KR20090026624A - 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위칭 전원장치가 경부하 혹은 대기모드시 스위칭소자에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 스위칭소자의 개폐시에 발생하는 손실을 줄일 수 있는 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치를 제공하고자 하는 것으로, 교류전원(AC)을 정류 및 평활화하여 일차 직류전원을 만드는 고전압 직류변환부와; 상기 직류변환부에 연이어 연결되고, 교류전원(AC)에 흐르는 전류의 파형을 전압파형과 유사하게 만들어 역률을 개선하며 제어신호에 의해 전압 크기가 가변되는 이차 직류전원을 만드는 역률제어부와; 상기 역률제어부의 후단에 연결되고, 부하 상태를 감지하여 이차 직류전압이 변압기의 일차권선에 인가되는 스위칭시간을 제어하여 부하의 전압을 일정하게 유지시키고, 경부하 혹은 대기모드일 때 역률제어부의 레퍼런스 전압을 가변할 수 있는 DC-DC 변환부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전원장치의 부하가 작아질 때(즉, 경부하 혹은 대기모드), 기존의 방법에 의한 전력소모에서 스위칭소자에 의해 발생하는 손실을 줄일 수 있어 전원장치의 효율을 향상시키며 역률도 크게 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
스위칭전원장치, PFC, 스위칭손실, 경부하, 대기모드

Description

저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치{Switching-mode power supply having low power consumption in stand-by mode}
본 발명은 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치에 관한 것이다.
스위칭 전원장치는 스위칭 소자를 고속으로 개폐시켜 다이오드 및 평활회로에 의해 만들어진 직류전압을 교류로 변환하고 변압기를 통해 원하는 크기의 전압을 만들어 다시 평활하는 방식으로 고주파 트랜스를 사용하므로 전원장치의 소형화 및 경량화가 가능하고 손실이 작아 효율이 높고 넓은 입력전압 범위에 쉽게 대응할 수 있는 특징이 있어 대부분의 전원장치가 이와 같은 스위칭 방식을 택하고 있다.
종래의 대표적인 스위칭 전원장치를 도 1에 보여주고 있다. 즉, 종래의 스위칭전원장치는, 교류전원을 정류 및 평활화하여 일차 직류전원을 만드는 고전압 직류변환부(100)와, 부하 상태를 감지하여 스위칭소자(S1)를 통하여 인가되는 일차 직류전압이 변압기(T)의 일차권선에 인가되는 시간(혹은 듀티비)을 제어하여 부하의 변동에 둔감하게 부하 전압을 일정하게 유지시키는 컨트롤러(130)을 포함하는 DC-DC 변환부(110)로 구성된다.
이와 같은 스위칭방식의 전원장치는 설계된 사양의 부하상태에서는 높은 효율을 보이지만 부하에 의한 전력소모가 줄어들 경우 즉, 경부하 상태나 대기모드로 진행될 경우, 낮은 듀티비에도 불구하고 스위칭소자(S1)의 개폐가 지속적으로 이루어져 스위칭소자에 의한 손실이 커지며 결국 전원장치 전체의 효율이 나빠진다는 단점이 있다.
도 2는 플라이백(fly-back) 방식의 스위칭 전원장치에서 스위칭소자로 사용되는 파워 MOSFET에 의한 손실성분과 첫째 권선에 흐르는 전류파형을 보여주고 있다.
도면에서와 같이 일반적으로 MOSFET에서 손실성분은 스위칭 작용으로 인한 게이트와 드레인에서 발생하는 스위칭손실(dynamic loss)과 MOSFET이 통전되었을 때 드레인저항(rds( on )) 때문에 발생하는 도전손실(conduction loss)로 나눌 수 있으며 각각 수식 1 ~ 수식 5과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007065620606-PAT00001
Figure 112007065620606-PAT00002
여기서, Qgd, Rdr, Vdr, Vth, Vi, fsw, Coss, Vds ( on ), Ciss, rds ( on ), Dmax, LM는 각각 스위칭소자(MOSFET)의 게이트-드레인 전하, 게이트 드라이버의 출력저항, 게이트 드라이버의 구동전압, 스위칭소자의 문턱전압, 전원장치의 일차 직류전압, 스위칭전원장치의 동작주파수, 스위칭소자의 드레인-소스 커패시턴스, 턴온시 스위칭소자 드레인-소스 전압, 게이트-소스 입력 커패시턴스, 턴온시 스위칭소자의 드레인-소스간 저항, 스위칭전원장치의 최대 듀티비, 변압기 첫째단의 자화 인덕턴스를 의미하며, Ipw(max), ΔIpw, Ipw ( rms ), Ipw ( mid )는 변압기의 첫째 권선에 흐르는 전류로서 도 2에 도식되어 있다.
상기 수식 1,4,5를 통해 스위칭손실은 다이오드 및 평활회로에 의해 만들어진 일차 직류전압 (Vi)의 제곱에 비례함을 알 수 있다.
결과적으로 종래의 기술은 전원장치가 경부하 혹은 대기모드로 동작하면 스위칭에 의한 손실을 줄이기 위해 스위칭소자의 개폐빈도를 줄이는 이른바 간헐모드(burst mode)로 동작하고 있으나, 이 경우에도 여전히 Vi 2에 비례하는 스위칭 손실이 존재하게 된다.
또한 설계된 사양을 만족하는 부하상태에서 동작할지라도 동작주파수가 증가할 수 록 ImidVi에 비례하는 스위칭 손실이 존재한다. 동작주파수는 전원장치에 사용되는 수동소자의 크기를 결정하는 요소로서 최근 전원장치의 경박 단소해지는 추세에 따라 그 요구가 증가하고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,
본 발명의 목적은 스위칭 전원장치가 경부하 혹은 대기모드시 스위칭소자에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 스위칭소자의 개폐시에 발생하는 손실을 줄일 수 있는 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치를 제공하고자 하는 것이다.
다른 목적은 역률을 개선하여 정상동작 상태에서도 낮은 동작전압으로 구동할 수 있게 하여 스위칭손실을 줄이는 동시에 낮은 항복전압을 갖는 스위칭소자를 사용할 수 있는 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 스위칭전원장치는, 교류전원(AC)을 정류 및 평활화하여 일차 직류전원을 만드는 고전압 직류변환부와; 상기 직류변환부에 연이어 연결되고, 교류전원(AC)에 흐르는 전류의 파형을 전압파형과 유사하게 만들어 역률을 개선하며 제어신호에 의해 전압 크기가 가변되는 이차 직류전원을 만드는 역률제어부와; 상기 역률제어부의 후단에 연결되고, 부하 상태를 감지하여 이차 직류전압이 변압기의 일차권선에 인가되는 스위칭시간을 제어하여 부하의 전압을 일정하게 유지시키고, 경부하 혹은 대기모드일 때 역률제어부의 레퍼런스 전압을 가변할 수 있는 DC-DC 변환부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하고 있으며, 상기 역률제어부의 출력을 두 개 혹은 복수 개의 커패시터를 이용하여 낮춰진 분배 전압을 DC-DC 변환부에 인가되게 구성한 것을 특징으로 하고 있다,
또한 경부하 및 대기모드를 피드백 전압으로 판별하여 스위칭소자에 인가되는 전압이 감소되게 구성한 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이 본 발명은 전원장치가 경부하 혹은 대기모드에서 동작할 때 스위칭소자에 인가되는 전압을 낮추어 스위칭으로 인한 손실을 줄여 전체적인 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 부가적으로 정상동작 상태에서도 낮은 동작전압으로 인해 스위칭손실을 줄일 수 있으며 상대적으로 낮은 항복전압을 갖는 스위칭소자를 사용할 수 있으므로 전원장치의 가격을 낮추는 동시에 역률을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 의한 스위칭 전원장치의 제 1 실시예를 나타내고 있다.
본 발명은 크게 3개의 블록으로 구성되어 있고, 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 직류전압 변환부와(20), 상기 직류전압 변환부(20)의 출력측에 연결되어 역률을 개선하기 위한 역률제어부(30)와, 상기 역률제어부(30)의 출력측에 연결되어 부하인 DC-DC 변환부(40)에 필요한 직류전압을 공급되게 구성되어 있다.
직류전압 변환부(20)는 인가되는 교류전원(AC)이 브릿지 다이오드(BD)를 통하여 정류된후 커패시턴스(C10)에 의하여 평활되어 공급되도록 구성되어 있다.
역률제어부(30)는 인덕턴스(L1)를 통하여 일측으로 MOSFET로 구성된 스위칭소자(S2)를 통하여 펄스변조부(28)에 인가되게 구성되어 있고, 타측으로 다이오드(D1)를 통하여 전류측정부(31) 및 가산기(32)를 거쳐 펄스변조부(28)에 인가되게 구성되어 있다.
그리고 전류측정부(31)를 통하여 연산기(34)를 통한 출력이 곱셈기(33)를 통하여 가산기(32)에 인가되게 구성한 것이다.
이와같이 구성된 역률제어부(30)는 인덕터(L1) 및 다이오드(D1)를 통하여 흐르는 전류를 전류측정부(31)를 통하여 샘플링하여 전압형태로 연산기(34)에 인가하면, 연산기(34)는 목표한 출력전압과의 차이에 대한 전압을 제공하며 이것은 곱셈기(33)에 의해 입력전압과 곱해진다.
상기 곱셈기(33)의 출력은 입력전압의 파형과 동일하며 크기는 목표출력전압과 실제 출력전압의 에러에 대한 정보를 가지고 있으며, 덧셈기(32)은 에러가 곱해진 입력전압파형과 출력전류를 더하여 펄스변조부(28)를 통해 교류전원에 흐르는 입력전류의 파형이 입력전압의 파형을 따라가도록 스위치 트랜지스터(S2)를 제어한다.
즉, 역률제어부(30)은 입력전류가 입력전압의 파형을 따라가도록 만들며 수식(6)에 의해 결정된 직류출력전압(이차 직류전압)을 출력하는 역할을 수행하고 있다.
상술한 역률제어부(30)의 회로자체는 일반적인 회로이나 본 발명에서는 이와 같이 구동되는 역률제어부의 기준전압(reference 전압)을 제어하여 직류출력전압을 가변시키고자 하는 것이다.
결과적으로 역률제어부(30)는 인덕터(L1)으로 흐르는 전류파형을 입력측 교류전압(AC)의 파형과 유사(예를 들면, 동일한 위상을 가지면서 진폭만 다른 파형)하도록 제어함으로써 교류전원에 마치 저항성 부하가 연결된 것처럼 구동하여 역률을 개선시키게 된다.
이때 이차 직류전압(Vo)의 크기는 저항(R1),(R2) 및 노드에 걸리는 레퍼런스 전압(VREF)에 의해 결정되고 이는 수식 6과 같다.
(수식 6)
Figure 112007065620606-PAT00003
이차 직류전압 제어 및 역률제어 외의 동작은 도 1에 나타낸 통상의 스위치 전원장치와 동일하다.
역률제어는 부스트 타입(boost-type)인 경우가 가장 효과적이기 때문에 이차 직류전압(VDC2)은 통상 입력단의 교류전압의 RMS 값보다 크게 된다.
따라서 본 발명에서 스위칭으로 인한 손실을 줄이기 위해 DC-DC 변환부(40)의 입력측 노드에 걸리는 분배전압(V2)이 입력단의 교류전원(AC)의 RMS (Root Mean Square)값보다 작은 직류전압이 되도록 커패시터(C1) 및 커패시터(C2)를 직렬접속하고 이들의 분압비에 의해 결정되도록 하고 있다.
(수식 7)
Figure 112007065620606-PAT00004
이렇게 할 경우 경부하가 아닌 통상적인 부하의 동작상태에서도 스위칭소자(S1)에 걸리는 전압이 줄어들어 스위칭손실을 줄일 수 있으며, 보다 낮은 항복전압을 갖는 소자를 사용할 수 있으므로 비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 220V의 교류 입력전압에 대해 15%의 변동분을 고려한 직류전압은 약 358V이며 스위칭소자의 개폐시 변압기(T)의 기생 인덕턴스 성분에 의한 전압 스파이크를 스너버회로를 이용해 감소시키더라도 통상 20%의 마진을 가져야하므로 최소한 430V이상의 항복전압을 갖는 스위칭소자를 사용해야 한다.
반면 본 발명에 의해 스위칭소자(S1)에 입력되는 전압을 100V로 낮춘다면 스위칭소자의 항복전압은 120V 이상이면 가능하여 스위칭소자의 가격을 낮출 수 있으며 또한 같은 항복전압의 스위칭소자를 사용한다면 전압 스트레스가 줄어들기 때문에 신뢰성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.
또한 DC-DC 변환부(40)는 역률제어부(30)의 출력이 커패시턴스(C1),(C2)에 의하여 분압된 후 변압기(T)의 2차측의 다이오드(D2) 및 캐페시터(C6)를 통하여 출력되게 구성하고, 부하상태에 대한 정보는 직류출력에서 제너다이오드(ZD) 및 포토다이오드(PD)를 통하여 출력되게 구성되어 있다.
그리고 변압기(T)의 2차측에서 다이오드(D3)를 통하여 연결된 포토트랜지스터(PQ)가 상기한 포토다이오드(PD)에 의하여 구동되게 구성하여 턴온시 캐페시터(C4)를 충전하여 피드백전압(VFB)이 인가되게 구성하고, 상기 변압기(T)의 일차측에서 스위칭소자(S1)를 통하여 컨트롤러(41)가 연결되게 구성하여 콘트롤러(41)의 내부 기준전압 발생부(도 5참조)를 통하여 기준전압(VREF)이 출력되게 구성한 것이다.
다음은 경부하 및 대기모드로 전원장치가 동작할 때 스위칭손실 감소에 대해 설명한다.
도4는 부하의 상태에 따른 노드에 걸리는 피드백 전압(VFB)을 보여준다. 정 상 부하상태(t<t1)인 경우 기준전압(VREF1)이 비교기(34)의 비반전단자에 인가되고 상술한 바와같이 수식6 및 수식7에 의해 노드에 걸리는 분배전압(V2)이 결정된다.
이때 출력측의 부하가 작아지면 출력전압의 상승이 발생하며 제너다이오드(ZD)가 턴온되고 포토커플러의 포토다이오드(PD)가 동작하여 포토트랜지스터(PQ)도 턴온되어 커패시터(C4)가 충전되어 피드백 전압(VFB)이 상승한다.
피드백 전압이 문턱전압(VTH1)보다 커지면 컨트롤러(41)는 기준전압(VREF2)를 출력하여 앞서 언급한 것과 같은 방식으로 보다 낮은 전압을 DC-DC 변환부(40)에 인가한다. 만약 피드백 전압이 문턱전압(VTH2)를 넘어가면 컨트롤러는 기준전압(VREF3)를 출력하여 가장 낮은 전압을 DC-DC 변환부(40)에 인가하게 된다.
이와 같은 방법으로 스위칭 소자(S1)에 인가되는 전압을 제어하여 경부하시 스위칭으로 인한 손실을 줄일 수 있다.
도5는 본 발명에 사용되는 컨트롤러(41)에서 기준전압을 발생하기위한 기준전압 발생부를 나타내고 있는 것으로 통상적으로 스위칭소자(S1)를 제어하기 위한 펄스변조부(PWM) 및 제어블록 이외에 앞서 언급한 기능을 구현하고 있다.
이 회로는 피드백 전압(VFB)이 인가되는 비교기(CP1),(CP2)의 전압과 저항(R7),(R8),(R9)을 통한 분배전압을 비교하여 게이트(G1),(G2)를 통하여 스위치(SW3),(SW2)의 구동을 제어하도록 구성되어 있고, 기준전압(VBGR), 비교기(CP3), FET(F)및 저항(R4),(R5),(R6)를 통하여 스위치(SW1),(SW2),(SW3)를 통하여 기준전 압(VREF)이 출력되게 구성한 것이다.
이 기준전압 발생부는 피드백되는 피드백 전압(VFB)과 기준전압(VREF)사이의 결선된 회로소자들은 다음과 같은 논리표와 같이 동작된다.
논리표
Figure 112007065620606-PAT00005
상술한 스위치(SW1),(SW2),(SW3)는 논리“1”인 경우 폐쇄(close)되며, 논리“0”인 경우 개방(open)된다.
상기에서와 같이 역률보상부(30)의 기준전압(VREF)이 DC-DC변환부(40)의 입력전압(이차 직류전압)으로 결정되고, 인가되는 피드백전압(VFB)을 감지하여 스탠바이 모드인지 경부하 모드인지를 판단하여 이들 부하 상태에 따라 서로 다른 기준전압을 출력하여 결국 DC-DC 변환기의 입력전압을 낮추는 결과를 가져오며, 이것은 스위칭소자(S1) 양단의 전압을 낮추기 때문에 전압의 제곱에 비례하는 스위칭손실이 줄일 수 있는 특징이 있다.
도 1은 종래의 스위칭 전원장치의 실시예를 나타낸 회로도,
도 2는 전원장치에 사용되는 변압기의 첫 번째 권선에 흐르는 전류파형 및 스위칭소자에서 발생하는 손실성분을 설명한 파형도,
도 3은 본 발명에 의한 스위칭 전원장치의 제 1 실시예를 나타낸 회로도,
도 4는 부하 변동에 대한 피드백 전압과 본 발명에 의한 컨트롤러의 레퍼런스 전압의 변화를 보여주는 도면
도 5는 본 발명에 사용되는 컨트롤러내에 기준전압을 발생하기위한 기준전압 발생부를 나타낸 회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20: 직류변환부 30: 역률제어부
40: DC-DC 변환부 AC: 교류전원
BD: 브릿지 다이오드 S1,S2 : 스위칭소자
28: 펄스폭변조부 31 : 전류측정부
D1,D2,D3,... : 다이오드 ZD : 제너다이오드
C1,C2,C2,... :커패시턴스 41 : 컨트롤러
CP1,CP2,... :비교기 G1.G2 : 게이트
VREF :기준전압 VFB :피드백 전압
L1 : 인덕터 T: 변압기

Claims (4)

  1. 교류전원(AC)을 정류 및 평활화하여 일차 직류전원을 만드는 고전압 직류변환부(20)와;
    상기 직류변환부(20)에 연이어 연결되고, 교류전원(AC)에 흐르는 전류의 파형을 전압파형과 유사하게 만들어 역률을 개선하며 제어신호에 의해 전압 크기가 가변되는 이차 직류전원을 만드는 역률제어부(30)와;
    상기 역률제어부(30)의 후단에 연결되고, 부하 상태를 감지하여 이차 직류전압이 변압기의 일차권선에 인가되는 스위칭시간을 제어하여 부하의 전압을 일정하게 유지시키고, 경부하 혹은 대기모드일 때 역률제어부의 레퍼런스 전압을 가변할 수 있는 DC-DC 변환부(40)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 역률제어부(30)의 출력을 두 개 혹은 복수 개의 커패시터(C1),(C2)를 이용하여 낮춰진 분배 전압을 DC-DC 변환부(40)에 인가되게 구성한 것을 특징으로 하는 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    경부하 및 대기모드를 피드백 전압(VFB)으로 판별하여 스위칭소자(S1)에 인가되는 전압이 감소되게 구성한 것을 특징으로 하는 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    경부하 및 대기모드의 판별을 여러 단계로 나누어 스위칭 소자(S1)에 인가되는 전압이 낮은 방향으로 낮아지도록 구성한 것을 특징으로 하는 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치.
KR1020070091717A 2007-09-10 2007-09-10 저손실 대기모드를 갖는 스위칭 전원장치 KR100946437B1 (ko)

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