KR20150096638A - 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기 - Google Patents

1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기 Download PDF

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Abstract

프로그래밍 가능한 전력 변환기(programmable power converter)를 제어하는 회로가 제공된다. 회로는 제어 회로(control circuit), 스위칭 컨트롤러(switching controller) 및 제 1 옵토-커플러(first opto-coupler)를 포함한다. 제어 회로는 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 출력 전압을 조정하는 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호(programmable voltage-reference signal)를 발생시킨다. 제어 회로의 피드백 회로는 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호 및 출력 전압에 반응하여 피드백 신호(feedback signal)를 발생시키는 출력 전압을 검출한다. 스위칭 컨트롤러는 변압기의 피드백 신호 및 스위칭 전류에 반응하여 출력 전압 및 출력 전류를 발생시키는 변압기를 스위칭 하기 위해 결합된 스위칭 신호(switching signal)를 발생시키는 변압기의 스위칭 전류를 검출한다. 제 1 옵토-커플러는 제어 회로에서 스위칭 컨트롤러로 피드백 신호를 전달한다. 제어 회로는 변압기의 2차 측에 있으며, 스위칭 컨트롤러는 변압기의 1차 측에 있다.

Description

1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기{A PRIMARY-SIDE CONTROLLED PROGRAMMABLE POWER CONVERTER}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 참조에 의하여 여기에 통합된, 2013년 1월 8일에 출원된, 미국 가출원번호 61/260,556의 우선권을 주장한다.
본 발명은 프로그래밍 가능한 전력 변환기에 관한 것이며; 특히, 1차측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기에 관한 것이다.
노트북, 핸드폰 및 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대용 단말기에 대한 최근 제작자의 전력 변환기는 다른 전압 및 전류 특성을 가지는 상기 휴대용 단발기를 공급하기 위한 다양한 설계를 제공한다. 따라서, 다양한 휴대용 단말기를 가진 이용자는 단말기를 가지고 다니는 이용자에게 종종 짐이 되는 각각의 개별 휴대용 단말기에 전력을 제공하기 위해 모든 전력 변환기를 가지고 다닐 필요가 있다. 따라서, 이러한 불편함을 해결하기 위해 전력 변환기의 필요성은 5~20V 및 0.5A~5A와 같은 광범위의 출력 전압 및 출력 전류를 공급하도록 프로그래밍 가능한 능력에 있다. 전기적 특성은 휴대용 장치(portable device)가 작동되는지 측정하기 위해 이용자에 의해 선택될 수 있다. 그러나, 프로그래밍 가능한 전력 변환기는 일반적으로 예를 들어 고효율, 빠른 루프 반응(loop response) 및 우수한 루프 안정성 등 우수한 성능을 이루는 것이 어렵다. 본 발명의 목적은 프로그래밍 가능한 변환기의 위에 언급된 문제점을 해결 하는 것이며, 빠른 루프 반응, 우수한 루프 안정성 및 고효율을 이루기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 프로그래밍 가능한 변환기의 위에 언급된 문제점을 해결 하는 것이며, 빠른 루프 반응, 우수한 루프 안정성 및 고효율을 이루기 위한 것이다.
본 발명은 프로그래밍 가능한 변환기를 제어하는 회로를 제공한다. 회로는 제어 회로, 스위칭 컨트롤러(switching controller), 제 1 옵토-커플러(opto-coupler) 및 제 2 옵토-커플러를 포함한다. 제어 회로는 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 출력 전압(output voltage)을 조정하는 프로그래밍 가능한 전력-참조 신호(programmable voltage-reference signal)를 발생시킨다. 제어 회로(control circuit)는 피드백 회로(feedback circuit)를 포함한다. 피드백 회로는 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호 및 출력 전압에 반응하여 피드백 신호를 발생시키는 출력 전압을 검출하기 위해 결합된다. 스위칭 컨트롤러는 피드백 신호 및 변압기(transformer)의 스위칭 전류에 반응하여 출력 전압 및 출력 전류를 발생시키는 변압기를 스위칭하도록 결합된 스위칭 신호를 발생시키는 변압기의 스위칭 전류를 검출하기 위해 결합된다. 제 1 옵토-커플러는 제어 회로에서 스위칭 컨트롤러까지 피드백 신호를 이동시키기 위해 결합된다. 제어 회로는 변압기의 2차 측에 있으며, 스위칭 컨트롤러는 변압기의 1차 측에 있다. 제어 회로는 외부 장치와 통신하기 위한 통신 인터페이스(communication interface)를 가진다. 스위칭 컨트롤러는 변압기의 자기 소거 시간(demagnetizing time)에 반응하여 전력 변환기의 출력 전류를 조정하는 변압기의 반시 신호(reflected signal)를 검출하기 위해 결합된다. 스위칭 컨트롤러는 스위칭 컨트롤러에서 과전압(over-voltage) 보호를 수행하는 반사 신호를 검출하기 위해 결합된다. 제 2 옵토-커플러는 스위칭 컨트롤러로 제어 회로의 제어 신호를 이동시킨다.
제어 회로는 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter), 마이크로-컨트롤러(micro-controller) 및 아놀로그/디지털 변환기(analog-to-digital converter)를 더 포함한다. 디지털-아날로그 변환기는 제어 회로에서 과전압 보호를 수행하는 프로그래밍 가능한 과전압 임계값(programmable over-voltage threshold)을 발생시킨다. 피드백 회로 과전압 보호 회로를 포함(over-voltage protection circuit)한다. 과전압 보호 회로는 출력 전압 및 프로그래밍 가능한 과전압 임계값을 비교하여 제어 신호를 발생시키기 위해 결합된다. 프로그래밍 가능한 과전압 임계값은 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 전력이 온(on)일 때마다 최고 값으로 설정될 것이다. 제어 신호는 스위칭 신호의 기능을 억제하는 과전압 신호를 발생시키기 위해 결합된다.
마이크로-컨트롤러는 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호 및 제어 신호를 프로그래밍한다. 제어 신호(control signal)는 제 2 옵토-커플러를 통해 스위칭 컨트롤러를 제어하기 위해 결합된다. 피드백 회로는 워치-독 타이머(watch-dog timer)를 더 포함한다. 워치-독 타이머(watch-dog timer)는 마이크로-컨트롤러로부터 제어 신호를 수신하기 위해 결합된다. 제어 신호가 주기적인 신호로 발생하기 않는 경우, 워치-독 타이머(watch-dog timer)는 방출 신호(expired signal)를 발생시킬 것이다. 프로그래밍 가능한 과전압 임계값은 방출 신호에 반응하여 초기 값으로 재설정될 것이다. 아날로그-디지털 변환기는 프로그래밍 전력 변환기의 출력 전압을 검출하기 위해 결합된다. 아날로그-디지털 변환기의 출력은 마이크로-컨트롤러에 결합된다. 마이크로-컨트롤러는 프로그램 메모리(program memory) 및 데이터 메모리(data memory)를 포함하는 메모리 회로를 가진다. 제어 회로는 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 출력 전압의 과전압 보호를 위한 스위칭 컨트롤러에서 과전압 임계값을 프로그래밍하기 위해 결합된 제어 신호를 발생시킨다. 제어 회로는 프로그래밍가능한 전력 변환기의 출력 전류를 조정시키는 스위칭 컨트롤러에서 전류 제한 임계값을 제어하기 위해 결합된 제어 신호를 발생시킨다. 전류 제한 임계값 및 과전압 임계값 신호는 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 전력이 온(on)일 때마다 각각의 초기 값으로 재설정될 것이다. 제어 신호가 제 시간에 발생되지 않을 경우, 전류 제한 임계값 및 과전압 임계값 신호는 각각의 최소 값으로 재설정될 것이다. 제어 신호는 펄스 위치 조정(pulse position modulation)에 의해 조정된다. 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 전력이 온(on)일 때마다 프로그래밍 가능한 전력-참조 신호는 초기 값으로 재설정될 것이다.
자세한 설명은 첨부된 조면을 참조하여 다음의 구체예에 주어진다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이후에 더 자세한 설명 및 예시를 판독하여 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 실시예를 나타낸다;
도 2는 본 발명에 따른 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 제어 회로의 실시예를 나타낸다;
도 3은 본 발명에 따른 제어 회로의 피드백 회로의 실시예의 블록도를 나타낸다;
도 4는 본 발명에 따른 피드백 회로의 에러-증폭 회로(error-amplifier circuit)의 실시예를 나타낸다;
도 5는 본 발명에 따른 피드백 회로의 보호 회로의 실시예를 나타낸다;
도 6은 본 발명에 따른 보호 회로의 타이머의 실시예를 나타낸다;
도 7은 본 발명에 따른 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 스위칭 컨트롤러의 실시예를 나타낸다;
도 8은 본 발명에 따른 스위칭 컨트롤러의 PWM 회로의 실시예의 회로도를 나타낸다;
도 9는 본 발명에 따른 스위칭 컨트롤ㄹ러의 프로그래밍 가능한 회로의 실시예를 나타낸다;
도 10은 본 발명에 따른 프로그래밍 가능한 회로의 펄스-위치 조정 회로의 실시예를 나타낸다;
도 11은 제어 신호, 경사 신호(slope signal), 동기화 신호(synchronous signal), 데이터 신호 및 복조 신호(demodulated signal)의 파형(waveforms)을 나타내며; 및
도 12는 제어 신호, 재설정 신호 및 보호 신호의 파형을 나타낸다.
다음의 설명은 본 발명을 수행하기 위하여 최적으로 고려된 모드이다. 상기 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 설명하는 목적으로 이루어지며 제한하는 의도로 고려되지 않아야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 종속항을 참조하여 최적으로 결정된다.
본 발명은 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 변환기(primary-side controlled programmable power converter)를 제어하는 제어 회로(control circuit)를 제어한다. 프로그래밍 가능한 전력 변환기는 5~20V 및 0.5~5A와 같은 광범위의 출력 전압 VO 및 출력 전류 IO를 제공할 수 있다. 일반적으로, 비용이 효과적인 솔루션을 개선하기 어려우며 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 과전압 보호 및 전류 제한 보호와 같은 우수한 보호를 이루기 어렵다. 본 발명의 목적은 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 저비용 및 우수한 성능을 이루기 위하여 이러한 문제점을 해결하는 것에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 실시예를 나타낸다. 전력 변환기는 변압기(transformer, 10), 전압 분배기(voltage divider), 스위칭 컨트롤러(switching controller, 300), 전력 스위치(power switch, 20), 감도 레지스터(sense resistor, 25), 정류기(rectifier, 30), 출력 커패시터(output capacitor, 40, 45), 제어 회로(100), 커패시터(capacitor, 70), 레지스터(resistors, 51, 61), 제 1 옵토-커플러(opto-coupler, 50) 및 제 2 옵토-커플러(60)을 포함한다. 변압기(10)는 1차 와인딩부(winding) NP, 2차 와인딩부 NS 및 보조 와인딩부 NA를 가진다. 전압 분배기는 저항기(15, 16)에 의해 형성된다. 제어 회로(100)는 피드백 루프(feedback loop)를 개선하기 위해 전력 변환기의 출력 전압 VO를 검출하기 위해 결합된다. 제어 회로(100)은 출력 전압 VO을 조정하는 제 1 옵토-커플러(50)를 통해 스위칭 컨트롤러(300)에 결합된 피드백 신호 VFB를 발생시킨다. 커패시터(70)는 출력 전압 VO를 조정하는 전압 피드백 루프(voltage feedback loop)를 보상하기 위해 적용된다. 제어 회로(100)은 제 2 옵토-커플러(60)를 통해 스위칭 컨트롤러(300)을 제어하기 위해 결합된 제어 신호 SX를 더 발생시킨다. 제어 신호 SX는 스위칭 컨트롤러(300)의 매개 변수를 프로그래밍 하기 위해 이용되며, 보호 능력을 제공하기 위해 제공된다. 레지스터(51)는 작동 전류를 조정하는 제 1 옵토-커플러(50)에 영향을 주도록 이용된다. 레지스터(61)은 제 2 옵토-커플러(60)의 작동 전류를 한정하기 위해 적용된다. 제어 회로(100)은 핸드폰, 테블릿-PC, 노트북 PC, 등일 수 있는 외부 장치(ED)와 통신하기 위한 통신 인터페이스 ITF(예를 들어, USB-PD, IEEE UPAMD 1823, 단선 통신, 등)를 포함한다.
제 1 옵토-커플러(50)는 피드백 신호 VFB에 반응하여 피드백 신호 VB를 발생시킬 것이다. 제 2 옵토-커플러(60)는 제어 신호 SX에 반응하여 제어 신호 SY를 발생시킬 것이다. 스위칭 컨트롤러(300)는 변압기(10)의 1차 와인딩부 NP를 스위칭하는 스위칭 신호 SW를 발생시키며, 정류기(30) 및 출력 커패시터(40)을 통하여 변압기(10)의 제 2 와인딩부 NS에 의해 출력 전압 VO 및 출력 전류 IO를 발생시킨다. 변압기(10)는 전압 분배기의 조인트(joint)에서 스위칭 컨트롤러(300)에 결합된 반사 신호 VS를 더 생성한다. 감도 레지스터(25)는 스위칭 컨트롤러(300)에 결합된 전류 신호 VCS를 발생시키는 변압기(10)의 스위칭 전류를 감지하기 위해 결합된다. 스위칭 컨트롤러(300)는 피드백 신호 VB, 제어 신호 SY, 반사 신호 VS, 및 전류 신호 VCS에 반응하여 스위칭 신호 SW를 발생시킨다. 제어 신호(100)은 변압기의 2차 측에 있다. 스위칭 컨트롤러(300)은 변압기의 1차 측에 있다.
도 2는 본 발명에 따른 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 제어 회로(100)의 실시예를 나타낸다. 제어 회로(100)은 마이크로-컨트롤러(MCU)(80), 레지스터(86, 87)에 의해 형성된 전압 분배기, 레지스터(REG)(81, 82), 디지털-아날로그 변환기(DAC)(91, 92), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(95) 및 피드백 회로(200)을 포함한다. 마이크로-컨트롤러(80)는 프로그램 메모리 및 데이터 메모리를 포함하는 메모리 회로(85)를 가진다. 마이크로-컨트롤러(80)는 제어 신호 SCNT 및 버스 신호 NB를 발생시킨다. 버스 신호 NB는 양방향적(입력/출력)이다. 마이크로-컨트롤러(80)는 외부 장치(75)와 통신하기 위한 통신 인터페이스 ITF에 결합된다. 버스 신호 NB는 아날로그-디지털 변환기(95) 및 디지털-아날로그 변환기(91, 92)를 제어하기 위해 결합된다. 디지털-아날로그 변환기(91, 92)는 각각 레지스터(81, 82)를 통해 마이크로-컨트롤러(80)로부터 발생된 버스 신호 NB에 의해 제어된다.
전압 분배기는 출력 전압 VO를 검출하며, 출력 전압 VO에 반응하여 피드백 전압 VF를 발생시킨다. 피드백 신호 VF는 아날로그-디지털 변환기(95)에 결합된다. 따라서, 버스 신호 NB를 통하여, 마이크로-컨트롤러(80)는 출력 전압 VO의 정보를 판독할 수 있다. 마이크로-컨트롤러(80)는 디지털-아날로그 변환기(91, 92)의 출력을 제어한다. 디지털-아날로그 변환기(91)는 출력 전압 VO을 제어하는 전압-참조 신호 VRV를 발생시킨다. 디지털-아날로그 변환기(92)는 전력 변환기의 과전압 보호에 대한 과전압 임계값 VOV를 발생시킨다. 전압-참조 신호 VRV 및 과전압 임계값 VOV은 프로그래밍 가능하다. 과전압 임계값 VOV은 제어 변환기의 전력이 온(on)일 때마다 초기 값으로 재설정될 것이다. 마이크로-컨트롤러(80)는 출력 전압 VO의 레벨에 반응하여 과전압 임계값 VOV를 제어할 것이다. 레지스터(81, 82)는 제어 회로(100)의 전력이 온(on)일 때마다 초기 값으로 재설정될 것이다. 예를 들어, 레지스터(81)의 초기 값은 5V의 출력 전압 VO을 발생시키기 위해 전압-참조 신호 VRV의 최소 값을 생성할 것이다.
피드백 회로(200)은 전압-참조 신호 VRV, 과전압 임계값 VOV, 출력 전압 VO, 피드백 전압 VF, 제어 신호 SCNT, 및 버스 신호 NB에 반응하여 전압-피드백 신호 SCOMV, 피드백 신호 VFB, 및 제어 신호 SX를 발생시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 제어 회로의 피드백 회로(200)의 실시예의 블록도를 나타낸다. 피드백 회로(200)은 에러-증폭 회로(210) 및 보호 회로(250)을 포함한다. 에러-증폭 회로(210)는 전압-참조 신호 VRV 및 피드백 전압 VF에 따른 전압-피드백 신호 SCOMV 및 피드백 신호 VFB를 발생시킨다. 보호 회로(250)는 과전압 임계값 VOV, 출력 전압 VO, 피드백 전압 VF, 제어 신호 SCNT, 및 버스 신호 NB에 반응하여 제어 신호 SX를 발생시킨다. 따라서, 마이크로-컨트롤러(80)는 제어 신호 SCNT를 통하여 제어 신호 SX를 프로그래밍할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 피드백 회로(200)의 에러-증폭 회로(210)의 실시예를 나타낸다. 에러 증폭기(error amplifier, 210)는 피드백 전압 VF 및 전압-참조 신호 VRV에 반응하여 전압-참조 신호 SCOMV를 발생시킨다. 전압-피드백 신호 SCOMV는 루프 보상(loop-compensation)을 위하여 커패시터(70)에 결합된다. 전압-피드백 신호 SCOMV는 피드백 신호 VFB를 발생시키기 위해 버퍼(OD)(buffer, 245)에 결합된다. 버퍼(245)의 출력은 오픈-드레인형(open-drain type)이다.
도 5는 본 발명에 따른 피드백 회로(200)의 보호 회로(250)의 실시예를 나타낸다. 보호 회로(250)는 멀티플렉서(MUX)(multiplexer, 260), 타이머(280), 인버터(inverter, 251), 비교기(comparator, 265), 트랜지스터(transistors, 271, 272), AND 게이트(252), 플립-플롭(flip-flop, 253), 및 레지스터(256, 257)에 의해 형성된 전압 분배기를 포함한다. 인버터(251)을 통하여, 제어 신호 SCNT는 워치독 타이머(watchdog timer)인 타이머(280)를 분명히 하기 위해 입력 신호 CLR을 발생시키기 위해 결합된다. 제어 신호 SCNT가 주기적으로 발생하지 않는 경우, 타이머(280)는 방출 신호 TOUT을 발생시킬 것이다. 방출 신호 TOUT 및 전력-온-재설정 신호(power-on-reset signal) RST는 AND 게이트(252)를 통하여 플립-플롭(253)에 의해 설정된다. 과전압 임계값 VOV 및 임계값 VT은 멀티플렉서(multiplexer, 260)를 통해 비교기(265)에 결합된다. 멀티플렉서(260)는 플립-플롭(253)에 의해 제어된다. 플립-플롭(253)이 설정될 때, 과전압 임계값 VOV은 비교기(265)의 음극 단자(negative terminal)에 결합될 것이다. 출력 전압 VO은 감쇠된 출력 전압(attenuated output voltage) V'O이 될 레지스터(256, 257)에 의해 형성된 전압 분배기에 의해 감쇠된다. 감쇠된 출력 전압 V'O은 비교기(265)의 양극 단자에 결합된다. 비교기(265), 트랜지스터(271) 및 레지스터(256, 257)에 의해 형성된 전압 분배기는 과전압 보호 회로를 개선한다. 임계값 VT은 과전압 보호를 수행하는 최고 임계값이다. 과전압 보호의 과전압 임계값 VOV은 마이크로-컨트롤러(80)에 의해 프로그래밍 가능하다. 제어 신호 SCNT가 주기적인 시간으로 발생하지 않는 경우, 과전압 임계값 VOV은 최소 값으로 재설정될 것이다. 본 발명의 한 구체예에서, 과전압 임계값 VOV은 12V의 출력 전압 VO에 대하여 14V로 프로그래밍될 것이며, 과전압 임계값 VOV은 5V의 출력 전압 VO에 대하여 6V로 프로그래밍될 것이다. 제어 신호 SCNT가 제시간에 마이크로-컨트롤러(80)에 의해 발생되지 않는 경우, 과전압 임계값 VOV은 출력 전압 VO가 12V레서 설정되더라도 6V로 재설정될 것이며, 마이크로-컨트롤러(80)가 부정확하게 작동될 때 비정상 작동(abnormal operation)으로부터 전력 변환기를 보호할 것이다. 비교기(265)의 출력은 제어 신호 SX를 발생시키는 트랜지스터(271)를 구동한다. 또한 제어 신호 SCNT는 제어 신호 SX를 발생시키기 위해 트랜지스터(272)를 구동한다. 트랜지스터(271, 272)의 드레인(drains)은 제어 신호 SX를 발생시키기 위해 함께 연결된다. 따라서, 제어 신호 SX는 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 보호하기 위해 이용되며, 스위칭 컨트롤러(300)을 제어하기 위해 이용된다.
도 6은 본 발명에 따른 보호 회로(250)의 타이머(280)의 실시예를 나타낸다. 타이머(280)는 워치-독 타이머로서 작용한다. 타이머(280)는 인버터(281), 트랜지스터(272), 전류원(current source, 283), 커패시터(285), 및 비교기(290)를 포함한다. 일정한 전류원(283)은 커패시터(285)를 충전하기 위해 이용된다. 타이머(280)의 재설정 입력에 공급된 입력 신호 CLR는 인버터(281) 및 트랜지스터(282)를 통해 커패시터(285)를 방전시킨다. 커패시터(285)가 제시간에 입력 신호 CLR에 의해 완전히 방전되지 않는 경우, 비교기(29)는 커패시터(285)를 거친 전압이 임계값 VTH보다 높을 때 방출 신호 TOUT을 발생시킬 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 1차 측이 제어된 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 스위칭 컨트롤러(switching controller, 300)의 실시예를 나타낸다. 스위칭 컨트롤러(300)는 전압 검출 회로(V_DET)(voltage detection circuit, 310), 전류 검출 회로(I_DET)(current detection circuit, 320), 비교기(325), 에러 증폭기(325), OR 게이트(OR gate, 331), 커패시터(326), PWM 회로(PWM)(350), 프로그래밍 가능한 회로(programmable circuit, 400), 트랜지스터(336), 및 레지스터(335, 337, 338)을 포함한다. 전압 검출 회로(310)는 반사 신호 VS에 반응하여 전압-루프 신호(voltage-loop signal) VEA, 및 방전-시간 신호(discharge-time signal) TDS를 발생시킨다. 전압-루프 신호 VEA는 출력 전압 VO에 상관 관계에 있다. 방전-시간 신호 TDS는 변압기(transformer, 10)의 자기 소거 시간에 상관 관계에 있다. 전류 건출 회로(320)는 전류 신호 VCS 및 방전-시간 신호 TDS에 반응하여 전류-루프 신호(current-loop signal) IEA를 발생시킨다. 전압 검출 회로(310) 및 전류 검출 회로(320)는 전력 변환기의 1차 측 조정(PSR)의 기술에 관련된다. 1차 측 조정의 상세한 기술은 "전력 변환기의 1차 측에서 출력 전류를 제어하는 제어 회로"라는 제목의 US 특허 6,977,824, "1차측이 제어된 전력 변환기의 클로즈-루프 PWM 컨트롤러(Close-loop PWM controller)"라는 제목의 US 특허 7,016,204 및 "1차 측이 제어된 스위칭 조절기"라는 제목의 US 특허 7,352,595의 선행 기술에서 발견될 것이다.
전압-루프 신호 VEA의 크기가 참조 신호 REF_V의 크기보다 클 때 전압-루프 신호 VEA는 과전압 신호 OV를 발생시키는 비교기에 결합된다. 또한, 참조 신호 REF_V는 과전압 임계값이다. 전류-루프 신호 IEA는 에러 증폭기(325)에 결합된다. 참조 신호 REF_I와 연관된 전류-루프 신호 IEA는 전류 증폭기(325)를 통하여 전류 피드백 신호 IFB를 발생시킨다. 또한, 참조 신호 REF_I는 루프 보상을 위하여 전류 피드백 신호 IFB에 결합된다. 프로그래밍 가능한 회로(400)는 제어 신호 SY 및 전력-온 재설정 신호 RST에 반응하여 참조 신호 REF_V 및 REF_I 및 보호 신호 PRT를 발생시키기 위해 결합된다. 참조 신호 REF_V 및 REF_I는 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 전력이 온(on)일 때마다 참조 신호 각각의 초기 값으로 재설정될 것이다. 참조 신호 REF_V는 과전압 보호에 대한 과전압 임계값으로서 작동된다. 과전압 보호는 반사 신호 VS의 보호를 통하여 작용한다. 참조 신호 REF_I는 전력 변환기의 출력 전류 IO를 조정하는 전류 참조 신호 VS로서 작동된다.
보호 신호 PRT 및 과전압 신호 OV는 오프 신호(off signal) OFF를 발생시키기 위하여 OR 게이트(331)에 공급된다. 레지스터(335)는 피드백 신호 VB를 완전히 높이기 위해 이용된다. 피드백 신호 VB는 트랜지스터(336) 및 레지스터(337, 338)를 통하여 2차 피드백 신호 VA를 발생시키기 위해 결합된다. PWM 회로(350)는 2차 피드백 신호 VA, 전류 피드백 신호 IFB, 오프 신호 OFF, 및 전력-온 재설정 신호 RST에 반응하여 스위칭 신호 SW를 발생시킨다.
도 8은 본 발명에 따른 스위칭 컨트롤러(800)의 PWM 회로(350)의 실시예의 회로도를 나타낸다. PWM 회로(350)는 발진기(oscillator, 360)(OSC), 비교기(365, 367), 인버터(351), AND 게이트(370), 및 플립-플롭(375)을 포함한다. 발진기(360)는 클록 신호(clock signal) PLS 및 램프 신호 RMP를 발생시킨다. 클록 신호 PLS는 플립-플롭(375)를 통하여 스위칭 신호 SW를 주기적으로 가능하게 한다. 스위칭 신호 SW는 램프 신호 RMP가 전류 피드백 신호 IFB보다 높으면 이용이 불가능할 것이다. 또한, 스위칭 신호 SW는 램프 신호 RMP가 2차 피드백 신호 VA보다 높으면 이용 불가능할 것이다. 오프 신호 OFF는 인버터(351) 및 AND 게이트(370)을 통하여 스위칭 신호 SW의 이용을 불가능하게 하기 위해 결합된다.
도 9는 본 발명에 따른 스위칭 컨트롤러(300)의 프로그래밍 가능한 회로(400)의 실시예를 나타낸다. 프로그래밍 가능한 회로(400)는 전류원(410), 비교기(415), 펄스-위치 조정 회로(PPM)(pulse-position modulation circuit, 500), 디지털 디코더(digital decoder, 450)(DECODER), 레지스터(REG)(460, 465), 디지털-아날로그 변환기(DAC)(470, 475), 가산기(adder, 480, 485), 인버터(427, 421), 타이머(TIMER_L)(420), 타이머(TIMER_H)(425) 및 AND 게이트(426)를 포함한다. 전류원(410)은 제어 신호 SY를 완전히 높이기 위해 연결된다. 비교기(415)는 제어 신호 SY가 임계값 VT1보다 낮으면 펄스 신호 SPU를 발생시킬 것이다. 펄스-위치 조정 회로(500)는 제어 신호 SY로부터 유도된 펄스 신호 SPU에 반응하여 복조 신호(demodulated signal) SM 및 동기화 신호 SYNC를 발생시킨다. 따라서, 제어 신호 SY는 펄스 위치 조정에 의해 조정된다. 복조 신호 SM 및 동기화 신호 SYNC는 디지털 데이터 NM를 발생시키기 위해 디지털-디코더(450)에 결합된다. 디지털 데이터 NM는 레지스터(460) 및 레지스터(465)에 저장된다. 레지스터(460)는 전압 조정 신호(voltage-adjust signal) VJ를 발생시키는 디지털-아날로그 변환기(470)에 결합된다. 가산기(480)는 참조 신호 VRF 및 전압 조정 신호 VJ를 가산하여 참조 신호 REF_V를 발생시킨다.
레지스터(465)는 전류-조정 신호 IJ를 발생시키는 디지털-아날로그 변환기(475)에 결합된다. 가산기(485)는 참조 신호 IRF 및 전류-조정 신호 IJ를 가산하여 참조 신호 REF_I를 발생시킨다. 따라서, 참조 신호 REF_V 및 REF_I는 마이크로-컨트롤러(80)에 의해 프로그래밍될 수 있다. 변압기(10)의 반사 전압 VS은 스위칭 컨트롤러(80)에서 과전압 보호를 위해 이용된다. 과전압 보호(출력 전압 VO에 대한)의 임계값은 변압기(10)의 2차 측에서 제어 회로(100)에 의해 프로그래밍된다. 또한, 출력 전류 IO의 값은 변압기(10)의 2차 측에서 제어 회로(100)에 의해 프로그래밍될 수 있다.
펄스 신호 SPU는 펄스 신호 SPU의 펄스 폭을 검출하는 타이머(420)에 더 결합된다. 펄스 신호 SPU의 펄스 폭이 간격 TOV을 초과하는 경우, 보호 신호 PRT는 인버터(421)를 통하여 타이머(420)에 의해 발생될 것이다. 보호 신호 PRT는 스위칭 신호 SW의 이용을 불가능하게 하기 위해 결합된다. 제어 신호 SX(및 펄스 신호 SPU)의 펄스 폭이 간격 TOV보다 클 것이기 때문에, 출력 전압 VO의 과전압 조건이 변압기(10)의 2차 측에서 제어 회로(100)에 의해 검출될 때, 출력 전압 VO의 과전압 조건이 검출되면 스위칭 신호 SW는 이용이 불가능할 것이다.
타이머(425)는 인버터(427)을 통하여 펄스 신호 SPU를 수신하기 위해 결합된다. 펄스 신호 SPU의 펄스 폭이 특정 간격 TOT을 초과하지 않는다면 타이머(425)는 AND 게이트(426)을 통하여 재설정 신호 PSET를 발생시킬 것이다. 또한, 전력-온 재설정 신호 RST는 AND 게이트(426)을 통하여 재설정 신호 PSET를 발생시키기 위해 결합된다. 재설정 신호 PSET는 0으로 전압-조정 신호 VJ 및 전류-조정 신호 IJ의 값을 재설정하는 레지스터(460, 465)를 명백히 하기 위해 결합된다. 따라서, 참조 신호 REF_V는 제어 신호 SX가 주기적인 시간으로 제어 회로(100)에 의해 발생되지 않으면 과전압 보호에 대하여 최고 값(VRF)으로 설정될 것이다. 게다가, 참조 신호 REF_I는 제어 신호 SX가 주기적인 시간으로 제어 회로(100)에 의해 발생되지 않으면 출력 전류 IO를 조정하는 최소 값(IRF)으로 설정될 것이다. 따라서, 마이크로-컨트롤러(80)가 정확히 작동되지 않는 경우, 과전압 임계값 REF_V 및 전류 제한 임계값 REF_I은 각각 최고 값으로 재설정될 것이다. 따라서, 제어 회로(100)에 의해 발생된 제어 신호 SX는 다음을 위해 이용된다:
(1) 과전압 조건이 제어 회로(100)에서 검출될 때, 과전압 보호;
(2) 스위칭 컨트롤러(300)에서 과전압 임계값(REF_V) 및 전류 제한 임계값(REF_I)을 설정하기 위한 통신;
(3) 제어 회로(100)이 적절이 작동되는 것을 보장하기 위한 스위칭 컨트롤러(300)에서의 타이머(420) 재설정; 다르게, 스위칭 컨트롤러(300)의 과전압 임계값(REF_V) 및 전류 제한 임계값(전류 참조 신호, REF_I)의 전력 변환기를 보호 및 조정하는 각각의 최소 값으로 재설정.
도 10은 본 발명에 따른 프로그래밍 가능한 회로(400)의 펄스-위치 조정 회로(500)의 실시예를 나타낸다. 펄스 위치 조정 회로(500)는 펄스-위치 조정으로 입력 신호를 위한 복조기(de-modulator)로서 작동한다. 펄스-위치 조정 회로(500)은 트랜지스터(510), 레지스터(511), 전류원(512), 커패시터(520), 비교기(530), 플립-플롭(570) 및 펄스 생성 회로(pulse generation circuit, 580)를 포함한다. 전류원(512)은 커패시터(520)를 충전한다. 펄스 신호 SPU는 트랜지스터(510) 및 레지스터(511)을 통해 커패시터(520)을 방전시키기 위해 결합된다. 경사 신호 SLP는 커패시터(510)을 거쳐 발생된다. 비교기(530)는 경사 신호 SLP가 임계값 VT2보다 크다면 높은 논리 레벨(logic-high level)을 가지는 데이터 신호 SD를 발생시킬 것이다. 데이터 신호 SD는 복조 신호 SM를 발생시키는 펄스 신호 SPU에 반응하여 플립-플롭(570)으로 래칭될(latched) 것이다. 플립-플롭(570)은 전력-온 재설정 신호 RST에 의해 재설정된다. 펄스 신호 SPU는 펄스 발생 회로(580)을 통해 동시화 신호 SYNC를 발생시키기 위해 더 결합된다.
도 11은 제어 신호 SX 및 SY, 경사 신호 SLP, 동기화 신호 STNC, 데이터 신호 SD 및 복조 신호 SM의 파형을 나타낸다. 파형은 복조 신호 SM가 제어 신호 SX의 펄스 위치에 따라 발생되는 것을 나타낸다.
도 12는 제어 신호 SX 및 SY, 재설정 신호 PSET, 및 보호 신호 PRT의 파형을 나타낸다. 재설정 신호 PSET는 제어 신호가 간격 TOT보다 길게 발생되지 않는 경우 발생될 것이다. 보호 신호 PRT는 제어 신호 SX의 펄스 폭이 간격 TOV보다 클 경우 발생될 것이다.
본 발명이 예시 및 바람직한 구체예로 기술되는 동안, 본 발명은 개시된 구체예로 제한되지 않는 것으로 이해될 것이다. 대조적으로, 본 발명은 다양한 변형 및 유사한 배열(기술에 숙련된 자에게 명백한대로)을 보호하는 것으로 의도된다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위는 이러한 모든 변형 및 유사한 배열을 포함하기 위하여 광범위한 설명을 허용할 것이다.

Claims (13)

  1. 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로로서,
    상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 출력 전압의 과전압 보호를 수행하기 위해 반사 신호(reflected signal)를 검출하도록 결합된 스위칭 컨트롤러(switching controller);와,
    상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 출력 전압을 생성시키기 위해 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호(voltage-reference signal)를 생성시키고, 상기 과전압 보호를 위해 상기 스위칭 컨트롤러의 과전압 임계값(over-voltage threshold)을 프로그래밍하도록 결합되는 제어 신호를 발생시키는 제어 회로; 및
    상기 제어 회로의 상기 제어 신호를 상기 스위칭 컨트롤러에 전달하기 위한 제 1 옵토-커플러(first opto-coupler)를 포함하며,
    상기 스위칭 컨트롤러는 상기 제어 신호와 상기 반사 신호에 따라서 상기 과전압 보호를 수행하며,
    상기 제어 회로는 상기 변압기의 2차 측에 있고,
    상기 스위칭 컨트롤러는 상기 변압기의 1차 측에 있으며; 그리고
    상기 제어 회로는 외부 장치와 통신을 위하여 통신 인터페이스를 가지는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스위칭 컨트롤러는 상기 변압기의 자기 소거 시간(demagnetizing time)에 반응하여 상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 출력 전류를 조정하기 위해 상기 변압기의 상기 반사 신호(reflected signal)를 검출하도록 결합되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호 및 상기 제어 신호를 프로그래밍하기 위한 마이크로-컨트롤러(micro-controller)를 더 포함하며,
    상기 제어 신호는 상기 제 1 옵토-커플러를 통하여 상기 스위칭 컨트롤러를 제어하도록 결합되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 상기 출력 전압을 검출하도록 결합된 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하며,
    상기 아날로그-디지털 변환기의 출력부는 상기 마이크로-컨트롤러에 결합되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 마이크로-컨트롤러는 프로그램 메모리 및 데이터 메모리를 포함하는 메모리 회로(memory circuit)를 가지는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 출력 전류를 조정하기 위해 상기 스위칭 컨트롤러에서 전류 제한 임계값(current limit threshold)을 제어하도록 결합된 상기 제어 신호를 발생시키는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 전력이 온(on)일 때, 상기 전류 제한 임계값 및 상기 과전압 임계값은 각각의 최소 값으로 재설정되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제어 신호가 제 시간에 발생하지 않는 경우, 상기 전류 제한 임계값 및 상기 과전압 임계값은 각각의 최소 값으로 재설정되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 신호는 펄스 위치 조정(pulse position modulation)에 의해 조정되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 전력이 온(on)일 때, 상기 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호는 초기 값으로 재설정되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 프로그래밍 가능한 전압-참조 신호 및 상기 출력 전압에 반응하여 피드백 신호를 발생시키기 위해 상기 출력 전압을 검출하도록 결합된 피드백 회로(feedback circuit)를 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 상기 출력 전압을 조정하기 위해 상기 피드백 신호를 상기 제어 회로로부터 상기 스위칭 컨트롤러에 전달하도록 결합된 제 2 옵토-커플러(opto-coupler)를 더 포함하는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 과전압 보호를 위해 프로그래밍 가능한 과전압 임계값(programmable over-voltage threshold)을 발생시키는 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter)를 더 포함하고,
    상기 피드백 회로는 상기 출력 전압과 상기 프로그래밍 가능한 과전압 임계값을 비교하여 상기 제어 신호를 발생시키도록 결합된 과전압 보호 회로(over-voltage protection circuit)를 포함하며,
    상기 프로그래밍 가능한 전력 변환기의 전력이 온(on)일 때, 상기 프로그래밍 가능한 과전압 임계값은 최소 값으로 재설정될 것이며,
    상기 제어 신호는 상기 스위칭 신호를 불능화하기 위해 과전압 신호를 발생시키도록 결합되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 피드백 회로는 상기 마이크로-컨트롤러로부터 제어 신호를 수신하기 위해 결합된 워치-독 타이머(watch-dog timer)를 포함하며,
    상기 제어 신호가 주기적인 시간으로 발생하지 않는 경우, 상기 워치-독 타이머는 방출 신호(expired signal)를 발생시키고,
    상기 프로그래밍 가능한 과전압 임계값은 상기 방출 신호에 반응하여 최소 값으로 재설정되는, 프로그래밍 가능한 전력 변환기를 제어하는 회로.
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