KR20140075622A - 스위칭 전력 변환기의 일차측과 이차측간의 디지털 통신 링크 - Google Patents

스위칭 전력 변환기의 일차측과 이차측간의 디지털 통신 링크 Download PDF

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다이얼로그 세미컨덕터 인크.
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Abstract

스위칭 전력 변환기는 상기 스위칭 전력 변환기의 일차측과 이차측간의 통신 링크를 제공할 수 있다. 메시징 모드 동안, 상기 통신 링크는 상기 이차측에 결합된 전자기기로부터 상기 일차측상의 제어기로 정보가 전송되는 것을 가능하게 할 수 있다. 상기 통신 링크는 상기 전자기기의 전력공급(powering)과 관련된 동작 파라미터들(제어 파라미터들)을 전송하는데 이용될 수 있다. 이때, 상기 스위칭 전력 변환기는, 상기 전자기기의 수용을 위해, 서로 다른 조정된 전압 및/또는 전류를 달성하기 위한 상기 스위칭 전력 변환기의 스위칭 동작을 조정할 수 있다.

Description

스위칭 전력 변환기의 일차측과 이차측간의 디지털 통신 링크{Digital Communication Link Between Secondary Side and Primary Side of Switching Power Converter}
본 발명은 전력 변환기 그리고 보다 구체적으로는 스위칭 전력 변환기의 일차측과 이차측간의 디지털 메시지들의 전송에 관한 것이다.
절연된 스위칭 전력 변환기(isolated switching power converter)는 교류 전력원(AC power source)과 전자기기간에 전기적 절연(galvanic isolation)을 제공하면서 조정된 전력(regulated power)을 전자기기로 제공한다. 예를 들어, 종래의 플라이백 전력 변환기(flyback power converter)에서, 파워 스테이지는 전력 변압기(power transformer)와 스위치를 포함한다. 스위치에 결합된 스위치 컨트롤러는 출력 전력, 출력 전압 또는 출력 전류를 나타내는 피드백 신호에 기반하여 스위치의 온-시간(on-times)과 오프-시간(off-times)을 제어한다. 전자기기에 조정된 출력 전압 및/또는 출력 전류를 유지하기 위해 스위칭 사이클의 듀티 사이클(duty cycle)에 기반하여 전력 변압기의 일차측(primary side)에서 전력 변압기의 이차측(secondary side)으로 에너지가 이동된다.
종래의 스위칭 전력 변환기에서, 조정된 출력 전압 및/또는 전류는 전자기기를 위한 부하 요구조건(load requirements)의 특정 셋을 맞추기 위해 일반적으로 미리 정해진다. 결과적으로 전원 공급장치들(power supplies)은 다른 부하 특성(load characteristics)을 갖는 다른 전자기기와는 맞지 않는 전자기기에서 사용되기 위해 제작된다. 따라서, 많은 종래의 전자기기들은 전용의 전원 공급장치와 함께 팔리게 되고, 그로 인해 소비자에게는 전자기기의 비용이 증가하게 된다.
스위칭 전력 변환기(switching power converter)는 전자기기로 조정된 정력을 제공할 수 있고, 이차측상의 전자기기로부터 이차측상의 스위치 제어기까지의 디지털 통신을 가능하게 할 수 있다. 변압기는 입력과 결합된 일차 권선 및 스위칭 전력 변환기의 출력과 결합된 이차 권선을 포함할 수 있다. 변압기는 일차 권선에 대응하는 스위칭 전력 변환기의 일차측과 이차 권선에 대응하는 스위칭 전력 변환기의 이차측을 전기적으로 절연시킬 수 있다. 스위칭 전력 변환기의 이차측상의 이차측 제어기는 스위칭 전력 변환기의 이차 권선을 통해 전압 펄스의 시퀀스(전압 펄스의 시퀀스는 하나 이상의 제어 파라미터들을 부호화한 디지털 메시지를 표현함)를 야기할 수 있도록 구현될 수 있다. 일실시예로, 이차측 제어기는 이차 권선에 결합된 스위치의 스위칭을 제어함으로써, 전압 펄스의 시퀀스를 야기할 수 있다. 스위치가 켜진 경우, 스위치는 이차 권선을 통한 전류의 흐름을 허용할 수 있고, 스위치가 꺼진 경우, 이차 권선을 통한 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 이차 권선을 통한 전류에서의 이러한 변화들은 디지털 메시지를 표현하는 이차 권선을 통한 전압 펄스의 시퀀스를 야기시킬 수 있다.
변압기의 일차 권선에 결합되는 일차측 스위치는 일차측 스위치가 켜진 경우 변압기의 일차 권선을 통한 전류의 흐름을 허용할 수 있고, 일차측 스위치가 거진 경우, 변압기의 일차 권선을 통한 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 스위칭 전력 변환기의 일차측상의 일차측 제어기는 디지털 메시지를 부호화한 전압 펄스의 시퀀스를 탐지할 수 있다. 일실시예로, 일차측 제어기는 일차측 센싱을 통해 전압 펄스의 시퀀스를 탐지할 수 있다. 일차측 제어기는 이때, 디지털 메시지에 포함된 제어 파라미터들에 기반하여 이차측 스위치의 스위칭을 제어하기 위해 일차측 제어 신호를 생성할 수 있다.
명세서에서 기술된 기능 및 장점들은 모든 것을 포함한 것이 아니며, 특히, 많은 추가적인 기능 및 장점은 도면과 명세서에서의 내용으로 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 게다가, 본 명세서에서 사용되는 언어는 주로 가독성과 교육 목적을 위해 선택되었으며, 발명의 주제를 상세하게 기술하거나 제한하는 것으로 선택되지 않은 것으로(may not have been selected to delineate or circumscribe) 인지되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 전력 변환기를 도시한 회로 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 전력 변환기를 도시한 회로 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 전력 변환기를 도시한 회로 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 스위칭 전력 변환기를 도시한 회로 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 일반 동작 모드 및 메시징 모드에서 스위칭 전력 변환기를 위한 전류 및 전압 신호를 도시한다.
도면들과 다음의 설명은 예시적으로 제공되는 다양한 실시예를 설명하는 것으로만 연관된다. 이하의 설명에 따르면, 본원의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 대체적 구조 및 방법의 실시예들이 존재할 수 있음은 자명하다.
참조는 몇몇의 실시예에 대해서 참조부호들이 사용되며, 그것의 예는 도면들에서도 표기되어 있다. 유사하거나 같은 도면 부호가 도면에서 사용될 수 있고 유사하거나 같은 기능을 나타낼 수 있다는 것은 명시된다. 도면은 도면의 목적을 위한 다양한 실시예를 도시한다. 본 발명이 속한 통상의 기술자는 여기서 도시되는 구조 및 방법의 대안적인 실시예들이 여기서 설명되는 원칙으로부터 벗어남 없이 이용될 수 있는 다음의 설명으로부터 쉽게 인식할 수 있다.
스위칭 전력 변환기(switching power converter)는 스위칭 변환기의 일차측(primary side)과 이차측(secondary side)간의 통신 링크를 제공할 수 있다. 메시징 모드(messaging mode) 동안, 통신 링크는 이차측과 결합된 전자기기로부터 일차측상의 제어기까지 정보가 전송되는 것을 가능하게 할 수 있다. 일실시예로, 통신 링크는 전원 공급 장치의 일차측과 이차측간 전기적 절연(galvanic isolation)에 대한 타협(compromising) 없이, 그리고 스위칭 전력 공급장치의 상당한 비용과 복잡성을 추가시키는 옵토아이솔레이터(opto-isolator)와 같은 절연기기의 이용 없이 실현될 수 있다.
일실시예에서, 이차측 대 일차측의(secondary-to-primary) 통신 링크는 스위치 제어기가 다양한 기능들을 수행하는 것이 가능해지도록 하기 위해 이용될 수 있다. 다양한 기능들은 이에 제한되지는 않으나, 1) 전원 공급장치에 연결된 특정 전자기기를 탐지하는 것 그리고 2) 연결된 전자 기기의 동작 특성들(일례로, 동작 전압 레벨, 전류 레벨, 및/또는 전류 동작 모드(일례로, 셧-다운 모드(shut-down mode, 슬립 모드(sleep mode), 절전 모드(hibernation mode) 등))을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 스위칭 전력 변환기는, 탐지된 전자기기 및 또는 탐지된 전자기기의 동작 모드를 수용하기 위해, 서로 다른 조정된 출력 전압 및/또는 전류를 달성하기 위한 스위칭 동작을 조정할 수 있다. 따라서, 스위칭 전력 변환기는 넓고 다양한 범위의(a wide variety of) 서로 다른 전가기기들을 수용할 수 있다.
도 1은 Vdd 커넥터(Vdd Connector, 132) 및 GND 커넥터(GND Connector, 134)를 통해 전자기기(Electronic Device, 121)에 전력을 제공하는 스위칭 전력 변환기(100)(일례로, 일차측 플레이백 스위칭 전력 변환기(a primary-side fly-back switching power converter))의 일실시예를 도시한 회로 다이어그램이다. 스위칭 전력 변환기(100)는, 다른 컴포넌트들 중에서, 일차 권선 Np, 이차 권선 Ns 및 보조 권선 Na를 갖는 변압기 T1, 스위치(104)(일례로, 트랜지스터(transistor)), 스위치 제어기(102), 출력 정류 다이오드(output rectifier diode) D1, 레지스터(resistors) R1, R2, R3 및 출력 필터 커패시터(output filter capacitor) C1을 포함할 수 있다.
입력 전압(VIN, 108)(일반적으로 정류 AC 전압)은 스위칭 전력 변환기(100)의 입력일 수 있다. 일차측 스위치 제어기(102)는 온-시간(on-times, TON) 오프-시간(off-times, TOFF)을 갖는 스위치 제어 신호(106)를 이용하여 스위치(104)의 온 상태와 오프 상태를 제어할 수 있다. 스위치 제어 신호(106)는 일례로, PWM(Pulse Width Modulation) 또는 PFM(Pulse Frequency Modulation)을 이용하여 스위치(104)의 스위칭을 제어할 수 있다.
스위치(104)가 온-시간 동안 켜지면, 에너지는 변압기 T1의 일차 권선 Np에 저장될 수 있다. 이차 권선 Ns를 통한 전압이 네거티브(negative)이고, 다이오드 D1는 역방향 바이오싱되어(reverse biased) 전자기기(121)로의 에너지 전달을 차단할 수 있다. 이 상태에서, 에너지는 커패시터 C1을 통해 전자기기로 공급될 수 있다. 스위치(104)가 꺼지면, 변압기 T1의 일차 권선 Np에 저장된 에너지는 변압기 T1의 이차 권선 Ns로 방출될(released) 수 있다. 다이오드 D1은 순방향 바이오싱되어(forward biased), 변압기 T1에 저장된 에너지가 전자기기(121) 및 리차징 커패시터(recharging capacitor) C1으로 이동 가능해질 수 있다.
레지스터 R1 및 R2는 변압기 T1의 보조 권선 Na와 직렬로 결합된 전압 디바이더(voltage divider)를 형성할 수 있고, 출력 전압(VOUT, 110)의 대표자인 센싱된 전압(VSENSE, 112)을 만들어 낼 수 있다. 레지스터 R3는 전자기기(121)를 통한 출력 전류(IOUT, 116)의 대표자인 전압(ISENSE, 114)을 만들어 내기 위해 스위치 104에 직렬로 결합될 수 있다(일차 권선 Np를 통한 전류는 이차 권선 Ns를 통한 전류에 매우 비례하기 때문에).
정상 동작에서, 스위치 제어기(102)는 VSENSE(112)과 ISENSE(114)를 모니터링할 수 있고, 조정된 출력을 유지하기 위해 스위치(104)의 스위칭을 제어할 수 있다. 예를 들어, CVM(Constant Voltage Mode)에서, 스위치 제어기(102)는 원하는 조정 전압(regulation voltage, VREG)(일례로, 허용된 오차 범위 내)에 매우 근접한 VOUT(110)를 유지하기 위해 스위치(104)의 스위칭을 제어할 수 있다. CCM(Constant Current Mode)에서, 스위치 제어기(102)는 원하는 조정 전류(regulation current, IREG)(일례로, 허용된 오차 범위 내)에 매우 근접한 IOUT(116)를 유지하기 위해 스위치의 스위칭을 제어할 수 있다.
스위칭 전력 변환기(100)의 일차측 보조 권선 Na는, 전압이 이차 권선 Ns 및 보조 권선 Na의 권수비(turn ratio)에 기초하여 축소될 수 있기 때문에 생성되는 낮은 전압 VSENSE(112)을 허용할 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서 보조 권선 Na는 생략될 수도 있고, 일차 권선 Np를 통한 전압의 직접적인 모니터링을 통해 VSENSE가 대신 탐지될 수도 있다.
통신 링크(118)는 이차측상의 전자기기(121)에서 일차측상의 스위치 제어기(102)로 정보가 전달되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 통신 링크(118)는 스위치 제어기(102)가 전자기기(121)에 관한 정보(일례로, 전자기기(121)과 관련된 조정 파라미터 및/또는 전자기기(121)와 관련된 동작 모드)를 탐지하는 것을 가능하게 한다. 탐지된 정보에 기반하여, 스위치 제어기(102)는, 서로 다른 출력 특성을 달성하거나, 전자기기(121)와 관련된 특정 출력 전압, 특정 출력 전류, 특정 출력 전력을 달성하거나 또는 특정 보호 모드를 구현하기 위해, 스위치(104)의 스위칭을 조절할 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 통신 링크(118)는 스위치 제어기(102)가 전자기기(121)의 전압을 설계 상한(upper design limit)을 초과하였는지(또는 증가의 위험 속에 있는지)를 결정하는 것을 가능하게 하는 정보를 전달할 수 있고, 그렇게 함으로써, 스위치 제어기(102)가 과전압 보호 모드(overvoltage protection mode)를 구현하는 것을 야기할 있다. 다른 실시예에서, 통신 링크(118)는 스위치 제어기(102)가 전자기기(121)에 단락(short-circuit)이 존재하는지를 결정하는 것을 가능하게 하는 정보를 전달할 수 있고, 그렇게 함으로써, 스위치 제어기(102)가 단락 보호 모드를 구현하는 것을 야기할 수 있다.
전자기기(121)와 스위치 제어기(102)간의 개념적인 통신 경로를 나타내기 때문에 도 1에서 통신 링크(118)는 파선(dashed line)으로 도시되었을 뿐, 전자기기(121)와 스위치 제어기(102)간에 직접적으로 결합되는 것이 필수적이지는 않다. 이러한 통신 링크(118)는 다양한 서로 다른 방법에서 구현될 수 있다. 일실시예로, 통신 링크(118)는 스위칭 전력 변환기(100)의 일차측과 이차측간의 전기적 절연을 유지하는 옵토커플러(optocoupler) 또는 다른 기기를 통해 구현될 수 있다. 그러나, 이러한 기기들은 스위칭 전력 변환기(100)의 비용과 복잡성의 상당히 추가시키기 때문에 보통 바람직하지 않다. 따라서, 다른 실시예에서, 통신 링크(118)는 스위칭 전력 변환기(100)의 일차측과 이차측간의 전기적 절연(galvanic isolation)을 여전히 지키는 동안, 어떠한 전문적인 절연기기(옵토커플러와 같은) 없이 구현될 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 통신 링크(118)는 디지털 메시지를 부호화하는 이차측 신호를 생성하고, 일차측 센싱 메커니즘을 통해 일차측에서 신호를 탐지함으로써 구현될 수 있다. 이러한 실시예에서, 디지털 메시지는 스위치(104)의 온-시간(on-times)간에서 스위칭 전력 변환기(100)의 메시징 모드 동안 전달될 수 있다. 일차측 센싱을 통해 통신 링크(118)를 가능하게 하는 스위칭 전력 변환기들의 예들은 아래 도 2 내지 도 의 참조에서 더 자세히 설명된다.
도 2는 전자기기(121)로 전력을 제공하고, 일차측 센싱을 통해 이차측 대 일차측의(secondary-to-primary) 디지털 통신을 가능하게 하는 스위칭 전력 변환기(200)의 블록 다이어그램이다. 본 실시예에서, 일차측 컴포넌트들(일례로, 일차측 제어기(102), 스위치(104), 레지스터 R1, R2, R3, 일차 권선 Np 및 보조 권선 Na)은 도 1에 따라 설명한 바와 같이 동작할 수 있다. 그러나, 스위칭 전력 변환기의 메시징 모드 동안 전기적 절연을 유지하면서도 일차측에서의 디지털 통신을 가능하게 하기 위한 수정된 이차측 아키텍처가 도시된다.
특히, 스위칭 전력 변환기(200)의 이차측 아키텍처는 디지털 커넥터(236)를 통해 전자기기(121)로부터 기기 신호(206)를 수신하는 이차측 제어기(Secondary Side Controller, 207)를 포함할 수 있다. 디지털 커넥터(Digital Connector, 236)는 예를 들어, 스위칭 전력 변환기(200)와 전자기기(121)간의 USB(Universal Serial Bus)(또는 유사한 타입의 커넥터)상의 적어도 하나의 데이터 핀을 포함할 수 있고, 또한, Vdd 커넥터(132)와 GND 커넥터(134)를 더 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 커넥터들의 다른 타입은, 커넥터들(132, 236, 134)를 통해 전자기기(121)와 스위칭 전력 변환기(200)간의 전력과 디지털 통신 모두를 제공하기 위해 이용될 수 있다.
일실시예에서, 기기 신호(206)는 특정 전자기기(121)와 연관된 하나 이상의 제어 파라미터들 및/또는 전자기기(121)와 연관된 동작 모드를 표현할 수 있다. 제어 파라미터들은 일례로, 출력 전압, 출력 전류, 출력 전력 및 전자기기(121)의 전력공급(powering)에 적합한 보호 모드를 포함할 수 있다. 그렇지 않으면, 기기 신호(260)는 적절한 제어 파라미터들이 파생될 수 있는 다른 정보를 표현할 수 있다. 예를 들어, 기기 신호(206)은 이차측 제어기(207)가 제어 파라미터들을 결정하기 위해 이용할 수 있는 전자기기(121)의 식별자를 포함할 수 있다. 일실시예에서, 기기 신호(206)는 디지털 커넥터(236)을 통해 이차측 제어기(207)로부터 전송된 쿼리 신호에 대한 응답으로 제공될 수도 있다.
스위칭 전력 변환기의 메시징 모드 동안, 이차측 제어기(207)는 기기 신호(206)에 기반하여 이차측 스위치(208)의 스위칭을 제어하기 위해 스위치 제어 신호(209)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 제어 신호(209)는 온(on) 또는 오프(off) 주기의 시퀀스에 기반하여 디지털 메시지를 부호화할 수 있다. 여기서, 온 주기는 제1 로직 상태를 나타낼 수 있고, 오프 주기는 제2 로직 상태를 나타낼 수 있다. 그렇지 않으면, 예를 들어, 서로 다른 기정의된 스레스홀드 시간 주기 내에 두 펄스를 생성함으로써, 제1 로직 상태를 부호화하거나 단일 펄스를 생성함으로써 제2 로직 상태를 부호화(기정의된 시간 주기 내의 두 번째 펄스의 생성 없이)하는 서로 다른 부호화 스킴(scheme)이 이용될 수 있다.
스위치(208)의 온 및 오프 스위칭은 거의 정확하게 제어 신호(209)의 온 및 오프 주기의 시퀀스를 따르는 이차 권선 Ns를 통한 전압 변동(voltage fluctuations)을 야기할 수 있다. 이러한 전력 변압기 T1의 이차 권선 Ns를 통한 전압 변동은 전력 변압기 T1의 일차 권선 Np와 보조 권선 Na에 더 전달될 수 있고, 따라서 디지털 메시지의 표현을 일차측에 전달할 수 있다. 일차측 제어기(102)는 VSENSE(112)를 경유하여 보조 권선 Na를 통해 상기 전압 변동을 탐지할 수 있고, 디지털 메시지를 결정하기 위해 온 및 오프 주기의 시퀀스를 해석할 수 있다. 디지털 메시지에서 결정된 제어 파라미터들에 기반하여, 일차측 제어기(102)는 전자기기(121)와 관련된 특정 조정 파라미터들 및/또는 동작 모드를 매칭시키기 위해 스위치(104)의 스위칭을 제어할 수 있다.
커넥션(210)은 이차측 제어기(207)를 동작시키기 위한 전력을 제공한다. 스위칭 전력 변환기(200)의 이차측은 또한 스위치(208)(도 1의 출력 경로에서 다이오드 D1의 대신)와 병렬로 배치된 다이오드 D2를 포함할 수 있다. 특히, 스위치(208)와 (직렬 대신) 병렬로 다이오드 D2가 배치됨에 따라, 다이오드 D2는 이차 권선 Ns를 통한 그리고 스위치(208)가 켜진 경우 스위치(208)를 통한 Vout(110)으로부터의 전류 흐름을 지연시키지 않는다. 이러한 구성은 스위칭 전력 변환기(200)의 이차측이, 일반 동작 모드(예를 들어, 메시징 모드가 아닌)에서 도 1의 플라이백 변환기(flyback converter)와 유사하게 동작하는 것을 가능하게 하는, 반면, 스위치(208)이 메시징 모드 동안 이차 권선 Ns를 통한 전압 펄스를 생성하는 것을 가능하게 한다.
일반 동작 모드에서, 스위치(104)가 온-시간 동안 켜진 경우, 에너지는 변압기 T1의 일차 권선 Np에 저장될 수 있다. 이차 권선 Ns를 통한 전압은 네거티브이고 다이오드 D2는 역방향 바이오싱될 수 있다. 일반 동작 모드 동안, 이차측 제어기(207)는 다이오드 D2가 역방향 바이오싱됨을 탐지하고 스위치(208)를 끌 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 이차측 제어기(207)는 다이오드 전압 신호(220)를 턴 오프 스레스홀드와 비교할 수 있고, 다이오드 전압 신호(220)가 턴 오프 스레스홀드를 넘어서는 경우 다이오드 D2가 역방향 바이오스되었는지 확인할 수 있다. 따라서, 스위치(208)는 일반 동작 모드에서 다이오드 D2가 꺼진 경우, 일반적으로 꺼질 수 있다.
스위치(104)가 꺼진 경우, 변압기 T1의 일차 권선 Np에 저장된 에너지는 변압기 T1의 이차 권선 Ns로 방출될 수 있고, 이차 권선 Ns를 통한 전압은 포지티브가 될 수 있다. 다이오드 D2는 순방향 바이오싱되어, 변압기 T1에 저장된 에너지의 전자기기(121) 및 리차징 커패시터 C1으로의 전송이 가능해진다. 일반 동작 모드 동안, 이차측 제어기(207)는 다이오드 D2가 순방향 바이오싱되었는가를 탐지하여 스위치(208)를 켤 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 이차측 제어기(207)는 다이오드 전압 신호(220)를 턴 오프 스레스홀드와 비교하고, 다이오드 전압 신호(220)가 턴 오프 스레스홀드 이하로 떨어지는 경우, 다이오드 D2가 순방향 바이오싱되었음을 확인할 수 있다. 따라서, 스위치(208)는 일반 동작 모드에서 다이오드 D2가 켜진 경우, 일반적으로 켜질 수 있다.
일실시예에서, 스위칭 전력 변환기(200)의 메시징 모드는 스위치(104)가 꺼지고, 변압기 T1가 완전히 리셋되었을 때 발생할 수 있다. 여기서, 다이오드 D2는 역방향 바이오싱될 수 있으나, 스위치(208)를 켬으로써 바이패스(bypass)될 수 있고, 그렇게 함으로써, 이차 권선 Ns를 통한 전압 펄스가 생성될 수 있다.
도 3은 스위칭 전력 변환기(300)의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 스위칭 전력 변환기(300)는 도 2의 스위칭 전력 변환기(200)와 유사하나, 보조 권선 Na와 전압 디바이더 레지스터 R1, R2가 생략될 수 있다. 대신 본 실시예에서는, 일차측 제어기(302)가 전압 신호 VSENSE(312)를 일차 권선 Np로부터 센싱할 수 있다. 이때, 일차측 제어기(302)는 도 2의 일차측 제어기(102)와 유사하게 동작할 수 있으나, 보조 권선 Na에 비해 일차 권선 Np를 통한 상대적으로 더 높은 전압을 고려하여 VSENSE(312)로부터 근접한 Vout(210)에서 서로 다른 스케일링 팩터(different scaling factor)를 사용할 수 있다. 일실시예로, 일차측 제어기(302)는 일반적으로 고전압 신호인 VSENSE(312)를 직접 모니터링하기 위해 고 전압 I/O 기능들을 포함하는 일차측 제어기(120)와 다를 수 있다.
도 4는 스위칭 전력 변환기(400)의 또 다른 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 스위칭 전력 변환기(400)는 도 3의 스위칭 전력 변환기(300)와 유사하나, 레지스터 R4 및 전도 및 방사 전자기 간섭 EMI(conducted and radiated electromagnetic interference EMI)를 억제하기 위해 일차측 대 이차측 바운더리(primary-to-secondary boundary)를 통한 전기적 절연을 제공하는 커플링 커패시터 C2를 포함할 수 있다. 게다가, 스위칭 전력 변환기(400)는 스위치(208)와 직렬로 결합되는 레지스터 R5를 포함할 수 있고, Vout(210)과 커패시터 C2 사이에 이차측상의 제2 스위치(421)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 이차측 제어기(207)는 메시징 모드 동안 상술한 바와 같은 유사한 원리에 따라 동작하여 디지털 메시지를 부호화하는 방식에서 트랜지스터(208)을 켜고 끄기 위한 구동 신호(drive signal)를 제공할 수 있다. 스위치(208)가 켜진 경우, 컬렉터 전압(collector voltage)은 떨어지고, 스위치(421)가 꺼지도록 야기할 수 있다. 유사하게, 스위치(208)가 꺼진 경우, 컬렉터 전압은 스위치(421)의 켜짐을 이용하여 높아질 수 있다. 따라서, 스위치(421)는 유사하나, 스위치(208)와 관련된 반대 패턴으로 켜지고 꺼질 수 있다. 스위치(421)의 스위칭은 커패시터 C2 및 레지스터 R2를 통한 전압 변동(디지털 링크 입력(digital link input, DLK, 423)을 경유하여 일차측 제어기(402)에 의해 센싱될 수 있는)을 야기시킬 수 있다. 일차측 제어기(402)는 센싱된 패턴에 기반하여 디지털 메시지를 해독(decode)할 수 있다.
도 5는 스위칭 전력 변환기(200)의 실시예에 의해 생성된 동작 파형(operating waveforms)을 도시하고 있다. 도 2의 스위칭 전력 변환기(200)의 맥락에서 동작(operation)이 논의되는 반면, 도 3의 스위칭 전력 변환기(300) 및 도 4의 스위칭 전력 변환기(400)에서도 유사한 동작 원리들이 적용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 스위칭 전력 변환기(200)는 일반 동작 모드(Normal Operating Mode, 502)에서 동작하거나 또는 메시징 모드(Messaging Mode, 504)에서 동작할 수 있다. 일반 동작 모드(502)에서 이차측 제어기(207)는 전압(220)이 턴 오프 스레스홀드보다 낮아 다이오드 D2가 순방향 바이오싱됨을 나타내는 경우, 스위치(208)를 켤 수 있다. 이차측 제어기(207)는 전압(220)이 턴 오프 스레스홀드보다 높아 다이오드 D2가 역방향 바이오싱됨을 나타내는 경우, 스위치(208)를 끌 수 있다. 일차측 제어기(102)는 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이 조정된 출력 전압을 유지하도록 동자할 수 있다.
일반 동작 모드(502) 동안, 스위칭 전력 변환기(200)는 온-시간(552-1)(일차측 스위치(104)가 켜진 경우), 리셋 시간(554-1)(일차측 스위치(104)가 꺼진 시간 t1과 이차 전류 ISEC이 영(zero)이 된(또는 로우 스레스홀드(low threshold) 밑으로 떨어진) 시각 t2 사이) 및 데드 타임(556-1)(이차 전류 ISEC이 영(zero)이 된(또는 로우 스레스홀드(low threshold) 밑으로 떨어진 시각 t2와 일차측 스위치(104)가 다시 켜진 시각 t3 사이) 사이를 이행할 수 있다. 이러한 동작 상태들은 온-시간(552-2), 리셋 시간(554-2) 및 데드 타임(556-2)에 도시된 바와 같이 각각의 다음 스위칭 사이클을 위해 반복될 수 있다.
일차측 스위치(104)가 온-시간(552) 동안 켜지면, 일차 권선 Np를 통한 전류는 거의 선형으로 증가할 수 있고, VSENSE(112) 및 ISEC(218)은 다이오드 D2가 역방향 바이오싱되기 때문에 거의 영(zero)이 될 수 있다. 따라서, 에너지는 변합기 T1에 저장될 수 있으나, 전자기기(121)로 전달되지는 않을 수 있다. 일차측 스위치(104)가 시각 t1에 꺼지면, 다이오드 D2는 순방향 바이오싱될 수 있고, 스위치(208)가 켜질 수 있다. 변압기 T1에 저장된 에너지는 이차측으로 인도될 수 있고, 이차측 출력 전류 ISEC(218)은 스파이크 업(spikes up)되고 이때, 거의 선형으로 내려가기 시작할 수 있다. VSENSE(112) 역시 스파이크 업되고 천천히 내려갈 수 있다. ISEC(218)이 시각 t2에 영(zero)에 도달하면(또는 영에 가까운 스레스홀드 밑으로 떨어지면), 스위치(208)은 꺼지고, 전압 VSENSE(112)는 커패시터 C1이 C1의 차지(charge)를 잃기 때문에 영으로 빠르게 떨어질 수 있다. 스위치(104)가 t3에서 다시 켜지는 경우, 사이클은 계속되고 따라서 다음 온-시각(552-2)가 시작될 수 있다.
스위칭 전력 변환기(200)가 메시징 모드(504)에 있는 경우, 디지털 메시지는 생성될 수 있고, 변압기가 리셋된 후(예를 들어, 리셋 타임 554-2 후)의 데드 타임 동안 전송될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 디지털 메시지는 데드 타임 556-2 동안 전송될 수 있다. 여기서, 이차측 제어기(207)는 디지털 메시지를 부호화하는 전류 펄스들 ISEC(218)를 생성하기 위해 이차측 스위치(208)를 켜고 끌 수 있다. 이러한 전류 펄스들은 이차 권선 Ns를 통한 전압 펄스들(일차측으로 전달되고, 상술한 VSENSE(112)를 경유하여 센싱되는)을 생성할 수 있다. 따라서, 스위칭 사이클의 데드 타임은 스위칭 전력 변환기(200)의 일반 동작에 대한 간섭 없이 디지털 데이터의 전송에 이용될 수 있다.
메시징 모드(504)의 일실시예에서, 이차측 제어기(207)는 이차측 스위치(208)가 일차측 제어기(102)에 전달하기 위한 디지털 메시지를 부호화하는 로직 상태에 따라 켜지고 꺼지도록 제어할 수 있다. 일실시예에서, 디지털 메시지는 프리엠블(preamble, 512), 페이로드(payload, 514) 및 터미네이션(termination 516)을 포함할 수 있다. 디지털 메시지의 각각의 구성요소는 스위치(208)의 스위칭을 온(예를 들어, 로직 하이 비트(logic high bit)를 생성하기 위해) 또는 오프(예를 들어, 로직 로우 비트(logic low bit)를 생성하기 위해)로 제어하는 적어도 하나의 비트를 포함할 수 있다. 일실시예에서, 프리엠블(512)는 일차측 제어기(102)에 의해 데이터 전송의 시작으로 인식되어 일차측 제어기(102)가 전송의 인수를 준비할 수 있도록 하는 헤더 정보를 부호화할 수 있다. 게다가 프리엠블(512)은 예를 들어, 페이로드의 길이, 전송의 타입 등과 같은 정보를 부호화할 수 있다. 페이로드(514)는 일차측 제어기(120)에 전달될 데이터를 부호화할 수 있다. 이러한 데이터는, 예를 들어, 전압, 전류, 동작 모드 등과 같은 전자기기(121)로 전력을 공급하기 위한 제어 파라미터들의 디지털 표현을 포함할 수 있다. 터미네이션(516)은 디지털 메시지의 완료를 나타내기 위해 제공될 수 있다. 자명하게(as will be apparent), 설명한 예와 다른 서로 다른 부호화 기술들이 이차측 제어기(207)와 일차측 제어기(102)간의 디지털 통신을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 완전한 메시지가 전송되면, 스위칭 전력 변환기(200)는 일반 동작 모드(502)로 돌아갈 수 있고, 스위치(208)는 온 상태에 위치할 수 있다.
서로 다른 메시징 기술들은 스위칭 전력 변환기(200)의 서로 다른 듀티 사이클들(duty cycles)에 기반하여 설명될 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 각각의 스위칭 사이클에서의 스위치(104)의 데드 타임이 매우 짧으면, 메시징 모드(504)는 스위치(104)의 스위칭 사이클 당 작은 수의 비트들(예를 들어, 1-2 비트)만을 수용할 수 있다. 다른 케이스에서 스위치(104)의 데드 타임이 비교적 길면, 메시징 모드(504)는 스위칭 사이클 당 큰 수의 비트들(예를 들어 100 비트)을 수용할 수 있다. 자명하게, 디지털 메시지의 서로 다른 부분들은 서로 다른 스위칭 사이클 동안 전송될 수 있고, 그때 완전한 메시지를 생성하기 위해, 일차측 제어기(102)에 의해 연관지어질 수 있다.
이러한 개시된 사항을 읽음으로써, 기술에 숙련된 자는 스위칭 전력 변환기에서 디지털 통신을 위한 대안적인 디자인을 계속하여 추가적으로 인식할 수 있다. 따라서, 특정한 실시예들과 응용들이 도시되고 설명되었지만, 여기에 개시된 실시예들은 여기에 개시된 정밀한 구조 및 컴포넌트들에 한정되지 않으며, 이 기술 분야에서 숙련된 자들에게 명백한 다양한 변경, 변화, 변형들은 여기에 개시된 사상 및 범위로부터 벗어나지 않은 채로 방법 및 장치의 배열의 면에서, 동작의 면에서, 구체적인 사항들의 면에서 행해질 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 전자기기에 조정된 전력(regulated power)을 제공하는 스위칭 전력 변환기(switching power converter)에 있어서,
    입력과 결합된 일차 권선(primary winding) 및 상기 스위칭 전력 변환기의 출력과 결합된 이차 권선(secondary winding)을 포함하는 변압기;
    상기 스위칭 전력 변환기의 이차측(secondary side)상의 이차측 제어기로서, 상기 스위칭 전력 변환기의 상기 이차 권선을 통한 전압 펄스의 시퀀스를 야기하도록 구현되는 상기 이차측 제어기 - 상기 전압 펄스의 시퀀스는 하나 이상의 제어 파라미터들을 부호화한(encoding) 디지털 메시지를 나타냄 -;
    상기 변압기의 상기 일차 권선에 결합되는 일차측 스위치(primary side switch)로서, 허용하는 상기 일차측 스위치; 및
    상기 스위칭 전력 변환기의 일차측상의 일차측 제어기로서, 상기 디지털 메시지를 부호화한 상기 전압 펄스 시퀀스를 탐지하고, 상기 디지털 메시지의 상기 제어 파라미터에 기반하여 상기 일차측 스위치의 스위칭을 제어하기 위해 일차측 제어 신호를 생성하도록 구현되는 상기 일차측 제어기
    를 포함하는 상기 스위칭 전력 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기의 상기 이차 권선에 결합되는 이차측 스위치(secondary side switch)로서, 상기 이차측 스위치가 켜진(turn on) 경우 상기 이차 권선을 통한 전류의 흐름을 허용하고, 상기 이차측 스위치가 꺼진(turn off) 경우 상기 변압기의 상기 이차 권선을 통한 전류의 흐름을 차단하는 상기 이차측 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 이차측 제어기는, 상기 이차측 스위치의 온 및 오프 시간의 시퀀스가 상기 하나 이상의 파라미터를 부호화한 상기 디지털 메시지를 나타내도록 이차측 제어 신호를 통해 상기 이차측 스위치의 스위칭을 제어하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 전력 변환기의 일차측상의 전압 센싱 회로로서, 상기 디지털 메시지를 부호화하는 상기 전압 펄스의 시퀀스의 일차측 신호 대표자(representative)를 센싱하는 상기 전압 센싱 회로
    를 더 포함하고,
    상기 일차측 제어기는, 상기 일차측 신호를 통해 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압 센싱 회로는,
    상기 일차측 신호를 생성하기 위해, 상기 스위칭 전력 변환기의 일차측상의 상기 변압기의 보조 권선(auxiliary winding)으로서, 상기 일차측 신호가 상기 이차 권선을 통한 상기 전압 펄스의 시퀀스에 비례하는 상기 보조 권선 - 상기 전압 펄스의 시퀀스는 상기 디지털 메시지를 부호화함 -
    을 포함하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전압 센싱 회로는,
    상기 일차측 신호를 생성하는 변압기의 상기 일차 권선으로서, 상기 일차측 신호가 상기 이차 권선을 통한 상기 전압 펄스의 시퀀스에 비례하는 상기 일차 권선 - 상기 전압 펄스의 시퀀스는 상기 디지털 메시지를 부호화함 -
    을 포함하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전압 센싱 회로는,
    상기 일차 권선과 상기 이차 권선간에 결합되는 결합 커패시터(coupling capacitor)로서, 상기 디지털 메시지를 부호화하는 상기 전압 펄스의 시퀀스에 기반하여 상기 결합 커패시터의 일차측상에 상기 일차측 신호를 생성하는 상기 결합 커패시터
    를 포함하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이차측 스위치와 병렬로 결합되고, 상기 이차 권선과 직렬로 결합되는 이차측 다이오드로서, 상기 일차측 스위치가 오프(off)되는 경우 전류를 전도하기 위해 순방향으로 바이오싱되고(forward biased), 상기 일차측 스위치가 온(on)되는 경우 전류를 차단하기 위해 역방향으로 바이오싱되는(reverse biased) 상기 이차측 다이오드
    를 더 포함하는 상기 스위칭 전력 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이차측 제어기는,
    상기 이차측 다이오드를 통한 전압을 센싱하고, 상기 이차측 다이오드를 통한 전압이 턴 오프 스레스홀드 전압보다 낮은 경우 상기 이차측 스위치를 켜고, 상기 이차측 다이오드를 통한 전압이 상기 턴 오프 스레스홀드 전압보다 높은 경우 상기 이차측 스위치를 켜도록 더 구현되는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 이차측 다이오드는,
    상기 이차측 제어기가 상기 이차 권선을 통한 전압 펄스의 시퀀스를 야기하는 경우, 메시징 모드 동안 상기 이차측 스위치에 의해 우회되는(bypassed), 상기 스위칭 전력 변환기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이차측 제어기는,
    상기 스위칭 전력 변환기의 스위칭 사이클에서의 데드 타임(dead time) 동안 상기 스위칭 전력 변환기의 상기 이차 권선을 통한 전압 펄스의 시퀀스를 생성하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어 파라미터들은, 출력 전압, 출력 전류, 출력 전력, 보호 모드(protection mode) 및 동작 모드(operation mode) 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어 파라미터들은, 상기 전자기기의 전기적 특성들(electrical characteristics)을 포함하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이차측 제어기는, 제1 로직 상태를 표현하기 위해 기정의된 시간 주기 내에서 상기 이차 권선을 통해 생성될 전압 펄스의 페어(pair)를 야기하고,
    상기 이차측 제어기는, 제2 로직 상태를 표현하기 위해 상기 이차 권선을 통해 생성될 단일 전압 펄스를 야기하는, 상기 스위칭 전력 변환기.
  14. 스위칭 전력 변환기를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 스위칭 전력 변환기는, 입력에 결합되는 일차 권선 및 상기 스위칭 전력 변환가의 출력에 결합되는 이차 권선을 갖는 변압기, 및 상기 변압기의 상기 일차 권선에 결합되는 일차측 스위치를 포함하고, 상기 변압기는, 상기 일차 권선에 대응하는 상기 스위칭 전력 변환기의 일차측과 상기 이차 권선에 대응하는 상기 스위칭 전력 변환기의 이차측을 전기적으로 절연시키고, 상기 일차측 스위치는 일차측 제어기에 의해 제어되고,
    상기 스위칭 전력 변환기의 이차측상의 이차측 제어기에 의해 상기 스위칭 전력 변환기의 이차측과 결합된 전자기기의 제어 파라미터들을 수신하는 단계;
    상기 제어 파라미터들을 디지털 메시지로부터 부호화하는 단계;
    상기 스위칭 전력 변환기의 이차 권선을 통한 전압 펄스의 시퀀스를 야기시키기 위해, 상기 이차측 제어기를 작동시키는 단계 - 상기 전압 펄스의 시퀀스는 상기 디지털 메시지를 나타냄 -;
    일차 센싱을 이용하는 상기 일차측 제어기에 의해 상기 디지털 메시지가 부호화된 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는 단계; 및
    상기 일차측 제어기에 의해, 상기 디지털 메시지에 포함된 상기 제어 파라미터들에 기반하여 상기 일차측 스위치의 스위칭을 제어하기 위해, 일차측 제어 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이차측 제어기를 작동시키는 단계는,
    이차측 스위치의 온 및 오프 시간의 시퀀스가 상기 제어 파라미터들을 부호화하는 상기 디지털 메시지를 나타내도록, 이차측 제어 신호를 통해 상기 변압기의 상기 이차 권선에 결합된 상기 이차측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 이차측 스위치는, 상기 이차측 스위치가 켜진 경우 상기 변압기의 상기 이차 권선을 통한 전류의 흐름을 허용하고, 상기 이차측 스위치가 꺼진 경우 상기 변압기의 이차 권선을 통한 전류의 흐름을 차단하는, 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 일차 센싱을 이용하는 상기 일차측 제어기에 의해 상기 디지털 메시지가 부호화된 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는 단계는,
    상기 스위칭 전력 변환기의 일차측상의 상기 변압기의 보조 권선을 통해 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 일차 센싱을 이용하는 상기 일차측 제어기에 의해 상기 디지털 메시지가 부호화된 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는 단계는,
    상기 스위칭 전력 변환기의 일차측상의 상기 변압기의 일차 권선을 통해 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 일차 센싱을 이용하는 상기 일차측 제어기에 의해 상기 디지털 메시지가 부호화된 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는 단계는,
    상기 변압기의 상기 일차 권선 및 상기 이차 권선을 통해 결합된 결합 커패시터를 통해 상기 전압 펄스의 시퀀스를 탐지하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 이차측 제어기를 작동시키는 단계는,
    상기 스위칭 전력 변환기의 스위칭 사이클에서의 데드 타임 동안, 상기 스위칭 전력 변환기의 상기 이차 권선을 통해 상기 디지털 메시지를 나타내는 상기 전압 펄스의 시퀀스를 야기하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 이차측 스위치에 병렬로 결합되는 이차측 다이오드(diode)를 통해 전압을 센싱하는 단계;
    상기 이차측 다이오드를 통한 상기 전압이 턴 오프 스레스홀드 전압보다 낮은 경우, 상기 이차측 스위치를 켜는 단계;
    상기 이차측 다이오드를 통한 상기 전압이 턴 오프 스레스홀드 전압보다 높은 경우, 상기 이차측 스위치를 끄는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 제어 파라미터는, 출력 전압, 출력 전류, 출력 전력, 보호 모드, 및 동작 모드 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 이차측 제어기를 작동시키는 단계는,
    제1 로직 상태를 표현하기 위해, 기정의된 시간 주기 내에서 상기 이차 권선을 통해 생성될 전압 펄스의 페어를 야기하는 단계; 및
    제2 로직 상태를 표현하기 위해, 상기 이차 권선을 통해 생성될 단일 전압 펄스를 야기하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  23. 전자기기에 조정된 전력을 제공하기 위한 스위칭 전력 변환기에 있어서,
    상기 스위칭 전력 변환기의 일차측과 상기 스위칭 전력 변환기의 이차측을 전기적으로 절연시키는 변압기;
    상기 스위칭 전력 변환기의 이차측상의 이차측 제어기로서, 상기 전자기기로부터 신호를 수신하고 상기 전자 기기로부터의 신호에 기반하여 디지털 메시지를 생성하는 상기 이차측 제어기;
    상기 변압기의 일차 권선에 결합되는 일차측 스위치로서, 상기 일차측 스위치가 켜진 경우 상기 변압기의 일차 권선을 통한 전류의 흐름을 허용하고, 상기 일차측 스위치가 꺼진 경우 상기 변압기의 일차 권선을 통한 전류의 흐름을 차단하는 상기 일차측 스위치; 및
    상기 스위칭 전력 변환기의 일차측상의 일차측 제어기로서, 프라이머리-온니 센싱(primary-only sensing)을 통해 상기 디지털 메시지를 탐지하고, 상기 디지털 메시지에 기반하여 상기 일차측 스위치의 스위칭을 제어하는 상기 일차측 제어기
    를 포함하는 상기 스위칭 전력 변환기.
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