KR19990053450A - 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로 - Google Patents

Abstract

트랜스포머의 2차측에 유기된 전압레벨에 따라 스위칭되는 제1 제너 다이오드와, 트랜스포머의 2차측에 흐르는 전류량을 감지하는 전류 트랜스포머와, 감지된 전류량에 대응하는 전압을 검출하는 정류 및 평활소자와, 정류 및 평활소자에 의해 정류된 전압에 따라 스위칭되는 제2 제너 다이오드와, 제1 및 제2 제너 다이오드의 스위칭상태에 따라 온-오프 제어되어 포토 커플러의 동작을 제어하는 제어 트랜지스터를 포함한다.

Description

전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로

본 발명은 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과전압 보호기능과 과전류 보호기능이 동시에 수행될 수 있도록 공용화된 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로에 관한 것이다.

일반적으로, 전원공급장치의 대표격인 스위칭모드 전원공급장치(Switching Mode Power Supply: SMPS)는 입력단과 출력단이 트랜스포머(Transformer)에 의해 분리되고, 입력단에는 출력단의 전압레벨에 따라 펄스폭이 변조되는 펄스폭 변조기가 구비되어 있다. 즉, 스위칭모드 전원공급장치는 펄스폭 변조기의 출력펄스에 따라 스위칭 트랜지스터(일반적으로, 전계효과 트랜지스터(FET)를 사용함)의 스위칭주기가 가변되고, 이 스위칭주기에 따라 트랜스포머의 1차측으로부터 2차측에 유기되는 전류량이 제어되며, 이 전류량에 따라 출력단에 연결된 부하에 공급되는 전압레벨이 제어된다.

전원공급장치에 부착된 전기 및 전자소자의 오동작으로 인하여 펄스폭 변조기의 스위칭시간이 길어지게 되면 이로 인하여 전원공급장치와 부하측에는 과전압 및 과전류가 공급되고, 이로 인하여 전원공급장치와 부하는 과열되거나 파괴되어 제기능을 상실하게 된다. 이를 방지하기 위하여 종래에는 스위칭모드 전원공급장치에 과전압 보호회로와 과전류 보호회로를 구성하고, 이 보호회로들을 펄스폭 변조기에 연결함으로써, 과전압 및 과전류로부터 전원공급장치와 부하를 보호하도록 하였다.

도 1 내지 도 3에는 종래의 과전류 보호회로와 과전압 보호회로가 채용된 스위칭모드 전원공급장치의 개략적 회로도가 도시되어 있다.

먼저, 과전류 보호회로는 도 1에 도시된 바와 같이, 부하전류에 대한 전압강하만큼 분압저항(R1, R2)에 의해 분압된 전압은 스위칭 트랜지스터(Q1)를 턴-온시키고, 이에 따라 포토 커플러(Photocoupler)의 포토 다이오드(Photo-diode)(PD1)를 구동시킨다. 포토 다이오드(PD1)가 구동됨에 따라 포토 다이오드(PD1)에서 방사된 빛은 트랜스포머(T1)의 1차측에 접속된 포토 커플러의 포토 트랜지스터(Photo-transistor)(PT1)를 온-오프시켜 펄스폭 변조기(Pulse Width Modulator: PWM)에서 출력되는 펄스신호의 듀티(Duty)를 가변하며, 펄스신호의 듀티에 대응하는 스위칭시간에 의해 출력전압은 안정화된다. 스위칭 트랜지스터(Q2)의 턴-온시간이 길면 전류검출저항(R3, R4)에 의해 전류검출단자(Is)의 전류레벨이 높아져서 이에 따라 펄스폭 변조기(PWM)는 로직 "로우"상태의 펄스신호를 출력함으로써, 스위칭동작은 중지되고 출력전압은 "0"볼트가 된다.

또한, 과전압 보호회로의 제1 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이, 제너 다이오드(ZD2)와 포토 커플러(PD2, PT2)로 구성된다. 즉, 부하에 일정전압 이상이 걸리게 되면 제너 다이오드(ZD2)의 문턱전압 이상의 레벨을 갖는 전압은 제너 다이오드(ZD2)를 통하여 포토 다이오드(PD2)에 공급된다. 이에 따라, 포토 다이오드(PD2)는 동작되어 빛을 방사하고, 이 빛은 포토 트랜지스터(PT2)를 턴-온시킨다. 포토 트랜지스터(PT2)가 턴-온되면 트랜스포머(T1)의 1차측에 접속된 펄스폭 변조기(PWM)의 Vc단자가 로직 "로우"상태로 전환되어 펄스폭 변조기(PWM)의 스위칭동작을 차단한다. 이로써, 전원공급장치는 과전압으로부터 보호된다.

또한, 과전압 보호회로의 제2 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 트랜스포머(T1)의 1차측을 제어하지 않고 2차측에서 동작하도록 제너 다이오드(ZD3)와 사이리스터(Thyristor)(SCR)로 구성되어 있다. 부하에 일정전압 이상이 걸리게 되면 제너 다이오드(ZD3)의 문턱전압 이상의 레벨을 갖는 전압은 사이리스터(SCR)의 게이트단자에 인가되어 사이리스터(SCR)를 도통시킨다. 사이리스터(SCR)가 도통되면 과전압은 사이리스터(SCR)로 바이패스(Bypass)되기 때문에 출력단의 부품은 안전하게 보호된다.

그런데, 이와 같은 종래의 스위칭모드 전원공급장치에 의하면 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.

(1) 도 1에 도시된 과전류 보호회로의 경우, 트랜스포머의 1차측에 접속된 스위칭 트랜지스터(FET)(Q1)의 드레인단자와 소오스단자간의 전압차가 매우 크기 때문에 스파이크(Spike)성 노이즈로 인하여 전류검출단자(Is)에 걸리는 전류레벨의 변화에 정밀하게 대응하지 못하므로, 과전류 보호회로의 문턱전류(동작시점)의 오차가 발생한다.

(2) 도 1에 도시된 과전류 보호회로와 도 2 또는 도 3에 도시된 과전압 보호회로가 하나의 전원공급장치내에 별도로 구성되어 있어 포토 커플러 및 사이리스터 등과 별도의 구성회로가 추가로 장착되어야 하므로 비효율적이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전원공급장치에 구성되는 과전류 보호회로와 과전압 보호회로를 공용화할 수 있는 하나의 통합적인 보호회로를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 과전류 보호회로가 구성된 전원공급장치의 개략적 회로도,

도 2는 종래의 과전압 보호회로가 구성된 전원공급장치의 제1 실시예를 나타내는 개략적 회로도,

도 3은 종래의 과전압 보호회로가 구성된 전원공급장치의 제2 실시예를 나타내는 개략적 회로도,

도 4는 본 발명에 의한 과전압 및 과전류 보호회로가 구성된 전원공급장치의 개략적 회로도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

PWM: 펄스폭 변조기 T1: 트랜스포머

PD1: 포토 다이오드 PT1: 포토 트랜지스터

Q1, Q2: 스위칭 트랜지스터 Q3: 제어 트랜지스터

CT: 전류 트랜스포머 ZD4, ZD5: 제너 다이오드

D2: 정류 다이오드 C2: 평활 커패시터

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 트랜스포머의 2차측에 유기된 전압레벨에 따라 스위칭되는 제1 스위칭소자와, 트랜스포머의 2차측에 흐르는 전류량을 감지하는 감지소자와, 감지소자에 의해 감지된 전류량에 따라 스위칭되는 제2 스위칭소자와, 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자의 스위칭상태에 따라 온-오프 제어되어 포토 커플러의 동작을 제어하는 제어소자를 포함하는 점에 있다.

본 발명의 특징에 있어서, 제1 스위칭소자는 트랜스포머의 2차측 출력단에 애노드단자가 접속되고, 그라운드단자에 캐소드단자가 접속되며, 기 설정된 소정레벨 이상의 전압이 공급되면 도통되어 공급된 전압을 제어소자에 공급하는 제1 제너 다이오드를 포함한다.

또한, 감지소자는 트랜스포머의 2차측 출력단에 1차측이 접속되고 그라운드단자에 2차측이 접속된 전류 트랜스포머를 포함하며, 트랜스포머의 2차측에 흐르는 전류에 의해 전류 트랜스포머의 1차측으로부터 2차측에 전류에 대응하는 에너지가 유기되도록 한다.

또한, 제2 스위칭소자는 전류 트랜스포머의 2차측에 애노드단자가 접속되어 전류 트랜스포머에 의해 유기된 에너지가 기 설정된 소정레벨 이상이면 도통되는 제2 제너 다이오드와, 제2 제너 다이오드를 통하여 공급되는 에너지를 정류 및 평활하여 정류평활된 정전압을 제어소자에 공급하는 정류평활소자를 포함한다.

또한, 제어소자는 베이스단자가 제1 스위칭소자와 제2 스위칭소자에 공통적으로 접속되고, 이미터단자 및 컬렉터단자 중 어느 하나가 포토 커플러에 접속되며, 이미터단자 및 상기 컬렉터단자 중 다른 하나가 그라운드에 접속된 제어 트랜지스터를 포함하며, 제1 스위칭소자를 통하여 공급된 전압과 제2 스위칭소자를 통하여 공급된 전압 중 적어도 하나 이상의 전압에 의해 스위칭상태가 제어되어 포토 커플러의 온-오프상태를 제어한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4에는 본 발명에 의한 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로의 개략적 회로도가 도시되어 있다.

도 4를 보면, 트랜스포머(T1)는 입력단(Vin)으로부터 공급되는 입력전압을 1차측의 권선비와 2차측의 권선비에 따라 소정레벨로 변환하고, 스위칭 트랜지스터(Q2)는 펄스폭 변조기(PWM)의 출력펄스에 따라 온-오프 제어되어 트랜스포머(T1)의 동작을 스위칭한다.

또한, 트랜스포머(T1)의 2차측에 접속된 스위칭 트랜지스터(Q1)는 부하에 걸리는 전압으로부터 분압저항(R1, R2)에 의해 분압된 분압전압에 의해 온-오프 제어되어 포토 다이오드(PD1)를 스위칭한다. 포토 트랜지스터(PT1)는 포토 다이오드(PD1)의 스위칭동작에 연동되어 스위칭되며 펄스폭 변조기(PWM)에서 출력되는 펄스의 듀티값을 가변함으로써, 일정한 레벨의 출력전압이 부하에 공급되도록 한다.

한편, 부하가 접속되는 출력단(Vcc)에는 전류 트랜스포머(CT)가 접속되며, 이 전류 트랜스포머(CT)에 의해 유기된 전압이 제너 다이오드(ZD4)를 통하여 제어 트랜지스터(Q3)의 베이스단자에 공급되도록 접속되어 있다.

그리고, 부하가 접속되는 출력단(Vcc)에는 부하전압이 제너 다이오드(ZD5)를 통하여 앞서 언급한 제어 트랜지스터(Q3)의 베이스단자에 공급되도록 접속되어 있다.

제어 트랜지스터(Q3)의 컬렉터단자는 포토 다이오드(PD1)와 스위칭 트랜지스터(Q1) 사이에 접속되며, 제어 트랜지스터(Q3)의 이미터단자는 그라운드에 접속된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 과전압 보호동작에 대하여 설명한다. 출력단(Vcc)에 제너 다이오드(ZD5)의 문턱전압 이상의 전압이 걸리면 이 전압은 제너 다이오드(ZD5)를 통하여 제어 트랜지스터(Q3)를 턴-온시킨다. 제어 트랜지스터(Q3)가 턴-온되면 포토 다이오드(PD1)가 턴-온되어 빛을 방사하고, 이 빛은 트랜스포머(T1)의 1차측에 접속된 포토 트랜지스터(PT1)에 전달되어 포토 트랜지스터(PT1)를 턴-온시키고, 이에 따라 펄스폭 변조기(PWM)는 동작되지 않는다. 따라서, 출력전압은 "0"이 되고, 전원공급장치는 과전압으로부터 보호된다. 특히, 과전압 보호동작은 트랜스포머(T1)의 2차측에서 이루어지므로, 스위칭 트랜지스터(Q2)의 스위칭동작에 따른 스파이크성 노이즈에 영향을 받지 않는다.

다음으로, 과전류 보호동작에 대하여 설명한다. 출력단(Vcc)에 일정전류 이상의 과도한 전류가 흐르게 되면 전류 트랜스포머(CT)에 유기되는 에너지의 레벨이 높아지고, 이 에너지가 제너 다이오드(ZD4)를 통하여 흐르게 된다. 제너 다이오드(ZD4)를 통하여 흐르는 에너지는 정류 다이오드(D2)와 평활 커패시터(C2)에 의해 정전압으로 변환되고, 이 정전압은 제어 트랜지스터(Q3)를 턴-온시켜 포토 다이오드(PD1)를 동작시킨다. 포토 다이오드(PD1)가 턴-온되면, 포토 다이오드(PD1)에서 빛이 방사되고, 이 빛은 트랜스포머(T1)의 1차측에 접속된 포토 트랜지스터(PT1)에 전달되어 포토 트랜지스터(PT1)를 턴-온시키며, 이에 따라 펄스폭 변조기(PWM)는 동작되지 않는다. 따라서, 출력전압은 "0"이 되고, 전원공급장치는 과전류로부터 보호된다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

결국, 본 발명에 의한 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로에 따르면, 다음과 같은 이점이 발생한다.

(1) 공용화된 과전압 및 과전류 보호회로를 구성함으로써, 포토 커플러 및 사이리스터 등과 같은 별도의 구성부품을 추가하지 않아도 되므로 구성회로가 간단해지고 효율적이며 제조경비가 절감된다.

(2) 트랜스포머의 2차측에서 과전류 보호기능을 수행하므로, 트랜스포머의 1차측에 접속된 스위칭 트랜지스터의 스위칭동작에 의한 스파이크성 노이즈가 발생하지 않는다. 따라서, 부하에 흐르는 출력전류의 변동에 정밀하게 대응할 수 있으며, 출력전압이 안정화된다.

(3) 전류 트랜스포머에 의해 유기된 에너지를 직류전압으로 변환하고, 이 직류전압을 통해 과전류를 판단하도록 함으로써, 스위칭 노이즈가 발생하지 않아 보다 정밀한 전류제어가 가능하다.

Claims (5)

1차측으로 공급되는 입력전원을 소정레벨로 변환하여 2차측으로 유기하는 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 온-오프상태를 제어하는 스위칭 트랜지스터와, 상기 스위칭 트랜지스터의 스위칭동작을 제어하는 펄스폭 변조기와, 상기 트랜스포머의 상기 2차측에 유기된 전압레벨에 따라 상기 펄스폭 변조기에서 출력되는 펄스의 듀티값을 가변하는 포토 커플러를 포함하는 전원공급장치에 있어서:

상기 트랜스포머의 2차측에 유기된 전압레벨에 따라 스위칭되는 제1 스위칭소자;

상기 트랜스포머의 2차측에 흐르는 전류량을 감지하는 감지소자;

상기 감지소자에 의해 감지된 전류량에 따라 스위칭되는 제2 스위칭소자; 및

상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자의 스위칭상태에 따라 온-오프 제어되어 상기 포토 커플러의 동작을 제어하는 제어소자를 포함하는 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로.

제 1 항에 있어서, 상기 제1 스위칭소자는,

상기 트랜스포머의 2차측 출력단에 애노드단자가 접속되고, 그라운드단자에 캐소드단자가 접속되며, 기 설정된 소정레벨 이상의 전압이 공급되면 도통되어 상기 공급된 전압을 상기 제어소자에 공급하는 제1 제너 다이오드를 포함하는 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로.

제 1 항에 있어서, 상기 감지소자는,

상기 트랜스포머의 2차측 출력단에 1차측이 접속되고, 그라운드단자에 2차측이 접속된 전류 트랜스포머를 포함하며;

상기 트랜스포머의 2차측에 흐르는 전류에 의해 상기 전류 트랜스포머의 1차측으로부터 2차측에 상기 전류에 대응하는 에너지가 유기되도록 한 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로.

제 3 항에 있어서, 상기 제2 스위칭소자는,

상기 전류 트랜스포머의 2차측에 애노드단자가 접속되어 상기 전류 트랜스포머에 의해 유기된 에너지가 기 설정된 소정레벨 이상이면 도통되는 제2 제너 다이오드; 및

상기 제2 제너 다이오드를 통하여 공급되는 에너지를 정류 및 평활하여 정류평활된 정전압을 상기 제어소자에 공급하는 정류평활소자를 포함하는 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로.

제 1 항에 있어서, 상기 제어소자는,

베이스단자는 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자에 공통적으로 접속되고, 이미터단자 및 컬렉터단자 중 어느 하나는 상기 포토 커플러에 접속되며, 상기 이미터단자 및 상기 컬렉터단자 중 다른 하나는 그라운드에 접속된 제어 트랜지스터를 포함하며, 상기 제1 스위칭소자를 통하여 공급된 전압과 상기 제2 스위칭소자를 통하여 공급된 전압 중 적어도 하나 이상의 전압에 의해 스위칭상태가 제어되어 상기 포토 커플러의 온-오프상태를 제어하도록 한 전원공급장치의 과전압 및 과전류 보호회로.