KR20010024047A - 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워를 결정하기 위한회로 - Google Patents

스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워를 결정하기 위한회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워를 결정하기 위한 회로에 관한 것이다. 트랜스포머의 방전 시간 동안 충전 커패시터가 정전류로 충전된다. 충전 커패시터를 통해 인가된 전압은 후속 접속된 적분 소자에 의해 적분된다. 적분 소자의 출력 전압은 스위치 모드 파워 서플라이의 평균 파워에 비례한다.
본 발명에 따른 회로는 스위치 모드 파워 서플라이의 상이한 스위칭 주파수에서 트랜스포머의 충전 및 방전 시간이 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워가 동일할 때도 상이할 수 있다는 것을 고려한다.

Description

스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워를 결정하기 위한 회로 {CIRCUIT FOR DETERMINING THE OUTPUT POWER OF SWITCHED-MODE POWER SUPPLY}
스위치 모드 파워 서플라이는 부하에 가급적 의존하지 않는, 일정하게 조정된 직류 전압을 제공하는 것을 특징으로 한다. 출력 파워는 큰 범위를 가질 수 있다. 예컨대 텔레비젼 장치용 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워 범위는 5 W 내지 150 W 이다. 낮은 파워에서, 스위칭 손실을 최소화하기 위해 종종 낮은 스위칭 주파수가 세팅되거나 또는 텔레비젼 장치의 회로 부품이 접속 또는 차단된다.
이것을 위해, 스위치 모드 파워 서플라이의 순시 파워가 1차측에서 측정되어야 하고, 적합한 방식으로 주파수 제어를 위해 또는 회로 부품의 제어를 위해 처리되어야 한다. 파워를 결정하는 간단한 방법은 스위칭 트랜지스터에서 1차 전류를 측정 저항에 의해 측정하는 것이다. 파워는 전류의 제곱에 비례한다. 상기 전류의 크기가 주파수 및 입력 전압에 강력히 의존하기 때문에, 상기 방식의 파워 측정은 매우 부정확하다.
본 발명은 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워를 결정하기 위한 회로에 관한 것이다.
도 1은 파워 측정시 전압 및 전류 파형도이고,
도 2는 본 발명에 따른 회로의 회로도이며,
도 3은 상이한 주파수에서 트랜스포머의 방전 전류를 나타낸다.
본 발명의 목적은 본 발명에 따라 청구항 제 1항의 특징을 가진 회로에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 회로는 주파수 및 입력 전압과 무관하게 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워에 대한 척도를 결정할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 회로의 적은 회로 비용도 장점이다.
회로는 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워에 비례하는 전압을 공급한다. 상기 전압이 예컨대 하나 또는 다수의 비교기에 공급되고, 상기 비교기는 원하는 기능, 예컨대 주파수의 간단한 전환 접속을 위해 사용된다.
본 발명에 따른 회로의 에너지 어큐뮬레이터는 바람직하게는 커패시터로 구현된다.
적분 소자는 그것에 인가된 전압을 적분한다. 적분 소자는 바람직하게는 RC 소자로 이루어진다. RC 소자의 시간 특성은 RC 소자의 저항값 및 커패시턴스에 의해 세팅될 수 있다.
본 발명에 따른 파워를 측정하기 위한 회로는 다양한 방식으로 적용될 수 있다. 본 발명의 회로는 예컨대, 스탠바이-버스트(burst) 동작에서와 같이, 주파수가 파워에 의존하고 적은 히스테리시스에 의해서도 전환 스위칭되어야 할때 사용된다. 본 발명에 따른 회로의 다른 용도는 소위 일시적 고부하 동작이다. 여기서는 스위치 모드 파워 서플라이의 파워 범위내에서 측정된 출력 파워의 한계치가 결정된다. 상기 한계치는 단시간 동안만 초과될 수 있다. 상기 한계치의 초과가 길면, 보호 회로가 예컨대 스위치 모드 파워 서플라이를 차단시키는 기능을 한다. 이로 인해, 높은 안전성이 얻어지는데, 그 이유는 과부하가 지속될 때 차단에 의해 화재 위험이 방지되기 때문이다.
또다른 장점은 스위치 모드 파워 서플라이가 발생되는 손실 열과 관련해서 현저히 작은 파워에 대해서만 설계되고 단시간의 피크 파워에 대해 설계되지 않아도 되기 때문에, 비용이 절감된다는 것이다. 이것은 작은 트랜스포머 및 작은 냉각 플레이트의 사용을 허용한다.
또다른 바람직한 실시예는 종속항에 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 본 발명을 구체적으로 설명한다.
공지된 바와 같이, 스위치 모드 파워 서플라이에서는 스위치 모드 파워 서플라이 트랜스포머의 1차 권선을 통해 흐르는 전류가 스위칭 트랜지스터에 의해 초핑된다. 스위칭 트랜지스터로는 통상적으로 파워-MOSFET가 사용된다. 도 1a에는 스위치 모드 파워 서플라이의 스위칭 트랜지스터의 드레인 전압이 도시된다. 시점(t0)으로부터 시점(t1)에 까지 이르는, 스위치 모드 파워 서플라이 트랜스 포머가 충전되는, 접속 시간 동안, 드레인 전압(UD)은 실제로 제로 볼트이다. 시점(t1) 내지 (t2)의 방전 시간(tE) 동안에는 드레인 전압이 수백 볼트에 이를 수 있다. 방전 시간(tE) 동안 스위치 모드 파워 서플라이 트랜스포머가 방전된다. 스위치 모드 파워 서플라이 주기 동안, 트랜스포머가 1차측을 통해 일정한 양의 에너지로 충전된다. 상기 트랜스포머는 후속해서 상기 에너지를 2차측으로 전달한다.
도 1b에는 스위치 모드 파워 서플라이에서 트랜스포머의 충전 및 방전 전류가 도시된다. 충전 전류는 시점(t1) 까지 스위칭 트랜지스터의 접속 시간 동안 제로 암페어로부터 상승한다. 상기 시점(t1)에서 스위칭 트랜지스터가 차단된다. 후속하는 방전 시간(tE) 동안, 트랜스포머의 방전 전류가 시점(t2)까지 다시 제로 암페어로 감소된다. 스위칭 트랜지스터의 드레인 전압이 다시 제로 볼트로 강하하면, 트랜스포머가 다시 충전된다. 트랜스포머의 방전과 후속하는 충전 사이의 포우즈는 상이할 수 있으며 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워에 의존한다.
전기적 일(Work)(W)은 일반적으로 하기와 같이 산출된다:
(1) W = ∫U(t)·I(t)dt
스위치 모드 파워 서플라이의 출력 전압은 조정된다. 출력 전압의 값은 인출되는 파워와는 무관하게 항상 일정하다. 즉, 하기 식이 적용된다:
(2) Ut = Ukonst
따라서, 등식(1)이 하기와 같이 간소화된다:
(3) W = Ukonst∫I(t)dt
전기적 파워(P)는 일로부터 하기와 같이 산출된다:
(4) P =
전술한 바와 같이, 스위치 모드 파워 서플라이의 방전 전류가 톱니파형이고 포우즈를 갖기 때문에, 파워 측정이 트랜스포머에 저장된 에너지를 통해 이루어진다.
트랜스포머의 충전 시간이 라인 전압에 의존하므로 파워 측정에 고려되어야 하기 때문에, 트랜스포머의 방전 시간(tE) 동안 파워를 측정하는 것이 더욱 간단해진다. 이 경우, 트랜스포머의 전압은 일정하다. 트랜스포머의 에너지 용량(W)은 방전 시간(tE) 동안 방전 전류(ITr(t))에 대한 곡선 이하의 면적이다. 도 1b에서 상기 면적은 빗금으로 표시된다. 하나의 스위치 모드 파워 서플라이 주기에 대한 트랜스포머의 에너지는 상기 주기 동안 스위치 모드 파워 서플라이의 파워에 대한 척도이다. 다수의 주기에 걸친 면적의 평균화에 의해, 상기 주기 동안 스위치 모드 파워 서플라이의 평균 파워가 얻어진다.
도 2에 따른 파워 측정을 위한 회로는 에너지 어큐뮬레이터(C1) 및 적분 소자(IG)를 포함한다. 실시예에서 에너지 어큐뮬레이터로는 충전 캐패시터(C1)가 사용된다. 충전 커패시터(C1)는 전류원(SQ) 및 기준 전위, 예컨대 접지 사이에 접속된다. 적분 소자에는 하나의 RC 소자가 제공된다. RC 소자에서, 저항(R2)은 전류원(SQ)과 회로 출력(OUT) 사이에 접속된다. RC 소자의 적분 커패시터(C2)는 출력(OUT)과 기준 전위 사이에 접속된다. 정전류원(SQ)은 트랜지스터(TM)를 통해 기준 전위에 접속됨으로써, 전압(USt)에 의해 트랜지스터(TM)의 제어 입력을 적합하게 제어하면, 전류원(SQ)의 전류가 기준 전류로 유도된다.
전류원(SQ)은 바람직하게는 정전류원으로 구현되며, 그것에 접속된 부하와 무관하게 정전류(I)를 공급한다.
트랜지스터(TM)의 제어 전압(USt)의 파형이 도 2에 도시된다. 방전 시간(tE) 동안 제어 전압(USt)이 제로이므로, 트랜지스터(TM)가 차단된다. 방전 시간(tE) 이외의 시점에서, 제어 전압(USt)이 제로가 아니므로 트랜지스터(TM)가 도통된다. 방전 시간이 큰 비용 없이 예컨대 비교기에 의해 측정될 수 있다. 상기 방전 시간은 스위치 모드 파워 서플라이의 스위칭 트랜지스터의 드레인 전압이 일정한 한계치를 초과하는 스위칭 주기 동안 지속 시간이다.
방전 시간(tE) 동안 충전 커패시터(C1)가 정전류(I)에 의해 충전되므로, (C1)에서의 전압(Uc1)이 램프형으로 상승한다. 방전 시간(tE)의 종료시, 즉 시점(t2)에서 충전 커패시터(C1)가 트랜지스터(T)를 통해 신속히 방전된다. 도 1c에는 충전 커패시터(C1)의 전압 파형이 실선으로 도시된다. 전술한 충전 및 방전 과정이 매 스위치 모드 파워 서플라이 주기 마다 반복된다. 충전 커패시터(C1)에서의 전압(Uc1)은 후속 접속된 적분 소자(IG)에 의해 적분된다. 적분 커패시터(C2)에서의 전압(Uc2)은 회로 출력(OUT)에서의 출력 전압에 상응하며, 스위치 모드 파워 서플라이의 평균 파워에 비례한다. 상기 전압(Uc2)이 전술한 바와 같이 직접 비교기에 공급됨으로써, 예컨대 일정한 동작 모드가 접속될 수 있다.
저항(R2) 및 적분 커패시터(C2)로 이루어진 RC 소자는 바람직하게는 높은 옴 저항으로 설계됨으로써, 저항(R2)을 통해 흐르는 전류에 의해 충전 커패시터(C1)에서의 전압(Uc1)에 에러가 생기지 않는다. RC 소자의 시간 특성은 저항(R2) 및 적분 커패시터(C2)의 치수 설계에 의해 결정된다.
방전 시간(tE) 동안 트랜지스터(TM)가 차단된다. 전류원(SQ)의 전류(I)는 충전 커패시터(C1)를 충전시킨다. 충전 커패시터(C1)에서의 전압은 적분 소자(IG)에 의해 적분됨으로써, 전분 커패시터(C2)의 전압이 스위치 모드 파워 서플라이의 평균 파워에 비례한다.
방전 시간(tE) 후에, 즉 시점(t2)에서 충전 커패시터(C1)는 도통된 트랜지스터(TM)을 통해 방전된다. 후속하는 충전 공정은 충전 커패시터(C1)의 이전에 도달된 충전 상태와는 무관하다.
도 3에는 동일한 출력 파워 및 2개의 상이한 주파수(f1) 및 (F2)에서 트랜스포머 방전 전류(ITr1) 및 (ITr2)가 도시된다. 주파수(f2)는 주파수(f1) 보다 4배 더 크다. 삼각형의 면적은 방전 시간(tE) 동안 트랜스포머에 저장된 에너지이다. 주파수(f1)에서 방전 주기 동안 저장된 에너지는 주파수(f2)에서 보다 4배 더 크다. 주파수(f1)에서 파선으로 표시된 삼각형은 주파수(f2)에서의 삼각형 중 하나와 동일한 면적을 갖는다.
4개의 주기에 대한 시간적 평균 또는 그것의 4배는 주파수와 무관하게 동일한 면적을 갖는다. 두 경우에, 주파수(f1)에서의 트랜스포머 전류(ITr1)가 주파수(f2)에서의 트랜스포머 전류(ITr2)의 2배임에도 불구하고, 평균 파워는 동일하다. 적분 소자(IG)의 적분 커패시터(C2)에서의 직류 전압은 파선으로 표시된다. 상기 직류 전압은 평균 파워를 제공하며 2개의 주파수에 대해 동일한 크기이다. 트랜스포머 방전 전류는 평균 파워에 대한 척도가 아니다. 본 발명에 따른 회로는 상기 상태를 고려한다.
모니터용 스위치 모드 파워 서플라이는 스크린상에서 스위치 모드 파워 서플라이의 간섭을 줄이기 위해 종종 모니터의 주사선 주파수와 동기화된다. 주사선 주파수의 주파수 범위는 일반적으로 해상도 및 모니터의 프레임 주파수에 따라 30 kHz 내지 110 kHz이다. 모니터용 스위치 모드 파워 서플라이는 상기 주파수에 대해 설계되어야 한다. 이러한 스위치 모드 파워 서플라이에서 파워 제한은 대개 스위칭 트랜지스터에 의해 1차 펄스 전류를 스위칭 주파수에 의존하는 최대값으로 제한함으로써 이루어진다.
스위치 모드 파워 서플라이에서 인출 가능한 파워가 대략 일정하게 유지되어야 하면, 상기 최대값은 높은 스위칭 주파수에서 낮은 주파수에서 보다 작아야 한다. 가장 낮은 스위칭 주파수에 대한 최대값이 고정 세팅되면, 높은 스위칭 주파수에서 인출 가능한 파워가 낮은 주파수에서 인출 가능한 파워 보다 크다. 이것은 부품의 과열을 야기시킬 수 있고, 그 결과 에러의 경우 화재의 위험을 야기시킨다.
가급적 최대로 인출 가능한 파워에 대한 스위치 모드 파워 서플라이의 열 설계는 상응하게 크게 설계된 부품을 필요로 하기 때문에 고가이다.
본 발명에 따른 회로에 의해, 스위치 모드 파워 서플라이의 1차측에서 주파수에 의존하는 파워가 측정되므로, 파워 제한이 이루어질 수 있다.

Claims (4)

  1. 트랜스포머가 방전 시간(tE) 동안 2차측에 전달하는 에너지가 트랜스포머의 1차측에 공급되는 방식으로, 트랜스포머를 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워에 대한 척도를 결정하기 위한 회로에 있어서,
    - 방전 시간(tE)의 지속 시간 동안 정전류원(SQ)에 의해 충전될 수 있고 나머지 시간 동안 스위치(TM)를 통해 방전될 수 있는 에너지 어큐뮬레이터(C1), 및
    - 상기 어큐뮬레이터(C1)에 접속되며, 에너지 어큐뮬레이터(C1)에서의 전압을 적분하고 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워에 대한 척도로서 출력(OUT)에 공급하는 적분 소자(IG)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제 1항에 있어서, 에너지 어큐뮬레이터가 충전 커패시터(C1)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 회로.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 적분 소자(IG)가 저항(R2) 및 적분 커패시터(C2)로 이루어진 RC 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  4. 제 2항 또는 3항에 있어서, 정전류원(SQ)이 충전 커패시터(C1) 및 저항(R2)에 접속되고, 스위치(TM)에 접속됨으로써, 스위치(TM)의 폐쇄시 정전류원(SQ)의 전류가 접지로 유도되는 것을 특징으로 하는 회로.
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