KR920002263B1 - 플라이 백 스위칭 파워 서플라이 장치 - Google Patents

플라이 백 스위칭 파워 서플라이 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

플라이 백 스위칭 파워 서플라이 장치
제1도는 종래의 회로도.
제2도는 본 발명에 따른 회로도.
제3도는 본 발명에 따른 각부 파형도.
＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 제어장치부 Q1-Q2 : 트랜지스터
D1 : 제너다이오드 D2-D7 : 다이오드
R1-R14 : 저항 C1-C8 : 캐패시터
본 발명은 키폰전화기(Key Telephone System:이하 ＂KTS＂라 칭함)의 내부회로에 전원을 공급하는 전원장치에 관한 것으로, 특히 키폰시스템(Key Service Unit:이하 KSU라 칭함)으로부터 공급되는 전원을 그대로 이용하여 소망하는 레벨의 전원을 출력할 수 있는 플라이 백(fly back) 스위칭 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply)장치에 관한 것이다.
일반적으로 KTS에 KSU로 공급되는 직류전원을 이용하여 소망하는 직류전원으로 출력하는 전원장치를 가지고 있다. 상기 KSU에 수용되어 통신 서어비스를 행하는 KTS내의 전원장치는 통상 저전압 레벨의 전원(5VDC)과 고전압 레벨의 전원(12VDC 또는 30VDC)을 KTS내의 각 회로에 공급된다. 이때 상기 고전압 레벨의 전원은 상기 KTS와 KSU간의 데이터 전송전압으로 사용되며, 저전압 레벨의 전원은 KTS내의 각 회로의 동작 전압으로 제공되게 되어 있다. 따라서 KTS 내에서는 저전압 레벨의 전원 소모량이 많다. 이와 같은 원인에 의해 KTS내의 전원장치는 전원 효율이 양호한 SMPS(Switching Mode Power Supply)로 구성되어있다.
제1도는 종래 KTS내부의 전원장치의 회로도로서, 제1인터페이스(Interface)(11) 및 파워 서플라이 집적회로(12) 및 제2인터페이스(13)로 이루어져 있으며, 파워라인(Vp 및 VGND)을 통해 KSU로부터 공급되는 직류전원을 제너다이오드(DZ)를 통해 상기 파워 서플라이 집적회로(12)의 전원을 인가한다.
상기 파워라인(Vp+)(VGND)는 KSU의 전원전압 출력 라인에 접속되어 KSU로부터 출력되는 전원전압을 제너다이오드(DZ)의 케소드에 입력시키는 것이다. 이때 KSU로부터 출력되는 전원전압은 약 48VDC전압이다.
상기 제1도의 구성중 제너다이오드(DZ)는 파워라인(Vp+)를 통한 전원전압을 제너전압(Zener Voltage)만큼 전압강하 시키어 애노드(Anode)로 출력하도록 하는 전압강하 소자로 사용하고 있다.
그리고 파워 서플라이 집적회로(12)는 입력되는 전원전압을 소정 레벨의 직류전압으로 변환하여 출력하는 기능을 가지고 있다.
지금 KSU(도시하지 않았음)로부터 KTS를 동작시키기 위한 전원전압을 파워라인(Vp+)로 출력하면, 이는 제너다이오드(DZ)의 케소드(Cathode)를 통해 파워 서플라이(12)의 전원으로 인가된다. 상기 제너다이오드(DZ)는 상기 파워라인(Vp+)로 입력되는 전원(KSU의 출력으로 약 48VDC)을 설정된 제너전압(Zener Voltage)(ZV)만큼 전압강하 하여 파워 서플라이(12)의 동작 전원으로 입력시킨다.
예들들어 제너전압(ZV)가 10V이라면 상기 파워 서플라이 집적회로(12)는 파워라인(Vp+)(VGND)로 입력되는 전압 48VDC에서 상기 제너다이오드(DZ)의 제너전압(ZV)만큼 전압 강하되어진 38VDC가 제공된다. 이때 상기 제너다이오드(DZ)로 파워라인(Vp+)의 전압을 강제적으로 전압강하시키어 파워 서플라이 집척회로(12)의 전원으로 제공하는 이유는 현재 범용의 SMPS용 집적회로의 최대 동작허용 입력전압이 48VDC로 제한되어 있기 때문이다.
상기와 같이 제너다이오드(DZ)를 통하는 전원을 입력하는 파워 서플라이 집적회로(12)는 제1인터페이스(11) 및 제2인터페이스(13)에 의한 정수의 값들에 의해 입력전압을 소정 레벨의 전압 예를 들면 5VDC로 다운시키어 출력한다. 상기에서 제1, 제2인터페이스회로(11)(13)는 파워 서플라이 집적회로(12)의 출력전압을 결정하기 위한 주변회로 소자들로서 주로 저항, 캐패시터들로 구성되어진 것이다.
상기와 같이 KSU로부터 공급되는 전압을 파워 서플라이 집적회로(12)의 최대허용 입력전압으로 다운(전압강하)시키고, 다운한 전압으로서 소망하는 전압을 출력하는 종래의 회로는 전력효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이를 보다 상세히 설명하면 하기와 같다.
제1도 회로의 전력효율(η)이 60%이고, 파워 서플라이 입력회로(12)의 출력전압(Vout)(5VDC)의 400㎃이라고 가정한 상태에서 48VDC전압을 입력할 때와 40VDC전압을 입력했을 경우 입력되어야 할 전류 즉 KSU에서 공급하여야 할 전류를 X와 Y라 하면 하기식(1) 및 (2)식과 같다.
48VDC를 입력하는 경우
VIN·X㎃·η=Vout·Iout
48VDC·X㎃·0.6=5VDC·400㎃
28.8X=2.000
X=2000/28.8[㎃]
X=69.4㎃………………………………………(1)
40VDC를 입력하는 경우
VIN·Y㎃·η=Vout·Iout
48VDC·Y㎃·0.6=5VDC·400㎃
24Y=2.000[㎃]
Y=2000/24
Y=83㎃………………………………………(2)
단, 상기식(1)과 (2)에서 VIN은 파워 서플라이 집적회로(12)의 입력전압, η는 파워 서플라이 입력회로(12)의 전력효율로서 60%, Vout와 Iout는 파워 서플라이의 출력전압 및 부하의 소비전류이다.
상기식(1)과 (2)에서 살펴본 바와 같이 입력전압을 다운시켰을 경우 전력소모가 더 많다는 것을 알 수 있다,
그러나 제1도와 같은 종래의 회로는 KSU로부터 공급되는 전압 48VDC를 제너다이오드(DZ)를 이용하여 파워 서플라이 집적회로(12)의 최대 허용 입력전압(약 40VDC)로 다운시키어 소망하는 전압을 출력시킴으로서 전력소모가 매우 많은 문제가 있어왔다.
따라서 본 발명의 목적은 KSU에서 KTS로 공급되는 파워의 소모를 최소화하기 위해 KSU의 출력전원전압은 그대로 이용하여 최대의 전력 효율로서 소망하는 전원을 출력할 수 있는 플라이 백 스위칭 파워 서플라이 장치를 제공함에 있다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명의 회로도로서, 동작 전원전압(Vcc)의 입력에 동작되어 설정되어진 PWM펄스를 출력하는 제어장치부(10)와, KSU로부터 전압(Vp+)(VGND)을 입력하는 파워라인(1)(2)의 전압을 일정 레벨의 정전압으로 유지하여 상기 제어장치부(10)의 동작 전원전압단자(Vcc)에 기동전압으로 제공하는 볼레지 레귤레이터(5)와, 상기 파워라인(1)을 통한 KSU의 출력전압(Vp+)을 일측단자로 입력하는 일차측 제1권선(A)을 가지며, 상기 일차측 제1권선(A)의 스위칭 전류에 따른 전압을 유기 출력하는 일차측 제2권선(B) 및 다수의 이차측을 가지는 플라이백 트랜스퍼머(Fly Back Transformer)(15)와, 상기 제어장치부(10)와 플라이백 트랜스퍼머(15)의 일차측 제1권선(A)의 타측단자에 접속되어 있으며 상기 제어장치부(10)로부터 출력되는 PWM펄스에 스위칭되어 상기 일차측 제1권선(A)의 전류 루프를 스위칭하는 스위칭부(20)와, 상기 플라이백 트랜스퍼머(15)의 일차측의 제2권선(B)의 출력을 정류하여 상기 제어장치부(10)의 동작 전압을 제공함에 동시에 상기 볼레지 레귤레이터(5)의 출력을 차단하는 다이오드(D3)로 구성된다.
상기 제2도중 제어장치부(10)는 반도체 메이커인 ＂THOMSON＂사에서 생산 판매되는 UAA4001인 스위칭 모드 파워 서플라이 제어부(Switching Mode Power Supply Controller)를 사용한 예이며, 그 이외의 미설명부호는 C1-C4와, R2-R11은 제어장치부(10)의 주변화로 소자로서 PWM펄스를 발생하기 위한 커패시터 및 저항들이다.
제3도는 제2도의 일부분의 동작 출력파형도이다.
우선 KSU로부터 공급되는 직류전원(48V)(Vp+, VGND)은 파워라인(1,2)을 통하여 라인(3)을 거쳐 플라이백 트랜스퍼머(15)내의 트랜스퍼머(T1) 일차측 제1권선(A)의 일측 단으로 공급된다. 또한 상기 파워라인(1)의 전원(Vp+)은 순간 스타트(start) 전원공급을 공급하기 위하여 저항(R1) 및 트랜지스터(Q1) 및 제너다이오드(D1)로 이루어진 볼레지 레귤레이터(5)에 인가되어 트랜지스터(Q1)를 턴온(turn on)하게 된다, 상기 제너다이오드(D1)는 트랜지스터(Q1) 베이스에 연결되어 이 제너다이오드(D1)의 정전압에 의해 트랜지스터(Q1)와 다이오드(D2)를 통해 출력되는 전압이 일정하게 한다. 예를 들면 파워라인(1)을 통한 전압(Vp+)(48VDC)를 약 11VDC의 정전압으로 일정하게 출력한다. 상기 다이오드(D1)의 케소드로부터 출력되는 전압은 라인(4)을 통해 제어장치부(10)의 전원단자(Vcc)로 공급된다. 상기 전원공급은 제어장치부(10)의 초기동작을 제어한다. 즉 초기동작 전압으로 동작되어진다. 상기 제너다이오드(D2)로 부터 출력되는 전압을 입력하는 제어장치부(10)는 상기 전압 입력에 동작되어진다. 상기 전압에 동작되어지는 제어장치부(10)는 주변회로(캐패시터 C10C4와, 저항 R2-R11)에 의해 결정되어진 소정 주기(T)의 PWM(Pulse Width Modulation) 펄스를 베이스 전류 출력단자(IB)를 통해 출력하여 저항(R12, R13) 및 트랜지스터(Q2)로 이루어진 스위칭부(20)내 트랜지스터(Q2)을 (온/오프)스위칭 시킨다.
상기 제어장치부(10)의 베이스 전류 출력단자로부터의 PWM펄스는 제3도 (가)파형도 같다.
상기 스위칭부(5)내 트랜지스터(Q2)의 온/오프 스위칭 동작으로 플라이백 트랜스(15) 트랜스퍼머(T1)의 일차측 제1권선(A)의 타측단은 상기 트랜지스터(Q2)의 콜렉터-에미터간을 통해 접지와 스위칭 접속되어지며, 이로인해 상기 트랜스퍼머(T)일차측 제1권선(A)에는 스위칭 전류가 흐르게 되므로 일차측 제2권선(B)에는 상이 일차측 제1권선(A)과 제2권선(B)의 권선비에 따른 전압이 유기된다.
상기 일차측 제2권선(B)에서 발생되는 파형은 제3도 (나)의 파형과 같다.
상기 트랜스퍼머(T)의 일차측 제2권선(B)으로부터 제3도 (나)와 같이 출력되는 전압은 다이오드(D3)에서 제3도 (다)와 같이 정류되어 양(+)(12VDC)의 전압만이 출력된다.
이때 상기 다이오드(D3)에서 제3도 (다)와 같이 출력되는 전압은 캐패시터(C2)에서 평활되어진 후 제어장치부(10)의 전원단자(Vcc)로 공급됨과 동시에 저항(R6)과 (R7)을 통해 단자(VCE;VCE Sat Sensing)와 단자(V+; Positive Output Stage Supply)로 입력된다.
이때 상기 다이오드(D3)로부터 출력된 캐패시터(C2)에서 평활되어진 전압은 +12V이고 다이오드(D2)에서 출력되어진 전압은 11VDC됨으로 상기 다이오드(D2)는 역방향 전압에 의해 차단(off)된다. 따라서 제어장치부(10)는 트랜스퍼머(T1) 일차측 제2권선(B)으로부터 출력되어 다이오드(D3)에서 정류된 전압에 의해 동작된다. 한편 상기 다이오드(D2)와 (D3)가 일방향 직렬 접속된 캐패시터(C1)는 제어장치부(10)의 단자(TON;Ton Max External adjustment and soft-start)와 접속되어진 블로킹(Blocking) 캐패시터이다, 상기 캐패시터(C1)는 제어장치부(10)가 순간 스타트시 발생되는 과부하로 제어장치부(10)의 내부에 있는 모듈레이터가 동작을 하지 않도록 소정 지연한 후 이 모듈레이터를 동작하게 한다.
또한 상기 다이오드(D2)와 일방향 직렬 접속된 캐패시터(C2)는 그라운드와 연결하여 평활작용을 한다. 상기와 같은 동작에 의해 제어장치부(10)의 전원단자(Vcc)에는 상기 트랜스퍼머(T1) 일차측 제2권선(B)에서 발생되는 전원이 공급되므로 전력 효율(η)은 최대가 된다. 상기 제어장치부(10)의 단자(IB)으로부터 송출되는 PWM펄스는 스위칭부(20)내 트랜지스터(Q2)를 온/오프 스위칭한다. 이때 상기 제어장치부(10)의 PWM펄스주기는 단자(Rt;RT osecillator External Resistor)와 단자(CT;CT oscillator External Resistor)에 각각 연결된 주기 발생수단의 저항(R5) 및 캐패시터(C3) 시정수에 의해 결정된다. 상기 트랜지스터(Q2) 온/오프 주기(T)는 푸리(free) 런닝(running) 오실레이션(osicillation) 주파수(f)로 하기 (1)식에 나타나 있다.
f= 1.85/R5·C3 …………………(1)식
(R5·C3) = T
상기 단자(CT)의 캐패시터(C3)에 의해 제어장치부(10)내부에서 발생되는 파형은 제3도(라)파형과 같다.
상기 제3도 (가)와 같은 펄스에 의해 트랜지스터(Q2)가 온 동작을 할 때 트랜스퍼머(T1) 일차측 제1권선(A)에는 전류가 흐르게 되어 에너지를 축적하게 되며, 트랜지스터(Q2)가 ＂오프＂동작을 하는 순간에 트랜스포머(T1)dml 일차측 제1권선(A)에 축적된 에너지가 일차측 제2권선(B) 및 이차측 제1, 제2, 제3 권선 (C), (D), (E)으로 유기된다 상기 이차측의 제1, 제2, 제3 (C), (D), (E)에 펄스 전압이 유기되면 각각 정류필터링 그리고 krkr 정류 필터링(Filtering)작용을 하는 평활 회로로 구성된 다이오드(D5) 및 캐패시터(C6)와, 다이오드(D6) 및 캐패시터(C7)와, 다이오드(D7) 및 캐패시터(C8)를 통하여 각각 KTS에서 필요한 전원(Vcc5, -Vcc5, VDD30)(+5V, -5V, 30V)을 출력한다. 이때 상기 트랜스퍼머(T1) 이차측 제1권선(C) 제2권선(D) 및 제3권선(E)에서 각각 출력되는 펄스 전압파형은 제3도 (나)파형과 같으나 전압레벨만이 다르다, 즉, 이차측 제1권선(C)에서 발생되는 파형은 양(+)측 피크치가 +5V이고 음(-)측 피크치가 -20V이다.또한 제2권선(D)에서 발생되는 파형은 양(+)측 피크치가 +20V이고 음(-)측 피크치가 -5V이며 상기 제3권선(E)에서 발생되는 파형은 양(+)측 피크치가 +0.3V이고 음(-)측 피크치가 -50V이다. 상기 스위칭부(20)내 트랜지스터(Q2)의 콜렉터(Collector)단자에는 트랜지스터(Q2)가 온/오프시 발생되는 펄스를 잡아주기 위해 캐패시터(C5)가 다이오드(D4)로 통해 그라운드시킨다. 따라서 상기 트랜지스터(Q2)가 ＂온＂상태로 되면 캐패시터(C5)가 충전되어 있으므로 저항(R14)와 캐패시터(C9)로 방전 통로를 형성한다. 상기 충전동작시는 급속도로 진행되고 방전동작시는 천천히 진행된다.
따라서 상기 파워라인(2)에는 그라운드(GND)가 인가되므로 이 파워라인(2)과 제어장치부(10)의 단자(IP;Primary Current Iimit input)사이에 과전류 보호수단을 연결하여 과전류가 제어장치부(10)로 흐르는 것을 방지한다. 상기 과전류 보호수단은 파워라인(2)에 저항(R8) 및 저항(R9)을 병렬 연결하여 상기 단자(IP).에 접속하고 상기 저항(R8, R9)의 타단을 접지한다. 또한 제어장치부(10)의 단자(Is;Secandory Current monitering Input)에는 저항(R10)을 연결하여 제2차 전류센싱(sensing)단을 사용하지 않기 위해 풀 다운(pull down)으로 그라운드한다. 상기 제어장치부(10)의 단자(V-; Negative Output Stage Supply)에 저항(R5) 및 캐패시터(C4) 한단을연결하여, 타단을 접지하며 상기 저항(R5)이 음(-) 기준공급전원의 전류 제어용 저항으로 사용한다. 상기 제어장치부(10)의 접지단자(GND)는 접지하고, 단자(-E)(OP-Amp Inverting Input-Vref와 (VO)(op-anp out) 단자 사이에는 피드백 저항(R4)을 연결하여 이 제어장치부(10)의 이득을 조절하여 안정한 동작을 하게 한다. 상기 제어장치부(10)의 단자(E+)(op-anpnon-Inverting; NPUT)에는 같은 저항값을 갖는 저항(R2) 및 저항(R3)을 직력로 연결하여 트랜스퍼머(T1)의 이차측의 제1권선(C)에서 출력되는 5V전원을 분압하여 입력시킨다. 상기 단자(E+)로 과부하가 걸려 2.5V이하로 다운되었을 경우 상기 피드백 저항(R4)에 의해 안정된 동작을 할 수 있다.
따라서 제2도의 회로는 KSU로부터 출력되는 전압(Vp+)(VGND(+48VDC))을 볼레지 레귤레이터(5)에 의한 초기 기동전압에 의해 제어장치부(10)를 기동시킨후에는 상기 KSU의 전압을 그대로 트랜스퍼머(T1)로 전압 변환함으로 전원 효율을 극대화 할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 KSU에서 KTS로 공급되는 전원을 다운시킬 필요없이 그대로 이용하여 KSU의 파워 용량을 최소화 함으서 최대의 전원 효율로 KTS에서 필요로 하는 전원을 공급하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (1)

  1. 소정 레벨의 전압(Vp+)(VGND)를 출력하는 KSU와, 상기 KSU의 출력전압을 입력하여 내부 각 회로에 동작 전원을 제공하는 KTS의 파워 서플라이 장치에 있어서, 동작 전원전압(Vcc)의 입력에 동작되어 설정되어진 PWM펄스를 출력하는 제어장치부(10)와, KSU로부터 출력되는 전압(Vp+)(VGND)을 입력하는 파워라인(1)(2)의 전압을 일정 레벨의 정전압으로 유지하여 상기 제어장치부(10)의 동작 전원전압단자(Vcc)에 기동 전압으로 제공하는 볼레지 레귤레이터(5)와, 상기 파워라인(1)를 통한 KSU의 출력전압(Vp+)을 일측단자로 입력하는 1권선(A)을 가지며, 상기 일차측 제1권선(A)의 스위칭 전류에 따른 전압을 유기 출력하는 일차측 제2권선(B) 및 다수의 이차측을 가지는 플라이백 트랜스퍼머(15)와, 상기 제어장치부(10)와 플라이백 트랜스퍼머(15)의 일차측 제1권선(A)의 타측단자에 접속되어 있으며 상기 제어장치부(10)으로부터 PWM펄스에 응답 스위칭되어 상기 일차측 1권선(A)의 전류 루프를 스위칭하는 스위칭부(20)와, 상기 플라이백 트랜스퍼머(15)의 일차측 제2권선(B)의 출력을 정류하여 상기 제어장치부(10)의 동작 전압을 제공함에 동시에 상기 볼레지 레귤레이터(5)의 출력을 차단하는 다이오드(D3)로 구성됨을 특징으로 하는 플라이백 스위칭 서플라이 장치.
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