KR20150052446A

KR20150052446A - 전원장치용 보호회로

Info

Publication number: KR20150052446A
Application number: KR1020130133697A
Authority: KR
Inventors: 박진표; 나원산; 유수엽; 이배근
Original assignee: 주식회사 아모센스
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-14
Also published as: WO2015068998A1

Abstract

본 발명은 교류 전원 입력단을 통해 SMPS 전원부에 서지전압 또는 서지 전류 등이 인가된 경우 이를 효과적으로 방전시켜 서지로부터 전원장치를 보호하는 전원장치용 보호회로에 관한 것이다.
본 발명은 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단 및 뉴트럴(Neutral)단과 접지(FG) 사이에 각각 병렬접속되어 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 제1작동전압 이상일 때 제1 및 제2 바이패스 경로를 형성함과 동시에 출력전압을 제2작동전압으로 클램프하는 제1 및 제2 서지보호기와, 상기 라이브단과 뉴트럴단 사이에 병렬접속되어 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 제1작동전압 이상일 때 제3 바이패스 경로를 형성하는 제3서지보호기를 구비하는 서지 보호부; 및 상기 서지 보호부의 후단에 접속되며, 코먼 모드 쵸크(CMC)의 전단 및 후단에 각각 X-캡(X-cap)을 구비하고, 라이브단 및 뉴트럴단과 접지 사이에 각각 Y-캡(Y-cap)을 구비한 EMI 필터부를 포함한다.

Description

전원장치용 보호회로{Protection Circuit for Power Supply}

본 발명은 교류 전원 입력단을 통해 SMPS 전원부에 서지 전압 또는 서지 전류 등이 인가된 경우 이를 효과적으로 방전시켜 서지로부터 SMPS 전원부를 보호하는 전원장치용 보호회로에 관한 것이다.

야외에 설치되는 LED 가로등, 중계기, 실내에서 사용되는 각종 디스플레이 제품, PC 등의 전기 또는 전자 제품은 동작에 필요한 전원을 안정적으로 공급하는 전원장치가 필수적으로 채택된다.

상기 전기 또는 전자 제품에 채택된 전원장치는 교류(AC) 전원을 사전에 설정된 직류(DC) 전원으로 변환하여 제품 내부의 각 회로에 공급하게 되는데, 이때 교류 전원 입력단으로 낙뢰 또는 전력 계통의 개폐 등으로 인한 서지(Surge) 전압 또는 서지 전류가 입력되어 제품 내부의 전자 부품의 파손, 전기 전자 장비의 치명적인 손상, 프로그램의 오동작 등을 야기하는 심각한 문제점이 발생할 수 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 전원장치에 입력되는 서지를 차단하여 내부 부품, 예를 들어 전원장치를 보호하는 서지 보호회로에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라, 대부분의 전원장치에는 교류 전원 입력단에 서지흡수소자(Surge Absorber)를 장착하여 서지 발생시 회로를 보호하는 보호 회로를 구성하였으나, 서지흡수소자는 타 수동 소자에 비하여 가격이 고가여서 제조원가를 상승시키는 문제점이 있다.

한편, 스위칭모드 전원공급장치(SMPS)는 입력되는 교류전압을 직류전압으로 정류하고, 정류된 직류전압을 다른 레벨을 갖는 직류 출력전압으로 변환하는 장치이다. 이때, 직류 출력전압은 입력 직류전압보다 크거나 또는 작은 크기를 갖는다.

유사 공진형 스위칭 방식의 SMPS는 유사 공진형 컨버터를 포함하는 데, 유사 공진형 컨버터는 메인 스위치 역할을 수행하는 스위칭 트랜지스터의 드레인 전압값이 최소일 때, 턴온되므로, 스위칭 손실이 감소한다. 유사 공진형 컨버터에서, 입력 직류전압의 리플(ripple)에 의한 스위칭 주파수의 변화로 유사 공진형 컨버터의 EMI(Electromagnetic Interference) 스펙트럼(spectrum)은 분산된 형태를 보인다. 그러나, 입력 교류전압 값이 증가하면, 입력 직류전압 리플이 감소한다. 입력 직류전압 리플이 감소하면, 스위칭 주파수의 변조 범위가 감소하고, EMI는 증가한다.

일반적으로 EMI는 같은 전원을 사용하는 다른 장치에 노이즈를 발생시킨다. EMI를 방지하기 위해서 각종 EMI 규제가 있다. 각종 EMI 규제 중 일례로, 각 주파수를 중심으로 일정한 대역폭에서의 EMI 평균값을 상한선으로 책정한 규제 및 EMI의 평균값을 상한선으로 책정한 규제가 있다. 일반적으로, SMPS는 이 규제를 만족하기 위해서 EMI 필터가 추가되거나, 외부적인 장치를 추가해야 한다.

한국 공개특허공보 제10-2008-97861호에는 제품 사용시 AC 전원 입력단을 통해 제품에 서지전압 또는 서지 전류 등이 인가된 경우 이를 효과적으로 방전시켜 서지로부터 제품을 보호하고 제조 단가가 저렴한 서지보호회로를 구비한 전원장치가 제안되어 있다.

상기 전원장치는 교류 전원을 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하는 전원장치에 있어서, 상기 교류 전원의 입력단에 전기적으로 병렬 연결되어 상기 교류 전원의 전압 레벨이 사전에 설정된 전압 레벨 이상이면 상기 교류 전원을 바이 패스하는 바이 패스부와, 상기 바이 패스부의 바이패스단과 접지 사이에 전기적으로 직렬 연결되어 상기 바이 패스단으로부터의 교류 전원을 방전하는 방전부를 포함하여, 교류전원 입력단을 통해 서지 전원이 인가되는 경우 서지 전원을 바이패스한 후 방전시켜 전원회로를 보호하고 있다.

상기 전원장치는 바이 패스부가 상기 교류 전원 입력단 중 라이브단과 병렬 연결된 제1 바리스터 및 상기 교류 전원 입력단 중 뉴트럴단과 병렬 연결된 제2 바리스터를 포함하고, 방전부는 일단이 제1 바리스터에 연결되고 타단이 상기 접지에 연결되어 상기 교류 전원을 아크 방전하는 제1 방전기 및 일단에 제2 바리스터에 연결되고 타단이 상기 접지에 연결되어 상기 교류 전원을 아크 방전하는 제2 방전기를 포함하고 있다.

따라서, 상기 한국 공개특허공보 제10-2008-97861호는 직렬 접속된 바리스터 및 방전기가 교류전원의 라이브단과 뉴트럴단으로부터 각각 접지 사이에 삽입되어 있어, 교류전원의 라이브단과 뉴트럴단 사이에 단락이 발생하는 경우의 문제점을 해결하지 못하고 있다.

또한, 한국 등록특허공보 제10-1171228호에는 가스방전관(GDT, Gas Discharge Tube), 바리스터(MOV, Metal Oxide Varistor) 등의 서지보호소자 및 각종 분압회로를 교류전원의 입력단 사이에 조합하여, 서지를 방류하며 속류를 차단하여 지락고장을 억제하고, 누설전류를 최소화하며 국제규격에 부합하는 잔류전류 특성을 갖는 전원용 방호장치를 제안하고 있다.

상기 고고도 전자기 펄스(HEMP) 대책용 전원선로 방호장치는 이를 위해 임펄스 전압이 입력되는 교류 입력단 사이에 각각 저항과 커패시터 쌍으로 이루어진 분압회로를 구성하고, 상기 교류 전원 입력단 중 라이브단과 분압회로 접속점 사이 및 교류 전원 입력단 중 뉴트럴단과 분압회로 접속점 사이에 각각 직렬 접속된 가스방전관과 바리스터가 각각 병렬 접속되고, 상기 분압회로 접속점과 접지 사이에 병렬 접속된 가스방전관과 저항이 연결된 회로를 제안하고 있다.

그러나, 상기 한국 등록특허공보 제10-1171228호는 다수의 저항 및 커패시터가 추가되어야 하므로 비용이 증가하는 문제가 있다.

한편, 상기 SMPS는 전원스위칭 펄스신호의 주파수를 주기적으로 가변시킬 때, 트랜스포머의 1차 코일에 커플링된 스위칭 트랜지스터의 온/오프 동작 특히, 오프(Off) 동작시에 1차 코일로부터 발생되는 고주파 서지(Surge) 전압에 의해 EMI 노이즈가 발생되어 교류 입력전원을 통하여 다른 전자기기에 오동작을 유발하게 된다.

이러한 EMI 대책을 위해 종래에는 단지 CMC(common mode choke)와 EMI 필터회로를 교류전원 입력단과 SMPS 전원부 사이에 구비하였으나, 라인-투-라인 사이의 노말 모드 노이즈(normal mode noise) 및 라인과 접지 사이의 코먼 모드 노이즈(common mode noise)에 대한 대책이 이루어지지 못하는 문제가 있다.

특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제10-2008-97861호 특허문헌 2: 한국 등록특허공보 제10-1171228호

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 교류 전원 입력단을 통해 낙뢰 등의 서지가 인가된 경우 이를 효과적으로 방전시켜 서지로부터 SMPS 전원부를 보호하는 전원장치용 보호회로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 SMPS 전원부의 스위칭 노이즈에 의해 발생되는 EMI 전자파를 감쇄시킬 수 있는 전원장치용 보호회로를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 입력되는 교류 전원이 서지를 포함하여 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 전압 이상일 때 후단에 접속되는 SMPS 전원부를 보호하는 서지 보호부; 및 상기 SMPS 전원부로부터 발생되어 교류전원 입력단으로 유출되는 스위칭 노이즈를 억제하는 EMI 필터부를 포함하는 전원장치용 보호회로로서, 상기 서지 보호부는 상기 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단 및 뉴트럴(Neutral)단과 접지(FG) 사이에 각각 병렬접속되어 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 제1작동전압 이상일 때 라이브단 및 뉴트럴단으로부터 각각 접지(FG) 사이에 제1 및 제2 바이패스 경로를 형성함과 동시에 출력전압을 제2작동전압으로 클램프하는 제1 및 제2 서지보호기; 및 상기 라이브단과 뉴트럴단 사이에 병렬접속되어 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 제1작동전압 이상일 때 라이브단과 뉴트럴단 중 어느 하나로부터 다른 입력으로 제3 바이패스 경로를 형성함과 동시에 출력전압을 제2작동전압으로 클램프하는 제3서지보호기를 포함하는 전원장치용 보호회로를 제공한다.

상기 EMI 필터부는 상기 서지 보호부의 후단에 접속되어 라이브단과 뉴트럴단으로 들어오는 동일한 위상의 노이즈를 제거하는 코먼 모드 쵸크(CMC); 상기 코먼 모드 쵸크(CMC)의 전단 및 후단에 각각 라이브단과 뉴트럴단 사이에 제1 및 제2 커패시터가 병렬 접속되어 구성되며 노말 모드 노이즈(normal mode noise)를 제거하는 X-캡(X-cap); 및 상기 라이브단 및 뉴트럴단과 접지 사이에 각각 제3 및 제4 커패시터가 병렬 접속되어 구성되며 상기 스위칭 노이즈가 외부로 유출되는 코먼 모드 노이즈(common mode noise)를 제거하는 Y-캡(Y-cap)을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1 내지 제3 서지보호기는 각각 직렬 접속된 가스방전관과 바리스터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1작동전압은 상기 가스방전관의 작동전압이고, 상기 제2작동전압은 상기 바리스터의 작동전압이며, 상기 제1작동전압이 제2작동전압 보다 더 크게 설정되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 낙뢰 등의 서지로부터 전원장치를 보호함과 동시에 SMPS 전원부의 스위칭 노이즈가 외부로 유출되는 것을 억제시킬 수 있다.

특히, 본 발명에서는 각각 직렬 접속된 가스방전관과 바리스터를, 교류 전원 입력단 중 라이브단과 접지 사이, 교류 전원 입력단 중 뉴트럴단과 접지 사이 및 교류 전원 입력단 중 라이브단과 뉴트럴단 사이에, 각각 병렬 접속시킴에 의해 SMPS 전원부 단독으로 사용하는 경우와 비교하여 서지 내성을 2배 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 코먼 모드 쵸크(CMC)의 전단 및 후단에 각각 X-캡(X-cap)을 설치하고, 교류 전원 입력단 중 라이브단과 접지 사이, 교류 전원 입력단 중 뉴트럴단과 접지 사이에 각각 Y-캡(Y-cap)을 설치하여 코먼 모드 노이즈를 제거할 수 있어, 전자파 노이즈를 10 내지 20dB 감소시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 보호회로를 구비한 전원장치를 가로등 등에 장착할 경우 전파(통신, 라디오 및 케이블 TV 등) 방해를 감소시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 보호회로를 갖는 전원장치를 나타내는 개략 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 전원장치용 보호회로를 나타내는 상세 회로도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

이하, 본 발명에 따른 보호회로를 갖는 전원장치에 대하여 설명한다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 보호회로를 갖는 전원장치를 나타내는 개략 블록도, 도 2는 본 발명에 따른 전원장치용 보호회로를 나타내는 상세 회로도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 전원장치는 교류 전원 입력단에 연결된 서지 보호부(10)와, 서지 보호부(10)의 후단에 연결된 EMI 필터부(20)와, EMI 필터부(20)의 후단에 연결된 SMPS 전원부(30)를 포함한다.

상기 서지 보호부(10)는 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단(AC-L)과 접지(FG) 사이에 직렬 접속된 제1가스방전관(T1)과 제1바리스터(RV1)로 이루어진 제1서지보호기(11)가 병렬 접속되고, 교류 전원 입력단 중 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)과 접지(FG) 사이에 직렬 접속된 제2가스방전관(T2)과 제2바리스터(RV2)로 이루어진 제2서지보호기(13)가 병렬 접속되며, 및 교류 전원 입력단 중 라이브단과 뉴트럴단 사이에 직렬 접속된 제3가스방전관(T3)과 제3바리스터(RV3)로 이루어진 제3서지보호기(15)가 병렬 접속되어 있다.

상기 제1 내지 제3 서지보호기(11,13,15)를 각각 구성하는 제1가스방전관(T1)과 제1바리스터(RV1), 제2가스방전관(T2)과 제2바리스터(RV2) 및 제3가스방전관(T3)과 제3바리스터(RV3)는 직렬 접속되는 순서를 바꾸어도 동일하게 동작한다.

상기 제1 내지 제3 서지보호기(11,13,15)에 사용되는 제1 내지 제3 가스방전관(T1-T3)은 각각 서지 전압이 포함된 교류전원의 전압레벨이 미리 설정된 제1작동전압, 예를 들어, 600±20%V 이상이 인가될 때 아크 방전이 이루어지면서 서지 전류를 방전한다.

상기 제1 내지 제3 바리스터(RV1-RV3)는 정전압 다이오드 기능을 갖는 한쌍의 제너 다이오드를 역방향으로 마주보게 연결한 구조를 가지고 구성된다. 그 결과, 바리스터의 전류-전압 특성은 순방향과 역방향에서 거의 대칭이며, 극성이 없고 뛰어난 전류-전압 비직선성을 가지고 있다.

또한, 제1 내지 제3 바리스터(RV1-RV3)는 양단간에 인가되는 전압이 사전에 미리 설정된 바리스터 전압(이하 “제2작동전압”이라 함) 미만의 정상상태인 경우, 저항이 매우 높아서 거의 전류가 흐르지 않아 동작하지 않는다(즉, 오픈 서킷 상태).

그러나, 제1 내지 제3 바리스터(RV1-RV3)의 양단간에 인가되는 전압이 미리 설정된 제2작동전압을 초과하는 경우, 즉, 낙뢰 등에 의해 순간적으로 서지(surge)와 같은 이상전압이 인가되는 경우, 바리스터의 저항값이 급격하게 낮아지면서 서지 전류를 바이패스(by pass)시킨다. 그 결과, 제1 내지 제3 바리스터(RV1-RV3)의 후단에는 제2작동전압 이상으로 출력전압이 상승하는 것을 제한(clamping)한다.

따라서, 바리스터의 후단은 안전한 전압 레벨로 출력전압이 유지됨에 따라 집적회로(IC) 등의 능동소자를 포함하는 SMPS 전원부(30)를 보호할 수 있게 된다.

본 발명에서는 제2작동전압으로 예를 들어, 560V인 바리스터를 사용하면, 교류 전원 입력단으로부터 교류전원의 전압 레벨이 서지를 포함함에 따라 순간적으로 높은 이상전압이 인가될지라도 출력전압의 최대값 및 최소값을 560V 및 (-)560V로 제한하면서 전압 상승 및 하강을 저지한다.

한편, 상기 제1 내지 제3 서지보호기(11,13,15)는 각각 가스방전관과 바리스터가 직렬 접속되어 구성되므로, 서지 전압이 포함된 교류전원의 전압레벨이 제1작동전압인 600V 이상이 인가될 때 우선 제1 내지 제3 가스방전관(T1-T3)에서 아크 방전이 이루어지면서 서지 전류를 방전하여 출력전압을 낮추며, 그 후 제1 내지 제3 바리스터(RV1-RV3)는 출력전압의 최대값을 제2작동전압인 560V로 제한하면서 전압 상승을 저지한다.

또한, 출력전압이 제2작동전압인 560V 미만으로 떨어지면, 제1 내지 제3 바리스터(RV1-RV3)는 저항값이 매우 높게 증가하면서 거의 전류가 흐르지 않아 동작이 정지된다. 그 결과 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단(AC-L)과 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 사이에는 정상상태의 교류 전원이 출력된다.

상기 EMI 필터부(20)는 코먼 모드 쵸크(CMC: Common Mode Choke)의 전단 및 후단에 각각 제1 및 제2 커패시터(C1,C2)가 설치되어 있고, 제1 및 제2 커패시터(C1,C2)는 X-캡(X-cap)을 구성한다.

제2커패시터(C2)의 후단에는 교류 전원 입력단 중 라이브단(AC-L)과 접지(FG) 사이에는 제3커패시터(C3)가 설치되고, 교류 전원 입력단 중 뉴트럴단(AC-N)과 접지(FG) 사이에 제4커패시터(C4)가 설치되어 있다. 상기 제3 및 제4 커패시터(C3,C4)는 Y-캡(Y-cap)을 구성한다.

상기 코먼 모드 쵸크(CMC)는 고주파의 서지 전압이 인가될 때 임피던스가 증가하면서 서지 전압이 후단으로 전달되지 않고 서지보호기에 인가되도록 하며, 넓은 주파수 범위에서 높은 임피던스를 가지고 우수한 노이즈 억제 기능을 가지며, 교류 전원 입력단의 라이브단(AC-L)과 뉴트럴단(AC-N)에 동일한 위상 노이즈가 들어올 때 서로 상쇄시켜서 제거하는 역할을 한다.

상기 X-캡(X-cap)(C1,C2)은 낙뢰 서지, 다른 전기/전자 기기의 고주파 노이즈, 펄스성 노이즈 등의 전도성 노이즈가 교류 전원 입력단의 라이브단(AC-L)과 뉴트럴단(AC-N)의 전원라인을 따라 유입될 때 상기 전도 노이즈, 즉 노말 모드 노이즈(normal mode noise)를 제거하는 역할을 하며, Y-캡(C3,C4)은 상기 SMPS 전원부(30)로부터 DC-DC 컨버팅을 위해 고주파 스위칭이 이루어질 때 발생되는 고주파 스위칭 노이즈와 같은 코먼 모드 노이즈(common mode noise)가 외부로 유출되는 것을 억제하는 역할을 한다.

전원라인 및 신호라인을 흐르는 전도 노이즈에는 "차동 모드(Differential Mode)"와 "코먼 모드(Common Mode)"라는 두 가지 타입의 전도 모드가 있다.

차동 모드 노이즈, 즉 노말 모드 노이즈(normal mode noise)는 두 가닥의 도선을 왕복하여 전달되는 노이즈로서 신호선과 또는 전원에서 V+line에만 노이즈가 들어간 경우를 지칭한다(여기서, 차동의 의미는 전류 방향이 서로 다르다는 것을 의미한다).

상기 코먼 모드 노이즈(common mode noise)는 접지(FG), 즉 대지(大地) 등의 기준점과 각 선 사이에 동일한 위상의 노이즈가 유기되어 나타내는 노이즈이다.

상기 SMPS 전원부(30)는 EMI 필터부(20)로부터의 교류 전원을 예를 들어, PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 스위칭하여 사전에 설정된 직류(DC) 전원으로 변환한다.

이를 위해, SMPS 전원부(30)는 EMI 필터부(20)로부터의 상용 교류 전원을 정류 및 평활하는 정류부, 정류부로부터의 정류 및 평활된 교류 전원을 역률 보정하는 역률 보정부 및 역률 보정부로부터의 역률 보정된 교류 전원을 PWM 방식으로 스위칭하여 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 안정된 직류 전원으로 변환하는 변환부를 포함할 수 있다.

이하에 상기와 같이 구성된 본 발명의 전원장치용 보호회로의 동작을 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 보호회로를 구비한 전원장치는 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단(AC-L), 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 및 접지(FG)가 서지 보호부(10)의 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단(AC-L), 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 및 접지(FG)에 각각 연결되고, 상기 EMI 필터부(20)로부터 발생된 교류 전원 입력단 중 라이브단(AC-L)과 뉴트럴단(AC-N) 출력은 SMPS 전원부(30)의 라이브단(AC-L)과 뉴트럴단(AC-N), 즉 정류부에 연결되고, 접지(FG)는 SMPS 전원부(30)의 하우징, 즉 금속재로 이루어진 케이스에 연결되어 프레임 접지를 이루게 된다.

본 발명에서는 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단(AC-L)과 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 사이에 상용의 전압레벨을 갖는 교류 전원이 인가되면, 서지 보호부(10)는 작동되지 않는다.

그러나, 외부로부터 입력되는 교류 전원의 전압레벨이 사전에 설정된 전압 레벨 이상이 인가될 수 있다. 예를 들어, 라이브(Live)단(AC-L)에 낙뢰 또는 전력 계통의 개폐 등으로 인하여 서지(Surge) 전압이 입력되는 경우, 제3서지보호기(15)의 제3 가스방전관(T3)은 서지 전압이 포함된 교류전원이 제1작동전압(예를 들어, 600V) 이상으로 인가될 때 아크 방전이 이루어지면서 서지 전류를 방전하여 출력전압의 레벨을 낮추며, 제3 바리스터(RV3)는 제3서지보호기(15)의 양단의 출력전압의 최대값을 제2작동전압(예를 들어, 560V)으로 제한하면서 서지 전류를 접지(FG)로 바이패스(by pass)시킴에 의해 전압 상승을 저지한다. 그 결과, 제3 바리스터(RV3)는 제3 가스방전관(T3)을 통하여 흐를 수 있는 속류를 차단하는 역할을 한다.

상기 제1 내지 제3 가스방전관(T1-T3)은 예를 들어, 480 내지 720V(600V±20%)에서 동작이 이루어지도록 설정될 수 있다.

또한, 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)에 서지 전압이 입력되는 경우에도, 제2서지보호기(13)는 상기 제3서지보호기(15)와 동일하게 동작하여, 제2 가스방전관(T2)은 제1동작전압 이상일 때 아크 방전이 이루어지며, 제2 바리스터(RV2)는 제2동작전압 이상일 때 출력전압을 제2작동전압으로 제한하면서 서지 전류를 접지(FG)로 바이패스(by pass)시킨다.

즉, 제2 및 제3 바리스터(RV2-RV3)는 교류 전원으로 낙뢰 등에 의해 서지가 유입될 때 출력전압을 제2작동전압으로 유지하면서 서지 전류의 일부를 흡수하는 역할을 한다.

한편, 본 발명의 서지 보호부(10)는 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단(AC-L)과 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 사이에 제1서지보호기(11)가 병렬접속되어 있다.

따라서, 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 또는 라이브(Live)단(AC-L)으로 서지 전압이 입력될 때, 라이브(Live)단(AC-L)과 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 사이에 삽입된 제1서지보호기(11)를 통하여 바이패스 경로가 형성되어 다른 교류 전원 입력단으로 서지가 배출된다.

즉, 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 또는 라이브(Live)단(AC-L)에 인가되는 교류 전원 입력이 제1동작전압 이상일 때 제1서지보호기(11)를 구성하는 제1 가스방전관(T1)에 의해 아크 방전이 이루어지며, 제1 바리스터(RV1)는 제2동작전압 이상일 때 출력전압을 제1작동전압으로 제한하면서 서지 전류를 다른 교류 전원 입력단으로 바이패스(by pass)시킨다.

교류 전원 입력은 모든 각도에 서지가 인가될 수 있으며, 본 발명의 서지 보호부(10)는 이에 대응하여 서지를 저지하여 출력전압을 제2작동전압으로 제한함에 의해 SMPS 전원부(30)를 보호한다.

이하에서는 본 발명의 서지 보호부에 서지의 영향이 가장 크게 나타날 수 있는 90° 및 270°의 각도에서 UL 1449 규격에서 요구하는 10kV/5kA의 서지 테스트 조건보다 더 가혹한 하기 표 1에 표시된 조건의 서지를 서지 보호부에 인가하고 서지 보호부의 작동 여부를 판단하는 서지 테스트를 실시하였다.

	서지 전압 90°/270°	서지 전류 90°/270°
AC-L과 AC-N 2Ω	+14kV / -14kV	5540A / 5530A
AC-L에서 FG 12Ω	+14kV / -14kV	1060A / 1090A
AC-N에서 FG 12Ω	+14kV / -14kV	1090A / 1070A

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 서지 보호부(10)에서 라이브(Live)단(AC-L)와 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 사이의 임피던스는 2Ω으로 나타났고, 라이브(Live)단(AC-L)과 접지(FG) 사이 및 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)과 접지(FG) 사이는 모두 12Ω으로 나타났다.

상기 표 1과 같이, 본 발명의 서지 보호부에 대한 서지 테스트를 위해 라이브(Live)단(AC-L) 또는 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)을 통하여 다른 교류 전원 입력단으로 서지가 흐를 때, 라이브(Live)단(AC-L)에서 접지(FG)로 서지가 흐를 때, 그리고 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)에서 접지(FG)로 서지가 흐를 때, 90°의 각도에서 교류 전원에 인가되는 서지 전압은 모두 +14kV로 설정되고, 270°의 각도에 인가된 경우도 모두 -14kV로 설정하여 인가하였다.

이 경우, 라이브(Live)단(AC-L) 또는 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)을 통하여 다른 교류 전원 입력단으로 서지가 흐를 때, 90°의 각도에서는 서지 전류는 5540A로 나타났고, 270°의 각도에 인가된 경우는 5530A로 나타났다.

라이브(Live)단(AC-L)에서 접지(FG)로 서지가 흐를 때, 90°의 각도에서는 서지 전류는 1060A로 나타났고, 270°의 각도에 인가된 경우는 서지 전류는 1090A로 나타났다. 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)에서 접지(FG)로 서지가 흐를 때, 90°의 각도에서는 서지 전류는 1090A로 나타났고, 270°의 각도에 인가된 경우는 서지 전류는 1060A로 나타났다.

상기 서지 테스트 결과 본 발명의 서지 보호부(10)는 UL 1449 규격보다 더 가혹한 조건의 서지를 인가한 경우에도 파손이 발생하지 않았으며, 서지 보호부(10)는 서지를 잘 흡수하여 출력전압을 안전한 레벨로 클램핑함에 의해 후단에 접속되는 SMPS 전원부를 보호할 수 있는 것으로 나타났다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 서지 보호부(10)는 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단(AC-L) 및 뉴트럴(Neutral)단(AC-N)과 접지(FG) 사이에 각각 제3 및 제2 서지보호기(15,13)가 병렬접속되어 바이패스 경로가 형성됨과 동시에 라이브(Live)단(AC-L)과 뉴트럴(Neutral)단(AC-N) 사이에 제1서지보호기(11)에 의해 또 다른 바이패스 경로가 형성됨에 따라, 본 발명의 서지 보호부(10)는 10kV/5kA의 서지 테스트를 만족하여 UL 1449 규격을 만족하는 것으로 나타났고, SMPS 전원부 단독으로 사용하는 경우와 비교하여 서지 내성을 2배 증가시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 EMI 필터부(20)에서는 코먼 모드 쵸크(CMC)의 전단 및 후단에 각각 제1 및 제2 커패시터(C1,C2)로 이루어진 X-캡(X-cap)이 설치되고, 라이브단(AC-L) 및 뉴트럴단(AC-N)으로부터 접지(FG) 사이에 각각 제3 및 제4 커패시터(C3,C4)로 이루어진 Y-캡(Y-cap)이 설치되어 있다.

그 결과, 상기 코먼 모드 쵸크(CMC)에 의해 교류 전원 입력단의 라이브단(AC-L)과 뉴트럴단(AC-N)에 동일한 위상의 노이즈가 들어올 때 서로 상쇄시켜 동상 모드 신호는 흐름을 감쇄시킴에 따라 억제가 이루어지고, 차동 모드 신호는 감쇄 없이 신호 통과가 이루어진다.

또한, 상기 X-캡(X-cap)(C1,C2)에 의해 라이브단(AC-L)과 뉴트럴단(AC-N)의 노말 모드 노이즈(normal mode noise) 제거가 이루어지고, Y-캡(C3,C4)에 의해 SMPS 전원부(30)로부터 발생된 스위칭 노이즈가 외부로 유출되는 코먼 모드 노이즈(common mode noise)의 제거가 이루어진다.

그 결과, 본 발명에서는 EMI 필터부(20)에서는 코먼 모드 쵸크(CMC)에 X-캡(C1,C2) 및 Y-캡(C3,C4)을 조합하여 구비함에 따라 노말 모드 노이즈와 코먼 모드 노이즈를 제거할 수 있어 종래와 비교하여 전자파 노이즈를 10 내지 20dB 감소시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 제시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 AC 전원 입력단을 통해 전원장치에 서지가 인가된 경우 이를 효과적으로 방전시켜 서지로부터 SMPS 전원부를 보호할 수 있고, SMPS 전원부로부터 발생되어 외부로 유출되는 스위칭 노이즈를 억제하는 전원장치용 보호회로에 적용될 수 있다.

10 : 서지 보호부 11,13,15 : 서지보호기
20 : EMI 필터부 30 : SMPS 전원부
C1,C2: X-캡 C3,C4: Y-캡

Claims

입력되는 교류 전원이 서지를 포함하여 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 전압 이상일 때 후단에 접속되는 SMPS 전원부를 보호하는 서지 보호부; 및 상기 SMPS 전원부로부터 발생되어 교류전원 입력단으로 유출되는 스위칭 노이즈를 억제하는 EMI 필터부를 포함하는 전원장치용 보호회로로서,
상기 서지 보호부는
상기 교류 전원 입력단 중 라이브(Live)단 및 뉴트럴(Neutral)단과 접지(FG) 사이에 각각 병렬접속되어 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 제1작동전압 이상일 때 라이브단 및 뉴트럴단으로부터 각각 접지(FG) 사이에 제1 및 제2 바이패스 경로를 형성함과 동시에 출력전압을 제2작동전압으로 클램프하는 제1 및 제2 서지보호기; 및
상기 라이브단과 뉴트럴단 사이에 병렬접속되어 교류 전원의 전압레벨이 미리 설정된 제1작동전압 이상일 때 라이브단과 뉴트럴단 중 어느 하나로부터 다른 입력으로 제3 바이패스 경로를 형성함과 동시에 출력전압을 제2작동전압으로 클램프하는 제3서지보호기를 포함하는 전원장치용 보호회로.
제1항에 있어서,
상기 EMI 필터부는
상기 서지 보호부의 후단에 접속되어 라이브단과 뉴트럴단으로 들어오는 동일한 위상의 노이즈를 제거하는 코먼 모드 쵸크(CMC);
상기 코먼 모드 쵸크(CMC)의 전단 및 후단에 각각 라이브단과 뉴트럴단 사이에 제1 및 제2 커패시터가 병렬 접속되어 구성되며 노말 모드 노이즈(normal mode noise)를 제거하는 X-캡(X-cap); 및
상기 라이브단 및 뉴트럴단과 접지 사이에 각각 제3 및 제4 커패시터가 병렬 접속되어 구성되며 상기 스위칭 노이즈가 외부로 유출되는 코먼 모드 노이즈(common mode noise)를 제거하는 Y-캡(Y-cap)을 포함하는 전원장치용 보호회로.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 서지보호기는 각각 직렬 접속된 가스방전관과 바리스터를 포함하는 전원장치용 보호회로.
제3항에 있어서,
상기 제1작동전압은 상기 가스방전관의 작동전압이고, 상기 제2작동전압은 상기 바리스터의 작동전압이며,
상기 제1작동전압이 제2작동전압 보다 더 크게 설정되는 전원장치용 보호회로.