KR20120070424A - 전원 공급 장치 및 그의 제어 방법 - Google Patents

전원 공급 장치 및 그의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디스플레이 장치에 구동 전원을 공급하는 장치에 관한 것으로, 그 장치는 역률 보상을 통해 일정 크기의 직류 전압을 출력하는 역률 보상부(PFC, Power Factor Correction); 및 역률 보상부로부터 입력되는 직류 전압을 하나 이상의 직류 전압으로 변환시키는 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, Switching Mode Power Supply)를 포함하고, 역률 보상부의 발진 주파수는 스위칭 모드 전원 공급부의 간헐 발진 주파수에 동기화된다.

Description

전원 공급 장치 및 그의 제어 방법{Power supply apparatus and controlling method thereof}
본 발명은 디스플레이 장치에 구동 전원을 공급하는 스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS, Switching Mode Power Supply)에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 디스플레이 장치에 대한 요구도 다양한 형태로 증가하고 있으며, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display)등 여러 디스플레이 장치가 연구되어 사용되고 있다.
일반적으로, 디스플레이 장치는 구동에 필요한 전원을 공급하는 전원 공급 모듈을 포함하며, 상기 전원 공급 모듈에는 외부로부터 공급되는 전압을 디스플레이 장치의 각 유닛들에서 필요로 하는 전압들로 변환하여 안정화시켜 공급하는 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS, Switching Mode Power Supply)가 포함된다.
본 발명은 디스플레이 장치의 대기 전력을 감소시킬 수 있는 전원 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치는, 역률 보상을 통해 일정 크기의 직류 전압을 출력하는 역률 보상부(PFC, Power Factor Correction); 및 상기 역률 보상부로부터 입력되는 직류 전압을 하나 이상의 직류 전압으로 변환시키는 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, Switching Mode Power Supply)를 포함하고, 상기 역률 보상부의 발진 주파수는 상기 스위칭 모드 전원 공급부의 간헐 발진 주파수에 동기화된다.
본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는 상기 전원 공급 장치를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치 제어 방법은, 역률 보상을 통해 일정 크기의 직류 전압을 출력하는 PFC IC 및 상기 PFC IC로부터 입력되는 직류 전압을 하나 이상의 직류 전압으로 변환시키기 위한 하프 브릿지 IC를 포함하는 전원 공급 장치를 제어하며, 상기 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 전압을 검출하는 단계; 및 상기 PFC IC의 발진 주파수를 상기 검출된 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 전압에 동기화시키는 단계를 포함한다.
한편, 상기 제어 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전원 공급 장치에 구비된 역률 보상(PFC) IC의 발진 주기를 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 주기에 동기화함으로써, 디스플레이 장치의 대기 전력을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
도 1은 디스플레이 장치의 간략한 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 하프 브릿지 컨버터의 구성에 대한 일실시예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 하프 브릿지 IC와 PFC IC를 연결하는 구성에 대한 일실시예를 나타내는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치, 전원 공급 장치의 제어 방법 및 그를 이용한 디스플레이 장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 디스플레이 장치의 간략한 구성을 블록도로 도시한 것으로, 도시된 디스플레이 장치는 전원 공급 장치(100), 패널 구동부(200) 및 디스플레이 패널(300)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 전원 공급 장치(100)는 AC 전원을 공급받아 직류로 변환하여 디스플레이 패널(300)을 구동시키기 위한 전압을 패널 구동부(200)로 제공한다.
한편, 전원 공급 장치(100)는 역률 보상부(PFC, Power Factor Correction)(110) 및 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS,Switching Mode Power Supply)(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
역률 보상부(PFC, 110)는 노이즈가 제거된 상용 교류 전원을 정류하고, 안정된 전압을 출력하기 위하여 역률 보상을 수행하여 일정 크기를 가지는 고전압 직류를 출력할 수 있다.
예를 들어, 역률 보상부(PFC, 110)는 110V 또는 220V의 교류 전원을 입력받아 정류 처리 및 역률 보상을 통해 400V의 고전압 직류로 변환하여 안정적으로 출력할 수 있다.
역률 보상부(PFC, 110)가 400V의 고전압 직류를 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, 120)로 안정적으로 제공함에 따라, 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, 120)는 불안정한 입력 전원에 의해 내부 소자가 손상되는 것으로부터 방지될 수 있다.
또한, 역률 보상부(PFC, 110)에서 역률 보상을 통해 고전압 직류를 출력함에 따라 입력 교류 전원이 특정한 전압에 한정되지 않고 다양한 범위의 상용 교류 전원을 이용할 수 있게 된다.
예를 들어 110V 또는 220V의 상용 교류 전원 또는 그 이상 그 이하의 교류 전원이 입력된다고 하더라도 출력 전압을 일정하게 유지할 수 있음에 따라 사용할 수 있는 상용 교류 전압에 대한 선택의 폭이 넓어질 수 있다.
한편, 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, 120)는 역률 보상부(PFC, 110)로부터 고전압의 직류가 입력되면, 상기 입력되는 고전압 직류를 패널 구동부(200)에서 필요한 여러 크기의 저전압 직류로 변환하여 출력할 수 있다.
상기 SMPS는 전력용 트랜지스터 등 반도체 소자를 고속 스위치로 사용하여 직류 입력전압을 구형파 형태의 전압으로 변환하고, 필터를 통하여 정류된 직류전압을 얻는 장치이다. 직류 출력의 제어는 스위치 온/오프 시간을 제어하여 이루어지며, 원하는 출력을 얻기 위해서 다양한 권선비를 갖는 트랜스를 포함하고 있다. 또한 트랜스의 출력전압이 과전압인 경우, 출력전압을 피드백(feedback)시켜 트랜스의 출력을 안정화시킬 수 있다.
예를 들어, 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, 120)는 역률 보상부(PFC, 110)로부터 400V의 고전압 직류를 입력받아, 12V, 5V 6A, 12V 2.5A의 저전압 직류로 변환하여 패널 구동부(200)로 출력할 수 있다.
또한, 패널 구동부(200)는 상기 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, 120)로부터 입력되는 다양한 크기의 직류 전압들을 이용하여 디스플레이 패널(300)을 구동시키기 위한 구동 신호를 생성하여 디스플레이 패널(300)로 공급할 수 있다.
디스플레이 패널(300)은 LCD(Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display)등의 다양한 디스플레이 방식들 중 어느 하나를 이용하여 화면에 영상을 표시할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는 상기한 바와 같은 디스플레이 방식들에 한정되지 아니하며, 동작 전원이 오프된 상태에서 사용자의 리모콘트롤러로부터 수신되는 동작 제어 신호를 수신하기 위해 필요한 최소의 전원을 공급하는 대기 전원부(미도시) 또는 역률 보상부(PFC, 110)로부터 출력되는 고전압 직류를 고전압 교류로 변환하기 위한 인버터(inverter, 미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치(100)는 입력되는 전압을 변환하기 위한 컨버터를 포함하며, 예를 들어 주 스위치와 보조 스위치를 사용해 주 스위치가 오프되는 동안 보조 스위치를 이용하여 변화기의 누설 및 자화 인덕턴스 전류를 환류시키는 하프 브릿지 컨버터(half bridge converter)를 포함할 수 있다.
도 2는 하프 브릿지 컨버터의 구성에 대한 일실시예를 회로도로 도시한 것으로, 도시된 하프 브릿지 컨버터는 전력 공급부(121) 및 출력부(122)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 전력 공급부(121)는 정류된 입력 전압(Vin)과 그라운드(GND) 사이에 직렬로 연결되는 주 스위치(Q1) 및 보조 스위치(Q2), 상기 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)의 접점에 제1 단자가 연결되는 커패시터(C1), 커패시터(C1)의 제2 단자와 접지 사이에 연결되는 트랜스 포머(T1)의 1차 코일(La)을 포함할 수 있다.
한편, 전력 공급부(121)는 입력 전압(Vin)을 입력받아 주 스위치(Q1)의 듀티(duty)에 따라 트랜스 포머의 2차측 즉, 출력부(200)쪽에 전력을 공급하며, 이 경우 보조 스위치(Q2)는 주 스위치(Q1)가 오프(OFF)될 시에 온(ON)되어 트랜스 포머(T1)의 누설 및 자화 인덕턴스 전류를 환류시킬 수 있다.
또한, 출력부(122)는 트랜스 포머(T1)의 2차 코일(L2), 트랜스 포머(T1)의 2차코일(Lb)에 제1 단자가 연결되는 커패시터(C2), 커패시터(C2)의 제2 단자에 제1 단자가 연결되는 인덕터(L2), 인덕터(L2)의 제2 단자에 제1 단자가 연결되는 커패시터(C3), 커패시터(C2)와 인덕터(L2)의 접점과 커패시터(C3)의 제2 단자 사이에 연결되는 프리휠링 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
상기 커패시터(C2)는 트랜스 포머(T1)의 2차 코일(L2)에 의해 유기된 전압을 정류하는 역할을 하고, 다이오드(D1)는 주스위치(Q1)가 오프인 경우에 전류를 프리휠링시키는 역할을 하며, 주 스위치(Q1)가 온(ON)인 경우에는 커패시터(C3)는 출력전압(Vout)의 리플을 제거하는 역할을 하고 주 스위치(Q1)가 오프(OFF)인 경우에는 출력전압(Vout)을 공급하는 역할을 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따라, 출력부(122)는 전력 공급부(121)로부터 전달되는 에너지를 이용하여 로드(load)에 일정한 출력 전압(Vout)을 출력할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 상기 트랜스 포머(T1)의 1, 2차 코일(L1, L2)은 유도 결합되어 있으며, 출력하고자 하는 전압에 따른 권선비를 가진다. 역률 보상부(PFC, 110)는 어댑터(adapter) 등을 통해서 입력되는 AC 전압을 DC 전압으로 평활하여 1차 코일(L1) 측으로 인가하며, 1차 코일(L1)의 양단에 인가되는 전압은 상기 권선비에 비례하는 전압으로 2차 코일(L2)에 유도될 수 있다.
예를 들어, 스위칭 모드 전원 공급 장치는 400V의 고전압 직류를 입력받아 디스플레이 장치에 포함된 각 유닛들에서 필요로하는 12V, 5V 6A, 12V 2.5A 등의 저전압 직류로 변환하여 출력할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 스위칭 제어는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들어 스위칭 제어 신호의 턴온 펄스 폭과 턴오프 펄스 폭의 비, 즉 듀티비(duty ratio)를 조정하여 1차 코일(L1)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 역률 보상부(PFC, 110)를 포함하는 하프 브릿지 컨버팅 방식은 높은 효율을 가짐에 반해, 역률 보상부(PFC, 110)와 하프 브릿지 회로가 동시에 동작함에 의해 약 0.8 내지 2 와트(Watt)의 높은 대기 전력이 소모될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 역률 보상부(PFC, 110)의 발진 주파수를 하프 브릿지 회로를 포함하는 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, 120)의 간헐 발진 주파수에 동기화시킴으로써, 전원 공급 장치 및 디스플레이 장치의 대기 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 블록도로 도시한 것으로, 도 3에 도시된 전원 공급 장치의 구성 중 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 전원 공급 장치(100)는 노이즈 필터(130), AC 정류뷰(140), PFC IC(111), 하프 브릿지 IC(125) 및 하프 브릿지 변환부(126)를 포함하여 구성될 수 있다.
노이즈 필터(130)는 110V 또는 220V의 상용 교류 전원이 입력되면, 내부의 캐패시터 및 인덕터의 L, C 저역 통과 필터 작용에 의하여 상용 교류 전원에 함께 유입되는 고주파 노이즈를 제거하고, 기기의 내부에서 발생하는 노이즈가 외부로 방사되지 않도록 할 수 있다.
AC 정류뷰(140)는 노이즈 필터(130)로부터 입력되는 노이즈가 제거된 상용 교류 전원을 정류하고, PFC IC(111)는 상기 정류된 전원에 대해 안정된 전압을 출력하기 위하여 역률 보상을 수행하여 일정 크기의 직류 전압을 출력할 수 있다.
하프 브릿지 IC(125)는 PFC IC(111)로부터 입력되는 고전압 직류를 하프 브릿지 변환부(126)에 구비된 트랜스 포머의 입력단으로 출력할 수 있다.
또한, 하프 브릿지 변환부(126)는 상기 트랜스 포머의 권선비에 의해 상기 입력되는 고전압 직류를 1 이상의 저전압 직류로 변환하여 전압(Vout)을 출력할 수 있다.
한편, 하프 브릿지 IC(125)는 대기 전력 상태에서 IC 내부 특성에 의해 간헐 발진을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, PFC IC(111)는 하프 브릿지 IC(125)로부터 간헐 발진 주파수(Fb)를 입력받아, PFC IC(111)의 발진 주파수를 상기 입력된 간헐 발진 주파수(Fb)에 동기화할 수 있다.
그에 따라, 대기 상태에서, 하프 브릿지 IC(125)와 PFC IC(111) 모두 간헐 발진을 일으키게 되어, 전원 공급 장치 및 디스플레이 장치의 대기 전력 소모가 감소될 수 있다.
이는, 간헐 발진 펄스는 방전되지 않고 보존되며, 발광 다이오드에 의해 광학적 신호로 변환되고. 상기 광학적 신호로 변환된 간헐 발진 펄스는 수광소자인 포토 트랜지스터에 의해 다시 전기적인 신호로 변환되어 하프 브릿지 변환부(126)의 1차측 코일에 전송하게 되어 전원 공급 장치가 무부하 모드로 동작할 수 있기 때문이다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치 및 그의 제어 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치 제어 방법을 흐름도로 도시한 것으로, 도시된 제어 방법을 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 나타내는 블록도와 결부시켜 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 하프 브릿지 IC(125)의 간헐 발진 주파수가 검출되고(S400 단계), 상기 검출된 하프 브릿지 IC(125)의 간헐 발진 주파수는 PFC IC(111)로 전달된다(S410 단계).
도 5를 참조하면, 상기 간헐 발진 주파수의 전달을 위해 하프 브릿지 IC(125)와 PFC IC(111) 사이에 트랜지스터(T), 다이오드(D), 복수의 저항들(R1, R2, R3)이 연결될 수 있다.
예를 들어, 하프 브릿지 IC(125)의 외부 핀(pin)들 중 상기 간헐 발진 주파수가 출력되는 발진 주파수 핀(BF pin)에 제1 저항(R1)과 트랜지스터(T)을 연결하며, 그에 따라 상기 트랜지스터(T)는 하프 브릿지 IC(125)의 발진 주파수 핀(BF pin)의 출력 신호로 바이어스(bias)될 수 있다.
또한, 상기 트랜지스터(T)의 이미터(emmiter) 단지는 전압 소스(Vcc)에 연결되고, 콜렉터(collector) 단자는 PFC IC(111)의 센싱부에 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 트랜지스터(T)의 콜렉터 단자는 제2 저항(R2) 및 다이오드(D)를 지나 PFC IC(111)의 센싱 핀(sensing pin)에 연결될 수 있다.
이 경우, 하프 브릿지 IC(125)의 최소/최대(Min/Max) 주파수 범위가 PFC IC(111)의 간헐 발진 주파수를 포함하도록 설정할 수 있다.
그 후, PFC IC(111)는 상기 하프 브릿지 IC(125)로부터 입력된 간헐 발진 주파수에 PFC IC(111)의 발진 주파수를 동기화한다(S420 단계).
예를 들어, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 하프 브릿지 IC(125)와 PFC IC(111)의 연결 구성에 따라, 대기 상태에서 하프 브릿지 IC(125)의 간헐 발진 주파수는 PFC IC(111)의 센싱부에 간섭을 일으키며, 상기 간섭에 의해 PFC IC(111)는 상기 하프 브릿지 IC(125)의 간헐 발진 주파수에 동기화된 간헐 발진을 일으킬 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 제어 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (10)

  1. 디스플레이 장치에 구동 전원을 공급하는 장치에 있어서,
    역률 보상을 통해 일정 크기의 직류 전압을 출력하는 역률 보상부(PFC, Power Factor Correction); 및
    상기 역률 보상부로부터 입력되는 직류 전압을 하나 이상의 직류 전압으로 변환시키는 스위칭 모드 전원 공급부(SMPS, Switching Mode Power Supply)를 포함하고,
    상기 역률 보상부의 발진 주파수는 상기 스위칭 모드 전원 공급부의 간헐 발진 주파수에 동기화되는 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 모드 전원 공급부는
    유도 결합된 1, 2차 유도 코일을 이용해 상기 1차 유도 코일 측에 인가되는 전압을 변환하여 상기 2차 유도 코일 측으로 공급하는 하프 브릿지(half bridge) 변환부; 및
    상기 역률 보상부로부터 입력되는 직류 전압을 상기 1차 유도 코일에 인가하는 하프 브릿지 IC를 포함하는 전원 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 역률 보상부는
    상기 하프 브릿지 IC로부터 상기 간헐 발진 주파수를 입력받고, 상기 역률 보상부의 발진 주파수를 상기 입력된 간헐 발진 주파수에 동기화하는 전원 공급 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 하프 브릿지 IC의 발진 주파수 핀(pin)의 출력 신호로 바이어스(bias)되는 트랜지스터를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 콜렉터(collector) 단자는 PFC IC의 센싱부에 연결되며, 이미터(emmiter) 단지는 전압 소스에 연결되는 전원 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 주파수가 상기 PFC IC의 센싱부에 간섭을 일으켜, 상기 PFC IC의 발진 주파수가 상기 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 주파수에 동기화되는 전원 공급 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 콜렉터 단자과 상기 PFC IC의 센싱부 사이에 연결되는 저항 및 다이오드를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 전원 공급 장치를 포함하는 디스플레이 장치.
  9. 역률 보상을 통해 일정 크기의 직류 전압을 출력하는 PFC IC 및 상기 PFC IC로부터 입력되는 직류 전압을 하나 이상의 직류 전압으로 변환시키기 위한 하프 브릿지 IC를 포함하는 전원 공급 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 주파수를 검출하는 단계; 및
    상기 PFC IC의 발진 주파수를 상기 검출된 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 전압에 동기화시키는 단계를 포함하는 전원 공급 장치 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 동기화 단계는
    상기 하프 브릿지 IC의 간헐 발진 주파수를 이용해 상기 PFC IC의 센싱부에 간섭을 일으키는 전원 공급 장치 제어 방법.
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