KR100912067B1 - 스위치 모드 전원 장치 제어 회로 - Google Patents

스위치 모드 전원 장치 제어 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 목적은 스위치 모드 전원장치에서 전력 전달을 목적으로 사용되는 스위칭 소자에 흐르는 전류만을 사용해 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호 발생시키고, 스위칭 소자에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하도록 하는데 있다.
스위칭 소자를 구동하기 위한 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, 이하' PWM)신호 발생부와 스위칭 소자에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호회로가 별도로 구성되었던 종래의 전원장치 제어 회로와는 달리 본 발명에서는 상기의 목적을 달성하기 위해 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하기 위한 전류 검출부와 전류 검출부의 출력 신호를 인가받아 스위칭 소자의 상태를 판별하기 위한 목적으로 사용되는 상태 판별부와 상태 판별부의 출력 신호를 인가받아 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 변조하는 목적으로 사용되는 클럭 발생부로 구성되어 있다.
본 발명을 통해 전류 검출부에서는 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하여 상태 판별부에 신호를 인가하도록 하고, 상태 판별부에서는 전류 검출부에서 인가받은 신호를 이용해 별도로 구성된 기준전압과의 비교를 통해 스위칭 소자의 상태를 판별하여 클럭 발생부에 신호를 인가하며, 클럭 발생부에서는 상태 판별부에서 인가받은 신호를 이용해 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 변조하도록 한다.
종래에 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 생성하기 위해 별도의 발진 회로를 구성하였던 것과는 달리 본 발명에서는 상기의 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하기 위해 사용된 전류 검출부의 신호만을 이용하여 클럭 발생부에서 자가 발진을 통해 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 발생할 있도록 하였으며, 또한 상기의 전류 검출부와 상태 판별 부를 이용해 스위칭 소자에 과도한 전류가 흐를 경우 클럭 발생 부를 통해 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 변조할 수 있도록 함으로써 과전류 보호 기능을 함께 수행할 수 있도록 하였다.
상기와 같이 자가 발진과 과전류 보호기능이 하나의 회로에서 동시에 구현되도록 함으로써 스위칭 소자 구동을 위한 신호를 발생하기 위한 회로와 스위칭 소자에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호회로가 별도로 구성되었던 종래의 제어 회로에 비해 집적회로의 집적도를 높이고 전력의 소모가 작아지도록 하는 것이 본 발명에서 이루고자 하는 목적이다.
또한, 본 발명의 목적은 스위치 모드 전원장치(Switch Mode Power Supply, SMPS)에서 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하여 스위칭 소자를 온/오프 시키는 발진(드라이버) 회로를 구현하는데 목적이 있다.
전류검출부, 상태판별부, 클럭발생부, 모드판별부

Description

스위치 모드 전원 장치 제어 회로 {Control Integrated Circuit For Switched Mode Power Supply}
도 1은 종래의 스위치 모드 전원장치의 개략적인 회로도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 펄스폭 변조부를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위치 모드 전원 장치의 제어회로를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위치 모드 전원장치의 회로도이고, 도 5는 도 4에 따른 타이밍 도이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정상상태의 타이밍도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기상태의 타이밍도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제 1제어부 110 : 부하검출부
120 : 모드판별부 20 : 제 2제어부
210 : 전류검출부 220 : 상태판별부
230 : 클럭발생부 30 : 제 3제어부
310 : 상태로직 320 : 드라이브
40 : 스위칭 소자 50 : 출력부
본 발명은 스위치 모드 전원 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 발생하는 클럭발생회로와 스위칭 소자의 과전류 보호를 위한 보호회로를 하나로 통합하여 회로의 집적도를 향상시키고 대기모드 상태에서의 전원장치의 전력소모를 줄일 수 있는 스위치 모드 전원 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 스위치 모드 전원장치의 개략적인 회로도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 스위치 모드 전원장치는 교류 전원을 입력받아 정류부(810)를 통해 정류된 전압 값으로 변환한다. 이렇게 변환된 전압 값은 트랜스포머(820)의 1차 측에 인가되며, 인가된 값은 트랜스포머를 통해 일정한 비율로 트랜스포머(820)의 2차 측에 전달되어 최종적으로 전원장치의 출력단을 통해 출력이 되도록 되어 있다.
또한, 트랜스포머(820)의 1차 측과 2차 측 사이에서 전력을 전달하기 위해 종래의 전원장치에서는 PWM 집적회로(Integrated Chip, IC)(830)와 스위칭 소자(840)를 사용하여 전원 장치를 제어하도록 하고 있다.
도 2는 도 1의 펄스폭 변조부를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 전원장치 제어에 사용되는 펄스폭 제어 방식은 스 위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 변환된 신호를 출력하는 전류 센서(831)와 상기 전류 센서(831)에서 출력된 전압과 보정전압 Vc를 비교하여 전류 센서에서의 출력 값이 보정전압보다 큰 경우에 “하이(high)"상태 신호를 출력하는 비교기(832)와 상기 비교기(832)에서의 출력 신호를 인가받아 비교기(832)의 신호가 상태 반전 신호인 경우에 역시 상태 반전 신호를 출력하는 RS 플립플롭(833)과 상기 RS 플립플롭(833) 및 스위칭 소자(840)를 구동하는데 필요한 신호를 생성하는 구형파 발진부(834)의 신호를 인가받아 소정의 신호를 상기 스위칭 소자(840)에 인가하는 앤드 게이트(835)로 구성된다.
따라서, 상기 전류 센서(831)에서 감지되어 출력된 값이 비교기(832)의 보정전압 Vc보다 큰 경우에 비교기은 RS 플립플롭(833)을 리셋 시키게 되며 RS 플립플롭(833)의 출력은 “로우(low)" 상태가 되어 스위칭 소자(840)로의 입력 신호 또한 ”로우(low)"상태가 되게 됨으로써 스위칭 소자(840)는 스위칭을 하지 않게 되어 전원장치의 1차 측에서의 전력이 2차 측으로 전달되지 않게 된다.
또한, 상기의 구형파 발진부(834)의 경우 전원장치의 2차 측에 있는 출력단에서의 출력 값을 입력받아 스위칭 소자(840)를 구동하기 위한 구형파를 발생하도록 구성되어 있으며, 스위칭 소자에 흐르는 전류의 값과는 상관없이 출력단에서의 출력 값만을 사용해 스위칭 소자(840)를 구동하기 위한 신호를 발생한다.
여기서, 상기의 전류 센서(831)와 비교기(832)는 전원장치의 출력단에서의 출력 값과는 상관없이 스위칭 소자(840)에 흐르는 전류를 감지하기 위해 구형파 발진부(834)와는 별도로 항상 전력을 소비하게 된다.
또한, 스위칭 소자(840)를 구동하기 위한 신호를 발생하는 목적으로 사용되는 구형파 발진부(834)도 스위칭 소자(840)의 상태와 상관없이 전원장치의 출력단에서의 출력 값만을 사용하여 신호를 출력하기 때문에 항상 일정한 양의 전력을 소비하게 된다.
따라서, 종래의 스위치 모드 전원장치 제어 회로는 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 방지회로와 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 신호 발생용 구형파 발진부가 별도의 회로로 구성되어 있어 전원장치 제어를 위한 집적회로의 면적이 커지는 문제점이 있다.
또한, 항상 일정한 양의 전력을 소비하게 되는 두 가지 회로가 별도로 구성되어 사용됨으로써 불필요한 전력 낭비가 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 전원장치의 전력 전달에 사용되는 스위칭 소자를 구동하기 위한 PWM 회로와 스위칭 소자의 과전류 방지를 위한 보호 회로를 하나의 회로로 통합하여 구성함으로써 회로의 집적도를 높이고 불필요한 전력소모를 감소 시킬 수 있는 자기 발진을 이용한 스위치 모드 전원 장치 제어회로를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스위치 모드 전원 장치 제어회로는 전원장치 출력단에서의 출력신호를 피드백 받아 전원장치의 상태를 판별하는 제 1 제어부와 스위칭 소자에 흐르는 전류의 출력상태를 통해 스위칭 소자의 상태를 판별하여 상기 스위칭 소자의 구동에 필요한 클럭신호를 생성하는 제 2 제어부와 상기 제 1 제어부와 제 2제어부의 출력신호를 입력받아 스위칭 소자에 구동신호를 인가하는 제 3 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1 제어부는 전원장치 출력단에서의 출력값을 감지하기 위한 부하 검출부와 상기 부하 검출부의 출력신호를 피드백 받아 전원장치가 정상상태인지 대기상태인지를 판별하기 위한 모드 판별부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모드 판별부는 비교기 또는 히스테리시스 비교기로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2제어부는 스위칭 소자에 연결되어 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와 상기 전류 검출부에서의 출력신호를 인가받아 상기 스위칭 소자의 상태를 판별하는 상태 판별부와 상기 상태 판별부에서의 출력신호를 인가받아 스위칭 소자의 구동에 필요한 클럭신호를 생성하는 클럭 발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상태 판별부는 오피엠프, 비교기 및 히스테리시스 비교기 중 선택된 어느 하나로 구성되고, 상기 클럭 발생부는 인버터로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 3제어부는 상기 제 1제어부와 제 2제어부의 출력신호를 인가받아 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동신호를 출력하는 상태 로직과 상기 상태 로직의 출력신호를 인가받아 스위칭 소자에 구동신호를 공급하는 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 상태 로직은 앤드게이트(And Gate)로 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용에 대하여 도면 및 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위치 모드 전원 장치의 제어회로를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 스위치 모드 전원장치의 제어회로는 전원장치 출력단에서의 출력신호를 피드백 받아 전원장치의 상태를 판별하는 제 1 제어부(10)와 스위칭 소자에 흐르는 전류의 출력상태를 통해 스위칭 소자의 상태를 판별하여 상기 스위칭 소자의 구동에 필요한 클럭신호를 생성하는 제 2 제어부(20)와 상기 제 1 제어부와 제 2제어부의 출력신호를 입력받아 스위칭 소자에 구동신호를 인가하는 제 3 제어부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해 직류-직류 변환(DC-DC converter) 제어 회로의 스위칭 소자에 흐르는 과전류로 부터의 스위칭 소자의 보호 기능과 스위칭 소자를 구동하기 위한 발진기능을 하나의 회로로 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 1제어부(10)는 전원장치 출력 단에서의 출력 값을 감지하기 위한 부하 검출부(110)와 상기 부하 검출 부(110)에서의 출력신호를 피드백 받아 전원장치가 정상상태인지 대기상태인지를 판별하기 위한 모드 판별부(120)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제2제어부(20)는 스위치 모드 전원장치에서 전력전달을 목적으로 사용되는 스위칭 소자(40)에 연결되어 상기 스위칭 소자(40)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출부(210)와 상기 전류 검출부(210)에서의 출력 신호를 인가받아 스위칭 소자(40)의 상태를 판별하기 위해 사용되는 상태 판별부(220) 및 상기 상태 판별부(220)에서의 출력 신호를 인가받아 스위칭 소자(40)의 구동에 필요한 클럭 신호를 생성하기 위한 목적으로 사용되는 클럭 발생부(230)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 클럭 발생부(230)는 최초 스위칭 소자(40)를 구동하기 위한 신호를 발생시켜주는 인버터로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제 3제어부(30)는 상기 제 1제어부의 모드 판별부(120)의 출력 신호와 상기 제 2제어부의 클럭 발생부(230)에서 발생된 클럭 신호를 인가받아 스위칭 소자(40)를 구동하기 위한 신호를 출력하는 목적으로 사용되는 상태 로직(310)과 상기 상태 로직(310)의 출력 신호를 인가받아 스위칭 소자(40)에 구동 신호를 인가하는 드라이버(320)를 포함하여 구성된다.
상기 제 1제어부(10)는 전원장치 출력 단에서의 출력 신호를 피드백 받아 전원장치가 정상상태인지 대기상태인지를 판별하도록 한다.
상기 제 2제어부(20)는 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하여 스위칭 소자가 과전류 상태인지 또는 정상적인 상태인지를 판별하고 검출된 전류를 사용하여 스위칭 소자를 구동하는데 필요한 클럭 신호를 생성하기 위한 목적으로 사용된다. 이때, 과전류 상태인지 또는 정상적인 상태인지를 판별은 상태 판별부(220)에 의해 가능하데 이를 도 4 및 도 5를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 제 3제어부(30)는 스위치 모드 전원장치의 1차 측에서의 전력을 전원장치의 2차 측에 전달해주기 위해 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호를 발생시키는 목적으로 사용된다.
이를 통해, 본 발명은 스위치 모드 전원장치에서 전력전달을 목적으로 사용되는 스위칭 소자에 흐르는 전류의 상태 판별부 및 스위칭 소자에 흐르는 전류를 이용하여 자가 발진을 하도록 하는 클럭 발생부를 사용하여 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 신호와 스위칭 소자에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호회로를 하나로 통합할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위치 모드 전원장치의 회로도이고, 도 5는 도 4에 따른 타이밍 도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제 2제어부(20)의 전류 검출부(210)와 상태 판별부(220) 사이에는 저항과 커패시터로 구성된 피드백 네트워크가 포함되게 되며, 상기 전류 검출부(210)에서 검출된 스위칭 소자(40)의 전류 값이 일정한 수준 이상이 되게 되면 저항과 커패시터로 구성된 피드백 네트워크를 통해 상태 판별부(220)로 입력되는 값이 증가하게 된다.
그 후, 상태 판별부(220)는 정상적인 상태에 있는 경우의 출력을 위한 기준전압 1과 스위칭 소자(40)가 과전류 상태인 경우를 판별하기 위한 기준전압 2를 비교하여 상기 저항과 커패시터로 구성된 피드백 네트워크를 통해 상태 판별부(220)에 입력된 값이 기준전압 2보다 커지게 되면, 과전류 상태로 인식하게 되어 스위칭 소자를 구동하기 위한 신호의 출력을 중단하게 한다.
보다 구체적으로, 상태 판별부(220)에 입력된 값이 기준전압2보다 커지면 "하이" 신호가 출력되고, 인버터로 구성된 클럭발생부(230)를 통해 "로우"가 출력되 어 앤드게이트로 구성된 상태로직(310)이 "로우"가 출력되어 스위칭 소자는 턴오프(Turn-off)되어 신호의 출력이 중단된다.
여기서, 상기 상태 판별부(220)는 기준전압 1과 기준전압2를 비교하여 판별할 수 있는 오피엠프, 비교기, 히스테리시스 비교기 등의 수단 등이 사용될 수 있으며, 상태로직(310)은 앤드게이트, 노어게이트, 낸드게이트, 비교기 등의 수단에 의해 구현될 수 있다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정상상태의 타이밍도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기상태의 타이밍도이다.
도 6을 참조하면, 도 6는 일정한 부하가 걸려 있는 상태이므로 부하 검출부(110)에 의해서 피트백(FB) 단 전압을 일정 수준 이상을 유지를 하게 되며, 모드 판별부(120)에 의해서 스위칭 소자 구동신호와 같이 스위칭을 계속적으로 하게 된다. 이로 인해서 부하에 충분한 전력을 전달하게 된다. 여기서, 모드 판별부(120)는 비교기, 히스테리시스 비교기 등의 수단 등이 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면 출력전압의 변동에 따른 피드백되는 전압으로 출력전압이 5V 정전압이 되면 FB단 전압은 부하검출부(110)에 의해서 전압은 낮아지게 되며, FB 전압이 모드 판별부(120)의 입력이 되어 스위칭을 제어 하게 된다.
스위칭을 제어함에 따라 출력전압을 제어를 하게 된다. 도 7은 무 부하 상태이므로 출력 전압이 상승을 하게 되면 FB 전압은 부하 검출부(110)에 의해서 낮아지게 되며 이는 모드판별부(120)의 입력이 되어 스위칭을 멈추게 되는 것이며, 다시 출력 전압이 낮아지게 되면 위와 반대로 동작을 하게 된다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 스위치 모드 전원 장치는 PWM 회로부와 스위칭 소자의 과전류 보호 회로부를 하나로 통합 구성함으로써 회로의 집적도를 높일 수 있으며, 각각의 회로를 별도로 구성함으로써 발생하게 되는 불필요한 전력 소모를 감소시킬 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 전원장치 출력단에서의 출력신호를 피드백 받아 전원장치가 정상상태인지, 아니면 상기 전원장치의 동작을 정지하는데 필요한 대기상태인지의 여부를 판별하는 제 1 제어부와;
    스위칭 소자에 흐르는 전류 값을 입력받아 상기 스위칭 소자가 과전류 상태인지, 아니면 정상적인 상태인지를 기준 전압과의 비교로 판별하여, 상기 스위칭 소자의 구동에 필요한 하이 클럭신호 또는 로우 클럭신호를 생성하는 제 2 제어부와;
    상기 제 1 제어부의 출력신호와 제 2 제어부의 클럭신호를 입력받아, 상기 제 1 제어부의 출력신호가 정상모드이며 상기 제 2제어부의 클럭신호가 하이 클럭신호인 경우에는 상기 스위칭 소자를 온하고, 제 1 제어부의 출력신호가 대기 상태 모드이거나 상기 제 2 제어부의 클럭신호가 로우 클럭신호인 경우에는 상기 스위칭 소자를 오프시키는 구동신호를 상기 스위칭 소자에 인가하는 제 3 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 제어부는
    상기 전원장치 출력단에서의 출력값을 감지하기 위한 부하 검출부와;
    상기 부하 검출부의 출력신호를 피드백 받아 상기 전원장치가 정상상태인지 대기상태인지를 판별하기 위한 모드 판별부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 모드 판별부는 비교기 또는 히스테리시스 비교기로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2제어부는
    스위칭 소자에 연결되어 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와;
    상기 전류 검출부에서의 출력신호를 인가받아 상기 스위칭 소자의 상태를 판별하는 상태 판별부와;
    상기 상태 판별부에서의 출력신호를 인가받아 스위칭 소자의 구동에 필요한 하이 클럭신호 또는 로우 클럭신호를 생성하는 클럭 발생부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 상태 판별부는
    오피엠프, 비교기 및 히스테리시스 비교기 중 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 클럭 발생부는
    인버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3제어부는
    상기 제 1 제어부의 출력신호와 제 2 제어부의 클럭신호를 입력받아, 상기 제 1 제어부의 출력신호가 정상모드이며 상기 제 2제어부의 클럭신호가 하이 클럭신호인 경우에는 상기 스위칭 소자를 온하고, 제 1 제어부의 출력신호가 대기 상태 모드이거나 상기 제 2 제어부의 클럭신호가 로우 클럭신호인 경우에는 상기 스위칭 소자를 오프시키는 구동신호를 출력하는 상태 로직과;
    상기 상태 로직의 출력신호를 인가받아 스위칭 소자에 구동신호를 공급하는 드라이버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 상태 로직은
    앤드게이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 모드 전원장치 제어회로.
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