KR20060056700A - Switching mode power supply having soft start features - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개선된 소프트 스타트 기능을 가진 스위칭 모드 파워 스플라이에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전원공급장치는 커패시터의 충전 전압을 기준으로 스위칭부의 듀티 비 및/또는 스위칭 주파수를 제어하는 시동 제어부를 구비한 스위칭 전원 공급장치에 있어서, 상기 시동 제어부가 상기 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a switched mode power splice with an improved soft start function. A power supply according to the present invention is a switching power supply having a starter control unit for controlling the duty ratio and / or switching frequency of the switching unit on the basis of the charging voltage of the capacitor, wherein the starter control unit is a resistor connected in parallel to the capacitor It characterized in that it further comprises.
SMPS, 스위칭 파워, 전원 공급 장치, 소프트 스타트, 커패시터, PWMSMPS, switching power, power supply, soft start, capacitors, PWM
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 스플라이의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a switched mode power splice according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 시동 제어부의 일 실시예이다. 2 is an embodiment of a starter control unit according to the present invention.
도 3은 일반적으로 알려진 콘덴서 타입의 시동 제어부의 일 실시예이다. 3 is an embodiment of a starter control unit of a generally known condenser type.
도 4a는 도 3에 도시된 회로의 시간에 대한 전압의 파형도를 도시한다. 4A shows a waveform diagram of the voltage over time of the circuit shown in FIG. 3.
도 4b는 도 2에 도시된 회로의 시간에 대한 전압의 파형도를 도시한다. FIG. 4B shows a waveform diagram of the voltage over time of the circuit shown in FIG. 2.
도 5a는 고정 주파수 방식에서 듀티 비와 Vss와의 관계를 도시한다. 5A shows the relationship between the duty ratio and Vss in the fixed frequency scheme.
도 5b는 가변 주파수 방식의 주파수와 Vss와의 관계를 도시한다.5B shows the relationship between the frequency of the variable frequency system and Vss.
도 6a는 고정 주파수 제어 방식에서 SMPS 출력 전압과 스위칭 신호의 듀티 비와의 2 가지 형태의 상관관계를 도시한다. FIG. 6A illustrates two types of correlations between the SMPS output voltage and the duty ratio of the switching signal in the fixed frequency control scheme.
도 6b는 가변 주파수 제어 방식에서 SMPS 출력 전압과 스위칭 신호의 주파수와의 2 가지 형태의 상관관계를 도시한다. FIG. 6B shows two types of correlations between the SMPS output voltage and the frequency of the switching signal in the variable frequency control scheme.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 스위칭 제어부 110 : 발진부100: switching control unit 110: oscillation unit
130 : 시동제어부 131 : 정전류원130: start control unit 131: constant current source
133 : 커패시터 135 : 저항133: capacitor 135: resistance
150 : 피드백제어부150: feedback control unit
200 : 직류전원 입력부 400 : 스위칭 변환부200: DC power input unit 400: switching conversion unit
410 : 스위칭부 430 : 공진부410: switching unit 430: resonating unit
450 : 변환부 470 : 평활처리부450: conversion unit 470: smoothing processing unit
600 : 출력부600: output unit
본 발명은 전원공급장치에 관한 것이며, 특히 개선된 소프트 스타트 기능을 가진 스위칭 모드 파워 스플라이에 관한 것이다. The present invention relates to a power supply, and more particularly to a switched mode power splice with an improved soft start function.
일반적으로 스위칭 모드 파워 스플라이(switching mode power supply, 이하 "SMPS"라 한다)는 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후, 변환된 직류를 스위칭에 의해 고주파로 변환하고 이를 트랜스포머 단에서 변환하여 레벨을 조정한 후 직류로 변환하여 출력한다. 이 같은 원리에 따라 SMPS는 높은 효율과 출력의 안정성을 달성하고 있다. 그러나 예를 들어 PDP 패널과 같은 부하에 채택되는 SMPS의 경우 높은 전압을 필요로 하는데다 부하가 대용량의 커패시턴스를 갖고 있다. 일반적으로 PDP 패널의 경우 전원 공급단에서볼 때 150∼250VDC의 전압과, 5000∼15000uF의 용량을 갖고 있다. 게다가 PDP 패널의 경우 턴-온 시간이 300msec∼1.0sec 정도로 제한되어 있기 때문에 이러한 요인들로 인하여 시동시에 부하에 존재하는 반도체 소자의 전류 및 전압 스트레스가 과도하게 된다. In general, a switching mode power supply (hereinafter referred to as "SMPS") converts an input AC power into DC power, and then converts the converted DC into high frequency by switching and converts it in a transformer stage. After adjusting the level, convert to DC and output. Based on this principle, SMPS achieves high efficiency and output stability. However, SMPS, which is adopted in loads such as PDP panels, for example, requires a high voltage and the load has a large capacitance. In general, PDP panels have a voltage of 150 to 250 VDC and a capacity of 5000 to 15000 uF from the power supply stage. In addition, since the turn-on time of the PDP panel is limited to about 300 msec to 1.0 sec, these factors cause excessive current and voltage stress of the semiconductor elements present in the load at startup.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 전원 턴-온시에 시간에 대한 출력 전압의 상승률을 일정하게 유지시켜 과도한 전류 및 전압 스트레스를 감소시키게 된다. 이를 위해 SMPS에서는 스위칭 제어신호의 듀티(Duty)를 제한하거나 주파수를 제한시켜 출력 전압의 상승 기울기를 억제시키는 소프트 스타트(soft start) 기술이 도입된다. To solve this problem, the rate of rise of the output voltage over time at power-on is reduced to reduce excessive current and voltage stress. To this end, SMPS introduces a soft start technique that limits the duty of the switching control signal or limits the frequency to suppress the rising slope of the output voltage.
대한민국 공개특허공보 2004-76100호에는 포워드 컨버터(forward converter) 타입이나 플라이백 컨버터(flyback converter) 형태의 SMPS에 도입되는 소프트 스타트 회로가 개시되어 있다. 이 같은 SMPS 및 소프트 스타트 회로의 일반적인 구성은 당업계에 전문가들에게는 이미 알려진 기술이다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-76100 discloses a soft start circuit introduced into an SMPS of a forward converter type or a flyback converter type. This general configuration of SMPS and soft start circuitry is a technique known to those skilled in the art.
도 3은 일반적으로 알려진 콘덴서 타입의 소프트 스타트 회로이고, 도 4a는 도 3에 도시된 회로의 시간에 대한 전압의 파형도를 도시한다. 정전류원(131)이 이상적으로 작동하고 커패시터(133)가 이상적이라면, 출력 전압인 Vss는 통과 전류의 적분값이 되므로 시간에 대해 선형적으로 증가한다. FIG. 3 is a commonly known condenser type soft start circuit, and FIG. 4A shows a waveform diagram of the voltage over time of the circuit shown in FIG. If the constant
Vss = C × t (C는 상수)Vss = C × t (C is a constant)
Vss 전압은 스위칭 제어부의 발진부를 제어하는 전압의 하나로 인가된다. 한편, SMPS 는 발진부의 출력이 스위치를 제어하는 제어방식에 따라 고정주파수 제어방식과 가변주파수 제어방식으로 나눌 수 있는데, 도 5a는 고정 주파수 방식에서 듀티 비와 Vss와의 관계를, 도 5b는 가변 주파수 방식의 주파수와 Vss와의 관계를 도시한다. 따라서, 고정 주파수 제어방식의 듀티비 D와, 가변 주파수 제어방식의 출력 주파수 Fs 는 각각, The Vss voltage is applied as one of the voltages controlling the oscillator of the switching controller. On the other hand, SMPS can be divided into a fixed frequency control method and a variable frequency control method according to the control method that the output of the oscillator controls the switch, Figure 5a is the relationship between the duty ratio and Vss in the fixed frequency method, Figure 5b is a variable frequency The relationship between the frequency of the scheme and Vss is shown. Therefore, the duty ratio D of the fixed frequency control method and the output frequency Fs of the variable frequency control method are respectively,
D=C × Vss, Fs = -C × VssD = C × Vss, Fs = -C × Vss
로 표현된다. It is expressed as
그런데, SMPS 의 출력 전압은 스위칭 파워의 토폴로지(topology)에 따라 스위칭 신호의 듀티 및/또는 스위치 주파수와 밀접한 관련이 있다. 도 6a는 고정 주파수 제어 방식에서 SMPS 출력 전압과 스위칭 신호의 듀티 비와의 2 가지 형태의 상관관계를 도시한다. 점선으로 표시된 부분은 출력 전압 Vo 가 듀티비에 선형적으로 비례하는 형태로, BUCK 컨버터나 Forward, Push-Pull Bridge, Half Bridge 형 또는 Full Bridge 형의 SMPS에서 볼 수 있는 형태이다. 실선으로 표시된 부분은 출력 전압 Vo 가 듀티비에 대해 2차함수의 관계를 갖는 형태로, Boost converter, Buck-Boost Converter, Flyback 형 컨버터에서 볼 수 있는 형태이다. However, the output voltage of the SMPS is closely related to the duty and / or switch frequency of the switching signal according to the topology of the switching power. FIG. 6A illustrates two types of correlations between the SMPS output voltage and the duty ratio of the switching signal in the fixed frequency control scheme. The dotted line indicates the output voltage Vo is linearly proportional to the duty ratio, and can be seen in BUCK converters or SMPSs of Forward, Push-Pull Bridge, Half Bridge or Full Bridge. The solid line shows the output voltage Vo having a quadratic function with respect to duty ratio, which can be seen in Boost converter, Buck-Boost Converter and Flyback type converter.
도 6b는 가변 주파수 제어 방식에서 SMPS 출력 전압과 스위칭 신호의 주파수와의 2 가지 형태의 상관관계를 도시한다. 점선으로 표시된 부분은 출력 전압 Vo 가 스위칭 주파수에 따라 선형적으로 감소하는 형태이다. 실선으로 표시된 부분은 출력 전압 Vo 가 스위칭 주파수에 대해 음의 2차함수의 관계를 갖는 형태로, 자려식 플라이백 또는 전류, 전압 완전 공진형인 LLC 공진형 컨버터 등에서 볼 수 있는 형태이다. FIG. 6B shows two types of correlations between the SMPS output voltage and the frequency of the switching signal in the variable frequency control scheme. The dotted line shows the output voltage Vo decreasing linearly with the switching frequency. The solid line shows the output voltage Vo having a negative quadratic function with respect to the switching frequency, and can be found in self-contained flyback or LLC resonant converter which is a full-resonant voltage.
출력 전압이 도 6a, 도 6b에서 점선 부분과 같이 듀티비나 스위칭 주파수에 대해 1차 함수의 형태를 갖게 되면 출력 전압은 시간에 대해 1차 함수의 형태로 서서히 증가하게 된다. 반면, 출력 전압이 도 6a, 도 6b에서 실선 부분과 같이 듀티 비나 스위칭 주파수에 대해 2차 함수의 형태를 갖게 되면 출력 전압은 시간에 대해 2차 함수의 형태로 급격히 증가하게 되어 부하에 과도한 스트레스를 야기하게 된다. 6A and 6B, when the output voltage has a form of a linear function with respect to duty ratio or switching frequency as shown by the dotted line in FIG. 6A and 6B, the output voltage gradually increases as a linear function with respect to time. On the other hand, if the output voltage has a quadratic function with respect to the duty ratio or switching frequency as shown in the solid line in FIGS. 6A and 6B, the output voltage increases rapidly in the form of a quadratic function with respect to time, resulting in excessive stress on the load. Cause.
본 발명은 이 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 출력 전압이 스위칭 펄스의 듀티비나 스위칭 주파수에 대해 2차 함수의 형태를 갖는 SMPS에 있어서 출력 전압을 1차 함수 형태로 서서히 증가시켜 부하로의 과도한 스트레스를 억제하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve such a problem, in the SMPS having the output voltage in the form of quadratic function with respect to the duty ratio or switching frequency of the switching pulse, the output voltage is gradually increased in the form of a linear function to excessive stress to the load The purpose is to suppress the.
나아가 본 발명은 간단한 부품 만의 추가에 의해 이 같은 목적을 달성하는 것을 추가적인 목적으로 한다. The present invention further aims to achieve this object by the addition of only simple parts.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 전원공급장치는 커패시터의 충전 전압을 기준으로 스위칭부의 듀티 비 및/또는 스위칭 주파수를 제어하는 소프트 스타트 회로를 구비한 스위칭 전원 공급장치에 있어서, 상기 소프트 스타트 회로가 상기 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a power supply apparatus including a soft start circuit for controlling a duty ratio and / or a switching frequency of a switching unit based on a charging voltage of a capacitor. The soft start circuit further comprises a resistor connected in parallel to the capacitor.
이 같은 본 발명의 양상에 따라 소프트 스타트 회로의 출력 전압인 Vss 는 시간에 대해 제곱근 함수의 특성을 갖게 되고, 이에 따라 출력 전압이 Vss에 대해 2차 함수적인 특성을 갖더라도 지수 부분이 서로 상쇄되어 시간에 대해 선형적인 특성을 보이는 것이 가능해진다. According to this aspect of the present invention, the output voltage of the soft start circuit, Vss, has the characteristic of the square root function with respect to time, and thus the exponent portions cancel each other out even though the output voltage has the quadratic function with respect to Vss. It becomes possible to show linear characteristics over time.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 이후에 더욱 명확해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이 같은 실시예를 통하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. The foregoing and further aspects of the present invention will become more apparent later through the preferred embodiments described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described in detail to enable those skilled in the art to easily understand and reproduce the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스위칭 모드 파워 스플라이의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이 스위칭 모드 전원 공급장치는 직류 전원이 입력되는 직류 입력부(200)와, 입력되는 직류 전원을 스위칭에 의해 고주파로 변환하고 이를 안정된 직류 전압으로 변환하여 출력하는 스위칭 변환부(400)와, 변환된 출력 전압을 부하로 공급하는 출력부(600)와, 상기 출력부(600)에서 출력되는 전압을 검출하고, 시동 시의 과도 응답을 고려하여 상기 스위칭 변환부로 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어부(100)를 포함하여 구성된다. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a switched mode power splice according to an embodiment of the present invention. As shown, the switching mode power supply includes a DC input unit 200 into which DC power is input, a switching converter 400 converting the input DC power into high frequency by switching, and converting the DC power into a stable DC voltage and outputting the same. A switching unit configured to detect an
직류 입력부(200)는 스위칭 변환부(400)의 입력이 되는 직류가 입력되는 구성이다. 직류 입력부(200)는 그 자체가 교류 전력을 입력받아 정류하고 평활화시키는 회로일 수도 있고, 배터리 전원과 같이 단순히 외부에서 이미 생성된 직류 전력을 받아들이는 구성일 수도 있다. The DC input unit 200 is a configuration in which a DC, which is an input of the switching converter 400, is input. The DC input unit 200 may itself be a circuit that receives AC power, rectifies and smoothes it, or may be a component that simply receives an externally generated DC power, such as a battery power source.
스위칭 변환부(400)는 일반적인 공진형 컨버터의 스위칭 변환부이며, 일 실시예에 있어서 입력되는 직류 전력을 스위칭하는 스위칭부(410)와, 이 스위칭부(410)의 출력을 공진에 의해 정현파로 변환하는 공진부(430)와, 이 공진부(430)의 출력 레벨을 변환하는 변환부(450)와, 이 변환부(450)의 출력을 평활화하는 평활처 리부(470)로 구성된다. The switching converter 400 is a switching converter of a general resonant converter, and in one embodiment, the switching converter 410 for switching the DC power input and the output of the switching unit 410 to the sinusoidal wave by resonance. A resonator 430 to convert, a
스위칭부(410)는 입력되는 펄스폭 변조된 제어 신호에 의해 스위칭되어 직류 전력을 고주파로 슬라이싱하여 출력한다. 공진부(430)는 스위칭부(410)에 결합된 LC 공진회로로, 스위칭 전류 및/또는 전압을 정현파의 형태로 변화시킴으로써 스위칭 손실을 거의 0으로 저감시킬 수 있도록 한다. 변환부(450)는 트랜스포머 또는 인덕터로도 구성될 수 있으며, 정현파를 승압시키거나 강압시켜 원하는 레벨로 조정한다. 평활처리부(4700는 변환부(450)에서 출력되는 정현파를 정류하고 평활화하여 직류 전력으로 변환한다. 출력부(600)는 직류 전력을 최종적으로 출력하는 구성이다. 이 같은 스위칭 변환부(400)는 다양한 형태가 공지되어 있으며, 설계 기법도 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다. The switching unit 410 is switched by an input pulse width modulated control signal to slice and output DC power at a high frequency. The resonator 430 is an LC resonant circuit coupled to the switching unit 410, thereby reducing the switching loss to almost zero by changing the switching current and / or voltage in the form of a sine wave. The
스위칭 제어부(100)는 출력부(600)의 출력을 피드백하여 기준 전압과 비교하여 에러 전압에 따라 듀티 및/또는 주파수가 달라지는 펄스폭 변조 장치이다. 스위칭 제어부(100)의 출력인 펄스폭 변조 신호는 스위칭부(410)의 반도체 스위치를 스위칭하는 구동 신호로 인가된다. 일 실시예에 있어서, 스위칭 제어부(100)는 스위칭 변환부(400)의 출력을 피드백하여 기준 전압과 비교하여 제어신호를 출력하는 피드백 제어부(150)와, 소프트 스타트를 위한 제어신호를 출력하는 시동 제어부(130)와, 이 피드백 제어부(150) 및 시동 제어부(130)의 제어신호들에 의해 듀티 및/또는 주파수가 가변되며, 상기 스위칭 변환부(400)의 스위칭을 제어하는 구동 신호를 출력하는 발진부(110)를 포함하여 구성된다. The switching control unit 100 is a pulse width modulation device in which the duty and / or frequency vary according to an error voltage by feeding back the output of the
피드백 제어부(150)는 절연형 SMPS에서 출력부(600)의 출력 전압을 포토 커 플러를 이용하여 피드백한다. 이 신호는 목표로 하는 기준 전압에 대해 비교되어 에러 전압을 발생한다. 이 에러 전압은 발진부(110)의 발진 주파수 및 듀티 비를 조절하는 제어신호로 공급된다. 도 2는 본 발명에 따라 소프트 스타트를 구현하기 위해 창안된 시동 제어부(130)의 일 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이 시동 제어부(130)는 커패시터(133)와, 이 커패시터(133)와 병렬로 연결된 저항(135)과, 이 병렬 연결된 커패시터(133) 및 저항(135)에 정전류를 공급하는 정전류원(131)을 포함하며, 이 병렬 연결된 커패시터 및 저항에 걸린 전압에 의해 제어 신호를 출력한다. The
종래기술과 비교할 때 정전류원(131)의 출력에 커패시터(133)에 추가하여 저항(135)이 추가된 점에서 차이가 있다. 이 같은 기술적인 구성의 차이에 따라 출력 전압 Vss는 Compared with the prior art, there is a difference in that a
와 같은 수식에 의해 구해진다. 이때 이 미분방정식의 해는 It is obtained by the following formula. The solution of this differential equation is
이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시동 제어부(130)의 출력 전압인 Vss의 시간에 대한 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 이 함수는 음의 지수적으로 극한값인 Iss·Rss 값에 수렴하면서 감소하기 때문에 시간에 대한 기울기가 점점 낮아진다. 4B is a graph schematically illustrating a change with time of Vss, which is an output voltage of the
따라서 SMPS의 최종적인 출력값은 So the final output of the SMPS is
(K, K', K''는 비례상수) (K, K ', K''is proportional constant)
로 된다. It becomes
따라서 이 값은 매우 완만하게 증가하며, 시동 직후의 수 초 동안에는 거의 선형적으로 일정한 기울기를 갖게 된다. Thus, this value increases very slowly, with a nearly linear constant slope for a few seconds immediately after startup.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스위칭 모드 전원 공급장치는 소프트 스타트를 위한 기준 전압을 제공하는 시동 제어부에 기존의 커패시터에 추가하여 저항 성분을 병렬로 연결하는 간단한 구성의 추가에 의해, 소프트 스타트 제어 전압을 더 완만하게 증가시키고 이에 따라 전원 공급 장치의 최종 출력이 유효 구간 내에서 선형적인 특성을 달성하는 것이 가능하다. As described in detail above, the switching mode power supply according to the present invention is soft by adding a simple configuration in which a resistance component is connected in parallel to an existing capacitor to a starter control unit that provides a reference voltage for soft start. It is possible to increase the start control voltage more gently and thus achieve the linear characteristic of the final output of the power supply within the effective period.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이로부터 자명하게 도출되는 다양한 변형예들을 포괄하도록 의도된 특허청구범위에 의해 해석되어져야 한다. 예를 들어 본 발명은 스위칭 모드 전원 공급장치에 관한 것이지만, 스위칭 변환부를 포함하는 일반적인 전원 공급장치로 해석되어야 하며, 따라서 예를 들어 DC-DC 변환기나 UPS, 충전기 등 특허청구범위에 포괄된 다양한 카테고리를 포함하도록 해석되어야 한다. The present invention has been described with reference to the embodiments described with reference to the accompanying drawings, but is not limited thereto, and should be interpreted by the claims intended to cover various modifications apparently derived therefrom. For example, the present invention relates to a switched mode power supply, but should be construed as a general power supply including a switching converter, and thus, for example, DC-DC converters, UPS, chargers, etc. Should be interpreted to include
Claims (3)
Priority Applications (1)
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KR1020040095879A KR20060056700A (en) | 2004-11-22 | 2004-11-22 | Switching mode power supply having soft start features |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=37152382
Family Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2004
- 2004-11-22 KR KR1020040095879A patent/KR20060056700A/en not_active Application Discontinuation
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