KR20010037403A - 고효율전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율전원장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리전원과 아답터전원을 이용하는 시스템에서 배터리의 사용 효율을 높일 수 있는 고효율전원장치에 관한 것이다. 본 발명의 고효율전원장치는, 배터리를 입력전압원으로 하고 있을때, 배터리의 사용시간을 연장시키기 위하여 한번의 에너지 변환동작으로 시스템에서 필요로 하는 사용전압을 만들도록 한다. 이를 위해서 본 발명은 배터리의 전압을 이용하여 시스템 사용전압을 발생시키기 위한 승압회로와, 아답터의 전압을 이용하여 시스템 사용전압을 발생시키기 위한 선형전압레귤레이터를 구비한다.

Description

고효율전원장치{High efficiency voltage device}

본 발명은 고효율전원장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리전원과 아답터전원을 이용하는 시스템에서 배터리의 사용 효율을 높일 수 있는 고효율전원장치에 관한 것이다.

일반적으로 노트북시스템과 같은 휴대기기는 두개의 전압원을 이용한다. 그 하나가 휴대용으로 이용되는 배터리이고, 다른 하나가 고정용으로 이용되는 아답터이다. 상기 배터리는 충전과 방전에 의하여 외부에서 전원을 입력하거나 노트북시스템으로 전원을 공급한다. 상기 아답터는, 외부교류전원을 입력하여 노트북시스템에서 필요로 하는 전압을 발생하며, 상기 발생된 전압에 의하여 상기 배터리를 충전시킴과 동시에 노트북시스템 사용전원을 공급하게 된다.

한편, 상기 배터리와 아답터는 노트북시스템에서 꼭 필요로 하는 크기의 전압을 발생하는 것이 아니다. 배터리의 경우, 배터리 내부 사양에 따라서 발생되는 전압의 크기가 달라진다. 일 예로, 많이 사용되고 있는 리듐이온 배터리의 경우, 리듐이온의 셀(cell)당 전압은 3볼트~4.2볼트이고 가장 많이 사용하는 배터리 팩으로는 3S2P(3개 직렬,2개 병렬)로 출력전압의 범위가 9볼트~12.6볼트이다.

이와 같은 배터리의 출력전압을 이용하여 노트북시스템의 운영에 필요한 12볼트 출력전압을 만들기 위해서는, 배터리의 출력전압이 9볼트~12볼트까지는 승압(step up)시키는 전원구조를 형성해야 하고, 배터리의 출력전압이 12볼트~12.6볼트에서는 강압(step down)시켜는 전원구조를 형성해야 한다.

또한, 아답터는 배터리를 충전하기도 하면서 노트북시스템의 입력전압원으로 이용되기 때문에 시스템 사용전원 보다 높은 크기의 전압을 발생하는데, 보통 16볼트 이상의 출력전압을 발생시킨다. 따라서 아답터를 노트북시스템의 입력전압원으로 사용할 때에는 16볼트를 12볼트로 강압(step down)시키는 전원구조를 형성해야 한다.

즉, 배터리의 출력전압과 아답터의 출력전압을 이용하여 노트북시스템 운영에 필요한 12볼트 출력전압을 만들기 위해서는 입력전압원에 따른 적절한 전원구조를 형성할 필요가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 종래는 입력전압원이 배터리이든지 아답터이든지 상관없이 두번의 에너지 변환을 하는 방법으로 시스템 운영에 필요한 12볼트 전압을 발생하였다. 먼저 입력전압을 5볼트로 강압한 후, 다시 12볼트로 승압시키는 전원구조 방법이다.

이와 같은 에너지 변환방법을 도 1에 도시하고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 노트북시스템의 전원장치의 블록도이다.

종래의 노트북시스템은, 교류 아답터(3)(AC-Adapter)를 이용한 전압원과 배터리(9)를 이용한 전압원을 선택적으로 이용하고 있다. 상기 아답터(3) 또는 배터리(9)의 선택은 스위치(6)에 의해서 이루어진다. 상기 아답터(3)는 시스템 사양에 필요한 전압보다 높은 전압을 출력하여, 시스템으로 전원공급함과 동시에 배터리(9)를 충전시키는 동작을 수행한다. 상기 배터리(9)는 시스템의 사양에 필요한 전압보다 높거나 또는 낮은 전압을 출력한다.

상기 배터리(9) 또는 아답터(3)에서 출력되는 전압은 감압회로(12)에 입력되고, 시스템에 필요한 전압을 발생시키기 위한 일차적인 에너지 변환으로 감압이 이루어진다.

상기 감압회로(12)의 상세한 구성은 도 2에 도시되고 있다.

상기 감압회로(12)는, 제 1 전원입력단(24)(Vin)과 제 2 전원입력단(27)(GND) 사이에 캐패시터(C1)를 연결하고 있다. 그리고 상기 제 1 전원입력단(24)에 스위치(SW1)를 통해서 인덕터(L1)와 저항(R1)을 직렬 연결하고 있고, 상기 저항(R1)에 병렬로 캐패시터(C2)를 연결하고 있다.

또한, 상기 감압회로(12)는, 상기 스위치(SW1)와 제 2 전원입력단(27) 사이에 또 하나의 스위치(SW2)를 연결하고 있으며, 상기 두개의 스위치(SW1,SW2)의 동작을 제어하는 제 1 컨트롤러(Controller-1)(18)를 포함하고 있다. 상기 제 1 컨트롤러(18)는, 제 1 전원입력단(24)과 제 2 전원입력단(27) 사이에 접속되며, 상기 스위치(SW1,SW2)의 온/오프 동작시간을 제어하여, 적절한 크기로의 감압이 이루어지도록 제어한다.

따라서 상기 감압회로(12)의 입력전압의 에너지 변환은 상기 인덕터(L1)과 저항(R1) 그리고 캐패시터(C2)에 의해서 결정되는 시상수에 의해서 이루어지며, 상기 RC 시상수에 의하여 5볼트의 전압을 발생시킨다.

상기 감압회로(12)의 출력은 승압회로(15)에 입력되며, 상기 승압회로(15)에서 시스템에 필요한 12볼트 전압을 발생시키기 위한 이차적인 에너지 변환이 수행된다.

상기 승압회로(15)의 상세한 구성은 도 2에 도시하고 있다.

상기 승압회로(15)는, 상기 감압회로(12)의 출력단(30)과 제 2 전원입력단(27) 사이에 캐패시터(C3)를 연결하고 있다. 그리고 감압회로(12)의 출력단(30)에 인덕터(L2)를 연결하고 있고, 상기 인덕터(L2)를 통해서 두개의 스위치(SW4,SW5)를 병렬 연결하고 있다.

또한, 상기 승압회로(15)는, 상기 두개의 스위치(SW3,SW4)의 동작을 제어하는 제 2 컨트롤러(Controller-2)(21)를 포함하고 있다. 상기 제 2 컨트롤러(21)는, 상기 감압회로(12)의 출력전압을 적정 크기로 승압시키기 위하여 상기 스위치(SW3,SW4)의 온/오프 동작시간을 제어한다.

그리고 상기 인덕터(L2)에 캐패시터(C4)가 병렬 연결되고 있다. 따라서 상기 승압회로(15)는 상기 인덕터(L2)과 캐패시터(C4)에 의해서 결정된 시상수에 의하여 출력전압이 결정된다.

다음은 상기 구성으로 이루어진 종래 노트북시스템에서 시스템 사양에 따른 필요한 크기의 전압을 발생하는 과정에 대해서 설명한다.

앞서 언급한 바와 같이, 3S2P(3개 직렬, 2개 병렬) 구성의 배터리(9)는 일반적으로 9볼트~12.6볼트의 전압을 발생한다. 그리고 아답터(3)의 경우 보통 16볼트의 전압을 발생한다.

이와 같은 크기의 상기 배터리(9)의 출력전압 및 아답터(3)의 출력전압은 모두 감압회로(12)에서 발생하는 5볼트의 전압보다 높기 때문에, 상기 감압회로(12)는 입력전압을 감압시키는 동작을 수행한다.

즉, 제 1 컨트롤러(18)는 상기 입력단자(24,27)의 입력전압이 교류-아답터(3) 전원이든지 또는 배터리(9) 전압이든지 간에 상기 스위치(SW1)를 온시켜서 캐패시터(C2)에 충전시키고, 상기 캐패시터(C2)의 충전이 완료되었을때 상기 스위치(SW1)를 오프시킴과 동시에 스위치(SW2)를 온시켜서 캐패시터(C2)의 충전전압을 방전시킨다. 따라서 상기 스위치(SW2)가 온 동작 상태일때, 상기 스위치(SW2)와 인덕터(L1), 저항(R1) 그리고 캐패시터(C2)로 연결되는 폐루프가 형성되어 상기 캐패시터(C2)에 충전된 전압이 방전된다.

이렇게 해서 상기 출력단자(30)로부터 출력되는 DC 전압은 5볼트이다. 즉, 입력전압이 16볼트 크기를 갖는 아답터 전원이든지 또는 9볼트 내지 12.6볼트 사이의 배터리전원이든지 상기 제 1 컨트롤러(18)는 두개의 스위치(SW1,SW2)의 온/오프시간을 제어해서 DC 5볼트를 발생해낸다.

상기 DC 5볼트는 승압회로(15)에 입력된다. 상기 승압회로(15)는 입력된 DC 5볼트를 12볼트로 승압시키는 기능을 담당한다. 이때, 제 2 컨트롤러(21)는 인덕터(L2)와 직렬 연결된 스위치(SW4)의 온시간을 제어해서 캐패시터(C4)에 전압을 충전시키고, 상기 인덕터(L2)와 병렬 연결된 스위치(SW3)의 온시간을 제어해서 캐패시터(C3)의 전압을 방전시킨다.

이때, 상기 인덕터(L2)와 캐패시터(C4)에 의해서 결정된 시상수가 상기 승압회로(15)의 출력전압을 결정하며, 이렇게 하여 노트북시스템에서 필요로 하는 12볼트의 전압이 발생된다.

즉, 종래의 노트북시스템은 12볼트의 시스템 전압을 발생하기 위해서 두번의 에너지 변환을 수행해야 하는 것이다. 우선 전압 감압에 의한 에너지 변환이 있어야 하고, 다시 전압 승압에 의한 에너지 변환을 수행해야 하였다. 이러한 에너지 변환 효율은 사용하는 전류량에 따라서 차이가 발생하지만, 전압 감압의 경우 최대 95%까지 얻을 수 있고, 전압 승압의 경우에는 최대 90%까지 얻을 수 있다.

그러나 종래의 노트북시스템에서 이용하는 두번의 에너지 변환 효율은 최대 80%정도이며, 결과적으로 종래의 전압제어는 입력전압원에 대한 전압사용 효율을 떨어뜨리는 문제점이 되었다.

특히, 노트북시스템과 같이 휴대용 장치에서 배터리를 입력전압원으로 사용하는 경우, 배터리 사용시간은 제품의 사용효율 측면에서 매우 크게 작용하기 때문에, 상기와 같은 문제점의 해결을 필요로 하게 된 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 배터리를 입력전압원으로 사용하는 경우, 한번의 에너지 변환으로 필요한 크기의 전압을 발생시킬 수 있는 고효율전원장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 노트북시스템의 전원장치의 블록도,

도 2는 종래 기술에 따른 노트북시스템의 전원장치의 상세도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 노트북시스템의 고효율전원장치의 블록도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 노트북시스템의 고효율전원장치의 상세도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

3,50 : 교류-아답터 9,56 : 배터리

12 : 감압회로 15,62 : 승압회로

18,21,65 : 컨트롤러 6 : 스위치

59 : 선형전압레귤레이터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율전원장치는, 입력전압원이 배터리인지 또는 아답터전원인지를 판별하기 위한 판별수단과; 상기 판별수단의 제어에 의해서 배터리를 입력전압원으로하여 시스템 사용전압을 발생하는 배터리전압변환수단과; 상기 판별수단의 제어에 의해서 아답터전원을 입력전압원으로하여 시스템 사용전압을 발생하는 아답터전압변환수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 배터리전압변환수단은, 입력전압이 시스템 사용전압보다 높을때, 바이패스 시키는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고효율전원장치에 대해서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 고효율전원장치의 블록도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고효율전원장치의 상세도이다.

본 발명의 고효율전원장치는, 교류 아답터(50)(AC-Adapter) 전원과, 배터리(56)(Li-ion 3S2P)와, 상기 교류 아답터 전원 또는 배터리의 전원을 입력하여 현재 전원을 인가하는 입력전압원을 판별하는 검출부(53)를 포함한다.

상기 검출부(53)는 도 4에 도시되고 있는 바와 같이, 배터리전압보다는 높고 교류 아답터전원보다는 작은 기준전압(51)을 설정하고, 입력전압을 기준전압과 비교하여 입력전압원을 판별하는 비교기(52)를 포함한다. 상기 검출부(53)는, 교류 아답터(50)와 배터리(56) 중에서 교류 아답터(50)에 우선하여 입력전압원을 설정하도록 한다.

또한, 본 발명은 상기 검출부(53)로부터 검출된 입력전압원이 교류 아답터일때 일정크기의 전압을 발생시키는 선형 전압 레귤레이터(Linear Voltage Regulator)(59)와, 배터리(56)가 입력전압원일때 전압을 승압시켜서 시스템에서 필요로 하는 전압을 발생시키는 승압회로(62)를 포함한다.

상기 승압회로(62)는, 도 4에 도시하고 있는 바와 같이, 배터리의 전압(9볼트 내지 12.6볼트 사이의 전압)을 입력하고 12볼트로 승압시키는 기능을 담당한다. 상기 승압회로(65)는, 배터리(56)에 캐패시터(C5)를 연결하고 있다. 상기 캐패시터(C5)를 통해서 인덕터(L3)를 연결하고 있고, 상기 인덕터(L3)를 통해서 두개의 스위치(SW5,SW6)를 병렬 연결하고 있다.

또한, 상기 승압회로(62)는, 상기 두개의 스위치(SW5,SW6)의 동작을 제어하는 제 3 컨트롤러(Controller-3)(65)를 포함하고 있다. 상기 제 3 컨트롤러(65)는, 상기 배터리(56)의 출력전압을 적정 크기로 승압시키기 위하여 상기 스위치(SW5,SW6)의 온/오프 동작시간을 제어한다. 상기 제 3 컨트롤러(65)는 상기 스위치(SW5,SW6)를 PWM 제어를 수행한다. 그리고 상기 스위치(SW5,SW6)는 PWM 제어가 가능한 스위칭소자이다. 일 예로 트랜지스터를 이용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 인덕터(L3)에 캐패시터(C6)가 병렬 연결되고 있다. 따라서 상기 승압회로(62)는 상기 인덕터(L3)과 캐패시터(C6)에 의해서 결정된 시상수에 의하여 출력전압이 결정된다.

다음은 상기 구성으로 이루어진 본 발명의 고효율전원장치의 동작과정에 대해서 설명한다.

교류-아답터(50)가 연결된 상태일때, 상기 비교기(52)는 상기 교류-아답터 전원을 기준전압(51)과 비교하여, 그 차에 대한 신호를 출력한다. 이때, 상기 비교기(52)에 입력된 전압은 기준전압보다 크기 때문에, 하이상태의 신호로 출력된다. 상기 하이신호는 선형 전압 레귤레이터(59)에 인에이블신호로 인가되면서 상기 선형 전압 레귤레이터(59)를 동작시킨다.

상기 선형 전압 레귤레이터(59)는, 상기 교류-아답터 전원을 입력하고, 12볼트의 전압으로 조정하여 출력한다. 이렇게 출력되는 12볼트 전압은 출력단자를 통해서 시스템으로 공급된다.

한편, 배터리(56)가 연결된 상태일 때, 상기 비교기(52)에 입력되는 전압은 기준전압(51)보다 작은 상태가 된다. 따라서 상기 비교기(52)는 로우신호를 출력하고, 이 신호에 의해서 상기 선형 전압 레귤레이터(59)는 디스에이블상태가 된다.

이때, 상기 배터리(56) 전압은 승압회로(62)에 인가된다. 상기 승압회로(62) 내에 포함되고 있는 제 3 컨트롤러(65)는, 배터리전압이 캐패시터(C6)에 충전될 수 있도록 스위치(SW5)의 온/오프 타임을 제어한다. 상기 스위치(SW5)의 온/오프 시간은 상기 제 3 컨트롤러(65)에 의해서 제어되면서 상기 캐패시터(C6)의 충전이 이루어진다. 상기 캐패시터(C6)의 충전시에 스위치(SW6)는 오프상태를 유지한다.

상기 캐패시터(C6)가 일정량만큼을 충전했을때, 상기 제 3 컨트롤러(65)는, 두개의 스위치(SW5,SW6)의 온/오프 동작을 제어하여, 캐패시터(C6)의 방전을 제어한다. 이때, 상기 스위치(SW6), 캐패시터(C6)로 연결되는 폐루프가 형성되면서 상기 캐패시터(C6)에 충전되어 있는 전하가 방전되어 시스템으로 전압이 공급된다. 이렇게 하여 상기 배터리(56)를 입력전압원으로 하여 시스템으로 공급되는 전압은 승압된 전압이 된다.

한편, 배터리(56)의 입력전압이 시스템 사용전압보다 높은 12볼트 내지 12.6볼트 사이일때, 상기 제 3 컨트롤러(65)는 상기 두개의 스위치(SW5,SW6)를 계속해서 온 상태로 제어하여, 상기 배터리(56)의 출력전압을 바이패스시킨다. 이때 출력 전류량에 따라서 스위치(SW6)의 온저항만큼 전압 강하가 생기면서, 상기 승압회로(62)는 12볼트의 5% 이내에서 전압을 출력하여 시스템의 운영에 전혀 지장을 주지 않게 된다.

즉, 본 발명은 입력전압원 판별을 위한 회로를 통해서 입력전압원인 배터리인 경우는 한번의 에너지 변환으로 고효율의 출력전압을 만든다. 그리고 입력전압원이 교류-아답터의 경우는 선형 전압 레귤레이터를 통해 고효율의 출력전압을 만든다. 따라서 본 발명은 입력전압과 출력 전류량에 따라서 다소 차이가 발생하지만, 최대 90% 이상의 에너지 변환 효율을 갖게 되며, 이것은 종래 두번의 에너지 변환에 의한 80%의 효율에 비해서 약 10%의 상승시키는 효과를 가져왔다.

결과적으로 본 발명은 배터리를 입력전압원으로 사용하는 경우, 배터리의 사용시간을 연장함과 동시에, 두번의 스위칭 레귤레이터 구성에 따른 스위칭 노이즈에 의한 시스템의 악영향도 제거될 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 교류-아답터 전압을 보장하기 위해서 DC/DC 변환회로의 소자들이 고 내압의 부품들을 사용해야 하고, 두번의 에너지 변환회로를 구비해야 하는 종래 회로에 비해서, 훨씬 간단한 회로 구성을 갖게 되므로서, 비용 절감, DC/DC 변환회로의 소형화 및 경량화를 이룰 수 있는 잇점이 있다.

Claims (2)

1. 입력전압원이 배터리인지 또는 아답터전원인지를 판별하기 위한 판별수단과;

   상기 판별수단의 제어에 의해서 배터리를 입력전압원으로하여 시스템 사용전압을 발생하는 배터리전압변환수단과;

   상기 판별수단의 제어에 의해서 아답터전원을 입력전압원으로하여 시스템 사용전압을 발생하는 아답터전압변환수단을 포함하여 구성되는 고효율전원장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 배터리전압변환수단은, 입력전압이 시스템 사용전압보다 높을때, 바이패스 시키는 것을 특징으로 하는 고효율전원장치.