KR100212077B1 - 고주파수 전원공급장치의 가변주파수 제어장치 - Google Patents

Abstract

스위칭모드 전원공급장치(SMPS)에 관한 것으로, 특히 고주파수로 구동하여 소망하는 전압을 안정되게 발생시키는 다중공진 변환제어형의 고주파수 전원전압 공급장치에 관한 것이다. 상기의 전압공급장치는 입력측과 출력측 권선이 소정의 권선비를 가지는 트랜스(T1)와, 상기 입력측 권선의 일측과 접지 사이에 접속되며 구동신호의 입력에 응답 스위칭하여 상기 트랜스(T1)를 구동하는 스위칭수단과, 상기 트랜스(T1)의 출력측 권선으로부터 출력되는 전압을 정류하여 출력전압 Vo를 출력하는 정류수단을 구비하고 있다. 그리고, 상기 정류수단으로부터 출력되는 출력전압 Vo에 대응하는 검출전압을 전광하여 출력하는 출력전압 검출수단과, 미리 설정된 제어전압(Ve)을 출력하며, 상기 출력전압 검출수단으로부터 출력되는 광신호에 비례하여 상기 제어전압(Ve)제어 출력하는 제어전압 출력수단과, 상기 출력되는 제어전압(Ve)에 대응하는 주파수(Vf)를 가지는 펄스를 발생하는 전압제어발진수단과, 동작제어신호의 입력에 의해 동작되며, 상기 발진된 주파수(Vf)의 제1상태에 응답하여 미리 설정된 듀레이션을 가지는 원쇼트 펄스(VTOI)를 발생하는 구동펄스 발생수단과, 상기 발생된 원쇼트 펄스(VTOI)를 반전하여 상기 스위칭수단를 구동하는 스위칭 구동수단으로 구성되어 있다.

Description

고주파수 전원공급장치의 가변주파수 제어장치

제1도는 종래의 고주파수 구동용 전원전압 공급장치.

제2도는 본 발명에 따른 고주파수 구동용 전원전압 공급장치.

제3도는 제2도의 동작을 설명하기 위한 부분동작 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 정류회로 12 : 출력전압 검출회로

14 : 제어전압 출력회로 16 : 전압제어 발진기

18 : 원쇼트 펄스 발생기 20 : 구동기

SWQ : 트랜지스터 T1 : 트랜스

본 발명은 스위칭모드 전원공급장치(SMPS)에 관한 것으로, 특히 고주파수로 구동하여 소망하는 전압을 안정되게 발생시키는 공진 변환제어형(resonant converter type)의 고주파수 전원 공급장치의 가변주파수 제어장치에 관한 것이다.

통상적으로 SMPS는 높은 효율을 가지는 것으로 전자, 통신기기의 전원공급장치로 널리 사용되고 있다. 상기와 같은 SMPS는 현재 높은 효율과 양호한 출력을 가지도록 개선되고 있다. 일반적으로 수백 킬로헬즈 이상의 고주파수에서 동작되는 SMPS는 집적(IC)화된 제어회로를 사용하고 있다. 범용화된 펄스폭 제어회로의 집적회로는 에러 증폭기, 전압제어 발진기, 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 발생하는 펄스제어회로 등을 포함하여 구성되어 있다. 상기와 같은 집적회로화된 펄스 폭 제어회로를 이용하여 직류전압을 소망하는 직류전압의 레벨로 변환하는 직류-직류 변환기(DC to DC Converter)의 구성은 제1도에 도시한 바와 같다.

제1도는 종래의 고주파수 구동용 전원전압 공급장치의 구성도로서, 이는 미합중국 반도체 생산업체인 Unitrode에서 생산 판매되고 있는 UC1864의 제어회로를 이용한 실시예이며, 이는 상기 Unitrode사에서 발행된 데이터 북(Data book)에 다중 공진 포워드 콘버터(Multi--resonant converter)로 게재된 공지의 회로이다.

제1도의 구성 중 참조번호 5는 원칩화된 제어회로이고, T는 트랜스, D는 다이오드, R은 저항, C는 캐패시터, QW는 스위칭 소자인 모오스 전계효과 트랜지스터 (이하트랜지스터라함), FL은 출력전압 Vout를 제어회로(5)내의 에러 증폭기(EA)에 피이드 백하기 위한 피이드 백 라인이다.

우선 제1도와 같이 구성된 다중공진 컨버터 동작을 설명한다. 제1도와 같은 구성을 가지는 회로는 가변주파수 제어 방식으로 제어되는 전원전압 공급장치이다.

지금, 제어회로(5)가 동작되어 제어회로(5)의 출력단자(A)로부터 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스신호가 출력되면 트랜지스터(QW)가 스위칭 된다. 상기 트랜지스터(QW)가 온 스위칭되면 트랜스(T)를 경유하여 이하측으로 에너지가 전달되고 상기 트랜스(T)의 이차 권선으로는 일차 권선과 이차 권선 비에 따른 교류 전압이 출력되며, 상기 출력된 교류전압은 이차 권선에 접속된 다이오드들과 코일(L) 및 캐패시터(C)에 의해 정류 및 평활되어 소정 레벨의 출력전압 Vout로 출력된다. 이때 상기 출력전압 Vout은 피이드백 라인(FL)을 통하여 제어회로(5)의 에러 증폭기(EA)로 입력된다. 상기 피이드백되는 전압은 상기 피이드백 라인(FL)과 접지사이에 접속된 두 개의 저항에 의해 분압되어진 후 에러 증폭기(EA)에 입력됨을 알 수 있다.

상기와 같이 피이드백되는 출력전압 Vout을 입력하는 제어회로(5)는 상기 에러증폭된 신호에 대응되는 주파수를 가지는 펄스신호를 발진하고, 상기 발진된 펄스 신호를 제어하여 트랜지스터(QW)의 게이트 구동신호로 출력한다.

그러나, 상기와 같이 동작되는 종래의 회로는 피이드 라인(FL)을 이용하여 출력전압 Vout를 제어회로(5)의 에러 증폭기(EA)로 공급함으로써 전원장치의 일차측과 이차측 절연이 구현되지 않은 문제가 있으며, 또한 범용적인 집적회로로 판매 되고 있는 가변주파수 제어회로를 이용함으로써 1메가헬즈 이상의 고주파수로 구동할 수 없어 고효율의 전원장치를 얻을 수 없는 문제가 있어왔다. 왜냐하면, 현재 범용적으로 생산되고 있는 제어회로의 동작 주파수는 대략 1메가헬즈 이하로 작동되기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 적어도 1메가헬즈 이상의 구동주파수로 구동할 수 있는 일차와 이차가 절연된 가변주파수제어장치를 제공함에 있다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 고주파수 구동용 전원전압 공급장치의 회로도로서, 입력측과 출력측 권선이 소정의 권선비를 가지는 트랜스(T1)와, 상기 입력측 권선의 일차측과 접지 사이에 접속되며 구동신호의 입력에 응답 스위칭하여 상기 트랜스(T1)를 구동하는 트랜지스터(SWQ)와, 상기 트랜스(T1)의 출력측 권선으로부터 출력되는 전압을 정류하여 출력전압 Vo를 출력하는 정류회로(10)와, 상기 정류회로(10)로부터 출력되는 출력전압 Vo에 대응하는 검출전압을 전공하여 출력하는 출력전압 검출회로(12)와, 미리 설정된 제어전압(Ve)을 출력하며, 상기 출력전압 검출회로(12)로부터 출력되는 광신호에 비례하여 상기 제어전압(Ve)을 출력하는 제어전압 출력회로(14)와, 상기 출력되는 제어전압(Ve)에 대응하는 주파수(Vf)를 가지는 펄스를 발생하는 전압제어 발진기(Voltage controlled oscillator)(이하 VCO 라함)(110)와, 동작제어신호의 입력에 의해 동작되며, 상기 발진된 주파수(Vf)의 제1상태에 응답하여 미리 설정된 듀레이션을 가지는 원쇼트 펄스(VTOI)를 발생하는 원쇼트 펄스 발생기(18)와, 상기 발생된 원쇼트 펄스(VTOI)을 반전하여 상기 트랜지스터(SWQ)를 구동하는 구동기(20)와 원쇼트 펄스발생기(18)의 출력을 임의로 온/오프 시킬 수 있는 온/오프 콘트롤 장치(21)로 구성되어 있다.

상기 제2도와 같은 구성 중, 정류회로(10)는 두 개의 캐패시터(C1, C2)와 두 개의 다이오드(D1, D2)와 코일(L2)로 구성되어 트랜스(T1)의 이차 권선 Nb, 즉 출력권선으로부터 출력되는 전압을 정류하여 출력한다. 그리고, 출력전압 검출회로(12)는 정류회로(10)의 출력단자에 두 개의 저항(R4, R5)이 직렬 접속되어 상기 출력전압 Vout를 소정의 비율로 분압하여 검출전압(VDR)을 출력하는 분압회로와, 상기 정류회로(10)의 출력단자에 포토커플러(PT)의 다이오드와 션트레귤레이터(ZDC)가 직렬 접속되어 있다. 한편, 제어전압 출력회로(14)는 전원전압(Vcc)과 접지 사이에 두 개의 저항(R1, R2)가 직렬접속되어 상기 전원전압(Vcc)을 소정 레벨로 분압하여 미리 설정된 제어전압(Ve)을 출력하고, 상기 검출전압 절연 전송회로로부터 전송되는 광신호에 대응하여 상기 제어전압(Ve)의 출력레벨을 제어하는 포토 커플러(PT)의 트랜지스터가 상기 저항(R1)에 병렬 접속 구성되어있다. 끝으로, 원쇼트 펄스 발생기(18)는 상기 VCO(110)로부터 출력되는 가변 주파수(Vf)를 반전하는 게이트(G1)와, 상기 게이트(G1)로부터 출력되는 주파수(V1)와 상기 주파수(V1)와 상반된 논리를 가지는 신호를 부논리곱하여 출력하는 게이트(G2)와, 캐피시터(C5)와 저항(R3) 및 다이오드(D3)로 구성되어 상기 게이트(G2)의 출력을 충전하고 소정의 지연상수에 의해 방전 출력하는 지연회로와, 소정 레벨의 문턱전압(Threshold voltage)(Vth)이 설정되어 있으며, 상기 지연회로의 출력이 상기 설정된 문턱전압(Vth)의 레벨로 될 때 이에 응답하여 원쇼트 펄스(VTO)를 발생하는 게이트(G3)와, 상기 게이트(G3)로부터 출력되는 원쇼트 펄스(VTO)를 게이트 제어신호의 입력에 응답하여 반전 게이팅하여 원쇼트 펄스(VTOI)를 상기 구동기 (20)로 출력하는 게이트(G5)로 구성되어 있다. 상기와 같이 구성중 원쇼트 펄스 발생기(18)의 오프 시간은 고정(Fixed off time)되어 있으며, 온 시간은 가변적(Variable)이다.

제3도는 제2도의 동작을 설명하기 위한 부분동작 파형도이다.

이하 본 발명에 따른 제2도의 일시예의 동작을 상술한 도면을 참조하여 상세히 설명함에 있어 제2도와 같은 회로가 동작되어 정류회로(10)의 출력단자로부터 소망하는 출력전압 Vout이 출력되는 상태라 가정 하에 설명한다.

지금, 제2도와 같이 구성된 회로에 직류전압 Vin이 입력되는 상태에서 동작 전원전압 Vcc가 입력되면, 상기 직류전압 Vin은 소망하는 직류전압의 레벨로 변환 되어 정류회로(10)로부터는 출력전압 Vout가 출력된다.

상기 출력전압(VDR) Vout는 저항(R4, R5)에 의해 하기와 같이 분압된 후에 션 트레귤레이터(shuntrequlator)(ZDC)(예 : TL431)의 기준전압(VDR)으로 공급된다.

출력전압(Vout)이 변하면 기준전압(V_DR)이 변하고 V_DR의 변화에 따라서 포토커플러(PT)의 다이오드에 흐르는 전류 Id가 변하게 된다. 이 전류 Id가 포토커플러(PT)의 전류 전달비에 따라서 일차측의 포토커플러(PT)의 트랜지스터 Ic가 흐르게 한다.

따라서, 포토커플러(PT)의 트랜지스터 임피던스를 변화시킨다. 이 포토커플러(PT)의 트랜지스터 임피던스와 저항 R1이 병렬구성되어 있고, 이 병렬저항R1과 저항R2는 직렬 구성되어 있다. 그러므로 포토커플러(PT)의 트랜지스터 임피던스가 변함에 따라서 제어전압 Ve가 변하게 된다.

캐피시터(C4)는 소프트스타트를 위하여 사용되고 제너다이오드(ZD)는 VCO의 입력전압 Ve의 최대치를 제한하기 위하여 사용된다. 상기와 같이 변화된 제어전압(Ve)은 VCO(110)로 입력된다. 상기 VCO(110)는 입력되는 제어전압(Ve)의 레벨에 대응하는 주파수(Vf)를 발진하여 게이트(G1)로 출력한다. 예를들어, 상기 제어전압(Ve)의 레벨이 높으면 높은 주파수를 발진하여 출력하고, 제어전압(Ve)의 레벨이 낮으면 낮은 주파수를 발진하여 출력한다. 따라서 상기 VCO(110)는 상기 제어전압(Ve)에 대응하여 발진주파수를 가변하여 출력함을 알 수 있다. 상기와 같은 VCO(110)는 범용적으로 사용되는 정특성의 VCO를 그대로 사용할 수 있다.

상기 VCO(110)로부터 출력되는 발진 주파수(Vf)를 입력하는 원쇼트 펄스 발생기(18)는 상기 발진 주파수(Vf)의 제1레벨에 응답 트리거되어 소정 시간의 듀레이션을 가지는 하이상태의 원쇼트 펄스(VTOI)를 구동기(20)로 출력한다. 상기 원 쇼트 펄스 발생기(18)로부터 출력되는 원쇼트 펄스(VTOI)가 논리 하이로 출력되면, 구동기(20)는 이를 반전함으로써 트랜지스터(SWQ)는 오프된다. 그리고, 상기 원쇼트 펄스(VTOI)의 출력이 차단되면 구동기(20)는 이를 반전하여 논리 하이를 출력함으로써 트랜지스터(SWQ)가 온된다. 따라서 출력전압 Vout이 감소되면 VCO(110)의 발진주파수가 낮아짐으로써 상기 트랜지스터(SWQ)의 온 시간이 증가되며, 이로 인하여 정류회로(10)의 출력전압 Vout가 증가된다.그러므로, 상기 트랜지스터(SWQ)의 온 스위칭 시점은 저항(R1, R2)와 포트커플러(PT)에 의하여 설정됨을 알 수 있다.

상기 원쇼트 펄스 발생기(18)의 동작을 보다 구체적으로 살피면 하기와 같다.

전술한 바와 같이 VCO(110)로부터 출력전압 Vout에 대응한 발진 주파수(Vf)가 제3(a)도와 같이 출력되면, 이는 원쇼트 펄스 발생기(18)내의 게이트(G1)로 입력된다. 상기 게이트(G1)는 상기 발진된 주파수(Vf)를 제3(b)도와 같이 반전하여 게이트(G2)로 논리 로우의 전압(V1)을 출력한다. 상기 게이트(G2)는 게이트(G3)로부터 출력되는 신호와 상기 게이트(G1)의 출력을 부논리곱하여 게이트(G1)의 출력을 반전하여 제3(c)도와 같은 논리 하이 상태의 전압(V2)을 캐패시터(C5)로 출력한다. 상기 캐패시터(C5)는 상기 전압(V2)을 제3(d)도와 같이 충전한다. 상기와 같이 캐패시터(C5)가 소정레벨의 전압을 충전하면, 게이트(G3)는 두입력이 하이의 상태이므로 제3(e)도와 같은 논리 로우의 신호를 게이트(G5)로 출력한다. 상기의 상태에서 게이트(G5)로 입력되는 스위치(SW)의 스위칭 제어신호가 하이상태라면, 게이트(G3)의 출력을 반전하여 제3(f)도와 같은 논리 하이의 신호를 출력한다. 상기 게이트(G5)가 제3(f)도와 같이 논리하이를 출력하면, 구동기(20)에 의해 논리 로우로 반전됨으로써 트랜지스터(SWQ)가 턴오프 된다. 따라서 트랜지스터(SWQ)의 턴오프시간 Toff는 전술한 저항(R3)과 캐패시터(C5)에 의해 하기와 같이 결정됨으로써 고정된다.

이후, 상기 VCO(110)의 출력이 논리 로우로 제3(a)도와 천이되면, 게이트(G2)의 출력이 제3(b)도와 같이 로우로 되며, 이때 상기 캐패시터(C5)는 충전된 전압을 저항(R3)의 RC시정수로 제3(c)도와 같이 방전을 한다. 상기의 방전이 지속되어 게이트(G3)의 문턱전압(Vth)의 이하의 레벨로 떨어지면 상기 게이트(G3)는 제3)e)도와 같이 논리 하이의 펄스를 출력한다. 즉, 상기 캐패시터(C5)이 충전 레벨이 논리 하이로 판정되는 2, 4볼트 이하의 전압으로 되면, 상기 게이트(G3)는 논리 하이의 펄스를 출력한다. 상기 게이트(G3)의 출력이 논리 하이 되면, 게이트(G5)의 두입력은 모두 하이임으로 그 출력은 논리로우로 떨어진다. 따라서 상기 원쇼트 펄스 발생기(18)는 저항(R3)과 캐패시터(C5)의 RC 시정수에 의한 방전시간에 의해 듀레이션이 결정된 원쇼트 펄스(VTOI)를 출력함으로 알 수 있다.

상기 원쇼트 펄스 발생기(18)로부터 출력되는 원쇼트 펄스(VTOI)가 논리 하이로 출력되면, 구동기(20)는 이를 반전함으로써 트랜지스터(SWQ)는 오프 된다. 그리고, 상기 원쇼트 펄스(VTOI)의 출력이 차단되면 구동기(20)는 이를 반전하여 논리 하이를 출력함으로써 트랜지스터(SWQ)가 온된다.

따라서 상기 원쇼트 펄스 발생기(18)로부터 출력되는 트랜지스터(SWQ)의 오프제어 펄스의 시간은 고정출력되고, 온제어펄스는 출력전압 Vout의 출력레벨에 대응하여 가변되는 VCO(110)의 출력에 가변됨을 알 수 있으며, 이로 인하여 트랜지스터(SWQ)의 스위칭은 출력전압 Vout에 대응하여 가변 된다. 그러므로 정류회로(10)로부터는 소망하는 전압을 얻을 수 있다.

또한 원쇼트 펄스 발생기(18)내의 게이트(G5)에 접속된 스위치(SW)는 제2도의 전원회로의 온/오프 스위치로도 사용할 수 있다. 예컨대, 스위치(SW)을 오프 시키면, 게이트(G5)의 출력은 항상 하이임으로 트랜지스터(SWQ)가 항상 오프됨으로써 정류회로(10)의 출력은 차단된다.

그러므로 과전류나 과전압 보호용으로 이 스위치를 사용할 수 있고 이 스위치는 전자회로 및 기계회로로 구현될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는 VOC(110)를 출력전압 Vout에 대응하여 발진주파 수가 비례하는 정특성 가지는 회로를 설명하였으나, 이는 부특성을 가지는 VCO를 사용하여도 본원의 범주를 벗어나지는 못할 것이라 여겨진다.

상술한 바와 같이 본 발명은 광 결합수단을 사용하여 트랜스의 일차측과 이차측을 절연함으로써 효율이 양호한 전원장치를 구현할 수 있고, 디스크리트한 소자로 고주파수로 트랜스의 스위칭을 제어하는 스위칭 트랜지스터를 구동함으로써 고효율의 전원장치를 저렴한 가격으로 구형할 수 있다.

Claims (5)

1. 입력측과 출력측 권선이 소정의 권선비를 가지는 트랜스(T1)와, 상기 입력측 권선의 일측과 접지 사이에 접속되며 구동신호의 입력에 응답 스위칭하여 상기 트랜스(T1)를 구동하는 스위칭수단과, 상기 트랜스(T1)의 출력측 권선으로부터 출력되는 전압을 정류하여 출력전압 Vo를 출력하는 정류수단를 구비한 고주파수 구동용 전원전압 공급장치에 있어서, 상기 정류수단으로부터 출력되는 출력전압 Vo에 대응하는 검출전압을 전광하여 광신호를 출력하는 출력전압 검출수단과, 미리 설정된 제어전압(Ve)을 출력하며, 상기 출력전압 검출수단으로부터 출력되는 광신호에 비례하여 상기 제어전압(Ve)을 출력하는 제어전압 출력수단과, 상기 출력되는 제어전압(Ve)에 대응하는 주파수(Vf)를 가지는 펄스를 발생하는 전압제어 발진수단과, 동작제어신호의 입력에 의해 동작되며, 상기 발진된 주파수(Vf)의 제1상태에 응답하여 미리 설정된 듀레이션을 가지는 원쇼트 펄스(VTOI)를 발생하는 구동펄스 발생수단과, 상기 발생된 원쇼트 펄스(VTOI)을 반전하여 상기 스위칭수단을 구동하는 스위칭 구동수단로 구성함을 특징으로 하는 고주파수 구동용 전원전압 공급장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 출력전압 검출수단은, 상기 정류수단의 출력단자에 사이에 접속되어 상기 출력전압 Vout를 소정의 비율로 분압하여 검출전압(VDR)을 출력하는 분압회로와, 상기 정류수단의 출력단자에 포토커플러와 션 트레귤레이터가 직렬접속되어 있으며 상기 검출전압(VDR)의 입력에 대응하는 광을 발광하는 검출전압 절연 전송 회로로 구성함을 특징으로 하는 고주파수 구동용 전원전압 공급장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어전압 출력수단은, 소정 레벨의 전원전압(Vcc)과 접지사이에 접속되어 상기 전원전압(Vcc)을 소정 레벨로 분압하여 미리 설정된 제어전압(Ve)을 출력하고, 상기 검출전압 절연 전송회로로부터 전송되는 광신호에 대응하여 상기 제어전압(Ve)의 출력레벨을 제어하는 수과수단이 접속 구성됨을 특징으로 하는 고주파수 구동용 전원전압 공급장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 구동펄스 발생수단은, 상기 전압제어 발진수단으로부터 출력되는 가변 주파수(Vf)를 반전하는 게이트(G1)와, 상기 게이트(G1)로부터 출력되는 주파수(V1)와 상기 주파수(V1)와 상반된 논리를 가지는 신호를 부논리곱하여 출력하는 게이트(G2)와, 캐피시터(C5)와 저항(R5) 및 다이오드(D3)로 구성되어 상기 게이트(G2)의 출력을 충전하고 소정의 지연 상수에 의해 방전 출력하는 지연회로와, 소정 레벨의 문턱전압(Vth)이 설정되어 있으며, 상기 지연회로의 출력이 상기 설정된 문턱전압(Vth)의 레벨로 될 때 이에 응답하여 원쇼트 펄스(VTO)를 발생하는 게이트(G3)와, 상기 게이트(G3)로부터 출력되는 원쇼트 펄스(VTO)를 게이트 제어신호의 입력에 응답하여 반전 게이팅하여 원쇼트 펄스(VTOI)를 상기 스위칭 구동수단로 출력하는 게이트(G5)로 구성함을 특징으로 하는 고주파수 구동용 전원전압 공급장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 전압제어 발진수단은, 제어전압의 상승에 비례하여 발진주파수를 증가시키는 정특성 전압제어 발진기임을 특징으로 하는 고주파수 구동용 전원전압 공급장치.