KR20180048609A - 슬립/웨이크 모드를 구비한 전력 변환기 - Google Patents

슬립/웨이크 모드를 구비한 전력 변환기 Download PDF

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KR20180048609A
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토마스 퀴글리
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마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

오프라인 전력 변환기는 부하가 없거나 비활성(무부하 수요량)일 때 매우 적은 양의 전력을 인출하고, 전력 소비는 스타트-업 컨트롤러 및/또는 2차측 컨트롤러를 슬립 모드(컨트롤러 내부의 기능들이 멈춤)로 진입할 수 있게 함으로써 추가로 감소될 수 있다. 스타트-업 컨트롤러 및 2차측 컨트롤러 중 어느 하나에 대한 에너지 저장 커패시터가 낮은 충전 상태에 도달할 때에는, 어느 하나의 컨트롤러가 그 자체 및 다른 컨트롤러를 웨이크할 수 있고, 이로써 컨트롤러가 저전력 슬립 모드로 돌아갈 수 있을 정도로 2개의 에너지 저장 커패시터들이 리프레시될 때까지 전력 변환기는 활성 상태가 될 수 있다. 이 사이클(AC 라인으로부터 평균 전력을 거의 인출하지 않음)은, 전력 변환기에 웨이크(동작 모드)를 유지하고 부하에 전력을 공급하는 것을 요구할 때까지 계속된다.

Description

슬립/웨이크 모드를 구비한 전력 변환기
관련 특허 출원
본 출원은, 2015년 8월 21일 출원된 동일 출원인에 의한 미국 가출원 번호 62/208,123호의 우선이익을 주장하며; 그리고 2015년 11월 19일 출원된 미국 특허출원 번호 14/945,729호 및 2015년 6월 1일 출원된 미국 가출원 번호 62/169,415호와 관련되며, 상기 모두는 모든 목적들을 위해 본 출원에 참조함으로써 통합된다.
기술 분야
본 발명은 전력 변환기에 관한 것으로, 특히, 경부하(light-load) 또는 무부하(no-load) 상태 동안에 효율적으로 전력 변환기를 저전력 슬립 모드에 들어가게 한 다음, 부하가 전력 변환기로부터 전력을 필요로 할 때 전력 변환기를 슬립 모드로부터 웨이크(wake)하는 것에 관한 것이다.
전력 변환기들, 특히 스위치 모드 AC/DC 전력 변환기들은 전형적으로 경부하 및 무부하 상태 동안에 사용되는 전력을 감소시키기 위해 고유한 회로망을 구비한다. 경부하 및 무부하 조건 동안에 전력 변환기를 효율적으로 동작시키기 위해, 저전력 스탠바이 모드를 갖는 전력 변환기가 사용될 수 있다. 전력 변환기들이 슬립 모드에서 부하가 없거나 비활성(무부하 수요량(demand))일 때, 오프라인 전력 변환기들이 매우 적은 양의 전력을 인출하는 것에 대한 요구가 점점 더 절박해지고 있다.
그러므로 전력 변환기가 슬립 모드에 있을 때에 사용되는 전력을 감소시킬 필요가 있다.
일 실시예에 따르면, 전력 변환기에서 저전력 슬립 모드로 진입 및 저전력 슬립 모드로부터 퇴출(exit)하기 위한 방법은, 1차측 스타트-업 컨트롤러, 변압기에 결합되는 전력 스위치, 및 1차측 에너지 저장 커패시터를 포함할 수 있는 1차측 에너지 저장 회로를 제공하는 단계; 2차측 컨트롤러 및 2차측 에너지 저장 커패시터를 포함할 수 있는 2차측 에너지 저장 회로를 제공하는 단계; 상기 변압기를 통해 상기 1차측 에너지 저장 회로와 상기 2차측 에너지 저장 회로를 결합시키는 단계; 시동 동안에, 상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 동작 전압이 원하는 값에 도달할 때까지 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러로 상기 전력 스위치를 제어하는 단계; 및 저전력 슬립 모드로 진입하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 상기 1차측 회로망 및 상기 2차측 회로망이, 저 IQ 모드에서, 그들의 각각의 에너지 저장 커패시터들에 저장된 에너지로부터 동작하고, 상기 에너지 저장 커패시터들 중 어느 하나의 각각의 전압이 각각의 저전압 제한값들보다 작거나 같을 수 있을 때에는, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 그 자체를 웨이크할 수 있거나 또는 2차측 컨트롤러가 그 자체 및 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러를 웨이크업할 수 있고, 이로써 상기 1차측 에너지 저장 커패시터 및 상기 2차측 에너지 저장 커패시터는 각각의 전압 둘 다가 그들의 각각의 저전압 제한값들보다 커질 수 있을 때까지 충전될 수 있다.
상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 1차측 고전압 제한값보다 크다고 결정한 후에 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러를 상기 저전력 슬립 모드로 진입시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 1차측 고전압 제한값이 초과되었다고 결정한 후에 1차측 고전압 제한 타이머를 개시하고, 상기 1차측 고전압 제한 타이머가 타임 아웃한 후 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 의해 인출되는 전류를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드에 있다고 결정한 후에 상기 2차측 컨트롤러를 상기 저전력 슬립 모드로 진입시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 슬립 모드에 있다고 결정하는 단계는 상기 전력 스위치가 스위칭하지 않는다고 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 2차측 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드로 들어가기 전에 상기 2차측 컨트롤러로 상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 상승시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 상승시키는 단계는 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 증가시키게 할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 1차측 고전압 제한값보다 크다고 결정한 후에 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러를 상기 저전력 슬립 모드로 진입시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 전력 스위치를 제어하는 단계는, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 제1 DC 전압을 인가하는 단계; 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러로 상기 전력 스위치를 턴온 및 턴 오프하는 단계 - 상기 제1 DC 전압 및 상기 전력 스위치가 상기 변압기의 1차 권선에 결합되고, 이로써 AC 전압이 상기 변압기의 2차 권선에 생성될 수 있음 -; 상기 2차측 컨트롤러 및 부하에 전력을 공급하기 위해 제2 DC 전압을 제공하도록 제2 정류기로 상기 변압기의 상기 2차 권선으로부터의 상기 AC 전압을 정류하는 단계; 및 상기 제2 DC 전압이 원하는 전압 값에 있을 때 상기 스타트-업 컨트롤러로부터 상기 2차측 컨트롤러로 상기 전력 스위치의 제어를 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 저전력 슬립 모드를 갖는 전력 변환기는, 제1 DC 전압에 결합되는 1차측 스타트-업 컨트롤러; 1차 권선 및 2차 권선을 구비한 변압기 - 상기 변압기의 1차 권선이 상기 제1 DC 전압에 결합될 수 있음 -; 상기 변압기의 상기 1차 권선을 통해 전류를 측정하고 상기 측정된 1차 권선 전류를 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 제공하기 위한 전류 측정 회로; 상기 변압기의 상기 1차 권선에 결합되고, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 결합되어 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 의해 제어되는 전력 스위치; 제2 DC 전압을 제공하기 위해 상기 변압기의 상기 2차 권선에 결합되는 2차측 정류기; 및 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러 및 상기 2차측 정류기에 결합되는 2차측 컨트롤러를 포함할 수 있고, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러 및 상기 2차측 컨트롤러는 저전력 슬립 모드들을 가질 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 제1 DC 전압을 수신할 때에는 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 전력 스위치를 온 및 오프로 제어하기 시작할 수 있고, 이로써 전류가 변압기 1차측을 통해 흐를 수 있고, AC 전압이 상기 변압기의 2차 권선 양단에 발생할 수 있고, 상기 2차측 정류기의 DC 전압은 상기 2차측 컨트롤러에 전력을 공급할 수 있고, 상기 제2 DC 전압이 원하는 전압 레벨에 도달할 때에는 상기 2차측 컨트롤러가 전력 스위치의 제어를 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러로부터 인수하여 담당할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 1차측 고전압 제한 값보다 클 때에는, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드로 진입할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드에 있을 때에는, 상기 2차측 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드로 진입할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드에 있을 때에는, 상기 전력 스위치가 스위칭하지 않을 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 2차측 컨트롤러는 상기 저전력 슬립 모드로 진입하기 전에 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 상승시킬 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 상승할 때에는 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압도 상승할 수 있고, 여기서 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압의 이런 상승을 검출할 수 있고, 이로써 상기 저전력 슬립 모드로 진입할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는, 입력부 및 출력부를 구비한 전압 조정기; 상기 전압 조정기의 출력부에 결합되는 내부 바이어스 전압 회로들; 상기 전압 조정기의 상기 출력부에 결합되는 부족전압 및 과전압 록 아웃 회로들; 펄스 폭 변조 (PWM) 제어 신호들을 생성하기 위한 전류 조정기 및 로직 회로들; 상기 로직 회로들에 결합되는 고정 오프 시간 회로; 상기 로직 회로들에 결합되고 외부 전력 스위치를 제어하기 위해 PWM 제어 신호들을 제공하는 전력 드라이버; 상기 로직 회로들에 결합되고 외부 PWM 제어 신호를 수신하도록 구성된 외부 게이트 명령 검출 회로 - 상기 외부 PWM 제어 신호가 검출될 때, 상기 외부 게이트 명령 검출 회로는 상기 외부 전력 스위치의 제어가 상기 로직 회로들로부터 상기 외부 PWM 제어 신호로 변경되게 함 -; 및 상기 내부 전류 조정기에 결합되는 출력부들 및 전류 검출 입력부에 결합되는 입력부들을 구비한 제1 전압 비교기 및 제2 전압 비교기를 포함할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 블랭킹 회로는 상기 전류 검출 입력부와, 상기 제1 전압 비교기 및 상기 제2 전압 비교기의 상기 입력부들 사이에 결합될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 고정 오프 시간 회로 구간은 커패시터의 커패시턴스 값에 의해 결정될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는 개루프 전류 조정기 및 전력 스위치 드라이버를 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는 저가의 간단한 아날로그 디바이스일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 2차측 컨트롤러는 마이크로컨트롤러, 아날로그 컨트롤러, 및 아날로그 및 디지털 겸용 컨트롤러로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 개시는 첨부 도면들과 결합된 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 전력 변환기의 스탠바이 전력을 감소시키기 위해 구성된 스타트-업 컨트롤러의 저전압 버전의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 스타트-업 컨트롤러를 사용하여 스탠바이 전력을 감소시키기 위해 구성된 전력 변환기의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 전력 변환기의 스탠바이 전력을 감소시키기 위해 구성된 스타트-업 컨트롤러의 고전압 버전의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 3에 도시된 스타트-업 컨트롤러를 사용하여 스탠바이 전력을 감소시키기 위해 구성된 전력 변환기의 개략적인 블록도이다.
본 개시는 다양한 변형들 및 대안의 형태들이 쉽게 가능하지만, 그의 특정 예시의 실시예들이 도면들에 도시되었고 본 명세서에서 상세히 설명된다. 하지만, 그 특정 예시의 실시예들에 대한 여기에서의 설명은 본 개시를 여기에서 개시된 특정 형태들로 한정하고자 하는 것이 아님을 이해해야 할 것이다.
파워 서플라이들, 특히 DC-DC 및 AC-DC 전력 변환기들은 전형적으로 이들을 시동하기 위해 고유한 회로망을 구비한다. 본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 전력 변환기는 1차측 스타트-업 컨트롤러 및 2차측 컨트롤러를 포함할 수 있으며, 여기서 스타트-업 컨트롤러는 전력(전압)이 전력 변환기의 1차측에 처음 인가될 때 2차측 컨트롤러로 전력을 송신하는데 이용된다. 이것은 1차측의 종래의 디바이스를 사용하여 DC-DC 및 AC-DC 전력 변환기들을 시동하기 위한 저가의 집적 회로(IC) 솔루션을 제공하는데, 이 저가의 집적 회로 솔루션는 2차측 컨트롤러의 리소스를 복제하지 않고 1차측의 개별 부품들을 최소화한다. 본 개시의 교시에 따른, 전력 변환기들의 구현 및 동작에 대한 더 상세한 설명들은, Thomas Quigley(토마스 퀴글리)에 의해 발명되었으며 동일 출원인에 의해 2015년 11월 19일 출원된 "전력 변환기용 스타트-업 컨트롤러(Start-Up Controller for Power Converter)"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제14/945,729호에 제공되어 있으며, 상기 미국 출원은 모든 목적들을 위해 본 출원에 참조함으로써 통합된다.
전력 변환기들이 부하가 없거나 비활성(무부하 수요량)일 때 오프라인 전력 변환기들이 매우 적은 양의 전력을 인출하는 것에 대한 요구가 점점 더 절박해짐에 따라, 스타트-업 컨트롤러 및/또는 2차측 컨트롤러가 슬립 모드(컨트롤러 내부의 기능들은 멈추고 따라서 매우 작은 정지 전류가 인출됨)로 진입할 수 있게 함으로써 전력 소비는 추가로 감소될 수 있다. 스타트-업 컨트롤러 및 2차측 컨트롤러 중 어느 하나에 대한 에너지 저장 커패시터가 낮은 충전 상태에 도달할 때에는, 어느 하나의 컨트롤러가 그 자체 및 다른 컨트롤러를 웨이크할 수 있고, 이로써 컨트롤러가 저전력 슬립 모드로 돌아갈 수 있을 정도로 충분히 2개의 에너지 저장 커패시터들이 리프레시될 때까지 전력 변환기는 활성 상태가 될 수 있다. AC 라인으로부터 평균 전력을 거의 인출하지 않는 이 사이클은, 전력 변환기에 웨이크(동작 모드)를 유지하고 부하에 전력을 공급하는 것을 요구할 때까지 계속된다.
다양한 실시예들에 따라, 스타트-업 컨트롤러 발상(저전압(LV) 및 고전압(HV) 실시예들 중 어느 하나)은 기본적으로 내부 개루프 전류 조정기(디폴트 상태) 및 외부 컨트롤러(예 : 2차측 컨트롤러)(외부 명령이 검출될 때) 중 어느 하나로부터 입력 명령들을 수신할 수 있는 1차측 전력 스위치 게이트 드라이버이다. 외부 명령들이 일단 중단되고 그리고 일정 시간(time period)이 지난 후에는, 게이트 드라이버에의 입력은 디폴트 상태로 돌아간다. 어느 상태든지, 스타트-업 컨트롤러는 과전류들, 부족 전압(under voltage) 및 과전압으로부터 전력 변환기를 보호한다. 토마스 퀴글리에 의해 발명된 "전력 변환기의 스타트-업 컨트롤러"를 참조하라. 또한, 스타트-업 컨트롤러 및/또는 2차측 컨트롤러를 저전력 슬립 모드에 들어가게 함으로써 부족/과전압 검출이 전력 변환기의 전력 소비를 추가로 감소시키는데 사용될 수 있다.
이제 도면들을 보면, 예시적인 실시예들의 세부 사항들이 개략적으로 도시되어 있다. 도면들에서 같은 요소들은 같은 번호들로 나타내어지며, 유사한 요소들은 같은 번호들에 다른 소문자 첨자를 붙여서 나타내어질 것이다.
도 1을 이제 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 전력 변환기의 스탠바이 전력을 감소시키기 위해 구성된 스타트-업 컨트롤러의 저전압 버전의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 스타트-업 컨트롤러(106a)는 저전압 조정기(130), 내부 바이어스 전압 회로들(132), 제1 전압 비교기(134), 제2 전압 비교기(138), 고정 블랭킹 시간 회로(140), 내부 전류 조정기 및 로직 회로들(136), 외부 게이트 명령 검출 회로(142), 신호 버퍼(144), 로직 회로들(136)에 의해 제어되는 스위치(146), MOSFET 드라이버(148), 고정 오프 시간 타이머(150), 과전압 및 부족전압 록 아웃 회로들(152), 전압 션트 보호부(154) 및 션트 타이머(15)를 포함할 수 있다. 부족전압 록 아웃(UVLO) 회로(152b)는 MOSFET 전력 스위치(236)(도 2)의 게이트를 적절하게 향상하도록 충분한 전압이 이용 가능함을 보장한다.
스타트-업 컨트롤러(106a)는 고정 오프 시간으로 동작하는 펄스 폭 변조 (PWM) 소스 개루프의 피크 전류 모드 컨트롤러를 포함할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 변환기(200)의 1차측에 있는 MOSFET 전력 스위치(236)를 구동하기 위해 구성된 MOSFET 게이트 드라이버(148)를 구비한다. 초기 시동 동안에, 내부 전류 조정기 및 로직 회로들(136)은 전력 변환기(200)의 전력 스위치(236)가 그것의 2차측으로 에너지를 변환할 수 있게 하는 MOSFET 게이트 드라이버(148)에 펄스를 공급한다. 전력 변환기의 메인 컨트롤러는 2차측에 위치하며, 메인 컨트롤러가 활성화될 때에는 메인 컨트롤러는 스타트-업 컨트롤러(106a)의 펄스(Pulse) 노드(핀)에 결합되는 분리 회로(248)(예를 들어 광 커플러, 펄스 변압기 등)을 통해 스타트-업 컨트롤러(106a)의 게이트 드라이버(148)로의 게이트 명령들을 턴온 또는 턴오프함으로써 2차측 전압을 제어할 수 있다. 과전압 및 부족전압 록 아웃 회로들(152)은 예를 들어 9볼트 내지 16볼트의 전압 히스테리시스 값을 가지지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 2개의 전류 감지 비교기들(134 및 138)에는 내부 전압 기준들(VREF1 및 VREF2)이 각각 제공될 수 있다.
저전압 버전의 스타트-업 컨트롤러(106a)에 대한 노드(핀) 설명은 다음과 같다 :
VIN는 스타트-업 컨트롤러(106a)로의 입력 전압이다.
게이트(Gate)는 MOSFET 게이트 드라이버(150)의 출력이다. MOSFET 드라이버(148)는 UVLO 회로(152b)에 의해 금지될 수 있다.
C/S(전류 센스)는 외부 검출 저항기의 양단 전압을 모니터링한다. MOSFET 드라이버(148)가 외부 MOSFET 전력 스위치(236)를 처음 턴온할 때에는 모니터링이 고정 블랭킹 시간 회로(140)에 의해 블랭킹될 수 있다.
GND는 신호 회로들 및 MOSFET 드라이버(148)의 DC 리턴 모두에 대해 접지 또는 공통이다.
PWMD는 로우로 내려갈 때 내부 PWM 소스로부터 MOSFET 게이트 드라이버(148)로의 게이트 명령들을 금지한다.
PULSE는 외부 소스(2차측 컨트롤러)로부터의 PWM 신호를 수신한다. PWM 신호가 검출될 때에는, 내부적으로 생성된 PWM 신호는 MOSFET 게이트 드라이버(148)에 의해 무시된다(로부터 금지된다).
VIN은 스타트-업 컨트롤러(106a)를 위한 소스 바이어스이다. 저항기(226)(도 2)는 스타트-업 컨트롤러(106a)로의 전류를 제한한다. VIN은 저전압 조정기(130)에의 입력이며, 저전압 조정기(130)의 출력은 VDD이다. VIN은 게이트 드라이버(148)에 동작 바이어스를 제공한다. VIN은 과전압 록 아웃(OVLO) 회로(152a) 및 부족전압 록 아웃(UVLO) 회로(152b)에 의해 모니터링된다. VDD는 스타트-업 컨트롤러(106a)에 조정된 저전압 바이어스를 제공한다. 션트 보호 회로(154)는 과전압으로부터의 보호를 위해 VIN에 결합될 수 있다.
도 2를 이제 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 스타트-업 컨트롤러를 사용하여 스탠바이 전력을 감소시키기 위해 구성된 전력 변환기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 개괄적으로 도면 부호(200)으로 표시된 플라이백 전력 변환기는 1차 라인 필터/정류기(202), 커패시터들(222, 240, 244, 250, 252 및 254), 저항기들(226, 228, 230, 238 및 239), 다이오드들(232, 242 및 260), 전류 센서(234), 전력 스위칭 트랜지스터(236), 변압기(241), 분리 회로들(246 및 248), 스타트-업 컨트롤러(106a) 및 2차측 컨트롤러(218)를 포함할 수 있다. 1차 라인 필터/정류기(202)는 퓨즈(203), 인덕터들(204 및 214), 저항기들(206, 210 및 220), 커패시터들(208, 218) 및 다이오드 브리지 정류기(212)를 포함할 수 있다.
AC 전력이 도 2에 도시된 전력 변환기(200)에 인가될 때, 스타트-업 컨트롤러(106a)는 비활성의 작은 정지 상태에 있다. 저항기(226)는 커패시터(250)를 충전한다. UVLO 회로(152b)는 예를 들어 약 9볼트 내지 약 16볼트의 히스테리시스 밴드를 가질 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. VIN이 16볼트에 도달할 때, 스타트-업 컨트롤러(106a)는 활성화되어 게이트 드라이버(148)로 전력 스위치(236), 예를 들어 전력 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 구동하기 시작한다. 전력 변환기(200)의 2차측에서, 커패시터(244)는 충전되며, 여기서 2차측 컨트롤러(218)는 자체의 V/S 노드의 전압이 약 4.5V일 때 활성화될 것이다. 2차측 컨트롤러(218)는 이어서 분리 회로(248)를 통해 스타트-업 컨트롤러(106a)의 펄스 노드에 명령을 송신함으로써 전력 스위치(236)의 게이팅을 제어하기 시작한다. 2차측 컨트롤러(218)는 커패시터(244)의 전압을 약 20볼트로 조정할 수 있다. 이 전압은 변압기(241)의 1차측 바이어스 권선(T1)에 변압기-결합되며, VIN 다이오드(260)를 부트스트랩하는데 사용될 수 있다. 변압기(T1) 권선들은 커패시터(244)의 양단 전압이 약 20V일 때 VIN에서의 전압이 약 15볼트가 되도록 스케일링된다. 저항기(226)는 값이 너무 커서 스타트-업 컨트롤러(106a)의 게이트 드라이버에 필요한 전류를 공급할 수 없다. 따라서, 이 부트스트랩 전압은 커패시터(250)가 9볼트 아래로 방전되기 전에 완료되어야 한다.
2차측 컨트롤러(218)가 저전력 슬립 모드에 진입하는 것을 결정할 때에는, 이것이 커패시터(240)의 양단 전압을 상승시키고, 커패시터(240)의 양단 전압은 차례로 스타트-업 컨트롤러(106a)의 VIN 전압을 상승시킨다. OVLO 회로(152a)는 예를 들어, 약 17볼트 내지 약 19볼트의 히스테리시스 밴드를 가질 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. VIN이 19볼트를 초과할 때에, OVLO 회로(152a)는 스타트-업 컨트롤러(106a)를 저전력 슬립 모드에 들어가게 한다. 2차측 컨트롤러(218)는 자체의 V_QR 입력 노드에서 변압기(241)의 2차 권선의 전압을 모니터링함으로써, 스타트-업 컨트롤러(106a)가 전력 스위치(236)를 구동(게이팅)하는 것을 중단했는지를 결정할 수 있다. 그것이 일단 일어나면, 2차측 컨트롤러(218)는 이어서 저전력 슬립 모드로 진입한다. 그것의 슬립 모드 동안, 스타트-업 컨트롤러(106a)의 정지 전류(IQ)는 매우 작고, IQ 초과하여 저항기(226)를 통과하는 전류는 션트(154)를 통해 흐른다. 션트 브레이크-오버 전압은 약 21V일 수 있다.
저전력 슬립 모드로부터 웨이크하는 방법은 여러 가지가 있다. 하나의 방법은 션트 회로(154)가 일단 활성화되면 션트 타이머(158)가 시작될 수 있다는 것일 것이다. 상기 시간이 끝난 후에, IQ는 저항기(226)가 공급할 수 있는 전류를 초과하는 전류까지 증가되고 커패시터(250)는 방전하기 시작한다. VIN이 일단 17볼트 아래로 강하하면, UVLO 회로(152b)는 해제되고, 스타트-업 컨트롤러(106a)는 웨이크하여 내부 전류 조정기 및 로직 회로들(136)을 사용하여 전력 스위치(236)를 게이팅하기 시작한다. 이 게이팅은 VIN이 19볼트를 다시 초과할 때까지 커패시터(240) 및 커패시터(250)를 리프레시하며, 이어서 스타트-업 컨트롤러(106a)는 다시 저전력 슬립 모드로 재진입할 수 있다. 다른 방법은, 2차측 컨트롤러(218)가 커패시터(240)의 양단 전압이 특정의 임계값 아래로 강하하였음을 결정했을 수 있다는 것일 수 있다. 이것이 일어날 때, 2차측 컨트롤러(218)는 자체의 슬립 모드로부터 웨이크하고, 게이트 펄스를 분리 회로(248)를 통해 스타트-업 컨트롤러(106a)의 PULSE 노드(핀)에 송신한다. 스타트-업 컨트롤러(106a)는 이 펄스를 검출하고 그것의 슬립 모드로부터 웨이크함으로써 자체의 IQ가 증가하고, 이것은 커패시터(250)를 방전하기 시작한다. VIN이 약 17V 아래로 강하할 때 파워 스위치(236)는 다시 게이팅하기 시작한다. 커패시터들(244, 250)이 일단 전압 리프레시되면, 스타트-업 컨트롤러(106a)의 OVLO 회로(152a)는 스타트-업 컨트롤러(106a)를 저전력 슬립 모드(VIN이 19V를 초과함)로 되돌릴 수 있다. 2차측 컨트롤러(218)가 전력 스위치 게이팅이 중단되었다고 결정하면, 2차측 컨트롤러(218)는 역시 저전력 슬립 모드로 복귀한다. 2차측 컨트롤러(218)가 계속 깨어있기로 결정하면, 2차측 컨트롤러(218)는 분리 회로(248)를 통해 스타트-업 컨트롤러(106a)의 펄스 노드(핀)에 신호를 송신하여 스타트-업 컨트롤러(106a)를 웨이크업한다. OVLO 회로(152a)가 일단 해제되면, 2차측 컨트롤러(218)는 스타트-업 컨트롤러(106a)를 통해 전력 스위치(236)를 게이팅함으로써 전력 변환기(200)를 능동적으로 조정할 수 있다.
도 3을 이제 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 전력 변환기의 스탠바이 전력을 감소시키기 위해 구성된 스타트-업 컨트롤러의 고전압 버전의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 스타트-업 컨트롤러(106b)는 고전압 조정기(330), 내부 바이어스 전압 회로들(132), 제1 전압 비교기(134), 제2 전압 비교기(138), 고정 블랭킹 시간 회로(140), 내부 전류 조정기 및 로직 회로들(136), 외부 게이트 명령 검출 회로(142), 신호 버퍼(144), 로직 회로들(136)에 의해 제어되는 스위치(146), MOSFET 드라이버(148), 고정 오프 시간 타이머(150) 및 과부하 및 부족전압 록 아웃 회로(352)를 포함할 수 있다. 부족전압 록 아웃 회로(352b)는 MOSFET(236)(도 4)의 게이트를 적절히 향상하도록 충분한 전압이 이용 가능함을 보장한다.
스타트-업 컨트롤러(106b)는 고정된 오프 시간으로 동작하는 펄스 폭 변조 (PWM) 소스 개루프의 피크 전류 모드 컨트롤러를 포함할 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 전력 변환기(400)의 1차측에 있는 전력 스위치(236)를 구동하기 위해 구성된 MOSFET 게이트 드라이버(148)를 구비한다. VIN은 스타트-업 컨트롤러(106b)를 위한 초기 소스 바이어스이다. VIN은 도 4에 도시된 바와 같이 정류된 AC 라인(DC+, 필터/정류기 블록(202)의 출력임)에 직접 연결될 수 있다. VIN은 HV 조정기(330)로의 입력이며, HV 조정기(330)의 출력은 VDD이다. VDD는 스타트-업 컨트롤러(106b)의 내부 회로들에 저전압 바이어스를 제공한다. VDD는 역시 게이트 드라이버(148)에 대한 바이어스이며, 게이트 드라이버(148)의 출력부는 스타트-업 컨트롤러(106b)의 게이트 노드에 결합된다.
VDD는 부족전압 록 아웃(UVLO) 회로(352b) 및 과전압 록 아웃 (OVLO) 회로(352a)에 의해 모니터링된다. AC 전력이 도 4에 도시된 전력 변환기(400)에 인가될 때, 스타트-업 컨트롤러(106b)는 비활성의 저전력 정지 상태에 있다. VDD는 커패시터(250)를 충전한다. UVLO 회로(352b)는 예를 들어 약 9볼트 내지 약 9.5볼트의 히스테리시스 밴드를 가질 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. VDD가 9.5V에 도달할 때, 스타트-업 컨트롤러(106b)는 자체의 내부 전류 조정기 회로(136)로부터의 명령들을 이용하여 파워 스위치(236)를 게이팅하여 활성화된다. 커패시터(244)는 충전되고, 2차측 컨트롤러(218)는 약 4.5V에서 활성화된다. 이어서 2차측 컨트롤러(218)는 분리 회로(248)를 통해 스타트-업 컨트롤러(106b)의 펄스 노드(핀)에 펄스 명령들을 송신함으로써 전력 스위치(236)의 게이팅 제어를 담당한다. 2차측 컨트롤러는 커패시터(240)의 전압을 약 20볼트로 조정한다. 이 전압은 다이오드(260)를 통해 VDD를 부트스트래핑하는 1차측 바이어스 권선(T1)에 변압기-결합된다. 변압기(241)의 T1 권선은 커패시터(240)의 양단 전압이 약 20V일 때 VIN에서의 전압이 약 15볼트와 같도록 스케일링된다. VDD가 약 15V일 때, 그것은 자체의 HV 조정기(330)의 공핍 모드 FET를 턴오프하며, 이것은 차례로 정류된 AC 라인으로부터 VIN에의 전류를 실질적으로 0으로 떨어뜨리게 함으로써, 스타트-업 컨트롤러(106b)의 전력 및 열 손실을 줄인다.
2차측 컨트롤러(218)가 저전력 슬립 모드에 진입하는 것을 결정할 때에는, 이것이 커패시터(240)의 양단 전압을 상승시키고, 커패시터(240)의 양단 전압은 차례로 스타트-업 컨트롤러(106b)의 VDD의 전압을 상승시킨다. OVLO 회로(352a)는 예를 들어, 약 17볼트 내지 약 19볼트의 히스테리시스 밴드를 가질 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. VIN이 19볼트를 초과할 때, OVLO 회로(352a)는 스타트-업 컨트롤러(106b)를 저전력 슬립 모드에 들어가게 한다. 2차측 컨트롤러(218)는 자체의 V_QR 입력 노드에서 변압기(241)의 2차 권선의 전압을 모니터링함으로써, 스타트-업 컨트롤러(106b)가 전력 스위치(236)를 구동(게이팅)하는 것을 중단했는지를 결정할 수 있다. 그것이 일단 일어나면, 2차측 컨트롤러(218)는 이어서 저전력 슬립 모드로 진입한다.
저전력 슬립 모드로부터 웨이크하는 방법은 여러 가지가 있다. 그것의 슬립 모드 동안, 스타트-업 컨트롤러(106b)의 정지 전류(IQ)는 매우 작다. 하나의 방법은, 슬립 모드에서, 스타트-업 컨트롤러(106b)의 VDD가 소정의 작은 값의 IQ을 가질 것이고, 이것이 커패시터(250)를 서서히 방전시킬 수 있다는 것일 수 있다. VDD가 17V 일단 아래로 강하하면, UVLO 회로(352b)가 해제되고 그리고 스타트-업 컨트롤러 106b)는 웨이크하여 내부 전류 조정기 및 로직 회로들(136)을 사용하여 전력 스위치(236)를 게이팅하기 시작한다. 이 게이팅은 VDD가 19V를 초과할 때까지 커패시터들(240 및 250)을 리프레시하고 스타트-업 컨트롤러(106b)는 자체의 저전력 슬립 모드로 재진입한다. 다른 방법은, 2차측 컨트롤러(218)가 커패시터(240)의 양단 전압이 특정 임계 값 이하로 강하하였음을 결정했을 수 있다는 것이다. 이것이 일어날 때, 2차측 컨트롤러(218)는 웨이크하여 게이트 펄스를 분리 회로(248)를 통해 스타트-업 컨트롤러(106b)의 펄스 노드(핀)로 송신한다. 스타트-업 컨트롤러(106b)는 이 펄스를 검출하고 웨이크하여 자체의 VDD IQ를 증가시키며, 이것은 커패시터(250)를 방전하기 시작한다. VDD가 17볼트 아래로 강하할 때에는 전력 스위치(236)는 다시 게이팅하기 시작한다. 커패시터들(244, 250)이 일단 전압 리프레시되면, 스타트-업 컨트롤러(106b)의 OVLO 회로(352a)는 스타트-업 컨트롤러(106b)를 저전력 슬립 모드(VIN이 19V를 초과함)로 되돌릴 수 있다. 2차측 컨트롤러(218)가 전력 스위치 게이팅이 중단되었다고 결정하면, 2차측 컨트롤러(218)는 역시 저전력 슬립 모드로 복귀한다. 2차측 컨트롤러(218)가 계속 깨어있기로 결정하면, 분리 회로(248)를 통해 스타트-업 컨트롤러(106b)의 펄스 노드(핀)에 신호를 송신하여 스타트-업 컨트롤러(106b)를 웨이크업한다. OVLO 회로(352a)가 일단 해제되면, 2차측 컨트롤러(218)는 스타트-업 컨트롤러(106b)를 통해 전력 스위치(236)를 게이팅함으로써 전력 변환기 (400)를 능동적으로 조정할 수 있다.

Claims (22)

  1. 전력 변환기에서 저전력 슬립 모드로 진입 및 저전력 슬립 모드로부터 퇴출(exit)하기 위한 방법으로서,
    1차측 스타트-업 컨트롤러, 변압기에 결합되는 전력 스위치, 및 1차측 에너지 저장 커패시터를 포함하는 1차측 에너지 저장 회로를 제공하는 단계;
    2차측 컨트롤러 및 2차측 에너지 저장 커패시터를 포함하는 2차측 에너지 저장 회로를 제공하는 단계;
    상기 변압기를 통해 상기 1차측 에너지 저장 회로와 상기 2차측 에너지 저장 회로를 결합시키는 단계;
    시동 동안에, 상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 동작 전압이 원하는 값에 도달할 때까지 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러로 상기 전력 스위치를 제어하는 단계; 및
    저전력 슬립 모드로 진입하는 단계를 포함하고,
    상기 1차측 회로망 및 상기 2차측 회로망이, 저 IQ 모드에서, 그들의 각각의 에너지 저장 커패시터들에 저장된 에너지로부터 동작하고, 상기 에너지 저장 커패시터들 중 어느 하나의 각각의 전압이 각각의 저전압 제한값들보다 작거나 같을 때에는, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 그 자체를 웨이크할 수 있거나 또는 2차측 컨트롤러가 그 자체 및 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러를 웨이크업할 수 있고, 이로써 상기 1차측 에너지 저장 커패시터 및 상기 2차측 에너지 저장 커패시터는 각각의 전압 둘 다가 그들의 각각의 저전압 제한값들보다 커질 때까지 충전되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 1차측 고전압 제한값보다 크다고 결정한 후에 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러를 상기 저전력 슬립 모드로 진입시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 1차측 고전압 제한값이 초과되었다고 결정한 후에 1차측 고전압 제한 타이머를 개시하고, 상기 1차측 고전압 제한 타이머가 타임 아웃한 후 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 의해 인출되는 전류를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드에 있다고 결정한 후에 상기 2차측 컨트롤러를 상기 저전력 슬립 모드로 진입시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 슬립 모드에 있다고 결정하는 단계는 상기 전력 스위치가 스위칭하지 않는다고 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차측 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드로 들어가기 전에 상기 2차측 컨트롤러로 상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 상승시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 상승시키는 단계는 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 증가시키게 하는, 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 1차측 고전압 제한값보다 크다고 결정한 후에 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러를 상기 저전력 슬립 모드로 진입시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 스위치를 제어하는 단계는,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 제1 DC 전압을 인가하는 단계;
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러로 상기 전력 스위치를 턴온 및 턴 오프하는 단계 - 상기 제1 DC 전압 및 상기 전력 스위치가 상기 변압기의 1차 권선에 결합되고, 이로써 AC 전압이 상기 변압기의 2차 권선에 생성됨 -;
    상기 2차측 컨트롤러 및 부하에 전력을 공급하기 위해 제2 DC 전압을 제공하도록 제2 정류기로 상기 변압기의 상기 2차 권선으로부터의 상기 AC 전압을 정류하는 단계; 및
    상기 제2 DC 전압이 원하는 전압 값에 있을 때 상기 스타트-업 컨트롤러로부터 상기 2차측 컨트롤러로 상기 전력 스위치의 제어를 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 저전력 슬립 모드를 갖는 전력 변환기로서,
    제1 DC 전압에 결합되는 1차측 스타트-업 컨트롤러;
    1차 권선 및 2차 권선을 구비한 변압기 - 상기 변압기의 1차 권선이 상기 제1 DC 전압에 결합됨 -;
    상기 변압기의 상기 1차 권선을 통해 전류를 측정하고 상기 측정된 1차 권선 전류를 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 제공하기 위한 전류 측정 회로;
    상기 변압기의 상기 1차 권선에 결합되고, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 결합되어 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러에 의해 제어되는 전력 스위치;
    제2 DC 전압을 제공하기 위해 상기 변압기의 상기 2차 권선에 결합되는 2차측 정류기; 및
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러 및 상기 2차측 정류기에 결합되는 2차측 컨트롤러를 포함하고,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러 및 상기 2차측 컨트롤러는 저전력 슬립 모드들을 갖는, 전력 변환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 제1 DC 전압을 수신할 때에는 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 전력 스위치를 온 및 오프로 제어하기 시작하고, 이로써 전류가 변압기 1차측을 통해 흐르고,
    AC 전압이 상기 변압기의 2차 권선 양단에 발생하고,
    상기 2차측 정류기의 DC 전압은 상기 2차측 컨트롤러에 전력을 공급하고,
    상기 제2 DC 전압이 원하는 전압 레벨에 도달할 때에는 상기 2차측 컨트롤러가 전력 스위치의 제어를 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러로부터 인수하여 담당하는, 전력 변환기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    1차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 1차측 고전압 제한 값보다 클 때에는, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드로 진입하는, 전력 변환기.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드에 있을 때에는, 상기 2차측 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드로 진입하는, 전력 변환기.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러가 상기 저전력 슬립 모드에 있을 때에는, 상기 전력 스위치가 스위칭하지 않는, 전력 변환기.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차측 컨트롤러는 상기 저전력 슬립 모드로 진입하기 전에 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압을 상승시키는, 전력 변환기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 2차측 에너지 저장 커패시터의 전압이 상승할 때에는 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압도 상승하고, 상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는 상기 1차측 에너지 저장 커패시터의 전압의 이런 상승을 검출하고, 이로써 상기 저전력 슬립 모드로 진입하는, 전력 변환기.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는,
    입력부 및 출력부를 구비한 전압 조정기;
    상기 전압 조정기의 출력부에 결합되는 내부 바이어스 전압 회로들;
    상기 전압 조정기의 상기 출력부에 결합되는 부족전압 및 과전압 록 아웃 회로들;
    펄스 폭 변조 (PWM) 제어 신호들을 생성하기 위한 전류 조정기 및 로직 회로들;
    상기 로직 회로들에 결합되는 고정 오프 시간 회로;
    상기 로직 회로들에 결합되고 외부 전력 스위치를 제어하기 위해 PWM 제어 신호들을 제공하는 전력 드라이버;
    상기 로직 회로들에 결합되고 외부 PWM 제어 신호를 수신하도록 구성된 외부 게이트 명령 검출 회로 - 상기 외부 PWM 제어 신호가 검출될 때, 상기 외부 게이트 명령 검출 회로는 상기 외부 전력 스위치의 제어가 상기 로직 회로들로부터 상기 외부 PWM 제어 신호로 변경되게 함 -; 및
    상기 내부 전류 조정기에 결합되는 출력부들 및 전류 검출 입력부에 결합되는 입력부들을 구비한 제1 전압 비교기 및 제2 전압 비교기를 포함하는, 전력 변환기.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 검출 입력부와, 상기 제1 전압 비교기 및 상기 제2 전압 비교기의 상기 입력부들 사이에 결합되는 블랭킹 회로를 더 포함하는 전력 변환기.
  19. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 오프 시간 회로 구간은 커패시터의 커패시턴스 값에 의해 결정되는, 전력 변환기.
  20. 제10항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는 개루프 전류 조정기 및 전력 스위치 드라이버를 포함하는, 전력 변환기.
  21. 제10항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차측 스타트-업 컨트롤러는 저가의 간단한 아날로그 디바이스인, 전력 변환기.
  22. 제10항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차측 컨트롤러는 마이크로컨트롤러, 아날로그 컨트롤러, 및 아날로그 및 디지털 겸용 컨트롤러로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 전력 변환기.
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