KR102152679B1 - 전원 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제어 신호에 따라 입력 전원을 전달하거나 차단하는 스위칭 소자, 상기 스위칭 소자로부터 전달된 상기 입력 전원을 변환하는 변환부, 그리고 상기 스위칭 소자의 일단과 연결되어 상기 스위칭 소자의 온오프 시 출력을 필터링하는 필터링부를 포함하는 전압 공급 장치를 제공한다. 따라서, 새로운 필터링 회로를 추가함으로 스위칭 소자의 온오프시 발생하는 노이즈를 현저하게 감쇄시킬 수 있으며, 턴온 시에 리플이 적게 발생할 수 있고, 스위칭 소자가 받는 전압 스트레스를 줄일 수 있다.

Description

전원 공급 장치{The power supply device}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것이다.

대상물에 기준 전압을 공급하는 전원 공급 장치는 다양한 토폴로지를 적용하여 구현될 수 있다.

이 중 스위칭 소자의 온오프에 의해 입력 전원을 변환하는 벅컨버터(BUCK converter)의 경우, 스위칭 소자의 온오프 시에 발생하는 노이즈가 문제된다.

즉, 스위칭 소자의 온오프 순간에 많은 노이즈가 발생하여 이를 보상하기 위해 다양한 스너버 회로가 개발되었다.

도 1은 종래의 전원 공급 장치의 스너버 회로를 도시한 것이다.

도 1을 참고하면, 벅컨버터 타입의 전원 공급 장치로서, 입력 전원을 받아 제어 신호에 따라 입력 전원을 출력하는 스위칭 소자(Q1)와, 이를 변환하는 제1 인덕터(L1), 제1 다이오드(D1) 및 제1 커패시터(C1)를 포함한다.

이러한 스위칭 소자(Q1)의 소스와 드레인 사이에 스너버회로(10)가 형성되어 있다.

상기 스너버 회로(10)는 저항(Rs)과 커패시터(Cs)가 직렬 연결되어 있으며, 고주파의 노이즈 신호를 필터링하여 스위칭 소자(Q1)를 보호한다.

그러나, 이러한 스너버 회로에 의해서도 스위칭 소자(Q1)의 양 단에 발생하는 노이즈 성분 중 많은 성분이 필터링되지 않고 노이즈로 잔재한다.

실시예는 스위칭 소자의 노이즈를 줄일 수 있는 전원 공급 장치를 제공한다.

실시예는 제어 신호에 따라 입력 전원을 전달하거나 차단하는 스위칭 소자, 상기 스위칭 소자로부터 전달된 상기 입력 전원을 변환하는 변환부, 그리고 상기 스위칭 소자의 일단과 연결되어 상기 스위칭 소자의 온오프 시 출력을 필터링하는 필터링부를 포함하는 전압 공급 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 새로운 필터링 회로를 추가함으로 스위칭 소자의 온오프시 발생하는 노이즈를 현저하게 감쇄시킬 수 있으며, 턴온 시에 리플이 적게 발생할 수 있고, 스위칭 소자가 받는 전압 스트레스를 줄일 수 있다.

도 1은 종래의 전원 공급 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 3은 도 2의 전원 공급 장치의 상세 회로도이다.
도 4는 도 1과 도 3의 회로에 대한 스위칭 소자의 전압을 나타내는 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.

명세서 전체에서, 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.

본 발명은 새로운 구조의 필터링 회로를 포함하는 전원 공급 장치를 제공하여 스위칭 소자의 온오프 시 발생하는 노이즈를 현저히 줄일 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급장치를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 회로도이고, 도 3은 도 2의 전원 공급 장치의 상세 회로도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 전원 공급 장치(100)는 입력 전원(Vin)과 연결되어 제어 신호에 따라 온오프되는 스위칭 소자(Q1) 및 변환부(120)를 포함한다.

상기 스위칭 소자(Q1)는 도 2와 같이 트랜지스터로서 외부로부터의 제어 신호에 따라 제어부(150)에서 턴온 신호를 인가하면, 상기 턴온 신호에 따라 주기적으로 온오프 동작을 수행한다.

상기 스위칭 소자(Q1)가 온오프됨에 따라 변환부(120)에서 에너지를 저장 또는 출력함으로 입력 전원(Vin)을 특정 레벨로 변환하여 출력하게 된다.

이러한 전원 공급 장치는 다양한 토폴로지가 적용될 수 있으며, 본 발명에서는 벅 컨버터를 일 예로 설명한다.

벅 컨버터의 경우, 도 2와 같이 스위칭 소자(Q1)와 직렬 연결되어 있는 제1 인덕터(L1), 제1 인덕터(L1)와 접지 사이에 연결되어 있는 제1 커패시터(C1)를 포함하며, 스위칭 소자(Q1)와 제1 인덕터(L1) 사이의 접점인 제1 노드(n1)과 접지 사이에 제1 다이오드(D1)가 역방향으로 연결되어 있다.

이러한 벅 컨버터는 제어부(150)로부터 턴온 신호가 인가되어 스위칭 소자(Q1)가 턴온 되면, 제1 다이오드(D1)로 전류가 흐르지 않고, 스위칭 소자(Q1), 제1 인덕터(L1) 및 제1 커패시터(C1)를 통해 전류가 흐르게 된다. 이때, 제1 인덕터(L1)를 흐르는 전류에 의해 제1 인덕터(L1)에 에너지가 축적되고 제1 커패시터(C1)를 통해 전류가 증가하면서 흐른다.

다음으로, 스위칭 소자(Q1)가 턴 오프되면, 제1 인덕터(L1)에 축적된 에너지에 의해 제1 인덕터(L1), 제1 커패시터(C1) 및 제1 다이오드(D1)를 통해 전류가 흐르면서 출력 전압을 생성하나, 이러한 출력 전압은 스위칭 소자(Q1)가 턴온될 때까지 감소하게 된다.

이와 같이 주기적으로 스위칭 소자(Q1)를 온오프함으로써 펄스 모양의 전압을 제1 인덕터(L1)와 제1 커패시터(C1)를 통해 평활해 직류 전압을 출력하게 된다.

이러한 벅 컨버터의 경우, 스위칭 소자(Q1)의 온오프 시 발생하는 노이즈를 줄이기 위해 스위칭 소자(Q1)와 제1 커패시터(C1) 사이에 필터링부(100)를 더 포함한다.

상기 필터링부(100)는 도 2와 같이 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 직렬 연결되어 있는 제2 커패시터(C2), 제2 다이오드(D2), 제2 인덕터(L2)를 포함하며, 제2 커패시터(C2)와 제2 다이오드(D2) 사이의 접점과 접지 사이에 역방향으로 연결되어 있는 접지 다이오드(D3)를 더 포함한다.

상기 제2 다이오드(D2)는 제2 커패시터(C2)와 제2 인덕터(L2) 사이에 정방향으로 연결되어 있다.

이와 같이 형성되는 필터링부(100)는 스위칭 소자(Q1)를 통해 스파크, 즉 고주파 노이즈 성분이 유입되면, 이를 제2 커패시터(C2)에 저장하고, 제2 다이오드(D2), 제2 인덕터(L2), 제2 다이오드(D2) 및 접지 다이오드(D3)를 통해 전류가 순환하면서 신호가 감쇄된다.

이때, 제2 커패시터(C2)와 제2 인덕터(L2)를 모두 통과하면서 제2 커패시터(C2)를 통해 앞서게 된 위상이 제2 인덕터(L2)를 통해 지연되어 위상 변동이 상쇄되므로 원래의 위상을 보존할 수 있다.

이와 같이 제2 커패시터(C2), 2개의 다이오드(D2, D3) 및 인덕터(L2)를 통하여 필터링 회로를 구현함으로써 노이즈 성분을 줄임으로 출력 신호를 원활하게 발생할 수 있다.

이러한 전원 공급 장치의 일 예를 도 3을 통해 상세히 설명한다.

도 3을 참고하면, 전원 공급 장치(100)는 입력 전원(Vin)과 연결되어 제어 신호에 따라 온오프되는 스위칭 소자(Q1), 제어부(150) 및 변환부(120)를 포함한다.

상기 스위칭 소자(Q1)는 도 3과 같이 트랜지스터로서 외부로부터의 제어 신호에 따라 제어부(150)에서 턴온 신호를 인가하면, 상기 턴온 신호에 따라 주기적으로 온오프 동작을 수행한다.

상기 스위칭 소자(Q1)가 온오프됨에 따라 변환부(120)에서 에너지를 저장 또는 출력하므로 입력 전원을 특정 레벨로 변환하여 출력하게 된다.

도 3의 경우, 벅 컨버터가 적용된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 스위칭 소자(Q1)와 직렬 연결되어 있는 제1 인덕터(L1), 제1 인덕터(L1)와 접지 사이에 연결되어 있는 제1 커패시터(C1)를 포함하며, 스위칭 소자(Q1)와 제1 인덕터(L1) 사이의 접점과 접지 사이에 제1 다이오드(D1)가 역방향으로 연결되어 있다.

이러한 벅 컨버터는 제어부(150)로부터 턴온 신호가 인가되어 스위칭 소자(Q1)가 턴온 되면, 제1 다이오드(D1)로 전류가 흐르지 않고, 스위칭 소자(Q1), 제1 인덕터(L1) 및 제1 커패시터(C1)를 통해 전류가 흐르게 된다. 이때, 제1 인덕터(L1)를 흐르는 전류에 의해 제1 인덕터(L1)에 에너지가 축적되고 제1 커패시터(C1)를 통해 전류가 증가하면서 흐르게 된다.

다음으로, 스위칭 소자(Q1)가 턴오프되면, 제1 인덕터(L1)에 축적된 에너지에 의해 제1 인덕터(L1), 제1 커패시터(C1) 및 제1 다이오드(D1)를 통해 전류가 흐르면서 출력 전압을 생성하나, 이러한 출력 전압은 스위칭 소자(Q1)가 턴온될 때까지 감소하게 된다.

이와 같이 주기적으로 스위칭 소자(Q1)를 온오프함으로써 펄스 모양의 전압을 제1 인덕터(L1)와 제1 커패시터(C1)를 통해 평활해 직류 전압을 출력하게 된다.

상기 제어부(150)는 도 3과 같이 트랜스포머를 포함할 수 있다.

즉, 도 3과 같이 제어부(150)에 트랜스포머가 형성되는 경우, 1차측에 제어 신호(con)를 수신하고, 상기 제어 신호(con)에 따라 변압하여 2차측으로 스위칭 소자(Q1)의 턴온 신호를 생성할 수 있다.

이와 같이, 제어 신호(con)의 값에 따라 변압된 턴온 신호를 생성하여 스위칭 소자(Q1)를 온오프 할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다양하게 구현 가능하다.

이러한 벅 컨버터의 경우, 스위칭 소자(Q1)의 온오프 시 발생하는 노이즈를 줄이기 위해 스위칭 소자(Q1)와 제1 커패시터(C1) 사이에 필터링부(100)를 더 포함한다.

상기 필터링부(100)는 도 3과 같이 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 직렬 연결되어 있는 제2 커패시터(C2), 제2 다이오드(D2), 제2 인덕터(L2)를 포함하며, 제2 커패시터(C2)와 제2 다이오드(D2) 사이의 접점과 접지 사이에 역방향으로 연결되어 있는 접지 다이오드(D3)를 더 포함한다.

상기 제2 다이오드(D2)는 제2 커패시터(C2)와 제2 인덕터(L2) 사이에 정방향으로 연결되어 있다.

이와 같이 형성되는 필터링부(100)는 스위칭 소자(Q1)를 통해 스파크, 즉 고주파 노이즈 성분이 유입되면, 이를 제2 커패시터(C2)에 저장하고, 제2 다이오드(D2), 인덕터(L2), 다이오드(D2) 및 접지 다이오드(D3)를 통해 전류가 순환하면서 신호가 감쇄된다.

이때, 커패시터(C2)와 인덕터(L2)를 모두 통과하면서 제2 커패시터(C2)를 통해 앞서게 된 위상이 인덕터(L2)를 통해 지연되어 상쇄되므로 원래의 위상을 보존할 수 있다.

구체적으로 도 4를 참고하면, 도 1과 같이 필터링부(100)가 없이 종래의 스너버 회로가 존재하는 경우를 푸른 색으로 도시하였으며, 도 3과 같이 필터링부(100)가 존재하는 경우의 스위칭 소자(Q1)의 출력 값을 붉은 색으로 도시하였다.

도 4와 같이, 스위칭 소자(Q1)의 온오프 시에 발생하는 스파크 노이즈가 붉은 색 그래프가 현저히 낮아지는 것을 관찰할 수 있으며, 리플 또한 많이 감소한 것을 관찰할 수 있다.

이와 같이 커패시터(C2), 2개의 다이오드(D2,D3) 및 인덕터(L2)를 통하여 필터링 회로를 구현함으로써 노이즈 성분을 줄임으로 출력 신호를 원활하게 발생할 수 있다.

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.

필터링부 100
제어부 150
변환부 120

Claims (6)

1. 스위칭 소자, 제1 인덕터, 상기 제1 인덕터와 접지 사이에 연결되는 제1 커패시터 및 상기 스위칭 소자와 상기 제1 인덕터 사이의 접점인 제1 노드와 접지 사이에 역방향으로 연결된 제1 다이오드를 포함하는 벅 컨버터; 및
   상기 스위칭 소자의 일단과 연결되어 상기 스위칭 소자의 온오프 시의 출력을 필터링하는 필터링부를 포함하며,
   상기 필터링부는,
   일단이 상기 제1 노드와 상기 제1 인덕터 사이에 연결되고, 타단이 상기 제1 인덕터와 상기 제1 커패시터 사이의 접점인 제2 노드에 연결되며, 상호 직렬 연결되도록 순차 배치된 제2 커패시터, 제2 다이오드 및 제2인덕터와,
   상기 제2 커패시터 및 상기 제2 다이오드 사이의 접점과 접지 사이에 연결되는 접지 다이오드를 포함하며,
   상기 제2 다이오드는 애노드가 상기 제2 커패시터에 직접 연결되고, 캐소드가 상기 제2 인덕터에 직접 연결되며,
   상기 접지 다이오드는 애노드가 접지에 연결되고, 캐소드가 상기 제2 커패시터와 상기 제2 다이오드 사이의 접점에 연결되며,
   상기 필터링부는,
   상기 스위칭 소자를 통해 고주파 노이즈 성분의 신호가 유입됨에 따라, 상기 고주파 노이즈 성분의 신호를 상기 제2 커패시터에 저장하고, 상기 제2 다이오드, 상기 제2 인덕터 및 상기 접지 다이오드를 통해 전류를 순환시켜 상기 고주파 노이즈 성분의 신호를 감쇄시키는
   전압 공급 장치.
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