상태인 시간 동안은 일정하게 유지되고, 다시 스위치(SW)가 오프되어 에너지가 전달되는 동안에는 피드백 전압(Vfb)이 증가하게 된다. 증가하던 피드백 전압(Vfb)은 전술한 바와 같은 원리에 따라 레벨 디텍터(416)의 리셋 신호에 의해 초기화된다. 즉, VBUS와 Vfb는 120Hz 주기를 갖게 되며, Vfb는 ILEDAVG를 모사하므로 결국 VBUS와 ILEDAVG는 120Hz라는 같은 주기를 갖게 되어 역률이 개선된다.
도 6은 도 4에 대한 제어부(610)에 대한 구체적인 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 제어부(610)에 의한 전류 제어 전원 공급 장치의 구현방법에 대해 상세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스위치는 저항 Rs를 이용하여 스위치 전류(Isw)에 대응하는 스위치 전압(Vsw)를 얻고 이 스위치 전압(Vsw)은 제1 샘플러(411)에서 샘플링 및 홀딩된다. 상기 제1 샘플러(411)에서 홀딩된 스위치 전압(Vsw)값은 전압 전류 컨버터(Voltage to current converter, V-I converter)(617)에 의해 전류값으로 변환된다. 상기 전압 전류 컨버터(617)에 의해 변환된 전류값은 적분기(412)에서 적분되어 피드백 전압(Vfb)이 얻어진다. 상기 적분기(412)에 대한 리셋신호는 레벨 디텍터(416)로부터 입력된다. 상기 피드백 전압(Vfb)은 제2 샘플러(413)에 의해 샘플링 및 홀딩된다. 상기 제2 샘플러(413)에 대한 리셋신호도 레벨 디텍터(416)로부터 인가된다. 상기 샘플링 및 홀딩된 피드백 전압(Vfb)은 비교기(618)에 의해 레퍼런스 전압(Vref)과 비교된다. 레퍼런스 전압(Vref)은 소정의 설정전압이거나 접지일 수 있다. 상기 비교기(618)에 의한 결과값에 대한 위상을 보상하기 위하여 보상기(Compensator)(619)를 거치게 되며, 상기 보상기(619)의 결과값은 스위칭 제어부(414)로 인가되어 스위치를 제어하게 된다.
도 6을 참조하면 적분기(412)에 인가되는 전류는 수학식 10과 같다.
Figure 112011042283937-pat00013
수학식 10에 의한 전류값을 이용하여 적분기(412)에서 피드백 전압(Vfb)은 수학식 11에 의해 얻어진다.
Figure 112011042283937-pat00014
따라서, 이하 제 3 실시예에서는 비용을 줄일 수 있는 방법으로 본 발명의 전류 제어 전원 공급 장치를 구현한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 전류 제어 전원 공급 장치이다.
도 7을 참조하면, 전류 제어 전원 공급 장치는 스위치에 흐르는 최대 전압을 샘플링하여 홀딩하는 제1 샘플러(411), 샘플링된 피크 전압(Vpk)와 제1 레퍼런스 전압 (Vref1)과의 차이를 전류로 변환하는 전압 전류 컨버터(717), 상기 제1 샘플러(411)와 상기 전압 전류 컨버터(717) 사이에서 피크 전압(Vpk)값과 접지신호를 스위칭하여 상기 전압 전류 컨버터(717)로 인가하는 적분기 입력 스위칭부(720), 상기 전압 전류 컨버터(717)에 의해 변환된 전류값을 입력으로 하여 적분을 수행하는 적분기(712), 상기 적분된 피드백 전압 (Vfb)를 입력으로 하여 샘플링 및 홀딩하는 제2 샘플러(413), 상기 제2 샘플러(413)에서 샘플링 및 홀딩된 피드백 전압 (Vfb)를 입력으로 하여 제2 레퍼런스 전압 (Vref2)와의 차이를 출력하는 비교기(618), 상기 비교기(618)에 의한 출력 전압(Verr)에 대하여 스위칭 제어부(414)의 제어신호로 보상해 주는 보상기(619), 상기 보상기(619)의 출력 신호를 입력으로 받아 스위치를 제어하는 스위칭 제어부(414)를 포함한다.
이하, 도 7에 의한 전류 제어 전원 공급 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 스위치는 저항 Rs를 이용하여 Isw에 대응하는 Vsw를 얻고 제1 샘플러(411)는 이 Vsw를 샘플링 및 홀딩하여 Vpk를 얻는다. 상기 적분기 입력 스위칭부(720)은 보조 권선(415)의 전압(Vtrans)을 이용하여 상기 전압 전류 변환기(717)로의 양의 입력을 제어한다. 즉, 보조 권선(415)의 전압(Vtrans)값이 양의 값인 경우는 상기 제1샘플러(411)에 의한 결과값 Vpk를 상기 전압 전류 컨버터(717)에 전달하며, 보조 권선(415)의 전압(Vtrans)값이 음의 값인 경우는 접지신호를 상기 전압 전류 컨버터(717)에 전달한다. 보조 권선(415)의 전압(Vtrans)의 변화는 도 9에 도시되어 있다. 이에 따른 전류의 적분에 의한 피드백 전압 (Vfb)의 값은 수학식 12와 같다.
Figure 112011042283937-pat00015
수학식 12에 따라 적분기의 커패시터 CILED에 인가되는 전류는 도 9에 도시되어 있다. 상기 제2 레퍼런스 값(Vref2)은 피드백 전압(Vfb)의 기준값이다. 즉, 적분기(712)의 리셋시 피드백 전압(Vfb)은 제2 레퍼런스 값으로 리셋된다. 피드백 전압(Vfb)은 상기 제2샘플러(413)로 인가되어 샘플링 및 홀딩된다. 샘플링 및 홀딩된 피드백 전압(Vfb)은 비교기(618)에 의하여 제2 레퍼런스 전압(Vref2)과의 차이인 비교기 출력 전압(Verr)이 출력된다. 이 비교기 출력 전압(Verr)값은 수학식 13으로 표현된다.
Figure 112011042283937-pat00016
상기 비교기 출력 전압(Verr)값은 보상기(619)에 의하여 보상된 후에 스위칭 제어부(414)에 전달되며 스위칭 제어부(414)는 이 보상된 비교기 출력 전압(Verr)를 입력으로 하여 스위치를 제어한다.
이와 같은 일련의 스위칭 제어 과정에서, 비교기 출력 전압(Verr)은 상기 수학식 13과 같으며, 결국 비교기 출력 전압(Verr)값이 0으로 수렴하게 되면, 수학식 14와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112011042283937-pat00017
수학식 14를 참조하면 발광소자(204)에 흐르는 평균 전류(ILEDAVG)는 수학식 15로 나타낼 수 있다.
Figure 112011042283937-pat00018
수학식 15를 참조하면, 결국 발광소자(204)에 흐르는 평균 전류(ILEDAVG)는 제1 레퍼런스 전압(Vref1)과 Rs에 의해 결정된다. 따라서, 커패시터나 트랜스컨덕턴스가 아닌 저항값의 정확도를 높여서 정밀한 전류 제어가 가능하다. 제1 레퍼런스 전압(Vref1)도 정확도가 높아야 하나, 이는 band-gap 전압을 교정(calibration)하여 사용이 가능하다. 따라서, 전류 제어 전원 공급 장치의 생산비용이 절감될 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 전류 제어 전원 공급 장치의 제4 실시예이다.
도 8에 도시된 전류 제어 전원 공급 장치의 전체적인 흐름은 동일하다.
도 8을 참조하여 전류 제어 전원 공급 장치에 대해 구체적으로 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따르면, 적분기(712)의 결과값인 피드백 전압(Vfb)을 입력 받아 스위치(SW)를 제어하기 위한 신호를 출력하는 비교부(818)를 포함할 수 있다. 상기 비교부(818)는 High_ILED를 출력하는 제1 비교기(818a)와 Low)ILED를 출력하는 제2 비교기(818b)를 포함할 수 있다. 상기 보상기(619)에 전달되는 적분기(712)의 결과값인 피드백 전압(Vfb)은 제1 비교기(818a)의 비반전 단자 입력단과 제2 비교기(818b)의 반전 단자 입력단으로 인가된다. 상기 제1 비교기(818a)는 반전 단자 입력단으로 제3 레퍼런스 전압(Vref2+△V)을 입력 받으며, 상기 제2 비교기(818b)는 비반전 단자 입력단으로 제4 레퍼런스 값(Vref2-△V)을 입력 받는다. 따라서 피드백 전압(Vfb)이 제3 레퍼런스 값(Vref2+△V)보다 크면 제1 비교기(818a)는 하이(High)값을 출력하고, 제2 비교기(818b)는 로우(Low)값을 출력한다. 보상기(619)는 제1 비교기(818a)의 출력인 High_ILED값에 대하여 스위칭 제어부(414)를 제어하기 위한 신호로 보상을 한다. 스위칭 제어부(414)는 상기 보상기(619)로부터의 신호에 대응하여 스위치의 온(on)시간을 줄이게 된다. 반대로, 피드백 전압 (Vfb)가 제4 레퍼런스 값(Vref2-△V)보다 작으면 제1 비교기(818a)는 로우(low)신호를 출력하고, 제2 비교기(818b)는 하이(High)값을 출력한다. 보상기(619)는 제 2 비교기(818b)의 출력인 Low_ILED를 입력으로 받아 스위칭 제어부(414)를 제어하기 위한 신호로 보상을 한다. 스위칭 제어부(414)는 상기 보상기(619)로부터의 신호에 대응하여 스위치의 온(on)시간을 늘리게 된다. 피드백 전압(Vfb)이 제3 레퍼런스 값(Vref2+△V)보다 작고 제4 레퍼런스 값 (Vref2-△V)보다 크게 되면, 제1 비교기(818a)와 제2 비교기(818b) 모두 로우(Low)값을 출력하게 되므로 스위칭 제어부(414)는 현재 상태를 유지한다. 이러한 동작으로 피드백 전압은 제3 레퍼런스 값(Vref2+△V)과 제4 레퍼런스 값(Vref2-△V)사이에서 제어된다.
따라서, △V값이 0으로 수렴하게 되면 수학식 14, 수학식 15에 의하여 도 7의 경우와 동일한 결과가 나온다. 전류 제어의 정확도는 △V에 의해 결정되며, 실질적으로 CILED의 값에 의해 피드백 전압 (Vfb)의 해상도가 영향을 받지만, 절대값이 정확할 필요는 없다.
이하에서, 전류 제어의 정확도와 CILED 값과의 관계에 대하여 설명한다.
Figure 112011042283937-pat00019
수학식 16의 세 변에서 제2 레퍼런스 값(Vref2)을 뺀 다음 피드백 전압(Vfb)에수학식 12의 값을 대입하면 다음과 같다.
Figure 112011042283937-pat00020
수학식 17의 세 변을
Figure 112011042283937-pat00021
로 나누고 CILED를 곱하면 다음과 같다.
Figure 112011042283937-pat00022
예를 들어, 본 발명에 따른 전류 제어 전원 공급 장치에서 ±5%의 정확도를 요구한다면 아래와 같은 조건을 만족한다.
Figure 112011042283937-pat00023
따라서, △V = 50mV, gm=10uS, T = 8.3msec, Vref1 = 0.2V라고 가정하면, CILED ≤ 16.6nF이면 된다. 즉, 상대적으로 커패시터에 요구되는 정확도를 낮추어 전류 제어 전원 공급 장치의 생산 비용을 낮출 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
201 : 정류부
202 : 플라이백 구조를 갖는 변압기
203 : 다이오드
204 : 부하단
210 : 제어부
211 : 제1 샘플러
212 : 적분기
213 : 제2 샘플러
214 : 스위칭 제어부
401 : 정류부
402 : 플라이백 구조를 갖는 변압기
403 : 다이오드
404 : 부하단
410 : 제어부
411 : 제1 샘플러
412 : 적분기
413 : 제2 샘플러
414 : 스위칭 제어부
415 : 보조 권선
416 : 레벨 디텍터
610 : 제어부
617 : 전압 전류 변환기
618 : 비교기
619 : 보상기
710 : 제어부
712 : 비교기
717 : 전압 전류 비교기
720 : 적분기 입력 스위칭부
810 : 제어부
818 : 비교기
818a : 제1 비교기
818b : 제2 비교기

Claims (27)

1차 전류를 2차 전류로 변환하여 부하단에 공급하는 변압기;
상기 1차 전류의 피크값을 샘플링하는 샘플러;
상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 이용하여 상기 부하단에 흐르는 전류의 평균값에 비례하는 신호를 출력하는 적분기;
상기 적분기의 출력 신호를 통해 상기 1차 전류가 흐르는 시간을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하고,
상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 적분기는,
1차 권선 양단에 인가되는 전압을 센싱하여 에너지 전달시간을 구하여 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 변압기에 보조 권선을 달아서 1차 권선에 인가되는 동일파형의 전압을 얻고, 이를 통해 1차 권선의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하고 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 변압기의 1차 권선과 상기 1차 전류를 온/오프 시키는 스위치와의 연결부분의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하고 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 5항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 1차 권선과 상기 스위치 연결부분의 전압이 상기 1차측에 걸리는 전압보다 커지기 시작할 때부터 양 전압이 다시 같아질 때까지의 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서,
상기 1차 전류를 온/오프 시키는 스위치를 더 포함하고,
상기 샘플러는 상기 스위치가 온인 동안 1차 전류를 샘플링하고, 오프되는 순간의 1차 전류를 상기 1차 전류의 피크값으로 홀딩하며,
상기 스위칭 제어부는 상기 적분기의 출력 신호를 통해 상기 스위치의 턴 온 시간을 제어하는
전류 제어 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서,
상기 적분기에 리셋(reset)신호를 전달하는 레벨 디텍터(level detector)를 더 포함하는
전류 제어 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서,
상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호와 소정의 제1 레퍼런스 값(Vref1)과의 차이를 적분하고, 상기 변압기에서 에너지가 전달되지 않는 동안은 상기 제1 레퍼런스 값(Vref1)의 음의 값을 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 9항에 있어서,
상기 적분기는 기준값으로 소정의 제2 레퍼런스 값(Vref2)을 가지며,
상기 적분기로부터 전달받은 값을 소정의 제3 레퍼런스 값(Vref2+△V)과 비교하는 제1 비교기,
상기 적분기로부터 전달받은 값을 소정의 제4 레퍼런스 값(Vref2-△V)과 비교하는 제2 비교기,
상기 적분기로부터 전달받은 값이 상기 제3 및 제4 레퍼런스 값 사이에 해당되도록 상기 두 개의 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서,
상기 적분기의 출력 신호를 샘플링 및 홀딩하여 상기 스위칭 제어부에 전달하는 제2 샘플러를 더 포함하는
전류 제어 전원 공급 장치.
제 11항에 있어서,
상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호와 소정의 제1 레퍼런스 값(Vref1)과의 차이를 적분하고, 상기 변압기에서 에너지가 전달되지 않는 동안은 상기 제1 레퍼런스 값(Vref1)의 음의 값을 적분하는
전류 제어 전원 공급 장치.
제 12항에 있어서,
상기 적분기는 기준값으로 소정의 제2 레퍼런스 값(Vref2)을 가지며,
상기 제2 샘플러로부터 전달받은 값을 상기 제2 레퍼런스 값(Vref2)과 비교하는 비교기,
상기 적분기로부터 전달받은 값과 상기 제2 레퍼런스 값의 차이가 소정 범위 이내이도록 상기 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서,
상기 부하단은 하나 이상의 발광소자를 포함하는
전류 제어 전원 공급 장치.
1차 전류를 2차 전류로 변환하여 부하단에 공급하는 변압기;
상기 1차 전류의 피크값을 샘플링하는 제1 샘플러;
상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 이용하여 상기 부하단에 흐르는 전류의 평균값에 비례하는 신호를 출력하는 적분기;
상기 적분기의 출력 신호를 샘플링하는 제2 샘플러;
적분기와 제2 샘플러에 리셋(reset)신호를 전달하는 레벨 디텍터(level detector);
상기 제2 샘플러의 출력 신호를 통해 상기 1차 전류가 흐르는 시간을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는
전류 제어 전원 공급 장치.
제 15항에 있어서,
상기 레벨 디텍터는,
입력전압의 주기에 따라 적분기의 적분 주기와 제2 샘플러의 샘플링 주기를 갱신하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 16항에 있어서,
상기 레벨 디텍터는,
입력전원의 반주기마다 스위치 온 시간을 갱신하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 15항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 18항에 있어서,
상기 적분기는,
1차 권선 양단에 인가되는 전압을 센싱하여 에너지 전달시간을 구하여 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 18항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 변압기에 보조 권선을 달아서 1차 권선에 인가되는 동일파형의 전압을 얻고, 이를 통해 1차 권선의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하고 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 18항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 변압기의 1차 권선과 상기 1차 전류를 온/오프 시키는 스위치와의 연결부분의 전압변화를 검출하여 에너지 전달시간을 구하고 그 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 21항에 있어서,
상기 적분기는,
상기 1차 권선과 상기 스위치 연결부분의 전압이 상기 1차측에 걸리는 전압보다 커지기 시작할 때부터 양 전압이 다시 같아질 때까지의 시간동안 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호를 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 15항에 있어서,
상기 1차 전류를 온/오프 시키는 스위치를 더 포함하고,
상기 제1 샘플러는 상기 스위치가 온인 동안 1차 전류를 샘플링하고, 오프되는 순간의 1차 전류를 상기 1차 전류의 피크값으로 홀딩하며,
상기 레벨 디텍터는 입력 전압의 주기에 따라 상기 적분기에 리셋(reset)신호를 전달하며,
상기 제2 샘플러는 상기 레벨 디텍터의 리셋(reset)신호가 로우(low)인 동안 상기 적분기의 출력 신호를 샘플링하고, 상기 레벨 디텍터의 리셋(reset)신호가 하이(high)인 경우에 상기 적분기의 출력 신호를 홀딩하여 상기 스위칭 제어부에 전달하며,
상기 스위칭 제어부는 상기 제2 샘플러로부터의 상기 적분기의 출력 신호를 통해 상기 스위치의 턴 온 시간을 제어하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 15항에 있어서,
상기 적분기는, 상기 변압기의 1차측에 저장된 에너지가 2차측에 완전히 전달되기까지의 시간에 대해 상기 1차 전류의 피크값에 비례하는 신호와 소정의 제1 레퍼런스 값(Vref1)과의 차이를 적분하고, 상기 변압기에서 에너지가 전달되지 않는 동안은 상기 제1 레퍼런스 값(Vref1)의 음의 값을 적분하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 24항에 있어서,
상기 적분기는 기준값으로 소정의 제2 레퍼런스 값(Vref2)을 가지며,
상기 제2 샘플러로부터 전달받은 값을 상기 제2 레퍼런스 값(Vref2)과 비교하는 비교기,
상기 적분기로부터 전달받은 값과 상기 제2 레퍼런스 값의 차이가 소정 범위 이내이도록 상기 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 24항에 있어서,
상기 적분기는, 기준값으로 소정의 제2 레퍼런스 값(Vref2)을 가지며,
상기 제2 샘플러로부터 전달받은 값을 소정의 제3 레퍼런스 값(Vref2+△V)과 비교하는 제1 비교기,
상기 제2 샘플러로부터 전달받은 값을 소정의 제4 레퍼런스 값(Vref2-△V)과 비교하는 제2 비교기,
상기 적분기로부터 전달받은 값이 상기 제3 및 제4 레퍼런스 값 사이에 해당되도록 상기 두 개의 비교기로부터 전달받은 값을 보상하고, 상기 보상한 값을 상기 스위칭 제어부에 전달하는 보상기를 더 포함하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
제 15항에 있어서,
상기 부하단은,
하나 이상의 발광소자를 포함하는,
전류 제어 전원 공급 장치.
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IEEE 논문(제목: Novel Sampling Algorithm for DSP Controlled 2kW PFC Converter), 논문발표 2001년 3월*

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