KR20160108228A - 니어 밸리 스위칭을 갖는 전원 공급장치 - Google Patents

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Abstract

니어 밸리 스위칭을 갖는 스위칭 모드 전원 공급장치는 준공진 컨버터를 포함한다. 컨버터는 밸리에서뿐만 아니라 밸리에 가까운 ΔtNVW의 윈도우 범위에서도 턴 온되는 스위치 요소를 포함하는데, 밸리에서 스위치 요소에 걸친 전압은 그의 최소치에 있다. 이것은 유리하게는 스위칭 손실을 감소시키고 효율과 주파수 변동 간의 균형을 유지한다.

Description

니어 밸리 스위칭을 갖는 전원 공급장치{POWER SUPPLY WITH NEAR VALLEY SWITCHING}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 3월 6일자로 출원된 미국 가출원 제62/129,546호의 이점을 주장하며, 이 출원은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 대체로 전기 회로들에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 준공진 컨버터(quasi-resonant converter)들에 관한 것이지만 배타적인 것은 아니다.
스위칭 모드 전원 공급장치(switched mode power supply, SMPS)는 교류(AC) 소스를 레귤레이팅된(regulated) DC 출력 전압으로 변환하기 위해, 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 스위치 요소("일차 스위치(primary switch)"라고도 알려짐)를 포함한다. 스위치 요소의 스위칭은 펄스 폭 변조(PWM) 또는 다른 제어 방식에 의해 제어될 수 있다. SMPS는 직류(DC) 전압을 다른 DC 전압으로 변형시키는 컨버터를 포함할 수 있다. 예를 들어, SMPS는 준공진 컨버터를 포함할 수 있다. 전형적인 준공진 컨버터에서, 스위칭 손실을 감소시키기 위해, 스위치 요소에 걸친 전압이 공진에서의 그의 최소치 - 이는 또한 "밸리(valley)"라고도 지칭됨 - 에 있을 때 스위치 요소는 턴 온된다.
전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제7,791,909호에는 MOSFET를 스위치 요소로서 사용하는 준공진 컨버터의 일례가 개시되어 있다. '909 특허에서, 스위치 요소로서 사용되는 MOSFET는 블랭킹 기간(blanking period)(TB) 동안 턴 온되는 것이 금지된다(예컨대, 도 1a 참조). 블랭킹 기간의 만료 후에, MOSFET의 드레인-소스 전압(VDS)의 밸리가 타임아웃 기간 내에서 검출될 때 MOSFET는 턴 온된다. MOSFET는 밸리가 타임아웃 기간 내에서 검출되지 않은 경우 강제로 턴 온된다. 이 경우에, MOSFET가 턴 온될 때 MOSFET에 걸친 잠재적으로 높은 VDS 전압 - 이는 또한 "하드 스위칭(hard switching)"이라고도 지칭됨 - 으로 인해 더 높은 스위칭 손실을 가질 수 있다.
'909 특허의 준공진 컨버터의 기본 동작은 도 1a 내지 도 1d에 예시되어 있다. 도 1a 내지 도 1d에서, 전류 IDS는 MOSFET의 드레인-소스 전류이고, VDS는 MOSFET의 드레인-소스 전압이고, TB는 블랭킹 기간이고, TS는 스위칭 시간이고, TW는 대기 기간이고, TSMAX는 타임아웃 기간이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, MOSFET가 턴 오프된 후에, 블랭킹 기간의 만료 후에 밸리가 검출될 때까지 MOSFET는 턴 온되지 않는다. 도 1b는 하나의 공진 사이클 후의 대기 기간 동안 밸리가 검출되는 시나리오를 예시하고, 도 1c는 제1 공진 사이클 내의 대기 기간 동안 밸리가 검출되는 시나리오를 예시한다. 도 1d는 대기 기간 내에서 밸리가 검출되지 않은 시나리오를 예시한다. 그러한 시나리오에서, MOSFET는 타임아웃 기간의 만료 후에 강제로 턴 온된다.
도 2는 '909 특허에서와 같이 밸리 스위칭을 갖는 준공진 컨버터들(곡선(210) 참조) 및 밸리 스위칭을 갖는 다른 준공진 컨버터들(곡선(220) 참조)에서의 스위칭 주파수 대 출력 전력의 플롯들을 도시한다. 도 2의 예에서, 지점들 A, B, C 및 D는 각각 도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d의 시나리오들에 대응한다. 밸리가 검출되는 시기에 따른 스위칭 주파수에서의 변동에 유의해야 한다.
밸리 스위칭을 보장하기 위해, 타임아웃 기간은 블랭킹 기간 + 공진 링 기간(resonance ring period)보다 더 길어야 한다. 즉,
TSMAX> TB + TRING
여기서, TSMAX는 타임아웃 기간이고, TB는 블랭킹 기간이고, TRING은 공진 링 기간이다. 이것은 비교적 넓은 주파수 변동을 초래하는데(도 2 참조), 이는 제한된 스위칭 주파수 범위를 필요로 하는 응용들에서는 바람직하지 않다. 그 외에, MOSFET는 타임아웃 기간이 만료될 때에 강제로 턴 온되어서, 이로써 하드 스위칭 및 더 큰 스위칭 손실을 야기한다.
일 실시예에서, 니어 밸리 스위칭(near valley switching)을 갖는 스위칭 모드 전원 공급장치는 준공진 컨버터를 포함한다. 컨버터는 밸리에서뿐만 아니라 밸리에 가까운 ΔtNVW의 윈도우 범위("니어 밸리(near valley)"라고도 지칭됨)에서도 턴 온되는 스위치 요소를 포함하므로, - 밸리에서 스위치 요소에 걸친 전압은 그의 최소치에 있음 - 스위칭 손실을 감소시키고 밸리 스위칭에 의해 야기되는 주파수 변동과 효율 간의 균형을 유지시킨다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 첨부 도면 및 청구범위를 포함하는 본 개시내용 전체를 읽을 시 당업자들에게 손쉽게 명백해질 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 밸리 스위칭을 갖는 준공진 컨버터의 기본 동작을 예시하는 파형들을 도시한다.
도 2는 밸리 스위칭을 갖는 준공진 컨버터들에서의 스위칭 주파수 대 출력 전력의 플롯들을 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 준공진 컨버터의 스위치 요소에 걸친 전압의 파형들을 도시한다.
도 5는 밸리 스위칭 대 니어 밸리 스위칭을 비교하는 예시적인 계산들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 니어 밸리 스위칭을 갖는 SMPS를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 SMPS의 노드들의 파형들을 도시한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 SMPS의 예시적인 동작들의 파형들을 도시한다.
상이한 도면들 내의 동일한 참조 레이블의 사용은 동일하거나 유사한 컴포넌트들을 나타낸다.
본 개시내용에서는, 본 발명의 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해, 전기 회로들, 컴포넌트들, 및 방법들의 예들과 같은 수많은 특정 상세사항들이 제공된다. 그러나, 당업자들은 본 발명이 특정 상세사항들 중 하나 이상이 없이도 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 경우들에 있어서, 주지되어 있는 상세사항들은 본 발명의 태양들을 이해하기 어렵게 하는 것을 피하기 위해 도시되지 않거나 기술되지 않는다.
고정된 주파수 스위칭 또는 하드 스위칭은 SMPS의 스위치 요소로서 채용되는 MOSFET에 걸친 잠재적으로 높은 VDS 전압으로 인해 높은 스위칭 손실을 갖는다. 순수 밸리 스위칭(본 명세서에서 "밸리 스위칭"이라고도 지칭됨)은 MOSFET에 걸친 VDS 전압의 최소치에서 MOSFET를 턴 온함으로써 스위칭 손실을 감소시키지만, 다양한 공진 링 기간으로 인해 스위칭 주파수에서의 큰 변동을 겪고 있다. 시스템 스위칭 주파수 대역 제한으로 인해, 효율과 주파수 변동 간의 균형을 유지하기 위해, 이제 기술되는 니어 밸리 스위칭과 같은 새로운 접근법이 필요한다.
본 발명의 실시예들은 니어 밸리 스위칭을 갖는 SMPS에 관련된다. 스위치 요소에 걸친 전압이 공진에서의 그의 최소치에 있는 밸리에서만 스위치 요소를 턴 온하는 대신에, 본 발명의 실시예들은 밸리에서뿐만 아니라 밸리 근처의 시점들에서도 스위치 요소를 턴 온하는 것을 허용한다. 예를 들어, 스위치 요소는 니어 밸리 검출 윈도우에 관하여 블랭킹 기간이 끝나는 시기에 기초하여 공진에서 턴 온될 수 있다. 니어 밸리 검출 윈도우는 유리하게는 스위치 요소에 걸친 전압의 하강세(downswing) 또는 상승세(upswing) 중 어느 하나에서 스위치 요소가 턴 온될 수 있게 하여, 블랭킹 기간 후에 스위치 요소를 턴 온하는 더 많은 기회를 허용하여서 이로써 타임아웃 기간의 만료 시에 스위치 요소가 강제로 턴 온되는 시나리오를 방지한다. 니어 밸리 스위칭은 도 3에서 시작하여 추가로 설명된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 준공진 컨버터의 스위치 요소에 걸친 전압의 파형을 도시한다. 도 3의 예에서, 곡선(251)은 MOSFET를 포함하는 스위치 요소의 드레인-소스 전압(VDS)의 파형이다. (밸리 스위칭에서와 같이) 밸리에서만 MOSFET를 턴 온하는 대신에, MOSFET는 또한 본 명세서에서 "니어 밸리 윈도우" ΔtNVW라고 지칭되는 기간 동안 턴 온하도록 허용되는데, "니어 밸리 윈도우" ΔtNVW는 VDS 전압의 하강세 또는 상승세 중 어느 하나에서, VDS 전압의 밸리 지점에 가깝도록 구성된다. 일 실시예에서, 스위칭 손실을 감소시키기 위해, 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW는 VDS 전압의 밸리 지점 부근에 또는 입력 전압(VIN)에 관하여 VDS 공진 링의 음의 1/2 사이클 내에 있도록 구성되어야 한다.
니어 밸리 스위칭은 블랭킹 기간이 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW에 관하여 만료되는 시기에 기초하여 허용될 수 있다. 예를 들어, MOSFET는 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 내에서 끝나는 즉시 턴 온될 수 있다. 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 밖에서(즉, 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 후에) 끝나는 경우, MOSFET는 다음 허용된 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW에서 또는 대기 기간(TW)의 끝에서 턴 온될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 준공진 컨버터의 스위치 요소에 걸친 전압의 다른 파형을 도시한다. 도 4의 예에서, 곡선(301)은 MOSFET를 포함하는 스위치 요소의 드레인-소스 전압(VDS)의 파형이다. 준공진 컨버터에서, MOSFET는 변압기의 일차 권선(primary winding)에 결합된다. MOSFET가 턴 오프될 때, 그의 드레인-소스 전압은 일차 권선의 인덕턴스 및 MOSFET(또는 일부 다른 커패시터)의 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)에 의해 형성되는 공진 회로에 의해 좌우되는 공진 주파수에서 공진한다. 도 4의 예에서, 드레인-소스 전압(VDS)의 피크는 입력 전압(VIN) + 반영된 출력 전압(VO)(즉, nVO, 여기서 n은 변압기의 턴 비(turn ratio)임)에 대응한다. 곡선(301)의 정현파 부분들은 MOSFET가 턴 오프된 후에 공진에서의 드레인-소스 전압(VDS)을 나타낸다.
도 4의 예에서, 밸리(302)는 MOSFET가 턴 오프된 후에 공진에서의 밸리이다. 밸리(302)는 공진에서의 MOSFET의 드레인-소스 전압의 최소값이다. 또한, 도 4에는 밸리(302)를 나타내는 곡선(301)의 부분의 확대된 버전이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 니어 밸리 스위칭은 밸리(302) 근처의 시점에서 MOSFET를 턴 온하는 것을 수반한다. 즉, MOSFET는 밸리에서뿐만 아니라 밸리로부터 수 라디안(radian) 내에서도 턴 온될 수 있다. 예를 들어, MOSFET는 밸리로부터 DE 라디안에서, 예를 들면 밸리로부터 0, 1/6π 또는 2/6π 라디안에서 턴 온될 수 있다.
종래의 준공진 컨버터들에서, 밸리 스위칭은 전형적으로 스위칭 손실을 최소화하도록 수행된다. 그러나, 밸리 근처에서의 스위칭은 현저한 스위칭 손실을 조금은 초래하지 않는다. 즉, 니어 밸리 스위칭으로부터 발생하는 스위칭 손실은 밸리 스위칭에 비교해서 별로 크지 않다. 따라서, 니어 밸리 스위칭은 스위치 요소의 스위칭 주파수 범위에 대한 엄격한 제한이 있을 때 실행가능한 설계 옵션이다.
도 5는 밸리 스위칭의 스위칭 손실 대 니어 밸리 스위칭의 스위칭 손실을 비교하는 예시적인 계산들을 도시한다. 도 5의 예는, 밸리 스위칭, 즉, DE=0(계산 블록(401)), DE= π/6 라디안을 이용한 니어 밸리 스위칭(계산 블록(402)), 및 DE= π2/6 라디안을 이용한 니어 밸리 스위칭(계산 블록(403))에 대해, VIN=370V 및 nVO=70에서의 전력 손실 계산을 도시한다. 계산 블록들(401, 403, 402)에 대해 각각 0.646, 0.66 및 0.7인 결과적인 전력 손실 비들은, 니어 밸리 스위칭을 통한 스위칭 손실이 밸리 스위칭의 스위칭 손실과 필적한다는 것을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 니어 밸리 스위칭을 갖는 SMPS(600)를 도시한다. 도 7은 SMPS(600)의 주요 노드들 상에서의 예시적인 파형들을 도시한다. 도 6은 도 7의 파형들과 협력하여 가장 잘 이해되는데, 도 7은, 위에서 아래로, 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전압(VDS)의 파형(곡선(651)), 보조 권선(L3) 상의 보조 전압(VAUX)의 파형(곡선(652)), NVD 핀 상의 클램핑된 전압의 파형(곡선(653)), NVD 핀을 통해 흐르는 INVD 전류의 파형(곡선(654)), 저항(RNVD2) 상의 VNVD 전압의 파형(곡선(655)), 및 영점 교차(zero-crossing) 검출 회로(512)로부터의 영점 교차 표시 신호(VZC)의 파형(곡선(656))을 도시한다.
도 6의 예에서, SMPS(600)는 AC 라인 전압을 수신한다. 정류기 회로(522) 및 입력 커패시터(C1)는 변압기(T1)의 일차 권선(L1)의 노드 상에서 입력 전압(VIN)을 발현한다. 트랜지스터(M1) 형태의 스위치 요소(예컨대, MOSFET)가 일차 권선(L1)을 접지와 접속 및 접속해제하여 변압기(T1)의 이차 권선(L2) 측 상의 부하에 대한 출력 전압(VO)을 발현한다. 트랜지스터(M1)는 또한 "일차 스위치"라고도 지칭된다.
도 6의 예에서, 제어기 집적회로(IC)(510)(또는 일부 이산 제어기)가, 예컨대 PWM에 의해 트랜지스터(M1)의 스위칭 동작을 제어하여, 출력 전압(VO)을 발현한다. 도 6의 예에서, 제어기 IC(510)는 니어 밸리 스위칭을 갖는 준공진 컨버터를 구현하는데, 여기서 공진 회로는 일차 권선(L1)의 인덕턴스 및 트랜지스터(M1)의 드레인에서의 집중형(lumped) 기생 커패시턴스에 의해 형성된다. 제어기(510)는 보조 전압(VAUX)을 수신하기 위한 NVD 핀, 피드백 전압을 수신하기 위한 FB 핀, 공급 전압을 수신하기 위한 VCC 핀, 및 트랜지스터(M1)의 게이트에 결합되는 GATE 핀을 포함할 수 있다.
도 6의 예에서, 제어기 IC(510)는 저항(RSENSE) 상의 드레인-소스 전류(IDS)에 의해 발현되는 감지 전압(VSENSE)으로부터 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전류(IDS)를 감지한다. 제어기 IC(510)는 이차측 상의 포토 다이오드(503)와 함께 광커플러(optocoupler)를 형성하는 포토 트랜지스터(504)를 통해 출력 전압(VO)을 나타내는 피드백 신호를 FB 핀에서 수신할 수 있다. 비교기(516)는 감지 전압(VSENSE)을 피드백 신호로부터 발현되는 피드백 전압과 비교하여 트랜지스터(M1)를 턴 오프하는 시기를 결정한다.
변압기(T1)는 보조 전압(VAUX)을 발현하기 위한 일차측 상의 보조 권선(L3)을 추가로 포함한다. 내부 바이어스 회로는 보조 전압(VAUX)으로부터 내부 공급 전압을 생성할 수 있다. 일차 권선(L1)에 걸친 전압은, 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전압으로부터 입력 전압(VIN)을 감산함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 보조 전압(VAUX)은 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전압을 나타낸다(도 7 상의 VAUX 및 VDS 참조). NVD 핀에서의 대응하는 전압은 보조 전압(VAUX)으로부터 발현될 수 있고, 보조 전압(VAUX)이 음일 때 0V에서 비교기(601)를 포함하는 클램핑 회로에 의해 클램핑될 수 있다. 전류 미러(602) 및 저항(RNVD2)을 포함하는 복제 회로(replica circuit)는 클램핑된 전압이 제어기 IC(510) 내에서 복제될 수 있게 한다. 보다 구체적으로, 전류 미러(602)는 0V의 클램핑된 전압 및 음의 보조 전압(VAUX)으로부터 생성되는 전류를 반영하여 저항(RNVD2) 상의 전압(VNVD)을 생성하는데, 전압(VNVD)은 영점 교차 검출 회로(512)에 입력된다. 전압(VNVD)은 NVD 핀에서의 전압의 복제물이다.
도 6의 예에서, 영점 교차 검출 회로(512)는 전압(VNVD)을 기준 임계 전압(VTH)과 비교하여 기준 임계 전압(VTH)에 관하여 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전압의 영점 교차를 검출한다. 일 실시예에서, 영점 교차 검출 회로(512)는 트랜지스터(M1)의 VDS 공진 전압이 입력 전압(VIN)에 관하여 양의 1/2 사이클 상에 있는지 또는 음의 1/2 사이클 상에 있는지에 기초하여 영점 교차 표시 신호(VZC)를 생성한다. 도 6의 예에서, 영점 교차 표시 신호(VZC)는 VDS 공진 전압이 음의 1/2 사이클 상에 있을 때 하이(high)이고, 영점 교차 표시 신호(VZC)는 VDS 공진 전압이 양의 1/2 사이클 상에 있을 때 로우(low)이다(도 7 상의 VZC 참조). 도 6의 예에서, 원-샷 회로(one-shot circuit)(521)는 영점 교차 표시 신호(VZC)의 상승 에지 상에서 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 펄스를 생성하도록 작동된다.
도 6의 예에서, 제어기 IC(510)는 트랜지스터(M1)의 게이트를 구동하는 게이트 구동기(513)를 포함한다. 트랜지스터(M1)가 그의 게이트 전압에 의해 나타내는 바와 같이 턴 오프될 때, 원-샷 회로(514)는 블랭킹 기간(TB)에 대응하는 펄스를 생성한다. 발진기 회로(511)는 블랭킹 기간 동안 트랜지스터(M1)를 턴 온하기 위한 단펄스(short pulse)를 전송하지 않는다. 블랭킹 기간의 만료에 응답하여, 원-샷 회로(515)는 타임아웃 전에 대기 기간(TW)에 대응하는 다른 펄스를 생성한다. 대기 기간(TW)은 또한 시스템-허용된 스위칭 주파수 범위라고도 지칭된다. 발진기 회로(511)는 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 내에서 만료되는 순간에 또는 대기 기간(TW)의 만료 시에 전파 지연(TPD)(도 8 및 도 9 참조) 후의 트랜지스터(M1)를 턴 온하기 위해 단펄스를 생성한다.
도 6의 예에서, 발진기 회로(511)는 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 펄스가 하이인, 즉 어서트되는(asserted) 시기에 블랭킹 기간(TB) 펄스의 하강 에지가 발생할 때 트랜지스터(M1)를 턴 온하기 위해 단펄스를 생성한다. 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 펄스가 로우인 시기에 블랭킹 기간(TB) 펄스의 하강 에지가 발생할 때, 발진기 회로(511)는 다음 허용된 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW에서 또는 대기 기간(TW)의 끝에서 - 어느 쪽이 먼저 발생하든 - 트랜지스터(M1)를 턴 온하기 위해 단펄스를 생성한다.
도 8은 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 내에서 끝나는 경우에 SMPS(600)의 파형들을 도시한다. 도 8은, 위에서 아래로, 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전압(VDS)의 파형(곡선(671)), 영점 교차 표시 신호(VZC)의 파형(곡선(672)), 원-샷 회로(521)의 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 펄스 출력의 파형(곡선(673)), 원-샷 회로(514)의 블랭킹 기간(TB) 펄스 출력의 파형(곡선(674)), 트랜지스터(M1)의 게이트 상의 전압의 파형(곡선(675)), 및 원-샷 회로(515)의 대기 기간(TW) 펄스의 파형(곡선(676))을 도시한다.
도 8의 예에서, 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW는 영점 교차 표시 신호(VZC)의 상승 에지에서 시작된다. 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 내에서 끝날 때, 트랜지스터(M1)의 게이트(곡선(673))는 전파 지연(TPD) 직후에 트랜지스터(M1)가 턴 온될 수 있게 하기 위해 어서트된다. 이 예에서, 허용된 게이트 스위칭 윈도우는 그리하여 전파 지연(TPD)의 추가로 허용된 니어 밸리 스위칭 윈도우 ΔtNVW인데, 이는 드레인-소스 전압(VDS)의 실제 밸리에 가깝다.
도 9는 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 밖에서, 즉, 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 후에 끝나는 경우에 SMPS(600)의 파형들을 도시한다. 도 9는, 위에서 아래로, 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전압(VDS)의 파형(곡선(671)), 영점 교차 표시 신호(VZC)의 파형(곡선(672)), 원-샷 회로(521)의 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW 펄스 출력의 파형(곡선(673)), 원-샷 회로(514)의 블랭킹 기간(TB) 펄스 출력의 파형(곡선(674)), 트랜지스터(M1)의 게이트 상의 전압의 파형(곡선(675)), 및 원-샷 회로(515)의 대기 기간(TW) 펄스의 파형(곡선(676))을 도시한다. 도 9의 경우에, 트랜지스터(M1)의 게이트는 다음 허용된 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW에서 또는 대기 기간(TW)의 끝에서 트랜지스터(M1)를 턴 온하기 위해 어서트될 수 있다. 일 실시예에서, 니어 밸리 윈도우 ΔtNVW의 폭은 하기 식을 만족시킴으로써 최적화될 수 있다:
ΔtNVW + TW > TRING
여기서 TRING은 공진 링 기간이다. 따라서, 트랜지스터(M1)는 항상, TW의 허용된 스위칭 주파수 범위에서, 니어 밸리 또는 밸리 가까이에서 턴 온될 것이다.
전술한 것로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 블랭킹 기간(TB) 후에 시작되는 대기 기간(TW)의 제한 허용된 스위칭 주파수 범위를 갖는 준공진 컨버터를 포함하지만 이로 한정되지 않는 지금까지 실현되지 않은 많은 특징들을 포함하고; 스위칭은 대기 기간(TW) 내에서 허용되는데, 일차 스위치의 드레인-소스 공진 전압의 밸리에서뿐만 아니라 밸리 부근의 하강세 또는 상승세 중 어느 하나에서 밸리에 가까운 윈도우 범위(즉, 니어 밸리 윈도우) 내에서 허용되고; 스위칭은 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 내에서 끝나는 경우 블랭킹 기간(TB) 후의 전파 지연(TPD) 직후에 허용되고; 스위칭은 블랭킹 기간(TB)이 니어 밸리 윈도우 밖에서 끝나는 경우 전파 지연(TPD) 후에 니어 밸리 윈도우의 시작에서 허용되고; 스위칭은 대기 기간(TW)의 끝에서 강제로 이루어지고; 스위칭은 하강세 영점 교차에서 드레인-소스 공진 전압을 검출한 후에 니어 밸리 윈도우 시작을 인에이블함으로써 일차 스위치의 드레인-소스 공진 전압의 음의 1/2 사이클에서 제어되고; 영점 교차는 드레인-소스 공진 전압의 복제물을 기준 임계치와 비교함으로써 검출된다.
니어 밸리 스위칭을 갖는 전원 공급장치들이 개시되어 있다. 본 발명의 특정 실시예들이 제공되었지만, 이러한 실시예들은 예시 목적을 위한 것이고 제한하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 본 개시내용을 읽은 당업자들에게는 많은 추가 실시예들이 명백해질 것이다.

Claims (20)

  1. 전기 회로로서,
    입력 전압에 관하여 변압기의 일차 권선에 결합되는 금속 산화물 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 드레인-소스 공진 전압의 영점 교차(zero-crossing)를 검출하도록, 상기 MOSFET의 상기 드레인-소스 공진 전압의 상기 영점 교차를 검출하는 것에 응답하여 니어 밸리 윈도우 기간(near valley window time period)의 발생을 표시하는 신호를 생성하도록, 그리고 상기 MOSFET가 턴 온되는 것이 금지되는 블랭킹 기간(blanking period)이 상기 니어 밸리 윈도우 기간 내에서 끝날 때 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안의 시간 범위 내에서 상기 MOSFET를 턴 온하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 전기 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 블랭킹 기간이 상기 니어 밸리 윈도우 기간 밖에서 끝날 때 다음 니어 밸리 윈도우 기간에서 또는 대기 기간의 끝에서 상기 MOSFET를 턴 온하도록 구성되는, 전기 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안이지만 상기 MOSFET의 상기 드레인-소스 공진 전압이 그의 최소 전압에 도달하기 전에 상기 MOSFET를 턴 온하는, 전기 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안이지만 상기 MOSFET의 상기 드레인-소스 공진 전압이 그의 최소 전압에 도달한 후에 상기 MOSFET를 턴 온하는, 전기 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 MOSFET의 감지된 드레인-소스 전압을 클램핑하여 클램핑된 전압을 생성하도록 구성되는 클램핑 회로;
    상기 제어기 내에서 상기 클램핑된 전압의 복제물을 생성하는 복제 회로; 및
    상기 클램핑된 전압의 복제물로부터 상기 MOSFET의 상기 드레인-소스 공진 전압의 상기 영점 교차를 검출하는 영점 교차 검출 회로를 포함하는, 전기 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 MOSFET의 상기 드레인-소스 공진 전압은, 상기 MOSFET가 턴 오프될 때의 상기 변압기의 상기 일차 권선의 인덕턴스와 함께 커패시턴스가 공진할 때 생성되는, 전기 회로.
  7. 제5항에 있어서, 커패시턴스는 상기 MOSFET의 드레인에서의 집중형 기생 커패시턴스(lumped parasitic capacitance)를 포함하는, 전기 회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 MOSFET의 상기 드레인-소스 공진 전압의 상기 영점 교차를 검출하는 것에 응답하여 상기 니어 밸리 윈도우 기간의 발생을 표시하는 상기 신호를 생성하는 원-샷 회로(one-shot circuit)를 포함하는, 전기 회로.
  9. 방법으로서,
    공진에서의 일차 스위치의 드레인-소스 공진 전압을 감지하는 단계 - 상기 일차 스위치는, 상기 일차 스위치가 턴 오프될 때 상기 일차 스위치가 결합되는 변압기의 일차 권선의 인덕턴스가 커패시턴스와 함께 공진할 때의 공진에 있음 -;
    입력 전압에 관하여 상기 일차 스위치의 상기 드레인-소스 공진 전압의 음의 1/2 사이클 동안 발생하는 니어 밸리 윈도우 기간 동안의 시간 범위 내에서 상기 일차 스위치가 턴 온될 수 있게 하는 단계; 및
    상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안 상기 일차 스위치를 턴 온하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 일차 스위치가 턴 온되는 것이 방지되는 블랭킹 기간이 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안에 끝날 때 상기 일차 스위치는 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안 턴 온되는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 일차 스위치가 턴 온되는 것이 방지되는 블랭킹 기간이 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안에 끝나지 않고 대기 기간이 만료될 때 상기 니어 밸리 기간 밖에서 상기 일차 스위치를 턴 온하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 공진에서의 일차 스위치의 드레인-소스 공진 전압을 감지하는 단계는,
    상기 변압기의 보조 권선에서의 보조 전압을 검출하는 단계;
    상기 보조 전압을 클램핑하여 클램핑된 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 클램핑된 전압으로부터 상기 일차 스위치의 상기 드레인-소스 공진 전압의 영점 교차를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 일차 스위치의 상기 드레인-소스 공진 전압의 상기 영점 교차의 검출에 응답하여 상기 니어 밸리 윈도우 기간을 개시하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 일차 스위치는 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함하고, 상기 커패시턴스는 상기 MOSFET의 드레인에 있는, 방법.
  15. 스위칭 모드 전원 공급장치(switched mode power supply)로서,
    일차 권선 및 이차 권선을 갖는 변압기;
    상기 일차 권선에 결합되는 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터; 및
    상기 일차 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 상기 일차 권선을 입력 전압에 결합 및 결합해제하도록, 공진에서의 상기 MOS 트랜지스터의 드레인-소스 공진 전압을 검출하도록, 상기 드레인-소스 공진 전압의 영점 교차에 응답하여 니어 밸리 윈도우 기간을 시작하도록, 그리고 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안의 시간 범위 내에서 상기 MOS 트랜지스터가 턴 온될 수 있게 하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 전원 공급장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 MOS 트랜지스터는 MOSFET인, 전원 공급장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 MOS 트랜지스터가 턴 온되는 것이 방지되는 블랭킹 기간이 상기 니어 밸리 윈도우 기간 동안에 끝날 때 상기 MOS 트랜지스터를 턴 온하도록 구성되는, 전원 공급장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어기는 상기 블랭킹 기간이 상기 니어 밸리 윈도우 기간 밖에서 끝날 때 다음 니어 밸리 윈도우 기간에서 상기 MOS 트랜지스터를 턴 온하도록 구성되는, 전원 공급장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제어기는 상기 블랭킹 기간이 상기 니어 밸리 윈도우 기간 밖에서 끝날 때 대기 기간의 끝에서 상기 MOS 트랜지스터를 턴 온하도록 구성되는, 전원 공급장치.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 집적회로(IC)이고,
    상기 MOSFET의 감지된 드레인-소스 공진 전압을 클램핑하여 클램핑된 전압을 생성하도록 구성되는 클램핑 회로;
    상기 제어기 내부에서 상기 클램핑된 전압의 복제물을 생성하는 복제 회로; 및
    상기 클램핑된 전압의 복제물로부터 상기 MOS 트랜지스터의 상기 드레인-소스 공진 전압의 상기 영점 교차를 검출하는 영점 교차 검출 회로를 포함하는, 전원 공급장치.
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