KR101274214B1 - 스위치 모드 파워 서플라이 및 그 구동 방법 - Google Patents

스위치 모드 파워 서플라이 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 버스트 모드에서 스위칭 손실 및 노이즈를 저감하기 위한 스위치 모드 파워 서플라이 및 그 구동방법에 관한 발명이다.
본 발명에 따른 스위치 모드 파워 서플라이는 메인 스위치, 전력 공급부, 출력부, 및 스위치 제어부를 포함한다. 전력 공급부는, 메인스위치에 1차측이 연결된 트랜스포머를 포함하고, 메인 스위치의 동작에 따라 트랜스포머의 2차측에 전력을 공급한다. 출력부는 트랜스포머의 2차측에 연결되고, 2차측에 공급된 전력을 출력한다. 스위치 제어부는 출력부의 출력 전압에 대응하는 피드백 신호, 메인 스위치에 흐르는 전류에 대응하는 감지 신호, 및 메인 스위치의 양단간의 전압차에 대응하는 싱크 신호를 입력받고, 메인 스위치의 온/오프를 제어하며, 피드백 신호를 이용하여 버스트 모드의 시작 여부를 결정하고, 버스트 모드에서 스위칭 동작 강제 오프 기간을 일정하게 유지하여 버스트 스위칭의 기본 주파수가 어느 이하로 유지되도록 한다.
유사 공진형 컨버터, 스위칭 주파수, 스위칭 손실

Description

스위치 모드 파워 서플라이 및 그 구동 방법{SWITCH MODE POWER SUPPLY AND THE DRIVING METHOD THEREOF}
도 1은 종래 유사 공진형 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 파워(Output Power)와 메인 스위치의 스위칭 주파수(switching frequency)의 관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 유사 공진형 스위치 모드 파워 서프라이의 부하 증가시 버스트 스위칭 기본 주기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스위치 모드 파워 서플라이의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 동작 온 기간 및 스위칭 동작 오프 기간을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위치 제어부 및 메인 스위치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스위치 제어부의 입력 신호, 출력 신호, 및 구동 신호를 나타낸 도면이다.
본 발명은 스위치 모드 파워 서플라이(switch mode power supply: 이하 'SMPS')에 관한 것으로, 특히 유사 공진형(Quasi-Resonant) 스위칭 방식(switching method)의 SMPS 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
SMPS는 입력 교류 전압을 입력 직류 전압(dc-link 전압)으로 정류하고, 입력 직류 전압을 다른 레벨을 갖는 직류 출력 전압으로 변환하는 장치이다. 이때, 직류 출력 전압은 입력 직류 전압보다 크거나 또는 작은 크기를 갖는다. 이와 같은 SMPS는 파워 전자 장치들, 특히 이동 전화, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 밧데리 파워 공급 장치들에 주로 사용된다.
한편, 유사 공진형 스위칭 방식의 SMPS는 유사 공진형 컨버터를 포함하고, 유사 공진형 컨버터는 메인 스위치의 스위칭 동작에 의해 전력을 공급한다.
도 1은 종래의 유사 공진형 SMPS의 출력 파워(Output Power)와 메인 스위치의 스위칭 주파수(switching frequency)의 관계를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, SMPS의 출력 파워가 증가할 수록, 스위칭 주파수는 감소한다. 구체적으로, SMPS에 연결된 부하에 따라 출력 파워가 결정된다. 이 때, 부하가 낮으면(Light Load), 메인 스위치의 드레인단에 흐르는 전류의 피크치는 감소하며, 스위칭 주파수는 증가한다. 도 1의 점선 (a)는 이를 나타낸 것이다. 이처럼 낮은 부하에서 스위칭 주파수를 높아지는 것은 스위칭 손실을 발생신킨다. 이를 방지하기 위해, 종래의 유사 공진형 컨버터(Quasi-Resonant Convertor)는 낮은 부하에서 스위칭 주파수를 제한하고, 일정하게 유지한다. 도 1의 (b)는 이를 나 타낸 것이다.
그러나 낮은 부하에서, 메인 스위치의 스위칭 주파수를 일정한 값으로 제한하면, 유사공진형 컨버터의 장점인 최저 스위치 전압 스위칭을 할 수 없게 되어 스위칭 손실이 증가한다. 이러한 손실은 입력 전압이 높은 경우 더 심하게 유발된다. 따라서 SMPS의 출력단에 연결되는 부하가 경부하(low load)인 경우, 효율을 증가시키기 위해 버스트 모드 스위칭 동작이 필요하다.
버스트 모드 스위칭이란, SMPS가 일정시간 동안 스위칭 동작으로 전력을 출력한 후, 일정시간 동안 스위칭 동작을 멈추는 동작을 반복하는 스위칭 동작을 의미한다.
도 2는 유사 공진형 SMPS가 부하 증가시 버스트 스위칭 기본 주기를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 라고 하고 일반적으로 전원장치가 버스트 모드 동작을 하게 되면 이 기본 주파수가 사람의 귀에 민감한 2~3 kHz 보다 낮은 범위를 유지하여 버스트 스위칭에 의한 가청 노이즈가 귀에 들리지 않게 된다. 하지만, 버스트 모드에서 정상 모드로 전환시 부하 전류가 점차 증가함에 따라 더 많은 에너지를 전달하기 위해 점차 버스트 모드 동작시 스위칭을 하지 않는 구간을 점차 줄여나가게 되며 이 경우 기본 주파수가 점점 높아져 버스트 모드에서 정상 모드로 SMPS의 동작 모드가 변경될 때, 사람의 귀에 민감한 2~3kHz 대역의 노이즈가 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 스위칭 손실을 감소시키고, 가청 대역의 노이즈발생을 줄일 수 있는 SMPS 및 그 구동방법을 제공한다.
본 발명의 한 특징에 따른 스위치 모드 파워 서플라이는, 메인 스위치 상기 메인스위치에 1차측이 연결된 트랜스포머를 포함하고, 상기 메인 스위치의 동작에 따라 상기 트랜스포머의 2차측에 전력을 공급하는 전력 공급부 상기 트랜스포머의 2차측에 연결되고, 상기 2차측에 공급된 전력을 출력하는출력부 및 상기 출력부의 출력 전압에 대응하는 피드백 신호, 상기 메인 스위치에 흐르는 전류에 대응하는 감지 신호, 및 상기 메인 스위치의 양단간의 전압차에 대응하는 싱크 신호를 입력받고, 상기 메인 스위치의 온/오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함하고, 상기 스위치 제어부는, 상기 피드백 신호를 이용하여 버스트 모드의 시작 여부를 결정하고, 버스트 모드에서 스위칭 동작 강제 오프 기간을 이용하여 스위칭 동작 오프 기간을 일정시간 이상으로 유지한다. 상기 스위치 제어부는, 상기 버스트 모드에서, 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 카운트하여 스위칭 동작 온 기간을 제어한다. 상기 스위치 제어부는, 상기 스위칭 동작 온 기간은 상기 메인 스위치의 온오프를 제어하는 게이트신호를 이용하여 메인 스위치의 스위칭 동작을 카운트하며, 상기 스위칭 동작 온 기간이 종료되면, 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간동안 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 금지시킨다. 상기 스위치 제어부는, 상기 피드백 신호를 이용하여 버스트 모드의 시작 여부를 결정하는 버스트 모드 판단부 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간을 일정하게 유지하고 상기 스위칭 동작 온 기간을 제어하는 버 스트 모드 제어부 상기 싱크 신호의 최저점을 감지하는 싱크 검출부 및 상기 싱크 검출부에서 싱크 신호의 최저점을 감지한 시점에 동기되어, 상기 메인 스위치의 턴온 시점을 결정하고, 상기 버스트 모드에서, 버스트 기준 전압과 상기 감지 신호를 이용하여 메인 스위치의 턴오프를 결정하거나, 상기 스위칭 동작 온 기간이 종료되면 상기 메인 스위치의 턴오프를 결정하는 PWM 제어부를 포함한다. 상기 버스트 모드 판단부는, 상기 피드백 신호에 대응하는 제1 전압이 버스트 문턱 전압보다 버스트 인에이블 시간(burst enable time)동안 작으면, 상기 스위치 모드 파워 서플라이를 상기 버스트 모드 구동으로 판단하고, 판단 결과를 상기 버스트 모드 제어부로 알린다. 상기 버스트 모드 판단부는, 상기 피드백 신호에 대응하는 전압과 버스트 문턱 전압을 비교하는 제1 비교기 상기 제1 비교기로부터 출력되는 제1 신호를 반전시키는 인버터 상기 인버터로부터 출력되는 신호를 이용하여 상기 제1 전압이 상기 버스트 문턱 전압보다 상기 버스트 인에이블 시간동안 작은지 판단하는 버스트 인에이블 딜레이 상기 버스트 인에이블 딜레이의 판단결과에 대응하는 신호와 상기 인버터로부터 출력되는 신호를 논리 연산하는 제1 논리 연산부 상기 제1 논리 연산부로부터 출력되는 신호가 제1 레벨이면, 제2 레벨의 제2 신호를 출력하는 제1 플립플롭 상기 제2 레벨의 제2 신호에 응답하여 턴온되는 제1 스위치 상기 제1 스위치 일단에 연결된 기준 전류원, 및 상기 제1 스위치 타단에 연결된 제1 저항을 포함한다. 상기 제1 논리 연산부는 입력 신호가 모두 하이 레벨일 때, 하이 레벨의 신호를 출력하는 AND 게이트이고, 상기 제1 레벨은 하이 레벨이다. 상기 버스트 모드 제어부는, 상기 메인 스위치를 제어하는 게이트 신호, 상기 제1 신호, 상기 인 버터로부터 출력되는 반전된 제1 신호 및 제2 신호를 입력받아, 상기 스위칭 동작 온 기간 및 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간을 감지한 결과를 상기 PWM 제어부로 전달한다. 상기 버스트 모드 제어부는, 상기 제1 신호 및 제2 신호를 입력받아 논리 연산하는 제2 AND 게이트 상기 제2 신호 및 상기 게이트 신호를 입력받아 논리 연산하여, 스위칭 감지신호를 생성하는 제3 AND 게이트 상기 반전된 제1 신호 및 상기 제2 신호가 반전된 신호를 입력받아 논리 연산하는 제4 AND 게이트 상기 제2 AND 게이트의 출력단에 셋단이 연결되고, 셋단에 입력되는 신호 및 리셋단에 입력되는 신호에 따라 인에이블 또는 디스에이블 레벨을 갖는 제3 신호를 생성하는 제2 플립플롭 상기 제3 신호가 인에이블 레벨을 갖는 기간동안 스위칭 동작을 카운트하고,카운트 결과에 따라 상기 스위칭 동작 온 기간에 대응하는 스위칭 동작 횟수가 완료하였는지 판단하며, 판단결과에 따라 제4 신호를 생성하는 온카운터 상기 제3 신호가 인에이블 레벨을 갖는 기간동안 스위칭 동작 온 기간이 지난 후, 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간의 경과 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 제 5신호를 생성하는 오프카운터 상기 제3 신호가 반전된 신호 및 상기 제1 신호를 전달받고, 상기 제6 신호를 생성하는 제5 AND 게이트 및 상기 제5 신호 및 상기 제1 신호를 전달받고, 상기 제7 신호를 생성하는 제6 AND 게이트를 포함하며, 상기 제5 신호는 상기 제2 플립플롭의 리셋단에 입력된다. 상기 온카운터는 상기 스위칭 동작 온 기간에 대응하는 스위칭 동작 횟수가 완료되면, 하이 레벨의 제4 신호를 생성하고, 상기 오프카운터는 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간이 경과되면, 하이 레벨의 제5 신호를 생성하며, 상기 인에이블 레벨은 하이 레벨이고, 상기 디스에이블 레벨은 로우 레벨이다. 상기 PWM 제어부는, 상기 제4 AND 게이트로부터 출력되는 제8 신호, 상기 제4 신호, 상기 제6 신호, 상기 제7 신호, 싱크 신호, 감지 신호, 상기 피드백 신호에 대응하는 기준 피드백 전압, 상기 제1 저항 및 상기 제1 전류원의 전류에 의해 생성되는 버스트 기준 전압을 입력받아, 게이트 드라이버 제어신호를 생성하고, 상기 PWM제어부로부터 출력되는 게이트 드라이버 제어신호에 따라 상기 게이트 신호를 생성하는 게이트 드라이버를 더 포함한다. 하는 스위치 모드 파워 서플라이. 상기 PWM 제어부, 상기 기준 피드백 전압이 입력되는 제1 반전단자, 상기 버스트 기준 전압이입력되는 제2 반전단자, 상기 감지 신호가 입력되는 비반전단자를 포함하고, 상기 버스트 모드에서 상기 버스트 기준 전압과 상기 감지 신호의 전압을 비교하여, 비교결과에 따라 비교신호를 생성하는 제2 비교기 클록 신호를 생성하고, 상기 클록신호를 상기 싱크 신호에 동기되어 제3 레벨에서 제4 레벨로 변경시키는 오실레이터 상기 오실레이터의 출력단이 셋단에 연결되어 있고, 상기 비교신호가 리셋단에 입력되는 제3 플립플롭 상기 제4 신호 및 제8 신호를 입력받는 제1 OR 게이트 상기 제6 신호 및 제7 신호를 입력받는 제2 OR 게이트 상기 제1 OR 게이트의 출력단이 셋단에 연결되고, 상기 제2 OR 게이트의 출력단이 리셋단에 연결되어 있는 제4 플립플롭 및 상기 제3 플립플롭의 반전 출력단, 상기 제4 플립플롭의 출력단, 및 상기 오실레이터의 출력단에 각각 입력단이 연결되어 있고, 상기 게이트 드라이버 제어신호를 생성하는 NOR 게이트를 포함한다. 상기 제4 플립플롭은, 상기 셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이면, 상기 출력단으로 하이 레벨의 제9 신호를 생성하고, 상기 리셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이며, 상기 출 력단으로 로우 레벨의 제9 신호를 생성하여 출력하며, 상기 제3 플립플롭은, 상기 셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이면, 상기 반전 출력단으로 로우 레벨의 신호를 생성하고, 상기 리셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이며, 상기 출력단으로 하이 레벨의 신호를 생성하여 출력하며, 상기 제3 레벨은 하이 레벨이고, 상기 제4 레벨은 로우 레벨이다. 상기 NOR 게이트는, 입력되는 모드 신호가 로우 레벨이면, 하이 레벨의 게이트 드라이버 제어신호를 생성하며, 상기 게이트 드라이버는 하이 레벨의 게이트 드라이버 제어신호에 대응하여 하이 레벨의 상기 게이트 신호를 생성하고, 상기 메인 스위치는, n-채널 타입의 트랜지스터이다. 상기 메인 스위치 및 상기 스위치 제어부는 각각 하나의 팩으로 구성된다. 또는 상기 메인 스위치 및 상기 스위치 제어부가 한 팩으로 구성된다.
본 발명의 다른 특징에 따른 입력 전압을 메인 스위치의 온/오프에 따라 변환하여 출력 전압을 생성하는 스위치 모드 파워 서플라이의 구동 방법은, a) 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 신호 및 버스트 문턱 전압을 이용하여, 상기 스위치 모드 파워 서플라이의 구동 모드를 결정하는 단계 b) 상기 a)단계의 판단결과, 상기 구동 모드가 버스트 모드인 경우, 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 카운트하는 단계 및 c) 상기 b)단계의 카운트 결과, 스위칭 동작 온 기간이 완료되면, 스위칭 동작 오프 기간을 일정 시간 이상으로 유지하는 단계를 포함한다. 상기 스위칭 동작 오프 기간은 스위칭 동작을 상기 일정시간 금지시키는 스위칭 동작 강제 오프 기간을 포함하고, 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간을 카운트하는 단계를 더 포함한다. 상기 메인 스위치의 양단의 전압이 최저점을 감지한 시점에 동기되어, 상기 메인 스위치를 턴온 시키는 단계를 더 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 유사 공진형 컨버터 및 이를 사용하는 SMPS에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 이하 '스위칭 동작'이란, 메인 스위치가 턴온 된후, 일정시간 온 상태를 유지하다가 턴오프되고, 다시 턴온되기 전까지 턴오프를 유지하는 것을 의미한다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 SMPS의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 메인 스위치(Qsw), 전력 공급부(100), 출력부(200), 바이어스 전압 공급부(300), 및 스위치 제어부(400)를 포함한다.
전력 공급부(100)는 교류 입력(AC)를 정류하는 브리지 다이오드(BD), 정류된 전압을 평활화하기 위한 커패시터(Cin), 커패시터(Cin)에 일단이 연결되는 트랜스 포머의 1차 코일(L1)을 포함한다. 전력 공급부(100)는 브리지 다이오드(BD) 및 커패시터(Cin)에 의해 교류 전압(AC)을 직류 전압(Vin)으로 변환하고, 스위칭 트랜지스터(Qsw)의 듀티(duty)에 따라 트랜스 포머의 2차측, 즉 출력부(200)에 전력을 공급한다.
출력부(200)는 트랜스 포머의 2차 코일(L2), 트랜스 포머의 2차 코일(L2)의 일단에 애노드가 연결되는 다이오드(D1), 다이오드(D1)의 캐소드와 접지 사이에 연결되는 커패시터(C1)를 포함한다. 여기서 커패시터(C1)의 양단에 걸리는 전압이 출력 전압(Vo)이다.
바이어스 전압 공급부(300)는 트랜스 포머의 2차 코일(L3), 트랜스 포머의 2차 코일(L3)의 일단에 애노드가 연결되는 다이오드(D2) 및 다이오드(D2)의 캐소드와 접지 사이에 연결되는 커패시터(C2)를 포함한다. 스위치 제어부(400)는 일반적으로 IC를 통해 구현가능하며, 바이어스 전압 공급부(300)는 IC를 동작시키기 위한 바이어스 전압(Vcc)을 공급한다. 즉, 스위칭 트랜지스터(Qsw)가 스위칭을 시작하는 경우에 트랜스 포머의 2차 코일(L3) 및 다이오드(D2)가 동작하여, 커패시터(C2)의 양단에 바이어스 전압(Vcc)이 충전된다. 또한, 바이어스 전압 공급부(300)는 스위칭 트랜지스터(Qsw)의 드레인-소스 전압(Vds)에 대응하는 싱크 신호(VS)를 스위치 제어부(400)으로 전달한다.
스위치 제어부(400)는 피드백 신호(Vfb), 스위칭 트랜지스터(Qsw)를 통해 흐 르는 전류(Ids)를 감지한 감지 신호(Vsense) 및 싱크 신호(VS)를 입력받아, 스위칭 트랜지스터(Qsw)의 온/오프를 제어하는 게이트 신호(Vgs)를 출력한다. 본 발명의 실시예에 따른 감지 신호(Vsense)는 전류(Ids)가 감지 저항(Rsense)에 흐를 때 발생하는 전압으로, 이하 감지 전압(Vsense)라 한다. 스위치 제어부(400)는 스위칭 트랜지트(Qsw)의 드레인-소스간의 전압차가 최저점(valley) 근처일 때, 또는 최저점(valley)에서 스위칭 트랜지스터(Qsw)를 턴온시킬 수 있다. 이 때, 바이어스 전압 공급부(300)으로부터 전달되는 싱크 신호(VS)를 이용하여 스위칭 트랜지트(Qsw)의 드레인-소스간의 전압차를 감지한다. 그리고 피드백 신호(Vfb)는 출력 전압(Vo)에 대응하는 정보를 가지는 신호로서 스위칭 트랜지스터(Qsw)의 턴오프 시점을 결정하는데 사용된다. 이 피드백 신호(Vfb)를 생성하는 방법은 포토 커플링 된 포토 다이오드와 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있으므로 구체적 설명은 생략한다.
스위치 제어부(400)는 피드백 신호(Vfb)를 이용하여 동작 모드(operation mode)를 결정한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 정상 스위칭 모드 구동 (normal switching operation mode : 이하, '정상 모드'라 함.) 및 버스트 스위칭 모드 구동(burst switching operation mode : 이하, '버스트 모드'라 함.)으로 구분된다. 스위치 제어부(400)는 SMPS의 출력부에 연결된 부하가 경부하일 때, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 감소하는 것을 감지하며, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 작으면, 버스트 모드로 SMPS를 동작시키기 위해 제어한다. 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 버스트 모드로 동작하는 경우, 최소한 의 스위칭 동작을 강제적으로 오프시킨다. 이하, 강제적으로 소정 기간동안 스위칭 동작을 오프 시키는 기간을 스위칭 동작 강제 오프 기간이라 한다.
도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 SMPS의 버스트 모드에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 동작 온 기간 및 스위칭 동작 오프 기간을 나타낸 도면이다.
SMPS는 버스트 모드에서, 버스트 모드 기본 주파수(이하, '기본 주파수'라 함)를 줄여 경부하시 스위칭 손실을 줄인다. 기본 주파수란, 스위칭 동작 온 기간동안의 스위칭 주파수에 스위칭 동작 온 기간을 곱한 값을 버스트 스위칭 기본 주기(이하, '기본 주기'라 함.)로 나눈 값이다. 여기서 기본 주기는 버스트 모드로 동작할 때 스위칭을 시작한 시점부터 일정 시간 스위칭을 멈춘 후 다시 스위칭을 시작할 때까지 걸린 시간을 의미한다. 즉, 버스트 모드에서 스위칭 동작 온 기간(on)과 스위칭 동작 오프 기간(off)을 합한 기간이다.
SMPS는 피드백 신호(Vfb)의 전압과 기준 전압을 비교하여, 비교 결과 기준 전압보다 피드백 신호(Vfb)의 전압이 크면, 메인 스위치를 스위칭 동작 시킨다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS가 버스트 모드로 동작할 때, 기준 전압은 버스트 문턱 전압(Vburst)이다. 즉, 피드백 신호(Vfb)에 따라 스위칭 주파수가 변동되는데, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 스위칭 동작 강제 오프 기간동안(off1)은 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 큰 값을 갖더라도, 메인 스위치의 스위칭 동작을 금지시킨다. 이 때, 스위칭 동작 강제 오프 기간(off1)과 스위칭 동작 강제 오프 기간 후, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)에 도달하기 전까지의 기간(off2)을 합쳐 스위칭 동작 오프 기간(off)이라 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 버스트 모드에서 동작할 때, 기본 주기는 스위칭 동작 온 기간(on), 및 스위칭 동작 오프 기간(off)의 합이 되므로, 기본 주파수가 낮아진다. 그러면, SMPS가 버스트 모드로 동작하는 경우, 스위칭의 기본 주파수가 소정 대역보다 낮은 값을 갖을 수 있다. 또한, 입력 전압에 따라 기본 주파수가 급변하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 소정 대역은 사람의 귀에 민감한 가청 주파수보다 낮은 대역이다. 이하, 도 5 및 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS 및 그 구동방법에 대해서 설명한다..
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위치 제어부(400) 및 메인 스위치(Qsw)를 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스위치 제어부(400)의 입력 신호, 출력 신호, 및 구동 신호를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 버스트 모드 판단부(410), 버스트 모드 제어부(420), PWM 제어부(430), 싱크 검출부(SYNC DETECTOR)(440), 및 게이트 드라이버(Gate Driver)(450)를 포함한다.
버스트 모드 판단부(410)는 제1 비교기(411), 인버터(412), 버스트 인에이블딜레이(Burst Enable Delay)(412), AND 게이트(413), 제1 플립플롭(415), 기준 전류원(Ib), 기준 전압원(Vref), 및 저항(Rb)를 포함한다.
제1 비교기(411)는 반전 단자(-)로 버스트 문턱 전압(Vburst)을 입력받고, 비반버전 단자(+)로 피드백 신호(Vfb)의 전압을 입력받는다. 그리고 제1 비교 기(411)는 버스트 문턱 전압(Vburst)과 피드백 신호(Vfb)의 전압을 비교하여, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst) 이상이면 하이 레벨의 제1 신호(A)를 생성하고, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 작으면 로우 베렐의 제1 신호(A)를 생성한다.
인버터(412)는 제1 신호(A)를 반전시킨 반전 제1 신호(/A)를 버스트 인에이블 딜레이(412), AND 게이트(414), 및 버스트 모드 제어부(420)의 AND 게이트(423)로 전달한다.
버스트 인에이블 딜레이(412)는 반전 제1 신호(/A)에 따라 버스트 모드를 개시를 결정한다. 구체적으로, 버스트 인에이블 시간(Burst Enable Time, 이하, 'BET'라 한다.)동안, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다작은지 판단하고, 버스트 인에이블 시간(BNT)동안 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 작으면, 버스트 모드 개시를 위한 제어 신호를 생성하여 제1 AND 게이트(414)로 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 SMPS에서, 버스트 모드를 개시를 위한 제어 신호(Sa)는 하이 레벨을 갖고, 버스트 모드를 개시할 필요가 없는 경우 제어신호(Sa)는 로우 레벨을 갖는다. 이렇게 일정한 시간동안 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 작은지 판단함으로써, 일시적으로 부하가 낮아지는 현상에 의해 SMPS의 동작 모드가 변경되는 것을 방지할 수 있다.
제1 AND 게이트(414)는 두 개의 입력단을 통해, 반전 제1 신호(/A) 및 버스트 모드 개시를 위한 제어신호를 전달받고, 두 신호가 모두 하이 레벨이 일 때, 하이 레벨의 신호를 생성하여, 제1 플립플롭(415)으로 전달한다.
제1 플립플롭(415)은 셋단(S), 리셋단(R), 출력단(Q), 및 반전 출력단(/Q)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 제1 플립플롭은 셋단(S)의 입력신호가 하이 레벨이고, 리셋단(R)의 입력 신호가 로우 레벨일 때, 하이 레벨의 신호를 출력단(Q)로 출력한다. 그리고, 리셋단(R)의 입력 신호가 하이 레벨, 및 셋단(S)의 입력 신호가 로우 레벨일 때, 로우 레벨의 신호를 출력단(Q)로 출력하며, 셋단(S) 및 리셋단(R)로 입력되는 신호가 모두 로우 레벨일 때, 출력단(Q)을 통해 출력되는 신호의 레벨을 유지한다. 그러므로, 셋단(S)으로 제1 AND 게이트(414)로부터 출력된 신호가 하이 레벨일 때, 제2 신호(B)는 하이 레벨이 되고, 스위치(Sb)는 하이 레벨의 제2신호(B)에 응답하여 턴온된다.
턴온된 스위치(Sb)를 통해 기준 전류원(Ib)의 전류는 저항(Rb)에 흐르고, 기준 전류원(Ib)와 저항(Rb)에 의해 생성된 전압이 제2 비교기(435)의 반전 단자(-)에 전달된다.
버스트 모드 제어부(420)는 제2 내지 제6 AND 게이트(421-425), 제2 플립플롭(426), 온카운터(427), 오프 카운터(428), 및 인버터(429)를 포함한다.
제2 AND 게이트(421)는 제1 신호(A) 및 제2 신호(B)를 입력받고, 제1 및 제2 신호(A,B)가 모두 하이 레벨일 때, 하이 레벨의 신호를 제2 플립플롭(426)의 셋단(S)에 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 제2 플립플롭(426)은 제1 플립플롭(415)와 동일한 논리 연산을 수행하고, 논리 연산 수행 결과에 따라 생성된 제3 신호(C)를 출력한다.
제3 AND 게이트(422)는 제2 신호(B) 및 게이트 신호(Vgs)를 전달받고, 두 신 호가 모두 하이 레벨일 때, 하이 레벨을 갖는 스위칭 감지 신호(SS)를 온카운터(427) 및 오프카운터(428)로 전달한다.
제4 AND 게이트(423)는 반전 제1 신호(/A) 및 반전 제2 신호(/B)를 전달받고, 두 신호가 모두 하이 레벨일 때, 하이 레벨을 갖는 제8 신호(H)를 PWM 제어부(430)로 전달한다. 제8 신호(H)는 버스트 인에이블 타임(BET)동안 메인 스위치(Qsw)의 턴오프를 유지한다.
제2 플립플롭(426)는 셋단(S)은 제2 AND 게이트(421)의 출력단에 연결되어 있고, 리셋단(R)은 오프카운터(428)의 출력단에 연결되어 있다. 그리고 출력단(Q)은 온카운터(427), 오프카운터(428), 및 인버터(429)에 연결되어 있다. 출력단(Q)를 통해 출력되는 제3 신호(C)는 온카온터(427) 및 오프카온터(428)의 동작을 제어하는 신호로서, 본 발명의 실시예에 따른 제3 신호(C)는 인에이블(enable) 레벨로 하이 레벨을 디스에이블(disable) 레벨로 로우 레벨을 갖는다. 제3 신호(C)가 하이 레벨인 구간동안 온카운터(427) 및 오프카운터(428)는 메인 스위치를 온/오프를 감지하여, 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON) 및 스위칭 동작 오프 기간(Tb_OFF)을 일정하게 유지한다. 제3 신호(C)가 로우 레벨인 구간동안 온카운터(427) 및 오프카운터(428)는 동작하지 않는다.
온카운터(427)는 하이 레벨의 제3 신호(C)를 인에이블(Enable) 신호로 인식하여, 동작을 개시하고, 로우 레벨의 제3 신호(C)는 디스에이블(Disable) 신호로 인식하여 동작을 멈춘다. 온카운터(427)는 스위칭 감지 신호(SS)를 입력받아, 스위칭 동작이 몇 번 이루어졌는지 카운트한다. 카운트 결과 소정의 스위칭 횟수가 카 운터 되거나, 임의적으로 설정된 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)에 대응하는 스위칭 횟수가 감지되면, 제4 신호(D)를 PWM 제어부(430)의 제1 NOR 게이트(436)로 전달한다. 이 때, 온카운터(427)는 카운트 결과 소정의 스위칭 횟수가 카운터 되거나, 임의적으로 설정된 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)에 대응하는 스위칭 횟수가 감지될 때, 제4 신호(D)로 하이 레벨을 갖는 펄스 신호를 출력한다. 이하, 본 발명의 실시예에서는 스위칭 동작 온 기간을 설정하고, 이에 해당하는 횟수의 스위칭 동작이 카운트되면, 하이 레벨의 펄스를 갖는 제4 신호(D)를 출력하는 것으로 설정한다.
오프 카운터(428)는 하이 레벨의 제3 신호(C)를 인에이블(Enable) 신호로 인식하여, 동작을 개시하고, 로우 레벨의 제3 신호(C)는 디스에이블(Disable) 신호로 인식하여 동작을 멈춘다. 오프 카운터(428)는 스위칭 감지 신호(SS)를 입력받아, 스위칭 동작이 몇 번 이루어졌는지 카운트한다. 카운트 결과 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)에 대응하는 스위칭 횟수가 감지되면, 스위칭 동작 강제 오프 기간(Tb_OFF)이 지난 후에 제5 신호(G)를 생성하여 제5 AND 게이트(425) 및 제2 플립플롭(426)의 리셋단(S)에 전달한다. 오프 카운터(428)는 스위칭 감지 신호(SS)가 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)이 끝난 후, 일정기간 로우 레벨로 유지되면, 스위칭 동작 강제 오프 기간(Tb_OFF)이 지난 것으로 판단하고, 제5 신호(G)로 하이 레벨을 갖는 펄스 신호를 출력한다.
제5 AND 게이트(424)는 인버터(429)로부터 출력되는 반전 제3 신호(/C) 및제1 신호(A)를 입력받아, 두 신호가 모두 하이 레벨일 때, 하이 레벨의 제6 신호(F)를 PWM 제어부(430)의 제2 NOR 게이트(437)로 전달한다. 제6 신호(F)는 버스트 모 드로 SMPS가 동작한 후, 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)의 시작을 알리는 역할을 수행한다.
제6 AND 게이트(425)는 제1 신호(A) 및 제5 신호(E)를 전달받고, 두 신호가 하이 레벨일 때, 하이 레벨의 제7 신호(G)를 출력한다. 제7 신호(G)는 버스트 기간(Tburst)동안 피드백 신호의 전압이 버스트 문턱 전압보다 커지면, 버스트 기간이 끝나는 시점에 동기되어 메인 스위치의 턴온을 제어하는 역할을 수행한다. 버스트 기간(Tburst)이란, 스위칭 동작 온 기간 및 스위칭 동작 강제 오프 기간을 합한 기간이다.
인버터(429)는 제3 신호(C)를 전달받아 반전 제3 신호(/C)를 생성하여, 제5 AND 게이트(424)로 전달한다.
싱크 검출부(440)는 싱크 신호(VS)를 이용하여, 메인 스위치(Qsw)의 드레인 전극 및 소스 전극 사이의 전압이 최저점을 감지하여, 메인 스위치(Qsw)의 턴온을 제어한다. 구체적으로, 싱크 검출부(440) 메인 스위치(Qsw)의 드레인 전극 및 소스 전극 사이의 전압이 최저점을 감지하면, 감지 신호(Vsd)를 오실레이터(432)로 전달한다.
PWM 제어부(430)는 NOR 게이트(431), 오실레이터(oscillator)(440), 제3 플립플롭(433), 제4 플립플롭(434), 제2 비교기(435), 및 제1 OR 게이트(436), 및 제2 OR 게이트(437)를 포함한다.
제1 OR 게이트(436)는 제4 신호(D) 및 제8 신호(H)를 전달받아, 두 신호 중 어느 하나가 하이 레벨이면, 하이 레벨의 신호 또는 두 신호 모두 로우 레벨이면, 로우 레벨의 신호를 생성하여, 제4 플립플롭(434)의 셋단(S)으로 출력한다.
제2 OR 게이트(437)는 제6 신호(F) 및 제7 신호(G)를 전달받아, 두 신호 중 어느 하나가 하이 레벨이면, 하이 레벨의 신호 또는 두 신호 모두 로우 레벨이면, 로우 레벨의 신호를 생성하여, 제4 플립플롭(434)의 리셋단(R)으로 출력한다.
제4 플립플롭(434)는 제1 및 제2 OR 게이트에 입력되는 신호를 논리 연산하여, 논리 연산 결과에 따른 제9 신호(I)를 NOR 게이트(431)로 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 제4 플립플롭(434)는 제1 플립플롭(411)과 동일하게 논리 연산을 수행한다.
제2 비교기(435)는 비반전 단자(+)로 감지 전압(Vsense)를 입력받고, 제1 반전단자(-1)로 기준 피드백 전압(Vfb_ref)이 인가되며, 제2 반전단자(-2)로 버스트 기준전압(Vb_ref)이 인가된다. 버스트 모드가 개시되면, 버스트 모드 판단부(410)로부터 버스트 기준전압(Vb_ref)이 전달되어, 제2 비교기(435)는 감지 전압(Vsense)이 버스트 기준전압(Vb_ref) 이상이면, 하이 레벨의 비교신호(Sc)를 제3 플립플롭(433)의 리셋단(R)으로 전달한다. 그리고 감지 전압(Vsense)이 버스트 기준전압(Vb_ref)보다 작으면, 로우 레벨의 비교신호(Sc)를 제3 플립플롭(433)의 리셋단(R)으로 전달한다. 그러나 버스트 모드가 아닌 정상 모드이면, 제2 비교기(435)는 감지 전압(Vsense)이 기준 피드백 전압(Vfb_ref) 이상이면, 하이 레벨의 비교신호(Sc)를 제3 플립플롭(433)의 리셋단(R)으로 전달하고, 감지 전압(Vsense)이 기준 피드백 전압(Vfb_ref)보다 작으면, 로우 레벨의 비교신호(Sc)를 제3 플립플롭(433)의 리셋단(R)으로 전달한다.
오실레이터(432)는 클록 신호(CLK)를 생성하여 제3 플립플롭(433)의 셋단(S)으로 전달한다. 이 때, 오실레이트(432)는 싱크 검출부(440)로부터 전달되는 감지 신호(Vsd)에 따라 클록 신호(CLK)를 로우 레벨로 변경시킨다.
제3 플립플롭(433)은 클록 신호(CLK) 및 신호(Sc)를 전달받아, 논리 연산 결과에 따라 반전 출력단(/Q)로 신호(Sd)를 NOR 게이트(431)로 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 제3 플립플롭(433)는 제1 플립플롭(411)과 동일하게 논리 연산을 수행한다.
NOR 게이트(431)은 입력 신호가 모두 로우 레벨일 때, 하이 레벨의 게이트드라이버 제어 신호를 생성하고, 입력 신호 중 어느 하나가 하이 레벨이면, 로우 레벨의 게이트 드라이버 제어신호(Vgc)를 생성하여, 게이트 드라이버(450)로 전달한다. 게이트 드라이버(450)는 하이 레벨의 게이트 드라이버 제어신호(Vgc)에 대응하여, 메인 스위치(Qsw)를 턴온 시키는 게이트 신호(Vgs)를 메인 스위치(Qsw)에 전달하고, 로우 레벨의 게이트 드라이버 제어신호에 대응하여, 메인 스위치(Qsw)를 턴오프 시키는 게이트 신호(Vgs)를 메인 스위치(Qsw)에 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 메인 스위치(Qsw)는 n-채널 타입의 트랜지스터로서, 게이트 전극을 제어 전극으로 갖고, 드레인 전극 및 소스 전극을 두 전극으로 갖는다. 메인 스위치(Qsw)는 게이트 전극과 소스 전극의 전압차가 문턱전압 이상이 될 때, 턴온된다. 게이트 신호(Vgs)는 메인 스위치(Qsw)를 턴온 시킬 수 있는 충분히 높은 전압이거나, 메인 스위치(Qsw)를 턴오프 시킬 수 있는 충분히 낮은 전압 신호이다.
이하, 구체적인 동작에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 작아지면, 제1 신호(A)는 하이 레벨에서 로우 레벨로 시점(T1)에 변경된다. 하이 레벨의 반전 제1 신호(/A)가 의해 버스트 인에이블 딜레이(412)는 버스트 인에이블 시간(BNT)동안 반전 제1 신호(/A)가 하이 레벨을 유지하면, 버스트 인에이블 시간(BNT)동안, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 작은 것으로 판단하여, 버스트 모드를 개시를 위한 제어 신호(Sa)를 제1 AND 게이트(414)로 전달한다.
제1 AND 게이트(414)는 하이 레벨의 반전 제1 신호(/A) 및 하이 레벨의 제어 신호(Sa)를 전달받아, 제1 플립플롭(415)의 셋단으로 하이 레벨의 신호를 출력하고, 제1 플립플롭(415)은 시점 T2에서, 하이 레벨의 제2 신호(B)를 출력한다. 그러면, 제1 플립플롭(415)은 리셋단(R)에 하이 레벨의 제7 신호(G)가 입력되기 전까지 출력단(Q)로 하이 레벨의 제2 신호(B)를 출력한다. 스위치(Sb)는 하이 레벨의 제2 신호(B)에 의해 턴온되고, 제2 비교기(435)의 제2 반전단자(-2)에는 버스트 기준전압(Vb_ref)이 인가된다.
이 때, 반전 제1 신호(/A) 및 반전 제2 신호(/B)를 입력받은 제8 신호(H)는 시점 T1부터 시점 T2 까지는 하이 레벨을 유지하다가, 시점 T2이후로 로우 레벨로 변경된다. 제8 신호(H)가 시점 T1부터 시점 T2 까지는 하이 레벨을 유지하는 동안 제2 플립플롭(434)의 제9 신호(I)는 하이 레벨을 유지하므로, NOR 게이트(431)의 출력신호는 로우 레벨이며, 이에 따라 게이트 드라이버(450)로부터 출력되는 게이트 신호(Vgs)는 메인 스위치(Qsw)를 턴오프시킨다.
시점 T3에서, 피드백 신호(Vfb)의 전압은 버스트 문턱 전압(Vburst)과 같아져, 제1 신호(A)가 하이 레벨의 펄스가 된다. 그러면, 제2 AND 게이트(421)로부터 출력되는 하이 레벨의 신호에 의해 제2 플립플롭(426)으로부터 출력되는 제3 신호(C)는 하이 레벨이 된다. 그러면, 온 카운터(427) 및 오프 카운터(428)는 스위칭 감지 신호(SS)를 감지하여, 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON) 및 스위칭 동작 강제 오프 기간(Tb_OFF)을 감지한다. 이 때, 제5 AND 게이트(424)에 입력되는 반전 제3 신호(/C)와 제1 신호(A)가 하이 레벨이므로, 제6 신호(F)는 제1 신호(A)가 하이 레벨인 펄스인 기간 동안 하이 레벨의 펄스를 갖는다. 그리고, 시점 T3에서, 제4 플립플롭(434)의 리셋단(R)으로 하이 레벨의 신호가 입력되므로, 제9 신호(I)는 로우 레벨이 된다.
시점 T4에서, 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)이 완료되면, 온카운트(427)는 이를 감지하여, 하이 레벨의 펄스를 갖는 제4 신호(D)를 생성하고, 제1 NOR 게이트(436)은 하이 레벨의 신호를 제4 플립플롭(434)의 셋단으로 전달하고, 제9 신호(I)는 하이 레벨이 된다.
시점 T5에서, 스위칭 동작 강제 오프 기간(Tb_OFF)이 완료되면, 오프카운트(428)는 이를 감지하여, 하이 레벨의 펄스를 갖는 제5 신호(E)를 생성하고, 제2 플립플롭(426)의 리셋단(R)으로 전달하고, 제3 신호(C)는 로우 레벨이 된다. 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 버스트 모드에서 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON) 및 스위칭 동작 오프 기간(Tb_OFF)을 합한 기간(Tburst)은 최소 기본 주기라 한다.
다시 시점 T6에서, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)과 같아지면, 제1 신호(A)는 하이 레벨을 펄스를 갖는다. 그러면, 제2 AND 게이트(421)로부터 출력되는 하이 레벨의 신호에 의해 제2 플립플롭(426)으로부터 출력되는 제3 신호(C)는 하이 레벨이 된다. 그러면, 온 카운터(427) 및 오프 카운터(428)는 스위칭 감지 신호(SS)를 감지하여, 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON) 및 스위칭 동작 강제 오프 기간(Tb_OFF)을 감지한다. 이 때, 제5 AND 게이트(424)에 입력되는 반전 제3 신호(/C)와 제1 신호(A)가 하이 레벨이므로, 제6 신호(F)는 제1 신호(A)가 하이 레벨인 펄스인 기간 동안 하이 레벨의 펄스를 갖는다. 그리고, 시점 T6에서, 제4 플립플롭(434)의 리셋단(R)으로 하이 레벨의 신호가 입력되므로, 제9 신호(I)는 로우 레벨이 된다.
시점 T7에서, 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)이 완료되면, 온카운트(427)는 이를 감지하여, 하이 레벨의 펄스를 갖는 제4 신호(D)를 생성하고, 제1 NOR 게이트(436)은 하이 레벨의 신호를 제4 플립플롭(434)의 셋단으로 전달하고, 제9 신호(I)는 하이 레벨이 된다.
스위칭 동작 강제 오프 기간(Tb_OFF)중인 시점 T8에서, 피드백 신호(Vfb)의 전압이 버스트 문턱 전압(Vburst)보다 커지면, 제1 신호(A)는 하이 레벨의 신호가 된다.
시점 T9에서, 스위칭 동작 강제 오프 기간(Tb_OFF)이 완료되면, 오프카운트(428)는 이를 감지하여, 하이 레벨의 펄스를 갖는 제5 신호(E)를 생성하고, 제2 플립플롭(426)의 리셋단(R)으로 전달하고, 제3 신호(C)는 로우 레벨이 된다. 그리고, 제1 신호(A) 및 제5 신호(E)가 모두 하이 레벨이므로, 제7 신호(G)는 하이 레 벨이 되고, 제1 플립플롭(415)의 리셋단(R) 및 제4 플립플롭(434)의 리셋단(R)으로 전달된다. 그러면, 제2 신호(B) 및 제9 신호(I)는 모두 로우 레벨이 된다.
시점 T9이후에서는, 스위치(Sb)가 턴오프 상태이므로, 제2 비교기의 제1 반전 단자(-1)에 전달되는 기준 피드백 전압(Vfb_ref)과 감지 전압(Vsense)를 비교하여 메인 스위치(Qsw)의 턴오프를 결정한다. 따라서 SMPS는 정상 모드로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 버스트 모드와 정상 모드에 따라 각각 버스트 기준전압(Vb_ref)와 기준 피드백 전압(Vfb_ref)을 이용하여 감지 전압(Vsense)과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 메인 스위치(Qsw)의 턴오프를 결정한다.
버스트 모드에서, 스위칭 동작 온 기간(Tb_ON)동안, 감지 전압((Vsense)이 버스트 기준전압(Vb_ref)보다 크면, 신호(Sc)는 하이 레벨이므로, 제3 플립플롭(433)의 리셋단(R)에 인가된 하이 레벨의 신호(Sc)에 의해 신호(Sd)는 하이 레벨이 된다. 그러면, NOR 게이트(431)으로부터 출력되는 로우 레벨의 게이트 드라이버 제어신호(Vgc)에 의해, 게이트 신호(Vgs)는 로우 레벨이 되고, 메인 스위치(Qsw)는 턴오프된다. 메인 스위치(Qsw)가 턴오프인 기간동안, 감지 전압(Vsense)은 기준 피드백 전압(Vfb_ref)보다 낮으므로 로우 레벨의 신호(Sc)가 제3 플립플롭(433)의 리셋단(R)에 전달된다. 그 후, 메인 스위치(Qsw)의 드레인-소스 전극의 전압차(Vds)가 최저점인 시점을 싱크 검출부(440)가 검출하여, 오실레이터(432)로 싱크 감지 신호(Vsd)를 전달한다. 오실레이트(432)는 싱크 감지 신호(Vsd)에 따라 클록 신호(CLK)를 로우 레벨로 변경한다.
그러면, NOR 게이트(431)에 입력되는 신호가 모두 로우 레벨이므로, 하이 레 벨의 게이트 드라이버 제어 신호(Vgc)가 게이트 드라이버(450)로 전달된다. 게이트 드라이버(450)는 하이 레벨의 게이트 드라이버 제어 신호(Vgc)에 대응하여 하이 레벨의 게이트 신호(Vgs)를 메인 스위치(Qsw)로 전달한다. 그러면, 메인 스위치(Qsw)는 턴온된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 SMPS 및 그 구동방법은 버스트 모드에서 스위칭 동작 온 기간 및 스위칭 동작 강제 오프 기간을 설정하여, 설정된 각 기간에 따라 스위칭 동작을 제어한다. 이렇게 하면 버스트 스위칭시 스위칭 그룹과 스위칭 그룹 사이의 시간에 의해 결정되는 기본주파수가 부하 조건에 관계 없이 일정 이하로 유지된다.
또한, 입력 전압에 따라 스위칭 주파수가 달라지는데, 버스트 모두에서는 입력 전압에 관계없이 최소한의 스위칭 동작 강제 오프 기간이 설정되므로, 입력 전압에 따라 발생하는 스위칭 주파수의 편차를 감쇄하여, 버스트 모드에서의 기본 주파수 편차를 줄일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 SMPS는 버스트 모드에서, 기본 주기는 스위칭 동작 강제 오프 기간을 포함하므로, 기본 주파수가 낮아진다. 구체적으로 입력 전압이 90Vac일 때, 메인 스위치의 스위칭 동작의 1주기 20μsec, 주파수 50Khz이고, 입력 전압이 265Vac에서, 메인 스위치의 스위칭 동작의 1주기 10μsec, 주파수 100Khz이라고 가정한다. 이 때, 버스트 모드에서, 스위칭 동작 온 기간에 대응하는 스위칭 동작이 16번이고, 스위칭 동작 강제 오프 기간 후 바로 메인 스위치가 턴온된다고 가정 할 때, 입력 전압이 90Vac이면, 스위칭 동작 온 기간은 320 μsec이고, 입력 전압이 265Vac 이면, 스위칭 동작 온 기간은 160 μsec이 다. 그리고 동일하게 스위칭 동작 강제 오프 기간으로 600μsec을 설정한다. 그러면, 입력 전압이 90Vac일 때, 기본 주기는 920μsec이고, 입력 전압이 265Vac일 때, 기본 주기는 760μsec이다. 그럼 버스트 모드에서, 입력 전압 90Vac일 때, 기본 주파수는 1.087Khz이고, 입력 전압 265Vac일 때, 기본 주파수는 1.315Khz이다. 이처럼, 본 발명의 실시예에 따르면, 스위칭 동작 강제 오프 기간을 설정하여, SMPS의 버스트 모드에서 기본 주파수는 입력 전압에 의한 스위칭 주파수의 편차에도 불구하고, 입력 전압에 따른 편차가 감소한다. 또한, 기본 주파수가 항상 1.3 kHz 보다 낮은 대역에 존재하므로, 사람의 귀에 민감한 주파수 대역을 피할 수 있어서 가청 노이즈를 줄일 수 있다.
그리고 버스트 동작을 통해 유효 스위칭 주파수를 낮게 하여 스위칭 손실에의한 소비전력을 줄일 수 있다. 소비 전력(P)은 수학식 1과 같이, 버스트 모드에서 기본 주파수에 비례한다. 이 때, 기본 주파수는 앞에서 언급한 바와 같이, 스위칭 동작 온 기간 동안 스위칭 주파수와 스위칭 동작 온 기간을 곱하고, 이를 버스트 스위칭 기본 주기로 나눈 값이다.
Figure 112006088963688-pat00001
수학식 1에서 L은 전원 공급부의 1차측 코일의 인덕턴스 값이고, Ids는 메인 스위치의 드레인 전극으로부터 소스 전극으로 흐르는 전류이며, fs는 버스트 모드에서 기본 주파수다.
지금까지 설명한 본 발명의 스위칭 트랜지스터(Qsw)와 스위치 제어부(400)를 하나의 팩으로 형성한 SMPS 및 스위칭 트랜지스터(Qsw)와 스위치 제어부가 구분되어 각각 다른 팩으로 형성된 SMPS에서 모두 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 특징에 따르면, 메인 스위치 턴오프 기간에 따른 스위칭 손실을 감소시킬 수 있는 SMPS 및 그 구동방법을 제공한다.
또한, 입력 전압에 따른 스위칭 손실 및 가청 노이즈를 줄일 수 있는 SMPS 및 그 구동방법을 제공한다.

Claims (19)

  1. 메인 스위치,
    상기 메인스위치에 1차측이 연결된 트랜스포머를 포함하고, 상기 메인 스위치의 동작에 따라 상기 트랜스포머의 2차측에 전력을 공급하는 전력 공급부,
    상기 트랜스포머의 2차측에 연결되고, 상기 2차측에 공급된 전력을 출력하는출력부, 및
    상기 출력부의 출력 전압에 대응하는 피드백 신호, 상기 메인 스위치에 흐르는 전류에 대응하는 감지 신호, 및 상기 메인 스위치의 양단간의 전압차에 대응하는 싱크 신호를 입력받고, 상기 메인 스위치의 온/오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함하고,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 피드백 신호를 이용하여 버스트 모드의 시작 여부를 결정하고, 버스트 모드에서 스위칭 동작 강제 오프 기간을 적어도 상기 피드백 신호에 관계없이 정해진 스위칭 동작 강제 오프 기간만큼 유지하고, 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간 동안 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 정지시키는 스위치 모드 파워 서플라이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 버스트 모드에서, 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 카운트하여 스위칭 동작 온 기간을 제어하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 스위칭 동작 온 기간은 상기 메인 스위치의 온오프를 제어하는 게이트신호를 이용하여 메인 스위치의 스위칭 동작을 카운트하며, 상기 스위칭 동작 온 기간이 종료되면, 적어도 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간동안, 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 금지시키는 스위치 모드 파워 서플라이.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 피드백 신호를 이용하여 버스트 모드의 시작 여부를 결정하는 버스트 모드 판단부,
    상기 스위칭 동작 강제 오프 기간을 일정하게 유지하고 상기 스위칭 동작 온 기간을 제어하는 버스트 모드 제어부,
    상기 싱크 신호의 최저점을 감지하는 싱크 검출부, 및
    상기 싱크 검출부에서 싱크 신호의 최저점을 감지한 시점에 동기되어, 상기 메인 스위치의 턴온 시점을 결정하고, 상기 버스트 모드에서, 버스트 기준 전압과 상기 감지 신호를 이용하여 메인 스위치의 턴오프를 결정하거나, 상기 스위칭 동작 온 기간이 종료되면 상기 메인 스위치의 턴오프를 결정하는 PWM 제어부
    를 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 버스트 모드 판단부는,
    상기 피드백 신호에 대응하는 제1 전압이 버스트 문턱 전압보다 버스트 인에이블 시간(burst enable time)동안 작으면, 상기 스위치 모드 파워 서플라이를 상기 버스트 모드 구동으로 판단하고, 판단 결과를 상기 버스트 모드 제어부로 알리는 스위치 모드 파워 서플라이.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 버스트 모드 판단부는,
    상기 피드백 신호에 대응하는 전압과 버스트 문턱 전압을 비교하는 제1 비교기,
    상기 제1 비교기로부터 출력되는 제1 신호를 반전시키는 인버터,
    상기 인버터로부터 출력되는 신호를 이용하여 상기 제1 전압이 상기 버스트 문턱 전압보다 상기 버스트 인에이블 시간동안 작은지 판단하는 버스트 인에이블 딜레이,
    상기 버스트 인에이블 딜레이의 판단결과에 대응하는 신호와 상기 인버터로부터 출력되는 신호를 논리 연산하는 제1 논리 연산부,
    상기 제1 논리 연산부로부터 출력되는 신호가 제1 레벨이면, 제2 레벨의 제2 신호를 출력하는 제1 플립플롭,
    상기 제2 레벨의 제2 신호에 응답하여 턴온되는 제1 스위치,
    상기 제1 스위치 일단에 연결된 기준 전류원, 및
    상기 제1 스위치 타단에 연결된 제1 저항
    을 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 논리 연산부는 입력 신호가 모두 하이 레벨일 때, 하이 레벨의 신호를 출력하는 AND 게이트이고, 상기 제1 레벨은 하이 레벨인 스위치 모드 파워 서플라이.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 버스트 모드 제어부는,
    상기 메인 스위치를 제어하는 게이트 신호, 상기 제1 신호, 상기 인버터로부터 출력되는 반전된 제1 신호 및 제2 신호를 입력받아, 상기 스위칭 동작 온 기간 및 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간을 감지한 결과를 상기 PWM 제어부로 전달하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버스트 모드 제어부는,
    상기 제1 신호 및 제2 신호를 입력받아 논리 연산하는 제2 AND 게이트,
    상기 제2 신호 및 상기 게이트 신호를 입력받아 논리 연산하여, 스위칭 감지신호를 생성하는 제3 AND 게이트,
    상기 반전된 제1 신호 및 상기 제2 신호가 반전된 신호를 입력받아 논리 연산하는 제4 AND 게이트,
    상기 제2 AND 게이트의 출력단에 셋단이 연결되고, 셋단에 입력되는 신호 및 리셋단에 입력되는 신호에 따라 인에이블 또는 디스에이블 레벨을 갖는 제3 신호를 생성하는 제2 플립플롭,
    상기 제3 신호가 인에이블 레벨을 갖는 기간동안 스위칭 동작을 카운트하고,카운트 결과에 따라 상기 스위칭 동작 온 기간에 대응하는 스위칭 동작 횟수가 완료하였는지 판단하며, 판단결과에 따라 제4 신호를 생성하는 온카운터,
    상기 제3 신호가 인에이블 레벨을 갖는 기간동안 스위칭 동작 온 기간이 지난 후, 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간의 경과 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 제 5신호를 생성하는 오프카운터,
    상기 제3 신호가 반전된 신호 및 상기 제1 신호를 전달받고, 제6 신호를 생성하는 제5 AND 게이트, 및
    상기 제5 신호 및 상기 제1 신호를 전달받고, 제7 신호를 생성하는 제6 AND 게이트를 포함하며,
    상기 제5 신호는 상기 제2 플립플롭의 리셋단에 입력되는 스위치 모드 파워 서플라이.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 온카운터는 상기 스위칭 동작 온 기간에 대응하는 스위칭 동작 횟수가완료되면, 하이 레벨의 제4 신호를 생성하고,
    상기 오프카운터는 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간이 경과되면, 하이 레벨의 제5 신호를 생성하며,
    상기 인에이블 레벨은 하이 레벨이고, 상기 디스에이블 레벨은 로우 레벨인스위치 모드 파워 서플라이.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는,
    상기 제4 AND 게이트로부터 출력되는 제8 신호, 상기 제4 신호, 상기 제6 신호, 상기 제7 신호, 싱크 신호, 감지 신호, 상기 피드백 신호에 대응하는 기준 피드백 전압, 상기 제1 저항 및 상기 기준 전류원의 전류에 의해 생성되는 상기 버스트 기준 전압을 입력받아, 게이트 드라이버 제어신호를 생성하고,
    상기 PWM제어부로부터 출력되는 게이트 드라이버 제어신호에 따라 상기 게이트 신호를 생성하는 게이트 드라이버
    를 더 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는,
    상기 기준 피드백 전압이 입력되는 제1 반전단자, 상기 버스트 기준 전압이 입력되는 제2 반전단자, 상기 감지 신호가 입력되는 비반전단자를 포함하고, 상기 버스트 모드에서 상기 버스트 기준 전압과 상기 감지 신호의 전압을 비교하여, 비교결과에 따라 비교신호를 생성하는 제2 비교기,
    클록 신호를 생성하고, 상기 클록신호를 상기 싱크 신호에 동기되어 제3 레벨에서 제4 레벨로 변경시키는 오실레이터,
    상기 오실레이터의 출력단이 셋단에 연결되어 있고, 상기 비교신호가 리셋단에 입력되는 제3 플립플롭,
    상기 제4 신호 및 제8 신호를 입력받는 제1 OR 게이트,
    상기 제6 신호 및 제7 신호를 입력받는 제2 OR 게이트,
    상기 제1 OR 게이트의 출력단이 셋단에 연결되고, 상기 제2 OR 게이트의 출력단이 리셋단에 연결되어 있는 제4 플립플롭, 및
    상기 제3 플립플롭의 반전 출력단, 상기 제4 플립플롭의 출력단, 및 상기 오실레이터의 출력단에 각각 입력단이 연결되어 있고, 상기 게이트 드라이버 제어신호를 생성하는 NOR 게이트
    를 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제4 플립플롭은,
    상기 셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이면, 상기 출력단으로 하이 레벨의 제9 신호를 생성하고, 상기 리셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이며, 상기 출력단으로 로우 레벨의 제9 신호를 생성하여 출력하며,
    상기 제3 플립플롭은,
    상기 셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이면, 상기 반전 출력단으로 로우 레벨의 신호를 생성하고, 상기 리셋단에 입력되는 신호가 하이 레벨이며, 상기 출력단으로 하이 레벨의 신호를 생성하여 출력하며,
    상기 제3 레벨은 하이 레벨이고, 상기 제4 레벨은 로우 레벨인 스위치 모드 파워 서플라이.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 NOR 게이트는,
    입력되는 모드 신호가 로우 레벨이면, 하이 레벨의 게이트 드라이버 제어신호를 생성하며, 상기 게이트 드라이버는 하이 레벨의 게이트 드라이버 제어신호에 대응하여 하이 레벨의 상기 게이트 신호를 생성하고,
    상기 메인 스위치는,
    n-채널 타입의 트랜지스터인 스위치 모드 파워 서플라이.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 메인 스위치 및 상기 스위치 제어부는 각각 하나의 팩으로 구성되어 있는 스위치 모드 파워 서플라이.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 메인 스위치 및 상기 스위치 제어부가 한 팩으로 구성된 스위치 모드 파워 서플라이.
  17. 입력 전압을 메인 스위치의 온/오프에 따라 변환하여 출력 전압을 생성하는 스위치 모드 파워 서플라이의 구동 방법에 있어서,
    a) 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 신호 및 버스트 문턱 전압을 이용하여, 상기 스위치 모드 파워 서플라이의 구동 모드를 결정하는 단계,
    b) 상기 a)단계의 판단결과, 상기 구동 모드가 버스트 모드인 경우, 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 카운트하는 단계, 및
    c) 상기 b)단계의 카운트 결과, 스위칭 동작 온 기간이 완료되면, 스위칭 동작 오프 기간을 적어도 상기 피드백 신호에 관계없이 정해진 스위칭 동작 강제 오프 기간만큼 유지하는 단계
    를 포함하고,
    상기 스위칭 동작 강제 오프 기간 동안 상기 메인 스위치의 스위칭 동작을 정지시키는 스위치 모드 파워 서플라이의 구동방법.
  18. 제17항에 있어서,
    d) 상기 스위칭 동작 강제 오프 기간을 카운트하는 단계를 더 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이의 구동 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 메인 스위치의 양단의 전압이 최저점을 감지한 시점에 동기되어, 상기 메인 스위치를 턴온 시키는 단계를 더 포함하는 스위치 모드 파워 서플라이의 구동 방법.
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