KR19980063183U - 과도전압 안정화 회로를 구비하는 스위칭 모드 전원 공급기 - Google Patents

과도전압 안정화 회로를 구비하는 스위칭 모드 전원 공급기 Download PDF

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Abstract

본 고안은 전자기기의 전원을 제어하는 스위칭 모드 전원 공급기에 관한 것으로, 부스트-업(Boost-Up) 기능을 하는 플라이백 콘버터에서 초기 전원인가시 또는 부하의 급작스런 변화가 있을 때 발생되는 전압과 전류의 과도 현상을 초기에 안정화 시키기 위한 것이다.
이상동작에 의해 과전압(Over Voltage)이 발생할 때 부하단에 구성된 과도전압 안정화회로를 통해 그 변동분을 빠르게 피드백 시키므로써 순간적으로 펄스폭변조(PWM)동작을 멈추게 하므로써 과전압으로부터 전자기기를 보호할 수 있는 기능을 갖는다.

Description

과도전압 안정화 회로를 구비하는 스위칭 모드 전원 공급기
본 고안은 전자기기의 전원을 제어하는 스위칭 모드 전원 공급기(Swithching Mode Power Supply : 이하 SMPS라 칭함)에 관한 것으로, 특히 이상동작에 의해 과전압(Over Voltage)이 발생할 때 순간적으로 펄스폭변조(PWM)동작을 멈추게 하므로써 과전압으로부터 전자기기를 보호할 수 있는 기능을 구비한 과전압 보호기능을 갖는 SMPS에 관한 것이다.
모니터는 대표적인 컴퓨터 주변장치로서 그 구성은 도 1에서와 같이 나타낼 수 있다.
도시된 바와 같이, 컴퓨터(10)는 키보드 신호를 인가 받아 처리하고 처리된 결과에 따라 데이터를 발생하는 CPU(11)와, 상기 CPU(11)로부터 출력되는 데이터를 인가 받아 영상 신호(R,G,B)로 처리하고 이를 동기시키기 위한 수평동기신호 HS 및 수직동기신호 VS를 출력하는 비디오 카드(12)를 포함한다.
모니터(20)는 상기 컴퓨터(10)내의 비디오 카드(12)로부터 영상 신호(R,G,B) 및 수평/수직 동기신호를 인가 받아 후단에 상 조정 신호와 기준 발진 신호 등의 조절 신호를 출력하는 마이컴(21)과, 상기 마이컴(21)의 동작을 위한 화면 제어 신호를 출력하는 제어 버튼(Button)부(22)와, 상기 마이컴(21)으로부터 출력되는 모니터 화면 제어 신호와 기준 발진 신호를 인가 받아 라스터(Raster)를 동기시키는 수평 및 수직 출력 회로부(23)와, 상기 비디오 카드(12)로부터 출력되는 영상 신호를 인가 받아 증폭하여 표시하는 비디오 회로부(24)와, 상기 마이컴(21)과 상기 수평 및 수직 출력 회로부(23)와 상기 영상 신호 처리부(24)에 구동 전압을 공급하는 전원 회로부(25)로 되어 있다.
이와 같은 구성을 가진 모니터(20) 내부의 각 블럭을 더욱 상세히 살펴보면 다음과 같다.
컴퓨터(10)의 비디오 카드(12)로부터 출력되는 수평 동기 신호(H-SYNC)와 수직 동기 신호(V-SYNC)를 각종 화면 제어 데이터를 저장하고 있는 마이컴(21)에서 인가 받는다. 수평 동기 신호(H-SYNC) 및 수직 동기 신호(V-SYNC)를 인가 받은 마이컴(21)은 제어 버튼(Button)부(22)에서 인가되는 화면 제어 신호에 따라 화면에 표시되는 상을 조정하는 신호를 출력하게 된다.
마이컴(21)으로부터 출력되는 상 조정 신호와 기준 발진 신호를 인가 받은 수평 및 수직 발진 신호 처리기(23-1)는 비디오 카드(12)로부터 인가되는 수평 동기 신호(H-SYNC) 및 수직 동기 신호(V-SYNC)에 따라 톱니파 발생 회로의 온/오프 동작의 스위칭 속도를 제어하기 위한 수직 펄스를 수직 드라이브 회로(23-2)로 인가하게 된다.
수직 펄스를 인가 받은 수직 드라이브 회로(23-2)는 일반적으로 1단의 수직 증폭형이 많이 사용되며, 트랜지스터의 베이스 단자에 입력을 가하고 에미터 단자에서 출력 전압을 꺼내는 에미터 팔로우(Emitter Follower)형을 많이 사용된다. 따라서, 이득보다는 직선성 개선의 동작을 한다.
이러한 수직 드라이브 회로(23-2)로부터 출력되는 전류 신호를 인가받은 수직 출력 회로(23-3)는 수직 편향요크(Deflection Yoke)(23-4)를 통해 흐르는 수직 동기 펄스에 부합된 톱니파 전류를 만들게 되고, 그에 따라 수직 주사 주기가 결정된다.
수평 및 수직 발진 신호 처리기(23-1)로부터 출력되는 수평 발진 신호는 수평 드라이브 회로(23-5)에 인가된다. 수평 발진 신호를 인가 받은 수평 드라이브 회로(23-5)는 수평 출력 회로(23-6)를 온/오프 시키기 위한 충분한 전류를 공급하게 된다.
수평 드라이브 회로(23-5)로부터 출력되는 전류를 인가 받은 수평 출력 회로(23-6)는 수평 편향요크(H-DY)(23-7)에 톱니파 전류를 발생하게 된다. 이러한 톱니파 전류에 의해 수평 주사 주기가 결정된다.
또한, 안정된 직류(DC) 전압을 음극선관(Cathode Ray Tube; 이하 CRT라 칭함)(24-4)의 애노드(Anode)에 공급하기 위해 플라이백 트랜스포머(Flyback Transformer; 이하 FBT라 칭함)(23-9)가 사용된다.
FBT는 누설 인덕턴스와 고압 회로(23-8)의 분포 용량에 의한 고조파를 이용하여, 콜렉터 펄스가 작아도 큰 고압을 발생하여 CRT(24-4)의 애노드(Anode) 단자에 인가하게 되다.
고압을 인가 받은 애노드(Anode) 단자는 영상 신호 처리부(24)에서 증폭되어 출력되는 영상 신호(R,G,B)의 휘도를 조정하게 된다. OSD부(24-1)는마이컴(21)에서 출력되는 화면 제어 신호에 따른 OSD데이터를 인가 받아 OSD 이득 신호를 출력하게 된다.
비디오 프리 앰프(24-2)는 OSD부(24-1)로부터 출력되는 OSD 이득 신호와 비디오 카드(12)로부터 인가되는 영상 신호(R,G,B)를 인가 받는다. 비디오 프리 앰프(24-2)는 저전압 증폭기로 낮은 영상 신호(R,G,B)를 증폭시켜 일정한 전압 수준을 유지하게 된다.
가령 예를 들어, 1VPP미만의 신호를 4 ∼ 6VPP의 신호로 증폭시킨다. 이와 같이 4 ∼ 6VPP의 신호로 증폭 된 것을 비디오 출력 앰프(24-3)는 40 ∼ 60VPP의 신호로 증폭하여 각 화소에 에너지를 공급하게 된다. 비디오 출력 앰프(24-3)에서 증폭된 영상 신호는 CRT(24-4)의 캐소드(Cathode)에 인가되어 화면을 통해 영상을 표시된다.
또한, OSD가 선택되는 경우에는 비디오 프리 앰프(24-2)에서 OSD가 선택되어 일정 레벨로 증폭된 후, 비디오 출력 앰프(24-3)에서 최종 증폭되어 CRT(24-4)의 화면에 OSD 데이터를 표시하게 된다. CRT(24-4)에 표시되는 OSD 데이터를 사용함으로써 모니터(20)의 사용자에게 디스플레이 모니터(20)의 기능 또는 정보를 제공하게 된다.
이러한 모니터의 구동 전압을 공급하는 전원 회로부(25)는, 상용 교류를 입력받는 교류(Alternative Current; 이하 AC라 칭함)입력단(25-1)을 통해 교류를 입력받는다. AC입력단(25-1)을 통해 출력되는 교류를 입력받은 디가우징 코일(25-2)은 화면의 색 순도가 지자계 또는 외부 조건에 의해 발생되는 색상의 번짐 상태를 원래의 색상으로 회복시키는 동작을 한다.
이 동작은 디가우징 코일(25-2)에 순간적으로 2-8초 동안 교류를 가하면, 모니터(20) 내에 있는 새도우 마스크(Shadow Mask)에 형성된 자계를 흩트려 색상의 번짐 상태를 회복시키게 된다.
또한, 정류기(25-3)를 통해 정류되어 출력되는 직류는 스위칭 트랜스포머(25-4)로 인가된다. 직류를 인가 받는 스위칭 트랜스포머(25-4)는 스위칭 동작을 하여 전압 레귤레이터(25-5)을 통해 모니터(20) 내에 필요로 하는 각종 구동 전압을 공급하게 된다. 이때, 만일 비디오 카드(12)로부터 수직 동기 신호(V-SYNC)가 인가되지 않으면 마이컴(21)은 서스펜드 모드 신호를 전압 레귤레이터(25-5)로 인가하여 편향 전압을 차단하게 된다.
펄스 폭 변조회로(Pulse Width Modulation; 이하 PWM)부(25-6)의 구형파 펄스는 스위칭 장치의 온/오프 드라이브 동작을 시키며, 펄스 폭의 변화는 도전 시간(Conduction Time)을 증가 감소시켜 출력 전압의 안정화를 시키게 된다. 그리고, 마이컴(21)은 모니터(20)내에서 소비되는 소비전력을 절감하기 위해 수평 동기 신호(H-SYNC) 및 수직 동기 신호(V-SYNC)의 감지 여부에 따라 파워 오프(Power off) 모드 및 서스펜드(Suspend)모드 등을 실행하여 모니터(20) 내부에서 소비되는 전력을 절감하게 된다.
이와같은 디스플레이 장치에서 사용되는 전원공급기는 통상적으로 칼라 모니터에서는 SMPS방식을 , 모노크롬에서는 리니어 트랜스 방식을 사용하고 있다.
최근에는 전자기기의 소형화, 경량화 추세에 따라 SMPS방식으로 일원화 되어 가고 있다. SMPS는 전원장치의 일종으로 직류 및 교류입력으로 직류 및 교류출력을 얻을 수 있다. 교류입력을 교류출력으로 변환하는 방식을 정류기라한다. 직류입력을 교류출력으로 변환하는 방식을 인버터, 직류입력을 직류출력으로 변환하는 방식을 통칭 컨버터라한다.
그리고 UPS(Uninterruptable power supply)는 SMPS의 일종으로 입력이 잠시동안 가해지지 않아도 내부 콘덴서 및 축전지에 저장된 에너지를 사용하여 출력을 공급하는 장치이다.
전원장치는 성능면에서 크게 안정화 전원과 비안정화 전원 두 가지로 구분된다. 비 안정화 전원은 부하변동에 대해 출력전류가 변하는 것이고 이에반해 부하변동에 관계없이 일정한 출력전압, 출력전류를 공급하는 장치를 안정화 전원이라 한다.
일반적으로 안정화전원이란 직류안정화 전원을 지칭하며, 부하 변동에 관계없이 전압을 공급하는 것을 정전압 전원, 부하변동에 관계없이 전류를 공급하는 것을 정전류 전원이라 한다. 대부분의 경우 직류 안정화 전원은 정전압 전원이다.
상용 교류 전원을 직접 정류하고 필터링하여 직류를 얻고, 전력용 반도체 소자를 스위칭 모드에서 사용하여 이 직류 전압을 고주파수의 구형파로 변환하는 작용을 한다. 또한, 구형파의 전압을 일정 권선비를 갖는 절연 변압기에 인가한 후, 2차측에 나타난 전압 파형을 정류하고 필터링하여 전압을 직류 전용으로 변환하는 작용을 한다.
부하에 일정한 직류 전압을 공급하기 위해서 스위칭용 반도체 소자의 온-오프 시간을 조절하도록 구성되어 있다. 이러한 온/오프 상태의 반복으로 출력전압을 안정화한다. 이 때 출력은 직류가 아니라 펄스파형으로 되기 때문에 스위칭 회로의 뒤에 정류 , 평활회로를 부가하여 직류로 변환시켜야 한다.
도 2는 일반적인 전원회로의 간략한 구성을 나타내고 있다. 이와 같이 간단한 정류회로는 캐패시터의 용량을 초과하는 AC 전압이 순간적으로 제공되면 돌입전류에 의해 전류 스파이크(Spike)등이 발생된다.
한편, 수평 편향 B+가 10∼12V의 경우 FBT를 사용하면 고압을 얻는데, 소형 CRT에서는 가능하나 CRT가 커지면 가능하지 않게된다. 따라서 부스트-업(Boost-Up) 회로를 사용하여 필요한 고압을 얻게 된다.
도 3은 부스트-업 방식의 전원회로의 개략적구성도이고,
도 4는 이러한 부스트-업 방식을 이용한 플라이백 스위칭 모드 파워 써플라이의 상세 회로도이다. DC 전압을 부스트-업(Boost-Up)하여 일정전압의 출력전압(Vout)을 얻게된다.
그 구성은 듀티 싸이클이 조정된 스위칭 제어 신호를 출력하는 펄스폭 변조회로(PWM-IC)와, 초기 구동시 상기 PWM-IC이 구동할 수 있도록 일정 전류를 제공하는 초기 구동부(31)와, 상기 PWM-IC(31)의 듀티 싸이클이 조정된 PWM 신호에 따라 스위칭되는 스위칭 소자(Q1)와, 상기 스위칭 소자(Q1)의 온/오프에 따라 에너지를 축적 또는 방전하는 스위칭 트랜스포머(T1)와, 상기 스위치 트랜스포머(T1)가 방전될 때의 출력전압을 분압하여 상기 PWM-IC에 피드백시켜주는 궤환부(32)와 상기 스위칭 트랜스포머(T1)에 의해 유기된 고전압을 후단에 제공하는 출력부(33)로 구성된다.
초기 구동부(31)는 DC전압을 PWM-IC에 전달하는 구동저항(R1)과, PWM-IC가 스위칭을 시작할 때 T1의 LS에 유기된 전압을 정류 및 평활하여 PWM-IC에 제공하는 다이오드(D1)와 평활용 캐패시터(C1)로 구성된다.
궤환부(32)는 T1의 방전전압을 정류하는 다이오드(D2)와, 정류된 전압을 검출하여 상기 PWM-IC에 피드백시키는 저항(R3 , R4)으로 구성된다.
출력부(33)는 상기 다이오드(D2)를 거쳐 제공되는 출력전압을 후단에 전달하는 저항(R5 , R6) 및 캐패시터(C2 , C3)로 구성된다.
초기 구동시 DC 전압이 인가되면 초기 구동 저항(R1)을 거쳐 PWM-IC의 VCC로 PWM-IC가 구동할 수 있는 일정 전류가 흐른다. 그러면 PWM-IC가 스위칭을 시작하고 T1의 LS에 유기된 전압이 다이오드(D1)을 통해 정류되어 PWM-IC의 VCC에 공급된다. 따라서 PWM-IC의 정상적인 스위칭 동작이 시작된다.
PWM-IC의 드라이브 출력펄스가 Q1의 게이트단에 공급되고 Q1이 온/오프를 반복한다. 이 때의 Q1의 온/오프 주기는 PWM-IC의 출력펄스의 듀티 싸이클에 의해 결정된다.
전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor)(Q1)이 온(ON)되면 T1의 LP를 통해 Q1으로 전류가 흐르게 되어 LP에 에너지가 축적된다. 이 축적된 에너지는 Q1이 오프(OFF)되는 순간 다이오드(D2)를 통해 정류되어 출력부(33)로 출력된다.
궤환부(32)의 저항(R4)의 양단에 걸리는 전압은 PWM-IC에 피드백되어 출력전압(VOUT)을 조절하게 된다.
한편 출력부(33)의 저항(R5 , R6)은 방전용 저항으로 캐패시터(C2 , C3)는 평활용 캐패시터로 사용된다.
이러한 종래의 스위칭 모드 파워 써플라이는 초기 구동시 또는 급작스런 부하의 변동이 일어날 때, 출력전압의 변동이 저항(R3 , R4)에 의해 분압된 저항(R4) 양단의 전압만이 PWM-IC에 피드백되므로 레귤레이션이 나쁜 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 해결하기 위한 본 고안은 부스트-업(Boost-Up)방식의 스위칭 모드 파워 써플라이의 초기 구동시나 부하 변동에 따른 과도전압에 의한 레귤레이션 불량을 감쇄시키는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 듀티 싸이클이 조정된 스위칭 제어 신호를 출력하는 펄스폭변조회로(PWM-IC)와, 초기 구동시 상기 PWM-IC이 구동할 수 있도록 일정 전류를 제공하는 초기 구동부와, 상기 PWM-IC의 듀티 싸이클이 조정된 PWM 신호에 따라 스위칭되는 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자의 온/오프에 따라 에너지를 축적 또는 방전하는 스위칭 트랜스포머와, 상기 스위치 트랜스포머가 방전될 때의 출력전압을 분압하여 상기 PWM-IC에 피드백시켜주는 궤환부와, 상기 스위칭 트랜스포머에 의해 유기된 고전압을 후단에 제공하는 출력부를 포함하여 구성되는 부스트-업(Boost-Up) 방식의 스위칭 모드 파워 써플라이(SMPS)에 있어서, 상기 궤환부와 출력부사이에 구성되어 초기 구동시 또는 급작스런 부하의 변동에 따라 출력전압이 변동되는 것을 보상하기 위한 과도전압 안정화회로(100)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 디스플레이 장치의 구성을 간략히 나타내는 블록도,
도 2는 일반적인 전원 공급기의 개략적인 구성도,
도 3은 부스트-업 방식의 전원공급기의 개략적인 구성도,
도 4는 종래의 부스트-업 방식의 전원 공급기의 구성을 나타내는 회로도,
도 5는 본 고안의 실시에 따른 전원 공급기를 나타내는 회로도,
도 6는 본 고안의 적용 실시 전·후에 따른 출력전압의 파형도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 고안을 설명하기로 한다.
도 5은 본 고안의 적용에 따른 스위칭 모드 전원 공급기의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 4 에 나타난 회로도와 대동소이하나, 본 고안의 요지는 트랜스포머출력단으로부터 PWM-IC에 에러신호를 피드백시키는 궤환부에 과도전압 안정화회로(100)가 부가되어 구성된 점에 있다.
과도전압 안정화회로는 궤환부를 이루고 있는 저항(R3 , R4)와 결합부를 이루고 있는 저항(R5 , R6)의 사이에 위치하고 있다. 구성소자는 직렬로 연결된 저항(R7,R8)과 캐패시터(C4)로 이루어 진다. 저항(R7)의 일단은 두 저항 R3 과 R4의 접점에 연결되며, 그 타단에 저항(R8)이 연결된다. 또한 두 저항 R5와 R6의 접점과 상기 저항(R8)의 사이에 캐패시터(C4)가 위치한다.
기타 각 구성 요소중 종래 기술에 따른 파워 써플라이를 도시한 도 4에서와 동일한 구성요소의 동작 설명은 생략하기로 한다.
다이오드(D2)에 의해 정류된 전압이 저항(R3, R4)에 의해 분압되고 저항(R4)의 양단에 걸리는 전압이 피드백된다. 이때 저항(R5 , R6)은 방전 저항으로 , 캐패시터(C2, C3)는 전압 VA의 평활용으로 사용된다.
한편 과도전압 안정화 회로(100)는 분압용 저항(R3 , R4)의 접점과 방전용 저항(R5 , R6)의 접점의 사이에 구성된 저항(R7 및 R8)과 캐패시터(C4)로 구성된다. 출력 전압의 변동분을 신속히 PWM-IC에 제공하여 피드백 시키므로써 레귤레이션을 높이는 동작을 한다.
캐패시터(C4)는 상기 출력부(33)의 방전 저항(R5, R6)을 통해 분압된 출력전압을 검출하여 직류성분을 디커플링한다. 또한 상기 캐패시터(C4)에 직렬로 연결된 저항 (R7 , R8)은 방전 저항(R5, R6)에 의해 분압된 출력전압의 변동 AC전압을 적절한 레벨로 감쇄시켜 PWM-IC(VFB)에 전달한다.
도 6에서 보는 바와 같이 전원 초기 구동때 혹은 부하의 변동에 의해 출력전압과 전류의 과도 현상을 초기에 안정화 시키게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 부스트-업(Boost-Up) 방식을 사용하는 플라이백 컨버터에서 초기 전원 인가시나 부하의 갑작스런 변동에 의해 발생되는 과도전압을 초기에 안정화 시키므로 전압 레귤레이션을 높게 나타낼 수 있게된다.

Claims (3)

  1. 듀티 싸이클이 조정된 스위칭 제어 신호를 출력하는 펄스폭변조회로(PWM-IC)와,
    초기 구동시 상기 PWM-IC이 구동할 수 있도록 일정 전류를 제공하는 초기 구동부와,
    상기 PWM-IC의 듀티 싸이클이 조정된 PWM 신호에 따라 스위칭되는 스위칭 소자와,
    상기 스위칭 소자의 온/오프에 따라 에너지를 축적 또는 방전하는 스위칭 트랜스포머와,
    상기 스위치 트랜스포머가 방전될 때의 출력전압을 분압하여 상기 PWM-IC에 피드백시켜주는 궤환부와,
    상기 스위칭 트랜스포머에 의해 유기된 고전압을 후단에 제공하는 출력부를 포함하여 구성되는 부스트-업(Boost-Up) 방식의 스위칭 모드 파워 써플라이(SMPS)에 있어서,
    상기 궤환부와 출력부사이에 구성되어 초기 구동시 또는 급작스런 부하의 변동에 따라 출력전압이 변동되는 것을 보상하기 위한 과도전압 안정화회로(100)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 파워 써플라이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 과도전압 안정화회로(100)는 상기 출력부의 방전 저항(R5 , R6)을 통해 분압된 출력전압의 변동분을 검출하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 공급기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 과도전압 안정화회로(100)는 상기 출력부의 방전 저항(R5 , R6)을 통해 분압된 출력전압을 검출하여 직류성분을 디커플링하는 캐패시터(C4)와,
    상기 방전 저항(R5 , R6)을 통해 분압된 출력전압의 변동 전압을 감쇄시켜 궤환부에 전달하기 위한 저항(R7 , R8)으로 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 공급기.
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