KR102127819B1

KR102127819B1 - 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR102127819B1
Application number: KR1020130117338A
Authority: KR
Inventors: 이정남; 정연호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2020-06-29
Also published as: US20150092463A1; KR20150038937A; US9263953B2; CN104518687A

Abstract

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명의 전원 공급 장치는, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 정류부; AC/DC 정류부에 의해 변환된 직류 전압의 역률을 보정하는 역률보정부; 역률보정부에 의해 역률이 보정된 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 변환부; DC/DC 변환부의 변압기의 1차측 권선에 전기적으로 연결되며, 소정 크기의 직류 전압을 생성하는 보조 권선; 및 역률보정부의 출력단과 보조 권선에 연결되며, 역률보정부의 출력단의 전압과 보조 권선에 의해 생성된 전압을 이용하여 임시 Vcc 전원을 생성하여 역률보정부의 내부 전원으로 제공하는 내부 전원 생성부;를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 최소 입력전압부터 부스트단(역률보정부)의 출력의 정상상태까지의 넓은 범위에 걸쳐 안정적으로 내부 전원을 공급할 수 있고, 적은 수의 소자를 사용하므로 공간 확보에 유리하며, 정상 동작에서의 손실이 없어 높은 효율을 얻을 수 있다.

Description

전원 공급 장치{Power supply apparatus}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 특히 최소 입력전압부터 부스트단의 출력의 정상상태까지의 넓은 범위에서 안정적으로 내부 전원을 공급할 수 있는 전원 공급 장치에 관한 것이다.

일반적인 AC-DC 전원 공급 장치의 경우, AC-DC 정류부 후단에 PFC(power factor correction)부와 DC-DC 변환부의 2단계(two-stage) 구성이 주로 채용된다. 최근에 높은 전력 밀도를 위해 PFC부와 DC-DC 변환부의 기능을 하나로 합친 단일 단계(single-stage)로 구현하는 방식이 많이 이용되고 있으나, 역률 및 효율이 2단계에 비해 낮아 적용 제품에 따라 사용이 제한적이다. 그리고 2단계 구성에서 PFC부는 부스트 컨버터(boost converter), DC-DC 컨버터부는 플라이백(flyback) 컨버터, 풀-브리지(full-bridge), 그리고 LLC(inductor-inductor-capacitor) 공진형 컨버터가 널리 사용된다. 플라이백 컨버터는 LLC 공진형 컨버터에 비해 효율은 낮지만 변압기를 이용한 다출력 생성 측면에서 유리하다. 풀-브리지의 경우 소자 수가 많아 전력밀도가 낮은 제품에는 사용할 수 없으며, 경부하 시 효율이 좋지 않다는 단점이 있다. 그러한 이유 때문에 적은 소자로 높은 효율을 낼 수 있는 LLC 공진형 컨버터가 많이 사용된다. 그러나, LLC 공진형 컨버터의 경우 내부 전원 공급에 대해 입력 범위가 좁은 단점이 있으며, 이로 인해 플라이백 컨버터와 같이 최소 입력 전압에서 내부 전원의 생성이 불가능한 문제점이 있다.

한편, 부스트 컨버터와 LLC 공진형 컨버터로 구성된 2단계 전원 공급 장치에있어서, 내부 전원을 생성하는 종래 방식으로는 크게 아래의 두 가지를 들 수 있다.

첫 번째 방식은 외부에 추가적인 스탠바이단을 사용하는 경우이다. 이 방식은 AC-DC 정류부(브리지 다이오드)의 출력으로부터 추가적인 스탠바이단을 통해 내부 전원을 공급하므로 안정적인 동작을 할 수 있다. 이때 스탠바이단은 플라이백 컨버터의 사용이 일반적이다. 이 방식은 스탠바이단의 사용이 필수적인 경우 및 요구되는 전력밀도가 낮은 경우에 사용가능하나, 그 외 높은 전력밀도를 요구하는 경우에는 공간적인 단점으로 인해 사용이 불가하다.

두 번째 방식은 PFC부의 출력에서 레귤레이터를 통한 내부 전원 생성방식이다. 이는 최소 입력전압에서부터 입력 전압의 최소 3배 이상인 부스트 정상출력까지 넓은 범위에서 항상 일정한 내부 전원을 공급하기 위해, PFC부의 출력에 전압 레귤레이터를 사용한 방식으로서, 정상 동작하는 PFC부의 출력 전압에서의 손실이 크고 사용할 수 있는 레귤레이터 또한 전압 한계치가 큰 제품을 사용해야 하므로, 비용 부담이 크고 장치의 전체적인 크기가 커지는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 공개번호 10-2003-0008855 일본 공개특허공보 특개2012-029363

본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, PFC부의 출력단과 DC/DC 변환부에 연결된 추가 권선(보조 권선)을 이용하여 최소 입력전압부터 부스트단의 출력의 정상 상태까지의 넓은 범위에서 안정적으로 내부 전원을 공급할 수 있는 전원 공급 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전원 공급 장치는,

교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 정류부;

상기 AC/DC 정류부에 의해 변환된 직류 전압의 역률을 보정하는 역률보정부;

상기 역률보정부에 의해 역률이 보정된 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 변환부;

상기 DC/DC 변환부의 변압기의 1차측 권선에 전기적으로 연결되며, 소정 크기의 직류 전압을 생성하는 보조 권선; 및

상기 역률보정부의 출력단과 상기 보조 권선에 연결되며, 상기 역률보정부의 출력단의 전압과 상기 보조 권선에 의해 생성된 전압을 이용하여 임시 Vcc 전원을 생성하여 상기 역률보정부의 내부 전원으로 제공하는 내부 전원 생성부;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 내부 전원 생성부는, 상기 역률보정부의 출력전압으로부터 복수의 저항에 의한 분배에 의해 임시 Vcc 전원을 생성하는 Vcc 전원회로부와; 상기 보조 권선에 의해 생성된 전압을 임시 Vcc 전원과 연결하는 Vcc_DC/DC 연결부; 및 상기 Vcc 전원회로부에 의해 생성된 전압의 크기를 변경하는 Vcc 전압 변경부;를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 Vcc 전원회로부는 상기 역률보정부의 출력 전압을 분배하여 임시Vcc 전원을 생성하는 제1 저항과 제2 저항의 직렬접속 회로로 구성될 수 있다.

또한, 상기 Vcc_DC/DC 연결부는 상기 Vcc 전원회로부의 제1 저항과 제2 저항의 공통접속 노드에 캐소드가 접속되도록 연결되는 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 Vcc 전압 변경부는 상기 Vcc 전원회로부의 제1 저항과 제2 저항의 공통접속 노드에 그 일단이 연결되는 제3 저항과, 그 제3 저항의 타단에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되며, 게이트에는 상기 보조 권선에 의해 생성된 전압이 입력되는 스위치 소자를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 스위치 소자로는 NMOS가 사용될 수 있다.

또한, 다른 실시 예에 따른 상기 Vcc 전압 변경부는 상기 Vcc 전원회로부의 제1 저항과 제2 저항의 공통접속 노드에 그 일단이 연결되는 제3 저항과, 그 제3 저항의 타단에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되는 스위치 소자와, 출력단이 상기 스위치 소자의 게이트에 연결되며, 입력단을 통해 입력받은 상기 역률보정부의 출력전압이 미리 설정된 전압보다 클 경우 증폭하여 출력하는 연산증폭기를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 스위치 소자로는 NMOS가 사용될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 최소 입력전압부터 부스트단(역률보정부)의 출력의 정상상태까지의 넓은 범위에 걸쳐 안정적으로 내부 전원을 공급할 수 있고, 적은 수의 소자를 사용하므로 공간 확보에 유리하며, 정상 동작에서의 손실이 없어 높은 효율을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 전원 공급 장치의 내부 전원 생성부의 내부 회로를 기능별로 세분화하여 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 내부 전원 생성부의 다른 실시 예를 보여주는 도면.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전원 공급 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 AC/DC 정류부(110), 역률보정부(120), DC/DC 변환부(130), 보조 권선(135), 내부 전원 생성부(140)를 포함하여 구성된다.

상기 AC/DC 정류부(110)는 외부로부터 교류 전압을 인가받아 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 이와 같은 AC/DC 정류부110)로는 풀-브리지(full-bridge) 다이오드 또는 하프-브리지(half-bridge) 다이오드 등이 사용될 수 있다.

상기 역률보정부(120)는 상기 AC/DC 정류부(110)에 의해 변환된 직류 전압의 역률(power factor)을 보정한다. 이와 같은 역률보정부(110)는 간단하게는 인덕터와 다이오드, 스위칭 소자의 직병렬 조합회로로 구성될 수 있고, 경우에 따라서는 커패시터가 더 부가될 수도 있다.

상기 DC/DC 변환부(130)는 상기 역률보정부(110)에 의해 역률이 보정된 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환한다. 이와 같은 DC/DC 변환부(130)로는 변압기가 사용될 수 있다.

상기 보조 권선(135)은 상기 DC/DC 변환부(130)의 변압기의 1차측 권선에 전기적으로 연결되며, 소정 크기의 직류 전압을 생성한다. 이러한 보조 권선(135)은 내부 전원의 생성을 위한 것이다.

상기 내부 전원 생성부(140)는 상기 역률보정부(120)의 출력단과 상기 보조 권선(135)에 연결되며, 상기 역률보정부(120)의 출력단의 전압(PFC_output)(도 2 참조)과 상기 보조 권선(135)에 의해 생성된 전압(Vcc_DCDC)을 이용하여 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)을 생성하여 상기 역률보정부(120)의 내부 전원으로 제공한다.

여기서, 상기 내부 전원 생성부(140)는, 도 2에 도시된 바와 같이, Vcc 전원회로부(144), Vcc_DC/DC 연결부(146) 및 Vcc 전압 변경부(142)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 Vcc 전원회로부(144)는 상기 역률보정부(120)의 출력 전압(PFC_output)으로부터 복수의 저항(R1,R2)에 의한 분배에 의해 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)을 생성한다. 이와 같은 Vcc 전원회로부(144)는 상기 역률보정부(120)의 출력 전압 (PFC_output)을 분배하여 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)을 생성하는 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 직렬접속 회로로 구성될 수 있다. 이때, 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 저항값은 전원 공급 장치의 최소 입력 전원과 원하는 내부 전원의 전압값을 바탕으로 설정된다.

상기 Vcc_DC/DC 연결부(146)는 상기 보조 권선(135)에 의해 생성된 전압 (Vcc_DCDC)을 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)과 연결한다. 이러한 Vcc_DC/DC 연결부(146)는 상기 Vcc 전원회로부(144)의 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 공통접속 노드(N)에 캐소드가 접속되도록 연결되는 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 Vcc 전압 변경부(142)는 상기 Vcc 전원회로부(144)에 의해 생성된 전압의 크기를 변경한다. 이와 같은 Vcc 전압 변경부(142)는 상기 Vcc 전원회로부(144)의 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 공통접속 노드(N)에 그 일단이 연결되는 제3 저항(R3)과, 그 제3 저항(R3)의 타단에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되며, 게이트에는 상기 보조 권선(135)에 의해 생성된 전압(Vcc_DCDC)이 입력되는 스위치 소자(Q1)로서의 NMOS를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 내부 전원 생성부의 다른 실시 예를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 내부 전원 생성부(340)는 상기 도 2에서 설명한 내부 전원 생성부(140)와 기본 구성은 동일하다. 다만, Vcc 전압 변경부(342)의 구성에 있어서 약간의 차이가 있을 뿐이다. 따라서 상기 도 2에서 설명한 내부 전원 생성부(140)의 Vcc 전원회로부(144)와 Vcc_DC/DC 연결부(146)에 대응되는 Vcc 전원회로부(344)와 Vcc_DC/DC 연결부(346)에 대한 설명은 생략하고, Vcc 전압 변경부(342)에 대해서만 설명하기로 한다.

상기 Vcc 전압 변경부(342)는 상기 Vcc 전원회로부(344)의 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 공통접속 노드(N)에 그 일단이 연결되는 제3 저항(R3)과, 그 제3 저항(R3)의 타단에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되는 스위치 소자로서의NMOS(Q1)와, 출력단이 상기 NMOS(Q1)의 게이트에 연결되며, 입력단을 통해 입력받은 상기 역률보정부(12)의 출력전압(PFC_output)이 미리 설정된 전압(예를 들면, 2.5V)보다 클 경우 증폭하여 출력하는 연산증폭기(A)를 포함하여 구성될 수 있다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 동작에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 간략히 설명해 보기로 한다.

AC/DC 정류부(110)가 외부로부터 교류 전압(예를 들면, AC 220V)을 인가받아 직류 전압으로 변환하여 출력하면, 역률보정부(120)는 AC/DC 정류부(110)의 출력전압을 입력받아 역률을 보정하여 출력하고, DC/DC 변환부(130)는 역률보정부(110)에 의해 역률이 보정된 직류 전압을 1,2차 권선의 권선비에 따라 다른 크기의 직류 전압(예를 들면, DC 24V, DC 12V 등)으로 변환한다.

이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 내부 전원 생성부(140)는 상기 역률보정부(120)의 출력단의 전압(PFC_output)과 상기 보조 권선(135)에 의해 생성된 전압 (Vcc_DCDC)을 이용하여 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)을 생성하여 상기 역률보정부(120)의 내부 전원으로 제공한다. 즉, 내부 전원 생성부(140)는 역률보정부(120)의 출력단의 전압(PFC_output)을 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 저항값에 따른 전압비로 분배하여 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)을 생성하고, 그 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)에서 역률보정부(120) 측으로 내부 전원을 1차적으로 공급한다. 이후 역률보정부(120) (부스트 단)와 DC/DC 변환부(130)가 정상적으로 동작하면, DC/DC 변환부(130)의 변압기의 보조 권선(135)을 통해 생성된 전압인 "Vcc_DCDC"가 Vcc_DC/DC 연결부(146)의 다이오드를 통해 전달되어 상기 임시 Vcc 전원(Vcc_Temp)과 함께 내부 전원을 공급하게 된다. 이 과정에서 Vcc_DCDC가 Vcc 전압 변경부(142)의 스위치 소자(Q1)의 도통 전압 이상이 되면 스위치 소자(Q1)가 도통하게 되고, Vcc 전압 변경부 (142)의 제3 저항(R3)과 Vcc 전원회로부(144)의 제2 저항(R2)이 병렬연결 구조로 되어 있어 임시 Vcc 전원인 Vcc_Temp 전압이 낮아지게 된다. 이때의 제3 저항(R3)의 저항값은 제2 저항(R2)의 저항값보다 작은 값이어야 한다. 내부 전원은 Vcc_temp단과 Vcc_DCDC단에서 함께 공급하나, Vcc 전압변경부(142)의 스위치 소자 (Q1)와 제3 저항(R3)의 동작으로 인해 낮아진 Vcc_temp단에서의 전원공급은 거의 없게 된다. 그리고 이에 따라 제1, 제2 저항(R1, R2)을 통한 손실 또한 없게 된다.

한편, 도 3에서와 같이, Vcc 전압 변경부(142)의 스위치 소자(Q1)의 도통시점을 역률보정부(120)의 출력단의 전압(PFC_output)을 연산증폭기(A)에 의해 센싱하여 제어할 수도 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 PFC부의 출력단전압과 DC/DC 변환부에 연결된 추가 권선(보조 권선)에 의해 생성된 전압을 이용하여 내부 전원을 생성하고, 이를 시스템 내부의 전원으로 공급하므로, 최소 입력전압부터 부스트단(역률보정부)의 출력의 정상상태까지의 넓은 범위에 걸쳐 안정적으로 내부 전원을 공급할 수 있다.

또한, 적은 수의 소자를 사용하므로 공간 확보에 유리하고, 정상 동작에서의 손실이 없어 높은 효율을 얻을 수 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110...AV/DC 정류부 120...역률보정부
130...DC/DC 변환부 135...보조 권선
140,340...내부 전원 생성부 142,342...Vcc 전압 변경부
144,344...Vcc 전원회로부 146,346...Vcc_DC/DC 연결부

Claims

교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 정류부;
상기 AC/DC 정류부에 의해 변환된 직류 전압의 역률을 보정하는 역률보정부;
상기 역률보정부에 의해 역률이 보정된 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 변환부;
상기 DC/DC 변환부의 변압기의 1차측 권선에 전기적으로 연결되며, 소정 크기의 직류 전압을 생성하는 보조 권선; 및
상기 역률보정부의 출력단과 상기 보조 권선에 연결되며, 상기 역률보정부의 출력단의 전압과 상기 보조 권선에 의해 생성된 전압을 이용하여 임시 Vcc 전원을 생성하여 상기 역률보정부의 내부 전원으로 제공하는 내부 전원 생성부;를 포함하는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 내부 전원 생성부는,
상기 역률보정부의 출력전압으로부터 복수의 저항에 의한 분배에 의해 임시 Vcc 전원을 생성하는 Vcc 전원회로부;
상기 보조 권선에 의해 생성된 전압을 상기 임시 Vcc 전원과 연결하는 Vcc_DC/DC 연결부; 및
상기 Vcc 전원회로부에 의해 생성된 전압의 크기를 변경하는 Vcc 전압 변경부;를 포함하는 전원 공급 장치.
제2항에 있어서,
상기 Vcc 전원회로부는 상기 역률보정부의 출력 전압을 분배하여 임시 Vcc 전원을 생성하는 제1 저항과 제2 저항의 직렬접속 회로로 구성된 전원 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 저항과 제2 저항의 저항값은 전원 공급 장치의 최소 입력 전원과 설정을 원하는 내부 전원의 전압값을 바탕으로 설정되는 전원 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 Vcc_DC/DC 연결부는 상기 Vcc 전원회로부의 제1 저항과 제2 저항의 공통접속 노드에 캐소드가 접속되도록 연결되는 다이오드를 포함하여 구성된 전원 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 Vcc 전압 변경부는 상기 Vcc 전원회로부의 제1 저항과 제2 저항의 공통접속 노드에 그 일단이 연결되는 제3 저항과, 그 제3 저항의 타단에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되며, 게이트에는 상기 보조 권선에 의해 생성된 전압이 입력되는 스위치 소자를 포함하여 구성된 전원 공급 장치.
제6항에 있어서,
상기 스위치 소자는 NMOS인 전원 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 Vcc 전압 변경부는 상기 Vcc 전원회로부의 제1 저항과 제2 저항의 공통접속 노드에 그 일단이 연결되는 제3 저항과, 그 제3 저항의 타단에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되는 스위치 소자와, 출력단이 상기 스위치 소자의 게이트에 연결되며, 입력단을 통해 입력받은 상기 역률보정부의 출력전압이 미리 설정된 전압보다 클 경우 증폭하여 출력하는 연산증폭기를 포함하여 구성된 전원 공급 장치.
제8항에 있어서,
상기 스위치 소자는 NMOS인 전원 공급 장치.