KR20130009676A - 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치 - Google Patents

Abstract

과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치가 개시된다. 과전압 보호 회로는 피드백 전압 비교부, 및 듀티비 조절부를 포함한다. 피드백 전압 비교부는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 출력단에서 검출된 피드백 전압과 스위칭 모드 전력 공급 장치에 대해 설정된 과전압보다 작게 미리 설정된 기준 전압을 비교하고, 듀티비 조절부는 피드백 전압이 기준 전압보다 높은 경우 스위칭 모드 전력 공급 장치의 스위칭 듀티비를 감소시킨다. 피드백 전압이 과전압에 이르를 때부터 갑자기 전원 장치의 스위칭을 오프(off)로 유지시키는 것이 아니라, 피드백 전압이 과전압보다 낮은 기준 전압을 초과하는 경우 미리 전원 장치의 온/오프 스위칭 비율을 조절함으로써, 출력 전압의 과전압 상태를 미리 방지할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 안정성도 증가시킬 수 있게 된다.

Description

과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치{SWITCHING MODE POWER SUPPLY COMPRISING OVER VOLTAGE PROTECTION CIRCUIT}

본 발명은 전원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 소자를 사용하는 전력 공급 장치의 시스템 안정성을 높이기 위한 회로에 관한 것이다.

본 발명은 역률 개선 기능을 가지는 전원 장치의 출력 전압이 과도하게 올라가는 것을 억제하는 장치에 관한 것이다. 그러나 이 장치는 역률 개선 회로뿐 아니라 이와 유사한 전원 장치에 모두 적용이 가능하며, 여기서는 설명의 편의를 위해 역률 개선 회로에 적용하여 설명한다.

도 1은 일반적인 역률 개선 회로의 개념도이다. 도 1의 (a)는 역률 개선 회로의 전체 시스템 개념도를 도시한 것이고, 도 1의 (c)는 (a)에서의 시스템 스위치(200, 제 1 스위치)를 조절하는 조절 장치(100)의 내부 구성을 도시한 것이며, 도 1의 (b)는 내부 구성 장치의 주요 신호를 도시한 것이다.

도 1(a)는 교류 전압을 입력받아 브리지 회로에서 직류로 변환한 다음, 인덕터(300)와 제 1 스위치(200)를 이용해서 승압(step up)을 하고, 인덕터(inductor)에 흐르는 평균 전류를 전압 파형과 유사하게 이끌어 내어 역률을 높이는 장치를 도시하고 있다.

역률 조절 장치(100)는 제 1 스위치(200)의 온/오프 타임을 조절하여 출력 전압 및 전류를 조절하는 장치인데, 우선 인덕터(300)에 흐르는 전류를 감지해서 이 전류가 '0' 인 점을 감지하는 경우 제 1 스위치를 온 시킨다(10).

제 1 스위치가 온(ON)이 되면, 인덕터(300)에 에너지가 저장된다. 이때 인덕터(300)에 흐르는 전류의 기울기는 식(1)과 같다. 여기서, Vin은 인덕터(300)에 입력되는 전압이고, L은 인덕터(300) 값에 해당한다.

(1)

만약 제 1 스위치의 온(on) 시간을 일정하게 한다면 전류 변화량은 입력 전압과 같은 위상을 갖게 된다. 이렇게 입력 전압과 입력 전류가 같은 위상을 갖게 되면 역률은 높아지게 된다.

에러 증폭기(104)는 출력 전압의 피드백(feedback) 신호 VFB(102)와 기준 전압 1(108)을 비교해서 그 차이에 비례하는 VE을 출력하는데, 이 VE 전압과 톱니파를 출력으로 하는 장치(110)의 출력을 비교해서 제 1 스위치 전압의 오프 타임을 결정한다(20).

제 1 스위치가 오프(off) 되면 인덕터(300)에 저장된 에너지가 다이오드(제 2 스위치; 400)를 통해 출력단으로 방출되는데 이때 흐르는 전류는 (Vo- Vin)/L의 기울기를 갖는다.

도 2는 종래의 PWM 신호를 출력하는 톱니 파형 발생기(110)의 내부 구성도를 도시한 도면이다. Vout 이 하이(high)가 되어 제 1 스위치(200)가 온되면, SR 래치회로(115)의 출력 Q가 하이(high)로 되고 이 두 전압(Vout전압과 Q)을 통해 내부 스위치(112)가 오프(off)되어 전류원(113)을 통해 커패시터(112)에 충전되면서 PWM 출력 파형이 선형적으로 상승하게 된다.

이 PWM 출력 파형이 에러 증폭기 출력 파형(VE) 전압보다 커지면 Vout 신호가 로(Low)가 되면서, 내부 스위치(112)가 온 되어 PWM 신호도 로(Low)가 된다.

그런데, 이 시스템이 높은 역률을 갖기 위해서는 에러 증폭기의 출력 전압이 적어도 한 주기 동안 일정한 값을 가져야 한다. 이를 위해 에러 증폭기 보상 회로의 커패시터 성분을 (109) 크게 가져가야 한다.

그러나 에러 증폭기 출력단의 큰 용량 성분은 전체 시스템의 속도를 느리게 하는 단점이 있다. 만약 시스템 전압이 매우 높아 과도 전압 상태로 진입한다면, 이 전압을 피드백(feedback) 받아 안정된 전압으로 다시 찾아가는데 상당한 시간이 소요되어, 과도 전압이 계속 상승하고 이로 인해 기타 주변 장치들이 손상된다.

기존 시스템에서도 이 문제를 해결하기 위해 과도 전압 보호 회로(103)를 포함하고 있다. 이 보호 회로는 출력 전압이 과도하게 높아져 VFB 전압이 기준 전압 2보다 높아지게 되는 경우, 이를 감지해서 제 1 스위치(200)가 온이 되지 못하게 디스에이블(disable)시킨다.

그러나 기존 과도 전압 장치(103)는 과도 전압 상태에서 제 1 스위치 동작을 중단시키기 때문에, 시스템이 불안정하게 될 수 있고, 시스템이 매우 느릴 경우 과도 전압이 한동안 계속 상승할 수 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 동작 속도가 늦은 전압 피드백 방식의 역률 개선 회로를 포함하는 전원 장치에서도 신속하고 효과적으로 과전압의 발생을 방지할 수 있도록 해주는 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 과전압 보호 회로는 피드백 전압 비교부, 및 듀티비 조절부를 포함한다.

피드백 전압 비교부는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 출력단에서 검출된 피드백 전압과 스위칭 모드 전력 공급 장치에 대해 설정된 과전압보다 작게 미리 설정된 기준 전압을 비교하고, 듀티비 조절부는 피드백 전압이 기준 전압보다 높은 경우 스위칭 모드 전력 공급 장치의 스위칭 듀티비를 감소시킨다.

피드백 전압이 과전압에 이르를 때부터 갑자기 전원 장치의 스위칭을 오프(off)로 유지시키는 것이 아니라, 피드백 전압이 과전압보다 낮은 기준 전압을 초과하는 경우 미리 전원 장치의 온/오프 스위칭 비율을 조절함으로써, 출력 전압의 과전압 상태를 미리 방지할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 안정성도 증가시킬 수 있게 된다.

듀티비 조절부는 피드백 전압과 기준 전압의 차이가 클수록 듀티비를 크게 감소시킬 수 있다. 이와 같이 피드백 전압이 기준 전압보다 큰 경우 동일한 비율로 스위칭 온 비율을 감소시키는 것이 아니라, 그 차이나는 정도에 따라 적절한 비율로 감소시킴으로써 과전압 보호 동작이 더욱 효과적으로 수행될 수 있게 된다.

이러한 듀티비 조절부는 듀티비의 감소를 위해 에러 증폭기의 출력 파형과 비교되는 톱니파 전압의 기울기를 증가시키는 형태, 및 톱니파 전압의 기울기를 증가시키기 위해 톱니파 전압을 출력하는 커패시터에 전류를 추가 공급하는 형태로 구현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 스위칭 모드 전력 공급 장치의 출력 전압의 과전압 상태를 미리 방지할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 안정성도 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 피드백 전압이 기준 전압보다 큰 경우 동일한 비율로 스위칭 온 비율을 감소시키는 것이 아니라, 그 차이나는 정도에 따라 적절한 비율로 감소시킴으로써 과전압 보호 동작이 더욱 효과적으로 수행될 수 있게 된다.

도 1은 종래의 전원 장치의 회로도.
도 2는 도 1의 전원 회로에 사용되는 톱니파 발생 장치의 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 과전압 보호 회로의 일 실시예의 개략적인 블록도.
도 4는 도 3의 과전압 보호 회로를 실제 구현한 장치의 회로도.
도 5는 도 4의 톱니파 발생기의 이 구현 예의 회로도.
도 6은 도 4의 톱니파 발생기의 다른 구현 예의 회로도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 과전압 보호 회로의 일 실시예의 개략적인 블록도이다.

도 3에서 과전압 보호 회로(500)는 피드백 전압 비교부(510), 및 듀티비 조절부(520)를 포함한다.

피드백 전압 비교부(510)는 스위칭 모드 전력 공급 장치(500)의 출력단에서 검출된 피드백 전압과 스위칭 모드 전력 공급 장치(500)에 대해 설정된 과전압보다 작게 미리 설정된 기준 전압을 비교한다.

듀티비 조절부(520)는 비교 결과 피드백 전압이 기준 전압보다 높은 경우 스위칭 모드 전력 공급 장치(500)의 스위칭 온(ON) 비율을 감소시킴으로써 스위칭 듀티비를 감소시킨다.

이와 같이, 피드백 전압이 과전압에 이르를 때부터 갑자기 전원 장치의 스위칭을 오프(off)로 유지시키는 것이 아니라, 피드백 전압이 과전압보다 낮은 기준 전압을 초과하는 경우 미리 전원 장치의 온/오프 스위칭 비율을 조절함으로써, 출력 전압의 과전압 상태를 미리 방지할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 안정성도 증가시킬 수 있게 된다.

이때, 듀티비 조절부(520)는 피드백 전압과 기준 전압의 차이가 클수록 듀티비를 크게 감소시킬 수 있다. 이와 같이 피드백 전압이 기준 전압보다 큰 경우 동일한 비율로 스위칭 온 비율을 감소시키는 것이 아니라, 그 차이나는 정도에 따라 적절한 비율로 감소시킴으로써 과전압 보호 동작이 더욱 효과적으로 수행될 수 있게 된다.

피드백 전압 비교부(510)와 듀티비 조절부(520)는 실제 구현에 있어서는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 두 개의 구성이 하나의 장치 내에 구현되거나 하나의 구성이 두 개 이상의 장치로 구현될 수도 있다.

일 예로, 듀티비 조절부(520)는 듀티비의 감소를 위해 에러 증폭기의 출력 파형과 비교되는 톱니파 전압의 기울기를 증가시키는 형태로 구현될 수 있으며, 이때 톱니파 전압의 기울기를 증가시키기 위해 톱니파 전압을 출력하는 커패시터에 전류를 추가 공급하는 형태로 구현할 수 있다.

도 4는 도 3의 과전압 보호 회로를 실제 구현한 장치의 회로도이다.

도 4에 도시된 장치와 기존 장치와의 차이는 입력 전압을 출력단의 피드백(feedback) 전압(VFB)과 제 4 기준 전압(Vref4)을 입력 전압으로 하는 전압 감지기(Pre_OVP)를 포함한다는 점과 이 pre_OVP의 출력 전압을 입력으로 해서 톱니 파형의 출력 기울기를 조절하는 기능을 포함하는 톱니파 발생기(520)를 포함한다는 점이다.

이때 제 4 기준 전압(Vref4)의 크기는 제 2 기준 전압(Vref2)보다 작다. 즉, 출력 전압(1도 Vo)이 과도하게 상승해서 시스템에서 설정한 과도 전압에 도달하기 전의 전압을 Pre_OVP(510)에서 감지하면 출력 전압으로 PO 신호(High or Low)를 발생시킨다.

도 5는 도 4의 톱니파 발생기의 이 구현 예의 회로도이다. 도 4에서 발생한 PO 신호는 톱니 파형 발생기(520)에 입력되어 (527) 스위치를 온 시킨다. 그러면 커패시터에 흐르는 전류가 증가하여 톱니파 파형의 기울기가 증가되는데, 이것은 제 1 스위치(1도의 Vo)의 온 시간을 줄인다. 이와 같이, 제 1 스위치의 온 시간을 줄이면 출력 전압은 다시 감소하게 되거나, 더 완만하게 상승하게 되어 과도 전압을 막을 수 있다.

도 6은 도 4의 톱니파 발생기의 다른 구현 예의 회로도이다. 도 4에서 Pre_OVP(510)의 출력전압이 하이/로(high/low) 신호가 아닌 연속된 신호로써 시스템 출력전압에서 피드백(feedback)되어 오는 전압, VFB와 제 4 기준전압(Vref4)과의 차이에 따라 연속된 신호를 발생시키는 장치로 VFB 전압이 Vref4 전압보다 더 커지면 도 4의 가변 전류원(626)을 조절해서 전류를 더 많이 흐르게 한다. 그러면 시스템 출력 전압(도 1의 Vo) 전압이 특정 전압 이상 올라가면 올라갈수록 턴 온 시간이 더욱 줄어들어 과도 전압을 억제하는 역할을 한다.

본 발명은 일반적인 전원 장치, 특히 역률을 개선하기 위한 전원 장치에 관한 것이다. 일반적으로 전압 피드백 방식의 역률 개선 회로는 동작 속도가 느린 것이 특징인데, 이 경우 동작을 시작할 때 출력전압이 설정한 전압이상으로 과도하게 올라가는 경우가 발생한다. 본 발명은 이러한 과도 전압이 발생하지 않도록 억제하기 위한 장치이다.

본 발명에서는 과도 전압 상태로 들어가기 전 전압을 감지해서, 전원 장치의 스위칭 소자인 제 1 스위치의 온 시간을 줄여 출력전압이 과도하게 상승하는 것을 차단하는 장치를 포함한다.

본 발명의 장치를 활용하면, 과도 전압 발생시 과도 전압 상승 시간을 지연시켜 설정된 과도 전압 이상으로 출력전압이 상승하지 못하도록 하여, 주위 장치를 보호할 수 있게 된다.

본 발명은, 인덕터, 제 1 스위치, 제 2 스위치를 이용해서 전원을 변환하는 장치에서의 제 1 스위치 조절 장치에 대한 것으로, 제 1 스위치 조절 장치는 스위치를 온 시키는 장치와 스위치를 오프 시키는 장치, 과도 전압 발생시 스위치를 차단하는 장치, 과도 전압보다 낮은 특정 전압을 감지하여, 제 1 스위치 온/오프 시간을 조절하는 장치로 구성될 수 있다.

이때, 과도 전압보다 낮은 특정 전압을 감지하여 특정 전압을 감지하여 제 1 스위치 온/오프 시간을 조절하는 장치는 과도 전압보다 낮은 특정 전압을 감지하는 장치, 장치의 출력 신호를 받아서 제 1 스위치의 온 시간(오프 시간)을 빠르게(혹은 느리게) 하는 장치를 포함한다.

또한, 제 1 스위치의 온시간(오프 시간)을 빠르게(혹은 느리게) 하는 장치는, 커패시터와 전류원 그리고 커패시터를 방전하는 스위치로 구성된다. 이러한 구성에 따라 전류원의 전류가 커패시터에 충방전 시간을 이용해서 제 1 스위치의 온/오프 시간을 조절한다.

이를 위해, 전류원을 복수 개를 두어 과도 전압보다 낮은 특정 전압을 감지하고, 장치의 출력 신호에 따라 복수개의 전류원을 선택하여 커패시터 충방전 시간을 조절한다.

이때, 과도 전압보다 낮은 특정 전압을 감지하는 장치의 출력 신호가 연속적으로 출력이 되고, 이 전압에 따라 전류원의 전류가 조절되도록 장치를 구현할 수도 있다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

100: 조절 장치
200: 제 1 스위치
300: 인덕터
400: 제 2 스위치
500: 과전압 보호 회로
510: 피드백 전압 비교부
520: 듀티비 조절부

Claims (4)

1. 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치로서,
   상기 과전압 보호 회로는,
   상기 스위칭 모드 전력 공급 장치의 출력단에서 검출된 피드백 전압과 상기 스위칭 모드 전력 공급 장치에 대해 설정된 과전압보다 작게 미리 설정된 기준 전압을 비교하는 피드백 전압 비교부; 및
   상기 피드백 전압이 상기 기준 전압보다 높은 경우 상기 스위칭 모드 전력 공급 장치의 스위칭 듀티비를 감소시키는 듀티비 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 듀티비 조절부는 상기 피드백 전압과 상기 기준 전압의 차이가 클수록 상기 듀티비를 크게 감소시키는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 듀티비 조절부는 상기 듀티비의 감소를 위해 에러 증폭기의 출력 파형과 비교되는 톱니파 전압의 기울기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 듀티비 조절부는 상기 톱니파 전압의 기울기를 증가시키기 위해, 상기 톱니파 전압을 출력하는 커패시터에 전류를 추가 공급하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치.

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