KR20140005750A - 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전압 공급 장치는 입력 전압을 수신하여 정류 전압을 출력하는 정류기; 정류 전압을 수신하여 정류 전압보다 소정의 레벨만큼 낮은 점프 전압을 출력하는 점프 소자; 점프 전압을 수신하여 점프 전압보다 소정의 레벨만큼 낮은 출력 전압을 출력하는 저전압 강하 레귤레이터; 점프 소자의 입력단 및 접지 노드 사이에 연결된 제 1 캐패시터; 저전압 강하 레귤레이터의 입력단 및 접지 노드 사이에 연결된 제 2 캐패시터; 및 저전압 강하 레귤레이터의 출력단 및 접지 노드 사이에 연결된 제 3 캐패시터를 포함한다.

Description

전원 공급 장치{POWER SUPPLY DEVICE}
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 높은 전압 강하비율을 갖는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
전원 공급 장치(Power supply)는 전기 또는 전자 시스템에 전력을 공급하는 장치이다. 일반적으로 전원 공급 장치는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 출력전압을 출력한다. 또는 전원 공급 장치는 높은 입력 전압을 수신하여 입력 전압보다 수 내지 수십배 낮은 출력 전압을 출력한다. 이와 같은 출력전압을 생성하기 위하여 다양한 형태의 전원 공급 장치들이 제공되고 있다. 일 예로, 레귤레이터를 기반으로 하는 전원 공급 장치가 제공된다. 그러나, 레귤레이터는 강하 전압의 차이가 열로 발산되기 때문에 효율이 낮다.
최근에는 스위칭 레귤레이터를 기반으로 하는 전원 공급 장치가 제공되고 있다. 스위칭 레귤레이터를 기반으로 하는 전원 공급 장치는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해 정 전압을 출력한다. 그러나, 스위칭 레귤레이터를 기반으로 하는 전원 공급 장치는 전압 강하 비율이 낮고, 고가인 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은 가변 입력 전압을 수신하여 소정의 레벨 이하의 출력 전압을 출력하는 전압 공급 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전원 공급 장치는 입력 전압을 수신하여 정류 전압을 출력하는 정류기; 상기 정류 전압을 수신하여 상기 정류 전압보다 소정의 레벨만큼 낮은 점프 전압을 출력하는 점프 소자; 상기 점프 전압을 수신하여 상기 점프 전압보다 소정의 레벨만큼 낮은 출력 전압을 출력하는 저전압 강하 레귤레이터; 상기 점프 소자의 입력단 및 접지 노드 사이에 연결된 제 1 캐패시터; 상기 저전압 강하 레귤레이터의 입력단 및 상기 접지 노드 사이에 연결된 제 2 캐패시터; 및 상기 저전압 강하 레귤레이터의 출력단 및 상기 접지 노드 사이에 연결된 제 3 캐패시터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전원 공급 장치는 가변 입력 전압을 수신하여 소정의 레벨 이하의 출력 전압을 출력한다. 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 종래의 전원 공급 장치보다 높은 전압 강하 비율을 갖는다. 따라서, 향상된 성능을 갖는 전원 공급 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 공급 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 제너 다이오드(zener diode)의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 저전압 강하 레귤레이터를 더욱 상세하게 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전압 공급 장치가 적용된 MPU(micro process unit) 시스템을 예시적으로 보여주는 도면이다.
이하에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여 본 발명의 실시 예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전압 공급 장치를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 전압 공급 장치(100)는 정류기(110) 및 전압 강하기(120)를 포함한다. 정류기(110)는 입력 전압(Vin)을 수신한다. 정류기(110)는 수신된 입력 전압(Vin)을 정류(rectifying)하여 정류 전압(Vr)을 출력한다. 예시적으로, 정류기(110)는 브릿지-다이오드(bridged diode)로 제공될 수 있다.
전압 강하기(120)는 점프 소자(121), 저전압 강하 레귤레이터(122, LDR; Low Dropout Regulator), 및 제 1 내지 제 3 캐패시터들(C1~C3)을 포함한다. 점프 소자(121)의 입력단은 정류기(110)와 연결된다. 점프 소자(121)의 출력단은 저전압 강하 레귤레이터(122)와 연결된다. 점프 소자(121)는 정류 전압(Vr)을 수신하여 정류 전압(Vr)보다 소정의 레벨만큼 낮은 점프 전압(Vj)을 출력한다. 예를 들어, 점프 소자(121)에 임계 전압(Vth) 이하의 전압이 인가될 경우, 점프 소자(121)는 부도체(insulator)의 특성에 따라 동작한다. 점프 소자(121)는 임계 전압(Vth) 레벨 이상의 전압이 인가될 경우, 도체(conductor)의 특성에 따라 동작한다. 점프 소자(121)는 임계 전압(Vth) 레벨 이하의 전압이 인가될 경우 전류를 차단하고, 임계 전압(Vth) 레벨 이상의 전압이 인가될 경우 전류를 도통시킨다. 즉, 정류 전압(Vr) 및 점프 전압(Vj)은 임계 전압(Vth) 레벨만큼의 전압 차이를 유지할 것이다. 또한, 이는 저항으로 인한 전압 강하가 아니므로, 열발생에 대한 문제점을 갖지 않는다.
예시적으로, 점프 소자(121)는 MIT(Metal-Insulator transition) 또는 제너 다이오드(zener diode)로 제공될 수 있다. 점프 소자(121)의 동작은 도 2 및 도 3을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
저전압 강하 레귤레이터(122, LDR; Low Dropout Regulator)는 점프 전압(Vj)을 수신하여, 점프 전압(Vj)보다 소정의 레벨만큼 낮은 출력 전압(Vout)을 출력한다. 예시적으로, 저전압 강하 레귤레이터(122)는 일반적으로 사용되는 스위칭 레귤레이터와 다른 구성을 갖는다. 저전압 강하 레귤레이터(122)의 동작 및 구성은 도 4를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
제 1 캐패시터(C1)는 점프 소자(121)의 입력단 및 접지 노드(GND) 사이에 연결된다. 제 2 캐패시터(C2)는 저전압 강하 레귤레이터(122)의 입력단 및 접지 노드(GND) 사이에 연결된다. 제 3 캐패시터(C3)는 저전압 강하 레귤레이터(122)의 출력단 및 접지 노드(GND) 사이에 연결된다. 제 1 내지 제 3 캐패시터들(C1, C2, C3)는 전압 공급 장치(100)를 안정시키는 동작을 수행한다. 예를 들어, 외부 요인으로 인하여 정류 전압(Vr)에 서지 전압(surge voltage)이 포함될 수 있다. 제 1 캐패시터(C1)는 정류 전압(Vr)에 포함된 서지 전압(surge voltage)을 제거할 수 있다. 제 2 및 제 3 캐패시터들(C2, C3)은 점프 전압(Vj) 및 출력 전압(Vout)에 포함된 리플(ripple)을 제거할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 전원 공급 장치(100)는 입력 전압(Vin)을 수신하여 입력 전압보다 낮은 출력 전압(Vout)을 출력한다. 또한, 전원 공급 장치(100)는 점프 소자(121)를 사용함으로서 향상된 효율을 갖는다. 따라서, 향상된 성능을 갖는 전원 공급 장치(100)가 제공된다.
이하에서, 도 2 및 도 3을 참조하여 점프 소자(121)의 동작 특성을 설명하기로 한다.
도 2는 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자의 동작 특성을 보여주는 그래프이다. 예시적으로, MIT 소자는 도 1에 도시된 점프 소자(121)로서 사용될 수 있다. 예시적으로, 도 2의 X축은 MIT 소자에 인가되는 전압을 가리키고, Y축은 MIT 소자를 통해 흐르는 전류를 가리킨다.
도 2를 참조하면, 제 1 라인(G01)은 MIT 소자의 전압/전류 커브를 가리킨다. 제 2 라인(G02)은 도체의 전압/전류 커브을 가리킨다. 도 2에 도시된 바와 같이 임계 전압(Vth)보다 낮은 전압이 인가될 경우, MIT 소자는 전류를 차단한다. 임계 전압(Vth)보다 높은 전압이 인가될 경우, MIT 소자는 도체의 동작 특성에 따라 동작한다. 다시 말해서, 임계 전압(Vth)보다 높은 전압이 인가될 경우, MIT 소자는 전류를 도통시킨다.
도 2에 도시된 MIT 소자의 동작 특성에 따라 MIT 소자는 점프 소자(121)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 정류 전압(Vr)이 임계 전압(Vth)보다 높은 경우, MIT 소자는 전류를 도통시킴으로써 정류 전압(Vr)보다 낮은 점프 전압(Vj)을 출력할 것이다. 즉, 본 발명에 따른 전원 공급 장치(100)에 포함된 점프 소자(121)로서 MIT 소자가 제공될 수 있다.
도 3은 제너 다이오드(zener diode)의 동작 특성을 보여주는 그래프이다. 예시적으로, 제너 다이오드는 도 1에 도시된 점프 소자(121)로서 사용될 수 있다. 예시적으로, 도 3의 X축은 제너-다이오드에 인가되는 전압을 가리키고, Y축은 제너 다이오드를 통해 흐르는 전류를 가리킨다.
도 3을 참조하면, 제너 다이오드는 도 2를 참조하여 설명된 MIT 소자와 유사한 특성을 갖는다. 예를 들어, 제너 다이오드는 임계 전압(Vth -) 이하의 전압이 인가될 경우, 역방향 전류가 도통되게 한다. 예시적으로, 임계 전압(Vth -)은 음전압일 것이다.
도 3에 도시된 제너 다이오드의 동작 특성에 따라 제너 다이오드는 점프 소자(121)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 정류 전압(Vr)이 임계 전압(Vth -)의 절대치보다 높은 경우, 제너 다이오드는 전류를 도통시킴으로서 정류 전압(Vr)보다 낮은 점프 전압(Vj)을 출력할 것이다. 즉, 본 발명에 따른 전원 공급 장치(100)에 포함된 점프 소자(121)로서 제너 다이오드가 제공될 수 있다. 예시적으로, 제너 다이오드는 전원 공급 장치(100)에 역방향으로 연결되어 제공될 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 점프 소자(121)로서 MIT 소자 또는 제너 다이오드가 제공될 수 있다. 그러나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 도 1에 도시된 저전압 강하 레귤레이터를 더욱 상세하게 보여주는 도면이다. 예시적으로, 저전압 강하 레귤레이터(122)는 도 4에 도시된 구성 요소들로 한정되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 저전압 강하 레귤레이터(122)는 점프 소자(121)의 점프 전압(Vj)을 수신하여, 점프 전압(Vj)보다 소정의 레벨만큼 낮은 출력 전압(Vout)을 출력한다. 저전압 강하 레귤레이터(122)는 기준 전압 발생기(122a), 비교기(122b), 캐패시터(122c), 제 1 및 제 2 저항 소자들(122d, 122e), 및 스위칭 소자(122f)를 포함한다. 기준 전압 발생기(122a)는 기준 전압(Vref)을 출력한다. 예시적으로, 기준 전압(Vref)은 점프 전압(Vj)보다 낮은 레벨을 갖는다.
비교기(122b)는 기준 전압(Vref) 및 충전 전압(Vc)을 비교하여 비교 결과를 출력한다.
캐패시터(122c)의 양단은 제 1 저항 소자(122d)의 양단에 연결된다. 제 1 저항 소자(122d)의 일단은 출력 전압 노드(Vout)와 연결되고, 제 2 저항 소자(122e)의 일단은 제 1 저항 소자(122d)와 연결되고, 제 2 저항 소자(122e)의 타단은 접지 노드(GND)와 연결된다.
스위칭부(122f)는 점프 전압(Vj)을 수신하여, 출력 전압(Vout)을 출력한다. 스위칭부(122f)는 비교기(122b)의 출력을 기반으로 동작한다.
이하에서, 상술된 구성 요소들의 동작이 설명된다. 저전압 강하 레귤레이터(122)는 점프 전압(Vj)을 수신하여, 점프 전압(Vj)보다 소정의 레벨만큼 낮은 출력 전압(Vout)을 출력한다. 이 때, 제 1 및 제 2 저항 소자들(122d, 122e)은 각각의 저항값에 따라 소정의 레벨의 전압 강하 값을 가질 것이다. 캐패시터(122c)는 제 1 저항 소자(122d)의 전압 강하값을 충전하여 충전 전압(Vc)를 출력한다. 비교기는 충전 전압(Vc) 및 기준전압(Vref)을 비교하여 비교 결과를 스위칭부(122f)로 전송한다. 스위칭부(122f)는 비교기(122b)의 출력을 기반으로 동작한다. 예를 들어, 기준 전압(Vref)이 충전 전압(Vc)보다 낮은 경우, 스위칭부(122f)는 턴 오프되고, 출력 전압(Vout)의 전압 레벨은 낮아진다. 이와 반대로, 기준 전압(Vref)이 충전 전압(Vc)보다 높은 경우, 스위칭부(122f)는 턴 온되고, 출력 전압(Vout)의 전압 레벨은 높아진다. 예시적으로, 출력 전압(Vout)은 점프 전압(Vj)보다 소정의 레벨만큼 낮다.
도 5는 본 발명에 따른 전압 공급 장치가 적용된 MPU(micro process unit) 시스템을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, MPU 시스템(1000)은 전압 공급 장치(1100) 및 MPU(1200)를 포함한다. 예시적으로, MPU 시스템(1000)은 출력 전압(Vout)보다 약 20배 높은 입력 전압(Vin)을 수신할 수 있다. 예시적으로, 입력 전압(Vin)은 리플(ripple)을 포함할 수 있다. 즉, 입력 전압(Vin)은 가변 입력 전압(variable input voltage)일 수 있다.
전압 공급 장치(1100)는 제 1 내지 제 4 다이오드들(1111~1114), 제 1 내지 제 3 캐패시터들(C1~C3), 제 1 및 제 2 점프 소자들(1121a, 1121b), 및 저전압 강하 레귤레이터(1122)를 포함한다.
제 1 내지 제 4 다이오드들(1111~1114)은 입력 신호(Vin)를 정류하는 동작을 수행한다. 예를 들어, 제 1 다이오드(1111)의 애노드는 제 3 다이오드(1113)의 애노드와 연결되고, 캐소드는 제 2 다이오드(1112)의 애노드와 연결된다. 제 4 다이오드(1114)의 애노드는 제 3 다이오드(1113)의 캐소드와 연결되고, 제 4 다이오드(1114)의 캐소드는 제 2 다이오드(1112)의 캐소드와 연결된다. 즉, 제 1 내지 제 4 다이오드들(1111~1114)은 브릿지 다이오드로서 구현될 수 있다.
제 1 점프 소자(1121a)의 캐소드는 제 2 다이오드(1112)의 캐소드와 연결되고, 제 1 점프 소자(1121a)의 애노드는 접지 노드(GND)와 연결된다. 제 2 점프 소자(1121b)의 캐소드는 제 1 점프 소자(1121a)의 캐소드와 연결되고, 제 2 점프 소자(1121b)의 애노드는 저전압 강하 레귤레이터(1122)의 입력단과 연결된다. 예시적으로, 제 1 점프 소자(1121a)는 정류 전압을 일정한 레벨로 유지시킬 수 있다.
저전압 강하 레귤레이터(1122)는 제 2 점프 소자(1221b)의 출력을 수신하여 소정의 레벨 이하의 출력 전압을 출력한다. 예시적으로, 저전압 강하 레귤레이터(1122)는 도 4를 참조하여 설명된 방법에 따라 동작할 것이다.
제 1 내지 제 3 캐패시터들(C1~C3)는 도 1을 참조하여 설명되었으므로, 이에 대한 설명은 생략된다.
MPU(1200)는 출력 전압(Vout)을 수신하여 동작할 것이다. 예시적으로, MPU(1200)는 화재 경보 장치일 수 있다. 입력 전압(Vin)은 16 내지 32 [V]이고, MPU(1200)는 2[V]의 전압을 기반으로 동작할 수 있다. 다시 말해서, MPU 시스템(1000)은 가변 입력 전압(Vin)을 수신하여 가변 입력 전압(Vin)보다 낮은 출력 전압(Vout)을 기반으로 동작한다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따르면, 전원 공급 장치는 정류기, 점프 소자, 저전압 강하 레귤레이터, 및 복수의 캐패시터들을 포함한다. 전원 공급 장치는 가변 입력 전압을 수신하여 소정의 레벨 이하의 출력 전압(Vout)을 출력한다. 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 종래의 전원 공급 장치보다 향상된 효율 및 전압 강하 비율을 갖는다. 따라서, 향상된 성능을 갖는 전원 공급 장치가 제공된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 전압 공급 장치
110 : 정류기
120 : 전압 강하기
121 : 점프 소자
122 : 저전압 강하 레귤레이터
C1~C3 : 제 1 내지 제 3 캐패시터들

Claims (1)

  1. 입력 전압을 수신하여 정류 전압을 출력하는 정류기;
    상기 정류 전압을 수신하여 상기 정류 전압보다 소정의 레벨만큼 낮은 점프 전압을 출력하는 점프 소자;
    상기 점프 전압을 수신하여 상기 점프 전압보다 소정의 레벨만큼 낮은 출력 전압을 출력하는 저전압 강하 레귤레이터;
    상기 점프 소자의 입력단 및 접지 노드 사이에 연결된 제 1 캐패시터;
    상기 저전압 강하 레귤레이터의 입력단 및 상기 접지 노드 사이에 연결된 제 2 캐패시터; 및
    상기 저전압 강하 레귤레이터의 출력단 및 상기 접지 노드 사이에 연결된 제 3 캐패시터를 포함하는 전원 공급 장치.
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