KR102051575B1 - Pwm 스위칭 구조의 가변형 dc 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이에서 스위칭하여 듀티비를 조정하는 스위칭소자를 보호하는 보호회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전원을 공급하는 부하의 임피던스가 낮아 대전류가 출력되는 경우에 PWM IC의 주파수를 낮춰 스위칭소자를 보호하는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 출력 전압을 감지하는 전압감지부; PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 출력 전류를 감지하는 전류감지부; 상기 전압감지부에 감지된 전압과 상기 전류감지부에서 감지된 전류에 비례하는 전압의 차이를 검출하는 검출부; 상기 검출부에서 검출된 전압 값과 기준전압 값을 비교하는 비교부; 상기 비교부의 비교 결과에 따라 스위칭 주파수를 결정하는 시정수 값을 PWM IC로 입력하는 시정수 설정부;를 포함하여 이루어진다.

Description

PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로{Protecting circuit for switching element of DC power supply driving by PWM}

본 발명은 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이에서 스위칭하여 듀티비를 조정하는 스위칭소자를 보호하는 보호회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전원을 공급하는 부하의 임피던스가 낮아 대전류가 출력되는 경우에 PWM IC의 주파수를 낮춰 스위칭소자를 보호하는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로에 관한 것이다.

파워 서플라이는 부하의 구동에 필요한 전원을 공급하는 장치로서, 부하에 일정한 크기의 정전압 또는 정전류를 공급하기 위해서 출력 전압이나 전류를 감지하여 피드백하고, 피드백된 출력 전압이나 전류의 세기에 따라 트랜스에 인가되는 전원의 스위칭을 조절함으로써, 출력 전압이나 전류의 세기가 일정하게 유지되도록 조정한다.

파워 서플라이에서 트랜스에 인가되는 전원의 스위칭 조절은 주파수를 조절하는 공징형 스위칭 구조와, 듀티비를 조절하는 PWM 스위칭 구조가 있다.

PWM 스위칭 구조는 출력 전압(또는 전류)의 제어가 용이하고 정밀한 장점으로 근래에 많이 사용되고 있다.

가변형 DC 파워 서플라이는 연결되는 부하의 정격 용량에 맞게 출력 전압이나 전류를 가변하여 공급하는 전원공급장치로서, PWM 스위칭 구조의 파워 서플라이는 정격 임피던스 부하에 전원을 공급하는 경우 스위칭 소자(예; FET)는 충분한 Duty를 확보하기 때문에 손상되지 않는다. 그러나 저 임피던스의 부하에 저 전압의 전원 및 고 전류의 전원을 공급하는 경우에는 스위칭 소자에 듀티(Duty)가 좁고 높은 전류가 인가되어 손상될 위험이 있다. 즉 스위칭 소자 온(on) 구간 및 오프(off)구간이 Duty 시간에 비해 비중이 높아 전력 손실이 상대적으로 커지게 되어 효율이 저하된다.

그래서 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이에 저 임피던스의 부하가 연결되는 때에는 스위칭 소자의 손상을 방지하고, 효율이 저하되는 것을 방지하기 위한 수단이 필요하다.

그렇지만 종래기술은 이러한 수단을 구비하지 않고 있다.

PWM 스위칭 구조의 파워 서플라이에 관한 종래기술로는 등록특허 제10-1288497호, 공개특허 제10-2015-0044484호, 공개특허 제10-2014-0134393호 등이 개시되었다.

본 발명은 이처럼 종래기술에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 문제를 해결하기 위해 안출된 발명으로서 부하에 저 임피던스가 연결되어 일정 세기 이상의 대 전류가 출력되고 그에 따라 스위칭 소자에도 폭이 좁은 듀티 구간에 대 전류가 인가되는 때에 스위칭을 위한 주파수를 조절하여 스위칭 소자의 손실과 효율이 저하되는 것을 방지하는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로를 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로는

PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 출력 전압을 감지하는 전압감지부;

PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 출력 전류를 감지하는 전류감지부;

상기 전압감지부에 감지된 전압과 상기 전류감지부에서 감지된 전류에 비례하는 전압의 차이를 검출하는 검출부;

상기 검출부에서 검출된 전압 값과 기준전압 값을 비교하는 비교부;

상기 비교부의 비교 결과에 따라 스위칭 주파수를 결정하는 시정수 값을 PWM IC로 입력하는 시정수 설정부;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 전압감지부는 입력 전압을 일정 범위 내로 증폭시키는 제1증폭기를 포함하고,

상기 전류감지부는 상기 파워서플라이의 출력 전류에 비례하여 입력되는 전압을 상기 제1증폭기와 같은 일정 범위 내로 증폭시키는 제2증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하고,

상기 비교부는 비반전 단자로 상기 검출부의 전압 값을 입력받고, 반전단자로 기준전압 값을 입력받고, 그 차이에 따라 하이 또는 로우의 신호를 출력하는 오피앰피를 포함하는 것을 특징으로 하고,

상기 시정수 설정부는

제1시정수 소자와,

상기 제1시정수에 병렬로 연결되는 제2시정수 소자와,

상기 제2시정수 소자에 직렬로 연결되며 상기 비교부의 출력에 의해 턴온 또는 턴오프 되는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로는 저 임피던스의 부하가 연결되어서 스위칭 소자가 손상될 위험이 있는 대 전류가 출력되는 경우에 스위칭 주파수를 낮춰 스위칭 소자의 손상을 예방하고 더불어 효율의 저하도 방지할 수 있고, 이러한 스위칭소자 보호회로는 구성이 간단하여 설계가 간편하고 저렴한 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로로서, 산업발전에 매우 유용한 발명이다.

도 1 은 본 발명에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로의 회로도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로에 대하여 보다 구체적으로 설명하기에 앞서,

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로는 전압감지부(10), 전류감지부(20), 검출부(30), 비교부(40) 및 시정수 설정부(50)를 포함하여 이루어진다.

상기 전압감지부(10)는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이가 부하로 출력하는 전압(Vmon)을 감지하고,

상기 전류감지부(20)는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이가 부하로 출력하는 전류에 비례하는 전압(Imon)를 감지한다.

상기 전압감지부(10)는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이가 출력하는 전압(Vmon)을 입력 받아서 본 발명의 보호회로에서 처리 가능한 일정 범위 내의 세기의 전압으로 변경시키는 제1증폭기(U1A)와, 제1증폭기(U1A)의 주변회로를 구성하는 저항(R1~R4)들로 이루어진다.

상기 전류감지부(20)는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이가 출력하는 전류의 세기에 비례하는 전압(Imon)을 입력받고, 입력되는 전류에 비례하는 전압(Imon)을 상기 전압감지부(10)와 동일 범위 내의 세기의 전압으로 변경시키는 제1증폭기(U1B)와, 제1증폭기(U1B)의 주변회로를 구성하는 저항(R5~R8)들로 이루어진다.

상기 전압감지부(10)와 전류감지부(20)는 각각 입력되는 전압의 세기에 따라 0~5V의 전압을 출력한다. 방향성을 고려하면, 상기 전압감지부(10)는 0~(-)5V 범위의 전압을 출력하고, 상기 전류감지부(20)는 0~(+)5V 범위의 전압을 출력한다.

상기 검출부(30)는 상기 전압감지부(10)에서 감지된 전압과 상기 전류감지부(20)에서 감지된 전압의 차이를 검출한다.

상기 검출부(30)는 상기 전압감지부(10)의 출력측에 연결되는 저항(R9)과, 상기 전류감지부(20)의 출력측에 연결되는 저항(R10)으로 구성되고, 상기 두 저항(R9, R10)이 만나는 지점은 상기 비교부(40)로 연결된다.

파워 서플라이가 최대치의 전압과 전류를 출력하는 경우 상기 전압감지부(10)와 전류감지부(20)는 같은 크기의 최대치 전압(즉, -5V, +5V)을 출력하게 되어 검출부(30)의 두 저항(R9, R10)이 만나는 지점의 전압, 즉, 검출부(30)의 검출 전압은 0V가 된다. 파워 서플라이의 출력 전압이 낮고 출력 전류가 커지면 검출부(30)의 두 저항이 만나는 지점의 전압, 즉, 검출부(30)의 검출 전압은 양(+)이 값을 갖게 된다.

상기 비교부(40)는 상기 검출부(30)에서 검출된 전압 값과 기준 전압(Vref) 값을 비교하여, 스위칭 소자의 손상 위험이 있는 경우, 즉, 검출된 전압 값이 기준 전압(Vref) 값 보다 큰 경우에 하이 신호를 출력하고, 작을 대는 로우 신호를 출력한다.

상기 비교부(40)는 상기 검출부(30)에서 검출된 전압 값을 비반전 단자로 입력받고, 기준 전압(Vref) 값을 반전 단자로 입력받고, 그 차이 따라 하이 또는 로우 신호를 출력하는 비교기(U2A)로 구성된다.

상기 기준 전압(Vref) 값은 파워 서플라이의 전력을 공급받는 부하의 임피던스가 낮아지는 양에 대해 전압 값을 프로그래밍하여 입력된다. 프로그래밍한 전압 값(기준 전압 값)은 스위칭 소자의 파괴 지점 보다 낮은 전압 값으로 프로그래밍 해야 한다.

상기 시정수 설정부(50)는 스위칭 소자(예; FET, IGBT)의 스위칭을 제어하는 PWM IC(60)의 스위칭 주파수를 결정하는 시정수 값을 설정한다.

스위칭 주파수를 결정하는 시정수는 저항과 캐피시터로 좌우된다. 그래서 상기 시정수 설정부(50)는 PWM IC(60)로 변경된 저항 값 또는 캐패시터 값을 입력하여, PWM IC(60)가 스위칭 주파수를 변경하도록 한다.

상기 스위칭 주파수는 제1시정수 소자(RT)와, 상기 제1시정수 소자(RT)에 병렬로 연결되는 제2시정수 소자(RT2)와, 제2시정수 소자(RT2)와 직렬로 연결되며 상기 비교부(40)의 출력에 의해 턴온 또는 턴오프되는 트랜지스터(Q1)를 포함하여 이루어진다.

상기 비교부(40)에서 하이 신호가 출력되면, 상기 트랜지스터(Q1)가 턴온되어서, 상기 제1시정수 소자(RT)와 제2시정수 소자(RT2)가 병렬로 연결되면서 이들의 합성 저항 값이 PWM IC(60)로 입력되어 스위칭 주파수가 변경된다.

상기 비교부(40)에서 로우 신호가 출력되면, 상기 트랜지스터가 턴온프되어서 제1시정수 소자(RT)의 저항 값이 PWM IC(60)로 입력되어 스위칭 주파수가 변경된다.

평상시에는 제1시정수 소자(RT)의 저항 값이 PWM IC(60)로 입력되고, 저 임피던스의 부하가 연결되어 대 전류가 출력되는 경우에는 제1시정수 소자(RT)와 제2시정수 소자(RT2)의 합성 저항 값이 PWM IC(60)로 입력되어 스위칭 주파수를 낮춘다.

스위칭 주파수가 높았을 때에 비해 주파수가 낮아지면 PWM 듀티비의 온타임을 길게 할 수 있고, 그에 따라 스위칭 소자에 인가되는 전류의 세기가 낮아지면 턴온 및 턴오프 시간의 Duty폭에 비해 시간이 짧게 되므로 스위칭 소자의 손상을 보호하게 된다. 더불어, 전력손실도 줄어들어 파워 서플라이의 효율을 개선하게 된다.

상기 제1시정수 소자(RT)와 제2시정수 소자(RT2)는 저항 이외에 캐패시터(CT, CT2)를 사용할 수 있어서, 시정수 설정부(50)는 두 캐패시터(CT, CT2)와 트랜지스터(Q2)로 이루어지는 A블럭으로 대체되어 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 회로도로 구성되는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 전압감지부 20 : 전류감지부
30 : 검출부 40 : 비교부
50 : 설정부 60 : PWM IC

Claims (4)

1. PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 출력 전압을 감지하는 전압감지부;
   PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 출력 전류를 감지하는 전류감지부;
   상기 전압감지부에 감지된 전압과 상기 전류감지부에서 감지된 전류에 비례하는 전압의 차이를 검출하는 검출부;
   상기 검출부에서 검출된 전압 값과 기준전압 값을 비교하는 비교부;
   상기 비교부의 비교 결과에 따라 스위칭 주파수를 결정하는 시정수 값을 PWM IC로 입력하는 시정수 설정부;를 포함하여 이루어지되,
   
   상기 시정수 설정부는
   제1시정수 소자와,
   상기 제1시정수에 병렬로 연결되는 제2시정수 소자와,
   상기 제2시정수 소자에 직렬로 연결되며 상기 비교부의 출력에 의해 턴온 또는 턴오프 되는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전압감지부는 입력 전압을 일정 범위 내로 증폭시키는 제1증폭기를 포함하고,
   상기 전류감지부는 상기 파워서플라이의 출력 전류에 비례하여 입력되는 전압을 상기 제1증폭기와 같은 일정 범위 내로 증폭시키는 제2증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 비교부는 비반전 단자로 상기 검출부의 전압 값을 입력받고, 반전단자로 기준전압 값을 입력받고, 그 차이에 따라 하이 또는 로우의 신호를 출력하는 오피앰피를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 스위칭 구조의 가변형 DC 파워 서플라이의 스위칭소자 보호회로.
4. 삭제

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