KR20140144874A - 공진 컨버터, 이를 포함하는 전원공급장치 및 그 제어방법 - Google Patents

공진 컨버터, 이를 포함하는 전원공급장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진 컨버터, 이를 포함하는 전원공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 전원공급장치는, 가변 주파수에 따라 제1 및 제2 스위치를 교번으로 구동시켜 구형파를 생성하는 구형파 생성부와, 구형파에 대응하는 공진파를 생성하는 공진부와, 공진파에 대응하는 전압을 출력하는 정류부를 포함하는 공진 컨버터와; 공진 컨버터의 주파수 변조를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는 공진 컨버터가 용량성 모드로 진입하는 것이 감지되면, 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 가변 스위칭부를 포함한다. 이에 의하여, 공진 컨버터의 과부하 상태를 감지하고 주파수를 증가시켜 영전압 스위칭을 수행하도록 함으로써, 스위칭 효율을 높이고 회로 안정성을 확보할 수 있다.

Description

공진 컨버터, 이를 포함하는 전원공급장치 및 그 제어방법{RESONANT CONVERTER, POWER SUPPLY AND POWER CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 공진 컨버터, 이를 포함하는 전원공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영전압 스위칭으로 동작하는 공진 컨버터, 이를 포함하는 전원공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
TV와 같은 디스플레이장치를 포함하는 전자기기에는 동작에 필요한 전원을 공급하기 위한 전원공급장치(power supply)로서 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 마련된다. SMPS는 예를 들어, 디스플레이장치의 메인 디스플레이에 전원을 공급하는 LLC 공진 컨버터(Resonant Converter)를 포함할 수 있다.
SMPS의 고 전력 밀도를 얻기 위한 노력은 수동소자의 사이즈에 의해 제약을 받는다. 높은 주파수의 동작은 트랜스포머 또는 필터와 같은 수동소자의 사이즈를 상당히 감소시킬 수 있지만, 스위칭 손실을 발생시킬 수 있다. 이에, 스위칭 손실을 줄이고 높은 주파수에서 동작시키기 위해 공진 스위칭 기술이 대두되어 왔다.
도 1은 종래의 일반적인 LLC 공진 컨버터의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 LLC 공진 컨버터는 구형파 발생부(11), 공진부(13) 및 정류부(15)를 포함한다.
구형파 발생부(11)는 부하 상태에 따라 주파수를 가변시키는 제어 IC (PFM(Pulse Frequency Modulation) IC)에 의해 동작하며, 하프-브리지(Half-Bridge) 또는 풀-브리지(Full-Bridge) 형태로 구현될 수 있다.
도 2는 도 1의 LLC 공진 컨버터의 구형파 발생부(11)가 하프-브리지로 구현된 경우를 예로 들어 상세하게 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 LLC 공진 컨버터의 동작파형을 도시한 도면이다.
구형파 발생부(11)는 부하에 따라 가변되는 주파수에 따라 스위치 Q1과 Q2가 50%의 시비율로 교번으로 도통/차단된다. 스위치 Q1과 Q2는 도 3과 같이 교번 동작 시 작은 데드 타임이 존재하여, 암 쇼트(Arm Short)없이 연속동작을 이행하도록 한다. 공진부(13)는 커패시터(Cr), 누설인덕턴스(Lr), 그리고 트랜스포머의 자화인덕턴스(Lm)를 포함한다.
정류부(15)는 정류다이오드와 커패시터로 교류(AC) 전류를 정류하여 직류(DC) 전압을 생성한다. 정류부(15)는 풀-브리지(Full-Bridge) 다이오드 또는 센터-탭(Center-tap) 구조와 커패시터의 조합으로 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 파형의 동작주파수는 Lr 과 Cr 사이의 공진에 의해 결정된 공진 주파수로서 동작하게 된다. 여기서, 자화 인덕터가 상대적으로 작기 때문에 고려할 만한 양의 자화 전류 Im 이 존재하며, 이는 파워전달과 무관하게 트랜스포머의 1차측을 순환하게 된다. 1차측 전류 Ip는 자화전류 Im 과 1차측으로 참조되는 2차측 전류의 합이다.
전류 Ip는 공진부(13)에 인가된 전압 Vd 보다 지연되며, 그에 따라 MOSFET 즉, Q1, Q2가 턴-온 시에 영전압(ZVS (Zero Voltage Switching))을 이루게 한다. 즉, 도 3과 같이 MOSFET 양단의 전압이 내부 다이오드를 통해 흐르는 전류에 의해 영전위가 되었을 때 비로소 턴온하게 되는 것이다.
도 4와 도 5는 도 2의 LLC 공진 컨버터의 정상 상태와 과부화 상태에서의 동작에 따른 파형의 변화를 각각 도시한 도면이다.
정상 동작조건에서 공진단의 입력 임피던스는 유도성(Inductive)이며, 도 4에 도시된 바와 같이, 공진단의 입력전류 Ip는 공진단에 인가된 전압 Vd 보다 지연된다. 이는 MOSFET Q1, Q2가 도 4와 같이 영전압에서 턴-온되는 소프트 스위칭(Soft Switching) 즉, ZVS이 이루어진다는 것을 나타낸다.
반면, 심각한 과부하 조건에서는 공진단의 입력 임피던스가 용량성(Capacitive)이 되고, 도 5에 도시된 바와 같이 Ip가 Vd를 앞지르게 된다. 이렇게 공진 컨버터가 용량성 영역(Capacitive Mode)에서 동작하는 경우, ZVS가 이루어지지 않기 때문에 Q1, Q2의 하드 스위칭(Hard Switching)으로 인해 높은 스위칭 손실(Loss)이 발생한다. 또한, MOSFET의 바디 다이오드가 스위칭 변환 중에 역회복(reverse recovery)하여, 스트라이크(Spike) 전류 및 심각한 노이즈를 발생시킬 수 있다. 따라서, 공진 컨버터가 용량성 영역에서 동작하는 경우, 위와 같은 사유로 MOSFET이 쉽게 파손(Blow Up)될 가능성이 있다.
일반적으로 LLC 공진 컨버터는 ZVS 동작으로 스위칭 손실을 최소화하고, 효율을 극대화한다. 그러나, 과부하 조건 즉, 용량성 영역에서 동작하는 경우, 동작 주파수가 최소화되어 회로 하드 페일(Hard Fail)이 발생되는 문제점이 발생할 수 있다. 그러므로, LLC 공진 컨버터가 용량성 모드로 동작하는 것을 방지하고, 안정적인 ZVS 동작을 수행하도록 제어하여 회로 안정성을 확보할 필요성이 있다.
본 발명 실시예에 따른 전원공급장치는, 가변 주파수에 따라 제1 및 제2 스위치를 교번으로 구동시켜 구형파를 생성하는 구형파 생성부와, 구형파에 대응하는 공진파를 생성하는 공진부와, 공진파에 대응하는 전압을 출력하는 정류부를 포함하는 공진 컨버터와; 공진 컨버터의 주파수 변조를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는 공진 컨버터가 용량성 모드로 진입하는 것이 감지되면, 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 가변 스위칭부를 포함할 수 있다.
가변 스위칭부는, 제1 스위치의 입력 전류와 제2 스위치의 게이트 전압을 입력받는 앤드 게이트와, 앤드 게이트의 연산 결과에 따라 용량성 모드에 대응하는 하이(High) 신호를 출력하는 카운터를 포함할 수 있다.
카운터는, 앤드 게이트로부터의 하이(High) 출력의 횟수를 카운트하고, 카운트된 횟수가 기설정된 횟수에 도달하면, 하이(High) 신호를 출력할 수 있다.
앤드 게이트는 제1 스위치의 역전류 발생 구간에 대응하여 하이(High)를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
제1 스위치의 입력전류는 음 구간이 제거된 반파 신호로 앤드 게이트에 입력될 수 있다.
제어부는, 카운터로부터 하이 신호가 출력되면, 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 오실레이터를 더 포함할 수 있다.
공진 컨버터는 주파수 증가에 따라 유도성 모드로 전환되며, 제1 및 제 2 스위치가 영전압 스위칭을 수행할 수 있다.
제어부는, 제1 및 제2 스위치의 교번 구동 시 데드 타임이 존재하도록 제어하는 데드타임 생성부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명 실시예에 따른 전원공급장치의 제어방법은, 가변 주파수에 따라 제1 및 제2 스위치를 교번으로 구동시켜 구형파를 생성하는 구형파 생성부와, 구형파에 대응하는 공진파를 생성하는 공진부와, 공진파에 대응하는 전압을 출력하는 정류부를 포함하는 공진 컨버터가 용량성 모드로 진입하는 것을 감지하는 단계와; 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
용량성 모드로 진입하는 것을 감지하는 단계는, 제1 스위치의 입력 전류와 제2 스위치의 게이트 전압을 입력받는 단계와; 제1 스위치의 입력 전류 및 제2 스위치의 게이트 전압을 앤드 연산하는 단계와; 연산 결과에 따라 용량성 모드에 대응하는 하이(High) 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
앤드 연산하는 단계는, 제1 스위치의 역전류 발생 구간에 대응하여 하이(High)를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
하이 신호를 출력하는 단계는, 앤드 연산하는 단계의 하이(High) 출력의 횟수를 카운트하는 단계를 포함하며, 카운트된 횟수가 기설정된 횟수에 도달하면, 하이(High) 신호를 출력할 수 있다.
제1 스위치의 입력전류는 음 구간이 제거된 반파 신호로 앤드 게이트에 입력될 수 있다.
주파수를 증가시키는 단계는, 하이 신호가 출력되면, 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
공진 컨버터는 주파수 증가에 따라 유도성 모드로 전환되며, 제1 및 제 2 스위치가 영전압 스위칭을 수행할 수 있다.
제1 및 제2 스위치의 교번 구동 시 데드 타임이 존재하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명 실시예에 따른 공진 컨버터는, 가변 주파수에 따라 제1 및 제2 스위치를 교번으로 구동시켜 구형파를 생성하는 구형파 생성부와; 구형파에 대응하는 공진파를 생성하는 공진부와; 공진파에 대응하는 전압을 출력하는 정류부와; 공진 컨버터의 주파수 변조를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는 공진 컨버터가 용량성 모드로 진입하는 것이 감지되면, 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 가변 스위칭부를 포함할 수 있다.
가변 스위칭부는, 제1 스위치의 입력 전류와 제2 스위치의 게이트 전압을 입력받는 앤드 게이트와, 앤드 게이트의 연산 결과에 따라 용량성 모드에 대응하는 하이(High) 신호를 출력하는 카운터를 포함할 수 있다.
카운터는, 앤드 게이트로부터의 하이(High) 출력의 횟수를 카운트하고, 카운트된 횟수가 기설정된 횟수에 도달하면, 하이(High) 신호를 출력할 수 있다.
앤드 게이트는 제1 스위치의 역전류 발생 구간에 대응하여 하이(High)를 출력할 수 있다.
제1 스위치의 입력전류는 음 구간이 제거된 반파 신호로 앤드 게이트에 입력될 수 있다.
제어부는, 카운터로부터 하이 신호가 출력되면, 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 오실레이터를 더 포함할 수 있다.
공진 컨버터는 주파수 증가에 따라 유도성 모드로 전환되며, 제1 및 제 2 스위치가 영전압 스위칭을 수행할 수 있다.
제어부는, 제1 및 제2 스위치의 교번 구동 시 데드 타임이 존재하도록 제어하는 데드타임 생성부를 더 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 LLC 공진 컨버터의 구성을 도시한 도면이며,
도 2는 도 1의 LLC 공진 컨버터의 구형파 발생부가 하프-브리지로 구현된 경우를 도시한 도면이며,
도 3은 도 2의 LLC 공진 컨버터의 동작파형을 도시한 도면이며,
도 4와 도 5는 도 2의 LLC 공진 컨버터의 정상 상태와 과부화 상태에서의 동작에 따른 파형의 변화를 각각 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 전자기기의 구성을 도시한 블록도이며,
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 전원공급장치를 도시한 회로도이며,
도 8은 도 7의 공진 컨버터의 주파수 변조를 제어하는 제어부를 도시한 회로도이며,
도 9와 도 10은 도 7 및 도 8의 공진 컨버터의 정상 상태와 과부화 상태에서의 동작에 따른 파형의 변화를 각각 도시한 도면이며,
도 11은 본 발명 일실시예에 의한 전원공급장치의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 전자기기(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
전자기기(1)는 TV, 모니터 등의 디스플레이장치, MP3 플레이어, 휴대폰 등의 휴대용 단말장치, 데스크탑, 랩탑 등의 컴퓨터 등으로 구현될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전자기기(1)는 시스템부(20)에 전원을 공급하는 전원공급부(100)와, 동작을 수행하는 부하로서 시스템부(20)를 포함할 수 있다.
시스템부(20)는 전자기기(1)의 동작을 수행한다. 예를 들어, 전자기기(1)가 디스플레이장치인 경우, 시스템부(20)는 외부의 영상공급원으로부터 제공되는 영상신호를 기 설정된 영상처리 프로세스에 따라서 처리하여 영상으로 표시하며, 영상신호를 처리하는 영상처리부, 영상신호를 영상으로 표시하는 디스플레이, 외부와 통신을 수행하는 통신부, 각종 데이터가 저장되는 저장부 및 디스플레이장치를 제어하는 제어부(CPU) 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 시스템부(20)가 영상을 표시하는 디스플레이인 경우를 예로 들어 설명하며, 후술하는 도 7은 시스템부(20)가 PDP 방식의 디스플레이로 구현된 경우를 도시한 것이다. 그러나, 본 발명에서 디스플레이의 구현 방식은 도 7에 한정되지 않으며, 예컨대 액정(liquid crystal, LCD), 플라즈마(plasma, PDP), 발광 다이오드(light-emitting diode), 유기발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 면전도 전자총(surface-conduction electron-emitter), 탄소 나노 튜브(carbon nano-tube), 나노 크리스탈(nano-crystal) 등의 다양한 디스플레이 방식으로 구현될 수 있다.
전원공급장치(10)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)로 구현되어 시스템부(20)에 동작전원을 공급하며, 디스플레이 측으로 즉, 메인 전원을 공급하는 공진 컨버터(100)를 포함한다. 공진 컨버터(100)는 직류(DC)인 입력전압의 레벨이 변환된 출력전압을 시스템부(20)의 동작전원으로서 출력한다. 도 6에는 도시되지 않았지만 전원공급장치(10)는 시스템부(20)에 동작전원을 공급하는 구성으로서, 플라이백 컨버터(Flyback Converter), PFC(Power Factor Corrector) 컨버터를 더 포함할 수 있다.
제어부(200)는 공진 컨버터(100)로부터 동작 상태를 나타내는 신호를 피드백 받아, 부하의 상태에 따라 공진 컨버터(100)의 주파수 변조를 제어한다. 제어부(200)는 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation, PFM)를 수행하는 PFM IC로 구현될 수 있다.
도 6 및 후술하는 도 7 및 도 8의 실시예에서는 제어부(200)가 공진 컨버터(100)와 별도의 구성으로 구현된 경우를 예로 들어 도시하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제어부(200)가 공진 컨버터(100) 내의 구성, 예를 들어, 구형파 생성부(110)의 일부 구성으로 포함되는 경우도 본 발명에 포함될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 전원공급장치(10)를 도시한 회로도이며, 도 8은 도 7의 공진 컨버터(100)의 주파수 변조를 제어하는 제어부(200)를 도시한 회로도이며, 도 9와 도 10은 도 7 및 도 8의 공진 컨버터(100)의 정상 상태와 과부화 상태에서의 동작에 따른 파형의 변화를 각각 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 의한 공진 컨버터(100)는 LLC 공진형 컨버터 또는 LC 공진형 컨버터로서 구현되며, 입력전압(Vin)을 공급 받아, 입력전압(Vin)의 레벨이 변환된 출력전압(Vout)을 시스템부(20)의 동작전원으로서 출력한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 공진 컨버터(100)는 구형파 발생부(110), 공진부(130) 및 정류부(150)를 포함한다.
구형파 발생부(110)는 하프-브리지(Half-Bridge) 또는 풀-브리지(Full-Bridge) 형태로 구현될 수 있으며, 제어부(200)의 제어에 따라 가변되는 주파수에 기초하여 제1 스위치 Q1과 제2 스위치 Q2가 50%의 시비율로 교번으로 도통(온, ON)/차단(오프, OFF)된다. 구형파 발생부(110)는 제1 및 제2 스위치 Q1, Q2의 온/오프에 대응하는 구형파를 생성한다. 제1 및 제2 스위치 Q1과 Q2는 교번 동작 시 작은, 예를 들어, 수백 ns, 데드 타임(Dead Time)이 존재하여, Q1, Q2가 동시에 턴온 상태가 되지 않도록 함으로써, 암 쇼트(Arm Short)없이 연속동작을 이행하도록 한다. 데드 타임은 Q1, Q2를 모두 턴 오프 상태로 유지하는 기간으로서, 제어부(200)의 데드 타임 생성부(Dead Time Generator)(210)에 의해 제어될 수 있다.
공진부(130)는 구형파 생성부(110)에서 생성된 구형파에 대응하는 공진 파를 생성하며, 커패시터(Cr), 누설 인덕턴스(Lr), 트랜스포머(L1, L2), 자화 인덕턴스(Lm)를 포함한다. 공진부(130)는 Lr 과 Cr 사이의 공진에 의해 결정되는 공진 주파수에 의해 동작하며, 구형파 생성부(110)에서 생성되는 구형파를 공진시켜 생성되는 공진 전류 중 일부를 트랜스포머(L1, L2)에 의해 정류부(150)로 전달한다. 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance)(Lm)는 누설인덕턴스(Lr)로 흐르는 전류(Ip) 중 트랜스포머의 1차 코일(L1)을 통해 트랜스포머의 2차 코일(L2)로 유도되는 전류를 제외한 나머지 전류(Ip - IL1 = Im)를 커패시터(Cr)로 흐르게 하는 전류 경로를 제공하는 션트 인덕터(Shunt Inductor)로 동작한다. 즉, 인덕터(Lm)는 출력단 부하가 변하더라도 공진형 컨버터의 전압 이득이 일정하게 유지되도록 하여 부하 변동에 무관하게 거의 일정한 주파수로 출력 전압(Vout)을 제어할 수 있도록 하는 역할을 한다.
인덕터(Lr)는 일단이 제1 스위치(Q1)의 일단에 연결되고, 트랜스포머의 1차 코일의 일단은 인덕터(Lr)의 타단에 연결된다. 커패시터(Cr)의 일단은 트랜스포머의 1차 코일(L1)의 타단에 연결되고, 타단은 스위치(Q1)과 스위치(Q2)의 접점에 연결된다. 그리고, 인덕터(Lm)는 트랜스포머의 1차 코일(L1)에 전류가 흐름에 따라 트랜스포머의 1차 코일(L1)의 양단에 형성된다.
정류부(150)는 정류다이오드(D1, D2, D3, D4)와 커패시터(C1)을 포함하며, 공진부(130)의 트랜스포머 2차측으로부터 인가된 교류(AC) 전류를 정류하여 직류(DC) 전압을 생성한다. 생성된 DC 전압은 시스템부(20)에 동작전원으로 공급된다. 정류부(150)의 구조는 도 7에 한정되지 않으며, 풀-브리지(Full-Bridge) 다이오드 또는 센터-탭(Center-tap) 구조와 커패시터의 조합 등의 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 제어부(200)는 데드 타임 생성부(210), 오실레이터(Oscillator)(220), 게이트 신호 생성부(Gate Signal Generator)(230), 부하 감지부(Light Load Detector)(240) 및 가변 스위칭부(Variable Switching Circuit 또는 Variable Switching Frequency Circuit)(250)를 포함한다.
데드 타임 생성부(210)는 구형파 발생부(110)의 스위치 Q1, Q2의 교번 스위칭 동작 시 데드 타임이 존재하도록 제어하여, Q1, Q2에서 ZVS이 수행되도록 한다.
오실레이터(220)는 공진 컨버터(100)의 주파수 변조를 제어하여, 제1 및 제2 스위치 Q1, Q2가 교번하여 온/오프 구동되도록 제어한다. 본 실시예에서는 오실레이터(220)가 제1 및 제2 스위치 Q1, Q2의 온/오프 주파수인 펄스 주파수를 변조(Pulse Frequency Modulation)하여, 공진 컨버터(100)를 통해 부하측으로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지될 수 있다. 제어부(200)는 기설정된 최대 및 최소 주파수를 가지며, 최대 주파수는 예를 들어 350kHz로 설정될 수 있다. 본 실시예의 오실레이터(220)는 도 7과 같이 RT 단자(2), OC 단자(3), SS 단자(4)를 통해 공진 컨버터(100)의 부하측 전원을 피드백 받게 된다. 예를 들어, SS 단자(4)에 연결된 포토 트랜지스터(PT)는 포토 다이오드(PD)를 통해 부하측 전류를 전달받아 구동되며, 이는 오실레이터(220)에 Vss로서 피드백된다.
게이트 신호 생성부(230)는 데드 타임 생성부(210) 및 오실레이터(220)로부터 제어신호를 수신하여, 제어부(200)의 출력신호인 게이트 신호를 생성한다. 생성된 게이트 신호는 공진 컨버터(100)에 공급되어 주파수 변조가 제어된다.
부하 감지부(250)는 RT 단자(2)를 통해 부하 측으로부터 공급된 피드백(Feedback) 신호를 인가받아 생성된 피드백 전류 IFB를 수신하여, 부하 감지 신호를 오실레이터(220)로 전달한다.
본 발명 실시예의 전원공급장치(10)의 제어부(200)는 공진 컨버터(100)가 용량성 모드로 진입하는 것이 감지되면, 공진 컨버터(100)의 동작 주파수를 가변 즉, 증가시키는 가변 스위칭부(250)를 더 포함한다.
가변 스위칭부(250)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 스위치인 하이 사이드 스위치(High Side Switch) Q1의 입력 전류 Ids1과 제2 스위치인 로 사이드 스위치(Low Side Switch)의 게이트 전압 Vgs2를 입력받아 앤드(AND) 연산하고 그 결과를 출력하는 앤드 게이트(Logic AND gate)(251)와, 앤드 게이트의 하이(High) 출력의 횟수를 카운트하여 하이(High) 또는 로(low) 신호를 출력하는 카운터(Counter Logic Circuit)(253)를 포함한다.
Q1의 입력 전류 Ids1은 도 7과 같이 제어부(200)의 OC 단자(3)를 통해 피드백되어 앤드 게이트(210)로 전달된다. 여기서, 앤드 게이트(210)의 입력되는 Ids1는, 도 9 및 도 10의 AND gate input (b)과 같이, OC 단자(3)로 피드백된 전류가 다이오드 D5에 의해 음(-) 구간이 제거된 반파(Half Wave) 신호로 감지(Half Wave Sensing)될 수 있다. 또한, 앤드 게이트로 입력되는 Vgs2는 제1 및 제2 스위치 Q1, Q2의 온(ON)/오프(OFF)에 따라, 도 9 및 도 10의 AND gate input (a)과 같이 Q2의 온 구간에 대응하여 입력된다.
한편, 도 7 내지 도 10에서는 앤드 게이트(251)가 제1 스위치 Q1의 입력전류 Ids1과 제2 스위치 Q2의 게이트 전압 Vgs2를 입력받는 경우를 예로 들어 도시하고 있지만, 본 발명은 앤드 게이트(251)가 LC 공진 컨버터(100)의 어느 하나의 스위치의 입력 전류와 다른 하나의 스위치의 게이트 전압 입력을 입력받는 경우를 모두 포함한다. 즉, 앤드 게이트(251)는 제2 스위치 Q2의 입력전류 Ids2와 제2 스위치 Q1의 게이트 전압 Vgs1을 입력받도록 구현 가능하다.
카운터(253)는 앤드 게이트(251)의 하이 출력의 횟수를 카운트하고, 카운트된 횟수가 기설정된 횟수(예를 들어, 2회)에 도달하면, 카운터(253)의 최종 출력을 하이로 결정하여, 하이 신호를 출력한다. 카운트된 횟수가 기설정된 횟수 미만인 경우, 카운터(253)의 출력은 로(Low)를 유지한다.
본 실시예에서는 카운터(253)가 일시적으로 오동작하는 경우를 고려하여 앤드 게이트(251)로부터 2회의 하이 출력을 감지하면, 카운터(253)의 출력신호가 하이가 되는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 그 횟수는 3회, 4회, 5회 등과 같이 다양하게 설정될 수 있다.
카운터(253)의 출력은 오실레이터(220)로 전달되며, 오실레이터(220)는 카운터(253)로부터 하이 출력이 입력되면, 공진 카운터(100)의 동작 주파수를 가변 즉, 증가시킨다.
이하, 정상 상태와 과부하 상태에서의 가변 스위칭부(250)의 동작에 관해 도 9 및 도 10을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 정상 상태(Inductive Mode)에서는 도 4와 마찬가지로, 자화전류 Im에 의해 전류 Ir이 전압 Vds2보다 지연된다. 따라서, 앤드 게이트(251)의 입력(AND gate input)(a) Vgs2와 입력(AND gate input)(b) Ids1 가 동시에 온 되는 구간이 존재하지 않게 되므로, 앤드 게이트(251) 의 출력(AND gate output) (c)이 모두 로(Low)가 된다. 따라서, 카운터(253)의 출력도 로(Low)를 유지하며, 영전압에서 턴-온되는 소프트 스위칭(Soft Switching) 즉, 정상적인 ZVS 영역으로서 동작이 수행된다.
반면, 과부화 상태(Capacitive Mode)에서는 도 10에 도시된 바와 같이, 전류 Ir이 전압 Vds2를 앞지르게 되므로, 가변 스위칭부(250)의 앤드 게이트(251) 입력 (a)인 Q2의 게이트 신호 Vgs2와 입력(b)인 Q1의 전류 센싱값에서 MOSFET Q1의 바디 다이오드(Body Diode)의 역전류(Reverse Recovery Current)가 발생하는 구간이 존재한다. 이에, 공진 컨버터(100)의 하드 스위칭(Hard Switching)으로 인해 ZVS이 이루어지지 않게 되며, 높은 스위칭 손실(Loss)이 발생하게 된다.
따라서, 이 역전류 발생 구간에서 앤드 게이트(251)의 입력(AND gate input)(a) Vgs2와 입력(AND gate input)(b) Ids1 가 동시에 온(ON)이 되고, 이 구간에서 앤드 게이트(251)의 출력(AND gate output)(c)은 하이(High) 신호로 출력된다.
카운터(253)은 앤드 게이트(251)의 출력신호 (c)의 하이(High) 신호의 횟수를 인식하고, 기설정된 횟수(예를 들어, 2회)에 도달하면, 카운터(253)의 로직 출력(d)으로서 하이(High) 신호를 출력한다.
카운터(253)에서 출력된 하이(High) 신호는, 제어부(200)의 오실레이터(220)로 입력되고, 이에 공진 컨버터(100)의 게이트 신호의 주파수를 결정하는 오실레이터(220)의 동작에 의해 주파수가 점진적으로 증가된다. 가변 스위칭부(250)는 주파수 증가에 따른 신호를 계속적으로 피드백 받아 용량성 모드로 동작하던 공진 컨버터는 정상 상태인 유도성 모드로 전환되며, 이에 따라 정상적인 ZVS 동작영역으로 진입한다.
이하, 본 실시예에 따른 전원공급장치(10)의 펄스 주파수 변조(PFM) 제어과정에 관해 도면을 참조하여 설명한다.
도 11은 본 발명 일실시예에 의한 전원공급장치(10)의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자기기(1)의 전원공급장치(10)의 제어부(200)는 공진 컨버터(100)의 동작을 모니터링한다(S302). 여기서, 제어부(200)는 가변 스위칭부(250)의 앤드 게이트(251)로 입력되는 Ids1와 Vgs2를 이용하여 공진 컨버터(100)가 용랑성 모드로 진입하는지 여부를 모니터링 할 수 있다.
제어부(200)는 단계 S302의 모니터링 결과, 공진 컨버터(100)가 용량성 모드로 진입하는 것을 감지할 수 있다(S304). 구체적으로, 앤드 게이트(251)의 출력이 하이(High)가 되는 구간이 발생하고, 카운터(253)에서 카운트된 하이 구간의 발생 횟수가 기설정된 횟수에 도달하면, 카운터(253)에서 로직 출력으로 하이 신호를 출력하여 용량성 모드로의 진입이 감지된다.
단계 S304에서, 용량성 모드로의 진입이 감지되면, 오실레이터(220)의 제어에 따라 공진 컨버터(100)의 동작 주파수가 가변, 즉 증가된다(S306). 여기서, 제어부(200)는 주파수 증가에 따라 가변되는 Ids1와 Vgs2를 계속적으로 피드백 받아 모니터링하여, 주파수 변조를 제어할 수 있다.
단계 S306에서 동작 주파수가 증가되면 공진 컨버터(100)가 유도성 모드로 전환된다(S308). 제어부(200)는 공진 컨버터(100)가 정상 상태인 유도성 영역으로 진입하는 것이 감지될 때까지 동작 주파수를 증가시킬 수 있다. 또한, 제어부(200)는 유도성 모드로 전환된 이후에도 지속적으로 단계 S302의 모니터링을 수행하고, 그 결과에 따라 단계 S304 내지 S30의 펄스 주파수 변조(PWM) 제어를 수행하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 전원공급장치(10)는 LLC 공진 컨버터(100)가 과부하 조건인 용량성 모드로 동작하는 것이 감지되면, 동작 주파수를 증가시켜 유도성 모드로 전환하고 ZVS 동작을 수행하도록 함으로써, 스위칭 효율을 높이고 회로 안정성을 확보할 수 있게 된다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
1 : 전자기기 10 : 전원공급장치
100 : 공진 컨버터 110 : 구형파 발생부
120 : 공진부 130 : 정류부
200 : 제어부 210 : 데드 타임 생성부
220 : 오실레이터 230 : 게이트 신호 생성부
240 : 부하 감지부 250 : 가변 스위칭부
251 : 앤드 게이트 252 : 카운터
20 : 시스템부

Claims (24)

  1. 전원공급장치에 있어서,
    가변 주파수에 따라 제1 및 제2 스위치를 교번으로 구동시켜 구형파를 생성하는 구형파 생성부와, 상기 구형파에 대응하는 공진파를 생성하는 공진부와, 상기 공진파에 대응하는 전압을 출력하는 정류부를 포함하는 공진 컨버터와;
    상기 공진 컨버터의 주파수 변조를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 공진 컨버터가 용량성 모드로 진입하는 것이 감지되면, 상기 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 가변 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 스위칭부는, 상기 제1 스위치의 입력 전류와 상기 제2 스위치의 게이트 전압을 입력받는 앤드 게이트와, 상기 앤드 게이트의 연산 결과에 따라 상기 용량성 모드에 대응하는 하이(High) 신호를 출력하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 카운터는, 상기 앤드 게이트로부터의 하이(High) 출력의 횟수를 카운트하고, 상기 카운트된 횟수가 기설정된 횟수에 도달하면, 상기 하이 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 앤드 게이트는 상기 제1 스위치의 역전류 발생 구간에 대응하여 하이를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 입력전류는 음 구간이 제거된 반파 신호로 상기 앤드 게이트에 입력되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 카운터로부터 하이 신호가 출력되면, 상기 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 컨버터는 상기 주파수 증가에 따라 유도성 모드로 전환되며, 상기 제1 및 제 2 스위치가 영전압 스위칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 스위치의 교번 구동 시 데드 타임이 존재하도록 제어하는 데드타임 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  9. 전원공급장치의 제어방법에 있어서,
    가변 주파수에 따라 제1 및 제2 스위치를 교번으로 구동시켜 구형파를 생성하는 구형파 생성부와, 상기 구형파에 대응하는 공진파를 생성하는 공진부와, 상기 공진파에 대응하는 전압을 출력하는 정류부를 포함하는 공진 컨버터가 용량성 모드로 진입하는 것을 감지하는 단계와;
    상기 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 용량성 모드로 진입하는 것을 감지하는 단계는,
    상기 제1 스위치의 입력 전류와 상기 제2 스위치의 게이트 전압을 입력받는 단계와;
    상기 제1 스위치의 입력 전류 및 상기 제2 스위치의 게이트 전압을 앤드 연산하는 단계와;
    상기 연산 결과에 따라 상기 용량성 모드에 대응하는 하이(High) 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 앤드 연산하는 단계는,
    상기 제1 스위치의 역전류 발생 구간에 대응하여 하이(High)를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하이 신호를 출력하는 단계는,
    상기 앤드 연산하는 단계의 하이 출력의 횟수를 카운트하는 단계를 포함하며,
    상기 카운트된 횟수가 기설정된 횟수에 도달하면, 상기 하이 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 입력전류는 음 구간이 제거된 반파 신호로 상기 앤드 게이트에 입력되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 주파수를 증가시키는 단계는, 상기 하이 신호가 출력되면, 상기 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 컨버터는 상기 주파수 증가에 따라 유도성 모드로 전환되며, 상기 제1 및 제 2 스위치가 영전압 스위칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  16. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치의 교번 구동 시 데드 타임이 존재하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
  17. 공진 컨버터에 있어서,
    가변 주파수에 따라 제1 및 제2 스위치를 교번으로 구동시켜 구형파를 생성하는 구형파 생성부와;
    상기 구형파에 대응하는 공진파를 생성하는 공진부와;
    상기 공진파에 대응하는 전압을 출력하는 정류부와;
    상기 공진 컨버터의 주파수 변조를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 공진 컨버터가 용량성 모드로 진입하는 것이 감지되면, 상기 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 가변 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가변 스위칭부는,
    상기 제1 스위치의 입력 전류와 상기 제2 스위치의 게이트 전압을 입력받는 앤드 게이트와, 상기 앤드 게이트의 연산 결과에 따라 상기 용량성 모드에 대응하는 하이(High) 신호를 출력하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 카운터는, 상기 앤드 게이트로부터의 하이(High) 출력의 횟수를 카운트하고, 상기 카운트된 횟수가 기설정된 횟수에 도달하면, 상기 하이 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 앤드 게이트는 상기 제1 스위치의 역전류 발생 구간에 대응하여 하이를 출력하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 입력전류는 음 구간이 제거된 반파 신호로 상기 앤드 게이트에 입력되는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 카운터로부터 하이 신호가 출력되면, 상기 공진 컨버터의 주파수를 증가시키는 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 컨버터는 상기 주파수 증가에 따라 유도성 모드로 전환되며, 상기 제1 및 제 2 스위치가 영전압 스위칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
  24. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 스위치의 교번 구동 시 데드 타임이 존재하도록 제어하는 데드타임 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.
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