KR101309481B1 - 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 전원 모듈의 각 출력 전원을 결합하여 결합된 출력 전원에 기초하여 복수의 전원 모듈에 부하 분담을 제어하는 전원 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명은 입력 전원을 부하 분담 제어에 따라 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하는 복수의 전원 모듈을 가지며, 상기 복수의 전원 모듈 각각의 직류 전원을 결합하여 하나의 출력 전원을 제공하는 전원 공급부; 및 상기 출력 전원의 상태에 따라 상기 전원 공급부의 상기 복수의 전원 모듈의 부하 분담을 제어하는 부하 제어부를 포함하는 전원 공급 장치를 제안한다.

Description

전원 공급 장치 {POWER SUPPLYING APPARATUS}
본 발명은 복수의 전원 모듈이 병렬 구동되는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 사용자의 다양한 욕구에 부합하는 전자 장치들이 다양하게 구현되고 있으며, 이러한 전자 장치들은 해당하는 기능을 구현하기 위해 동작 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 채용할 수 있다.
전원 공급 장치는 일반적으로 전력 변환 효율, 소형화 등의 이점으로 인해 스위칭 모드 파워 서플라이(switching mode power supply) 방식을 채용할 수 있다.
이러한 전원 공급 장치 종류로는 서버와 같은 대용량의 전원이 필요한 전자 장치에 대용량의 전원을 공급하기 위해, 복수의 전원 모듈을 갖는 다중 전원 공급 장치가 있을 수 있다.
이러한 전원 공급 장치는 복수의 전원 모듈이 병렬 구동될 수 있으며, 전원 모듈 각각의 출력 측에는 다중 출력을 하나로 묶기 위한 오링(oring) 다이오드와 부하 분담을 위한 컨트롤 회로가 각각 채용될 수 있다.
이러한 종래의 전원 공급 장치는 오릴 다이오드에 의한 출력전압의 전압 강하와 효율 저하가 발생하는 문제점이 있을 수 있으며, 부하 분담을 위한 복수의 컨트롤 회로가 채용되어 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 복수의 전원 모듈의 각 출력 전원을 결합하여 결합된 출력 전원에 기초하여 복수의 전원 모듈에 부하 분담을 제어하는 전원 공급 장치를 제안한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 입력 전원을 부하 분담 제어에 따라 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하는 복수의 전원 모듈을 가지며, 상기 복수의 전원 모듈 각각의 직류 전원을 결합하여 하나의 출력 전원을 제공하는 전원 공급부; 및
상기 출력 전원의 상태에 따라 상기 전원 공급부의 상기 복수의 전원 모듈의 부하 분담을 제어하는 부하 제어부
를 포함하는 전원 공급 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 복수의 전원 모듈 각각은
상기 입력 전원을 스위칭하여 상기 직류 전원으로 변환하는 전원 변환부;
상기 부하 제어부의 부하 분담 제어에 따라 상기 전원 변환부의 스위칭을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는
상기 전원 변환부의 전원 스위칭 온에 의해 흐르는 전류와 상기 부하 제어부에 의해 목표하는 출력 전원의 전류를 비교하는 비교부; 및
상기 비교부로부터의 비교 결과를 사전에 설정된 클럭 신호에 따라 논리 연산하는 RS 래치를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전원 변환부는
상기 입력 전원을 전달받는 일차 권선과, 상기 일차 권선과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 상기 일차 권선에 전달된 입력 전원의 전압 레벨을 변압하는 이차 권선을 갖는 트랜스포머;
상기 제어부의 제어에 따라 상기 일차 권선에 전달괸 입력 전원을 스위칭하는 스위치; 및
상기 이차 권선으로부터의 변압된 전원을 정류하여 상기 직류 전원을 출력하는 정류 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전원 변환부는
상기 입력 전원을 전달받는 일차 권선과, 상기 일차 권선과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 상기 일차 권선에 전달된 입력 전원의 전압 레벨을 변압하는 이차 권선을 갖는 트랜스포머;
상기 제어부의 제어에 따라 상기 일차 권선에 전달된 입력 전원을 액티브 클램프 포워드(active clamp forward) 방식으로 스위칭하는 제1 스위치와 제2 스위치; 및
상기 이차 권선으로부터의 변압된 전원을 정류하여 상기 직류 전원을 출력하는 정류 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 전원 모듈의 각 출력 전원을 결합하여 결합된 출력 전원에 기초하여 복수의 전원 모듈에 부하 분담을 제어함으로써 단일 컨트롤 회로를 사용하여 부하를 분담하여 제조 비용을 저감할 수 있고, 출력 측에 오링(oring) 다이오드를 채용하지 않아 전원 변환 효율 증대 및 제조 비용을 더 저감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시예의 주요 부분의 신호 파형도.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 전원 공급 장치의 시뮬레이션 신호 파형도.
도 4는 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시예의 개략적인 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 전원 공급 장치의 시뮬레이션 신호 파형도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시예의 주요 부분의 신호 파형도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시예(100)는 복수의 전원 모듈을 갖는 전원 공급부(110,130) 및 부하 제어부(120)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(110,130)는 복수의 전원 모듈을 가질 수 있다. 상기 복수의 전원 모듈은 부하 제어부(120)의 부하 분담 제어에 따라 입력 전원을 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있으며, 전원 공급부(110,130)는 상기 복수의 전원 모듈 각각으로부터의 직류 전원을 하나의 출력 전원으로 결합하여 출력할 수 있다. 상기 복수의 전원 모듈 각각은 전원 변환부(110) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
전원 변환부(110)는 제1 내지 제N(여기서, N은 1 이상의 자연수) 전원 변환부를 가질 수 있으며, 도면상에는 제1 및 제2 전원 변환부(111,112)만을 도시하였으나, 병렬 구동되는 복수의 전원 모듈을 갖는 전원 공급 장치에서는 제1 내지 제N 전원 변환부가 채용될 수 있음이 자명할 수 있다.
제1 및 제2 전원 변환부(111,112) 각각은 입력 전원(Vin1,Vin2)을 입력받아 이를 사전에 설정된 직류 전원으로 변환할 수 있으며, 이를 위해 제1 및 제2 전원 변환부(111,112) 각각은 트랜스포머, 스위치 및 정류 다이오드를 각각 구비할 수 있다.
상기 트랜스포머는 권선비(N:1)를 형성하는 일차 권선과 이차 권선을 구비할 수 있으며, 상기 일차 권선은 입력 전원(Vin1)을 입력받을 수 있으며, 상기 이차 권선은 권선비(N:1)에 따라 상기 일차 권선에 입력된 입력 전원(Vin1)의 전압 레벨을 변압하여 출력할 수 있다.
상기 스위치는 제어부(131,132)의 제어에 따라, 상기 일차 권선에 입력된 입력 전원(Vin1)을 스위칭하여 전원 변환 동작을 수행할 수 있다.
상기 정류 다이오드는 상기 트랜스포머의 상기 이차 권선으로부터 출력되는 전원을 정류하여 상기 직류 전원을 출력할 수 있다.
제어부(130)는 제1 내지 제N(여기서, N은 1 이상의 자연수) 제어부를 가질 수 있으며, 도면상에는 제1 및 제2 제어부(131,132)만을 도시하였으나, 병렬 구동되는 복수의 전원 모듈을 갖는 전원 공급 장치에서는 제1 내지 제N 제어부가 채용될 수 있음이 자명할 수 있다.
제1 및 제어부(131,132) 각각은 부하 제어부(120)로부터의 부하 분담 제어에 따라 제1 및 제2 전원 변환부(111,112)의 전원 스위칭을 제어할 수 있으며, 이를 위해, 제1 및 제어부(131,132) 각각은 비교부(U1,U2) 및 RS 래치(RS1,RS2)를 포함할 수 있다.
비교부(U1,U2)는 제1 및 제2 전원 변환부(111,112)의 상기 스위치의 턴 온에 의해 흐르는 전류와 부하 제어부에 의해 목표하는 출력 전원의 전류를 비교하여 그 비교 결과를 RS 래치(RS1, RS2)에 제공할 수 있다.
RS 래치(RS1, RS2)는 사전에 설정된 클럭 신호를 입력받는 S단자(S)와, 비교부(U1,U2)로부터의 비교 결과를 입력받는 R단자(R)와, 상기 스위치를 제어할 수 있는 스위칭 제어 신호를 출력하는 Q단자(Q)를 구비할 수 있으며, RS 래치(RS1, RS2)는 상기 클럭 신호에 따라 상기 비교 결과를 논리 연산하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다.
상기 복수의 전원 모듈의 각 직류 전원이 하나의 출력 전원으로 결합되어 출력될 수 있고, 부하 제어부(120)는 상기 출력 전원을 검출하여 목표하는 출력 전원의 전류 레벨에 도달하도록 제어부(131,132)의 동작을 제어하는 부하 분담 제어 동작을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 전원 공급 장치(100)는 상기 복수의 전원 모듈의 직류 전원이 하나의 출력으로 묶기 때문에 별도의 오링(oring) 다이오드가 필요 없으므로 따라서 출력전압의 전압강하와 효율저하가 발생되지 않을 수 있다. 뿐만 아니라 별도의 부하분담을 위한 블록이 없이도 부하분담이 가능하므로 기존에 사용된 부하분담을 위한 전용IC나 Op amp 등의 소자가 필요 없게 되므로 원가 절감이 가능하다. 또한 기존 회로에서는 각 SMPS 마다 부하 분담을 위한 제어 회로가 필요하였으나 제안 회로는 SMPS의 개수에 관계없이 하나의 부하 분담 제어 회로로 모든 동작이 가능하다.
제안된 방식은 피크(Peak) 또는 평균 전류모드로 동작하는 모든 SMPS에 적용이 가능하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 전원 모듈 각각이 피크(peak) 전류모드로 동작하는 DCM(descrete current mode) 플라이백(flyback) 방식으로 전원 변환 동작을 수행하는 경우, 부하 제어부(120)는 출력 전압을 검출하여 이를 원하는 전압으로 제어하기 위한 전류 명령을 출력하며 이는 다시 포토커플러와 같은 아이솔레이터(isolator)를 통해 전류명령(Icom)은 전원 변환부(111,112) 구동을 위한 각각의 제어부(131,132)에 동일하게 입력된다. 제어부(131,132)는 1차측에 흐르는 전류의 피크(peak)치가 입력된 전류명령(Icom)과 동일하도록 제어하므로 도시된 바와 같이 자화 인덕터의 전류(ILm1, ILm2) 및 상기 일차 권선의 전류(Ipri1, Ipri2)의 피크치는 동일하게 제어된다. 따라서 상기 일차 권선의 전류(Ipri1, Ipri2)가 서로 동일하므로 상기 이차 권선의 전류 피크치 또한 동일하며 상기 정류 다이오드가 모두 하나의 출력 전압(Vo)을 공유하고 있으므로 이차 권선의 전류의 기울기가 또한 N2Vo/Lm으로 동일하므로 각 전원 모듈의 출력 전류의 평균은 입력전압에 관계없이 동일해 진다. 결국 각 각 전원 모듈의 부하는 입력전압의 크기와 관계없이 동일하게 분담됨을 알 수 있다.
한편, 평균 전류 모드로 동작되는 DCM 플라이백 방식의 경우 각 전원 변환부의 1차측 전류의 평균치는 동일하고 따라서 1차 전류의 피크치 또한 동일하므로 상기한 바와 같이 출력 부하는 동일하게 분담된다. 그러나 CCM(constant current mode)으로 동작되며 각 전원 변환부의 입력전압이 다를 경우 듀티비가 달라지므로 부하분담이 정확히 이뤄지지 않는 단점이 있다. 따라서 CCM의 경우 입력전압이 동일한 경우에 적용이 가능하다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 전원 공급 장치의 시뮬레이션 신호 파형도이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 먼저 도 3의 (a)의 경우 제1 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 55V로 설정하고, 제2 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 45V로 설정하며 출력 전원(Vo)는 60W 즉 제1 및 제2 전원 모듈 각각이 30W의 부하를 분담하는 경우, 도시된 바와 같이 입력 전원의 전압 레벨에 관계없이, 그리고 출력 전원의 부하 분담 제어외에 별도의 부하 분담 기능의 추가 없이도 전류는 거의 동일하게 흐르는 것을 볼 수 있다. 더하여, 도 3의 (b)의 경우 제1 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 55V로 설정하고, 제2 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 0V로 설정하며 출력 전원(Vo)는 30W 즉 하나의 전원 모듈만이 부하를 분담하는 경우 문제없이 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시예의 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시예(200)는 제1 및 제2 전원 변환부(211,212)는 액티브 클램프 포워드 방식으로 전원 변환 동작을 수행할 수 있으며, 이를 위해 제1 및 제2 전원 변환부(211,212) 각각은 전원 스위칭 동작을 위한 제1 및 제2 스위치를 포함할 수 있다. 이외의 부하 제어부(220) 및 제어부(230,231,232)는 도 1에서의 부하 제어부(120) 및 제어부(130,131,132)와 동일하므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 전원 공급 장치의 시뮬레이션 신호 파형도이다.
도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 먼저 도 5의 (a)의 경우 제1 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 55V로 설정하고, 제2 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 45V로 설정하며 출력 전원(Vo)는 60W 즉 제1 및 제2 전원 모듈 각각이 30W의 부하를 분담하는 경우, 도시된 바와 같이 입력 전원의 전압 레벨에 관계없이, 그리고 출력 전원의 부하 분담 제어외에 별도의 부하 분담 기능의 추가 없이도 전류는 거의 동일하게 흐르는 것을 볼 수 있다. 더하여, 도 5의 (b)의 경우 제1 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 55V로 설정하고, 제2 입력 전원(Vin)의 전압 레벨은 0V로 설정하며 출력 전원(Vo)는 30W 즉 하나의 전원 모듈만이 부하를 분담하는 경우 문제없이 동작하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 전원 모듈의 각 출력 전원을 결합하여 결합된 출력 전원에 기초하여 복수의 전원 모듈에 부하 분담을 제어함으로써 단일 컨트롤 회로를 사용하여 부하를 분담하여 제조 비용을 저감할 수 있고, 출력 측에 오링(oring) 다이오드를 채용하지 않아 전원 변환 효율 증대 및 제조 비용을 더 저감할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100...전원 공급 장치
110...전원 변환부
111...제1 전원 변환부
112...제2 전원 변환부
120...부하 제어부
130...제어부
131...제1 제어부
132...제2 제어부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 입력 전원을 부하 분담 제어에 따라 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하는 복수의 전원 모듈을 가지며, 상기 복수의 전원 모듈 각각의 직류 전원을 결합하여 하나의 출력 전원을 제공하는 전원 공급부; 및
    상기 출력 전원의 상태에 따라 상기 전원 공급부에 전류 명령을 제공하는 부하 제어부를 포함하고,
    복수의 전원 모듈 각각은
    상기 입력 전원을 스위칭하여 상기 직류 전원으로 변환하는 전원 변환부;
    단일 컨트롤 회로를 구성하여 상기 부하 제어부의 전류 명령에 따라 상기 전원 변환부의 스위칭을 제어하여 상기 복수의 전원 모듈이 각각 부하를 분담하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 전원 변환부의 전원 스위칭 온에 의해 흐르는 전류와 상기 부하 제어부에 의해 목표하는 출력 전원의 전류를 비교하는 비교부; 및
    상기 비교부로부터의 비교 결과를 사전에 설정된 클럭 신호에 따라 논리 연산하는 RS 래치
    를 포함하는 전원 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전원 변환부는
    상기 입력 전원을 전달받는 일차 권선과, 상기 일차 권선과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 상기 일차 권선에 전달된 입력 전원의 전압 레벨을 변압하는 이차 권선을 갖는 트랜스포머;
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 일차 권선에 전달괸 입력 전원을 스위칭하는 스위치; 및
    상기 이차 권선으로부터의 변압된 전원을 정류하여 상기 직류 전원을 출력하는 정류 다이오드
    를 포함하는 전원 공급 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전원 변환부는
    상기 입력 전원을 전달받는 일차 권선과, 상기 일차 권선과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 상기 일차 권선에 전달된 입력 전원의 전압 레벨을 변압하는 이차 권선을 갖는 트랜스포머;
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 일차 권선에 전달된 입력 전원을 액티브 클램프 포워드(active clamp forward) 방식으로 스위칭하는 제1 스위치와 제2 스위치; 및
    상기 이차 권선으로부터의 변압된 전원을 정류하여 상기 직류 전원을 출력하는 정류 다이오드
    를 포함하는 전원 공급 장치.
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IEEE 논문(제목: A New Control for Multi-phase Buck Converter with Fast Transient Response), 논문발표 2001년 *
IEEE 논문(제목: A New Control for Multi-phase Buck Converter with Fast Transient Response), 논문발표 2001년*
충남대학교 박사학위논문(제목: 종속전원으로서 작동하는 병렬컨버터의 응답특성 개선), 논문발표 2000년 2월 *
충남대학교 박사학위논문(제목: 종속전원으로서 작동하는 병렬컨버터의 응답특성 개선), 논문발표 2000년 2월*

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