KR102584245B1 - 스위칭전원용 pwm 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위칭전원의 입력단에서 전압/전류를 검출하고 출력단에서 전압/전류를 검출해서 이를 이용해서 PWM 제어신호를 생성해서 상기 스위칭전원 내의 PWM부에 인가하는 장치로, 스위칭전원(20)의 입력전압 검출부(100); 입력전류 검출부(200); 출력전압 검출부(400); 출력전류 검출부(500); 스위칭전원(20)의 입력전압과 전류의 위상이 일치되도록 하고 스위칭전원(20)의 출력 정전압을 유지하도록 하는 PWM 기초신호를 출력하는 비교부(300); 스위칭전원(20)의 부하 변동에 대응하는 정전압 피드백신호를 생성하여 비교기(300)에 인가하는 정전압유지부(600); 상기 비교부(300)로부터의 PWM 기초신호를 받아 스위칭전원(20)의 스위칭 소자를 ON/OFF 제어하는 PWM 신호(11)를 생성하여 스위칭전원(20)에 인가하는 PWM신호 생성부를 포함한다.

Description

스위칭전원용 PWM 제어장치 {Apparatus for PWM control of switching power supply}

본 발명은 SMPS, IGBT, 또는 자동차나 수소발전 등에 사용되는 DC-DC 컨버터 등 스위칭전원장치의 역률(power factor) 개선 및 정전압 출력을 위한 PWM 제어 기술에 관한 것이다.

전원장치(파워서플라이)는 전통적으로, 고압의 상용 전원(교류)을 저압의 직류 전원으로 변환하는 장치로, 크게, 리니어형(linear)과 스위칭형으로 구분된다.

스위칭형 전원장치(SMPS)는 먼저 교류를 다이오드로 1차 정류하여 직류를 만든 후에 반도체 스위칭소자로 이 1차 정류된 직류를 수십 kHz로 쵸핑하여 교류로 만들어서 변압기로 원하는 교류전압으로 강압 또는 승압하고 이 변압기를 통한 교류를 다시 정류 및 평활하여 2차 직류로 만들어 출력함으로써, 리니어형에 비해 전력 부품(변압기, 커패시터 등)이 소형화/경량화되고 안정된 출력 전압과 전류를 얻을 수 있다. 출력의 정전압 또는 정전류를 위해 PWM(펄스폭 변조) 제어가 이용된다. 스위칭형 전원장치는 그러나 스위칭 및 PWM 과정에서 잡음 및 전자파를 발생시키는 단점도 갖는다.

SMPS에서의 PWM 제어는 반도체 스위칭소자의 스위칭 듀티 또는 주기를 조절하여 출력 전압과 전류의 크기를 변동시켜서 부하에 따라 변동되는 출력 전압과 전류를 일정하게 유지시키기 위하여 시행된다. 출력측 전압과 전류를 검출하여 PWM 제어기에 피드백하여서 출력측 검출값의 크기에 따라 반도체 스위칭소자의 스위칭 듀티 또는 주기를 조절한다.

역률(power factor)은 전기기기에 실제로 걸리는 전압과 전류가 얼마나 유효하게 일을 하는가의 비율을 의미한다. 공급된 전기의 100%를 해당 목적에 소모하는 경우의 역률이 1이고, 역률이 1에 미치지 못할수록 공급된 전기를 제대로 사용하지 못하고 낭비하는 것을 의미한다. 또한 스위칭전원에서 역률이 1이라는 것은 출력 전류와 전압의 위상이 일치하는 것을 의미한다.

한편, 최근에는 고압의 직류전원을 필요로 하는 곳이 많아졌고, 특히, 상용교류 이외의 다양한 입력파형을 갖는 전원 전력의 수요가 크게 늘어났다. 또한 반도체 소자의 발달로 수백, 수천 kHz의 스위칭이 가능하게 되는 이른바 전력 르네상스 시대가 도래하였다.

최근 풍력발전, 태양광발전, 수소발전 등, 폭 넓은 자연 에너지의 이용이 확대되고 있는데, 이들로부터 얻어지는 에너지는 종래의 전력변환 방식에 따르면 불충분하다. 따라서, 자연에서 얻은 에너지를 되도록 많이 전력에너지로 변환시키기 위한 수요가 크다. 또한, 자동차 용도의 한정성에 비추어, 배터리관리시스템(BMS)이나 전원저장장치 등에서의 전력변환 효율을 높혀야 할 필요가 있다.

이에, 출력되는 전력의 효율을 극대화하기 위하여, 입력에 어떠한 파형의 전원이 들어오더라도 전압과 전류의 위상을 최대한 일치시켜 역률을 개선하고 정전압 출력을 유지하는 스위칭전원용 PWM 제어장치를 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 스위칭전원의 입력단에서 전압/전류를 검출하고 출력단에서 전압/전류를 검출해서 이를 이용해서 PWM 제어신호를 생성해서 상기 스위칭전원 내의 PWM부에 인가하는 장치에 있어서, 스위칭전원의 입력 전압을 검출하여 입력전압 검출신호를 생성하는 입력전압 검출부; 스위칭전원의 입력 전류를 검출하여 입력전류 검출신호를 생성하는 입력전류 검출부; 스위칭전원에서 출력되는 전압을 검출하여 출력전압 검출신호를 생성하는 출력전압 검출부; 스위칭전원에서 출력되는 전류를 검출하여 출력전류 검출신호를 생성하는 출력전류 검출부; 상기 스위칭전원의 출력전압 검출신호와 출력전류 검출신호를 받아서 스위칭전원의 부하 변동에 대응하는 정전압 피드백신호를 생성하여 하기의 비교기에 인가하는 정전압유지부; 상기 스위칭전원의 입력전압 검출신호와 입력전류 검출신호를 입력받아 스위칭전원의 입력전압과 전류의 위상이 일치되도록 하고 상기 출력전압 검출신호와 출력전류 검출신호로부터 생성된 정전압 피드백신호를 상기 정전압유지부로부터 입력받아 스위칭전원의 출력 정전압을 유지하도록 하는 PWM 기초신호를 출력하는 비교부; 및 상기 비교부로부터의 PWM 기초신호를 받아 스위칭전원의 스위칭 소자를 ON/OFF 제어하는 최종 PWM 신호를 생성하여 스위칭전원의 스위칭 소자로 인가하는 PWM신호 생성부를 포함하는 스위칭전원용 PWM 제어장치가 제공된다.

상기 입력전압 검출부는, 스위칭전원의 입력전원의 양단에 각각 연결된 제1다이오드 및 제2다이오드; 상기 제1다이오드 및 제2다이오드에 공통으로 연결된 다수의 분압 저항을 포함할 수 있다.

상기 입력전류 검출부는 스위칭전원의 입력단의 로사이드(low side)의 라인에 삽입된 적어도 3개 이상 병렬연결된 션트저항을 포함할 수 있다.

상기 출력전압 검출부는 스위칭전원의 출력단에서 출력전압을 검출할 수 있다.

상기 출력전류 검출부는 스위칭전원의 출력단의 로사이드(low side)의 라인에 삽입된 적어도 3개 이상 병렬연결된 션트저항을 포함할 수 있다.

상기 정전압유지부는, 상기 출력전압 검출신호 및 출력전류 검출신호를 기설정된 기준전압에 대해 비교하는 수단; 및 상기 비교 수단에 의한 비교의 결과, 스위칭전원력 전압의 변동에 따른 전류량에 따라 발광하고 이 빛을 수광하여 정전압 피드백 신호로서 상기 비교부에 인가하는 포토커플러를 포함할 수 있다.

상기 비교부는 OP앰프 비교기를 포함할 수 있는데, 비교기의 (-)입력단에는 상기 입력전압 검출신호와 입력전류 검출신호가 함께 인가되고, (+)입력단에는 기준전압이 인가되고, (-)입력단과 출력단 사이에 부귀환 회로가 포함될 수 있다. 이 부귀환 회로에 상기 정전압유지부의 정전압 피드백신호가 인가될 수 있다.

상기 PWM신호 생성부는 상기 비교부로부터 PWM 기초신호를 받아서 최종 PWM 신호를 생성하기 전에 노이즈 및 리플 성분을 제거하는 것을 포함할 수 있다.

상기 PWM신호 생성부의 입력단과 상기 비교부의 출력단과의 연결부에는 비교부에서 출력되는 신호에 경사(slope)를 줘서 파형을 정형하는 슬로우스타트 회로가 포함될 수 있다.

이상에서 소개한 본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면, 입력에 어떠한 파형의 전원이 들어오더라도 전압과 전류의 위상을 최대한 일치시켜 역률을 개선하고 정전압 출력을 유지할 수 있어서, 자연 에너지로부터의 전력에너지 변환(풍력발전 등)의 효율 및 자동차 배터리관리시스템(BMS)이나 전원저장장치 등의 전력변환 효율을 극대화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스위칭전원용 PWM 제어장치의 개념 설명도
도 2는 본 발명의 PWM 제어장치(10)의 개괄적 구성도
도 3은 입력전압 검출부(100)의 회로도
도 4는 입력전류 검출부(200)의 회로도
도 5는 비교부(300)의 구성도
도 6은 출력전압 검출부(400) 및 출력전류 검출부(500)의 회로도
도 7은 정전압유지부(600)의 회로도
도 8은 PWM신호 생성부의 회로도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 이하에서 상세하게 기술된 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 스위칭전원용 PWM 제어장치의 개념을 설명하기 위한 것이다.

본 발명의 PWM 제어장치(10)는 SMPS, IGBT, 또는 DC-DC컨버터 등 스위칭전원(20)의 입력단에서 전압/전류(21)를 검출하고 출력단에서 전압/전류(22)를 검출해서 이를 이용해서 PWM 제어신호(11)를 생성해서 스위칭전원(20) 내의 PWM부에 인가한다. 스위칭전원(20)은 본 발명의 PWM 제어장치(10)로부터 제공받은 PWM 제어신호(11)를 이용하여 PWM을 수행함으로써 역률이 향상되고 출력의 정전압이 유지된다.

본 발명의 PWM 제어장치(10)는 스위칭전원(20)의 입력 파형이 어떠하든지간에 전압과 전류의 위상을 일치시켜 스위칭 신호를 발생시킴으로써 역률≒1을 만족하도록 하고 효과적인 정전압을 유지하도록 한다. 이에 따라 별도의 감속기 없이도 스위칭전원(20)에 활용시 전력 효율을 극대화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 PWM 제어장치(10)의 개괄적 구성도이다. 다음과 같이 구성된다.

- 스위칭전원(20)의 입력 전압을 검출하여 입력전압 검출신호를 생성하는 입력전압 검출부(100);

- 스위칭전원(20)의 입력 전류를 검출하여 입력전류 검출신호를 생성하는 입력전류 검출부(200);

- 스위칭전원(20)에서 출력되는 전압을 검출하여 출력전압 검출신호를 생성하는 출력전압 검출부(400);

- 스위칭전원(20)에서 출력되는 전류를 검출하여 출력전류 검출신호를 생성하는 출력전류 검출부(500);

- 스위칭전원(20)의 상기 입력전압 검출신호와 입력전류 검출신호를 입력받아 스위칭전원(20)의 입력전압과 전류의 위상이 일치되도록 하고 상기 출력전압 검출신호와 출력전류 검출신호로부터 생성된 정전압 피드백신호를 하기 정전압유지부(600)로부터 입력받아 스위칭전원(20)의 출력 정전압을 유지하도록 하는 PWM 기초신호를 출력하는 비교부(300);

- 상기 출력전압 검출신호 및 출력전류 검출신호를 받아서 스위칭전원(20)의 부하 변동에 대응하는 정전압 피드백신호를 생성하여 비교기(300)에 인가하는 정전압유지부(600);

- 상기 비교부(300)로부터의 PWM 기초신호를 받아 스위칭전원(20)의 스위칭 소자를 ON/OFF 제어하는 최종 PWM 신호(11)를 생성하여 스위칭전원(20)의 PWM부(스위칭 소자 회로)로 인가하는 PWM신호 생성부.

이하, 각 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

<입력전압 검출부(100)>

도 3에서와 같이, 입력전압 검출부(100)는 스위칭전원(20)의 입력전원 Vs의 양단에 각각 연결된 제1, 제2다이오드 D1, D2를 통해 연결되는 분압부를 포함한다. 분압부는 다수의 저항 R1~R7을 포함한다. 여기서 입력전원 Vs는 AC(교류)일 수도 있고 DC(직류)일 수도 있다. 검출된 분압은 스위칭전원(20)의 입력전압의 파형과 동일한 파형을 모사하는 작은 진폭의 전압 신호이다.

다이오드 D1, D2는 입력전압 검출부(100)의 후단(출력단 이후)의 전압 및 주파수 특성부(비교부)의 역바이어스가 역류하지 않도록 하는 역할을 한다. 따라서 애노드가 스위칭전원(10)의 입력전원에 연결되고 캐소드에 다수의 분압 저항들이 연결된다.

다수의 분압 저항은 스위칭전원(20)의 입력 전압을 3~7V로 분압하여 입력전압 검출신호 v_det_in을 출력한다. 이 입력전압 검출신호 v_det_in의 진폭은 비교부(300) 및 정전압유지부(600)에 의해 주파수특성이 변조됨에 따라 수mV ~ 10V로 변동하게 되므로, 이를 고려하여 분압부의 저항 구성을 해야 한다. 이를 위해 도 3과 같이 R1~R4를 순차로 직렬연결하되, 그 사이에 있는 R3의 양단을 각각 R5와 R6을 통해 접지에 연결한다. 구체적으로, 상기 제1다이오드 D1 및 제2다이오드 D2에 공통으로 연결되며 순차적으로 직렬 연결된 두 개 이상의 전단부 저항 R1, R2; 상기 직렬 연결된 두 개 이상의 저항 R1, R2 중 마지막 저항 R2와 직렬 연결된 중간부 저항 R3; 이 중간부 저항 R3과 직렬 연결된 후단부 저항 R4; 상기 중간부 저항 R3의 일단과 접지 사이에 연결된 제1분기저항 R5; 및 상기 중간부 저항 R3의 타단과 접지 사이에 연결된 제2분기저항 R6으로 구성된다.

다수의 실험 결과, 상기 직렬 연결된 저항들 중에 주된 전압 분압 작용을 하는 중간부 저항 R3의 전단에 있는 전단부 저항 R1과 R2는 두 저항의 합성 저항 R1+R2에 해당하는 저항값을 갖는 단일 저항을 사용해서는 안 되고 R1과 R2를 별도로 직렬 연결해야 본 입력전압 검출부(100)의 후단에서 스위칭전원(20)의 입력 파형의 주파수 특성 구간의 변동에 효과적으로 대응할 수 있는 것으로 확인되었다. 도 3에서 R1과 R2와 같이 두 개의 저항이 직렬 연결된 것으로 도시하였지만, 실제 구현시에는 두 개 이상의 저항을 직렬 연결하여 전단부 저항을 구성할 수 있다.

또한, 주된 전압분압 작용을 하는 중간부 저항 R3과 제1, 제2분기저항 R5, R6에서, R3의 저항값은 R5 또는 R6의 저항값보다 큰 것이 바람직하며, 더 바람직하게는, R3의 저항값이 R5 또는 R6의 저항값의 대략 수십배 이상인 것이 상기 언급한 주파수 변동에 대응하는 데 더 유리한 것으로 파악되었다.

실제 구현시에, 스위칭전원(20)의 입력 전압이 220VAC일 때에, R1과 R2에 두 개의 저항을 더 추가하여 1kΩ, 3kΩ, 3kΩ, 3kΩ의 저항을 R3의 전단에 배치하고 R4=100kΩ으로 설정하였고, R3=680kΩ, R5=8.2kΩ, R6=62kΩ으로 설정하였다.

<입력전류 검출부(200)>

도 4에서와 같이, 입력전류 검출부(200)는 스위칭전원(20)의 입력단의 로사이드(low side)에 3개 이상 병렬연결된 션트저항기 R7, R8, R9를 삽입하여 스위칭전원(20)에 입력되는 전류의 리플 전류를 검출한다. 즉, 로사이드(접지측)의 전류 라인을 끊고 션트저항을 연결하면 저항 양단에 전압 강하가 일어나게 된다. 이 강하 전압은 스위칭전원(20)의 입력전류의 리플을 모사하는 전압 형태의 입력전류 검출신호이다. 이 강하 전압을 입력전류 검출신호 v_drop_in로서 후단에 있는 비교부(300)로 입력하는 것이다.

션트저항이 스위칭전원(20)의 입력 전류에 영향을 주는 것을 최소화하기 위해 각 저항 R7~9는 접지측, 즉, 로사이드측에 삽입하고 매우 작은 저항값(예를 들어, 0.1옴 이하)으로 설정하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 입력전압 검출부(100)에서 언급한 것과 같은 이유로 하나의 저항으로 입력전류 검출부(200)의 션트저항을 구현하는 것보다는 3개 이상의 저항을 병렬 연결하여 션트저항을 구현하는 것이 스위칭전원(20)의 입력 전류의 리플 파형의 주파수 특성 구간의 변동에 대응하는 데 더 유리한 것으로 실험적으로 확인되었다.

한편, 강하전압 v_drop_in이 비교부(300)로 인가되기 전에 저항 R10을 거치도록 구성할 수 있다. 이 저항 R10은 일종의 완충저항이다. 입력전류 검출부(200)에서 검출되는 입력 전류 리플은 맥동 성분이 매우 강하고 미세한 전압치로 환산되어야 하기 때문에 응답성이 커진다. 그래서 이 저항 R10을 연결하여 완충하고자 하는 것이다. 설계에 따라서 이 완충저항은 생략 가능하다.

실제 구현시에, R7=R8=R9= 0.1Ω, R10=4.7kΩ으로 설정하였다.

<비교부(300)>

비교부(300)의 구성을 도 5에 나타내었다. 비교부(300)에 있는 비교기(COMP, comparator)의 (-)입력단에는 앞서 검출한 스위칭전원(20)의 입력전압 검출신호 v_det_in과 입력전류 검출신호 v_drop_in이 함께 인가되고, 비교기의 (+)입력단에는 기준전압 v_ref가 인가된다. 그리고 비교기의 (-)입력단과 출력단 사이에 R11과 R12의 직렬 저항 그룹을 연결하고 아울러 이 직렬 저항 그룹과 병렬로 저항 R13과 커패시터 C1가 직렬 연결된 저항-커팩시터 직결 그룹을 연결하여 일종의 부귀환(Negative Feedback) 회로를 구성한다. 그리고 직렬 저항 그룹의 R11과 R12 사이의 탭 T1에는 정전압유지부(600)에서 출력되는 피드백 신호가 주입된다.

일반적인 비교기는 OP앰프의 부귀환없이 사용되며, 입력된 전압과 전류로부터 전압 전달함수와 전류 전달함수를 도출하여 입력전압이 어느 일정 레벨을 넘는 것을 감지하는 레벨 검출 기능이나 싸인파 입력을 구형파로 만드는 구형파 발생 기능으로 사용되는 반면에, 본 발명의 비교부(300)는 비교기(COMP) 및 주변회로에 의해 스위칭전원(20)의 입력에서 검출된 전압과 전류로부터 입력전압 주파수특성 전달함수 및 입력전류 주파수특성 전달함수를 각각 도출한다. 이러한 비교기의 사용모드는 이른바 '주파수 전달함수 영역에서의 사용'이라고 부른다.

또한 본 발명의 비교부(300)의 상기 부귀환 회로에는 스위칭전원(20)의 출력에서 검출된 신호로부터 생성된 정전압 유지를 위한 피드백 신호가 주입된다.

결과적으로 비교부(300)는 스위칭전원(20)의 입력전압 검출신호, 입력전류 검출신호, 출력전압/전류로부터 생성된 정전압 피드백신호를 입력받아 상기 주파수 전달함수 영역에서의 비교기 사용을 통해 스위칭전원(20)의 입력전압과 전류의 위상이 일치되도록 보상하고 스위칭전원(20)의 출력의 정전압을 유지하도록 PWM 기초신호(구형파) S_pwm_i를 PWM신호 생성부로 출력하여 PWM신호 생성부가 최종 PWM 신호를 생성하도록 한다.

비교부(300)의 출력부에는 다이오드 D3가 있어서 이를 통해 S_pwm_i가 출력된다. 비교부(300)의 출력단에서 나오는 신호 크기와 후단의 PWM신호 생성부에서 받아들일 수 있는 신호 용량에는 차이가 있기 때문에 이를 맞춰주기 위하여 다이오드 D3가 사용된 것이다. 또한 이 다이오드 D3는 비교부(300)에서 도출되는 다중 주파수특성 영역에서의 전달함수를 종합화하는 기능을 하는데, 이를 이론적으로 '전달함수 상태 평균화법' 이라고 한다.

비교부(300)의 부귀환 회로의 소자 정수 및 그 허용공차가 중요하다. 일 실시예로, R11=1.3kΩ, R12=36kΩ, R13=470kΩ, C1=684nF으로 설정하였으며, 이들 정수의 허용공차는 ±10% 이하이다. 그리고 비교기로는 LM2904 IC를 이용하였다.

<출력전압 검출부(400)>

스위칭전원(20)의 출력전압과 출력전류를 검출하여 정전압유지부(600)로 보내어 정전압 피드백신호를 만들어 비교부(300)의 부귀환 회로에 인가한다. 스위칭전원(20)의 출력전압과 출력전류를 검출하기 위해 출력전압 검출부(400)와 출력전류 검출부(500)가 필요하다.

스위칭전원 출력전압 검출부(400)는 스위칭전원(20)의 출력단의 평활 콘덴서 직전에서 출력전압을 검출하는 것이 바람직하다. 평활 콘덴서의 전단의 출력라인에 탭을 내어서 전압을 측정하면 될 것이다.

도 6을 참조하면, 스위칭전원(20)의 출력단(Vout)의 평활 콘덴서 Cs의 연결점 이전에 검출탭(T2)을 내어 이 지점에서의 전압을 측정하여 얻은 출력전압 검출신호 v_det_out을 정전압유지부(600)에 인가한다.

<출력전류 검출부(500)>

스위칭전원 출력전류 검출부(500)는 도 6에서와 같이 스위칭전원(20)의 출력단의 로사이드(low side) 선로를 끊고 3개 이상의 션트저항기 R14, R15, R16을 병렬 연결하여 출력전류를 검출한다. 즉, 출력단의 접지 선로를 끊고 연결된 션트저항에 전압강하가 일어나게 되고 이 강하 전압(리플신호)을 출력전류 검출신호 v_drop_out로서 정전압유지부(600)로 보낸다.

출력전류 검출부(500)의 구성은 앞에서 설명한 입력전류 검출부(200)의 구성과 유사하다. 또한 R14=R15=R16=0.1Ω으로 설정하였다.

<정전압유지부(600)>

정전압유지부(600)는 스위칭전원(20)의 출력단에서 검출된 출력전압 검출신호 v_det_out과 출력전류 검출신호 v_drop_out을 받아서 스위칭전원(20)의 부하 변동에 대응하는 정전압 피드백신호 S_fd를 생성하여 비교기(300)에 인가하여 정전압을 유지하도록 한다.

도 7의 구성을 설명하면, 먼저, 제너다이오드 ZD1을 이용하여 기준전압을 설정(예를 들어, 24V)한다. 한편 스위칭전원(20)의 출력전압 검출신호 v_det_out은 저항 R17과 R18에 의해 분압되어 트랜지스터 Q2의 베이스에 대한 바이어스를 형성함과 동시에 저항 R19를 통해 트랜지스터 Q1의 콜렉터에 인가된다. 그리고 스위칭전원(20)의 출력전류 검출신호 v_drop_out은 그라운드에 인가되어 그 리플량이 상기 Q1, Q2의 바이어스에 합산된다. 이와 같이 Q1과 Q2에 의한 비교 작용으로써, ZD1에 의해 설정된 기준전압에 대해 스위칭전원(20)의 출력 전압이 높거나 낮을 때의 전류량이 포토커플러(PC)의 LED에 인가되고 빛에 의해 포토디텍터에 전달되어 정전압 피드백신호 S_fd로 출력된다. 여기서 상기 포토커플러(PC)는 1차측과 2차측을 절연해야 할 필요성이 있는 스위칭전원에 유효히 사용할 수 있는 절연형 신호전달 부품이다.

정전압 피드백신호 S_fd는 앞에서 언급한 것처럼 비교부(300)의 비교기의 부귀환회로에 주입된다. 비교부(300)의 입력 전압변수로서 작용하는 정전압 피드백 신호 S_fd는 스위칭전원(20)의 입력전압/전류의 주파수특성 전달함수에 작용하여 설정 전압 이상 혹은 이하로 스위칭전원(20)의 출력 전압이 나올 경우에 PWM신호 생성부로 하여금 결과적으로 구형파 신호의 듀티, 주기, 데드타임을 제어하여 설정 전압을 유지하도록 한다. 또한 부하의 증감에 따른 출력 전압/전류의 변동에 응답하도록 한다.

한편, 도 7에는 비교부(300)로 출력되는 정전압 피드백신호 S_fd의 크기를 조절하기 위한 회로(610)가 사용되었다. 정전압 피드백신호 S_fd를 직접 비교부(300)의 비교기에 인가하기에는 그 크기가 너무 커서 정밀한 정전압 피드백신호로서의 역할을 하는 데 한계가 있고 경우에 따라서는 비교기를 파괴시킬 수 있다. 따라서 이 회로(610)를 사용하여 정전압 피드백신호 S_fd의 크기를 자동으로 정밀하게 조절하도록 하였다. 이 회로는 JFET를 병렬로 PC의 컬렉터-에미터에 연결하여 PC에서 출력되는 신호의 전압을 세밀하게 조절하는 변수인자로 작용한다. JFET는 입력 및 출력 임피던스가 일정한 특성을 갖는바, JFET 회로를 추가함으로써 스위칭전원(20)의 출력의 미세 전압/전류를 감지하게 되어 정전압유지부(600)의 정전압 작용을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

<PWM신호 생성부>

도 8에 나타낸 PWM신호 생성부는 비교부(300)로부터 주파수 특성을 갖는 PWM생성 기초신호 S_pwm_i를 받아서 일부 노이즈 및 리플 성분을 제거하고 입력신호에 비례 혹은 반비례하며 사용자의 필요에 따라 구형파 폭과 주기, 듀티비, 데드타임이 정해지는 스위칭 소자(FET 등)를 ON/OFF하는 최종 PWM 신호 S_pwm_f를 생성하여 스위칭전원(20)의 스위칭 소자로 출력한다.

PWM신호 생성부는 비교부(300)의 동작상 게인량을 조절해, 수신한 PWM 기초 신호의 폭과 듀티를 가변할 수 있다. 그리고 flip-flop 등 부가 회로를 용도에 따라 부가할 수 있다. PWM 기초 신호의 폭과 듀티를 가변하기 위한 PWM IC 용도로 SE555D를 사용하였다.

또한, PWM신호 생성부의 입력단, 즉, 비교부(300)의 출력단과 연결되는 스테이지에는 트랜지스터 Q3, 다이오드 D4, D5, 저항 R20, 커패시터 C2로 구성되는 슬로스타트(slow start) 회로(710)가 있다. 이 회로(710)는 비교부(300)에서 출력되는 신호에 트랜지스터 및 다이오드의 클리핑과 커패시턴스를 이용하여 경사(slope)를 줘서 파형을 정형하여 PWM신호 생성부로 넘겨주는 기능을 한다.

이상에서 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

1. 스위칭전원의 입력단에서 전압/전류를 검출하고 출력단에서 전압/전류를 검출해서 이를 이용해서 PWM 제어신호를 생성해서 상기 스위칭전원 내의 PWM부에 인가하는 장치로,
   스위칭전원의 입력 전압을 검출하여 입력전압 검출신호를 생성하는 입력전압 검출부;
   스위칭전원의 입력 전류를 검출하여 입력전류 검출신호를 생성하는 입력전류 검출부;
   스위칭전원에서 출력되는 전압을 검출하여 출력전압 검출신호를 생성하는 출력전압 검출부;
   스위칭전원에서 출력되는 전류를 검출하여 출력전류 검출신호를 생성하는 출력전류 검출부;
   상기 스위칭전원의 출력전압 검출신호와 출력전류 검출신호를 받아서 스위칭전원의 부하 변동에 대응하는 정전압 피드백신호를 생성하여 하기의 비교부에 인가하는 정전압유지부;
   상기 스위칭전원의 입력전압 검출신호와 입력전류 검출신호를 입력받아 스위칭전원의 입력전압과 전류의 위상이 일치되도록 하고 상기 출력전압 검출신호와 출력전류 검출신호로부터 생성된 정전압 피드백신호를 상기 정전압유지부로부터 입력받아 스위칭전원의 출력 정전압을 유지하도록 하는 PWM 기초신호를 출력하는 비교부; 및
   상기 비교부로부터의 PWM 기초신호를 받아 스위칭전원의 PWM부를 제어하는 최종 PWM 신호를 생성하여 스위칭전원의 PWM부에 인가하는 PWM신호 생성부를 포함하되,
   상기 정전압유지부는, 상기 출력전압 검출신호 및 출력전류 검출신호를 기설정된 기준전압에 대해 비교하는 수단; 및 상기 비교 수단에 의한 비교의 결과 스위칭전원의 출력전압의 변동에 따라 발광하는 발광부와 발광하는 빛을 수광하여 정전압 피드백 신호를 출력하여 상기 비교부에 인가하는 수광부를 포함하는 포토커플러를 포함하되, 상기 비교수단은 두 개의 트랜지스터 Q1과 Q2를 포함하고, 상기 출력전압 검출신호는 트랜지스터 Q2의 베이스에 대한 바이어스를 형성함과 동시에 트랜지스터 Q1의 콜렉터에 인가되고, 상기 출력전류 검출신호는 그라운드에 인가되어 스위칭전원에서 출력되는 전류의 리플량이 상기 트랜지스터 Q1, Q2의 바이어스에 합산되며,
   상기 비교부는 비교기를 포함하되, 상기 비교기의 (-)입력단에는 상기 입력전압 검출신호와 입력전류 검출신호가 함께 인가되고, 상기 비교기의 (+)입력단에는 기준전압이 인가되고, 상기 비교기의 (-)입력단과 출력단 사이에 저항 R11과 저항 R12의 직렬 저항 그룹이 연결되고 상기 직렬 저항 그룹에 병렬로 저항 R13과 커패시터 C1이 직렬 연결된 저항-커패시터 직결 그룹이 연결되어 부귀환 회로가 구성되며, 상기 직렬 저항 그룹의 저항 R11과 저항 R12 사이에 상기 정전압유지부에서 출력되는 피드백 신호가 주입되는 것을 특징으로 하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 입력전압 검출부는
   스위칭전원의 입력전원의 양단에 각각 연결된 제1다이오드 및 제2다이오드; 및
   상기 제1다이오드 및 제2다이오드에 공통으로 연결된 다수의 분압 저항을 포함하되,
   상기 다수의 분압 저항은
   상기 제1다이오드 및 제2다이오드에 공통으로 연결되며 순차적으로 직렬 연결된 두 개 이상의 전단부 저항; 상기 직렬 연결된 두 개 이상의 저항 중 마지막 저항과 직렬 연결된 중간부 저항; 상기 중간부 저항과 직렬 연결된 후단부 저항; 상기 중간부 저항의 일단과 접지 사이에 연결된 제1분기저항; 및 상기 중간부 저항의 타단과 접지 사이에 연결된 제2분기저항을 포함하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 중간부 저항은 상기 제1분기저항 및 제2분기저항보다 큰 것을 특징으로 하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 입력전류 검출부는
   스위칭전원의 입력단의 로사이드(low side)의 라인에 삽입된 적어도 3개 이상 병렬연결된 션트저항을 포함하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 출력전압 검출부는
   스위칭전원의 출력단의 평활 콘덴서 직전에서 출력전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 출력전류 검출부는
   스위칭전원의 출력단의 로사이드(low side)의 라인에 삽입된 적어도 3개 이상 병렬연결된 션트저항을 포함하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 정전압 피드백신호를 비교기에 인가하기 전에 그 크기를 조절하기 위한 회로를 추가로 포함하되, 상기 회로는 JFET를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서, 상기 비교기의 사용모드는 주파수 전달함수 영역 사용모드인 것을 특징으로 하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제1항에 있어서, 상기 PWM신호 생성부는
    상기 비교부로부터 PWM 기초신호를 받아서 최종 PWM 신호를 생성하기 전에 노이즈 및 리플 성분을 제거하는 것을 포함하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 PWM신호 생성부의 입력단과 상기 비교부의 출력단과의 연결부에는
    비교부에서 출력되는 신호에 경사(slope)를 줘서 파형을 정형하는 슬로우스타트 회로가 포함되는 것을 특징으로 하는 스위칭전원용 PWM 제어장치.

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