KR20070095234A - 고효율 전원 회로 및 상기 고효율 전원 회로를 구비한 전자기기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소비 전력이 적고 고속화가 가능한 고효율 전원 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
외부 신호에 따라 온/오프 하는 제1 스위칭 소자(11)와, 제1 스위칭 소자(11)의 상태에 따라 부하에 대하여 에너지를 공급하는 인덕터(12)와, 정류 다이오드(17), 평활 콘덴서(13)로 구성되는 고효율 전원 회로이며, 특히, 정류 다이오드(17)에 병렬로 접속되고 제1 스위칭 소자(11)와 동기하여 양 방향으로 온/오프 제어를 수행하는 제2 스위칭 소자(14)와, 정류 다이오드(17) 및 제2 스위칭 소자(14)에서의 전압 강하를 검출하여 인덕터(12)에 흐르는 전류 방향을 검출하여 제2 스위칭 소자(14)의 온/오프를 제어하는 신호를 출력하는 인버터 구성의 Nch 강하형 트랜지스터를 마련하였다. 제2 스위칭 소자(14)의 온/오프를 외부로부터 제어하기 위한 논리 회로(27)도 마련한다.
스위칭 소자, 인덕터 소자, 평활 콘덴서, 비교기, 기생 다이오드
Description
도 1은 종래의 고효율 전원 회로의 예를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고효율 전원 회로의 실시예를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11(S1), 14(S2): 스위칭 소자
12: 인덕터 소자(초크 코일)
13(C): 평활 콘덴서
15: 비교기
16(D1), 17(D2): 기생 다이오드
25: Nch 강하형 트랜지스터
26: 저항
27: 논리 회로
28: Nch 트랜지스터
29: Pch 트랜지스터
본 발명은 특히 개인용 컴퓨터 등 휴대용 전자 기기에 바람직하게 이용되는 DC-DC 컨버터 등 고효율 전원 회로와 이 고효율 전원 회로를 마련한 전자 기기에 관한 것이다.
개인용 컴퓨터 등 휴대용 전자 기기에서는 전원 회로로서 DC-DC 컨버터가 이용된다. DC-DC 컨버터를 이용한 전원 회로로서는 예컨대, 실용신안 공개 공보 평 4-101286호에 개시된 것이 있다.
상기 공보에 개시된 발명은 경부하 시에도 효율 높게 전력 공급이 가능한 고효율 전원 회로에 관한 것이며, 도 1과 같은 구성을 구비하고 있다.
종래의 DC-DC 컨버터를 이용한 전원 회로는 외부 신호에 따라 온/오프 하는 제1 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자 상태에 따라 부하에 대하여 에너지를 공급하는 인덕터와, 정류 다이오드, 평활 콘덴서로 구성되는 DC-DC 컨버터에 있어서, 정류 다이오드와 병렬로 접속되고, 제1 스위칭 소자와 동기하여 양 방향으로 온/오프 제어를 수행하는 제2 스위칭 소자와, 정류 다이오드 및 제2 스위칭 소자에 의한 전압 강하를 검출하여 인덕터에 흐르는 전류 방향을 검출하여 제2 스위칭 소자를 온/오프 하는 신호를 출력하는 비교기를 구비한다.
상술한 구성 중, 비교기에서 인덕터로 흐르는 전류 방향을 검지하고, 상기 비교기의 출력에 따라 제2 스위칭 소자의 온/오프를 제어함으로써, 경부하 시에도 고효율의 전원을 실현하고 있다. 이에 따라, 경부하 시에도 효율이 저하하지 않 고, 또, 인덕터 용량을 크게 하지 않아도 된다는 효과를 구비하고 있다.
(동작에 대한 설명)
이하, 도면을 이용하여 상기 공보에 개시된 발명의 동작에 대하여 설명한다. 도 1은 상기 공보에 개시된 발명의 회로도이다.
도 1에 있어서, 11은 외부 신호에 따라 온/오프 하는 바이폴러 또는 MOS 트랜지스터로 구성되는 스위칭 소자, 12는 에너지를 축적하는 코일 또는 전압 크기를 변환하는 초크 등 인덕터 소자, 13은 평활 콘덴서이다.
14는 스위칭 소자(11)와는 별도로 마련된, 스위칭 소자(11)와 동기하여 양 방향 스위칭 제어를 수행하는 스위칭 소자이다. 15는 비교기이며, 스위칭 소자(14)의 전압 강하를 검출하여 인덕터(12)에 흐르는 전류 방향을 검지하고, 그 방향에 따라 스위칭 소자(14)를 온/오프 한다. 또한, 16, 17은 기생 다이오드이다.
이하, 동작에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1에 있어서, 우선 스위칭 소자(11)가 온 되면, 스위칭 소자(14)가 온 될 경우에(어떤 동작 모드일 때 온 되는 지에 대해서는 후술함), 스위칭 소자(11)→스위칭 소자(14)→GND의 경로로 Ion1로 나타내는 전류가 흐른다.
스위칭 소자(14)에는 비교기(15)의 출력으로 온 되는 신호(고레벨의 신호)가 부여되는데, 전류(Ion)가 흐름으로써 스위칭 소자(14) 양단에 약간의 전압 강하가 생겨 도면 중 a로 나타내는 점이 (+), b로 나타내는 점이 (-) 극성으로 된다. 그렇게 되면, 비교기(15)의 출력은 저레벨로 전환되어 스위칭 소자(14)는 오프 한다.
전류가 스위칭 소자(14)에 흐르지 않게 되어도 비교기(15)의 출력은 저레벨로 되어 있다. 스위칭 소자(14)가 오프 하면, 전원 측으로부터 부하 측으로 전류(Ion2)가 흐르기 시작한다.
다음에, 스위칭 소자(11)가 오프 하면, 인덕터(12)에 축적된 에너지가 방출되어 전류(Ioff1)가 흐른다. 이 때, 스위칭 소자(14)는 오프 되어 있지만, 스위칭 소자(14)의 기생 다이오드(17)를 통하여 우선 흐르게 된다.
이 때, a점이 (-), b점이 (+)로 되기 때문에, 비교기(15)의 출력은 고레벨로 되어 스위칭 소자(14)는 온 한다. 이 때의 스위칭 소자(14)에서의 전압 강하는 아주 작아 다이오드를 사용하는 종래 방식에 비하여 효율이 개선되게 된다. 인덕터(12)에 저축된 에너지가 완전히 방출되지 않은 사이에 스위칭 소자(11)가 온 하면, 이 동작 설명의 첫머리에서 설명한 상태로부터 같은 동작을 반복하게 된다.
다음에, 스위칭 소자(11)가 오프 하여 인덕터(12)에 축적된 에너지가 완전히 방출되어도, 아직 스위칭 소자(11)가 온 되지 않은 경우, 즉 부하가 가벼운 경우, 콘덴서(13)에 축적된 에너지가 인덕터(12)를 통하여 GND 측으로 전류(Ioff2)가 흐른다. 이 때, a점이 (+), b점이 (-)로 되기 때문에, 스위칭 소자(14)에는 저레벨의 신호가 부여되어 스위칭 소자(14)는 즉시 오프 한다.
따라서, 상기 전류가 흐르지 않게 되므로, 부하측으로부터 전원 측으로 전력이 되돌아오는 동작 모드가 존재하지 않게 된다. 즉, 경부하 시에도 전원 효율이 저하되지 않게 된다. 실제로는, Ioff2 전류가 흘러 비로소 비교기(15)가 스위칭 소자(14)를 오프 하기 때문에, 이 동안, 아주 적은 전력이 인덕터(12)에 축적되 고, Ioff3 전류의 경로로 전원 측에 전력이 되돌아오지만, 되돌아오는 전력이 아주 적으며, 나아가 이 모드로 손실되는 전력은 더욱 작기 때문에, 실제 사용상에는 문제가 되지 않는다.
상기 공보에 개시된 발명은 상술한 바와 같이, 경부하 시에도 효율이 저하하지 않고, 또, 인덕터 용량을 크게 하지 않아 되므로 비용 절감에도 기여한다.
상기 공보에 개시된 것은 스위칭 소자(14)를 신속하게 온/오프 할 것이 필요하고 비교기의 고속 응답이 중요하다. 그러나, 일반적으로 고속 비교기는 소비 전류가 크고, 가장 경부하인 경우, 즉 무부하 시에는 비교기의 소비 전류도 효율 저하의 요인이 되어 무시할 수 없게 되므로, 충분한 고속화와 저전력 소비화가 양립되기 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 상기 공보에 개시된 회로와 비교하여 더욱 소비 전력이 적고, 경부하 시의 효율 향상이 가능한 고효율 전원 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 고효율 전원 회로는 외부 신호에 따라 온/오프 하는 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자 상태에 따라 부하에 대하여 에너지를 공급하는 인덕터와, 정류 다이오드, 평활 콘덴서를 포함한 고효율 전원 회로이며,
상기 정류 다이오드와 병렬로 접속되고, 상기 제1 스위칭 소자와 동기하여 양 방향으로 온/오프 제어를 수행하는 제2 스위칭 소자와, 상기 정류 다이오드 및 상기 제2 스위칭 소자에 의한 전압 강하를 검출하여 상기 인덕터에 흐르는 전류 방향을 검출하여 상기 제2 스위칭 소자를 온/오프 하는 인버터 구성의 Nch 강하형 트랜지스터를 구비하는 것이다.
또한, 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프를 제어하기 위한 신호를 출력하는 논리 회로를 구비하도록 한다.
본 발명에 따른 전자 기기는 상술한 고효율 전원 회로를 구비한 것이다.
실시예
(본 발명의 개요)
본 발명은 외부 신호에 따라 온/오프 하는 제1 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자 상태에 따라 부하에 대하여 에너지를 공급하는 인덕터와, 정류 다이오드, 평활 콘덴서로 구성되는 DC-DC 컨버터에 관한 것이고, 특히, 상기 정류 다이오드와 병렬로 접속되고, 제1 스위칭 소자와 동기하여 양 방향으로 온/오프 제어를 수행하는 제2 스위칭 소자와, 상기 정류 다이오드 및 제2 스위칭 소자에 의한 전압 강하를 검출하여 인덕터에 흐르는 전류 방향을 검출하여 제2 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 신호를 출력하는 인버터에 접속된 Nch 강하형 트랜지스터를 마련한 것을 특징으로 하는 것이다. 상기 Nch 강하형 트랜지스터가 상기 종래예에서의 비교기 기능을 수행한다. 또, 제2 스위칭 소자의 온/오프를 외부로부터 제어하기 위한 논리 회로도 마련된다.
상기 구성 중, Nch 강하형 트랜지스터와 부하 회로로 형성되는 인버터 방식의 비교기는“L”출력은 고속으로 응답할 수 있고, 즉 제2 스위칭 소자를 고속으로 오프 할 수 있다.
그리고, 부하 회로의 전류를 제어하여 소비 전류를 절감할 수 있지만, 그 트레이드 오프로서 비교기의“H”출력 상승 시간이 늦고, 즉 제2 스위칭 소자 온(ON)을 고속으로 할 수 없다. 이에, 외부로부터 제어하기 위한 논리 회로도 병설하여 제2 스위칭 소자의 온/오프를 제어함으로써, 경부하 시에도 고효율의 전원을 실현하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성을 채용함으로써, 종래의 비교기를 이용한 구성이 구비하는 경부하 시에도 효율이 저하하지 않고, 인덕터 용량을 크게 하지 않아도 된다는 효과에 더하여, 새로운 소비 전력의 절감을 도모한 경부하 시의 효율 향상이 가능하다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예를 나타내는 회로도이다. 또한 도 2에 있어서, 종래의 전원 회로인 도 1과 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여한다.
도 2에 있어서, 11은 외부 신호에 따라 온/오프 하는 바이폴러 또는 MOS 트랜지스터로 구성되는 스위칭 소자, 12는 에너지를 축적하는 코일 또는 전압 크기를 변환하는 초크 등 인덕터 소자, 13은 평활 콘덴서이다. 14는 스위칭 소자(11)와는 별도로 마련된, 스위칭 소자(11)와 동기하여 양 방향 스위칭 제어를 수행하는 스위칭 소자이다.
25는 0 이하의 임계값(Vth)을 구비하는 Nch 강하형 트랜지스터이며, 스위칭 소자(14)의 전압 강하를 검출하여 인덕터(12)에 흐르는 전류 방향을 검지하고, 그 방향에 따라 스위칭 소자(14)를 온/오프 한다. 또한 16, 17은 기생 다이오드이다. 26은 저항 R1을 나타내고, Nch 강하형 트랜지스터(25)와 직렬 접속되어 인버터를 구성하고 있다.
또, 스위칭 소자(14)의 온/오프를 제어하기 위한 신호를 외부로부터 인가하기 위한 논리 회로(27)를 마련하는 동시에, 상기 논리 회로(27)의 출력에 따라 온/오프가 제어되는 Pch 트랜지스터(28)와 Nch 트랜지스터(29)의 직렬 접속 회로를 마련하고, 외부로부터 스위칭 소자(14)의 온/오프 타이밍을 자유롭게 제어할 수 있는 구성으로 되어 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예의 동작에 대하여 상세하게 설명한다. 이 동작은 기본적으로 도 1에서 설명한 종래 예의 동작과 유사하지만, 비교기를 인버터 구성의 Nch 강하형 트랜지스터로 변경한 점, 논리 회로를 마련한 점에 따라 차이가 발생한다.
도 2에 있어서, 우선 스위칭 소자(11)를 온, 또한 Nch 트랜지스터(29)를 온 함으로써 스위칭 소자(14)를 오프 시키면, 전원 측으로부터 부하 측으로 전류(Ion2)가 흐르기 시작한다.
다음에, 스위칭 소자(11)를 오프, 또한 Pch 트랜지스터(28)를 온 함으로써 스위칭 소자(14)를 온 시키면, 인덕터(12)에 축적된 에너지가 방출되어 전류(Ioff1)가 흐른다. 다음에, Pch 트랜지스터(28)를 오프 함으로써 스위칭 소자(14)를 오프 시키고, 또 Nch 트랜지스터(29)도 오프 시킨 대로 한다. 이 때, 스위칭 소자(14)는 Nch 강하형 트랜지스터와 저항으로 구성되는 인버터 방식의 비교 기에 의해서만 제어되지만, a점이 (-), b점이 (+)되기 때문에, 인버터 구성의 Nch 강하형 트랜지스터(25)의 출력도 고레벨을 유지하고 있어 스위칭 소자(14)는 계속 온 한다. 이 때의 스위칭 소자(14)에서의 전압 강하는 아주 작아 다이오드 만을 사용하던 종래 방식에 비하여 효율이 개선되게 된다. 인덕터(12)에 저축된 에너지가 완전히 방출되지 않은 동안에 스위칭 소자(11)가 온 하면, 이 동작 설명의 첫머리에서 설명한 상태로부터 같은 동작을 반복하게 된다.
다음에, 스위칭 소자(11)가 오프하여 인덕터(12)에 축적된 에너지가 완전히 방출되어도, 아직 스위칭 소자(11)가 온 하지 않은 경우, 즉 부하가 가벼운 경우, 콘덴서(13)에 축적된 에너지가 인덕터(12)를 통하여 GND 측으로 전류(Ioff2)가 흐른다. 이 때, a점이 (+), b점이 (-)로 되기 때문에, 인버터 구성의 Nch 강하형 트랜지스터(25)의 출력은 저레벨로 되고, 상기 저레벨의 신호가 스위칭 소자(14)에 부여되어 스위칭 소자(14)가 즉시 오프 한다.
따라서, 상기 전류가 흐르지 않게 되므로, 부하 측으로부터 전원 측으로 전력이 되돌아오는 동작 모드가 존재하지 않게 된다. 즉, 경부하 시에도 전원 효율이 저하하지 않게 된다. 실제로는 Ioff2 전류가 흘러 비로소 인버터 구성의 Nch 강하형 트랜지스터(25)의 출력에 따라 스위칭 소자(14)를 오프 하기 때문에, 이 동안, 아주 적은 전력이 인덕터(12)에 축적되고, Ioff3 전류의 경로로 전원 측에 전력이 되돌아오지만, 인버터 구성을 구비하는 Nch 강하형 트랜지스터(25)를 이용함으로써 출력 전환이 고속으로 이루어지므로, 이 모드로 손실되는 전력은 더욱 작아지게 된다.
또, 본 실시예에서는 비교기의 구성을 Nch 강하형 트랜지스터와 저항으로 실현하고 있지만, 부하 회로로서의 저항 대신에 정전류원을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 고효율 전원 회로는 상술한 바와 같이, 저전력 소비 또한 고속이기 때문에, 예컨대 개인용 컴퓨터 등 휴대용 전자 기기에 이용한 경우에 특히 유효하다.
본 발명에 의하면, 상기 종래예보다 더욱 소비 전력이 적고, 보다 경부하 시의 효율 향상이 가능한 고효율 전원 회로 및 상기 전원 회로를 구비한 전자 기기를 실현할 수 있다.
Claims (3)
- 외부 신호에 따라 온/오프 하는 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자 상태에 따라 부하에 대하여 에너지를 공급하는 인덕터와, 정류 다이오드, 평활 콘덴서를 포함하는 고효율 전원 회로로서,상기 정류 다이오드와 병렬로 접속되고, 상기 제1 스위칭 소자와 동기하여 양 방향으로 온/오프 제어를 수행하는 제2 스위칭 소자와, 상기 정류 다이오드 및 상기 제2 스위칭 소자에서의 전압 강하를 검출하여 상기 인덕터에 흐르는 전류 방향을 검출하여 상기 제2 스위칭 소자를 온/오프 하는 인버터 구성의 Nch 강하형 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 전원 회로.
- 제1항에 있어서,상기 제2 스위칭 소자의 온/오프를 제어하기 위한 신호를 출력하는 논리 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 고효율 전원 회로.
- 제1항 또는 제2항에 기재된 고효율 전원 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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