KR20030083126A - 트랜스포머 없이 선형 전원공급기를 구현하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DC 전원 공급기 설계 기술 분야에 속하며, 저 전력이 요구되며 경량 소형화 하고자 하는 전자 제품을 위하여 무겁고 부피가 큰 트랜스포머를 사용하지 않고도 선형 방식의 전원공급기를 구현할 수 있도록 하는 기술이다. 상전 전압은 110 볼트 또는 220 볼트여서 5V 이하의 낮은 DC 전압을 얻기 위해서는 트랜스포머를 이용하여 9V 정도의 AC 전압으로 낮추어 주고 이를 정류하여 DC 전압으로 바꿔주며, 전압 안정기(Voltage Regulator)를 통하여 안정된 DC 전압을 얻는다. 그러나 트랜스포머는 무겁고 커서 소형 경량의 제품을 만드는데 지장을 주는 경우가 많다. 트랜스포머를 사용하지 않고 DC 저 전압을 얻는 것은 기존의 선형 전원공급기 설계 방법으로 구현할 수 도 있으나, 교류 전원을 DC 220 볼트로 정류하고 이를 다시 5V 대의 낮은 전압으로 직접 바꿔주게 되면 효율이 상당히 떨어진다. 가령 0.25 Watt(5V, 0.05A)를 얻는데 무려 11 Watt(220V, 0.05A)나 소모하게 되어 거의 비현실적인 방법이다.

따라서 본 발명에서는 트랜스포머를 사용하지 않고 상전을 직접 이용하여 DC 저 전압을 얻는 과정에 있어서, 선형 전원공급 방식을 취하나 일정한 전압 이상의 입력은 받아들이지 않고 그 이하의 전압에 대해서만 전력을 받아들여 DC 전원을 얻는 방법을 새롭게 창안하여 기존의 선형 전원공급 방식에 비하여 효율을 월등히 높일 수 있도록 하였으며, AC 20V 이상이면 입력 전압의 크기에 상관없이(110V, 220V 무관) 동작할 수 있도록 한 방법이다. 따라서 본 발명은 전력 소모가 적고 낮은DC 전원을 요구하며 소형 경량의 전원공급기가 요구되는 모든 전자 장비에 매우 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

Description

트랜스포머 없이 선형 전원공급기를 구현하는 방법 {The method of realizing a linear power supply without a transformer}

본 발명은 DC 전원공급기 설계 기술 분야 중 상전 AC 220V 또는 110V를 트랜스포머를 사용하지 않고 낮은 DC 전압을 직접 얻을 수 있도록 하는 기술에 속한다. DC 전원공급기(Power Supply)를 구현하는 방식에는 선형(Linear) 방식과 스위칭 방식이 있다. 선형 전원공급기는 상전 AC 220V(또는 110V)의 높은 전압을 트랜스포머를 이용하여 필요한 DC 전압의 2배 정도 되는 낮은 AC 전압으로 낮춘 뒤, 정류 회로를 이용하여 DC 전압을 얻고 다시 전압 안정기(Voltage Regulator)를 통과시켜 안정된 DC 전압을 얻는 방식으로, 스위칭 방식에 비해 전자파 발생이 적으며, 고주파 리플(Ripple) 잡음(Noise)이 매우 적은 장점이 있으나, 부피가 크고 무겁고 효율이 스위칭 방식에 비하여 많이 떨어진다는 단점이 있다. 만일 크기 및 무게를 줄이기 위해 트랜스포머를 사용하지 않고 교류 220V를 그대로 DC 220V로 정류하여 기존의 선형 방식으로 5V로 직접 낮춰주면 97.7%의 전력을 낭비하게 되는 결과를 초래하며, 전압 안정기는 그 만큼의 열이 발생하게 되어 방열을 위해 다시 부피가 커지게 된다.

스위칭 방식 전원공급기는 일반적으로 상전 AC 220V(또는 110V)의 높은 전압을 트랜스포머를 이용하여 수십 볼트의 AC 전압으로 낮춘 뒤 스위칭 전원공급기용 칩 및 고주파 스위칭용 트랜스포머를 이용하여 부하(Load)에서 요구되는 전류를 필요한 만큼 공급하는 방식으로 선형 전원공급기에 비해 효율이 좋으나, 고속 스위칭으로 인하여 전자파 발생이 크고 스위칭 리플 잡음이 크다. 스위칭 방식 전원공급기는 상전을 수십 볼트 수준으로 낮춰주는 트랜스포머 없이 스위칭 전원공급기용 칩과 고주파 스위칭용 트랜스포머만을 이용하여 상전(AC 110V 또는 AC 220V)을 DC 저 전압으로 만들어 주는 방법과, 스위칭 전원공급기용 칩과 인덕터 만을 이용하여 상전(AC 110V 또는 AC 220V)을 직접 DC 저 전압으로 만들어 주는 방법도 구현 가능하나, TR이나 FET에 비하여 비교적 고가인 스위칭 전원공급기용 칩 외에도 일반 부품보다 훨씬 크고 무거운 파워용 인덕터 등이 요구된다. 또한 모든 스위칭 전원공급기는 부하(Load)가 최소 전류값 이상을 유지시켜 주어야 하기 때문에 전력 소모량이 불규칙적이며 낮은 전류를 필요로 하는 용도로는 적합하지 않다.

본 발명은 소형 경량화가 요구되는 전자 제품이 소모 전력이 적은데도 불구하고 전원공급기가 크고 무거워서 문제가 되는 경우에 적용하기 위한 방법으로, 트랜스포머를 사용하지 않으며, 상대적으로 고가인 스위칭 전원공급기용 칩 및 고용량 인덕터도 사용하지 않는 소형 경량의 전원공급기를 구현하고자 한다. 크기 및 무게를 줄이기 위해 트랜스포머를 사용하지 않도록 하며, 저가이며 및 고주파 리플 잡음이 적고 최소 전류 값 이상의 부하를 유지시켜야 하는 등의 조건이 필요하지 않는 선형 방식으로 구현하며 하고자 하였으며, 이 과정에서 효율을 높이기 위하여 입력 전압을 목표치(102, 202) 이하에서만 통과시키고 그 이상의 전압에 대해서는 차단시키도록 하는 방법을 새롭게 창안하여 방열 및 트랜스포머 등의 이유로 크고 무거운 전원공급기를 소형 경량화 하고자 할 뿐만 아니라 기존 전원공급기에 비하여 훨씬 저가로 구현할 수 있도록 하고자 한다.

도 1은 본 발명에 대한 회로도이며, 10은 DC 정류부, 20은 전압감지제어부, 40은 전력공급부, 30은 DC 전압 충전부이다.

도 2는 도 1의 브리지식 정류 회로(10) 대신 일반 정류 방식을 적용할 때의 회로를 나타낸 그림이다.

도 3은 전압 안정기(Voltage Regulator) 회로를 나타낸 그림이다.

도 4는 DC 정류된 파형(101, 201)과 미리 설정해 놓은 목표 전압값(102, 202)과 그 목표값 이하의 전압을 받아들여 전력을 얻는(103, 104, 105, 106, 107, 108, 203, 204, 205, 206) 원리를 나타낸 그림이다.

본 발명은 DC 정류부(10), 전압감지제어부(20), 전력공급부(40), DC 전압충전부(30)로 구성된다. DC 정류부는 +, - 를 교번하는 AC 전압 중 + 전압만을 받아들이는 DC 정류회로이다. DC 정류부(10)는 AC를 DC로 정류하는 역할을 하며, 이 과정에 있어서 기존의 피크 감지(Peak Detection) 방식을 사용하지 않고 일정 수준 이하의 저 전압만을 통과할 수 있도록 하여 전원공급기의 효율을 높이는데 기여 할수 있도록 설계하였다. 기존의 피크 감지식 정류기는 입력 전압이 출력 전압보다 낮으면 받아들이지 않고 입력 전압이 출력 전압보다 높을 때에만 전류를 통과시키기 때문에 입력 전력중 저 전압 부분은 거의 사용하지 않는 방법이다. 따라서 상전 220V를 바로 기존의 방식으로 정류하게 되면 DC 220V가 얻어진다. 그러나 본 발명의 DC 정류부는 기존의 피크 감지 방식을 이용하지 않고 도 4와 같이 AC 입력 중 + 전압 부분을 입력 그대로 통과시키게 하는 방식으로 저 전압 부분도 이용할 수 있도록 하는 회로이다. 도 2는 도 1의 DC 정류부(10)를 +, - 의 입력 위상에 대해서 모두 + 로 나타나게 하는 브리지식이 아닌 일반 정류 방식으로 + 위상에 대해서만 전력이 전달 되도록 한 방식으로 리플 잡음 면에서는 브리지식보다 안 좋으나 입력 전원의 GND를 출력측이 공통으로 사용할 필요가 있을 때 유용한 방법이다.

전압감지제어부(20)는 입력 전압중에서 미리 정해 놓은 목표값(102, 202)이하에 해당되는 전압만을 이용할 수 있도록 하기 위한 회로로, 입력 전압 레벨을 감지하고 입력 전압이 목표값(102, 202)에 도달하였을 때 입력 전력을 출력측으로 통과하지 않도록 전력공급부(40)를 제어해줄수 있는 수단을 제공하는 회로이다. 도 1에서 D2는 목표 전압을 감지하는 제너 다이오드이며, D1 및 D3은 Q2를 보호하기 위한 회로이다. 입력 전압이 허용 목표값(102, 202)을 넘어서면 전류가 제너 다이오드(D2)를 통과하게 되어서 Q2의 BASE에 전류가 흐르게 되고 이로 인하여 Q2가 ON 되어서 전력공급부(40)의 Q1을 제어할 수 있도록 하는 역할을 한다.

전력공급부(40)는 전압감지제어부(20)에서 정한 목표값(102, 202) 이하의 입력 전압에 대해서는 정상적으로 DC 전압 충전부에 전력을 공급하며, 그 이상의 입력 전압에 대해서는 전압감지제어부(20)의 제어 신호에 의해 출력측으로의 전원 공급이 차단되도록 하는 역할을 한다. 도 1에서 R4는 Q1 및 D4 ,D5, D6, D7, D8를 보호하기 위한 저항이며, D9, D10은 Q1을 보호하기 위한 회로이다. 전압감지제어부(20)의 Q2가 ON 되기 전까지는 전류를 빠르게 통과시키고, Q2가 ON 되면 Q1의 게이트(Gate)가 소스(Source) 단자의 전압보다 낮아져서 목표값(102, 202) 이상에 대해서는 DC 전압충전부(30) 쪽에 전력을 보내지 않게 된다. 따라서 전력공급부(40)는 입력 목표치를 20V로 정하면 20V 이하의 전압에 대해서는 전류를 통과시키고, 20V 이상의 전압에 대해서는 전류를 차단하도록 하는 역할을 한다.

DC 전압충전부(30)는 전력공급부(40)로 부터 공급받은 전력을 저장하는 역할을 하며, 도 4의 빗금친 부분은 DC 전압충전부가 공급받는 전력량을 의미한다. 따라서 DC 전압충전부(30)는 도 4의 101, 201의 경우에서 나타나는 바와 같이 입력 전원 주기의 약 반주기 동안에 해당되는 시간만큼 전압 레벨을 유지해야 한다. 따라서 DC 전압 충전부(30)의 충전용 콘덴서 C1의 용량은 부하에 비례하여 선택하면 되나, 별도의 제약이 없으면 충분히 큰 용량의 콘덴서를 사용하면 안정된 DC 전압을 얻을 수 있다. 도 3은 일반적인 선형 전압 안정기(Voltage Regulator)로서 DC 전압충전부(30)로 부터 입력된 전압을 리플이 없는 안정된 DC 전압으로 만드는 회로로, 모든 선형 전압 안정기 사용이 가능하다.

본 발명은 상전 220V는 물론 20V ~ 370V 까지의 폭넓은 AC 전압을 받아들여 트랜스포머나 스위칭 전원공급기용 칩 및 대용량 인덕터를 사용하지 않고도 직접 5V 이하의 DC 전압을 얻을 수 있도록 하는 수단을 제공하여, 저 전력 저 전압의 DC전원이 요구되는 모든 장비(또는 장치)에 적용할 수 있도록 하는 방법으로 전원공급기 부분으로 인하여 소형 경량화를 시키지 못하는 장비의 소형화에 크게 도움이 될 것이다.

본 발명은 트랜스포머 또는 스위칭 전원공급기용 칩을 사용하지 않고 상전 AC 220V를 저 전압 DC로 직접 변환시켜줄 수 있은 방법으로 전원공급기를 대폭적으로 소형 경량화 시킬 수 있는 방법이며 저가로 구현이 가능한 방법으로, 전력 소모량이 적고 낮은 DC 전압을 필요로 하는 모든 장치에 적용이 가능하다. 따라서 전력 소모량이 적은 데도 불구하고 일반 전원 어댑터를 사용해야하는 등 전원공급부가 커서 소형 경량화에 제약을 받았던 모든 전자 제품에 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 또한 또한 본 발명은 입력 전압이 AC 20 ~ AC 370V 까지의 어떤 전압에 대해서도 자유롭게 사용이 가능하며, 입력 전압의 크기에 따른 효율 변화가 거의 없는 유용한 방법으로 적용 범위가 매우 넓을 것으로 기대된다.

Claims (2)

1. 상전 AC 110V 또는 220V를 트랜스포머나 스위칭 전원공급기용 칩을 사용하지 않고 직접 저 전압 DC를 얻을 수 있도록 하며, 이 과정에서 효율을 높일 수 있도록 일정 수준 이하의 전압만을 통과시키도록 하는 방식을 사용하여 선형 전원공급기를 소형 경량화 할 수 있도록 하게 할뿐만 아니라 저가로 구현할 수 있도록 한 방법.
2. 청구항 1에 있어서 AC를 DC로 정류하는데 있어서 피크 감지(Peak Detection) 방식을 사용하지 않고 일정 수준(102, 202) 이하의 저 전압을 통과할 수 있도록 하는 DC 정류 방식(10) 및 일정 수준(102, 202) 이하의 저 전압만을 취하고 그 이상의 전압은 받아들이지 않도록 하여 AC 20V ~ AC370V까지의 입력 전원에 전혀 무관하게 사용 가능하도록 하며, 입력 전압의 크기에 관계없이 일정한 효율로 DC 저 전압을 공급할 수 있도록 하며, 고전압 고전류로 인한 FET 및 다이오드를 보호 할 수 있도록 한 회로를 포함한 구현 방법.