KR20080012595A - 스위칭 모드 전원공급장치, 이를 구비한 화상형성장치 및이의 구동 방법 - Google Patents

스위칭 모드 전원공급장치, 이를 구비한 화상형성장치 및이의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

부하단의 임피던스 변동에 따른 전자파 장애 현상을 방지하고, 전력 소모의 절감을 도모한 스위칭 모드 전원공급장치, 이를 구비한 화상형성장치 및 이의 구동 방법이 개시된다. 스위칭 모드 전원공급장치는 외부 전원을 스위칭 신호에 의해 내부 전원으로 변환하고, 외부 전원에 기초하여 스위칭 신호의 주파수를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호를 출력하는 전원 변환부, 내부 전원이 인가되는 부하단의 임피던스 변동에 따라 원시 스위칭 신호의 시비율이 변경되도록 가변 공진 주파수를 갖는 공진 회로부 및 가변 공진 주파수에 의해 공진된 원시 스위칭 신호의 전위와 기 정의된 기준 전위를 비교하여, 소정 시간동안 원시 스위칭 신호의 전위가 기준 전위 이하의 전위로 형성되면, 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력하는 신호 제어부를 포함한다.
퀘이지(quasi), 공진(resonant), PWM, EMI

Description

스위칭 모드 전원공급장치, 이를 구비한 화상형성장치 및 이의 구동 방법{SWITCHING MODE POWER SUPPLY AND IMAGE FORMING DEVICE HAVING THE SAME AND METHOD OF DRIVING THEREOF}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화상형성장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치의 구체적인 실시예를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치의 구체적인 실시예를 도시한 다른 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치의 구동을 설명하기 위한 파형도이다.
도 6은 비교예에 의한 준 공진 제어 방식을 이용하는 스위칭 모드 전원공급장치의 일부분을 도시한 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 제어부에 인가되는 파형의 일례를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 파형이 도 6에 도시된 제어부에 인가됨에 따른 SMPS의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 화상형성장치 200 : 전원 공급부
220 : 전원 변환부 240 : 공진 회로부
242 : 임피던스 감지부 244 : 시비율 변환부
260 : 신호 제어부 280 : 과전류 검출부
300 : 인쇄 제어부 400 ; 인쇄 엔진부
본 발명은 스위칭 모드 전원공급장치, 이를 구비한 화상형성장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 부하단의 임피던스 변동에 따른 전자파 장애 현상을 방지하고, 전력 소모의 절감을 도모한 스위칭 모드 전원공급장치, 이를 구비한 화상형성장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
화상형성장치는 입력되는 화상 데이터에 대응하는 이미지를 인쇄 용지가 같은 기록 매체에 인쇄 처리하는 장치를 의미한다. 이러한 화상형성장치의 예로는 프린터,복사기, 팩시밀리 및 이들의 기능을 하나로 통합한 복합기 등을 들 수 있다.
이러한 화상형성장치는 각각의 인쇄 처리를 수행하기 위해 외부로부터 인가되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여, 화상형성장치의 각 부 예를 들어, 인쇄 동작을 제어하는 마이크로 콘트롤러 등을 구비한 인쇄 제어부 및 인쇄 용지와 같은 기록 매체를 적재하고, 이송하며, 기록 용지 상에 소정 화상을 형성하며, 화상이 형성된 기록 용지를 배출하는 인쇄 엔진부로 제공하는 전원공급장치를 필요로 한다.
일반적으로, 이러한 전원공급장치는 상용 교류를 정류 및 평활하여 얻어진 직류 전류를 소정 고주파 예를 들어, 100kHz 정도의 고주파로 스위칭하여 변압기에 의해 원하는 전압으로 고효율로 변환되도록 하는 스위칭 모드 전원공급장치(Switching Mode Power Supply; 이하 SMPS)가 널리 사용되고 있다.
이러한 SMPS의 출력 전압의 제어 방식으로는, 출력 전압의 변화에 따라 스위칭 펄스의 시비율(duty ratio)을 제어하는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; 이하, PWM) 제어 방식, 스위칭 펄스의 주파수를 제어하는 주파수 제어 방식 및 스위칭 펄스의 위상을 제어하는 위상 제어 방식 등이 있다.
최근 들어, 화상형성장치는 그 기능의 다양화 및 복잡화되는 추세에 있으며, 이와 더불어 저 소비 전력화를 도모하고 있는 추세에 있다. 따라서, SMPS 또한 그 차체의 소비 전력의 절감을 도모하기 위해 다양한 방법이 사용되고 있다.
이러한 소비 전력의 절감을 도모하는 한 방법으로써, SMPS에 준 공진(quasi resonant) 제어 방식을 적용하는 방법이 사용되고 있다.
이러한 준 공진 제어 방식을 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 비교예에 의한 준 공진 제어 방식을 이용하는 SMPS의 일부분을 도시한 회로도이고, 도 7은 도 6에 도시된 제어부에 인가되는 파형의 일례를 도시한 도면이며, 도 8은 도 7에 도시된 파형이 도 6에 도시된 제어부에 인가됨에 따른 SMPS 의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로, 준 공진 제어 방식은 도 6에 도시된 모스 트랜지스터(M_TR)가 턴-온(turn-on) 상태에서 턴-오프(turn-off) 상태로 변화할 때, 변동되는 모스 트랜지스터(M_TR) 양단의 전위가 최소 지점일 때 모스 트랜지스터(M_TR)가 도통을 시작하여 새로운 사이클을 다시 시작하도록 트리거(trigger) 하는 제어 방식이다. 이에 따라, 모스 트랜지스터(M_TR)의 소비 전력을 절감이 가능하여 SMPS의 소비 전력 절감을 도모할 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 제어부(IC)는 전원 전압(VCC)이 인가됨에 따라 구동하여 모스 트랜지스터(M_TR)의 스위칭 동작을 제어하는 소정 주파수를 갖는 스위칭 신호를 출력한다. 이에 따라, 변압기의 1차측 권선(L11)에는 외부 전원이 정류 및 평활된 직류 전원(DC_IN)이 인가되고, 스위칭 신호에 의해 1차측 권선(L11)에 인가되는 직류 전원(DC_IN)은 소정 펄스 형상의 직류 전원이 인가된다.
이는 변압기의 2차측 권선(L12)에 스위칭 신호의 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 원시 스위칭 신호를 생성하고, 생성된 원시 스위칭 신호는 2차측 권선(L12)의 인덕턴스와 커패시터(C1)의 커패시턴스에 의해 형성된 고정된 공진 주파수에 의해 공진되며, 선택된 주파수 대역대의 스위칭 신호는 P3 지점에서 검출하면 도 8에 도시된 바와 같은 파형으로 제어부(IC)에 인가된다.
이에 따라, 제어부(IC)는 인가되는 주파수 대역대의 스위칭 신호가 기준 전위 예를 들어, 0 전위과 동일한 전위를 갖는 위상을 검출하고, 스위칭 신호가 0 전위 이하로 제공되는 시간이 소정 시간, 예를 들어 8us 정도가 경과하면, 도 8에 도 시된 바와 같이 모스 트랜지스터(M_TR)로 스위칭 신호를 출력함으로써, 준 공진 제어 방식을 이용하여 SMPS를 구동한다.
그러나, 이와 같은 구조와 방식을 이용하여 SMPS를 구성하는 경우, 인덕턴스 및 커패시터 값에 의해 코어(core)가 리셋(reset) 될 때까지 공진을 계속하게 되고, 공진 기간 중 도 7에 도시된 바와 같이 0 전위가 검출된 상태에서 일정 시간 이상이 0 전위 이하로 형성될 때마다 제어부(IC)가 스위칭 신호를 출력하기 때문에 SMPS의 출력단에 경 부하가 인가되었을 경우, 유도 전류가 낮게 되어 스위칭 주파수가 증가하게 된다.
이는 저주파 신호의 경우 EMI를 측정 시 그 저주파 신호의 고조파 성분부터 감지되나 고주파 신호의 경우, 원 주파수 성분에서 감지되어 스위칭 주파수가 증가하게 됨에 따라 EMI 특성을 저하시키게 된다.
또한, 스위칭 신호의 출력 주기가 짧아짐에 따라 모스 트랜지스터(M_TR)의 턴-온 및 턴-오프 동작의 수행이 경 부하가 인가되었을 경우, 중 부하가 인가되었을 경우에 비해 증가하게 되어, 모스 트랜지스터(M_TR)에서의 소비 전력이 증가하게 되어 SMPS의 소비 전력이 증가하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 부하단의 임피던스 변동에 따라 EMI 특성의 저하를 방지하고, 소모 전력의 절감을 도모한 스위칭 모드 전원공급장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 스위칭 모드 전원공급장치를 구비한 화상형성장 치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 스위칭 모드 전원공급장치의 구동 방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치는 전원 변환부, 공진 회로부 및 신호 제어부를 포함한다. 전원 변환부는 외부 전원을 스위칭 신호에 의해 내부 전원으로 변환하고, 상기 외부 전원에 기초하여 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호를 출력한다. 상기 공진 회로부는 상기 내부 전원이 인가되는 부하단의 임피던스 변동에 따라 상기 원시 스위칭 신호의 시비율을 가변 공진 주파수를 이용하여 변경한다. 상기 신호 제어부는 상기 가변 공진 주파수에 의해 공진된 원시 스위칭 신호의 전위와 기 정의된 기준 전위를 비교하여, 소정 시간동안 상기 원시 스위칭 신호의 전위가 상기 기준 전위 이하의 전위로 형성되면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력한다.
상기 공진 회로부는, 상기 부하단의 임피던스 변동을 검출하여 시비율 제어 신호를 출력하는 임피던스 감지부 및 상기 시비율 제어 신호에 응답하여 상기 시비율을 변경하는 시비율 변환부를 포함한다.
이때, 상기 시비율 변환부는, 상기 원시 스위칭 신호를 공진하기 위한 제1 충전부, 상기 제1 충전부와 병렬 연결되고, 상기 시비율 제어 신호에 응답하여 활성화되는 제1 스위칭부 및 상기 제1 스위칭부와 직렬 연결되고, 상기 제1 스위칭부 가 활성화되면 상기 제1 충전부와 함께 상기 공진 회로부의 가변 공진 주파수를 형성하는 제2 충전부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 감지부는, 상기 부하단의 임피던스 변동에 따라 서로 다른 충전 전위로 형성되고, 상기 형성된 충전 전위를 상기 시비율 제어 신호로 출력하는 제3 충전부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치는 상기 전원 변환부로 과전류가 인가되면 상기 신호 제어부로 과전류 검출 신호를 출력하는 과전류 검출부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 공진 회로부는 상기 과전류 검출부와 병렬 연결된다.
상기 전원 변환부는, 상기 스위칭 신호에 응답하여 활성화되어 상기 외부 전원의 전위를 변동시키는 제2 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전원 변환부는, 상기 외부 전원이 인가되는 1차측 권선, 상기 1차측 권선과 대향 배치되어 상기 내부 전원을 유도하는 2차측 제1 권선 및 상기 1차측 권선과 대향 배치되어 상기 원시 스위칭 신호를 유도하는 2차측 제2 권선을 포함하는 변압기로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 공진 회로부는, 상기 2차측 제2 권선과 연결되어 상기 공진된 원시 스위칭 신호를 출력하는 제1 커패시터, 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되는 제2 커패시터 및 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되고 상기 제2 커패시터와 직렬 연결되며, 상기 부하단의 임피던스 변동에 따라 활성화되어 상기 제1 및 제2 커패시터를 선택적으로 연결시키는 제1 트랜지스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전원 변환부는, 상기 스위칭 신호에 응답하여 상기 1차측 권선에 인가되는 외부 전원의 전위를 변동시키는 제2 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치는 상기 제2 트랜지스터와 연결되어 상기 1차측 권선에 과전류가 인가되면, 양단의 전위 차를 과전류 검출 신호로 상기 신호 제어부로 출력하는 저항 소자를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 공진 회로부는, 상기 저항 소자와 병렬 연결되어 상기 부하단의 임피던스 변동에 따라 변동되는 상기 저항 소자 양단의 전위에 의해 소정 전위로 충전되고, 상기 충전된 전위를 시비율 제어 신호로 출력하는 제3 커패시터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 화상형성장치는 인쇄 제어부, 인쇄 엔진부 및 전원 공급부를 포함한다. 상기 인쇄 제어부는 인쇄 데이터를 입력받아 비트맵 이미지로 변환한다. 상기 인쇄 엔진부는 상기 변환된 비트맵 이미지를 소정 기록 매체에 인쇄한다. 상기 전원 공급부는 상기 외부 전원을 상기 각 부의 정격 전원으로 변환하여 출력하고, 상기 각 부의 구동 모드에 따라 상기 정격 전원으로 변환하기 위한 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력한다.
여기서, 상기 구동 모드는 상기 인쇄 엔진부 및 인쇄 제어부가 활성화되어 상기 인쇄 데이터를 상기 기록 매체에 인쇄하는 인쇄 모드와, 상기 인쇄 엔진부 및 인쇄 제어부가 비활성화되는 대기 모드를 포함하고, 상기 전원 공급부는 상기 대기 모드에서 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력한다.
또한, 상기 전원 공급부는 상기 외부 전원을 상기 스위칭 신호에 의해 정격 전원으로 변환하고, 상기 외부 전원에 기초하여 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호를 출력하는 전원 변환부, 상기 내부 전원이 인가되는 부하단의 임피던스 변동에 따라 상기 원시 스위칭 신호의 시비율을 가변 공진 주파수를 이용하여 변경하는 공진 회로부 및 상기 가변 공진 주파수에 의해 공진된 원시 스위칭 신호의 전위와 기 정의된 기준 전위를 비교하여, 소정 시간동안 상기 원시 스위칭 신호의 전위가 상기 기준 전위 이하의 전위로 형성되면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력하는 신호 제어부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치의 구동 방법은 (a) 상기 부하단의 임피던스 변동을 판단하는 단계, (b) 상기 판단 결과 상기 부하단의 부하가 감소하면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는, (c) 상기 스위칭 신호를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호를 생성하는 단계, (d) 상기 원시 스위칭 신호의 시비율이 변경되도록 공진 주파수를 가변시키는 단계 및 (e) 상기 가변된 공진 주파수에 의해 상기 원시 스위칭 신호를 공진시키는 단계를 더 포함한다.
상기 (b) 단계는, 상기 공진된 원시 스위칭 신호의 전위와 기 정의된 기준 전위를 비교하여, 소정 시간동안 상기 원시 스위칭 신호의 전위가 상기 기준 전위 이하의 전위로 형성되면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변한다.
상기 (d) 단계는, 상기 공진 주파수를 결정하는 커패시턴스가 증가됨에 따라 상기 시비율이 변경될 수 있다.
이러한 스위칭 모드 전원공급장치, 이를 구비한 화상형성장치 및 스위칭 모드 전원공급장치에 의하면, 부하단의 임피던스 변동에 따라 EMI가 증가되는 것을 방지할 수 있고, 스위칭 신호의 출력 주기가 짧아짐으로 인한 모스 트랜지스터(M_TR)에서의 소비 전력이 증가하여 스위칭 모드 전원공급장치에서의 소비 전력을 절감할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화상형성장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 화상형성장치(100)는 전원 공급부(200), 인쇄 제어부(300) 및 인쇄 엔진부(400)을 포함한다.
구체적으로, 전원 공급부(200)는 스위칭 모드형 전원공급장치(Switching Mode Power Supply; 이하 SMPS)로 구성되고, SMPS(200)는 외부로부터 인가되는 교류 전원(AC_IN)을 직류 전원으로 변환하며, 변환된 직류 전원을 소정 전위 레벨로 감압하여 감압된 직류 전원(DC1, DC2)을 화상형성장치(100)의 인쇄 제어부(300) 및 인쇄 엔진부(400)에 각각 공급한다.
또한, 본 실시예에 의한 전원 공급부(200)는 화상형성장치(100) 내부의 인쇄 제어부(300) 및 인쇄 엔진부(400)에 소정 전위 레벨로 감압된 직류 전원(DC1, DC2)를 출력하기 위해 PWM 변조 방식 등을 이용하고, 전원 공급부(200)에서 직류 전 원(DC1, DC2)을 생성하기 위한 내부 소자의 동작에 따른 소모 전력을 절감하기 위해 준 공진(quasi resonant) 제어 방식을 이용한다.
또한, 본 실시예에 의한 전원 공급부(200)는 준 공진 제어 방식에 따라 SMPS가 구동될 때, 전원 공급부(200)에 연결되어 직류 전원(DC1, DC2)을 공급받는 부하단 예를 들어, 인쇄 제어부(300) 및 인쇄 엔진부(400)에 의한 임피던스의 변동에 따라 SMPS의 EMI 특성 저하를 방지하기 위해 임피던스 변동을 판단하고, 판단된 결과에 따라 직류 전원(DC1, DC2)을 생성하기 위한 스위칭 신호의 주파수를 제어하여 사용한다.
이러한 전원 공급부(200)에 대해서는 도 2 내지 도 5를 통해 상세히 설명하기로 한다.
인쇄 제어부(300)는 전원 공급부(200)에서 출력되는 제1 직류 전원(DC1)에 의해 구동되어, 사용자가 입력하는 인쇄 데이터를 입력받아 비트맵 이미지로 변환하고, 인쇄 엔진부(400)의 각 구성 요소들을 제어하는 구동 제어 신호를 출력하는 등 화상형성장치(100)의 전반적인 구동을 제어한다.
즉, 인쇄 제어부(300)는 인쇄 엔진부(400)를 제어하여 인쇄 용지의 적재, 이송, 비트맵 이미지를 인쇄 용지상에 소정 화상으로 형성, 형성된 화상을 정착 및 인쇄 결과물을 배출하는 인쇄 엔진부(400)의 전반적인 구동을 제어하고, 인쇄 동작 중 용지 걸림등의 인쇄 에러를 판단하는 등 화상형성장치(100)의 전반적인 구동 상태를 제어한다.
또한, 인쇄 제어부(300)는 인쇄 데이터가 인가되지 아니하는 경우, 인쇄 동 작을 수행하지 않는 대기 모드로 인쇄 엔진부(400)의 구동하도록 제어한다.
인쇄 엔진부(400)는 일례로, 화상형성장치(100)가 레이저 프린터로 구성되는 경우, 감광 드럼(OPC drum), 현상기 및 정착기 등으로 구성되는 정착부와 감광 드럼 상에 레이저 빔을 조사하는 광 주사 장치(Laser Scanning Uint, LSU)로 구성될 수 있다.
인쇄 엔진부(400)의 각 부는 전원 공급부(200)에서 출력되는 제2 직류 전원(DC2)와 인쇄 제어부(300)에서 출력되는 제어 신호에 의해 구동되어, 인쇄 제어부(300)에서 변환된 비트맵 이미지를 인쇄 용지 상에 소정 화상으로 형성한다.
본 실시예에 의하면, 인쇄 제어부(300) 및 인쇄 엔진부(400)가 대기 모드로 구동하면, 인쇄 동작을 수행하는 인쇄 모드에 비해 전원 공급부(200)의 부하단의 임피던스가 감소하게 되고, 전원 공급부(200)는 변동된 부하에 따라 직류 전원(DC1, DC2)를 생성하기 위한 스위칭 신호의 주파수를 제어하여 사용한다
여기서, 전원 공급부(200)는 하나의 구성을 통해 제1 및 제2 직류 전원(DC1, DC2)를 생성하는 것으로 도시하였으나, 각 직류 전원을 생성하기 위한 독립된 전원 공급부(200)를 각각 형성할 수 있고, 하나의 전원 공급부(200)를 통해 둘 이상의 직류 전원이 출력되도록 형성할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치(200)는 전원 변환부(220), 공진 회로부(240) 및 신호 제어부(260)를 포함한다.
여기서, 스위칭 모드 전원공급장치(200)는 도 1에 도시된 전원 공급부(200)와 동일한 구성 요소임을 밝혀둔다.
구체적으로, 전원 변환부(220)는 도 1에 도시된 바와 같이 외부로부터 인가되는 교류 전원(AC_IN)을 정류 및 평활하여 직류로 변환된 직류 전원(DC_IN)을 입력받아 변환된 직류 전원(DC_IN)을 소정 전위 레벨로 감압하여 감압된 직류 전원 즉, 화상형성장치 내부에서 사용되는 내부 전원(DC1, DC2)을 화상형성장치(100)의 인쇄 제어부(300) 및 인쇄 엔진부(400)에 각각 공급한다.
여기서, 전원 변환부(220)는 소정 스위칭 신호에 의해 내부로 직류 전원(DC_IN)이 인가되도록 제어한다. 따라서, 전원 변환부(220) 내부에 인가되는 직류 전원(DC_IN)은 직류 전원(DC_IN)의 전위와 0 전위가 교차로 형성되는 소정 펄스 형상으로 인가된다.
또한, 전원 변환부(220)는 인가되는 직류 전원(DC_IN)을 이용하여 스위칭 신호의 주파수를 가변적으로 생성하기 위한 원시 스위칭 신호를 생성하여 출력한다.
공진 회로부(240)는 임피던스 감지부(242) 및 시비율 변환부(244)를 포함한다.
구체적으로, 임피던스 감지부(242)는 전원 변환부(220)와 연결되는 인쇄 엔진부(400) 등의 모드 상태에 따라 변동되는 임피던스를 검출하여 원시 스위칭 신호의 시비율의 변경을 제어하는 시비율 제어 신호를 출력한다.
이때, 시비율 제어 신호는 전원 변환부(220)의 부하단의 임피던스가 증가하면 고 전위 레벨의 시비율 제어 신호를 출력하고, 부하단의 임피던스가 감소하면 저 전위 레벨의 시비율 제어 신호를 출력할 수 있다.
시비율 변환부(244)는 임피던스 감지부(242)에서 전원 변환부(220)의 부하단의 임피던스에 따라 각각 다른 전위 레벨로 출력되는 시비율 제어 신호에 따라 전원 변환부(220)에서 출력되는 원시 스위칭 신호의 시비율을 제어한다.
본 실시예에서는, 시비율 제어 신호가 고 전위 레벨로 인가되는 경우 시비율 변환부(244)는 비활성화되어 기 설정된 공진 주파수에 의해 원시 스위칭 신호가 공진되어 출력되고, 시비율 제어 신호가 저 전위 레벨로 인가되는 경우 시비율 변환부(244)는 활성화되어 기 설정된 공진 주파수에 소정 공진 주파수를 합성한 가변 공진 주파수에 의해 원시 스위칭 신호가 공진되어 출력되도록 구성한다.
신호 제어부(260)는 공진 회로부(240)에서 시비율이 변환된 원시 스위칭 신호 또는 시비율이 변환되지 아니한 원시 스위칭 신호를 입력받아 내부 전원(DC1, DC2)을 생성하기 위한 스위칭 신호를 생성한다.
이때, 신호 제어부(260)는 시비율이 변환된 원시 스위칭 신호를 입력받는 경우, 스위칭 신호의 주파수를 변경하여 출력하고, 시비율이 변환되지 아니한 원시 스위칭 신호를 입력받는 경우, 원 스위칭 신호의 주파수를 유지하여 출력한다.
이러한 스위칭 모드 전원공급장치(200)를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치의 구체적인 실시예를 도시한 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치의 구체적인 실시예를 도시한 다른 회로도이다.
특히, 도 3에는 준 공진 제어 방식을 사용하여 소비 전력 절감을 도모한 스위칭 모드 전원공급장치에서 스위칭 신호의 주파수를 가변하기 위한 구성을 구체적으로 도시한 회로도이며, 도 4는 도 3에 도시된 구성을 이용한 스위칭 모드 전원공급장치의 전체 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치는 전원 변환부(220), 공진 회로부(240), 신호 제어부(260) 및 과전류 검출부(280)를 포함한다.
구체적으로, 전원 변환부(220)는 직류 전원(DC_IN)이 인가되는 1차측 권선(L1), 1차측 권선(L1)과 대향 배치되어 내부 전원(DC1, DC2)을 생성하는 2차측 제1 권선(L2) 및 1차측 권선(L1)과 대향 배치되어 원시 스위칭 신호를 생성하는 2차측 제2 권선(L3)을 구비한 변압기를 포함한다.
또한, 전원 변환부(220)는 1차측 권선(L1)에 인가되는 직류 전원(DC_IN)을 2차측 권선(L2, L3)에 전송하기 위해 펄스화하는 1차측 권선(L1)에 직렬 연결된 모스 트랜지스터(M_TR)를 더 포함한다.
모스 트랜지스터(M_TR)는 스위칭 신호를 인가받아 턴-온 및 턴-오프되고, 모스 트랜지스터(M_TR)의 스위칭 동작에 따라 직류 전원(DC_IN)은 소정 펄스 형상으로 변환되어 1차측 권선(L1)에 인가된다. 1차측 권선에 인가된 직류 전원(DC_IN)과 1차측 및 2차측 권선(L1, L2, L3)의 권선비에 의해 2차측 권선(L2, L3)에는 소정 전위로 감압된 유도 전압이 형성된다.
2차측 제1 권선(L2)에 형성된 유도 전압은 정류 소자(D1)과 충전 소자(C4)에 의해 정류 및 평활되어 내부 전원(DC1, DC2)으로 인가되고, 2차측 제2 권선(L3)에 형성된 유도 전압은 스위칭 신호의 주파수를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호로 공진 회로부(240)에 인가된다.
여기서, 전원 변환부(220)와 연결되는 과전류 검출부(280)를 먼저 설명하면, 과전류 검출부(280)는 모스 트랜지스터(M_TR)의 소스 단자와 연결되어 모스 트랜지스터(M_TR)를 통해 과전류가 유입되는 경우, 이를 검출하여 신호 제어부(260)에 과전류 검출 신호를 제공한다.
이를 위해, 과전류 검출부(280)는 모스 트랜지스터(M_TR)와 연결되는 저항 소자들(R4, R5)을 포함할 수 있고, 저항 소자들(R4, R5)에 의해 분압된 전위를 과전류 검출 신호로 신호 제어부(260)에 제공한다. 즉, 과전류 유입 시 모스 트랜지스터(M_TR)의 소스 단자의 전위는 정상 상태에 비해 고 전위로 형성되고, 고 전위로 형성된 소스 단자의 전위는 저항 소자들(R4, R5)에 의해 분배되어 신호 제어부(260)로 인가되며, 인가된 전위가 기준 허용 범위를 초과하는 전위인 경우 신호 제어부(260)는 스위칭 신호의 출력을 차단하여 모스 트랜지스터(M_TR)를 턴-오프시킨다. 이에 따라, 유입되는 과전류로부터 스위칭 모드 전원공급장치(200) 내부의 소자 등을 보호하게 된다.
공진 회로부(240)는 임피던스 감지부(242) 및 시비율 변환부(244)를 포함한다.
임피던스 감지부(242)는 모스 트랜지스터(M_TR)의 소스 단자에 대해 과전류 검출부(280)와 병렬 연결된다. 임피던스 감지부(242)는 전원 변환부(220)에 부하단 의 임피던스를 감지하여 시비율 제어 신호를 출력한다. 즉, 상대적으로 값이 큰 임피던스가 부하단에 연결되는 경우 예를 들어, 인쇄 모드의 경우 부하단에 연결된 인쇄 엔진부(400)가 인쇄 동작을 수행하기 위해 임피던스가 증가하게 되는 경우, 전원 변환부(220)의 1차측 권선(L1)을 경유하는 전류량을 증가하게 되고, 이에 따라 임피던스 감지부(242)로 유입되는 전류량 또한 증가하게 된다.
이와 반대로, 상대적으로 값이 작은 임피던스가 부하단에 연결되는 경우 예를 들어, 대기 모드의 경우, 전원 변환부(220)의 1차측 권선(L1)을 경유하는 전류량을 감소하게 되고, 이에 따라 임피던스 감지부(242)로 유입되는 전류량 또한 감소하게 된다.
임피던스 감지부(242)는 이와 같은 전류량의 변화를 감지하여 시비율 제어 신호를 출력하기 위해 커패시터와 같은 충전 소자(C3)를 포함한다. 상술한 바와 같이, 인쇄 모드의 경우 충전 소자(C3)에 형성되는 전위는 고 전위의 전위 레벨로 형성되고, 대기 모드의 경우 충전 소자(C3)에 형성되는 전위는 저 전위의 전위 레벨로 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 충전 소자(C3)의 충전 전위는 시비율 제어 신호로 시비율 변환부(244)로 인가된다.
시비율 변환부(244)는 임피던스 감지부(242)에서 출력되는 시비율 제어 신호에 의해 공진 회로부(240)의 공진 주파수를 가변적으로 형성한다. 이를 위해, 시비율 변환부(244)는 제1 충전부(C1), 스위칭부(TR) 및 제2 충전부(C2)를 포함한다.
제1 충전부(C1)는 커패시터와 같은 충전 소자로 구성될 수 있고, 공진 회로부(240)의 고정된 공진 주파수를 결정한다.
스위칭부(TR)는 일례로 PNP형 트랜지스터로 구성될 수 있고, 임피던스 감지부(242)에서 출력되는 시비율 제어 신호를 인가받아 선택적으로 활성화된다.
즉, 인쇄 모드의 경우 고 전위로 인가되는 시비율 제어 신호에 의해 스위칭부(TR)는 비활성화되고, 이에 따라 공진 회로부(240)의 공진 주파수는 제1 충전부(C1)에 의해 결정된 공진 주파수로 결정된다.
제2 충전부(C2)는 커패시터와 같은 충전 소자로 구성될 수 있고, 스위칭부(TR)와 직렬 연결되어, 스위칭부(TR)의 스위칭동작에 의해 제1 충전부(C1)와 병렬 연결되거나 제1 충전부(C1)와 단락된다.
즉, 대기 모드의 경우 저 전위로 인가되는 시비율 제어 신호에 의해 스위칭부(TR)는 활성화되고, 이에 따라 공진 회로부(240)의 공진 주파수는 제1 및 제2 충전부(C1, C2)의 합성 커패시턴스에 의해 제1 충전부(C1)에 의해 고정된 공진 주파수에 제2 충전부(C2)에 의한 공진 주파수가 합성되어 결정된다. 즉, 제2 충전부(C2)의 커패시턴스에 따라 공진 회로부(240)의 공진 주파수는 가변 공진 주파수로 형성된다.
신호 제어부(260)는 하나의 집적 회로(IC)로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 신호 제어부(260)의 일례로, 'NCP1207'의 콘트롤러가 사용될 수 있다.
신호 제어부(260)는 전원 변환부(220)의 모스 트랜지스터(M_TR)의 구동을 제어하는 스위칭 신호를 출력하고, 과전류 검출부(280)에서 과전류 검출 신호가 인가되면 스위칭 신호의 출력을 차단하며, 전원 변환부(220)의 부하단 임피던스의 변동에 따라 스위칭 신호의 주파수를 변경하여 출력한다.
즉, 신호 제어부(260)는 모스 트랜지스터(M_TR)의 턴-온(turn-on) 상태에서 턴-오프(turn-off) 상태로 변화할 때, 변동되는 모스 트랜지스터(M_TR) 양단의 전위가 최소 지점일 때 모스 트랜지스터(M_TR)가 도통하여 시작하여 새로운 사이클을 다시 시작하도록 트리거(trigger) 하는 준 공진 제어 방식을 사용하여 스위칭 신호를 생성하여 출력한다.
또한, 신호 제어부(260)는 인쇄 모드에서 공진 회로부(240)의 트랜지스터(TR)가 비활성화됨에 따라 제1 충전부(C1)에 의해 고정된 공진 주파수에 따라 공진된 원시 스위칭 신호를 인가받기 때문에 출력된 스위칭 신호와 동일한 주파수를 갖는 스위칭 신호를 출력한다. 그러나, 신호 제어부(260)는 대기 모드에서 공진 회로부(240)의 트랜지스터(TR)가 활성화됨에 따라 제1 충전부(C1) 및 제2 충전부(C2)의 합성 커패시턴스에 의해 형성된 가변 공진 주파수에 따라 공진된 원시 스위칭 신호를 인가받기 때문에 출력된 스위칭 신호에 비해 낮은 주파수로 출력되어 스위칭 신호의 출력 주기가 짧아진다.
이에 대해, 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 모드 전원공급장치의 구동을 설명하기 위한 파형도이다. 특히, 도 5의 상단부의 그래프는 도 3의 P1 포트에서 검출한 스위칭 신호를 도시한 그래프이고, 하단부의 그래프는 도 5의 P2 포트에서 검출한 원시 스위칭 신호를 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 대기 모드의 경우 제2 충전부(C2)에 의해 공진 회로부(240)는 가변 공진 주파수를 갖게 되고, 이에 의해 원시 스위칭 신호는 도 7에 도시된 원시 스위칭 신호에 비해 그 시비율이 가변된다. 즉, 도 7의 비교예에서는 각 펄스의 시비율은 동일한 시비율로 형성되고, 이에 의해 0 전위로 신호 제어부(260)에서 인식하는 구간(C)이 증가하게 된다.
예를 들어, 본 실시예에서와 같이 신호 제어부(260)가 "NCP1207" 콘트롤러로 구성되는 경우, 0 전위가 검출된 후 8us의 지연 시간 동안 그 이상의 전위가 검출되지 아니하면 스위칭 신호를 출력하게 된다. 따라서, 비교예에 도시된 바와 같이 각 원시 스위칭 신호에 대해 8us 시간 후에 스위칭 신호가 출력된다.
반면, 도 5를 참조하면, 가변 공진 주파수에 의해 원시 스위칭 신호의 고조파 성분이 소정 시간동안 지연되어 출력하기 때문에 0 전위가 검출되는 시간을 소정 시간동안 지연시킬 수 있고, 이에 따라 콘트롤러가 인식 가능한 시간 예를 들어, 0 전위가 검출된 후 8us의 시간 이하의 지연 시간 중 그 이상의 전위가 검출되는 구간(A)이 형성되어 이 구간에서는 원시 스위칭 신호에 의해 스위칭 신호가 출력되는 것이 차단된다. 그러나, 8us의 시간 이하의 지연 시간동안 그 이상의 전위가 검출되지 아니하는 구간(B) 구간에서는 원시 스위칭 신호에 의해 스위칭 신호가 출력된다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 제2 충전부(C2)의 커패시턴스를 조절함으로써, 그 고조파 성분의 시비율을 가변적으로 형성함으로써, 0 전위 이하의 원시 스위칭 신호가 신호 검출부(260)로 출력되는 시간을 조절하여, 신호 검출부(260)가 각 원시 스위칭 신호에 0 전위 검출 구간에서 스위칭 신호를 출력하는 것을 차단할 수 있다.
이에 의해, 스위칭 신호의 주파수를 낮은 주파수로 형성되고, 주파수와 비례하여 증가하는 EMI 및 각 스위칭 신호에 의한 스위칭 동작이 수행될 때, 모스 트랜지스터(M_TR)에서 발생하는 전력 손실이 방지된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 준 공진 제어 방식에서 부하단의 임피던스가 낮아질 때, 고조파 성분에 의해 스위칭 신호 주파수의 증가에 비례하는 EMI 특성 저하를 방지할 수 있다.
또한, 스위칭 신호의 주파수가 증가되어 스위칭 트랜지스터의 스위칭 동작의 증가함에 따른 전력 손실을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 외부 전원을 스위칭 신호에 의해 내부 전원으로 변환하고, 상기 외부 전원에 기초하여 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호를 출력하는 전원 변환부;
    상기 내부 전원이 인가되는 부하단의 임피던스 변동에 따라 상기 원시 스위칭 신호의 시비율을 가변 공진 주파수를 이용하여 변경하는 공진 회로부; 및
    상기 가변 공진 주파수에 의해 공진된 원시 스위칭 신호의 전위와 기 정의된 기준 전위를 비교하여, 소정 시간동안 상기 원시 스위칭 신호의 전위가 상기 기준 전위 이하의 전위로 형성되면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력하는 신호 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공진 회로부는,
    상기 부하단의 임피던스 변동을 검출하여 시비율 제어 신호를 출력하는 임피던스 감지부; 및
    상기 시비율 제어 신호에 응답하여 상기 시비율을 변경하는 시비율 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 시비율 변환부는,
    상기 원시 스위칭 신호를 공진하기 위한 제1 충전부;
    상기 제1 충전부와 병렬 연결되고, 상기 시비율 제어 신호에 응답하여 활성화되는 제1 스위칭부; 및
    상기 제1 스위칭부와 직렬 연결되고, 상기 제1 스위칭부가 활성화되면 상기 제1 충전부와 함께 상기 공진 회로부의 가변 공진 주파수를 형성하는 제2 충전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 임피던스 감지부는,
    상기 부하단의 임피던스 변동에 따라 서로 다른 충전 전위로 형성되고, 상기 형성된 충전 전위를 상기 시비율 제어 신호로 출력하는 제3 충전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원 변환부로 과전류가 인가되면 상기 신호 제어부로 과전류 검출 신호를 출력하는 과전류 검출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진 회로부는 상기 과전류 검출부와 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전원 변환부는,
    상기 스위칭 신호에 응답하여 활성화되어 상기 외부 전원의 전위를 변동시키는 제2 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전원 변환부는,
    상기 외부 전원이 인가되는 1차측 권선;
    상기 1차측 권선과 대향 배치되어 상기 내부 전원을 유도하는 2차측 제1 권선; 및
    상기 1차측 권선과 대향 배치되어 상기 원시 스위칭 신호를 유도하는 2차측 제2 권선;을 포함하는 변압기로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공진 회로부는,
    상기 2차측 제2 권선과 연결되어 상기 공진된 원시 스위칭 신호를 출력하는 제1 커패시터;
    상기 제1 커패시터와 병렬 연결되는 제2 커패시터; 및
    상기 제1 커패시터와 병렬 연결되고 상기 제2 커패시터와 직렬 연결되며, 상기 부하단의 임피던스 변동에 따라 활성화되어 상기 제1 및 제2 커패시터를 선택적으로 연결시키는 제1 트랜지스터;를 포함하는 것을 스위칭 모드 전원공급장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전원 변환부는,
    상기 스위칭 신호에 응답하여 상기 1차측 권선에 인가되는 외부 전원의 전위를 변동시키는 제2 트랜지스터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터와 연결되어 상기 1차측 권선에 과전류가 인가되면, 양단의 전위 차를 과전류 검출 신호로 상기 신호 제어부로 출력하는 저항 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공진 회로부는,
    상기 저항 소자와 병렬 연결되어 상기 부하단의 부하 변화에 따라 변동되는 상기 저항 소자 양단의 전위에 의해 소정 전위로 충전되고, 상기 충전된 전위를 시비율 제어 신호로 출력하는 제3 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치.
  13. 외부 전원과 인쇄 데이터를 입력받아 인쇄 동작을 수행하는 화상형성장치에 있어서,
    상기 인쇄 데이터를 입력받아 비트맵 이미지로 변환하는 인쇄 제어부;
    상기 변환된 비트맵 이미지를 소정 기록 매체에 인쇄하는 인쇄 엔진부; 및
    상기 외부 전원을 상기 각 부의 정격 전원으로 변환하여 출력하고, 상기 각 부의 구동 모드에 따라 상기 정격 전원으로 변환하기 위한 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력하는 전원 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 구동 모드는 상기 인쇄 엔진부 및 인쇄 제어부가 활성화되어 상기 인쇄 데이터를 상기 기록 매체에 인쇄하는 인쇄 모드와, 상기 인쇄 엔진부 및 인쇄 제어부가 비활성화되는 대기 모드를 포함하고,
    상기 전원 공급부는,
    상기 대기 모드에서 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 전원 공급부는,
    상기 외부 전원을 상기 스위칭 신호에 의해 정격 전원으로 변환하고, 상기 외부 전원에 기초하여 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호를 출력하는 전원 변환부;
    상기 내부 전원이 인가되는 부하단의 임피던스 변동에 따라 상기 원시 스위칭 신호의 시비율을 가변 공진 주파수를 이용하여 변경하는 공진 회로부; 및
    상기 가변 공진 주파수에 의해 공진된 원시 스위칭 신호의 전위와 기 정의된 기준 전위를 비교하여, 소정 시간동안 상기 원시 스위칭 신호의 전위가 상기 기준 전위 이하의 전위로 형성되면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하여 출력하는 신 호 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
  16. 외부 전원을 소정 스위칭 신호를 이용하여 부하단에 인가되는 내부 전원으로 변환하는 스위칭 모드 전원공급장치의 구동 방법에 있어서,
    (a) 상기 부하단의 임피던스 변동을 판단하는 단계; 및
    (b) 상기 판단 결과 상기 부하단의 부하가 감소하면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치의 구동 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    (c) 상기 스위칭 신호를 가변하기 위한 원시 스위칭 신호를 생성하는 단계;
    (d) 상기 원시 스위칭 신호의 시비율이 변경되도록 공진 주파수를 가변시키는 단계; 및
    (e) 상기 가변된 공진 주파수에 의해 상기 원시 스위칭 신호를 공진시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치의 구동 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 공진된 원시 스위칭 신호의 전위와 기 정의된 기준 전위를 비교하여, 소정 시간동안 상기 원시 스위칭 신호의 전위가 상기 기준 전위 이하의 전위로 형성되면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치의 구동 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 공진 주파수를 결정하는 커패시턴스가 증가됨에 따라 상기 시비율이 변경되는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원공급장치의 구동 방법.
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