KR102195565B1 - 케이블 보상 회로 및 이를 포함하는 전력 공급 장치 - Google Patents

Abstract

케이블 보상 회로는 전력 공급 장치와 부하 사이에 연결되어 있는 케이블의 전압 강하를 보상한다. 상기 케이블 보상 회로는, 상기 전력 공급 장치의 전력 스위치의 온 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고, 상기 전력 스위치의 오프 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 출력 전압에 따르는 전압이 발생하는 노드, 상기 노드의 전압을 필터링 하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 흐르는 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하는 감지 RC 필터, 및 상기 감지 전압을 평균하여 평균 전압을 생성하는 평균 RC 필터를 포함한다.

Description

케이블 보상 회로 및 이를 포함하는 전력 공급 장치{CABLE COMPENSATION CIRCUIT AND POWER SUPPLY COMPRISING THE SAME}

실시 예들은 케이블에 의한 전압 강하(Voltage drop)를 보상하기 위한 케이블 보상 회로 및 이를 포함하는 전력 공급 장치에 관한 것이다. 예를 들어, 케이블 보상 회로는 전력 공급 장치와 배터리 사이에 연결된 케이블에서 발생하는 전압 강하를 보상한다.

충전기(charger)의 출력 커패시터와 배터리 사이에 케이블이 연결된다. 충전기의 출력 전류가 작을 때(부하가 작을 때)는 케이블에 발생하는 전압 강하가 크게 문제되지 않는다. 그러나 출력 전류가 높을 때(부하가 클 때)는 케이블에 발생하는 전압 강하가 증가하여 배터리에 공급되는 전압이 감소한다.

충전기의 출력 전압이 배터리 충전에 적합한 정격 전압으로 제어되고 있지만, 케이블에 의한 전압 강하로 배터리에 공급되는 전압이 정격 전압보다 작아질 수 있다.

케이블에 의한 전압 강하를 보상할 수 있는 케이블 보상 회로 및 이를 포함하는 전력 공급 장치를 제공하고자 한다.

실시 예들은 케이블 보상 회로 및 전력 공급 장치에 관한 것이다. 상기 케이블 보상 회로는 전력 공급 장치와 부하 사이에 연결되어 있는 케이블의 전압 강하를 보상한다.

상기 케이블 보상 회로는, 상기 전력 공급 장치의 전력 스위치의 온 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고, 상기 전력 스위치의 오프 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 출력 전압에 따르는 전압이 발생하는 노드, 상기 노드의 전압을 필터링 하여 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하는 감지 RC 필터, 및 상기 감지 전압을 평균하여 평균 전압을 생성하는 평균 RC 필터를 포함한다.

실시 예에 따라, 전력 공급 장치와 부하 사이에 연결되어 있는 케이블의 전압 강하를 보상하는 회로는, 상기 전력 공급 장치의 전력 스위치의 온 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고, 상기 전력 스위치의 오프 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 출력 전압에 따르는 전압이 발생하는 제1 노드, 상기 노드의 전압을 필터링 하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 흐르는 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하는 감지 RC 필터, 및 상기 감지 전압을 평균하여 평균 전압을 생성하는 평균 RC 필터를 포함한다.

상기 감지 RC 필터는,

상기 제1 노드에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제1 저항, 및 상기 제1 저항의 타단에 연결되어 있는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제1 저항과 상기 제1 커패시터가 연결되는 제2 노드의 전압이 상기 감지 전압이다.

상기 감지 RC 필터는, 상기 제1 커패시터에 병렬 연결되어 상기 감지 전압을 클램핑하는 다이오드를 더 포함한다.

상기 감지 전압의 기울기는 상기 제1 노드의 전압에 기초한 기울기로 변한다. 상기 제1 노드의 전압은 상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 상기 입력 전압에 대응하는 전압이고, 상기 전력 스위치의 턴 오프 기간 동안 상기 출력 전압에 대응하는 전압이다.

상기 평균 RC 필터는, 상기 감지 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제2 저항, 및 상기 제2 저항의 타단에 연결되어 있는 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제2 저항과 상기 제2 커패시터가 연결되는 제3 노드의 전압이 상기 평균 전압이다.

상기 평균 전압 및 상기 부하에 공급되는 부하 전류는 상기 전력 스위치의 듀티 싸이클의 제곱에 비례한다.

실시 예에 따른, 부하와 케이블로 연결된 전력 공급 장치는, 전력 스위치, 상기 부하에 공급되는 출력 전압에 따라 피드백 신호를 생성하는 피드백 회로, 상기 피드백 신호에 따라 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 드라이버, 및 상기 전력 스위치의 온 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고 상기 전력 스위치의 오프 기간 동안 상기 출력 전압에 따르는 제1 전압을 필터링 하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 흐르는 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하고, 상기 감지 전압을 평균하여 상기 평균 전압을 생성하는 케이블 보상 회로를 포함한다.

상기 전력 공급 장치는, 상기 전력 스위치와 상기 입력 전압 사이에 연결되어 있는 1차측 권선 및 상기 출력 전압에 연결되어 있는 2차측 권선을 포함하는 트랜스포머를 더 포함한다. 상기 제1 전압은 상기 2차측 권선의 전압이다.

상기 케이블 보상 회로는, 상기 제1 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제1 저항, 및 상기 제1 저항 타단에 연결되어 있는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제1 저항과 상기 제1 커패시터가 연결되는 노드의 전압이 상기 감지 전압이다.

상기 케이블 보상 회로는, 상기 제1 커패시터에 병렬 연결되어 상기 감지 전압을 클램핑하는 다이오드를 더 포함한다.

상기 감지 전압의 기울기는 상기 제1 전압에 기초한 기울기로 변한다.

상기 제1 커패시터의 전압은 상기 제1 전압, 및 상기 제1 저항과 상기 제1 커패시터의 시정수에 따르고, 상기 제1 커패시터의 전압을 시간에 대해 미분한 결과는 상기 제1 전압에 비례한다.

상기 제1 전압은 상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 상기 입력 전압에 대응하는 전압이고, 상기 전력 스위치의 턴 오프 기간 동안 상기 출력 전압에 대응하는 전압이다.

상기 케이블 보상 회로는, 상기 감지 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제2 저항, 및 상기 제2 저항의 타단에 연결되어 있는 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제2 저항과 상기 제2 커패시터가 연결되는 노드의 전압이다.

상기 전력 공급 장치는, 상기 전력 스위치와 상기 입력 전압 사이에 연결되어 있는 1차측 권선 및 상기 출력 전압에 연결되어 있는 2차측 권선을 포함하는 트랜스포머, 및 상기 2차측 권선에 소정의 권선비로 커플링되어 있는 보조 권선을 더 포함하고, 상기 제1 전압은 상기 보조 권선의 전압이다.

상기 피드백 회로는, 상기 출력 전압에 따라 캐소드로 흐르는 싱크 전류를 제어하는 션트 레귤레이터를 포함하고, 상기 평균 전압에 따라 상기 션트 레귤레이터의 캐소드 임피던스가 변한다.

상기 케이블 보상 회로는, 상기 션트 레귤레이터의 기준단과 상기 평균 전압 사이에 연결되어 있는 저항을 더 포함한다.

실시 예들에 따른 케이블 보상 회로 및 전력 공급 장치는, 부하 전류의 증가를 정확하게 반영하여 부하 전류 증가에 따른 케이블에서의 소비 전력 증가를 보상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 케이블 보상 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 게이트 전압, 2차측 전압, 다이오드 전류, 자화 전류, 감지 전압, 및 평균 전압을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.

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.

이하, 본 발명의 실시 예들에 따른 케이블 보상 회로에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 케이블 보상 회로를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시 예에 따른 케이블 보상 회로(300)는 전력 공급 장치(1)의 2차측에 연결되어 부하에 따라 피드백 회로의 동작을 제어한다.

전력 공급 장치(1)는 커패시터(C1), 트랜스포머(100), 정류 다이오드(D1), 출력 커패시터(C2, C3), 전력 스위치(M), 게이트 드라이버(200), 및 피드백 회로(400)를 포함한다.

입력 전압(Vin)은 커패시터(C1)에 의해 평활되고 트랜스포머(100)의 1차측에 전달된다.

트랜스포머(100)는 1차측 권선(CO1) 및 2차측 권선(CO2)을 포함하고, 트랜스포머의 권선비는 n1:n2(CO1의 권선수 : CO2의 권선수)이다.

1차측 권선(CO1)의 일단은 입력 전압(Vin)이 공급되고, 1차측 권선(CO1)의 타단에는 전력 스위치(M)가 연결되어 있다. 전력 스위치(M)의 온 기간 동안 1차측 권선(CO1)에 저장된 에너지가 전력 스위치(M)의 오프 기간 동안 2차측 권선(CO2)에 전달된다.

전력 스위치(M)의 게이트 전극에는 게이트 드라이버(200)의 출력이 연결되어 있고, 게이트 드라이버(200)로부터 출력되는 게이트 전압(VG)에 따라 스위칭 동작한다. 전력 스위치(M)는 n 채널 타입의 트랜지스터이므로, 하이 레벨의 게이트 전압(VG)에 의해 턴 온되고, 로우 레벨의 게이트 전압(VG)에 따라 턴 오프 된다.

게이트 드라이버(200)는 피드백 신호(FB)에 따라 게이트 전압(VG)을 생성한다. 예를 들어, 게이트 드라이버(200)는 피드백 신호(FB)의 전압이 감소할수록 2차측으로 전달되는 에너지가 감소하도록 게이트 전압(VG)을 생성하고, 피드백 신호(FB)의 전압이 증가할수록 2차측으로 전달되는 에너지가 증가하도록 게이트 전압(VG)을 생성한다.

정류 다이오드(D1)는 2차측 권선(CO2)의 일단과 출력단 사이에 연결되어 있고, 전력 스위치(M)의 오프 기간 동안 도통된다. 2차측에 전달된 전류는 정류 다이오드(D1)를 통해 부하에 전달된다.

본 발명의 실시 예에서는 배터리가 부하의 일 예이다. 전력 공급 장치(1)의 출력단은 케이블(CABLE1, CABLE2)을 통해 배터리에 연결되어 있다. 전력 공급 장치(1)는 배터리에 충전 전류를 공급하는 충전기의 역할을 수행한다. 출력 커패시터(C2, C3)는 전력 공급 장치(1)의 출력단에 병렬로 연결되어 있고, 케이블(1)은 출력 커패시터(C2, C3)의 일단과 배터리의 (+) 단자에 연결되어 있고, 케이블(2)은 출력 커패시터(C2, C3)의 타단(2차측 그라운드)과 배터리의 (-) 단자에 연결되어 있다.

부하 전류(Io)는 출력 커패시터(C2, C3)로부터 부하로 케이블(CABLE1)을 통해 흐른다. 출력 커패시터(C2, C3)는 출력 전압(Vo)의 리플을 감쇄시켜 출력 전압(Vo)을 평활시킨다.

피드백 회로(400)는 출력 전압(Vo)에 대응하는 피드백 신호를 생성한다. 피드백 회로(400)는 옵토커플러(Opto-Coupler)(410), 션트 레귤레이터(420), 4개의 저항(R1-R4), 및 커패시터(C4)를 포함한다. 옵토커플러(410)는 옵토-다이오드(PD) 및 옵토-트랜지스터(PT)를 포함한다.

저항(R1) 및 저항(R2)에 의해 출력 전압(Vo)이 분배되어 기준 전압(VR1)이 생성된다. 션트 레귤레이터(420)는 기준 전압(VR1)이 입력되는 기준단, 옵토-다이오드(PD)의 캐소드에 연결되어 있는 캐소드, 및 그라운드에 연결되어 있는 애노드를 포함한다.

션트 레귤레이터(420)는 기준단의 전압인 기준 전압(VR1)과 애노드의 전압인 그라운드 전압의 차(이하, 션트 레귤레이터(420)의 기준이라 함.)에 따라 싱크 전류를 생성한다. 따라서 출력 전압(Vo)이 증가하면 션트 레귤레이터(420)에 의해 옵토-다이오드(PD)를 통해 싱크되는 전류가 증가하고, 출력 전압(Vo)이 감소하면 션트 레귤레이터(420)에 의해 옵토-다이오드(PD)를 통해 싱크되는 전류가 감소한다.

션트 레귤레이터(420)의 기준단과 캐소드 사이에 직렬 연결되어 있는 커패시터(C4) 및 저항(R3)에 의해 션트 레귤레이터(420)의 게인이 결정된다. 션트 레귤레이터(420)의 게인은 기준단 전압 변화와 캐소드 전압 변화 간의 비이다.

저항(R4)은 출력 전압(Vo)과 옵토-다이오드(PD)의 애노드 전극 사이에 연결되어 있다. 저항(R4)은 션트 레귤레이터(420)의 바이어스(bias) 전류를 공급하고, 동시에 전체 시스템의 게인에 영향을 준다.

본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않고, 션트 레귤레이터(420)에 바이어스 전류를 공급하는 저항은 추가적으로 옵토-커플러((opto-coupler)에 병렬로 존재할 수 있다.

옵토-트랜지스터(PT)에 흐르는 전류는 옵토-다이오드(PD)에 흐르는 전류에 비례한다. 커패시터(CFB)는 옵토-트랜지스터(PT)에 병렬 연결되어 있다. 옵토-다이오드(PD)에 흐르는 전류가 증가할수록 옵토-트랜지스터(PT)에 흐르는 전류가 증가하게 되고, 옵토-트랜지스터(PT)의 전류 증가에 따라 커패시터(CFB)가 방전되고, 피드백 신호(FB)의 전압이 감소한다.

옵토-다이오드(PD)에 흐르는 전류가 감소할수록 옵토-트랜지스터(PT)에 흐르는 전류가 감소하게 되고, 옵토-트랜지스터(PT)의 전류 감소에 따라 커패시터(CFB)가 충전되어, 피드백 신호(FB)의 전압이 증가한다.

부하가 증가할수록 출력 전압(Vo)이 감소하여, 피드백 신호(FB)의 전압이 증가한다. 그러면 게이트 드라이버(200)는 2차측으로 전달되는 에너지를 증가시키는 방향으로 스위칭 동작을 제어한다. 예를 들어, 게이트 드라이버(200)는 게이트 전압(VG)의 온 듀티 싸이클을 증가시킬 수 있다.

부하가 감소할수록 출력 전압(Vo)이 증가하여, 피드백 신호(FB)의 전압이 감소한다. 그러면 게이트 드라이버(200)는 2차측으로 전달되는 에너지를 감소시키는 방향으로 스위칭 동작을 제어한다. 예를 들어, 게이트 드라이버(200)는 게이트 전압(VG)의 온 듀티 싸이클을 감소시킬 수 있다

케이블 보상 회로(300)는 부하 전류(Io)에 따라 션트 레귤레이터(420)의 캐소드 임피던스를 조절한다. 예를 들어, 케이블 보상 회로(300)는 부하 전류(Io)가 증가할수록 션트 레귤레이터(420)의 기준을 감소시켜 션트 레귤레이터(420)의 캐소드 임피던스를 증가시킨다. 그러면 옵토-다이오드(411)에 흐르는 전류가 감소되어, 2차측으로 전달되는 에너지가 증가한다.

즉, 케이블 보상 회로(300)는 션트 레귤레이터(420)의 기준단 전압을 제어하여 피드백 신호(FB)의 전압을 조절할 수 있다.

예를 들어, 케이블 보상 회로(300)는 감지RC 필터(310), 평균 RC 필터(320), 저항(R21), 및 다이오드(D11)를 포함한다. 케이블 보상 회로(300)는, 2차측 전압에 연결된 감지 RC 필터(310)를 통해 다이오드 전류(IL)에 따르는 감지 전압(VS)을 생성하고, 감지 전압(VS)에 연결된 평균 RC 필터(320)를 통해 감지 전압(VS)의 평균 전압(VAV)을 생성한다.

평균 전압(VAV)은 부하 전류(Io)에 정확히 비례하는 값을 가질 수 있다. 평균 전압(VAV)은 저항(R21)을 통해 션트 레귤레이터(420)의 기준단에 전달되고, 기준 전압(VR1)은 출력 전압(Vo) 뿐만 아니라 평균 전압(VAV)에 따라서도 함께 제어된다.

감지 RC 필터(310)는 제1 저항(R11) 및 제1 커패시터(C11)를 포함하고, 다이오드(D11)는 제1 커패시터(C11)에 병렬 연결되어 있다. 제1 저항(R11)의 일단은 제2 권선(CO2)의 일단에 연결되어 있다. 2차측 전압(VSE)은 제2 권선(CO2)의 일단 전압이다.

다이오드(D11)는 커패시터(C11)의 전압을 클램핑 시킨다. 예를 들어, 커패시터(C11)의 충전 전압이 다이오드(D11)의 포워드 전압만큼 상승하면 다이오드(D11)이 도통되어, 커패시터(C11)의 전압이 포워드 전압보다 높지 않도록 클램핑 시킨다. 그러면, 감지 전압(VS)의 리플 전압을 평행 이동시켜 양의 부분에 존재하지 않고, 음의 부분에 존재하도록 만들어 준다.

제1 저항(R11)의 타단은 제1 커패시터(C11)의 일단 및 다이오드(D11)의 애노드에 연결되어 있다. 제1 커패시터(C11)의 타단 및 다이오드(D11)의 캐소드는 2차측 그라운드에 연결되어 있다. 제1 저항(R11)의 타단 및 제1 커패시터(C11)의 일단이 연결되는 노드의 전압이 감지 전압(VS)이다.

평균 RC 필터(320)는 제2 저항(R12) 및 제2 커패시터(C12)을 포함한다. 제2 저항(R12)의 일단은 감지 전압(VS)에 연결되어 있고, 제2 저항(R12)의 타단은 저항(R21)의 일단 및 제2 커패시터(C12)의 일단에 연결되어 있다.

저항(R21)의 타단은 션트 레귤레이터(420)의 기준단에 연결되어 있고, 제2 커패시터(C12)의 타단은 2차측 그라운드에 연결되어 있다. 제2 저항(R12)의 타단 및 제2 커패시터(C12)의 일단이 연결된 노드의 전압이 평균 전압(VAV)이다.

저항(R21)을 통해 부하 전류(Io)를 나타내는 평균 전압(VAV)이 션트 레귤레이터(420)의 기준단에 전달된다. 그러면, 션트 레귤레이터(420)는 부하 전류(Io)에 대해서 저항(R21)의 크기에 따르는 비율로 게이트 드라이버(200)를 조절할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 게이트 전압, 2차측 전압, 다이오드 전류, 자화 전류, 감지 전압, 및 평균 전압을 나타낸 도면이다.

자화 전류(Im)는 다이오드 전류(IL)와 동일한 파형으로 권선비(n1:n2, n1/n2)에 따라 그 스케일이 다를 뿐이다. 이하, 권선비 n1/n2를 n으로 나타낸다.

아울러, 도 2에서는 설명의 편의를 위해 부하 증가 전 및 후의 게이트 전압, 2차측 전압, 다이오드 전류, 자화 전류, 감지 전압, 및 평균 전압이 겹쳐서 도시된 구간이 있다.

부하 증가 전의 다이오드 전류(IL1)에 대응하는 자화 전류(Im)는 점선으로 도시되어 있고, 부하 증가 후의 다이오드 전류(IL2)에 대응하는 자화 전류(Im)는 실선으로 도시되어 있다.

아울러, 도 2에서 부하 증가 전의 게이트 전압(VG), 2차측 전압(VSE), 감지 전압(VS), 및 평균 전압(VAV)은 점선으로 도시되어 있다. 이하, 부하 증가 전의 게이트 전압(VG)은 VG1이고, 2차측 전압(VSE)은 VSE1이며, 감지 전압(VS)은 VS1이고, 및 평균 전압(VAV)은 VAV1이다. 부하 증가 후의 게이트 전압(VG)은 VG2이고, 2차측 전압(VSE)은 VSE2이며, 감지 전압(VS)은 VS2이고, 및 평균 전압(VAV)은 VAV2이다.

부하의 증가로 인해 전력 스위치(M)의 듀티 싸이클이 증가한다. 도 2에서 증가된 전력 스위치(M)의 듀티 싸이클은 부하의 증가와 부하의 증가에 따른 케이블에서의 전압 강하 보상을 고려한 듀티 싸이클인 것으로 설정한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 게이트 전압(VG1)은 시점 T1에 하이 레벨로 상승하고, 시점 T12에 로우 레벨로 하강한다. 게이트 전압(VG2)은 시점 T1에 하이 레벨로 상승하고, 시점 T2에 로우 레벨로 하강한다. 부하 증가 전의 듀티 싸이클에서는 전력 스위치(M)의 온-기간이T1-T12(제1 온-기간)이고, 부하 증가 후의 듀티 싸이클에서는 전력 스위치(M)의 온-기간이 T1-T2(제2 온-기간)이다.

듀티 싸이클 증가에 의해 자화 전류(Im)는 점선으로 도시된 파형(IL1/n)에서 실선으로 도시된 파형(IL2/n)과 같이, 자화 전류(Im)가 흐르는 시간 및 자화 전류(Im)의 피크가 증가한다.

다이오드 전류(IL)(또는 자화 전류(Im))는 전력 스위치(M)의 온-기간동안 증가하고, 오프-기간 동안 감소하는 삼각파이다.

본 발명의 실시 예에 따른 감지 전압(VS)은 다이오드 전류(IL)에 따라 선형적으로 변하는 전압으로 감지 RC 필터(310)를 통해 생성된다. 즉, 다이오드 전류(IL)의 증가에 따라 감지 전압(VS)의 삼각파(triangle waveform)의 음의 피크와 삼각파의 발생 폭 역시 증가한다.

구체적으로, 감지 RC 필터(310)의 제1 저항(R11) 및 제1 커패시터(C11)에 따라 RC 시정수(RC time constant)가 결정된다.

제1 커패시터(C11)의 전압은 RC 시정수에 따르는 지수 곡선(exponential curve)을 따라 변한다. 이 때, 감지 RC 필터(310)에 전압이 공급되기 시작한 시점부터 소정의 기간동안은, 제1 커패시터(C11)의 전압이 감지 RC 필터(310)에 공급되는 전압에 비례하여 변한다.

본 발명의 실시 예에서 전력 스위치(M)의 스위칭 주기는 짧은 기간으로, 스위칭 주기동안 감지 RC 필터(310)는 2차측 전압(VSE)에 비례하여 변하는 감지 전압(VS)을 생성할 수 있다.

수학식 1은 감지 RC 필터(310)에 공급되는 전압(VA)과 제1 커패시터(C11)의 전압을 시간의 함수로 나타내고 있다.

[수학식 1]

Vc(t)는 시간에 따른 제1 커패시터(C11)의 전압이고, R11*C11는 제1 커패시터(C11)의 커패시턴스와 제1 저항(R11)의 저항 값을 곱한 값이다.

수학식 1을 미분하여 시작점에서의 지수 커브(exponential curve)의 기울기를 구하면, 수학식 2와 같이 감지 RC 필터(310)에 공급되는 전압(VA)에 비례하는 것을 알 수 있다.

[수학식 2]

본 발명의 실시 예에서 감지 RC 필터(310)에 공급되는 전압은 2차측 전압(VSE)이다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 감지 RC 필터(310)는 2차측 전압(VSE)에 따르는 기울기로 변한다. 즉, 2차측 전압(VSE)이 변하면 감지 전압(VS)의 기울기도 변한다.

예를 들어, 2차측 전압(VSE)은 전력 스위치(M)의 턴 온 기간(온-기간) 동안 입력 전압(Vin)을 권선비 n으로 나눈 음의 전압이고, 턴 오프 기간(오프-기간) 중 다이오드 전류(IL)가 흐르는 기간 동안 출력 전압(Vo)에 따르는 양의 전압이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 감지 전압(VS)은 온-기간 동안 음의 기울기로 감소하고, 오프-기간 동안 양의 기울기로 증가하다가 다이오드(D11) 의 포워드 전압 강하가 영이라고 가정하면, 영에 도달하여 영전압으로 유지되는 파형을 가진다. 그러면, 감지 전압(VS)은 다이오드 전류(IL)에 따라 변하는 파형을 가지게 된다.

예를 들어, 점선으로 도시된 감지 전압(VS1)은 다이오드 전류(IL1)에 따라 변하는 삼각파를 나타낸 것이다. 이때, 감지 전압(VS1)은 다이오드 전류(IL1)의 극성과 반대이다. 즉, 다이오드 전류(IL1)가 증가할 때, 감지 전압(VS1)은 음 전압 레벨에서 음의 기울기로 감소하고(감지 전압(VS1)의 절대값은 증가하고), 다이오드 전류(IL1)가 감소할 때, 감지 전압(VS1)은 음 전압 레벨에서 양의 기울기로 증가한다(감지 전압(VS1)의 절대값은 감소한다.)

부하 증가 전 2차측 전압(VSE1)은 제1 온-기간T1-T12 동안 입력 전압(Vin)을 권선비 n으로 나눈 음의 전압(-Vin/n)이고, 전력 스위치(M)가 턴 오프된 시점 T12에 출력 전압(Vo)으로 상승하여, 다이오드 전류(IL1)가 흐르는 기간 동안 유지된다. 시점 T23에 다이오드 전류(IL1)가 영이 되고, 2차측 전압(VSE)도 영 전압이 된다.

2차측 전압(VSE1)이 감지 RC 필터(310)를 통과함으로써, 시점 T1부터 감지 전압(VS1)은 감소하기 시작하고, 제1 온-기간 T1-T12 동안, 감지 전압(VS1)이 음의 기울기로 감소한다.

시점 T12부터 감지 전압(VS1)은 증가하기 시작하고, 시점 T23에 영전압에 도달한다.

제1 온-기간 T1-T12를 따를 때, 평균 전압(VAV1)은 음의 전압으로 감지 전압(VSE1)이 제2 필터(320)에 의해 필터링되어 생성되는 평균 전압이다.

부하의 증가로 듀티 싸이클이 증가하여, 제2 온-기간 T1-T2 동안 전력 스위치(M)가 턴 온 된다.

2차측 전압(VSE2)은 -Vin/n으로 온-기간 T1-T2 동안 유지되고, 시점 T2에 출력 전압(Vo)로 상승하며, 다이오드 전류(IL2)가 영이 되는 시점 T3에 영전압이 된다.

음 전압 레벨에서 감지 전압(VS2)은 시점 T1부터 시점 T2까지 음의 기울기로 감소하고, 시점 T2부터 시점 T3까지 양의 기울기로 증가한다. 감지 전압(VS1)의 최저치 h1보다 감지 전압(VS2)의 최저치 h2가 더 낮다(절대값이 더 높다).

제2 온-기간 T1-T2를 따를 때, 평균 전압(VAV2)은 음의 전압으로 감지 전압(VS2)이 제2 필터(320)에 의해 필터링되어 생성되는 평균 전압이다.

부하 전류(Io)는 듀티 싸이클의 제곱에 비례하고, 평균 전압(VAV) 역시 듀티 싸이클의 제곱에 비례하므로, 평균 전압(VAV)은 부하 전류(Io)를 그대로 추종하게 된다.

수학식 3은 본 발명의 실시 예에 따른 부하 전류를 나타내고 있다.

[수학식 3]

Ipk는 전력 스위치(M)에 흐르는 피크 전류이고, d는 듀티 싸이클이고, Ts는 스위칭 주기이며, Lm은 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)이고, w는 2차측 다이오드(D1)의 턴-온 시간이며, n은 권선비(n1/n2), Vo는 출력전압이다.

도 2에는 부하 증가 전의 피크 전류 Ipk1 및 부하 증가 후의 피크 전류 Ipk2가 도시되어 있다.

수학식 4는 본 발명의 실시 예에 따른 평균 전압을 나타낸 수학식이다.

[수학식 4]

h는 감지 전압(VS) 삼각파형의 피크이다. 도 2에는, 부하 증가 전의 감지 전압(VS)의 피크h1 및 부하 중가 후의 감지 전압(VS)의 피크 h2가 도시되어 있다.

수학식 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 부하 전류(Io) 및 평균 전압(VAV)은 듀티 싸이클(d)의 제곱에 비례한다. 그래서 본 발명의 실시 예는 부하 전류(Io)의 변화를 평균 전압(VAV)이 정확하게 반영할 수 있다.

션트 레귤레이터(420)의 기준단 전압이 평균 전압(VAV)에 따르므로, 피드백 전압(FB)은 부하 변화에 따른 출력 전압(Vo)의 변화와 함께, 부하 전류(Io)의 변화가 반영되어 결정된다.

그러면, 부하 전류(Io)의 증가에 따라 케이블에서 발생하는 전압 강하가 반영되어 출력 전압(Vo)이 제어될 수 있다.

예를 들어, 부하 전류(Io)의 증가에 따라 평균 전압(VAV)이 VAV1에서 더 낮은VAV2로 변경되고, 션트 레귤레이터(420)의 기준단 전압이 더 낮아진다. 그러면, 션트 레귤레이터(420)를 통해 흐르는 전류가 감소하여 피드백 전압(VFB)이 더 상승한다.

그러면 게이트 드라이버(200)는 전력 스위치(M)의 듀티 싸이클을 부하 증가에 따른 케이블에서의 전압 강하를 보상할 수 있는 폭으로 증가시킨다. 그 이후에 부하의 증가가 없다면 듀티 싸이클은 유지된다.

본 발명의 실시 예에서는 감지 RC 필터가 2차측 전압을 이용하여 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하였으나, 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예에 따른 케이블 보상 회로는 전력 스위치의 온-기간 동안 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고, 전력 스위치의 오프-기간 동안 전력 공급 장치의 출력 전압에 따르는 전압을 이용하여 감지 전압을 생성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 케이블 보상 회로(300')는 앞서 설명한 실시 예에 비해 2차측 전압(VSE) 대신 보조 권선(CO3)의 보조 전압(VAUX)을 사용한다. 보조 권선(CO3)은 2차측에 위치하고, 2차측 권선(CO2)와 소정의 권선비 n3/n2로 커플링되어 있다.

따라서 본 발명의 다른 실시 예에서의 권선비 n은 n1/n3(1 차측 권선(CO1)의 권선수/보조 권선(CO3)의 권선수)이 된다.

보조 전압(VAUX)은 2차측 전압(VSE)에 권선비 n3/n2를 곱한 전압이므로, 2차측 전압(VSE)과 비교해 그 스케일이 다를 뿐 파형은 동일한다.

예를 들어, 2차측 전압(VSE)의 레벨이 부하 전류(Io)를 감지하는데 충분하지 않을 때, 보조 전압(VAUX)을 이용할 수 있다.

케이블 보상 회로(300')는 감지 RC 필터(330) 및 평균 RC 필터(340)를 포함한다.

감지 RC 필터(330)는 보조 전압(VAUX)을 필터링하여 다이오드 전류(IL)에 따르는 감지 전압(VS')을 생성한다. 이 때, 감지RC 필터(330)의 동작은 감지 RC 필터(310)와 동일하다. 즉, RC 필터의 입력 전압인 보조 전압(VAUX)에 따르는 기울기를 가지는 삼각파인 감지 전압(VS')을 생성한다.

감지 RC 필터(330)는 제3 저항(R13) 및 제3 커패시터(C13)을 포함한다. 제3 저항(R13)의 일단은 보조 권선(CO3)의 일단에 연결되어 있고, 제3 저항(R13)의 타단은 제3 커패시터(C13)의 일단에 연결되어 있으며, 제3 커패시터(C13)의 타단은 2차측 그라운드에 연결되어 있다.

다이오드(D12)는 앞선 실시 예와 동일하게 제3 저항(R13)의 타단과 2차측 그라운드 사이에 연결되어 있다.

평균 RC 필터(340) 역시 앞선 실시 예의 평균 RC 필터(320)과 같이 감지 전압(VS')의 평균 전압(VAV')을 생성한다.

평균 RC 필터(340)는 제4 저항(R14) 및 제4 커패시터(C14)을 포함한다. 제4 저항(R14)의 일단은 감지 전압(VS)에 연결되어 있고, 제4 저항(R14)의 타단은 저항(R22)의 일단 및 제4 커패시터(C14)의 일단에 연결되어 있다.

저항(R22)의 타단은 션트 레귤레이터(420)의 기준단에 연결되어 있고, 제4 커패시터(C14)의 타단은 2차측 그라운드에 연결되어 있다. 제4 저항(R14)의 타단 및 제4 커패시터(C14)의 일단이 연결된 노드의 전압이 평균 전압(VAV')이다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예들은 부하 전류의 증가를 정확하게 반영하여 부하 전류 증가에 따른 케이블에서의 소비 전력 증가를 보상할 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.

전력 공급 장치(1),
커패시터(C1, C4, C11, C12, C13, C14)
트랜스포머(100)
케이블 보상 회로(300, 300)
정류 다이오드(D1), 출력 커패시터(C2, C3), 전력 스위치(M)
게이트 드라이버(200), 피드백 회로(400), 1차측 권선(CO1)
2차측 권선(CO2)
보조 권선(CO3)
옵토커플러(Opto-Coupler)(410)
션트 레귤레이터(420)
저항(R1-R3, R11-R14, R21-R22)
옵토-다이오드(PD), 옵토-트랜지스터(PT)
다이오드(D11-D12)

Claims (22)

1. 전력 공급 장치와 부하 사이에 연결되어 있는 케이블의 전압 강하를 보상하는 케이블 보상 회로에 있어서,
   상기 전력 공급 장치의 전력 스위치의 온 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고, 상기 전력 스위치의 오프 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 출력 전압에 따르는 전압이 발생하는 제1 노드,
   상기 제1 노드의 전압을 필터링 하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 흐르는 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하는 감지 저항-커패시터(RC) 필터, 및
   상기 감지 전압의 전압 값을 평균하여 평균 전압을 생성하는 평균 RC 필터를 포함하고,
   상기 감지 RC 필터는,
   상기 제1 노드에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제1 저항,
   상기 제1 저항의 타단에 연결되어 있는 제1 커패시터, 및
   상기 제1 커패시터에 병렬 연결되어 상기 감지 전압을 포워드 전압으로 클램핑하는 클램핑 다이오드를 포함하고,
   상기 제1 저항과 상기 제1 커패시터가 연결되는 제2 노드의 전압이 상기 감지 전압인, 케이블 보상 회로.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 노드는 트랜스포머의 2차측 권선의 노드이고,
   상기 전력 스위치는 상기 트랜스포머의 1차측 권선에 연결되어 있으며,
   상기 전력 스위치의 스위칭은 상기 감지 전압의 기울기가 상기 제1 노드의 전압에 따라 변하도록 하는, 케이블 보상 회로.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 부하와 케이블로 연결된 전력 공급 장치에 있어서,
   전력 스위치,
   상기 부하에 공급되는 출력 전압에 따라 피드백 신호를 생성하는 피드백 회로,
   상기 피드백 신호에 따라 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 드라이버,
   상기 전력 스위치의 온 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고 상기 전력 스위치의 오프 기간 동안 상기 출력 전압에 따르는 제1 전압을 필터링 하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 흐르는 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하고, 상기 감지 전압의 전압 값을 평균하여 상기 평균 전압을 생성하는 케이블 보상 회로, 및
   상기 전력 스위치와 상기 입력 전압 사이에 연결되어 있는 1차측 권선 및 상기 출력 전압에 연결되어 있는 2차측 권선을 포함하는 트랜스포머를 포함하고,
   상기 제1 전압은 상기 2차측 권선의 전압이며,
   상기 케이블 보상 회로는,
   상기 제1 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제1 저항,
   상기 제1 저항 타단에 연결되어 있는 제1 커패시터, 및
   상기 제1 커패시터에 병렬 연결되어 상기 감지 전압을 포워드 전압으로 클램핑하는 클램핑 다이오드를 포함하고,
   상기 제1 저항과 상기 제1 커패시터가 연결되는 노드의 전압이 상기 감지 전압인 전력 공급 장치.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제8항에 있어서,
    상기 감지 전압의 기울기는 상기 제1 전압에 기초한 기울기에 따라 변하는,
    전력 공급 장치.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 부하와 케이블로 연결된 전력 공급 장치에 있어서,
    전력 스위치,
    상기 부하에 공급되는 출력 전압에 따라 피드백 신호를 생성하는 피드백 회로,
    상기 피드백 신호에 따라 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 드라이버,
    상기 전력 스위치의 온 기간 동안 상기 전력 공급 장치의 입력 전압에 따르고 상기 전력 스위치의 오프 기간 동안 상기 출력 전압에 따르는 제1 전압을 필터링 하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 흐르는 다이오드 전류에 따르는 감지 전압을 생성하고, 상기 감지 전압의 전압 값을 평균하여 상기 평균 전압을 생성하는 케이블 보상 회로, 및
    트랜스포머를 포함하고,
    상기 트랜스포머는,
    상기 전력 스위치와 상기 입력 전압 사이에 연결되어 있는 1차측 권선 및 상기 출력 전압에 연결되어 있는 2차측 권선, 및
    상기 2차측 권선에 소정의 권선비로 커플링되어 있는 보조 권선을 포함하며,
    상기 제1 전압은 상기 보조 권선의 전압이고,
    상기 케이블 보상 회로는,
    상기 제1 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제1 저항,
    상기 제1 저항 타단에 연결되어 있는 제1 커패시터, 및
    상기 제1 커패시터에 병렬 연결되어 상기 감지 전압을 포워드 전압으로 클램핑하는 클램핑 다이오드를 포함하고,
    상기 제1 저항과 상기 제1 커패시터가 연결되는 노드의 전압이 상기 감지 전압인, 전력 공급 장치.
    
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