KR101489962B1 - 전력 변환기, 그 스위칭 제어 장치 및 구동 방법 - Google Patents

전력 변환기, 그 스위칭 제어 장치 및 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전력 변환기는 전력 공급부, 출력부 및 스위칭 제어부를 포함한다. 전력 공급부는 입력 전압을 입력받는 트랜스포머의 1차 코일, 그리고 게이트 전극, 제1 전극 및 1차 코일에 연결되어 있는 제2 전극을 가지는 스위치를 포함한다. 출력부는 트랜스포머의 2차 코일을 포함하며, 입력 전압이 트랜스포머에 의해 변환된 출력 전압을 출력한다. 스위칭 제어부는 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 전달받는 피드백 단자를 포함하며, 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐를 수 있는 최대 전류값에 따라 피드백 전압을 보상하여 버스트 전압을 생성하고, 버스트 전압에 따라 버스트 모드 동작의 수행 여부를 결정하고, 버스트 모드 동작의 수행 여부에 따른 게이트 신호를 스위치의 게이트 전극으로 전달한다.
Figure R1020080068531
MOSFET, 버스트 전압, 감지 전압, 포토 다이오드, 피드백 전압, 전류 제한값, 스위치 전류

Description

전력 변환기, 그 스위칭 제어 장치 및 구동 방법{POWER CONVERTER, SWITCHING CONTROL DEVICE THEREOF AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 전력 변환기에 관한 것으로, 특히 버스트 전압을 제어하는 전력 변환기, 그 스위칭 제어 장치 및 구동 방법에 관한 것이다.
전력 변환기, 예를 들면 스위칭 모드 전력 공급기(switching mode power supply, SMPS)는 입력 교류 전압을 입력 직류 전압으로 정류하고, 입력 직류 전압을 다른 레벨을 갖는 직류 출력 전압으로 변환하는 장치이다. 전력 변환기는 전자 장치들, 예를 들면 이동 전화, 컴퓨터, 텔레비전 등과 같은 전력 공급 장치들에 주로 사용된다.
이러한 전자 장치들은 상대적으로 많은 전력을 소모하는 정상 동작 모드와 상대적으로 적은 전력을 소모하는 대기 모드를 갖는다.
전력 변환기는 대기 모드 동안 전력 소모를 줄이기 위하여 피드백 전압에 따라 일정 시간 동안 전력 변환기의 스위칭 동작을 수행하는 버스트 모드 동작을 수행한 후에 다시 일정한 시간 동안 스위칭을 멈추는 동작을 수행한다. 이를 위해, 전력 변환기는 피드백 전압을 버스트 기준 전압과 비교하여 버스트 모드 동작 수행 여부를 판단한다.
한편, 전력 변환기에서 트랜스포머의 1차측의 스위치에 흐를 수 있는 전류의 전류 제한값을 결정할 수 있는 경우, 이러한 전류 제한값을 변경하여 전력 변환기를 새로 설계하면 종래 설계된 전력 변환기와 비교해 볼 때 피드백 전압이 달라지게 된다. 이러한 상태에서 피드백 전압과 버스트 기준 전압을 비교하여 버스트 모드 수행 여부를 판단하면, 달라진 피드백 전압에 의해 원하는 부하에서 버스트 동작을 수행할 수 없게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 버스트 모드 동작을 정상적으로 수행할 수 있는 전력 변환기, 그 스위칭 제어 장치 및 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 입력 전압을 입력받는 트랜스포머의 1차 코일, 그리고 게이트 전극, 제1 전극 및 상기 1차 코일에 연결되어 있는 제2 전극을 가지는 스위치를 포함하는 전력 공급부, 상기 트랜스포머의 2차 코일을 포함하며, 상기 입력 전압이 상기 트랜스포머에 의해 변환된 출력 전압을 출력하는 출력부, 그리고 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 전달받는 피드백 단자를 포함하며, 상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐를 수 있는 최대 전류값에 따라 상기 피드백 전압을 보상하여 버스트 전압을 생성하고, 상기 버스트 전압에 따라 버스트 모드 동작의 수행 여부를 결정하고, 상기 버스트 모드 동작의 수행 여부에 따른 게이 트 신호를 상기 스위치의 게이트 전극으로 전달하는 스위칭 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 입력 전압을 입력받는 1차 코일과 출력 전압을 전달하는 2차 코일을 가지는 트랜스포머, 그리고 제어 전극, 제1 전극 및 상기 1차 코일에 연결되어 있는 제2 전극을 가지는 스위치를 포함하는 전력 변환기의 스위칭 제어 장치에 있어서, 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압이 걸리는 노드에 연결되어 상기 노드로 전류를 공급하는 전류원, 상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐를 수 있는 최대 전류값을 결정하는 전류 제한 단자와 상기 노드 사이에 연결되어 있으며, 상기 노드와 상기 전류 제한 단자 사이에 흐르는 전류에 따라 상기 피드백 전압을 보상하여 버스트 전압을 생성하는 버스트 전압 제어부, 상기 버스트 전압을 버스트 기준 전압과 비교하여 버스트 제어 신호를 생성하는 제1 비교기, 그리고 상기 피드백 전압에 대응하는 제1 전압과 상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐르는 전류에 따른 제2 전압의 비교에 의해 생성되는 제1 신호와 상기 버스트 제어 신호에 따라 상기 스위치를 턴온 또는 턴오프하는 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 입력 전압을 입력받는 1차 코일과 출력 전압을 전달하는 2차 코일을 가지는 트랜스포머, 게이트 전극, 제1 전극 및 상기 1차 코일에 연결되어 있는 제2 전극을 가지는 스위치, 그리고 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 전달받는 피드백 단자를 포함하며 상기 스위치를 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 전력 변환기의 구동 방법에 있어서, 상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐를 수 있는 최대 전류값을 결정하는 단계, 상기 최대 전류값 에 따라 상기 피드백 전압을 보상하여 버스트 전압을 생성하는 단계, 상기 버스트 전압에 따라 버스트 모드 동작의 수행 여부를 결정하는 단계, 그리고 상기 버스트 모드 동작의 수행 여부에 따른 게이트 신호를 상기 스위치의 게이트 전극으로 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 외부에 연결되는 저항의 크기를 변경하여 전류 제한값을 변경함에 따라 버스트 전압을 제어하여, 사용자가 원하는 버스트 전압에서 버스트 모드로 동작할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환기 그리고 그 스위칭 제어 장치 및 구동 방법에 대하여 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력 변환기를 나타내는 도면이고, 도 2는 한 실시예에 따른 스위칭 제어부를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시한 스위칭 제어부의 버스트 전압 제어부의 한 예를 나타내는 도면이고, 도 4는 게이트 신호 생성부의 한 예를 포함하는 스위칭 제어부를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전력 변환기는 전력 공급부(100), 출력부(200), 스위칭 제어부(300) 및 피드백 회로(400)를 포함한다.
전력 공급부(100)는 교류 입력(AC)을 정류하기 위한 전파 브리지 정류기(BD), 정류된 전압을 평활화하기 위한 커패시터(C1), 커패시터(C1)와 전파 브리지 정류기(BD)에 일단이 연결되어 있는 트랜스포머의 1차 코일(L1), 스위치(M1), 그리고 감지 저항(Rsense)을 포함한다.
스위치(M1)는 게이트 전극, 드레인 전극 및 소스 전극을 각각 제어 전극 및 두 전극으로 갖는다. 스위치(M1)의 드레인 전극은 트랜스포머의 1차 코일(L1)의 타단에 연결되어 있으며, 스위치(M1)의 소스 전극은 감지 저항(Rsense)에 연결되어 있다. 도 1에서는 스위치(M1)를 N채널 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, "MOSFET")인 것으로 가정하여 설명하지만, 이와는 달리 스위치(M1)로 다른 채널 또는 다른 유형의 트랜지스터가 사용될 수 있다.
감지 저항(Rsense)은 스위치(M1)의 소스와 접지단 사이에 연결되어 있으며, 스위치(M1)가 턴온되었을 때, 스위치(M1)의 드레인에서 소스로 흐르는 스위치 전류(Ids)를 감지한다. 스위치 전류(Ids)에 대응하여 감지 전압(Vsense)이 결정되어 스위칭 제어부(300)로 입력된다.
출력부(200)는 트랜스포머의 2차 코일(L2), 다이오드(D1) 및 커패시터(C2)를 포함한다.
트랜스포머의 2차 코일(L2)의 일단은 다이오드(D1)의 애노드 전극에 연결되어 있으며, 다이오드(D1)의 캐소드 전극은 출력단(+)에 연결되어 있다. 커패시터(C2)는 출력단(+)에 일단이 연결되어 있으며, 출력단(-)에 타단이 연결되어 있다. 두 출력단(+, -) 사이의 전압이 전력 변환기의 출력 전압(Vout)이다.
스위칭 제어부(300)는 피트백 단자(FB) 및 감지 전압 단자(SEN)를 통해 각각 피드백 전압(Vfb) 및 감지 전압(Vsense)을 입력 받는다. 스위칭 제어부(300)의 전류 제한 단자(LIM)와 접지단 사이에는 저항(Rlimit)이 연결되어 있으며, 저항(Rlimit)의 크기에 따라 스위치 전류(Ids)의 최대 전류값, 즉 전류 제한값(current limit)(Ilimit)이 결정된다. 스위칭 제어부(300)는 전류 제한값(Ilimit), 저항(Rlimit)의 크기에 따라 버스트 모드에서의 버스트 전압(Vburst)을 결정한다.
스위칭 제어부(300)의 게이트 신호 출력 단자(OUT)는 스위치(M1)의 게이트 전극에 연결되어 있다. 스위칭 제어부(300)는 소정의 주기를 가지는 클록 신호(CLK)를 생성하며, 클록 신호(CLK), 버스트 전압(Vburst) 및 U1 신호(도 4에 도시함)에 따라 게이트 신호(Vg)를 생성하여 게이트 신호 출력 단자(OUT)로 출력한다. 앞서 설명한 것처럼 스위치(M1)가 N 채널 트랜지스터인 경우, 게이트 신호(Vg)는 스위치(M1)를 턴온하기 위한 고전압 또는 스위치(M1)를 턴오프하기 위한 저전압을 가진다. 이와는 달리 스위치(M1)가 P채널 트랜지스터인 경우에, 게이트 신호(Vg)는 스위치(M1)를 턴온하기 위한 저전압 또는 스위치(M1)를 턴오프하기 위한 고전압을 가진다.
피드백 회로(400)는 저항(Ro), 제너 다이오드(ZD) 및 포토 다이오드(photo diode, PD), 커패시터(Cfb) 및 포토 트랜지스터(photo transistor, PT)를 포함한다. 저항(Ro), 제너 다이오드(ZD) 및 포토 다이오드(PD)는 출력단(+)과 소정의 전원, 예를 들면 접지단 사이에 직렬로 연결되어 있다. 포토 트랜지스터(PT)는 스위칭 제어부(300)의 피트백 단자(FB)와 소정의 전원, 예를 들면 접지단 사이에 연결되어 있으며, 포토 다이오드(PD)와 함께 포토 커플러(photo-coupler)["옵토커플러(opto-coupler)"라고도 함]를 형성한다.
출력 전압(Vout)에 따라 포토 다이오드(PD)를 통해 전류가 흘러서 포토 다이오드(PD)가 빛을 내면, 포토 다이오드(PD)로부터의 빛이 포토 트랜지스터(PT)의 베이스로 전달되고, 이에 대응하는 전류가 포토 트랜지스터(PT)의 컬렉터에서 이미터로 흐른다. 스위칭 제어부(300)의 전류원에 의해 피드백 단자(FB)로 공급되는 전류 중에서 포토 트랜지스터(PT)로 흐르는 전류를 제외한 전류가 커패시터(Cfb)로 공급되고, 이에 따라 커패시터(Cfb)에 피드백 전압(Vfb)이 충전된다. 따라서, 출력 전압(Vout)이 높아지면 커패시터(Cfb)에 충전되는 피드백 전압(Vfb)이 낮아지고, 출력 전압(Vout)이 낮아지면 커패시터(Cfb)에 충전되는 피드백 전압(Vfb)이 높아진 다. 이때, 포토 커플러 이외의 다른 회로가 피드백 회로로 회로가 사용될 수도 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 스위칭 제어부(300)는 버스트 전압 제어부(310), 비교기(320, 330), 저항(R1, R2), 다이오드(D1, D2), 전류원(IFB) 및 게이트 신호 생성부(340)를 포함한다.
버스트 전압 제어부(310)는 전류 입력 단자(IIN), 전류 출력 단자(IOUT) 및 버스트 전압 출력 단자(BOUT)를 가진다. 버스트 전압 제어부(310)의 전류 입력 단자(IIN)는 두 다이오드(D1, D2)의 애노드가 공통적으로 연결되어 있는 노드(N1)에 연결되어 있으며, 전류원(IFB)은 노드(N1)로 전류를 공급한다. 이러한 전류원(IFB)이 피드백 전압(Vfb)을 생성하기 위한 전류원에 해당한다. 다이오드(D1)의 캐소드는 피드백 단자(FB)에 연결되어 있고, 다이오드(D2)의 캐소드와 접지단 사이에 두 저항(R1, R2)이 직렬로 연결되어 있다. 이때, 노드(N1)의 전압은 다이오드(D1)에 의해 피드백 단자(FB)의 피드백 전압(Vfb)에 근사한 값[아래에서는 피드백 전압(Vfb)과 동일한 전압으로 가정함]으로 유지될 수 있다.
버스트 전압 제어부(310)의 전류 출력 단자(IOUT)는 전류 제한 단자(LIM)에 연결되어 있으며, 저항(Rlimit)에 의해 전류 입력 단자(IIN)에서 전류 출력 단자(IOUT), 즉 전류 제한 단자(LIM)로 흐르는 전류(I1)가 결정된다. 그리고, 버스트 전압 제어부(310)는 저항(Rlimit)[또는 이에 기초하여 결정되는 전류 제한값(Ilimit) 또는 전류(I1)]과 노드(N1)에 걸리는 피드백 전압(Vfb)에 기초하여 버스트 전압(Vburst)을 결정하고, 이를 버스트 전압 출력 단자(BOUT)를 통해 비교기(320)로 전달한다.
비교기(320)는 비반전 단자(+), 반전 단자(-) 및 출력 단자를 가지며, 반전 단자(-)에 입력되는 버스트 전압(Vburst)과 비반전 단자(+)에 입력되는 버스트 기준 전압(Vref)을 비교하여 버스트 제어 신호(Vbc)를 생성하고, 이를 출력 단자를 통해 게이트 신호 생성부(340)로 전달한다. 비교기(320)는 히스테리시스(hysteresis) 특성을 갖는 비교기로서, 버스트 기준 전압(Vref)에 의해 결정되는 두 임계 전압, 즉 임계 저전압(VrefL)과 임계 고전압(VrefH)을 버스트 전압(Vburst)과 비교한다. 즉, 버스트 전압(Vburst)이 증가하는 경우에는 버스트 전압(Vburst)이 임계 고전압(VrefH) 이상이 될 때 비교기(320)는 로우 레벨의 버스트 제어 신호(Vbc)를 출력하고, 버스트 전압(Vburst)이 감소하는 경우에는 버스트 전압(Vburst)이 임계 저전압(VrefL) 이하가 될 때 비교기(320)는 하이 레벨의 버스트 제어 신호(Vbc)를 출력한다.
비교기(330)는 두 저항(R1, R2)의 접점에 연결되어 있는 반전 단자(-)와 감지 전압(Vsense)을 입력받는 비반전 단자(+), 그리고 출력 단자를 가진다. 이러한 비교기(330)는 정상 모드에서 노드(N1)의 전압, 즉 피드백 전압(Vfb)의 두 저항(R1, R2)에 의한 분압(Vd)과 감지 전압(Vsense)을 비교하여 게이트 제어 신호(Vgc)를 생성하고, 이를 출력 단자를 통해 출력한다. 비교기(330)는 분압(Vd)이 감지 전압(Vsense)보다 높으면 로우 레벨의 게이트 제어 신호(Vgc)를 출력하고, 분압(Vd)이 감지 전압(Vsense)보다 낮으면 하이 레벨의 게이트 제어 신호(Vgc)를 출력한다.
게이트 신호 생성부(340)는 버스트 전압 입력 단자(BIN), 게이트 제어 신호 입력 단자(GIN) 및 게이트 제어 신호 출력단자(GOUT)를 가진다. 버스트 전압 입력 단자(BIN)는 비교기(320)의 출력 단자와 연결되어 버스트 제어 신호(Vbc)를 입력 받는다. 게이트 제어 신호 입력 단자(GIN)는 비교기(330)의 출력 단자와 연결되어 게이트 제어 신호(Vgc)를 입력 받는다. 게이트 신호 생성부(340)는 버스트 제어 신호(Vbc) 및 게이트 제어 신호(Vgc)를이용하여 스위치(M1)를 턴온 또는 턴오프 하기 위한 게이트 신호(Vg)를 생성한다. 대기 모드에서, 버스트 전압 제어부(310)로부터의 버스트 제어 신호(Vbc)가 로우 레벨이면, 게이트 신호 생성부(340)는 게이트 제어신호(Vgc)에 따라 스위치(M1)의 턴온과 턴오프를 반복하기 위한 게이트 신호(Vg)를 생성한다. 이처럼, 버스트 제어 신호(Vbc)가 로우 레벨인 경우, 게이트 신호(Vg)에 따라 스위치(M1)가 턴온과 턴오프를 반복하는 기간을 제1기간으로 설정한다. 그리고, 버스트 전압 제어부(310)로부터의 버스트 제어 신호(Vbc)가 하이 레벨이면, 게이트 신호 생성부(340)는 스위치(M1)를 턴오프 상태로 유지하기 위한 게이트 신호(Vg)를 생성한다. 이처럼, 버스트 제어 신호(Vbc)가 하이 레벨인 경우, 게이트 신호(Vg)에 따라 스위치(M1)가 턴오프 상태를 유지하는 기간을 제2 기간으로 설정한다. 이와 같이 대기 모드에서 피드백 전압(Vfb)에 의해 정해지는 제1 기간 및 제2 기간이 반복되면서 버스트 모드로 동작한다. 한편, 정상 모드에서 버스트 제어 신호(Vbc)는 항상 로우 레벨이기 때문에 게이트 신호 생성부(340)는 게이트 제어 신호(Vgc)에 따라 게이트 신호(Vg)를 생성하여, 정상 모드에서의 출력 전압(Vout)을 유지한다.
한편, 다이오드(D1)가 차단되고 감지 전압(Vsense)이 두 저항(R1, R2)에 의한 분압(Vd)과 동일할 때, 스위치 전류(Ids)가 최대로 된다. 전류 제한 단자(LIM)에 저항(Rlimit)이 연결되지 않은 경우, 즉 전류 제한 단자(LIM)가 오픈(open)된 경우에는 전류원(IFB)의 전류가 모두 두 저항(R1, R2)으로 흐르므로, 수학식1의 관계가 성립한다. 그리고, 전류 제한 단자(LIM)에 저항(Rlimit)이 연결된 경우에는 전류원(IFB)의 전류가 두 저항(R1, R2)과 저항(Rlimit)으로 나누어 흐르므로, 수학식2의 관계가 성립한다.
Figure 112008050749939-pat00001
여기서, IMAX는 전류 제한 단자(LIM)가 오픈(open)된 경우의 스위치 전류(Ids)의 최대값이다.
Figure 112008050749939-pat00002
설명의 편의상 수학식2에서 버스트 전압 제어부(310)의 전류 입력 단자(IIN) 와 전류 출력 단자(IOUT) 사이의 저항은 무시하였다.
수학식1과 2로부터 전류 제한값(Ilimit)과 저항(Rlimit) 사이에는 대략 수학식3의 관계가 성립하며, 수학식3으로부터 저항(Rlimit)의 크기에 의해 스위치 전류(Ids)의 최대 전류값(Ilimit)이 결정됨을 알 수 있다.
Figure 112008050749939-pat00003
도 3을 참고하면, 버스트 전압 제어부(310)는 전류 입력 단자(IIN)와 전류 출력 단자(IOUT) 사이에 연결되어 있는 저항(R3)과 저항(R3)의 양단에 연결되어 있는 레벨 보상부(311)를 포함한다. 이러한 레벨 보상부(311)의 한 예는 증폭기(311a), 예를 들면 연산 증폭기(operational amplifier)와 저항(R4, R5)을 포함한다.
증폭기(311a)의 비반전 단자(+)는 전류 입력 단자(IIN)에 연결된 저항(R3)의 한 단자에 연결되어 노드(N1)의 전압, 즉 피드백 전압(Vfb)을 입력 받는다. 증폭기(311a)의 반전 단자(-)와 저항(R3)의 다른 단자 사이에는 저항(R4)이 연결되어 있다. 저항(R5)은 증폭기(311a)의 반전 단자(-)와 출력 단자 사이에 연결되어 있으며, 증폭기(311a)의 출력 단자를 통하여 버스트 전압(Vburst)을 출력한다. 이때, 저항(R3)을 통해 흐르는 전류(I1)에 의해 저항(R3)의 다른 단자에 걸리는 전압을 V1 이라 하면, 버스트 전압(Vburst)은 수학식 4와 같이 된다.
Figure 112008050749939-pat00004
수학식4에서 나타낸 것처럼, 버스트 전압(Vburst)은 피드백 전압(Vfb)과 옵셋 전압[
Figure 112008050749939-pat00005
]의 합으로 주어진다.
이때, 전류 제한 단자(LIM)에 저항(Rlimit)이 연결되지 않은 경우, 즉 전류 제한 단자(LIM)가 오픈된 경우에는 피드백 전압(Vfb)과 V1 전압이 동일하고, 이에 따라 버스트 전압(Vburst)이 피드백 전압(Vfb)과 동일해진다. 한편, 전류 제한 단자(LIM)에 저항(Rlimit)이 연결되어 전류 제한값(Ilimit)이 감소하면, 저항(R3)을 통한 전압 강하량(Vfb-V1)이 증가하여 옵셋 전압이 증가한다. 따라서, 낮은 피드백 전압(Vfb)에서도 버스트 전압(Vburst)이 임계 고전압(VrefH)과 동일(Vburst= VrefH)하게 되므로, 전류 제한값(Ilimit)이 감소하더라도 버스트 모드 동작을 하는 정격부하 대비 출력부하의 비율을 일정하게 유지시킬 수 있다.
예를 들어, 버스트 기준 전압(Vref)의 임계 고전압(VrefH)이 0.5V이고전류 제한 단자(LIM)가 오픈된 상태에서 2.5A의 전류 제한값(Ilimit)을 갖는 경우, 전력 변환기의 출력부하가 정격부하의 20%에서 버스트 모드로 동작한다고 가정하면 이때 피드 백 전압(Vfb)은 0.5V이다. 이러한 조건에서, 전류 제한 단자(LIM)에 저항(Rlimit)을 연결하여 전류 제한값(Ilimit)이 1.686A(68% of 2.5A)가 되도록 하면, 피드백 전압(Vfb)이 0.34V(68% of 0.5V)일 때 출력부하는 정격부하의 20%가 된다. 버스트 기준 전압(Vref)의 임계 고전압(VrefH)은 0.5V로 고정되어 있기 때문에, 이때 버스트 모드 동작을 시키기 위해서는 0.34V의 피드백 전압(Vfb)에 0.16V의 옵셋 전압이 필요하다. 수학식4로부터 피드백 전압(Vfb)이 0.34V일 때 옵셋 전압이 0.16V가 되도록 두 저항(R4, R5)의 크기를 설정하면, 이 경우에도 출력 부하가 정격부하의20%가 되므로 버스트 전압(Vburst)이 0.5V가 되어 버스트 모드로 동작한다.
다음, 도 4를 참조하면, 게이트 신호 생성부(340)는 오실레이터(oscillator)(341), SR 래치(342), NOR 게이트(343) 및 게이트 드라이버(344)를 포함한다.
오실레이터(341)는 소정의 주기를 가지는 클록 신호(CLK)를 생성하여 SR 래치(342)의 세트 단자(S) 및 NOR 게이트(343)로 전달한다.
SR 래치(342)는 클록 신호(CLK)를 입력받는 세트 단자(S), 게이트 제어 신호(Vgc)를 입력받는 리셋 단자(R), 출력 단자(Q) 및 반전 출력 단자(/Q)를 가진다. SR 래치(342)는 게이트 제어 신호(Vgc) 및 클록 신호(CLK)에 따른 SR 래치의 출력(U1)을 반전 출력 단자(/Q)를 통하여 NOR 게이트(343)로 전달한다. SR 래치(342)는 하이 레벨의 신호가 세트 단자(S)에 입력되면 반전 출력 단자(/Q)로 로우 레벨의 신호(U1)를 출력하고, 하이 레벨의 신호가 리셋 단자(R)에 입력되면, 반전 출력 단자(/Q)로 하이 레벨의 신호(U1)를 출력한다.
NOR 게이트(343)는 버스트 제어 신호(Vbc), 클록 신호(CLK) 및 SR 래치(342)의 출력(U1)을 NOR 연산한 신호(U2)를 게이트 드라이버(344)로 전달한다. 게이트 드라이버(344)는 NOR 게이트(343)의 출력(U2)이 하이 레벨인 경우에 고전압을 가지는 게이트 신호(Vg)를 생성하여 스위치(M1)의 게이트 전극으로 출력하고, NOR 게이트(343)의 출력(U2)이 로우 레벨인 경우에 저전압을 가지는 게이트 신호(Vg)를 생성하여 스위치(M1)의 게이트 전극으로 출력한다.
그러면 이러한 전력 변환기의 동작에 대하여 도 5a 및 도 5b를 참고하여 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 각각 전류 제한값(Ilimit)이 2.5A 및 1.686A인 경우의 대기 모드의 동작을 나타내는 도면이다.
대기 모드 상태에서 출력 전압(Vout)이 충분히 높은 상태, 즉 피드백 전압(Vfb)이 임계 저전압(VrefL)보다 낮은 상태이면 비교기(320)는 하이 레벨의 버스트 제어 신호(Vbc)를 출력한다. 그러면, 게이트 신호 생성부(340)의 NOR 게이트(343)의 출력(U2)이 로우 레벨로 되므로, 게이트 드라이버(344)는 로우 레벨의 게이트 신호(Vg)를 출력하여 스위치(M1)를 턴오프 상태로 유지한다. 이와 같이 스위치(M1)가 턴오프 상태로 유지되면, 출력 전압(Vout)이 감소하여 피드백 전압(Vfb)이 증가한다. 도 5a를 참고하면, 피드백 전압(Vfb)이 증가하여 0.5V가 되면 비교기(320)가 로우 레벨의 버스트 제어 신호(Vbc)를 출력하여 스위치(M1)가 다시 스위칭을 시작 한다.
피드백 전압(Vfb)이 임계 고전압(VrefH)과 같아지는 순간에는 스위치(M1)가 턴오프 상태였으므로, 스위치 전류(Ids)가 없어서 감지 전압(Vsense)이 피드백 전압(Vfb)보다 낮다. 따라서, SR 래치(342)는 리셋 단자(R)로 로우 레벨의 게이트 제어 신호(Vgc)를 입력 받는다. 이때, 오실레이터(341)가 클록 신호(CLK)를 하이 레벨로 바꾸면, NOR 게이트(343)는 오실레이터(341)로부터 하이 레벨의 클록 신호(CLK)를 입력 받으며, SR 래치(342)로부터 로우 레벨의 신호(U1)을 입력 받는다. 이어서, 클록 신호(CLK)가 로우 레벨로 바뀌면 버스트 제어 신호(Vbc)가 로우 레벨이므로, NOR 게이트(343)의 모든 입력이 로우 레벨이 되어 NOR 게이트(343)는 하이 레벨의 신호(U2)를 출력한다. 이에 따라 게이트 드라이버(345)는 고전압의 게이트 신호(Vg)를 출력하여 스위치(M1)를 턴온한다.
스위치(M1)가 턴온되면, 스위치(M1)에 흐르는 스위치 전류(Ids)는 상승하여 감지 전압(Vsense)은 증가한다. 감지 전압(Vsense)이 피드백 전압(Vfb)보다 높아지면, 비교기(330)는 하이 레벨의 게이트 제어 신호(Vgc)를 출력한다. 리셋 단자(R)에 입력되는 하이 레벨의 신호(Vgc)에 따라 SR 래치(342)는 반전 출력 단자(/Q)로 하이 레벨의 신호(U1)를 출력한다. 그러면, NOR 게이트(343)는 로우 레벨의 신호(U2)를 출력하고, 게이트 드라이버(325)는 로우 레벨의 신호(U2)에 따라 저전압의 게이트 신호(Vg)를 출력하여 스위치(M1)를 턴오프시킨다.
이러한 스위칭 동작을 반복함으로써, 출력 전압(Vout)이 증가하고, 이에 따 라 피드백 전압(Vfb)이 감소한다. 피드백 전압(Vfb)이 감소하여 0.20V가 되면 비교기(320)는 하이 레벨의 버스트 제어 신호(Vbc)를 출력한다. 이에 따라 스위칭 제어부(300)는 스위치(M1)를 턴오프 상태로 유지함으로써 스위칭 동작을 중지한다. 이와 같은 과정[스위치(M1)의 스위칭 반복 및 스위치(M1)의 턴오프 유지]을 반복하여 버스트 모드 동작을 하게 된다.
한편, 도 5b의 경우에는, 피드백 전압(Vfb)이 증가하여 0.34V가 되면 버스트 전압(Vburst)이 임계 고전압(VrefH)이 되어서 스위칭 제어부(300)가 스위칭 동작을 수행한다. 이에 따라 출력 전압(Vout)이 증가하여 피드백 전압(Vfb)이 감소하고, 피드백 전압(Vfb)이 0.20V가 되면 버스트 전압(Vburst)이 임계 저전압(VrefL)이 되어서 스위칭 제어부(300)는 스위치(M)를 턴오프 상태로 유지하여 스위칭 동작을 중지한다. 이러한 과정을 반복하여 버스트 모드 동작을 하게 된다.
이와 같이, 버스트 기준 전압(Vref)이 일정하여도 전류 제한값(Ilimit)이 달라지는 경우 버스트 모드에 들어가는 피드백 전압(Vfb)을 옵셋 전압으로 보상할 수 있으므로, 동일한 출력 부하에서 버스트 모드 동작이 수행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력 변환기를 나타내는 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 스위칭 제어부를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 스위칭 제어부의 버스트 전압 제어부의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 게이트 신호 생성부의 한 예를 포함하는 스위칭 제어부를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 전류 제한값(Ilimit)이 2.5A 및 1.686A인 경우의 대기 모드의 동작을 나타내는 도면이다.

Claims (17)

  1. 입력 전압을 입력받는 트랜스포머의 1차 코일, 그리고 게이트 전극, 제1 전극 및 상기 1차 코일에 연결되어 있는 제2 전극을 가지는 스위치를 포함하는 전력 공급부,
    상기 트랜스포머의 2차 코일을 포함하며, 상기 입력 전압이 상기 트랜스포머에 의해 변환된 출력 전압을 출력하는 출력부, 그리고
    상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 전달받는 피드백 단자를 포함하며, 상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐를 수 있는 최대 전류값에 따라 상기 피드백 전압을 보상하여 버스트 전압을 생성하고, 상기 버스트 전압에 따라 버스트 모드 동작의 수행 여부를 결정하고, 상기 버스트 모드 동작의 수행 여부에 따른 게이트 신호를 상기 스위치의 게이트 전극으로 전달하는 스위칭 제어부
    를 포함하는 전력 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 전류 제한 단자를 더 포함하며,
    상기 스위칭 제어부는 상기 전류 제한 단자에 연결되는 저항의 크기에 따라 상기 최대 전류값을 결정하는 전력 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 상기 피드백 전압에 옵셋 전압을 더하여 상기 피드백 전압을 보상하며,
    상기 옵셋 전압은 상기 최대 전류값이 감소하는 경우 증가하는 전력 변환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 피드백 전압을 상기 최대 전류값에 따른 옵셋 전압으로 보상하여 상기 버스트 전압을 생성하는 버스트 전압 제어부,
    상기 버스트 전압을 버스트 기준 전압과 비교하여 버스트 제어 신호를 출력하는 제1 비교기, 그리고
    상기 피드백 전압에 대응하는 제1 전압과 상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐르는 전류에 따른 제2 전압을 비교하여 게이트 제어 신호를 출력하는 제2 비교기, 그리고
    상기 버스트 제어 신호 및 상기 게이트 제어 신호를 이용하여 상기 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부
    를 더 포함하는 전력 변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 피드백 전압이 걸리는 노드에 연결되어 상기 노드로 전류를 공급하는 전류원, 그리고
    상기 노드와 접지단 사이에 연결되어 있으며, 그 접점으로 상기 제1 전압을 출력하는 제1 및 제2 저항
    을 더 포함하며,
    상기 버스트 전압 제어부는 상기 노드와 전류 제한 단자 사이에 연결되어 있으며, 상기 노드와 상기 전류 제한 단자 사이에 흐르는 전류에 따라 상기 옵셋 전압을 결정하여 상기 피드백 전압을 보상하고,
    상기 전류 제한 단자에 연결되는 저항의 크기에 따라 상기 최대 전류값이 결정되는 전력 변환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 버스트 전압 제어부는,
    상기 노드와 상기 전류 제한 단자 사이에 연결되어 있는 제3 저항, 그리고
    상기 제3 저항 양단의 전압에 따라 상기 옵셋 전압을 결정하여 상기 피드백 전압을 보상하는 전압 보상부
    를 포함하는 전력 변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 보상부는,
    비반전 단자, 반전 단자 및 출력 단자를 포함하며, 상기 비반전 단자가 상기 제3 저항의 제1 단에 연결되는 증폭기,
    상기 반전 단자와 상기 제3 저항의 제2 단 사이에 연결되어 있는 제4 저항, 그리고
    상기 반전 단자와 상기 출력 단자에 연결되어 있는 제5 저항을 더 포함하는 전력 변환기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 비교기는 히스테리시스 비교기를 포함하는 전력 변환기.
  9. 입력 전압을 입력받는 1차 코일과 출력 전압을 전달하는 2차 코일을 가지는 트랜스포머, 그리고 제어 전극, 제1 전극 및 상기 1차 코일에 연결되어 있는 제2 전극을 가지는 스위치를 포함하는 전력 변환기의 스위칭 제어 장치에 있어서,
    상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압이 걸리는 노드에 연결되어 상기 노드로 전류를 공급하는 전류원,
    상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐를 수 있는 최대 전류값을 결정하는 전류 제한 단자와 상기 노드 사이에 연결되어 있으며, 상기 노드와 상기 전류 제한 단자 사이에 흐르는 전류에 따라 상기 피드백 전압을 보상하여 버스트 전압을 생성하는 버스트 전압 제어부,
    상기 버스트 전압을 버스트 기준 전압과 비교하여 버스트 제어 신호를 생성하는 제1 비교기, 그리고
    상기 피드백 전압에 대응하는 제1 전압과 상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐르는 전류에 따른 제2 전압의 비교에 의해 생성되는 제1 신호와 상기 버스트 제어 신호에 따라 상기 스위치를 턴온 또는 턴오프하는 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부
    를 포함하는 스위칭 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 버스트 전압 제어부는,
    상기 노드에 제1단이 연결되어 있으며 상기 전류 제한 단자 사이에 제2단이 연결되어 있는 제1 저항, 그리고
    상기 제1 저항 양단의 전압에 따라 옵셋 전압을 결정하고, 상기 피드백 전압과 상기 옵셋 전압을 더하여 상기 피드백 전압을 보상하는 전압 보상부를 포함하는 스위칭 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전압 보상부는,
    비반전 단자, 반전 단자 및 출력 단자를 포함하며, 상기 비반전 단자가 상기 제1 저항의 제1 단에 연결되는 증폭기,
    상기 반전 단자와 상기 제1 저항의 제2 단 사이에 연결되어 있는 제2 저항, 그리고
    상기 반전 단자와 상기 출력 단자에 연결되어 있는 제3 저항을 더 포함하는 스위칭 제어 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압을 비교하여 상기 제1 신호를 출력하는 제2 비교기를 더 포함하는 스위칭 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 게이트 신호 생성부는,
    상기 버스트 제어 신호가 제1 레벨인 경우 상기 제1 신호에 관계 없이 제2 레벨의 제2 신호를 출력하며, 상기 버스트 제어 신호가 상기 제1 레벨과 다른 제3 레벨인 경우 상기 제1 신호에 의존하는 레벨을 가지는 상기 제2 신호를 출력하는 논리 소자, 그리고
    상기 제2 신호에 따라 상기 게이트 신호를 생성하는 게이트 드라이버를 포함하는 스위칭 제어 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 게이트 신호 생성부는,
    소정의 주기를 가지는 클록 신호를 생성하는 오실레이터, 그리고
    상기 제1 신호와 상기 클록 신호를 입력받으며, 상기 제1 신호와 상기 클록 신호에 따라 제3 신호를 출력하는 SR 래치를 더 포함하며,
    상기 논리 소자는 상기 클록 신호와 상기 제3 신호 및 상기 버스트 제어 신 호를 연산하는 스위칭 제어 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 비교기는 히스테리시트 비교기를 포함하는 스위칭 제어 장치.
  16. 입력 전압을 입력받는 1차 코일과 출력 전압을 전달하는 2차 코일을 가지는 트랜스포머, 게이트 전극, 제1 전극 및 상기 1차 코일에 연결되어 있는 제2 전극을 가지는 스위치, 그리고 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 전달받는 피드백 단자를 포함하며 상기 스위치를 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 전력 변환기의 구동 방법에 있어서,
    상기 스위치의 제2 전극과 제1 전극 사이에 흐를 수 있는 최대 전류값을 결정하는 단계,
    상기 최대 전류값에 따라 상기 피드백 전압을 보상하여 버스트 전압을 생성하는 단계,
    상기 버스트 전압에 따라 버스트 모드 동작의 수행 여부를 결정하는 단계, 그리고
    상기 버스트 모드 동작의 수행 여부에 따른 게이트 신호를 상기 스위치의 게이트 전극으로 전달하는 단계
    를 포함하는 구동 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 버스트 전압을 생성하는 단계는,
    상기 피드백 전압에 상기 최대 전류값에 따른 옵셋 전압을 더하여 상기 버스트 전압을 생성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 옵셋 전압은 상기 최대 전류값이 감소하는 경우 증가하는 구동 방법.
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