KR20180054275A - 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류전원변환장치에 전기적으로 연결되는 제1연결부, 부하에 전기적으로 연결되는 제2연결부, 상기 제1연결부로부터 공급되는 직류전압전원을 배터리에 충전하는 충전부, 배터리로부터 출력되는 직류전원을 방전시켜 부하로 공급하는 방전부, 제1연결부 또는 방전부중 어느 하나를 제2연결부에 전기적으로 연결시키는 절체부 및 상기 절체부에 의하여 방전부와 제2연결부가 연결되었을 경우, 상기 방전부로부터 부하로 출력되는 출력전압을 감지하고 미리 설정된 기준 전압과 비교하여 그 오차를 보상하는 PWM 제어신호를 방전부로 출력하도록 제어하는 제어부를 포함하는 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 독립적인 제어부를 부가한 무정전 직류전원장치는 아날로그 회로만으로 구성된 충전부, 방전부의 출력전압을 더욱 정밀하게 제어함으로써 배터리로 출력되는 충전전압 조정 및 부하에 출력되는 방전전압 조정을 자동으로 조정할 수 있다.

Description

출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치{DIRECT CURRENT UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY SYSTEM FOR STABILIZING OUTPUT VOLTAGE}
본 발명은 무정전 직류전원장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 레귤에이터에 제어명령을 인가하여 출력전압을 일정하게 유지할 수 있는 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치에 관한 것이다.
무정전 전원공급장치란 정전이나 순간적인 전력의 불안정시 생산 설비 장비에 안정적인 전력을 공급하는 장치로서, 충전회로를 통해 입력 전원으로부터 여분의 전기 에너지를 에너지 저장소자에 저장하였다가 정전 혹은 순간적인 전력의 불안정시 제어회로의 제어하에 상기 에너지 저장소자에 저장된 전기 에너지를 방전회로를 통해 출력부하에 전력을 공급하는 장치이다.
무정전 전원공급장치는 교류 전원 보상 방식과 직류전원 보상 방식으로 구분할 수 있다. 교류 전원 보상 방식이란 교류 전원으로부터의 교류 입력을 변압기와 AC/DC 컨버터를 이용하여 특정 전압을 가진 직류로 변환시켜 에너지 저장소자에 여분의 전기 에너지를 저장하고, 정전이나 순간적인 전력 불안정시 에너지 저장소에로부터의 직류 입력을 DC/AC 인버터를 이용하여 교류로 전환하여 교류 전원으로부터 공급되는 교류 입력과 동일한 교류를 출력부하에 공급하는 장치이다. 이 방식은 교류 전원으로부터의 교류 입력과 동일한 전원을 공급할 수 있기 때문에 하나의 무정전 전원공급장치로 동시에 다수의 출력부하에 대해 전원 보상이 가능하고, 또한 교류 전원을 사용하는 모터 등의 다양한 출력 부하에게 전원 보상이 가능하다는 장점을 지닌다. 하지만 교류 전원 보상 방식은 변압기, AC/DC 인버터 등 장치 구성에 필요한 회로 소자들이 부피 및 중량이 크며, 또한 DC/AC 인버터에서 발생하는 에너지 손실로 인해 에너지 효율이 낮아 요구되는 전기화학 캐패시터의 부피 및 중량이 크다는 문제점을 가진다.
반면, 직류전원 보상 방식이란 직류전원으로부터의 여분의 직류에너지를 에너지 저장소자에 저장하고, 정전 혹은 순간 전압 강하와 같은 입력 직류전원의 불안정시 상기 에너지 저장소자에 에너지를 직류 전압을 요구하는 전자 장비에 공급하는 장치이다. 직류전원 보상 방식은 교류 전원 보상 방식에 비해 회로 구성이 간단하기 때문에 설비가 용이하고, 소형화 및 경량화에 유리하다는 장점을 가진다.
직류전원 보상용 무정전 전원공급장치는 직류전원에 직렬로 연결된 DC/DC 컨버터를 방전회로로 사용한다. 이럴 경우 간단한 회로 구성이 가능하기 때문에 적은 부피 및 중량으로 무정전 전원공급장치의 구성이 가능해진다. 그러나 이러한 회로 구성은 DC/DC 컨버터의 연속 사용을 기본으로 하기 때문에 자체적인 열화가 진행된다. 더 나아가, 출력부하의 순간 과부하에 의해, DC/DC 컨버터에 전기적 충격이 가해질 수 있으며, 이것은 내부 소자의 고장을 유발시킬 수 있다. 따라서, 상기한 무정전 전원공급장치는 순간 과부하 등에 의해 안정적인 전력공급에 저해될 수 있고, 이것은 전력보상의 신뢰성을 감소시킨다.
이러한 문제점을 해결하는 방안으로 일본공개특허공보 제2002-199619호는 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치를 개시하고 있다. 상기 특허에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치는 충전회로를 통해 전기화학 캐패시터에 전기 에너지를 저장하고, 전원 출력 감지 회로 및 제어회로를 통해 입력 전원의 정전시에만 DC/DC 컨버터를 작동시키는 것을 특징으로 한다. 그러나 이러한 회로 구성은 입력 전원의 불안정성에 초점을 맞추어 DC/DC 컨버터를 제어하기 때문에, 순간 과부하 혹은 출력 부하 변동 또는 스위칭 레귤레이터 자체에서 출력전압을 정밀하게 제어함에 따랄 발생하는 출력전압의 불안정성을 해결하기에는 미흡하다.
1. 일본공개특허공보 제2002-199619호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스위칭 레귤에이터에 제어명령을 인가하여 출력전압을 일정하게 유지할 수 있는 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 입력전압 변화에 따른 충전회로를 제어하여 충전전압 안정화 및 설정한 전압에 따라 방전회로 피드백을 제어하여 방전전압을 조절하여 부하에 출력되는 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예인 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치는 직류전원변환장치에 전기적으로 연결되는 제1연결부, 부하에 전기적으로 연결되는 제2연결부, 상기 제1연결부로부터 공급되는 직류전압전원을 배터리에 충전하는 충전부, 배터리로부터 출력되는 직류전원을 방전시켜 부하로 공급하는 방전부, 제1연결부 또는 방전부중 어느 하나를 제2연결부에 전기적으로 연결시키는 절체부 및 상기 절체부에 의하여 방전부와 제2연결부가 연결되었을 경우, 상기 방전부로부터 부하로 출력되는 출력전압을 감지하고 미리 설정된 기준 전압과 비교하여 그 오차를 보상하는 PWM 제어신호를 방전부로 출력하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제어부는 방전부로부터 부하로 인가되는 출력전압을 검출하여 피드백 전압을 오차생성부로 출력하는 전압감지부, 상기 피드백 전압과 미리 설정된 기준전압과의 차이를 생성하는 오차생성부 및 상기 오차 생성부에서 생성된 전압차에 해당하는 PWM 제어신호를 방전부로 출력하는 방전조정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제어부는 상기 절체부에 의하여 제1연결부와 제2연결부가 연결되었을 경우, 상기 충전부로부터 배터리로 출력되는 출력전압을 감지하고 미리 설정된 기준 전압과 비교하여 그 오차를 보상하는 PWM 제어신호를 충전부로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 독립적인 제어부를 부가한 무정전 직류전원장치는 아날로그 회로만으로 구성된 충전부, 방전부의 출력전압을 더욱 정밀하게 제어함으로써 배터리로 출력되는 충전전압 조정 및 부하에 출력되는 방전전압 조정을 자동으로 조정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 제외한 무정전 직류전원장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 이 실시예에 따른 무정전 직류정원장치의 부하연결 상태에 따라 발생하는 상황들에 따른 제2견결부의 인가되는 전압, 비교부의 출력전압, 릴레이의 동작 상태를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치의 제어부를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 온/오프에 따른 제어부의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치의 블록 구성도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 무정전 직류전원장치(1000)는 제1연결부(5), 충전부(23), 배터리부(50), 방전부(27), 절체부(22), 제2연결부(7) 및 제어부(110)를 포함할 수 있다. 먼저 제어부(110)를 제외한 무정전 전원장치의 동작에 대하여는 도 2를 통하여 설명하고, 전압안정화를 위하여 부가되는 제어부(110)는 도 4를 통하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 제외한 무정전 직류전원장치의 회로도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 제어부(110)를 제외한 무정전 전원장치(1000)은 제1연결부(5), 제2연결부(7), 배터리(50) 및 무정전 제어부를 포함할 수 있다. 상기 무정전 제어부는 충전부(23), 배터리부(50), 방전부(27), 절체부(22)를 제어하는 동작을 수행하며, 디지털 연산처리장치인 마이크로프로세서(CPU)를 포함하지 않는 아날로그 회로(IC칩, 저항, 비교기, 콘덴서 등)만으로 구성될 수 있다.
도 2를 참고하면, 제1연결부(5)는 상용 교류(AC:Alternating current) 전원을 직류(DC:Direct current)전원으로 변환하는 직류전원변환장치(1)에 전기적으로 연결된다. 이때 직류변환장치(1)는 플러그(plug)를 구비하며 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 플러그를 통해 제1연결부(5)로 공급하는 어댑터(adapter)일 수 있다. 이에 제1연결부(5)는 어댑터의 플러그가 삽입되는 플러그 소켓(plug socket)일 수 있다. 본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 전원은 전류전원 및 전압전원을 포함하는 개념으로 사용됨에 유의하여야 한다. 예를 들어 상기 직류전원변환장치(1)에서 출력되는 직류전원은 직류전류전원 및 직류전압전원을 포함한다. 배터리(50)는 직류전원변환장치(1)에서 공급되는 직류전원에 의해서 충전된다.
제2연결부(7)는 부하(load)(3)와 전기적으로 연결되고 직류전원변환장치(1) 또는 배터리부(50)로부터 공급되는 직류전원을 부하(3)에 공급한다. 이때 부하(3)는 플러그를 구비하며 상기 직류전원변환장치(1)로부터 공급되는 직류전원을 소비하는 장치, 예를 들어 CCTV 카메라, 허브, L2 스위치, 액세스 포인트 등일 수 있다. 이에따라 제2연결부(7)는 부하(3)의 플러그가 삽입되는 플러그 소켓(8)을 구비하며, 이에 더하여 퓨즈(F1), 커패시터들(C1, C16)을 포함하여 구성될 수 있다.
무정전 제어부는 제1연결부(5)에 정상 연결된 직류전원변환장치(1)로부터 공급되는 직류전원을 제2연결부(3)를 통해서 부하(3)로 공급하면서 배터리(50)를 충전하며, 제1연결부(5)로부터 직류전원변환장치(1)의 연결 해제, 직류전원변환장치(1)의 파손 또는 직류전원변환장치(1)의 단락시 직류전원변환장치(1)와 배터리(50)와의 전기적 연결을 완전히 차단하면서도 상기 부하(3)에 전원공급이 끊김 없이 이루어지도록 제어한다.
이때, 상기 제1연결부(5)에 직류전원변환장치(1)가 정상 연결된 경우는 직류전원변환장치(1)로부터 정상적으로 출력되는 직류전원이 제1연결부(5)를 통해 제2연결부(7) 및 배터리(50)에 공급되는 상태를 나타낸다.
그리고 상기 제1연결부(5)로부터 직류전원변환장치(1)의 연결 해제 상태는 직류전원변환장치(1)와 제1연결부(5)간 연결이 해제되어 직류전원변환장치(1)로부터 정상적으로 출력되는 직류전원이 제1연결부(5)에 공급되지 않는 상태이다. 그리고 상기 직류전원변환장치(1)의 파손상태는, 직류전원변환장치(1)가 고장상태로 직류전원이 정상적으로 출력되지 않는 상태이다. 그리고 직류전원변환장치(1)의 단락상태는, 직류전원변환장치(1)의 양극과 음극이 단락된 상태이다.
상기 무정전 제어부는, 도 2를 참조하면 릴레이부(21), 충전부(23), 방전부(27) 및 비교부(25)를 포함한다.
충전부(23)는 제1연결부(5)에 정상 연결된 직류전원변환장치(1)에서 공급되는 직류전압전원 크기를 승압하여 상기 승압된 직류전압전원으로 배터리(50)를 충전한다. 이러한 충전부(23)는 커패시터들(C9, C10, C11,C12, C13), 인덕터(L1), 저항들(R16, R17, R20, R22), 다이오드(D6, D7) 및 승압 스위칭 레귤레이터(24)를 포함하며, 직류전원장치(1)로부터 공급되는 직류전압전원의 크기가 예를 들어 12[V]인 경우에 이를 승압하여 배터리부(50)가 완충 가능한 전압을 출력하도록 구성되어 있다. 커패시터 C9는 일단이 제1연결부(5)의 1번 단자, 릴레이(22)의 3번 단자 및 커패시터 C10와 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 커패시터 C10은 일단이 커패시터 C9의 일단, 승압 스위칭 레귤레이터의 5번 단자 및 인덕터 L1과 전기적으로 연결되며 타단이 커패시터 C12 및 접지와 전기적으로 연결된다. 저항 R20은 일단이 승압 스위칭 레귤레이터(24)의 1번 단자와 전기적으로 연결되며 타단이 커패시터 C12와 전기적으로 연결된다. 커패시터 C12는 일단이 저항 R20의 타단과 전기적으로 연결되면 타단이 접지와 전기적으로 연결된다. 인덕터 L1은 일단이 승압 스위칭 레귤레이터(24)의 5번 단자와 커패시터 C10의 일단과 전기적으로 연결되며 타단이 승압 스위칭 레귤레이터(24)의 4번 단자와 다이오드 D6과 전기적으로 연결된다. 다이오드 D6은 일단이 인덕터 L1의 타단 및 승압 스위칭 레귤레터(24)의 4번 단자와 전기적으로 연결되며 타단이 저항 R16, 저항 R17, 커패시터 C13, 커패시터 C11 및 다이오드 D7과 전기적으로 연결된다. 저항 R16은 일단이 다이오드 D6의 타단, 저항 R 17의 일단, 커패시터 C13, 커패시터 C11 및 다이오드 D7과 전기적으로 연결되며, 타단이 승압 스위칭 레귤레이터(24)의 2번 단자, 저항 R17의 타단 및 저항 R22의 일단과 전기적으로 연결된다. 저항 R17은 일단이 다이오드 D6의 타단, 저항 R16의 일단, 커패시터 C13, 커패시터 C11 및 다이오드 D7과 전기적으로 연결되며 타단이 저항 R22, 저항 R16의 타단 및 승압 스위칭 레귤레이터(24)의 2번 단자와 전기적으로 연결된다. 저항 R22는 일단이 저항 R16의 타단, 승압 스위칭 레귤레이터(24)의 2번 단자 및 저항 R17의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 커패시터 C13은 일단이 다이오드 D6의 타단, 저항 R16의 일단, 저항 R17의 일단, 커패시터 C11 및 다이오드 D7과 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 커패시터 C11은 일단이 다이오드 D6의 타단, 저항 R16의 일단, 저항 R17의 일단, 커패시터 C13의 일단, 다이오드 D7과 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 다이오드 D7은 일단이 다이오드 D6의 타단, 저항 R16의 일단, 저항 R17의 일단, 커패시터 C13의 일단 및 커패시터 C11의 일단에 전기적으로 연결되며 타단이 저항 R15와 전기적으로 연결된다. 승압 스위칭 레귤레이터의 3번 단자 및 6번 단자는 접지에 전기적으로 연결된다. 승압 스위칭 레귤레이터는 National Semiconductor사의 LM2577T를 이용하여 구현되었으나, 이에 한정되지는 않는다.
승압 스위칭 레귤레이터는 L1, C12, D6의 발진에 따른 스위칭으로 전압을 높여 쇼트키 다이오드 D7로 인가하며, 쇼트키 다이오드 D7를 거쳐 승압된 약 16.8V의 전압으로 배터리부(50)가 완충전압, 예를 들어 배터리부(50)가 완전충전 전압이 4.2[V]이고 방전기준전압이 3.4[V]인 리튬이온 전지 4개로 구성된 경우에 약 16.8V가 될 때까지 배터리부(50)를 충전한다. 한편 저항 R15는 전류를 제한하여 배터리부(50)의 완전 방전상태, 예를 들어 배터리부(50)가 상기 리튬이온 전지 4개로 구성되는 경우에 13.6[V]에서도 최대100[mA] 이상의 전류가 배터리부(50)로부터 충전부(23)로 흘러가지 못하도록 제한하는 역할을 한다.
방전부(27)는 배터리부(50)의 전압전원 크기를 강압하여 내부전압 전원을 생성한다. 이렇게 생성된 내부전압 전원은 후술할 절체부(21)를 통해 제2연결부(7)로 공급되거나 다운 전압 생성부(29)를 통해서 크기를 다운(down)시켜 제2연결부(7)로 공급한다. 이러한 방전부(27)는 커패시터들(C6, C7, C8, C17), 강압 스위칭 레귤레이터(28), 다이오드 D8, 인덕터 L2, 저항들(R18, R19, R20)을 포함하며, 이들 간의 연결관계는 아래와 같으며, 배터리부(50)의 전원크기 16.8[V]를 강압하여 12.3[V]를 출력하는 것으로 구성될 수 있다. 커패시터 C7은 일단이 배터리부(50)의 1번 단자, 커패시터 C8 및 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 1번 단자와 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 커패시터 C8은 일단이 배터리부(50)의 1번 단자, 커패시터 C7의 일단 및 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 1번 단자와 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 다이오드 D4는 일단이 접지에 전기적으로 연결되며 타단이 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 2번 단자 및 인덕터 L2와 전기적으로 연결된다. 인덕터 L2는 일단이 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 2번 단자 및 다이오드 D4의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 커패시터 C6, 커패시터 C17, 저항 R18 및 저항 R19와 전기적으로 연결된다. 커패시터 C6은 일단이 인덕터 L2의 타단, 커패시터 C17, 저항 R18 및 저항 R19과 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 커패시터 C17은 일단이 L2의 타단, 커패시터 C6의 일단, 항 R18 및 저항 R19과 [0065] 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 저항 R18은 일단이 인덕터 L2의 타단, 커패시터 C6의 일단, 커패시터 C17의 일단, 저항 R19의 일단과 전기적으로 연결되며 타단이 저항 R19의 타단, 저항 R21 및 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 4번 단자와 전기적으로 연결된다. 저항 R19는 일단이 저항 R18의 일단, 커패시터 C17의 일단, 커패시터 C6의 일단, 커패시터 C17의 일단, 커패시터 C6의 일단 및 후술할 절체부(21)의 릴레이(22)의 4번 단자 및 후술할 다운 전압 생성부(29)와 전기적으로 연결되며 타단이 저항 R21과 전기적으로 연결된다. 저항 R21은 일단이 저항 R19의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 3번 단자, 5번 단자 및 6번 단자는 접지에 전기적으로 연결된다. 강압 스위칭 레귤레이터(28)는 National Semiconductor사의 LM2576ADJ를 이용하여 구현되었으나, 이에 한정되지는 않는다. 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 출력전압은 L2와 D8의 스위칭으로 배터리부(50)의 전압전원을 다운(down) 시킨다. 강압 스위칭 레귤레이터(28)의 1번단자로 입력되는 입력전압은 배터리부(50)의 전압으로써, 예를13.6[V]~16.8[V]로 변화할 수 있다. 이상적인 상황에서 강압 스위칭 레귤레이터(28)가 입력전압의 변동에 변함없이 출력전압을 일정하게 유지한다고 가정하면, 방전부(27)의 출력전압은 12.3[V]로 결정될 수 있다.
비교부(25)는 상기 직류전원변환장치(1)에서 공급되는 직류전압전원 크기와 설정된 기준전압 크기를 비교하여 그 결과에 따라 클리어(clear) 전압 또는 셋(set) 전압을 출력한다. 이러한 비교부(25)는 연산증폭기(OP-AMP)(26)와 저항들(R8, R9, R13, R14)의 조합으로 구성된다. 연산증폭기(26)의 비반전 단자는 저항 R9와 저항 R14의 연결 노드와 전기적으로 연결된다. 이때 비반전 단자에 인가되는 전원의 크기는 상기 직류전원변환장치(1)에서 공급되는 직류전압전원(DC_IN)을 저항 R9와 저항 R14에 의해 디바이디드(divided)된 전압과 동일하다. 저항 R9는 일단이 제1연결부(5)의 1번 단자와 전기적으로 연결되며 타단이 저항 R14와 전기적으로 연결되며, 저항 R14는 일단이 저항 R9의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 한편 연산증폭기(26)의 반전단자는 저항 R8, 저항 R13 및 커패시터 C5와 전기적으로 연결되며 후술할 보조 전원부(30)에서 출력되는 전압 크기가 일정한 제어 전원을 저항 R8, 저항 R13 및 커패시터 C5에 의해서 디바이디드(divide)된 전압, 즉 상기 설정된 기준전압을 인가받는다. 저항 R8은 일단이 보조 전원부(30)와 전기적으로 연결되며 타단이 저항 R13, 연산증폭기(26)의 반전단자 및 커패시터 C5와 전기적으로 연결된다. 저항 R13은 일단이 연산증폭기(26)의 반전단자, 저항 R8의 타단 및 커패시터 C5와 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 커패시터 C5는 일단이 저항 R8의 타단, 연산증폭기(26)의 반전단자 및 저항 R13의 일단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지에 전기적으로 연결된다. 이렇게 연산증폭기(26)는 비반전단자에 상기 직류전원변환장치에서 공급되는 직류전압전원(DC_IN)이 저항 R9 및 R14에 의해서 디바이디드 된 전압을 인가받으며 반전단자에 상기 설정된 기준전압을 인가받아 이들의 크기를 서로 비교하여 그 결과에 따라 클리어(clear) 전압 또는 셋(set) 전압을 출력한다. 이때 클리어 전압은 상기 직류전압전원(DC_IN)이 저항 R9 및 R14에 의해서 디바이디드 된 전압이 상기 설정된 기준전압보다 큰 경우에 출력되며 12V일 수 있으며, 셋 전압은 상기 직류전압전원(DC_IN)이 저항 R9 및 R14에 의해서 디바이디드 된 전압이 상기 설정된 기준전압보다 작은 경우에 출력되며 0V일 수 있다. 상기 클리어 전압은 셋 전압보다 큰 값을 가질 수 있다.
절체부(21)는 제1연결부(5), 제2연결부(7) 및 방전부(27)와 연결되는 릴레이(relaly)(22)를 구비하며, 제1연결부(5)로부터 직류전원변환장치(1)의 연결 해제, 직류전원변환장치(1)의 파손 또는 직류전원변환장치(1)의 단락으로 인해서 비교부(25)로부터 상기 셋 전압이 공급됨에 따라 릴레이(22)가 셋 상태로 되어, 제1연결부(5)와 제2연결부(7) 간 연결이 차단되고 방전부(27)와 제2연결부(7)가 연결되어 방전부(27)에서 생성된 내부전압 전원이 제2연결부(7)로 공급되도록 한다. 이때 셋 상태일 때의 릴레이(22)는 릴레이(22)의 4번 단자와 2번 단자가 전기적으로 연결된 상태이며 릴레이(22)의 4번 단자는 방전부(27)와 전기적으로 연결되어 내부전압 전원이 인가되는 단자이고 릴레이(22)의 2번 단자는 제2연결부(7)와 전기적으로 연결된 단자이다. 한편, 절체부(21)는 제1연결부(5)에 직류전원변환장치(1)가 정상 연결됨에 따라 비교부(25)에서 출력된 클리어 전압을 공급받아 릴레이(22)가 클리어 상태로 되도록 하여, 방전부(27)와 제2연결부(7) 간 연결이 차단되고 제1연결부(5)와 제2연결부(7)가 연결되어 직류전원변환장치(1)로부터 공급되는 직류전원이 제2연결부(7)로 공급되도록 한다. 상기 클리어 상태일 때의 릴레이(22)는 릴레이(22)의 3번 단자와 릴레이(22)의 2번 단자가 전기적으로 연결된 상태이며, 릴레이(22)의 3번 단자는 제1연결부(5)의 1번 단자와 전기적으로 연결되어 직류전원변환장치(1)에서 공급되는 직류전압전원(DC_IN)을 인가받는 단자이다.
이러한 릴레이(22)는 각각 1번 단자와 8번 단자를 연결하는 코일(Coil+, Coil-)를 구비하며 이 코일은 비교부(25)로부터 출력된 셋 전압이 저항들(R7, R12, R11, R6, R10), 다이오드들(D5, D1) 및 트랜지스터들(Q2, Q1)에 의해서 구성된 회로를 거쳐서 인가될 때 전류가 흐르며 이로 인해서 릴레이(22)의 2번 단자와 4번 단자가 전기적으로 연결되도록 하며, 비교부(25)로부터 출력된 셋 전압이 저항들(R7, R12, R11, R6, R10), 다이오드들(D5,D1) 및 트랜지스터들(Q2, Q1)에 의해서 구성된 회로를 거쳐서 인가될 때 1번 단자에서 8번 단자로 전류가 흐르며 이로 인해서 릴레이(22)의 2번 단자와 4번 단자가 전기적으로 연결되도록 하며, 비교부(25)로부터 출력된 클리어 전압이 저항들(R7, R12, R11, R6, R10), 다이오드들(D5, D1) 및 트랜지스터들(Q2, Q1)에 의해서 구성된 회로를 거쳐서 인가될 때 8번 단자에서 1번 단자로 전류가 흐르며 이로 인해서 릴레이(22)의 2번 단자와 3번 단자가 전기적으로 연결되도록 한다. 즉 릴레이(22)의 2번 단자에 연결된 스위치가 릴레이(22)의 1번 단자와 2번 단자를 연결하는 코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 스위칭하여, 상기 스위치가 릴레이(22)의 3번 단자 또는 4번 단자에 연결되도록 한다. 다시 말해서 비교부(25)로부터 셋 전압이 출력되는 경우에는 상기 코일에 흐르는 전류는 1번 단자에서 8번 단자 방향으로 흐르게 되어 상기 스위치가 릴레이(22)의 2번 단자와 4번 단자가 연결되도록 스위칭하며, 비교부(25)로부터 클리어 전압이 출력되는 경우에는 상기 코일에 흐르는 전류는 8번 단자에서 1번 단자 방향으로 흐르게 되어 상기 스위치가 릴레이(22)의 2번 단자와 3번 단자가 연결되도록 스위칭할 수 있다. 이러한 릴레이(22)의 5번 단자, 6번 단자 및 7번 단자는 공기 중에 노출된 상태에 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 무정전 직류전원장치(100)는 방전부(27)에서 출력되는 내부전압 전원의 크기를 다운(down) 시켜 다운 전압 전원을 생성하는 다운 전압 생성부(29)를 더 포함할 수 있으며, 3개의 다이오드(D2,D4, D9)를 연결하여 구성될 수 있다. 이렇게 다운 전압 생성부(29)를 두는 이유는 절체부(21)가 비교부(25)로부터 셋 전압을 공급받아 릴레이(22)의 상태가 클리어 상태에서 셋 상태로 완전히 절체되기 전까지, 상기 내부전압 전원을 다운시켜 다운 전압 전원을 생성하여 제2연결부(7)로 공급하기 위해서이다. 이때 다운 전압 전원의 크기는 상기 비교부(25)에서 설정된 기준 전압보다 더 작을 수 있다. 예를 들어 상기 설정된 기준 전압이 11[V]인 경우 상기 다운 전압 전원은 10.8[V]일 수 있다. 이렇게 연산증폭기(26)가 11[V] 이하의 입력전압의 저하를 감지하는데 지장을 주지 않기 위해서이다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 무정전 직류전원장치(100)는 배터리부(50)의 전압전원을 일정한 제어 전원으로 안정화시켜 비교부(25) 및 릴레이(22)에 공급하는 보조 전원부(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 전원은, 비교부(25) 내 연산증폭기(26)의 구동 전원으로 공급되며, 또한 연산증폭기(26)의 반전단자에 인가되는 상기 기준전압의 생성을 위한 전원으로 공급되며, 릴레이(22)의 코일에 구동전류를 공급하는데 이용된다. 이렇게 보조전원부(30)를 두는 이유는 승압 스위칭 레귤레이터(24)가 포함된 충전부(23)와 강압 스위칭 레귤레이터(28)이 포함된 방전부(27)가 상호 간 간섭과 릴레이(22) 구동 시 코일의 역기전력이 회로 불안정의 원인으로 작용하기 때문에 이를 없애기 위해서이다. 이러한 보조 전원부(30)는 커패시터들(C3, C4, C14, C15)과 리니어 레귤레이터(31)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 무정전 직류전원장치(100)는 배터리부(50)의 2번 단자와 연결되며, 방전부(27)와 배터리부(50)의 연결을 제어하는 스위치(53)를 더 구비할 수 있다. 스위치(53)는 푸시 버튼 스위치, 토글 스위치 또는 패들 스위치 등일 수 있으나, 상기 방전부(27)와 배터리부(50)의 연결을 제어할 수 있는 스위치라면 어느 것이라도 가능하다. 이렇게 스위치(53)를 무정전 직류전원장치(100)에 구비한 이유는 제2연결부(7)에 부하(3)가 연결되어 있지 않더라도 강압스위칭 레귤레이터(28)에서 기본 대기전력이 소모되기 때문에 배터리부(50)가 방전되는 것을 방지하기 위해서이다.
도 3은 본 발명의 이 실시예에 따른 무정전 직류정원장치의 부하연결 상태에 따라 발생하는 상황들에 따른 제2견결부의 인가되는 전압, 비교부의 출력전압, 릴레이의 동작 상태를 예시한 도면이다.
이러한 도 1 및 도 2의 구성을 갖는 무정전 직류전원장치의 동작을 도 3을 참조하여 살펴보기로 한다. 도 3은 도 2의 무정전 직류전원장치가 직류전원변환장치의 상태 및 부하연결 상태에 따라 발생하는 상황들에 따라 제2연결부에 인가되는 전압, 비교부의 출력전압, 릴레이의 동작 상태를 예시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 먼저 직류전원변환장치가 t0 시점까지 정상동작하는 경우, 즉 제1연결부(5)를 통하여 직류전원변환장치(1)로부터 직류전원이 공급되는 경우 릴레이(22)는 비교부(25)에서 출력되는 클리어 전압으로 인해서 클리어 상태를 유지하고 이로 인해서 직류전원변환장치(1)로부터 공급되는 직류전원은 제2연결부(7)를 통해 부하(3)로 공급되며 또한 동시에 충전부(23)에서 승압 되어 배터리부(50)를 충전한다. 배터리부(50)에서 충전 동작이 일어나고 방전동작은 일어나지 않기 때문에 방전부(27)로부터 출력되는 내부전압 전원이 발생하지 않게 된다. 직류전원변환장치(1)가 정상동작하는 경우에는 직류전원변환장치(1)에서 공급되는 직류전원은 부하(3)와 배터리부(50)에 공급된다.
상황 1의 경우, t0시점에서 t2시점까지 일어나는 상황으로써, 제2연결부(7)에 부하(3)가 연결된 상태에서 직류전원변환장치(1)가 파손 또는 단락이 발생한 경우, 제1연결부(5)를 통해서 직류전원변환장치(1)로부터 직류전원이 공급되지 않으므로 부하(3), 비교부(25) 및 배터리부(50)에 직류전원이 공급되지 않게 된다. 이에 따라 배터리부(50)의 방전이 시작되어, 방전부(27)는 배터리부(50)의 전원 크기, 예를 들어 16.8[V]를 강압하고 강압하여 얻어지는 내부전압 전원, 예를 들어 12.3[V]을 릴레이(22)의 4번 단자로 공급하며, 상기 내부전압 전원을 다운 전압 생성부(29)를 통해 다운(down)시켜 다운 전압 전원, 예를 들어 10.8[V]을 생성해서 제2연결부(7)로 공급한다. 한편 비교부(25)에는 상기 직류전원변환장치(1)로부터 직류전원이 공급되지 않기 때문에 셋 전압이 출력되고 이로 인해서 릴레이(22)는 셋 상태로 변경되어 릴레이(22)의 2번 단자와 4번 단자가 연결되어, 상기 방전부(27)에서 출력되는 내부전압 전원이 제2연결부(7)에 공급되도록 한다. 이때 셋 상태로 완전히 절체 되기 전까지 제2연결부(7)에는 상기 내부전압 전원이 다운 전압 생성부(29)를 통해 생성된 다운 전압 전원이 공급되며, 셋 상태로 완전히 절체된 상태 이후로는 상기 릴레이(22)를 통해 상기 내부전압 전원이 제2연결부(7)로 공급된다. 상기 셋 상태로 완전히 절체되는 시점은 도 3에서 t1에 해당된다.
그리고, 상황 2의 경우, 즉 부하가 연결된 상태에서 직류전원변환장치가 t2 시점에서 삽입복구되어 직류전원변환장치(1)로부터 직류전원이 인가되는 상태가 t3 시점까지 지속 된 경우, 비교부(25)는 클리어 전압을 출력하고 이에 릴레이(22)는 클리어 상태로 전환된다. 릴레이(22)가 클리어 상태로 전환되는 순간, 즉 릴레이(22)의 접점이 2번 단자 및 4번 단자 연결에서 2번 단자 및 3번 단자 연결로 바뀌는 순간 릴레이(22)가 클리어 상태로 되는 순간에, 릴레이(22)의 2번 단자의 출력에서 리플이 발생할 수 있지만 방전부(27)로부터 출력되는 내부전압 전원이 다운 전압 생성부(29)를 통해 생성된 다운 전압 전원에 의해서 상기 리플의 전압을 10.8[V] 이상을 유지한다. 이후 릴레이(22)가 완전히 클리어 상태로 전환되면 직류전원변환장치(1)로부터 공급되는 직류전원이 릴레이(22)를 통해서 제2연결부(7) 및 충전부(23)로 공급된다.
상황 3의 경우, 즉 직류전원 변환장치(1)가 파손된 상태이고 제2연결부(7)에 부하(3)가 연결되지 않은 상태가 t3 시점에서 t4 시점까지 지속 된 경우이며, 릴레이(22)가 상황 1과 같은 절체 동작을 수행한다. 상황 4의 경우, 부하가 없는 상태에서 직류전원변환장치(1)가 파손 또는 단락된 상태가 t4 시점 이후로 지속 된 경우, 비교부(25)에서 셋 전압이 출력되고 이로 인해서 릴레이(22)가 셋 상태를 유지해서 방전부(27)에서 출력되는 내부전압 전원이 릴레이(22)를 통해서 제2연결부(7)로 공급된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치의 제어부를 설명하기 위한 블록 구성도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 온/오프에 따른 제어부의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 제어부(110)는 중앙처리장치로 충전부(23)의 입력전압, 방전부(27)의 출력전압 등을 감지하고 이를 미리 설정된 기준전압과 비교하여 그 오차를 보상하는 제어신호를 충전부(23) 또는 방전부(27)의 스위칭 소자에 입력함으로써 배터리에 안정화된 충전전압이 출력되게 하거나 부하에 안정적인 출력전압이 출력되도록 제어할 수 있다. 상기 제어부(110)는 충전부(23)로부터 전원을 인가받아 동작될 수 있으며, 미리 설정된 프로그램에 의하여 연산을 처리할 수 있는 마이크로컨트롤러(MCU)일 수 있다.
상기 제어부(110)는 방전부로부터 부하로 인가되는 출력전압을 검출하여 피드백 전압을 오차생성부로 출력하는 전압감지부(111), 상기 피드백 전압과 미리 설정된 기준전압과의 차이를 생성하는 오차생성부(112), 상기 오차생성부(112)에서 생성된 전압차에 해당하는 PWM 제어신호를 방전부로 출력하는 방전조정부(113)를 포함할 수 있다. 상기 제어부(110)는 릴레이부가 동작(온상태)되어 방전부로부터 부하로 전류가 흐르는 것을 감지하는 경우(즉 방전부가 온상태), 방전부로부터 출력되는 전압을 감지할 수 있다. 또한 제어부(110)는 릴레이부가 직류전원단에 접촉(오프상태)하여 외부에서 입력되는 직류전류를 부하에 그대로 연결하는 경우( 방전부는 오프상태)일 경우 충전부로 입력되는 전압을 감지할 수 있다. 상기 오차생성부는 피드백전압에서 미리 설정된 기준전압을 차감함으로써 오차 전압값을 생성할 수 있다.
제어부(110)는 릴레이가 온되었음을 감지하는 경우, 방전부로부터 출력되는 출력전압을 검출하고 미리 설정된 기준전압과 비교하여 생성한 오차분에 해당하는 만큼의 PWM 제어신호를 방전부에 출력함으로써 방전부를 구성하고 있는 스위칭레귤레이터의 출력전압을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. 예를 들어 제어부(110)의 방전조정부(113)는 상기 오차생성부(112)부터 입력되는 오차 전압값이 +인 경우(피드백 전압이 미리 설정된 기준전압보다 높을 경우), 그 오차 전압값에 해당하는 만큼의 듀티비를 낮추어 PWM 제어신호를 방전부에 제공할 수 있다. 한편 방전조정부(113)는 오차 전압값이 -인 경우(피드백 전압이 미리 설정된 기준 전압보다 낮은 경우), 그 오차 전압값에 해당하는 만큼의 듀티비를 높여 PWM 신호를 방전부에 제공할 수 있다.
따라서 부하의 연결에 따라 출력전압이 급격하게 변동되는 경우, 즉 방전부의 스위칭레귤레이터의 동작범위를 벗어나는 경우에도 방전부와 독립적으로 피드백 전압에 따른 오차 전압값에 따른 PWM 제어신호를 방전부에 제공하여 스위칭 레귤레이터의 안정화를 얻을 수 있음으로 부하의 변동에 따른 출력전압을 안정화할 수 있다.
한편 제어부(110)는 릴레이가 오프되었음을 감지하는 경우, 전압감지부(111)는 충전부로부터 출력되는 출력전압을 검출하고 미리 설정된 기준전압과 비교하여 생성한 오차분에 해당하는 만큼의 PWM 제어신호를 충전부에 출력할 수 있다. 여기서 제어부의 충전조정부(114)는 동작은 상술한 방전조정부(113)의 동작과 대응되므로 상세한 설명은 생략하도록 한다. 즉 충전조정부(113)는 외부에서 공급되는 직류전원의 변동에 따라 배터리로 출력되는 출력전압을 안정화하기 위하여 충전부의 출력전압과 미리 설정된 기준전압과의 차에 해당하는 오차 전압값만큼의 PWM제어신호를 충전부에 입력할 수 있다.
따라서 제어부(110)는 아날로그 회로만으로 구성된 충전부, 방전부의 출력전압을 더욱 정밀하게 제어함으로써 배터리로 출력되는 충전전압 조정 및 부하에 출력되는 방전전압 조정을 자동으로 조정할 수 있다.
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
5: 제1연결부 7 : 제2연결부
20 : 무정전 제어부 21 : 절체부
22 : 릴레이 23 : 충전부
24 : 승압 스위칭 레귤레이터 25 : 비교부
26 : 연산증폭기 27 : 방전부
28 : 강압 스위칭 레귤레이터 29 : 다운 전압 생성부
30 : 보조 전원부 50 : 보조전원장치
53 : 스위치 110 : 제어부
111 : 전압감지부 112 : 오차생성부
113 : 방전조정부 114 : 충전조정부
1000 : 무정전 직류전원장치

Claims (3)

  1. 직류전원변환장치에 전기적으로 연결되는 제1연결부,
    부하에 전기적으로 연결되는 제2연결부,
    상기 제1연결부로부터 공급되는 직류전압전원을 배터리에 충전하는 충전부,
    배터리로부터 출력되는 직류전원을 방전시켜 부하로 공급하는 방전부,
    제1연결부 또는 방전부중 어느 하나를 제2연결부에 전기적으로 연결시키는 절체부 및
    상기 절체부에 의하여 방전부와 제2연결부가 연결되었을 경우, 상기 방전부로부터 부하로 출력되는 출력전압을 감지하고 미리 설정된 기준 전압과 비교하여 그 오차를 보상하는 PWM 제어신호를 방전부로 출력하도록 제어하는 제어부를 포함하는 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    방전부로부터 부하로 인가되는 출력전압을 검출하여 피드백 전압을 오차생성부로 출력하는 전압감지부,
    상기 피드백 전압과 미리 설정된 기준전압과의 차이를 생성하는 오차생성부 및 상기 오차 생성부에서 생성된 전압차에 해당하는 PWM 제어신호를 방전부로 출력하는 방전조정부를 포함하는 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 절체부에 의하여 제1연결부와 제2연결부가 연결되었을 경우, 상기 충전부로부터 배터리로 출력되는 출력전압을 감지하고 미리 설정된 기준 전압과 비교하여 그 오차를 보상하는 PWM 제어신호를 충전부로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 출력전압 안정화를 위한 무정전 직류전원장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109936216A (zh) * 2019-04-19 2019-06-25 中国电子科技集团公司第五十八研究所 一种车载直流不间断电源控制系统

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