KR101813060B1 - 스위칭 모드 파워 서플라이 - Google Patents

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Abstract

스위칭 파워 서플라이(12)는,
- 입력 전압(VPRI) 하의 AC 입력 전류(IPRI)를 위한 입력부(16);
- DC 출력 전류(Isec)를 위한 출력부(36); 및
계속해서, 상기 입력부로부터 상기 출력부로,
- 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20);
- 일차 회로(primary circuit)(24)가 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)의 출력부에 연결되어 있는 변압기(21);
- 상기 변압기의 이차 회로(secondary circuit)(26)의 양단에 걸쳐 접속된 정류 회로(28);
- 상기 정류 회로(28)의 출력단의 양단에 걸쳐 병렬 연결된 저장 커패시터(32)
를 포함하며,
상기 출력부(36)는 상기 저장 커패시터(32)의 양단에 걸쳐 형성된다.
상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)은 상기 입력부(16)와 상기 출력부(36) 사이에서 스위칭 부재들을 포함하는 유일한 회로이며, 출력 전류(Isec)의 입력 전압(VPRI)과 저장 커패시터(32)의 양단에 걸리는 전압(Vsec)의 함수로서 입력 전류(IPRI)의 진폭을 제어하기 위해 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)을 제어하는 수단을 포함한다.

Description

스위칭 모드 파워 서플라이{SWITCHED-MODE POWER SUPPLY}
본 발명은 스위칭 파워 서플라이에 관한 것으로서, 상기 스위칭 파워 서플라이는,
- 입력 전압 하의 AC 입력 전류를 위한 입력부;
- DC 출력 전류를 위한 출력부(36); 및
계속해서, 상기 입력부로부터 상기 출력부로,
- 제어식 브레이커 스위치의 시스템;
- 일차 회로(primary circuit)가 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템의 출력부에 연결되어 있는 변압기;
- 상기 변압기의 이차 회로(secondary circuit)의 양 단자에 걸쳐 접속된 정류 회로;
- 상기 정류 회로의 양 출력단(output terminals)에 걸쳐 병렬 연결된 저장 커패시터
를 포함하며,
상기 정류 회로와 상기 저장 커패시터 간에는 코일이 위치하며,
상기 출력부는 상기 저장 커패시터의 양 단자에 걸쳐 형성되어 있다.
많은 전자기기는 직류 전력 공급 전류를 제공하는 스위칭 파워 서플라이를 통해 사인파형 신호를 분배하는 그리드로부터 전력을 공급받는다.
이것은 예를 들어 하이파이 증폭기의 경우이다.
이러한 스위칭 파워 서플라이의 종래의 구조를 보면, 일반적으로 부스트 타입 회로를 입력부로서 포함하며, 이에 따라 사인파형 전류 파워 서플라이의 전압보다 큰 전압 하에서 사인파형 전류를 직류로 변환할 수 있다. 이러한 입력부 다음에는 직류/직류 변환기가 뒤를 잇고 이 직류/직류 변환기는 제어식 브레이커 스위치 브리지를 구현하는데 이러한 제어식 스위치 브리지는 다이오드 브리지로 형성된 정류기가 뒤를 잇는다. 제어식 브레이커 스위치 브리지 및 다이오드 브리지는 변압기에 의해 상호 연결되어 있다.
통상적으로 부스트 회로는 다이오드를 통해 저장 커패시터에 전력을 공급하는 코일을 포함하며, 다이오드와 저장 커패시터는 제어식 브레이커 스위치에 병렬로 설치된다. 이 브레이커 스위치를 주기율(cyclic ratio)에 따라 개방하면 입력 전압보다 높은 전압으로 저장 커패시터를 충전할 수 있다.
그러므로 이러한 스위칭 파워 서플라이는 두 개의 스위칭 스테이지(switching stage)를 포함하는데, 하나는 부스트 회로에 있고 다른 하나는 제어식 브레이커 스위치 브리지에 있다. 이러한 이중의 스위칭 구조로 인해 스위칭 파워 서플라이의 출력이 비교적 낮을 수밖에 없다.
본 발명의 목적은 높은 출력을 가지는 스위칭 파워 서플라이를 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전술한 타입의 스위칭 파워 서플라이를 제공하며, 제어식 브레이커 스위치의 시스템은 입력부와 출력부 사이에서 스위칭 부재들을 포함하는 유일한 회로이고, 출력 전류의 입력 전압과 저장 커패시터의 양단에 걸리는 전압의 함수로서 입력 전류의 진폭을 제어하기 위해, 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특정한 실시예에 따르면, 파워 서플라이는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함한다.
- 파워 서플라이는 출력 전류를 측정하기 위한 수단을 포함한다.
- 파워 서플라이는 입력부로부터 저장 커패시터로 에너지를 공급하지 않는 기간 동안에만 출력 전류를 추정하기(estimating) 위한 수단을 포함한다.
- 상기 출력 전류를 추정하기 위한 수단은 저장 커패시터에 에너지를 공급하지 않는 기간 동안 저장 커패시터의 양단에 걸리는 전압 강하 ΔU를 측정하기 위한 수단 및 상기 저장 커패시터의 양단에서의 전압 강하로부터 결정된 전압의 변동 속도(variation speed)로부터 출력 전류를 계산하기 위한 수단을 포함한다.
- 파워 서플라이는 출력부에서 소모된 전력을 계산하기 위한 수단, 상기 출력부에서 소모된 전력의 함수로서 입력 전류의 기준 진폭을 계산하기 위한 수단, 및 상기 입력 전류의 기준 진폭의 함수로서 입력 전류를 조정하기 위한 수단을 포함하는 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템을 제어하기 위한 수단을 포함한다.
- 상기 소모된 전력을 계산하기 위한 수단은 입력 전류의 각각의 반 주기(half-period) 동안 소모된 전력(P)을 계산할 수 있다.
- 상기 전력을 계산하기 위한 수단은, 상기 저장 커패시터에 공급된 전력과 충전부에 출력으로서 전송된 전력의 가중된 합으로부터 상기 전력(P)을 계산할 수 있다.
- 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템은 브리지(bridge)를 형성한다.
본 발명은 또한 전술한 스위칭 파워 서플라이 및 증폭단(amplification stage)을 포함하는 하이파이 증폭기에 관한 것이다.
본 발명은 이하의 상세한 설명에 의해 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 이러한 상세한 설명은 단지 예시로서 제시된 것에 지나지 않으며 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 증폭기에 일체화된 본 발명에 따른 스위칭 파워 서플라이의 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파워 서플라이에서 구현된 브레이커 스위치의 제어 모드에 대한 상세도이다.
도 3은 스위칭 파워 서플라이의 전압 및 입력 전류의 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 1은 증폭단(14)에 전력을 공급하는 스위칭 파워 서플라이(12)를 포함하는 하이파이 증폭기(10)를 도시하고 있다. 임의의 적응될 수 있는 형태의 증폭단(14)이 특허출원 FR 2,873,872에 예시되어 있다.
스위칭 파워 서플라이(12)는 예를 들어 전압이 220V이고 주파수가 50 또는 60Hz인 사인파 전류를 공급하는 파워 서플라이 그리드(18)에 연결될 수 있는 입력부(16)를 가진다.
입력 전압은 VPRI로 표시되고 입력부(16)를 통과하는 전류 강도는 IRPI로 표시된다. 입력부(16)는 부스트 회로가 개입됨이 없이 브레이커 스위치 브리지(20)의 입력부 직접 연결되고, 브레이커 스위치 브리지(20)의 출력부는 변압기(21)에 접속되어 있다.
알려진 바와 같이, 브레이커 스위치 브리지(20)는 두 개의 병렬 브랜치로 이루어지고, 각각의 브랜치는 직렬로 장착된 두 개의 제어 가능한 브레이커 스위치를 포함하며, 상기 두 개의 브랜치는 두 개의 입력단(16) 사이에 접속되어 있다. 동일한 브랜치의 브레이커 스위치의 접속점들은 브레이커 스위치 브리지의 출력부를 구성한다.
각각의 브레이커 스위치는 예를 들어 MOS 타입 트랜지스터로 이루어져 있고, 이러한 트랜지스터는 제어 회로(22)에 의해 제어된다.
변압기(21)는 각각의 브랜치에 직렬 장착된 두 개의 제어식 브레이커 스위치 간에 접속된 일차 회로(24) 및 예를 들어 공지의 다이오드 브리지로 형성된 정류 회로(28)의 양단에 접속된 이차 회로(26)를 포함한다.
다이오드(30)는 다이오드 브리지(28)의 두 개의 출력단 간에 접속되어 있다.
다이오드 브리지(28)의 출력부는 또한 코일(34)을 통해 저장 커패시터(32)에 연결되어 있다. 상기 코일은 커패시터(32)의 양 단자 중 한 단자와 다이오드(30)의 캐소드 사이에 배치된다. 스위칭 파워 서플라이의 출력부는 도면부호 36으로 표시되어 있고 커패시터(32)의 양단에 형성된다. 출력 전류는 Isec로 표시되며, 출력 전압은 Vsec로 표시된다.
입력 전류 강도 IPRI 및 출력 전류 강도 Isec를 측정하는 수단은 스위칭 파워 서플라이의 입력부 및 출력부에 제공된다. 예를 들어 입력부 및 출력부는 저항(38 및 40)으로부터 각각 형성되고, 입력부 및 출력부의 양단에 걸리는 전압이 측정되며, 이 전압은 그 저항에서 계산되는 전류 강도에 비례한다.
브레이커 스위치 브리지(20)의 두 개의 브랜치의 대향하는 제어식 회로 브레이커의 베이스들은 C0 및 C1로 표시된 동일한 커맨드를 수신하도록 서로 연결되어 있다.
제어 회로(22)는 적절한 수단을 통해 입력 전압 VPRI, 입력 전류 강도 IPRI, 출력 전압 Vsec, 및 출력 전류 강도 Isec를 수신한다.
도 2는 제어 회로(22)에 의해 구현되는 레귤레이팅 체인(regulating chain)(100)을 도시하고 있다. 스위칭 파워 서플라이는 일정한 기준 전압 Vsectarget를 공급하도록 설계되어 있다. 이것은 예를 들어 50V이다. 이 전압은 저장 커패시터(32)의 양단에 걸리는 전압을 측정한 전압이다.
제어 회로(22)는 두 개의 제어 신호 C0 및 C1을 각각 공급할 수 있으며, 이 두 개의 제어 신호는 브레이커 스위치 브리지(20)의 서로 대각으로 대향하는 제어식 브레이커 스위치에 인가된다.
도 2에 도시된 레귤레이터(100)는 기준 전압 Vsectarget 및 측정된 출력 전압 Vsec를 수신하는 비교기(102)를 입력부로서 포함한다. 레귤레이터는 또한 출력 전류 강도 Isec를 수신한다. 제1 실시예에 따르면, 이것은 저항(40)을 사용해서 계속 측정된다.
증폭단(104)은 파워 서플라이가 이하에서 설명할 반 주기 동안 소모하는 평균 전력 P를 계산한다. 이 평균 전력은 두 부분의 합으로 이루어져 있는데, 한 부분은 현재의 전압 Vsec로부터 기준 전압 Vsectarget로 진행하도록 커패시터(32)에 공급되는 전력을 나타내고, 다른 부분은 충전부(14)에 공급되는 전력의 추정치를 나타낸다.
Figure 112012083147875-pct00001
여기서, λ는 1보다 작은 가중 계수이고, C는 커패시터(32)의 용량이며, A 및 B는 전력 공급 신호의 반 주기 동안 각각 저장 커패시터(32)에 에너지를 공급하는 주기 및 공급하지 않는 주기의 지속기간이다.
그러므로 전력 P는 전력 공급 신호의 각각의 반 주기 동안 한 번 계산되거나, 또는 50Hz 신호에 대해 매 10 밀리초마다 계산된다.
제곱근 피크 전압 ^VPRI를 계산하기 위한 스테이지(106)는 입력 전압 VPRI를 입력으로서 수신한다.
등가의 저항 R을 계산하기 위한 스테이지(108)가 스테이지(104 및 106)의 출력부에 연결되어 있으므로, 제곱근 피크 전압 ^VPRI를, 증폭단(104)에서 계산된 전력 P의 2배로 나눈 몫으로부터 등가의 저항 R을 계산할 수 있다.
등가의 저항 R은 입력(18)에서 소모될 수밖에 없는 전류 강도 I를 계산하는 스테이지(112)를 입력부로서 포함하는 이차 레귤레이팅 루프(110)에 도입되어 커패시터(32)의 방전 및 충전부(14)의 전력 공급을 보상한다. 이 전류 강도 I는 입력 전압 VPRI를 이전에 결정된 저항 R로 나눈 몫에 의해 제공된다.
전류 강도 I는 비교기(114)에 송신되는데, 이 비교기는 입력 전류 강도 IPRI를 한 입력으로서 수신하고, 계산된 전류 강도 I를 다른 입력으로서 수신한다. 비교기(114)의 출력부는 제어단(116)에 접속되어 있으며, 이 제어단은, 잘 알려진 바와 같이, 전류 강도 차 I-IPRI로부터, 제어 신호 C0 및 C1을 규정하고 공급하는 펄스 폭 변조 레귤레이터(118)를 구동한다.
커패시터(32)는 통상적으로 기준 전압 Vsectarget와 같거나 근사한 전압으로 충전되고, 고려 중인 본 예에서는 50볼트의 전압으로 취하고 있으며, 이 커패시터(32)를 배치함으로써, 파워 서플라이 그리드는 자신에게 공급되는 전압의 절댓값이 50볼트보다 높을 때만 에너지를 공급할 수 있다. 그리드의 전압이 -50와 +50 사이에 있으면, 그리드로부터 전류를 취할 수 없다.
도 3에서의 실선은 전력 공급 전압 VPRI를 나타내고, 일점쇄선은 입력부(16)를 통해 순환하는 전류의 전류 강도 IPRF를 나타낸다. 이 도면은 전력 공급 전압 VPRI이 -50와 +50 사이에 있으면, 전류의 강도 IPRF가 0임을 나타내고 있다.
그러므로 전력 공급 신호의 각각의 주기 동안, 지속 기간 A인 두 개의 비전도 단계가 존재하고, 이 단계들은 입력 전압이 50와 +50 볼트 사이에 있는 시간에 대응한다. 이러한 두 개의 비전도 단계는 지속기간 B인 전도 단계에 의해 분리되고, 이 지속기간 B 동안 브레이커 스위치 브리지(20)의 브레이커 스위치는 미리 결정된 주기율의 함수로서 유닛(118)에 의해 제어된다.
레귤레이팅 체인(100)은, 이러한 주기율이 지속기간 A인 각각의 비전도 단계 동안 계산되고 지속기간 B인 후속의 전도 단계 동안 적용되어, 그 전도 단계 동안, 저장 커패시터의 전력 변동 및 충전부에 출력으로 전송된 전력을 정확하게 보상하도록 되어 있다.
비전도 단계 A 동안, 후속의 전도 단계 B 동안 인가되는 전류 I는 식
Figure 112016074821834-pct00002
을 사용해서 스테이지(102 및 112)에 의해 계산되고, 그런 다음 전력 공급 전류 강도 IPRI로부터 스테이지(116)에 의해 주기율이 결정되어, 후속의 전도 단계 B 동안 드라이버 스테이지(driver stage)(118)를 사용해서 브레이커 스위치 브리지(20)를 구동한다.
제2 실시예에 따르면, 저항(40)은 제거되어 있으며, 전류 Isec는 전력 공급 전류의 각각의 주기 동안 일정하도록 되어 있고 지속기간 A인 각각의 비전도 단계 동안에만 추정된다.
이 목적을 달성하기 위해, 각각의 비전도 단계 동안, 저장 커패시터(32)의 양단에서의 전압 강하 ΔU가 측정되고 출력 전류 Isec는 다음 식을 사용해서 결정되며,
Figure 112012083147875-pct00003
여기서, C는 커패시터의 용량이며, Δt는 전압 강하의 관찰 주기(observation period)이다.
다른 제어 단계도 동일하다.
이러한 스위칭 파워 서플라이 구조에 따르면, 하나의 스위칭 스테이지를 사용하므로 출력이 높다. 또한, 이러한 출력은, 브레이커 스위치 브리지가 구현되는 구동 법칙으로 인해, 충전부에 의해 소모되는 에너지만이 실제로 전력 공급 그리드로부터 취해지는 것보다 훨씬 높다.
또한, 이러한 스위칭 파워 서플라이는, 그리드로부터 알 수 있는 바와 같이, 저항의 특성과 유사한 특성을 가지고 있으며, 그 이유는, B의 전체 주기 내내, 충전부(18)에서 소모된 전류는 충전부(18)에 제공된 전압에 비례하며, 그러므로 전류는 오옴의 법칙(Ohm's law) Ipri = Vpri/R을 따르기 때문이다.

Claims (9)

  1. 스위칭 파워 서플라이(12)에 있어서,
    - 입력 전압(VPRI) 하의 AC 입력 전류(IPRI)를 입력하기 위한 입력부(16);
    - DC 출력 전류(Isec)를 출력하기 위한 출력부(36); 및
    계속해서, 상기 입력부로부터 상기 출력부로,
    - 풀 브리지 회로인 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20);
    - 일차 회로(primary circuit)(24)가 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)의 출력부에 연결되어 있는 변압기(21);
    - 상기 변압기의 이차 회로(secondary circuit)(26)의 양 단자에 걸쳐 접속된 정류 회로(28);
    - 상기 정류 회로(28)의 양 출력단(output terminals)에 걸쳐 병렬 연결된 저장 커패시터(32)
    를 포함하며,
    상기 출력부(36)는 상기 저장 커패시터(32)의 양 단자에 걸쳐 형성되며,
    상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)은, 상기 입력부(16)와 상기 출력부(36) 사이에서 스위칭 부재들을 포함하는 유일한 회로이고,
    입력 전류(IPRI)의 진폭을, 입력 전압(VPRI), 출력 전류(Isec) 및 저장 커패시터(32)의 양단에 걸리는 전압(Vsec)의 함수에 따라 제어하기 위해, 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)을 제어하기 위한 수단(22)을 포함하는 스위칭 파워 서플라이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전류(Isec)를 측정하기 위한 수단(40)을 포함하는 스위칭 파워 서플라이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력부(16)로부터 상기 저장 커패시터(32)로 에너지를 공급하지 않는 기간 동안에만 출력 전류(Isec)를 추정하기(estimating) 위한 수단을 포함하는 스위칭 파워 서플라이.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 출력 전류(Isec)를 추정하기 위한 수단은, 상기 저장 커패시터(32)에 에너지를 공급하지 않는 기간 동안 상기 저장 커패시터(32)의 양단에 걸리는 전압 강하 ΔU를 측정하기 위한 수단 및 상기 저장 커패시터의 양단에서의 상기 전압 강하로부터 결정된 전압의 변동 속도(variation speed)로부터 상기 출력 전류(Isec)를 계산하기 위한 수단을 포함하는, 스위칭 파워 서플라이.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력부(36)에서 소모된 전력(P)을 계산하기 위한 수단(104),
    상기 출력부(36)에서 소모된 전력의 함수로서
    입력 전압(VPRI)을 이전에 결정된 저항(R)으로 나눈 몫으로 주어지는 전류 강도(I)의 진폭인 입력 전류(IPRI)의 기준 진폭을 계산하기 위한 수단, 및
    상기 입력 전류(IPRI)의 기준 진폭의 함수를 사용하여 상기 입력 전류(IPRI)를 조정하기 위한 수단(116)을 포함하는 상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)을 제어하기 위한 수단(22)
    을 포함하는 스위칭 파워 서플라이.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력부(36)에서 소모된 전력(P)을 계산하기 위한 수단(104)은 상기 입력 전류(IPRI)의 각각의 반 주기(half-period) 동안 소모된 전력(P)을 계산할 수 있는, 스위칭 파워 서플라이.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 출력부(36)에서 소모된 전력(P)을 계산하기 위한 수단(104)은, 상기 저장 커패시터에 공급된 전력과 상기 출력부(36)로부터 충전부(14)에 전송된 전력의 가중된 합으로부터 상기 전력(P)을 계산할 수 있는, 스위칭 파워 서플라이.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어식 브레이커 스위치의 시스템(20)은 브리지(bridge)를 형성하는, 스위칭 파워 서플라이.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 스위칭 파워 서플라이(12) 및 증폭단(amplification stage)(14)을 포함하는 증폭기(10).
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