KR20050120512A - 교류 및 직류 겸용 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원장치는 비행기, 차량, 선박 등의 DC전원은 물론, 통상의 AC전원을 공급받아 휴대용 전자기기 등에 DC전원을 공급하는 것으로, AC입력단(10), DC입력단(20), AC 또는 DC입력전원을 선택하도록 하는 스위치(30), DC출력단(40), 상기 AC입력단 또는 DC입력단으로부터 입력된 전원을 소정의 전류치와 전압을 갖는 DC로 전환하는 AC/DC 및 DC/DC 겸용 회로로 이루어지고, AC/DC 변환을 수행하는 트랜스포머(TL)의 2차측이 DC/DC 변환을 수행하는 인덕터로써 공유되도록 구성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 전원공급장치는 콤팩트한 부피로 구현되며, 전력의 효율적 운용이 가능하고 경제적인 사용이 가능함은 물론, 고출력이 가능하다는 등의 장점이 있다.

Description

교류 및 직류 겸용 전원 장치{Power Supply for Both AC and DC}
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로 특히, 비행기, 차량, 선박 등의 DC전원은 물론, 통상의 AC전원을 공급받아 휴대용 전자기기 등에 DC전원을 공급하는 AC 및 DC 겸용 전원장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 노트북, PDA, 휴대용DVD, 캠코더, 디지털 카메라, 휴대폰 등과 같은 휴대용 전자기기는, 배터리의 충전 또는 기기의 동작을 위하여 이에 요구되는 적절한 DC전원이 공급되어야 한다.
이러한 DC전원의 공급은 전원공급장치에 의하여 제공되는 바, 상기 전원공급장치는 가정, 사무소 등에서 공급되는 통상의 AC전원으로부터 전자기기에서 요구되는 일정전압과 전류치를 갖는 DC전원으로 변환하는 AC/DC 변환 전원장치와 비행기, 차량, 선박 등에서 공급되는 DC전원으로부터 앞서 언급된 전자기기에서 요구되는 DC전원으로 변환하는 DC/DC 변환 전원장치로 대별된다.
따라서, 이동을 많이 하는 사용자는 앞서 언급된 2종류의 변환 전원장치를 휴대하였으므로 사용상의 불편함이 있었다.
이러한, 문제점을 해소하기 위하여 AC전원 과 DC전원을 동시에 입력 가능한 AC 및 DC 겸용 전원장치가 개시된 바 있으나, 이러한 겸용 전원장치는 서로 다른 기능을 갖는 두 가지 회로를 합쳐 놓은 것에 불과 하므로, 하나의 전원 공급원을 사용할 경우에 이와 다른 전원 공급원을 변환하는 장치 부분도 상기 겸용 전원장치 내에 구성될 수밖에 없었던 바, 전원공급장치의 부피가 증대되어 사실상 휴대가 불가능하였음은 물론, 소요되는 전력량이 많이 요구됨에 따라 경제적인 전력운용을 이룰 수 없었다는 등의 문제점이 발생하였다.
한편, 일반적인 SMPS(Switching Mode Power Supply)는, AC 및 DC의 종류에 구애됨이 없이 입력 콘덴서(Condenser), PWM 콘트롤 IC, 트랜스포머(Transformer) 또는 인덕터(Inductor), MOS FET 스위치, 다이오드(Diode) 및 출력 콘덴서 배치를 달리하여 전자기기의 출력에 적합한 전원으로 변환하는 장치이다. 따라서, AC 및 DC 전원이 동시에 입력 될 수 있는 AC 및 DC 겸용 전원장치를 구성할 경우에 AC/DC 및 DC/DC에서 공통적으로 사용될 수 있는 구성물을 찾아 서로 공유 가능하도록 배치함으로써, 효율적인 AC 및 DC 겸용 전원장치를 구현할 수 있다.
도 1a는 종래로부터 일반적으로 사용되고 있는 AC/DC회로도, 도 1b는 종래의 절연형 DC/DC회로도, 도 1c는 종래의 비절연형 Boost-Up DC/DC회로도이다.
도 1a 내지 도 1c을 살펴보면, 각각의 구성이 입력 콘덴서(C1 또는 C2), PWM 콘트롤 IC(IC1 또는 IC2), 트랜스포머(TL) 또는 인덕터(L), MOS FET 스위치(Q1 또는 Q2), Diode(D3) 및 출력 콘덴서(C3)만이 동일함을 알 수 있다.
따라서 AC 및 DC 겸용 전원장치를 구성함에 있어, 어떠한 방법으로 AC/DC 및 DC/DC에서 공통적으로 사용될 수 있는 부분을 공유하여 효율적인 AC 및 DC 겸용 전원장치를 제작할 것인가가 관건이다.
먼저 AC 및 DC 겸용 전원장치를 구성함에 있어, AC/DC와 절연형 DC/DC를 구성할 수 있는 바, 양측의 2차측이 완전하게 동일하게 된다는 장점이 있으나, AC입력전압(100 내지 230VAC)과 DC입력전압(12 내지 16VDC)의 차이로 인하여 트랜스포머를 용이하게 제작할 수 없다는 문제점이 발생하였다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 미합중국특허공보 6,134,125호에서는, AC입력부와 DC입력부를 달리하고, DC입력 시에는 보조적인 트랜스포머를 사용하도록 하는 AC 및 DC 겸용 전원장치를 개시하고 있다.
그러나 노트북 컴퓨터와 같이 고출력을 요구하는 장치인 경우에는 절연형 DC/DC는 비절연형 DC/DC에 비하여 그 부피가 증대되고, 비효율적이라는 단점이 있었으므로, 절연형 DC/DC를 채택한 고출력 AC 및 DC 겸용 전원장치에서는 효율적으로 사용될 수 없었다는 문제점이 발생하였다.
한편, 본 발명의 출원인에 의하여 제안된 미합중국특허공보 제6,459,604호에서의 방법은 비절연형 DC/DC를 채택하여 고출력에 적용 가능하게 하였으며, AC/DC와 DC/DC를 서로 물리적으로 분리할 수 있도록 함으로써, 용이한 이동성을 제공함은 물론, DC/DC부분에서 특정전압을 선택할 수 있는 유니버셜 AC 및 DC 겸용 전원장치를 제공 할 수 있었다.
그러나 상기한 미합중국특허공보 제6,459,604호의 방법은, DC입력의 경우는 고효율의 전원장치를 얻을 수 있었으나, AC입력인 경우에는 AC/DC 및 DC/DC의 두개의 변환회로를 거쳐야 하므로, 그 효율이 저감되고, 부피가 증대된다는 문제점이 있었다.
최근 미합중국특허공보 제6,650,560호에서는 비절연형 DC/DC를 채택하고, 고출력에 적용 가능함은 물론, 프로그래머블 저항부(Programmable Resistor)를 포함하는 피드백(Feed Back) 부분을 공통으로 사용할 수 있도록 함으로써 경제성이 탁월한 유니버셜 AC 및 DC 겸용 전원공급장치를 제공 가능하게 하였다.
그러나 상기 제6,550,560호에서는 상기 프로그래머블 저항부를 포함하는 피드백 부분을 공통으로 사용하게 하여 출력전압을 변환할 수 있는 유니버셜 AC 및 DC 겸용 전원공급장치어댑터를 제공하고 있으나, 부피가 매우 크게 구현되었던 바, 소형화가 절실히 요구되는 트랜스포머와 인덕터 등을 공유하지 못함으로 인하여 장치의 크기가 매우 크게 될 수밖에 없는 등의 문제점이 발생하였다.
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원공급장치는 AC/DC 및 DC/DC 장치에서 부피가 크고, 고가의 구성물을 효과적으로 공유 가능하게 구성함으로써, 제조원가의 절감 및 장치의 소형화를 이룰 수 있는 AC 및 DC 겸용 전원장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 노트북 컴퓨터 등과 같이 고출력을 요구하는 장치에 적용될 수 있는 AC 및 DC 겸용 전원장치의 제공에 있어서, 가능한 많은 소자를 공용으로 사용하여 소형화 된 경제적인 AC 및 DC 겸용 전원장치를 제공 가능함은 물론, 큰 부피를 가지며 고가의 트랜스포머를 비절연형 DC/DC 회로에 요구되는 인덕터와 공유되도록 구성하여 AC/DC회로 또는 DC/DC회로를 한번만 경유토록 함에 따라, 소비전력의 절감, 소형화를 도모할 수 있는 AC 및 DC 겸용 전원공급장치를 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비행기, 차량, 선박 등으로부터 공급되는 DC전원 및 사무소, 가정 등으로부터 공급되는 통상의 AC전원이 입력되어 휴대용 전자기기 등에서 요구되는 특정전압 및 전류치를 갖는 DC전원으로 변환하는 AC 및 DC 겸용 전원장치로서, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원장치는 AC입력단(10), DC입력단(20), AC 또는 DC입력전원을 선택 가능하게 하는 스위치(30), DC출력단(40), 상기 AC입력단(10) 또는 DC입력단(20)으로부터 입력된 전원을 특정 DC로 전환시켜주는 AC/DC 및 DC/DC 겸용 회로로 이루어지며, AC/DC 변환을 위한 트랜스포머(TL)의 2차측이 DC/DC 변환을 위한 인덕터로써 공유되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 전술한 구성에 저항 어레이를 구비한 출력 선택부(50), 어댑터(60)를 추가로 구비하여 사용기기에 적합한 DC 출력전압을 선택하도록 하는 유니버셜 AC 및 DC 겸용 전원장치로 이루어짐을 그 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술하도록 한다. 단, 제시된 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명의 기술적 사상이 이들 실시예로부터 한정되는 것은 아니다.
도 2는, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원장치의 회로도로서, AC/DC 변환을 위한 트랜스포머(TL)를 비절연형 DC/DC 변환을 위하여 구비되는 인덕터(L)와 공유될 수 있도록 이루어진 것을 예시하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원 장치는, 입력전원의 종류에 따라 전원공급원을 선택하도록 하는 스위치(30)의 위치가 변위되면서 트랜스포머 또는 인덕터로 작용된다. 즉, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원장치는 전원 공급원을 선택하도록 하는 스위치(30)에 의하여 AC 또는 DC 중 어느 하나가 입력되어 AC 전원입력 시에는 스위치(30)의 위치가 “A”위치에, DC전원입력 시에는 스위치(30)가 “B”위치에 있게 된다.
도 3은 상기한 스위치 회로를 구현하기 위한 일 실시예로서, 도 3에서와 같이 도 2에서 언급된 바 있는 AC 입력단(10), DC 입력단(20) 및, DC출력단(40)을 외부에 노출되도록 구성하고, 플라스틱 케이스(200) 내부에 AC 및 DC 겸용 전원회로(100)를 설치함은 물론, 상기 스위치(30) 역할을 수행하는 슬라이딩 도어(300)를 상기 플라스틱 케이스의 외부에 설치한 구성적 특징을 갖는다.
도 3의 3A와 같이, 상기 슬리이딩 도어(300)가 DC입력단(20)을 폐쇄시키면 내부의 스위치(30)는 “A”위치로 설정되어 AC/DC로서의 변환공급장치로 작동하도록 설정하고, 상기 슬라이딩 도어(300)를 변위시켜 도 3의 3B와 같이, AC입력단(10)을 폐쇄시키면 내부의 스위치(30)는 “B”위치로 설정되어 DC/DC로서의 변환공급장치로 작동되도록 설정하는 작동원리를 갖는다.
여기에서 도 3에 도시된 바와 같은 물리적 스위칭 방식에 의한 스위치 회로는, 본 발명의 실시예 중의 한가지 방법에 불과하며, DC 또는 AC입력을 감지하여 릴레이를 ON/OFF하는 등의 전자적 스위칭방식 또한 구현 가능하므로 본 발명에서는 스위치(30) 회로를 구현하는 방법에 있어서는 특별한 제한을 두지 않기로 한다.
한편, 가정 등에 매립형 콘센트로부터 100 내지 230V 사이의 AC전원입력 시에는 상기 스위치(30)는 “A”의 위치에 있게 되어 TL은 트랜스포머로 작용하게 된다. 이때, DC부인 PWM 콘트롤(IC2) 및 FET(Q2)는 동작을 하지 않게 되므로 결과적으로는 도 1a와 동일한 구성을 갖는 AC/DC 변환회로로서 작동하게 된다. 또한 PFC(Power Factor Correction)회로가 요구될 경우에는, BD 와 TL 사이에 PFC 회로를 부가 할 수 있으므로, AC/DC 회로의 1차측 회로의 어떠한 구성에도 제한을 받지 않게 된다.
그리고 비행기, 차량, 선박 및, 또 다른 DC 전원으로부터 D C입력단(20)을 통해 DC 전원을 공급 받게 되면, 스위치(30)는 “B”의 위치에 오게 되어 TL의 2차측이 인덕터로써 동작하게 된다. 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 다이오드(D1)에 의하여 AC Part의 PWM 콘트롤(IC1) 및 FET(Q1)는 동작을 하지 않게 되므로, 도 1c와 동일한 구성을 갖는 비절연형 DC/DC 변환회로로써 작동하게 된다.
본 발명에서는 부스트(Boost)형 DC/DC회로를 도시한 것이나, 이와 유사한 방법으로서의 버크(Buck)형 DC/DC회로도 또한 적용 가능하다.
본 발명에서 트랜스포머와 인덕터를 공용으로 사용하기 위해서는 TL의 2차측 유도계수(Inductance)값을 사용하고자 하는 DC/DC 변환회로의 설계에 따라 고정하고, 이를 바탕으로 TL의 1차측 권선비를 조정하여야 한다.
즉, 2차측의 유도계수 값은 출력전압(Vout)에 비례하고, 출력전류(Iout)와 PWM 주파수(fOSC)에 반비례하므로 DC/DC 회로의 적당한 PWM 주파수(fOSC)를 선정함에 따라서 DC/DC변환에 요구되는 유도계수 값과 AC/DC의 변환에 요구되는 권선비와 상응하는 트랜스포머의 설계가 가능하다.
본 발명에서는, AC/DC의 PWM 콘트롤 IC(IC1)가 PWM 주파수가 고정되는 IC를 선택하여도 되나, DC/DC의 PWM 콘트롤 IC(IC2)는 PWM 주파수를 변경할 수 있는 것으로부터 선택함이 효과적이다.
따라서 본 발명에서는 PWM 주파수를 20 내지 500KHz까지 바꿀 수 있는 KA3843(Fairchild) PWM 콘트롤 IC를 IC2에 사용하여 CT/RT의 값을 조절하여 PWM 주파수를 20 내지 250KHz로 조절함에 따라서 DC/DC회로에서 요구되는 유도계수를 10 내지 150uF 정도로 조정하여 입력전압(Vin)이 11 내지 18볼트(Volt), 출력전압(Vout)이 15 내지 24볼트(Volt)인 60 내지 120와트(Watt)의 AC 및 DC 겸용 전원장치를 구현할 수 있다.
또한, DC/DC부분의 유도계수 값이 결정되면, AC/DC부분은 기존의 AC/DC를 만드는 방법과 동일한 방법에 의하여 트랜스포머의 권선비, 콘덴서의 용량, 다이오드 및 FET의 용량 등을 결정해 주면 되고, 이 값을 정하는 방법은 선택된 PWM IC의 데이터 시트(Sheet)에서 정하는 기준에 의하여 설계하면 되므로 본 명세서에서는 특정의 값을 표기 생략한다.
그리고, SMPS회로에서는 소망하는 전압을 FET의 ON/OFF와 연관되는 F/B(Feed Back)방법을 결정해 주어야 한다.
일반적으로, AC/DC는 옵토커플러(Optocoupler)를 이용하여야 하고, DC/DC는 PWM IC내부의 기준전압(Reference)을 이용하여 직접 연결해 주어도 되나, 저렴한 가격으로 고효율을 얻기 위하여 본 발명에서는 IC3를 2.5볼트(Volt) 기준전압을 가지고 있는 프로그래머블 분권 조정기(Programmable Shunt Regulator, KA431, Fairchild)와, U1&U2를 듀얼 옵토커플러(Dual Optocoupler, PC827, Sharp)를 이용하여 16 내지 24볼트(Volt) 사이에서 소망하는 출력 전압 값을 생성할 수 있다. 그리고 상기한 회로로써 적절한 전원공급기를 구현하기 위해서는 보호회로 기능을 부가하여야 하나, 이 부분은 장치에 맞추어 적절한 보호회로를 만들어야만 하며, 이에 관계된 회로는 당업자라면 어느 누구나 용이하게 적용할 수 있으므로 본 명세서에서는 특별히 언급하지 않기로 한다.
이상과 같이 도 2의 트랜스포머를 공유하는 AC 및 DC 겸용 전원 장치를 구성하면 AC/DC장치의 트랜스포머 및 2차측 전체가 공유되므로, DC/DC 장치에 구비되는 소자 중 큰 부피를 갖는 구성물은 DC입력 측 콘덴서(C2) 정도에 지나지 아니하므로 종래의 AC/DC와 유사한 크기로 구현 가능한 AC 및 DC 겸용 전원장치를 제공할 수 있게 되는 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명자가 고안한 미합중국공개특허공보 2003/122,523에 개시된 것과 동일한 형태와 기능을 갖는 선택핀을 갖는 시용자가 사용하고자 하는 특정장치에 적합하도록 한 어댑터(60)와 저항 어레이로 구성된 출력 선택부(50)을 추가로 구성하면 출력의 선택이 가능한 유니버셜 AC 및 DC 겸용 전원장치의 제공이 가능하다.
이 때, 1개의 선택핀의 사용에 의하여 3개의 서로 다른 출력이 가능하고 각각의 어댑터를 사용 시 (+), (-)단으로 나오는 출력은 다음과 같다.
Adapter A(Open): Vout = Vref [1+ Ra/Rb]
Adapter B(-접합): Vout = Vref [1+ Ra*Rb*R1/(Rb+R1)]
Adapter C(+접합): Vout= Vref[1+ Ra*R1/(Ra+R1)/Rb]
여기에서, Vref는 2.5볼트(Volt) 기준전압를 갖는 KA431 프로그래머블 분권 조정기(Programmable Shunt Regulator)를 선택하였을 경우 Vref는 2.5볼트(Volt)가 되므로, Ra, Rb, R1값을 적당히 선택함으로써 각 어댑터를 사용할 시에 소망하는 전압을 맞출 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원공급장치에 의할 것 같으면, 2차측 전체회로와 AC/DC용 트랜스포머를 DC/DC용 인덕터와 공유하도록 구성하여 소형화 및 저렴한 제조원가 등을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 AC 및 DC 겸용 전원공급장치에 본 발명자가 고안한 미합중국특허공개공보 2003/122,523에 개시된 출력선택부(50)와 사용자가 사용하고자 하는 특정장치에 적합한 어댑터(60)를 구성하여 출력선택이 가능한 유니버셜 AC 및 DC 겸용 전원장치를 제공 할 수 있다는 등의 효과가 있다.
도 1a는, 종래의 AC/DC변환장치.
도 1b는, 종래의 절연형 DC/DC변환장치.
도 1c는, 종래의 비절연형 DC/DC 변환장치.
도 2는, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원장치의 회로도.
도 3은, 본 발명에 따른 AC 및 DC 겸용 전원장치의 외관도.
도 4는, 본 발명에 따른 유니버셜 AC 및 DC 겸용 전원장치의 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : AC입력단 20 : DC입력단
30 : AC, DC 선택 스위치 40 : DC출력단
50 : 출력 선택부 60 : 어댑터
100 : AC/DC 및 DC/DC 겸용 회로 200 : 플라스틱 케이스
300 : 슬라이딩 도어

Claims (4)

  1. AC입력단(10), DC입력단(20), AC 또는 DC입력전원을 선택하도록 하는 스위치(30), DC출력단(40), 상기 AC입력단 또는 DC입력단으로부터 입력된 전원을 DC로 변환시켜주는 AC/DC 및 DC/DC 겸용 회로로 이루어지고, AC/DC 변환을 위한 트랜스포머(TL)의 2차측이 DC/DC 변환을 위한 인덕터로써 공유되도록 구성된 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전원 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 DC/DC 변환은,
    비절연형 DC/DC 변환인 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전원 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스위치(30)는,
    물리적 전환방법 또는 DC 또는 AC입력을 감지하여 릴레이를 ON/OFF하는 전자적 전환방법인 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전원 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    저항 어레이를 구비한 출력 선택부(50), 어댑터(60)를 더 구비하여 사용기기에 적합한 DC 출력전압을 선택하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전원장치.
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