KR100711818B1

KR100711818B1 - 스위칭 전원장치

Info

Publication number: KR100711818B1
Application number: KR1020050110641A
Authority: KR
Inventors: 히로시 우스이; 도모야스 야마다; 마사아키 시마다
Original assignee: 산켄덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-04-30
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP4400426B2; KR20060056258A; CN1780127A; JP2006149104A; CN101420180B; CN100511943C; CN101420180A; US7639516B2; US20060109692A1

Abstract

N 채널 MOS 트랜지스터(33)의 ON 기간은 저항(41)과 포토커플러의 수광부재(42) 사이의 노드에서의 타겟전압(Vm)에 기초하여 설정된다. 비교기(44)는 가변 저항(38)과 저항(45) 사이의 노드에서 타겟전압(Vm)을 기준 전압(Vb)과 비교한다. 노멀 모드와 저주파 동작모드는 비교기(44)의 출력신호에 기초하여 상호 스위칭된다. 전원(30)으로부터의 입력전압이 높아질 때 가변저항(38)의 저항은 낮아진다. 따라서, 입력전압이 높아질 때라도 노멀 모드와 저주파 동작모드 사이의 천이에서 N 채널 MOS 트랜지스터(33)의 ON 기간은 단축된다. 이것은 저주파 동작모드에서의 스위칭 에너지를 감소시키고, 이로서 노이즈를 억제한다.

트랜지스터, 타겟전압, 노이즈, 저주파, 비교기, 전원, 모드, 스위칭, 에너지

Description

스위칭 전원장치{SWITCHING POWER SOURCE DEVICE}

본 발명의 목적 및 장점은 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면을 통해 명백해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위칭 전원장치의 회로도.

도 2는 도 7의 종래의 스위칭 전원장치의 문제점을 설명하기 위한 설명도.

도 3은 도 8의 종래의 스위칭 전원장치의 문제점을 설명하기 위한 설명도.

도 4는 도 1의 스위칭 전원장치의 장점을 설명하기 위한 설명도.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위칭 전원장치의 회로도.

도 6은 도 5의 스위칭 전원장치의 장점을 설명하기 위한 설명도.

도 7은 저주파 동작모드를 구비한 종래의 스위칭 전원장치의 회로도.

도 8은 간헐적인 스위칭 동작을 실행하는 종래의 스위칭 전원장치의 회로도.

본 발명은 스위칭 전원장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부하의 상태에 따라 스위칭 동작을 행하는 스위칭 전원장치에 관한 것이다.

스위칭 전원장치는 인덕터내에 에너지를 저장하는 스위칭 동작을 행하여 그 저장된 에너지를 부하에 공급한다. 부하의 상태에 따라 스위칭 동작을 행하는 스위칭 전원장치의 예가, 미심사청구된 일본특허출원 공개번호 제 2002-171760호 및 미심사청구된 일본특허출원 공개번호 제 2002-171761호에 게재되어 있다.

미심사청구된 일본특허출원 공개번호 제 2002-171760호에 게재된 스위칭 전원장치는 부하가 가벼워질 때 간헐적으로 스위칭 동작을 행한다. 미심사청구된 일본특허출원 공개번호 제 2002-171761호에 게재된 스위칭 전원장치는 부하가 가벼워질 때 스위칭 주파수를 낮추기 위해 저주파 동작모드를 가진다.

도 7은 저주파 동작모드를 가진 종래의 스위칭 전원장치의 일 예를 보여주는 구조도이다.

이 스위칭 전원장치는 오실레이터(OSC)(1)의 진동주파수와 동기된 리셋-설정 플립-플랍(이후 간단하게 "플립-플랍"이라 한다)(2)을 설정한다.

플립-플랍(2)이 설정될 때, 스위칭 부재(3)가 ON된다.

스위칭 부재(3)의 ON 동작은 전원(18)으로부터 변압기(4)의 1차측 권선으로 스위칭 전류가 흐르도록 하여, 변압기(4)내에 에너지가 저장된다.

저항(5)은 스위칭 전류에 대응하는 전압을 발생한다.

비교기(6)는 저항(5)에 의해 발생된 전압이 타겟전압(Vm)을 초과할 때 플립-플랍(2)을 리셋한다.

타겟전압(Vm)은 기준전압원(7)에 의해 발생되는 기준전압(ES1)을 저항(8)의 저항값과 포토커플러의 수광부재(9)의 저항값에 의해 나누어진 전압이다.

플립-플랍(2)이 리셋될 때, 스위칭 부재(3)가 OFF된다.

스위칭 부재(3)가 오프(OFF)될 때, 변압기(4)내에 저장된 에너지는 다이오드(10)와 캐패시터(11)에 의해 부하에 공급된다.

출력전압 검출회로(12)가 출력전압과 소정값 사이의 차이를 검출한다. 포토커플러의 발광부재(13)는 그 차이에 따라 빛을 조사한다.

발광부재(13)의 발광은 수광부재(9)의 저항값을 변화시킴으로써 타겟전압(Vm)을 변화시킨다.

부하가 그러한 제어를 통해 증가할 때, 타겟전압(Vm)은 더 높아지고 스위칭 부재(3)의 온(ON) 지속시간이 더 길어진다.

타겟전압(Vm)은 스위치(15)를 매개로 오실레이터(1)에 공급된다. 타겟전압 (Vm)이 더 낮아질 때, 오실레이터(1)의 진동주파수는 더 낮아진다.

비교기(14)가 타겟전압(Vm)과 기준값(Vb)을 비교한다.

부하가 더 가벼워지고 타겟전압(Vm)이 더 낮아질 때, 비교기(14)의 출력은 하이레벨(이하 "H"로 표시한다)에서 로우레벨(이하 "L"로 표시한다)로 변하고, "L" 신호에 응답하여 켜지는 스위치(15)를 ON한다.

스위치(15)가 ON일때, 타겟전압(Vm)이 오실레이터(1)에 입력된다.

따라서, 오실레이터(1)의 진동주파수는 더 낮아져 노멀모드가 저주파 동작모드로 변화되도록 한다.

모드가 저주파 동작모드로 변화된 후 즉시 노이즈 등에 의해 노멀모드로 복귀하는 것을 방지하기 위하여, 비교기(14)의 출력은 기준값을 2단계로 변화시킴으로서 이력특성이 주어질 수 있다.

도 8은 간헐적인 스위칭 동작을 실행하는 스위칭 전원장치의 일 예를 보여주는 구조도로서, 동일유사한 구성요소를 표기하는데 도 7과 동일한 도면부호를 사용한다.

스위칭 전원장치에서, 플립-플랍(2)의 출력단자는 AND게이트(20)의 일측 입력단자에 접속된다.

AND게이트(20)의 출력단자는 스위칭 부재(30)에 접속된다.

AND게이트(20)의 타측 입력단자는 비교기(14)의 출력단자에 접속되어, 스위칭 전원장치가 가동할 때 "H" 신호가 공급된다.

가동후에, 플립-플랍(2)은 오실레이터(1)의 진동과 동기로 설정된다.

플립-플랍(2)이 설정될 때, AND게이트(20)의 출력신호는 "H"가 된다. 스위칭 부재(3)는 "H" 신호에 응답하여 ON 이 되고, 스위칭 전류가 변압기(4)의 1차측 권선에 흐르도록 한다.

저항(5)는 스위칭 전류에 대응하는 전압을 발생한다.

플립-플랍(2)이 리셋될 때, AND게이트(20)의 출력신호는 "L"로 되고, 스위칭 부재(3)가 OFF 된다.

따라서, 변압기(4)내에 저장된 에너지는 다이오드(10)와 캐패시터(11)에 의 해 부하에 공급된다.

출력전압 검출회로(12)가 출력전압과 소정값 사이의 차이를 검출한다. 포토커플러의 발광부재(13)는 그 차이에 따라 빛을 방출한다.

비교기(14)가 타겟전압(Vm)과 기준값(Vb)을 비교한다.

부하가 더 가벼워지고 타겟전압(Vm)이 더 낮아질 때, 비교기(14)의 출력은 "H"에서 "L"로 변한다.

따라서, AND게이트(20)는 플립-플랍(2)의 출력신호에 상관없이 L" 신호를 출력하여 스위칭 부재(3)의 스위칭을 멈추게 한다.

즉, 노멀모드가 대기모드로 전환된다.

도 7 및 8의 스위칭 전원장치에 따르면, 일정한 부하를 가질 때라도, 전원(8)으로부터의 입력전압(Vin)이 더 높아질 때 타겟전압(Vm)은 더 낮아지고, 반면에 입력전압(Vin)이 더 낮아질 때 타겟전압(Vm)은 더 높아진다.

도 7 및 8의 스위칭 전원장치에 따르면, 스위칭 전류(i)의 피크값은 이론상 입력전압(Vin)이 아래의 이유에 의해 높거나 낮거나에 상관없이 일정하게 된다. 1회의 스위칭에 대한 에너지(ε)는

ε = 1/2 × L×i²

으로 주어지며, 임계모드내의 고정주파수(f)의 PMW제어하에서 출력전력(Po)은,

Po = ε×f

이 된다.

그러나, 실제 스위칭 회로에서, 노이즈 방지필터(미도시)와 비교기(6)는 검출지연을 경험한다. 입력전압(Vin)이 높을 때, 스위칭 전류의 경사는 가파르게 되는 반면에, 입력전압(Vin)이 낮을 때, 스위칭 전류의 경사는 완만해진다. 즉, 검출시간이 변한다.

그러므로, 타겟전압(Vm)은 피드백 회로에 의해 흡수된 검출지연을 가진 값이 되고, 입력전압(Vin)이 높을 때 낮아지고, 입력전압(Vin)이 낮을 때 높아진다.

모드가 저주파 동작모드 또는 대기모드로 가야하는지를 결정하기 위한 기준값(Vb)이 일정함에 따라, 저주파 동작모드 또는 대기모드로의 모드 천이에서 부하전류(Io)는 입력전압(Vin)이 높을 때 커지고, 입력전압(Vin)이 낮을 때 작아진다.

모드가 높은 입력전압(Vin)을 가지고 저주파 동작모드 또는 대기모드로 전환될 때, 스위칭 에너지는 높아지고 그럼으로써 노이즈가 발생된다. 만약 스위칭 전원장치가 노이즈 발생을 방지하도록 설정된다면, 모드는 입력전압(Vin)이 낮을 때 저주파 동작모드 또는 대기모드로 전환되지 않는다. 이러한 경우, 경부하에서의 전력소모를 줄일 수 없는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 입력전압의 변화에 상관없이 전력소모를 줄일 수 있는 스위칭 전원장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 경부하에서의 전력소모를 안정하게 억제할 수 있는 스위칭 전원장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위칭 전원장치는:

전원;

인덕터;

스위칭 동작을 실행하여, ON 일때 인덕터를 전원에 접속하여 인덕터에 스위칭 전류가 흐르도록 하는 스위칭 부재;

스위칭 전류가 변압기를 통해 흐름에 따라 인덕터내에 저장된 에너지를 변환하여 그 변환된 에너지를 부하에 공급하는 변압기;

부하의 상태를 검출하는 검출기;

검출기가 소정값보다 더 경부하를 검출할 때, 스위칭 부재가 ON되는 주파수를 노멀모드의 주파수보다 더 낮게 설정하거나 또는 스위칭 부재가 ON되는 것을 정지시킴으로써 낮은 전력소모 동작모드를 설정하는 모드 스위칭 유닛; 및

노멀모드에서 낮은 전력소모 동작모드로의 천이시 스위칭 부재의 ON 지속시간을 전원으로부터의 입력전압에 따라 변화시키는 ON 지속시간 조정유닛을 포함하 는 것이 특징이다.

이러한 경우에, ON 지속시간 조정유닛은 입력전압이 낮을 때 보다는 입력전압이 높을 때 스위칭 부재의 ON 지속시간이 더 짧아지는 방식으로 스위칭 부재의 ON 지속시간을 변화시킬 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위칭 전원장치는:

전원;

인덕터;

부하의 상태를 검출하는 검출기;

노멀모드에서 낮은 전력소모 동작모드로의 천이시 스위칭 전류를 전원으로부터의 입력전압에 따라 변화시키는 스위칭 전류 조정유닛을 포함하는 것이 특징이다.

이러한 경우에, 스위칭 전류 조정유닛은 입력전압이 낮을 때 보다는 입력전 압이 높을 때 스위칭 전류가 더 작아지는 방식으로 스위칭 전류를 변화시킬 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스위칭 전원장치는:

전원;

인덕터;

부하의 상태를 검출하는 검출기;

노멀모드에서 낮은 전력소모 동작모드로의 천이시 스위칭 부재의 1회 스위칭에 의해 인덕터에 저장된 에너지를 전원으로부터 공급된 입력전압값에 상관없이 일정하게 하는 유닛을 포함하는 것이 특징이다.

본 발명은 낮은 전력소모 동작모드로 전력소모를 효율적으로 줄일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부한 도면을 참조하여 설명될 것이다.

(제 1 실시예)

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위칭 전원장치의 회로도이다.

스위칭 전원(모드가 스위치된 전원)장치는 DC-DC 컨버터이다. 스위칭 전원장치는 전원(30), 변압기(31), 오실레이터(32), 및 스위칭 부재로서 N 채널 MOS 트랜지스터(이하 "NMOS"라 한다)(33)를 포함한다.

변압기(31)의 1차측 권선(31a)은 스위칭 전류가 흐르는 인덕터이다.

변압기(31)의 1차측 권선(31a)의 일 단부는 전원(30)의 양극에 접속된다. 1차측 권선(31a)의 타 단부는 NMOS(33)의 드레인에 접속된다. NMOS(33)의 소스는 일 단부가 전원(30)의 음극에 접속된 저항(34)의 타 단부에 접속된다.

오실레이터(32)의 출력단자는 리셋-설정 플립-플랍(이하 "RS-FF"라 한다)(35)의 세트단자(S)에 접속된다. RS-FF(35)의 출력단자는 NMOS(33)의 게이트에 접속된다.

저항(34)의 일 단부는 비교기(36)의 일측 입력단자(+)에 접속된다. 저항(34)의 타 단부는 기준전압원(37)의 음극, 가변저항의 일 단부, 기준전압원(39)의 음극, 및 기준전압원(40)의 음극에 접속된다.

저항(41)의 일 단부는 기준전압원(37)의 양극에 접속된다. 저항(41)의 타 단부는 비교기(36)의 타측 입력단자(-), 스위치(43)의 일 단부, 및 비교기(44)의 일측 입력단자(+)에 접속되고, 더욱이 포토커플러의 수광부재(42)를 매개로 저항(34)의 타 단부에 접속된다. 비교기(36)의 출력단자는 RS-FF(35)의 리셋단자(R)에 접속된다.

스위치(43)의 타 단부는 오실레이터(32)에 접속된다. 오실레이터(32)는 스위치(43)를 매개로 공급된 전압에 따른 주파수로 진동한다.

가변저항(38)은 전원(30)으로부터 주어진 입력전압(Vin)에 따라 저항이 변한다. 입력전압(Vin)이 높을 때 저항은 낮아지고, 입력전압(Vin)이 낮을 때 저항은 높아진다.

가변저항(38)의 타 단부는 저항(45)의 일 단부 및 비교기(44)의 타측 입력단자(-)에 접속된다. 비교기(44)의 출력단자는 스위치(43)와 스위치(46)에 접속된다.

스위치(46)의 일 단부는 저항(45)의 타 단부에 접속된다. 스위치(46)는 비교기(44)의 출력이 "L" 일때는 기준전압원(40)의 양극에 저항(45)을 접속하고, 비교기(44)의 출력이 "H" 일때는 기준전압원(39)의 양극에 저항(45)을 접속하는 전환스위치이다. 스위치(43)는 비교기(44)의 출력이 "L"일 때 저항(41)과 수광부재(42) 사이의 노드를 오실레이터(32)에 접속하고 비교기(44)의 출력이 "H" 일때 저항(41)과 수광부재(42) 사이의 노드를 오실레이터(32)로부터 단절시킨다.

다이오드(50)의 애노드는 변압기(31)의 2차측 권선(31b)의 일 단부에 접속된다. 다이오드(50)의 캐소드는 캐패시터(51)와 출력단자(+OUT)의 일측 전극에 접속된다. 2차측 권선(31b)의 타 단부는 캐패시터(51)와 출력단자(-OUT)의 타측 전극에 접속된다. 출력전압 검출회로(52)는 출력단자(+OUT)와 출력단자(-OUT) 사이에 접속된다. 포토커플러의 수광부재(53)는 출력전압 검출회로(52)에 접속된다.

이하에서, 도 1의 스위칭 전원장치의 동작을 설명한다.

오실레이터(32)가 진동하여 "H" 신호가 출력될 때, RS-FF(35)는 출력신호와 동기로 설정된다. 설정 RS-FF(35)는 NMOS(33)를 ON 시키는 "H" 신호를 출력한다. NMOS(33)의 ON 작용은 에너지가 저장되는 변압기(31)의 1차측 권선(31a)에 스위칭 전류가 흐르도록 한다.

스위칭 전류에 대응하는 전압이 저항(34)에 발생된다. 저항(34)의 전압이 타겟전압(Vm)을 초과할 때 RS-FF(35)를 리셋한다. 타겟전압(Vm)은 기준전압원(37)에 의해 발생되는 기준전압(ES1)을 저항(41)의 저항값과 포토커플러의 수광부재(42)의 저항값에 의해 나누어진 전압이다.

RS-FF(35)가 리셋됨에 따라, NMOS(33)가 OFF 되어, 변압기(31)내에 저장된 에너지가 다이오드(50)와 캐패시터(51)에 의해 DC전압으로 전환되도록 한다. DC전압은 부하에 공급된다. 출력전압 검출회로(52)가 출력전압과 소정값 사이의 차이를 검출하고, 포토커플러의 발광부재(53)는 그 차이에 따라 빛을 방출한다. 발광부재(53)의 발광은 포토커플러의 수광부재(42)의 저항값을 변화시킴으로써 타겟전압(Vm)을 변화시킨다.

부하가 그러한 제어를 통해 증가할 때, 타겟전압(Vm)은 더 높아지고 NMOS(33)의 ON 지속시간 또는 ON 폭은 더 길어진다. 타겟전압(Vm)은 스위치(43)를 매개로 오실레이터(32)에 공급된다. 타겟전압(Vm)이 더 낮아질 때, 오실레이터(32)의 진동주파수는 더 낮아진다. 상술한 동작이 출력전압(Vo)을 일정하게 한다.

비교기(44)가 타겟전압(Vm)과 기준값(Vb)을 비교한다. 스위치(46)가 저항(45)을 기준전압원(40)에 접속할 때, 기준값(Vb)은 기준전압원(40)에 의해 발생되고, 저항(45)의 저항값과 가변저항(38)의 저항값에 의해 나누어진 전압이다. 노멀 모드에서, 타겟전압(Vm)은 기준값(Vb) 보다 더 높다.

부하가 더 가벼워질 때, 수광부재(42)의 저항값은 감소하고 타겟전압(Vm)은 더 낮아진다. 타겟전압(Vm)이 기준전압(Vb)이 되거나 더 낮아질 때, 비교기(44)의 출력레벨은 "H"에서 "L"로 변하고, 그럼으로써 스위치(43)를 ON 한다. 스위치(43)가 ON 될 때, 타겟전압(Vm)이 오실레이터(32)에 입력되어 오실레이터(32)의 진동주파수를 낮추게 된다. 결과적으로, 노멀모드는 저주파 동작모드(낮은 전력소모 동작모드)로 전환된다. 비교기(44)의 출력레벨이 "L"로 될 때, 스위치(46)는 저항(45)을 기준전압원(39)의 양극에 접속한다. 따라서, 이력이 저주파 동작모드로부터 노멀모드로의 천이를 억제하도록 설정되어, 모드 전환시 안정성을 개선시킨다. 저주파 동작모드에서, 스위칭 주파수가 더 낮아짐으로써 전력소모를 감소시킨다.

스위칭 전원장치의 장점을 종래의 스위칭 전원장치와 비교하여 설명한다.

도 2는 도 7의 종래의 스위칭 전원장치의 문제점을 설명하기 위한 설명도이다.

도 7의 스위칭 전원장치에서, 일정한 부하를 가질 때라도, 전원으로부터의 입력전압(Vin)이 더 높아질 때 타겟전압(Vm)은 더 낮아지고, 입력전압(Vin)이 더 낮아질 때 타겟전압(Vm)은 더 높아진다. 저주파 동작모드로 천이할지 여부의 결정에 기초한 기준값(Vb)이 일정하기 때문에, 저주파 동작모드로의 천이시 부하전류(Io)는 입력전압(Vin)이 높을 때 커지고 입력전압(Vin)이 낮을 때 작아진다. 높은 입력전압(Vin)에서 모드가 저주파 동작모드로 변화될 때, 스위칭 에너지가 높아져 허용치 이상의 노이즈를 발생하게 된다.

저주파 동작모드에서 진동주파수는 스위칭 손실을 줄이도록 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 최근에, 진동주파수는 수백 Hz에서 수 킬로 Hz까지 감소되었다. 주파수는 가청 주파수이다. 만약 가청 주파수에서 1회 스위칭에 대한 에너지가 크다면, 노이즈가 변압기(4) 일부 등으로부터 발생된다.

저주파 동작모드에서도, 약간의 전력이 대기모드를 유지하는데 소모될 필요가 있다. 전력소모를 줄이기 위하여, 가능한 한 저주파수에서 스위칭을 실행하는 것이 바람직하다. 스위칭 전원장치가 저주파수에서 큰 스위칭 전류로 동작할 때, 1회 스위칭에 대한 에너지가 커지게 되고 노이즈가 더 커지게 된다. 그러므로, 저주파 동작모드에서 스위칭 부재(3)의 스위칭 전류 피크값을 최소값으로 설정하여 노이즈를 허용 수준까지 억제하는 것이 필요하다.

그러나 스위칭 전류의 피크값을 적절하게 설정하는 것이 매우 용이하지는 않다. 도 7의 스위칭 전원장치에서, 입력전압(Vin)이 변할 때 타겟전압(Vm)도 변하고, 도 2에 도시된 바와 같이 모드가 저주파 동작모드로 변할 때 부하에 흐르는 부하전류(Io)도 변한다. 입력전압(Vin)이 높아질 때 부하전류(Io)도 증가하고, 입력전압(Vin)이 낮아질 때 부하전류(Io)도 감소하는 것은 명백하다.

스위칭이 특정 부하 조건의 저주파수에서 실행되는 방식으로 스위칭 전류의 피크값을 설정함에 의해 효율을 개선시키는 경우에, 모드가 저주파 동작모드로 확실하게 변할 수 있도록, 설정은 낮은 입력전압(Vin)의 가정하에서 행해져야 한다. 그러한 설정이 행해진 경우, 입력전압(Vin)이 높아질 때, 노멀모드와 저주파 동작모드 사이의 천이시 부하전류(Io)는 커지게 되고, 노이즈도 커지게 된다. 만약 입 력전압(Vin)이 높을 때도 노이즈가 문제되지 않는 방식으로, 노멀모드와 저주파 동작모드 사이의 천이시 스위칭 전류의 피크값이 최대레벨로 설정된다면, 동일한 부하전류(Io)를 가질 때도 모드는 입력전압(Vin)이 낮을 때 저주파 동작모드로 변하지 않게 되고, 그럼으로써 전력소모를 줄일 수 없다.

도 3은 도 8의 종래의 스위칭 전원장치의 문제점을 설명하기 위한 설명도이다.

도 8의 스위칭 전원장치에서, 일정한 부하를 가질 때라도, 전원으로부터의 입력전압(Vin)이 더 높아질 때 타겟전압(Vm)은 더 낮아지고, 입력전압(Vin)이 더 낮아질 때 타겟전압(Vm)은 더 높아진다. 대기모드로 천이할지 여부의 결정에 기초한 기준값(Vb)이 일정하기 때문에, 대기모드로의 천이시 부하전류(Io)는 입력전압(Vin)이 높을 때 커지고 입력전압(Vin)이 낮을 때 작아진다. 높은 입력전압(Vin) 상에서 모드가 대기모드로 변환할 때, 스위칭 에너지는 하이이고 이는 과도한 노이즈를 유발한다.

비록, 스위칭 동작 사이에서 취해지는 대기모드와 함께 스위칭이 이루어지더라도, 스위칭 주파수는 스위칭 손실을 가능한한 줄일 수 있을만큼 낮은 것이 바람직하다. 최근, 스위칭 동작 사이에서 취해지는 대기모드와 함께 스위칭이 이루어지는 스위칭 주파수는 수백 Hz 내지 수 킬로 Hz까지 감소하였다. 그 주파수는 가청 주파수이다. 만약 가청 주파수에서 단위 스위칭당 에너지가 크다면, 노이즈는 변압기(4)의 부품 등으로부터 유발된다.

전력 소비를 줄이기 위하여, 가능한한 저주파수에서 스위칭을 수행하는 것이 더 좋다. 저주파수에서 큰 스위칭 전류로 스위칭이 수행될 때, 단위 스위칭당 에너지는 커지고, 더 큰 노이즈를 만든다. 따라서, 스위칭 동작 사이에서 대기모드가 취해짐과 함께 스위칭이 이루어질 때, 스위칭 부재(3)의 스위칭 전류의 피크값은 견딜만한 레벨로 노이즈를 억제하기 위하여 최소값으로 설정될 필요가 있다.

그러나, 스위칭 전류의 피크값을 적절히 설정하는 것은 쉽지 않다. 도 8의 스위칭 전원장치에서, 도 7의 스위칭 전원장치와 흡사하게, 입력전압(Vin)이 변할 때, 타겟전압(Vm)이 변하고, 모드가 대기모드로 변할 때 부하를 통과하여 흐르는 부하전류(Io)도 도 3과 같이 변한다. 입력전압(Vin)이 더 높아질 때, 부하전류(Io)가 증가하고, 반면 입력전압(Vin)이 더 낮아질 때, 부하전류(Io)가 감소하는 것은 분명하다.

스위칭이 특정 부하 조건 이하의 저주파수에서 수행되는 것과 같은 방식으로 스위칭 전류의 피크값을 설정함으로서 효율을 개선하는 경우, 설정은 낮은 입력전압(Vin)이라는 가정하에 수행되어야 하고, 이로서 모드는 확실하게 대기모드로 변경될 수 있다. 이와 같은 설정 수행과 함께, 입력전압(Vin)이 더 높아질 때, 노멀 모드와 대기모드 사이의 천이에서 부하전류(Io)는 더 커지고, 바람직하지 않지만 노이즈를 더 크게 만든다. 만약 노멀 모드와 대기 모드 사이의 천이에서 스위칭 전류의 피크값이 입력전압(Vin)이 최대 레벨에서도 높을 때 노이즈는 문제되지 않는 방식으로 설정된다면, 비록 입력전압(Vin)이 같은 부하 전류(Io)와 함께 낮아질때라도 모드는 대기모드로 변환되지 않고, 따라서, 전력 소비를 절감할 수 없다.

도 4는 도 1에 도시된 스위칭 전원장치의 장점을 설명하기 위한 설명도이다.

실시예에 따른 도 1의 스위칭 전원장치에 있어서, 비록 타겟전압(Vm)이 전원(30)으로부터의 입력전압 증가에 기인하여 증가하더라도, 가변 저항(38)의 저항은 감소한다. 즉, 타겟전압(Vm)과 비교되어질 기준값(Vb)은 도 4에 도시된 바와 같이 떨어지고, 그리고 노멀 모드와 저주파 동작모드 사이에서 모드가 변화할 때 타겟전압(Vm)은 더 낮아진다. 이것은 노멀 모드와 저주파 동작모드 사이에서 모드가 변할 때 스위칭 전류의 피크값을 줄인다. 따라서, 노멀 모드와 저주파 동작모드 사이에서 모드가 변할 때 부하전류(Io)는 대략적으로 일정하게 된다. 따라서, 스위칭 에너지가 된다. 따라서, 입력전압(Vin)에 상관없는 노이즈를 억제할 수 있다. 같은 부하 전류로, 입력전압(Vin)과 무관하게 저전압 소비의 효율이 의미있게 변하지 않는다.

(제 2 실시예)

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위칭 전원장치의 회로도이다.

스위칭 전원장치는 DC-DC 변환기이고, 전원(60), 1차측 권선의 일단이 전원(60)의 양극과 연결된 변압기(61), 오실레이터(62) 및 스위칭 부재로서 NMOS(63)를 포함한다.

변압기(61)의 1차측 권선(61a)은 스위칭 전류가 흐르는 인덕터이다. NMOS(63)의 드레인은 1차측 권선(61a)의 타단에 연결된다. NMOS(63)의 소스는 저항(64)으 일단에 연결되고, 그 타단은 전원(60)의 음극에 연결된다.

오실레이터(62)의 출력단자는 RS-FF(65)의 설정 단자(S)에 연결된다. RS-FF(65)의 출력단자는 AND 게이트(66)의 한 입력단자에 연결되고, 그 출력단자는 NMOS(63)의 게이트에 연결된다.

저항(64)의 일단은 비교기(67)의 한 입력 단자(+)에 연결된다. 저항(64)의 타단은 기준전압원(68)의 음극, 가변 저항(69)의 일단, 기준전압원(70)의 음극, 및 기준전압원(71)의 음극에 연결된다.

저항(72)의 일단은 기준전압원(68)의 양극에 연결된다. 저항(72)의 타단은 비교기(67)의 다른 입력 단자(-) 및 비교기(73)의 한 입력단자(+)에 연결되고, 포토커플러의 수광부재(74)를 통해 저항(64)의 타단과 추가로 연결된다. 비교기(67)의 출력 단자는 RS-FF(65)의 리셋 단자(R)에 연결된다.

가변 저항(69)는 전원(60)에서 주어지는 입력전압(Vin)에 따라 그 저항을 바꾼다. 입력전압(Vin)이 높을 때 저항은 낮아지고, 입력전압(Vin)이 낮을 때 높아진다. 가변 저항(69)의 타단은 저항(75)의 일단 및 비교기(73)의 다른 입력 단자(-)에 연결된다. 비교기(73)의 출력단자는 AND 게이트(66)의 다른 입력 단자와 스위치(76)에 연결된다.

스위치(76)는 비교기(73)의 출력이 "L" 일 때 저항(75)를 기준전압원(70)의 양극에 연결하고, 비교기(73)의 출력이 "H" 일 때 저항(75)를 기준전압원(71)의 양극에 연결하는 체인지오버 스위치이다.

다이오드(80)의 양극은 변압기(61)의 2차측 권선(61b)의 일단에 연결된다. 다이오드(80)의 음극은 캐패시터(81)의 한 전극과 출력 단자(+OUT)에 연결된다. 2차측 권선(61b)의 타단은 캐패시터(81)의 다른 전극과 출력 단자(-OUT)에 연결된다. 출력-전압 검출회로(82)는 출력 단자(+OUT)와 출력 단자(-OUT) 사이에 연결한 다. 포토커플러의 발광부재(83)는 출력-전압 검출회로(82)에 연결된다.

도 5에 도시된 스위칭 전원 장치의 동작에 대해 이하에서 설명한다.

스위칭 전원장치에서, AND 게이트(66)의 다른 입력단자는 비교기(73)의 출력 단자에 연결되어 있고, 스위칭 전원 장치가 동작할 때 "H"를 공급한다.

오실레이터(62)가 동작후 발진하고 "H" 신호를 출력할 때, RS-FF(65)는 신초 출력과 동기화되도록 설정된다. RS-FF(65)가 설정되었을 때, AND 게이트(66)의 출력신호는 "H"가 되고, NMOS(63)를 켠다. NMOS(63)의 ON 동작은 스위칭 전류가 변압기(61)의 1차측 권선(61a)에 흐르도록 한다. 스위칭 전류에 대응하는 전압은 저항(64)에 걸쳐 발생된다.

저항(64)를 가로질러 발생된 전압이 타겟전압(Vm)을 초과할 때, 비교기(67)는 RS-FF(65)를 리셋한다. 타겟전압(Vm)은 기준전압원(68)에 의해 발생된 기준전압이고, 저항(72)의 저항값과 포토커플러의 수광부재(74)의 저항값에 의해 나누어진다.

RS-FF(65)가 리셋됨으로서, AND 게이트(66)의 출력 신호는 "L"로 되고, NMOS(63)를 끈다. 그 결과, 변압기(61)에 저장된 에너지는 다이오드(80)와 캐패시터(81)를 통해 부하에 공급된다. 출력-전압 검출회로(82)는 출력전압과 소정의 전압 사이의 차이를 검출하고, 포토커플러의 발광부재(83)는 그 차이에 따라 빛을 발광한다. 발광부재(83)의 조사는 수광부재(74)의 저항을 변화시키고, 이로서 타겟전압(Vm)을 바꾼다. 부하가 이러한 제어를 통해 더 커질 때, 타겟전압(Vm)은 더 높아지고, NMOS(63)의 ON 폭은 더 길어진다.

비교기(73)는 타겟전압(Vm)을 기준값(Vb)와 비교한다. 스위치(76)가 저항(75)를 기준 전압원(70)와 연결할 때, 기준값(Vb)은 기준전압원(70)에 의해 생성되고, 저항(75)와 가변 저항(69)의 저항에 의해 나누어진 전압이다. 노멀 모드에서, 타겟전압(Vm)은 기준값(Vb) 보다 더 높다.

부하가 더 가벼워졌을 때, 수광부재(74)의 저항은 감소하고, 타겟전압(Vm)은 더 낮아진다. 타겟전압(Vm)이 기준값(Vb) 또는 그 이하로 떨어질 때 비교기(73)의 출력 레벨은 "H"로부터 "L"로 바뀐다.

따라서, AND 게이트(66)는 RS-FF(65)의 출력신호와 무관하게 "L" 신호를 출력하고, NMOS(63)의 스위칭을 멈춘다. 즉, 노멀 모드는 대기모드로 스위칭된다(저전력소비 동작모드).

실시예에 따른 스위칭 전원장치의 장점이 이하에서 설명된다.

도 6은 도 5에 도시된 스위칭 전원장치의 장점을 설명하기 위한 설명도이다.

실시예에 따른 도 5의 스위칭 전원장치에서, 전원(60)으로부터의 입력전압(Vin)이 증가함에 따라 타겟전압(Vm)이 떨어지더라도, 가변 저항(69)의 저항은 감소한다. 즉, 타겟전압(Vm)과 비교되어질 기준값(Vb)은 도 6에 도시된 바와 같이 떨어지고, 그리고 노멀 모드와 대기모드 사이의 천이에서 타겟전압(Vm)은 더 낮아짐으로서, 노멀 모드와 대기모드 사이의 천이에서 ON 폭을 줄이게 된다. 이것은 노멀 모드와 대기 모드 사이에서 모드가 바뀔 때 스위칭 전류의 피크값을 작게 한다. 따라서, 노멀 모드와 저주파 동작모드 사이에 모드가 바뀔 때 부하 전류(Io)는 대략 일정해진다. 이로서 스위칭 에너지가 된다. 따라서 입력전압(Vin)에 무관하게 노이 즈를 억제하는 것이 가능해진다. 같은 부하 전류로, 입력전압(Vin)과 무관하게 저전압 소비의 효율이 의미있게 변하지 않는다.

본 발명은 앞서 설명한 실시예에 국한되지 않으며, 다양한 형태로 변형될 수 있다.

예를 들어, 비록 제 1 실시예 또는 제 2 실시예가 가변 저항(38 또는 69)을 갖고, 입력전압(Vin)에 따라 노멀 모드에서 저주파 동작모드 또는 대기모드로 천이할 때 스위칭 부재의 ON 폭을 변경하지만, 스위칭 전류는 입력전압(Vin)이 증가함에 따라 더 작아진다. 특히, 가변 저항(38 또는 69)은 그 저항값이 변하지 않는 저항으로 대체될 수 있고, 저항(34 또는 64)은 입력전압(Vin)이 증가함에 따라 저장값이 증가하는 저항으로 대체될 수 있다. 이러한 수정은 제 1, 2 실시예의 장점과 유사한 장점을 보여준다.

스위칭 전원장치는 입력전압(Vin)이 증가함에 따라 스위칭 전류가 더 작아지고, ON 폭이 더 짧아지며, 이로서 스위칭 에너지가 입력전압(Vin)에 무관하게 일정하게 되도록 하는 방식의 구성을 가질 수도 있다.

도 5에서는 비록 AND 게이트(66)가 RS-FF(65)와 NMOS(63) 사이에 삽입되었지만, AND 게이트(66)는 오실레이터(62)와 RS-FF(65) 사이에 삽입될 수도 있다.

삭제

다양한 실시예들과 변형들이 본 발명의 요지와 권리범위로부터 벗어남이 없이 이하에서 이루어질 수 있다. 앞서 설명한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것이지, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 실시예들보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 나타내어진다. 본 발명의 특허청구범위와 발명의 균등범위 내에서 이루어진 다양한 수정들도 본 발명의 범위내라고 여겨져야 한다.

Claims

전원장치;

인덕터;

스위칭 동작을 수행하고, ON 일 때 스위칭 전류가 상기 인덕터로 흐르도록 하기 위하여 상기 전원장치를 상기 인덕터에 연결하는 스위칭 부재;

상기 스위칭 전류가 변압기를 통해 흐름에 따라 상기 인덕터내에 저장된 에너지를 변환하여 그 변환된 에너지를 부하에 공급하는 상기 변압기;

상기 부하의 상태를 검출하는 검출기;

상기 검출기가 소정값보다 더 경부하를 검출할 때, 상기 스위칭 부재가 ON되는 주파수를 노멀모드의 주파수보다 더 낮게 설정하거나 또는 상기 스위칭 부재가 ON되는 것을 정지시킴으로써 낮은 전력소모 동작모드를 설정하는 모드 스위칭 유닛; 및

상기 노멀모드에서 낮은 전력소모 동작모드로의 천이시 상기 스위칭 부재의 ON 지속시간을 상기 전원장치로부터의 입력전압에 따라 변화시키는 ON 지속시간 조정유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
제 1 항에 있어서, 상기 ON 지속시간 조정유닛은 상기 입력전압이 낮을 때 보다는 입력전압이 높을 때 상기 스위칭 부재의 ON 지속시간이 더 짧아지는 방식으로 스위칭 부재의 ON 지속시간을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
전원장치;

인덕터;

스위칭 동작을 실행하고, ON 일때 상기 인덕터를 상기 전원장치에 접속하여 상기 인덕터에 스위칭 전류가 흐르도록 하는 스위칭 부재;

상기 스위칭 전류가 변압기를 통해 흐름에 따라 상기 인덕터내에 저장된 에너지를 변환하고 그 변환된 에너지를 부하에 공급하는 상기 변압기;

상기 부하의 상태를 검출하는 검출기;

상기 검출기가 소정값보다 더 경부하를 검출할 때, 상기 스위칭 부재가 ON되는 주파수를 노멀모드의 주파수보다 더 낮게 설정하거나 또는 상기 스위칭 부재가 ON되는 것을 정지시킴으로써 낮은 전력소모 동작모드를 설정하는 모드 스위칭 유닛; 및

상기 노멀모드에서 낮은 전력소모 동작모드로의 천이시 상기 스위칭 전류를 상기전원장치로부터의 입력전압에 따라 변화시키는 스위칭 전류 조정유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
제 3 항에 있어서,

상기 스위칭 전류 조정유닛은 상기 입력전압이 낮을 때 보다는 상기 입력전압이 높을 때 상기 스위칭 전류가 더 작아지는 방식으로 스위칭 전류를 변화시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
전원장치;

인덕터;

스위칭 동작을 실행하고, ON 일때 상기 인덕터를 상기 전원장치에 접속하여 상기 인덕터에 스위칭 전류가 흐르도록 하는 스위칭 부재;

상기 스위칭 전류가 변압기를 통해 흐름에 따라 상기 인덕터내에 저장된 에너지를 변환하고 그 변환된 에너지를 부하에 공급하는 상기 변압기;

상기 부하의 상태를 검출하는 검출기;

상기 검출기가 소정값보다 더 경부하를 검출할 때, 상기 스위칭 부재가 ON되는 주파수를 노멀모드의 주파수보다 더 낮게 설정하거나 또는 상기 스위칭 부재가 ON되는 것을 정지시킴으로써 낮은 전력소모 동작모드를 설정하는 모드 스위칭 유닛; 및

상기 노멀모드에서 낮은 전력소모 동작모드로의 천이시 상기 스위칭 부재의 1회 스위칭에 의해 상기 인덕터에 저장된 에너지를 상기 전원장치로부터 공급된 입력전압값에 상관없이 일정하게 하는 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.