KR20050118423A - 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터 - Google Patents

동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트랜스포머의 2차측 전압을 검출하여 설정 로드 이하의 미니 로드 상태를 검출하여, 미니 로드 상태에서 역전류의 발생을 방지하도록 구현한 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 가변 주파수 플라이백 컨버터는, 1차권선(L1)과의 권선비로 제1 유기 전압(VL1) 및 제2 유기 전압(VL2)을 제공하는 2차 구동용 권선(L21) 및 2차측 검출용 권선(L22)을 포함하는 플라이백 트랜스포머(100); 상기 제2 유기 전압(VL2)을 검출하는 전압 검출부(200); 상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압 크기에 따라, 미니 로드 여부를 판단하여 제1 스위칭신호(S1)를 출력하는 스위칭 제어부(300); 상기 제2 유기 전압(VL2) 및 제1 스위칭신호(S1)에 따라, 상기 제2 유기 전압(VL2)의 공급을 스위칭하는 제1 스위치부(SW1); 및 상기 2차측 구동용 권선(L21)에 연결된 전압 출력측 라인 또는 접지측 라인중 어느 하나의 라인에 연결된 소오스 및 드레인과, 상기 제1 스위치부(SW1)에 연결된 게이트를 포함하는 동기 정류기(SR)를 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터{FLYBACK CONVERTER WITH SYNCHRONOUS RECTIFYING FUNCTION}
본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply, 이하 SMPS라 한다) 등의 전원장치에 적용되는 플라이백 컨버터에 관한 것으로, 특히 트랜스포머의 2차측 전압을 검출하여 설정 로드 이하의 미니 로드 상태를 검출하여, 미니 로드 상태에서 역전류의 발생을 방지하도록 구현함으로써, 무부하 상태 등의 미니 로드 상태에서 전력소모를 줄일 수 있는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 전원장치는 외부로부터 공급되는 전원을 컴퓨터, 컬러 TV, 비디오 카트리지 녹화기(VCR), 교환기, 무선 통신 기기 등 각종 전기 기기에 맞도록 변환시켜 주는 모듈형의 전원 공급 장치로서, 반도체 스위칭 특성을 이용해 상용 주파수 이상의 고주파에 단속 제어를 하고 충격을 완화시켜 주는 역할을 수행한다.
이러한 전원 공급 장치는 크게 리니어 파워 서플라이(linear power supply)와 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS)로 구분되는데, 1990년대에 들어서 리니어 방식보다 소형화에 유리하고 효율이 높아서 전자 제품의 경량/소형화에 적합한 SMPS가 전자 제품의 주력 전원 공급 장치로서 자리 잡고 있다.
통상, SMPS는 회로 방식 및 입출력 전원의 종류에 따라 여러 가지로 구분되는데, 회로 방식 가운데 최신 기술로 꼽히는 것은 공진형(resonant) 방식이고, 전원의 종류별로는 110V나 220V로 공급되는 AC 전기를 5~48V의 DC로 변환해 주는 AC/DC 컨버터와, 이를 다시 3.3~48V의 DC로 변환해 주는 DC/DC 컨버터가 가장 많이 쓰이고 있다.
이러한 SMPS는 경량화 및 소형화는 유리하지만, 스위칭 트랜지스터 등에서 발생하는 스위칭 잡음 및 전자파를 감쇄해야 하는 과제가 남아 있다.
또한, SMPS의 플라이백 컨버터중에는 로드상태(load state)에 따라 제로크로싱 스위칭을 위해 스위칭 주파수가 변하는 가변 주파수 플라이백 컨버터(Variable Frequency Flyback Converter)가 이용되는데, 이는 2차 전류의 제로크로싱을 검출하여 1차의 메인 스위치의 스위칭 타이밍을 제어하는데, 이러한 가변 주파수 플라이백 컨버터는 로드상태에 따라 스위칭 주파수가 가변된다.
즉, 로드가 크면 2차 전류도 크므로 제로크로싱되는 시점이 길어지므로 스위칭 주파수가 낮아지고, 이에 반해, 로드가 작으면 2차 전류도 작으므로 제로크로싱되는 시점이 짧아지므로 주파수가 높아진다.
그런데, 로드가 작은 미니 로드에서는 스위칭 주파수가 높아지고, 이에 따라 스위칭 노이즈가 증가되기 때문에, 미니 로드에서는 어느 정도까지 스위칭 노이즈의 증가를 방지하기 위해서 예를 들어 150kHz 등과 같이 상한 스위칭 주파수가 정해진다.
여기서, 노말로드와 미니 로드의 구별의 예로는, 스탭바이(standby) 모드에서의 부하를 미니 로드하고 할 수 있으며, 이 경우에, 무부하를 포함하여 3W 이하의 로드를 미니 로드로 정의될 수 있다.
이 경우, 미니 로드에서는 상한 스위칭 주파수가 정해져 있기 때문에, 1차 전류 및 2차 전류가 흐르지 않는 DCM(Discontinuous Conducting Mode) 구간이 존재하게 된다. 이러한 DCM 구간에서는 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 메인 스위치(MSW) 양단에 걸리는 전압이 2차로 모두 전달된 후, 1차 권선(L1)과 메인 스위치의 기생 커패시터에 의한 공진으로 인하여, 상기 DCM 구간에서 밸리(vally)가 발생된다. 이러한 밸리(vally)에 포함된 높은 전압은 역전류를 발생시키는 원인이 되므로, 역전류를 방지를 위한 방안이 필요하다.
이러한 SMPS에 적용되는 종래의 플라이백 컨버터는 도 1에 도시되어 있다.
도 1은 종래의 플라이백 컨버터의 회로도이다.
도 1에서, 싸이리스터(M1)의 게이트 턴온시, 입력전압은 트랜스포머의 1차측 권선에 축적된다. 이후, 싸이리스터(M1)의 게이트가 턴오프되면, 트랜스포머(T)의 2차측상의 2차 보조 권선(N1)의 음극은 양극 전압이 된다. 이 양극전압은 다이오드(D1) 및 저항(R1)을 통해 MOS 트랜지스터(SR)를 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 트랜스포머(T)의 2차측상의 1차 권선(NS)의 음극은 양극 전압이 되어 출력전압(Vout)이 제공된다.
이때, 전류 트랜스포머(TA)는 역전류를 검출하고 역전류 검출시 상기 전류 트랜스포머의 2차측상의 음극은 양극전압이 된다. 이 양극전압은 저항(R2)을 통해 제어가능 유니트(S1)를 턴온시킨다. 이에 따라, MOS 트랜지스터(SR)는 턴오프되어 역전류가 차단된다.
그러나, 이러한 종래의 플라이백 컨버터는 싸이리스터(M1)의 게이트가 턴온시에 상기 MOS 트랜지스터(SR)가 턴오프되어, 파워 소비를 다소 줄일 수 있지만, 무부하에서 MOS 트랜지스터(SR)는 여전히 상당한 파워 소모를 갖는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 트랜스포머의 2차측 전압을 검출하여 설정 로드 이하의 미니 로드 상태를 검출하여, 미니 로드 상태에서 역전류의 발생을 방지하도록 구현함으로써, 무부하 상태 등의 미니 로드 상태에서 전력소모를 줄일 수 있는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터는
입력전압에 연결된 1차 권선과, 상기 1차권선과의 권선비로 상기 입력전압에서 유기된 제1 유기 전압을 제공하는 2차측 구동용 권선과, 상기 1차권선과의 권선비로 상기 입력전압에서 유기된 제2 유기 전압을 제공하는 2차측 검출용 권선을 포함하는 플라이백 트랜스포머;
상기 제2 유기 전압을 검출하는 전압 검출부;
상기 전압 검출부에 의해 검출된 전압 크기에 따라, 설정 로드보다 낮은 미니 로드 여부를 판단하고, 미니 로드 판단 결과에 따라 제1 스위칭신호를 출력하는 스위칭 제어부;
상기 제2 유기 전압 및 상기 스위칭 제어부로부터의 제1 스위칭신호에 따라, 상기 제2 유기 전압의 공급을 스위칭하는 제1 스위치부; 및
상기 2차측 구동용 권선에 연결된 전압 출력측 라인 또는 접지측 라인중 어느 하나의 라인에 연결된 소오스 및 드레인과, 상기 제1 스위치부에 연결된 게이트를 포함하고, 상기 제1 스위치부와 연동하여 스위칭하는 동기 정류기
를 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 각 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이백 컨버터에 대해서 설명한다.
먼저, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라이백 컨버터의 회로도로서, 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이백 컨버터는 플라이백 트랜스포머(100), 전압 검출부(200), 스위칭 제어부(300), 제1 스위치부(SW1), 동기 정류기(SR), 전류 검출부(400) 및 제2 스위치부(SW2)를 포함한다.
상기 플라이백 트랜스포머(100)는 입력전압(Vin)에 연결된 1차 권선(L1)과, 상기 1차권선(L1)과의 권선비로 상기 입력전압(Vin)에서 유기된 제1 유기 전압(VL1)을 제공하는 2차측 구동용 권선(L21)과, 상기 1차권선(L1)과의 권선비로 상기 입력전압(Vin)에서 유기된 제2 유기 전압(VL2)을 제공하는 2차측 검출용 권선(L22)을 포함한다.
상기 전압 검출부(200)는 상기 제2 유기 전압(VL2)을 검출하기 위한 것으로, 이는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 2차 검출용 권선(L22)의 타단에 연결된 정류 다이오드(D1)와, 상기 정류 다이오드(D1)에서 정류된 전압을 평활하는 평활용 커패시터(C1)로 이루어질 수 있다.
상기 스위칭 제어부(300)는 상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압 크기에 따라, 설정 로드보다 낮은 미니 로드 여부를 판단하고, 미니 로드 판단 결과에 따라 제1 스위칭신호(S1)를 출력한다. 여기서, 노말 로드 상태에서는 스위칭온을 위한 제1 스위칭신호(S1)를 상기 제1 스위치부(SW1)에 출력하고, 반면, 미니 로드 판단시에는 스위칭오프를 위한 제1 스위칭신호(S1)를 상기 제1 스위치부(SW1)에 출력한다.
상기 제1 스위치부(SW1)는 상기 제2 유기 전압(VL2) 및 상기 스위칭 제어부(300)로부터의 제1 스위칭신호(S1)에 따라, 상기 제2 유기 전압(VL2)의 공급을 스위칭한다.
상기 동기 정류기(SR)는 상기 2차측 구동용 권선(L21)에 연결된 전압 출력측 라인에 연결된 소오스 및 드레인과, 상기 제1 스위치부(SW1)에 연결된 게이트를 포함하는 MOS 트랜지스터로 이루어지고, 상기 제1 스위치부(SW1)와 연동하여 스위칭한다.
상기 전류 검출부(400)는 상기 2차측 구동용 권선(L21)과 상기 동기 정류기(SR) 사이에 흐르는 역전류를 검출하여 제2 스위칭 신호(S2)를 출력한다.
상기 제2 스위치부(SW2)는 상기 2차측 구동용 권선(L21)에 연결된 전압 출력측 라인과 상기 동기 정류기(SR)의 게이트 사이에 연결되고, 상기 전류 검출부(400)로부터의 제2 스위칭 신호(S2)에 따라 온/오프 스위칭된다.
도 3은 도 2의 플라이백 컨버터의 상세 회로도로서, 도 3을 참조하여 스위칭 제어부(300)에 대한 구체적인 회로 구성을 설명한다.
도 3에서, 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 1차권선(L1)은 입력전압(Vin)의 양극에 연결된 일단과, 상기 입력전압(Vin)의 음극에 메인 스위치(MSW)를 통해 연결된 타단을 포함한다. 상기 2차 구동용 권선(L21)은 접지(GND)에 연결된 일단과 전압 출력라인(LVO)에 연결된 타단을 포함하여, 상기 1차권선(L1)과의 권선비로 상기 입력전압(Vin)에서 유기된 제1 유기 전압(VL1)을 제공한다. 그리고, 상기 2차 검출용 권선(L22)은 상기 2차 구동용 권선(L21)의 타단에 연결된 일단과, 상기 전압 검출부(200)에 연결된 타단을 포함하여, 상기 1차권선(L1)과의 권선비로 상기 입력전압(Vin)에서 유기된 제2 유기 전압(VL2)을 제공한다.
도 3을 참조하면, 상기 스위칭 제어부(300)는 상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압(Vd)에 기인한 입력전압(VR2)과 사전에 설정된 기준전압(Vref)을 비교하여 상기 입력전압(VR2)이 기준전압(Vref)보다 낮으면 턴오프되는 션트 레귤레이터(RT)와, 상기 션트 레귤레이터(RT)와 연동하여 턴오프되어, 상기 제1 스위치부(SW1)를 오프시키는 제1 트랜지스터(Q1)를 포함한다.
상기 제1 트랜지스터(Q1)는 저항(R3)을 통해 상기 전압 검출부(200)의 출력에 연결된 베이스와, 저항(R4)을 통해 상기 제2 스위치부(SW2)에 연결된 에미터단과, 전압 출력라인(LVO)에 연결된 컬렉터단을 포함하는 N타입 트랜지스터(Q1)로 이루어진다.
이때, 상기 션트 레귤레이터(RT)의 입력전압은 상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압(Vd)이 두 저항(R1,R2)에 의해 분할되고, 이 두 저항중 하나의 저항(R2) 양단에 걸리는 전압(VR2)이다. 여기서, 상기 저항(R2)에 걸리는 입력전압(VR2)은 미니 로드일 경우에는 기준전압(Vref)보다 낮은 전압이 되고, 노말 로드일 경우에는 기준전압(Vref)보다 높은 전압으로 설정된다.
또한, 상기 제1 스위치부(SW1)는 상기 2차 검출용 권선(L22)의 타단에 연결된 에미터단과, 상기 동기 정류기(SR)의 게이트단에 저항(R6)을 통해 연결된 컬렉터단과, 상기 2차 검출용 권선(L22)의 타단에 저항(R5)을 통해 연결되고, 상기 스위칭 제어부(300)의 N타입 트랜지스터(Q1)의 에미터단에 저항(R4)를 통해 연결된 베이스를 갖는 N타입 트랜지스터(Q2)로 이루어진다.
그리고, 상기 제2 스위치부(SW2)는 상기 동기 정류기(SR)의 게이트단에 연결된 소오스단과, 상기 전압 출력라인(LVO)에 연결된 드레인단과, 상기 전류 검출부(400)에 연결된 게이트단을 갖는 MOS 트랜지스터로 이루어진다.
도 4는 본 발명의 션트 레귤레이터의 등가회로도로서, 상기 션트 레귤레이터(RT)는 상기 기준전압(Vref)이 비반전 입력단에 연결되고, 상기 입력전압(VR2)이 반전단자에 연결된 비교기(CP)와, 상기 비교기(CP)의 출력에 따라 스위칭하는 N타입 트랜지스터(Q)로 이루어진다.
도 5는 본 발명의 션트 레귤레이터의 동작 특성 그래프로서, 도 5를 참조하면, 상기 션트 레귤레이터(RT)는 노말 로드 상태에서 상기 입력전압(VR2)이 기준전압(Vref)보다 높고 N타입 트랜지스터(Q1)가 턴온되고, 반면에, 미니 로드 상태에서 상기 입력전압(VR2)이 기준전압(Vref)보다 낮고 N타입 트랜지스터(Q1)가 턴오프된다.
도 6은 노말 로드 상태에서 본 발명의 주요 신호의 타임챠트이고, 도 7은 미니 로드 상태에서의 본 발명의 주요 신호의 타임챠트이다.
도 6 및 도 7에서, Vds는 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 메인 스위치(MSW) 양단에 걸리는 전압이고, VL1은 2차측 구동용 권선(L21)에 의해 유기된 전압이고, VL2는 2차측 검출용 권선(L22)에 의해 유기된 전압이고, VR2는 상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압(Vd)이 저항(R2)에 분할된 전압이고, Vb는 상기 제1 스위치부(SW1)의 스위칭 트랜지스터(Q2)의 베이스에 인가되는 전압이고, Vg는 상기 동기 정류기(SR)의 MOS 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압이고, I1은 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 1차 전류이다. 그리고, I2는 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 2차 전류이다.
도 8은 본 발명의 2차 전류 및 역전류 특성 그래프로서, 도 8에서, I2의 특성 그래프에서 점선은 역전류에 해당되는데, 본 발명에 의해서는, 역전류의 발생이 초기에 방지되는 것을 보이고 있다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이백 컨버터에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 회로도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시에에 따른 플라이백 컨버터는 플라이백 트랜스포머(100), 전압 검출부(200), 스위칭 제어부(300), 제1 스위치부(SW1), 동기 정류기(SR), 전류 검출부(400) 및 제2 스위치부(SW2)를 포함한다.
여기서, 본 발명의 제2실시예를 보이는 도 9의 회로를 본 발명의 제1 실시예를 보이는 도 2의 회로와 대비하면, 2차 구동용 권선(L21)과 2차 검출용 권선(L22)과의 연결위치, 상기 동기 정류기(SR) 및 전류 검출부(400)의 설치위치가 서로 다르며, 다른 나머지 구성요소는 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 상기 플라이백 트랜스포머(100)에서, 상기 2차 구동용 권선(L21)은 접지에 연결된 일단과 출력단에 연결된 타단을 포함하여, 상기 1차권선(L1)과의 권선비로 상기 입력전압(Vin)에서 유기된 제1 유기 전압(VL1)을 제공한다. 그리고, 상기 2차 검출용 권선(L22)은 상기 2차 구동용 권선(L21)의 일단에 연결된 타단과 상기 전압 검출부(200)에 연결된 일단을 포함하여, 상기 1차권선(L1)과의 권선비로 상기 입력전압(Vin)에서 유기된 제2 유기 전압(VL2)을 제공한다.
상기 전압 검출부(200)는 상기 제2 유기 전압(VL2)을 검출하도록 이루어진다.
상기 스위칭 제어부(300)는 상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압 크기에 따라, 설정 로드보다 낮은 미니 로드 여부를 판단하고, 미니 로드 판단 결과에 따라 제1 스위칭신호(S1)를 출력한다. 이때, 노말 로드 상태에서는 턴온을 위한 제1 스위칭신호(S1)를 상기 제1 스위치부(SW1)에 출력하고, 반면, 미니 로드 판단시에는 턴오프를 위한 제1 스위칭신호(S1)를 상기 제1 스위치부(SW1)에 출력한다.
여기서, 본 발명의 제2 실시예의 스위칭 제어부(300)는 상기 제1 실시예의 도 3에 보인 회로와 같이 구현될 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치부(SW1)는 상기 제2 유기 전압(VL2) 및 상기 스위칭 제어부(300)로부터의 제1 스위칭신호(S1)에 따라, 상기 제2 유기 전압(VL2)의 공급을 스위칭한다.
상기 동기 정류기(SR)는 상기 2차측 구동용 권선(L21)에 연결된 접지측 라인에 연결된 소오스 및 드레인과, 상기 제1 스위치부(SW1)에 연결된 게이트를 포함하는 MOS 트랜지스터로 이루어지고, 상기 제1 스위치부(SW1)와 연동하여 스위칭한다.
상기 전류 검출부(400)는 상기 2차측 구동용 권선(L21)과 상기 동기 정류기(SR) 사이에 흐르는 역전류를 검출하여 제2 스위칭 신호(S2)를 출력한다.
상기 제2 스위치부(SW2)는 상기 2차측 구동용 권선(L21)에 연결된 접지측 라인과 상기 동기 정류기(SR)의 게이트 사이에 연결되고, 상기 전류 검출부(400)로부터의 제2 스위칭 신호(S2)에 따라 온/오프 스위칭된다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 동작을 설명한다.
먼저, 본 발명의 제1 실시에에 따른 플라이백 컨버터의 플라이백 트랜스포머(100)에서, 노말로드상태 및 미니로드상태에 공통되는 동작에 대해서 설명한다.
도 2 및 도 3에서, 본 발명의 제1 실시에에 따른 플라이백 컨버터의 플라이백 트랜스포머(100)에서, 입력전압(Vin)이 1차 권선(L1)과 2차측 구동용 권선(L21)과의 권선비로 2차측 구동용 권선(L21)으로 유기되는 제1 유기 전압(VL1)이 제공된다. 또한, 상기 입력전압(Vin)이 1차 권선(L1)과 2차측 검출용 권선(L22)과의 권선비로 2차측 검출용 권선(L22)으로 유기되어 제2 유기 전압(VL22)이 제공된다.
한편, 상기 플라이백 트랜스포머(100)는 메인 스위칭신호(MS)에 따라 스위칭하는 메인스위치(MSW)의 동작에 따라서, 입력전압(Vin)이 1차 권선에서 2차측 구동용 권선(L21) 및 2차측 검출용 권선(L22)으로 각각 유기된다.
그 다음, 상기 전압 검출부(200)는 상기 제2 유기 전압(VL2)을 정류 다이오드(D1)로 정류하고, 평활 커패시터(C1)로 평활하여 상기 제2 유기 전압(VL2)을 검출한다.
상기 스위칭 제어부(300)는 상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압 크기에 따라, 설정 로드보다 낮은 미니 로드 여부를 판단하고, 미니 로드 판단 결과에 따라 제1 스위칭신호(S1)를 출력한다.
예를 들어, 상기 스위칭 제어부(300)는 입력전압이 높은 상태에서, 출력로드가 노말로드일 경우에는 제1 스위치부(SW1) 및 동기 정류기(SR)를 온시켜, 이에 따라 상기 2차 구동용 권선(L22)에서 유기된 제1 유기 전압(VL1)이 정상적으로 출력전압(Vout)으로 제공될 수 있다. 이에 반해, 입력전압이 높은 상태에서, 출력로드가 미니로드일 경우에는 상기 제1 스위치부(SW1) 및 동기 정류기(SR)를 오프시켜, 역전류 발생을 방지한다.
상기 전압 검출부(200)에 의한 검출 전압(Vd)은 도 3에 도시된 저항(R1,R2)에 의해서 분할되고, 상기 저항(R2)의 양단 전압(VR2)은 상기 스위칭 제어부(300)의 션트 레귤레이터(RT)에 입력된다.
다른 한편, 도 6 및 도 7을 참조하여 노말로드 상태와 미니로드 상태를 판단하는 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 노말로드 상태에서는 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 메인 스위치(MSW) 양단에 걸리는 전압(Vds)은 메인 스위치(MSW)가 오프되는 시점에서 큰 스파이크(spike)성 전압이 발생된다. 그런데, 미니 로드 상태에서는 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 메인 스위치(MSW) 양단에 걸리는 전압(Vds)은 메인 스위치(MSW)가 오프되는 시점에서 스파이크(spike)성 전압이 거의 발생되지 않는다.
이러한 스파이크성 전압은, 제1 및 제2 유기전압(VL1,VL2)에도 비슷한 크기로 존재하게 되며, 이에 따라 스파이크성 전압의 크기에 따라 상기 전압 검출부(200)에서 검출되는 전압은 노말로드 상태 및 미니로드 상태에 따라 서로 다르다. 즉, 노말로드 상태에서 상기 저항(R2)의 양단 전압(VR2)은 도 6에 도시한 바와 같이 기준전압(Vref)보다 높고, 미니로드 상태에서 상기 저항(R2)의 양단 전압(VR2)은 도 7에 도시한 바와 같이 기준전압(Vref)보다 낮다.
이에 따라, 전압 검출부(200)에서 검출되는 전압의 크기로 노말 로드와 미니로드를 판단할 수 있게 된다.
계속해서, 도 4를 참조하면, 상기 입력 전압(VR2)이 기준전압(Vref)보다 높은 노말 로드(Normal Load)에서는, 상기 션트 레귤레이터(RT)의 비교기(CP)는 상기 입력되는 전압(VR2)과 사전에 설정된 기준전압(Vref)을 비교하여 도 6에 보인 바와 같이 턴온되고, 이와 연동하여, 트랜지스터(Q1)도 턴온된다.
반면에, 도 7에 보인 바와 같이, 상기 입력 전압이 기준전압보다 낮은 미니 로드(Mini Load)에서는, 상기 션트 레귤레이터(RT)의 비교기(CP)는 턴오프되고, 이와 연동하여, 트랜지스터(Q1)도 턴오프된다. 이때, 상기 트랜지스터(Q1)가 턴오프되면, 동기 정류기(SR)는 항상 턴오프 상태가 되어 출력은 상기 동기 정류기(SR)의 바디 다이오드(body diode)에 의해 정류된다.
도 5를 참조하면, 상기 션트 레귤레이터(RT)의 동작은, 노말 로드 상태에서 상기 입력전압(VR2)이 기준전압(Vref)보다 높고 N타입 트랜지스터(Q1)가 턴온되고, 반면에, 미니 로드 상태에서 상기 입력전압(VR2)이 기준전압(Vref)보다 낮고 N타입 트랜지스터(Q1)가 턴오프된다.
이하, 노말로드상태 및 미니로드상태를 구분하여 각 동작을 자세히 설명한다.
도 2, 도 3 및 도 6을 참조하면, 노말로드 상태에서의 동작을 설명하면, 노말로드 상태에서는, 본 발명의 제1 스위치부(SW1) 및 동기 정류기(SR)가 턴온되어, 상기 2차 구동용 권선(L21)에 유기되는 제1 유기 전압(VL1)이 출력전압(Vout)으로 제공된다. 즉, 노말로드 상태에서, 도 2에 도시한 상기 제1 스위치부(SW1)는 상기 제2 유기 전압(VL2) 및 상기 스위칭 제어부(300)로부터의 제1 스위칭신호(S1)에 따라 온되어, 상기 제2 유기 전압(VL2)을 제공한다.
도 3을 참조하여 보다 자세히 설명하면, 상기 제2 유기 전압(VL2)이 저항(R5)을 통해서 상기 제1 스위치부(SW1)의 트랜지스터(Q2)의 베이스에 인가되는 상태에서, 전술한 바와 같이 노말 로드(Normal Load)에서는 상기 스위칭 제어부(300)의 트랜지스터(Q1)가 턴온되므로, 상기 제1 스위치부(SW1)의 N타입 트랜지스터(Q2)의 베이스가 로우레벨이 된다. 이에 따라 상기 제1 스위치부(SW1)는 턴온상태가 되어 상기 제2 유기 전압(VL2)이 상기 제1 스위치부(SW1)를 통해 상기 동기 정류기(SR)의 게이트에 공급되어, 상기 동기 정류기(SR)가 턴온되어 상기 제1 유기 전압(VL1)이 출력전압(Vout)으로 제공된다.
그 다음, 미니로드 상태에서의 동작을 설명한다.
도 2,도3 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 가변 주파수 플라이백 컨버터(Variable Frequency Flyback Converter)에서는, 전술한 바와 같이 1차 전류 및 2차 전류가 흐르지 않는 DCM(Discontinuous Conducting Mode) 구간이 존재하게 되는데, 이러한 DCM 구간에서는 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 플라이백 트랜스포머(100)의 메인 스위치(MSW) 양단에 걸리는 전압이 2차로 모두 전달된 후에, 1차 권선(L1)과 메인 스위치의 기생 커패시터에 의한 공진으로 인하여, 상기 DCM 구간에서 밸리(vally)가 발생된다.
이러한 밸리(vally)에 포함된 높은 전압은 역전류를 발생시키는 원인이 되는데, 이는 밸리(vally)의 높은 전압에 의해서 상기 제1 스위치부(SW1) 및 동기 정류기(SR)가 바람직하지 않게도 순차적으로 턴온되어 역전류가 흐르게 된다. 이러한 역전류를 방지하기 위해서는 미니 로드에서는 동기 정류기(SR)를 하기와 같이 강제로 오프시켜야 한다.
예를 들어, 미니로드 상태에서, 상한 스위칭 주파수가 정해져 있기 때문에, 도 7에 도시한 바와 같이, 1차 전류(I1) 및 2차 전류(I2)가 동시에 흐르지 않아야 하는 DCM 구간이 존재하고, 이 DCM 구간에서는 바람직하지 않게도 1차 권선(L1)과 메인 스위치의 기생 커패시터에 의한 공진으로 인해 전압의 크기가 짧은 시간에 크게 반복적으로 변하는 밸리가 발생될 수 있다.
이러한 밸리의 높은 전압이 제1 스위치부(SW1)를 통해 동기 정류기(SR)의 게이트 전압이 되어, 상기 동기 정류기(SR)가 턴온되는 경우에는 원하지 않는 역전류가 발생될 수 있으므로, 상기 동기 정류기(SR)를 강제로 오프시켜야 하는데, 이러한 미니로드 상태에서, 제1 스위치부(SW1) 및 동기 정류기(SR)를 강제로 턴오프시켜 역전류의 발생을 원천적으로 방지할 수 있다.
즉, 도 2에 도시한 상기 제1 스위치부(SW1)는 상기 제2 유기 전압(VL2) 및 상기 스위칭 제어부(300)로부터의 제1 스위칭신호(S1)에 따라 오프되어, 상기 동기 정류기(SR)가 오프되어 역전류는 차단되고, 이와 동시에, 상기 동기 정류기(SR)의 기생 다이오드를 통해 상기 제2 유기 전압(VL2)이 정류되어 출력전압으로 공급된다.
이에 대해서 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 제2 유기 전압(VL2)이 저항(R5)을 통해서 상기 제1 스위치부(SW1)의 트랜지스터(Q2)의 베이스에 인가되는 상태에서, 전술한 바와 같이 미니 로드(mini Load)에서는 상기 스위칭 제어부(300)의 트랜지스터(Q1)가 턴오프되므로, 상기 제1 스위치부(SW1)의 트랜지스터(Q2)의 베이스가 하이레벨이 된다. 이에 따라 상기 제1 스위치부(SW1)는 턴오프상태가 되어 상기 제2 유기 전압(VL2)이 상기 제1 스위치부(SW1)를 통하지 못하므로 상기 동기 정류기(SR)가 턴오프되어 역전류는 차단되고, 상기 제1 유기 전압(VL1)이 상기 동기 정류기(SR)의 기생 다이오드를 통해 정류되어 출력전압(Vout)으로 제공된다.
다른 한편, 본 발명의 가변 주파수 플라이백 컨버터에서는, 2차 전류의 제로크로싱을 검출하여 1차의 메인 스위치의 스위칭 타이밍을 제어하는데, 상기 동기 정류기의 응답 속도가 느리므로, 도 8에 점선으로 표시된 부분과 같이 역전류가 발생될 수 있다.
이때, 본 발명의 상기 전류 검출부(400)는 상기 2차측 구동용 권선(L21)과 상기 동기 정류기(SR) 사이에 흐르는 역전류를 검출하여 제2 스위칭 신호를 제2 스위치부(SW1)에 출력하여, 역전류 발생시에 상기 제2 스위치부(SW1)를 온시켜 상기 동기 정류기(SR)를 신속하게 강제 오프시켜, 역전류의 발생을 방지시킨다.
즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따라 전류 검출부(400) 및 제2 스위치부(SW1)가 동작하여 역전류의 발생 초기에서 역전류의 발생을 차단시키게 된다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이백 컨버터는 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 동작과 동일하므로 자세한 동작 설명은 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명은, 미니로드에서의 역전류를 방지할 수 있고, 동기 정류기의 응답 속도를 높여, 2차 역전류의 발생을 차단할 수 있는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply, 이하 SMPS라 한다) 등의 전원장치에 적용되는 전원동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터에서, 트랜스포머의 2차측 전압을 검출하여 설정 로드 이하의 미니 로드 상태를 검출하여, 미니 로드 상태에서 역전류의 발생을 방지하도록 구현함으로써, 무부하 상태 등의 미니 로드 상태에서 전력소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 신속한 제로크로싱 스위칭으로 인해 역전류를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 플라이백 컨버터용 정류 디바이스의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라이백 컨버터의 회로도이다.
도 3은 도 2의 플라이백 컨버터의 상세 회로도이다.
도 4는 본 발명의 션트 레귤레이터의 등가회로도이다.
도 5는 본 발명의 션트 레귤레이터의 동작 특성 그래프이다.
도 6은 노말 로드 상태에서 본 발명의 주요 신호의 타임챠트이다.
도 7은 미니 로드 상태에서의 본 발명의 주요 신호의 타임챠트이다.
도 8은 본 발명의 2차 전류 및 역전류 특성 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 플라이백 트랜스포머 Vin : 입력전압
L1 : 1차 권선 L21 : 2차측 구동용 권선
L22 : 2차측 검출용 권선 VL1 : 제1 유기 전압
VL2 : 제2 유기 전압 200 : 전압 검출부
300 : 스위칭 제어부 400 : 전류 검출부
SW1 : 제1 스위치부 SW2 : 제2 스위치부
SR : 동기 정류기 S1 : 제1 스위칭신호
S2 : 제2 스위칭 신호

Claims (8)

  1. 입력전압에 연결된 1차 권선과, 상기 1차권선과의 권선비로 상기 입력전압에서 유기된 제1 유기 전압을 제공하는 2차측 구동용 권선과, 상기 1차권선과의 권선비로 상기 입력전압에서 유기된 제2 유기 전압을 제공하는 2차측 검출용 권선을 포함하는 플라이백 트랜스포머;
    상기 제2 유기 전압을 검출하는 전압 검출부;
    상기 전압 검출부에 의한 검출 전압 크기에 따라, 설정 로드보다 낮은 미니 로드 여부를 판단하고, 미니 로드 판단 결과에 따라 제1 스위칭신호를 출력하는 스위칭 제어부;
    상기 제2 유기 전압 및 상기 스위칭 제어부로부터의 제1 스위칭신호에 따라, 상기 제2 유기 전압의 공급을 스위칭하는 제1 스위치부; 및
    상기 2차측 구동용 권선에 연결된 전압 출력측 라인 또는 접지측 라인중 어느 하나의 라인에 연결된 소오스 및 드레인과, 상기 제1 스위치부에 연결된 게이트를 포함하고, 상기 제1 스위치부와 연동하여 스위칭하는 동기 정류기
    를 구비한 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라이백 컨버터는
    상기 2차측 구동용 권선과 상기 동기 정류기 사이에 흐르는 역전류를 검출하여 제2 스위칭 신호를 출력하는 전류 검출부; 및
    상기 2차측 구동용 권선에 연결된 전압 출력측 라인 또는 접지측 라인중의 어느 하나의 라인과 상기 동기 정류기의 게이트 사이에 연결되고, 상기 전류 검출부로부터의 제2 스위칭 신호에 따라 온/오프 스위칭되는 제2 스위치부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 동기 정류기는
    상기 2차측 구동용 권선에 연결된 전압 출력측 라인에 연결되고,
    상기 제2 스위치부는
    상기 2차측 구동용 권선에 연결된 전압 출력측 라인과 상기 동기 정류기의 게이트 사이에 연결되고, 상기 전류 검출부로부터의 제2 스위칭 신호에 따라 상기 동기 정류기를 온/오프시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
    상기 전압 검출부에 의한 검출 전압 크기에 따라 미니 로드 여부를 판단하고, 미니 로드 판단시 턴오프를 위한 제1 스위칭신호를 상기 제1 스위치부에 출력하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
    상기 전압 검출부에 의한 검출 전압에 기인한 입력전압과 사전에 설정된 기준전압을 비교하여 상기 입력전압이 기준전압보다 낮으면 턴오프되는 션트 레귤레이터; 및
    상기 션트 레귤레이터와 연동하여 턴오프되어, 상기 제1 스위치부를 오프시키는 제1 트랜지스터
    를 포함한 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 동기 정류기는
    상기 2차측 구동용 권선에 연결된 접지측 라인에 연결되고,
    상기 제2 스위치부는
    상기 2차측 구동용 권선에 연결된 접지측 라인과 상기 동기 정류기의 게이트 사이에 연결되고, 상기 전류 검출부로부터의 제2 스위칭 신호에 따라 상기 동기 정류기를 온/오프시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
    상기 전압 검출부에 의한 검출 전압 크기에 따라 미니 로드 여부를 판단하고, 미니 로드 판단시 턴오프를 위한 제1 스위칭신호를 상기 제1 스위치부에 출력하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
    상기 전압 검출부에 의한 검출 전압에 기인한 입력전압과 사전에 설정된 기준전압을 비교하여 상기 입력전압이 기준전압보다 낮으면 턴오프되는 션트 레귤레이터; 및
    상기 션트 레귤레이터와 연동하여 턴오프되어, 상기 제1 스위치부를 오프시키는 제1 트랜지스터
    를 포함한 것을 특징으로 하는 동기 정류 기능을 갖는 가변 주파수 플라이백 컨버터.
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