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KR100685104B1 - 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이 - Google Patents

정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이 Download PDF

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KR100685104B1
KR100685104B1 KR1020050066355A KR20050066355A KR100685104B1 KR 100685104 B1 KR100685104 B1 KR 100685104B1 KR 1020050066355 A KR1020050066355 A KR 1020050066355A KR 20050066355 A KR20050066355 A KR 20050066355A KR 100685104 B1 KR100685104 B1 KR 100685104B1
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KR
South Korea
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power supply
voltage
output
constant current
flip
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김태진
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주식회사 케이이씨
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Abstract

본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 출력측에 출력 전압을 감지하고 피드백하는 복잡한 회로의 채택없이 입력측에 간단한 회로를 부가하여 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 입력측에 주권선 및 보조 권선이 권취되고, 출력측에 출력 권선이 권취된 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 입력측 주권선에 연결된 동시에, 소정 주파수로 온/오프되어 출력측의 출력 권선에 소정 전압 및 전류를 트랜스포밍하는 스위칭 소자와, 상기 트랜스포머의 입력측 보조 권선에 연결되어 소정 전원을 출력하는 전원부와, 상기 전원부로부터 전원을 인가받아 상기 전원에 비례하여 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 증감시키는 제어부를 포함하여 이루어진 스위칭 모드 파워 서플라이가 개시된다.
SMPS, 스위칭 주파수, 보조 권선, 전원부, 비교기

Description

정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이{Switching Mode Power Supply}
도 1은 종래 스위칭 모드 파워 서플라이의 일례를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2는 종래 스위칭 모드 파워 서플라이에서 동작 파형을 도시한 파형도이다.
도 3a는 통상적인 배터리의 충전시 정전류-정전압 출력 특성을 도시한 그래프이고, 도 3b는 도 3a에서 Y축의 전류를 파워로 하여 다시 그린 그래프이며, 도 3c는 도 3b에서 Y축의 파워를 주파수로 하여 다시 그린 그래프이며, 도 3d는 정파워-정전압 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이의 일례를 도시한 회로도이다.
도 6은 도 5a 또는 도 5b의 회로중 톱니파 발진부를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 7은 도 5a 또는 도 5b의 톱니파 발진부에서 방전 정전류원의 동작에 따라 방전시간이 달라지는 상태를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이에서 전압 대비 스위칭 주파수 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이에 의한 출력 특성을 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100; 본 발명에 의한 스위칭 모드 파워 서플라이
110; 트랜스포머 120; 스위칭 소자
130; 전원부 1400; 제어부
150; 스위칭 소자 160; 전류 센서
본 발명은 스위칭 모드 파워 서플라이에 관한 것으로서, 보다 상세히는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래 스위칭 모드 파워 서플라이의 일례가 개략적인 회로도로서 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 종래 스위칭 모드 파워 서플라이는 교류 전원을 직류로 정류하는 정류부(1)와, 상기 정류부(1)로부터의 전원 및 스위칭 동작에 의해 입력측에서 출력측으로 전압을 유도하는 트랜스포머(2)와, 상기 트랜스포머(2)의 입력측 에 연결된 동시에 온/오프 동작을 소정 주기로 반복하여 출력측으로 전압이 유도되도록 하는 스위칭 소자(3)와, 상기 스위칭 소자(3)의 온/오프 펄스폭을 제어하는 제어부(4)로 이루어져 있다. 이러한 구성의 스위칭 모드 파워 서플라이를 플라이 백 컨버터(fly-back converter)라고도 한다. 여기서, 상기 정류부(1)는 통상의 배터리일 수도 있다.
이러한 스위칭 모드 파워 서플라이의 동작 모드에는 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode: CCM)와, 불연속 도통 모드(Discontinuous Conduction Mode: DCM)가 있다. 입력 전압의 범위가 넓은 경우에 대응하기 쉽고, 출력측의 다이오드가 고성능일 필요가 없기 때문에 통상은 불연속 도통 모드가 많이 이용되고 있다.
도 2를 참조하면, 종래 스위칭 모드 파워 서플라이에서 동작 파형이 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 불연속 도통 모드일 경우 스위칭 소자가 온되어 있는 동안 에너지가 트랜스포머의 입력측(자화 인덕턴스)에 쌓이게 되고, 스위칭 소자가 오프되어 있는 동안 그 에너지가 전부 출력측으로 넘어가거나 손실되어 입력측(자화 인덕턴스)의 에너지가 0으로 된다. 이 경우 출력측으로 넘겨지는 파워 P0는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112005039687473-pat00001
여기서, P0은 출력 파워, Lm은 트랜스포머 입력측 자화 인덕턴스, Ipk는 피크 전류, f는 스위칭 주파수, η는 효율이다.
따라서, 종래 스위칭 모드 파워 서플라이에서는 출력 파워 P0가 주파수 f에 비례함을 알 수 있다.
한편, 충전기의 경우 최대 출력 전류가 제한되는 것이 필요하다. 배터리(2차 전지)가 방전이 많이 되어 전압이 낮을 때에는 제한된 최대 전류로 충전하다가 목표 전압에 도달하면 그 전압을 유지하며 충전한다. 이후 충전 전류를 점차 감소하여 거의 0으로 되어가며 만충전이 된다. 이와 같은 출력 특성을 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage)라고 한다.
도 3a에 이러한 CC-CV 출력 특성이 도시되어 있으며, 전압이 너무 낮을 때에는 스위칭 모드 파워 서플라이가 정상적으로 동작하기 어려우며 배터리가 정상이 아닌 과방전 상태일 수도 있으므로 셧다운(shut down)되도록 하는 경우도 많다. 도 3a에서 Y축의 전류를 파워로 하여 다시 그리면 도 3b와 같다. 여기서, 상기 수학식 1에서와 같이 출력 파워 P0는 주파수 f에 비례하므로 상기 도 3b에서 Y축을 주파수로 하여 다시 그리면 도 3c와 같다. 도 3b와 도 3c를 비교하여 보면 Y축의 라벨만 달라짐을 알 수 있다.
따라서, 이러한 특성을 이용하여 스위칭 모드 파워 서플라이의 출력 전압에 비례하여 주파수를 변화시켜주며 출력 전류 Ipk의 최대치를 일정하게 제한하면 최대 출력 전류를 일정하게 제어할 수 있다. 참고로 스위칭 주파수를 일정하게 하고 출 력 전류의 최대치만 제한한다면 도 3d와 같이 정파워-정전압(CP-CV) 출력 특성을 얻게 된다. 이 경우 배터리의 전압이 낮을 때 상당히 큰 전류가 흐를 수 있어 위험하다.
더불어, 도 3c에 도시된 바와 같이, 출력 전압에 비례하여 스위칭 주파수 f를 변화시키고 출력 전류의 최대치를 제한하면 CC-CV 출력 특성을 얻을 수 있게 된다.
그런데, 일반적인 저가형 충전기 또는 어댑터의 경우 스위칭 모드 파워 서플라이의 입력측과 출력측은 안전을 위하여 절연되어 있다. 따라서, 출력측의 전압을 제어부가 있는 입력측으로 전달하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 출력측의 출력 전압에 비례하여 스위칭 주파수 f를 변화시키지 못하고 있으며, 결국 종래의 저가형 스위칭 모드 파워 서플라이에서는 CC-CV 특성을 얻기 어려운 문제가 있다. 물론, 출력측의 출력 전압을 피드백하는 회로를 더 설치하고, 이 회로에 의해 제어부가 스위칭 주파수를 결정하도록 하는 것도 생각해 볼 수 있다. 그러나, 이 경우 출력측의 출력 전압을 감지하고 제어부로 피드백하는 회로를 더 형성하여야 함으로써 스위칭 모드 파워 서플라이의 가격이 고가로 되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 출력측에 출력 전압을 감지하고 피드백하는 회로의 채택없이 입력측에 간단한 회로를 부가하여 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이는 입력측에 주권선 및 보조 권선이 권취되고, 출력측에 출력 권선이 권취된 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 입력측 주권선에 연결된 동시에, 소정 주파수로 온/오프되어 출력측의 출력 권선에 소정 전압 및 전류를 트랜스포밍하는 스위칭 소자와, 상기 트랜스포머의 입력측 보조 권선에 연결되어 소정 전원을 출력하는 전원부와, 상기 전원부로부터 전원을 인가받아 상기 전원에 비례하여 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 증감시키는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 전원부는 보조 권선의 일단에 애노드가 연결되어 전압을 정류하는 다이오드와, 상기 다이오드의 캐소드에 연결되어 전압을 평활시킨 후 제어부에 인가하는 캐패시터를 포함한다.
또한, 상기 전원부에 의해 제어부에 인가되는 전압은 상기 출력측 출력 권선에 의한 출력 전압과 소정 오차 범위내에서 비례한다.
또한, 상기 제어부는 상기 전원부의 전압을 기준 전압과 비교하여, 상기 전원부의 전압이 기준 전압보다 크면 인에이블 신호를 출력하는 제1제어부와, 상기 제1제어부의 인에이블 신호에 따라 소정 주기를 갖는 톱니파의 방전 시간을 조절하는 톱니파 발진부가 구비되고, 상기 톱니파 발진부의 출력 파형에 의해 상기 스위칭 소자의 온/오프 주기를 구형파로 조절하는 구형파 발진부가 구비된 제2제어부로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1제어부는 상기 전원부의 전압을 적어도 하나 이상의 기준 전 압과 비교하여, 상기 전원부의 전압이 상기 기준 전압보다 클 경우 상태 반전 신호를 출력하는 적어도 하나 이상의 비교기와, 상기 각 비교기의 상태 반전 신호로 세트되어 인에이블 신호를 상기 제2제어부의 톱니파 발진부로 출력하는 적어도 하나 이상의 RS 플립플롭으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기준 전압은 다수가 구비되어 있으며, 각각의 기준 전압은 서로 다르게 설정될 수 있다.
또한, 상기 각각의 RS 플립플롭은 구형파 발진부의 파형에 의해 리셋될 수 있다.
또한, 상기 제2제어부의 톱니파 발진부는 충전 정전류원과, 상기 충전 정전류원에 직렬로 연결되어 충방전됨으로써, 톱니파를 발생하는 캐패시터와, 상기 캐패시터에 적어도 하나 이상이 병렬로 연결되어 방전 시간을 조절하는 적어도 하나 이상의 방전 정전류원을 포함할 수 있다.
또한, 상기 각각의 방전 정전류원은 방전 정전류가 서로 다르게 설정될 수 있다.
또한, 상기 각각의 방전 정전류원은 상기 제1제어부중 선택된 RS 플립플롭에 의해 인에이블 또는 디스에이블됨으로써, 상기 톱니파 발진부의 방전 시간이 달라질 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자에는 상기 스위칭 소자를 통해 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 출력하는 전류 센서가 더 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2제어부는 상기 전류 센서로부터 입력되는 전압 및 미리 설정 된 보정 전압을 입력받는 주비교기와, 상기 주비교기의 출력 신호에 의해 리셋되고, 상기 구형파 발진부에 의해 셋트되는 주RS 플립플롭과, 상기 구형파 발진부와 주RS 플립플롭의 출력 신호에 의해 상기 스위칭 소자를 온/오프시키는 엔드 게이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2제어부는 상기 전류 센서로부터 입력되는 전압 및 미리 설정된 보정 전압을 입력받는 주비교기와, 상기 주비교기의 출력 신호에 의해 리셋되고, 상기 구형파 발진부에 의해 셋트되는 주RS 플립플롭과, 상기 구형파 발진부와 주RS 플립플롭의 출력 신호에 의해 상기 스위칭 소자를 온/오프시키는 노어 게이트를 포함할 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이는 출력측 전압에 비례하도록 입력측에 전원부를 설치하고, 상기 전원부의 전압에 따라 스위칭 주파수를 증감시킴으로써, 출력 전류를 제한하여 정전류 특성을 얻을 수 있게 된다. 물론, 입력측 보조 권선과 출력측 출력 권선 사이에는 소정 오차 범위가 있기 때문에, 전류 또는 전압에서 약간의 오차가 있기는 하지만 CC-CV 특성을 얻을 수 있다. 더불어, 본 발명은 입력측의 보조 권선과 출력측의 출력 권선 사이에 크로스 레귤레이션(cross regulation) 성능이 향상된다면 더욱 정확한 CC-CV 특성을 얻을 수 있게 된다. 여기서, 상기 크로스 레귤레이션이란 출력측의 출력 전압을 일정하게 제어함에 따라 입력측 보조 권선에 의한 전원부의 전압도 일정하게 제어되는 경우를 말한다. 그러나 상기 입력측 및 출력측의 권선에서 발생하는 누설 인덕턴스로 인해 크로스 레귤레이션 성능은 약간씩 떨어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이(100)는 입력측에 주권선(111) 및 보조 권선(112)이 권취되고, 출력측에 출력 권선(113)이 권취된 트랜스포머(110)와, 상기 트랜스포머(110)의 입력측 주권선(111)에 연결된 동시에, 소정 주파수 또는 주기로 온/오프되어 출력측의 출력 권선(113)에 소정 전압 및 전류를 트랜스포밍하는 스위칭 소자(120)와, 상기 트랜스포머(110)의 입력측 보조 권선(112)에 연결되어 상기 출력측 출력 권선(113)에 비례하여 소정 전원을 출력하는 전원부(130)와, 상기 전원부(130)로부터 전원을 인가받아 상기 전원에 비례하여 스위칭 소자(120)의 스위칭 주파수를 증감시키는 제어부(1400)와, 상기 스위칭 소자(120)의 전류를 감지하고 이를 전압으로 변환하여 상기 제어부에 출력하는 전류 센서(150)를 포함한다.
여기서, 상기 스위칭 소자(120)는 통상의 P채널형 전계효과 트랜지스터, N 채널형 전계효과 트랜지스터 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나가 가능하지만 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 전원부(130)에 의해 제어부(1400)에 인가되는 전압은 상술한 바 와 같이 상기 출력측의 출력 권선(113)에 의한 출력 전압과 소정 오차 범위내에서 비례한다고 가정한다. 물론, 이를 위해 상기 입력측에 권취된 보조 권선(112)과 출력측에 권취된 출력 권선(113)은 동일한 철편에 권취되어 있어야 함은 당연하다.
또한, 상기 전원부(130)는 보조 권선(112)의 일단에 애노드가 연결되어 전압을 정류하는 다이오드(131)와, 상기 다이오드(131)의 캐소드에 연결되어 전압을 평활시킨 후 제어부(1400)에 인가하는 캐패시터(132)를 포함한다. 그러나 본 발명에서 상기 전원부(130)의 구성을 이러한 회로로 한정하는 것은 아니며, 도면에 도시된 회로는 일례일 뿐이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이의 일례를 도시한 회로도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 스위칭 모드 파워 서플라이중 제어부(1400)는 크게 상기 전원부(130)의 전압을 기준 전압과 비교하여, 상기 전원부(130)의 전압이 기준 전압보다 크면 인에이블 신호를 출력하는 제1제어부(1410)와, 상기 제1제어부(1410)의 인에이블 신호에 따라 소정 주기를 갖는 톱니파의 방전 시간을 조절하는 톱니파 발진부(1421)가 구비되고, 상기 톱니파 발진부(1421)의 출력 파형에 의해 상기 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수 또는 주기를 구형파로 조절하여 출력하는 구형파 발진부(1422)가 구비된 제2제어부(1420)를 포함한다.
이하의 설명에서, 상기 제어부(1400)의 구성중 제1제어부(1410) 또는/및 제2제어부(1420)의 회로 구성은 하나의 예일 뿐이며 이러한 회로로 본 발명을 한정하 는 것은 아님을 유의하여야 한다.
계속해서 설명하면, 상기 제1제어부(1410)는 상기 전원부(130)로부터의 전압을 적어도 하나 이상의 기준 전압과 비교하여 상기 기준 전압보다 클 경우 상태 반전 신호를 출력하는 적어도 하나의 비교기와, 상기 각 비교기의 상태 반전 신호로 세트되어 인에이블 신호를 상기 제2제어부(1420)의 톱니파 발진부(1421)로 출력하는 적어도 하나 이상의 RS 플립플롭을 포함한다. 즉, 상기 비교기는 제1비교기(1411), 제2비교기(1412), 제3비교기(1413), 제4비교기(1414)로 이루어질 수 있으나, 이러한 비교기의 개수로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제1비교기(1411)에는 제1기준 전압(Ip1)이, 제2비교기(1412)에는 제2기준 전압(Ip2)이, 제3비교기(1413)에는 제3기준 전압(Ip3)이, 제4비교기(1414)에는 제4기준 전압(Ip4)이 입력된다. 또한, 상기 기준 전압은 제1기준 전압(Ip1)<제2기준 전압(Ip2)<제3기준 전압(Ip3)<제4기준 전압(Ip4)으로 설정될 수 있으나, 그 반대로 설정될 수도 있다. 이에 따라, 상기 RS 플립플롭 역시 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭(1416), 제3RS 플립플롭(1417), 제4RS 플립플롭(1418)으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 하여, 상기 전원부(130)에 의한 전압이 제1기준 전압(Ip1)보다 크면 제1비교기(1411)에 의해 제1RS 플립플롭(1415)이 셋트되어 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)로 출력하고, 상기 전원부(130)로부터 얻어진 전압이 제2기준 전압(Ip2)보다 크면 제2비교기(1412)에 의해 제2RS 플립플롭(1416)이 셋트되어 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)로 출력하며, 상기 전원부(130)로부터 얻어진 전압이 제3기준 전압 (Ip3)보다 크면 제3비교기(1413)에 의해 제3RS 플립플롭(1417)이 셋트되어 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)로 출력하고, 상기 전원부(130)로부터 얻어진 전압이 제4기준 전압(Ip4)보다 크면 제4비교기(1414)에 의해 제4RS 플립플롭(1418)이 셋트되어 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)로 출력하게 된다. 좀더 구체적으로, 상기 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭(1416), 제3RS 플립플롭(1417), 제4RS 플립플롭(1418)의 인에이블 신호는 제2제어부(1420)의 톱니파 발진부(1421)로 출력된다.
한편, 상기 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭(1416), 제3RS 플립플롭(1417), 제4RS 플립플롭(1418)은 제2제어부(1420)의 구형파 발진부(1422)에 의해 리셋되도록 되도록 되어 있다. 즉, 상기 구형파 발진부(1422)에 의해 소정 신호(예를 들면 로우 신호)가 리셋 단자로 입력되면, 각 RS 플립플롭은 소정 신호(예를 들면 로우 신호 또는 디스에이블 신호)를 제2제어부(1420)의 톱니파 발진부(1421)에 출력하여 그 톱니파의 방전 시간이 미리 설정된 값으로 복귀되도록 한다.
계속해서, 상기 제2제어부(1420)는, 상기 각 RS 플립플롭으로부터 소정 신호를 입력받는 톱니파 발진부(1421), 상기 톱니파 발진부(1421)에 의해 구형파를 출력하는 구형파 발진부(1422), 상기 스위칭 소자(120)의 전류를 감지하는 전류 센서(150)로부터의 스위칭 소자(120)의 전압 및 미리 설정된 보정 전압(Vc)을 입력받는 주비교기(1423), 상기 주비교기(1423)에 의해 리셋되고, 상기 구형파 발진부(1422)에 의해 셋트되는 주RS 플립플롭(1424), 상기 구형파 발진부(1422) 및 주RS 플립플롭(1424)으로부터 소정 신호를 입력받는 엔드 게이트(1425)를 포함한다. 물론, 상 기 엔드 게이트(1425)에 의해 상기 스위칭 소자(120)가 소정 주파수로 온/오프된다.
이와 같이 하여, 상기 제2제어부(1420)는 상기 제1제어부(1410)의 각 RS 플립플롭으로부터 입력된 인에이블 신호에 따라 톱니파 발진부(1421)가 서로 다른(예를 들면 방전 시간이 길어진) 주파수 또는 주기의 톱니파를 출력하게 된다. 따라서, 이것에 연결된 구형파 발진부(1422)의 주파수 또는 주기도 변경됨으로써(낮아짐으로써), 결국 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수도 낮아진다.
또한, 상기 제2제어부(1420)중 주비교기(1423)는 전류 센서(150)로부터 감지된 전압(전류)이 미리 설정된 보정 전압(Vc)보다 크면, 상기 주RS 플립플롭(1424)이 리셋되도록 한다. 그러면, 상기 주 RS 플립플롭은 소정 신호(예를 들면 로우 신호)를 엔드 게이트(1425)에 출력함으로써, 스위칭 소자(120)가 오프되도록 한다. 또한, 상기 주RS 플립플롭(1424)은 구형파 발진부(1422)로부터 입력되는 소정 신호(예를 들면 하이 신호)에 의해 셋트됨으로써, 상기 엔드 게이트(1425)에 의해 스위칭 소자(120)가 다시 온되도록 한다.
여기서, 도 5b에 도시된 바와 같이 Q 단자를 갖는 주 RS플립플롭(1424)은
Figure 112005039687473-pat00002
단자를 갖는 주RS 플립플롭(1424')으로 대체될 수 있고, 또한 이에 따라 엔드 게이트(1425)은 노어 게이트(1425')로 대체될 수 있다. 물론, 이러한 구성을 한다고 해도 동작은 위에서 설명한 바와 같으므로 이것의 동작 설명은 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 도 5a 또는 도 5b의 회로중 톱니파 발진부가 개략적으로 도시되어 있다. 여기서도, 상기 톱니파 발진부의 회로 구성은 일례일 뿐이며 이러한 회로 구성으로 본 발명을 한정하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
도시된 바와 같이 상술한 구성 요소중 제1제어부(1410)의 톱니파 발진부(1421)는 하나의 충전 정전류원(1421a)과, 상기 충전 정전류원(1421a)에 직렬로 연결되어 충방전됨으로써, 소정 주기의 톱니파를 발생하는 캐패시터(1421b)와, 상기 캐패시터(1421b)에 적어도 하나 이상이 병렬로 연결되어 방전 시간을 조절하는 적어도 하나 이상의 방전 정전류원으로 이루어져 있다. 여기서, 상기 방전 정전류원은 예를 들면 제1방전 정전류원(1421c), 제2방전 정전류원(1421d), 제3방전 정전류원(1421e), 제4방전 정전류원(1421f)으로 이루어질 수 있으나, 이러한 개수로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 각 방전 정전류원의 개수는 제1제어부(1410)에 구비된 비교기의 개수와 대응되도록 형성된다. 한편, 상기 각 방전 정전류원은 서로 다른 값으로 방전되도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1방전 정전류원(1421c)은 Id1의 전류를 소비하고, 제2방전 정전류원(1421d)은 Id2의 전류를 소비하며, 제3방전 정전류원(1421e)은 Id3의 전류를 소비하고, 제4방전 정전류원(1421f)은 Id4의 전류를 소비한다.
도 7은 도 5a 또는 도 5b의 톱니파 발진부에서 방전 정전류원의 동작에 따라 방전시간이 달라지는 상태를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이 본 발명은 상기 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭 (1416), 제3RS 플립플롭(1417), 제4RS 플립플롭(1418)으로부터 인에이블 신호가 입력되면 제1방전 정전류원(1421c), 제2방전 정전류원(1421d), 제3방전 정전류원(1421e), 제4방전 정전류원(1421f)이 모두 동작된다. 따라서, 이 상태에서는 캐패시터(1421b)의 방전 시간이 가장 짧고, 따라서 톱니파의 방전 시간도 가장 짧게 된다. 물론, 이때 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수는 가장 높게 된다.
이어서, 상기 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭(1416), 제3RS 플립플롭(1417)으로부터 인에이블 신호가 입력되면 제1방전 정전류원(1421c), 제2방전 정전류원(1421d), 제3방전 정전류원(1421e)이 동작된다. 따라서, 이 상태에서는 두번째로 캐패시터(1421b)의 방전 시간이 길고, 따라서 톱니파의 방전 시간도 두번째로 길어지게 된다. 물론, 이때 스위칭 소자(120)의 주파수는 약간 작아지게 된다.
이어서, 상기 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭(1416)으로부터 인에이블 신호가 입력되면 제1방전 정전류원(1421c), 제2방전 정전류원(1421d)이 동작된다. 따라서, 이 상태에서는 세번째로 캐패시터(1421b)의 방전 시간이 길어지고, 따라서 톱니파의 방전 시간도 세번째로 길게 된다. 물론, 이때 스위칭 소자(120)의 주파수는 더 작아지게 된다.
마지막으로, 상기 제1RS 플립플롭(1415)으로부터 인에이블 신호가 입력되면 제1방전 정전류원(1421c)만 동작된다. 따라서, 이 상태에서는 네번째로 캐패시터(1421b)의 방전 시간이 길어진다. 따라서 톱니파의 방전 시간도 네번째로 길어지게 된다. 물론, 이때 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수는 더욱 작아지게 된다.
이와 같이 하여 본 발명은 출력측의 출력 권선(113)에 의한 출력 전압과 비 례관계가 있는 입력측의 보조 권선(112)에 의한 전원부(130)의 전압이 작아질 경우 점차 톱니파 발진부(1421)의 캐패시터(1421b)를 방전시키는 시간이 길어지게 되고, 따라서 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수 및 전류(Ipk)가 작아지게 된다. 달리 말하면, 출력측의 출력 전압을 감지하기 위해 출력측에 출력 전압 감지 회로 등을 설치하지 않아도, 간단한 방법으로 출력측의 출력 전압이 작아질 경우 스위칭 소자의 온/오프 주파수를 낮춰서 출력 전압 및 출력 전류를 낮출 수 있게 된다.
상기와 같은 구성에 의해서 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이는 다음과 같이 작동된다. 여기서, 트랜스포머 및 스위칭 소자의 동작은 위에서 구성과 함께 설명했으므로 이에 대한 설명은 생략하고, 주로 전원부(130)와 제어부(1400) 사이의 동작 관계를 설명하기로 한다.
먼저 상술한 바와 같이 전원부(130)는 입력측의 보조 권선(112)에 의해 전원을 생성하므로, 출력측의 출력 권선(113)에 의한 출력 전압에 비례하여 소정 전원을 제어부(1400)에 출력한다. 그러면, 상기 제어부(1400)는 도 8에 도시된 바와 같이 전원부(130)의 전압 V에 비례하는 스위칭 주파수 f로 스위칭 소자(120)를 제어하게 되는 것이다. 이를 좀더 자세히 설명한다.
먼저 제1제어부(1410)의 동작을 설명한다.
트랜스포머(110)의 입력측에 권취된 보조 권선(112)에 의한 전원부(130)의 전압은 각 비교기중 비반전 단자에 입력된다. 즉, 제1기준 전압(Ip1)이 반전 단자에 입력되는 제1비교기(1411)의 비반전 단자, 제2기준 전압(Ip2)이 반전 단자에 입 력되는 제2비교기(1412)의 비반전 단자, 제3기준 전압(Ip3)이 반전 단자에 입력되는 제3비교기(1413)의 비반전 단자, 제4기준 전압(Ip4)이 반전 단자에 입력되는 제4비교기(1414)의 비반전 단자에 각각 전원부(130)의 전압이 입력된다. 여기서, 상기 전원부(130)의 전압은 상술한 바와 같이 트랜스포머(110)의 출력측에 권취된 출력 권선(113)에 의한 출력 전압과 비례한다고 가정한다.
이때, 상기 전원부(130)의 전압이 제1기준 전압(Ip1) 이상일 경우 상기 제1비교기(1411)는 소정 신호(예를 들면, 하이 신호)를 제1RS 플립플롭(1415)의 S단자에 입력하여, 제1RS 플립플롭(1415)이 셋트되도록 한다. 이와 같이 하여 상기 제1RS 플립플롭(1415)은 Q 단자를 통하여 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)의 톱니파 발진부(1421)에 출력한다.
또한, 상기 전원부(130)로부터의 전압이 제2기준 전압(Ip2) 이상일 경우 상기 제2비교기(1412)는 소정 신호(예를 들면, 하이 신호)를 제2RS 플립플롭(1416)의 S단자에 입력하여 , 제2RS 플립플롭(1416)이 셋트되도록 한다. 이와 같이 하여 상기 제2RS 플립플롭(1416)은 Q 단자를 통하여 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)의 톱니파 발진부(1421)에 출력한다.
또한, 상기 전원부(130)로부터의 전압이 제3기준 전압(Ip3) 이상일 경우 상기 제3비교기(1413)는 소정 신호(예를 들면, 하이 신호)를 제3RS 플립플롭(1417)의 S단자에 입력하여 , 제3RS 플립플롭(1417)이 셋트되도록 한다. 이와 같이 하여 상기 제3RS 플립플롭(1417)은 Q 단자를 통하여 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)의 톱니파 발진부(1421)에 출력한다.
또한, 상기 전원부(130)로부터의 전압이 제4기준 전압(Ip4) 이상일 경우 상기 제4비교기(1414)는 소정 신호(예를 들면, 하이 신호)를 제4RS 플립플롭(1418)의 S단자에 입력하여 , 제4RS 플립플롭(1418)이 셋트되도록 한다. 이와 같이 하여 상기 제4RS 플립플롭(1418)은 Q 단자를 통하여 소정 신호(예를 들면 하이 신호 또는 인에이블 신호)를 제2제어부(1420)의 톱니파 발진부(1421)에 출력한다.
이어서 제2제어부(1420)의 동작을 설명한다.
상기 제2제어부(1420)중 톱니파 발진부(1421)는 상기 제1RS 플립플롭(1415),제2RS 플립플롭(1416), 제3RS 플립플롭(1417), 제4RS 플립플롭(1418)으로부터 인에이블 신호(또는 하이 신호)가 입력되면 캐패시터(1421b)의 방전시 제1방전 정전류원(1421c), 제2방전 정전류원(1421d), 제3방전 정전류원(1421e), 제3방전 정전류원(1421e)이 모두 동작되도록 하여, 방전 시간이 상대적으로 가장 짧도록 한다. 따라서, 이때에는 구형파 발진부(1422)의 주파수 또는 주기도 가장 짧고 이에 따라 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수는 가장 크게 된다.
이어서, 상기 제2제어부(1420)중 톱니파 발진부(1421)는 상기 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭(1416), 제3RS 플립플롭(1417)으로부터 인에이블 신호가 입력되면 캐패시터(1421b)의 방전시 제1방전 정전류원(1421c), 제2방전 정전류원(1421d), 제3방전 정전류원(1421e)이 동작되도록 하여, 방전 시간이 두번째로 길도록 한다. 따라서, 이때에는 구형파 발진부(1422)의 주파수 또는 주기도 두번째로 길어지게 되고 이에 따라 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수는 상대적으로 작아진다.
이어서, 상기 제2제어부(1420)중 톱니파 발진부(1421)는 상기 제1RS 플립플롭(1415), 제2RS 플립플롭(1416)으로부터 인에이블 신호가 입력되면 캐패시터(1421b)의 방전시 제1방전 정전류원(1421c), 제2방전 정전류원(1421d)이 동작되도록 하여, 방전 시간이 세번째로 길어지도록 한다. 따라서, 이때에는 구형파 발진부(1422)의 주파수 또는 주기도 세번째로 길어지고 이에 따라 스위칭 소자(120)의 동작 주파수는 더욱 작아진다.
이어서, 상기 제2제어부(1420)중 톱니파 발진부(1421)는 상기 제1RS 플립플롭(1415)으로부터 인에이블 신호가 입력되면 방전시 제1방전 정전류원(1421c)이 동작되도록 하여, 캐패시터(1421b)의 방전 시간이 네번째로 길도록 한다. 따라서, 이때에는 구형파 발진부(1422)의 주기도 네번째로 길어지고 이에 따라 스위칭 소자(120)의 동작 주파수는 가장 작아진다.
즉, 인에이블 신호를 출력하는 RS 플립 플롭이 많을 수록, 많은 방전 정전류원이 동작하므로, 캐패시터의 방전 시간이 짧아져 스위칭 주파수가 높아진다. 또한, 전원부로부터의 전압이 작을수록, RS 플립 플롭을 셋트시키는 비교기의 갯수가 작아지기 때문에, 적은 방전 정전류원이 동작하므로, 캐패시터의 방전 시간이 길어져서 결과적으로 스위칭 주파수가 작아진다. 종합하면, 상기 제2제어부(1420)는 전원부(120)의 전압이 상대적으로 가장 클 때 가장 큰 스위칭 주파수를 출력하게 되고, 전원부(120)의 전압이 상대적으로 가장 작을 때 가장 작은 스위칭 주파수를 출력하게 됨으로써, 도 8에 도시된 전압 대비 주파수 특성을 만족하게 된다.
한편, 상기 제2제어부(1420)는 전류 센서(150)로부터 감지된 전류 즉, 전압 이 미리 설정된 보정 전압(Vc)보다 크면 주비교기(1423)가 상태 반전 신호를 출력하여 주RS 플립플롭(1424)이 리셋되도록 한다. 그러면, 상기 주RS 플립플롭(1424)은 소정 신호(예를 들면, 로우 신호)를 출력하여, 구형파 발진부(1422)로터 하이 신호가 출력되는 상태라 하더라도 엔드 게이트(125)에 의해 스위칭 소자(120)가 오프되도록 한다. 달리 말하면 구형파 발진부(1422)로부터 출력되는 주파수의 폭을 감소시켜 스위칭 소자(120)를 통해 흐르는 전류가 피크 전류 이상 흐르지 않도록 한다.
한편, 상기 구형파 발진부(1422)로부터 다시 하이 신호가 상기 주RS 플립플롭(1424)에 S 단자에 입력되면, 상기 주RS 플립플롭(1424)은 다시 셋트되어 소정 신호(예를 들면 하이 신호)를 엔드 게이트(1425)에 출력한다. 그러면, 상기 엔드 게이트(1425)는 다시 구형파에서 출력되는 소정 주기만큼 스위칭 소자(120)를 온시키게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이에서 전압 대비 스위칭 주파수 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 제어부(1400)는 전원부(130)의 전압에 따라 스위칭 소자(120)의 온/오프 주파수를 변화시킨다. 상기 제어부(1400)는 정해진 전압으로 출력이 나가도록 제어되므로 부하의 저항이 너무 작지 않은 경우에는 CV 특성이 얻어지며 제어부(1400)의 동작 전압도 도 8의 VOBJ에 가까워진다. 그러나, 부하의 저항이 너무 작은 경우에는 최대 출력 전류 Ipk의 제한 때문에 출력 전압이 작아지고 제어부(1400)의 동작 전압 또한 작아진다. 이때 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 제어부(1400)가 동작하여 출력 전류를 제한함으로써 CC 특성을 얻게 된다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이에 의한 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이 본 발명은 전류 또는 전압에 있어서 출력측의 출력 권선과 전원부 사이에 약간의 오차가 있기 때문에 전류 및 전압 출력 특성에 있어서 약간의 오차가 발생할 수 있다. 그러나, 실제 충전기에서 완벽한 특성을 요구하지는 않으므로 본 발명의 가치는 충분히 있다 할 것이다. 물론 본 발명은 크로스 레귤레이션 성능을 향상시킨다면 보다 정교한 CC-CV 특성을 얻을 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이는 출력측 전압에 비례하는 전원부의 전압에 따라 스위칭 주파수를 증감시킴으로써, 출력 전류를 제한하여 정전류 특성을 얻게 된다. 물론, 입력측 보조 권선과 출력측 출력 권선 사이에는 소정 오차 범위가 있기 때문에, 전류 또는 전압에서 약간의 오차가 있기는 하지만 CC-CV 특성을 얻을 수 있다. 더불어, 본 발명은 입력측의 보조 권선과 출력측의 출력 권선 사이에 크로스 레귤레이션(cross regulation) 성능이 향상된다면 더욱 정확한 CC-CV 특성을 얻을 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 입력측에 주권선 및 보조 권선이 권취되고, 출력측에 출력 권선이 권취된 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 입력측 주권선에 연결된 동시에, 소정 주파수로 온/오프되어 출력측의 출력 권선에 소정 전압 및 전류를 트랜스포밍하는 스위칭 소자;
    상기 트랜스포머의 입력측 보조 권선에 연결되어 소정 전원을 출력하는 전원부; 및,
    상기 전원부로부터 전원을 인가받아 상기 전원에 비례하여 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 증감시키는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전원부는
    보조 권선의 일단에 애노드가 연결되어 전압을 정류하는 다이오드; 및,
    상기 다이오드의 캐소드에 연결되어 전압을 평활시킨 후 제어부에 인가하는 캐패시터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전원부에 의해 제어부에 인가되는 전압은 상기 출력측 출력 권선에 의한 출력 전압과 소정 오차 범위내에서 비례함을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 전원부의 전압을 기준 전압과 비교하여, 상기 전원부의 전압이 기준 전압보다 크면 인에이블 신호를 출력하는 제1제어부; 및,
    상기 제1제어부의 인에이블 신호에 따라 소정 주기를 갖는 톱니파의 방전 시간을 조절하는 톱니파 발진부가 구비되고, 상기 톱니파 발진부의 출력 파형에 의해 상기 스위칭 소자의 온/오프 주기를 구형파로 조절하는 구형파 발진부가 구비된 제2제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1제어부는 상기 전원부의 전압을 기준 전압과 비교하여, 상기 전원부의 전압이 상기 기준 전압보다 클 경우 상태 반전 신호를 출력하는 비교기와, 상기 비교기의 상태 반전 신호로 세트되어 인에이블 신호를 상기 제2제어부의 톱니파 발진부로 출력하는 RS 플립플롭으로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 RS 플립플롭은 구형파 발진부의 파형에 의해 리셋됨을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제2제어부의 톱니파 발진부는 충전 정전류원과, 상기 충전 정전류원에 직렬로 연결되어 충방전됨으로써, 톱니파를 발생하는 캐패시터와, 상기 캐패시터에 병렬로 연결되어 방전 시간을 조절하는 다수의 방전 정전류원을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 각각의 방전 정전류원은 방전 정전류가 서로 다르게 설정된 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 각각의 방전 정전류원은 상기 제1제어부중 선택된 RS 플립플롭에 의해 인에이블 또는 디스에이블됨으로써, 상기 톱니파 발진부의 방전 시간이 달라짐을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 스위칭 소자에는 상기 스위칭 소자를 통해 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 출력하는 전류 센서가 더 연결된 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제2제어부는 상기 전류 센서로부터 입력되는 전압 및 미리 설정된 보정 전압을 입력받는 주비교기와, 상기 주비교기의 출력 신호에 의해 리셋되고, 상기 구형파 발진부에 의해 셋트되는 주RS 플립플롭과, 상기 구형파 발진부와 주RS 플립플롭의 출력 신호에 의해 상기 스위칭 소자를 온/오프시키는 엔드 게이트를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제2제어부는 상기 전류 센서로부터 입력되는 전압 및 미리 설정된 보정 전압을 입력받는 주비교기와, 상기 주비교기의 출력 신호에 의해 리셋되고, 상기 구형파 발진부에 의해 셋트되는 주RS 플립플롭과, 상기 구형파 발진부와 주RS 플립플롭의 출력 신호에 의해 상기 스위칭 소자를 온/오프시키는 노어 게이트를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정전류 출력 특성을 갖는 스위칭 모드 파워 서플라이.
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