KR19990025128U

KR19990025128U - 스위칭 전원회로의 소비전력 절감회로

Info

Publication number: KR19990025128U
Application number: KR2019970037632U
Authority: KR
Inventors: 홍경철
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-07-05

Abstract

본 고안은 스위칭전원(SMPS; Switching Mode Power Supply) 회로에 있어서, 특히 SMPS 전원공급을 제어하기 위한 전원제어부를 초기 구동시키는 기동저항에 부가회로를 추가 구성시켜 전원 제어부가 동작을 시작한 후 기동저항으로 부터 소비되는 전력을 절감시키기 위한 스위칭 전원회로의 소비전력 절감회로에 관한 것이다.

종래에는 SMPS의 전원공급을 제어하기 위한 전원제어부의 초기 구동전압을 기동저항으로 부터 공급받으면서 전원제어부가 동작을 시작한 후에도 계속하여 기동저항으로 전류가 공급되므로서, 이에 따른 전력이 소비되는 문제가 있다.

본 고안은 상기한 문제를 해결하도록 전원제어부와 기동저항 사이에 전원 제어부가 동작을 시작한 후 기동저항에서 전원제어부에 흐르는 전류를 차단하는 스위칭부를 구성시키고, 전원제어부가 안정하게 동작을 시작한 후 상기 스위칭부를 차단하도록 하는 스위칭 제어부를 구성시키므로서, 기동저항에 의해 소비되는 전력을 차단하거나 절감하도록 한 것이다.

Description

스위칭 전원회로의 소비전력 절감회로

본 고안은 스위칭 전원(SMPS) 회로에 있어서, 특히 SMPS 전원공급을 제어하기 위한 전원제어부를 초기 구동시키는 기동저항에 부가회로를 추가 구성시켜 전원 제어부가 동작을 시작한 후 기동저항으로 부터 소비되는 전력을 절감시키기 위한 SMPS전원회로의 소비전력 절감회로에 관한 것이다.

종래 SMPS전원회로의 전력절감 회로의 구성은 도 1에 도시된 바와같이,

AC전원전압(ACin)에 의해 전원제어부(2)를 초기 구동시키기 위하여 기동저항(Rs) 및 다이오드(D1)가 직렬접속된 초기 구동부(1)와, 상기 초기구동부(1)에 의해 인가되는 전류를 충방전하는 콘덴서(C1)와, 상기 콘덴서(C1)의 방전전류에 의해 동작하여 전원 스위칭부(3)의 스위칭을 제어하는 전원제어부(2)와, 상기 전원제어부(2)에 의해 SMPS트랜스(5)로 스위칭하는 전원 스위칭부(3)와, 상기 AC전원전압(ACin)을 정류 및 평활하여 DC전압을 인가하는 정류 및 평활부(4)와, 상기 정류 및 평활부(4)의 DC전압을 인가받아 전원 스위칭부(3)의 스위칭에 의해 부하에 공급하기 위한 DC전압을 출력하는 SMPS트랜스(5)로 구성된다.

미 설명 부호 BD1은 브리지 다이오드, C2은 콘덴서이다.

상기와 같이 구성되는 종래 SMPS전원회로의 소비전력 절감회로의 동작은 도 1를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 초기 AC전원전압(ACin)이 공급될 경우,

상기 초기 AC전원전압(ACin)는 초기구동부(1)와 정류 및 평활부(4)에 공급되고, 상기 초기구동부(1)는 전원제어부(2)의 전원단(Vcc)에 초기 구동전압을 인가하도록 기동저항(Rs) 및 다이오드(D1)를 통해 정(+)의 전류를 콘덴서(C1)에 충전시키게 된다.

한편, 상기 정류 및 평활부(4)는 초기 AC전원전압(ACin)을 브리지 다이오드(BD1) 및 콘덴서(C2)에서 정류 및 평활하여 DC전압으로 SMPS트랜스(16)에 인가하게 되는데,

이때, 상기 초기구동부(1)에 의해 콘덴서(C1)에 충전된 전류는 일정전압 즉, 상기 전원제어부(2)의 구동전압(Vcc)에 도달하게 되면 전원제어부(2)의 전원단 (Vcc)으로 방전하게 된다.

상기 콘덴서(C1)의 방전에 의해 전원제어부(2)가 초기 구동하게 되고, 상기 전원제어부(2)의 구동에 의해 전원 스위칭부(3)는 상기 정류 및 평활부(4)에서 정류된 DC전압을 SMPS트랜스(5)의 1차측으로 스위칭하게 된다.

상기 SMPS트랜스(5)는 1차측의 스위칭으로 2차측 부하에 필요한 전압을 유기시키고, 이 전압은 정류 및 평활되어 DC전압으로 출력된다.

한편, 초기전원 공급이후, 전원제어부(2)가 동작을 하게 되면 전원제어부(2)의 공급전압(Vcc)은 경로"B", 즉 안정된 SMPS트랜스(5)를 통해 공급받게 되므로, 경로"A"를 통해 공급받던 전류는 필요없게 된다.

여기서, 피드백(Feedback) 신호는 부하에 공급되는 DC전압을 전원 제어부(2)가 제어하기 위한 감지 전압이다.

그러나, 경로"A"에는 약간의 전류가 전원제어부(2)의 전원단(Vcc)으로 계속하여 공급되므로, 이때 공급되는 전류로 인하여 기동저항(Rs)에서 전력이 소비되고, 이 소비전력은 AC전원전압(ACin)에 따라서 커지게 된다.

즉, AC전원전압(ACin)이 "110V"일 때 보다 220V일 때에 기동저항(Rs)에서 소비되는 전력이 더 크게 된다.

여기서, 기동저항(Rs)에서 소비되는 전력(

P_RS

)은 (

V_RS

; Rs 양단에 걸리는 전압) 이다.

상기 소비전력(

P_RS

)은

V_RS ²

에 비례하므로, AC전원전압(ACin)이 110V에서 220V로 2배 커지면 소비전력(

P_RS

)은 4배로 증가된다.

한편, 초기 전원투입부터 전원제어부(2)가 기동하기 까지의 시간은 AC전원전압(ACin)이 높을수록 빨라진다. 즉 AC전원전압(ACin)이 높으면 경로"A"을 통해 콘덴서(C1)에 충전되는 시간이 빨라지며, 또한 AC전원전압(ACin)이 같더라도 기동저항(Rs)가 적으면 이 또한 콘덴서(C1)에 충전되는 시간이 작으므로 전원제어부(2)의 기동시간이 짧아지게 된다.

따라서, 기동저항(Rs)은 소비전력, 기동시간 등을 고려하여 설정하게 된다.

그러나, 종래에는 전원제어부(2)를 초기에 구동시키는 초기구동부(1)의 기동저항(Rs)에 의해 전원제어부(2)가 안정된 동작을 시작한 후에도 상기 기동저항(Rs)에 의해 전원전압이 계속하여 소비되므로 전력소비가 크게 되고, 기동저항(Rs)을 AC전원전압(ACin)에 최적이 되게 설정하면 전력소비가 증가하거나 또는 전원 제어부의 기동시간이 너무 길게 되는 문제가 있다.

본 고안은 상기한 문제를 해결하도록 초기기동부에 의해 인가되는 전류를 스위칭부에서 전원제어부가 초기 구동한 후 SMPS 트랜스가 안정될 때 까지만 스위치를 온 시키고, 상기 SMPS트랜스가 안정되면 상기 스위칭제어부에서 스위칭부의 동작을 오프시켜 기동저항에 의해 소비되는 전력을 절감하도록 한 것이다.

도 1은 종래 스위칭전원 회로의 소비전력 절감회로의 구성도

도 2는 본 고안 스위칭전원 회로의 소비전력 절감회로의 블록 구성도

도 3은 본 고안 스위칭전원 회로의 기동저항에 걸리는 전압파형도

도 4는 본 고안 스위칭전원 회로의 소비전력 절감회로의 다른실시예를 보인 블록 구성도

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안 SMPS 전원회로의 전력절감회로의 구성은 도 2와 같이,

초기 AC전원전압(ACin)을 SMPS트랜스(15)가 안정될 때까지 전원제어부(13)에 공급하는 초기구동부(11)와, 상기 초기구동부(11)에 의해 입력되는 전압을 스위칭하는 스위칭부(12)와, 상기 스위칭부(12)의 스위칭 전압에 의해 구동되어 전원 스위칭부(14)의 스위칭을 제어하는 전원제어부(13)와, 상기 전원제어부(13)의 제어에 따라 SMPS트랜스(16)에 스위칭하는 전원스위칭부(14)와, AC전원전압(ACin)을 정류 및 평활하는 정류 및 평활부(15)와, 상기 정류 및 평활부(15)의 정류 및 평활된 전원을 전원스위칭부(14)의 스위칭에 따른 적절한 DC전압으로 출력하는 SMPS트랜스(16)와, 상기 정류 및 평활부(15)로부터 정류된 전압에 의해 구동되어 내부 시정수에 따라 스위칭부의 동작을 차단하는 스위칭 제어부(17)로 구성된다.

상기 스위칭부(12)는 초기구동부(11)로 부터 인가되는 전류를 충,방전하는 일측접지된 콘덴서(C11)와, 상기 콘덴서(C11)의 방전전압을 트랜지스터(Q11)의 베이스에 인가하도록 콜렉터와 베이스에 연결된 저항(R11)과, 상기 저항(R11)에 의해 전원제어부(13)에 초기구동 전압을 인가하고 스위칭 제어부(17)에 베이스가 연결되어 이의 제어신호에 따라 오프되는 트랜지스터(Q11)로 구성된다.

상기 스위칭 제어부(17)는 SMPS트랜스(16)가 안정된 후 초기 구동부(11)를 단락시키기 위한 시정수를 결정하도록 저항(R12) 및 콘덴서(C14)로 구성된 시간 지연부(17A)와, 상기 시간지연부(17A)의 시정수에 따라 온 되어 스위칭부(12)의 트랜지스터(Q11)의 베이스에 제어신호를 출력하기 위한 트랜지스터(Q12)로 구성된다.

미 설명 부호 Rs는 기동저항, D11은 다이오드, C12은 콘덴서, BD1은 브리지 다이오드, C13은 콘덴서이다.

상기와 같이 구성되는 본 고안 SMPS전원회로의 전력 절감회로의 동작은 도 2 및 도 3를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 초기 AC전원전압(ACin)이 초기구동부(11) 및 정류부(15)에 입력되면, 상기 초기구동부(11)는 전원제어부(13)를 초기 구동시키기 위하여 상기 AC전원전압(ACin)을 기동저항(Rs) 및 다이오드(D11)에서 정류시켜 스위칭부(12)에 인가하게 된다.

한편, 정류부(15)의 브리지 다이오드(BD11) 및 콘덴서(C13)는 상기 AC전원전압(ACin)을 정류 및 평활하여 DC전압으로 변화시켜 SMPS트랜스(16)에 인가하게 되는데,

이때, 상기 스위칭부(12)는 초기구동부(11)로부터 인가된 정류전압이 일정전압(0.7V) 이하에서는 오프되고, 일정전압 이상이 되면 온 되어 전원제어부(13)의 전원단(Vcc)에 구동전압을 스위칭 출력하게 된다.

즉, 상기 스위칭부(12)는 AC전원전압(ACin)를 일측접지된 콘덴서(C11)에서 충전하고, 충전이 완료되면 트랜지스터(Q11)의 콜렉터 및 저항(R11)으로 방전하게 되며, 이 방전전압이 상기 트랜지스터(Q11)의 콜렉터와 베이스에 연결된 저항(R11)에 의해 상기 트랜지스터(Q11)의 베이스에 인가되어 이를 온 시키고, 상기 트랜지스터(Q11)의 온에 의해 이의 에미터단으로 전원제어부(13)의 초기구동 전압을 스위칭 출력하게 된다.

상기 스위칭부(12)의 에미터단의 스위칭 출력을 일측접지된 콘덴서(C12)에서 충, 방전하여 전원제어부(13)의 전원단(Vcc)으로 입력시키게 된다.

즉, 상기 전원제어부(13)의 전원단(Vcc) 초기 구동전압은 경로 "A"를 거쳐 스위칭부(12)의 트랜지스터(Q11)를 통해 공급받는다.

상기 스위칭부(12)의 스위칭 출력으로 전원제어부(13)는 구동되어 전원 스위칭부(14)의 스위칭을 제어하게 되고, 상기 전원제어부(13)에 의해 전원스위칭부(14)는 SMPS트랜스(16)로 스위칭 출력하게 된다.

상기 SMPS트랜스(16)는 정류부(15)의 DC전압을 전원 스위칭부(14)의 스위칭에 따라 적절한 부하에서 DC전압으로 변환시켜 출력하게 된다.

상기와 같이 전원제어부(16)이 초기동작을 개시하게 되면, 이후에는 전원제어부(13)의 전원단(Vcc)의 구동전압은 SMPS트랜스(16)를 통해 경로 "B"로 콘덴서(C12)를 통해 인가받게 된다.

한편, 전원제어부(16)이 동작개시 후에는 상기 정류부(15)에 접속된 스위칭 제어부(17)는 스위칭부(12)의 동작을 차단하여 기동저항(Rs)에서 소비되는 전력을 절감시키게 되는데,

이때, 상기 스위칭 제어부(17)는 저항(R12) 및 콘데서(C14)의 시정수값을 적당히 조절하여 상기 전원제어부(16)이 동작을 개시한 후 트랜지스터(Q12)를 온 시켜 이의 콜렉터에 접속된 스위칭부(12)의 트랜지스터(Q11)를 오프시키게 된다.

즉, 스위칭 제어부(17)의 트랜지스터(Q12) 베이스 전압이 "0.7V"에 이르면 트랜지스터(Q12)는 온 되고, 상기 트랜지스터(Q12)의 콜렉터단에 접속된 트랜지스터(Q11)의 베이스단 전압이 트랜지스터(Q12)의 포화전압(약 0.2V)로 떨어지게 되고 상기 트랜지스터(Q11)를 오프시키게 된다.

따라서, 경로 "A"을 거쳐 전원제어부(13)로 공급되는 전원전류는 더 이상 흐르지 않게 된다.

여기서, 상기한 바와같이 동작을 위해 스위칭부(12)를 추가로 인해서 경로 "A"의 전류는 전원제어부(13)의 동작후에는 차단되지만 스위칭 제어부(17)를 동작시키기 위한 경로 "C"의 전류가 소비되는데,

이는 트랜지스터(Q11)를 온 시키기 위한 베이스 공급전류는 작기 때문에 저항(R11)를 높게 설정하므로, 결국에는 경로 "C"를 통해 흐르는 전류는 작은 값으로 되고 이 전류로 인하여 기동저항(Rs) 및 저항(R11)에서 소비되는 전력은 작은 값이 된다.

한편, 본 고안에 의한 기동저항(Rs)에서 소비되는 전력을 구하면 다음과 같다.

기동저항(Rs)에서 소비되는 전력(

P_RS

)은 (

V_RS

; Rs 양단에 걸리는 전압)으로, 기동저항(Rs) 양단에 걸리는 전압(

V_RS

)은 도 3과 같이 AC전원전압(ACin)전압이 정(+) 구간에서는 V_AC전압( )에서 전원제어부(13)의 전원단(Vcc)과 다이오드(D11)의 순방향 바이어스 전압(V_DF) 만큼을 뺀 전압이 걸리게 된다.

그러므로, 기동저항(Rs)에서 소비되는 전력(

P_RS

)은 수학식 1과 같다.

이며, 회로의 실용적인 값을 대입하여 소비전력(

P_RS

)를 구하면 다음과 같다.

여기서, a ; 220V AC일 때 첨두값인 220 ,

Vcc ; 전원제어부(16)의 전원전압으로 9V로 가정하고,

V_DF; 다이오드(D11)의 순방향 바이어스 전압으로 1V로 가정하며,

Rs ; 기동저항(Rs)을 약 47㏀으로 가정한다.

= 0.47W

즉, AC전원전압이 220V_AC일 때 경로 "A"에서 소비되는 전력을 감안하더라도 약 0.4W의 전력을 줄일수 있다. 이는 일반적인 TV회로에서의 대기모드(Stand-by mode)에서 소비되는 전력이 " 수 W " 인 점을 감안한다면, " 0.4W "는 적은 값이 아니다.

또한, AC전원전압(ACin)이 높으면 기동저항(Rs)에서 소비되는 전력이 더 커지게 되므로 상당한 소비전력 절감 효과를 가져올수 있다.

그리고, 초기구동부(11)에 대한 소비전력을 절감시키기 위하여 스위칭부(12)를 제어하는 스위칭 제어부(17)는 제어신호 출력을 위해 트랜지스터(Q12)의 베이스에 전류를 이의 콜렉터 전류의 1/β(β≒100)로 하므로 기존에 비해 미약한 전력을 소비하게 된다.

한편, 도 4는 본 고안의 다른 실시예로서,

스위칭부(12)의 트랜지스터(Q11)의 콜렉터와 에미터 사이에 저항(R13)을 추가시킨 회로 구성으로, 트랜지스터(Q11)의 콜렉터와 에미터 사이에 걸리는 전압을 기동저항(Rs)과 저항(R13)으로 분압시키도록 한 것이다.

회로의 동작은 다음과 같다.

스위칭부(12)의 트랜지스터(Q11)의 콜렉터와 에미터 사이에 저항(R13)을 추가하므로서, 트랜지스터(Q11)의 콜렉터와 에미터 사이에 걸리는 전압이 기동저항(Rs)와 저항(R13)에 의해 분압되어서 낮아지게 된다.

여기서, 저항(R13)이 없을 때에 트랜지스터(Q11)의 콜렉터와 에미터에 걸리는 전압은 수학식 1에서와 같이,

[a⋅sin(t)-(Vcc+V_DF)]

이므로, 상기에서 사용한 실용적인 값을 대입해보면 다음과 같다.

220 - (9+1)≒ 301V 이다. 즉 트랜지스터(Q11)가 " 301V "의 내압에 견딜수 있어야 하므로, 내압이 높은 트랜지스터를 사용하여야 한다.

본 고안 다른실시예에서는 상기 저항(R13)과 기동저항(Rs)에서 트랜지스터(Q11)의 에미터와 콜렉터 사이의 전압을 분압시켜 낮아지게 하게 된다.

즉, 상기 저항(R13)과 기동저항(Rs)의 값을 같게 사용하면 "301 V"의 절반인 "105 V"의 내압에 견딜수 있는 트랜지스터(Q11)를 사용할 수 있으므로, 좀더 저렴한 가격의 일반적인 트랜지스터(Q11)를 사용할수 있으며, 이때의 전류는 기동저항(Rs)과 저항(R13)를 통해서 흐르게 되므로 소비전력이 도 2에서 보다는 효율면에서 다소 떨어진다.

한편, 상기 저항(R13) 값을 수학식 1에서 계산할때와 같은 값을 사용한다면, 즉 기동저항(Rs)의 변수에 "47㏀+47㏀"을 대입하면 약 0.2W의 소비전력을 절감시킬 있다.

따라서, AC전원전압(ACin)에 상관없이 기동저항(Rs)의 소비저항과 초기 구동부(11)의 단락을 위한 기동시간이 최적이 되도록하여 소비전력을 절감하도록 한다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 AC전원전압에 상관없이 기동저항에서의 소비전력과 기동시간이 최적이 되도록 부가회로를 구성시키므로서, SMPS트랜스가 안정된 후 기동저항에 의해 소비되는 전력을 차단하거나 줄임으로서 소비전력을 줄일수 있는 효과가 있다.

Claims

초기 AC전원전압 인가시 SMPS트랜스가 안정될 때까지 전원제어부에 전원을 공급하는 초기구동부와, 상기 초기 구동부에서 입력되는 전압을 스위칭하는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 스위칭전압에 의해 구동되어 전원 스위칭부의 스위칭을 제어하는 전원제어부와, 상기 전원제어부의 제어에 따라 SMPS트랜스에 스위칭하는 전원 스위칭부와, AC전원전압을 DC전압으로 변화시키는 정류 및 평활부와, 상기 정류 및 평활부로 부터 DC전압을 인가받아 전원제어부의 동작에 적합한 전압으로 변화시켜 출력하는 SMPS트랜스와, 전원이 인가된 후 일정기간동안 상기 스위칭부를 동작시킨후 초기구동부의 소비전력을 줄이기 위한 제어신호를 출력하는 스위칭 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로의 소비전력 절감회로.
제 1항에 있어서, 상기 스위칭부는 초기구동부로 부터 인가되는 전류를 충,방전하는 일측접지된 콘덴서와, 초기 구동부에 의해 상기 콘덴서의 방전전류를 전원 제어부의 초기 구동전압으로 공급하도록 스위칭하고 상기 스위칭 제어부에 제어신호에 의해 오프되는 트랜지스터와, 초기 구동전압을 상기 트랜지스터의 베이스 전류로 인가하도록 콜렉터와 베이스 사이에 연결된 저항으로 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로의 소비전력 절감회로.
제 1항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는 SMPS트랜스의 전압이 안정된 후 초기 구동부를 단락시키기 위한 시정수를 결정하는 시간제어부와, 상기 시간제어부의 시정수에 따라 스위칭부에 제어신호를 출력하는 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 스위칭 전원회로의 소비전력 절감회로.
제 2항에 있어서, 상기 스위칭부의 트랜지스터 에미터와 콜렉터사이에 연결되어 상기 트랜지스터에 걸리는 내압을 줄임으로서 일반 트랜지스터의 동작을 가능하도록 하는 저항을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 전원회로의 소비전력 절감회로.