KR20070045458A - 과전압 보호 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전원 절약 모드가 요구될 때 제어 신호에 따라 전원 발생을 차단하고, 출력 전압을 궤환하는 동작의 이상시에도 제어 신호를 인가받을 때와 동일한 동작으로 출력 전압의 상승을 방지하도록 하는 과전압 보호 장치에 관한 것으로서,
본 발명에 의하면, 출력전원을 차단하게 됨으로써 소비 전력 이외의 전원을 절약할 수 있게 되며, 궤환부의 동작 이상시에도 출력전압의 상승을 방지하여, 사용자의 안전 뿐만 아니라 기기의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 간단한 회로를 통해 OVP(Over Voltage Protection) 기능을 실현함으로 재료비를 절감할 수 있다.
OVP, Feedback, 궤환, 전압, 트랜스포머, 과전압, 포토 커플러, 보호, PWM

Description

과전압 보호 장치{APPARATUS FOR PROTECTING OVERVOLTAGE}
도 1은 종래의 SMPS의 회로 블럭도를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 회로 구성을 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 회로 구성을 나타낸 구성도, 그리고
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 동작을 나타낸 동작 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 필터 및 정류부 120 : PWM 제어부
130 : 스위칭 트랜스포머 140 : 제1 평활부
150 : 제2 평활부 160 : 프로그래머블 션트 레귤레이터
170 : 포토 커플러 180 : 스위칭 제어기
200 : 과전압 보호 장치 210 : 전압 감지부
220 : 차단 스위칭부 230 : PWM 제어부
PC1 ~ PC3 : 포토 커플러 ZD1 ~ ZD2 : 제너 다이오드
R1 ~ R14 : 저항 C1 ~ C5 : 캐패시터
본 발명은 과전압 보호 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전원 절약 모드가 요구될 때 제어 신호에 따라 전원 발생을 차단하고, 출력 전압을 궤환하는 동작의 이상시에도 제어 신호를 인가받을 때와 동일한 동작으로 출력 전압의 상승을 방지하도록 하는 과전압 보호 장치에 관한 것이다.
일반적으로 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 채용하는 스위칭 모드 전원장치(SMPS:Switching Mode Power Supply)는 PWM 콘트롤러를 이용하여 전원의 1차측에서의 라인 레귤레이션(line regulation)과 전원의 2차측에서의 부하 레귤레이션(load regulation)을 실현하여 전자기기의 전원을 제어한다.
도 1은 종래의 SMPS의 회로 블럭도를 나타낸 도면이다.
종래 SMPS는 필터 및 정류부(110), PWM 제어부(120), 스위칭 트랜스포머(130), 제1 평활부(140), 제2 평활부(150), 프로그래머블 션트 레귤레이터(160), 및 포토 커플러(170), 스위칭 제어기(180) 등으로 구성된다.
필터 및 정류부(110)는 외부로부터 인가된 교류전압을 직류전압으로 정류하 고, 직류전압을 스위칭 트랜스포머(130)의 1차측 코일로 출력한다.
스위칭 트랜스포머(130)는 필터 및 정류부(110)로부터 직류전압을 입력받고, 스위칭 제어기(180)로부터 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되어 서로 다른 권선비를 갖는 2차측 부하(코일) 및 3차측 부하(코일)에 서로 다른 소정의 전압을 유기시킨다.
제1 및 제2 평활부(140, 150)는 각 부하에 유기된 전압을 정류 및 평활하여 서로 다른 소정의 전압(V1, V2, ...)을 출력하기 위한 다수의 출력수단을 구비한다. 제1 및 제2 평활부(140, 150)는 도면 상에는 도시하지 않았으나, 스위칭 트랜스포머(130)의 각 부하에 유기된 전압을 정류 및 평활시켜 주기 위한 정류용 다이오드와 평활용 콘덴서로 구성된다. 각 출력수단을 통해 출력되는 전압을 스위칭 트랜스포머(130)의 2차측 코일 및 3차측의 코일의 권선비에 따라 조정한다.
프로그래머블 션트 레귤레이터(160), 및 포토 커플러(170)는 궤환회로(Feedback)를 구성하고, 출력수단의 출력을 검출하여 PWM 제어부(120)로 궤환시켜 준다. 이때, 출력되는 전압 중 어느 한 단자에 유기된 가장 높은 전압의 에러를 검출하고 검출된 전압에러를 PWM 제어부(120)로 피이드백시켜 준다.
스위칭 제어기(180)는 MOS-FET와 같은 스위칭소자로 구성되어, PWM 제어부(120)로부터 출력되는 PWM 신호에 의해 온 또는 오프 시간이 제어된다. 따라서, 스위칭 제어기(180)는 PWM 제어부(120)로부터 출력되는 PWM 신호에 의해 스위칭 트랜스포머(130)의 동작을 스위칭시켜 준다.
PWM 제어부(120)는 검출된 전압 에러와, 스위칭 트랜스포머(130)의 3차측 코 일에 유기되는 전압을 입력받아, 이들 입력신호에 따라 듀티비가 조정된 PWM 신호를 스위칭 제어기(180)로 출력한다.
전술한 바와 같이 구성된 종래의 SMPS는, PWM 제어부(120)가 스위칭 트랜스포머(130)의 1차측의 전원을 스위칭 제어기(180)의 출력전류에 의거하여 조절하며, 2차측의 부하의 전원을 궤환회로에 의해 검출되는 2차측 코일 중의 어느 한 코일에서의 전압에 의거하여 조절한다.
또한, 종래의 SMPS는 스위칭 제어기(180)의 출력전류를 PWM 제어부(120)로 입력하고, PWM 제어부(120)는 스위칭 트랜스포머(130)로 입력되는 신호를 검출하여, 스위칭 제어기(180)로 최소의 듀티 사이클을 갖는 PWM 신호를 출력한다. 따라서, 스위칭 제어기(180)는 최소 듀티 사이클을 갖는 PWM 신호에 따라 스위칭 트랜스포머(130)를 동작시켜 줌으로써, 과전압을 제한하게 된다.
그런데, 종래의 SMPS는 프로그래머블 션트 레귤레이터(160)와 포토 커플러(170) 등으로 구성된 궤환회로가 파괴되어 궤환되지 않는 경우에, 2차측의 모든 단자의 코일에 흐르는 전류가 급격히 상승하게 되어, 사용자의 안전을 저해하거나 모든 회로가 파괴될 수 있는 커다란 문제점을 야기하게 된다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 전원 절약 모드가 요구될 때 제어 신호에 따라 전원 발생을 차단하고, 출력 전압을 궤환하는 동작의 이상시에도 제어 신호를 인가받을 때와 동일한 동작으로 출력 전압의 상승을 방지하도록 하는 과전 압 보호 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 과전압 보호 장치는, 교류전원을 스위칭 트랜스포머의 1차측 권선에 인가하여, 2차측 권선에 유기된 직류전원을 출력하는 스위칭 모드 전원장치(SMPS)의 과전압 보호 장치에 있어서, 출력되는 상기 직류전원의 전압이 일정 전압 이상으로 감지되면 감지 신호를 출력하는 전압 감지부; 소정의 제어 신호 또는 상기 감지 신호에 따라 상기 직류전원의 출력을 차단시키기 위한 차단 신호를 출력하는 차단 스위칭부; 및 상기 차단 신호에 따라 상기 교류전원의 인가를 차단하는 PWM 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전압 감지부는, 일정 레벨 이상의 전압에서 전류를 흐르게 하는 제너 다이오드 및 전압 강하를 위한 저항으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 차단 스위칭부는, 상기 감지 신호의 인가에 따라 동작하는 제1 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터의 턴 온 또는 턴 오프 동작에 따라 오프 또는 온으로 동작하는 포토 커플러; 및 상기 포토 커플러의 오프 동작에 따라 상기 차단 신호를 출력하는 제2 트랜지스터;로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 NPN 형 트랜지스터 또는 PNP 형 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
상기 소정의 제어 신호가 상기 포토 커플러로 인가되면, 상기 포토 커플러는 오프 신호를 상기 제2 트랜지스터로 인가하고, 상기 제2 트랜지스터는 상기 오프 신호에 따라 상기 차단 신호를 상기 PWM 제어부로 출력하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 회로 구성을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 과전압 보호 장치(200)는 전압 감지부(210), 차단 스위칭부(220), 및 PWM 제어부(230)를 포함한 구성을 갖는다.
물론, 도 2에 도시된 바와 같이 스위칭 트랜스포머(130), 제1 평활부(140), 및 프로그래머블 션트 레귤레이터(160)와 포토 커플러(170)로 이루어진 궤환부도 포함한다.
전압 감지부(210)는 스위칭 트랜스포머(130)의 2차측에서 출력되는 직류전원의 전압이 일정 전압 이상으로 감지되면 감지 신호를 출력하게 된다. 따라서, 전압 감지부(210)는 일정 레벨 이상의 전압, 예컨대, 30 V에서 전류를 흐르게 하는 제너 다이오드(ZD1) 및 전압 강하를 위한 저항(R5)으로 구성할 수 있다.
차단 스위칭부(220)는 소정의 제어 신호 또는 감지 신호에 따라 직류전원의 출력을 차단시키기 위한 차단 신호를 출력하게 된다.
따라서, 차단 스위칭부(220)는 도 2에 도시된 바와 같이, 감지 신호의 인가에 따라 동작하는 제1 트랜지스터(TR1)와, 제1 트랜지스터(TR1)의 턴 온 또는 턴 오프 동작에 따라 오프 또는 온으로 동작하는 포토 커플러(PC2), 및 포토 커플러(PC2)의 오프 동작에 따라 차단 신호를 출력하는 제2 트랜지스터(TR2)로 구성할 수 있다. 여기서, 제1 트랜지스터(TR1) 및 제2 트랜지스터(TR2)는 NPN 형 트랜지스터 또는 PNP 형 트랜지스터일 수 있다.
또한, 차단 스위칭부(220)에서, 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스는 전압 감지부(210)로 연결되고, 에미터는 접지로 연결되며, 컬렉터는 포토 커플러(PC2)에 연결됨과 더불어 저항(R8)을 통해 5 V의 전원에 연결된다.
또한, 차단 스위칭부(220)에서 포토 커플러(PC2)는 발광 다이오드와 수광 트랜지스터로 이루어지며, 발광 다이오드에는 제어 신호를 인가받는 슬립(SLEEP)단이 연결되고, 수광 트랜지스터의 컬렉터는 제2 트랜지스터(TR2)의 베이스와 연결된다. 여기서, 제2 트랜지스터(TR2)의 에미터는 접지되고, 컬렉터는 PWM 제어부(230)의 CS 단에 연결되며, 베이스는 수광 트랜지스터와 연결될 뿐만 아니라, 저항(R9)을 통해 전원(Vcc)에 연결된다. 또한, 제2 트랜지스터(TR2)의 컬렉터와 접지 사이에는 캐패시터(C3)가 병렬로 연결된다.
한편, PWM 제어부(230)는 집적 회로(IC) 형태로 구현되며, 차단 스위칭부(220)로부터의 차단 신호에 따라 교류전원이 스위칭 트랜스포머(130)로 인가되는 것을 차단하게 된다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, PWM 제어부(230)와 접지 사이에는 캐패시터(C4)와, 저항(R11), 캐패시터(C5), 저항(R12), 포토 커플러(PC3) 등이 병렬로 연결되어 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 회로 구성을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 과전압 보호 장치는, 전압 감지부(210), 차단 스위칭부(220), 및 PWM 제어부(230)를 포함한 구성으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 스위칭 트랜스포머(130), 제1 평활부(140), 및 프로그래머블 션트 레귤레이터(160)와 포토 커플러(170)로 이루어진 궤환부도 포함한다.
그러나, 차단 스위칭부(220)는 발광 다이오드와 수광 트랜지스터로 이루어진 포토 커플러(PC2)로 이루어져 있다.
또한, 제너 다이오드(ZD1)와 저항(R5)으로 이루어진 전압 감지부(210)가 차단 스위칭부(220)의 발광 다이오드와 연결되고, 이 연결점(a)에 저항(R13)을 통해 제어 신호를 인가받는 슬립(SLEEP)단이 연결된다. 여기서, 슬립단과 저항(R13)의 연결점(b)에는 저항(R14)을 통해 접지가 연결된다.
이어, 전술한 바와 같이 구성된 과전압 보호 장치의 동작에 대하여 설명한 다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 동작을 나타낸 동작 흐름도이다.
먼저, 장치로 입력된 교류전원이 정류되고 평활되어 스위칭 트랜스포머(130)의 1차측 권선으로 인가되고, 2차측 권선에 직류전원이 유기되어 제1 평활부(140)를 통해 출력된다. 도 2 및 도 3에서는 예컨대, 24 V의 직류전원이 출력되고, 전압 감지부(210)의 제너 다이오드(ZD1)의 문턱전압은 30 V이다.
여기서, 출력되는 직류전원은 포토 커플러(170) 등으로 이루어진 궤환부로 인가될 뿐만 아니라 전압 감지부(210)로도 인가된다(S410). 이때, 직류전원이 24 V이므로 전압 감지부(210)의 제너 다이오드(ZD1)는 동작되지 않는다.
그러나, 출력되는 직류전원이 궤환부의 동작 불량으로 24 V보다 높은 35 V로 출력되는 경우(S420), 전압 감지부(210)의 제너 다이오드(ZD1)는 동작하게 되어, 제너 다이오드(ZD1)를 통과한 전류는 저항(R5)을 통해 차단 스위칭부(220)의 제1 트랜지스터(TR1)로 감지 신호로 전달된다.
차단 스위칭부(220)에서는 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스로 감지 신호가 인가되므로 턴온 되어, 컬렉터에 연결된 저항(R8)을 통해 전원(5V)이 에미터를 통해 접지로 흐르게 된다.
따라서, 평상시 5V의 전원을 인가받아 동작하던 포토 트랜지스터(PC2)는 전원(5V)이 인가되지 않으므로 발광 다이오드가 동작하지 않게 되고, 이에 따라 수광 트랜지스터의 동작도 오프된다. 수광 트랜지스터가 오프되면, 수광 트랜지스터에 연결된 제2 트랜지스터(TR2)의 베이스로 아무런 전류가 인가되지 않아, 결국 제2 트랜지스터(TR2)의 컬렉터는 전류의 흐름이 없는 제로 레벨 또는 로우 레벨 상태가 된다. 따라서, 차단 스위칭부(220)에서 직류전원의 출력을 차단시키기 위한 차단 신호를 PWM 제어부(230)의 CS단으로 인가한다(S430).
PWM 제어부(230)는 차단 신호에 따라 스위칭 트랜스포머(130)의 1차측으로 교류전원의 인가를 차단하여 직류 전원의 출력을 차단하게 된다(S440).
한편, 차단 스위칭부(220)의 포토 커플러(PC2)의 발광 다이오드에 연결된 슬립단(SLEEP)단으로 하이 레벨의 제어 신호를 인가하면(S450), 발광 다이오드가 동작하지 않게 되고, 이에 따라 수광 트랜지스터도 동작하지 않게 되며, 결국 전술한 바와 같이 차단 스위칭부(220)로부터 차단 신호가 PWM 제어부(230)로 인가된다.
도 3의 경우, 차단 스위칭부(220)의 슬립(SLEEP)단으로 로우 레벨의 제어 신호를 인가하여, 포토 커플러(PC2)가 동작되지 않게 하여, 차단 스위칭부(220)로부터 차단 신호가 PWM 제어부(230)로 인가되도록 한다. 또한, 일정 레벨의 전압이 출력되더라도 전압 감지부(210)의 제어 다이오드(ZD1)에 의해 감지 신호가 차단 스위칭부(220)로 인가됨으로써, 전술한 바와 같은 동일한 출력 차단 과정을 수행하게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전원 절약 모드가 요구될 때 제어 신호에 따라 전원 발생을 차단하고, 출력 전압을 궤환하는 동작의 이상시에도 제어 신호를 인가받을 때와 동일한 동작으로 출력 전압의 상승을 방지하도록 하는 과전압 보호 장치를 실현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 출력전원을 차단하게 됨으로써 소비 전력 이외의 전원을 절약할 수 있게 되며, 궤환부의 동작 이상시에도 출력전압의 상승을 방지하여, 사용자의 안전 뿐만 아니라 기기의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 간단한 회로를 통해 OVP(Over Voltage Protection) 기능을 실현함으로 재료비를 절감할 수 있다.

Claims (5)

  1. 교류전원을 스위칭 트랜스포머의 1차측 권선에 인가하여, 2차측 권선에 유기된 직류전원을 출력하는 스위칭 모드 전원장치(SMPS)의 과전압 보호 장치에 있어서,
    출력되는 상기 직류전원의 전압이 일정 전압 이상으로 감지되면 감지 신호를 출력하는 전압 감지부;
    소정의 제어 신호 또는 상기 감지 신호에 따라 상기 직류전원의 출력을 차단시키기 위한 차단 신호를 출력하는 차단 스위칭부; 및
    상기 차단 신호에 따라 상기 교류전원의 인가를 차단하는 PWM 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 감지부는, 일정 레벨 이상의 전압에서 전류를 흐르게 하는 제너 다이오드 및 전압 강하를 위한 저항으로 이루어진 것을 특징으로 하는 과전압 보호 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단 스위칭부는,
    상기 감지 신호의 인가에 따라 동작하는 제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 턴 온 또는 턴 오프 동작에 따라 오프 또는 온으로 동작하는 포토 커플러; 및
    상기 포토 커플러의 오프 동작에 따라 상기 차단 신호를 출력하는 제2 트랜지스터;로 구성된 것을 특징으로 하는 과전압 보호 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 NPN 형 트랜지스터 또는 PNP 형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 과전압 보호 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 소정의 제어 신호가 상기 포토 커플러로 인가되면, 상기 포토 커플러는 오프 신호를 상기 제2 트랜지스터로 인가하고, 상기 제2 트랜지스터는 상기 오프 신호에 따라 상기 차단 신호를 상기 PWM 제어부로 출력하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 장치..
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