KR102135111B1 - 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치에 관한 것으로, 1차 권선부를 갖는 제1 변압기, 직류 입력 전압을 일정 스위칭 주기로 온 또는 오프 스위칭하여 상기 제1 권선부로 공급하는 스위칭 제어부, 상기 제1 변압기와 대응하는 위치의 다른 레이어(layer)에 배치되고, 상기 제1 변압기로부터 무선전력을 수신하는 2차 권선부를 갖는 제2 변압기, 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기 사이에 배치되고, 적어도 하나의 관통홀을 구비하는 세라믹층, 및 상기 적어도 하나의 관통홀을 통해 상기 제2 변압기 측의 출력 전압을 상기 스위칭 제어부로 전달하는 피드백 제어부를 포함하고, 상기 스위칭 제어부는, 상기 피드백 제어부로부터 전달된 상기 제2 변압기 측의 출력 전압에 따라 상기 일정 스위칭 주기를 제어할 수 있다. 본 발명에 의하면, 1차 권선부를 갖는 제1 변압기와 2차 권선부를 갖는 제2 변압기 사이에 관통홀이 형성된 세라믹층을 포함시켜 발열 문제를 해결하면서 동시에 관통홀을 통해 2차측 출력전압을 1차측으로 피드백하여 출력전압을 조절할 수 있다.

Description

적층구조를 갖는 스위칭 전원장치{SWITCHING POWER DEVICE WITH LAMINATED STRUCTURE}

본 발명은 아답터, 충전기, 가전용 전원장치로 사용되는 스위칭 전원장치에 관한 것이다.

일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 출력전압을 목적으로 하는 전력변환 장치이다. 특히, 절연형 스위칭 전원장치는 입출력 전압의 차이와 전기적 절연을 위하여, 페라이트(Ferrite)와 같은 고주파에서 저전력 손실 특성을 갖는 강자성체 코어에 구리와 같은 저전도 손실 특성을 갖는 권선으로 제작된 변압기를 사용하고 있으며, 하나 이상의 출력전압이 필요한 경우에는 출력권선을 추가하여 출력을 복수로 구성할 수 있으므로 고효율이 요구되는 스위칭 전원장치에 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래의 스위칭 전원장치의 개략적인 회로도이고, 도 2는 종래의 스위칭 전원장치에 사용되는 피드백 제어부의 외형과 등가회로도이다.

도 1을 참조하면, 입력 단자로 입력되는 교류 전압을 일정한 크기의 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 온 또는 오프 스위칭 동작에 의해 1차 권선부의 전류를 조절한다.

스위칭 제어부(10)는 1차 권선부에 흐르는 전류의 크기를 조절하기 위해 제어신호에 따라 온 또는 오프 스위칭 주기를 조절할 수 있다. 여기서, 제어신호는 2차측에서 전달된 출력 전압에 기초하여 생성될 수 있다.

1차 권선부에 전류가 흐르면 전자기 유도에 의해 1차 측으로부터 2차 측으로 자기장이 전달되고, 자속밀도 변화에 의해 2차 권선부에 전류가 흐르게 된다. 이러한 2차 권선부에 흐르는 전류에 의해 출력 전압이 결정된다. 이러한 방법으로 입력 전압을 일정한 크기로 변환하여 출력 단자로 출력할 수 있다.

피드백 제어부(20)는 출력 단자에서 출력되는 전압의 크기를 일정하게 유지하기 위하여 출력 전압 크기를 1차 측으로 피드백할 수 있고, 스위칭 제어부(10)는 피드백된 출력 전압을 기초로 제어신호를 생성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 피드백 제어부(20)는 4개의 단자를 갖는 포토 커플러로 형성될 수 있다.

포토 커플러는 제어신호를 고압(약 1.5kV 이상)으로 절연시키면서 효율적으로 출력 전압에 대한 정보를 전달하는 소자로 1차 측과 연결되는 단자 3, 4와 2차 측과 연결되는 단자 1, 2로 이루어진다.

1차 측과 연결되는 단자 3, 4는 트랜지스터의 에미터와 콜렉터가 되고, 2차 측과 연결되는 단자 1, 2는 다이오드의 애노드 또는 캐소드 단자가 된다. 포토 커플러는 4개의 단자를 감싸는 본체는 접히지 않아 4개의 단자가 같은 평면에 실장되어야 한다.

한편, 스위칭 전원장치는 용도에 따라 높이와 크기가 제한되기 때문에, 변압기와 보빈의 높이를 낮추고 낮아진 높이에 권선을 대응하도록 제작하고, 고주파 구동시 코어와 권선에서 발생하는 전력손실과 발열을 해결하기 위하여 페라이트 코어의 표면적을 넓히거나 케이스에 코어를 접착시키는 방법을 사용한다.

그러나, 고주파 구동 스위칭에서 동반되는 전력용 반도체의 발열과 소자의 발열문제는 스위칭 전원장치의 높이와 부피를 낮추는데 걸림돌이 되고 있다. 일반적으로, 스위칭 전원장치의 높이를 낮추기 위해서 높이가 낮은 페라이트 코어와 반도체를 사용하여 적층된 PCB에 부품을 부착하거나, 적층된 PCB의 패턴을 이용하여 PCB 권선으로 구성된 변압기 권선 주위에 코어의 크기에 맞게 라우팅 처리를 하여 적층 PCB에 페라이트 코어를 끼워서 사용하는 PCB 변압기를 구성하는 방식을 주로 사용하고 있다.

PCB 변압기는 권선 구조가 간단하고 높이를 낮출 수 있는 장점이 있지만, 고주파 동작시 발생되는 발열을 해결할 수 없고, 특히 코어의 중심에서 발생되는 권선 및 자성체의 손실 발열은 구조상 바깥으로 방출하기 어려우므로 자성체 코어의 열폭주 또는 열포화 등의 문제가 발생하여 한정된 출력 범위 내에서 동작시켜야 하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 양 코어 사이의 절연 및 발열체를 삽입할 수 있으나, 이 경우 출력 측의 전압을 피드백하여 입력 전압을 스위칭하는 피드백 경로를 형성할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 적층 구조의 1차측 변압기와 2차측 변압기 사이의 세라믹층에 관통홀을 형성하고, 관통홀에 피드백 제어부를 배치함으로써 출력 전압을 피드백받아 제어신호를 생성함으로써 출력 전압을 안정적으로 제어할 수 있는 스위칭 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 세라믹층에 관통홀을 형성하지 않고 광 케이블을 이용하여 1차측 변압기와 다른 레이어에 형성된 2차측 변압기의 출력 전압을 피드백하여 출력 전압을 안정적으로 제어할 수 있고 회로 배치의 자유도를 향상시킬 수 있는 스위칭 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 전원장치는 1차 권선부를 갖는 제1 변압기, 직류 입력 전압을 일정 스위칭 주기로 온 또는 오프 스위칭하여 상기 제1 권선부로 공급하는 스위칭 제어부, 상기 제1 변압기와 대응하는 위치의 다른 레이어(layer)에 배치되고, 상기 제1 변압기로부터 무선전력을 수신하는 2차 권선부를 갖는 제2 변압기, 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기 사이에 배치되고, 적어도 하나의 관통홀을 구비하는 세라믹층, 및 상기 적어도 하나의 관통홀을 통해 상기 제2 변압기 측의 출력 전압을 상기 스위칭 제어부로 전달하는 피드백 제어부를 포함하고, 상기 스위칭 제어부는, 상기 피드백 제어부로부터 전달된 상기 제2 변압기 측의 출력 전압에 따라 상기 일정 스위칭 주기를 제어할 수 있다.

또한, 피드백 제어부는, 상기 제2 변압기와 같은 측에 배치된 적외선 엘이디(IR LED: Infrared Light Emitting Diode) 및 상기 제1 변압기와 같은 측에 배치된 포토 트랜지스터를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터는, 상기 관통홀을 사이에 두고 대면하는 위치에 배치되고, 상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터 각각의 외곽에는 보호캡을 더 구비하고, 상기 보호캡은, 상기 적외선 엘이디로부터 출력된 광전자를 외부로 유출되지 않는록 차단할 수 있다.

또한, 보호캡은, 고무 또는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.

또한, 피드백 제어부는, 상기 제2 변압기와 같은 측에 배치된 적외선 엘이디(IR LED: Infrared Light Emitting Diode), 상기 제1 변압기와 같은 측에 배치된 포토 트랜지스터, 및 상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 스위칭 전원장치는 상기 제1 변압기, 상기 스위칭 제어부, 상기 피드백 제어부 중 일부를 실장하는 제1 PCB, 및 상기 제1 PCB와 다른 레이어에 배치되고, 상기 제2 변압기와 상기 피드백 제어부 중 일부를 실장하는 제2 PCB를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기가 실장된 영역에 대응하는 상기 세라믹층은 제1 두께를 가지며, 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기가 실장된 영역을 제외한 영역에 대응하는 상기 세라믹층은 제1 두께보다 상대적으로 두꺼운 제2 두께를 가지도록 상기 세라믹층이 단차를 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 1차 권선부와 상기 2차 권선부는 다출력 전압으로 변환하기 위해 복수개 구비되고, 상기 스위칭 제어부는, 상기 복수 개의 출력 전압 중 적어도 하나에 따라 상기 일정 스위칭 주기를 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 전원장치는 1차 권선부를 갖는 제1 변압기, 직류 입력 전압을 일정 스위칭 주기로 온 또는 오프 스위칭하여 상기 제1 권선부로 공급하는 스위칭 제어부, 상기 제1 변압기와 대응하는 위치의 다른 레이어(layer)에 배치되고, 상기 제1 변압기로부터 무선전력을 수신하는 2차 권선부를 갖는 제2 변압기, 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기 사이에 배치되는 세라믹층, 및 상기 제2 변압기와 같은 측에 배치된 적외선 엘이디(IR LED: Infrared Light Emitting Diode), 상기 제1 변압기와 같은 측에 배치된 포토 트랜지스터, 및 상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 구성되고, 상기 제2 변압기 측의 출력 전압을 상기 스위칭 제어부로 전달하는 피드백 제어부를 포함하고, 스위칭 제어부는, 상기 피드백 제어부로부터 전달된 상기 제2 변압기 측의 출력 전압에 따라 상기 일정 스위칭 주기를 제어할 수 있다.

또한, 스위칭 전원장치는 상기 제1 변압기, 상기 스위칭 제어부와, 상기 포토 트랜지스터를 실장하는 제1 PCB, 및 상기 제1 PCB와 다른 레이어에 배치되고, 상기 제2 변압기와 상기 적외선 엘이디를 실장하는 제2 PCB를 더 포함하고, 상기 광 케이블은 서로 다른 레이어의 상기 제1 PCB 상의 포토 트랜지스터와 상기 제2 PCB 상의 적외선 엘이디를 연결할 수 있다.

본 발명에 의하면, 1차 권선부를 갖는 제1 변압기와 2차 권선부를 갖는 제2 변압기 사이에 관통홀이 형성된 세라믹층을 포함시켜 발열 문제를 해결하면서 동시에 관통홀을 통해 2차측 출력전압을 1차측으로 피드백하여 출력전압을 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 광케이블을 사용하여 2차측 출력전압을 1차측으로 피드백하는 경우, 세라믹층 또는 PCB에 관통홀을 형성할 필요가 없고, 피드백 제어부의 회로 배치 자유도를 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래의 스위칭 전원장치의 개략적인 회로도이다.
도 2는 종래의 스위칭 전원장치에 사용되는 피드백 제어부의 외형과 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 개략적인 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 개략적인 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 피드백 제어부의 결합 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 다층구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 개략적인 회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는 제1 변압기(110), 스위칭 제어부(120), 제2 변압기(130), 세라믹층(140), 및 피드백 제어부(150)를 포함한다. 이외에도, 정류 다이오드, 플라이백 회로를 구성하는 소자 등을 더 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 제1 변압기(110)는 1차 권선부를 갖고, 제2 변압기(130)는 2차 권선부를 갖는다. 제2 변압기(130)는 제1 변압기(110)로부터 전송되는 무선전력을 수신할 수 있다. 무선전력 수신효율을 높이기 위하여, 제1 변압기(110)와 제2 변압기(130)는 서로 다른 레이어의 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 제1 변압기(110)와 제2 변압기(130)는 다출력 전압으로 변환하기 위해 복수개가 구비될 수 있다.

스위칭 제어부(120)는 직류 입력 전압을 일정 스위칭 주기로 온 또는 오프 스위칭하여 제1 권선부로 전류를 공급할 수 있다. 스위칭 제어부(120)는 제어로직을 구현하는 회로로 구현될 수 있고, 전력용 반도체 소자 내에 포함될 수 있다. 스위칭 제어부(120)는 제1, 제2 변압기(110, 130)가 복수 개 구비된 경우, 복수 개의 출력 전압 중 적어도 하나에 따라 스위칭 주기를 제어할 수 있다.

세라믹층(140)은 제1 변압기(110)와 제2 변압기(130) 사이에 배치되고, 적어도 하나의 관통홀을 구비할 수 있다. 세라믹층(140)은 제1, 제2 변압기(110, 130)가 형성될 영역과 다른 영역의 두께가 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 세라믹층(140)은 두께 또는 형상이 상이한 다수의 세라믹층이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1, 제2 변압기(110, 130)가 형성될 영역에는 두께가 상대적으로 얇은 세라믹층이 배치되고, 두께가 상대적으로 얇은 세라믹층의 일측 또는 양측에는 두께가 두꺼운 세라믹층이 배치될 수 있다. 이때, 제1, 제2 변압기(110, 130)가 형성될 영역에 대응하는 두께가 두꺼운 세라믹층 영역은 홈이 형성되어 두 개의 변압기 사이에 상대적으로 두께가 얇은 세라믹층만 배치되도록 할 수 있다.

피드백 제어부(150)는 제2 변압기(130) 측의 출력 전압을 스위칭 제어부(120)로 전달할 수 있다. 스위칭 제어부(120)는 피드백 제어부(150)로부터 전달된 제2 변압기(130) 측의 출력 전압에 따라 스위칭 주기를 결정할 수 있다. 이때, 피드백 제어부(150)는 세라믹층(140)에 형성된 적어도 하나의 관통홀을 통해 제2 변압기(130) 측의 출력 전압을 스위칭 제어부(120)로 전달하거나, 또는, 관통홀이 형성되지 않은 경우, 세라믹층(140)을 우회하는 경로로 형성될 수 있다.

상기의 제1 변압기(110)와 스위칭 제어부(120)는 세라믹층(140)을 기준으로 일 측에 형성되고, 제2 변압기(130)는 세라믹층(140)을 기준으로 다른 측에 형성될 수 있다. 또한, 피드백 제어부(150)는 일부 구성은 세라믹층(140)을 기준으로 일 측에, 나머지 구성은 다른 측에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 변압기(110), 스위칭 제어부(120), 피드백 제어부(150)의 제1 구성은 세라믹층(140)을 기준으로 상부 측의 동일한 하나의 PCB 기판에 형성되거나, 서로 다른 PCB 기판에 형성될 수 있다. 또한, 제2 변압기(130)와 피드백 제어부(150)의 제2 구성은 세라믹층(140)을 기준으로 하부 측의 동일한 하나의 PCB 기판에 형성되거나, 서로 다른 PCB 기판에 형성될 수 있다. 세라믹층(140)을 사이에 두고 상부 PCB 기판과 하부 PCB 기판이 라미네이트된 경우, 적어도 하나의 관통홀은 라미네이트된 상부 PCB기판, 세라믹층, 하부 PCB 기판 전체를 통과하도록 형성될 수 있다. 구체적인 적층구조는 이하 도 6 내지 도 7을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.

피드백 제어부(150)는 적외선 엘이디(IR LED: Infrared Light Emitting Diode) 및 포토 트랜지스터를 포함하여 구성될 수 있다. 적외선 엘이디는 제2 변압기와 같은 측에 배치되어 츨력 전압의 크기에 따라 적외선 광을 출력하여 광전자를 관통홀을 통해 포토 트랜지스터로 전달한다. 2차 측의 출력 단지와 연결된 IC201 다이오드는 출력 전압이 기준 전압보다 높은지 낮은지에 따라 적외선 엘이디로 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 포토 트랜지스터는 전달된 광전자가 포토 트랜지스터의 베이스로 수신되면 전류가 흘러 스위칭 제어부(120)로 제어신호를 전달할 수 있다. 이때, 베이스로 수신되는 광전자의 양에 따라 전류의 양이 증가하여 스위칭 제어부(120)의 스위칭 속도를 제어할 수 있다. 이와 같이, 광전자를 전달하기 위하여, 적외선 엘이디와 포토 트랜지스터는 상호 대향하는 위치에 대면하여 형성되어야 한다.

광전자가 통과하는 관통홀의 양 측벽은 금속 이물이 삽입되지 않도록 관통홀을 밀봉시킬 수 있는 고무 파이프 또는 플라스틱 파이프가 더 형성될 수 있다. 또한, 적외선 엘이디와 포토 트랜지스터를 감싸는 보호캡이 더 형성될 수 있다. 이때, 보호캡은 유연성이 있는 고무 또는 플라스틱으로 형성될 수 있고, 광전자가 외부로 유출되지 않도록 방지하는 역할을 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 개략적인 회로도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는 제1 변압기(110), 스위칭 제어부(120), 제2 변압기(130), 세라믹층(140), 및 피드백 제어부(150)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예는 도 3에서 설명한 실시예와 피드백 제어부(150)만 상이하므로 다른 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.

피드백 제어부(150)는 적외선 엘이디, 포토 트랜지스터, 및 적외선 엘이디와 포토 트랜지스터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 구성될 수 있다.

적외선 엘이디는 제2 변압기와 같은 측에 배치되어 츨력 전압의 크기에 따라 적외선 광을 출력하여 광전자를 광 케이블을 통해 포토 트랜지스터로 전달한다. 포토 트랜지스터는 전달된 광전자가 포토 트랜지스터의 베이스로 수신되면 전류가 흘러 스위칭 제어부(120)로 제어신호를 전달할 수 있다. 이때, 베이스로 수신되는 광전자의 양에 따라 전류의 양이 증가하여 스위칭 제어부(120)의 스위칭 속도를 제어할 수 있다.

광 케이블이 더 포함되는 경우, 적외선 엘이디와 포토 트랜지스터는 대면하는 위치에 배치될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 적외선 엘이디와 포토 트랜지스터는 서로 다른 레이어의 PCB의 임의의 위치에 배치되고 광 케이블을 통해 연결될 수 있다. 적외선 엘이디의 광전자가 방출되는 부분은 광 케이블의 일 측 단면과 연결되고, 포토 트랜지스터의 광전자를 수신하는 부분은 광 케이블의 반대면 단면과 연결될 수 있다. 이때, 광 케이블은 세라믹층과 PCB 기판을 통과하는 관통홀을 통해 1차 측에 형성된 적외선 엘이디와 2차 측에 형성된 포토 트랜지스터를 연결할 수 있다. 반면, 세라믹층과 PCB 기판을 통과하는 관통홀이 형성되지 않은 경우에도, 세라믹층과 PCB 기판을 우회하는 경로를 통해 광 케이블은 1차 측에 형성된 적외선 엘이디와 2차 측에 형성된 포토 트랜지스터를 연결할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 피드백 제어부의 결합 사시도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 피드백 제어부는 세라믹층을 기준으로 서로 다른 레이어(1차 측과 2차 측)를 연결할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 발광소자인 적외선 엘이디(B)는 세라믹층을 기준으로 1차 측에 배치되고, 수광소자인 포토 트랜지스터(A)와 관통홀을 사이에 두고 대면하는 위치에 배치될 수 있다.

적외선 엘이디(B)는 적외선 발광을 통해 광전자를 관통홀로 방출하고, 포토 트랜지스터(A)는 전달된 광전자를 수신하여 콜렉터 단자로부터 에미터 단자로 전류를 흘려보내게 된다. 이 전류값을 스위칭 제어부에 전달하는 방법으로 출력 전압을 피드백하게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 다층구조를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는 상부 케이스, 제1 PCB(1차측 PCB), 제1 세라믹층(절연용 세라믹1), 제2 세라믹층(절연용 세라믹2), 제2 PCB(2차측 PCB), 및 하부 케이스의 다층구조로 형성될 수 있다.

제1 PCB 상에는 1차 권선부를 갖는 제1 변압기, 스위칭 제어부, 적외선 엘이디 등의 전력용 소자가 실장되고, 제2 PCB 상에는 2차 권선부를 갖는 제2 변압기, 포토 트랜지스터가 실장될 수 있다.

제1 PCB와 제2 PCB 사이에 배치되는 세라믹층은 두 개의 세라믹층인 제1 세라믹층과 제2 세라믹층으로 구성되는 것으로 도시하였으나, 한 층의 세라믹층이거나 또는 세 개 이상의 세라믹층으로 구성될 수도 있다.

제1 세라믹층은 제2 세라믹층보다 상대적으로 두께가 얇고, 제1 변압기와 제2 변압기 사이에는 제1 세라믹층만 배치되어 자속을 통과시키기 용이하다. 반면, 다른 소자들이 실장되는 영역에는 제1 세라믹층과 제2 세라믹층이 함께 배치되어 두께가 두꺼워 발열소자로 사용될 수 있다.

관통홀(H)은 제1 세라믹층과 제2 세라믹층이 적층된 영역에 형성된 것으로 도시되었으나, 제1 세라믹층만 배치된 영역에 형성될 수도 있다. 세라믹층의 설계는 발열과 변압기의 무선 전력 전송의 관점에서 자유롭게 변경될 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는 1차 측과 2차 측이 전기적 및 물리적으로 절연되고, 무선 전력을 전송할 수 있는 구조를 갖는다.

구체적으로, 제1 변압기, 스위칭 제어부를 포함하는 전력용 반도체 소자, 적외선 엘이디가 실장된 1차측 PCB 기판과 제2 변압기, 포토 트랜지스터가 실장된 2차측 PCB 기판은 세라믹 기판을 사이에 두고 절연된 구조이다. 즉, 제1 변압기와 제2 변압기는 물리적으로 분리되고, 1차 권선부를 흐르는 교류 전류의 변화에 따라 전자속이 유도되어 2차 권선부에 전류가 흐르게 된다. 따라서, 제1 변압기와 제2 변압기 사이의 세라믹 기판의 두께 d2는 전자속이 유도될수 있을 정도로 얇은 두께여야 한다. (예를 들어, 세락믹 기판의 두께 d2는 ~ 범위의 수치로 형성될 수 있다.) 이러한 자속 변화에 따른 전자기력을 이용하여 1차 측에서 2차 측으로 무선 전력 전송이 이루어질 수 있다.

반면, 전력용 반도체 소자가 실장되는 영역의 세라믹 기판의 구께 d1는 발열을 위해 일정 두께 이상으로 형성될 수 있다. (구체적 수치 한정이 가능하면 추가)

피드백 제어부인 적외선 엘이디, 포토 트랜지스터 및 관통홀은 두께 d2인 세라믹 기판에 형성되어 있으나, 편의를 위해 두께 d1인 세라믹 기판에 형성될 수도 있다. 세라믹층은 하나의 세라믹층이 단차를 갖도록 형성될 수도 있고, 앞서 설명한 바와 같이 두께가 서로 다른 다수의 세라믹층이 적층되어 형성될 수도 있다.

적외선 엘이디와 포토 트랜지스터의 외곽에는 보호캡이 더 구비되어, 광전자가 외부로 유출되지 않도록 방지할 수 있고, 광전자가 지나는 관통홀의 측벽에는 금속 이물이 유입되지 않도록 고무 또는 플라스틱으로 형성된 보호벽이 더 삽입될 수 있다.

출력 전압의 크기에 따라 관통홀을 통해 전달되는 광전자의 양에 달라지고, 광전자의 양에 따라 포토 트랜지스터에 흐르는 전류가 달라져 1차 측에서 2차 측의 출력 전압을 예측할 수 있다. 이 정보를 이용하여, 스위칭 속도를 제어함으로써 1차 측에 흐르는 전류를 조절하여 2차 측의 출력 전압을 제어할 수 있다.

본 발명에 의하면, 1차 권선부를 갖는 제1 변압기와 2차 권선부를 갖는 제2 변압기 사이에 관통홀이 형성된 세라믹층을 포함시켜 발열 문제를 해결하면서 동시에 관통홀을 통해 2차측 출력전압을 1차측으로 피드백하여 출력전압을 조절할 수 있다. 또한, 광케이블을 사용하여 2차측 출력전압을 1차측으로 피드백하는 경우, 세라믹층 또는 PCB에 관통홀을 형성할 필요가 없고, 피드백 제어부의 회로 배치 자유도를 증가시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110: 제1 변압기 120: 스위칭 제어부
130: 제2 변압기 140: 세라믹층
150: 피드백 제어부

Claims (10)

1차 권선부를 갖는 제1 변압기;
직류 입력 전압을 일정 스위칭 주기로 온 또는 오프 스위칭하여 상기 1차 권선부로 공급하는 스위칭 제어부;
상기 제1 변압기와 대응하는 위치의 다른 레이어(layer)에 배치되고, 상기 제1 변압기로부터 무선전력을 수신하는 2차 권선부를 갖는 제2 변압기;
상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기 사이에 배치되고, 적어도 하나의 관통홀을 구비하는 세라믹층;
상기 적어도 하나의 관통홀을 통해 상기 제2 변압기 측의 출력 전압을 상기 스위칭 제어부로 전달하는 피드백 제어부;
상기 제1 변압기, 상기 스위칭 제어부, 상기 피드백 제어부 중 일부를 실장하는 제1 PCB; 및
상기 제1 PCB와 다른 레이어에 배치되고, 상기 제2 변압기와 상기 피드백 제어부 중 일부를 실장하는 제2 PCB;
를 포함하고,
상기 스위칭 제어부는, 상기 피드백 제어부로부터 전달된 상기 제2 변압기 측의 출력 전압에 따라 상기 일정 스위칭 주기를 제어하고,
상기 세라믹층은 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기 사이에 배치된 전자속이 유도될 수 있는 제1 두께를 가지는 제1 세라믹층과, 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기가 실장된 영역을 제외한 영역에 상기 제1 세라믹층과 함께 상기 제1 세라믹층의 제1 두께보다 상대적으로 두꺼운 제2 두께를 가지도록 배치된 제2 세라믹층을 포함하고,
상기 관통홀은 상기 제1 세라믹층과 상기 제2 세라믹층이 적층된 영역에 형성되고,
상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기가 실장된 영역을 제외한 영역에 배치된 상기 제1 세라믹층과 상기 제2 세라믹층은 발열 소자로 구성되는 스위칭 전원장치.

제1항에 있어서,
상기 피드백 제어부는, 상기 제2 변압기와 같은 측에 배치된 적외선 엘이디(IR LED: Infrared Light Emitting Diode) 및 상기 제1 변압기와 같은 측에 배치된 포토 트랜지스터를 포함하여 구성되는, 스위칭 전원장치.

제2항에 있어서,
상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터는, 상기 관통홀을 사이에 두고 대면하는 위치에 배치되고, 상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터 각각의 외곽에는 보호캡을 더 구비하고,
상기 보호캡은, 상기 적외선 엘이디로부터 출력된 광전자를 외부로 유출되지 않도록 차단하는, 스위칭 전원장치.

제3항에 있어서,
상기 보호캡은, 고무 또는 플라스틱 재질로 형성되는, 스위칭 전원장치.

제1항에 있어서,
상기 피드백 제어부는, 상기 제2 변압기와 같은 측에 배치된 적외선 엘이디(IR LED: Infrared Light Emitting Diode), 상기 제1 변압기와 같은 측에 배치된 포토 트랜지스터, 및 상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 구성되는, 스위칭 전원장치.

삭제

삭제

제1항에 있어서,
상기 1차 권선부와 상기 2차 권선부는 다출력 전압으로 변환하기 위해 복수개 구비되고,
상기 스위칭 제어부는, 상기 복수 개의 출력 전압 중 적어도 하나에 따라 상기 일정 스위칭 주기를 제어하는, 스위칭 전원장치.

1차 권선부를 갖는 제1 변압기;
직류 입력 전압을 일정 스위칭 주기로 온 또는 오프 스위칭하여 상기 1차 권선부로 공급하는 스위칭 제어부;
상기 제1 변압기와 대응하는 위치의 다른 레이어(layer)에 배치되고, 상기 제1 변압기로부터 무선전력을 수신하는 2차 권선부를 갖는 제2 변압기;
상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기 사이에 배치되고, 적어도 하나의 관통홀을 구비하는 세라믹층;
상기 제2 변압기와 같은 측에 배치된 적외선 엘이디(IR LED: Infrared Light Emitting Diode), 상기 제1 변압기와 같은 측에 배치된 포토 트랜지스터, 및 상기 적외선 엘이디와 상기 포토 트랜지스터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 구성되고, 상기 제2 변압기 측의 출력 전압을 상기 스위칭 제어부로 전달하는 피드백 제어부;
상기 제1 변압기, 상기 스위칭 제어부, 상기 피드백 제어부 중 일부를 실장하는 제1 PCB; 및
상기 제1 PCB와 다른 레이어에 배치되고, 상기 제2 변압기와 상기 피드백 제어부 중 일부를 실장하는 제2 PCB;를 포함하고,
상기 스위칭 제어부는, 상기 피드백 제어부로부터 전달된 상기 제2 변압기 측의 출력 전압에 따라 상기 일정 스위칭 주기를 제어하고,
상기 세라믹층은 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기 사이에 배치된 전자속이 유도될 수 있는 제1 두께를 가지는 제1 세라믹층과, 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기가 실장된 영역을 제외한 영역에 상기 제1 세라믹층과 함께 상기 제1 세라믹층의 제1 두께보다 상대적으로 두꺼운 제2 두께를 가지도록 배치된 제2 세라믹층을 포함하고,
상기 관통홀은 상기 제1 세라믹층과 상기 제2 세라믹층이 적층된 영역에 형성되고,
상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기가 실장된 영역을 제외한 영역에 배치된 상기 제1 세라믹층과 상기 제2 세라믹층은 발열 소자로 구성되는 스위칭 전원장치.

제9항에 있어서,
상기 광 케이블은 서로 다른 레이어의 상기 제1 PCB 상의 포토 트랜지스터와 상기 제2 PCB 상의 적외선 엘이디를 연결하는, 스위칭 전원장치.

Images