KR101635741B1 - 스위칭 모드 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위칭 모드 전원 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 스위칭 모드 전원 장치는, 1차측 권선과, 1차측 권선과 자기 결합되는 2차측 권선과, 2차측 권선과 연결되는 출력단에서 출력을 간접적으로 획득하기 위한 보조 권선으로 이루어지는 스위칭 모드 전원 장치에 있어서, 기설정된 제1 주파수를 갖는 클록 신호와, 클록 신호를 기설정된 펄스신호에 따라 출력함에 따른 대기모드 신호와, 제1 주파수를 기설정된 정수비에 따라 체배함에 따른 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호 중 어느 하나를 보조 권선을 통해 획득되는 보조권선 전압에 기초하여 선택하고, 선택된 신호를 이용하여 1차측 권선에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

스위칭 모드 전원 장치{Switched Mode Power Supply}
본 발명은 스위칭 모드 전원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 상용 교류 전원을 부하에 맞도록 변환시켜주는 스위칭 모드 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로 많이 사용되는 스위칭 모드 전원장치 (SMPS : Switch Mode Power Supply)의 경우 전원장치의 출력전압을 정류하기 위해 전원장치 2차측(Secondary side)에서의 출력단 정보를 옵토커플러(opto coupler) 등을 이용해 1차측에 위치한 전원장치 제어용 집적회로에 전달하여 전원장치에서의 전력전달에 사용되는 스위칭 소자의 구동 신호를 생성하는 제어 신호로 사용한다.
이때, 전원장치 2차측에서의 출력단 정보를 1차측에 위치한 제어용 집적회로에 전달하기 위해 사용되는 옵토커플러는 직류에서 고주파까지 평탄한 주파수 응답을 얻을 수 있으며, 빛을 이용하기 때문에 잡음에 강하고 시스템을 구성하는 장치간 전류의 절연이 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 옵토커플러는 온도 및 소자의 노후화에 따라 광출력의 저하고 인해 출력전류가 낮아지는 문제점이 존재한다. 이외에도 옵토커플러를 사용할 경우 옵토커플러의 정상적인 구동을 위해 션트레귤레이터(shunt-regulator)와 저항을 이용한 별도의 부가회로가 필요하게 되어 전원장치가 대기모드 상태에서 있을 경우 추가적인 전력소모가 발생하게 되는 단점이 있다.
최근 휴대용 태블릿이나 노트북 등과 같은 소형, 다기능을 가진 가전제품의 사용이 증가함에 따라 소형, 경량화 및 고효율을 가지는 전원장치에 대한 요구가 증가하고 있기 때문에 위와 같은 옵토커플러 및 부가회로로 인한 특성저하, 효율감소 및 대기전력 증가와 같은 문제점을 해결하고 고밀도화된 전원장치를 만들기 위해 전원장치의 1차측(Primary Side) 에서의 정보만을 이용해 전원장치를 제어하는 PSR(Primary Side Regulation) 방식의 전원장치가 개발되고 있다.
PSR 방식의 스위칭 모드 전원 장치는 대기전력을 절감하고 전원장치를 고밀도화하기 위해 기존의 전원장치 2차측에 위치한 옵토커플러 및 부가회로를 제거하고 보조권선을 사용해 전원장치의 출력단 정보를 간접적으로 추출하는 방식으로 전원장치의 고밀도, 고효율화 및 저 대기전력화가 가능하지만 보조권선에서의 정보만으로 2차측에서의 출력단 정보를 간접적으로 추출하기 때문에 기존의 2차측 정보를 직접적으로 추출하여 사용하는 방식에 비해 출력단에서의 부하량 변화에 따른 로드 레귤레이션(load regulation) 특성이 좋지 못하다는 단점이 있다.
특히, 종래기술에 따른 스위칭 모드 전원장치는 대기모드 상태에서의 전원장치 소비 전력을 줄이기 위해 버스트 모드(Burst mode) 또는 스킵 모드(skip mode) 제어 방식을 사용하나, 이 경우, 스위칭 소자 구동 신호의 주기가 길기 때문에 로드 레귤레이션(load regulation) 특성이 급격하게 저하되는 문제점이 있다.
KR 10-2004-0033626 A KR 10-1248910 B1 JP 5411330 B2 JP 4462734 B2
본 발명의 목적은, PSR(Primary Side Regulation) 방식의 SMPS(Switched Mode Power Supply)에 있어서, 보조권선 전압이 일정수준 이하가 되는 경부하시에 클록 신호를 체배한 체배신호를 이용하여 안정적으로 스위칭 소자를 제어함에 따라 출력단 부하 변동에 따른 출력 전압의 변동률 특성을 향상시킬 수 있는 스위칭 모드 전원 장치를 제공하는데 있다.
또한, 보조권선 전압(VFB)에 따라 정상 모드, 대기 모드, 딥 스탠드-바이 모드를 구현하면서도, 단일한 VCO 또는 오실레이터로 회로를 구성할 수 있어 IC 면적 증가를 방지하고 회로를 간소화할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 스위칭 모드 전원 장치는, 1차측 권선과, 1차측 권선과 자기 결합되는 2차측 권선과, 2차측 권선과 연결되는 출력단에서 출력을 간접적으로 획득하기 위한 보조 권선으로 이루어지는 스위칭 모드 전원 장치에 있어서, 기설정된 제1 주파수를 갖는 클록 신호와, 클록 신호를 기설정된 펄스신호에 따라 출력함에 따른 대기모드 신호와, 제1 주파수를 기설정된 정수비에 따라 체배함에 따른 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호 중 어느 하나를 보조 권선을 통해 획득되는 보조권선 전압에 기초하여 선택하고, 선택된 신호를 이용하여 1차측 권선에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 대기전력모드 또는 경부하시의 제어특성을 향상시킬 수 있어 전원 공급시의 안정성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한, PSR(Primary Side Regulation) 방식의 SMPS(Switched Mode Power Supply)에 있어서, 보조권선 전압이 일정수준 이하가 되는 경부하시에 클록 신호를 체배한 DSTB부의 출력을 이용하여 안정적으로 스위칭 소자를 제어할 수 있으며, STB부는 VCO의 출력을 제한적으로 출력하여 대기모드시의 제어신호를 생성 및 출력하므로써, 단일한 VCO 출력을 이용하여 정상동작 모드(Normal mode)와 대기전력모드(Stanby mode)를 구현할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 전원 장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 모드 전원 장치를 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위칭 모드 전원 장치를 나타내는 블록도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위칭 모드 전원 장치를 나타내는 회로도.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원 장치의 동작 파형을 나타내는 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원 장치를 설명한다.
도 1 내지 도 4에 있어서, 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 기능부들에 대해서는 설명의 편의를 위하여 도면 부호를 일치시키고 각각의 일치된 도면 부호에 따라 설명하였다.
도 1에서는, 1차측 권선과, 1차측 권선과 자기 결합되는 2차측 권선과, 2차측 권선과 연결되는 출력단에서 출력을 간접적으로 획득하기 위한 보조 권선으로 이루어지는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 전원 장치(10)가 도시되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원 장치는 1차측 권선에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위칭 소자를 제어하는데 있어서, 기설정된 제1 주파수를 갖는 클록 신호(VCO_OUT)와, 클록 신호를 기설정된 펄스신호에 따라 출력함에 따른 대기모드 신호(STB_OUT)와, 제1 주파수를 기설정된 정수비에 따라 체배함에 따른 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호(DSTB_OUT) 중 어느 하나를 보조 권선을 통해 획득되는 보조권선 전압(VFB)에 기초하여 선택하고, 선택된 신호를 이용하여 1차측 권선에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위칭 소자를 제어한다.
도 2 내지 도 4에서는 도 1에서 설명한 스위칭 모드 전원 장치(10)가 보다 상세히 설명된 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원장치의 블록도 또는 회로도가 도시되어 있다.
도 2 내지 도 4에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 모드 전원장치는 VCO부(100)와, STB부(200)와, DSTB부(300)와, 출력선택부(400)를 포함한다.
VCO부(100)는 기설정된 제1 주파수를 갖는 클록 신호(VCO_OUT)를 생성한다.
STB부(200)는 클록 신호를 인가받아 기설정된 펄스신호에 따라 클록 신호를 출력한다.
DSTB부(300)는 제1 주파수를 기설정된 정수비에 따라 체배하여 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호(DSTB_OUT)를 생성 및 출력한다.
출력선택부(400)는 VCO부(100)와, STB부(200)와, DSTB부(300) 중 어느 하나의 출력을 선택적으로 출력한다.
전술한 구성에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원장치는 보조 권선을 통해 획득되는 보조권선 전압(VFB)에 기초하여 출력선택부(400)의 출력에 따라 1차측 권선에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
한편, 출력선택부(400)는, 보조권선 전압(VFB)에 기초하여 VCO부(100)와, STB부(200)와, DSTB부(300) 중 어느 하나의 출력을 선택적으로 출력하는데 있어서, 보조권선 전압(VFB)이 기설정된 제1전압 보다 높고 제1전압보다 큰 제2전압보다 낮은 경우, 기설정된 간격에 따른 클록 신호의 다발로 이루어지는 대기모드 신호(STB_OUT)를 출력하고, 보조권선 전압(VFB)이 제2전압 이상인 경우 클록 신호(VCO_OUT)를 출력하며, 보조권선 전압(VFB)이 제1전압 이하인 경우 체배 신호를 출력하는 것일 수 있다.
출력선택부(400)는 VCO부(100)와, STB부(200)와, DSTB부(300) 각각에 대응되어 출력을 단속하기 위한 스위칭 소자들(410, 420, 430)을 포함할 수 있다. 여기서, 스위칭 소자들(410. 420, 430)은 VCO부(100)와, STB부(200)와, DSTB부(300) 각각의 출력단에 일단이 각각 접속되며 타단이 출력단 노드에 접속되는 스위치들로 이루어질 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 출력선택부(400)는 보조권선 전압(VFB)에 기초하여 스위칭 소자들(410, 420, 430)의 개폐신호들을 생성 및 출력하는 제어신호생성부를 포함할 수 있다. 도 4에서는 제어신호생성부의 더욱 상세한 회로도가 도시되고 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어신호 생성부는 VCO부(100)의 출력을 단속하기 위한 제1 스위칭 소자(410)의 개폐신호를 생성하는 제1 신호생성부(411)와, STB부(200)의 출력을 단속하기 위한 제2 스위칭 소자(420)의 개폐신호를 생성하는 제2 신호생성부(421)와, DSTB부(300)의 출력을 단속하기 위한 제3 스위칭 소자(430)의 개폐신호를 생성하는 제3 신호생성부(431)를 포함할 수 있다.
여기서, 제어신호생성부는 보조권선 전압(VFB)이 기설정된 제1전압 보다 높고 제1전압보다 큰 제2전압보다 낮은 경우, 기설정된 간격에 따른 클록 신호의 다발로 이루어지는 대기모드 신호(STB_OUT)를 출력하도록 제2 스위칭 소자(420)를 턴온하고 제1, 제3 스위칭소자(410, 430)는 각각 턴오프하도록 개폐신호들을 생성 및 출력하는 것일 수 있다.
또한, 제어신호생성부는 보조권선 전압(VFB)이 기설정된 제2전압 이상인 경우 클록 신호(VCO_OUT)를 출력하도록 제1 스위칭 소자(410)를 턴온하고 제2, 제3 스위칭소자(420, 430)는 각각 턴오프하도록 개폐신호들을 생성 및 출력하는 것일 수 있다.
또한, 제어신호생성부는 보조권선 전압(VFB)이 제1전압 이하인 경우 체배 신호를 출력하도록 제3 스위칭 소자(430)를 턴온하고 제1, 제2 스위칭소자(410, 420)는 각각 턴오프하도록 개폐신호들을 생성 및 출력하는 것일 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, STB부(200)는, 제1 주파수 보다 낮은 주파수의 기설정된 듀티비에 따라 온 또는 오프되는 펄스 신호(QPULSE, Q5)를 외부로부터 제공받으며, 펄스 신호가 온이 되는 구간에서만 클록 신호(VCO_OUT)를 출력하도록 하는 연산부를 포함할 수 있다.
또한, DSTB부(300)는 제1 주파수를 분주하는 주파수 분주수단(310)과, 주파수 분주수단(310)에 의해 분주된 주파수를 이용하여 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호(DSTB_OUT)를 생성 및 출력하는 체배신호 생성기(320)를 포함할 수 있다. 한편, 체배신호 생성기(320)는 외부로부터 별도의 전원을 제공받는 것일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원 장치의 동작 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5에 있어서, 가로축은 시간, 세로축은 크기를 나타낸다. 또한, 901은 보조권선 전압(VFB)의 전압 레벨을 나타내며, 902는 임계값으로서의 제1전압의 전압레벨(VREF_1)을 나타내고, 903은 다른 임계값으로서의 제2 전압의 전압레벨(VREF_2)을 나타낸다. 또한, 905는 기설정된 제1 주파수를 갖는 클록 신호(VCO_OUT)를 나타내며, 906은 클록 신호를 기설정된 펄스신호에 따라 출력함에 따른 대기모드 신호(STB_OUT)를 나타내고, 907은 제1 주파수를 기설정된 정수비에 따라 체배함에 따른 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호(DSTB_OUT)를 나타낸다.
909는 보조권선 전압(VFB)에 기초한 출력선택부(400)의 출력 파형으로서, 전술한 구성에 따른 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원 장치는 보조권선 전압(VFB)이 기설정된 제1전압 보다 높고 제1전압보다 큰 제2전압보다 낮은 경우(920), 기설정된 간격에 따른 클록 신호의 다발로 이루어지는 대기모드 신호(STB_OUT)를 출력하고, 보조권선 전압(VFB)이 제2전압 이상인 경우(910) 클록 신호(VCO_OUT)를 출력하며, 보조권선 전압(VFB)이 제1전압 이하인 경우 체배 신호(930)를 출력한다.
본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원 장치는 보조권선 전압(VFB)이 제2전압 이상인 경우(910) 정상 모드로, 보조권선 전압(VFB)이 제1전압 보다 높고 제1전압보다 큰 제2전압보다 낮은 경우(920) 대기모드로, 보조권선 전압(VFB)이 제1전압 이하인 경우(930) 딥 스탠드-바이 모드로 동작하는 것일 수 있다.
특히, 딥 스탠드-바이 모드에서 짧은 온-타임을 가지며 주기적인 펄스 성분의 체배신호를 이용하여 일정 수준의 전력을 유지할 수 있어 출력단 부하 변동 특성인 로드 레귤레이션(Load Regulation) 특성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 모드 전원 장치는, 보조권선 전압(VFB)에 따라 정상 모드, 대기 모드, 딥 스탠드-바이 모드를 구현하면서도, 단일한 VCO 또는 오실레이터로 회로를 구성할 수 있어 IC 면적 증가를 방지하고 회로를 간소화할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 11, 12 : 스위칭 모드 전원 장치,
100: VCO부,
200: STB부,
300: DSTB부,
310: 주파수 분주수단,
320: 체배신호 생성기,
400: 출력선택부,
410, 420, 430 : 스위칭 소자,
411, 421, 431 : 신호 생성부.

Claims (6)

1차측 권선과, 상기 1차측 권선과 자기 결합되는 2차측 권선과, 상기 2차측 권선과 연결되는 출력단에서 출력을 간접적으로 획득하기 위한 보조 권선으로 이루어지는 스위칭 모드 전원 장치에 있어서,
기설정된 제1 주파수를 갖는 클록 신호와, 상기 클록 신호를 기설정된 펄스신호에 따라 출력함에 따른 대기모드 신호와, 상기 제1 주파수를 기설정된 정수비에 따라 체배함에 따른 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호 중 어느 하나를 상기 보조 권선을 통해 획득되는 보조권선 전압에 기초하여 선택하고, 선택된 신호를 이용하여 상기 1차측 권선에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위칭 소자를 제어하는 것
을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 장치.
제 1 항에 있어서,
기설정된 제1 주파수를 갖는 클록 신호를 생성하는 VCO부;
상기 클록 신호를 인가받아 기설정된 펄스신호에 따라 상기 클록 신호를 출력하는 STB부;
상기 제1 주파수를 기설정된 정수비에 따라 체배하여 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 가지는 체배신호를 생성 및 출력하는 DSTB부; 및
상기 VCO부와, 상기 STB부와, 상기 DSTB부 중 어느 하나의 출력을 선택적으로 출력하는 출력선택부;
를 포함하여, 상기 보조 권선을 통해 획득되는 보조권선 전압에 기초하여 상기 출력선택부의 출력에 따라 상기 1차측 권선에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위칭 소자를 제어하는 것
을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 STB부는,
상기 제1 주파수 보다 낮은 주파수의 기설정된 듀티비에 따라 온 또는 오프되는 펄스 신호를 제공받으며, 상기 펄스 신호가 온이 되는 구간에서만 상기 클록 신호를 출력하도록 하는 연산부;를 포함하는 것
인 스위칭 모드 전원 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 출력선택부는,
상기 보조권선 전압이 기설정된 제1전압 보다 높고 상기 제1전압보다 큰 제2전압보다 낮은 경우, 기설정된 간격에 따른 클록 신호의 다발로 이루어지는 대기모드 신호를 출력하고,
상기 보조권선 전압이 상기 제2전압 이상인 경우 상기 클록 신호를 출력하며,
상기 보조권선 전압이 상기 제1전압 이하인 경우 상기 체배 신호를 출력하는 것
인 스위칭 모드 전원 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 출력선택부는,
상기 VCO부와, 상기 STB부와, 상기 DSTB부 각각의 출력단에 일단이 각각 접속되며 타단이 출력단 노드에 접속되는 스위칭 소자들을 포함하는 것
인 스위칭 모드 전원 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 출력선택부는,
상기 VCO부의 출력을 단속하기 위한 제1 스위칭 소자의 개폐신호를 생성하는 제1 신호생성부와, 상기 STB부의 출력을 단속하기 위한 제2 스위칭 소자의 개폐신호를 생성하는 제2 신호생성부와, 상기 DSTB부의 출력을 단속하기 위한 제3 스위칭 소자의 개폐신호를 생성하는 제3 신호생성부를 구비하는 제어신호 생성부를 포함하는 것
인 스위칭 모드 전원 장치.
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