KR20190049347A - Synchronous rectifier type converter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, DC/DC 컨버터의 하나인 동기 정류형 포워드 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a synchronous rectification type forward converter which is one of the DC / DC converters.
동기 정류형 컨버터는, DC/DC 컨버터의 효율을 높이기 위하여, 비동기 정류형 컨버터에 있어서의 스위치인 다이오드를, FET 등의 트랜지스터로 치환하고, 온/오프의 타이밍을 제어하여 비동기 정류형 컨버터와 동일한 동작을 행하게 하는 것이다.In order to increase the efficiency of the DC / DC converter, the synchronous rectification type converter is configured such that the diode, which is a switch in the asynchronous rectification type converter, is replaced by a transistor such as an FET and the timing of on / To perform the operation.
도 4는, 동기 정류형 포워드 컨버터의 기본적인 회로 구성과, 그 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트의 일례를 개략적으로 나타내고 있다. 여기에서의 동기 정류형 포워드 컨버터는, 트랜스포머를 사용하여 입력측과 출력측을 절연한 절연형 컨버터이다. 예를 들어, 특허문헌 1, 2 등에 기재되어 있다.4 schematically shows a basic circuit configuration of the synchronous rectification type forward converter and an example of a timing chart for explaining its operation. The synchronous rectification type forward converter here is an insulated converter which insulates the input side and the output side by using a transformer. For example, in
트랜스포머(T)는, 극성의 방향이 동일한 1차 코일(Np) 및 2차 코일(Ns)을 갖는다(권취 시단(始端)을 검정색 동그라미로 나타낸다). 1차 코일(Np)에 인가되는 직류 입력 전압(+Vin)은 주 스위칭 소자(Q1)에 의해 스위칭된다. 2차 코일(Ns)에 대하여 정류 스위칭 소자(Q2) 및 초크 코일(L)이 직렬 접속되어 있다. 또한, 2차 코일(Ns) 및 정류 스위칭 소자(Q2)에 대하여 전류 스위칭 소자(Q3)가 병렬 접속되어 있다. 2차 코일(Ns), 정류 스위칭 소자(Q2) 및 초크 코일(L)에 대하여 평활 콘덴서(C)가 병렬 접속되어 있다. 평활 콘덴서(C)의 양단이 직류 출력 전압의 출력단(p, n)이다. 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)를 온/오프 제어하는 PWM(pulse width modulation) 신호와, 전류 스위칭 소자(Q)를 온/오프 제어하는 그것과는, 상반 관계에 있고, 전자가 온일 때 후자는 오프이며, 또한 그 역으로 된다.The transformer T has a primary coil Np and a secondary coil Ns having the same polarity direction (the winding start point is represented by a black circle). The DC input voltage (+ Vin) applied to the primary coil Np is switched by the main switching device Q1. A rectifying switching element Q2 and a choke coil L are connected in series to the secondary coil Ns. Further, the current switching device Q3 is connected in parallel to the secondary coil Ns and the rectifying switching device Q2. A smoothing capacitor C is connected in parallel to the secondary coil Ns, the rectification switching element Q2 and the choke coil L. Both ends of the smoothing capacitor C are output terminals (p, n) of the DC output voltage. A pulse width modulation (PWM) signal for on / off control of the main switching element Q1 and the commutating switching element Q2 is opposite to that for on / off control of the current switching element Q, The latter is off, and vice versa.
PWM 신호의 생성에는, PWMIC이 널리 사용되고 있다. PWMIC은, 통상, 일정한 주파수의 펄스 파형에 있어서의 소정의 듀티비를 결정하여 PWM 신호를 생성하고, 출력한다. 이 예에서는, 전류 스위칭 소자(Q3)의 온/오프 타이밍을 조정하기 위하여 제어부(Cont.)가 설치되어 있다.PWM signals are widely used for generating PWM signals. The PWM IC typically generates a PWM signal by determining a predetermined duty ratio in a pulse waveform of a constant frequency and outputs the PWM signal. In this example, a controller (Cont.) Is provided to adjust the on / off timing of the current switching element Q3.
도 4를 참조하여 일반적인 동기 정류형 포워드 컨버터의 문제점에 대하여 설명한다.A problem of a general synchronous rectification type forward converter will be described with reference to FIG.
도4의 (a)는 PWM 신호, (b)는 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 게이트 소스간 전압(즉 Q2의 온/오프), (c)는 초크 코일(L)과 전류 스위칭 소자(Q3)의 접속점 전위(이하 "초크 코일 전위"라 한다)(VL), (d)는 전류 스위칭 소자(Q3)의 게이트 소스간 전압(즉 Q3의 온/오프)의 각각의 파형을 나타내고 있다. 시간축을 따라서 모드 I 내지 III에 대하여 설명한다.4A shows the PWM signal, FIG. 4B shows the voltage between the gate and source of the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 (Hereinafter referred to as " choke coil potential ") V L , (d) of the current switching element Q3 Respectively. Modes I to III will be described along the time axis.
모드 I: PWM 신호의 온 기간에는, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)가 도통(온)된다. 1차 코일(Np)에 전류가 흐름으로써, 2차 코일(Ns)에 발생한 정의 기전압에 의해, 정류 스위칭 소자(Q2) 및 초크 코일(L)에 전류가 흘러, 출력단(p, n)으로부터 부하로 공급된다. 초크 코일(L)에는 자기에너지가 축적된다. 전류 스위칭 소자(Q3)는 차단(오프)되어 있다.Mode I: During the ON period of the PWM signal, the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 are turned on (turned on). A current flows in the rectification switching element Q2 and the choke coil L by the positive base voltage generated in the secondary coil Ns by the current flowing through the primary coil Np, Is supplied to the load. Magnetic energy is stored in the choke coil L. The current switching element Q3 is turned off.
모드 II: PWM 신호가 오프로 되면, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)가 차단(오프)되고, 초크 코일 전압(VL)에는 부의 역기전압이 발생한다. 이때 전류(轉流) 스위칭 소자(Q3)는 아직 오프인 상태 그대로이다. 모드 II의 기간은, 정류 스위칭 소자(Q2)와 전류 스위칭 소자(Q3)를 동시에 온으로 하지 않기 위하여 마련되는 소위 데드 타임이다. 제어부는, 예를 들어 초크 코일 전위(VL)를 모니터링하고, 소정의 데드 타임 경과 후에 전류 스위칭 소자(Q3)를 온으로 한다. 도시한 예와는 다르나, 전류 스위칭 소자(Q3)가 오프된 후, 소정의 데드 타임 경과 후에 정류 스위칭 소자(Q2)를 온시키는 제어를 행하는 경우도 있다. 이러한 데드 타임 제어는 매우 복잡하므로, 통상, 연산 처리를 위하여 프로세서 등이 사용된다.Mode II: When the PWM signal is turned off, the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 are shut off, and a negative back electromotive voltage is generated in the choke coil voltage V L. At this time, the current switching element Q3 is still off. The period of the mode II is a so-called dead time which is provided so as not to simultaneously turn on the rectifying switching element Q2 and the current switching element Q3. The control unit monitors the choke coil potential VL, for example, and turns on the current switching device Q3 after a predetermined dead time has elapsed. In some cases, control is performed such that after the current switching device Q3 is turned off, the rectifying switching device Q2 is turned on after a predetermined dead time has elapsed. Since such dead time control is very complicated, a processor or the like is usually used for arithmetic processing.
모드 III: 온으로 된 전류 스위칭 소자(Q3)를 지나 초크 코일(L)로 전류가 흘러, 출력단(p, n)으로부터 부하로 공급된다. 이에 의해 초크 코일(L)에 축적된 자기에너지가 방출된다. 전류가 0으로 되면 역기전압은 0으로 복귀된다. 그리고 PWM 신호의 다음의 온을 맞이한다. 이것이 반복된다. 도시한 예에서는, 제어부가, 초크 코일(L) 전위(VL)(또는 전류)를 모니터링하고, 이것이 0으로 되었을 때에 전류 스위칭 소자(Q3)를 오프로 하는 제어를 행하고 있다. 그러나, 전위(VL)는, 통상, 0 부근에서 변동하므로, 전류 스위칭 소자(Q3)가 온/오프를 반복하는 채터링이 발생하기 쉽다(도 4의 (d) 참조). 또한, 초크 코일 전위(VL)를 아무런 제어도 하지 않은 채로 두면, 발진하기 쉽다고 하는 문제도 있다.Mode III: The current flows to the choke coil L through the current switching element Q3 which is turned on, and is supplied to the load from the output terminal p, n. Whereby the magnetic energy stored in the choke coil L is released. When the current becomes zero, the back electromotive voltage returns to zero. And the next turn on of the PWM signal. This is repeated. In the illustrated example, the control unit monitors the choke coil L potential (V L ) (or current) and performs control to turn off the current switching device Q3 when it becomes zero. However, since the potential V L usually fluctuates around 0, chattering in which the current switching element Q 3 is repeatedly turned on / off is likely to occur (see Fig. 4 (d)). Further, if the choke coil potential (V L ) is left without any control, there is a problem that oscillation easily occurs.
이상의 문제점으로부터, 본 발명은, 동기 정류형 포워드 컨버터에 있어서, 복잡한 제어를 필요로 하지 않고, 각 스위칭 소자의 안전하고 확실한 동기 제어를 가능하게 하는 동시에, 더 높은 효율과 안정성을 실현하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a synchronous rectification type forward converter capable of ensuring safe and reliable synchronous control of each switching element without complicated control and achieving higher efficiency and stability do.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이하의 구성을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides the following configuration.
·본 발명의 형태는, 1차 코일 및 2차 코일을 갖는 트랜스포머와, 상기 1차 코일에 직렬 접속된 주 스위칭 소자와, 상기 2차 코일에 직렬 접속된 정류 스위칭 소자 및 초크 코일과, 상기 2차 코일 및 상기 정류 스위칭 소자에 병렬 접속된 전류 스위칭 소자와, 상기 2차 코일, 상기 정류 스위칭 소자 및 상기 초크 코일에 병렬 접속된 평활 콘덴서를 구비하고, 상기 주 스위칭 소자, 상기 정류 스위칭 소자 및 상기 전류 스위칭 소자가 PWM 신호에 의해 각각 온/오프 제어되는 동기 정류형 포워드 컨버터에 있어서, The present invention relates to a transformer having a primary coil and a secondary coil, a main switching element connected in series to the primary coil, a rectifying switching element and a choke coil connected in series to the secondary coil, And a smoothing capacitor connected in parallel to the secondary coil, the rectifying switching device, and the choke coil, wherein the main switching device, the rectifying switching device, and the rectifying switching device are connected in parallel, A synchronous rectification type forward converter in which a current switching element is on / off controlled by a PWM signal,
상기 PWM 신호가 각각 입력되고, 그 입력된 시점으로부터 소정의 동일한 지연 시간 경과 후에, 입력된 상기 PWM 신호에 따라서 상기 주 스위칭 소자 및 상기 정류 스위칭 소자를 각각 온/오프 제어하는 제1 지연 회로 및 제2 지연 회로와, A first delay circuit for inputting the PWM signal and for on / off controlling the main switching element and the rectifying switching element respectively according to the input PWM signal after a predetermined same delay time elapses from the input time; 2 delay circuit,
소정의 참조 전위, 상기 PWM 신호 및 상기 초크 코일과 상기 전류 스위칭 소자의 접속점 전위인 초크 코일 전위를 입력하여, 상기 전류 스위칭 소자를 온/오프 제어하는 연산 증폭 회로를 갖고, An operational amplifier circuit for inputting a predetermined reference potential, the PWM signal, and a choke coil potential, which is a potential of a connection point of the choke coil and the current switching element, to turn on / off the current switching element,
상기 연산 증폭 회로는, Wherein the operational amplifier circuit comprises:
상기 PWM 신호가 오프이고 또한 상기 초크 코일 전위가 상기 참조 전위 이하로 강하되려고 할 때에 상기 전류 스위칭 소자를 오프로부터 온으로 하여 상기 초크 코일 전위를 상기 참조 전위와 같은 전위로 유지하도록 동작하는 동시에, When the PWM signal is off and the choke coil potential is about to drop below the reference potential, the current switching device is turned off from on to maintain the choke coil potential at the same potential as the reference potential,
상기 PWM 신호가 온으로 되거나 또는 상기 초크 코일 전위가 상기 참조 전위를 초과했을 때에 상기 전류 스위칭 소자를 온으로부터 오프로 하는 것을 특징으로 한다.And turns off the current switching element when the PWM signal is turned on or when the choke coil potential exceeds the reference potential.
· 상기 형태에 있어서, 상기 참조 전위가, 상기 2차 코일에 발생하는 역기전압과 동일 극성 또한 역기전압보다도 절댓값이 작은 전압인 것이, 바람직하다.In the above aspect, it is preferable that the reference potential is a voltage having the same polarity as the back electromotive voltage generated in the secondary coil and a total value smaller than the back electromotive voltage.
· 상기 형태에 있어서, 상기 정류 스위칭 소자가 오프로 되었을 때에 상기 2차 코일에 발생하는 역기전압에 대하여 순방향으로 되도록, 상기 2차 코일의 일단과 상기 평활 콘덴서의 일단 사이에 접속된 정류 요소를 더 갖는 것이, 바람직하다.In the above-described aspect, a rectifying element connected between one end of the secondary coil and one end of the smoothing capacitor is provided so as to be in a forward direction with respect to a back electromotive voltage generated in the secondary coil when the rectifying switching element is turned off .
· 상기 형태에 있어서, 상기 PWM 신호가 포토 커플러를 통하여 상기 제1 지연 회로에 입력되는 것이, 바람직하다.In the above-described aspect, it is preferable that the PWM signal is input to the first delay circuit through the photo coupler.
본 발명의 동기 정류형 포워드 컨버터에서는, 복잡한 제어를 필요로 하지 않고, 각 스위칭 소자의 안전하고 확실한 동기 제어를 할 수 있다. 덧붙여, 더 높은 효율과 안정성이 실현된다.In the synchronous rectification type forward converter of the present invention, it is possible to perform safe and reliable synchronous control of each switching element without complicated control. In addition, higher efficiency and stability are realized.
도 1은, 본 발명의 동기 정류형 포워드 컨버터의 실시형태의 회로 구성예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는, 도 1에 도시한 회로의 중부하 시의 타이밍 차트의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은, 도 1에 도시한 회로의 경부하 시의 타이밍 차트의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 동기 정류형 포워드 컨버터의 기본적인 회로 구성과 타이밍 차트의 일례를 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a circuit configuration of an embodiment of the synchronous rectification type forward converter of the present invention. FIG.
2 is a diagram showing an example of a timing chart at the time of heavy load of the circuit shown in Fig.
Fig. 3 is a diagram showing an example of a timing chart at the time of light load of the circuit shown in Fig. 1. Fig.
4 is a diagram showing an example of a basic circuit configuration and a timing chart of the synchronous rectification type forward converter.
(1) 회로 구성 (1) Circuit configuration
도 1은, 본 발명의 동기 정류형 포워드 컨버터의 실시형태의 회로 구성예를 개략적으로 도시한 도면이다. 상술한 도 4의 동기 정류형 포워드 컨버터의 기본 형태와 동일한 구성 요소에는 동일 부호를 부여하고 있다. 본 명세서에 있어서, 어떤 전위가 OP앰프의 입력단에 "입력된다"라고 함은, 다이오드 또는 저항을 통하여 입력되는 경우를 포함한다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a circuit configuration of an embodiment of the synchronous rectification type forward converter of the present invention. FIG. The same components as those of the basic configuration of the synchronous rectification type forward converter of Fig. 4 are given the same reference numerals. In this specification, the term " input to an input terminal of an operational amplifier " refers to a case where a potential is input through a diode or a resistor.
트랜스포머(T)는, 극성의 방향이 동일한 1차 코일(Np) 및 2차 코일(Ns)을 갖는다. 코일의 권취 시단은 검정색 동그라미로 나타내고 있다. 1차 코일(Np)에 대하여, 주 스위칭 소자(Q1)가 직렬 접속되어 있다. 본 예에서는, 주 스위칭 소자(Q1)는 ｎ채널 FET이며, 드레인이 1차 코일(Np)에, 소스가 1차측의 접지단에 접속되어 있다. 주 스위칭 소자(Q1)는, 그 게이트에 인가되는 전압에 의해 온/오프 제어된다. 이에 의해, 1차 코일(Np)에 인가되는 직류 입력 전압(+Vin)이 스위칭된다.The transformer T has a primary coil Np and a secondary coil Ns having the same polarity direction. The winding start of the coil is indicated by a black circle. The primary switching element Q1 is connected in series to the primary coil Np. In this example, the main switching element Q1 is an n-channel FET, its drain is connected to the primary coil Np, and its source is connected to the ground terminal of the primary side. The main switching element Q1 is on / off controlled by the voltage applied to its gate. Thereby, the DC input voltage (+ Vin) applied to the primary coil Np is switched.
트랜스포머(T)의 2차 코일(Ns)에 대하여, 정류 스위칭 소자(Q2) 및 초크 코일(L)이 직렬 접속되어 있다. 본 예에서는, 정류 스위칭 소자(Q2)는 ｎ채널 FET이며, 드레인이 2차 코일(Ns)에, 소스가 2차측의 접지단인 출력단(n)에 접속되어 있다. 정류 스위칭 소자(Q2)는, 비동기 정류형 포워드 컨버터의 정류 다이오드의 역할을 담당한다. 정류 스위칭 소자(Q2)는, 그 게이트에 인가되는 전압에 의해 온/오프 제어된다. 초크 코일(L)은, 그 일단이 2차 코일(Ns)에, 타단이 출력단(p)에 접속되어 있다.The rectification switching element Q2 and the choke coil L are connected in series to the secondary coil Ns of the transformer T. [ In this example, the rectifying switching element Q2 is an n-channel FET, and the drain is connected to the secondary coil Ns and the source is connected to the output terminal n, which is the ground terminal of the secondary side. The rectification switching element Q2 serves as a rectification diode of the asynchronous rectification type forward converter. The rectification switching element Q2 is on / off controlled by the voltage applied to its gate. The choke coil L has one end connected to the secondary coil Ns and the other end connected to the output terminal p.
또한, 직렬 접속된 2차 코일(Ns) 및 정류 스위칭 소자(Q2)에 대하여, 전류 스위칭 소자(Q3)가 병렬 접속되어 있다. 본 예에서는, 전류 스위칭 소자(Q3)는 ｎ채널 FET이며, 드레인이 초크 코일(L)의 일단에, 소스가 2차측의 접지단인 출력단(n)에 접속되어 있다. 또한 전류 스위칭 소자(Q3)에 대하여, 그 바디 다이오드와 동일한 방향으로 다이오드(D6)가 병렬 접속되어 있다. 다이오드(D6)는 필수는 아니나, FET의 바디 다이오드를 전류가 흐르면 손실이 커지기 때문에, 다이오드(D6)를 접속하는 것이 바람직하다. 다이오드(D6)는, 응답이 빠르고 또한 전압 강하가 작은, 예를 들어 쇼트키 배리어 다이오드가 바람직하다. 전류 스위칭 소자(Q3)는, 비동기 정류형 포워드 컨버터의 전류 다이오드의 역할을 담당한다. 전류 스위칭 소자(Q3)는, 그 게이트에 인가되는 전압에 의해 온/오프 제어된다.Further, the current switching element Q3 is connected in parallel to the series-connected secondary coil Ns and the rectifying switching element Q2. In this example, the current switching device Q3 is an n-channel FET, and the drain is connected to one end of the choke coil L and the source is connected to the output end n, which is the ground terminal of the secondary side. Further, a diode D6 is connected in parallel to the current switching element Q3 in the same direction as the body diode. Although the diode D6 is not essential, it is preferable to connect the diode D6 because the loss increases when current flows through the body diode of the FET. The diode D6 is preferably a Schottky barrier diode with a fast response and a small voltage drop, for example. The current switching element Q3 serves as a current diode of the asynchronous rectification type forward converter. The current switching element Q3 is on / off controlled by the voltage applied to its gate.
또한, 직렬 접속된 2차 코일(Ns), 정류 스위칭 소자(Q2) 및 초크 코일(L)에 대하여, 평활 콘덴서(C)가 병렬 접속되어 있다. 평활 콘덴서(C)의 양단이 직류 출력 전압의 출력단(p, n)이다.A smoothing capacitor C is connected in parallel to the series-connected secondary coil Ns, the rectifying switching element Q2 and the choke coil L. Both ends of the smoothing capacitor C are output terminals (p, n) of the DC output voltage.
또한, 2차 코일(Ns)과 정의 출력단(p) 사이에 다이오드(D7)가 접속되어 있다. 다이오드(D7)는, 애노드가 2차 코일(Ns)의 권취 종단(終端)에, 캐소드가 출력단(p)에 접속되어 있다.A diode D7 is connected between the secondary coil Ns and the positive output terminal p. In the diode D7, the anode is connected to the winding end of the secondary coil Ns and the cathode is connected to the output terminal p.
이어서, 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3)를 각각 온/오프 제어하는 회로에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 동기 정류형 포워드 컨버터에 있어서는, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)를 제어하는 PWM 신호와, 전류 스위칭 소자(Q3)를 제어하는 그것과는, 기본적으로 상반 관계이다. 덧붙여, 양쪽이 동시에 온하는 상태를 확실하게 회피할 필요가 있다.Next, a circuit for on / off control of the switching elements Q1, Q2 and Q3 will be described. As described above, in the synchronous rectification type forward converter, the PWM signal for controlling the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 is basically the same as the PWM signal for controlling the current switching device Q3 to be. In addition, it is necessary to reliably avoid a state in which both are turned on at the same time.
본 발명에 의한 도 1의 회로에서는, 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3)를 각각 온/오프 제어하는 전압은, 도시한의 PWMIC의 out 단자로부터 출력되는 하나의 PWM 신호를 사용하여 각각 생성된다. PWMIC은, 통상, 일정한 주파수의 펄스 파형에 있어서의 소정의 듀티비를 결정하여 PWM 신호를 생성하고, 출력한다. PWMIC에 있어서의 듀티비의 결정 방법에 대해서는, 본 발명의 범위 밖이므로 여기에서는 언급하지 않는다.In the circuit of FIG. 1 according to the present invention, voltages for on / off control of the switching elements Q1, Q2 and Q3, respectively, are generated by using one PWM signal outputted from the out terminal of the PWMIC shown in FIG. The PWM IC typically generates a PWM signal by determining a predetermined duty ratio in a pulse waveform of a constant frequency and outputs the PWM signal. The method of determining the duty ratio in the PWM IC is outside the scope of the present invention and therefore is not described here.
우선, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 온/오프 제어를 위한 회로 구성에 대하여 설명한다. PWMIC의 out 단자로부터 출력되는 PWM 신호(예를 들어, H: +15V, L: 0V의 펄스 신호)는, 실질적으로 콤퍼레이터로서 기능하는 OP앰프(A1)와 OP앰프(A2)를 통하여, 주 스위칭 소자(Q1)와 정류 스위칭 소자(Q2)의 각 게이트에 각각 인가된다. OP앰프(A1)와 OP앰프(A2)는, 동일한 소정 응답 속도를 갖고 있다.First, the circuit configuration for on / off control of the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 will be described. The PWM signal (for example, a pulse signal of H: + 15V, L: 0V) output from the out terminal of the PWM IC is supplied to the main switch (not shown) through the OP amplifier A1 and the OP amplifier A2, Is applied to each gate of the element Q1 and the rectifying switching element Q2. The OP amplifier A1 and the OP amplifier A2 have the same predetermined response speed.
OP앰프(A1)와 OP앰프(A2)에 입력되는 신호는, 소정 응답 속도에 상당하는 지연 시간 경과 후에 출력단으로 출력된다. 따라서, OP앰프(A1)와 OP앰프(A2)는, PWM 신호를 소정 시간만큼 지연시켜서 주 스위칭 소자(Q1)와 정류 스위칭 소자(Q2)의 게이트에 인가하기 위한, 제1 지연 회로와 제2 지연 회로를 구성하고 있다.Signals input to the operational amplifier A1 and the operational amplifier A2 are output to the output terminal after a lapse of a delay time corresponding to a predetermined response speed. Therefore, the operational amplifier A1 and the operational amplifier A2 are provided with a first delay circuit and a second delay circuit for applying the PWM signal to the gates of the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 by delaying the PWM signal by a predetermined time, Thereby constituting a delay circuit.
주 스위칭 소자(Q1)에 대해서는, PWM 신호가 저항(R1)을 통하여 OP앰프(A1)의 비반전 입력단에 인가된다. OP앰프(A1)의 반전 입력단은 접지단에 접속되어 있다. 다이오드(D1)는 전압 제한용이다. 비반전 입력단에 인가된 PWM 신호는, OP앰프(A1)의 응답 속도에 기인하는 소정의 지연 시간만큼 지연되고, OP앰프(A1)의 출력단으로 출력되고, 주 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 인가된다. OP앰프(A2)에 대해서도 마찬가지이다. 이 결과, 주 스위칭 소자(Q1)와 정류 스위칭 소자(Q2)는, 동시에 온 오프되게 된다.For the main switching element Q1, the PWM signal is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier A1 via the resistor R1. The inverting input terminal of the operational amplifier A1 is connected to the ground terminal. Diode D1 is for voltage limitation. The PWM signal applied to the noninverting input terminal is delayed by a predetermined delay time due to the response speed of the operational amplifier A1 and is output to the output terminal of the operational amplifier A1 and is supplied to the gate of the main switching device Q1 do. This also applies to the operational amplifier A2. As a result, the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 are turned on and off simultaneously.
도시한 예에서는, PWM 신호가 직접 OP앰프(A1)에 입력되고, OP앰프(A1)와 OP앰프(A2)의 반전 입력단끼리가 접속되어 있지만, 포토 커플러 등을 사용하여 1차측을 2차측으로부터 절연하는 것이, 바람직하다.In the illustrated example, the PWM signal is directly input to the operational amplifier A1 and the inverting input terminals of the operational amplifier A1 and the operational amplifier A2 are connected to each other. However, by using a photocoupler or the like, It is preferable to insulate it.
이어서, 전류 스위칭 소자(Q3)의 온/오프 제어를 위한 회로 구성에 대하여 설명한다. out 단자로부터 출력되는 PWM 신호는, 저항(R3) 및 다이오드(D3)를 통하여 OP앰프(A3)의 반전 입력단에 인가된다. OP앰프(A3)는, 상술한 OP앰프(A1, A2)에 비하여 응답 속도가 빠른 고속 앰프이다. OP앰프(A3)의 비반전 입력단에는, 일정한 참조 전위(Vref)가 인가된다.Next, the circuit configuration for on / off control of the current switching device Q3 will be described. out terminal is applied to the inverting input terminal of the operational amplifier A3 through the resistor R3 and the diode D3. The operational amplifier A3 is a high-speed amplifier having a higher response speed than the above-described operational amplifiers A1 and A2. A constant reference potential Vref is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier A3.
참조 전위(Vref)는, 2차 코일(Ns)의 권취 시단에 발생하는 역기전압과 동일 극성이며, 역기전압보다도 절댓값이 작은 전위로 한다. 바람직하게는, 접지단 전위 즉 0 전위에 가까운 전위로 한다. 도 1의 회로에서는, 예를 들어 0 전위보다 약간 낮은 부전위(예를 들어 -10mV)로 설정한다.The reference potential Vref has the same polarity as that of the back electromotive voltage generated at the beginning of winding of the secondary coil Ns and has a potential smaller than the back electromotive voltage. Preferably, the potential is close to the grounded terminal potential, that is, zero potential. In the circuit of Fig. 1, the potential is set to, for example, slightly lower than the zero potential (for example, -10 mV).
OP앰프(A3)는 정전원(+Vcc)(예를 들어 +15V)과 부전원(-Vcc)(예를 들어 -15V)에 의해 구동된다. OP앰프(A3)의 출력단은, 2개의 트랜지스터로 이루어지는 푸쉬풀 이미터폴로워 회로를 통하여 전류 스위칭 소자(Q3)의 게이트에 접속되어 있다. 푸쉬풀 이미터폴로워 회로는 전류 공급을 위하여 설치되어 있다.The operational amplifier A3 is driven by a positive power source (+ Vcc) (for example, + 15V) and a negative power source (-Vcc) (for example, -15V). The output terminal of the operational amplifier A3 is connected to the gate of the current switching element Q3 through a push-pull emitter follower circuit composed of two transistors. The push-pull emitter follower circuit is installed for current supply.
또한, 전류 스위칭 소자(Q3)의 드레인과 초크 코일(L)의 접속점(2차 코일(Ns)의 권취 시단이기도 함)이, 저항(R4)을 통하여 OP앰프(A3)의 반전 입력단에 접속됨으로써, OP앰프(A3)가 연산 증폭 회로로서 동작할 때의 귀환로를 형성하고 있다.The connection point of the drain of the current switching device Q3 and the choke coil L (which is also the winding start point of the secondary coil Ns) is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier A3 through the resistor R4 , And forms a feedback path when the operational amplifier A3 operates as an operational amplifier circuit.
반전 입력단과 접지단 사이에 역병렬 접속된 다이오드(D4)와 다이오드(D5)는, 반전 입력단의 입력 전압 제한용으로 설치되어 있다.The diodes D4 and D5, which are connected in parallel in parallel between the inverting input terminal and the grounding terminal, are provided for limiting the input voltage of the inverting input terminal.
OP앰프(A3)의 반전 입력단에는, 저항(R3) 및 다이오드(D3)를 통하여 PWM 신호의 온(H) 또는 오프(L)의 전위가 인가되는 동시에, 저항(R4)을 통하여 초크 코일 전위(VL)가 인가된다. 이들 2개의 반전 입력단으로의 입력 전위와, 비반전 입력단의 참조 전위(Vref)의 관계에 의해, 출력단으로 정전위(H) 또는 부전위(L)가 출력된다. 이 관계를, 개략적으로 표 1에 나타낸다.A potential of either the H or the L of the PWM signal is applied to the inverting input terminal of the operational amplifier A3 through the resistor R3 and the diode D3 and the choke coil potential V L ) is applied. The positive potential H or the negative potential L is output to the output terminal by the relationship between the input potentials to these two inverting input terminals and the reference potential Vref of the non-inverting input terminal. This relationship is schematically shown in Table 1.
표 1의 모드 III일 때에만, OP앰프(A3)의 출력단에 정전위(H)가 출력되고, 전류 스위칭 소자(Q3)의 게이트 소스 사이에 인가되고, 전류 스위칭 소자(Q3)는 온 상태로 된다.A constant potential H is outputted to the output terminal of the operational amplifier A3 only between the gate sources of the current switching device Q3 and the current switching device Q3 only in the mode III of Table 1, do.
모드 III의 조건은, PWM 신호가 오프(L)이며, 또한, 초크 코일 전위(VL)가 참조 전위(Vref)보다 낮은(또는 참조 전위(Vref)보다 낮은 전위로 강하하려고 함) 것이다. 단, 후술하는 바와 같이, 모드 III에 있어서, 전류 스위칭 소자(Q3)가 일단 온 상태로 되면, OP앰프(A3)의 증폭 동작에 의해 초크 코일(VL) 전위는 참조 전위(Vref)와 동일 전위로 되도록 유지된다.The condition of the mode III is that the PWM signal is off (L) and the choke coil potential (V L ) is lower than the reference potential (Vref) (or drops to a potential lower than the reference potential (Vref)). However, as will be described later, when the current switching device Q3 is once turned on in the mode III, the potential of the choke coil V L is equal to the reference potential Vref by the amplifying operation of the operational amplifier A3 So that the potential is maintained.
한편, 모드 I, II 및 IV에서는, 전류 스위칭 소자(Q3)는 오프 상태로 된다. 이 모드의 조건은, PWM 신호가 온(H)이거나 또는, 초크 코일 전위(VL)가 참조 전위(Vref)보다 높거나 중의 적어도 한쪽을 만족시킬 때이다.On the other hand, in the modes I, II and IV, the current switching element Q3 is turned off. The condition of this mode is when the PWM signal is on (H) or when the choke coil potential (V L ) is higher than the reference potential (Vref).
(2) 회로 동작 (2) Circuit operation
이하, 도 1의 동기 정류형 포워드 컨버터의 회로 동작을, 중부하 시와 경부하 시의 각각의 경우에 대하여 설명한다. 중부하 시와 경부하 시는 상대적인 것이나, 여기에서는 일단, 출력 전류가 연속 모드인지, 불연속 모드인지로 구별한다.Hereinafter, the circuit operation of the synchronous rectification type forward converter of Fig. 1 will be described for each of the cases of heavy load and light load. The heavy load and the light load are relative, but here, the output current is distinguished by the continuous mode or the discontinuous mode.
<중부하 시의 동작><Operation at heavy load>
도 2는, 도 1에 도시한 회로에 있어서 부하(도시하지 않음)가 무거울 때의 타이밍 차트의 일례를 나타낸 도면이다. 이것은, 부하가 많은 전류를 필요로 할 때이다. PWM 신호의 듀티비는 비교적 크고, 즉 온 기간이 길다. 도 2의 (b) 및 (d)에 기재된 Vgs는, FET의 게이트 소스간 전압을 의미한다(도 3에 있어서도 동일함).2 is a diagram showing an example of a timing chart when the load (not shown) is heavy in the circuit shown in Fig. This is when the load requires a lot of current. The duty ratio of the PWM signal is relatively large, that is, the ON period is long. The Vgs shown in FIGS. 2B and 2D means the gate-source voltage of the FET (also the same in FIG. 3).
도 2의 타이밍 차트에는, 표 1에 나타낸 모드 I, II, III, IV에 대략 대응하는 기간을 각각 나타내고 있다. 이하, 모드의 순서에 따라서 설명한다.The timing chart of Fig. 2 shows a period substantially corresponding to the modes I, II, III, and IV shown in Table 1, respectively. Hereinafter, the mode will be described in order.
· 모드 I· Mode I
모드 I의 시점은, PWM 신호의 온 기간의 시점이 아니라, 거기에서 소정의 지연 시간만큼 지연된 시점으로 한다(도 2의 (a)). 소정의 지연 시간은, OP앰프(A1, A2)의 응답 지연에 의해 결정된다. 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)는, OP앰프(A1, A2)의 응답 지연에 의해 PWM 신호보다도 소정의 지연 시간만큼 지연되어 온으로 된다(도 2의 (b)). 스위칭 소자(Q1, Q2)의 온 시가, 모드 I의 시점이다.The time point of the mode I is not the time point of the on period of the PWM signal but is a time point delayed by a predetermined delay time therefrom (Fig. 2 (a)). The predetermined delay time is determined by the response delay of the operational amplifiers A1 and A2. The main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are delayed by a predetermined delay time from the PWM signal due to the response delay of the operational amplifiers A1 and A2 (Fig. 2 (b)). The on-state of the switching elements Q1 and Q2 is the time point of the mode I.
주 스위칭 소자(Q1)가 온으로 되면 1차 코일(Np)에 전류가 흐르고, 2차 코일(Ns)에 기전압(예를 들어, +30V)이 발생하고, 초크 코일 전위(VL)가 정전위로 된다(도 2의 (c)). 2차 코일(Ns)의 기전압은, 입력 직류 전압(Vin)과 트랜스포머(T)의 권취수 비에 의해 결정된다.When the main switching element Q1 is turned on, a current flows in the primary coil Np, a base voltage (for example, +30 V) is generated in the secondary coil Ns, and a choke coil potential V L And the electrostatic potential is raised (Fig. 2 (c)). The base voltage of the secondary coil Ns is determined by the ratio of the input DC voltage Vin to the winding number of the transformer T. [
이에 의해, 정류 스위칭 소자(Q2) 및 초크 코일(L)을 통하여 출력단(p)에 전류(IL)가 흐른다(도 2의 (f)). 전류(IL)는, 부하로 공급된다. 전류(IL)는, 2차 코일(Ns)에 기전압이 발생하고 있는 동안, 직선적으로 증가해 간다. 초크 코일(L)에 전류(IL)가 흐름으로써, 초크 코일(L)에 자기에너지가 축적된다. 또한, 트랜스포머(T)에도 자기에너지가 축적된다.Thereby, the current I L flows to the output terminal p through the rectifying switching element Q2 and the choke coil L (Fig. 2 (f)). The current I L is supplied to the load. The current I L linearly increases while the electromotive voltage is generated in the secondary coil Ns. The current I L flows through the choke coil L so that magnetic energy is stored in the choke coil L. Further, magnetic energy is also accumulated in the transformer T.
모드 I에서는, 전류 스위칭 소자(Q3)는 오프이다(도 2의 (d)). 또한, 다이오드(D6) 및 바디 다이오드도 역방향 바이어스이므로, 이 경로에 전류는 흐르지 않는다. 또한, 다이오드(D7)도 역방향 바이어스로 되므로 전류는 흐르지 않는다(도 2의 (g)).In mode I, current switching element Q3 is off (Fig. 2 (d)). Since the diode D6 and the body diode are also reverse biased, no current flows through this path. Further, since the diode D7 also becomes a reverse bias, no current flows (Fig. 2 (g)).
· 모드 II· Mode II
모드 II의 시점은, PWM 신호가 온으로부터 오프로 되는 시점이다(도 2의 (a)). 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 오프 시는, OP앰프(A1, A2)의 응답 지연에 의해 PWM 신호의 오프 시보다도 지연된다. 스위칭 소자(Q1, Q2)의 오프 시를, 모드 II의 종점으로 한다(도 2의 (b)).The time point of the mode II is the timing at which the PWM signal turns off from on (FIG. 2 (a)). The OFF state of the main switching element Q1 and the commutating switching element Q2 is delayed by the response delay of the operational amplifiers A1 and A2 as compared with the OFF state of the PWM signal. The OFF state of the switching elements Q1 and Q2 is set as the end point of the mode II (Fig. 2 (b)).
모드 II에서는, 스위칭 소자(Q1, Q2)는 아직 온 상태이므로, 2차 코일(Ns)의 권취 시단 및 초크 코일 전위(VL)는 정전위를 유지하고 있다(도 2의 (c)).In the mode II, since the switching elements Q1 and Q2 are still in an on state, the winding start time of the secondary coil Ns and the choke coil potential V L maintain a constant potential (Fig. 2 (c)).
모드 II에서는, 전류 스위칭 소자(Q3)는 아직 오프 상태이다(도 2의 (d)). PWM 신호는 오프로 되어도, 아직 초크 코일 전위(VL)가 정전위이기 때문이다.In mode II, the current switching device Q3 is still off (Fig. 2 (d)). This is because even when the PWM signal is turned off, the choke coil potential (V L ) is still positive.
· 모드 III· Mode III
모드 III의 시점은, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 오프 시이다(도 2의 (b)). 이에 의해 1차 코일(Np)의 전류가 차단되고, 1차 코일(Np), 2차 코일(Ns), 초크 코일(L)에 역기전압이 발생한다. 이에 의해 초크 코일 전위(VL)는, 정전위로부터 부전위로 된다(도 2의 (c)). 그리고, OP앰프(A3)의 반전 입력단의 전위가, 비반전 입력단의 참조 전위(Vref)(도 2의 (e), 예를 들어 -10mV)보다도 강하했을 때, OP앰프(A3)의 출력단이 정전위로 되고, 전류 스위칭 소자(Q3)가 온으로 된다(도 2의 (d)).The time point of the mode III is the off state of the main switching element Q1 and the commutating switching element Q2 (Fig. 2 (b)). Thereby, the current of the primary coil Np is cut off, and a back electromotive voltage is generated in the primary coil Np, the secondary coil Ns, and the choke coil L. [ As a result, the choke coil potential (V L ) rises from the positive potential to the negative potential (Fig. 2 (c)). When the potential of the inverting input terminal of the operational amplifier A3 is lower than the reference potential Vref of the non-inverting input terminal (e in Fig. 2, for example, -10 mV), the output terminal of the operational amplifier A3 And the current switching element Q3 is turned on (Fig. 2 (d)).
모드 III의 시점에 있어서의, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 오프로부터, 전류 스위칭 소자(Q3)의 온까지의 과정에 있어서, 스위칭 소자(Q1, Q2)와 스위칭 소자(Q3)가, 동시에 온으로 되는 일은 없다. 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 오프 후, 초크 코일 전위(VL)가 부전위까지 강하하고 나서, 전류 스위칭 소자(Q3)가 온으로 되기 때문이다.The switching elements Q1 and Q2 and the switching elements Q1 and Q2 are turned off in the process from the OFF state of the main switching device Q1 and the commutating switching device Q2 to the ON state of the current switching device Q3 Q3) are not turned on at the same time. This is because the choke coil potential V L drops to the negative potential after the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are turned off and the current switching element Q3 is turned on.
이에 의해, 전류(IL)는, 전류 스위칭 소자(Q3) 및 초크 코일(L)을 통하여 출력단(p)으로 흐르고(도 2의 (f)), 초크 코일(L)에 축적되어 있던 자기에너지가 방출된다. 전류(IL)는, 초크 코일(L)의 자기에너지의 방출과 함께, 직선적으로 감소해 간다.Thus, the current I L flows to the output terminal p through the current switching element Q 3 and the choke coil L (Fig. 2 (f)), and the magnetic current I L stored in the choke coil L . The current I L decreases linearly with the release of the magnetic energy of the choke coil L. [
또한, 2차 코일(Ns)에 역기전압이 발생함으로써, 다이오드(D7)가 순방향 바이어스로 되고, 전류(ID)가 출력단(p)으로 흐른다(도 2의 (g)). 이에 의해, 트랜스포머(T)에 축적되어 있던 자기에너지를 2차측에 전력으로서 취출할 수 있다. 전류(ID)는, 자기에너지가 방출됨에 따라서, 직선적으로 감소한다.Further, a counter electromotive voltage is generated in the secondary coil Ns, so that the diode D7 becomes a forward bias and the current I D flows to the output terminal p (Fig. 2 (g)). As a result, the magnetic energy stored in the transformer T can be taken out as power to the secondary side. The current I D decreases linearly as the magnetic energy is released.
일반적인 포워드 컨버터에서는, 온 기간에 트랜스포머(T)에 축적된 자기에너지를 리셋하기 위한 리셋 회로나, 오프 시에 1차 코일(Ns)에 발생하는 역기전압 대책을 위한 스너버 회로를, 1차측에 설치할 필요가 있다. 본 회로에서는, 트랜스포머(T)에 축적된 자기에너지를 다이오드(D7)를 통하여 2차측에 출력할 수 있으므로, 1차측의 리셋 회로나 스너버 회로를 간소화할 수 있다.In a general forward converter, a reset circuit for resetting the magnetic energy stored in the transformer T during the ON period and a snubber circuit for countering the back electromotive voltage generated in the primary coil Ns at the time of OFF are provided on the primary side It needs to be installed. In this circuit, since the magnetic energy stored in the transformer T can be output to the secondary side via the diode D7, the reset circuit and the snubber circuit on the primary side can be simplified.
또한, 모드 III에 있어서 전류 스위칭 소자(Q3)가 온으로 되면, OP앰프(A3)의 출력단 → 초크 코일(L)의 일단(Q3의 드레인) → 저항(R4) → OP앰프(A3)의 반전 입력단, 이라고 하는 귀환로가 형성된다. 이에 의해, OP앰프(A3)는, 실질적으로 전압 폴로워의 연산 증폭 회로로서 기능한다. 따라서, 전류 스위칭 소자(Q3)가 온인 동안, 초크 코일 전위(VL)는, OP앰프(A3)의 비반전 입력단의 참조 전위(Vref)와 같은 전위로 유지된다(도 2의 (c)).In the mode III, when the current switching device Q3 is turned on, the output terminal of the operational amplifier A3, one end of the choke coil L (drain of Q3), the resistor R4, An input path, and a feedback path are formed. As a result, the operational amplifier A3 substantially functions as an operational amplifier circuit for the voltage follower. Therefore, during the current switching device (Q3) is turned on, the choke coil voltage (V L) is held at a potential equal to the reference potential (Vref) of the non-inverting input terminal of the OP amplifier (A3) ((c) of Fig. 2) .
이 연산 증폭 회로의 기능에 의해, 초크 코일 전위(VL)가 안정화된다. 이러한 연산 증폭 회로가 없는, 종래의 동기 정류형 포워드 컨버터의 경우, 초크 코일 전위(VL)가 접지단 전위(0V) 근방에 있어서 요동하여 불안정해지거나, 발진되기 쉬워지거나 하는 경우가 있다.The choke coil potential (V L ) is stabilized by the function of the operational amplifier circuit. In the case of the conventional synchronous rectification type forward converter without such an operational amplifier circuit, the choke coil potential (V L ) may fluctuate near the grounded terminal potential (0 V) to become unstable or to be easily oscillated.
· 모드 IV· Mode IV
모드 IV의 시점은, PWM 신호가 오프로부터 온으로 되는 시점이다(도 2의 (a)). 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)는, OP앰프(A1, A2)의 응답 지연에 의해, 모드 IV에서는 아직 오프 상태이다(도 2의 (b)).The timing of the mode IV is the timing at which the PWM signal turns from off to on (Fig. 2 (a)). The main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are still off in the mode IV due to the response delay of the operational amplifiers A1 and A2 (Fig. 2 (b)).
한편, OP앰프(A3)의 반전 입력단은, PWM 신호가 온으로 되므로, 정전위(다이오드(D4)에 의한 상한 전압, 예를 들어 +0.6V)로 되고, OP앰프(A3)의 출력단의 전위가 반전되어, 전류 스위칭 소자(Q3)는 오프로 된다(도 2의 (d)).On the other hand, the inverting input terminal of the operational amplifier A3 becomes the positive potential (the upper limit voltage due to the diode D4, for example, + 0.6V) since the PWM signal is turned on and the potential of the output terminal of the operational amplifier A3 And the current switching element Q3 is turned off (Fig. 2 (d)).
전류 스위칭 소자(Q3)가 오프로 되어도, 초크 코일(L)에 자기에너지가 남아있을 경우, 전류(IL)가 다이오드(D6)를 통하여 계속하여 흐른다(도 2의 (f)). 이때, 초크 코일 전위(VL)는, 다이오드(D6)의 전압 강하에 의한 전위(예를 들어 -0.6V)로 된다(도 2의 (c)).Even if the current switching device Q3 is turned off, when the choke coil L has magnetic energy, the current I L continues to flow through the diode D6 (Fig. 2 (f)). At this time, the choke coil potential V L becomes a potential (for example, -0.6 V) due to the voltage drop of the diode D6 (Fig. 2 (c)).
모드 IV에서는, 전류(IL)가 다이오드(D6)를 지나므로, 전류 스위칭 소자(Q3)가 온인 때에 비하여 전력 손실이 크지만, 모드 IV의 기간은 짧고, 전류(IL)도 감소하고 있으므로, 그다지 큰 문제로는 되지 않는다. 전류(IL)는, 다음 모드 I의 시점에 있어서 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)가 온으로 되면, 다시 증가하기 시작한다. 전류(IL)는 연속 모드이며, 0으로 되는 일은 없다.In the mode IV, since the current I L passes through the diode D 6 , the power loss is larger than when the current switching device Q 3 is on, but the period of the mode IV is short and the current I L is also reduced , It is not a big problem. The current I L begins to increase again when the main
전류(ID)는, 모드 IV에 있어서 아직 흐르고 있던 경우에도, 다음 모드 I의 시점에 있어서, 다이오드(D7)가 역방향 바이어스로 되므로 0으로 된다(도 2의 (g)).Even when the current I D has still flowed in the mode IV, the diode D7 becomes 0 because of the reverse bias at the time of the next mode I (Fig. 2 (g)).
모드 IV에서는, PWM 신호가 오프로부터 온으로 되어도, OP앰프(A1, A2)의 응답 지연에 의해, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)는, 오프인 채로이다. 따라서, PWM 신호가 오프로부터 온으로 될 때도, 스위칭 소자(Q1, Q2)와 스위칭 소자(Q3)가, 동시에 온으로 되는 일은 없다.In the mode IV, even if the PWM signal turns from off to on, the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 remain off due to the response delay of the operational amplifiers A1 and A2. Therefore, the switching elements Q1 and Q2 and the switching element Q3 are not turned on at the same time even when the PWM signal turns from off to on.
<경부하 시의 동작><Operation at light load>
도 3은, 도 1에 도시한 회로에 있어서 부하(도시하지 않음)가 가벼울 때의 타이밍 차트의 일례를 나타낸 도면이다. 이것은, 부하가 그다지 전류를 필요로 하지 않을 때이다. PWM 신호의 듀티비가 비교적 작고, 즉 온 기간이 짧다.Fig. 3 is a diagram showing an example of a timing chart when the load (not shown) is light in the circuit shown in Fig. This is when the load does not need much current. The duty ratio of the PWM signal is relatively small, that is, the ON period is short.
도 3의 타이밍 차트에는, 도 2와 마찬가지로, 표 1에 나타낸 모드 I, II, III, IV에 대략 대응하는 기간을 각각 나타내고 있다. 경부하 시에는, 모드 III과 모드 IV 사이에, 다른 모드가 나타난다. 이것을 모드 IIIa라 한다. 이하, 경부하 시의 동작에 대하여, 주로 중부하 시의 동작과는 다른 부분을 설명한다.The timing chart of Fig. 3 shows a period corresponding approximately to modes I, II, III, and IV shown in Table 1, respectively, as in Fig. At light load, another mode appears between mode III and mode IV. This is called mode IIIa. Hereinafter, the operation at the time of light load will be described mainly in a portion different from the operation at the time of heavy load.
· 모드 I· Mode I
경부하 시의 모드 I의 동작은, 중부하 시의 동작과 같다. 단, 경부하 시에서는, 2차측으로 흐르는 전류(IL)가 불연속 모드이다. 따라서, 모드 I에 있어서의 전류(IL)는, 0으로부터 직선적으로 증가한다(도 3의 (f)).The operation of mode I at light load is the same as that at heavy load. However, at light load, the current (I L ) flowing to the secondary side is a discontinuous mode. Therefore, the current I L in mode I increases linearly from 0 (Fig. 3 (f)).
· 모드 II· Mode II
경부하 시의 모드 II의 동작은, 중부하 시의 동작과 같다.Mode II operation at light load is the same as during heavy load operation.
· 모드 III· Mode III
모드 III의 동작은, 전류(IL)가 불연속 모드의 경우, 중부하 시의 동작과 다르다. 모드 III의 시점에 있어서의 동작은, 중부하 시와 동일하고, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 오프 시에 시작된다(도 3의 (b)). 이에 의해 1차 코일(Np)의 전류가 차단되고, 1차 코일(Np), 2차 코일(Ns), 초크 코일(L)에 역기전압이 발생한다. 따라서 초크 코일 전위(VL)는, 정전위로부터 부전위로 된다(도 3의 (c)). 그리고, OP앰프(A3)의 반전 입력단의 전위가, 비반전 입력단의 참조 전위(Vref)(예를 들어, -10mV, 도 3의 (e))보다도 강하했을 때, OP앰프(A3)의 출력단이 정전위로 되고, 전류 스위칭 소자(Q3)가 온으로 된다(도 3의 (d)).The operation of the mode III is different from the operation at the time of the heavy load when the current I L is in the discontinuous mode. The operation at the time of the mode III is the same as that at the heavy load and starts when the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 are off (Fig. 3 (b)). Thereby, the current of the primary coil Np is cut off, and a back electromotive voltage is generated in the primary coil Np, the secondary coil Ns, and the choke coil L. [ Therefore, the choke coil potential (V L ) rises from the positive potential to the negative potential (Fig. 3 (c)). When the potential of the inverting input terminal of the operational amplifier A3 is lower than the reference potential Vref of the non-inverting input terminal (for example, -10 mV, Fig. 3 (e)), And the current switching element Q3 is turned on (Fig. 3 (d)).
모드 III의 시점에 있어서의, 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)의 오프로부터, 전류 스위칭 소자(Q3)의 온까지의 과정에 있어서, 스위칭 소자(Q1, Q2)와 스위칭 소자(Q3)가, 동시에 온으로 되는 일은 없다.The switching elements Q1 and Q2 and the switching elements Q1 and Q2 are turned off in the process from the OFF state of the main switching device Q1 and the commutating switching device Q2 to the ON state of the current switching device Q3 Q3) are not turned on at the same time.
이에 의해, 전류(IL)는, 전류 스위칭 소자(Q3) 및 초크 코일(L)을 통하여 출력단(p)으로 흐르고(도 3의 (f)), 초크 코일(L)에 축적되어 있던 자기에너지가 방출된다. 경부하 시에는 초크 코일(L)에 축적되는 자기에너지는 작다. 불연속 모드의 전류(IL)는, 초크 코일(L)의 자기에너지의 방출과 함께 직선적으로 감소해 나가서, 이윽고 0으로 된다(도 3의 (f)).As a result, the current (I L), the current switching device (Q3), and through the choke coil (L) flows into the output stage (p) magnetic accumulated in ((f) in Fig. 3), a choke coil (L) energy . At the time of light load, the magnetic energy stored in the choke coil L is small. The current I L in the discontinuous mode linearly decreases together with the release of the magnetic energy of the choke coil L and finally becomes 0 (Fig. 3 (f)).
경부하 시에는, 전류(IL)가 0으로 된 시점에서 모드 III이 종료되고, 모드 IIIa로 이행한다. 전류(IL)가 0으로 되면, 초크 코일 전위(VL)가 정전위로 상승한다(도 3의 (c)). 이것은, 출력단(p)의 전위(예를 들어 +12V)에 상당한다. 이 정의 초크 코일 전위(VL)가, 저항(R4)을 통하여 OP앰프(A3)의 반전 입력단에 인가되면, OP앰프(A3)의 출력단의 전위가 정전위로부터 부전위로 반전된다. 이 결과, 전류 스위칭 소자(Q3)는 오프로 된다(도 3의 (d)).At the time of light load, the mode III ends when the current I L becomes 0, and the mode IIIa is entered. When the current I L becomes 0, the choke coil potential V L rises to the positive potential (Fig. 3 (c)). This corresponds to the potential of the output terminal p (for example, + 12V). When the positive choke coil potential V L is applied to the inverting input terminal of the operational amplifier A3 through the resistor R4, the potential of the output terminal of the operational amplifier A3 is inverted from the positive potential to the negative potential. As a result, the current switching element Q3 is turned off (Fig. 3 (d)).
또한, 모드 III에서는, 2차 코일(Ns)에 역기전압이 발생함으로써, 중부하 시와 동일하게 다이오드(D7)가 순방향 바이어스로 되고, 전류(ID)가 출력단(p)으로 흐른다(도 3의 (g)). 전류(ID)는, 트랜스포머(T)의 자기에너지가 방출됨에 따라서 직선적으로 감소하고, 자기에너지가 없어지면 0으로 된다.In the mode III, as the counter electromotive voltage is generated in the secondary coil Ns, the diode D7 becomes forward biased as in the case of the heavy load, and the current I D flows to the output terminal p (G)). The current I D decreases linearly as the magnetic energy of the transformer T is released, and becomes zero when the magnetic energy is lost.
· 모드 IIIa· Mode IIIa
모드 IIIa에서는, PWM 신호는 오프 기간이 계속되고 있어(도3의 (a)), 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)는 오프이며(도 3의 (b)), 초크 코일 전위(VL)는 출력단 전위이고(도 3의 (c)), 전류 스위칭 소자(Q3)는 오프이며(도 3의 (d)), 전류(IL)는 0이다(도 3의 (f)).3 (a)), the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 are off (Fig. 3 (b)), and the choke coil potential (V L) is the output potential and the ((in Fig. 3 c)), the current switching device (Q3) is off, and ((d) in Fig. 3), the current (I L) is of a 0 (Fig. 3 (f) ).
· 모드 IV· Mode IV
경부하 시의 모드 IV는, 중부하 시에는 없는 모드 IIIa에 계속되는 모드이므로, 중부하 시의 모드 IV와는 동작이 다르다.Mode IV at light load is a mode that follows Mode IIIa, which is not present at the time of heavy load, and therefore, the operation differs from Mode IV at the time of heavy load.
모드 IV의 시점은, 중부하 시와 동일하게 PWM 신호가 오프로부터 온으로 되는 시점이다(도 3의 (a)). 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)는, OP앰프(A1, A2)의 응답 지연에 의해, 모드 IV에서는 아직 오프 상태이다(도 3의 (b)).The timing of the mode IV is the timing at which the PWM signal turns from off to on as in the case of the heavy load (Fig. 3 (a)). The main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are still off in the mode IV due to the response delay of the operational amplifiers A1 and A2 (Fig. 3 (b)).
따라서, 모드 IV에서는, 트랜스포머(T)의 1차측 및 2차측 모두가 모드 IIIa와 동일한 상태가 지속된다. 전류 스위칭 소자(Q3)도 오프 상태 그대로이다.Therefore, in the mode IV, both the primary side and the secondary side of the transformer T remain in the same state as the mode IIIa. The current switching element Q3 is also in the off state.
모드 IV는, 다음 모드 I의 시점까지 지속된다. 모드 I의 시점은, 상술한 바와 같이, 소정의 지연 시간 후에 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)가 온으로 된 시점이다.The mode IV continues until the next mode I. The time point of the mode I is the point in time at which the main switching device Q1 and the rectifying switching device Q2 are turned on after a predetermined delay time as described above.
경부하 시에는, 전류 스위칭 소자(Q3)는, PWM 신호의 오프 기간 중에 전류(IL)가 0으로 된 시점에서 이미 오프로 되어 있다. 따라서, 전류 스위칭 소자(Q3)는, 다음 PWM 신호의 온 시보다 더욱 지연되어 온으로 되는 주 스위칭 소자(Q1) 및 정류 스위칭 소자(Q2)와, 동시에 온으로 되는 일은 없다.At the time of light load, the current switching element Q3 is already off when the current I L becomes 0 during the OFF period of the PWM signal. Therefore, the current switching element Q3 is not turned on at the same time as the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 which are turned on later than the ON time of the next PWM signal.
이상에서 설명한 본 발명의 동기 정류형 포워드 컨버터의 동작을 실현하는 회로 구성은, 도 1에 도시한 것에 한정되지 않고, 다양한 회로 구성이 가능하다.The circuit configuration for realizing the operation of the synchronous rectification type forward converter of the present invention described above is not limited to that shown in Fig. 1, and various circuit configurations are possible.
P: 정의 출력단
N: 부의 출력단(2차측 접지단)
T: 트랜스포머
Np: 1차 코일
Ns: 2차 코일
Q1, Q2, Q3: 스위칭 소자(FET)
D1 내지 D7: 정류 요소(다이오드)
C: 콘덴서(평활 콘덴서)P: Definition output
N: Negative output stage (secondary side ground stage)
T: Transformer
Np: primary coil
Ns: Secondary coil
Q1, Q2, Q3: Switching element (FET)
D1 to D7: rectifying element (diode)
C: Capacitor (smoothing capacitor)
Claims (4)
상기 PWM 신호가 각각 입력되고, 그 입력된 시점으로부터 소정의 동일한 지연 시간 경과 후에, 입력된 상기 PWM 신호에 따라서 상기 주 스위칭 소자 및 상기 정류 스위칭 소자를 각각 온/오프 제어하는 제1 지연 회로 및 제2 지연 회로와,
소정의 참조 전위, 상기 PWM 신호 및 상기 초크 코일과 상기 전류 스위칭 소자의 접속점 전위인 초크 코일 전위를 입력하여, 상기 전류 스위칭 소자를 온/오프 제어하는 연산 증폭 회로를 갖고,
상기 연산 증폭 회로는,
상기 PWM 신호가 오프이고 또한 상기 초크 코일 전위가 상기 참조 전위 이하로 강하되려고 할 때에 상기 전류 스위칭 소자를 오프로부터 온으로 하여 상기 초크 코일 전위를 상기 참조 전위와 같은 전위로 유지하도록 동작하는 동시에,
상기 PWM 신호가 온으로 되거나 또는 상기 초크 코일 전위가 상기 참조 전위를 초과했을 때에 상기 전류 스위칭 소자를 온으로부터 오프로 하는 것을 특징으로 하는, 동기 정류형 포워드 컨버터.A transformer having a primary coil and a secondary coil, a main switching element connected in series to the primary coil, a rectifying switching element and a choke coil connected in series to the secondary coil, a secondary coil and a rectifying switching element And a smoothing capacitor connected in parallel to the secondary coil, the rectifying switching element, and the choke coil, wherein the main switching element, the rectifying switching element, and the current switching element are connected to the PWM signal And each of which is on / off-controlled by a plurality of synchronous rectification type forward converters,
A first delay circuit for inputting the PWM signal and for on / off controlling the main switching element and the rectifying switching element respectively according to the input PWM signal after a predetermined same delay time elapses from the input time; 2 delay circuit,
An operational amplifier circuit for inputting a predetermined reference potential, the PWM signal, and a choke coil potential, which is a potential of a connection point of the choke coil and the current switching element, to turn on / off the current switching element,
Wherein the operational amplifier circuit comprises:
When the PWM signal is off and the choke coil potential is about to drop below the reference potential, the current switching device is turned off from on to maintain the choke coil potential at the same potential as the reference potential,
And turns off the current switching element when the PWM signal is turned on or when the choke coil potential exceeds the reference potential.
상기 참조 전위가, 상기 2차 코일에 발생하는 역기전압과 동일 극성 또한 역기전압보다도 절댓값이 작은 전압인 것을 특징으로 하는, 동기 정류형 포워드 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein the reference potential is a voltage having the same polarity as the back electromotive voltage generated in the secondary coil, and a voltage having a value smaller than the back electromotive voltage.
상기 정류 스위칭 소자가 오프로 되었을 때에 상기 2차 코일에 발생하는 역기전압에 대하여 순방향으로 되도록, 상기 2차 코일의 일단과 상기 평활 콘덴서의 일단 사이에 접속된 정류 요소를 더 갖는 것을 특징으로 하는, 동기 정류형 포워드 컨버터.3. The method according to claim 1 or 2,
Further comprising a rectifying element connected between one end of the secondary coil and one end of the smoothing capacitor so as to be in a forward direction with respect to a back electromotive voltage generated in the secondary coil when the rectifying switching element is turned off. Synchronous rectified forward converter.
상기 PWM 신호가 포토 커플러를 통하여 상기 제1 지연 회로에 입력되는 것을 특징으로 하는, 동기 정류형 포워드 컨버터.3. The method according to any one of claims 1 to 2,
And said PWM signal is input to said first delay circuit through a photocoupler.
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