KR101403544B1 - 보조 전력 공급 전압을 발생시키는 완충용 커패시터 - Google Patents

보조 전력 공급 전압을 발생시키는 완충용 커패시터 Download PDF

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Abstract

펄스-폭 변조기를 형성하는 집적 회로(IC)(intergrated circuit)는 스위칭 전력 공급 장치(switching power supply)의 출력단의 스위칭 동작을 제어한다. 상기 출력단 변압기의 1차 권선에 연결된 완충용 커패시터(snubber capacitor)는 용량성의 결합된 충전 전류(capacitive coupled charging current)를 생성하기 위하여 생성된다. 상기 용량성의 결합된 충전 전류는 제 2 커패시터에서 제 2 전력 공급 전압의 제 1 부분을 생성하기 위하여 필터 또는 전하 저장 제 2 커패시터(charge storage second capacitor)에 연결되어진다. 출력단의 스위칭 사이클의 부분 동안, 완충용 커패시터는 공진 회로를 형성하기 위하여 인덕터에 연결된다. 상기 공진 회로는 상기 제 2 커패시터에서 IC에 전압을 가하기 위한 제 2 전력 공급 전압의 제 2 부분을 생성한다. 상기 제 2 전력 공급 전압은 IC에 전압을 가하기 위하여 사용된다.

Description

보조 전력 공급 전압을 발생시키는 완충용 커패시터{A SNUBBER CAPACITOR GENERATING AN AUXILIARY POWER SUPPLY VOLTAGE}
본 발명은 전자 회로에 전압을 가하는 저 전력 공급 장치(low power supply)에 관한 것이다.
예를 들어, 펄스-폭 변조 전력 공급 장치와 같은 스위칭 전력 공급 장치(switching power supply)는 절연 변압기(isolation transformer)의 1차 권선(primary winding)을 갖는 출력단을 포함할 수 있다. 변압기 1차 권선은 비 절연 방식에서 주 공급 전압에 연결된다. 절연된 전력 공급 전압은 절연 변압기의 2차 권선에서 발생된 전압으로부터 생성된다. 대표적으로, 완충용 커패시터는 1차 권선에서 발생된 전압의 플라이백(flyback) 전압 부분의 변화율을 감소시키기 위한 1차 권선에 연결된다.
펄스-폭 변조기(pulse-width modulator)를 형성하는 집적회로(IC, integrated circuit)는 출력단의 스위칭 동작을 제어한다. 스위칭 동작을 위하여 이러한 집적회로는, 보조의 비 절연 전력 공급 전압으로부터 전력이 공급될 필요가 있다. 비 절연 전력 공급 전압은 비교적 저 전력을 제공할 필요가 있는 전력 공급 장치에서 생성될 수 있다. 변압기의 1차 권선에서 이미 생성된 비 절연 전압으로부터 비 절연 전력 공급 전압을 생성하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명은 전술된 종래의 문제를 해결하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 일 양상을 수행할 때, 1차 권선에 연결된 완충용 커패시터가 용량성의 결합된 충전 전류(capacitive coupled charging current)를 생성하기 위하여 이용된다. 상기 용량성의 결합된 충전 전류는 IC에 전압을 가하기 위한 비 절연 전력 공급 전압의 제 1 부분을 제 2 커패시터에서 생성하기 위해 필터 또는 전하 저장 제 2 커패시터에 연결된다.
본 발명의 또 다른 양상을 수행할 때, 출력단의 스위칭 사이클의 일부 동안, 완충용 커패시터는 공진 회로(resonant circuit)를 형성하기 위하여 인덕터(inductor)에 연결된다. 공진 회로는 제 2 커패시터에서 IC에 전압을 가하기 위한 비 절연 전력 공급 전압의 제 2 부분을 생성한다.
본 발명의 추가의 특징을 수행하는 것에서, 스위칭, 션트 트랜지스터(shunt transistor)는 제 2 커패시터를 충전할 수 있는 전류를 선택적으로 인터럽트(interrupting) 함으로써 저 전압 전력 공급 전압(low voltage power supply voltage)을 조절한다.
본 발명의 특징을 구현하는 전력 공급 장치는, 변압기의 1차 권선에 연결된입력 공급 전압의 소스를 포함한다. 제 1 부하 회로(load circuit)에 전압을 가하는 제 1 출력 공급 전압을 생성하기 위하여 변압기의 제 2 권선에 변압기로 연결된 전류를 상기 제 1 권선에서 생성하기 위해 출력 스위칭 트랜지스터가 제 1 스위칭 제어 신호에 응답하고 상기 제 1 권선에 연결된다. 상기 출력 스위칭 트랜지스터는 제 1 스위칭 제어 신호 사이클의 제 1 부분 동안, 1차 권선 전류를 인터럽트 하고, 1차 권선에서 플라이백 전압을 생성한다. 제 1 커패시터는 플라이백 전압의 변화율을 감소시키고 각 제 1 및 제 2 커패시터의 용량성 전류(capacitive current)를 생성하는 완충용 전기 용량 네트워크(snubber capacitance network)를 형성하기 위하여 1차 권선 및 제 2 커패시터에 연결된다. 용량성 전류는 각 제 1 및 제 2 커패시터에서 제 2 공급 전압의 제 1 부분을 제 2 커패시터에서 나타내는 대응하는 전하를 저장한다. 제 2 공급 전압은 제 2 부하 회로에 연결된다. 인덕터는 제 1 커패시터에서 저장된 전하로부터 공진 전류를 발생시키는 공진 회로를 제 1 커패시터와 함께 형성하기 위하여, 사이클의 제 2 부분 동안 출력 스위칭 트랜지스터의 동작에 의해 제 1 커패시터에 연결된다. 상기 공진 전류는 제 2 커패시터에 연결된다. 상기 공진 전류는 제 2 공급 전압의 제 2 부분을 발생시키기 위해 제 2 커패시터에 전하를 저장한다.
본 발명은 완충용 커패시터에서 보조 전력 공급 전압을 발생시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)을 도시하는 도면.
도 2a, 도 2b, 도 2c는 도 1의 회로(100)의 동작에 관련된 파형을 도시하는 도면.
도 3a, 도 3b, 도 3c는 도 2a, 도 2b, 도 2c와 동일한 파형이나, 확장된 시간 크기를 갖는 파형을 도시하는 도면.
도 1은 본 발명의 일 양상을 구현하는 전력 공급 장치(100)를 도시한다. 주 공급 전압(미도시 된)에서 생성된 직류 전류(DC) 입력 공급 전압(DCin)은 주 필터 커패시터(C1)로부터 생성되고, 절연 변압기(T1)의 1차 권선(W1)의 입력 단자(101)와 1차측 비 절연 기준 전위(GND) 사이에서 적용된다. 상기 권선(W1)의 제 2 단자(102)는 스위칭 출력 트랜지스터(Q1)의 드레인 터미널(drain terminal)에 연결된다. 상기 트랜지스터(Q1)의 소스 단자(103)는 트랜지스터(Q1)에서 흐르는 전류를 나타내는 전류 샘플링 신호(CS)를 생성하기 위하여 전류 샘플링 저항(R1)에 연결된다. 상기 저항(R1)은 단자(103)와 1차측 기준 전위(GND) 사이에 연결된다.
신호(CS)는 종래의 듀티 사이클 변조기(duty cycle modulator) 집적회로(IC)(U1)에 연결된다. IC(U1)는 통상적으로 전류 모드 제어(current mode control)로 동작한다. IC(U1)는 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자(gate terminal)에 연결된 듀티 사이클로 변조된 제어 신호(Drv)를 생성한다. 트랜지스터(Q1)와 변압기(T1)는 권선(W1)에 변압기로 연결된 전압으로부터 통상적으로 제 1 출력 공급 전압 (Vout)을 생성한다. 전압(Vout)은 기준 전위(GND)로부터 절연되고, 절연된 2차측 기준 전위(GND-ISOLATED)에서 참조 된다. 출력 공급 전압(Vout)은 통상적으로 듀티 사이클로 변조된 제어 신호(Drv)에 따라 제어된다.
커패시터(C3)에서 나타난 피드백 신호(FB)(feedback signal)는 1차측 기준 전위(GND)에서 참조 된다. 신호(FB)는 통상적으로 광커플러(opto-coupler)(U2)에서 생성된다. 신호(FB)는 제 1 출력 공급 전압(Vout)의 크기를 나타난다. 피드백 신호(FB)는 통상적인 부 피드백 방식으로 듀티 사이클로 변조된 제어 신호(Drv)의 듀티 사이클에서 편차를 만든다. 공급 전압(DCin)은 통상적으로 시동 동작(start-up operation)을 개시하기 위한 시동 전압(HV)를 생성하기 위하여 IC(U1)에 시동 저항(R3)을 경유하여 또한 연결된다.
도 2a, 도 2b, 도 2c는 도 1의 회로(100)의 동작에 관련된 전류 또는 전압의 파형을 도시한다. 도 3a, 도 3b, 도 3c는 도 2a, 도 2b, 도 2c에서와 같이 동일한 전류 또는 전압의 파형을 각각 도시하지만, 확장된 시간 크기를 갖는 파형을 각각 도시한다. 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 1에서 유사한 기호들과 수들은 유사한 항목과 기능을 나타낸다.
본 발명의 특징을 수행할 때, 도 1의 완충용 커패시터(C4)는 다이오드(diode)(D1)을 경유하여 훨씬 더 큰 필터 공급 커패시터(C2)에 연결된다. 트랜지스터(Q1)가 도 3a 또는 3b의 시간(t2)에서 꺼졌을 때, 도 1의 권선(W1)에서 전류(IW1)의 흐름은 인터럽트된다. 그 결과로, 도 2a의 주기(T)를 갖는 도 1, 도 3a 및 도 2a의 드레인 전압(V102)의 주기적인 플라이백 부분(V102-FB)은 도 1의 단자(102)에서 생성되고, 도 1의 커패시터(C4), 다이오드(D1), 커패시터(C2)에 도 1, 도 3c 및 도 2c의 전류가 흐르게 한다. 따라서, 커패시터(C2, C4)는 드레인 전압(V102)에 대해 용량성 전압 분배기(capacitive voltage divider)를 형성한다. 전류(ID1)는 각 커패시터(C2, C4)를 충전한다. 따라서, 유리하게는, 공급 전압(Vcc)의 제 1 부분이 커패시터(C2)에서 생성된다.
본 발명의 또 다른 특징을 수행할 때, 커패시터(C2, C4)는 완충용 네트워크(104)에서 포함된다. 직렬 연결된 커패시터(C2, C4)의 전기 용량은 커패시터(C2)의 값보다 커패시터(C4)의 전기 용량의 값으로부터 더 중요하게 결정된다. 트랜지스터(Q1)가 꺼졌을 때, 완충용 네트워크(104)는 통상적으로, 도 3a의 업-램핑(up-ramping) 플라이백 부분(V102-FB)의 변화율을 감소시킨다. 도 1의 완충용 네트워크(104)는 통상적으로, 성분(104a)으로부터 올바르게 확인된 다른 구성요소들을 포함할 수 있다. 인덕터(L1)는 완충용 커패시터(C4)와 1차측 기준 전위(GND) 사이에서 연결된다.
도 2a 및 도 3a의 시간(t0)에서, 도 1의 트랜지스터(Q1)는 켜지고 권선(W1)에서 업-램핑 전류(IW1)를 생성한다. 전류(IW1)는 선형적으로 상승하고 권선(W1)의 자기 유도 계수(inductance)로 자기 에너지(magnetic energy)를 저장한다. 동일한 시간에 인덕터(L1)는 공진 회로를 형성하기 위하여 커패시터(C4)와 병렬로 연결된다. 상기 인덕터(L1)에서 공진 전류(IL1)는 도 3b 및 도 3a의 시간(t1)에서 도 1의 출력 전압(Vcc)를 초과하는 전압을 커패시터(C4)의 단자(102a)에서 생성한다. 이것은 다이오드(D1)가 전도성이 되도록 한다. 전도성이 된 이후, 다이오드(D1)는 도 1의 커패시터(C2)에서 도 3c의 전류(ID1)의 다운-램핑(down-ramping) 부분(ID1a)을 생성한다. 유리하게, 다운-램핑 부분(ID1a)은 커패시터(C2)에서 전압(Vcc)의 제 2 부분을 나타낸다. 다이오드(D1)가 동작할 때, 다이오드는 도 3b의 전류(IL1)에서 대응하는 다운-램핑 부분(IL1a)을 생성하기 위하여 권선(L1)을 가로 질러서 전압(Vcc)를 적용한다.
유리하게도, 완충용 커패시터(C4)에서 저장된 전하 또는 에너지는 버려지지 않고, 그보다는 전압(Vcc)의 제 2 부분을 생성하기 위하여 사용된다. 더욱이, 유리하게, 전압(Vcc)은 변압기(T1)에 추가 권선의 필요 없이 생성된다.
본 발명의 추가 특징을 수행할 때, 조절하는 스위칭 트랜지스터(Q3)의 주 전류 전도성 단자의 쌍들은 인덕터(L1)를 가로 질러서, 단자(102a)와 기준 전위(GND)에 각각 연결된다. 전압(Vcc)은 저항(R3)을 경유하여 전압 비교기 트랜지스터(Q2)의 기준 베이스 전압(VB)을 생성하기 위하여 제너 다이오드(D3)의 캐소드 단자(cathod terminal)(110)에 연결된다. 제너 다이오드(D3)의 다른 단자는 1차측 기준 전위(GND)에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 에미터 단자(emitter terminal)는 전압(Vcc)이 생성되는 커패시터(C2)에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 컬렉터(collector)는 트렌지스터(Q3)의 게이트 단자와 부하 저항(R4)에 모두 연결된다.
전압(Vcc)이 초과되는 경우, 전압(Vcc)과 터미널(110) 사이에서 생성된 제너 전압 사이의 차가 트랜지스터(Q2)의 베이스 및 에미터 사이의 임계 순방향 전압을 초과한다. 그 결과, 트랜지스터(Q2)는 전도성이 되고 트랜지스터(Q3)가 켜지도록 한다. 이러한 방식으로, 트랜지스터(Q2)는 선택적으로 디스에이블 되거나, 또는 충전 전류(ID1)를 상당히 감소시킨다. 또한, 전류(IL1) 인덕터(L1)는 트랜지스터(Q3)를 경유하여 분로가 생성된다. 결과 전압(Vcc)이 유리하게 조절된다. 전압-조절을 위한 대안의 실시 예는 파선으로 도시된 컨덕터(conductor)를 경유하는 커패시터(C2)와 병렬로 연결되는 션트 조정자 다이오드(shunt regulator diode)(D4)를 사용함으로써 얻어질 수 있다.
101 : 입력 단자 102 : 제 2 단자
103 : 소스 단자 104 : 완충용 네트워크
Q1 : 스위칭 출력 트랜지스터 Q2 : 전압 비교기 트랜지스터
L1 : 인덕터 T1 : 절연 변압기
C1 : 주 필터 커패시터 C2 : 더 큰 필터 공급 커패시터

Claims (12)

  1. 전력 공급 장치로서,
    변압기의 제 1 권선에 연결되는 입력 공급 전압의 소스;
    제 1 스위칭 제어 신호(first switching contol signal)에 응답하고, 상기 제 1 권선에 연결되는 출력 스위칭 트랜지스터(output swithing transistor)로서,상기 출력 스위칭 트랜지스터는 제 1 부하 회로(first load circuit)에 전압을 가하는 제 1 출력 공급 전압을 생성하기 위하여 상기 변압기의 제 2 권선에 변압기(transformer)로 연결된 상기 제 1 권선에서 전류를 생성하고, 상기 제 1 스위칭 제어 신호의 사이클의 제 1 부분 동안, 상기 제 1 권선 전류를 인터럽트 하고, 상기 제 1 권선에서 플라이백(flyback) 전압을 생성하는, 출력 스위칭 트랜지스터;
    상기 플라이백 전압의 변화율을 줄이고 각 제 1 및 제 2 커패시터에서 용량성 전류(capacitive current)를 생성하는 완충용 전기 용량 네트워크(snubber capacitance network)의 용량성 전압 분배기(capacitive voltage divider)를 상기 플라이백 전압에 대해 형성하기 위해 상기 제 1 권선과 제 2 커패시터에 연결된 제 1 커패시터로서, 상기 용량성 전류는 제 2 공급 전압의 제 1 부분을 상기 제 2 커패시터에 나타내는 대응하는 전하를 각 제 1 및 제 2 커패시터에서 저장하고, 상기 제 2 공급 전압은 제 2 부하 회로에 연결되는, 제 1 커패시터와;
    상기 제 1 커패시터와 공진 회로를 형성하기 위하여 상기 사이클의 제 2 부분 동안 상기 출력 스위칭 트랜지스터가 전도성이 될 때 상기 제 1 커패시터에 연결되는 인덕터로서, 상기 제 1 커패시터에서 저장되는 전하로부터 상기 제 2 커패시터에 연결되는 공진 전류를 생성하고, 상기 공진 전류는 상기 제 2 공급 전압의 제 2 부분을 생성하기 위해 상기 제 2 커패시터에 전하를 저장하는, 인덕터
    를 포함하는, 전력 공급 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 공급 전압을 조절하는 방식으로, 상기 제 2 커패시터에서 대응하는 전하를 저장하는 적어도 하나의 전류를 선택적으로 인터럽트 하기 위한 제어가능한 제 2 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는, 전력 공급 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 2 공급 전압이 값의 범위 밖에 있는 경우, 상기 제어가능한 제 2 스위칭 트랜지스터의 전도 상태를 변화시키기 위해 상기 제어가능한 제 2 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 연결되고 상기 제 2 공급 전압에 응답하는 비교기(comparator)를 더 포함하는, 전력 공급 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제 2 스위칭 트랜지스터는 상기 인덕터와 병렬로 연결되는, 전력 공급 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 제 2 스위칭 트랜지스터는 각 상기 인덕터와 상기 제 1 커패시터 사이의 접합 단자(junction terminal)에 연결되는, 전력 공급 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 커패시터를 충전하는 대응하는 전류가 제 1 방향으로 흐르게 하고, 상기 제 2 커패시터 안의 전류가 상반되는 방향으로 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 제 1 및 제 2 커패시터 사이에서 연결되는 정류기(rectifier)를 더 포함하는, 전력 공급 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 출력 공급 전압은 상기 제 2 공급 전압으로부터 상기 제 1 출력 공급 전압을 절연시키는 상기 변압기의 제 2 권선에서 생성되는, 전력 공급 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 커패시터는 직렬로 연결되는, 전력 공급 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 커패시터는 상기 제 1 커패시터보다 큰, 전력 공급 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 출력 스위칭 트랜지스터는 상기 공진 회로를 형성하기 위하여 상기 제 2 커패시터와 병렬로 인덕터를 연결하는, 전력 공급 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 제어 신호를 생성하기 위한 듀티 사이클 변조기를 더 포함하고, 상기 제 2 공급 전압은 상기 듀티 사이클 변조기에 전압을 가하기 위해 상기 듀티 사이클 변조기에 연결되는, 전력 공급 장치.
  12. 삭제
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