KR20010014631A - 안정화 소프트-스위칭 전원 장치 및 그 조정 방법 - Google Patents

안정화 소프트-스위칭 전원 장치 및 그 조정 방법 Download PDF

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전주범
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Abstract

바이파일러(bifilar) 권선으로 알려진 기법을 이용하여 동시에 만들어진 1 차 및 보조 권선을 갖는 멀티파일러(multifilar) 변압기를 이용하는 변환기는 고효율 및 저잡음을 제공한다. 멀티파일러 권선 기법은 권선 사이에 최소 누설 인덕턴스를 가지며 가장 잘 알려진 도선을 이용하여 얻을 수 있는 최소 값까지 인접 효과를 감소시킨다. 변환기는 변압기의 1 차 및 보조 권선 사이의 권선간 캐패시턴스를 바람직하게 줄일 수 있는 개선된 소프트-스위치 토폴로지를 이용한다. 이 토폴로지는 보조 권선의 하나의 레그와 보조 스위치 사이에 직렬로 개재된 공진 LC 회로를 포함한다. 보조 권선의 다른 레그는 접지된다. 제어기는 변환기가 스위치 손실 및 공진 펄스 손실을 최적화시키도록 제어 스위치 타이밍을 제공한다.

Description

안정화 소프트-스위칭 전원 장치 및 그 조정 방법{A HIGH-EFFICIENCY SOFT-SWITCHING POWER SUPPLY}
본 특허 출원은 1999년 3월 26일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 제 60/126,525 호에 기초한 우선권을 주장하고자 한다.
본 발명은 전반적으로 전자 장치용 전원 장치에 관한 것으로서, 특히 소프트 스위칭 전원 장치(soft-switching power supply)에 관한 것이다.
안정화 전원 장치(regulated power supply)는 전지 충전기, 휴대폰, 컴퓨터, 컴퓨터 모니터, 텔레비젼, 오디오 기기, 비디오 카메라를 포함하는 거의 모든 전자 장치에서 발견된다. 전형적인 전원 장치의 하나인, DC/DC 변환기는 DC 소스로부터 작동하고, 중간 과정으로 교류를 발생하며, 부하로 직류를 공급한다. 선형, 변압기 기반 전원 장치와 같은 스위치형 DC 변환기(switched DC converter)는 조정된 출력을 공급하며 입력 회로와 출력 회로를 격리시킨다. 하지만, 선형 전원 장치와는 달리, 스위치형 DC 변환기 내의 변압기는 수 ㎒ 정도의 훨씬 더 높은 주파수에서 동작한다. 이에 따라 입력 및 출력사이에 완전한 격리가 이루어지도록 유지하는 동시에 변압기 및 캐패시터를 포함하는 작은 부품을 사용하는 것이 가능하다.
스위치형 DC 변환기는 이러한 장점을 가진 반면에 스위칭 중에 방사 손실을 발생시키는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 하드-스위칭 토폴로지(hard-switching topology)에서는 스위칭에 의해 스위치를 흐르는 전류에 급속한 전환(rapid transition)이 일어난다. 이러한 급속 전환은 신호 방출의 형태로 스위칭 손실을 발생시킨다. 이러한 스위칭 천이(switching transients)는 고주파 성분을 포함하는 스펙트럼을 갖고 있어 비디오 신호 등에 노이즈를 발생시킨다. 소프트-스위칭 변환기는 하드 스위칭 손실을 감소시키는 잘 알려진 변환기 토폴로지이다. 전형적인 소프트-스위치에서, 공진기는 스위칭 중에 전원 스위치 내의 전류가 0이 되도록 한다. 이렇게 함으로써 스위칭 전류의 급속 전환으로 인한 전파 방사 및 스위칭 천이가 크게 감소된다.
하지만, 소프트-스위치 또한 최적 효율을 달성하지 못한다. 소프트-스위치에 일반적으로 사용되는 변압기의 1 차 및 보조 권선 사이의 누설 인덕턴스는 전력 손실을 발생시킨다. 커플링되지 않은 자속은 스위칭에 의하여 야기된 전류 변화 중에 전압 피크가 생기게 한다. 이러한 스위칭 천이는 또한 전파 방사의 형태로 나타나는 고주파 성분을 포함한다. 더욱이, 주지의 소프트-스위칭 토폴로지에서, 1 차 및 보조 권선 사이의 권선간(interwinding) 캐패시턴스가 공진 회로 루프 내에서 나타난다. 이 캐패시턴스는 2 차 발진 및 이에 따른 전력 손실을 발생시킨다. "인접 효과(proximity effect)"로 인하여, 소프트-스위치는 또한 상당한 와전류(eddy current) 손실을 갖는다. 1 차 권선에서의 시간에 따라 변하는 전류는 보조 권선 내의 도전체의 단면에 걸쳐서 비-균일한 전류 분포를 야기시킨다.
본 발명의 원리에 따른 소프트-스위칭 전원 장치는 변압기 내의 권선간 캐패시턴스에 의하여 야기되는 전파 방사 및 2 차 발진을 감소시킨다. 공진기는 변압기의 보조 권선의 한 레그와 보조 스위치 네트워크 사이에 연결된다. 1 차 권선은 전압과 1 차 스위치 네트워크 사이에 개재되어 있다. 1 차 스위치 네트워크와 보조 스위치 네트워크는 1 차 및 보조 권선으로의 에너지 인가를 제어한다. 공진기는 스위칭 중에 스위치 내의 전류를 원하는 레벨에 있게한다. 조정(regulation)은 출력 전압(전압 모드) 또는 1 차 스위치 내의 전류(전류 모드)를 1 차 및 보조 스위치를 제어하기 위한 스위치 제어 신호를 제공하는 제어기로 궤환시킴으로써 달성된다. 공진기를 보조 스위치 네트워크와 직렬로 배치함으로써, 권선간 캐패시턴스의 영향이 줄어든다. 권선간 캐패시턴스는 보조 권선의 다른 레그를 통하여 접지에 커플링된된다.
이러한 토폴로지는 소프트-스위칭 토폴로지에서 이전에 사용되었던 것보다 더욱 좋은 커플링을 갖는 변압기의 사용이 가능하도록 한다. 두 개의 이러한 변압기는 멀티파일러(multifilar) 또는 바이파일러(bifilar) 변압기이다. 바이파일러 변압기에서, 인접 도선이 항상 다른 권선에 속하도록 1 차 권선 및 보조 권선이 교대로 위치하게 함께 형성된다. 멀티파일러 권선에서는, 각 권선은 교대로 위치하는 도선(interleaved wires)의 다수 가닥(strand)을 포함한다. 이러한 권선 기법은 커플링을 보다 좋게하고, 누설 인덕턴스를 최소화시키고, 인접 효과로 인한 와전류를 감소시킨다.
도 1은 예시적인 변환기 토폴로지를 도시한 도면,
도 2a는 예시적인 종래의 변압기를 도시한 도면,
도 2b는 본 발명의 원리에 따른 전원 장치에 사용되는 예시적인 변압기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 원리에 따른 예시적인 타이밍도,
도 4는 본 발명의 원리에 따른 예시적인 제어기의 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 원리에 따른 다른 예시적인 제어기의 구조를 도시한 도면,
도 6a는 본 발명의 원리에 따른 예시적인 회로를 도시한 도면,
도 6b는 도 6a의 회로에 대한 예시적인 타이밍도,
도 7은 본 발명의 원리에 따른 예시적인 회로도,
도 8은 본 발명의 원리에 따른 예시적인 회로도,
도 9는 본 발명의 원리에 따른 예시적인 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
400 : 전류 모드 제어기 402 : 발진기
404 : 전압 기준 발생기 406, 408, 410 : 원 샷 디바이스
412 : RS 플립-플롭 413, 415 : 버퍼
414, 416 : RC 네트워크 419 : 에러 증폭기
420 : OC 펄스 비교기 421 : PWM 비교기
423 : OR 게이트 427, 433 : AND 게이트
432 : OC Max 비교기
본 발명의 원리에 따른 전원 장치는 고효율, 저잡음, 크게 안정화된 출력을 제공한다. 본 발명의 전원 장치는 텔레비젼, 컴퓨터 모니터, 개인 컴퓨터, 휴대폰, 통신 장비, 오디오 장비, 레이더 등을 포함하는 다양한 범위의 전자 장치와 함께 사용하기에 적합하다. 본 명세서는 전원 장치의 예시적인 토폴로지를 개시하며, 이는 인접 효과로 인한 손실을 줄이고 1 차 권선과 보조 권선 사이의 누설 인덕턴스를 줄이는 바이파일러 변압기를 포함한다. 이 토폴로지는 멀티파일러 변압기 또한 사용할 수 있다. 예시적인 전압 모드 제어기 및 예시적인 전류 모드 제어기를 참조하여 예시적인 전원 장치의 동작을 설명한다.
1. 전원 장치 토폴로지
본 발명의 원리에 따른 전원 장치 토폴로지를 도 1에 도시한다. 당업자라면 본 발명의 원리를 벗어남이 없이 다양한 구성 요소 및 구성 요소의 값이 본 발명의 토폴로지에 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 스위치 토폴로지(10)는 1 차, 보조, 2 차 권선(14, 18, 16)을 갖는 변압기(12)를 포함한다. 1 차 권선의 한 레그(22)는 제 1 전압(20)에 연결되어 있다. 다른 레그(23)는 1 차 스위치 네트워크(40)에 직렬로 연결되어 있고, 네트워크(40)는 저항(39)을 통해 접지(38)에 연결되어 있다. 보조 권선(18)은 접지(38)에 연결된 제 1 레그(25) 및 공진기(30)에 직렬로 연결된 제 2 레그(28)를 갖는다. 공진기(30)는 보조 스위치 네트워크(46)에 연결된다. 2 차측(31)은 변압기의 2 차 권선(16) 및 조정된 DC 전압을 제공하기 위한 출력 정류기(36)를 구비한다.
1 차 스위치 네트워크(40)는 1 차 정류 다이오드(44)와 병렬로 연결된 1 차 스위치(42)를 포함한다. 보조 스위치 네트워크(46)는 보조 정류 다이오드(50)와 병렬로 연결된 보조 스위치(48)를 포함한다. 이들 스위치 네트워크(40, 46)는 각각 1 차 및 보조 권선을 흐르는 전류를 각각 제어한다. 1 차 스위치(42)가 닫혔을 때 1 차 정류 다이오드(44)는 1 차 스위치(42) 전압을 0으로 클램핑(clamping)시키고, 1 차 전류 신호를 제어기(56)로 제공한다. 제어기(56)는 그 자체의 출력단(62, 64) 각각에 1 차 스위치(42) 및 보조 스위치(48)를 제어하는 스위칭 제어 신호를 제공한다. LC(32, 34) 회로인 공진기(30)는 온-오프 전환(on-off transition) 중에 보조 스위치(48) 내의 전압 및 1 차 스위치(42) 내의 전류를 원하는 레벨로 만든다. 당분야에알려져 있는 바와 같이, 1 차 및 보조 스위치(42, 48)는 트랜지스터 또는 다른 스위칭 디바이스일 수 있다. 스케일링(scaling) 저항(52, 54)은 제어기(56)로 궤환하는 스케일된 DC 출력 전압을 제공한다.
이러한 토폴로지(10)는 기존의 스위칭 토폴로지 보다 향상된 것인데 이는 공진기(30)가 보조 스위치 네트워크(46)와 직렬로 연결되어 있기 때문이다. 이는 1 차 권선(14) 및 보조 권선(18) 사이의 권선간 캐패시턴스의 영향을 상당히 감소시킨다. 권선간 캐패시턴스는 이들 권선(14, 18) 사이의 커플링이 크기 때문에 일어난다. 기존의 스위칭 토폴로지에서, 권선간 캐패시턴스가 회로의 공진기 루프 내에서 상당한 2 차 발진 주파수를 발생시키도록 공진기가 보조 권선에 연결되어 있다. 본 발명의 원리에 따른 스위칭 토폴로지(10)에서는, 권선간 캐패시턴스의 대부분이 접지로 션트(shunt)됨으로써, 2 차 발진이 최소화된다.
예시적인 실시예에서, 전원 장치는 바이파일러 권선을 갖는 변압기를 사용하여 1 차(14) 및 보조(18) 사이의 보다 양호한 커플링을 제공하고 와전류 손실을 감소시킨다. 도 2a를 참조하면, 소프트-스위칭 전원 장치에 전형적으로 사용되는 통상적인 변압기(200)의 단면도가 도시되어 있다. 이 변압기(200)에서, 1 차 권선(202) 및 보조 권선(204)은 독립적으로 만들어진다. 1 차 권선(202)은 1 차 권선(202)에 인접하고 보조 권선(204)은 보조 권선(204)에 인접한다. 비록 1 차 및 보조 권선(202, 204)이 2 차 권선(205)에 의하여 분리되어 있으나, 이들 변압기는 누설 인덕턴스 및 인접 효과로 인한 상당한 손실이 있다.
도 2b에 바이파일러 권선 기법으로 감겨진 변압기(206)를 도시한다. 1 차 권선(208) 및 보조 권선(210)은 교대로 위치하여 인접 도선은 항상 다른 권선에 속하게 된다. 2 차 권선(212)은 다시 1 차(208) 및 보조(210) 권선을 분리한다. 이러한 바이파일러 권선 기법은 인접 효과로 인한 와전류 손실 및 누설 인덕턴스를 최소화시킨다. 인접 효과로 인한 손실을 더욱 감소시키기 위하여, 멀티파일러 권선 기법이 사용될 수 있다. 멀티파일러 권선 기법에서, 각 권선은 교대로 위치하는 도선으로 이루어진 다수의 가닥(strand)을 포함한다. 1 차 및 보조 권선 사이의 큰 커플링에 의하여 야기되는 권선간 캐패시턴스의 증가로 인해 이전에는 이들 권선 기법이 소프트-스위치 토폴로지에 사용되지 않았다.
이 예시적인 소프트 스위치 단의 동작을 도 3의 타이밍도와 도 2를 참조하여 설명한다. 스위치 주기(300)는 1 차 스위치(42)를 닫으면 시작된다. 보조 제어 신호(302)는 로우(low)이고(보조 스위치(48)는 열림), 1 차 제어 신호(304)는 하이(high)이다. 공진기(230)에 의해 설정된 소정의 주파수를 갖는 전류는 보조 권선(18)에 걸리는 전압과 같은 전압이 공진 캐패시터(34)에 저장될 때까지 1 차 권선(14) 및 보조 권선(18)에 흐른다. 이들 전압이 같을 때, 공진 전류는 어느 권선에도 흐르지 않는다(전류 흐름을 유도하는 전위 차이 없음). 타이밍도에서, 이것은 1 차 전류 파형도(306) 및 보조 전류 파형도(308)의 (309) 및 (311)에서 각각 반주기 파형으로 도시되어 있다.
일단 공진 전류가 흐르고 나면, 궤환 신호에 응답하여 제어기(56)에 의해 종결될 때까지 (313)에서와 같이 1 차 전류가 상승한다. 1 차 전류를 즉시 종결시키는 대신 제어기(56)는 보조 스위치(48)를 닫아 ((315)에서와 같이 제어 신호가 하이가 됨) 1 차 권선(14) 및 보조 권선(18)에 각각 공진 주파수로 1 차 전류 및 보조 전류가 흐르게 한다. 이것은 각각 (317) 및 (319)에서와 같이 네가티브 방향으로 전류를 구동시킨다. 만일 공진 전류의 진폭 크기가 충분히 크면 1 차 스위치(42)에 흐르는 전류의 극성은 포지티브에서 네가티브로 변환되고, 1 차 정류 다이오드(44)는 1 차 스위치(42)가 오프일 때, 스위치(42) 사이에 걸리는 전압을 영으로 클램핑시킨다. 보조 스위치 전류 크기가 1 차 스위치 전류 크기보다 작을 때, 변환기는 부분적으로 일종의 소프트 스위치로 동작한다.
보조 스위치(48)는 (323)에서와 같이 온 상태를 유지하고, 보조측 변압기가 2 차 전압에 의해 설정된 플라이백 전압(flyback voltage)을 발생시킴에 따라 전류를 계속 도통시킨다. 바꿔 말하면, (321)에서와 같이 1 차 스위치(42)가 개방되면, 변압기(12)에 저장된 에너지는 2 차 권선(16)에 전류가 흐르게 한다. (331)에서와 같이 보조 전류 극성이 바뀌고 전류는 2 차 권선(16)에 걸리는 전압이 2 차 전류 파형도(329)에 도시된 것처럼 (333)에서 출력 전압으로 클램핑될 때까지 상승한다. 보조 권선 및 2 차 권선 사이의 모든 누설 인덕턴스 및 캐패시턴스와 LC 네트워크(30)에 의해 결정되는 소정의 공진 주파수에서 캐패시터(34)는 부하로 방전한다. (325)에서와 같이 보조 전류가 영이 되면, 보조 정류 다이오드는 보조 스위치(48)의 전압을 영으로 클램핑하고 보조 스위치(48)는 (340)에서와 같이 오프된다.
도 4 및 도 1을 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 스위칭을 제어 작동하는 예시적인 전류 모드 제어기(400)가 도시되어 있다. 제어기(400)는 PWM(pulse width modulation) 전류 모드 제어 및 펄스 단위의 과전류 보호(pulse-by-pulse over-current protection)를 구현한다. 이 제어기는 1 차 및 보조 스위치 제어를 위한 공통 시간 베이스(common time base)를 제공하는 프로그래머블 발진기(402)를 포함한다. 기준 전압 및 바이어스 발생기(404)는 내부 온도 보상 기준 전압 및 기준 전압이 안정될 때까지 작동을 금하는 미달 전압 록 아웃(under voltage lock out : UVLO) 신호를 발생한다. UVLO는 RS 플립플롭(412)을 설정하는 AND 게이트(433)를 구동한다. 블랭킹 펄스 원샷(blanking pulse one shot)(406), 1 차 스위칭 신호 원샷(408), 보조 스위칭 신호 원샷(410), RS 플립플롭(412)은 전류 제어를 구현하고 스위치 제어 신호를 발생한다. 버퍼(413, 415)는 블랭킹 펄스 원샷(406) 출력 및 보조 원샷(410) 출력을 각각 버퍼링(buffering)한다.
발진기(402)는 RC 네트워크(414, 416)로 프로그래밍할 수 있는 두 개의 발진기로 구성되어 있다. 한 발진기는 스위칭 주파수에 대해, 다른 발진기는 스위치 주파수보다 낮은 주파수에 대해 프로그래밍되어 있다. 감소된 주파수로 동작함에 따라 모니터의 대기 모드에서와 같이 낮은 전력으로 작동할 수 있다. 비교기(418)는 과전압신호(over voltage signal) VOVP나 STANDBY 신호에 근거하여 발진기 주파수의 선택을 제어한다. 비교기(418)는 히스테리시스를 갖고 있어서 VOVP가 존재하는 경우 발진이 일어나지 않는다.
발진기(402) 출력은 원샷 장치(406, 408, 410) 및 플립플롭(412)에 대한 타이밍을 설정한다. 발진기(402)의 초기 상승 천이는 1 차 스위치(42)를 활성화하고 블랭킹 펄스 원샷(406)으로 하여금 블랭킹 펄스를 형성하게 한다. 이것은 1 차 스위치의 때이른 종결을 방지하며 공진 펄스가 활성화되었을 때 과전류 상태를 오버라이딩(overridding)한다. 당 분야에 알려져 있는 바와 같이, 블랭킹 펄스 폭은 원샷(406)에 의해 프로그래밍할 수 있다. 블랭킹 펄스의 스위치 주기에 대한 타이밍은 도 3에서 (327)에 도시되어 있다.
블랭킹 펄스가 종결되면, 제어기는 PWM 제어 및 과전류 감지를 구현한다. 전류 감지 신호 VCS는 1 차 스위치(42) 내의 전류로부터 발생되는 전압이다. VCS가 오류 전압의 크기를 능가하면, PWM 비교기(421)는 보조 원샷(410) 및 1 차 원샷(408)을 활성화시키는 펄스를 발생한다. 오류 증폭기(419)는 궤환 전압을 기준 전압 Vref와 비교하고, PWM 비교기(421)를 구동시킨다. 이것은 1 차 스위치(42) 및 보조 스위치(48)의 스위치 동작을 활성화시키나, 1 차 원샷(408)은 공진 주기의 약 4분의 1동안 스위치 동작을 지연시킨다.
만일 과전류 조건이 존재하면, OC 펄스 비교기(420)는 보조 원샷(410) 및 1 차 원샷(408)을 활성화시키는 펄스를 발생시킨다. 이 조건은 통상적으로 전원 장치의 시동시 발생한다. OR 게이트(423)는 OC 펄스 비교기(420) 및 PWM 비교기(421)에 응답하여 (비반전 입력을 갖는) AND 게이트(427)를 구동한다. AND 게이트(427)는 또한 블랭킹 펄스 원샷(406)에 응답하며, 1 차 원샷(408) 및 보조 원샷(410)을 구동시킨다.
재해적 과전류를 방지하기 위해, VCS는 기준 전압 발생기(404)에서 발생된 고정 전압과 비교된다. OC 최대 비교기(OC MAX comparator)(432)는 과전류 전압 문턱값이 초과되면, 기준 발생기를 오프 시켜서, 제어기(400)를 디스에이블(disable)시킨다.
발진기(402) 출력은 원 샷 디바이스(406, 408, 410) 및 플립-플롭(412)에 대한 타이밍을 설정한다. 발진기(402)의 초기 상승 전이는 1 차 스위치를 활성화시키고 블랭킹 펄스 원 샷(406)을 갖는 블랭킹 펄스를 형성한다. 이는 1 차 스위치의 너무 이른 종결을 방지하고 공진 펄스가 활성화될 때 과-전류 조건을 오버라이드(override)시킨다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 블랭킹 펄스 폭은 원 샷(406)으로 프로그램이 가능하다. 스위칭 싸이클과 연관된 블랭킹 펄스의 타이밍을 도 3의 (327)에 도시한다.
블랭킹 펄스가 종결할 때, 제어기는 PWM 제어 및 과-전류 감지를 구현한다. 전류 감지 신호 VCS는 1 차 스위치(42) 내의 전류로부터 발생된 전압이다. VCS가 에러 전압의 크기를 초과할 때, PWM 비교기(421)은 원 샷(410) 및 1 차 원 샷(408)을 활성화시키는 펄스를 발생한다. 에러 증폭기(419)는 궤환 전압과 비교 전압 Vref을 비교하고 PWM 비교기(421)를 구동한다. 이는 1 차(42) 및 보조 스위치(48)에 대한 스위칭을 활성화하지만, 1 차 원 샷(408)은 약 1/4 공진 싸이클동안 스위칭을 지연시킨다.
만약 과전류 조건이 존재하면, OC 펄스 비교기(420)는 펄스를 발생시켜, 보조 원 샷(410) 및 1 차 원 샷(408)을 활성화시킨다. 이러한 조건은 일반적으로 전원 장치에 시동을 거는 동안 발생한다. OR 게이트(423)는 OC 펄스 비교기(420) 및 PWM 비교기(421)에 응답하여 (비반전 입력단을 갖는) AND 게이트(427)를 구동한다. AND 게이트(427)는 또한 블랭킹 펄스 원 샷(412)에 응답하고, AND 게이트(427)는 1 차 원 샷(408) 및 보조 원 샷(410)을 구동한다.
제헤적인(catastrophic) 과-전류의 방지를 위하여, VCS는 전압 기준 발생기(404)에서 발생된 고정된 전압과 비교된다. 과-전류 전압 임계값을 초과할 때 OC Max 비교기(432)는 기준 발생기를 오프시켜서, 제어기(400)가 디스에이블링하게 된다.
2. 전압 모드 제어
도 1을 참조하여, 도 5에 도시한 전압 모드 제어 토폴로지에 의하여 제공되는 전압 모드 제어를 설명한다. 전압 제어기(500)는 PWM 제어, 펄스 단위(pulse-by-pulse) 과전류 보호 및 재해적 과전류 보호를 구현한다. 전압 모드 제어기(500)는 1 차(42) 및 보조 스위치(48) 제어에 대한 공통 시간 기반을 제공하기 위한 프로그램 가능한 발진기(502)를 포함한다. 전압 기준 바이어스 발생기(504)는 내부 온도 보상 전압 기준을 발생한다. UVLO는 전압 기준이 안정될 때 까지 작동을 금지시킨다. 제어기(500)는 또한 제어 출력 발생기(506), 원 샷 타이밍 발생기(501), 과전압 보호기(510), 출력 네트워크(520), 전류 보호기(512)를 포함한다. 출력 네트워크(520)는 원 샷 타이밍 발생기(501)에 응답하여 스위치 제어 신호를 제공한다.
도 6a의 회로도 및 도 6b의 타이밍도를 참조하여 제어 출력 발생기(600)의 동작을 설명한다. 발진기(604)에 응답하는 T 플립-플롭(602)은 타이밍 펄스 트레인(train)(601)을 제공한다. 타이밍 펄스 트레인(601)에 응답하는 램프 발생기(606)는 타이밍 펄스 트레인(601)이 하이일 때 (603)에서 처럼 램프 펄스를 발생한다. 전원 장치(도시하지 않음)의 출력으로부터의 전압 궤환에 응답하는 에러 증폭기(608)는 PWM 비교기(610)로 에러 신호(605)를 제공한다. 비교기(610)는 램프 발생기(606)에 의하여 제공되는 램프 트레인(607)에 에러 신호(605)를 비교하고, OR 게이트(612)로 펄스폭 변조(PWM; pulse width modulated) 신호(609)를 제공한다. OR 게이트(612)는 또한 재설정 펄스 트레인(611)을 제공하는 재설정 펄스 발생기(614) 및 전류 제한 신호(613) Vcurmit에 응답한다. OR 게이트(612)의 출력은 PWM 래치(624)를 제어한다. 래치 출력(615) Vout은 원 샷 타이밍 발생기(도시하지 않음)로 신호를 보낸다.
제어 출력 발생기(600)는 "설정 펄스(set pulse; SP)" 신호(617), PWM 신호(609), 재설정 펄스 발생기 신호(611), 전류 제한 신호(613)에 응답하여 스위칭을 제어한다. 설정 펄스 발생기(616)는 타이밍 펄스 트레인(601)에 응답하여 SP 펄스 트레인(617)을 제공한다. SP 펄스 트레인(617) 내의 펄스 폭은 캐패시터 C2에 의하여 설정된다. 이들 펄스(617)의 상승 에지는 래치를 설정하고, 이는 래치(624)가 OR 게이트(612)로부터 재설정 신호를 수신할 때 까지 래치 출력(615)을 하이로 상승시킨다. SP 펄스(617)의 펄스 폭은 잡음으로 인하여 래치가 설정되는 것을 피하도록 선택되어야만 한다.
재설정 신호는 PWM 신호(609), 전류 제한 신호(613) 또는 재설정 펄스 발생기 신호(611) 중의 어느 하나가 하이일 때 존재하게 된다. 정상적인 동작에서, PWM 신호(609)는 듀티 싸이클(duty cycle)을 제어한다. 비정상적인 조건에서는, 재설정 펄스 발생기(614)가, 예를 들어, 발진기 주파수에서 최대 듀티 주기를 설정하거나 전류 제한 신호(613)가 제어 신호를 종결시킨다. PWM 래치(624)는 정상 수행 조건하에서 도 7에 도시한 원 샷 타이밍 회로로 변조된 펄스 트레인을 출력한다.
이제 도 6a 및 6b 및 도 7을 참조하면, 회로(700)가 1 차 제어 신호 및 보조 제어 신호를 발생한다. 입력 네트워크(702a, 702b)는 PWM 래치(624)에 응답한다. 원 샷 캐패시터 CM1, CA1는 트랜지스터 QM3 및 QA3를 통하여 각각 충전되며, 이들은 입력 네트워크(702a, 702b)에 응답한다. 이들 트랜지스터가 오프이면, 원 샷 캐패시터는 방전하고, PNP 트랜지스터 QM4, QA4를 온시킨다. 원 샷의 주기(period)는 저항 RM3, RA3으로 프로그램 가능하다.
트랜지스터 QM4, QA4가 온이면, (히스테리시스를 갖는) 두 개의 원-샷 비교기(704, 706)는 방전 전압을 임계 전압에 비교한다. 캐패시터가 원-샷 비교기(704, 706)의 임계값까지 방전될 때 원 샷 주기는 종결된다. OR 게이트(708)는 1 차측 원-샷 비교기의 출력과 PWM 래치(624)에 응답한다. PWM 래치 신호(615)가 하이이거나 비교기(704)가 하이 신호를 출력할 때, 1 차 제어 신호는 하이이다. 보조 측에서는, 인버터(710)가 보조 원-샷 비교기(706) 및 NOR 게이트(712) 사이에 위치하고 있다. 비교기(706)가 하이이거나 PWM 래치(624)가 하이일 때, NOR 게이트(712)는 로우를 출력한다.
원-샷 비교기 출력의 기간은 원-샷 캐패시터의 주기를 프로그램밍하여 조절될 수 있다. 이는 보조 스위치가 닫힐 때(도 3의 (315)에서 처럼 제어 신호가 하이일 때), 1 차 전류의 종결을 지연시켜 공진 전류가 1 차(16) 및 보조 권선(18)에 흐르도록 한다. 이는 도 3의 (317) 및 (319)에서 처럼 1 차 및 보조 전류를 각각 부방향으로 구동시킨다.
과전압 보호기를 도 8에 도시한다. 이 회로(800)는 2 차측에서의 과전압 조건 및 과온도 조건으로부터 전원 장치를 보호한다. 이 회로는 또한 소프트-시동 회로를 시동시킨다. 과전압 방지를 위하여, 과전압(Vovp) 신호에 응답하는 비교기(802)는 VOVP신호가 비교기 임계값을 초과할 때, 셧다운(shutdown) 래치(804)를 구동시킨다. 래치(804)는 1 차 및 보조 스위치의 구동기(도시하지 않음)를 디스에이블링시킨다. 과온도 조건에서는, 과온도 보호기(806)가 또한 셧다운 래치(804)를 설정하는 과온도 신호를 제공한다. 과온도 보호기 신호 및 비교기(802) 출력은 OR 게이트(808)를 통해 멀티플렉싱된다.
부가적으로, 재설정 신호 또는 중지(suspend) 입력 신호(Vsus)는 NOR 게이트(812)를 통해 소프트 시동 회로(810)를 활성화시킨다. 이는 소프트 시동 동작 모드를 인에이블링시킨다. 이 모드에서, 레귤레이션(regulation)은 궤환 제어가 인에이블할 때 까지 최소 듀티 싸이클로 이루어진다. 소프트 시동 동작 모드 중에, 에러 증폭기 출력은 로우이고 소프트 시동 회로는 인버터(814)를 통해 셧다운 래치(804)를 재설정시킨다. 소프트 시동 회로는 소프트 시동 입력에서 RC 네트워크에 의하여 설정된 시간동안 에러 증폭기의 출력을 오버라이딩하여 스위치 전류를 제한한다.
도 9에 도시한 전류 보호기는 전류 제한과 과전류 보호를 제공한다. 1 차, 2 차 또는 부하에서의 비정상적 조건으로 인한 연장된 과전류 조건이 존재할 때, 회로(900)가 동작한다. 전류 감지 신호가 임계값을 초과할 때 셧다운 래치(904)를 설정하는 셧다운 비교기(902)에 의하여 과전류 보호가 이루어진다. 전류 제한을 위하여, 전류 감지 신호가 전류 제한 임계값을 초과하지만 과전류 임계값보다 적을 때 전류 제한 비교기(906)는 하이가 된다. 이 신호는 PWM 래치(도시하지 않음)하고 카운터(908)를 증가시킨다. 전류 제한 임계값이 주어진 횟수 만큼 초과되면, 카운터(908)는 셧다운 래치(904)를 설정한다.
전류 제한 비교기(906)는 또한 설정 펄스 발생기(도시하지 않음)에 응답한다. 설정 펄스 신호가 하이일 때, 인버터(909)는 신호를 반전시키고 전류 제한 비교기(906)으로의 입력은 로우가 된다. 이는 1 차 스위치(42) 내의 공진 전류의 진폭이 피크 자화 전류를 초과할 때(이는 스위치 주기의 시작에서 발생함), 프로그램 가능한 블랭킹 펄스를 구현한다. AND 게이트(910) 및 OR 게이트(912)는 각각 전류 제한 비교기(906) 및 셧다운 래치(904)에 대한 멀티플렉싱을 제공한다.
본 발명이 본 명세서에서 본 발명을 예시하고 기술한 형태에 국한되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 당업자라면, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변화가 만들어질 수도 있으며, 본 발명이 명세서에 기술하고 도면에 도시한 것에 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다는 것을 명백히 알 수 있을 것이다.
본 발명의 전원 장치는 고효율, 저잡음, 크게 안정된 출력을 제공하며 멀티파일러 또는 바이파일러 변압기를 사용함으로써 누설 인덕턴스가 최소화되고 와전류가 감소된다.

Claims (21)

  1. 안정화 소프트-스위칭 전원 장치(regulated soft-switching power supply)에 있어서,
    적어도 하나의 보조 권선을 갖는 변압기와,
    적어도 하나의 보조 스위치 네트워크와,
    상기 보조 스위치 네트워크와 상기 보조 권선사이에 직렬로 연결된 공진기를 포함하는 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변압기가 바이파일러(bifilar) 변압기인 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변압기가 멀티파일러(multifilar) 변압기인 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변압기가 1 차 권선 및 2 차 권선을 포함하며,
    상기 전원 장치가,
    상기 1 차 권선에 직렬로 연결된 1 차 스위치 네트워크와,
    궤환 신호에 응답하며 상기 1 차 스위치 네트워크 및 상기 보조 스위치 네트워크를 스위칭하기 위한 제어기와,
    상기 2 차 권선에 응답하며 조정된 전압(regulated voltage)을 출력하는 정류기를 저 포함하는 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 궤환 신호가 상기 정류기에 의하여 제공되는 전압인 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 궤환 신호가 1 차 스위치 네트워크 전류인 안정화 소프트-스위치 전원 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 1 차 스위치 네트워크 전류가 실질적으로 최적 레벨에 있을 때, 상기 제어기가 상기 1 차 스위치 네트워크로 하여금 스위칭하게 하는 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 1 차 스위치 전류의 크기(magnitude)가 피크값의 약 40 %와 약 60 %사이에 있을 때, 상기 제어기가 상기 1 차 스위치 네트워크로 하여금 스위칭하게 하는 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 스위치 네트워크가 닫힌 후 공진 주파수의 약 1/4 싸이클 후에 상기 제어기가 상기 1 차 스위치 네트워크로 하여금 개방되게 하는 안정화 소프트-스위칭 전원 장치.
  10. 1 차 권선, 보조 권선 및 2 차 권선을 포함하는 멀티파일러 변압기를 갖는 소프트-스위칭 전원 장치 조정 방법에 있어서, 상기 방법이
    상기 보조 권선에 걸린 전압이 임계 전압에 도달할 때 까지 공진 주파수로 상기 1 차 권선 내에 1 차 전류가 흐르고 상기 보조 권선 내에 보조 전류가 흐르게 하는 단계와,
    궤환 신호에 따라 1 차 전류 종결 요건(termination requirement)을 결정하는 단계와,
    상기 1 차 전류 종결 요건을 결정한 후 상기 공진 주파수 싸이클의 약 1/4 후에 상기 1 차 전류를 종결하는 단계와,
    상기 2 차 권선 내에 2 차 전류를 사실상 상기 공진 주파수로 흐르게 하는 단계를 포함하는 소프트-스위칭 전원 장치 조정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 1 차 전류 종결 요건에 따라서 상기 1 차 전류를 0으로 구동하는 단계를 더 포함하는 소프트-스위칭 전원 장치 조정 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 1 차 전류의 크기가 피크값의 약 40 %와 약 60 % 사이에 있을 때, 상기 1 차 전류를 종결시키는 단계가 상기 1 차 전류를 종결시키는 소프트-스위칭 전원 장치 조정 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 멀티파일러 변압기가 바이파일러 변압기인 소프트-스위칭 전원 장치 조정 방법.
  14. 상기 10 항에 있어서,
    상기 궤환 신호가 상기 1 차 전류에 의하여 제공되는 소프트-스위칭 전원 장치 조정 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 궤한 신호가 출력 전압에 의하여 제공되는 소프트-스위칭 전원 장치 조정 방법.
  16. 안정화 전원 장치를 포함하는 전자 디바이스에 있어서, 상기 전원 장치가
    제 1 및 제 2 레그를 갖는 적어도 하나의 보조 권선을 갖 레그를 갖는 멀티파일러 변압기와,
    상기 보조 권선의 상기 제 1 레그에 연결된 제 1 전압과,
    상기 보조 권선의 상기 제 2 레그에 직렬로 연결된 공진기와,
    상기 공진기와 상기 제 1 전압 사이에 직렬로 연결된 보조 스위치 네트워크를 포함하는 전자 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 변압기가 1 차 권선 및 2 차 권선을 포함하되, 상기 1 차 권선의 제 1 레그가 2 차 전압에 연결되며,
    상기 전원 장치가,
    상기 1 차 권선의 제 2 레그와 상기 제 1 전압 사이에 직렬로 연결된 1 차 스위치 네트워크와,
    궤환 신호에 응답하며 상기 제 1 차 스위치 네트워크 및 상기 보조 스위치 네트워크를 스위칭하기 위한 제어기와,
    상기 제 2 권선에 응답하여 조정된 전압을 출력하는 정류기를 더 포함하는 전자 디바이스.
  18. 상기 16 항에 있어서,
    상기 전자 디바이스가 모니터, 텔레비젼, 휴대폰, 전화기, 개인 컴퓨터, 통신 장비, 레이다, 오디오 기기를 포함하는 그룹중에서 선택된 것 중의 하나인 전자 디바이스.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 1 차 스위치 전류가 실질적으로 최적 레벨일 때, 상기 제어기가 상기 1 차 스위치 네트워크로 하여금 스위칭되게 하는 전자 디바이스.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 1 차 스위치 전류의 크기가 피크 값의 약 40 %와 약 60 %사이일 때, 상기 제어기가 상기 1 차 스위치 네트워크로 하여금 스위칭되게 하는 전자 디바이스.
  21. 스위칭 전원 장치를 갖는 모니터를 포함하는 시스템에 있어서,
    상기 스위칭 전원 장치가
    권선간 캐패시턴스를 갖는 변압기와,
    상기 변압기 내의 적어도 하나의 전류를 공진시키는 공진기를 포함하되, 상기 권선간 캐패시턴스가 실질적으로 접지에 션트(shunt)되는 시스템.
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