KR20040107043A

KR20040107043A - 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR20040107043A
Application number: KR1020030037830A
Authority: KR
Inventors: 이진형; 황수용
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2004-12-20
Also published as: US6977830B2; KR100544186B1; US20040252532A1

Abstract

본 발명은 부스트 컨버터 관한 것으로, 보다 상세하게는 부스트 컨버터의 출력전압을 입력 전압에 따라 조정하는 전원 공급 장치에 관한 것이다. 전원 공급 장치는 비교부, 출력전압 조정부, 제어부 및 출력부로 구성된다. 비교부는 감지된 AC 입력전압과 기준 전압을 비교하여 제1∼제3 비교 결과 신호를 출력한다. 출력전압 조정부는 제1∼제3 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 가변시키기 위한 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다. 제어부는 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호에 따라 듀티비가 조정된 스위칭 신호를 출력한다. 출력부는 스위칭 신호에 의해 트랜스포머의 2차측 코일로 유기된 입력전압을 정류 및 평활하여 소정 전압을 출력한다. 본 발명에 따르면, 부스트 컨버터의 출력전압을 입력전압에 따라 조정함으로써 스위칭 소자의 전원 손실을 줄여 효율을 향상시킬 수 있고, 낮은 AC 입력전압에서도 홀드-업 타임을 조정할 수 있으며, 입력전압이 불안정한 국가 및 지역에 대해 전원의 재 설계 없이 대응이 가능한 효과를 창출한다.

Description

전원 공급 장치{Apparatus for providing power}

본 발명은 부스트 컨버터(Boost converter)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부스트 컨버터의 출력전압을 입력 전압에 따라 조정하는 전원 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 통신 기기 혹은 컴퓨터 시스템 및 대용량 전자 기기의 경우에는 사용 교류전원을 입력받아 직류전원으로 변환한 후 이를 스위칭 수단을 사용하여 동일 전력의 직류전원으로 재 변환하는 스위칭 모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply : SMPS)가 많이 사용되고 있다.

도 1은 일반적인 부스트 컨버터 전원 공급 장치의 구성을 보이는 블록도 이다. 부스트 컨버터는 출력전압을 입력전압보다 항상 높일 수 있는 전원 공급 장치 중의 하나로, 정류된 AC 입력전압을 PWM(Pulse width modulation) 동작을 통해 일정하게 승압된 출력전압을 발생한다.

도 1에 도시된 정류부(100)는 브리지 다이오드 회로로 구성되며, 예컨대 AC90∼260V의 전압이 인가된다. 그리고, 정류부(100)는 입력된 AC 전압을 맥류 파형의 직류전압으로 변환시킨다.

트랜스포머(T)는 정류부(100)로부터 직류전압을 입력받아 2차측 코일에 소정의 전압을 유기시킨다.

정류용 다이오드(D) 및 평활용 콘덴서(C)는 트랜스포머(T)의 2차측 코일에 유기된 전압을 정류 및 평활하여 소정의 직류전압(V_out)을 출력한다.

스위칭부(Q)는 FET와 같은 스위칭 소자로 구성되어, 제어부(101)로부터 출력되는 PWM 제어신호에 의해 온/오프 시간이 제어된다. 따라서, 스위칭부(Q)는 제어부(101)로부터 출력되는 PWM 신호에 의해 트랜스포머(T)의 동작을 스위칭 시켜준다.

제어부(101)는 정류용 다이오드(D) 및 평활용 콘덴서(C)를 거쳐 출력되는 전압(V_out)을 감지하여 듀티비가 조정된 PWM 신호를 스위칭부(Q)로 출력한다. 이때 제어부(101)는 입력전압 및 입력전압을 감지하고, 입력전압 보다 승압된 출력전압을 발생시키기 위한 고정된 PWM 신호를 스위칭부(Q)로 출력한다.

이러한 부스트 컨버터 전원 공급장치의 설명이 미국 특허 공보 제6,175,218호에 기재되어 있다.

부스트 컨버터 전원 공급 장치는 크게 출력전압 고정방식 및 출력전압을 입력전압에 따라 선형적으로 변동시키는 방식으로 분류된다.

출력전압 고정방식은 부스트 컨버터가 일반적인 AC 입력전압 PFC(Power factor correction)용으로 사용될 경우에는 출력전압을 모든 AC 입력전압에 대응 가능하도록 DC 375V∼400V 정도로 고정 출력을 발생한다. 그러나, 낮은 AC 입력전압에 대해서도 고정적으로 높은 출력전압을 발생해야 하기 때문에 스위칭 소자에서 많은 스위칭 손실이 발생하여 효율을 저하시키는 문제점이 발생한다. 또한 출력전압이 고정되어 있기 때문에 AC 입력전압이 불안정하여 300V 이상 입력되는 경우, 그 지역 또는 국가용 전원 제품은 재 설계되어야 하는 문제점이 발생한다.

출력전압을 입력전압에 따라 선형적으로 변동시키는 방식은 고정된 높은 출력전압에 따른 스위칭 손실 문제는 해결되나, 낮은 AC 입력전압에 대해 출력전압이 지나치게 낮아져서 출력 콘덴서(C)에 저장된 에너지가 작아지므로 홀드-업 타임이 작아져 긴 홀드-업 타임이 요구되는 제품군(특히 영상제품)에서는 전원 공급 문제점이 발생한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 부스트 컨버터의 출력전압을 입력전압에 따라 조정하여 스위칭 소자의 전원 손실을 줄이고, 낮은 AC 입력전압에서도 홀드-업 타임을 조정하며, 입력전압이 불안정한 국가 및 지역에 대해 전원의 재 설계가 필요 없는 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 부스트 컨버터 전원 공급 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.

도 2는 본 발명에 따른 부스트 컨버터 전원 공급 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.

도 3은 도 2가 적용된 일 실시 예에 따른 입력전압 대 출력전압을 나타내는 그래프이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 전원 공급 장치는 감지된 AC 입력전압과 기준 전압을 비교하여 제1∼제3 비교 결과 신호를 출력하는 비교부; 상기 제1∼제3 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 가변시키기 위한 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력하는 출력전압 조정부; 상기 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호에 따라 듀티비가 조정된 스위칭 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 스위칭 신호에 의해 트랜스포머의 2차측 코일로 유기된 입력전압을 정류 및 평활하여 소정 전압을 출력하는 출력부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 장치는 입력되는 AC 전압을 감지하여 상기 비교부로 출력하는 전압 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 비교부는 감지된 AC 입력전압이 제1 기준전압 이하인 경우, 제1 고정 출력전압 구간임을 나타내는 제1 비교결과 신호를 출력하고, 감지된 AC 입력전압이 제1 및 제2 기준전압 사이인 경우, 선형 출력전압 구간임을 나타내는 제2 비교결과 신호를 출력하고, 감지된 AC 입력전압이 제2 기준전압 이상인 경우, 제2 고정 출력전압 구간임을 나타내는 제3 비교결과 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 비교결과 신호를 증폭하는 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 출력전압 조정부는 상기 제1 및 제3 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 각각 다른 소정의 고정 전압 레벨로 가변하는 제1 및 제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력하고, 상기 제2 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 소정의 선형 전압 레벨로 가변하는 제2 출력전압 레벨 조정신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1∼제3 출력전압은 요구되는 홀드-업 타임, 사용 국가, 지역의 전압 사정 및 전원의 효율을 고려해서 결정되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 부스트 컨버터 전원 공급 장치의 구성을 보이는 블록도로서, 정류부(200), 전압 감지부(201), 비교부(202), 출력전압 조정부(203), 제어부(204), 정류용 다이오드(D) 및 평활용 콘덴서(C)를 포함하는 출력부(205), 트랜스포머(T), 스위칭부(Q)로 구성된다.

도 3은 도 2가 적용된 일 실시 예에 따른 입력전압 대 출력전압을 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시된 출력전압 가변치인 340∼420V는 일 실시 예로써 설정된 것이므로, 어플리케이션에 따라 출력 전압은 임의 조정이 가능하다.

이어서, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

정류부(200)는 외부로부터의 교류전압을 직류전압으로 정류하여 직류전압을 트랜스포머(T)의 1차측 코일로 출력한다. 정류부(200)는 브리지 다이오드 회로로 구성되며, 예컨대 AC90∼260V의 전압이 인가된다. 그리고, 정류부(200)는 입력된 AC 전압을 맥류 파형의 직류전압으로 변환시킨다.

트랜스포머(T)는 정류부(200)로부터 직류전압을 입력받고, 스위칭부(Q)로부터 인가되는 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되어 트랜스포머(T)의 2차측 코일에 소정 전압을 유기시킨다.

전압 감지부(201)는 입력되는 교류전압을 감지한다. 전압 감지부(201)는 콘덴서(미도시)로 구성되어 AC 입력전압을 감지한다.

비교부(202)는 전압 감지부(201)에서 감지된 AC 입력전압과 기준 전압을 비교하여 제1∼제3 비교 결과 신호를 출력한다.

감지된 AC 입력전압이 제1 기준전압 이하인 경우, 비교부(202)는 제1 고정 출력전압 구간임을 나타내는 제1 비교결과 신호를 출력한다. 도 3을 참조하면 제1 고정 출력전압 구간은 'A' 구간이다. 예를 들어, 전압 감지부(201)가 0∼220V의 AC 입력전압을 감지하면, 비교부(202)는 제1 기준값과 감지된 AC 입력전압을 비교하고, 제1 고정 출력전압 구간을 나타내는 제1 비교 결과 신호를 출력한다.

감지된 AC 입력전압이 제1 기준전압 및 제2 기준전압 사이인 경우, 비교부(202)는 선형 출력전압 구간임을 나타내는 제2 비교결과 신호를 출력한다. 도 3을 참조하면 선형 출력전압 구간은 'B' 구간이다. 예를 들어, 전압 감지부(201)가 220V∼300V의 AC 입력전압을 감지하면, 비교부(202)는 제1 기준값 및 제2 기준값과 감지된 AC 입력전압을 비교하고, 선형 출력전압 구간을 나타내는 제2 비교 결과 신호를 출력한다. 도시되지는 않았지만 증폭부가 구비되어 제2 비교 결과 신호를 일정 레벨 이상으로 증폭하여 출력한다.

감지된 AC 입력전압이 제3 기준전압 이하인 경우, 비교부(202)는 제2 고정 출력전압 구간임을 나타내는 제3 비교결과 신호를 출력한다. 도 3을 참조하면 제2고정 출력전압 구간은 'C' 구간이다. 예를 들어, 전압 감지부(201)가 300V 이상의 AC 입력전압을 감지하면, 비교부(202)는 제2 기준값과 감지된 AC 입력전압을 비교하고, 제2 고정 출력전압 구간을 나타내는 제3 비교 결과 신호를 출력한다.

출력전압 조정부(203)는 피드백된 출력전압 신호와 비교부(202)로부터 수신된 제1∼제3 비교 결과 신호에 따라 출력전압 레벨을 가변 시키기 위한 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다.

출력전압 조정부(203)는 내부의 Divided 저항들(미도시)을 조정하여 제1 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 소정의 고정 전압 레벨로 가변하는 제1 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다. 일 실시 예로 도 3을 참조하면, AC 입력전압이 0∼220V일 때 출력전압이 340V가 출력되도록 제1 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다. 도 3에 도시된 출력전압 가변치인 340∼420V는 일 실시 예로써 설정된 것이며, 어플리케이션에 따라 출력전압은 임의 조정이 가능하다.

출력전압 조정부(203)는 내부의 Divided 저항들(미도시) 조정하여 제2 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 소정의 고정 전압 레벨로 가변하는 제2 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다. 일 실시 예로 도 3을 참조하면, AC 입력전압이 220V∼300V일 때 출력전압이 입력전압×1.414+10∼20V로 가변되어 출력되도록 제2 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다.

출력전압 조정부(203)는 내부의 Divided 저항들(미도시)을 조정하여 제3 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 소정의 선형 전압 레벨로 가변하는 제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다. 일 실시 예로 도 3을 참조하면, AC 입력전압이 300V 이상일 때 출력전압이 420V가 출력되도록 제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력한다.

제어부(204)는 출력전압 조정부(203)에서 출력되는 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호를 수신하여 듀티비가 조정된 PWM 신호를 스위칭부(Q)로 출력한다. 도 3을 참조하면 제어부(204)는 제1 출력전압 레벨 조정신호를 수신하여 고정전압인 340V의 출력전압을 발생시키기 위한 PWM 신호를 스위칭부(Q)로 출력한다. 또한 제어부(204)는 제2 출력전압 레벨 조정신호를 수신하여 선형전압인 340V∼420의 출력전압을 발생시키기 위한 PWM 신호를 스위칭부(Q)로 출력한다. 또한 제어부(204)는 제3 출력전압 레벨 조정신호를 수신하여 420V의 출력전압을 발생시키기 위한 PWM 신호를 스위칭부(Q)로 출력한다. A, B, C 각 구간의 출력전압은 요구되는 홀드-업 타임, 사용 국가, 지역의 전압 사정 및 전원의 효율을 고려해서 결정한다.

스위칭부(Q)는 FET와 같은 스위칭 소자(Q1)로 구성되어, 제어부(204)로부터 출력되는 PWM 제어신호에 의해 온/오프 시간이 제어된다. 따라서, 스위칭부(Q)는 제어부(204)로부터 출력되는 PWM 신호에 의해 트랜스포머(T)의 동작을 스위칭 시켜준다.

출력부(205)는 트랜스포머(T)의 2차측 코일에 유기된 전압들을 정류 및 평활하여 소정의 전압을 출력한다. 출력부(205)는 트랜스포머(T)의 2차측 코일에 유기된 전압들을 정류 및 평활시켜 주기 위한 정류용 다이오드(D)와 평활용 콘덴서(C)를 구비한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다.본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 부스트 컨버터의 출력전압을 입력전압에 따라 조정함으로써 스위칭 소자의 전원 손실을 줄여 효율을 향상시킬 수 있고, 낮은 AC 입력전압에서도 홀드-업 타임을 조정할 수 있으며, 입력전압이 불안정한 국가 및 지역에 대해 전원의 재 설계 없이 대응이 가능한 효과를 창출한다.

Claims

감지된 AC 입력전압과 기준 전압을 비교하여 제1∼제3 비교 결과 신호를 출력하는 비교부;

상기 제1∼제3 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 가변시키기 위한 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력하는 출력전압 조정부;

상기 제1∼제3 출력전압 레벨 조정 신호에 따라 듀티비가 조정된 스위칭 신호를 출력하는 제어부; 및

상기 스위칭 신호에 의해 트랜스포머의 2차측 코일로 유기된 입력전압을 정류 및 평활하여 소정 전압을 출력하는 출력부를 포함하는 전원 공급장치.
제 1항에 있어서, 상기 장치는

입력되는 AC 전압을 감지하여 상기 비교부로 출력하는 전압 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
제 1항에 있어서, 상기 비교부는

감지된 AC 입력전압이 제1 기준전압 이하인 경우, 제1 고정 출력전압 구간임을 나타내는 제1 비교결과 신호를 출력하고,

감지된 AC 입력전압이 제1 및 제2 기준전압 사이인 경우, 선형 출력전압 구간임을 나타내는 제2 비교결과 신호를 출력하고,

감지된 AC 입력전압이 제2 기준전압 이상인 경우, 제2 고정 출력전압 구간임을 나타내는 제3 비교결과 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
제 3항에 있어서,

상기 제2 비교결과 신호를 증폭하는 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급 장치.
제 1항에 있어서, 상기 출력전압 조정부는

상기 제1 및 제3 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 각각 다른 소정의 고정 전압 레벨로 가변하는 제1 및 제3 출력전압 레벨 조정 신호를 출력하고,

상기 제2 비교 결과 신호에 따라 피드백된 출력전압 레벨을 소정의 선형 전압 레벨로 가변하는 제2 출력전압 레벨 조정신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
제 5항에 있어서, 상기 제1∼제3 출력전압은 요구되는 홀드-업 타임, 사용 국가, 지역의 전압 사정 및 전원의 효율을 고려해서 결정되는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.