KR20190097041A - 전환-모드 전력 공급부를 위한 보조 전력 공급부 - Google Patents

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Abstract

결합된 전압 조정기와 스너버 회로는 일반적으로 누설 인덕턴스 전류 경로와 직렬로 작동 가능하게 연결 가능한 스너버 회로의 에너지 저장 소자와 병렬인 전압 조정기 디바이스를 갖고; 누설 인덕턴스는 입력 전압 공급원, 제어 가능한 반도체 스위치, 프리휠링 반도체 스위치, 피드백 제어기, 반응성 에너지 저장 컴포넌트 및 부하를 가진 전환-모드 전력 공급부에서 활용되는 자기 컴포넌트의 일부이고; 전압 조정기는 일반적으로 일정한 또는 가변 전압을 제어 가능한 반도체 및/또는 피드백 제어기의 게이트 드라이버에 제공한다.

Description

전환-모드 전력 공급부를 위한 보조 전력 공급부
본 출원은 미국 특허 출원 제15/387,789호(출원일: 2016년 12월 22일, 발명의 명칭: AUXILIARY POWER SUPPLY FOR SWITCH-MODE POWER SUPPLIES)의 우선권의 이득을 주장하고, 상기 기초출원의 전문은 참고로 본 명세서에 편입된다.
예시적인 실시형태는 일반적으로 전환-모드 전력 공급부의 분야, 더 구체적으로, 고효율 하이-사이드 보조 전력 공급부 및 누설 인덕턴스 에너지 리사이클링의 분야에 관한 것이다.
전환-모드 전력 공급부(switch-mode power supplies: SMPS)는 전력 처리 손실을 최소화하고 그리고 SMPS 전력 밀도를 최대화하는 동안 그 중에서도, 잘 조정된 전력을 전자 부하에 제공하는 현대의 전자 디바이스 내 전력 관리 컴포넌트이다. 일부 해결책은 개선된 SMPS 전환 주파수 및 반도체 기술을 제공한다. 이 해결책은 반품 및/또는 고가의 비용을 감소시키는 것을 발생시킬 수도 있다.
연쇄-입력 아키텍처가 전력 밀도 및 전력 처리 효율을 가능하게 하지만, 이 아키텍처는 보통 적어도 하나의 하이-사이드 게이트-드라이버 및 연관된 보조 전력 공급부를 요구한다. 이 부가적인 회로는 증가된 재료표, 컴포넌트 수, 대기 전류 및 잠재적으로 감소된 신뢰성에 기여한다.
부가적인 장애는 본 명세서의 아래의, 예시적인 실시형태의 상세한 설명을 고려하여 이해될 수도 있다.
예시적인 실시형태에 따르면, 경량 내지 과 출력 부하 전력 작동 조건 동안 자동 턴-오프 능력을 가진, 보조 전력 공급 손실을 더 감소시키기 위한 정상적으로 켜진 스위치 및 연관된 턴-오프 회로가 제공된다. 스너버(snubber) 에너지 저장 소자가 충분한 전압을 가져서 전압 조정기 및 이의 다운스트림 부하에 전력 공급하자마자 턴-오프 회로는 정상적으로 켜진 스위치를 동적으로 턴 오프한다. 그 결과, 정상적으로 켜진 스위치의 전도 손실이 감소되어 초경량 부하 작동 조건이 아닌 전체 동안 SMPS 전력 처리 효율을 개선시킨다.
예시적인 실시형태에 따르면, 일반적으로 누설 인덕턴스 전류 경로와 직렬로 작동 가능하게 연결 가능한 스너버 회로의 에너지 저장 소자와 병렬인 전압 조정기 디바이스를 갖는 결합된 전압 조정기와 스너버 회로가 제공되고; 누설 인덕턴스는 입력 전압 공급원, 제어 가능한 반도체 스위치, 프리휠링 반도체 스위치, 피드백 제어기, 반응성 에너지 저장 컴포넌트 및 부하를 가진 전환-모드 전력 공급부에서 활용되는 자기 컴포넌트의 일부이고; 전압 조정기는 일반적으로 일정한 또는 가변 전압을 제어 가능한 반도체 및/또는 피드백 제어기의 게이트 드라이버에 제공한다.
예시적인 실시형태에서, 적어도 하나의 변압기 입력 및 부하 출력을 가진 변압기, 변환기 셀, 로우-드롭아웃 조정기(low-dropout regulator), 및 보조 권선을 포함하는 전환-모드 전력 공급부가 제공될 수도 있다. 변환기 셀은 입력 커패시터, 스너버 회로로서, 변압기에 대한 변압기 입력이 스너버 회로와 병렬로 연결되는, 스너버 회로, 게이트 드라이버에 의해 구동되고 그리고 변압기 입력을 통해 전류를 제어하는 스위치, 및 입력 및 조정된 출력을 가진 전압 조정기를 포함할 수도 있다. 스너버 회로는 에너지 저장 디바이스 및 에너지 저장 디바이스와 직렬로 연결된 역-바이어스된 다이오드를 포함할 수도 있다. 전압 조정기의 조정된 출력은 게이트 드라이버의 전압 레일에 연결될 수도 있다. 전압 조정기의 입력은 스너버 회로에 걸쳐 병렬로 연결될 수도 있다. 적어도 하나의 변압기 입력 상의 보조 권선은 전력을 입력 커패시터에 제공하는 로우-드롭아웃 조정기에 보조 전압을 제공할 수도 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 전환-모드 전력 공급부는 이전의 변환기 셀의 이전의 변압기 입력과 병렬로 연결되는 각각의 부가적인 변환기 셀의 전압 조정기의 입력을 가진 하나 이상의 부가적인 변환기 셀을 포함할 수도 있다. 최종 변환기 셀은 최종 변환기 셀의 에너지 저장 디바이스와 병렬인 저항성 소자를 갖는 최종 변환기 셀의 스너버 회로를 포함할 수도 있다.
예시적인 실시형태 중 어느 하나 또는 전부에서, 에너지 저장 디바이스는 커패시터를 포함할 수도 있다. 부하는 변압기의 부하 출력에 연결될 수도 있다. 피드백 제어기는 기준 전압과 비교하여 변압기의 부하 출력을 모니터링할 수도 있다. 피드백 제어기는 감산 블록, 보상기, 및 변환기 셀의 게이트 드라이버를 제어하는 다중-출력 펄스-폭 변조기(multiple-output pulse-width modulator: MPWM) 생성기를 포함할 수도 있다. 전압 조정기는 전환-모드 전력 공급부, 선형 드롭아웃 조정기, 전환형-커패시터 변환기, 션트 전압 조정기, 직렬 전압 조정기, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택될 수도 있다.
예시적인 실시형태 중 어느 하나 또는 전부에서, 전압 조정기는 입력과 조정된 출력을 연결시키는 전압 차단 디바이스; 전압 차단 디바이스의 제어 포트와 입력 포트를 연결시키는 피드백 제어 회로; 및 전압 차단 디바이스와 상대적 영 전위 지점을 연결시키는 전압 기준 회로를 포함할 수도 있다. 전압 차단 디바이스는 NPN BJT 반도체 트랜지스터를 포함할 수도 있다. 피드백 제어 회로는 레지스터, 반도체 트랜지스터, 기동 전압 조정기(start-up voltage regulator), 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택될 수도 있다. 전압 기준 회로는 전류 독립적 전압 기준과 전류 종속적 전압 기준의 조합일 수도 있다. 전류 독립적 전압 기준은 제너 다이오드, 순방향 바이어스된 다이오드, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택될 수도 있다. 전류 종속적 전압 기준은 레지스터, 서미스터, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택될 수도 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 변압기 입력 및 부하에 연결된 부하 출력을 가진 변압기, 복수의 변환기 셀, 로우-드롭아웃 조정기, 및 보조 권선을 포함할 수도 있는 전환-모드 전력 공급부가 제공된다. 복수의 변환기 셀은 서로 연결될 수도 있고, 그리고 전압 입력을 수신하고 그리고 조정된 출력을 적어도 하나의 변압기 입력 중 하나에 제공하도록 구성될 수도 있다. 복수의 변환기 셀 중 적어도 하나는 변환기 셀의 전압 입력에 걸친 입력 커패시터, 에너지 저장 디바이스 및 에너지 저장 디바이스와 직렬로 연결된 역-바이어스된 다이오드를 포함하는 스너버 회로로서, 변압기 입력 중 하나는 스너버 회로와 병렬로 연결되는, 스너버 회로, 게이트 드라이버에 의해 구동되고 그리고 연결된 변압기 입력을 통해 전류를 제어하는 스위치, 및 입력 및 조정된 출력을 가진 전압 조정기를 포함할 수도 있다. 전압 조정기의 조정된 출력은 게이트 드라이버의 전압 레일에 연결될 수도 있다. 적어도 하나의 변환기 셀에 대한 전압 조정기의 입력은 이전의 변환기 셀의 변압기 입력에 걸쳐 연결될 수도 있다. 최종 변환기 셀에 대한 전압 조정기의 입력은 최종 변환기 셀에 대한 스너버 회로에 걸쳐 병렬로 연결될 수도 있다. 적어도 하나의 변압기 입력 상의 보조 권선은 전력을 변환기 셀 중 적어도 하나에 제공하는 로우-드롭아웃 조정기에 보조 전압을 제공할 수도 있다.
예시적인 실시형태 중 어느 하나 또는 전부에 따르면, 제1 변환기 셀의 스너버 회로는 제1 변환기 셀의 에너지 저장 디바이스와 병렬인 저항성 소자를 포함할 수도 있다. 에너지 저장 디바이스는 커패시터를 포함할 수도 있다. 부하는 변압기의 부하 출력에 연결될 수도 있다. 피드백 제어기는 기준 전압과 비교하여 변압기의 연결된 부하 출력을 모니터링할 수도 있다. 피드백 제어기는 감산 블록, 보상기, 및 각각의 변환기 셀의 게이트 드라이버를 제어하는 다중-출력 펄스-폭 변조기(MPWM) 생성기를 포함할 수도 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 전압 조정기를 가진 전환-모드 전력 공급부의 전력 효율을 위한 방법이 제공된다. 소스 입력 전력은 과도 에너지 저장 소자, 항상 활성화된 에너지 저장 소자, 또는 이들의 조합으로부터 수신될 수도 있다. 소스 입력 전력은 과도 에너지 저장 소자가 방전될 때 항상 활성화된 에너지 저장 소자로부터 지향될 수도 있고 그리고/또는 소스 입력 전력은 과도 에너지 저장 소자가 이용 가능할 때 과도 에너지 저장 소자로부터 지향될 수도 있다. 조정된 전압 출력은 출력 전력을 하이-사이드 전기 부하, 로우-사이드 전기 부하, 및/또는 이들의 조합에 제공하는 변압기에 의한 사용에 적합한 소스 입력 전력으로부터 생성될 수도 있다. 과도 에너지 저장 소자는 변압기로부터 누설 인덕턴스 에너지를 수신하는 스너버 에너지 소자를 포함할 수도 있다. 항상 활성화된 에너지 저장 소자는 커패시터-분할기일 수도 있다.
예시적인 실시형태 중 어느 하나 또는 전부에 따르면, 전환-모드 전력 공급부는 다중-권선 플라이백 변환기 또는 적층형 플라이백 셀 변환기 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 예시적인 실시형태의 다른 특징 및 변동은 본 개시내용을 읽을 때 당업자에게 명확해질 수도 있다. 본 명세서의 예시적인 실시형태는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 의도된다.
도 1은 예시적인 실시형태에 따른, 스너버 에너지 저장 소자 및 용량성-분할기 입력 커패시터에 연결된 2-포트 양방향 전압 조정기 및 커패시터-다이오드(capacitor-diode: CD) 스너버를 활용하는 다중-권선 플라이백 변환기의 개략도;
도 2는 예시적인 실시형태에 따른, 스너버 에너지 저장 소자 및 용량성-분할기 입력 커패시터에 연결된 2-포트 양방향 전압 조정기 및 CD 스너버를 활용하는 적층형 플라이백 변환기의 개략도;
도 3은 예시적인 실시형태에 따른, 정상적으로 공핍 모드가 켜진 FET, 저항성-분할기 기반 턴-오프 제어 회로 및 직렬 전압 조정기를 가진 2-포트 양방향 전압 조정기 회로를 도시한 도면;
도 4는 예시적인 실시형태에 따른, 작동의 모드가 기동 조건 및 초경량 부하 조건에 대해 강조되는 도 3의 2-포트 양방향 전압 조정기 회로를 도시한 도면이고, 직렬 전압 조정기 부하로의 전력이 입력 용량성-분할기 에너지 저장 소자로부터 제공된다;
도 5는 예시적인 실시형태에 따른, 작동의 모드가 경량 내지 중간 부하 작동 조건에 대해 강조되는 도 3의 2-포트 양방향 전압 조정기 회로를 도시한 도면이고, 직렬 전압 조정기 부하로의 전력이 스너버 에너지 저장 소자로부터 제공된다;
도 6은 예시적인 실시형태에 따른, 작동의 모드가 과부하 작동 조건에 대해 강조되는 도 3의 2-포트 양방향 전압 조정기 회로를 도시한 도면이고, 직렬 전압 조정기 부하로의 전력이 스너버 에너지 저장 소자로부터 제공되고 그리고 일부는 입력 용량성-분할기 에너지 저장 소자로 다시 리사이클된다;
도 7은 예시적인 실시형태에 따른, 정상적으로 공핍 모드가 켜진 FET, 저항성-분할기 기반 턴-오프 제어 회로 및 선형 드롭아웃 조정기를 가진 2-포트 양방향 전압 조정기 회로를 도시한 도면;
도 8은 예시적인 실시형태에 따른, 블리딩 레지스터(bleeding resistor), 에너지 리사이클링 다이오드 및 직렬 전압 조정기를 가진 2-포트 양방향 전압 조정기 회로를 도시한 도면;
도 9는 예시적인 실시형태에 따른, 기동 전압 조정기, 에너지 리사이클링 다이오드 및 직렬 전압 조정기를 가진 2-포트 양방향 전압 조정기 회로를 도시한 도면;
도 10은 예시적인 실시형태에 따른, 도 1의 실험적 다중-권선 플라이백 변환기에 대한 출력 부하 전류 레벨의 함수로서 전력 처리 효율의 전개를 도시하는 그래프; 및
도 11은 도 1에 도시된 변환기에서 사용되는, 다중-권선 플라이백 변압기 권선 적층을 도시한 도면이고, 최적화된 세가닥 선의 일차 권선 구조체는 감소된 누설 인덕턴스 전력 손실을 가능하게 한다.
이 도면은 예시적인 목적을 위해 예시적인 실시형태를 도시하고, 그리고 변동, 대안적인 구성, 대안적인 컴포넌트 및 변경이 이 예시적인 실시형태에 대해 행해질 수도 있다.
유사한 참조 부호는 유사한 구성요소 및 특징부를 나타내도록 도면 전반에 걸쳐 사용될 수도 있다.
예시적인 실시형태에 따르면, 경량 내지 과 출력 부하 전력 작동 조건 동안 자동 턴-오프 능력을 가진, 보조 전력 공급 손실을 더 감소시키기 위한 정상적으로 켜진 스위치 그리고 연관된 턴-오프 회로가 제공된다. 스너버 에너지 저장 소자가 충분한 전압을 가져서 전압 조정기 및 이의 다운스트림 부하에 전력 공급하자마자 턴-오프 회로는 정상적으로 켜진 스위치를 동적으로 턴 오프한다. 그 결과, 정상적으로 켜진 스위치의 전도 손실이 감소되어 초경량 부하 작동 조건이 아닌 전체 동안 SMPS 전력 처리 효율을 개선시킨다.
도 1은 교류(alternating current: AC)를 직류(direct current: DC)로 변환하기 위한 다중-권선 플라이백 변환기(102)의 예이다. 다중-권선 플라이백 변환기(102)는 직렬로 연결된 플라이백 변환기 셀(120)의 스트링의 일차 사이드를 소스 입력 전력(112), 예컨대, AC 전압 공급원(112)에 전기적으로 연결한다. 일차 사이드 플라이백 변환기 셀(120)의 각각은 2-포트 양방향 전압 조정기(160), 게이트 드라이버(123), CD 스너버 회로(121), 일차-사이드 변압기 권선(150), 및 반도체 스위치(125)를 포함한다. 각각의 변환기 셀 권선(예를 들어, 일차 권선(150a, 150b,..., 150k), 이차 권선(150x))은 단일의 변압기 코어(152)를 통해 다른 플라이백 변환기 셀(120)의 권선에 연결된다.
또한, 하단 변환기 셀(120)의 전압 조정기(160)는 보조 권선(163)으로부터의 보조 전압(Vaux)으로부터 과도 에너지를 수신한다. 보조 권선(163)은 보조 다이오드(D2) 및 커패시터 회로(Caux)를 포함한다. 기동 LDO(164)는 제1 변환기 셀(120)에(예를 들어, 최상단 용량성-분할기 노드에서) 연결되고 그리고 또한 보조 권선(163)에 연결된다. 또한, 상단 변환기 셀(120)은 아래의 이웃한 변환기 셀(120)의 전압 CD 스너버(121)를 사용한다. 스너버(121) 용량성 에너지는 양방향, 정상적으로-켜진 스위치 및/또는 전압 조정기(160)의 조정된 출력 전압 레일을 통해 소산되는 대신 리사이클될 수도 있다.
다중-권선 플라이백 변환기(102)의 이차 사이드 포트(300)는 결국 출력 전압(Vout)을 제공하는 출력 부하(130)에 연결된다. 출력 전압(Vout)은 일차 사이드로부터 절연체 및 보상기 블록(180)을 통해 감지 및 절연되어 제어 신호(νfb)를 생성한다. 제어 신호(νfb)는 제어 신호의 아날로그 값에 대한 듀티 비로 SMPS 스위치 온-오프 제어 작용을 생성하는 피드백 제어 집적 회로(IC)(170)를 지나간다.
도 2는 플라이백 변환기 셀(120)당 1회 다수의 2-권선 변압기(159)를 사용하는 적층형 플라이백 변환기(100)의 예이다. 출력 정류 다이오드(D1 내지 Dk)(190)는 전류를 출력 커패시터(Cout) 및 부하(130)에 동시에 제공한다. 이 실시예에서, 상단 적층형 플라이백 변환기 셀(120)은 반도체 스위치(125) 피크 전압을 클램핑하도록 레지스터-커패시터-다이오드(RCD)의 스너버 회로(121b)를 사용한다. 다중-권선 플라이백 변환기(102)와 유사하게, 적층형 플라이백 변환기(100)는 또한 보조 권선(163)으로부터 보조 전압(Vaux)을 수신하는 하단 변환기 셀(120)의 전압 조정기(160)를 갖는다. 기동 LDO(164)는 제1 변환기 셀(120)에(예를 들어, 최상단 용량성-분할기 노드에서) 연결되고 그리고 또한 보조 권선(163)에 연결된다.
도 3은 도 1 또는 도 2에서 사용될 수도 있는 2-포트 양방향 전압 조정기(160)의 예이다. 공핍 모드 n-유형 FET((depletion mode n-type FET: DFET))(200)의 드레인은 208을 통해 플라이백 변환기 셀(120)의 용량성-분할기 에너지 저장소(Cin)의 고차 전위 노드(208a, b,...,k)에 연결된다. 공핍 모드 n-유형 FET(200)의 소스는 209에서 스너버 용량성 저장 소자의 고차 전위 노드에 연결된다. 직렬 전압 조정기(211) 및 공핍 모드 n-유형 FET 턴-오프 회로는 저항성 분할기에 의해 제공되고, R1(203a)과 R2(203b), 전압 기준 회로(Z)(202)(예를 들어, 제너 다이오드), 및 전압 차단 디바이스(201)(예를 들어, NPN BJT)에 의해 형성되고 그리고 스너버 용량성 에너지-저장 소자와 병렬로 연결된다. 직렬 전압 조정기는 이의 출력 노드와 병렬로 연결된 연결해제 커패시터(207)를 갖는다.
전압 조정기(160)는 SMPS 기동 동안 또는 스너버 용량성 에너지 소자(209)가 충분한 에너지를 갖지 않을 때의 기간 동안, 전력이 입력 용량성-분할기 에너지 저장 소자(208)로부터 직렬 전압 조정기 부하, 예컨대, 도 1 및 도 2의 게이트 드라이버(123)로 흐르게 하기 위한 경로를 제공할 수도 있다. 이 기간 동안의 전류 경로가 도 4에 예시되고 그리고 게이트-소스 전압(Vgs) 값이 공핍-모드 n-유형 FET(200)의 문턱 전압 값(Vth)(보통 -1V 내지 -2.1V)보다 더 크다면 유효하다. 다른 실시형태에서, 전류 경로는 또 다른 방법, 예컨대, 과도 에너지 저장 소자의 품질 또는 잡음에 의해 결정될 수도 있다. 공핍-모드 n-유형 FET(200)의 턴-오프 전압과 전압 조정기(160) 컴포넌트의 나머지 간의 관계는 다음 식에 의해 제공되고,
Figure pct00001
(1)
그리고 스너버 에너지 저장 소자가 충분히 큰 전압 값을 가질 때(예를 들어, Vcs > Vz) 즉각적으로 공핍-모드 n-유형 FET(200)의 턴-오프 지점을 결정할 수도 있다. 이러한 방식으로, 직렬 전압 조정기는 초경량 부하 작동 조건 동안 게이트 드라이버 또는 유사한 전자 부하에 대한 신뢰할 수 있는 전압 조정을 보장할 수도 있으면서 또한 입력 용량성-분할기 에너지 저장 소자(208)로부터의 전력 소모를 최소화한다. 저항성-분할기 비를 선택함으로써 그리고 스너버 커패시터 전압이 전압 조정기에 연결된 부하에 의해 요구되는 최소 전압보다 더 큰 가장 최악의 경우를 보장함으로써, 소스 입력 전력은 과도 에너지 저장 소자가 이용 가능한 에너지를 가질 때 과도 에너지 저장 소자로부터 지향된다.
스너버 에너지 소자(209)가 직렬 전압 조정기 및 이의 전자 부하를 활성화시키도록 충분한 전압을 가질 때, 공핍-모드 n-유형 FET(200)는 턴-오프되고 그리고 전압 조정기(160)의 전력 흐름 경로는 도 5에 도시된 것과 유사하다. 스너버 에너지 소자(209) 내 저장된 누설 인덕턴스(153) 에너지는 SMPS 전력 손실을 감소시키고 그리고 전력 처리 효율을 개선시키는 과정에서, 잘 조정된 직렬 전압 조정기를 통해 리사이클된다. 잘 조정된 전압 출력은 하이-사이드(예를 들어, 부유 접지) 또는 로우-사이드 전기 부하(예를 들어, 영 전위/공통 접지에 연결된 하나의 노드를 가진 부하)에 의한 사용에 적합할 수도 있다.
이 실시형태는 스너버 용량성 에너지 저장 소자(209) 전압이 입력 용량성-분할기 에너지 저장 소자 전압(208)보다 더 클 때, 하이 출력 전력 부하 레벨 동안 누설 인덕턴스 에너지의 증가된 리사이클링을 허용한다. 직렬 전압 조정기 및 이의 전자 부하를 사용하지 않고, 과잉의 에너지를 허용함으로써, 공핍-모드 n-유형 FET(200) 의 바디-다이오드를 통해 입력 용량성-분할기 에너지 저장 소자(208) 내로 흐르기 위해서, 전력 처리 효율이 더 개선될 수 있다. 이 작동 모드 동안 전력 흐름 경로는 도 6에 예시된다.
도 7은 도 3의 직렬 전압 조정기(211) 대신 로우-드롭아웃 선형 조정기(204)를 활용하도록 조정되는 2-포트 양방향 전압 조정기의 또 다른 예이다. 모든 다른 컴포넌트는 위에서 이전에 설명된 예와 유사하다.
도 8은 기동 전력 전달 및 에너지 리사이클링을 위한 도 3의 공핍 모드 FET(200) 대신 레지스터(210) 및 병렬 다이오드(205)를 활용하도록 조정되는 2-포트 양방향 전압 조정기의 또 다른 예이다. 모든 다른 컴포넌트는 위에서 이전에 설명된 예와 유사하다.
도 9는 기동 전력 전달 및 에너지 리사이클링을 위한 도 3의 공핍 모드 FET(200) 대신 기동 전압 조정기(206) 및 다이오드(205)를 활용하도록 조정되는 2-포트 양방향 전압 조정기의 또 다른 예이다. 모든 다른 컴포넌트는 위에서 이전에 설명된 예와 유사하다.
도 3 또는 도 7에 도시된 2-포트 전압 조정기(160)에서 보통 공핍-모드를 사용하는, 110Vrms 내지 5V의 실험적 다중-권선 플라이백 변환기에 대한 측정된 전력 처리 효율이 도 10에 제공된다. 2개의 부가적인 다중-권선 플라이백 변환기의 비교 목적을 위해, 도 8에 도시된, 블리딩 레지스터(210) 및 다이오드(205) 회로를 사용하는 하나, 그리고 공핍 모드 FET(200) 대신, 도 9에 도시된, 기동 전압 조정기(206) 및 다이오드(206) 회로를 사용하는 다른 하나가 비교에 포함된다. 최대 전력에서 측정된 전력 처리 효율은 제안된 2-포트 전압 조정기(160)의 실용적 구현에 관계없이, 부류(일반적으로 85% 초과) 중 최상이다.
도 11은 도 1에 도시된 변환기와 유사한 변환기 내 변압기 누설 인덕턴스 에너지에 기인하여 전력 손실의 감소를 가능하게 할 수도 있는 다중-권선 변압기 권선 구조를 도시한다. 다른 일차 사이드 권선(150), 보통 중간의 일차-사이드 권선(150a)에 대해 고차 연결된 일차 사이드 권선(150)은 상단 플라이백 변환기 셀(120)에 연결된다. 상단 플라이백 변환기 셀(120)이 하단 플라이백 변환기 셀(120)과는 달리, 누설 인덕턴스(153) 에너지를 리사이클하는 메커니즘을 갖지 않기 때문에, 누설 인덕턴스 전력 손실이 최소화될 수도 있다.
예시적인 실시형태는 누설 인덕턴스 에너지가 용량성-분할기 에너지 저장 포트 및 정상적으로 켜진 스위치 경로를 통해, 전압 조정기 부하에 전력 공급하기에 충분할 때의 기간 또는 SMPS 기동 동안 전압 조정기가 전력 공급되는 대안적인 방법을 제공할 수도 있다. 이러한 방식으로, 전압 조정기 부하의 신뢰할 수 있는 작동은 부하가 없는 작동 조건 하에서도 보장될 수도 있다.
다중-권선 플라이백 변환기(102) 및 적층형 플라이백 변환기(100)가 특정한 실시예일지라도, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시형태가 본 명세서에 전문이 참고로 분명히 편입된, 미국 특허 출원 제15/209,184호(참조 번호: 51998-3001)와 같은 변환기에 적용될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 실시형태에서, 에너지 저장 디바이스, 예컨대, 커패시터 및/또는 인덕터가 별개의 회로 소자의 형태로 제공될 수도 있거나 또는 집적 회로에 통합될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 실시형태가 공핍-모드 n-유형 FET(200)를 개시하지만, 다른 실시형태가 질화갈륨 반도체 스위치 및/또는 블리딩 레지스터 또는 유사한 디바이스를 포함할 수도 있다.
특정한 전압 조정기가 본 명세서의 실시예를 참조하여 설명되지만, 다른 실시형태는 션트 전압 조정기, 직렬 전압 조정기, 미니어처 SMPS, 로우-드롭아웃 조정기, 전환형-커패시터 변환기, 및/또는 유사한 디바이스를 포함할 수도 있다. 전압 조정기의 출력은 부유식 반도체 스위치 게이트 드라이버, 제어 회로, 또는 유사한 디바이스를 통해 부하에 연결될 수도 있다.
변동은 위 중 임의의 것의 조합 및 하위-조합을 포함할 수도 있는, 일부 예시적인 실시형태에 대해 행해질 수도 있다. 위에서 제공된 다양한 실시형태는 단지 실시예이고 그리고 어떤 방식으로도 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에 설명된 예시적인 실시형태의 변동은 당업자에게 분명할 것이고, 이러한 변동은 본 개시내용의 의도된 범위 내에 있다. 특히, 위에서 설명된 실시형태 중 하나 이상으로부터의 특징은 위에서 명확히 설명되지 않을 수도 있는 특징의 하위 조합으로 이루어진 대안적인 실시형태를 생성하도록 선택될 수도 있다. 또한, 위에서 설명된 실시형태 중 하나 이상으로부터의 특징은 위에서 명확히 설명되지 않을 수도 있는 특징의 조합으로 이루어진 대안적인 실시형태를 생성하도록 선택 및 조합될 수도 있다. 이러한 조합 및 하위-조합에 적합한 특징은 본 개시내용의 전문 검토 시 당업자에게 손쉽게 분명해질 것이다. 본 명세서에 설명된 주제는 기술의 모든 적합한 변화를 포함 및 수용하는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 전환-모드 전력 공급부로서,
    적어도 하나의 변압기 입력 및 부하 출력을 가진 변압기;
    변환기 셀로서,
    입력 커패시터,
    에너지 저장 디바이스 및 상기 에너지 저장 디바이스와 직렬로 연결된 역-바이어스된 다이오드를 포함하는 스너버 회로(snubber circuit)로서, 상기 변압기 입력 중 하나는 상기 스너버 회로와 병렬로 연결되는, 상기 스너버 회로,
    게이트 드라이버에 의해 구동되고 그리고 상기 변압기 입력을 통해 전류를 제어하는 스위치, 및
    입력 및 조정된 출력을 가진 전압 조정기로서, 상기 전압 조정기의 상기 조정된 출력은 상기 게이트 드라이버의 전압 레일에 연결되고, 상기 전압 조정기의 상기 입력은 상기 스너버 회로에 걸쳐 병렬로 연결되는, 상기 전압 조정기를 포함하는, 상기 변환기 셀;
    로우-드롭아웃 조정기(low-dropout regulator); 및
    전력을 상기 입력 커패시터에 제공하기 위한 상기 로우-드롭아웃 조정기에 보조 전압을 제공하기 위한 상기 적어도 하나의 변압기 입력 상의 보조 권선을 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 부가적인 변환기 셀을 더 포함하되, 각각의 부가적인 변환기 셀의 상기 전압 조정기의 상기 입력은 이전의 변환기 셀의 이전의 변압기 입력과 병렬로 연결되는, 전환-모드 전력 공급부.
  3. 제2항에 있어서, 최종 변환기 셀을 더 포함히되, 상기 최종 변환기 셀의 상기 스너버 회로는 상기 최종 변환기 셀의 에너지 저장 디바이스와 병렬인 저항성 소자를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 디바이스는 커패시터를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변압기의 상기 부하 출력에 연결된 부하를 더 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  6. 제5항에 있어서, 기준 전압과 비교하여 상기 변압기의 상기 부하 출력을 모니터링하는 피드백 제어기를 더 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  7. 제6항에 있어서, 상기 피드백 제어기는 감산 블록, 보상기, 및 상기 변환기 셀의 상기 게이트 드라이버를 제어하는 다중-출력 펄스-폭 변조기(multiple-output pulse-width modulator: MPWM) 생성기를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전압 조정기는 전환-모드 전력 공급부, 선형 드롭아웃 조정기, 전환형-커패시터 변환기, 션트 전압 조정기, 직렬 전압 조정기, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는, 전환-모드 전력 공급부.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전압 조정기는,
    상기 입력과 조정된 출력을 연결시키는 전압 차단 디바이스;
    상기 전압 차단 디바이스의 제어 포트와 입력 포트를 연결시키는 피드백 제어 회로; 및
    상기 전압 차단 디바이스와 상대적 영 전위 지점을 연결시키는 전압 기준 회로를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전압 차단 디바이스는 NPN BJT 반도체 트랜지스터를 포함하고; 상기 피드백 제어 회로는 레지스터, 반도체 트랜지스터, 기동 전압 조정기, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되고; 그리고 상기 전압 기준 회로는 전류 독립적 전압 기준과 전류 종속적 전압 기준의 조합인, 전환-모드 전력 공급부.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전류 독립적 전압 기준은 제너 다이오드, 순방향 바이어스된 다이오드, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되고; 그리고 상기 전류 종속적 전압 기준은 레지스터, 서미스터, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되는, 전환-모드 전력 공급부.
  12. 전환-모드 전력 공급부로서,
    적어도 하나의 변압기 입력 및 부하 출력을 가진 변압기;
    서로 연결되고, 그리고 전압 입력을 수신하고 그리고 조정된 출력을 상기 적어도 하나의 변압기 입력 중 하나에 제공하도록 구성되는 복수의 변환기 셀로서, 상기 복수의 변환기 셀 중 적어도 하나는,
    상기 변환기 셀의 상기 전압 입력에 걸친 입력 커패시터,
    에너지 저장 디바이스 및 상기 에너지 저장 디바이스와 직렬로 연결된 역-바이어스된 다이오드를 포함하는 스너버 회로로서, 상기 변압기 입력 중 하나는 상기 스너버 회로와 병렬로 연결되는, 상기 스너버 회로,
    게이트 드라이버에 의해 구동되고 그리고 연결된 변압기 입력을 통해 전류를 제어하는 스위치, 및
    입력 및 조정된 출력을 가진 전압 조정기로서, 상기 전압 조정기의 상기 조정된 출력은 상기 게이트 드라이버의 전압 레일에 연결되고, 적어도 하나의 변환기 셀에 대한 상기 전압 조정기의 상기 입력은 이전의 변환기 셀의 상기 변압기 입력에 걸쳐 연결되고, 그리고 최종 변환기 셀에 대한 상기 전압 조정기의 상기 입력은 상기 최종 변환기 셀에 대한 상기 스너버 회로에 걸쳐 병렬로 연결되는, 상기 전압 조정기를 포함하는, 상기 복수의 변환기 셀;
    로우-드롭아웃 조정기, 및
    전력을 상기 변환기 셀 중 적어도 하나의 상기 입력 커패시터에 제공하기 위한 상기 로우-드롭아웃 조정기에 보조 전압을 제공하기 위한 상기 적어도 하나의 변압기 입력 상의 보조 권선을 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 변환기 셀의 상기 스너버 회로는 상기 제1 변환기 셀의 상기 에너지 저장 디바이스와 병렬인 저항성 소자를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  14. 제12항에 있어서, 상기 에너지 저장 디바이스는 커패시터를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  15. 제12항에 있어서, 상기 변압기의 상기 부하 출력에 연결된 부하를 더 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  16. 제15항에 있어서, 기준 전압과 비교하여 상기 변압기의 상기 연결된 부하 출력을 모니터링하는 피드백 제어기를 더 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  17. 제16항에 있어서, 상기 피드백 제어기는 감산 블록, 보상기, 및 각각의 변환기 셀의 상기 게이트 드라이버를 제어하는 다중-출력 펄스-폭 변조기(MPWM) 생성기를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부.
  18. 전압 조정기를 가진 전환-모드 전력 공급부를 위한 방법으로서,
    소스 입력 전력을 과도 에너지 저장 소자, 항상 활성화된 에너지 저장 소자, 또는 이들의 조합으로부터 수신하는 단계;
    상기 과도 에너지 저장 소자가 방전될 때 상기 소스 입력 전력을 상기 항상 활성화된 에너지 저장 소자로부터 지향시키는 단계;
    상기 과도 에너지 저장 소자가 이용 가능할 때 로우-드롭아웃 조정기를 사용하여, 상기 소스 입력 전력을 상기 과도 에너지 저장 소자로부터 지향시키는 단계;
    출력 전력을 하이-사이드 전기 부하, 로우-사이드 전기 부하, 및/또는 이들의 조합에 제공하는 변압기에 의한 사용에 적합한 상기 소스 입력 전력으로부터 조정된 전압 출력을 생성하는 단계를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부를 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 과도 에너지 저장 소자는 상기 변압기로부터 누설 인덕턴스 에너지를 수신하는 스너버 에너지 소자를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부를 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 항상 활성화된 에너지 저장 소자는 커패시터-분할기를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부를 위한 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전환-모드 전력 공급부는 다중-권선 플라이백 변환기 또는 적층형 플라이백 셀 변환기 중 적어도 하나를 포함하는, 전환-모드 전력 공급부를 위한 방법.
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