KR101948129B1 - 스위치 제어 장치, 스위치 제어 방법, 및 스위치 제어 장치를 포함하는 전력 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예는 스위치 제어 장치, 스위치 제어 방법, 및 스위치 제어 장치를 포함하는 전력 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면 디머를 통과한 교류 입력이 정류되어 입력 전압이 생성되고, 입력 전압은 전력 스위치에 전달된다. 입력 전압에 따르는 전압을 이용하여 충전 전류를 생성하고, 전류원으로부터 출력되는 검출 전압을 이용하여 입력 전압이 영 전압이 되는 영 교차 시점을 검출하며, 검출된 영 교차 시점에 동기되는 기준 신호를 생성한다.

Description

스위치 제어 장치, 스위치 제어 방법, 및 스위치 제어 장치를 포함하는 전력 공급 장치{SWITCH CONTROLLER, SWITCH CONTROL METHOD, AND POWER SUPPLY DEVICE COMPRISING THE SWITCH CONTROLLER}
본 발명은 스위치 제어 장치, 스위치 제어 방법, 및 스위치 제어 장치를 포함하는 전력 공급 장치에 관한 것이다.
교류 입력이 전파 정류되어 생성되는 입력 전압에 따라 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 컨버터가 있다.
이 컨버터는 입력 전압에 따르는 내부 기준 신호를 생성하고, 이 내부 기준 신호와 전력 스위치에 흐르는 전류를 비교하여 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어한다. 구체적으로 내부 기준 신호는 입력 전압에 동기된 위상을 가진다.
그런데 교류 입력이 부하에 제공되는 양을 조절하기 위하여 트라이액(triac) 디머(dimmer)가 사용될 수 있다. 트라이액 디머는 설정된 디머 각에 따라 교류 입력 중 일부만을 통과시킨다. 디머 각(angle)은 디머를 통과하는 교류 입력의 위상을 나타낸다.
도 1은 교류 입력이 디머 각에 따라 트라이액 디머를 통과한 결과를 나타낸 도면이다. 도 1에서 트라이액 디머 각이 0-90도인 경우와 90-180도인 경우를 예를 들었다
도 1에 도시된 바와 같이, 트라이액 디머 각이 0-90도인 경우, 교류 입력이 트라이액 디머를 통해 AC_1과 같이 교류 입력 한 주기 중 0-90도 및 180-270도의 위상만 통과될 수 있다.
이와 달리, 트라이액 디머 각이 90-180도인 경우, 교류 입력이 트라이액 디머를 통해 AC_2와 같이 교류 입력 한 주기 중 90-180도 및 270-360도의 위상만 통과될 수 있다.
그런데, AC_1 및 AC_2와 같이 트라이액 디머를 통과한 교류 입력이 전파 정류된 입력 전압을 이용해 내부 기준 신호를 생성하면, 입력 전압과 내부 기준 신호가 동기되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명을 통해 해결하고자 하는 과제는 입력 전압에 동기된 기준 신호를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예는 디머를 통과한 교류 입력이 정류된 입력 전압이 전달되는 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 장치에 관한 것이다. 상기 스위치 제어 장치는, 상기 입력 전압에 따르는 전압을 이용하여 충전 전류를 생성하는 전류원, 및 상기 전류원으로부터 출력되는 검출 전압을 이용하여 상기 입력 전압이 영 전압이 되는 영 교차 시점을 검출하고, 상기 검출된 영 교차 시점에 동기되는 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부를 포함한다.
상기 전력 스위치의 입력단 전압은 상기 입력 전압에 따르고, 상기 전류원은, 상기 전력 스위치의 입력단 전압에 따르는 충전 전류를 생성한다.
상기 전류원은 JFET을 포함하고, 상기 검출 전압은 상기 전력 스위치의 입력단 전압이 상기 JFET을 통과한 전압이다.
상기 기준 신호 생성부는, 상기 검출 전압을 입력 받고, 상기 검출 전압이 영 전압에 도달하는 시점을 감지하는 영 교차 검출 회로; 상기 감지된 영 전압 도달 시점에 따라 결정되는 상기 입력 전압의 한 주기 동안 상기 기준 신호의 증가 및 감소 시점을 제어하는 기준 클록 신호를 생성하고, 상기 한 주기 동안 상기 기준 클록 신호에 따라 증가한 후 감소하는 디지털 신호를 생성하는 디지털 정현파 생성부; 및 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 기준 신호를 생성하는 디지털-아날로그 변환부를 포함한다.
상기 기준 클록 신호는 상기 한 주기 동안 소정의 횟수만큼 에지를 포함하고, 상기 디지털 정현파 생성부는, 상기 한 주기 중 상기 기준 클록 신호의 첫 번째 에지가 발생한 시점부터 n번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 증가시키고, n+1 번째 에지부터 상기 소정 횟수번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 감소시킨다.
상기 영 교차 검출 회로는, 상기 검출 전압이 영 전압 보다 클 때 제1 레벨이고, 영 전압 이하일 때 제2 레벨을 가지는 영전압 검출 신호를 생성한다.
상기 디지털 정현파 생성부는, 상기 영 전압 검출 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 상기 영 교차 시점으로 감지하고, 인접한 두 개의 상승 에지 또는 인접한 두 개의 하강 에지 사이의 기간을 상기 입력 전압의 한 주기로 판단한다.
상기 전력 스위치에 흐르는 전류와 상기 기준 신호를 비교하여 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 제어부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예는 디머를 통과한 교류 입력이 정류된 입력 전압이 전달되는 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 방법에 관한 것이다.
상기 스위치 제어 방법은, 상기 입력 전압에 따르는 전압을 이용하여 충전 전류를 생성하는 단계; 상기 입력 전압에 따르는 전압이 상기 충전 전류 생성에 따라 검출 전압으로 생성되는 단계; 상기 검출 전압을 이용하여 상기 입력 전압이 영 전압이 되는 영 교차 시점을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 영 교차 시점에 동기되는 기준 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 입력 전압에 따르는 전압은 상기 전력 스위치의 입력단 전압이고, 상기 충전 전류를 생성하는 단계는, 상기 전력 스위치의 입력단 전압에 따르는 충전 전류를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 입력 전압에 따르는 전압이 상기 충전 전류 생성에 따라 검출 전압으로 생성되는 단계는, 상기 입력 전압에 따르는 전압이 상기 충전 전류 생성을 위해 JFET을 통과하여 상기 검출 전압으로 생성되는 단계를 포함한다.
상기 영 교차 시점을 검출하는 단계는, 상기 검출 전압을 입력 받고, 상기 검출 전압이 영 전압에 도달하는 시점을 감지하는 단계를 포함한다.
상기 영 교차 시점을 검출하는 단계는, 상기 검출 전압이 영 전압 보다 클 때 제1 레벨이고, 영 전압 이하일 때 제2 레벨을 가지는 영전압 검출 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 기준 신호를 생성하는 단계는, 상기 영 전압 검출 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 상기 영 교차 시점으로 감지하는 단계, 및 인접한 두 개의 상승 에지 또는 인접한 두 개의 하강 에지 사이의 기간을 상기 입력 전압의 한 주기로 판단한다.
상기 기준 신호를 생성하는 단계는, 상기 검출된 영 교차 시점에 따라 결정되는 상기 입력 전압의 한 주기 동안 상기 기준 신호의 증가 및 감소 시점을 제어하는 기준 클록 신호를 생성하고, 상기 한 주기 동안 상기 기준 클록 신호에 따라 증가한 후 감소하는 디지털 신호를 생성하는 단계; 및 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 기준 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 기준 클록 신호는 상기 한 주기 동안 소정의 횟수만큼 에지를 포함하고, 상기 디지털 신호를 생성하는 단계는, 상기 한 주기 중 상기 기준 클록 신호의 첫 번째 에지가 발생한 시점부터 n번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 증가시키고, n+1 번째 에지부터 상기 소정 횟수번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 감소시킨다.
상기 스위치 제어 방법은, 상기 전력 스위치에 흐르는 전류와 상기 기준 신호를 비교하여 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 단계를 더 포함한다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치는, 교류 입력을 소정의 디머 각에 따라 통과시키는 디머; 상기 디머를 통과한 교류 입력이 정류되어 생성된 입력 전압이 전달되는 전력 스위치; 및 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위치 제어 장치를 포함한다.
이 때, 상기 스위치 제어 장치는, 상기 입력 전압에 따르는 전압을 이용하여 충전 전류를 생성하는 전류원, 상기 전류원으로부터 출력되는 검출 전압을 이용하여 상기 입력 전압이 영 전압이 되는 영 교차 시점을 검출하고, 상기 검출된 영 교차 시점에 동기되는 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부, 및 상기 전력 스위치에 흐르는 전류와 상기 기준 신호를 비교하여 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 제어부를 포함한다.
상기 기준 신호 생성부는, 상기 검출 전압을 입력 받고, 상기 검출 전압이 영 전압에 도달하는 시점을 감지하는 영 교차 검출 회로; 상기 감지된 영 전압 도달 시점에 따라 결정되는 상기 입력 전압의 한 주기 동안 상기 기준 신호의 증가 및 감소 시점을 제어하는 기준 클록 신호를 생성하고, 상기 한 주기 동안 상기 기준 클록 신호에 따라 증가한 후 감소하는 디지털 신호를 생성하는 디지털 정현파 생성부; 및 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 기준 신호를 생성하는 디지털-아날로그 변환부를 포함한다.
상기 영 교차 검출 회로는, 상기 검출 전압이 영 전압 보다 클 때 제1 레벨이고, 영 전압 이하일 때 제2 레벨을 가지는 영전압 검출 신호를 생성하고, 상기 디지털 정현파 생성부는, 상기 영 전압 검출 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 상기 영 교차 시점으로 감지하고, 인접한 두 개의 상승 에지 또는 인접한 두 개의 하강 에지 사이의 기간을 상기 입력 전압의 한 주기로 판단한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 입력 전압에 동기된 기준 신호가 제공된다.
도 1은 교류 입력이 디머 각에 따라 트라이액 디머를 통과한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스위치 제어 장치 및 이를 포함하는 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 전압, 전원 전압, 검출 전압, 영 교차 검출 신호, 기준 클록 신호, 및 기준 신호를 나타낸 파형도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 입력 전압, 전원 전압, 검출 전압, 영 교차 검출 신호, 기준 클록 신호, 및 기준 신호를 나타낸 파형도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 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.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스위치 제어 장치 및 이를 포함하는 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치(40)는 벅 컨버터(buck converter)로 구현되어있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치(40)는 복수의 LED 소자가 직렬 연결되어 있는 LED 열(string)(20)에 전력을 공급하는 것으로 설정한다.
전력 공급 장치(40)는 트라이액 디머(50)를 포함한다. 트라이액 디머(50)는 교류 입력(AC)과 정류 회로(10) 사이에 연결되어 있다. 트라이액 디머(50)는 설정 값에 따라 교류 입력(AC)를 한 주기 중 설정 값에 따르는 부분만을 통과시킨다.
본 발명의 실시 예에 따른 트라이액 디머(50)는 도 1에 도시된 AC_2와 같이 교류 입력(AC)를 통과시킨다. 그러나 본 발명이 이에 한정되지 않고, AC_1 또는 다른 위상을 통과시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 정류 회로(10)는 브릿지 다이오드로 구현되고, 트라이액 디머(50)을 통과한 교류 입력을 전파 정류한 입력 전압(Vin)을 LED 열(20)에 공급한다. 정류 회로(10)는 4개의 정류 다이오드(11-14)를 포함한다.
전력 공급 장치(40)는 전력 스위치(M), 다이오드(FRD), 인덕터(L), 스위치 제어 장치(30)를 더 포함한다. 스위치 제어 장치(30) 및 전력 스위치(M) 각각은 하나의 칩으로서 두 구성이 한 패키지로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 스위치(M)는 스위치 제어 장치(30)로부터 전달되는 게이트 신호(VG)에 따라 스위칭 동작한다. 전력 스위치(M)는NMOSFET(n-channel metal oxide semiconductor filed effect transistor)로 구현된다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 다른 타입의 트랜지스터 소자가 적용될 수 있다.
LED 열(20)의 일단은 정류 회로(10)에 연결되어 있고, LED 열(20)의 타단은 인덕터(L)의 일단에 연결되어 있다. 다이오드(FRD)는 고속 회복 다이오드(fast recovery diode)로서, 전력 스위치(M)의 드레인 전극과 LED 열(20)의 일단에 연결되어 있다. 다이오드(FRD)는 전력 스위치(M)가 오프 상태인 기간 중 인덕터(L)에 흐르는 전류가 LED 열(20)에 흐를 수 있는 경로를 형성한다.
전력 스위치(M)의 드레인 전극은 인덕터(L)의 타단에 연결되어 있고, 소스 전극은 감지 저항(RS)의 일단에 연결되어 있고, 게이트 전극은 스위치 제어 장치(30)로부터 전달되는 게이트 신호(VG)가 입력된다. 전력 스위치(M)는 게이트 신호(VG)에 의해 스위칭 된다.
전력 스위치(M)가 턴 온일 때, 입력 전압(Vin)에 따라 증가하는 인덕터 전류(IL)가 LED 열(20) 및 전력 스위치(M)를 통해 흐흐고, 인덕터(L)에는 인덕터 전류(IL)에 의해 에너지가 저장된다. 이 때, 전력 스위치(M)에 흐르는 전류(이하, 드레인 전류(Ids)라 함.)가 저항(RS)에 흘러 감지 전압(VS)이 발생한다.
전력 스위치(M)가 턴 오프일 때, 턴 온 기간 동안 인덕터(L)에 저장된 에너지가 남아있는 기간 동안 인덕터 전류(IL)가 감소한다. 이 때, 감소하는 인덕터 전류(IL)가 다이오드(FRD)를 통해 LED 열(20)에 공급된다.
본 발명의 실시 예에 따른 드레인 전압(Vd)의 피크 흐름(envelop)은 입력 전압(Vin)과 동일한 위상 및 주파수를 가진다. 구체적으로, 드레인 전압(Vd)의 피크는 전력 스위치(M)의 턴 오프 기간에 발생하며, 턴 오프 기간 동안 드레인 전압(Vd)은 입력 전압(Vin)의 파형을 따른다. 전력 스위치(M)의 온 기간 동안, 드레인 전압(Vd)은 드레인 전류(Ids)와 감지 저항(RS)에 의해 결정되므로 낮은 전압이다.
스위치 제어 장치(30)는 전력 스위치(M)의 입력단 즉, 실시 예에서는 전력 스위치(M)의 드레인 전압(Vd)을 이용하여 전원 전압(VCC)을 생성하고, 전원 전압(VCC)을 이용하여 입력 전압(Vin)의 영 교차 시점을 검출한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 드레인 전압(Vd) 대신 입력 전압(Vin)을 이용할 수 있다.
스위치 제어 장치(30)는 검출된 영 교차 시점을 이용하여 입력 전압(Vin)에 동기된 기준 신호(REF)를 생성하고, 기준 신호(REF) 및 감지 전압(VS)을 이용해 전력 스위치(M)의 스위칭 동작을 제어한다.
스위치 제어 장치(30)는 셀프 전원 전압 바이어싱 회로(Self VCC Biasing Citcuit, 이하, SVBC)(300), 기준 신호 생성부(100), PWM 제어부(200), 및 게이트 구동부(400)를 포함한다.
이하, 도 2와 함께 도 3을 참조하여 스위치 제어 장치(30)의 각 구성에 대해서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 전압, 전원 전압, 검출 전압, 영 교차 검출 신호, 기준 클록 신호, 및 기준 신호를 나타낸 파형도이다.
SVBC(300)는 드레인 전압(Vd)을 이용하여 커패시터(C1)를 충전시키는 충전 전류(ICH)를 생성하여 전원 전압(VCC)을 생성한다. 전원 전압(VCC)은 스위치 제어부(30)의 동작에 필요한 전원 전압이다.
SVBC(300)는 전류원(310) 및 다이오드(320)를 포함한다. 전류원(310)은 드레인 전압(Vd)에 따르는 충전 전류(ICH)를 생성한다. 다이오드(320)의 애노드 전극은 전류원(310)의 출력단에 연결되어 있는 애노드 전극 및 커패시터(C1)의 일단에 연결되어 있는 캐소드 전극을 포함한다.
전류원(310)은 JFET(junction gate field-effect transistor)(311)을 포함한다. JFET(311)의 드레인 전극은 전력 스위치(M)의 드레인 전극에 연결되어 있고, JFET(311)의 소스 전극은 다이오드(320)의 애노드 전극에 연결되어 있다. JFET(311)의 게이트 전극에는 소정 레벨의 게이트 전압(G)이 입력된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전류원(310)으로부터 출력되는 전압(이하, 검출 전압)(VZC)은 입력 전압(Vin)의 영전압 교차 검출을 위한 전압으로서 드레인 전압(Vd)이 JFET(311)을 통해 전달되는 전압이다. JFET(311)의 특성상 검출 전압(VZC)은 소정 전압 이하로 클램핑 된다.
입력 전압(Vin)의 영 교차 시점(도 3의 T0) 부근에서, 검출 전압(VZC)은 입력 전압(Vin)을 따라 감소한다. 입력 전압(Vin)의 감소에 따라 충전 전류(ICH)도 낮아진다.
시점 T0부터 시점 T1까지의 기간 T0-T11 동안 입력 전압(Vin)이 존재하지않으므로, 충전 전류(ICH)는 발생하지 않는다. 그러면 전원 전압(VCC)은 시점 T0부터 감소하여 영전압이 된다.
시점 T1에 입력 전압(Vin)이 상승하고, 전류원(310)은 드레인 전압(Vd)에 따라 충전 전류(ICH)를 생성한다. 시점 T1에 검출 전압(VZC)은 급격히 상승하고, 시점 T1 이후 클램핑 전압(VC)으로 유지된다.
충전 전류(ICH)에 의해 커패시터(C1)이 충전되어 전원 전압(VCC)도 시점 T1부터 급격히 상승한다.
시점 T2에 입력 전압(Vin)이 영 전압에 도달할 때, 시점 T0에서 설명한 동작이 다시 반복된다. 이 때, 기간 T0-T2가 입력 전압(Vin)의 한 주기에 해당한다.
기준 신호 생성부(100)는 검출 전압(VZC)을 이용하여 입력 전압(Vin)의 영 교차 시점을 검출하고, 입력 전압(Vin)에 동기된 기준 신호(REF)를 생성한다. 기준 신호(REF)는 PWM 제어부(200)에 전달된다.
기준 신호 생성부(100)는 영 교차 검출 회로(Zero Cross Detection Circuit, 이하 ZCDC)(110), 디지털 정현파 생성부(Digital Sine wave Generator, 이하 DSG라함.)(120), 및 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog Converter, 이하, DAC)(130)을 포함한다.
ZCDC(110)는 검출 전압(VZC)을 이용하여 영 교차 시점을 검출하고, 검출된 영 교차 시점을 나타내는 영 교차 검출 신호(ZCD)를 생성한다.
예를 들어, ZCDC(110)는 검출 전압(VZC)이 영 전압 보다 클 때 하이 레벨을 가지고 영전압 이하의 전압일 때 로우 레벨을 가지는 영 교차 검출 신호(ZCD)를 생성한다. 그러면, 영 교차 검출 신호(ZCD)는 도 3에 도시된 바와 같이, 영 교차 시점(T0, T2)에 하강 에지를 가지고, 입력 전압(Vin)이 발생하는 시점에 상승 에지를 가지는 펄스 신호이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 영 교차 검출 신호(ZCD)가 영 전압이 되는 하강 에지 시점은 입력 전압(Vin)이 영 전압이 되는 시점에 동기된다. 그라나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 영 교차 검출 신호(ZCD)가 상승하는 상승 에지 시점이 입력 전압(Vin)의 영 전압이 되는 시점에 동기될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
DSG(120)는 영 교차 검출 신호(ZCD)를 이용하여 입력 전압(Vin)의 한 주기를 감지하고, 입력 전압(Vin)의 한 주기 동안 증가 또는 감소하는 디지털 신호(DS)를 생성한다.
DSG(120)는 영 교차 검출 신호(ZCD)를 이용하여 연속되는 영 교차 시점 간의 간격을 입력 전압(Vin)의 한 주기로 설정한다. 그리고 DSG(120)는 입력 전압(Vin)의 한 주기 동안 증가한 후 감소하는 디지털 신호(DS)를 생성한다.
DAC(130)는 입력된 디지털 신호(DS)를 실시간으로 아날로그 전압 신호로 변환하여 기준 신호(REF)를 생성하여 출력한다. 그러면, 입력 전압(Vin)에 동기되어 증가 또는 감소하는 기준 신호(REF)가 생성된다.
DSG(120)는 입력 전압(Vin)의 한 주기 동안 기준 횟수만큼 증가 및 감소하는 디지털 신호(DS)를 생성한다. 기준 횟수가 12인 경우 디지털 신호(DS)는 12번 소정 단위로 증가하고, 12번 소정 단위로 감소한다.
DSG(120)는 디지털 신호(DS)의 증가 및 감소의 시점을 제어하기 위해 기준 클록 신호(RCLK)를 생성한다. 구체적으로, DSG(120)는 소정의 클록 신호(CLK1)를 분주하여 입력 전압(Vin)의 한 주기 동안 디지털 신호(DS)를 기준 횟수만큼 증가하고 기준 횟수만큼 감소시킬 수 있는 주파수의 기준 클록 신호(RCLK)를 생성한다.
본 발명의 실시 예에 따른 디지털 신호(DS)는 n 비트의 디지털 신호이다. DSG(120)는 기준 클록 신호(RCLK)의 에지에 동기 되어 디지털 신호(DS)를 기준 횟수만큼 증가시킨 후 기준 횟수만큼 감소시킨다. 이 때, DSG(120)는 디지털 신호(DS)를 기준 클록 신호(RCLK)의 에지에 동기시켜 DAC(130)로 전달한다.
예를 들어, 기준 횟수가 12인 것으로 가정하여 기준 신호(REF)의 증가 및 감소를 설명한다.
먼저, 기준 클록 신호(RCLK)의 하강 에지 시점(T11)에 상승한 디지털 신호(DS)가 DAC(130)로 전달되고, DAC(130)는 이를 변환하여 기준 신호(REF)를 생성한다.
다음 기준 클록 신호(RCLK)의 상승 에지 시점(T12)에 상승한 디지털 신호(DS)가 DAC(130)로 전달되고, DAC(130)는 이를 변환하여 기준 신호(REF)를 생성한다.
이와 같은 방식으로 기준 횟수인 12번의 에지가 발생하는 시점 T13까지 기준 신호(REF)는 상승한다.
그 다음으로 기준 클록 신호(RCLK)의 하강 에지 시점(T14)부터 디지털 신호(DS)는 감소되기 시작하고, DAC(130)는 이를 변환하여 기준 신호(REF)를 생성한다. 기준 횟수인 12번째 에지가 발생하는 시점(T15)까지 디지털 신호(DS)는 감소하고, 기준 신호(REF)도 감소한다.
본 발명의 실시 예에 따른 DSG(120)는 기준 클록 신호(RCLK)의 상승 에지 및 하강 에지에 동기되어 디지털 신호(DS)를 증가 또는 감소시키지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. DSG(120)는 기준 클록 신호(RCLK)의 상승 에지 또는 하강 에지에만 동기되어 디지털 신호(DS)를 증가 또는 감소시킬 수 있다.
이하, 영 교차 검출 신호(ZCD)의 상승 에지 시점이 입력 전압(Vin)의 영 전압이 되는 시점에 동기된 경우에 대해서 설명한다. 도 1에 도시된 AC_2와 같이 트라이액 디머 각이 90-180도인 경우, 영 교차 검출 신호(ZCD)의 상승 에지 시점이 입력 전압(Vin)의 영 전압이 되는 시점에 동기된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 입력 전압, 전원 전압, 검출 전압, 영 교차 검출 신호, 기준 클록 신호, 및 기준 신호를 나타낸 파형도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 시점 T2에 입력 전압(Vin)이 발생하고 증가하기 시작한다. 시점 T2에 검출 전압(VZC)이 발생하고 증가하기 시작한다.
그러면 시점 T2부터 충전 전류(ICH)가 발생하여 커패시터(C1)를 충전하기 시작하고, 전원 전압(VCC)도 시점 T2부터 증가하기 시작한다.
시점 T3에 입력 전압(Vin)이 사라지고, 검출 전압(VZC)도 영 전압으로 감소한다. 시점 T3이후 충전 전류(ICH)가 발생하지 않으므로 전원 전압(VCC)은 감소하기 시작한다.
시점 T4에 입력 전압(Vin)이 다시 발생하고 증가하기 시작한다. 이후, 입력 전압(Vin), 검출 전압(VZC), 및 전원 전압(VCC)의 파형은 기간 T2-T3의 반복이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 기준 신호 생성부는 앞선 설명한 기준 신호 생성부(100)와 비교해 영 전압 검출 신호(ZCD)의 상승 에지 시점을 이용하여 입력 전압(Vin)의 영 전압 교차 시점을 감지하는 것 이외에는 동일하다.
따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 영 교차 검출 신호(ZCD)가 상승하는 시점T2와 시점 T4 사이의 기간 T3-T4이 입력 전압(Vin)의 한 주기로 감지된다.
그리고 감지된 한 주기 동안, 기준 클록 신호(RCLK)의 상승 에지 및 하강 에지 각각에 동기되어 증가(또는 감소)하는 기준 신호(REF)가 생성된다.
이와 같이 생성된 기준 신호는 입력 전압(Vin)에 동기된 전파 정류 파형을 가진다.
다시 도 2를 참조하면, PWM 제어부(200)는 PWM 비교기(220), 오실레이터(210), SR 래치(230) 및 게이트 구동부(400)를 포함한다.
PWM 비교기(220)는 감지 전압(VS)이 입력되는 비반전 단자(+) 및 기준 신호(REF)가 입력되는 반전 단자(-)를 포함한다. PWM 비교기(220)는 비반전 단자(+)에 입력되는 신호가 반전 단자(-)에 입력되는 신호 이상이면 하이 레벨의 비교 신호(CS)를 출력하고, 그렇지 않으면 로우 레벨의 비교 신호(CS)를 출력한다. 오실레이터(210)는 전력 스위치(M)의 스위칭 주파수를 결정하는 클록 신호(CLK)를 생성한다.
SR 래치(230)는 신호(CLK)에 따라 게이트 제어 신호(VC)를 생성한다. SR 래치(230)는 클록 신호(CLK)가 입력되는 셋단(S), 비교 신호(CS)가 입력되는 리셋 단(R) 및 출력단(Q)을 포함한다. SR 래치(230)는 셋단(S)에 입력되는 신호의 상승 에지에 동기되어 하이 레벨의 신호를 출력하고, 리셋단(R)에 입력되는 신호의 상승 에지에 동기되어 로우 레벨의 신호를 출력한다. 따라서 SR 래치(230)는 클록 신호(CLK)의 상승 에지에 동기되어 하이 레벨의 게이트 제어 신호(VC)를 생성하고, 비교 신호(CS)의 상승 에지에 동기되어 로우 레벨의 게이트 제어 신호(VC)를 생성한다.
게이트 구동부(400)는 게이트 제어 신호(VC)에 따라 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 신호(VG)를 생성한다. 게이트 신호(VG)가 하이 레벨이면 전력 스위치(M)는 턴 온되고, 게이트 신호(VG)가 로우 레벨이면 전력 스위치(M)는 턴 오프된다. 게이트 구동부(400)는 하이 레벨의 게이트 제어 신호(VC)에 따라 하이 레벨의 게이트 신호(VG)를 생성하고, 로우 레벨의 게이트 제어 신호(VC)에 따라 로우 레벨의 게이트 신호(VG)를 생성한다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 입력 전압(Vin)이 트라이액 디머에 의해 전파 정류 파형이 아니더라도 입력 전압(Vin)의 영 전압 시점에 동기된 전파 정류 파형의 기준 신호가 생성된다. 이렇게 생성된 기준 신호에 따라 전력 스위치의 스위칭 동작이 제어되고 부하에 흐르는 전류가 제어된다.
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.
전력 공급 장치(40) 트라이액 디머(50)
정류 회로(10) 정류 다이오드(11-14)
전력 스위치(M) 다이오드(FRD)
인덕터(L) 스위치 제어 장치(30)
셀프 전원 전압 바이어싱 회로(SVBC)(300)
기준 신호 생성부(100) PWM 제어부(200)
게이트 구동부(400) 전류원(310)
다이오드(320) 영 교차 검출 회로(ZCDC)(110)
디지털 정현파 생성부(DSG)(120)
디지털-아날로그 변환기(DAC)(130)
PWM 비교기(220) 오실레이터(210)
SR 래치(230) 게이트 구동부(400)
JFET(311)

Claims (20)

  1. 디머를 통과한 교류 입력이 정류된 입력 전압이 전달되는 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 입력 전압에 따르는 전압을 이용하여 충전 전류를 생성하는 전류원,
    상기 전류원으로부터 출력되는 검출 전압을 수신받고, 상기 검출 전압이 영전압에 도달하는 시점을 감지하여 상기 입력 전압이 영 전압이 되는 영 교차 시점을 검출하고, 상기 검출된 영 교차 시점에 동기되는 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부, 및
    상기 전력 스위치에 흐르는 전류를 지시하는 신호와 상기 기준 신호를 비교하여 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 제어부를 포함하고,
    상기 충전 전류는 스위치 제어 장치를 동작시키기 위한 전원 전압을 생성하는데 사용되는, 스위치 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 스위치의 입력단 전압은 상기 입력 전압에 따르고,
    상기 전류원은,
    상기 전력 스위치의 입력단 전압에 따르는 충전 전류를 생성하는 스위치 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류원은 JFET을 포함하고, 상기 검출 전압은 상기 전력 스위치의 입력단 전압이 상기 JFET을 통과한 전압인 스위치 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기준 신호 생성부는,
    상기 검출 전압을 입력 받고, 상기 검출 전압이 영 전압에 도달하는 시점을 감지하는 영 교차 검출 회로;
    상기 감지된 영 전압 도달 시점에 따라 결정되는 상기 입력 전압의 한 주기 동안 상기 기준 신호의 증가 및 감소 시점을 제어하는 기준 클록 신호를 생성하고, 상기 한 주기 동안 상기 기준 클록 신호에 따라 증가한 후 감소하는 디지털 신호를 생성하는 디지털 정현파 생성부; 및
    상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 기준 신호를 생성하는 디지털-아날로그 변환부를 포함하는 스위치 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기준 클록 신호는 상기 한 주기 동안 소정의 횟수만큼 에지를 포함하고,
    상기 디지털 정현파 생성부는,
    상기 한 주기 중 상기 기준 클록 신호의 첫 번째 에지가 발생한 시점부터 n번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 증가시키고, n+1 번째 에지부터 상기 소정 횟수번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 감소시키는 스위치 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 영 교차 검출 회로는,
    상기 검출 전압이 영 전압 보다 클 때 제1 레벨이고, 영 전압 이하일 때 제2 레벨을 가지는 영전압 검출 신호를 생성하는 스위치 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디지털 정현파 생성부는,
    상기 영 전압 검출 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 상기 영 교차 시점으로 감지하고, 인접한 두 개의 상승 에지 또는 인접한 두 개의 하강 에지 사이의 기간을 상기 입력 전압의 한 주기로 판단하는 스위치 제어 장치.

  8. 삭제
  9. 디머를 통과한 교류 입력이 정류된 입력 전압이 전달되는 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 입력 전압에 따르는 전압을 이용하여 충전 전류를 생성하는 단계;
    상기 입력 전압에 따르는 전압이 상기 충전 전류 생성에 따라 검출 전압으로 생성되는 단계;
    상기 검출 전압이 영전압에 도달하는 시점을 감지하여 상기 입력 전압이 영 전압이 되는 영 교차 시점을 검출하는 단계;
    상기 검출된 영 교차 시점에 동기되는 기준 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 전력 스위치에 흐르는 전류를 지시하는 신호와 상기 기준 신호를 비교하여 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 충전 전류는 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위치 제어 장치를 동작시키기 위한 전원 전압을 생성하는데 사용되는, 스위치 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 입력 전압에 따르는 전압은 상기 전력 스위치의 입력단 전압이고,
    상기 충전 전류를 생성하는 단계는,
    상기 전력 스위치의 입력단 전압에 따르는 충전 전류를 생성하는 단계를 포함하는 스위치 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 입력 전압에 따르는 전압이 상기 충전 전류 생성에 따라 검출 전압으로 생성되는 단계는,
    상기 입력 전압에 따르는 전압이 상기 충전 전류 생성을 위해 JFET을 통과하여 상기 검출 전압으로 생성되는 단계를 포함하는 스위치 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 영 교차 시점을 검출하는 단계는,
    상기 검출 전압을 입력 받고, 상기 검출 전압이 영 전압에 도달하는 시점을 감지하는 단계를 포함하는 스위치 제어 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 영 교차 시점을 검출하는 단계는,
    상기 검출 전압이 영 전압 보다 클 때 제1 레벨이고, 영 전압 이하일 때 제2 레벨을 가지는 영전압 검출 신호를 생성하는 단계를 포함하는 스위치 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기준 신호를 생성하는 단계는,
    상기 영 전압 검출 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 상기 영 교차 시점으로 감지하는 단계, 및
    인접한 두 개의 상승 에지 또는 인접한 두 개의 하강 에지 사이의 기간을 상기 입력 전압의 한 주기로 판단하는 스위치 제어 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 기준 신호를 생성하는 단계는,
    상기 검출된 영 교차 시점에 따라 결정되는 상기 입력 전압의 한 주기 동안 상기 기준 신호의 증가 및 감소 시점을 제어하는 기준 클록 신호를 생성하고, 상기 한 주기 동안 상기 기준 클록 신호에 따라 증가한 후 감소하는 디지털 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 기준 신호를 생성하는 단계를 포함하는 스위치 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기준 클록 신호는 상기 한 주기 동안 소정의 횟수만큼 에지를 포함하고,
    상기 디지털 신호를 생성하는 단계는,
    상기 한 주기 중 상기 기준 클록 신호의 첫 번째 에지가 발생한 시점부터 n번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 증가시키고, n+1 번째 에지부터 상기 소정 횟수번째 에지까지의 기간 동안, 상기 기준 클록 신호 에지가 발생하는 시점에 동기되어 상기 디지털 신호를 감소시키는 스위치 제어 방법.
  17. 삭제
  18. 교류 입력을 소정의 디머 각에 따라 통과시키는 디머;
    상기 디머를 통과한 교류 입력이 정류되어 생성된 입력 전압이 전달되는 전력 스위치; 및
    상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위치 제어 장치를 포함하고,
    상기 스위치 제어 장치는,
    상기 입력 전압에 따르는 전압을 이용하여 충전 전류를 생성하는 전류원,
    상기 전류원으로부터 출력되는 검출 전압을 수신받고, 상기 검출 전압이 영전압에 도달하는 시점을 감지하여 상기 입력 전압이 영 전압이 되는 영 교차 시점을 검출하고, 상기 검출된 영 교차 시점에 동기되는 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부, 및
    상기 전력 스위치에 흐르는 전류를 지시하는 신호와 상기 기준 신호를 비교하여 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 제어부를 포함하고,
    상기 충전 전류는 상기 스위치 제어 장치를 동작시키기 위한 전원 전압을 생성하는데 사용되는, 전력 공급 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 기준 신호 생성부는,
    상기 검출 전압을 입력 받고, 상기 검출 전압이 영 전압에 도달하는 시점을 감지하는 영 교차 검출 회로;
    상기 감지된 영 전압 도달 시점에 따라 결정되는 상기 입력 전압의 한 주기 동안 상기 기준 신호의 증가 및 감소 시점을 제어하는 기준 클록 신호를 생성하고, 상기 한 주기 동안 상기 기준 클록 신호에 따라 증가한 후 감소하는 디지털 신호를 생성하는 디지털 정현파 생성부; 및
    상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 기준 신호를 생성하는 디지털-아날로그 변환부를 포함하는 전력 공급 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 영 교차 검출 회로는,
    상기 검출 전압이 영 전압 보다 클 때 제1 레벨이고, 영 전압 이하일 때 제2 레벨을 가지는 영전압 검출 신호를 생성하고,
    상기 디지털 정현파 생성부는,
    상기 영 전압 검출 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 상기 영 교차 시점으로 감지하고, 인접한 두 개의 상승 에지 또는 인접한 두 개의 하강 에지 사이의 기간을 상기 입력 전압의 한 주기로 판단하는 전력 공급 장치.


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