KR200412051Y1 - 전원공급장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전원공급장치에 관한 것으로, 특히 보호 계전기의 제어 전원부 회로인 스위칭모드 파워 서플라이(SMPS: Switching mode power supply)의 스위칭 특성을 보완하여 불안한 외부 전원 환경에서도 안정적인 전원을 공급할 수 있도록 한 전원공급장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 고안은 인가 전원 AC 또는 DC의 노이즈를 차단하는 노이즈 필터부와; 상기 노이즈 필터부의 출력전원을 정류하는 정류부와; 상기 정류부에 의해 정류된 전원의 크기에 따라 스위칭하여 펄스폭 변조하는 스위칭 회로부와; 상기 스위칭 회로부의 출력전압을 소정 레벨의 전압으로 변압하여 출력하는 변압기와; 상기 변압기의 출력전압을 입력받아 각기 다른 소정레벨의 전압을 출력하는 전압출력부로 구성된다.

Description

전원공급장치{POWER SUPPLY APPARATUS}

도 1은 종래 SMPS의 구성을 설명하기 위한 구성도.

도 2는 도 1에 있어, 스위칭 회로부의 내부 구성을 보인 회로도.

도 3은 본 고안의 실시예에 따른 SMPS의 구성을 설명하기 위한 구성도.

도 4는 도 3에 있어, 스위칭 회로부의 내부 구성을 보인 회로도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

31: 노이즈 필터부 32: 정류부

33: 저전압 확인부 34: 스위칭 회로부

34a: 구동바이어스부 34b,34c: 제1,제2 전압차단부

34d: 스위치부 34e,34f: 제1, 제2 전류제한부

35: 변압기 36,37,38: 5V,12V,24V회로부

본 고안은 전원공급장치에 관한 것으로, 특히 보호 계전기의 제어 전원부 회로인 스위칭모드 파워 서플라이(SMPS: Switching mode power supply)의 스위칭 특성을 보완하여 불안한 외부 전원 환경에서도 안정적인 전원을 공급할 수 있도록 한 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전력계통에서는 급전선, 모터, 변압기 등을 보호하기 위해 여러가지 보호 계전기를 사용하고 있다.

보호 계전기(protective relay)는 기계식(유도형)과 디지털 방식으로 구분된다. 우선, 디지털 보호 계전기는 계전기의 기능뿐만 아니라 통신, 디지털 입출력 접점 등이 복합적으로 구성되어 있다. 또한 디지털 방식으로 발전하면서 내부 구성들이 디지털 회로를 사용하는 방식으로 구성되고 이 회로를 구동하기 위해서는 외부 전원에 대해 5V,12V,24V 등을 얻을 수 있는 스위치(SWITCH)방식의 전원공급장치인 SMPS전원회로를 가져야 한다.

상기 SMPS란 외부 AC 및 DC100~250 전원을 회로 내부에서 주파수를 변조시킨후 이를 트랜지스터를 통해 스위칭하여 원하는 출력 전압을 얻어내는 방식이다. 이러한 종래의 SMPS에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 SMPS의 구성을 설명하기 위한 구성도이다.

상기 도 1을 참조하면, 입력측에 노이즈(서지(surge), 임펄스 등)를 차단하는 노이즈 필터부(11)와; 상기 노이즈 필터부(11)의 출력 AC와 DC전원을 공용으로 쓸 수 있도록 하는 정류부(12)와; 상기 정류부(12)의 출력전원이 특정전압이하로 낮아질 경우를 확인하는 저전압 확인부(13)와; 상기 정류부(12)에 의해 정류된 전원 및 직류 전원을 스위칭하여 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 시켜주는 스위칭 회로부(14)와; 상기 스위칭 회로부(14)의 출력전압을 소정 레벨의 전압으로 변압하여 출력하는 변압기(15)와; 상기 변압기(15)의 출력전압을 입력받아 5V,12V,24V출력전압을 조절하는 5V,12V,24V회로부(16,17,18)로 구성된다. 여기서, 상기 스위칭 회로부(14)는 스위칭 회로부를 제어하는 제어부를 포함한다. 또한 상기 5V,12V,24V회로부(16,17,18)는 각기 다른 소정레벨의 전압을 출력하는 전압출력부인 것이다.

상기 도 1을 참조하여 종래의 SMPS의 동작을 살펴보면, 외부에서 AC/DC 100~250V의 전압이 인가되면, 우선 노이즈 필터부(11)를 통해 외부 노이즈를 차단하거나 FG(Frame Ground)로 방출시켜 내부 회로를 보호한다. 그리고 정류부(12)를 통해 AC전원을 정류시켜 DC전원과 같은 전압으로 변환시킨다. 상기 정류부(12)에서는 다이오드(diode)로 반파를 형성하고, 커패시터(capacitor)로 충방전을 반복하면서 반파를 정류시킨다. 그러면, 상기 정류부(12)에 의해 정류된 전원은 스위칭 회로부(14)에 입력되어 일정전압의 펄스(pulse) 형태로 변형되어 특정 주파수를 갖게 된다.

여기서, 상기 정류부(12)에서 출력되어 스위칭 회로부(14)로 입력되는 전압이 일정전압 이하로 낮아질 경우에 대비하여 만일의 사고에 대해 감시역할을 하는 저전압 확인부(13)를 구비한다.

이후 상기 스위칭 회로부(14)의 출력전압은 변압기(15)에 의해 변압되어 5V,12V,24V 회로부(16,17,18)에 입력되고, 상기 5V,12V,24V 회로부(16,17,18)는 해당 전압(5V,12V,24V)이 안정적으로 출력될 수 있도록 한다. 상기 5V회로부(16)에서는 필요한 용량을 계산하고 부담을 측정하여 가변저항으로 5V를 조절하도록 한다.

상기 12V회로부(17)에서는 정류 및 레귤레이터(Regulator)를 구성하여 안정 적으로 전압을 얻고 때에 따라 -12V도 얻을 수 있다. 상기 24V회로부(18)에서는 정류 커패시터(capacitor)를 사용하여 되도록 안정적인 전압이 출력되도록 한다.

한편, 상술한 5V,12V,24V의 전압은 펄스폭 변조하는 스위칭 회로부(14)의 출력전압이 변압기(15)에 의해 변압되므로서 가능한 것이다. 이에 상기 스위칭 회로부(14)와 변압기(14)의 동작설명을 첨부된 도 2를 참조하여 설명한다.

스위칭 회로부(14)는 구동바이어스부(14a), 제1 전류제한부(14b), 스위치부(14c), 제2, 제3 전류제한부(14d,14e)로 구성된다.

그래서, 상기 구동바이어스부(14a) 및 상기 제1 전류제한부(14b)를 지나 상기 스위치부(14c)의 R-START저항을 통해 Q1의 베이스에 전류가 인가된다.

그러면, 상기 Q1이 도통 되면서 변압기(15)의 Vn전압이 상승한다. 이 Vn전압 상승에 의해 제3 전류제한부(14e)의 R7,R8를 통해 Q1의 베이스 전류가 충분히 인가된다.

상기 Vn 전압이 상승하여 스위치부(14c)의 R2,D3,R9를 통해 C2에 전압이 충전되게 되고, 상기 변압기(15)에는 입력 에너지가 전류 형태로 저장된다.

이후, 스위치부(14c)의 C2의 전압이 Q2를 동작시킬 수 있는 전압 0.7V가 되었을 때, Q2가 도통상태가 되어, Q1의 베이스 전류는 끊어지게 되어 Q1이 오프된다.

상기 Q1이 오프되면, 변압기(15)는 ON되는 기간동안 저장된 전류 에너지에 의해 반대 방향으로 역기전력을 발생하게 된다. 이 역기전력이 출력 C3의 전압과 같아졌을때 D4가 도통되며, 그 전압은 출력 전압으로 제한된다. 이에, 상기 변압기 (15)에 같이 권선되어 있는 Vn의 전압은 (-)전압이 되며, R-START저항을 통해 인가되는 전류는 C1을 충전하며 R7,R8를 통해 -Vn으로 흐르게 된다. 또한, C2의 전압은 R2,D3,R9를 통해 -Vn으로 전류가 흐르게 되어 점점 내려가게 된다.

이후, 변압기(15)의 에너지가 2차측으로 모두 넘어가게 되면, 변압기(15)의 역기전력은 0이 된다. 이는 Vn이 (-) 에서 '0'이 된다는 것을 의미한다. Vn이 '0'이 되면, 스위치부(14c)의 오프 기간동안 C1에 충전된 전압은 Q1에 충분한 베이스 전류를 인가한다.

그러면 다시 Q1은 도통 되게 되고, Vn 전압은 상승하며 C2의 전압을 다시 충전시키는 동작을 수행한다. 이러한 Q1,Q2가 온/오프를 반복하면서 인가되는 전압에 따라 특정한 주파수를 갖고 이 주파수 신호가 변압기(15)에서 일정 출력값으로 출력을 내보내게 된다.

그러나, 종래 전원공급장치는 외부의 전원이 어떠한 이유로 서서히 내려가거나 낮은 전압을 계속적으로 유지할 경우, 일정한 부담을 가지고 있는 제품에서는 5V전압을 유지하지 못하는 현상이 발생하는 문제점이 있었다. 즉 입력전압이 낮아지게 되면 최대 전력은 떨어지게 되는데 부담은 일정하고 부담에 따라 소비 전류도 일정해야 하므로 5V전압 당연히 낮아지게 된다. 이로 인해 5V가 3~4V까지 떨어지게 되면 디지털 제품 내부 회로를 구성하고 있는 집적회로(IC)마다 이 전압값을 고전위(high) 및 저전위(low)로 인식하는 경우가 달라 내부의 데이터들의 소손이 발생한다.

따라서, 본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 보호 계전기의 제어 전원부 회로인 SMPS의 스위칭 특성을 보완하여 불안한 외부 전원 환경에서도 안정적인 전원을 공급할 수 있도록 한 전원공급장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 인가 교류 전원의 노이즈를 제거하고 노이즈가 제거된 교류 전원 출력을 제공하는 노이즈 필터부와;

상기 노이즈 필터부의 전원출력을 정류하여 직류 전원 출력을 제공하는 정류부와;

상기 정류부로부터의 직류 전원 출력이 서서히 증가하게 되면, 이를 감지하고 일정 전압 이하를 차단하는 제1 전압 차단부와;

상기 정류부로부터의 직류 전원 출력이 서서히 감소하게 되면, 이를 감지하고 일정전압 이하를 차단하는 제2 전압 차단부와;

상기 제1, 제2 전압 차단부의 출력전압을 스위칭하여 펄스폭 변조하여 출력하는 스위치부와;

상기 스위치부가 소정레벨의 전압에 따라 스위칭되게 전류를 제한하며 공급하는 제1, 제2 전류제한부로 구성 스위칭 회로부와;

상기 스위칭 회로부의 출력전압을 소정 레벨의 전압으로 변압하여 출력하는 변압기와;

상기 변압기의 출력전압을 입력받아 각기 다른 소정레벨의 전압을 출력하는 전압출력부로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

하기의 설명에서는 본 고안에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 고안의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

하기의 설명에서 본 고안의 전원공급장치에 따른 특정 상세들이 본 고안의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있다. 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 고안이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

우선 본 고안의 동작설명에 앞서, 본 고안에서는 스위칭부의 스위칭 집적회로를 사용하여 주파수를 변환시켜주는 펄스폭 변조(PWM; pulse width modulation) 방식으로 전원 이용률을 극대화하여 고효율과 출력 전원에 대해 안정도가 있지만 불안정한 외부 전원에 대해서는 안정적인 출력전원을 얻어내지 못해 개선 회로를 구성함으로써, 좀 더 안정적인 출력전원을 얻어내고 이로 인해 디지털 보호 계전기의 안정적인 동작을 수행한다.

이에, 본 고안의 기본적인 동작은 외부 인가되는 전압의 크기에 따라 SMPS의 스위칭 회로부의 구동 전류를 차단하거나 도통시키는 원리이다.

이러한 본 고안은 종래의 도 1과 같은 SMPS의 구성을 갖게 된다. 그러나, 그 SMPS의 구성중 스위칭 회로부(14)의 내부 구성만이 다르므로, 하기에서는 이에 대 해 좀더 상세한 설명을 한다.

도 3은 본 고안의 실시예에 따른 SMPS의 구성을 설명하기 위한 구성도이다.

상기 도 3을 참조하면, 인가되는 전원AC 또는 DC의 노이즈(서지(surge), 임펄스 등)를 차단하는 노이즈 필터부(31)와; 상기 노이즈 필터부(31)의 출력전원을 정류하는 정류부(32)와; 상기 정류부(32)의 출력전원이 특정전압이하로 낮아질 경우를 확인하고, 그 확인결과에 따라 기기의 사고를 감시하는 저전압 확인부(33)와; 상기 정류부(32)에 의해 정류된 전원 및 직류 전원의 크기에 따라 스위칭하여 펄스폭 변조하는 스위칭 회로부(34)와; 상기 스위칭 회로부(34)의 출력전압을 소정 레벨의 전압으로 변압하여 출력하는 변압기(35)와; 상기 변압기(35)의 출력전압을 입력받아 5V,12V,24V출력전압을 조절하는 5V,12V,24V회로부(36,37,38)로 구성된다. 여기서, 상기 스위칭 회로부(34)는 스위칭 회로부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있으며, 상기 5V,12V,24V회로부(36,37,38)는 각기 다른 소정레벨의 전압을 출력하는 전압출력부인 것이다.

여기서 상기 스위칭 회로부(44)의 내부 구성은 도 4에 도시된 바와 같은 회로구성을 갖으며, 다음과 같은 동작 및 작용을 수행한다.

우선, 스위칭 회로부(34)는 구동바이어스부(34a), 제1,제2 전압 차단부(34b,34c), 스위치부(34d), 제1, 제2 전류제한부(34e,34f)로 구성된다.

그래서, 상기 스위칭 회로부(34)는 외부 전원이 서서히 증가하게 되면, 구동바이어스부(34a)를 거쳐 제1 전압 차단부(34b)로 인가되는 전압을 그 제1 전압 차단부(34b)에서 감지하여 일정 전압이하의 값은 차단한다. 상기 제1 전압 차단부 (44b)는 제너 다이오드(Z1)의 역바이어스를 이용하여 제너 전압값을 설정하고, 그 제너 전압값 이하의 전압에서는 전류를 차단한다. 그러면, 스위치부(34d)에는 전류가 인가되지 않게 되어 외부의 낮은 전압에 의해 내부 5V가 불안정하지 않도록 5V전압 자체를 차단시킨다.

또한 정상적인 외부 전원이 서서히 감소하게 되면, 제2 전압 차단부(34c)에서 이를 감지하고 일정 전압 이하의 값은 차단하게 된다. 상기 제2 전압 차단부(34c)는 제너 다이오드(Z2)와 2개의 트랜지스터(npn형)를 사용하여 제1 전압 차단부(34b)의 역으로 이용한 원리이다.

상기 제2 전압 차단부(34c)는 정상적인 외부 전원에서 제너다이오드(Z2)에 제너 전압값 이상의 역바이어스를 걸어주게 되어 전류가 도통된다. 그래서 전류가 도통되면 Q1의 트랜지스터의 베이스에 전류가 인가되므로 Q1은 도통상태가 된다.

그러면 Q2의 베이스에 전류가 차단되어 Q2는 오프상태가 되고 스위치부(34d)측으로 전류가 인가되지 않게 된다.

만일 어떠한 이유에서 외부 전원이 정상상태에서 서서히 감소하게 되어 제너 다이오드(Z2)의 제너 전압값 이하로 저전압이 발생될 경우, 그 제너 다이오드(Z2)에 흐르던 전류는 차단되어 Q1의 베이스에 전류를 인가하지 못한다. 그러면 Q2의 베이스에 있는 저항(R2)에 의해 전류가 흘러 베이스에 전류를 도통시켜 주고 이것에 의해 Q2는 온상태가 되어 스위치부(34d)의 구동전류를 차단하게 되어 전체적인 내부 전원은 차단되어 오프상태로 변경한다.

만일 정상적인 외부 전원이 지속적으로 유지될 경우에는 이전의 동작상태를 유지하고 스위칭 회로부(34)에서 변환된 신호는 변압기(35)를 통해 5V,12V,24V 회로부(36,37,38)의 입력전압으로 출력된다.

그러면, 5V회로부(36)에서는 필요한 용량을 계산하여 부담을 측정하여 가변저항으로 5V를 조절하도록 한다.

또한 12V회로부(37)에서는 정류 및 레귤레이터를 구성하여 안정적인 전압을 얻고 때에 따라 -12V도 얻을 수 있다. 또한 24V회로부(38)에서는 정류 커패시터를 사용하여 되도록 안정적인 전압이 출력되도록 한다.

한편 본 고안의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 고안의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 고안의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 고안은 외부 전원이 서서히 증가하고 있는 중에 일정 전압이상의 전압일 경우에 대해서만 전원공급장치의 스위칭 회로부를 동작시킴으로써, 서서히 전압이 상승하지 않고 순간적으로 턴온되고, 일정 전압 이하로 전압이 낮아질 경우, 서서히 전압이 떨어지지 않고 순간적으로 턴오프됨으로써, 안정적으로 스위칭회로부가 5V의 출력전압을 유지할 수 있어 스위칭 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한 안정적으로 스위칭회로부가 5V의 출력전압을 유지할 수 있도록 스위칭 특성을 개선할 수 있도록 함으로써, 데이터 소손을 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 인가 교류 전원의 노이즈를 제거하고 노이즈가 제거된 교류 전원 출력을 제공하는 노이즈 필터부와;

   상기 노이즈 필터부의 전원출력을 정류하여 직류 전원 출력을 제공하는 정류부와;

   상기 정류부로부터의 직류 전원 출력이 서서히 증가하게 되면, 이를 감지하고 일정 전압 이하를 차단하는 제1 전압 차단부와;

   상기 정류부로부터의 직류 전원 출력이 서서히 감소하게 되면, 이를 감지하고 일정전압 이하를 차단하는 제2 전압 차단부와;

   상기 제1, 제2 전압 차단부의 출력전압을 스위칭하여 펄스폭 변조하여 출력하는 스위치부와;

   상기 스위치부가 소정레벨의 전압에 따라 스위칭되게 전류를 제한하며 공급하는 제1, 제2 전류제한부로 구성 스위칭 회로부와;

   상기 스위칭 회로부의 출력전압을 소정 레벨의 전압으로 변압하여 출력하는 변압기와;

   상기 변압기의 출력전압을 입력받아 각기 다른 소정레벨의 전압을 출력하는 전압출력부로 구성된 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 전압 차단부는,

   제너 다이오드의 역바이어스를 이용하여 제너 전압값을 설정하여 제너 전압 이하의 전압에서는 전류를 차단하게 구성된 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 제2 전압 차단부는,

   제너 다이오드와 제1,제2 트랜지스터로 구비되어, 제너 다이오드에 제너 다이오드값 이상의 역바이어스의 발생에 따라 제1 트랜지스터가 온되고, 이에 따라 제2 트랜지스터가 오프되어 스위칭 회로부가 일정레벨의 전압을 출력하고,

   상기 제너 다이오드에 제너 다이오드값 이하의 역바이어스의 발생에 따라 상기 제1 트랜지스터가 오프되고, 이에 따라 상기 제2 트랜지스터가 온되어 스위칭 회로부가 동작하지 않게 구성된 것을 특징으로 하는 전원공급장치.

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