KR101778350B1

KR101778350B1 - 전원 추출이 가능한 스위치 및 제어방법

Info

Publication number: KR101778350B1
Application number: KR1020140174627A
Authority: KR
Inventors: 조진영; 김현철
Original assignee: 엠디에스 네트웍스(주)
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2017-09-14
Also published as: KR20160067705A

Abstract

본 발명은 부하와 직렬로 연결된 스위치 양단에서 제어에 필요한 보조전력을 추출하기 위한 방법으로, 한정된 배선으로 마이크로프로세서 등 제어장치를 구동하기 위한 전원을 얻을 수 없는 경우, 스위치와 전원장치 입력에 병렬로 연결된 스위칭소자를 개폐를 제어하는 방법으로 스위치 양단으로 부터 필요한 전력을 추출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

전원 추출이 가능한 스위치 및 제어방법{Power Splittable Switch}

본 발명은 전자 회로에 관한 것으로 스위치 양단에서 직류 전원 추출이 가능한 직류전원 발생장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

종래기술은 턴-오프/턴-온 상태에 따라 2가지 전원장치를 사용하여 전력을 얻은 뒤 이를 합하여 추가로 보조 제어장치에 필요한 전력을 얻고 있다.

종래기술은 턴-오프시 전력을 얻기 위해 부하와 직렬로 트랜스를 결선하여 2차 측에서 소정의 전압을 얻거나 스위칭 레귤레이터를 기술을 이용한다. 턴-온시는 1차측 전류에 비례한 전압이 2차 측에서 얻어지므로 전압변동 범위가 넓어 소정의 전력을 얻는데 정교한 설계가 필요하고 물리적으로 소형화하기에 어려움이 있다.

또한 부하전력 변화에 따른 충분한 부하 전력을 얻기에는 문제가 있다. 부하용량이 설계에 따라 턴-온시 전류 변동이 매우 크므로 다양한 용량의 트랜스가 필요하고, 트랜스의 직렬연결에 의한 방법은 트랜스 1차 권선을 통해 부하에 전류가 공급되므로 부하 용량에 제한적인 문제로 대용량 부하의 제어에 적용이 어렵다. 만일 대용량 부하의 제어에 적용하기 위해서는 트랜스 1차측 권선을 대전류가 흐를 수 있도록 굵은 권선을 설계하여야하고 이러한 경우 트랜스의 물리적 크기가 커지는 문제 등이 있다.

US 8279627 Method and apparatus for a control circuit with multiple operating modes ＜ http://www.google.com/patents/US8279627＞ US 8278900 Switched mode power supply with burst mode controller WO/2011/155722 Power supply for the rf switch controller of a light http://www.google.com/patents/WO2011155722A2?cl=en＞ WO/2011/043599 Combined wireless and touch light switch device WO/2012/153970 Apparatus and method for generating direct current power WO/2014/185646 Electrodeless Lighting Device and Method for Operating Electrodeless Lighting Device 1011972630000 직류전원 발생장치 및 그 구동방법(DC voltage generator and method for driving the same) 10-2011-0038761 무선 및 터치 겸용 조명스위치장치 JP2002176774 KR2019970015460 KR1020060012102 KR1019930017273

1. Thyristor-based facts Controllers for Electrical Transmission Systems Electrical Engineering, WILEY Inter Science, pp.47-56 2. Power Electronics Handbook, University of Florida/University of West Florida Joint Program and Computer Engineering

본 발명은 상용전원의 직접 공급되지 않는 스위치 양단으로 부터 원하는 DC전원을 안정적으로 얻을 수 있는 직류전원 발생장치 및 그의 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

기존의 조명시스템 등 전기 장치에서 상용전원을 직접 공급 받을 수 없는 상황에서 제어 장치를 추가하고자 DC전원이 필요한 경우, 추가 배선이 필요하거나 복잡하여 실제적으로 제어 장치의 추가/확장이 어려웠다.

본 발명의 기술은 주 부하(80)의 턴-온/오프 상태에 상관없이 전력을 얻기 위해 스위칭소자(2)와 레귤레이터(100)는 병렬회로를 구성하고 상기 부하(80)와 직렬로 구성된다. 이 경우 통상 레귤레이터의 입력 임피던스가 부하보다 충분히 크게 설계하여 스위칭 레귤레이터 기술을 이용하여 전력을 제어한다.

부하(80) 턴-오프 시는 입력단(3, 5)이 상용전원에 연결된 것과 거의 동일한 조건이 되므로 정류한 후 커패시터에 충전한다 상기 부하(80) 턴-온 시는 레귤레이터(100)의 입력단(3, 5)이 단락되어 전압이 0V이 되므로 턴-오프 시 커패시터에 충전된 에너지가 레귤레이터의 보조 부하(120)로 이동되어 ① 레귤레이터가 공급받는 전력이 부족하다고 판단되면, ② 순간적으로 상기 턴-온된 스위치를 턴-오프(release)하는 방법으로 전력을 공급받아 정류한 후 커패시터에 충전하고, ③ 상기 전압이 일정 이상이 충전되면 ④ 즉시로 상기스위치를 원상으로 회복(턴-온)시킨다.(피드백) ⑤ 이상과 같이 필요시마다 순간적으로 스위치를 턴-오프(release)하여 레귤레이터에 전력을 공급할 수 있도록 제어한다. 상기 동작은 표-1] 에 보인바와 같이 동작한다.

이 동작은 스위칭소자의 턴-온/턴-오프 비율로 에너지가 분배되므로 턴-온/턴-오프 시간을 조절하는 변조 방식으로 에너지가 분배된다. 이 방식은 턴-온/턴-오프 관계에서만 본다면 일종의 PRM(Pulse Rate Modulation) 방식과 유사한 동작을 보인다. 상기 스위치 턴-오프(release)시 커패시터에 충전전압은 최대 라인전압(VAC)의 순시치와 동일할 때 까지 상승할 수 있다. 본 발명의 전원추출 방법은 2개의 부하가 전력을 나누어 사용하는 방식이므로, 레귤레이터(100)가 공급할 수 있는 전력은 부하(80)에 영향을 최소화 하여야하므로 통상 부하전력의 10％ 이내가 적당하다.

본 발명은 상용전원이 직접 공급되지 않는 스위치로 부터 DC전원을 추출하기 위해, 제어 스위치와 부하가 구비된 장치에 있어서,

(a)외부 모드(상기 부하(80)의 ON/OFF 상태를 제어하기 위한 외부신호) 신호를 받아 제어신호를 출력하는 제어부;

(b)상기 제어부의 제어신호를 받아 상기 스위치를 개폐하여 상기 부하의 온/오프를 제어하는 스위치부;

(c)상기 부하의 오프/온 상태와 상관없이, 스위치부의 양단으로 부터 AC전력을 입력받아 DC로 변환하여 직류전압으로 평활한 정류부;

(d)상기전압과 기준치를 비교하여 오차를 검출하는 오차비교부;

(e)상기 부하가 온(ON)시, 상기 오차신호를 피드백하여 소정의 변조방식으로 스위칭소자(2)를 제어하는 변조 및 드라이버부;

(f)상기 전원발생부(100)에서 출력신호를 받아서 정전압을 발생시키는 레귤레이터(정전압 부)를 포함하고,

상기 수단을 구비하여 주 부하(80)의 턴-온(ON), 턴-오프(OFF)와 무관하게 스위치 양단(3, 5)으로 부터 전원을 추출하고 DC전압으로 변환 후 안정화시키는 수단을 구비한 장치를 특징으로 한다.

본 발명의 전원 스위치와 부하가 결합된 스위칭 레귤레이터에서, 상기 스위치를 주 부하와 직렬로 상기 레귤레이터와는 병렬로 회로를 구성하여, 상기 전원 스위치를 개폐하는 방법으로 전력을 분배하여 DC전원을 추출하는 수단을 구비하고, 상기 스위치를 단락하여 주 부하에 최대전력이 공급 가능하게 구성하고, 상기 전원 스위치를 개방하여 주 부하와 상기 레귤레이터가 직렬회로가 구성되게 함으로써 스위치 양단에서 전원을 추출 제어할 수 있는 수단을 구비하여;

상기 전원 스위치 제어를 통한 부하 턴-온 모드에서, 상기 추출한 전원을 정류/평활 한 후, 상기 레귤레이터에서 이를 기준치와 비교하여 출력 추출전압이 낮으면 상기 전원스위치를 개방하여 공급전력을 증강시키고, 높으면 전원스위치를 단락하여 공급전력을 차단시키는 일련의 피드백과정을 반복하여 안정한 DC전원을 얻는다.

스위칭 방식

본 발명에서 상기 스위치를 제어하는 스위칭 방식은 크게 3가지 방식을 사용할 수 있다.

첫째, 고속 반도체 스위칭소자를 에러 신호를 펄스 변조하여 필요시 마다 고속으로 에너지 공급/차단을 하는 방식으로, 이 방식은 응답속도가 빠르고 리플 특성은 좋으나 고조파가 발생할 수 있다.

둘째, Thyrister의 점호각을 조절하여 변조하는 방식으로 구조가 간단하나 스위칭소자를 점호 후 AC전원의 최소 반주기내에서는 턴-오프가 불가능하므로 큰 리플이 발생할 수 있어 큰 커패시터가 필요하며 속응성에 문제가 있을 수 있고 다소간의 고조파가 발생할 수 있다.

셋째, 라인전원의 사이클 주기 단위로 턴-온/오프 하는 방식으로 SSR를 사용하여 필요시마다 상용전원을 반주기 간을 턴-오프 하는 방식으로 제로-크로싱 시점에서 스위칭이 가능하여 고조파 발생을 최소화 할 수 있으나, 속응성에 문제가 있을 수 있으나 긴 시간 충전할 경우 부하 상태에 영향을 줄 수 있다..

이상의 방법에서 안정한 전원과 속응성를 해결하기 위해 대용량 커패시터를 사용하거나 보조 배터리를 이용하면 해결 할 수 있다.

본 발명의 스위치는 조명시스템 등 제어시스템에서 상시전원을 확보하지 못한 부하에서 추가 배선이나 변경 없이, 통신장치 나 마이크로프로세서 제어장치(120)를 추가 할 경우, 이에 필요한 전원을 공급할 수 있는 수단을 제공한다. 또한 간단한 배선을 위해 별도의 전원선로 없이도 제어선로를 이용하여 전원을 공급할 수 있어,

본 발명은 기존 스위치와 교체 가능하므로 별도로 추가 선로 없이도 최소 2개의 선로(3, 5)만으로 보조전원을 추출하여 제어장치에 공급할 수 있다. 이는 설치시간을 단축시킬 수 있고 단순한 구조를 가져 시공이 간단하여 실용상 유리하다.

[도면 1] 본 발명의 스위칭 레귤레이터 원리도
[도면 2] 본 발명의 대기전력 저감형 스위칭 레귤레이터 원리도, 직병렬 스위칭소자 사용
[도면 3] 본 발명의 2-스테이지 스위칭 레귤레이터
[도면 4] 본 발명의 스위칭 레귤레이터의 동작 파형, ＜병렬스위칭소자 사용＞
[도면 5] 직병렬스위칭소자 병용한 대기전력 차단형 스위칭 레귤레이터의 동작 파형
[도면 6] 위상제어 방식 스위칭 레귤레이터의 동작 파형
- Thyristor AC Switch 방식 제어
[도면 7] 제로-크로싱 방식 스위칭 굴레이터의 동작 파형
[도면 8-1] Buck Inverter를 이용한 1-스테이지 스위칭 레귤레이터 실시예
[도면 8-2] Buck Inverter를 이용한 대기전력 저감형 2-스테이지 스위칭 레귤레이터 실시 예
[도면 8-3] Flyback Inverter를 이용한 2-스테이지 스위칭 레귤레이터 실시 예
[도면 9-1] 본 발명의 레귤레이터 연동형의 기본 모델
[도면 9-2] 3개의 주 부하 스위치로 부터 반파정류 방식으로 DC전원을 추출한 레귤레이터 및 제어기 실시예
[도면 9-3] 3개의 주 부하 스위치로 부터 전파정류 방식으로 DC전원을 추출한 레귤레이터 및 제어기 실시예
[도면 10] 종래의 기술

[실시예]

전원 스위치와 부하가 구비된 스위칭 레굴레이터에서, 외부의 작동모드(Mode) 제어신호에 따라 상기 부하의 온/오프를 제어하는 스위칭 소자와; 상기 스위칭 소자의 양단에서 공급되는 전원으로 부터 직류 전압으로 변환 출력하는 레귤레이션부와; 상기 외부의 모드 제어신호가 턴-온(ON)일 경우에 스위치를 단락하여 부하를 턴-온 시키고, 상기 직류 출력전압이 기준치보다 낮을 경우 상기 단락 상태(ON)를 일시적으로 해제(OFF)하여 이에 따라 기준전압 보다 높아지면 스위치를 상기 제어모드(1) 상태에 따라 전원스위치(2)를 단락하는 방법으로 공급되는 전력을 차단 함으로써 스위치 양단에서 안정된 직류전원을 출력한다.

본 발명의 "스위치로 부터 전원 추출이 가능한 스위칭 레귤레이터"의 구성은

(a) 모드(1) 신호에 따라 주 부하(80)를 제어하고 상기 주 부하 턴-온 시간 중 전력의 일부를 레귤레이터(100)에 공급하기 위한 병렬 스위칭소자(2);

(b) 상기 스위치 양단(3, 5)에서 전압을 추출하여 정류하여 평활한 정류기(10);

(c) 일정한 출력을 얻기 위해 펄스 변조할 수 있는 직렬 스위칭소자(8);

(d) 상기 스위칭소자(8, 2)로 제어된 출력(21)을 평활한 후 기준치(11)와 비교하는 오차검출부(22);

(e) 상기 오차 신호(23)를 소정의 방법으로 펄스 변조하기위한 변조부(24);

(f) 피드백부(22, 24, 4, 6)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

작동 모드(1)를 논리-L로 하여 주 부하(80)를 OFF 하고자 하면 스위칭 디바이스(2)를 개방(OFF)하여 스위칭소자(2)의 양단(3, 5)에 AC전압(90)이 인가된다. 주 부하(80)과 직렬로 레귤레이터(100)가 접속됨 부하에 공급하는 전압(11)의 비교한 후 변조부(24)를 경유하여 일련의 피드백 루프를 형성하여 스위칭 디바이스(2)를 개폐를 제어하는 방법으로 DC전력을 추출한다.

주 제어 모드(1)를 논리-H를 인가하여 부하(80) ON 상태에서(300-1, 300-2) 부하측(120) 전력 공급이 부족하지 않으면(300-1) 스위칭 디바이스(2)을 ON하여 주 부하(80)에 정상적인 전력이 공급되게 하고, 부족시 스위칭 디바이스(2)을 OFF하여 정류기(10)와 레귤레이터의 부하(120) 입력에 큰 전력이 공급되게 하여 전력을 공급한다.

이 과정에서 커패시터(14)에 에너지를 충전하여 일정시간 ON하여도 상기 커패시터 축척된 에너지를 부하2(120)에서 사용할 수 있도록 한다.

[도면 1, 2] 실시예에 보인바와 같이 레귤레이터의 부하(120)에 공급되는 전력이 부족하여 출력전압(11)이 강하할 경우, 오차검출기(22)는 이를 검출하고 펄스 변조기(24)는 스위칭 디바이스(2)를 턴-오프 하여 레귤레이터의 부하(120)에 전력이 공급 되도록 함으로써 캐퍼시터(14)에 축전하여 커패시터의 전압(11)이 설정치(11)가 될 때 까지 턴-오프상태를 유지하는 방법으로 상기 레귤레이터의 부하(120)에 필요한 전력을 공급한다. 이 경우 펄스변조 방식에 따라 다양한 충전 방법이나 주기를 가질 수 있다. 본 레귤레이터(100)는 입력 단이 단락상태 일 때 입력단에서 전력을 공급받을 수 없다. 개방 시 주-부하와 레귤레이터(100)가 직렬회로망이 구성되어 전류가 동일하므로 임피던스에 비례하여 분배된 전압을 얻을 수 있는 원리를 이용한 것이다. 여기서 레귤레이터(100)의 임피던스를 주 부하(80)임피던스 보다 충분히 크게 하면 주 부하영향을 그 만큼 줄일 수 있다. 통상 레귤레이터의 입력 임피던스가 주 부하(80)의 임피던스의 10배 이상으로 설계하여 주-부하의 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.

여기서 오차검출기(22)는 Subtracter, 2-Level Comparator 또는 Schmitt Trigger 회로 등으로 다양하게 구성 할 수 있다. 변조기는 PWM, PPM, PDM, Schmitt Trigger 등 다양한 방법을 적용 할 수 있다.

본 발명의 스위칭 레귤레이터는 입력전압의 변동 폭이 광범위하여 원리적으로 리플특성이 양호하지 못할 수 있다. 보다 정교한 전압이 필요한 경우, DC/DC 컨버터/ Regulator(110)를 추가하면 양질의 DC 전력을 얻을 수 있다. 상기 컨버터/ Regulator(110)는 Buck, Boost, Fly-back Inverter 또는 Linear Regulator가 사용될 수 있다. 정류기(10)는 리플을 줄이기 위해 전파정류가 유리하고 실시예의 파형에서는 전파 정류된 파형을 보였다

직렬 스위칭소자(8)는 부가 기능을 수행하는 반도체 스위치로써 본 발명의 기본 모델에서는 원리적으로 생략되어도 기본 기능을 수행할 수 있다([도면 1] 참조). 이는 정류된 전압이 필요 이상 불필요하게 상승을 방지하거나 대기전력 차단을 위해 사용될 수 있다. 또한 구현에서 커패시터 등의 레귤레이터 제어회로의 내압을 낮출 수 있어 경제적인 설계가 가능케 한다.

실시예 파형

[도면 2]의 실시 예에 보인바와 같이 본 발명의 레귤레이터는 부하에(120)에 공급되는 전력이 부족하여 출력전압(21)이 강하할 경우, 오차검출기(22)는 이를 검출하고 펄스 변조기는 스위칭 디바이스(2)를 턴-오프 하여 레귤레이터(100)에 전력이 공급 되도록 함으로써 커패시터(14)에 축전하여 상기 커패시터의 전압이 설정치(11)가 될 때 까지 턴-오프상태를 유지하는 방법으로 레귤레이터(100)에 필요한 전력을 공급한다. 이 경우 펄스변조 방식에 따라 다양한 축전 방법이나 주기를 가질 수 있다.

[도면 4∼5] 실시예 부하2 경중에 따라 펄스 레이트가 조절된다.

Thyristor 트리거링 점호각 변조

[도면 6]은 스위칭소자(2)로 Thyristor를 사용하여 트리거링 점호각 변조방식을 이용한 스위칭 레귤레이터(100)방식으로 스위칭소자(2)로 Thyristor를 사용하여 도통각 제어를 통한 공급전력을 제어한다. 상기 스위칭소자를 AC스위칭소자로 대체하고 제어전압에 따라 상기 스위칭소자의 점호각을 제어하는 수단을 구비하고, 상기 스위치 양단에서 전압을 추출/비교하여 출력전압이 기준전압보다 낮으면 점호시간을 연장하여 점호각을 증가시키며, 높으면 점호시간을 단축하여 점호각을 감소시키는 변조 방법으로 보조 전원을 얻는 스위칭 레귤레이터를 제어한다.

[도면 6] 파형에 보인바와 같이 스위칭소자(2)를 Zero cross 전압에서 부터 트리거 하지 않고 턴-오프 상태를 유지하고 있다가, 설정 기준전압(11)에 도달하면 점호신호를 트리거하여 턴-온 시킨다. 이는 부하2(120)나 입력 교류전압(90)에 따라 다양한 형태의 점호각을 가질 수 있다. 단 이 방법은 점호 후 공급전력의 부족할 경우 반주기 내에 Thyrister를 턴-오프 할 수 없어 에너지를 공급받을 수 없는 상황이 발생 할 수 있다. 또한 응답이 늦을 수 있어 과도한 리플을 발생하여 전력의 질을 떨어뜨릴 수 있으므로 기준치(11)를 미리 높게 설정하거나 대용량 커패시터(14)를 사용하며 레귤레이터 구조는 2-스테이지 레귤레이션이 바람직하다.

전원 싸이클 주기 분배 방식

스위칭소자(2)를 AC스위칭소자로 대체한 전원스위치를 사용하여 제어전압에 따라 상기 스위칭소자의 점호각을 제어하는 수단을 구비하고, 상기 스위치 양단에서 전압을 추출/비교하여 출력전압이 기준전압(11)보다 낮으면 전원스위치 양단 전압의 제로크로싱 시점에서 점호하여 출력전압을 증가시키며, 높으면 트리거 신호를 차단하여 스위칭소자를 턴-오프 함으로써, AC전원 주기에 동기되도록 상기 전원스위치를 턴-온/오프라는 방법으로 보조 전원을 얻는다.

[도면 7]은 스위칭소자로 Zero Cross 스위치를 사용할 경우로써 파형에 보인바와 같이 스위칭소자(2)를 Zero Cross 시점에서 트리거 하고 스위칭소자(2)의 개폐시간을 전원(90)의 사이클를 정수배 단위로 개폐하여 조절하여 분배하는 방식으로 전력을 추출하는 방식이다. 이 방식은 원리적으로 불요 고조파 발생을 최소화시킬 수 있으나 과도한 리플이 발생할 수 있으므로 2-스테이지 레굴레이션이 바람직하다.

표-1]은 제어 상태에 따른 제어기의 작동 표로써

작동 모드(1)를 논리-L로 하여 스위칭 디바이스(2)를 턴-오프 상태(주 부하 OFF)하여 스위칭소자(2) 양단에 최대전압이 인가됨. 이 경우 회로 구성이 주 부하(80)과 직렬로 레귤레이터(110)가 접속됨 부하 측(120)에 공급하는 전압(14)의 과소에 따라 Feedback(7)하여 스위칭 디바이스(2, 8, 16, 42)를 제어하여 널리 사용되고 있는 인버터 기술을 일반적인 공지의 기술을 이용하여 전력을 추출한다.

주 작동 모드(1)를 논리-H를 인가하여 부하(80) ON 상태에서(300-1, 300-2) 부하측(110, 120) 전력 공급이 부족하지 않으면(300-1) 스위칭 디바이스(2)을 ON하여 주부하(80)에 정상적인 전력이 공급되게 하고, 부족시 스위칭 디바이스(2)을 OFF하여 레귤레이터(100) 입력에 큰 전력이 공급되게 하여 부하단(110, 120)에 필요한 전력을 공급한다.

이 과정에서 커패시터(14)에 축전하여 일정시간 ON하여도 축전기 축척된 전기량으로 상기 부하 단에서 필요한 전력을 공급할 수 있도록 한다.

[도면 8-1, 2]의 실시예는 보다 정교한 전압을 얻기 위해 Buck 인버터 기술을 이용하여 전압을 강하시키고 전류를 증가 시킨다. [도면 8-2]는 직렬 스위칭소자(8)를 추가하여 레귤레이터(100) 출력의 전압변동 폭을 최소화하기위해 대기전력을 최소화할 수 있게 회로를 구성한 것이다.

[도면 8-3]는 보다 정교한 전압과 상용전원과 부하2를 전기적으로 절연을 시키기 위해 Flyback 인버터 기술을 이용하여 전력을 변환한 실시예이다.

[도면 9-2]는 3개의 주 부하 스위치로 부터 반파정류 방식으로 DC전원을 추출한 제어기 실시예 로써, 하나의 레귤레이터(20)로 3개의 부하(80-1, 2, 3)가 제어 구성을 보인다. 원리적으로 복 수개의 스위치제어가 가능하여 다중포트를 제어하는 임베디드시스템 설계에 유용하다.

[도면 9-3]은 3개의 주 부하 스위치로 부터 전파정류 방식으로 DC전원을 추출한 제어기 실시 예로써, 상기 다중 부하제어 방법과 동일하나 리플을 줄이고 보다 큰 레귤레이터 전력을 얻기 위해 유용하다.

상기 다양한 실시예의 설명에서, 다수의 특정 세부 사항들이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명하였다. 그것은 특정 상세가 본 발명을 실시하기 위해 채용 될 필요는 당해 분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 이행과 관련된 공지 된 방법은 본 발명을 불명확하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 설명되지 않는다.

본 발명의 스위치로부터 전압을 추출하는 개념에서 스위칭소자(2)를 바꾸거나 오차검출, 변조도, 제어량, 변조방법, 승압/강압 등 변환 방법(20, 24, 1) 등을 바꾸어 실시하거나 표현하여 많은 변형 예를 도출할 수 있으나 이러한 것은 본 발명의 개념과 동일한 것으로 본다. 그 예로 다양한 스위칭소자로 구현이 가능하다. 또 물리적 기능은 같고 구현 수단이나 소자만 다른 경우 그 예로 스위칭소자(2)를 Transistor, FET, IGBT 나 SCR, TRIAC, GTO, MCT, TCR, SCS 등 Thyristor 등으로 바꾸어 실현가능 하다는 것은 널리 알려진 공지의 사실이므로 별도의 설명은 생략한다. 또한 본 발명은 AC전원에서 적용되었으나 펄스제어 방식은 직류전원에도 적용 할 수 있다.

본 발명의 스위치 제어회로는 출력 전압과 오차비교부를 제외하고 두 종류의 디지털 논리치 만을 다루는 고효율 펄스 변조방식이므로 별도 변조방식으로 설명하지 않아도 동일한 원리로 다양한 변형이 가능하다. 상술한 본 발명의 실시 예들은 특정 단일 부하를 갖는 스위치의 경우에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 변조 및 구성 방식에 따른 다양한 변형 예가 있을 수 있음은 명백하다.

상용전원을 확보하기 어려운 상황에서 기존의 스위치 회로에서 DC전원을 얻을 수 있어 복잡한 배선 문제 단순화가 가능하며, 기존 시스템을 네트워크 등 쉽게 바로 적용할 수 있는 수단을 제공한다. 그 예로서 센서등 자동화와 설치가 간단하고 배선이 단순하여 실용상 유리하다.

1 : 제어 모드 - 본 발명의 주 부하를 제어하기 위한 외부 제어신호
2 : 스위칭소자1 - 주 부하를 개폐하기 위해 레귤레이터 입력단에 병렬 접속된 전원 스위치
4 : 스위칭 소자 드라이버
8 : 직렬 스위칭소자 - 레귤레이터 입력단을 개폐하기 위한 스위치
16 : 직렬 스위칭소자 펄스 변조 스위치
23 : 오차 검출기
24 : 디지털 변조기
80 : 주 부하
90 : 상용 전원
110 : 본 발명의 레귤레이터 모듈
110 : DC/DC 컨버터 (제2 레굴레이터)
120 : 레귤레이터의 보조 부하
VAC : 상용 전원
Vin : 주전원 스위치의 양단 교류전압 - 본 발명 레굴레이터 입력전압
VLoad : 주 부하의 양단 전압
Vsw : 주전원 스위치의 양단 교류전압
Vrect : 정류기 출력 맥류 전압
Error : 오차비교기의 출력
Vcomp : 비교기의 출력 전압
Vref : 기준전압-추출하고자 하는 DC 설정전압
Vdrive : 주전원 스위치 제어 구동 신호
VDC : 레굴레이터의 출력 DC전압
S1-Drive : 스위칭소자-1의 구동신호
S2-Drive : 스위칭소자-2의 구동신호
Ton : 주 부하(80)를 턴-온하기 위한 외부 제어신호
Toff : 주 부하(80)를 턴-오프하기 위한 외부 제어신호

Switching Regulator. PDM, PWM, DRM, Self Powering

Claims

제 1부하와 이를 제어하기 위한 스위치가 연결된 직렬 회로망에서 상기 부하를 제어하기 위한 제어모드 상태와 무관하게 상기 스위치 양단에서 제 2부하의 전원을 추출하기 위해,
(1) 제 1부하가 활성화(제어모드 ON)상태이고 충전전압이 ①설정전압 보다 낮을 경우 상기 스위치를 개방함으로써 충전수단이 상기 제 1부하와 직렬회로망이 구성되도록 하여 상기 제 1부하의 전류를 상기 충전수단에 공급하여 충전하고, ②설정전압 보다 높을 경우에 상기 스위치로 상기 충전수단의 입력을 단락함으로써 상기 제 1부하의 전류를 상기 스위치로 바이패스하여 상기 제 2부하의 전류를 차단하는 병렬 레귤레이션(discrete shunt regulation) 방법으로 제 2부하에 필요한 전력을 추출하는 단계;
(2) 제 1부하가 비활성화(제어모드 OFF)상태일 경우 상기 스위치의 활성화를 금지(OFF)시켜 상기 제 1부하와 직렬 스위칭 소자 및 충전수단이 직렬회로망을 구성되도록 하여, 상기 직렬 스위칭 소자를 단속하여 제어하는 직렬 레귤레이션(discrete series regulation) 방법으로 제 2부하에 필요한 전력을 추출하는 단계;
상기 두 직병렬 레귤레이션 방법(discrete shunt regulation 및 discrete series regulation)을 연동하여 상기 제어모드 상태와 무관하게 스위치 양단에서 상기 제 2부하에 필요한 전력을 추출하는 방법.
삭제
제 1부하와 이를 제어하기위한 스위치가 직렬 연결되고 상기 스위치 양단에서 제 2부하의 전원을 추출하기 위해;
상기 스위치와 병렬로 연결된 충전수단 및 레귤레이션 수단을 구비하고;
(1) 제 1부하가 활성화(제어모드 ON)상태이면 상기 스위치를 단속하는 병렬 레귤레이션(discrete shunt regulation)방법으로 변조도에 따라 제 2부하에 전력의 분배량을 조절하여 상기 충전수단에 충전하는 단계;
(2) 제 1부하가 비활성화(제어모드 OFF) 상태일 경우 상기 스위치의 활성화를 금지(OFF)시키고 직렬 스위칭 소자를 제어하여 공급전력을 추출하는 직렬 레귤레이션(series regulation) 방법으로 제2부하에 필요한 전력을 추출하는 단계;
상기 두 직병렬 레귤레이션 방법을 연동하여 상기 제어모드 상태에 상관없이 스위치 양단에서 상기 제 2부하에 필요한 전력을 추출하는 방법.
제 1부하와 이를 제어하기위한 스위치가 연결된 직렬 회로망에서 상기 부하를 제어하기 위한 제어모드 상태와 무관하게 상기 스위치 양단에서 제 2부하의 전원을 추출하기 위해,
상기 스위치의 개폐시간을 제어하는 방법으로 상기 제 1부하와 제 2부하의 전력분배수단을 구비하고;
상기 스위치 제어를 통한 부하 턴온 제어모드에서 상기 스위치를 개방하면 제 1부하와 상기 전력분배수단이 직렬회로망이 구성되게 함으로써 스위치 양단에서 전원을 추출하는 수단을 구비하고;
상기 추출한 전원을 충전수단에 충전한 후 이를 제 2부하에 공급하는 수단을 구비하여;
상기 레귤레이터에서 이를 설정치와 비교하여 출력 추출전압이 낮으면, 상기 스위치를 개방하여 충전수단에 공급전력을 증강시키고, 높으면 상기 스위치를 단락하여 공급전력을 차단시키는 통한 병렬 레귤레이션(shunt regulation)하는 방법으로 일련의 피드백 과정을 반복하여 제 1부하 전력과 제 2부하의 전력을 분배하여 제 2부하에 일정한 전압을 공급할 수 있도록 구성한 전원 추출이 가능한 스위치.