KR102489593B1

KR102489593B1 - 전원 공급부와 이를 이용한 표시장치

Info

Publication number: KR102489593B1
Application number: KR1020160067775A
Authority: KR
Inventors: 최형진; 이상욱
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2023-01-19
Also published as: KR20170015843A

Abstract

본 발명은 스위칭으로 인한 효율 손실 및 효율 저하 문제를 해결하고, 출력 전압 가변 시간의 한계 극복하고, 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 하여 빠른 전압 변동이 가능한 전원 공급부와 이를 이용한 표시장치를 제공하는 것이다. 전원 공급부는 제1직류전원 변환부와 제2직류전원 변환부를 갖는다. 제2직류전원 변환부는 양방향 전력 전달이 가능한 병렬 스테이지 형태로 제1직류전원 변환부에 접속된다.

Description

전원 공급부와 이를 이용한 표시장치{Power Supply Device and Display Device using the same}

본 발명은 전원 공급부와 이를 이용한 표시장치에 관한 것이다.

정보화 기술이 발달함에 따라 사용자와 정보간의 연결 매체인 표시장치의 시장이 커지고 있다. 이에 따라, 유기전계발광표시장치(Organic Light Emitting Display: OLED), 양자점표시장치(Quantum Dot Display; QDD), 액정표시장치(Liquid Crystal Display: LCD) 및 플라즈마표시장치(Plasma Display Panel: PDP) 등과 같은 표시장치의 사용이 증가하고 있다.

앞서 설명한 표시장치 중 일부 예컨대, 액정표시장치나 유기전계발광표시장치에는 매트릭스 형태로 배치된 복수의 서브 픽셀을 포함하는 표시패널, 표시패널을 구동하는 구동 신호를 출력하는 구동부 및 표시패널 또는 구동부에 공급할 전원을 생성하는 전원 공급부 등이 포함된다.

구동부에는 표시패널에 스캔신호(또는 게이트신호)를 공급하는 스캔구동부 및 표시패널에 데이터신호를 공급하는 데이터 구동부 등이 포함된다. 위와 같은 표시장치는 표시패널에 형성된 서브 픽셀들에 구동 신호 예컨대, 스캔신호 및 데이터신호 등이 공급되면, 선택된 서브 픽셀이 발광을 하게 됨으로써 영상을 표시할 수 있게 된다.

앞서 설명한 표시장치 중 일부는 출력 전압이 고정된 LLC 하프 브릿지 직류-직류 변환부(LLC Half Bridge DC-DC Converter)와 출력 전압을 가변할 수 있는 싱크로너스 벅 변환부(Synchronous Buck Converter)가 직렬로 연결된 전원 공급부를 기반으로 표시장치를 구현한다. 그런데 앞서 설명한 바와 같은 전원 공급부는 시스템 전체의 효율(효율 손실 발생)이 저하되는 문제가 있어 이의 개선이 요구된다.

상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 스위칭으로 인한 효율 손실 및 효율 저하 문제를 해결하고, 출력 전압 가변 시간의 한계를 극복하고, 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 하여 빠른 전압 변동이 가능한 전원 공급부와 이를 이용한 표시장치를 제공하는 것이다.

상술한 과제 해결 수단으로 본 발명은 제1직류전원 변환부와 제2직류전원 변환부를 포함하는 전원 공급부를 제공한다. 제1직류전원 변환부는 외부로부터 공급된 제1차직류전압을 변환하여 제2차직류전압으로 출력하기 위한 메인 트랜스포머를 갖는다. 제2직류전원 변환부는 제2차직류전압을 변환하여 제3차직류전압으로 출력하기 위한 펌프 트랜스포머를 갖는다. 제2직류전원 변환부는 양방향 전력 전달이 가능한 병렬 스테이지 형태로 제1직류전원 변환부에 접속된다.

펌프 트랜스포머의 제1차권선 측은 메인 트랜스포머의 제2차권선 측에 병렬 스테이지 형태로 접속될 수 있다.

제1직류전원 변환부는 고전위전압 출력라인에 위치하는 출력 커패시터를 포함하고, 제2직류전원 변환부는 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측에 위치하는 탱크 커패시터를 포함하고, 제2직류전원 변환부는 출력 커패시터와 탱크 커패시터 사이에서 양방향 전력 전달을 하는 펌프 스위치들을 포함할 수 있다.

펌프 스위치들은 전압 평형 상태에서만 ZVS(Zero Voltage Switching)할 수 있다.

펌프 스위치들 중 적어도 하나의 듀티가 증가하면 탱크 커패시터의 전압 충전으로 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인을 통한 출력 전압은 감소하고, 펌프 스위치들 중 적어도 하나의 듀티가 감소하면 탱크 커패시터의 전압 방전으로 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인을 통한 출력 전압은 증가할 수 있다.

제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수를 변경하는 메인 제어부와, 제2직류전원 변환부의 전압 가변 속도를 조절하며 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수를 가변하는 전압 변경 신호를 출력하는 펌프 제어부를 갖는 전원 제어부를 더 포함할 수 있다.

제2직류전원 변환부는 메인 트랜스포머의 제2차권선 측의 제5단자에 제1차권선 측의 제1단자가 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인에 제1차권선 측의 제2단자가 연결된 펌프 트랜스포머와, 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제4단자에 애노드전극이 연결되고 탱크 커패시터의에 캐소드전극이 연결된 펌프 다이오드와, 펌프 다이오드의 캐소드전극에 일단이 연결되고 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인 및 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제3단자에 타단이 연결된 탱크 커패시터와, 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인에 일단이 연결된 펌프 인덕터와, 펌프 제어부의 제1출력단에 게이트전극이 연결되고 펌프 인덕터의 타단에 제1전극이 연결되고 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인 및 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제3단자에 제2전극이 연결된 제1펌프 스위치와, 펌프 제어부의 제2출력단에 게이트전극이 연결되고 펌프 인덕터의 타단에 제1전극이 연결되고 펌프 다이오드의 캐소드전극 및 탱크 커패시터의 일단에 제2전극이 연결된 제2펌프 스위치를 포함할 수 있다.

제1직류전원 변환부의 출력부와 제2직류전원 변환부의 입력부 사이에 위치하는 브릿지 스위치를 더 포함하고, 브릿지 스위치는 전압 평형 상태에서 제1직류전원 변환부와 제2직류전원 변환부 간의 전기적인 분리를 위해 턴오프될 수 있다.

펌프 인덕터의 일단에 제1전극이 연결되고 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인에 제2전극이 연결되고 펌프 제어부에 제어전극이 연결된 브릿지 스위치를 더 포함하고, 브릿지 스위치는 펌프 제어부로부터 출력된 브릿지 스위치 제어신호에 대응하여 턴온 또는 턴오프될 수 있다.

펌프 제어부는 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수 변경을 위한 참조전압을 메인 제어부에 공급하고, 제1직류전원 변환부의 출력 전압이 가변되면 마이너스 익스포넨셜 함수 형태를 띠는 전압 또는 마이너스 익스포넨셜 함수 형태를 갖되, 계단 형태를 띠는 스텝 전압으로 참조전압을 변경할 수 있다.

다른 측면에서 본 발명은 표시패널과 전원 공급부를 포함하는 표시장치를 제공한다. 표시패널은 영상을 표시한다. 전원 공급부는 표시패널을 구동하는 장치에 필요한 전원을 출력한다. 전원 공급부는 제1직류전원 변환부와 제2직류전원 변환부를 포함한다. 제1직류전원 변환부는 외부로부터 공급된 제1차직류전압을 변환하여 제2차직류전압으로 출력하기 위한 메인 트랜스포머를 갖는다. 제2직류전원 변환부는 제2차직류전압을 변환하여 제3차직류전압으로 출력하기 위한 펌프 트랜스포머를 갖는다. 제2직류전원 변환부는 양방향 전력 전달이 가능한 병렬 스테이지 형태로 제1직류전원 변환부에 접속된다.

본 발명은 펌프 스위치들이 출력 전압을 가변하는 순간에만 동작을 하고 전압 평형 상태에서는 소모되는 전력이 없기 때문에 효율 저하 문제를 해결할 수 있다. 또한, 본 발명은 하드 스위칭 구간이 매우 짧기 때문에 스위칭으로 인한 효율 손실을 저감할 수 있다. 또한, 본 발명은 출력 전압 가변 시간의 한계 극복 및 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 할 수 있다. 또한, 본 발명은 피드백신호 및 스위칭 듀티비(Boost Switch Duty ratio)의 가변에 의거 출력단의 효율 손실을 방지하면서도 빠른 전압 변동이 가능하다. 또한, 본 발명은 위와 같은 구동 특성 및 성능을 가지고 있기 때문에, 고전위전압을 빠르게 가변해야 하는 표시장치에 적용시 더욱 큰 효과를 발현할 수 있다. 또한, 본 발명은 빠른 전압 가변과 안정적인 출력을 유지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 빠르고 안정적인 전압 가변을 위해 참조전압을 특정 함수의 형태로 가변시키고, 전압 평형 상태에서만 펌프 회로와 메인 회로를 전기적으로 분리하여 이들 간의 기생 공진을 제거 또는 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 표시장치를 개략적으로 나타낸 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 서브 픽셀을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 3은 실험예에 따른 전원 공급부의 개략적인 이해를 돕기 위한 블록도.
도 4는 실험예에 추가된 싱크로너스 벅 변환부의 스위칭 동작에 따른 효율 손실을 설명하기 위한 파형도.
도 5는 제1실시예에 따른 전원 공급부의 개략적인 이해를 돕기 위한 블록도.
도 6은 제1실시예에 추가된 회로부의 스위칭 동작에 따른 효율 개선을 설명하기 위한 파형도.
도 7은 제1실시예에 추가된 회로부의 동작에 따른 양방향 전력 전달 체계를 설명하기 위한 파형도.
도 8은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 일부를 보여주는 회로 구성도.
도 9는 전원 제어부의 일부를 보여주는 회로 구성도.
도 10 및 도 11은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 동작을 설명하기 위한 회로 구성도들.
도 12는 제3전원 변환부의 스위치 동작과 참조전압의 관계를 보여주는 파형도.
도 13 및 도 14는 풀로드 상태에서의 전압 변경시 전원 공급부의 구동 특성을 설명하기 위한 파형도들.
도 15 및 도 16은 전압 하강 및 전안 상승시 전원 공급부의 구동 특성을 설명하기 위한 파형도들.
도 17은 제2실시예에 따른 전원 공급부의 일부를 보여주는 회로 구성도.
도 18은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 출력 전압 가변 동작시의 개선점을 간략히 설명하기 위한 블록도.
도 19는 제2실시예에 따른 전원 제어부의 일부를 보여주는 회로 구성도.
도 20은 제1 및 제2실시예 간의 차이점을 보여주는 파형도.
도 21 및 도 22는 제2실시예에 따라 RC 지연을 감소시키기 위한 참조전압의 가변전압 파형을 나타낸 예시도들.
도 23 및 도 24는 제1실시예 및 제2실시예에 따른 전원 공급부의 주요 제어 특징을 비교 설명하기 위한 파형도들.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 표시장치는 텔레비젼, 셋톱박스, 네비게이션, 영상 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈시어터 및 모바일폰 등으로 구현된다. 표시장치의 표시패널은 액정표시패널, 유기발광표시패널, 전기영동표시패널, 플라즈마표시패널 등이 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다만, 이하의 설명에서는 설명의 편의를 위해 유기전계발광표시장치를 일례로 설명한다.

도 1은 표시장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 서브 픽셀을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 표시장치에는 영상 공급부(110), 타이밍 제어부(120), 스캔 구동부(130), 데이터 구동부(140), 표시패널(150) 및 전원 공급부(180)가 포함된다.

영상 공급부(110)는 데이터신호를 영상처리하고 수직 동기신호, 수평 동기신호, 데이터 인에이블 신호 및 클럭신호 등과 함께 출력한다. 영상 공급부(110)는 LVDS(Low Voltage Differential Signaling) 인터페이스나 TMDS(Transition Minimized Differential Signaling) 인터페이스 등을 통해 수직 동기신호, 수평 동기신호, 데이터 인에이블 신호, 클럭신호 및 데이터신호 등을 타이밍 제어부(120)에 공급한다.

타이밍 제어부(120)는 영상 공급부(110)로부터 데이터신호(DATA) 등을 공급받고, 스캔 구동부(130)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 게이트 타이밍 제어신호(GDC)와 데이터 구동부(140)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 데이터 타이밍 제어신호(DDC)를 출력한다.

타이밍 제어부(120)는 통신 인터페이스를 통해 게이트 타이밍 제어신호(GDC)와 데이터 타이밍 제어신호(DDC) 등과 함께 데이터신호(DATA)를 출력하며, 스캔 구동부(130)와 데이터 구동부(140)의 동작 타이밍을 제어한다.

스캔 구동부(130)는 타이밍 제어부(120)로부터 공급된 게이트 타이밍 제어신호(GDC)에 응답하여 로직하이의 게이트전압을 스캔신호(또는 게이트신호)로 출력한다. 스캔 구동부(130)에는 레벨 시프터와 시프트 레지스터가 포함된다.

스캔 구동부(130)는 스캔라인들(GL1 ~ GLm)을 통해 표시패널(150)에 포함된 서브 픽셀들(SP)에 스캔신호를 공급한다. 스캔 구동부(130)는 집적회로(Integrated Circuit; IC) 형태로 형성되거나 표시패널(150)에 게이트인패널(Gate In Panel) 방식으로 형성된다. 스캔 구동부(130)에서 게이트인패널 방식으로 형성되는 부분은 시프트 레지스터이다.

데이터 구동부(140)는 타이밍 제어부(120)로부터 공급된 데이터 타이밍 제어신호(DDC)에 응답하여 데이터신호(DATA)를 샘플링하고 래치하며 감마 기준전압에 대응하여 디지털신호를 아날로그신호로 변환하여 출력한다.

데이터 구동부(140)는 데이터라인들(DL1 ~ DLn)을 통해 표시패널(150)에 포함된 서브 픽셀들(SP)에 데이터신호(DATA)를 공급한다. 데이터 구동부(140)는 집적회로(Integrated Circuit; IC) 형태로 형성된다.

전원 공급부(180)는 외부로부터 공급된 전압을 기반으로 전압(Vout, GND)을 생성 및 출력한다. 전원 공급부(180)로부터 출력된 고전위전압(Vout) 및 저전위전압(GND)은 표시장치에 포함된 각종 장치에 사용된다. 예컨대, 전원 공급부(180)로부터 출력된 고전위전압(Vout) 및 저전위전압(GND)은 표시패널(150)에 공급될 수 있다.

표시패널(150)은 스캔 구동부(130)로부터 공급된 스캔신호와 데이터 구동부(140)로부터 공급된 데이터신호(DATA)에 대응하여 영상을 표시한다. 표시패널(150)에는 서브 픽셀들(SP)이 포함된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 서브 픽셀에는 스캔라인(GL1)과 데이터라인(DL1)에 연결(또는 교차부에 형성된)된 스위칭 박막 트랜지스터(SW)와 스위칭 박막 트랜지스터(SW)를 통해 공급된 데이터신호(DATA)에 대응하여 동작하는 픽셀회로(PC)가 포함된다. 서브 픽셀들(SP)은 픽셀회로(PC)의 구성에 따라 액정소자를 포함하는 액정표시패널로 구성되거나 유기발광소자를 포함하는 유기발광표시패널로 구성된다.

표시패널(150)이 액정표시패널로 구성된 경우, 이는 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 또는 ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드로 구현된다. 표시패널(150)이 유기발광표시패널로 구성된 경우, 이는 전면발광(Top-Emission) 방식, 배면발광(Bottom-Emission) 방식 또는 양면발광(Dual-Emission) 방식으로 구현된다.

위와 같은 표시장치는 전원 공급부(180)로부터 출력된 전압(Vout, GND)과 스캔 구동부(130) 및 데이터 구동부(140)로부터 출력된 스캔신호 및 데이터신호(DATA)를 기반으로 표시패널(150)이 빛을 발광 또는 투과시키게 됨에 따라 특정 영상을 표시하게 된다.

한편, 표시장치 중 일부는 출력 전압이 고정된 LLC 하프 브릿지 직류-직류 변환부(LLC Half Bridge DC-DC Converter)와 출력 전압을 가변할 수 있는 싱크로너스 벅 변환부(Synchronous Buck Converter)가 직렬로 연결된 전원 공급부를 기반으로 표시장치를 구현한다.

그런데 앞서 설명한 바와 같은 전원 공급부는 시스템 전체의 효율(효율 손실 발생)이 저하되는 문제가 있어 이의 개선이 요구된다.

이하에서는 실험예에 따른 전원 공급부의 문제를 고찰하고 이 문제를 해결 및 개선하기 위해 도출된 실시예에 대해 설명한다.

- 실험예 -

도 3은 실험예에 따른 전원 공급부의 개략적인 이해를 돕기 위한 블록도이고, 도 4는 실험예에 추가된 싱크로너스 벅 변환부의 스위칭 동작에 따른 효율 손실을 설명하기 위한 파형도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실험예에 따른 전원 공급부에는 제1전원 변환부(180a), 제2전원 변환부(180b) 및 제3전원 변환부(180c)가 포함된다. 전원 공급부는 제1전원 변환부(180a), 제2전원 변환부(180b) 및 제3전원 변환부(180c)를 기반으로 외부로부터 공급된 교류전압(AC)을 직류전압(DC)으로 변환하여 출력한다.

제1전원 변환부(180a)는 외부로부터 공급된 교류전압을 직류전압으로 변환하여 출력하는 역할을 한다. 제1전원 변환부(180a)는 교류전압을 고전위에 해당하는 제1차직류전압(예: DC 390V)으로 변환하여 출력한다. 제1전원 변환부(180a)는 전원 변환부, 역률 보정부(Power Factor Correction; PFC) 및 전자파 차단부 등을 포함할 수 있다.

제2전원 변환부(180b)는 제1전원 변환부(180a)로부터 출력된 제1차직류전압을 강압하여 출력하는 역할을 한다. 제2전원 변환부(180b)는 제1차직류전압을 강압하여 제2차직류전압(예: DC 22V)으로 변환하여 출력한다. 제2전원 변환부(180b)는 스위치, 인덕터, 출력 커패시터 및 트랜스포머(변압기) 등을 포함할 수 있다. 제2전원 변환부(180b)는 LLC 하프 브릿지 직류-직류 변환부(LLC Half Bridge DC-DC Converter) 형태로 구현된다.

제3전원 변환부(180c)는 제2전원 변환부(180b)로부터 출력된 제2차직류전압을 가변하여 제3차직류전압으로 출력하는 역할을 한다. 제3전원 변환부(180c)는 제2차직류전압의 레벨을 가변하여 제3차직류전압(예: DC 16 ~ 20V)으로 변환하여 출력한다. 제3전원 변환부(180c)는 스위치, 인덕터 및 출력 커패시터 등을 포함할 수 있다. 제3전원 변환부(180c)는 싱크로너스 벅 변환부(Synchronous Buck Converter) 형태로 구현된다.

실험예에 따른 전원 공급부는 시스템을 구성하는 제1전원 변환부(180a), 제2전원 변환부(180b) 및 제3전원 변환부(180c)가 직렬 스테이지 형태로 접속된다. 실험예에 따른 전원 공급부의 시스템 전체에 대한 효율을 측정한 결과, 이는 손실이 증가하는 문제가 발생하였다. 실험예에 따른 전원 공급부의 경우, 제3전원 변환부(180c)를 추가하기 전에는 시스템 전체적으로 80% 이상의 효율을 나타냈다. 그러나 제3전원 변환부(180c)를 추가한 이후 80% 이하의 효율을 나타냈다.

실험예에 따른 전원 공급부가 위와 같은 효율 손실을 발생하게 된 이유를 분석한 결과를 설명하면 다음과 같다.

실험예에 따른 전원 공급부는 직렬 전력 전달 구조이다. 때문에, 제1전원 변환부(180a, PFC), 제2전원 변환부(180b) 및 제3전원 변환부(180c)를 거치면서 시스템 전체 효율은 추가되는 단계만큼 효율 손실이 동반된다.

실험예에 따른 전원 공급부는 하드 스위칭(Hard Switching)에 의해 시스템 효율 저하가 야기된다. 제3전원 변환부(180c)는 스위치가 온/오프(On/Off) 하는 동안 하드 스위칭을 하게 된다. 하드 스위칭은 스위치가 온/오프 동작을 하는 일시적인(Transient) 구간 동안 스위치에 흐르는 전류와 전압이 겹치게 되어 에너지가 열 형태로 방출된다. 때문에, 하드 스위칭은 스위치 소자의 수명을 단축시키고, 결국 시스템 전체의 효율을 감소시키게 된다.

실험예에 따른 전원 공급부는 출력 전압 가변 시간의 한계가 있다. 제3전원 변환부(180c)를 이용한 출력 전압 가변은 피드백신호를 변경하여 원하는 목표 전압으로 바꾸는 방식이다. 제3전원 변환부(180c)의 목표 전압을 변경할 때 소요되는 전압 변경 시간은 제3전원 변환부(180c)의 성능보다는 출력 커패시터의 용량과 출력 로드(Load)에 의해 결정되므로, 출력 전압 가변 시간의 한계가 발생한다. (이때, 제3전원 변환부(180c)의 성능에 관계없이 출력 커패시턴스(Capacitance)가 크고, 출력 저항이 커질수록 전압 가변 시간은 길어진다.)

실험예에 따른 전원 공급부는 복잡한 형태의 양방향 컨버터 방식으로 구현된다. 실험예뿐만아니라 종래 전원 공급부에서 사용되는 양방향 컨버터는 각 모드별로 4개의 스위치를 제어할 수 있는 제어 장치가 필요하다. 또한, 각 모드별로 출력 전압 및 스위치 제어를 위한 복잡한 피드백 구조도 필요하다.

그러므로 실험예에 따른 전원 공급부는 출력 전압을 가변할 수 있는 이점이 있지만 위와 같이 다양한 원인(싱크로너스 벅 변환부의 추가 등의 문제들)으로 인하여 시스템 전체의 효율(효율 손실 발생)이 저하되는 문제가 있어 이의 개선이 요구된다.

- 제1실시예 -

도 5는 제1실시예에 따른 전원 공급부의 개략적인 이해를 돕기 위한 블록도이고, 도 6은 제1실시예에 추가된 회로부의 스위칭 동작에 따른 효율 개선을 설명하기 위한 파형도이며, 도 7은 제1실시예에 추가된 회로부의 동작에 따른 양방향 전력 전달 체계를 설명하기 위한 파형도이다.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 전원 공급부에는 제1전원 변환부(180a), 제2전원 변환부(180b) 및 제3전원 변환부(180c)가 포함된다. 전원 공급부는 제1전원 변환부(180a), 제2전원 변환부(180b) 및 제3전원 변환부(180c)를 기반으로 외부로부터 공급된 교류전압(AC)을 직류전압(DC)으로 변환하여 출력한다.

제1전원 변환부(180a)는 외부로부터 공급된 교류전압을 직류전압으로 변환하여 출력하는 역할을 한다. 제1전원 변환부(180a)는 교류전압을 고전위에 해당하는 제1차직류전압(예: DC 390V)으로 변환하여 출력한다. 제1전원 변환부(180a)는 전원 변환부, 역률 보정부(Power Factor Correction; PFC) 및 전자파 차단부 등을 포함할 수 있다. 제1전원 변환부(180a)는 교류를 직류로 변환하는 교류-직류 변환부로 정의될 수 있다.

제2전원 변환부(180b)는 제1전원 변환부(180a)로부터 출력된 제1차직류전압을 강압하여 출력하는 역할을 한다. 제2전원 변환부(180b)는 제1차직류전압을 강압하여 제2차직류전압(예: DC 22V)으로 변환하여 출력한다. 제2전원 변환부(180b)는 스위치, 인덕터, 출력 커패시터(출력 Cap.) 및 트랜스포머(변압기) 등을 포함할 수 있다. 제2전원 변환부(180b)는 LLC 하프 브릿지 직류-직류 변환부(LLC Half Bridge DC-DC Converter) 형태로 구현된다. 제2전원 변환부(180b)는 제1직류전원 변환부로 정의될 수 있다.

제3전원 변환부(180c)는 제2전원 변환부(180b)로부터 출력된 제2차직류전압을 가변하여 출력하는 역할을 한다. 제3전원 변환부(180c)는 제2차직류전압의 레벨을 가변하여 제3차직류전압(예: DC 16 ~ 20V)으로 변환하여 출력한다. 제3전원 변환부(180c)는 스위치, 인덕터, 트랜스포머(변압기) 및 탱크 커패시터(또는 에너지 탱크) 등을 포함할 수 있다.

제3전원 변환부(180c)는 전압 평형 구간에 ZVS(Zero Voltage Switching)하는 스위치 등을 갖는 펌프 스위치 변환부(2 Switch Pump Converter) 형태로 구현된다. 제3전원 변환부(180c)는 제2직류전원 변환부로 정의될 수 있다.

출력 커패시터의 용량(Cap1)과 탱크 커패시터의 용량(Cap2)은 Cap1 ≤ Cap2의 관계를 가질 수 있다. 탱크 커패시터의 용량은 출력 커패시터의 용량보다 크면 좋다. 그리고 탱크 커패시터의 용량은 피크(Peak)성으로 유입되는 전압을 커버할 수 있는 정도면 가능하다.

제1실시예에 따른 전원 공급부는 시스템을 구성하는 제1전원 변환부(180a)와 제2전원 변환부(180b)는 직렬 스테이지 형태로 접속된다. 반면 제3전원 변환부(180c)는 양방향 전력 전달이 가능한 병렬 스테이지 형태로 제2전원 변환부(180b)에 접속된다. 구체적으로, 제1실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(180b)의 출력 커패시터(출력 Cap)와 제3전원 변환부(180c)의 탱크 커패시터(Energy Tank) 사이에 양방향 전력 전달이 가능한 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들을 병렬로 접속하여 전류를 빠르게 주고 받을 수 있도록 구현된다.

제1실시예에 따른 전원 공급부의 시스템 전체에 대한 효율을 측정한 결과, 이는 펌프 스위치들이 출력 전압을 가변하는 소모되는 전력이 있고 전압 평형 상태에서는 소모되는 전력이 없어 직렬 스테이지 방식 대비 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 것으로 나타났다. 제1실시예에 따른 전원 공급부의 경우, 제3전원 변환부(180c)를 추가한 후에도 시스템 전체적으로 80% 이상의 효율을 나타냈다.

제1실시예에 따른 전원 공급부는 실험예와 반대되는 소프트 스위칭(Sofe Switching)에 의해 시스템 효율 개선을 도모한 결과이다. 제2전원 변환부(180b)는 기본적으로 ZVS(도 6의 (a))을 하지만, 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들은 전압 평형 상태에서만 ZVS(도 6의 (b))을 한다. 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들은 출력 전압이 가변되는 동작에서만 하드 스위칭이 일어난다. 그러므로 제1실시예의 펌프 스위치 변환부는 실험예의 싱크로너스 벅 변환부 대비 하드 스위칭 구간이 매우 짧기 때문에 스위칭으로 인한 효율 손실 저감 측면에서 매우 유리하다.

제1실시예에 따른 전원 공급부는 출력 전압 가변 시간의 한계 극복 및 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 할 수 있다. 제1실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(180b)의 LLC 출력 커패시터와 제3전원 변환부(180c)의 탱크 커패시터(Energy Tank) 간에 전류 수송이 이루어지므로 출력 전압 가변 시간은 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들의 능력에 의존한다.

제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들에 의한 전류 수송은 제3전원 변환부(180c)의 스위치(Boost 스위치)의 듀티비(Duty ratio)에 의해 결정된다. 도 7에 도시된 파형은 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들의 동작을 이해하기 위한 파형이다.

참고로, 도 7은 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들의 동작의 이해를 위해, 제2전원 변환부(180b)의 LLC 출력 전압을 고정(가변하지 않음, 16V로 일정하게 유지)하고 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들의 듀티비를 가변하였을 때 일어나는 현상을 파형으로 나타낸 것이다.

첫 번째 파형은 제2전원 변환부(180b)의 LLC 출력 전압이다. (LLC는 16V 고정 출력을 내고 있음). 두 번째 파형은 제3전원 변환부(180c)의 펌프 스위치들로 이동되는 전류 파형이다. 세 번째 파형은 제3전원 변환부(180c)의 탱크 커패시터(Energy Tank)의 전압 파형이다.

1) LLC 출력 커패시터(출력 Cap) → 탱크 커패시터(Energy Tank)로 전력 전달

제3전원 변환부(180c)의 스위치의 듀티를 0.5 -> 0.7로 증가시킨다.

그 결과, LLC 출력 커패시터(출력 Cap)에서 탱크 커패시터(Energy Tank)로 전류 수송이 발생한다. (펌프 스위치들로 이동되는 전류가 0 아래로 내려가는 파형 참조)

LLC 출력 전압의 순간적인 하강 발생 시, 탱크 커패시터(Energy Tank)의 전압은 증가한다.

순간적인 전압 변동 후 LLC 출력 전압이 변경된 값을 유지하도록 LLC를 제어하면, 출력 전압의 레벨(Level)도 제2전원 변환부(180b)로 이동된다. (LLC 스위칭 주파수가 증가하도록 제어)

2) 탱크 커패시터(Energy Tank) → LLC 출력 커패시터(출력 Cap)로 전력 전달

제3전원 변환부(180c)의 스위치의 듀티를 0.7 -> 0.5로 감소시킨다.

그 결과, 탱크 커패시터(Energy Tank)에서 LLC 출력 커패시터(출력 Cap)로 전류 수송이 발생한다. (펌프 스위치들로 이동되는 전류가 0 위로 올라가는 파형 참조)

LLC 출력 전압의 순간적인 상승 발생 시, 탱크 커패시터(Energy Tank)의 전압은 하강한다.

순간적인 전압 변동 후 LLC 출력 전압이 변경된 값을 유지하도록 LLC를 제어하면, 출력 전압의 레벨(Level)도 제2전원 변환부(180b)로 이동된다. (LLC 스위칭 주파수가 감소하도록 제어)

이와 같은 구동 특성에 의해, 제3전원 변환부(180c)의 스위치의 듀티가 증가하면 탱크 커패시터(Energy Tank)의 충전으로, 출력은 감소한다. 그리고 제3전원 변환부(180c)의 스위치의 듀티가 감소하면 탱크 커패시터(Energy Tank)의 방전으로, 출력은 증가한다.

이하, 제1실시예에 따른 전원 공급부의 회로 구성과 이의 동작에 대해 설명을 구체화한다.

도 8은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 일부를 보여주는 회로 구성도이고, 도 9는 전원 제어부의 일부를 보여주는 회로 구성도이며, 도 10 및 도 11은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 동작을 설명하기 위한 회로 구성도들이고, 도 12는 제3전원 변환부의 스위치 동작과 참조전압의 관계를 보여주는 파형도이다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 전원 공급부에는 제2전원 변환부(LLC, Main Converter(Half Bridge)), 제3전원 변환부(Pump, Pump Converter(Boost)) 및 전원 제어부(CNT)가 포함된다. 제1실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)에 대하여 병렬 스테이지 형태로 제3전원 변환부(Pump)가 접속된다.

제2전원 변환부(LLC)에는 메인 스위치들(ST1, ST2), 메인 인덕터(LL), 메인 커패시터(CL), 메인 트랜스포머(TRS1), 메인 다이오드들(DL1, DL2), 출력 커패시터(CO) 및 출력 저항기(RL)가 포함된다.

제3전원 변환부(Pump)에는 펌프 트랜스포머(TRS2), 펌프 스위치들(BT1, BT2), 펌프 인덕터(LP), 펌프 다이오드(DP) 및 탱크 커패시터(CP)가 포함된다.

전원 제어부(CNT)에는 제2전원 변환부(LLC)의 스위칭 주파수를 변경(가변)하는 메인 제어부(HBC)와 제3전원 변환부(Pump)의 전압 가변 속도를 조절하는 펌프 제어부(MCU)가 포함된다.

제1메인 스위치(ST1)는 메인 제어부(HBC)의 제1출력단에 게이트전극이 연결되고, 입력전압단(VIN)의 제1전압단(+)에 제1전극이 연결되고, 메인 인덕터(LL)의 일단에 제2전극이 연결된다. 제1메인 스위치(ST1)는 메인 제어부(HBC)의 제1출력단을 통해 출력된 제1메인 스위치 신호에 의해 턴온 또는 턴오프된다.

제2메인 스위치(ST2)는 메인 제어부(HBC)의 제2출력단에 게이트전극이 연결되고, 입력전압단(VIN)의 제2전압단(-)에 제1전극이 연결되고, 메인 인덕터(LL)의 일단에 제2전극이 연결된다. 제2메인 스위치(ST2)는 메인 제어부(HBC)의 제2출력단을 통해 출력된 제2메인 스위치 신호에 의해 턴온 또는 턴오프된다.

메인 인덕터(LL)는 제1메인 스위치(ST1) 및 제2메인 스위치(ST2)의 제2전극에 일단이 연결되고 메인 트랜스포머(TRS1)의 제1차권선 측의 제1단자(W1)에 타단이 연결된다.

메인 커패시터(CL)는 입력전압단(VIN)의 제2전압단(-) 및 제2메인 스위치(ST2)의 제1전극에 일단이 연결되고 메인 트랜스포머(TRS1)의 제1차권선 측의 제3단자(W3)에 타단이 연결된다.

메인 트랜스포머(TRS1)는 메인 인덕터(LL)의 타단에 제1차권선 측의 제1단자(W1)가 연결되고, 메인 커패시터(CL)의 타단에 제1차권선 측의 제3단자(W3)가 연결된다. 또한, 메인 트랜스포머(TRS1)는 제1메인 다이오드(DL1)의 애노드전극에 제2차권선 측의 제4단자(W4)가 연결되고, 제2메인 다이오드(DL2)의 애노드전극에 제2차권선 측의 제6단자(W6)가 연결된다.

메인 트랜스포머(TRS1)는 제1차권선 측에 제1단자(W1) 내지 제3단자(W3)가 위치하고, 제2차권선 측에 제4단자(W4) 내지 제6단자(W6)가 위치한다. 메인 트랜스포머(TRS1)의 제1차권선 측의 제1단자(W1)와 대향하는 위치에 제2차권선 측의 제4단자(W4)가 있고, 제1차권선 측의 제2단자(W2)와 대향하는 위치에 제2차권선 측의 제5단자(W5)가 있고, 제1차권선 측의 제3단자(W3)와 대향하는 위치에 제2차권선 측의 제6단자(W6)가 있다.

제1메인 다이오드(DL1)는 메인 트랜스포머(TRS1)의 제2차권선 측의 제4단자(W4)에 애노드전극이 연결되고 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 캐소드전극이 연결된다.

제2메인 다이오드(DL2)는 메인 트랜스포머(TRS1)의 제2차권선 측의 제6단자(W6)에 애노드전극이 연결되고 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 캐소드전극이 연결된다.

출력 커패시터(CO)는 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 일단이 연결되고 저전위전압 출력라인(GND)에 타단이 연결된다.

출력 저항기(RL)는 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 일단이 연결되고 저전위전압 출력라인(GND)에 타단이 연결된다.

제2전원 변환부(LLC)는 메인 제어부(HBC)로부터 출력된 제1 및 제2메인 스위치 신호에 대응하여 메인 스위치들(ST1, ST2)이 턴온 또는 턴오프 동작하게 되는 스위칭 주파수를 제어함에 따라 입력전압단(VIN)을 통해 입력된 제1차직류전압을 강압하여 제2차직류전압으로 변환하여 출력한다.

펌프 트랜스포머(TRS2)는 메인 트랜스포머(TRS1)의 제2차권선 측의 제5단자(W5)에 병렬 스테이지 형태로 접속된다. 펌프 트랜스포머(TRS2)는 메인 트랜스포머(TRS1)의 제2차권선 측의 제5단자(W5)에 제1차권선 측의 제1단자(W1)가 연결되고 제2전원 변환부(LLC)의 저전위전압 출력라인(GND)에 제1차권선 측의 제2단자(W2)가 연결된다. 또한, 펌프 트랜스포머(TRS2)는 저전위전압 출력라인(GND) 및 제1펌프 스위치(BT1)의 제1전극에 제2차권선 측의 제3단자(W3)가 연결되고, 펌프 다이오드(DP)의 애노드전극에 제2차권선 측의 제4단자(W4)가 연결된다.

펌프 트랜스포머(TRS2)는 제1차권선 측에 제1단자(W1) 및 제2단자(W2)가 위치하고, 제2차권선 측에 제3단자(W3) 및 제4단자(W4)가 위치한다. 펌프 트랜스포머(TRS2)의 제1차권선 측의 제1단자(W1)와 대향하는 위치에 제2차권선 측의 제3단자(W3)가 있고, 제1차권선 측의 제2단자(W2)와 대향하는 위치에 제2차권선 측의 제4단자(W4)가 있다.

펌프 다이오드(DP)는 펌프 트랜스포머(TRS2)의 제2차권선 측의 제4단자(W4)에 애노드전극이 연결되고 탱크 커패시터(CP)의 일단 및 제2펌프 스위치(BT2)의 제2전극에 캐소드전극이 연결된다.

탱크 커패시터(CP)는 펌프 다이오드(DP)의 캐소드전극 및 제2펌프 스위치(BT2)의 제2전극에 일단이 연결되고 저전위전압 출력라인(GND) 및 펌프 트랜스포머(TRS2)의 제2차권선 측의 제3단자(W3)에 타단이 연결된다.

제1펌프 스위치(BT1)는 펌프 제어부(MCU)의 제1출력단에 게이트전극이 연결되고, 펌프 인덕터(LP)의 타단에 제1전극이 연결되고 저전위전압 출력라인(GND) 및 펌프 트랜스포머(TRS2)의 제2차권선 측의 제3단자(W3)에 제2전극이 연결된다. 제1펌프 스위치(BT1)는 펌프 제어부(MCU)의 제1출력단을 통해 출력된 제1펌프 스위치 신호에 의해 턴온 또는 턴오프된다.

제2펌프 스위치(BT2)는 펌프 제어부(MCU)의 제2출력단에 게이트전극이 연결되고, 펌프 인덕터(LP)의 타단에 제1전극이 연결되고 펌프 다이오드(DP)의 캐소드전극 및 탱크 커패시터(CP)의 일단에 제2전극이 연결된다. 제2펌프 스위치(BT2)는 펌프 제어부(MCU)의 제2출력단을 통해 출력된 제2펌프 스위치 신호에 의해 턴온 또는 턴오프된다.

펌프 인덕터(LP)는 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 일단이 연결되고 제1펌프 스위치(BT1) 및 제2펌프 스위치(BT2)의 제1전극에 타단이 연결된다.

메인 제어부(HBC)는 메인 스위치들(ST1, ST2)을 턴온 또는 턴오프 제어하기 위한 메인 스위치 신호들(STC)을 출력한다. 펌프 제어부(MCU)는 펌프 스위치들(BT1, BT2)을 턴온 또는 턴오프 제어하기 위한 펌프 스위치 신호들(SWC)을 출력한다. 메인 제어부(HBC)와 펌프 제어부(MCU)는 전압 변경 라인을 통해 연결된다.

메인 제어부(HBC)는 펌프 제어부(MCU)로부터 제공된 전압 변경 신호에 의해 내부 참조전압(Vref)의 전압값이 가변된다. 펌프 제어부(MCU)로부터 제공된 전압 변경 신호에 의해 참조전압(Vref)의 전압값이 가변되면 메인 제어부(HBC)로부터 출력되는 메인 스위치 신호들(STC)의 주파수 또한 가변된다.

메인 제어부(HBC)에는 전압센싱부(FEA)와 신호생성부(PWM) 등이 포함된다. 전압센싱부(FEA)는 피드백 에러 앰프 회로(Feedback Error Amp.)로 명명될 수도 있다. 전압센싱부(FEA)는 고전위전압(Vout)과 참조전압(Vref)에 기초하여 피드백신호(FB)를 출력한다. 전압센싱부(FEA)로부터 출력되는 피드백신호(FB)의 형태는 참조전압(Vref)에 대응하여 가변된다. 신호생성부(PWM)는 전압센싱부(FEA)로부터 출력된 피드백신호(FB)에 대응하여 메인 스위치 신호들(STC)을 생성한다.

앞서 설명하였듯이, 메인 제어부(HBC)의 신호생성부(PWM)는 전압센싱부(FEA)의 출력단을 통해 전달되는 피드백신호(FB)에 대응하여 메인 스위치들(ST1, ST2)을 제어하는 스위칭 주파수인 메인 스위치 신호들(STC)의 주파수를 가변하게 된다. 즉, 제2전원 변환부(LLC)의 전압 변환 능력은 메인 스위치 신호들(STC)의 주파수와 관계하고 이를 결정하는 요소는 고전위전압(Vout)과 참조전압(Vref) 등이 된다.

제1실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)의 출력 커패시터(CO)와 제3전원 변환부(Pump)의 탱크 커패시터(CP) 사이에 양방향 전력 전달이 가능한 펌프 스위치들이 병렬로 접속되어 있어 전류를 빠르게 주고받을 수 있다.

제1실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)가 기본적으로 ZVS을 한다. 하지만, 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들은 전압 평형 상태에서만 ZVS을 한다. 즉, 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들은 출력 전압이 가변되는 동작에서만 하드 스위칭이 일어난다.

제1실시예에 따른 전원 공급부는 출력 전압 가변 시간의 한계 극복 및 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 할 수 있다. 제1실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)의 출력 커패시터(CO)와 제3전원 변환부(Pump)의 탱크 커패시터(CP) 간에 전류 수송이 이루어지므로 출력 전압 가변 시간은 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들의 능력에 의존한다.

도 10, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들(BT1, BT2)은 전원 공급부의 출력 전압을 가변하지 않는 구간의 스위칭 특성과 출력 전압을 가변하는 구간 동안의 스위칭 특성이 상이하다.

-전원 공급부의 출력 전압을 가변하지 않는 경우-

전원 공급부의 출력 전압을 가변하지 않는 구간 동안, 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들(BT1, BT2)은 이전 상태를 유지하기 위한 듀티비를 갖고 교번하며 턴온 및 턴오프된다. 이때, 펌프 제어부(MCU)에서 메인 제어부(HBC)로 제공된 전압 변경 신호는 V2를 유지하도록 구성된다.

출력전압이 가변되지 않는 평형구간에서는 BT1, BT2의 듀티비는 전압 가변 순간 변화된 듀티비 그대로 고정된다. 다시 말하면, 듀티비가 바뀌는 순간 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들(BT1, BT2)의 동작이 발생하기 때문에 원하는 출력전압으로 가별 할 때만 일정량의 듀티비가 변화하고 그 바뀐 듀티비로 전압 평형상태를 유지한다. (출력 전압을 가변하지 않을 때는 바뀐 듀티비로 계속 유지)

-전원 공급부의 출력 전압을 가변하는 경우-

전원 공급부의 출력 전압을 가변하는 구간 동안, 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들(BT1, BT2)은 서로 다른 듀티비를 갖고 교번하며 턴온 및 턴오프된다. 도 12의 t1b와 t2b와 같이 제1펌프 스위치(BT1)의 턴온 듀티비는 제2펌프 스위치(BT2)의 턴온 듀티비보다 증가한다. 이때, 펌프 제어부(MCU)에서 메인 제어부(HBC)로 제공된 전압 변경 신호는 V2보다 낮은 V1이 유지되도록 변경된다. 제1펌프 스위치(BT1)의 턴온 듀티비를 증가시킬 경우 제2펌프 스위치(BT2)의 턴 온 듀티비는 제1펌프 스위치 (BT1)의 증가한 턴온 듀티비 만큼 감소한다.

펌프 동작을 할 때 제1펌프 스위치(BT1)의 듀티가 증가하면 증가한 비율만큼 제2펌프 스위치(BT2)의 듀티 비율이 감소한다. 이때, 제2전원 변환부(LLC)의 턴온 듀티비는 50:50으로 항상 동일할 수 있다. (LLC는 스위칭 주파수를 제어)

제1실시예에 따른 전원 공급부의 경우, 제2전원 변환부(LLC)의 메인 트랜스포머(TRS1)를 통해 제3전원 변환부(Pump)의 탱크 커패시터(CP)에 초기 전압이 부여된다. 제1실시예의 전원 공급부는 초기 동작 시, 제2전원 변환부(LLC)의 출력이 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들의 동작에 의해 탱크 커패시터(CP)로 인가된다. 그러므로 전원 공급부의 초기 동작시 서지(surge)성 전압이나 과전류가 탱크 커패시터(CP)로 유입되는 문제는 방지(트랜스포머의 병렬접속 구조에 의한 이점)된다.

또한, 제1실시예에 따른 전원 공급부의 경우, 출력 전압과 더불어 전압 변동 신호를 피드백(Feedback) 받을 수 있다. 그 결과 제1실시예의 전원 공급부는 출력 전압 가변 시, 제2전원 변환부(LLC)의 참조전압(Vref)과 제3전원 변환부(Pump)의 스위칭 듀티비(Boost Switch Duty ratio)의 가변에 의거 출력단의 효율 손실을 방지하면서도 빠른 전압 변동이 가능하다.

제1실시예에 따른 전원 공급부는 위와 같은 구동 특성 및 성능을 가지고 있기 때문에, 고전위전압을 빠르게 가변해야 하는 표시장치에 적용시 더욱 큰 효과를 발현할 수 있다.

이하, 시뮬레이션 결과를 기반으로 제1실시예에 따른 전원 공급부의 구동 특성에 대해 설명한다.

도 13 및 도 14는 풀로드 상태에서의 전압 변경시 전원 공급부의 구동 특성을 설명하기 위한 파형도들이다. 도 13 및 도 14는 제1실시예에 따른 전원 공급부가 풀로드 상태에서의 전압 변경시 직류 16V와 20V를 출력할 때의 구동 특성을 나타낸다.

도 13 및 도 14에서, VDS는 제3전원 변환부의 펌프 스위치들의 양단(드레인-소오스) 전압이고, I_trans_pri는 제2전원 변환부의 메인 트랜스포머를 통해 출력되는 전류를 의미하고, V_out은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 고전위전압 출력라인을 통해 출력되는 전압을 의미하고, V_ref는 제2전원 변환부의 참조전압(제2전원 변환부로 피드백되는 전압)을 의미한다.

도 13 및 도 14의 비교를 통해 알 수 있듯이, 전원 공급부의 출력 전압을 가변하면(예: 16V -> 20V로 승압), 제3전원 변환부의 펌프 스위치들은 서로 다른 듀티비를 갖고 교번하며 턴온 및 턴오프된다. 그리고 펌프 제어부에서 메인 제어부로 제공된 전압 변경 신호는 V2보다 낮은 V1을 갖도록 변경된다.

도 15 및 도 16은 전압 하강 및 전안 상승시 전원 공급부의 구동 특성을 설명하기 위한 파형도들이다. 도 15 및 도 16은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 전압이 16V에서 20V로 하강할 때와 20V에서 16V로 상승할 때의 구동 특성을 나타낸다.

도 15 및 도 16에서, V_tank는 제3전원 변환부의 탱크 커패시터의 전압을 의미하고, I_pump는 제3전원 변환부의 펌프 스위치들을 통해 출력되는 전류를 의미하고, V_out은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 고전위전압 출력라인을 통해 출력되는 전압을 의미하고, V_ref는 제2전원 변환부의 참조전압(제2전원 변환부로 피드백되는 전압)을 의미한다.

도 15 및 도 16의 비교를 통해 알 수 있듯이, 전원 공급부의 출력 전압을 상승 가변(예: 16V -> 20V로 승압)하기 위해서는 제3전원 변환부의 펌프 스위치들의 듀티비를 낮추면(D: 0.5 -> 0.2) 된다. 이때, 제2전원 변환부로 피드백되는 참조전압(V_ref)은 상승하게 된다.

반대로, 전원 공급부의 출력 전압을 하강 가변(예: 20V -> 16V로 강압)하기 위해서는 제3전원 변환부의 펌프 스위치들의 듀티비를 높이면(D: 0.2 -> 0.5) 된다. 이때, 제2전원 변환부로 피드백되는 참조전압(V_ref)은 하강하게 된다.

이상 제1실시예에 따른 전원 공급부는 펌프 스위치들이 출력 전압을 가변하는 순간에만 동작을 하고 전압 평형 상태에서는 소모되는 전력이 없기 때문에 효율 저하 문제를 해결할 수 있다. 또한, 제1실시예에 따른 전원 공급부는 하드 스위칭 구간이 매우 짧기 때문에 스위칭으로 인한 효율 손실을 저감할 수 있다. 또한, 제1실시예에 따른 전원 공급부는 출력 전압 가변 시간의 한계 극복 및 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 할 수 있다. 또한, 제1실시예에 따른 전원 공급부는 피드백신호 및 스위칭 듀티비(Boost Switch Duty ratio)의 가변에 의거 출력단의 효율 손실을 방지하면서도 빠른 전압 변동이 가능하다. 또한, 제1실시예에 따른 전원 공급부는 위와 같은 구동 특성 및 성능을 가지고 있기 때문에, 고전위전압을 빠르게 가변해야 하는 표시장치에 적용시 더욱 큰 효과를 발현할 수 있다.

이하, 제2실시예에 따른 전원 공급부를 설명한다. 제2실시예에 따른 전원 공급부는 제1실시예에서 설명한 전원 공급부와 유사한 회로 구성을 가지므로, 이하에서 미 설명되는 부분은 제1실시예의 설명부분을 참조한다.

- 제2실시예 -

도 17은 제2실시예에 따른 전원 공급부의 일부를 보여주는 회로 구성도이고, 도 18은 제1실시예에 따른 전원 공급부의 출력 전압 가변 동작시의 개선점을 간략히 설명하기 위한 블록도이고, 도 19는 제2실시예에 따른 전원 제어부의 일부를 보여주는 회로 구성도이고, 도 20은 제1 및 제2실시예 간의 차이점을 보여주는 파형도이며, 도 21 및 도 22는 제2실시예에 따라 RC 지연을 감소시키기 위한 참조전압의 가변전압 파형을 나타낸 예시도들이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 전원 공급부에는 제2전원 변환부(LLC, Main Converter(Half Bridge)), 제3전원 변환부(Pump, Pump Converter(Boost)) 및 전원 제어부(CNT)가 포함된다. 제2실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)에 대하여 병렬 스테이지 형태로 제3전원 변환부(Pump)가 접속된다.

제2전원 변환부(LLC)에는 메인 스위치들(ST1, ST2), 메인 인덕터(LL), 메인 커패시터(CL), 메인 트랜스포머(TRS1), 메인 다이오드들(DL1, DL2), 출력 커패시터(CO) 및 출력 저항기(RL)가 포함된다. 제2실시예에 따른 제2전원 변환부(LLC) 또한 제1실시예와 마찬가지로 제1전원 변환부로부터 출력된 제1차직류전압을 강압하여 출력하는 역할을 한다. 따라서, 제2전원 변환부(LLC) 또한 제1직류전원 변환부로 정의될 수 있다.

제3전원 변환부(Pump)에는 펌프 트랜스포머(TRS2), 펌프 스위치들(BT1, BT2), 브릿지 스위치(BSW), 펌프 인덕터(LP), 펌프 다이오드(DP) 및 탱크 커패시터(CP)가 포함된다. 제2실시예에 따른 제3전원 변환부(Pump) 또한 제2전원 변환부(LLC)로부터 출력된 제2차직류전압을 가변하여 제3차직류전압으로 출력하는 역할을 한다. 따라서, 제3전원 변환부(Pump) 또한 제2직류전원 변환부로 정의될 수 있다.

브릿지 스위치(BSW)는 펌프 인덕터(LP)의 일단에 제1전극이 연결되고 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 제2전극이 연결되고 펌프 제어부(MCU)에 제어전극이 연결된다. 브릿지 스위치(BSW)는 펌프 제어부(MCU)로부터 출력된 브릿지 스위치 제어신호(BSWC)에 대응하여 턴온 또는 턴오프된다. 한편, 브릿지 스위치(BSW)는 제3전원 변환부(Pump)가 아닌 제2전원 변환부(LLC) 또는 전원 제어부(CNT)에 포함되는 구성으로 그 소속이 변경될 수 있다.

브릿지 스위치(BSW)는 전압 평형 상태에서 제2전원 변환부(LLC)와 제3전원 변환부(Pump) 간의 전기적인 분리를 위해 턴오프된다. 브릿지 스위치(BSW)는 전원 공급부의 전압 가변 이후 제2전원 변환부(LLC)와 제3전원 변환부(Pump)를 분리한다. 브릿지 스위치(BSW)는 전압 가변 구간 동안 턴온을 유지하게 되는 반면, 전압 가변이 종료된 이후의 전압 평형 구간 동안 턴오프를 유지하게 된다.

전압 가변 구간 동안, 펌프 제어부(MCU)는 브릿지 스위치(BSW)를 턴온하고, 펌프 스위치들(BT1, BT2)를 턴 온/오프 제어하고, 참조전압(Vref)을 변경하는 순서로 전원 공급부의 출력 전압을 가변하기 위한 제어 동작을 수행한다. 브릿지 스위치(BSW)의 턴온 시간과 참조전압(Vref)의 변경 시간의 관계는 "브릿지 스위치(BSW)의 턴온 시간 ≥ 참조전압(Vref)의 변경 시간"으로 설정될 수 있다.

전압 평형 구간 동안, 펌프 제어부(MCU)는 브릿지 스위치(BSW)를 턴오프하고, 펌프 스위치들(BT1, BT2)를 턴오프하고, 참조전압(Vref)을 유지하지만 제2전원 변환부(LLC)와 제3전원 변환부(Pump) 간의 입출력 선로가 물려 있어 제2전원 변환부(LLC)의 출력이 흔들리는(기생 공진 및 두 회로 간의 상호 간섭) 문제가 발생할 수 있다.

그러나 제2전원 변환부(LLC)와 제3전원 변환부(Pump) 간의 입출력 선로 사이에 브릿지 스위치(BSW)를 배치하고, 브릿지 스위치(BSW)를 턴오프하면 제2전원 변환부(LLC)의 출력부와 제3전원 변환부(Pump)의 입력부 간의 전기적인 분리로 인하여 이들 사이에 발생하는 기생 공진 성분은 제거(또는 개선)되는 것으로 나타났다. 아울러, 브릿지 스위치(BSW)의 동작에 의해 전원 공급부의 출력 효율은 제1실시예와 동일하게 유지하면서도 전압을 빠르게 가변할 수 있는 것으로 나타났다.

펌프 인덕터(LP)는 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 연결된 브릿지 스위치(BSW)에 일단이 연결되고 제1펌프 스위치(BT1) 및 제2펌프 스위치(BT2)의 제1전극에 타단이 연결된다.

펌프 제어부(MCU)는 전원 공급부(또는 제2전원 변환부)의 출력 전압이 가변되는 구간(또는 순간) 제3전원 변환부(Pump)를 동작시키기 위한 신호를 출력하면서 제2전원 변환부(LLC)의 전압 레벨을 변경하기 위해 참조전압(Vref)을 변경한다. 펌프 제어부(MCU)는 타이밍 제어부 등과 연동할 수 있다. 펌프 제어부(MCU)는 타이밍 제어부로부터 전원 공급부의 전압을 변경하기 위한 신호가 공급되면, 이에 대응하여 참조전압(Vref)을 변경한다.

제2실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)의 출력 커패시터(CO)와 제3전원 변환부(Pump)의 탱크 커패시터(CP) 사이에 양방향 전력 전달이 가능한 펌프 스위치들이 병렬로 접속되어 있어 전류를 빠르게 주고받을 수 있다.

제2실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)가 기본적으로 ZVS을 한다. 하지만, 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들은 전압 평형 상태에서만 ZVS을 한다. 즉, 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들은 출력 전압이 가변되는 동작에서만 하드 스위칭이 일어난다.

제2실시예에 따른 전원 공급부는 출력 전압 가변 시간의 한계 극복 및 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 할 수 있다. 제2실시예에 따른 전원 공급부는 제2전원 변환부(LLC)의 출력 커패시터(CO)와 제3전원 변환부(Pump)의 탱크 커패시터(CP) 간에 전류 수송이 이루어지므로 출력 전압 가변 시간은 제3전원 변환부(Pump)의 펌프 스위치들의 능력에 의존한다.

앞서 설명하였듯이, 메인 제어부(HBC)의 신호생성부(PWM)는 비교기(COMP)의 출력단을 통해 전달되는 피드백신호(FB)에 대응하여 메인 스위치들(ST1, ST2)을 제어하는 스위칭 주파수인 메인 스위치 신호들(STC)의 주파수를 가변하게 된다. 즉, 제2전원 변환부(LLC)의 전압 변환 능력은 메인 스위치 신호들(STC)의 주파수와 관계하고 이를 결정하는 요소는 고전위전압(Vout)과 참조전압(Vref) 등이 된다.

본 발명의 제2실시예는 제1실시예 대비 더 나은 변조 방법으로 참조전압(Vref)을 가변하데, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 18에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 전원 공급부는 빠른 전압 가변을 위해 제2전원 변환부(LLC)의 출력 전압을 센싱하고 센싱된 전압에 기초하여 제2전원 변환부(LLC)의 메인 스위치 신호들(STC)의 주파수를 가변한다.

이를 위해, 메인 제어부(HBC)는 제2전원 변환부(LLC)의 출력 전압인 고전위전압(Vout)을 센싱한다. 메인 제어부(HBC)의 비교기(Feedback Error Amp.)는 센싱된 고전위전압(Vout) 및 고정 또는 변동된 참조전압(Vref)(또는 요구된 전압; Desired Voltage)에 대응하여 메인 스위치 신호들(STC)의 주파수를 변경한다.

제1실시예에 따른 전원 공급부(또는 전원 변환부들)가 빠른 전압 가변을 하기 위해 참조전압(Vref)을 가변(또는 제어)하는 경우 메인 제어부(HBC)에 포함된 비교기의 음의전압 입력단의 전압 변화가 이상적인 파형처럼 가변되어야 한다. 그러나 제1실시예에 따른 전원 공급부의 경우, 저항이나 기생 커패시턴스 성분 등의 영향으로 비교기의 음의전압 입력단의 전압이 빠른 변화를 하지 못할 수 있다.

이 때문에, 제1실시예에 따른 전원 공급부는 출력 전압을 빠르게 변화시킬 수 있지만 한계가 있을 수 있다. 그리고 빠른 출력 전압을 위해 구비된 제3전원 변환부(Pump)의 구조를 갖지만 참조전압(Vref)의 변화에 따른 영향을 받아 전압 가변 동작시 불안정한 구동을 하게 될 수도 있다.

도 19에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 메인 제어부(HBC)는 전압센싱부(FEA) 및 신호생성부(PWM) 등을 포함한다. 전압센싱부(FEA)는 현재의 출력 전압과 원하는 참조전압(Vref)을 비교하여 에러(Error)를 계산하고, 발생한 에러를 최소화하는 방향으로 제2전원 변환부(LLC)를 제어한다. 그러므로 전압센싱부(FEA)는 피드백 에러 앰프 회로(Feedback Error Amp.)로 명명될 수도 있다.

전압센싱부(FEA)는 고전위전압(Vout)과 참조전압(Vref)에 기초하여 피드백신호(FB)를 출력한다. 전압센싱부(FEA)로부터 출력되는 피드백신호(FB)의 형태는 참조전압(Vref)에 대응하여 가변된다. 신호생성부(PWM)는 전압센싱부(FEA)로부터 출력된 피드백신호(FB)에 대응하여 메인 스위치 신호들(STC)을 생성한다.

전압센싱부(FEA)는 에러를 최소화하기 위해 비교기(COMP, E/A), 저항기들(R1 ~ R3, Ra, Rb) 및 커패시터들(C1, C2, C3)을 포함한다. 제1저항기(R1)는 제1커패시터(C1)의 타단에 일단이 연결되고 비교기(COMP)의 양의전압 입력단(+)에 타단이 연결된다. 제2저항기(R2)는 비교기(COMP)의 양의전압 입력단(+)에 일단이 연결되고 제1분압 저항기(Ra)와 제2분압 저항기(Rb)가 접속된 노드에 타단이 연결된다. 제3저항기(R3)는 비교기(COMP)의 음의전압 입력단(-)에 일단이 연결되고 참조전압(Vref)이 입력되는 단자에 타단이 연결된다.

제1커패시터(C1)는 비교기(COMP)의 출력단에 일단이 연결되고 제1저항기(R1)의 일단에 타단이 연결된다. 제2커패시터(C2)는 제1커패시터(C1)의 일단에 일단이 연결되고 제1저항기(R1)의 타단 및 비교기(COMP)의 양의전압 입력단(+)에 타단이 연결된다. 제3커패시터(C3)는 비교기(COMP)의 음의전압 입력단(-)에 일단이 연결되고 저전위전압 출력라인(GND)에 타단이 연결된다.

제1분압 저항기(Ra)의 일단은 제2전원 변환부(LLC)의 고전위전압 출력라인(Vout)에 일단이 연결되고 제2분압 저항기(Rb)의 일단에 타단이 연결된다. 제2분압 저항기(Rb)는 제1분압 저항기(Ra)의 타단에 일단이 연결되고 저전위전압 출력라인(GND)에 타단이 연결된다.

도 8, 도 9 및 도 20(a)에 도시된 바와 같이, 제1실시예는 전원 공급부의 출력 전압을 가변하기 위해 참조전압(VreF)을 이상적인 파형으로 가변하여도 RC 지연(RC Delay)에 의해 비교기(COMP)의 입력단에서 보이는 참조전압(Vref)의 파형은 RC 지연이 포함된 왜곡된 파형을 띄게 된다.

이에 따라, 제3전원 변환부(Pump)의 동작에 의해 전압이 순간적으로 빠르게 가변 되어도 다시 참조전압(Vref)을 따라가려 하기 때문에 제2전원 변환부(LLC)의 출력 전압이 일정하게 유지되지 못하고 참조전압(Vref)을 따라 움직이게 된다. 즉, 전원 공급부의 출력 전압이 빠르게 변하지 못하고 참조전압(Vref)의 영향을 받아 전압 가변 동작에서 불안정한 구동을 하게 된다.

도 17, 도 19, 도 20(b), 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 제2실시예는 전압센싱부(FEA)의 RC 지연 영향을 최소화하기 위하여 참조전압(Vref)을 오버드라이빙(over driving)할 수 있는 형태의 전압으로 공급한다.

예컨대, 참조전압(Vref)은 도 21과 같이 마이너스 익스포넨셜(-EXP) 함수 등의 특정 함수 형태를 띠는 전압으로 가변전압(VM)이 생성되거나 도 21과 유사한 형태를 갖추면서 도 22와 같이 계단 형태를 띠는 스텝 전압으로 가변전압(VM)이 생성될 수 있다. 이때, 참조전압(Vref)이 가변되는 가변전압(VM)의 레벨(Vl)과 시간(Vt)에 따라 RC 지연 영향 또한 달라진다. 그러므로 가변전압(VM)의 레벨(Vl)과 시간(Vt)은 전원 공급부를 구성하는 회로에 대응하여 설계값이 달라질 수 있다.

위와 같은 형태로 인위적인 가변전압(VM)을 형성하여 입력한 결과 비교기(COMP)의 음의전압 입력단(-)에서 보이는 RC 지연 문제는 제거 또는 완화되고 이상적인 스텝 펑션(Ideal Step Function)에 가까운 파형을 나타내게 된다. 이로 인하여, 제2실시예에 따른 전원 공급부는 최적의 가변 속도 및 가변 후 최적의 시간 내에 안정화할 수 있는 형태로 참조전압(Vref)을 생성할 수 있고 이에 기초하여 출력 전압을 빠르고 안정적으로 제어할 수 있게 된다.

도 23 및 도 24는 제1실시예 및 제2실시예에 따른 전원 공급부의 주요 제어 특징을 비교 설명하기 위한 파형도들이다. 제1실시예와 제2실시예 간의 차이점은 이하의 설명과 더불어 도 23 및 도 24에 도시된 원형 형상의 도형을 참조하면 명확해질 것이다.

도 23에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 전원 공급부의 주요 제어 특징을 살펴보면 다음과 같다.

1. LLC Ref. Voltage를 통해 알 수 있듯이, 전압 가변이 필요한 시점에서 스텝 파형으로 참조전압(Vref)이 변한다.

2. Error Amp 입력단 Ref. Voltage 파형을 통해 알 수 있듯이, RC Delay에 의해 참조전압(Vref)에 왜곡이 발생한다.

3. Boost Switch Duty Ratio를 통해 알 수 있듯이, 제3전원 변환부(Pump)의 동작 제어를 위해 펌프 스위치들의 듀티를 제어한다.

4. LLC 출력 전압을 통해 알 수 있듯이, 제3전원 변환부(Pump)의 동작 후, 전원 공급부의 출력 전압은 참조전압(Vref) 따라가므로 안정화되지 못하고 왜곡이 발생한다.

5. Pump 수송 전류를 통해 알 수 있듯이, 제2전원 변환부(LLC)에서 탱크 커패시터로 전류가 수송될 때에는 아래로 볼록하게 하강하고, 탱크 커패시터에서 제2전원 변환부(LLC)로 전류가 수송될 때에는 위로 볼록하게 상승한다.

도 24에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 전원 공급부의 주요 제어 특징은 다음과 같다.

1. Bump Bridge 신호를 통해 알 수 있듯이, 제3전원 변환부(Pump)의 동작 시에만 브릿지 스위치가 턴온된다.

2. LLC Ref. Voltage를 통해 알 수 있듯이, 전압 가변이 필요한 시점에서 특정 함수 파형으로 참조전압(Vref)이 변한다.

3. Error Amp 입력단 Ref. Voltage 파형을 통해 알 수 있듯이, RC Delay에 의한 참조전압(Vref)의 왜곡이 최소화 된다.

4. Boost Switch Duty Ratio를 통해 알 수 있듯이, 제3전원 변환부(Pump)의 동작 제어를 위해 펌프 스위치들의 듀티를 제어한다.

5. LLC 출력 전압을 통해 알 수 있듯이, 제3전원 변환부(Pump)의 동작 후에도 전원 공급부의 출력 전압이 안정화된다.

6. Pump 수송 전류를 통해 알 수 있듯이, 제2전원 변환부(LLC)에서 탱크 커패시터로 전류가 수송될 때에는 아래로 약간 볼록(제1실시예 대비 낮은 폭으로)하게 하강하고, 탱크 커패시터에서 제2전원 변환부(LLC)로 전류가 수송될 때에는 위로 볼록하게 상승한다.

이상 제2실시예에 따른 전원 공급부는 빠른 전압 가변과 안정적인 출력을 유지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 제2실시예에 따른 전원 공급부는 빠르고 안정적인 전압 가변을 위해 참조전압을 특정 함수의 형태로 가변시키고, 전압 평형 상태에서만 펌프 회로와 메인 회로를 전기적으로 분리하여 이들 간의 기생 공진을 제거 또는 개선할 수 있는 효과가 있다. 또한, 제2실시예에 따른 전원 공급부는 펌프 스위치들이 출력 전압을 가변하는 순간에만 동작을 하고 전압 평형 상태에서는 소모되는 전력이 없기 때문에 효율 저하 문제를 해결할 수 있다. 또한, 제2실시예에 따른 전원 공급부는 하드 스위칭 구간이 매우 짧기 때문에 스위칭으로 인한 효율 손실을 저감할 수 있다. 또한, 제2실시예에 따른 전원 공급부는 출력 전압 가변 시간의 한계 극복 및 간편한 양방향 전류 수송 제어(Duty 변화에 의한 양방향 전력 전달)를 할 수 있다. 또한, 제2실시예에 따른 전원 공급부는 피드백신호 및 스위칭 듀티비(Boost Switch Duty ratio)의 가변에 의거 출력단의 효율 손실을 방지하면서도 빠른 전압 변동이 가능하다. 또한, 제2실시예에 따른 전원 공급부는 위와 같은 구동 특성 및 성능을 가지고 있기 때문에, 고전위전압을 빠르게 가변해야 하는 표시장치에 적용시 더욱 큰 효과를 발현할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 영상 공급부 120: 타이밍 제어부
130: 스캔 구동부 140: 데이터 구동부
150: 표시패널 180: 전원 공급부
LLC: 제2전원 변환부 TRS1: 메인 트랜스포머
CO: 출력 커패시터 Pump: 제3전원 변환부
TRS2: 펌프 트랜스포머 BT1, BT2: 펌프 스위치들
LP: 펌프 인덕터 DP: 펌프 다이오드
CP: 탱크 커패시터 BSW: 브릿지 스위치

Claims

외부로부터 공급된 제1차직류전압을 변환하여 제2차직류전압으로 출력하기 위한 메인 트랜스포머를 갖는 제1직류전원 변환부와,
상기 제2차직류전압을 변환하여 제3차직류전압으로 출력하기 위한 펌프 트랜스포머를 갖는 제2직류전원 변환부를 포함하며,
상기 제2직류전원 변환부는 양방향 전력 전달이 가능한 병렬 스테이지 형태로 상기 제1직류전원 변환부에 접속되고,
상기 제1직류전원 변환부는 고전위전압 출력라인에 위치하는 출력 커패시터를 포함하고,
상기 제2직류전원 변환부는 상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측에 위치하는 탱크 커패시터를 포함하고,
상기 제2직류전원 변환부는 상기 출력 커패시터와 상기 탱크 커패시터 사이에서 양방향 전력 전달을 하는 펌프 스위치들을 포함하는 전원 공급부.
제1항에 있어서,
상기 펌프 트랜스포머의 제1차권선 측은
상기 메인 트랜스포머의 제2차권선 측에 병렬 스테이지 형태로 접속되는 전원 공급부.
삭제
제1항에 있어서,
상기 펌프 스위치들은
전압 평형 상태에서만 ZVS(Zero Voltage Switching)하는 전원 공급부.
제1항에 있어서,
상기 펌프 스위치들 중 적어도 하나의 듀티가 증가하면 상기 탱크 커패시터의 전압 충전으로 상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인을 통한 출력 전압은 감소하고,
상기 펌프 스위치들 중 적어도 하나의 듀티가 감소하면 상기 탱크 커패시터의 전압 방전으로 상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인을 통한 출력 전압은 증가하는 전원 공급부.
제1항에 있어서,
상기 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수를 변경하는 메인 제어부와,
상기 제2직류전원 변환부의 전압 가변 속도를 조절하며 상기 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수를 가변하는 전압 변경 신호를 출력하는 펌프 제어부를 갖는 전원 제어부를 더 포함하는 전원 공급부.
제6항에 있어서,
상기 제2직류전원 변환부는
상기 메인 트랜스포머의 제2차권선 측의 제5단자에 제1차권선 측의 제1단자가 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인에 제1차권선 측의 제2단자가 연결된 펌프 트랜스포머와,
상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제4단자에 애노드전극이 연결되고 상기 탱크 커패시터의에 캐소드전극이 연결된 펌프 다이오드와,
상기 펌프 다이오드의 캐소드전극에 일단이 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인 및 상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제3단자에 타단이 연결된 상기 탱크 커패시터와,
상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인에 일단이 연결된 펌프 인덕터와,
상기 펌프 제어부의 제1출력단에 게이트전극이 연결되고 상기 펌프 인덕터의 타단에 제1전극이 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인 및 상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제3단자에 제2전극이 연결된 제1펌프 스위치와,
상기 펌프 제어부의 제2출력단에 게이트전극이 연결되고 상기 펌프 인덕터의 타단에 제1전극이 연결되고 상기 펌프 다이오드의 캐소드전극 및 상기 탱크 커패시터의 일단에 제2전극이 연결된 제2펌프 스위치를 포함하는 전원 공급부.
제1항에 있어서,
상기 제1직류전원 변환부의 출력부와 상기 제2직류전원 변환부의 입력부 사이에 위치하는 브릿지 스위치를 더 포함하고,
상기 브릿지 스위치는 전압 평형 상태에서 상기 제1직류전원 변환부와 상기 제2직류전원 변환부 간의 전기적인 분리를 위해 턴오프되는 전원 공급부.
제7항에 있어서,
상기 펌프 인덕터의 일단에 제1전극이 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인에 제2전극이 연결되고 상기 펌프 제어부에 제어전극이 연결된 브릿지 스위치를 더 포함하고,
상기 브릿지 스위치는 상기 펌프 제어부로부터 출력된 브릿지 스위치 제어신호에 대응하여 턴온 또는 턴오프되는 전원 공급부.
제7항에 있어서,
상기 펌프 제어부는
상기 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수 변경을 위한 참조전압을 상기 메인 제어부에 공급하고,
상기 제1직류전원 변환부의 출력 전압이 가변되면 마이너스 익스포넨셜 함수 형태를 띠는 전압 또는 마이너스 익스포넨셜 함수 형태를 갖되, 계단 형태를 띠는 스텝 전압으로 상기 참조전압을 변경하는 전원 공급부.
영상을 표시하는 표시패널과,
상기 표시패널을 구동하는 장치에 필요한 전원을 출력하는 전원 공급부를 포함하고,
상기 전원 공급부는
외부로부터 공급된 제1차직류전압을 변환하여 제2차직류전압으로 출력하기 위한 메인 트랜스포머를 갖는 제1직류전원 변환부와,
상기 제2차직류전압을 변환하여 제3차직류전압으로 출력하기 위한 펌프 트랜스포머를 갖는 제2직류전원 변환부를 포함하며,
상기 펌프 트랜스포머의 제1차권선 측은 상기 메인 트랜스포머의 제2차권선 측에 병렬 스테이지 형태로 접속되고,
상기 제1직류전원 변환부는 고전위전압 출력라인에 위치하는 출력 커패시터를 포함하고,
상기 제2직류전원 변환부는 상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측에 위치하는 탱크 커패시터를 포함하고,
상기 제2직류전원 변환부는 상기 출력 커패시터와 상기 탱크 커패시터 사이에서 양방향 전력 전달을 하는 펌프 스위치들을 포함하는 표시장치.
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제11항에 있어서,
상기 펌프 스위치들 중 적어도 하나의 듀티가 증가하면 상기 탱크 커패시터의 전압 충전으로 상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인을 통한 출력 전압은 감소하고,
상기 펌프 스위치들 중 적어도 하나의 듀티가 감소하면 상기 탱크 커패시터의 전압 방전으로 상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인을 통한 출력 전압은 증가하는 표시장치.
제13항에 있어서,
상기 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수를 변경하는 메인 제어부와,
상기 제2직류전원 변환부의 전압 가변 속도를 조절하며 상기 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수를 가변하는 전압 변경 신호를 출력하는 펌프 제어부를 갖는 전원 제어부를 더 포함하는 표시장치.
제14항에 있어서,
상기 제2직류전원 변환부는
상기 메인 트랜스포머의 제2차권선 측의 제5단자에 제1차권선 측의 제1단자가 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인에 제1차권선 측의 제2단자가 연결된 펌프 트랜스포머와,
상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제4단자에 애노드전극이 연결되고 상기 탱크 커패시터의에 캐소드전극이 연결된 펌프 다이오드와,
상기 펌프 다이오드의 캐소드전극에 일단이 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인 및 상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제3단자에 타단이 연결된 상기 탱크 커패시터와,
상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인에 일단이 연결된 펌프 인덕터와,
상기 펌프 제어부의 제1출력단에 게이트전극이 연결되고 상기 펌프 인덕터의 타단에 제1전극이 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 저전위전압 출력라인 및 상기 펌프 트랜스포머의 제2차권선 측의 제3단자에 제2전극이 연결된 제1펌프 스위치와,
상기 펌프 제어부의 제2출력단에 게이트전극이 연결되고 상기 펌프 인덕터의 타단에 제1전극이 연결되고 상기 펌프 다이오드의 캐소드전극 및 상기 탱크 커패시터의 일단에 제2전극이 연결된 제2펌프 스위치를 포함하는 표시장치.
제11항에 있어서,
상기 제1직류전원 변환부의 출력부와 상기 제2직류전원 변환부의 입력부 사이에 위치하는 브릿지 스위치를 더 포함하고,
상기 브릿지 스위치는 전압 평형 상태에서 상기 제1직류전원 변환부와 상기 제2직류전원 변환부 간의 전기적인 분리를 위해 턴오프되는 표시장치.
제15항에 있어서,
상기 펌프 인덕터의 일단에 제1전극이 연결되고 상기 제1직류전원 변환부의 고전위전압 출력라인에 제2전극이 연결되고 상기 펌프 제어부에 제어전극이 연결된 브릿지 스위치를 더 포함하고,
상기 브릿지 스위치는 상기 펌프 제어부로부터 출력된 브릿지 스위치 제어신호에 대응하여 턴온 또는 턴오프되는 표시장치.
제15항에 있어서,
상기 펌프 제어부는
상기 제1직류전원 변환부의 스위칭 주파수 변경을 위한 참조전압을 상기 메인 제어부에 공급하고,
상기 제1직류전원 변환부의 출력 전압이 가변되면 마이너스 익스포넨셜 함수 형태를 띠는 전압 또는 마이너스 익스포넨셜 함수 형태를 갖되, 계단 형태를 띠는 스텝 전압으로 상기 참조전압을 변경하는 표시장치.