KR100637673B1 - 스위칭 모드 파워 서플라이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기의 1차측과 2차측을 전기적인 절연하면서 1차측의 스위칭소자의 제어펄스와 2차측의 스위칭소자의 제어펄스를 동기시켜 정류하는 동기정류형 SMPS에서 관한 것이다. 본 발명의 스위칭 모드 파워 서플라이는 1차권선과 2차권선으로 이루어진 변압기와, 입력된 직류전원을 상기 변압기의 1차권선에 입출력 제어하는 펄스폭변조된 제어신호를 발생시키는 피더블유엠(PWM)회로부와, 상기 펄스폭변조된 제어신호에 따라 직류전원의 입출력을 제어하여 상기 변압기의 1차권선에 충전/방전을 통해 유도기전력을 발생하게 하는 제1스위칭소자와, 동기정류를 위해 상기 제1스위칭소자의 제어신호의 에지를 검출하는 에지검출부와, 상기 검출된 에지에 따라 상기 제1스위칭소자의 제어신호에 동기하여 2차권선에 발생한 유도기전력을 동기정류하는 제2스위칭소자를 포함한다.

Description

스위칭 모드 파워 서플라이{Switching Mode Power Supply}
도 1은 일반적인 절연형 DC-DC컨버터 SMPS의 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 제1실시예의 SMPS의 개략적인 블록도.
도 3는 본 발명에 따른 제2실시예의 SMPS의 개략적인 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 실시예의 동작에 따른 타이밍 차트.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
228 : 제1스위칭소자 232 : 제2스위칭소자
230 : PWM IC 240, 340 : 에지 디텍터
236, 336 : 타이머 246, 346 : 로우패스필터(LPF)
본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply : SMPS)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기의 1차측과 2차측을 전기적인 절연하면서 1차측의 스위칭소자의 제어펄스와 2차측의 스위칭소자의 제어펄스를 동기시켜 정류하는 동기정류형 SMPS에서 관한 것이다.
일반적으로, SMPS는 교류전원을 입력으로 하여 직류전원을 출력하는 장치로 서 일정한 범위내에서 원하는 전원을 다양하게 변환하여 출력할 수 있는 장치이다. 이러한 SMPS는 소형, 경량의 전원변환장치로서 컴퓨터, 핸드폰, PDA 등의 전자기기에 다양하게 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 절연형 DC-DC컨버터 SMPS의 개략적인 블록도이다. 교류전원(110)의 입력을 받아 브릿지 정류회로 등 정류회로(112)를 통해 AC를 DC로 변환한다. 변환된 DC는 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 이용하여 구형파로 변조된다. PWM IC(117)는 스위칭소자(116)에 펄스폭변조된 제어신호를 보낸다. 스위칭소자(116)은 제어신호에 의해 ON/OFF를 반복하며 변압기(114)의 1차권선(113)에 DC전원의 충전과 방전을 반복한다. 1차권선(113)의 충전과 방전에 의해 2차권선(115)으로 에너지가 전달된다.
2차측의 출력단(124)이 전압으로부터 출력단(124)의 부하에 따른 전압의 변동을 감지하기 위하여 오차검출부(119)를 설치한다. 오차검출부(119)의 비교검출신호를 1차측의 PWM IC로 피드백하여 변동된 전압량에 따라 PWM신호의 듀티비를 조절한다. 조절된 듀티비에 의해 2차측으로 전달되는 에너지의 양이 조절되어 출력단의 전압을 일정하게 유지된다. 출력단(124)의 전압을 일정하게 유지하는 피드백에서 1차측과 2차측을 전기적으로 절연하기 위해 오차검출부(119)의 신호는 포토커플러를 통해 1차측의 PWM IC로 전달된다.
2차권선(115)에 유도되는 기전력은 정류소자(120)을 통해 정류된다. 정류된 DC전원은 로우패스필터(122)를 통해 필터링된 후 출력단(124)을 통해 부하로 전달된다.
일본공개특허 2001-327169호에는 종래의 SMPS가 개시되어 있다. 1차측 스위칭 소자와 에지검출부와 타이밍회로와 오차검출부와 파형정형회로와 2차스위칭소자를 구비하고 타이밍회로에 의해 시간분할되어 제1출력단과 제2출력단으로 1차측의 에너지가 각각 전달된다. 에지검출부에 의해 1차스위칭소자와 2스위칭소자를 동기하고 오차검출부에서 제2출력단의 전압변동을 검출한다. 타이밍회로에 의해 제2스위칭소자의 ON/OFF가 제어되고 제1 및 제2출력단의 에너지전달의 시간분할이 조정되어 제2출력단의 전압을 일정하게 유지한다.
종래 일본공개특허 2001-327169호에는 2차측의 출력단에서 DC전원을 얻기위해 다이오드를 이용하였다. 다이오드에서의 발열에 대비한 방열장치가 필요하게 되어 소형화, 경량화의 요구에 부합되지 않은 문제가 있고 고주파구동에 의해 다이오드에서의 소비전력도 커지게 되는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 1차측과 2차측을 전기적으로 절연하면서 1차측의 제어신호를 2차측에 전달함으로써 동기정류를 실현하여 소비전력과 제조원가를 절감한 스위칭 모드 파워 서플라이를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스위칭 모드 파워 서플라이는 1차권선과 2차권선으로 이루어진 변압기와, 입력된 직류전원을 상기 변압기의 1차권선에 입출력 제어하는 펄스폭변조된 제어신호를 발생시키는 피더블유엠(PWM)회로부와, 상기 펄스폭변조된 제어신호에 따라 직류전원의 입출력을 제어하여 상기 변압기의 1차권선에 충전/방전을 통해 유도기전력을 발생하게 하는 제1스위칭소자와, 동기정류를 위해 상기 제1스위칭소자의 제어신호의 에지를 검출하는 에지검출부와, 상기 검출된 에지에 따라 상기 제1스위칭소자의 제어신호에 동기하여 2차권선에 발생한 유도기전력을 동기정류하는 제2스위칭소자를 포함한다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자는 전계효과 트랜지스터(FET)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에지검출부에서 검출된 에지신호를 입력받아 제2스위칭 소자의 ON/OFF 제어신호를 발생하는 타이머를 더 구비하고 상기 에지신호로부터 제2스위칭 소자가 일정구간 ON 되도록 하는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에러검출부는 상기 제1스위칭소자의 제어신호 입력부와 상기 타이머의 사이에 마련되어 상기 제1스위칭 소자의 에지를 검출하는 변압기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에러검출부는 상기 변압기의 2차권선과 상기 타이머의 사이에 마련되어 상기 제1스위칭 소자의 에지를 검출하는 밴드패스필터(BPF)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동기정류를 위해 검출되는 에지는 1차권선에서 방전을 시작하는 시점의 에지인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명 하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 제1실시예의 SMPS의 개략적인 블록도이다. 입력된 AC전원(200)이 정류부(222)를 통해 정류되고 정류된 DC는 PWM IC(230)의 제어신호에 의해 구형파로 변조되어 변압기의 1차권선(224)에 인가됨은 일반적인 SMPS와 동일하다.
PWM IC(230)에서 출력된 제어신호는 제1스위칭소자(228)를 온/오프하고 이에 따라 1차권선(224)에 정류된 DC에 의한 충전/방전이 이루어진다. 본 실시예는 플라이백방식의 SMPS로서 제1스위칭소자가 ON인 때에 1차측에 에너지가 충전되고 OFF인때에 2차측으로 에너지가 전달된다.
다이오드가 없이 FET 등의 스위칭소자를 이용한 동기정류방식에서는 1차측의 스위칭소자의 제어신호와 2차측의 스위칭소자의 제어신호를 동기하는 것이 중요한데 1차측의 갑작스런 전압의 변동으로부터 2차측의 회로소자를 보호하기 위해 전기적으로 절연된 제1차 스위칭소자의 제어신호의 에지를 검출하는 에지디텍터가 필수적으로 요구된다. 도 2의 제1실시예에는 에지디텍터를 변압기를 사용하여 구성한 예를 도시하고 있다.
제1스위칭소자(228)로 전달되는 제어신호는 에지검출을 위한 변압기로 이루어진 에지디텍터(240)에도 전달된다. 제1스위칭소자(228)로 FET를 이용하게 되면 제어신호는 게이트 펄스로 출력된다. 제1FET(228)의 게이트펄스는 펄스트랜스로 이루어진 에지디텍터로(240)도 전달된다. 에지디텍터는 제1FET가 OFF되는 시점의 에지를 검출하여 타이머(236)로 전달한다. 타이머(236)는 검출된 에제신호로부터 출 력단(248)에서 출력될 전압에 따라 정하여진 일정시간만큼 제2스위칭소자가 ON되도록 하는 제어신호를 스위치드라이버(234)로 인가한다. 스위치드라이버(234)는 인가된 제어신호에 따라 제2스위칭소자를 ON 또는 OFF한다.
2차권선에 유도된 유도기전력을 출력단(248)으로 전달함에 있어 제1FET의 제어신호에 동기하여 2차측으로 에너지가 전달되는 시점 즉, 제1FET가 ON->OFF로 변하여 2차측의 전압이 LOW->HIGH로 되는 시점에 제2FET를 ON하고 그 반대의 경우에 OFF하여 다이오드가 없이도 2차권선에 유도된 유도기전력을 정류하여 출력단(248)으로 보낼 수 있다. 즉, 1차측에 에너지가 충전되는 동안에는 제2FET를 OFF하고 1차측에 에너지가 방전되는 구간에 맞추어 제2FET를 ON하여 출력단으로 제2권선의 유도기전력이 흐르도록 한다. 이런 과정을 반복하여 출력단(248)으로 일정한 전압이 흐르도록 제어된다.
제2FET에의해 정류된 후 로우패스필터(LPF)(246)를 통해 고주파성분을 제거하고 전압을 평활화하여 원하는 직류전압으로 출력단(248)에 인가된다.
출력단(248)에 연결되는 부하의 양에 따라 출력단의 전압은 변화할 수 있다. 출력단(248)의 전압은 오차검출부(244)로 입력되고 기준전압과 비교하여 오차검출부(244)에서는 그 차이가 증폭되어 출력된다. 출력된 출력단 전압의 변동량은 포토커플러로 입력된다. 1차측과 2차측을 전기적으로 절연하기 위해 설치된 포토커플러(242)에서 출력된 전압의 변동량은 PWM IC(230)으로 입력되어 변동량만큼 듀티비가 조절된다. 듀티비의 변화에 따라 2차측으로 전달되는 에어지의 양을 조절되어 출력단(248)의 전압의 변동량이 피드백 제어된다.
도 3은 본 발명에 따른 제2실시예의 SMPS의 개략적인 블록도이다. 도2의 실시예와의 차이점은 에지신호를 검출하기 위해 변압기를 대신한 밴드패스필터(BPF)를 이용하여 에지디텍터(340)를 구성하였다.
도 2와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 도 3에 도시한 바와 같이 2차권선에 연결되어 제1스위칭소자(316)가 ON->OFF하는 타이밍을 검출한다. 제1스위칭소자(316)가 ON->OFF되면 2차권선(315)의 전압은 LOW->HIGH로 변하는데 이를 BPF로 이루어진 에지디텍터(340)로 검출하여 타이머(336)으로 전달한다.
타이머(336)은 전달된 에지신호로부터 일정시간 제2스위칭소자가 ON되도록하는 제어신호를 스위치드라이버(334)로 인가하고 스위치드라이버(334)는 제2스위칭 소자(332)를 ON 또는 OFF한다.
이상의 구성에 의해 도 3의 SPMS는 에지신호 검출용 변압기를 제거할 수 있어 제조원가를 절감하고 공간을 줄일 수 있어 소형화 경량화를 이루는데 효과적이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예의 동작에 따른 타이밍 차트이다. V1은 제1스위칭소자의 구동하는 제어신호이다. 즉, 제1FET를 구동하는 게이트펄스이다. 제1FET가 ON되는 동안 1차측에 에너지가 충전된다. 제1FET가 OFF되면 1차측에 충전된 에너지가 방전되면서 2차측으로 에너지 전달이 시작된다. Vi는 1차권선의 전압을 나타내는데 변압기를 통한 충전된 에너지의 방전이 끝난뒤에도 자기공진(VALLEY)에 의해 전압의 굴곡이 발생하는 것을 알 수 있다.
에지디텍터(240, 340)을 통해 검출된 에지신호가 타이머(236, 336)에 전달되 면 Vt와 같이 스위치드라이버(234, 334)로 제어신호가 전달된다. 스위치드라이버(234, 334)는 전달된 제어신호에 따라 제2FET를 ON/OFF하여 동기정류를 수행한다.
제2실시예에서 에지디텍터로 BPF를 쓰는 이유는 자기공진에 의한 전압의 굴곡에서 에지를 검출하여 발생할 수 있는 오동작을 방지하기 위함이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 1차측과 2차측을 전기적으로 절연하면서 동기정류를 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 다이오드 없이 정류를 함으로써 소비전력과 발열을 절감하여 SMPS의 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, BPF를 이용한 에지검출을 통해 1차와 2차스위칭소자를 동기함으로써 원가를 절감하고 SMPS를 소형화 경량화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1차권선과 2차권선으로 이루어진 변압기와,
입력된 직류전원을 상기 변압기의 1차권선에 입출력 제어하는 펄스폭변조된 제어신호를 발생시키는 피더블유엠(PWM)회로부와,
상기 펄스폭변조된 제어신호에 따라 직류전원의 입출력을 제어하여 상기 변압기의 1차권선에 충전/방전을 통해 유도기전력을 발생하게 하는 제1스위칭소자와,
동기정류를 위해 상기 제1스위칭소자의 제어신호의 에지를 검출하는 에지검출부와,
상기 검출된 에지에 따라 상기 제1스위칭소자의 제어신호에 동기하여 2차권선에 발생한 유도기전력을 동기정류하는 제2스위칭소자를 포함하는 스위칭 모드 파워 서플라이.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 스위칭 소자는 전계효과 트랜지스터(FET)인 것이 특징인 스위칭 모드 파워 서플라이.
제 1 항에 있어서,
상기 에지검출부에서 검출된 에지신호를 입력받아 제2스위칭 소자의 ON/OFF 제어신호를 발생하는 타이머를 더 구비하고 상기 에지신호로부터 제2스위칭 소자가 일정구간 ON 되도록 하는 제어신호를 출력하는 것이 특징인 스위칭 모드 파워 서플라이.
제 3 항에 있어서,
상기 에러검출부는 상기 제1스위칭소자의 제어신호 입력부와 상기 타이머의 사이에 마련되어 상기 제1스위칭 소자의 에지를 검출하는 변압기인 것이 특징인 스위칭 모드 파워 서플라이.
제 3 항에 있어서,
상기 에러검출부는 상기 변압기의 2차권선과 상기 타이머의 사이에 마련되어 상기 제1스위칭 소자의 에지를 검출하는 밴드패스필터(BPF)인 것이 특징인 스위칭 모드 파워 서플라이.
제 4 항 또는 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 동기정류를 위해 검출되는 에지는 1차권선에서 방전을 시작하는 시점의 에지인 것이 특징인 스위칭 모드 파워 서플라이.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002247844A (ja) 2000-12-13 2002-08-30 Sony Corp スイッチング電源回路

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