KR20030064316A - 스위칭 전원 장치 - Google Patents

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KR20030064316A
KR20030064316A KR10-2003-0004540A KR20030004540A KR20030064316A KR 20030064316 A KR20030064316 A KR 20030064316A KR 20030004540 A KR20030004540 A KR 20030004540A KR 20030064316 A KR20030064316 A KR 20030064316A
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 과전류시에 1차 전류의 증가를 제한해서 트랜스포머의 자기(磁氣) 포화를 방지하여, 출력 전압이 저하하더라도 출력 전류의 증가를 억제하고, 출력 단락시는 출력 전력을 대폭으로 저감하여 단락 전류를 저감할 수 있는 신뢰성이 높은 과전류 보호회로를 구비한 자려 발진식의 스위칭 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 구성에 따르면, 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류를 검출하고, 전류값이 소정의 값에 도달하면 Tr2, Tr3를 연속해서 온시켜 전기 신호의 증대를 도모하여 제 1 스위치 소자(Q1)를 급속하게 턴 오프하는 피크 전류 제한회로와 출력 전압의 저하에 의해 온 시간을 단축하는 온 시간 제한회로를 형성하고, 출력 단락시에는 턴 온 지연 회로에 의해 기동과 정지를 반복하는 동작으로 하여 단락 전류를 저감하였다.

Description

스위칭 전원 장치{Switching power supply device}
본 발명은 스위칭 전원 장치, 특히, 과전류 보호회로를 구비한 자려 발진식의 스위칭 전원 장치에 관한 것이다.
종래의 과전류 보호회로를 구비한 스위칭 전원 장치로서는, 다음에 나타내는 것이 있었다.
(종래예 1)
일본국 특허출원 2001-273915호(스위칭 전원 장치)
도 14는, 상기 출원에 따른 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)의 직렬 회로에, 제 1 스위치 회로(S1)와 입력 전원(Vin)이 직렬로 접속되어 있다.
제 2 스위치 회로(S2)와 커패시터(C)의 직렬 회로가 상기 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 상기 인덕터(L)의 직렬 회로에 병렬로 접속되어 있다.
상기 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)에는 정류 소자(Ds)를 포함하는 정류 평활 회로가 형성되어 있다.
제 1 스위치 회로(S1)는 제 1 스위치 소자(Q1), 제 1 다이오드(D1), 및 제 1 커패시터(C1)의 병렬 접속 회로로 구성되며,
제 2 스위치 회로(S2)는 제 2 스위치 소자(Q2), 제 2 다이오드(D2), 및 제 2 커패시터(C2)의 병렬 접속 회로로 구성되어 있다.
상기 트랜스포머(T)에 형성된 제 1 구동 권선(T3)과 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이, 및 상기 트랜스포머(T)에 형성된 제 2 구동 권선(T4)과 제 2 스위치 소자(Q2)의 제어 단자 사이에는, 스위칭 제어회로가 접속되어 있다.
이 스위칭 제어회로는 제 1ㆍ제 2 스위치 소자(Q1, Q2)가 함께 오프되는 기간을 사이에 두고 번갈아 온/오프되도록 제어하고, 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 기간에 상기 1차 권선(T1)과 인덕터(L)에 에너지를 축적하며, 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 기간에 상기 2차 권선(T2)으로부터 에너지를 방출하고, 제 1 스위치 소자(Q1)와 제 2 스위치 소자(Q2)를 자려 발진시킨다.
상기의 구성에 있어서, 상기 인덕터(L)와 상기 커패시터(C)는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 기간에 있어서 공진하는 공진 회로를 구성하고,
상기 스위칭 제어회로는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온된 후, 소정 시간 경과후에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프시키는 시정수로 설정된 온 시간 제어회로와,
상기 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 온된 후, 상기 2차 권선으로부터의 에너지 방출이 끝나기 전에 상기 제 2 스위치 소자(Q2)와 상기 인덕터(L)의 직렬 회로에 흐르는 공진 전류를 차단하도록 상기 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프시키는 시정수로 설정된 제 2 온 시간 제어회로를 구비하고 있다. 이에 따라, 전류 연속 모드로 동작한다.
또한, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 직렬로 접속된 전류 검출 수단인 저항(R)을 구비하고, 상기 저항(R)에서 검출된 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 값이 문턱값이 되면 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간을 제한하는 과전류 보호회로(5)를 형성하고 있다.
상기 과전류 보호회로는 상기 트랜지스터(Tr2)를 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속하고, 상기 전류 검출 수단에 발생하는 전압을 저항을 통하여 트랜지스터(Tr2)의 제어 단자에 제공하며, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류가 소정의 값에 도달하면 트랜지스터(Tr2)의 제어 단자 전압이 문턱값에 도달하여, 상기 트랜지스터를 온하고, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프시켜서 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류값을 제한하도록 동작한다. 도 16은 출력 전압 저하에 따른 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(Id1) 파형을 나타낸다. 도 16과 같이, 출력 전압이 저하해 가더라도 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 시간은 거의 일정하고, 온 시간이 짧아지기 때문에, 스위칭 주파수는 높아져서 스위칭 손실이 증가함과 동시에, 출력 전류가 증대한다.
(종래예 2)
도 15는 종래의 링잉 쵸크 컨버터에 피크 전류 제한회로를 형성한 예이다. 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류가 소정의 전류가 되면, 트랜지스터(Tr4)가 온되고, 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 오프된다.
도 17은 출력 전압 저하에 따른 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(Id1) 파형을 나타낸다. 도 17과 같이, 출력 전압이 저하함에 따라 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 시간이 길어지고, 스위칭 주파수는 낮아지기 때문에 스위칭 손실의 증가는 억제되지만, 출력 전류는 증대한다.
상기의 종래예 1, 종래예 2의 스위칭 전원 장치에서는 이하의 결점이 있었다.
① 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류를 검출하여 검출 전압이 트랜지스터(Tr2)의 베이스ㆍ이미터(emitter) 사이 문턱 전압에 도달하고 나서, 트랜지스터(Tr2)를 온할 때까지의 지연 시간이 크다. 이 때문에, 온 시간을 짧은 시간까지 축소할 수 없으며, 2차 전류가 증대하여, 2차측 정류 다이오드 등이 파괴될 가능성이 있다.
이 요인은 검출 전압이 트랜지스터(Tr2)의 베이스ㆍ이미터 사이 문턱 전압에 도달하더라도, 즉시 트랜지스터(Tr2)를 온할 수 없기 때문이다. 트랜지스터(Tr2)를 온시키기 위해서는 충분한 베이스 전류가 필요하며, 이 베이스 전류를 확보하기까지의 시간이 지연 시간이 되어, 온 시간을 짧은 시간까지 축소할 수 없어, 출력 전력이 증가하기 때문이다. 또한, 트랜지스터(Tr2)에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)를오프하고자 하면 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류가 감소하여, 저항(R)의 양단 전압이 저하한다. 이 전압이 트랜지스터(Tr2)의 베이스ㆍ이미터 사이 문턱 전압 이하가 되면 트랜지스터(Tr2)는 온할 수 없게 되기 때문에, 온 속도가 급속히 감속한다. 트랜지스터(Tr2)의 온 속도가 늦어, 지연 시간이 길면, 제 1 스위치 소자(Q1)의 턴 오프 속도가 늦어져 스위칭 손실이 증가할 뿐만 아니라, 과전류시에 온 시간의 단축이 불가능하여, 출력 전압의 저하에 따른 출력 전류의 증가 이상으로 출력 전류가 증대한다. 출력 전류가 증대하면, 2차측 다이오드가 파괴되는 등의 문제를 발생시킨다. 이 때문에, 제 1 스위치 소자(Q1)를 급속하게 턴 오프시키는 것이 필수가 된다.
② 1차 피크 전류가 소정의 값으로 제한되면 출력 전력이 거의 일정하게 제한되어, 출력 전압이 저하함과 동시에 출력 전류가 증대하여, 2차측 정류 다이오드 등이 파괴될 가능성이 있다.
③ 출력 단락시에 있어서, 단락 전류가 증대하여, 2차측 정류 다이오드 등이 파괴될 가능성이 있다.
본 발명의 목적은 제 1 스위치 소자(Q1)를 제어하는 트랜지스터 회로의 구성을 고안하여, 1차 피크 전류가 소정의 전류에 도달하면, 제 1 스위치 소자(Q1)를 급속하게 턴 오프시켜 피크 전류를 억제하여 출력 전력을 제한하고, 출력 전류가 증가하여 출력 전압이 저하한 경우는 출력 전력을 감소시키며, 출력 단락시에 있어서도 단락 전류의 증가를 억제할 수 있는 과전류 보호회로를 구비한 자려 발진식의 스위칭 전원 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 2는 정격시(定格時)의 동작 파형도이다.
도 3은 출력 전압 전류 특성도이다.
도 4는 출력 전압 저하시의 전류(Id1) 파형도이다.
도 5는 출력 전압 저하시의 전류(Id1) 파형도이다.
도 6은 출력 전압 저하시의 Tr1의 베이스ㆍ이미터(emitter) 사이 전압 파형도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 11은 본 발명의 제 6 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 12는 본 발명의 제 7 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 13은 본 발명의 제 8 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 14는 종래예 1의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 15는 종래예 2의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 16은 종래예 1의 출력 전압 저하시의 전류(Id1) 파형도이다.
도 17은 종래예 2의 출력 전압 저하시의 전류(Id1) 파형도이다.
도 18은 종래예 1 및 2의 출력 전압 전류 특성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
Q1 : 제 1 스위치 소자Q2 : 제 2 스위치 소자
T : 트랜스포머 L : 인덕터
R : 저항Vin : 입력 전원
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 다음과 같이 구성한 것이다.
(1) 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 제 1 스위치 소자(Q1)와 전류 검출 수단(R)과 입력 전원(Vin)이 직렬로 접속되고, 상기 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)에 정류 평활 회로가 형성되며, 상기 트랜스포머(T)에 형성된 제 1 구동 권선(T3)에 접속되고, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 온/오프해서, 상기 스위치 소자(Q1)의 온 시간을 제어하여 출력 전압을 제어하는 스위칭 제어회로를 구비하며, 자려(自勵) 발진하는 스위칭 전원 장치에 있어서,
상기 스위칭 제어회로는, 상기 제 1 구동 권선(T3)에 발생한 전압에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되고 나서 시정수 회로에 의해 정해지는 소정의 시간후에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속된 제 1 스위치 수단을 온하여 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하도록 제어하고,
상기 시정수 회로에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)의 최대의 온 시간을 설정하는 온 시간 제한회로와,
상기 전류 검출 수단(R)에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류를 검출하고, 상기 전류가 소정의 피크 전류가 되면 온되는 제 2 스위치 수단과, 상기 제 2 스위치 수단이 온됨으로써 온되는 제 3 스위치 수단을 포함하며, 상기 제 3 스위치 수단을 상기 제 1 스위치 수단의 제어 단자 또는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속하여 상기 제 3 스위치 수단이 온됨으로써 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 피크 전류 제한회로로 이루어지는 과전류 보호회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자려 발진식의 스위칭 전원 장치를 전제로 하고 있다.
본 발명의 구성에서는, 피크 전류 제한회로에 있어서, 소정 크기의 피크 전류를 검출하면, 제 2 스위치 수단이 온되고, 또한 제 2 스위치 수단이 온됨으로써, 제 3 스위치 수단이 온된다. 제 3 스위치 수단이 온됨으로써, 제 1 스위치 수단을 온하여 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴 오프시킨다. 또는, 제 1 스위치 수단을 통하지 않고, 제 3 스위치 수단이 온됨으로써, 직접, 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴 오프시킨다.
이와 같이 구성함으로써, 소정 크기의 피크 전류를 검출하면, 제 2 스위치 수단 온→제 3 스위치 수단 온에 의해 전기 신호의 증대가 도모되어 제 1 스위치 수단이 온 또는 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 오프된다. 이 때문에, 소정 크기의 피크 전류를 검출했을 때에 급속하게 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴 오프할 수 있다.
(2) 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)의 직렬 회로에, 제 1 스위치 회로(S1)와 전류 검출 수단(R)과 입력 전원(Vin)이 직렬로 접속되고, 제 2 스위치 회로(S2)와 커패시터(C)의 직렬 회로의 한 단부가 상기 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)와의 직렬 회로와 제 1 스위치 회로(S1)의 접속점에 접속되며, 상기 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)에 정류 평활 회로가 형성되고, 제 1 스위치 회로(S1)를 제 1 스위치 소자(Q1), 제 1 다이오드(D1), 및 제 1 커패시터(C1)의 병렬 접속 회로로 구성하며, 제 2 스위치 회로(S2)를 제 2 스위치 소자(Q2), 제 2 다이오드(D2), 및 제 2 커패시터(C2)의 병렬 접속 회로로 구성하고, 상기 트랜스포머(T)는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 도통(導通)시키는 전압을 발생하는 제 1 구동 권선(T3)과, 상기 제 2 스위치 소자(Q2)를 도통시키는 전압을 발생하는 제 2 구동 권선(T4)을 가지며, 제 1ㆍ제 2 스위치 소자(Q1ㆍQ2)를 양 스위치 소자가 함께 오프되는 기간을 사이에 두고 번갈아 온/오프하는 스위칭 제어회로를 구비하고, 자려 발진하는 스위칭 전원 장치에 있어서, 상기 (1)과 동일한 구성을 구비하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 스위칭 제어회로는, 상기 제 1 구동 권선(T3)에 발생한 전압에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되고 나서 시정수 회로에 의해 정해지는 소정의 시간후에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속된 제 1 스위치 수단을 온하여 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하도록 제어하고,
상기 시정수 회로에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)의 최대의 온 시간을 설정하는 온 시간 제한회로와,
상기 전류 검출 수단(R)에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류를 검출하고, 상기 전류가 소정의 피크 전류가 되면 온되는 제 2 스위치 수단과, 상기 제 2 스위치 수단이 온됨으로써 온되는 제 3 스위치 수단을 포함하며, 상기 제 3 스위치 수단을 상기 제 1 스위치 수단의 제어 단자 또는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속하여 상기 제 3 스위치 수단이 온됨으로써 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 피크 전류 제한회로로 이루어지는 과전류 보호회로를 2석(2石)의 자려 발진식의 스위칭 전원 장치에 있어서 구비한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성함으로써, 소정 크기의 피크 전류를 검출하면, 제 2 스위치 수단 온→제 3 스위치 수단 온에 의해 전기 신호의 증대가 도모되어 제 1 스위치 수단이 온 또는 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 오프된다. 이 때문에, 소정 크기의 피크 전류를 검출했을 때에 급속하게 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴 오프할 수 있다. 2석의 자려 발진식의 스위칭 전원 장치에 있어서는, 피크 전류값을 제한하여, 출력 전력을 제한하면, 출력 전압의 저하와 함께 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간이 짧아지고, 오프 시간은 거의 일정하기 때문에 스위칭 주파수는 높아져서 출력 전력이 증가하고, 출력 전류가 증대하므로, 피크 전류를 검출하여 급속하게 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴 오프하는 것은 출력 전류 증대의 억제, 스위칭 손실 증가의 억제를 위하여 특히 중요해진다.
(3) 상기 제 1 스위치 수단을 트랜지스터로 구성하고, 상기 트랜지스터의 제어 단자에 상기 시정수 회로를 구성하는 임피던스 회로와 충방전되는 커패시터가 접속된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 제 1 스위치 수단을 트랜지스터로 구성함으로써, 커패시터의 충전 전압과 트랜지스터의 문턱값(베이스－이미터 사이 전압 : 약 0.6V)을 비교할 수 있다. 이에 따라, 간단한 구성으로 부품수를 삭감하고, 스위칭 전원 장치의 저비용화 및 소형 경량화에 기여한다.
(4) 상기 임피던스 회로에 임피던스를 변화시키는 포토 커플러(photo coupler)를 사용하고, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간을 제어하여 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
(5) 상기 임피던스 회로는 출력 전압이 저하함에 따라 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 상기 최대의 온 시간을 단축하도록 상기 충방전 커패시터의 충전시의 임피던스와 방전시의 임피던스를 설정한 것을 특징으로 한다.
충방전 커패시터의 충전 시간은, 충전과 방전의 사이클을 반복하기 때문에 입출력 전압과 부하 전류가 변화하지 않는 정상 상태에서는 일정하다. 그러나, 출력 전압이 저하해 가면, 커패시터의 충전 전하를 완전히 방전할 수 없게 되어, 충전 시간이 짧아져 간다. 그 결과, 제 1 스위치 수단의 온 타이밍이 빨라지며, 제 1 스위치 소자(Q1)의 최대 온 시간이 단축된다. 이에 따라, 출력 전력은 저감되어 출력 전류를 감소시킬 수 있다.
(6) 상기 스위칭 제어회로는 상기 제 1 구동 권선(T3)과 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자 사이에 저항 또는 저항과 커패시터의 직렬 회로로 이루어지는 지연 회로를 구비하고,
상기 출력 전압이 저하되어 소정의 전압 이하가 되면 상기 지연 회로의 임피던스에 의해, 제 1 구동 권선에 발생한 전압에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되는 것을 방해하여, 기동과 정지를 반복하는 동작 모드가 되도록 상기 지연 회로의 임피던스를 설정한 것을 특징으로 한다.
지연 회로는 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생했을 때부터, 일정 시간을 지연시켜 상기 전압을 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 인가하는데, 출력 전압이 소정의 전압 이하로까지 저하되면, 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 플라이백 전압이 저하하여, 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되는 것이 방해된다. 즉, 지연 회로의임피던스와 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이의 임피던스로 플라이백 전압이 분압되기 때문에, 플라이백 전압의 저하에 의해, 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이의 전압이 문턱값에 도달하지 않게 되고, 제 1 구동 권선(T3)에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)는 턴 온되지 않게 되어, 발진 정지하게 된다. 그 후, 기동 저항에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되어 기동하고, 또한 정지 상태가 된다. 이와 같이 기동과 정지를 반복하는 발진 모드가 되어, 연속 발진시의 주기에 비교하여 기동 시간이 충분히 길기 때문에, 출력 전력이 충분히 작게 제한되어, 과전류시 및 출력 단락시에 있어서 출력 전류를 충분히 작게 저감할 수 있다.
(7) 상기 제 3 스위치 수단을 상기 임피던스 회로에 병렬로 접속하고, 상기 피크 전류가 소정의 피크 전류가 되면 제 2 스위치 수단을 온하고, 계속해서 상기 제 3 스위치 수단을 온하여 상기 임피던스 회로의 임피던스를 작게 해서 상기 제 1 스위치 수단을 온하여 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 피크 전류가 소정의 피크 전류가 되면, 제 2 스위치 수단을 온→제 3 스위치 수단을 온→제 1 스위치 수단을 온→제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하게 된다. 이 때, 제 3 스위치 수단은 제 2 스위치 수단의 온에 의해 흐르는 전기 신호에 의해 구동된다. 이 때문에, 제 3 스위치 수단이 온되기까지의 시간이 빨라져서, 급속하게 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프할 수 있다. 또한, 온 시간 제한회로에 의한 동작과 피크 전류 제한회로에 의한 동작을 연속적으로 도약하지 않고 전환하는 것이 가능해진다.
(8) 상기 피크 전류 제한회로는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 온 기간에 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 입력 전압에 실질적으로 비례한 전압을 저항과 다이오드를 통하여 상기 제 2 스위치 수단의 제어 단자에 입력하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
입력 전압이 변동한 경우, 피크 전류값이 동일하면, 입력 전압이 높을수록 과전류점은 커진다. 그래서, 제 1 구동 권선에 발생하는, 입력 전압에 비례한 전압을 저항과 다이오드를 통하여 제 3 스위치 수단의 제어 단자에 입력함으로써, 입력 전압이 높은 경우에만 과전류점을 작게 하여, 입력 변동에 있어서의 과전류점의 변동을 억제할 수 있다. 즉, 입력 전압이 높을 때에는 제 3 스위치 수단은 보다 빨리 온되게 된다. 이에 따라, 스위칭 전원 장치의 소형 경량화에 기여한다.
(9) 상기 피크 전류 제한회로는 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류가 증가함에 따라 증가하는 제 1 전기 신호와 출력 전압이 저하함에 따라 증가하는 제 2 전기 신호의 합을 상기 제 2 스위치 수단의 제어 단자에 입력하고, 이 전기 신호의 증가에 따라 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간을 단축하는 것을 특징으로 한다.
출력 전압이 저하하면, 제 2 스위치 수단의 제어 단자에 입력하는 전기 신호의 합이 증가하기 때문에, 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간이 보다 단축되어서 출력 전력이 저감되어 출력 전류를 작게 저감할 수 있다.
(10) 상기 제 2 전기 신호는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 기간에 상기 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 플라이백 전압을 다이오드와 커패시터에 의해 정류평활하고, 상기 커패시터의 마이너스 전위와 상기 제 1 구동 권선(T3)의 플러스 전위를 저항 또는 저항과 제너 다이오드에 의해 분압하며, 분압 전압을 다이오드를 통하여 상기 제 2 스위치 수단의 제어 단자에 입력하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에서 제너 다이오드나 분압 저항을 소정의 값으로 설정함으로써, 출력 전류에 대한 출력 전압의 변화를 나타내는 과전류 특성 곡선을 임의의 형태로 할 수 있다. 즉, 과전류에 의해 출력 전압이 저하되어, 제 2 전기 신호를 증가시키기 시작하는 출력 전압을 설정하고, 전기 신호량을 조정한다. 출력 전압의 변동에 대한 제 2 전기 신호의 증가량을 크게 하면, 출력 전압이 저하함과 동시에 출력 전력이 감소하는 "フ자" 특성이 되고, 제 2 전기 신호의 증가량을 감소시키면, 출력 전압이 저하하더라도 출력 전력이 거의 일정해지는 "ヘ자" 특성이 되며, 이들의 중간으로 함으로써, 출력 전압이 저하하더라도, 출력 전류가 변화하지 않는 수하(垂下) 특성으로 할 수 있다.
(11) 상기 스위칭 제어회로는 상기 제 2 구동 권선(T4)에 발생한 전압에 의해 상기 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 온되고 나서, 시정수 회로에 의해 정해지는 소정의 시간후에 상기 제 2 스위치 소자(Q2)의 제어 단자에 접속된 제 4 스위치 수단을 온하여 상기 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프하도록 제어하는 제 2 온 시간 제어회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 (2)의 2석식의 자려 발진 스위칭 전원 장치에 있어서, 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프하는 제어 회로를 한정한 것이다. 본 발명에서는, 제 2스위치 소자(Q2)의 턴 오프 타이밍을 시정수 회로에 의해 결정하고 있기 때문에, IC 등을 사용하여 제어하지 않고 간단한 구성으로 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간을 제어할 수 있다.
(12) 상기 제 4 스위치 수단을 트랜지스터로 구성하고, 상기 트랜지스터의 제어 단자에 시정수 회로를 구성하는 임피던스 회로와 충방전되는 커패시터가 접속된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 적은 부품수의 간단한 구성으로 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간을 제어할 수 있다.
(13) 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간에 상기 1차 권선(T1)에 축적된 에너지를, 오프 기간에 상기 2차 권선(T2)으로부터 방출하여 출력을 얻는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플라이백형의 스위칭 전원 장치인 것을 한정한 것이다.
(14) 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간에 상기 1차 권선(T1)에 축적된 에너지를, 오프 기간에 상기 2차 권선(T2)으로부터 다 방출하기 전에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 온하도록, 상기 제 2 온 시간 제어회로의 시정수를 설정하여, 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형이 사다리꼴파가 되는 전류 연속 모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 제 2 온 시간 제어회로는, 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 온된 후, 2차 권선으로부터의 에너지 방출이 끝나기 전에 상기 제 2 스위치 소자(Q2)와 인덕터(L)의 직렬 회로에 흐르는 공진 전류를 강제적으로 차단시킨다. 즉, 제 2 온시간 제어회로는 이와 같은 동작을 행하도록 소정의 시정수로 설정되어 있다.
이와 같은 제 2 온 시간 제어회로에 따르면, 2차 권선으로부터의 에너지 방출이 끝나기 전에 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프하여 인덕터(L)에 흐르는 전류를 차단하기 때문에, 이 전류의 변화에 의해 1차 권선의 전압이 반전되고, 이에 따라서 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하여 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온된다. 이에 따라, 자려 발진 동작을 행함과 동시에, 트랜스포머(T)의 2차측에 전류가 흐른 후, 휴지 기간을 두지 않고 전류가 1차측에 연속해서 흐르는 연속 동작 모드가 되어, 상기 1차측의 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형을 사다리꼴파로 할 수 있다. 즉, 중부하시에 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형이 사다리꼴파가 되는 전류 연속 모드로 동작하게 되기 때문에, 트랜스포머(T) 및 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 피크값 및 실효 전류를 저감할 수 있으며, 트랜스포머의 동손(銅損), 스위치 소자(Q1)의 도통(導通) 손실을 저감하고, 스위칭 전원 장치의 소형 경량화 및 고효율화를 도모할 수 있다.
(15) 상기 스위칭 제어회로는 상기 출력 전압이 저하하면, 상기 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간이 길어지도록 상기 제 2 온 시간 제어회로의 시정수를 설정하고, 상기 1차 권선(T1)에 축적된 에너지를, 오프 기간에 상기 2차 권선(T2)으로부터 다 방출한 후에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 온하여 자려 발진시키며, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형이 삼각파가 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 피크 전류 제한회로는 전류 파형이 사다리꼴파가 아니라 삼각파가 되는 경우에도 적용 가능하다. 전류 파형이 삼각파인 경우는, 에너지 방출기간으로 오프 시간이 정해짐으로써, 피크 전류 제한회로가 동작을 개시한 시점으로부터 출력 전압 저하와 함께 스위칭 주파수는 낮아진다. 이와 같이 스위칭 주파수가 저하하는 경우는, 스위칭 주파수가 상승하는 경우에 비교하여 출력 전력의 증가는 없고 출력 전력은 감소하기 때문에 출력 전류의 증가는 발생하기 어려우나, 보다 급속하게 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프함으로써 스위칭 손실을 저감할 수 있으며, 온 시간을 정확하게 단축할 수 있다.
(16) 상기 제 1 및 제 2 스위치 소자 중 적어도 어느 한쪽을 전계 효과 트랜지스터로 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 전계 효과 트랜지스터의 기생 용량을 커패시터(C1) 또는 커패시터(C2)로서 사용할 수 있으며, 또한, 전계 효과 트랜지스터의 기생 다이오드를 다이오드(D1) 또는 다이오드(D2)로서 사용할 수 있다. 이에 따라, 부품수를 삭감하여 스위칭 전원 장치의 저비용화와 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(17) 상기 트랜스포머(T)가 갖는 누설 인덕터에 의해 상기 인덕터(L)를 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 인덕터(L)로서 트랜스포머(T)가 갖는 누설 인덕터를 사용하기 때문에, 부품수를 삭감하여, 스위칭 전원 장치의 저비용화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
<발명의 실시형태>
도 1은 본 발명의 실시형태인 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
트랜스포머(T)의 1차측에서는, 그 1차 권선(T1)과 인덕터(L)의 직렬 회로에,제 1 스위치 회로(S1)와 입력 전원(Vin)이 직렬로 접속됨과 동시에, 제 2 스위치 회로(S2)와 커패시터(C)의 직렬 회로는 상기 1차 권선(T1)과 인덕터(L)의 직렬 회로에 병렬로 접속되어 있다. 또한, 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)에는 정류 소자(Ds)를 포함하는 정류 평활 회로가 접속되어 있다.
제 1 스위치 회로(S1)는 제 1 스위치 소자(Q1), 제 1 다이오드(D1), 제 1 커패시터(C1)의 병렬 접속 회로로 구성되어 있다. 제 2 스위치 회로(S2)는 제 2 스위치 소자(Q2), 제 2 다이오드(D2), 제 2 커패시터(C2)의 병렬 접속 회로로 구성되어 있다.
트랜스포머(T)에는, 제 1 구동 권선(T3)과 제 2 구동 권선(T4)이 형성되고, 제 1 구동 권선(T3)과 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이에는 제 1 스위칭 제어회로가 접속되며, 제 2 구동 권선(T4)과 제 2 스위치 소자(Q2)의 제어 단자 사이에는 제 2 스위칭 제어회로가 형성되어 있다. 이 제 1 및 제 2 스위칭 제어회로로 본 발명의 스위칭 제어회로를 구성한다. 이 제 1 및 제 2 스위칭 제어회로는 제 1ㆍ제 2 스위치 소자(Q1, Q2)가 함께 오프되는 기간을 사이에 두고 번갈아 온/오프되도록 상기 스위치 소자를 제어하고, 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 기간에 1차 권선(T1)과 인덕터(L)에 에너지를 축적하며, 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 기간에 2차 권선(T2)으로부터 에너지를 방출하고, 제 1 스위치 소자(Q1)와 제 2 스위치 소자(Q2)를 자려 발진시킨다.
상기 제 1 스위칭 제어회로는 지연 회로(1)와 온 시간 제어회로(2)로 구성된다. 온 시간 제어회로(2)는 후술하는 바와 같이 과전류 보호회로의 일부를 구성한다.
지연 회로(1)는 저항(R4)과 커패시터(C3)의 직렬 회로로 이루어지며, 제 1 구동 권선(T3)에 발생한 전압을 지연하여 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 인가한다. 이 지연 회로(1)에 설정되는 지연 시간은 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하고 나서, 오프 상태에 있는 제 1 스위치 소자(Q1)의 양단에 인가되어 있는 커패시터(C1)의 충전 전하가 방전되어 영(zero)전압으로 저하할 때까지의 시간, 또는 영전압 부근으로 저하할 때까지의 시간으로 설정된다. 이에 따라, 제 1 스위치 소자(Q1)는 그 양단에 인가되는 전압이 영전압 또는 영전압 부근까지 저하하고 나서 턴 온되게 된다.
상기 온 시간 제어회로(2)는 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자와 입력 전원(Vin)의 기준 전위(부극(負極)) 단자 사이에 접속되는 제 1 스위치 수단인 트랜지스터(Tr1)와, 이 트랜지스터(Tr1)의 제어 단자에 접속되는, 저항(R2)과, 저항(R3)과 포토 커플러(PC)의 포토 트랜지스터와의 직렬 회로와, 커패시터(C4)로 이루어지는 시정수 회로를 구비하며, 트랜지스터(Tr1)는 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속되어 있다. 저항(R2)과 커패시터(C4)의 직렬 회로는 제 1 구동 권선(T3)에 접속되고, 과전류시에는 저항(R2)에 흐르는 전류에 의해 커패시터(C4)를 충전하며, 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하고 나서, 소정의 시간후에 트랜지스터(Tr1)를 온하여, 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프시킨다. 또한, 상기 포토 트랜지스터와 저항(R3)의 직렬 회로는, 후술하는 출력 전압 검출회로로부터의 신호에 기초하여 트랜지스터(Tr1)의 온 시간을 제어하고, 출력 전압(Vo)의 안정화를 도모한다.
상기 제 2 스위칭 제어회로는 지연 회로(3)와 제 2 온 시간 제어회로(4)로 구성된다.
지연 회로(3)는 제 2 구동 권선(T4)에 발생한 전압을 지연하여 제 2 스위치 소자(Q2)의 제어 단자에 인가한다. 이 지연 회로(3)의 지연 시간은 상기 지연 회로(1)와 마찬가지로, 제 2 구동 권선(T4)에 전압이 발생하고 나서, 제 2 스위치 소자(Q2)의 양단에 인가되는 전압이 영전압 또는 영전압 부근으로 저하할 때까지의 시간으로 설정된다. 이에 따라, 제 2 스위치 소자(Q2)도 영전압 스위칭을 행한다. 또한, 제 2 온 시간 제어회로(4)는 제 2 스위치 소자(Q2)의 제어 단자에 접속되는 제 4 스위치 수단인 트랜지스터(Tr11)와, 이 트랜지스터(Tr11)의 제어 단자에 접속되며, 저항(R13)과 커패시터(C12)로 이루어지는 시정수 회로를 구비하고 있다. 저항(R13)과 커패시터(C12)의 시정수 회로는 제 2 구동 권선(T4)의 전압이 발생하고 나서, 소정의 시간후에 트랜지스터(Tr11)를 온하고, 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프한다. 또한, 이 저항(R13)과 커패시터(C12)의 직렬 회로로 이루어지는 시정수 회로는, 상술한 바와 같이, 제 2 구동 권선(T4)에 전압이 발생하여 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 온된 후, 2차 권선(T2)으로부터의 에너지 방출이 끝나기 전에 상기 제 2 스위치 소자(Q2)와 인덕터(L)의 직렬 회로에 흐르는 전류를 강제적으로 차단해서 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프시키도록 시정수가 설정되어 있다. 이에 따라, 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 오프되면, 이어서 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 온할 수 있고, 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(Id1)는 사다리꼴 파형이 된다.
상기 제 1 스위치 소자(Q1)에는, 상기 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(Id1)의 크기를 검출하는 전류 검출 수단인 저항(R)을 포함하는 피크 전류 제한회로(5)가 접속되어 있다. 피크 전류 제한회로(5)는 상기 전류(Id1)의 크기를 검출하는 저항(R)과, 이 저항(R)의 양단 전압이, 저항(R6)을 통하여 베이스 단자에 입력되는 제 2 스위치 수단인 트랜지스터(Tr2)와, 트랜지스터(Tr2)의 컬렉터 전류가 베이스 전류로서 공급되는 제 3 스위치 수단인 트랜지스터(Tr3)와, 트랜지스터(Tr3)의 컬렉터 전류가 베이스 전류로서 공급되는 제 1 스위치 수단인 트랜지스터(Tr1)를 구비하고 있다.
이 피크 전류 제한회로(5)는 저항(R)에 흐르는 전류(Id1)의 크기에 대응한 전압을 저항(R6)과 저항(R7)으로 분압해서 트랜지스터(Tr2)의 베이스-이미터 사이에 공급하며, 이 전압이 문턱값 Vbe(약 0.6V)를 초과했을 때에 트랜지스터(Tr2)가 온되고, 트랜지스터(Tr3)가 온되며, 또한, 트랜지스터(Tr1)가 온되어 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 오프된다. 이에 따라, 1차 권선(T1) 및 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 피크값(Idp)을 소정의 값으로 제한하고, 과전류에 의한 트랜스포머의 자기 포화를 방지할 수 있다.
여기에서, 제 1 스위치 소자(Q1)인 FET Q1의 게이트ㆍ소스 사이에 접속된 트랜지스터(Tr1)를 온해서 전압을 방전하여 FET Q1을 턴 오프시키는데 필요한 트랜지스터(Tr1)의 컬렉터 전류를 Ic라고 하고, 트랜지스터(Tr1, Tr2, Tr3)의 증폭율을 각각 α1, α2, α3라고 하면 트랜지스터(Tr2)를 온시키기 위한 필요한 베이스 전류(Ib)는 누설 전류 등을 무시하면 이하의 식으로 표시된다.
Ib＝Ic/(α1×α2×α3)…①
이에 반하여, 도 14에 나타내는 종래 회로에서는 이하의 식으로 표시된다.
Ib＝Ic/α2…②
식 ①과 식 ②의 비교로부터, 식 ①의 경우가 적은 베이스 전류(Ib)로 트랜지스터(Tr1)를 온하여 FET Q1을 턴 오프할 수 있기 때문에, 피크 전류를 검출해서 트랜지스터(Tr2)의 베이스 이미터 사이 전압이 문턱 전압에 도달하고 나서 FET Q1을 턴 오프할 때까지의 지연 시간이 짧아, 급속하게 FET Q1을 턴 오프할 수 있다.
또한, 과전류시에는, 저항(R2)과 커패시터(C4)를 구비한 시정수 회로를 포함하는 온 시간 제한회로(2)에 의해서도 과전류 보호를 행한다. 후술하는 바와 같이, 출력 전압이 안정화되어 있는 동작 모드로부터, 2차 권선(T2)으로부터의 출력 전류(Io)가 증대하여 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(Id1)의 전류 피크값이 일정 이상으로 커지면, 피크 전류 제한회로(5)가 동작하여 전류 피크값이 제한되지만, 출력 전류(Io)가 더욱 증가하려고 하면, 출력 전력을 일정하게 유지한 채 출력 전압이 저하하는 동작이 된다. 이 때, 온 시간 제한회로(2)의 상기 시정수 회로는 출력 전압의 저하에 따라 트랜지스터(Tr1)의 온 타이밍을 빠르게 하고, 이에 따라, 제 1 스위치 소자(Q1)의 최대 온 시간을 짧아지도록 제어한다.
또한 출력 전압이 저하하면, 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 플라이백 전압이 저하하고, 플라이백 전압이 지연 회로의 임피던스와 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이의 임피던스로 분압되어, 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이의 전압이 문턱값에 도달하지 않게 되며, 제 1 구동 권선(T3)에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)는 턴 온되지 않고 발진 정지하게 된다. 그 후, 기동 저항에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)가 다시 턴 온되어 기동하고, 또한 정지 상태가 된다. 이와 같이 기동과 정지를 반복하는 발진 모드가 되어, 연속 발진시의 주기에 비교하여 기동 시간이 충분히 길기 때문에, 출력 전력이 충분히 작게 제한되어, 출력 단락시에 있어서도 단락 전류를 충분히 작게 저감할 수 있다.
따라서, 과전류시에 있어서는, 첫번째로, 피크 전류 제한회로(5)에 의해 전류 피크값이 제한되어, 출력 전력을 제한해서 트랜스포머의 자기 포화를 방지하고, 두번째로, 온 시간 제한회로(2)에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)의 최대 온 시간이 단축되어, 출력 전력을 저감해서 출력 전류의 증가를 억제하며, 그리고 세번째로, 턴 온 지연 회로에 의해, 기동과 정지를 반복하는 동작 모드로 하여, 출력 전력을 대폭으로 저감해서 단락 전류를 저감할 수 있다.
또한, 피크 전류 제한회로(5)에는, 과전류 보호시의 입력 전압 보정회로(6)가 접속되어 있다. 본 발명에서는, 이 입력 보정회로(6)도 과전류 보호회로의 일부가 된다. 입력 보정회로(6)는 제 1 구동 권선(T3)과, 피크 전류 제한회로(5)의 트랜지스터(Tr2)의 베이스 단자 사이에 접속된 것으로, 다이오드(D4), 제너 다이오드(D5) 및 저항(R8)의 직렬 회로로 구성된다. 이 회로는 입력 전압이 변동한 경우에 피크 전류 제한회로(5)가 동작하는 출력 전류를 보정하기 위한 것이다. 즉, 입력 전압이 높을 때에는 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 전압도 높아지기 때문에, 이 보정회로(6)의 루트에서 트랜지스터(Tr2)의 베이스 단자에 전류를 흘림으로써, 과전류 보호회로의 동작점을 낮게 한다. 이렇게 함으로써, 입력 전압의 변동에 대하여, 과전류 보호회로의 동작점을 거의 일정하게 하는 것이 가능하다.
트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)의 출력측에는 출력 전압(Vo)을 검출하는 출력 전압 검출회로(7)가 형성되어 있다.
이 출력 전압 검출회로(7)는 출력 전압(Vo)을 분압하는 분압 저항(R20, R21)과, 그 저항의 접속점(기준점)이 레퍼런스 전압(Vr)의 입력 단자에 접속되는 션트 레귤레이터(IC1)와, 이 션트 레귤레이터(IC1)에 직렬로 접속되는 포토 커플러(PC)의 포토 다이오드를 구비하고 있다. 션트 레귤레이터(IC1)는 레퍼런스 전압(Vr)과 분압 저항(R20, R21)에 의한 분압 전압(Va)을 비교하고, 그 차이에 따라서 캐소드-애노드 사이의 전류를 제어한다. 포토 커플러(PC)는 이 전류의 변화를 빛의 강약으로 변환한다. 즉, 출력 전압(Vo)이 높아지면, 온 시간 제어회로(2)의 포토 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이의 임피던스가 작아지고, 이에 따라, 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 기간에 있어서의 커패시터(C4)의 충전 시간이 빨라지며, 트랜지스터(Tr1)가 더욱 빨리 온되고, 제 1 스위치 소자(Q1)의 턴 오프 타이밍이 빨라져서 온 시간이 짧아진다. 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간이 짧아지면, 출력 전류가 감소하고, 출력 전압(Vo)이 저하한다. 출력 전압(Vo)이 소정의 전압(설정 전압)보다도 저하하면, 상기와 반대의 동작에 의해 출력 전력이 증대하여 출력 전압이 상승한다. 이렇게 하여, 출력 전압의 안정화 제어가 행해지며, 이 때의 출력 전압(Vo)은 다음식으로 표시된다.
Vo＝Vr×(R20＋R21)/R21
다음으로, 상기의 스위칭 전원 장치의 정격시의 동작을 설명한다.
도 2는 도 1에 나타내는 회로의 정격시의 파형도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기 회로의 동작을 상세히 설명한다.
도 2에 있어서, S1, S2는 제 1 스위치 소자(Q1), 제 2 스위치 소자(Q2)의 온/오프를 나타내는 신호, Vds1, Vds2, Vs는 각각 커패시터(C1, C2, Cs)의 양단 전압 파형, Id1, Id2, Is는 각각 스위치 회로(S1, S2), 정류 소자(Ds)의 전류 파형이다.
본 회로의 최적의 정상 상태에 있어서의 스위칭 동작은, 1 스위칭 주기(T)에 있어서, 시간 t1∼t5의 4개의 동작상태로 나눌 수 있다. 이하, 각 상태에 있어서의 동작에 대하여 설명한다.
(상태 1) t1∼t2
제 1 스위치 소자(Q1)는 온되어 있으며, 입력 전압이 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)에 인가됨으로써 1차 권선 전류가 직선적으로 증가한다. 이 때, 트랜스포머(T)에 여자 에너지가 축적된다. 또한, 이 때, 포토 커플러(PC)를 통하여 커패시터(C4)가 충전되고, 이 커패시터(C4)의 전압이 트랜지스터(Tr1)의 문턱값 전압(약 0.6V)에 도달하면 상기 트랜지스터(Tr1)가 온되어, 시간 t2에서 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 오프되고, 상태 2로 천이된다.
(상태 2) t2∼t3
제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 오프되면, 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)는 커패시터(C1 및 C2)와 공진하며, 커패시터(C1)를 충전하고, 커패시터(C2)를 방전한다. 또한, 2차측에서는 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)과 커패시터(Cs)가공진하고, 커패시터(Cs)를 방전한다. 전압(Vs1)의 상승, 및 전압(Vds1)의 하강 부분의 곡선은 1차 권선(T1) 및 인덕터(L)와 커패시터(C1) 및 커패시터(C2)의 공진에 의한 정현파의 일부이다. 커패시터(C2)의 양단 전압(Vds2)이 하강하여 영전압이 되면, 다이오드(D2)가 도통하고, 상태 3으로 천이된다.
이 때, 2차측에서는, 커패시터(Cs)의 양단 전압(Vs)이 영전압까지 하강하고, 정류 소자(Ds)가 도통하며, 영전압 턴 온 동작이 된다. 이 양단 전압(Vs)의 하강 부분의 곡선은 커패시터(Cs)와 2차 권선(T2)의 공진에 의한 정현파의 일부이다.
(상태 3) t3∼t4
다이오드(D2)가 도통된 상태에서, 커패시터(11) 및 저항(R11)으로 구성되는 지연 회로(3)에 의해, 제 2 구동 권선(T4)에 발생한 전압이 지연되어 제 2 스위치 소자(Q2)의 제어 단자에 주어지고, 이 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 온된다. 이에 따라, 제 2 스위치 소자(Q2)는 영전압 스위칭 동작한다. 상태 3에서는, 1차측에서 다이오드(D2) 및 제 2 스위치 소자(Q2)가 도통되어 있으며, 인덕터(L)와 커패시터(C)는 공진을 시작하고, 커패시터(C)가 방전된다.
이 때, 2차측에서는 정류 소자(Ds)는 도통되고, 트랜스포머(T)에 축적된 여자 에너지를 2차 권선(T2)으로부터 방출하며, 정류 평활 회로를 통하여 출력된다. 이 상태에서는, 정류 소자(Ds)에 흐르는 전류(Is)는 1차측의 인덕터(L)와 커패시터(C)에 의한 공진 전류(Id2)에 대하여, 직선적으로 감소하는 여자 전류(Im)를 더한 값과 비슷한 형상이 되기 때문에, 영전류로부터 비교적 가파르게 상승하며, 정현파 형상의 곡선을 갖는 파형이 된다.
1차측에서는, 제 2 구동 권선(T4)에 발생한 전압에 의해, 저항(R12)을 통하여 커패시터(C12)가 충전되고, 그 충전 전압이 트랜지스터(Tr2)의 문턱값 전압(약 0.6V)에 도달하면, 상기 트랜지스터(Tr2)가 온되고, 제 2 스위치 소자(Q2)에 흐르는 공진 전류를 강제적으로 차단한다. 그리고, 이 때 차단되는 상기 공진 전류의 크기는 피크값 부근이며, 그 타이밍은 시간 t4이다. 온 시간 제어회로(4)의 저항(R12)과 커패시터(C12)로 이루어지는 시정수 회로는 상기 시간 t4에서 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프하는 시정수로 설정되어 있다.
(상태 4) t4∼t5
제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 오프되면, 공진 전류(Id2)가 급격히 차단되고, 이 급격한 전류 변화에 의해 인덕터(L)에 전압이 발생하며, 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)의 전압은 반전된다. 인덕터(L)는 커패시터(C1 및 C2)와 공진하고, 인덕터(L)의 여자 에너지에 의해, 커패시터(C1)를 방전하며, 커패시터(C2)를 충전한다. 커패시터(C1)의 양단 전압(Vds1)이 하강하여, 시간 t5에서 영전압이 되면, 다이오드(D1)가 도통하여 상태 4가 종료된다. 다이오드(D1)가 도통되어 있는 상태에서, 저항(R3) 및 커패시터(C3)로 이루어지는 지연 회로(1)에 의해, 제 1 구동 권선(T3)에 발생한 전압이 지연되어 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자에 주어진다. 이에 따라, 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되어 영전압 스위칭 동작이 행해진다.
2차측에서는, 스위치 소자(Q2)가 턴 오프되면, 정류 소자(Ds)가 오프되어 커패시터(Cs)의 양단 전압(Vs)이 영전압으로부터 상승하고, 2차 권선 전압과 출력 전압의 합인 전압으로 클램프된다.
1 스위칭 주기당, 이상과 같은 동작을 행하고, 이하, 이 동작을 반복한다.
(과전류 보호회로의 동작)
다음으로 과전류시의 과전류 보호회로 및 입력전압 보정회로(6)의 동작을, 출력 전압 전류 특성을 나타내는 도 3을 사용하여 설명한다. 과전류 보호회로는 온 시간 제한회로(2)와, 피크 전류 제한회로(6)와 지연 회로(1)로 구성되어 있다.
출력 전류가 증가하여 제 1 스위치 소자(Q1)(FET Q1)에 흐르는 전류 피크값이 커지면, 트랜스포머의 포화를 방지하기 위해서 과전류 보호회로가 작동한다. 도 1에 있어서, 저항(R)으로 전류 피크값을 검출해서 저항(R)의 양단 전압이 저항(R6)과 저항(R7)으로 분압되어 트랜지스터(Tr2)의 베이스-이미터 사이에 전압이 공급된다. 트랜지스터(Tr2)의 베이스-이미터 사이 전압이 문턱 전압(약 0.6V)을 초과하면 트랜지스터(Tr2)가 온되어, 트랜지스터(Tr3)를 온하고, 트랜지스터(Tr1)의 베이스-이미터 사이 전압이 문턱 전압(약 0.6V)에 도달해서 트랜지스터(Tr1)가 온되어, 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프한다. 따라서, 1차 권선(T1)에 흐르는 전류 피크값은 제한되며, 출력 전력이 제한되어 트랜스포머의 포화를 방지한다.
도 3의 0으로부터 A점까지는, 출력 전압이 안정화되어 제어된다. 점 A에서 전류 피크값이 제한되기 시작하고 나서 더욱 출력 전류를 증가시키면, 출력 전력은 거의 일정하게 되어 출력 전압이 저하한다. 여기에서, 커패시터(C4)는 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 입력 전압에 비례한 플러스 전압으로 저항(R2)을 경로로 하여 충전되고, 출력 전압에 비례한 마이너스 전압으로 저항(R2)을 경로로 하여 방전되기 때문에, 출력 전압이 저하되면 커패시터(C4)의 방전 전류가 작아지고, 시정수회로에 의한 최대 온 시간이 짧아진다. 도 6에 트랜지스터(Tr1)의 베이스-이미터 사이 전압 파형 및 출력 전압 파형을 나타낸다. 출력 전압의 저하와 함께 트랜지스터(Tr1)의 베이스-이미터 사이 전압의 마이너스 전위로의 유도가 작아져 온 시간이 단축된다.
출력 전압 저하에 따라, 시정수 회로에 의한 최대 온 시간은 짧아지고, 도 3의 점 B에서는 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류가 설정값에 도달하기 전에 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 오프된다. 점 B로부터 점 C에서는 출력 전압이 저하되면 출력 전력이 감소하여 출력 전류가 감소한다.
다음으로, 시정수 회로에 의한 최대 온 시간이 짧아진 점 C에서는, 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 플라이백 전압이 저하되어, 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되는 것이 방해된다. 즉, 지연 회로의 임피던스와 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이의 임피던스로 플라이백 전압이 분압되기 때문에, 플라이백 전압의 저하에 의해, 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자 사이의 전압이 문턱값에 도달하지 않게 되고, 제 1 구동 권선(T3)에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)는 턴 온하지 않게 되어, 발진 정지하게 된다. 그 후, 기동 저항에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되어 기동하고, 또한 정지 상태가 된다. 이와 같이 기동과 정지를 반복하는 발진 모드가 되어, 연속 발진시의 주기에 비교하여 기동 시간이 충분히 길기 때문에, 출력 전력이 충분히 작게 제한되어, 과전류시 및 출력 단락시에 있어서 출력 전류를 충분히 작게 저감할 수 있다. 도 3의 점 C에서 기동 정지 발진 모드가 되면, 도 3의 점 D로 도약한다.
또한, 다이오드(D4), 제너 다이오드(D5), 저항(R8)으로 나타나는 회로는, 입력 전압이 변동한 경우에 피크 전류 제한회로(5)가 동작하는 소정의 피크 전류를 보정하기 위한 것으로, 입력 전압이 높을 때는 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 전압도 높아지기 때문에 제너 다이오드(D5)가 도통되고, 다이오드(D4), 제너 다이오드(D5), 저항(R8)의 경로로 전류가 흘러, 과전류 보호회로의 동작점을 낮게 할 수 있다. 이에 따라, 입력 전압 변동에 대하여, 과전류 보호회로의 동작점을 거의 일정하게 할 수 있다.
도 4는 피크 전류값이 제한되는 전류(Id1)의 파형을 나타내고 있다. 도 1의 회로에서는, 제 2 스위치 소자(Q2)(FET Q2)의 온 시간에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 시간이 정해진다. 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간은 거의 일정한 경우, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 스위치 소자(Q1)의 온의 폭은 작아지지만, 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 시간은 거의 일정하며, 출력 전압 저하와 함께 스위칭 주파수가 상승한다. 스위칭 주파수가 상승하면, 스위칭 주파수가 일정한 경우와 비교하여, 출력 전력이 증가하기 때문에, 출력 전류가 보다 증대하게 된다. 이 때문에, 저항(R)에 흐르는 피크 전류가 소정의 전압에 도달하고 나서 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프할 때까지의 지연 시간을 가능한 한 짧게 하는 것이 필요하고, 급속하게 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프할 수 있는 것이 특히 중요해지며, 정확하게 온 시간을 단축함으로써, 출력 전류가 증대하기 전에 기동 정지 발진 모드로 이행하여 출력 전력을 대폭으로 저감한다.
이에 반하여, 전류(Id1)의 파형이 삼각파인 경우는, 에너지 방출 기간으로제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 시간이 정해진다. 이러한 동작을 하는 회로로서는 링잉 쵸크 컨버터가 있다. 이 회로에서는, 도 3의 A점으로부터 출력 전압 저하와 함께 스위칭 주파수는 낮아지며, 비교적 용이하게 기동 정지 발진 모드로 이행하여 출력 전력을 대폭으로 저감할 수 있다(도 5참조).
또한, 도 1의 회로에 있어서도, 출력 전압 저하에 의해 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간이 길어지도록 설정하는 것이 가능하며, 제 2 온 시간 제어회로에 있어서의 시정수 회로의 충방전 커패시터의 충전시의 임피던스와 방전시의 임피던스를 소정의 값으로 설정함으로써 가능해진다. 도 1에 있어서는, 저항(R13)의 양단의 임피던스를 충전시와 방전시에서 소정의 임피던스가 되도록 설정한다. 도 1에 나타내는 실시예에서는, 충방전 커패시터는 제 2 구동 권선에 발생하는 출력 전압에 실질적으로 비례하는 전압에 의해 충전되고, 입력 전압에 실질적으로 비례하는 전압에 의해 방전된다. 이 때문에 입출력 전압의 변화가 없는 경우, 충방전 커패시터의 충전 시간은 충전과 방전의 사이클을 반복하기 때문에 입출력 전압과 부하 전류가 변화하지 않는 정상 상태에서는 거의 일정하며, 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간도 거의 일정해진다. 그러나, 출력 전압이 저하해 오면, 제 2 구동 권선에 발생하는 출력 전압에 실질적으로 비례하는 전압이 낮아지기 때문에, 충전 시간이 길어지고, 그 결과, 제 4 스위치 수단인 트랜지스터(Tr11)의 온 타이밍이 늦어져서, 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간이 길어진다.
제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간이 길어지고, 제 2 스위치 소자(Q2)에 흐르는 공진 전류가 피크값을 초월하며, 영전류 부근에서 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴오프되면, 공진 전류(Id2)가 급격하게 차단되는 일이 없어지고, 급격한 전류 변화가 없기 때문에 인덕터(L)에 전압이 발생하지 않으며, 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)의 전압은 반전되지 않는다. 이 때문에, 에너지의 방출이 완료되고, 2차측의 정류 다이오드가 비도통(非導通)하게 된 타이밍에서 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)의 전압이 반전되어서, 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되어, 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(Id1)의 파형은 삼각파가 된다. 즉, 출력 전압 저하에 의해, 제 2 스위치 소자(Q2)의 턴 오프의 타이밍에서 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되는 전류 연속 모드로부터, 제 2 스위치 소자(Q2)의 턴 오프후의 에너지 방출 기간으로 오프 시간이 정해지는 전류 임계 모드 동작이 되어, 전류(Id1)의 파형은 삼각파가 된다. 이 경우에도, 도 3의 A점으로부터 출력 전압 저하와 함께 스위칭 주파수는 낮아진다.
여기에서, 출력 전압 저하와 함께 스위칭 주파수가 높아지는 경우와 낮아지는 경우를 비교하면, 스위칭 주파수가 높아지는 경우쪽이 동일한 온 시간이라도 출력 전력이 커지기 때문에, 온 시간의 큰 단축이 필요해지며, 트랜지스터(Tr2)의 베이스-이미터 사이 전압이 문턱 전압에 도달하고 나서 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프할 때까지의 지연 시간을 보다 짧게 하여, 보다 급속하게 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 것이 필요해진다. 어떠한 경우에도, 스위칭 손실을 저감하고, 출력 전류의 증대를 억제하기 위해서는, 피크 전류를 검출하고 나서 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프할 때까지의 지연 시간을 짧게 하여, 급속하게 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 것이 필요하며, 본 발명에 의해 해결할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
실시형태 1에 대하여, 트랜지스터(Tr3)의 컬렉터ㆍ이미터 사이가 제 1 스위치 소자(Q1)의 게이트ㆍ소스 사이에 접속되어 있다. 저항(R)에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)의 피크 전류를 검출하고, 저항(R6, R7)으로 분압하며, 저항(R7)의 양단 전압이 트랜지스터(Tr2)의 베이스-이미터 사이 문턱 전압을 초월하면 트랜지스터(Tr2)가 온되고, 트랜지스터(Tr3)가 온되며, 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 오프된다.
여기에서, 제 1 스위치 소자(Q1)의 게이트ㆍ소스 사이에 접속된 트랜지스터(Tr1)를 온해서 전압을 방전하여 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프시키는데 필요한 트랜지스터(Tr1)의 컬렉터 전류를 Ic라고 하고, 트랜지스터(Tr2, Tr3)의 증폭율을 각각 α2, α3라고 하면 트랜지스터(Tr2)를 온시키기 위한 필요한 베이스 전류(Ib)는 누설 전류 등을 무시하면 이하의 식으로 표시된다.
Ib＝Ic/(α2×α3)…③
식 ③과 상기 식 ①, 식 ②를 비교하여 알 수 있듯이 식 ③은 식 ②보다 개선되어 있지만 식 ①보다는 베이스 전류가 많이 필요하다. 이 때문에, 트랜지스터(Tr2)의 베이스-이미터 사이 전압이 문턱 전압에 도달하고 나서 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프할 때까지의 지연 시간은 제 1 실시형태의 회로보다는 길다. 그러나, 도 14의 종래 회로의 지연 시간보다는 짧아지며, 제 1 실시형태와 동일한 효과를 이룰 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다. 이 스위칭 전원 장치도, 전류 연속 모드로 동작하는 2석식 자려 발진 스위칭 전원 장치 중 하나이다.
제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 기간에 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 플라이백 전압을 다이오드(D20)와 커패시터(C20)에 의해 정류 평활하고, 커패시터(C20)의 마이너스 전위와 다이오드(D22)가 접속되어 있는 제 1 구동 권선(T3)의 전위를 저항(R20, R21)과, 제너 다이오드(D21)에 의해 분압하며, 분압 전압을 다이오드(D23)를 통하여 트랜지스터(Tr2)의 베이스에 입력하는 구성이다. 출력 전압이 저하하면, 다이오드(D23)의 애노드의 분압 전압이 상승하여, 트랜지스터(Tr2)의 베이스에 입력하는 전류가 증가하기 때문에 온 시간이 단축되며, 출력 전력을 저감하여 출력 전류를 감소시킬 수 있다.
이 회로에서는, 트랜지스터(Tr2)의 베이스에 입력하는 전류를 크게 함으로써, 제 1 실시형태의 회로보다 더욱 온 시간을 단축하고, 출력 전력을 저감하여 출력 전류를 감소시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
일반적으로, 링잉 쵸크 컨버터라고 불리는 회로 방식에서, 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 기간에 에너지를 축적하고, 오프 기간에 2차 권선으로부터 에너지를 방출한다. 온 기간의 1차 권선 전류는 삼각파가 되며, 제 1 실시형태의 회로와 동일한 효과가 있다. 상기 회로와 비교하면, 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형이 삼각파가 되어, 출력 전압이 저하함에 따라 온 시간은 짧아지고, 오프 시간이 길어진다. 종합적으로는 스위칭 주파수는 저하된다. 이에 반하여, 제 1 실시형태에있어서 연속 모드로 동작하는 경우는, 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형이 사다리꼴파가 되어, 출력 전압이 저하하더라도 그 오프 시간이 거의 변화하지 않고, 온 시간이 짧아지기 때문에 스위칭 주파수는 상승한다. 스위칭 주파수가 저하하는 쪽이 출력이 작아지기 때문에, 제 1 실시형태와 비교하면 출력 전류의 증대는 보다 억제된다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
이 회로는, 도 9의 회로에 있어서, 트랜지스터(Tr1)와 트랜지스터(Tr2)를 트랜지스터(Tr4)로 공용한 것이다. 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류가 소정의 전류가 되면 트랜지스터(Tr4)→트랜지스터(Tr3)의 순으로 온되고, 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 오프되어, 제 1 실시형태와 동일한 효과가 있으며, 상기 제 1 실시형태보다 트랜지스터의 수를 1개 적게 할 수 있다는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 제 6 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
전류 연속 모드로 동작하는 2석식 자려 발진 스위칭 전원 장치에 있어서, 상용 전원을 정류 평활한 전압을 입력 전원으로 하고 있다. 또한, 전류 검출 수단으로서 커런트 트랜스포머(current transformer)를 사용하고 있으며, 제 1 실시형태와 동일한 효과가 있고, 커런트 트랜스포머를 사용하여 출력 전압 검출 회로(7)에 있어서의 손실을 저감할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제 7 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다. 전류 연속 모드로 동작하는 2석식 자려 발진 스위칭 전원 장치에 있어서, 제 2 스위치 소자(Q2)와 커패시터(C)의 직렬 회로가 제 1 스위치 소자(Q1)와 병렬로 접속되어있다.
커패시터(C)의 인가 전압은 커지지만, LC공진 주기를 동일하게 하면 용량은 저감할 수 있다.
도 13은, 본 발명의 제 8 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다. 전류 연속 모드로 동작하는 2석식 자려 발진 스위칭 전원 장치에 있어서, 제 1 스위치 소자(Q1)와 제 2 스위치 소자(Q2)가 직렬로 접속되고, 커패시터(C)와 인덕터(L)가 직렬로 접속되어 있다.
제 1 스위치 소자(Q1)와 제 2 스위치 소자(Q2)에 입력 전압밖에 인가되지 않기 때문에, 저내압(低耐壓)의 스위치 소자의 FET를 적용할 수 있다. 일반적으로 저내압의 FET는 온 저항이 작기 때문에, 도통 손실을 저감할 수 있으며, 고효율화를 도모할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음의 효과가 있다.
① 1차 권선의 전류 피크값이 소정의 값에 도달하면, 제 2 스위치 수단 온→제 3 스위치 수단 온에 의해 전기 신호의 증대가 도모되어, 급속하게 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프할 수 있으며, 턴 오프시의 스위칭 손실을 저감하여, 출력 전류의 증대를 억제할 수 있다.
② 피크 전류를 제한하는 피크 전류 제한회로(5)에 의해, 1차 권선의 전류 피크값을 소정의 값으로 제한할 수 있어 트랜스포머의 자기(磁氣) 포화를 방지하여, 스위칭 전원 장치의 고신뢰성을 얻을 수 있다.
③ 최대의 온 시간을 단축하는 온 시간 제한회로(2)에 의해, 출력 전압이 저하함에 따라, 출력 전력을 저감하여 출력 전류를 감소시킬 수 있다.
④ 턴 온 지연 회로의 임피던스를 적절하게 설정함으로써, 기동과 발진 정지를 반복하는 동작으로 하여, 출력 전력을 대폭으로 저감할 수 있으며, 단락 전류를 저감할 수 있다. 이에 반하여, 종래예 1 및 2에서는, 출력 전압 전류 특성이 도 18과 같이 되기 때문에, 기동 정지 발진 모드로 이동할 수 없고, 단락시에 2차측 전류가 증대하여 정류 다이오드 등이 파괴되는 경우가 있다.
⑤ 시정수 회로에 의해 온 시간을 제한하는 온 시간 제한회로(2)와 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류를 제한하는 피크 전류 제한회로(5)로 이루어지는 과전류 보호회로에 있어서, 제 1 스위치 수단인 트랜지스터(Tr1)를 제 1 스위치 소자(Q1)의 턴 오프 제어에 겸용할 수 있기 때문에, 부품수를 삭감할 수 있다. 또한, 피크 전류 제한회로(5)의 동작과 온 시간 제한회로(2)에 의한 동작을 연속적으로 전환할 수 있으며, 동작을 안정화할 수 있다. 또한, 트랜지스터(Tr2, Tr3)는 트랜지스터(Tr1)에 비하여 전류 용량이 작은 트랜지스터로 충분하기 때문에, 비용을 상승시키는 일은 없다.
⑥ 입력 전압이 변화한 경우라도 피크 전류 제한을 개시하는 출력 전류(과전류점)를 일정하게 할 수 있기 때문에 트랜스포머의 자기 포화를 억제하여 트랜스포머의 소형화를 도모할 수 있다.

Claims (17)

  1. 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 제 1 스위치 소자(Q1)와 전류 검출 수단(R)과 입력 전원(Vin)이 직렬로 접속되고, 상기 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)에 정류 평활 회로가 형성되며, 상기 트랜스포머(T)에 형성된 제 1 구동 권선(T3)에 접속되고, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 온/오프해서, 상기 스위치 소자(Q1)의 온 시간을 제어하여 출력 전압을 제어하는 스위칭 제어회로를 구비하며, 자려(自勵) 발진하는 스위칭 전원 장치로서,
    상기 스위칭 제어회로는, 상기 제 1 구동 권선(T3)에 발생한 전압에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되고 나서 시정수 회로에 의해 정해지는 소정의 시간후에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속된 제 1 스위치 수단을 온하여 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하도록 제어하고,
    상기 시정수 회로에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)의 최대의 온 시간을 설정하는 온 시간 제한회로와,
    상기 전류 검출 수단(R)에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류를 검출하고, 상기 전류가 소정의 피크 전류가 되면 온되는 제 2 스위치 수단과, 상기 제 2 스위치 수단이 온됨으로써 온되는 제 3 스위치 수단을 포함하며, 상기 제 3 스위치 수단을 상기 제 1 스위치 수단의 제어 단자 또는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속하여 상기 제 3 스위치 수단이 온됨으로써 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 피크 전류 제한회로로 이루어지는 과전류 보호회로를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  2. 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)의 직렬 회로에, 제 1 스위치 회로(S1)와 전류 검출 수단(R)과 입력 전원(Vin)이 직렬로 접속되고, 제 2 스위치 회로(S2)와 커패시터(C)의 직렬 회로의 한 단부가 상기 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)와의 직렬 회로와 제 1 스위치 회로(S1)의 접속점에 접속되며, 상기 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)에 정류 평활 회로가 형성되고, 제 1 스위치 회로(S1)를 제 1 스위치 소자(Q1), 제 1 다이오드(D1), 및 제 1 커패시터(C1)의 병렬 접속 회로로 구성하며, 제 2 스위치 회로(S2)를 제 2 스위치 소자(Q2), 제 2 다이오드(D2), 및 제 2 커패시터(C2)의 병렬 접속 회로로 구성하고, 상기 트랜스포머(T)는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 도통(導通)시키는 전압을 발생하는 제 1 구동 권선(T3)과, 상기 제 2 스위치 소자(Q2)를 도통시키는 전압을 발생하는 제 2 구동 권선(T4)을 가지며, 제 1ㆍ제 2 스위치 소자(Q1ㆍQ2)를 양 스위치 소자가 함께 오프되는 기간을 사이에 두고 번갈아 온/오프하는 스위칭 제어회로를 구비하고, 자려 발진하는 스위칭 전원 장치로서,
    상기 스위칭 제어회로는, 상기 제 1 구동 권선(T3)에 발생한 전압에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되고 나서 시정수 회로에 의해 정해지는 소정의 시간후에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속된 제 1 스위치 수단을 온하여 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하도록 제어하고,
    상기 시정수 회로에 의해 제 1 스위치 소자(Q1)의 최대의 온 시간을 설정하는 온 시간 제한회로와,
    상기 전류 검출 수단(R)에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 피크 전류를 검출하고, 상기 전류가 소정의 피크 전류가 되면 온되는 제 2 스위치 수단과, 상기 제 2 스위치 수단이 온됨으로써 온되는 제 3 스위치 수단을 포함하며, 상기 제 3 스위치 수단을 상기 제 1 스위치 수단의 제어 단자 또는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 제어 단자에 접속하여 상기 제 3 스위치 수단이 온됨으로써 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 피크 전류 제한회로로 이루어지는 과전류 보호회로를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 스위치 수단을 트랜지스터로 구성하고, 상기 트랜지스터의 제어 단자에 상기 시정수 회로를 구성하는 임피던스 회로와 충방전되는 커패시터가 접속된 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 임피던스 회로에 임피던스를 변화시키는 포토 커플러(photo coupler)를 사용하고, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간을 제어하여 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 임피던스 회로는 출력 전압이 저하함에 따라 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 상기 최대의 온 시간을 단축하도록 상기 충방전 커패시터의 충전시의 임피던스와 방전시의 임피던스를 설정한 것을 특징으로 하는 스위칭전원 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스위칭 제어회로는 상기 제 1 구동 권선(T3)과 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자 사이에 저항 또는 저항과 커패시터의 직렬 회로로 이루어지는 지연 회로를 구비하고,
    상기 출력 전압이 저하되어 소정의 전압 이하가 되면 상기 지연 회로의 임피던스에 의해, 제 1 구동 권선에 발생한 전압에 의해 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 턴 온되는 것을 방해하여, 기동과 정지를 반복하는 동작 모드가 되도록 상기 지연 회로의 임피던스를 설정한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 스위치 수단을 상기 임피던스 회로에 병렬로 접속하고, 상기 피크 전류가 소정의 피크 전류가 되면 제 2 스위치 수단을 온하고, 계속해서 상기 제 3 스위치 수단을 온하여 상기 임피던스 회로의 임피던스를 작게 해서 상기 제 1 스위치 수단을 온하여 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 오프하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 피크 전류 제한회로는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)가 온 기간에 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 입력 전압에 실질적으로 비례한 전압을 저항과 다이오드를 통하여 상기 제 2 스위치 수단의 제어 단자에 입력하도록 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 피크 전류 제한회로는 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류가 증가함에 따라 증가하는 제 1 전기 신호와 출력 전압이 저하함에 따라 증가하는 제 2 전기 신호의 합을 상기 제 2 스위치 수단의 제어 단자에 입력하고, 이 전기 신호의 증가에 따라 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 전기 신호는 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 오프 기간에 상기 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 플라이백 전압을 다이오드와 커패시터에 의해 정류 평활하고, 상기 커패시터의 마이너스 전위와 상기 제 1 구동 권선(T3)의 플러스 전위를 저항 또는 저항과 제너 다이오드에 의해 분압하며, 분압 전압을 다이오드를 통하여 상기 제 2 스위치 수단의 제어 단자에 입력하도록 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 제어회로는 상기 제 2 구동 권선(T4)에 발생한 전압에 의해 상기 제 2 스위치 소자(Q2)가 턴 온되고 나서, 시정수 회로에 의해 정해지는 소정의 시간후에 상기 제 2 스위치 소자(Q2)의 제어 단자에 접속된 제 4 스위치 수단을 온하여 상기 제 2 스위치 소자(Q2)를 턴 오프하도록 제어하는 제 2 온 시간 제어회로를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 4 스위치 수단을 트랜지스터로 구성하고, 상기 트랜지스터의 제어 단자에 시정수 회로를 구성하는 임피던스 회로와 충방전되는 커패시터가 접속된 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 기간에 상기 1차 권선(T1)에 축적된 에너지를, 오프 기간에 상기 2차 권선(T2)으로부터 방출하여 출력을 얻는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)의 온 기간에 상기 1차 권선(T1)에 축적된 에너지를, 오프 기간에 상기 2차 권선(T2)으로부터 다 방출하기 전에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 온하도록, 상기 제 2 온 시간 제어회로의 시정수를 설정하여, 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형이 사다리꼴파가 되는 전류 연속 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 스위칭 제어회로는 상기 출력 전압이 저하하면, 상기 제 2 스위치 소자(Q2)의 온 시간이 길어지도록 상기 제 2 온 시간 제어회로의 상기 충방전 커패시터의 충전시의 임피던스와 방전시의 임피던스를 설정하고, 상기 1차 권선(T1)에 축적된 에너지를, 오프 기간에 상기 2차 권선(T2)으로부터 다 방출한 후에 상기 제 1 스위치 소자(Q1)를 턴 온하여 자려 발진시키며, 상기 제 1 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형이 삼각파가 되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스위치 소자 중 적어도 어느 한쪽을 전계 효과 트랜지스터로 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  17. 제 2 항에 있어서, 상기 트랜스포머(T)가 갖는 누설 인덕터에 의해 상기 인덕터(L)를 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
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