KR101436549B1

KR101436549B1 - 안정기용 전원회로

Info

Publication number: KR101436549B1
Application number: KR1020120100087A
Authority: KR
Inventors: 박천순
Original assignee: 박천순
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2014-09-01
Also published as: KR20140033784A

Abstract

본 발명은 버스트모드회로부에서는 대기모드의 불필요한 전력소비를 감소시키기 위해 주기적인 펄스에 의해 스위칭부를 제어하고, 상기 스위칭부에서는 엔모스 및 피모스를 병렬연결하여 2배의 진폭을 갖는 출력신호를 발생하며, 상기 스위칭부의 출력신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부의 자가 공진을 통해 발생한 일정한 전류를 제1코일과 제2코일의 권선비에 의해 고압으로 증폭하여 램프에 전달함으로써 적은 소비전력으로 고출력을 구현하는 안정기용 전원회로에 관한 것이다.
종래 안정기회로에서 나타나는 불필요한 전력소모와, 낮은 효율을 개선하기 위해 본 발명은 이엠아이(EMI)필터부와, 정류부 및 평활부를 포함하여 이루어지는 안정기용 전원회로에 있어서, 스위칭부의 펄스신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부에서는 자가 공진(self -oscilating)을 통해 일정한 전류를 발생시키켜 주파수결정부에 전달하면, 상기 주파수결정부에서는 일정한 시간 간격의 반복된 펄스의 동작주파수를 발생하여 버스트모드(Burst mode) 회로부에 전달하고, 전압 클램프(Voltage Clamp)에서 회로의 전원을 일정하게 유지시키되, 상기 스위칭부는 평활부를 통해 안정화된 전원에 따라 동일한 펄스신호를 발생하여 중첩함으로써 2배의 출력신호를 발생할 수 있도록 엔모스(NMOS)와 피모스(PMOS)가 병렬로 연결되어 이루어지고, 상기 엘씨씨(LCC)공진부는 권선비율을 10 : 1 이상으로 유지하는 제1코일부 및 제2코일부를 병렬로 연결하여 구성하며, 상기 버스트모드 회로부에서는 한번에 10번 정도의 스위칭을 하고 일정시간 동안은 멈추기를 반복하는 버스트 스위칭(Burst Switching) 동작을 통해 유효 스위칭 주파수를 수 KHz로 유지하고 가청 노이즈와 관련된 기본파 주파수는 수백 Hz 이하로 낮추는 것을 특징으로 하는 안정기용 전원회로를 제안한다.
본 발명에 의한 안정기용 전원회로는 버스트모드회로부에서는 대기모드의 불필요한 전력소비를 감소시키기 위해 주기적인 펄스에 의해 스위칭부를 제어하고, 상기 스위칭부에서는 엔모스 및 피모스를 병렬연결하여 2배의 진폭을 갖는 출력신호를 발생하며, 상기 스위칭부의 출력신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부의 자가 공진을 통해 발생한 일정한 전류를 제1코일과 제2코일의 권선비에 의해 고압으로 증폭하여 램프에 전달함으로써 적은 소비전력으로 고출력을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명은 종래의 점등을 위한 스타터가 없이 램프에 연결되는 병렬공진방식에 의 해 전원라인을 2핀으로 형성하고, 순간 고압방전에 의해 램프에 안정화된 전압 및 전류가 공급할 수 있으므로 직렬공진시 발생하는 필라민트의 히팅에 의한 에너지손실을 방지할 수 있다.

Description

안정기용 전원회로{Power circuit for ballast}

본 발명은 안정기용 전원회로에 관한 것으로서, 특히 버스트모드회로부에서는 대기모드의 불필요한 전력소비를 감소시키기 위해 주기적인 펄스에 의해 스위칭부를 제어하고, 상기 스위칭부에서는 엔모스 및 피모스를 병렬연결하여 2배의 진폭을 갖는 출력신호를 발생하며, 상기 스위칭부의 출력신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부의 자가 공진을 통해 발생한 일정한 전류를 제1코일과 제2코일의 권선비에 의해 고압으로 증폭하여 램프에 전달함으로써 적은 소비전력으로 고출력을 구현하는 안정기용 전원회로에 관한 것이다.

전자식 안정기(ballast)를 사용하는 형광등과 같은 일반적인 전자 제품은 전원 전압(110Vac, 220Vac)을 공급받아 회로를 동작시켜 전력(또는 빛)을 전달한다. 이때, 전자식 안정기 회로는 형광등을 동작시키는 회로이기 때문에, 형광등의 여러 가지 특성을 만족시켜야 한다. 형광등은 종류에 따라 수백 V에서 수천 V의 점등 전압이 필요하다. 또한, 점등 후에도 지속적인 발광을 위해서는 수백 V 이상의 교류 인가 전압을 필요로 한다. 따라서, 상용 전원전압으로 110V의 전원전압을 공급받는 미국과 같은 지역에서 사용하기 위한 형광등은 그만큼 점등시키기 어렵다. 특히, 고역률(0.9 이상)의 안정기는 인가 전압과 동시에 연속적인 전류가 흐르도록 해야 하기 때문에 더욱 더 동작시키기 어렵다.

종래의 고역률 회로구성방식에는 능동회로를 이용한 구성방식과 수동회로를 이용한 구성방식이 있다. 능동회로를 이용한 구성방식은 PFC 제어기 IC를 이용한 회로인데, 0.99의 역률로 성능이 우수하고, 수동회로를 이용한 구성방식은 0.9~0.97의 역률을 갖는다. 그러나, 능동회로 구성방식은 트랜스와 IC 등을 사용해야하기 때문에, 공간 구성 측면과 원가 측면에서 수동회로를 이용한 구성방식보다는 단점이 많다.

종래의 고역률 수동회로를 이용한 구성방식에서는 회로 동작상 220V용 회로에 적합한 고역률 회로로 밸리 필(valley fill)회로를 주로 사용하나, 상기 밸리 필 회로를 이용하여 110Vac의 전원전압을 사용하는 전자식 안정기의 경우에, 출력전압의 낮은쪽 전압이 50V로 낮다는 문제점이 있으며, 이로 인해 안정기가 형광등을 점등시키지 못하는 경우가 발생되며, 이를 해결하기 위해 전압을 높이면 소비전력이 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 버스트모드회로부에서는 대기모드의 불필요한 전력소비를 감소시키기 위해 주기적인 펄스에 의해 스위칭부를 제어하고, 상기 스위칭부에서는 엔모스 및 피모스를 병렬연결하여 2배의 진폭을 갖는 출력신호를 발생하며, 상기 스위칭부의 출력신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부의 자가 공진을 통해 발생한 일정한 전류를 제1코일과 제2코일의 권선비에 의해 고압으로 증폭하여 램프에 전달함으로써 적은 소비전력으로 고출력을 구현하는 안정기용 전원회로를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 램프에 연결되는 전원라인을 2핀으로 형성하여 병렬공진방식이 의한 순간 고압방전에 의해 램프에 안정화된 전압 및 전류가 공급할 수 있는 안정기용 전원회로를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 안정기용 전원회로는 이엠아이(EMI)필터부와, 정류부 및 평활부를 포함하여 이루어지는 안정기용 전원회로에 있어서, 스위칭부의 펄스신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부에서는 자가 공진(self -oscilating)을 통해 일정한 전류를 발생시키켜 주파수결정부에 전달하면, 상기 주파수결정부에서는 일정한 시간 간격의 반복된 펄스의 동작주파수를 발생하여 버스트모드(Burst mode) 회로부에 전달하고, 전압 클램프(Voltage Clamp)에서 회로의 전원을 일정하게 유지시키되, 상기 스위칭부는 평활부를 통해 안정화된 전원에 따라 동일한 펄스신호를 발생하여 중첩함으로써 2배의 출력신호를 발생할 수 있도록 엔모스(NMOS)와 피모스(PMOS)가 병렬로 연결되어 이루어지고, 상기 엘씨씨(LCC)공진부는 권선비율을 10 : 1 이상으로 유지하는 제1코일부 및 제2코일부를 병렬로 연결하여 구성하며, 상기 버스트모드 회로부에서는 한번에 10번 정도의 스위칭을 하고 일정시간 동안은 멈추기를 반복하는 버스트 스위칭(Burst Switching) 동작을 통해 유효 스위칭 주파수를 수 KHz로 유지하고 가청 노이즈와 관련된 기본파 주파수는 수백 Hz 이하로 낮추는 것을 그 기술적특징으로 한다.

본 발명에 의한 안정기용 전원회로는 버스트모드회로부에서는 대기모드의 불필요한 전력소비를 감소시키기 위해 주기적인 펄스에 의해 스위칭부를 제어하고, 상기 스위칭부에서는 엔모스 및 피모스를 병렬연결하여 2배의 진폭을 갖는 출력신호를 발생하며, 상기 스위칭부의 출력신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부의 자가 공진을 통해 발생한 일정한 전류를 제1코일과 제2코일의 권선비에 의해 고압으로 증폭하여 램프에 전달함으로써 적은 소비전력으로 고출력을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명은 종래의 점등을 위한 스타터가 없이 램프에 연결되는 병렬공진방식에 의 해 전원라인을 2핀으로 형성하고, 순간 고압방전에 의해 램프에 안정화된 전압 및 전류가 공급할 수 있으므로 직렬공진시 발생하는 필라민트의 히팅에 의한 에너지손실을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 안정기용 전원회로의 블럭구성도,
도 2는 도 1의 일 실시례로서, 안정기용 전원회로의 회로도,
도 3은 본 발명에 의한 램프의 양단에 형성되는 병렬공진 모식도.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 안정기용 전원회로는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 안정기의 기본적인 구성요소로서, 외부에서 공급된 전원의 전자파를 제거하는 이엠아이필터부(10), 상기 전자파가 제거된 전원을 정류하는 정류부(20)와, 상기 정류된 전원을 안정화시키는 평활부(30)를 포함하여 구성되며, 대기전력 감소, 스위칭부(50)의 병렬구성, 엘씨씨공진부(60)의 병렬구성에 의해 소비전력을 감소시키기 출력을 증강시키는 안정적인 전원회로를 구성하였다.

즉, 본 발명에서는 상기 평활부(30)를 통해 안정화된 전원에 의해 동일한 펄스신호를 발생하는 엔모스(NMOS)(51)와 피모스(PMOS)(52)가 병렬로 연결되어 이루어지는 스위칭부(50)가 구비되어 있다.

상기 스위칭부(50)는 종래 기술과 비교되는 본 발명의 기술적 차별성으로서, 병렬로 연결된 엔모스(NMOS)(51)와 피모스(PMOS)(52)는 입력 전원에 따라 동일한 펄스 신호를 발생하여 중첩함으로써 2배의 출력신호를 나타내게 된다.

따라서, 상기 스위칭부(50)의 중첩된 펄스신호는 엘씨씨(LCC)공진부(60)에 전달되며, 상기 엘씨씨(LCC)공진부(60)에서는 제1코일부(61)의 'L'값과, 제1콘덴서(64)의 'C'값에 의해 엘씨씨(LCC) 공진을 이루게 되므로, 상기 스위칭부(50)의 펄스신호에 따라 자가 공진(self -oscilating)을 통해 일정한 전류를 발생시킨다.

특히, 상기 엘씨씨 공진부(60)는 주파수결정부로 유도전류를 발생시키는 제1코일부(61)와, 램프(100)로 전류를 전달하는 제2코일부(62)가 병렬로 연결되며, 후단에 연결된 램프(100)의 양단으로 순간 고압을 발생시키기 위해 상기 제1코일부(61)와 제2코일부(62)의 권선비율은 10 : 1 이상을 유지해야 한다. .

또한, 상기 램프(100)는 일측에 병렬공진에 의해 전원을 공급할 수 있도록 제1코일부(61)와 제2코일부(62) 및 제1콘덴서(64)가 병렬로 연결되고, 타측에 대용량의 파워캡콘덴서(63)가 구비되는 2핀 연결방식으로 구성되어 순간 고압방전에 의해 안정화된 전압 및 전류가 공급된다.

이때, 상기 파워캡콘덴서(63)는 공진을 위한 제1콘덴서(64)에 비해 10배 이상의 대용량으로 이루어져 램프소등시 공진으로 인한 발생한 여부의 전류 및 전압을 방전시킴으로써 회로를 안정시키게 된다.

한편, 상기 엘씨씨공진부(60)의 제1코일(61)에서 전달된 유도전류는 주파수결정부(70)의 유도코일(도면부호미표시) 전달되며, 상기 주파수결정부(70)에서는 회로를 구성하는 'L,C'값에 의해 회로의 동작 주파수를 결정하여 버스트모드회로부(80)로 전달한다.

특히, 본 발명에서는 안정기 전원회로의 대기전력 최소화하기 위해 버스트모드 회로부(80)를 부가하였으며, 상기 버스트모드회로부(80)에서는 주파수결정부(70)에서 전달된 전류에 의해 일정한 시간 간격의 반복된 펄스를 발생함으로써 대기모드를 최소화하는 방식으로 스위칭부(50)의 동작상태를 결정하게 된다.

상기 대기모드는 전자기기가 최소의 에너지를 소모하면서 외부의 재기동 신호(Wake-up Signal)를 기다리고 있는 상태를 의미하며, 대기모드에 이는 전원회로는 항상 켜져 있으므로 일정한 양의 에너지를 소모하게 된다.

일반적으로 경부하시 입력전력에서 대기모드로 인한 손실이 차지하는 비중이 커지면서 대부분의 경우 컨버터의 전력변환 효율은 50%를 넘지 못한다. 따라서 대기전력을 최소화하기 위해서는 경부하시 손실을 최소화하여 컨버터의 효율을 극대화할 필요가 있다.

예를 들어, 160W의 정격출력을 갖는 일반적인 SMPS(Switched Mode Power Supply)의 경우를 검토하면 기동저항(Rstrt)의 전력소비, PWM 컨트롤러의 전력소비, MOSFET 드라이브의 전력소비, MOSFET 스위칭 손실을 포함할 때, 기존 SMPS 설계의 경우 주요 손실의 합이 이미 1W를 넘고 있으므로, 대기전력 소비를 낮추기 위해서는 이러한 손실을 제거해야 한다.

이러한, 대기전력 저감을 위해 전원회로를 다양한 방법으로 개선할 수 있다.

첫번째, PWM IC 내부에 기동회로를 내장하여 초기 기동시 정전류원으로 동작, Vcc 커패시터를 충전하여 IC 동작에 필요한 전원을 공급한다. 일단 IC가 스위칭 동작을 시작하여 보조 권선을 통해 안정적인 Vcc 전압이 공급되기 시작하면 이 기동회로는 DC 링크로부터 전기적으로 분리함으로써 정상 동작시 기동회로에서의 전력 손실을 없앨 수 있다.

두번째로, 스위칭 소자에의 스위칭 손실 및 변압기에서의 히스테리시스 손실을 줄여 경부하에서의 효율을 높이기 위해 스위칭 주파수를 감소시킨다. 다만, 노이지를 감소시키기 위해 스위칭 전류의 첨두치를 지나치게 낮추게 되면 스위칭 횟수가 많아져서 손실이 증가하므로 이 둘은 서로 절충하여 결정해야 한다. 즉, 단순히 스위칭 주파수를 낮추는 경우 스위칭 주파수가 가청 주파수 대역으로 들어가면서 가청 노이즈를 발생시킬 수 있다. 주어진 주파수에 따라 사람 귀에 들리는 소리의 강도는 각각 다르게 느껴진다. 일반적으로 3KHz 근방의 소리에 가장 민감하고 그 이하나 그 이상의 주파수에 대해서는 상대적으로 둔감하다.

세번째로, 누설전류로 인한 손실을 최소화하기 위해 출력단에 스위치를 사용하여 누설전류가 심한 부하를 대기모드시 출력단으로부터 분리하는 방법이 사용된다. 이는 누설전류로 인한 손실은 완전히 제거할 수 있지만 부품 추가로 인한 가격상승과 효율저하 등의 단점도 있다.

네번째로, 누설전류에 의한 손실을 줄이기 위한 대기모드에서 제어되는 출력전압을 정상모드의 절반 이하로 감소시키는 것이다.

따라서, 상술한 4가지 방법을 조율하여 전원회로에 구성하는 최선의 방법은 동작전류를 감소시켜 각 전자소자의 전력소비를 최소화하는 동시에 유효 스위칭 주파수를 낮추어 스위칭 손실을 감소시키며, 출력전압을 낮추어 출력 측의 누설전류에서 발생되는 손실을 최소화하는 것이다.

즉, 본 발명에서는 유효 스위칭 주파수 감소기 위해 가청 노이즈를 줄이면서 유효 스위칭 주파수를 수 KHz로 낮추기 위해 버스트모드 회로부(80)에서 스위칭(Burst Switching) 동작을 한다. 버스트 스위칭은 한번에 10번 정도의 스위칭을 하고 일정시간 동안은 멈추기를 반복하는 것을 가리키며, 이렇게 하면 유효 스위칭 주파수를 수 KHz로 유지하면서 가청 노이즈와 관련된 기본파 주파수는 수백 Hz 이하로 낮추어 가청 노이즈에 민감한 주파수 대역을 피할 수 있다.

또한, 본원 발명의 스위칭부(50)는 병렬로 연결된 엔모스(NMOS)(51)와 피모스(PMOS)(52)는 입력 전원에 따라 동일한 펄스 신호를 발생하여 중첩함으로써 2배의 출력신호를 나타내게 되므로, 기준대비 1/2 입력전압에 의해서도 70% 이상의 램프(100) 출력을 나타낸다.

또한, 버스트모드회로부(80)의 후단에는 회로의 전원을 일정하게 유지시키는 전압 클램프(Voltage Clamp)(90)가 구비되며, 상기 전압 클램프(90)는 본 발명의 일 실시 예로 1쌍의 재너다이오드를 저항에 의해 병렬 연결한 구성으로서, 전원 안정화 회로에 일반적으로 사용되는 공지의 구성이므로 이하 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 본 발명에서 상기 스위칭부(50)의 전단에는 입력전원의 크기에 관계없이 역률을 보상하고 스위칭부로 일정한 전압을 출력하는 역률보상회로(PFC)(40)가 구비된다. 상기 역률보상회로는 역시 전원회로에 일반적으로 사용되는 공지의 구성이므로 이하 구체적인 설명은 생략한다.

상기와 같은 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

10 : 이엠아이(EMI)필터부 20 : 정류부
30 : 평활부 40 : 역률보상회로(PFC)
50 : 스위칭부 51 : 엔모스(NMOS)(51)
52 : 피모스(PMOS) 60 : 엘씨씨(LCC)공진부
61 : 제1코일부 62 : 제2코일부
63 : 파워캡콘덴서 64 : 제1콘덴서
70 : 주파수결정부 80 : 버스트모드(Burst mode)회로부
90 : 전압 클램프(Voltage Clamp)

Claims

이엠아이(EMI)필터부와, 정류부 및 평활부를 포함하여 이루어지는 안정기용 전원회로에 있어서,
스위칭부(50)의 펄스신호에 따라 엘씨씨(LCC)공진부(60)에서는 자가 공진(self -oscilating)을 통해 일정한 전류를 발생시키켜 주파수결정부(70)에 전달하면, 상기 주파수결정부(70)에서는 일정한 시간 간격의 반복된 펄스의 동작주파수를 발생하여 버스트모드(Burst mode) 회로부(80)에 전달하고, 전압 클램프(Voltage Clamp)(90)에서 회로의 전원을 일정하게 유지시키되,
상기 스위칭부(50)는 평활부를 통해 안정화된 전원에 따라 동일한 펄스신호를 발생하여 중첩함으로써 2배의 출력신호를 발생할 수 있도록 엔모스(NMOS)(51)와 피모스(PMOS)(52)가 병렬로 연결되어 이루어지고,
상기 엘씨씨(LCC)공진부(60)는 권선비율을 10 : 1 이상으로 유지하는 제1코일부(61) 및 제2코일부(62)를 병렬로 연결하여 구성하며,
상기 버스트모드 회로부(80)에서는 한번에 10번 정도의 스위칭을 하고 일정시간 동안은 멈추기를 반복하는 버스트 스위칭(Burst Switching) 동작을 통해 유효 스위칭 주파수를 수 KHz로 유지하고 가청 노이즈와 관련된 기본파 주파수는 수백 Hz 이하로 낮추는 것을 특징으로 하는 안정기용 전원회로.
제 1항에 있어서,
상기 스위칭부(50)의 전단에는 입력전원의 크기에 관계없이 역률을 보상하고 스위칭부(50)로 일정한 전압을 출력하는 역률보상회로(PFC)(40)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 안정기용 전원회로.
제 1항에 있어서,
상기 엘씨씨(LCC)공진부(60)를 구성하는 제1코일부(61)와 제2코일부(62) 및 제1콘덴서(64)는 병렬로 연결되어 램프(100)에 전원을 공급하되,
램프(100)의 일측에는 램프소등시 공진으로 인한 발생한 여분의 전류 및 전압을 순간 고압방전에 의해 방전시킬 수 있도록 제1콘덴서(64)에 비해 10배 이상의 대용량으로 이루어진 대용량의 파워캡콘덴서(64)가 구비되는 것을 특징으로 하는 안정기용 전원회로.
삭제