KR101776800B1

KR101776800B1 - 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스를 사용하는 스위칭 전원

Info

Publication number: KR101776800B1
Application number: KR1020150099856A
Authority: KR
Inventors: 동-셍 리; 쿠앙-펭 린; 치아-웨이 린
Original assignee: 심파워 테크놀로지 인코퍼레이티드
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2017-09-08
Also published as: JP6236591B2; US9525343B2; DE102015110658A1; US20160013717A1; CN105262327A; TWI544727B; TW201618442A; SG10201505288VA; JP2016021857A; KR20160008481A; CN105262327B

Abstract

외부 전압 소스와 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스 사이에 스위칭 전원이 제공되어 연결되고, 상기 스위칭 전원은 부스트 컨버터, 제어 회로 및 에너지 저장 소자를 포함한다. 부스트 컨버터의 입력 단부는 외부 전압 소스에 연결되고, 부스트 컨버터의 출력 단부는 상기 디바이스에 전기적으로 연결된다. 제어 회로는 부스트 컨버터에 병렬로 연결된다. 제1 미리 결정된 전압 값과 미리 결정된 전류 값이 제어 회로에 설정된다. 외부 전압 소스의 출력 전류가 미리 결정된 전류 값을 초과하거나 또는 외부 전압 소스의 출력 전압이 제1 미리 결정된 전압 값 미만일 때, 부스트 컨버터의 출력 전압은 에너지 저장 소자의 전압 미만이도록 제어 회로에 의해 감소된다.

Description

높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스를 사용하는 스위칭 전원{SWITCHING POWER SUPPLY USING IN DEVICE HAVING HIGH PEAK CURRENT CHARACTERISTIC}

본 발명은 스위칭 전원에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스를 사용하는 스위칭 전원에 관한 것이다.

하드 디스크 드라이브는 현 컴퓨터에서 매우 중요한 데이터 저장 캐리어이고, 하드 디스크 드라이브의 용량은 기술 개발로 인해 점진적으로 증가되었고, 하드 디스크 드라이브는 콤팩트 디스크(compact disk: CD)에 비해 대용량과 고속 데이터 전송의 잇점을 제공한다. 그리하여, 모바일 하드 디스크 드라이브(외부 하드 드라이브 인클로저)는 현재 공통적인 디바이스가 되었다.

3.5 인치 하드 디스크 드라이브는 최대 용량과 긴 수명 특성을 가지고 있다. 그 결과, 많은 사용자들이 이를 사용하기 좋아한다. 그러나, 3.5 인치 하드 디스크 드라이브는 큰 사이즈와 더 많은 전력 소비를 한다. 3.5 인치 하드 디스크 드라이브에서, USB 포트로부터 오는 5V 외에, 모터를 구동하는데 12V 입력 전압이 더 요구된다. 그리하여, 3.5 인치 모바일 하드 디스크 드라이브(또는 3.5 인치 하드 드라이브 인클로저)는 여분의 12V 전력 어댑터를 사용하여 모터를 구동할 것을 요구하고, 이것은 운반하는데 불편하다.

전술된 문제를 해결하기 위한 솔루션이 특허 문헌 US2014091621에 개시되어 있다. US2014091621에서 배터리가 쉘(shell) 내에 배치되고 하드 디스크 드라이브를 스타트업(startup)하는 에너지를 제공하는데 사용된다. US2014091621에 배치된 3.5 인치 모바일 하드 디스크 드라이브에서는 임의의 여분의 전원이 요구되지 않고, 더 낮은 내부 저항을 가지고 큰 공간을 차지하는 고비용 배터리가 요구된다. 나아가, 모터가 고출력 전류로 USB 포트에 의해 구동되면, USB 포트의 출력 전압이 감소되어서, 모바일 하드 디스크 드라이브의 제어 회로를 구동하기에는 충분히 높지 않을 수 있다.

따라서 USB 포트로부터 오는 5V만으로 3.5 인치 하드 디스크 드라이브를 구동하여 여분의 12V 전력 어댑터를 전혀 요구하지 않는, 더 값싸고 더 소형의 배터리 설계를 제공하는 것이 요구된다.

본 발명의 목적은 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스에 배치된 스위칭 전원을 제공하는 것이다. 그리하여, 본 발명의 스위칭 전원을 사용하는 것에 의해, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스를 스타트업하고 구동하는 여분의 어댑터가 요구되지 않아서, 스위칭 전원과 에너지 저장 소자의 전체적인 비용이 감소된다.

상기 목적 및 다른 목적을 달성하기 위해, 스위칭 전원이 본 발명에 제공되고, 이 스위칭 전원은 외부 전압 소스와 높은 피크 전류 특성을 가지는 적어도 하나의 디바이스 사이에 연결된다. 상기 스위칭 전원은 부스트 컨버터, 제어 회로, 충전 회로, 방전 회로 및 에너지 저장 소자를 포함한다. 상기 부스트 컨버터의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 전기적으로 연결되고, 상기 부스트 컨버터의 출력 단부는 상기 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스에 전기적으로 연결된다. 상기 제어 회로는 상기 부스트 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 제어 회로는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압을 센싱하도록 구성된다. 상기 제어 회로는 제1 미리 결정된 전압 값과 미리 결정된 전류 값을 구비한다. 상기 충전 회로의 입력 단부는 상기 부스트 컨버터의 출력 단부에 연결된다. 상기 방전 회로의 출력 단부는 상기 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스에 전기적으로 연결된다. 상기 에너지 저장 소자의 출력 단부는 상기 방전 회로의 입력 단부와 상기 충전 회로의 출력 단부에 연결된다. 상기 외부 전압 소스의 출력 전류가 상기 미리 결정된 전류 값을 초과하거나 또는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 제1 미리 결정된 전압 값 미만인 경우, 상기 부스트 컨버터의 출력 전압은 상기 에너지 저장 소자의 전압 미만이도록 상기 제어 회로에 의해 신속히 감소된다. 이 제어 방법으로, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스가 스타트업하여 많은 전류를 받을 때, 상기 부스트 컨버터와 상기 에너지 저장 소자는 충분한 에너지를 동시에 제공할 수 있다.

상기 전술된 스위칭 전원은 제1 스위칭 소자를 더 포함하고, 상기 제1 스위칭 소자의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 연결된다. 상기 제1 스위칭 소자는 상기 방전 회로의 상기 입력 단부와 상기 충전 회로의 출력 단부에 연결된다. 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0인 경우, 상기 제1 스위칭 소자는 전기적으로 도통(conducted)되지 않는다. 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0을 초과하면, 상기 제1 스위칭 소자는 전기적으로 도통된다.

상기 전술된 스위칭 전원은 적어도 스위치 모듈을 더 포함한다. 상기 스위치 모듈은 제2 스위칭 소자와 모니터링 회로를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 부스트 컨버터와 상기 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링 회로는 상기 부스트 컨버터와 상기 제2 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결된다. 상기 부스트 컨버터의 출력 전압이 제2 미리 결정된 전압 값을 초과하면, 상기 제2 스위칭 소자는 전기적으로 도통된다.

전술된 스위칭 전원에서, 미리 결정된 시간 기간은 상기 모니터링 회로에 설정된다. 상기 스위칭 전원이 상기 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 외부 전압 소스로부터 송신된 전력을 수신한 후, 상기 제2 스위칭 소자는 전기적으로 도통된다.

상기 스위칭 전원이 본 발명에 제공되는데, 상기 스위칭 전원은 외부 전압 소스와 높은 피크 전류 특성을 가지는 적어도 하나의 디바이스 사이에 연결된다. 상기 스위칭 전원은 부스트 컨버터, 제어 회로, 충전 회로, 방전 회로, 에너지 저장 소자 및 벅 컨버터(buck converter)를 포함한다. 상기 부스트 컨버터의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 연결되고, 상기 부스트 컨버터의 출력 단부는 상기 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스에 전기적으로 연결된다. 상기 제어 회로는 상기 부스트 컨버터에 병렬로 연결된다. 상기 제어 회로는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압을 센싱하도록 구성된다. 상기 제어 회로는 제1 미리 결정된 전압 값과 미리 결정된 전류 값을 구비한다. 상기 충전 회로의 입력 단부는 상기 부스트 컨버터의 출력 단부에 전기적으로 연결된다. 상기 방전 회로의 출력 단부는 상기 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스에 전기적으로 연결된다. 상기 에너지 저장 소자의 출력 단부는 상기 방전 회로의 입력 단부와 상기 충전 회로의 출력 단부에 연결된다. 상기 벅 컨버터의 출력 단부는 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스에 연결된다. 상기 외부 전압 소스의 출력 전류가 상기 미리 결정된 전류 값을 초과하거나 또는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 상기 미리 결정된 전압 값 미만인 경우, 상기 부스트 컨버터의 출력 전압은 상기 에너지 저장 소자의 전압 미만이도록 상기 제어 회로에 의해 신속히 감소된다. 이 제어 방법으로, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스가 스타트업하여 많은 전류를 받을 때, 상기 부스트 컨버터와 상기 에너지 저장 소자는 충분한 에너지를 동시에 제공할 수 있다.

상기 전술된 스위칭 전원은 제1 스위칭 소자를 더 포함한다. 상기 제1 스위칭 소자의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 연결된다. 상기 제1 스위칭 소자는 상기 방전 회로의 입력 단부와 상기 충전 회로의 출력 단부에 연결된다. 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0인 경우, 상기 제1 스위칭 소자는 전기적으로 도통되지 않는다. 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0을 초과하면, 상기 제1 스위칭 소자는 전기적으로 도통된다. 상기 전술된 스위칭 전원은 적어도 스위치 모듈을 더 포함한다. 상기 스위치 모듈은 제2 스위칭 소자와 모니터링 회로를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 부스트 컨버터와 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링 회로는 상기 부스트 컨버터와 상기 제2 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결된다. 상기 부스트 컨버터의 출력 전압이 제2 미리 결정된 전압 값을 초과하면, 상기 제2 스위칭 소자는 전기적으로 도통된다.

전술된 스위칭 전원에서, 미리 결정된 시간 기간은 상기 모니터링 회로에 설정된다. 상기 외부 전압 소스로부터 송신된 전력이 상기 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 스위칭 전원에 의해 수신된 후, 상기 제2 스위칭 소자는 전기적으로 도통된다.

전술된 스위칭 전원에서, 상기 방전 회로는 다이오드, 또는 스위치를 가지는 방전 제어 회로이다.

전술된 스위칭 전원에서, 상기 에너지 저장 소자는 상수 전압 또는/및 상수 전류로 상기 충전 회로에 의해 충전된다.

전술된 스위칭 전원에서, 상기 외부 전압 소스와 상기 부스트 컨버터 사이에 연결된 전류 센서가 더 포함되고, 상기 전류 센서는 상기 외부 전압 소스의 출력 전류를 센싱하도록 구성된다.

본 발명은 다음 실시예에 의해 예시된다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예의 특정 상세로 제한되지 않는 것으로 이해된다.

도 1a는 본 발명의 스위칭 전원의 개략도.
도 1b는 에너지 보상 모듈의 상세 아키텍처를 도시하는 도면.
도 1c는 스위치 모듈의 상세 아키텍처를 도시하는 도면.
도 1d는 제어 회로 없이 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스에 적용된 스위칭 전원의 개략도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 도시하는 도면.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예를 도시하는 도면.
도 3b는 본 발명의 제4 실시예를 도시하는 도면.
도 3c는 본 발명의 제5 실시예를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 제6 실시예를 도시하는 도면.

본 발명의 스위칭 전원(10)의 개략도를 도시하는 도 1a를 참조한다. 이 스위칭 전원(10)은 외부 전압 소스(20)와 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30) 사이에 연결된다. 예를 들어, 외부 전압 소스(20)는 퍼스널 컴퓨터의 USB 포트이고 5V를 제공한다. 일반적으로, USB 포트는 출력 전압과 출력 전류에 대한 표준 범위를 가지고 있으나, USB 포트의 최대 출력 전류는 사실상 표준 범위보다 훨씬 더 크다. 그러나, 출력 전압은 출력 전류가 증가함에 따라 감소된다. 예를 들어, USB 3.0의 표준 범위는 4.75V~5.25V/0.9A이다. 사실상, USB 3.0에 의해 제공된 최대 전류는 0.9A를 초과한다. 예를 들어, 본 실시예의 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 3.5 인치 하드 디스크 드라이브이고, 따라서 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 모터(31)와 디바이스 제어 회로(32)를 포함한다. 모터(31)는 스위칭 전원(10)에 연결되고, 디바이스 제어 회로(32)는 외부 전압 소스(20)에 연결된다. 모터(31)는 12V 입력 전압을 수신하면(이 입력 전압은 USB 포트에 의해 변환된다), 디바이스 제어 회로(32)도 또한 5V 입력 전압을 수신하여야, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)가 정상적으로 구동되고 스타트업되어 동작할 수 있다.

스위칭 전원(10)은 부스트 컨버터(11), 제어 회로(12), 전류 센서(121) 및 에너지 보상 모듈(14)을 포함한다. 전류 센서(121)는 외부 전압 소스(20)의 출력 단부에 연결되고, 전류 센서(121)는 외부 전압 소스(20)의 출력 전류를 센싱하도록 구성된다. 부스트 컨버터(11)의 입력 단부는 전류 센서(121)에 연결되고, 부스트 컨버터(11)의 출력 단부는 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 모터(31)에 전기적으로 연결된다. 외부 전압 소스(20)에 의해 제공된 5V는 모터(31)의 12V 입력 전압에 대응하기 위하여 부스트 컨버터(11)에 의해 12V~12.6V로 변환된다.

에너지 보상 모듈(14)의 상세 아키텍처를 도시하는 도 1b를 참조한다. 에너지 보상 모듈(14)은 에너지 저장 소자(141), 제1 스위칭 소자(142), 방전 회로(143) 및 충전 회로(144)를 포함한다. 예를 들어, 에너지 저장 소자(141)는 리튬 배터리 또는 커패시터 뱅크이고, 에너지 저장 소자(141)는 최대 12.6V를 출력하도록 구성된다. 그러나, 에너지 저장 소자(141)의 전압은 정상적으로 동작할 때 지정된 값을 가지지 않고, 이 소자가 가지는 에너지의 양에 종속한다. 에너지 저장 소자(141)는 제1 스위칭 소자(142)에 연결된다. 제1 스위칭 소자(142)는 외부 전압 소스(20)의 전력이 스위칭 전원(10)에 입력될 때 전기적으로 도통된다. 이와는 반대로, 제1 스위칭 소자(142)는 외부 전압 소스(20)의 전압이 0일 때에는 전기적으로 도통되지 않는다. 그리하여, 제1 스위칭 소자(142)는 전력이 외부 전압 소스(20)에 의해 제공되지 않을 때에는 전기적으로 도통되지 않아서, 에너지 저장 소자(141)에 저장된 에너지가 회로의 전기적 누설로 소모되는 것을 회피하게 한다.

제1 스위칭 소자(142)는 전력이 외부 전압 소스(20)로부터 스위칭 전원(10)으로 입력될 때에는 전기적으로 도통되어서, 에너지 저장 소자(141)가 정상적으로 충전되고 방전되게 한다. 방전 회로(143)의 입력 단부는 제1 스위칭 소자(142)에 연결되고, 방전 회로(143)의 출력 단부는 부스트 컨버터(11)의 출력 단부에 연결된다. 충전 회로(144)의 입력 단부는 부스트 컨버터(11)의 출력 단부에 연결되고, 충전 회로(144)의 출력 단부는 제1 스위칭 소자(142)에 연결된다. 방전 회로(143)는 단방향 차단 회로(uni-directional blocking circuit)이고, 방전 회로(143)는 부스트 컨버터(11)의 출력 전압이 에너지 저장 소자(141)의 전압을 초과할 때에는 전기적으로 도통되지 않아서, 충전 회로(144)를 통해 에너지 저장 소자(141)를 충전할 수 있게 한다. 방전 회로(143)의 단방향 차단 회로는 많은 유형, 예를 들어, 다이오드(도 1b에 도시된), 또는 스위치와 제어 회로 등을 가지는 방전 제어 회로(12)를 구비한다. 에너지 저장 소자(141)는 상수 전압 및/또는 상수 전류 모드에서 충전 회로(144)에 의해 충전되고, 충전 회로(144)는 또한 많은 유형, 예를 들어, 전류-제한 저항기 또는 선형 조절기 등을 구비한다. 방전 회로(143)와 충전 회로(144)의 전술된 유형은 단지 예시를 위한 것일 뿐 이들로 제한되지 않고, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 실제 요구에 따라 방전 회로(143)와 충전 회로(144)의 유형을 조절할 수 있을 것이다.

방전 회로(143)와 충전 회로(144)는 독립적인 회로로 각각 설계된다. 이것은 단 하나의 전류-제한 저항기(current-limiting resistor)만이 충전-방전 경로로 사용되는 경우 에너지 저장 소자(141)의 충전 및 방전 성능이 제한될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 에너지 저장 소자(141)가 더 작은 저항 값을 갖는 전류-제한 저항기를 사용하면 큰 전류로 신속히 방전될 수 있고, 에너지 저장 소자(141)의 수명은 더 큰 방전/충전 전류로 인해 유해할 수 있으며, 부스트 컨버터(11)로부터 유도된 출력 전류도 또한 증가된다. 이후, 더 작은 전류-제한 저항으로 인해 부스트 컨버터(11)의 많은 출력 전류의 양이 에너지 저장 소자(141)에 공유되어야 하기 때문에 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)에 제공되는 전류는 감소된다. 에너지 보상 모듈(14)이 더 큰 전류-제한 저항을 사용하여 에너지 저장 소자(141)의 방전 및 충전 전류를 감소시키는 경우, 스위칭 전원(10)에 의해 제공되는 최대 출력 전류도 또한 제한되어서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 에너지 보상 모듈(14)로부터 더 적은 방전 전류가 오는 것으로 인해 원활히 잘 구동되지 않거나 스타트업되지 않거나 동작되지 않을 수 있다. 그리하여, 본 발명에서는, 이 디바이스가 높은 피크 전류를 받을 때 에너지 저장 소자(141)가 큰 전류를 신속히 방전시켜 부스트 컨버터(11)의 출력 전압을 지원하게 하고, 나아가 에너지 저장 소자(141)가 디바이스의 정상 동작 상태에서 훨씬 더 작은 전류로 안정적으로 천천히 충전되게 하여 에너지 저장 소자(141)의 수명을 증가시키도록 방전 회로(143)와 충전 회로(144)는 각각 설계된다.

스위칭 전원(10)의 소자 관계가 위에서 설명되었다; 스위칭 전원(10)의 동작 방법은 다음과 같이 소개된다. 외부 전압 소스(20)가 5V를 스위칭 전원(10)에 인가할 때 5V는 부스트 컨버터(11)와 제1 스위칭 소자(142)에 각각 인가된다; 제1 스위칭 소자(142)가 외부 전압 소스(20)로부터 5V 출력 전압을 수신할 때 제1 스위칭 소자(142)는 전기적으로 도통되어서, 에너지 저장 소자(141)를 충전 회로(144)와 방전 회로(143)에 전기적으로 연결하고, 외부 전압 소스(20)로부터 인가된 5V는 부스트 컨버터(11)에 의해 12~12.6V로 승압되고, 이 12~12.6V는 부스트 컨버터(11)의 출력 단부로부터 출력된다.

제어 회로(12)는 전류 센서(121)에 연결되고, 부스트 컨버터(11)에 병렬로 연결된다. 부스트 컨버터(11)의 출력 전압은 제어 회로(12)에 의해 제어되어, 스위칭 전원(10)의 입력 전류와 입력 전압을 제한하거나 또는 부스트 컨버터(11)의 출력 전류를 제한한다. 한편, 부스트 컨버터(11)는 과부하(overload)에 의해서도 손상되지 않는다. 제어 회로(12)는 전류 센서(121)에 의해 외부 전압 소스(20)의 출력 전류를 센싱하고, 제어 회로(12)는 외부 전압 소스(20)의 출력 전압(부스트 컨버터(11)의 입력 전압)을 센싱하도록 더 구성된다. 제1 미리 결정된 전압 값과 미리 결정된 전류 값은 제어 회로(12)에 설정된다. 외부 전압 소스(20)의 출력 전류가 미리 결정된 전류 값을 초과하거나 또는 외부 전압 소스(20)의 출력 전압이 제1 미리 결정된 전압 값 미만인 경우, 부스트 컨버터(11)의 출력 전압이 제어 회로(12)에 의해 신속히 감소되어, 부스트 컨버터(11)의 출력 전압을 에너지 저장 소자(141)의 전압 미만으로 감소시키고 나서, 에너지 저장 소자(141)가 방전 회로(143)를 통해 큰 전류를 방전하게 된다. 이런 제어 방법으로, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)로부터 스타트업 또는 피크 전류의 급격한 순간일 때, 에너지 저장 소자(141)와 부스트 컨버터(11)는 에너지를 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)에 동시에 제공하여 부스트 컨버터(11)의 출력 전압을 특정 레벨에 유지할 수 있다. 스위칭 전원(10)의 전술된 입력 전류와 입력 전압 또는 부스트 컨버터(11)의 출력 전류를 제한하는 것에 의해 보다 상이한 매칭/조합이 만들어질 수 있다. 예를 들어, 스위칭 전원(10)의 입력 전류와 입력 전압은 동시에 검출되거나, 또는 출력 전류만을 제한하는 방법이 사용되는데, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 실제 요구에 따라 입력 전력을 제한하는 방법을 조절할 수 있을 것이다.

일부 실시예에서, 모터(31)는 스타트업 동안 더 큰 전류를 요구하기 때문에, 스위칭 전원(10)의 입력 전류도 또한 상당히 높다. 그 결과, 출력 전류가 증가되기 때문에 외부 전압 소스(20)의 출력 전압은 점진적으로 감소된다. 모터(31)가 12V를 안정적으로 수신한다 하더라도 외부 전압 소스(20)의 출력 전압이 너무 낮아서 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 디바이스 제어 회로(32)를 구동할 수 없는 경우에는 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 정상적으로 구동되지 않는다. 그래서, 본 발명에서는, 부스트 컨버터(11)의 출력 전압은 외부 전압 소스(20)의 출력 전압이 제1 미리 결정된 전압 값 미만으로 감소되거나 또는 외부 전압 소스(20)의 출력 전류가 미리 결정된 전류 값을 초과할 때에는 제어 회로(12)에 의해 신속히 감소된다. 그리하여, 부스트 컨버터(11)의 출력 전력이 특정 범위 내로 제한되어서, 스위칭 전원(10)의 입력 전압은 제1 미리 결정된 전압 값 미만이 결코 아니거나, 또는 스위칭 전원(10)의 입력 전류는 미리 결정된 전류 값을 결코 초과하지 않아서, 외부 전압 소스(20)의 최대 출력 전류와 최소 출력 전압을 제한한다. 부스트 컨버터(11)의 출력 전압이 에너지 저장 소자(141)의 출력 전압 미만이 될 때까지 감소될 때 방전 회로(143)는 전기적으로 도통된다. 이후, 에너지 저장 소자(141)는 큰 전류를 방전하기 시작하여 에너지 저장 소자(141)와 부스트 컨버터(11)가 함께 출력 전류를 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)에 동시에 제공할 수 있게 된다. 이후 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 모터(31)는 정상적으로 구동되고 스타트업될 수 있어서, 디바이스 제어 회로(32)를 구동하여 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)를 정상적으로 구동하는데 충분한 외부 전압 소스(20)의 출력 전압이 보장된다. 스위칭 전원(10)의 최대 입력 전류를 제한하여 외부 전압 소스(20)가 전류 제공을 멈추는 것을 회피하는 것에 의해 외부 전압 소스(20)가 보호된다. 최소 입력 전압을 제한하는 것에 의해, 디바이스 제어 회로(32)(또는 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30))가 정상적으로 구동되고 작동될 수 있다.

그리고 나서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)가 스타트업으로부터 안정적인 동작으로 점진적으로 진입할 때 모터(31)의 구동 전류가 점진적으로 감소되어, 스위칭 전원(10)의 입력 전압과 입력 전류의 값이 제어 회로(12)의 제1 미리 결정된 전압 값과 미리 결정된 전류 값으로부터 점진적으로 벗어난다. 이후, 제어 회로(12)는 부스트 컨버터(11)의 출력 전압을 원래의 미리 결정된 값(12~12.6V)으로 복구하고, 그리하여 부스트 컨버터(11)의 출력 전압은 그 때부터 에너지 저장 소자(141)의 전압을 초과한다. 방전 회로(143)가 바이어스 역전될 때 방전 회로(143)는 전기적으로 도통되지 않아서, 부스트 컨버터(11)의 출력 전압이 모터(31)에 적용되어서 모터(31)가 안정적인 동작으로 구동되게 하여, 에너지 저장 소자(141)는 충전 회로(144)를 통해 부스트 컨버터(11)에 의해 충전된다.

도 1c 및 도 1d를 참조하면, 도 1c는 스위치 모듈(13)의 상세 아키텍처를 도시하고, 도 1d는 제어 회로(32) 없이 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)에 적용된 스위칭 전원(10)의 개략도를 도시한다. 전술된 실시예의 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 3.5 인치 하드 디스크 드라이브이고 디바이스 제어 회로(32)를 포함한다. 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 입력 에너지가 모터(31)를 구동하기에 충분하고, 디바이스 제어 회로(32)가 스타트업 커맨드를 수신할 때, 모터(31)는 스위칭 전원(10)으로부터 전류를 유도한다. 그러나, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30) 모두가 디바이스 제어 회로(32)를 포함하는 것은 아니다. 따라서, 스위치 모듈(13)이 또한 스위칭 전원(10)에도 배치되고, 스위치 모듈(13)은 부스트 컨버터(11)와 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(33) 사이에 연결된다. 스위치 모듈(13)은 모니터링 회로(131)와 제2 스위칭 소자(132)를 포함한다. 외부 전압 소스(20)로부터 오는 전압(5V)을 12~12.6V로 승압하는데 일부 시간이 필요하고, 그리하여 부스트 컨버터(11)의 출력 단부는 모니터링 회로(131)에 의해 검출된다. 부스트 컨버터(11)의 출력 전압이 제2 미리 결정된 전압 값에 도달할 때 모니터링 회로(131)는 제2 스위칭 소자(132)에 신호를 전송하고, 또 제2 스위칭 소자(132)는 전기적으로 도통하여, 충분한 전압에 의해 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(33)를 원활히 구동되게 한다. 나아가, 제2 스위칭 소자(132)는 미리 결정된 시간 기간을 설정하는 것을 통해 모니터링 회로(131)에 의해 제어된다. 예를 들어, 이 미리 결정된 시간 기간은, 부스트 컨버터(11)에 의해 5V로부터 12V로 승압하는데 필요한 시간이 2초인 경우, 2초로 설정될 수 있다. 다시 말해, 모니터링 회로(131)가 외부 전압 소스(20)로부터 스위칭 전원(10)으로 전력이 전송되는 것을 검출하면, 2초 후, 신호는 제2 스위칭 소자(132)로 전송되고, 제2 스위칭 소자(132)는 전기적으로 도통된다.

본 발명의 제2 실시예를 도시하는 도 2를 참조한다. 정상 상태 하에서, 스위칭 전원(10)은 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 디바이스 제어 회로(32)를 구동하기 위하여 5V의 외부 전압 소스(20)에 전기적으로 연결된다. 일부 상태에서, 모터(31)를 구동하는 전류는 매우 크고, 모터(31)는 외부 전압 소스(20)에 의해 부스트 컨버터(11)를 통해 구동되지만, 외부 전압 소스(20)는 큰 출력 전류로 인해 디바이스 제어 회로(32)에 안정적인 5V를 추가적으로 제공할 수 없어서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 정상적으로 구동되지 않거나 스타트업될 수 없다. 그리하여, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 디바이스 제어 회로(32)와 부스트 컨버터(11)의 출력 단부 사이에 벅 컨버터(15)가 제공되어 연결된다. 부스트 컨버터(11)의 12~12.6V 출력 전압은 벅 컨버터(15)에 의해 안정적인 5V로 변환되고 나서, 디바이스 제어 회로(32)를 구동하여, 이후 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)가 정상적으로 구동되고 스타트업될 수 있다. 본 실시예에서, 벅 컨버터(15)의 입력 단부는 부스트 컨버터(11)와 스위치 모듈(13) 사이에 연결되고, 벅 컨버터(15)의 출력 단부는 모바일 저장 디바이스와 같은 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 디바이스 제어 회로(32)에 연결되지만, 이것으로 제한되지 않고, 벅 컨버터(15)의 입력 단부는 스위치 모듈(13)과 모터(31) 사이에도 연결될 수 있다. 다시 말해, 벅 컨버터(15)의 입력 단부는 부스트 컨버터(11)와 모터(31) 사이의 임의의 위치에 연결된다.

본 발명의 제3 실시예를 도시하는 도 3a를 참조한다. 일부 상태에서, 스위칭 전원(10)은 높은 피크 전류 특성을 가지는 다수의 디바이스(30)를 구동하는 것을 요구한다. 예를 들어, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 RAID (Redundant Array of Independent Disk)와 같은 다수의 3.5 인치 하드 디스크 드라이브이고, 스위치 모듈(13)의 출력 단부는 높은 피크 전류 특성을 가지는 독립적인 디바이스(30)에 각각 연결된다. 외부 전압 소스(20)의 다수의 5V 출력 전압은 높은 피크 전류 특성을 가지는 독립적인 디바이스(30)에 각각 더 연결된다. 그 결과, 높은 피크 전류 특성을 가지는 다수의 디바이스(30)가 스위칭 전원(10)에 의해 구동될 수 있다.

본 발명의 제4 실시예를 도시하는 도 3b를 참조한다. 제3 실시예에서, 스위칭 전원(10)은 높은 피크 전류 특성을 가지는 다수의 디바이스(30)를 동시에 구동하도록 구성된다. 그러나, 일부 상태에서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 각 디바이스(30)는 시퀀스로 구동될 수 있다. 그리하여, 본 실시예에서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 각 디바이스(30)는 하나의 대응하는 스위치 모듈(13)을 포함하고, 상이한 스타트업 시간 기간은 높은 피크 전류 특성을 가지는 각 디바이스(30)가 자체 상이한 스타트업 시간 기간을 가지도록 각 스위치 모듈(13)의 모니터링 회로(131)에 의해 설정된다. 따라서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 다수의 디바이스(30)가 시퀀스로 구동되고 스타트업될 수 있다.

본 발명의 제5 실시예를 도시하는 도 3c를 참조한다. 외부 전압 소스(20)가 높은 피크 전류 특성을 가지는 다수의 디바이스(30)를 구동하는 것을 요구하는 경우, 외부 전압 소스(20)는 중부하(heavy loading)를 운반할 수 있어서, 5V는 다수의 디바이스 제어 회로(32)에 대해 안정적으로 출력될 수 없다. 그리하여, 부스트 컨버터(11)는 벅 컨버터(15)에 전기적으로 연결되고, 벅 컨버터(15)의 출력 단부는 높은 피크 전류 특성을 가지는 각 디바이스(30)의 디바이스 제어 회로(32)가 안정적인 5V을 수신하기 위하여 높은 피크 전류 특성을 가지는 다수의 디바이스(30)에 연결된다. 그 결과, 높은 피크 전류 특성을 가지는 다수의 디바이스(30)가 정상적으로 구동될 수 있다.

전술된 제3 실시예 내지 제5 실시예는 모두 본 발명의 스위칭 전원(10)의 예시들이지만, 이들로 제한되지 않고, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 제3 실시예 내지 제5 실시예의 기술적 특징을 조절하거나 조합하여 요청에 의해 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)의 상이한 조합에 대응하는 스위칭 전원을 만들 수 있을 것이다.

나아가, 전술된 각 실시예에서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 3.5 인치 하드 디스크 드라이브이지만, 이것으로 제한되지 않고, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 또한 비지니스 기계, 프린터 및 외부 콤팩트 디스크 드라이브 등일 수 있다. 본 발명의 스위칭 전원(10)은 일부 과도 기간에 더 큰 높은 피크 전류를 요구하는 임의의 디바이스에 배치될 수 있다. 나아가, 스위칭 전원(10)의 구동되는 대상은 모터(31)로 제한되지 않는다. 구동되는 대상은 또한 다른 대상일 수 있다. 예를 들어, 구동되는 대상은 더 큰 높은 피크 전류를 가지는 중앙 처리 유닛(central processing unit: CPU)의 전자 성분과 같다.

본 발명의 스위칭 전원(10)에서, 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스(30)는 임의의 여분의 전원에 연결함이 없이 구동되고 스타트업될 수 있다. US2014091621에서 높은 피크 전류 특성을 가지는 디바이스는 스타트업 동안 배터리에 의해 완전히 구동되어, 더 큰 사이즈를 갖는 배터리가 요구된다. 본 발명의 에너지 저장 소자(141)는 불충분한 에너지를 신속히 보상하는 지원 보조 성분이고, 에너지는 부스트 컨버터(11)를 통해 외부 전압 소스(20)로부터 주로 제공되고, 외부 전압 소스(20)가 충분히 높은 전압과 에너지를 제공할 수 없는 경우에만 에너지 저장 소자(141)가 큰 전류로 신속히 방전된다. 그 결과, 더 작은 사이즈 또는 커패시턴스를 갖는 배터리가 에너지 저장 소자(141)로 선택되고 사용될 수 있어서, 스위칭 전원(10)의 전체적인 비용이 감소될 수 있다.

상기 실시예에서, 각 스위칭 전원(10)은 전류 센서(121)를 포함한다. 그러나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 스위칭 전원(10)(도 4에 도시)에 전류 센서를 배치하지 않기로 결정할 수 있다. 도 4에서, 부스트 컨버터(11)의 입력 단부는 외부 전압 소스(20)에 직접 연결된다.

이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 디바이스 및 방법의 수 많은 변형과 대안이 본 발명의 개시 내용을 유지하며 이루어질 수 있을 것이라는 것을 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 개시 내용은 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

외부 전압 소스와, 상기 외부 전압 소스와 연결된 디바이스 사이에 연결된 스위칭 전원으로서, 상기 스위칭 전원은,
부스트 컨버터로서, 상기 부스트 컨버터의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 전기적으로 연결되고, 상기 부스트 컨버터의 출력 단부는 상기 디바이스에 전기적으로 연결된, 상기 부스트 컨버터;
상기 부스트 컨버터에 병렬로 연결된 제어 회로로서, 상기 제어 회로는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압을 센싱하도록 구성되고, 상기 제어 회로는 제1 미리 결정된 전압 값과 미리 결정된 전류 값의 설정을 가지고 있는, 상기 제어 회로;
충전 회로로서, 상기 충전 회로의 입력 단부는 상기 부스트 컨버터의 출력 단부에 연결된, 상기 충전 회로;
방전 회로로서, 상기 방전 회로의 출력 단부는 상기 디바이스에 전기적으로 연결된, 상기 방전 회로; 및
에너지 저장 소자로서, 상기 에너지 저장 소자의 출력 단부는 상기 방전 회로의 입력 단부와 상기 충전 회로의 출력 단부에 연결된, 상기 에너지 저장 소자를 포함하고;
상기 외부 전압 소스의 출력 전류가 상기 미리 결정된 전류 값을 초과하거나 또는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 상기 제1 미리 결정된 전압 값 미만인 경우, 상기 부스트 컨버터의 출력 전압은 상기 에너지 저장 소자의 출력 전압 미만일 때까지 상기 제어 회로에 의해 신속히 감소되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제1항에 있어서, 제1 스위칭 소자를 더 포함하고, 상기 제1 스위칭 소자의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 방전 회로의 상기 입력 단부와 상기 충전 회로의 상기 출력 단부에 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0일 때에는 전기적으로 도통되지 않고, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0을 초과할 때에는 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제1항에 있어서, 적어도 스위치 모듈을 더 포함하고, 상기 스위치 모듈은 제2 스위칭 소자와 모니터링 회로를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 부스트 컨버터와 상기 디바이스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링 회로는 상기 부스트 컨버터와 상기 제2 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 부스트 컨버터의 출력 전압이 제2 미리 결정된 전압 값을 초과할 때 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제3항에 있어서, 미리 결정된 시간 기간은 상기 모니터링 회로에 설정되고, 상기 스위칭 전원이 상기 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 외부 전압 소스로부터 송신된 전력을 수신한 후, 상기 제2 스위칭 소자는 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
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외부 전압 소스와, 상기 외부 전압 소스와 연결된 디바이스 사이에 연결된 스위칭 전원으로서, 상기 스위칭 전원은,
부스트 컨버터로서, 상기 부스트 컨버터의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 전기적으로 연결되고, 상기 부스트 컨버터의 출력 단부는 상기 디바이스에 전기적으로 연결된, 상기 부스트 컨버터;
상기 부스트 컨버터에 병렬로 연결된 제어 회로로서, 상기 제어 회로는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압을 센싱하도록 구성되고, 상기 제어 회로는 제1 미리 결정된 전압 값과 미리 결정된 전류 값의 설정을 가지고 있는, 상기 제어 회로;
충전 회로로서, 상기 충전 회로의 입력 단부는 상기 부스트 컨버터의 출력 단부에 연결된, 상기 충전 회로;
방전 회로로서, 상기 방전 회로의 출력 단부는 상기 디바이스에 전기적으로 연결된, 상기 방전 회로;
에너지 저장 소자로서, 상기 에너지 저장 소자의 출력 단부는 상기 방전 회로의 입력 단부와 상기 충전 회로의 출력 단부에 연결된, 상기 에너지 저장 소자; 및
벅 컨버터로서, 상기 벅 컨버터의 입력 단부는 상기 부스트 컨버터의 출력 단부에 연결되고, 상기 벅 컨버터의 출력 단부는 상기 디바이스의 디바이스 제어 회로에 연결된, 상기 벅 컨버터를 포함하고;
상기 외부 전압 소스의 출력 전류가 상기 미리 결정된 전류 값을 초과하거나 또는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 상기 미리 결정된 전압 값 미만일 때, 상기 부스트 컨버터의 출력 전압은 상기 에너지 저장 소자의 출력 전압 미만일 때까지 상기 제어 회로에 의해 신속히 감소되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제8항에 있어서, 제1 스위칭 소자를 더 포함하고, 상기 제1 스위칭 소자의 입력 단부는 상기 외부 전압 소스에 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 방전 회로의 상기 입력 단부와 상기 충전 회로의 상기 출력 단부에 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0일 때에는 전기적으로 도통되지 않고, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 외부 전압 소스의 출력 전압이 0을 초과할 때에는 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제8항에 있어서, 적어도 스위치 모듈을 더 포함하고, 상기 스위치 모듈은 제2 스위칭 소자와 모니터링 회로를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 부스트 컨버터와 상기 디바이스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링 회로는 상기 부스트 컨버터와 상기 제2 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 부스트 컨버터의 출력 전압이 제2 미리 결정된 전압 값을 초과할 때에 상기 제2 스위칭 소자는 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제10항에 있어서, 미리 결정된 시간 기간은 상기 모니터링 회로에 설정되고, 상기 외부 전압 소스로부터 송신된 전력이 상기 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 스위칭 전원에 의해 수신된 후, 상기 제2 스위칭 소자는 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 방전 회로는 다이오드, 또는 스위치를 가지는 방전 제어 회로인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 에너지 저장 소자는 상수 전압 또는 상수 전류로 상기 충전 회로에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.
제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 외부 전압 소스와 상기 부스트 컨버터 사이에 연결된 전류 센서를 더 포함하고, 상기 전류 센서는 상기 외부 전압 소스의 출력 전류를 센싱하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 전원.