KR101394320B1

KR101394320B1 - 기울기 보상 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치

Info

Publication number: KR101394320B1
Application number: KR1020120076469A
Authority: KR
Inventors: 김영식
Original assignee: (주)제퍼로직
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-05-13
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: KR20130009674A; WO2013009122A3; WO2013009122A2

Abstract

기울기 보상 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치가 개시된다. 기울기 보상 회로는, 듀티비 검출부, 및 기울기 조절부를 포함한다. 듀티비 검출부는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 스위칭 듀티비를 검출하고, 기울기 조절부는 검출된 듀티비가 높은 경우 기울기 보상을 더 수행한다. 이와 같이, 스위칭 듀티비에 따라 서로 다른 기울기 보상을 수행함으로써, 전류 모드의 스위칭 모드 전력 공급 장치가 낮은 듀티비에서도 빠른 응답 특성을 유지할 수 있게 된다.

Description

기울기 보상 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치{SWITCHING MODE POWER SUPPLY COMPRISING SLOPE COMPENSATION CIRCUIT}

본 발명은 전원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 소자를 사용하는 전력 공급 장치의 시스템 안정성을 높이기 위한 회로에 관한 것이다.

스위칭 모드 전력 공급 장치는 제 1 스위칭 소자의 온/오프 시간으로, 마그넷 소자(인덕터)에 에너지를 저장하고 방출하는 양을 조절해서 특정 전압을 출력하는 장치를 말한다.

도 1은 일반적인 전류 방식 스위칭 모드 전력 공급 장치의 개략적인 회로도이다. 도 1에서는 스위칭 모드 전력 공급 장치 중 출력 전압을 승압하는 장치의 예를 도시하고 있다. 본 발명을 쉽게 설명하기 위해 승압 장치(step up, boost)를 기준으로 설명하지만 본 발명은 승압하는 장치 이외에 이와 유사한 모든 장치에 적용이 가능하다.

스위칭 모드 전력 공급 장치는 도 1에서처럼 에너지를 저장하는 인덕터(101), 제 1 스위칭 소자(102) 그리고 제 2 스위칭 소자(103) 으로 구성되고, 이를 제어하는 제어 하는 회로로 구성된다.

제어 회로는 출력 전압을 피드백(feedback) 받아서 기준 전압(VBG)의 차이를 증폭하는 에러 증폭기(109)의 출력 전압(Vc)과 출력 전류를 감지하는 장치(106)의 신호를 받아 기울기 보상(107)회로를 거쳐 나오는 신호를 서로 비교해서(108) 제 1 스위치(102)의 온/오프 시간을 조절하는 장치로 구성된다.

이러한 방식을 전류 방식(Current Mode) 혹은 피크 전류 방식이라고 한다. 전류 방식은 입력 전압이나 부하 변동에 따라 전원 장치가 빠르게 응답하는 특징이 있어, 전압 피드백 방식보다 더 널리 사용되고 있다. 그러나 전류 방식의 경우, 제 1 스위치의 턴온 시간과 턴오프 시간의 비, 즉 듀티비(Duty ratio)가 50% 이상일 때 시스템이 불안정해지는 문제점이 있다.

도 2는 도 1의 전원 장치의 인덕터에 흐르는 전류 및 왜란이 발생했을 때 전류를 도시한 그래프이다. 도 2에서는 제 1 스위치가 온/오프 할 때 인덕터에 흐르는 전류를 도시하고 있다.

스위칭 듀티비가 50% 이하 일 때, 전류 왜란이 발생해도, 2도의 (a)에서 보는 바와 같이 매 사이클마다 왜란이 줄어들어 결국 안정화된다. 그런데 듀티비가 50% 이상이면 (b)와 같이 왜란의 크기가 점점 커져 시스템을 불안정하게 한다.

이를 보상해 주기 위해 에러 증폭기의 출력(Vc) 파형을 2도 (c)와 같이 기울기 m을 갖게 하거나 혹은 인덕터 전류 기울기에 ‘m'만큼 더해 주는 '기울기 보상’을 해야 한다. 이 경우 왜란의 크기는 식 (1)과 같다.

(1)

식 (1)에서와 같이, 만약 왜란이 매 사이클마다 줄어들게 하려면 식 (2)와 같은 관계를 만족시키면 된다. 여기서 m은 보상 기울기이고, m1은 인덕터 전류가 상승할 때 기울기, m2는 인덕터 기울기가 하강할 때의 기울기를 나타낸다.

(2)

일반적으로 듀티비에 따른 기울기 조절이 어렵기 때문에, 모든 듀티비에서 일정한 정도의 기울기를 두는 방법을 택하고 있다. 이로 인해 50% 이하의 듀티비 동작에서는 과도하게 보상을 하고 있다.

그리고 기울기 보상 값은 가장 열악한 상황, 즉 최대 듀티비 동작을 가정하고 그 값을 전체 듀티비 적용하기 때문에, 최대 듀티비 이하 동작에서도 역시 과도한 보상을 하고 있다.

이러한 과도 보상은 전류 모드 시스템의 장점인 빠른 응답 특성을 저하시키고, 주파수 보상 회로를 복잡하게 만든다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스위칭 듀티비에 따라 효과적인 기울기 보상을 수행함으로써, 낮은 듀티비에서도 빠른 응답 특성을 유지할 수 있는 기울기 보상 회로를 포함하는 전류 모드의 스위칭 모드 전력 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 기울기 보상 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 기울기 보상 회로는, 듀티비 검출부, 및 기울기 조절부를 포함한다. 듀티비 검출부는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 스위칭 듀티비를 검출하고, 기울기 조절부는 검출된 듀티비가 높을수록 기울기 보상을 더 많이 수행한다.

이와 같이, 스위칭 듀티비에 따라 서로 다른 기울기 보상을 수행함으로써, 전류 모드의 스위칭 모드 전력 공급 장치가 낮은 듀티비에서도 빠른 응답 특성을 유지할 수 있게 된다.

이때, 기울기 조절부는 미리 설정된 듀티비 이상에서만 기울기 조절을 수행할 수 있다.

또한, 기울기 보상 회로는 듀티비에 따라 변화하는 듀티비 전압을 생성하는 듀티비 전압 생성부, 및 듀티비 전압 생성부에서 생성된 전압에 따라 변화하는 듀티비 전류를 생성하는 듀티비 전류 생성부를 포함할 수 있으며, 이때, 듀티비 전압은 듀티비에 따라 선형적으로 변화하도록 구현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 스위칭 듀티비에 따라 서로 다른 기울기 보상을 수행함으로써, 전류 모드 스위칭 모드 전력 공급 장치가 낮은 듀티비에서도 빠른 응답 특성을 유지할 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 전류 방식 스위칭 모드 전력 공급 장치의 개략적인 회로도.
도 2는 도 1의 전원 장치의 인덕터에 흐르는 전류 및 왜란이 발생했을 때 전류를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 모드 전력 공급 장치에 포함된 기울기 보상 회로의 일 실시예의 개략적인 블록도.
도 4는 도 3의 기울기 보상 회로의 실제 구현 예를 도시한 블록도.
도 5는 도 3의 펄스폭-전압 변환 장치를 구현한 회로도.
도 6은 도 3의 펄스폭-전압 변환 장치를 구현한 다른 회로도.
도 7은 도 4의 적분기와 전압-전류 변환 장치를 구현한 회로도.
도 8은 도 3의 기울기 보상 회로의 실제 구현 예를 도시한 다른 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 스위칭 모드 전력 공급 장치에 포함된 기울기 보상 회로의 일 실시예의 개략적인 블록도이다.

도 3에서, 기울기 보상 회로(200)는 듀티비 검출부(210), 및 기울기 조절부(260)를 포함한다.

듀티비 검출부(210)는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 스위칭 듀티비를 검출한다.

기울기 조절부(260)는 검출된 듀티비가 높을 수록 기울기 보상을 더 많이 수행한다.

기울기 조절부(260)는 듀티비가 증가함에 따라 연속적으로 기울기 조절 정도를 증가시킬 수 있으며, 미리 설정된 듀티비 이상에서만 기울기 조절 동작을 수행할 수도 있다.

이때, 미리 설정된 듀티비는 장치 제조자 등에 의해 미리 설정된 듀티비로서, 50%인 것이 일반적일 것이다. 또한, 두 가지 구성을 동시에 적용하여, 미리 설정된 듀티비 이상에서만 듀티비의 증가에 따라 연속적으로 기울기 조절을 수행할 수도 있을 것이다.

듀티비 검출부(210)와 기울기 조절부(260)는 실제 구현에 있어서는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 두 개의 구성이 하나의 장치 내에 구현되거나 하나의 구성이 두 개 이상의 장치로 구현될 수도 있다.

일 예로, 듀티비에 따라 변화하는 듀티비 전압을 생성하는 듀티비 전압 생성부, 및 듀티비 전압 생성부(210)에서 생성된 전압에 따라 변화하는 듀티비 전류를 생성하는 듀티비 전류 생성부의 형태로 구현될 수도 있다. 이때, 듀티비 전압은 듀티비에 따라 선형적으로 변화하도록 구현될 수 있다.

도 4는 도 3의 기울기 보상 회로의 실제 구현 예를 도시한 블록도이다. 도 4에서, 기울기 보상 회로(200)는 듀티비를 전압으로 변환하는 장치(210)와 이 전압을 적분하는 적분기(240) 그리고 적분된 전압을 전류 파형으로 바꾸어주는 변환기(280)로 구성되어 있다.

이렇게 전류로 변환된 신호는 출력전류를 감지한 신호(106)와 함께 합산기(110)를 거쳐 보상된 전압 V_sl을 출력한다. 듀티비를 전압으로 변환하는 장치(210)는 듀티비에 따라 전압이 선형적으로 증가하는 출력을 갖는다. 그러므로 듀티비에 따른 보상 전압을 얻을 수 있다.

적분기(240)를 거쳐 나오는 출력 전압은 듀티비가 증가함에 따라 기울기가 선형적으로 증가하는 특징을 가지고 있기 때문에 높은 듀티비에서 더 높은 기울기를, 낮은 듀티비에서는 더 낮은 기울기를 갖는 파형을 얻을 수 있다.

도 5는 도 3의 펄스폭-전압 변환 장치를 구현한 회로도이다. 도 5에서 듀티비를 전압으로 변형하는 회로가 도시되어 있다. 이 회로는 제 1 전류원(211)과 제 2 전류원(212) 그리고 1, 2 전류원을 제어하는 스위치(213, 214) 그리고 적분기(215)로 구성된다.

도 5의 회로에서, PWM 신호가 high이면 (213) 스위치가 온되어 제 1전류원의 전류가 커패시터(215)에 충전되어 전압이 출력전압이 상승한다. 반면에 PWM 신호가 Low 가 되면 (214) 스위치가 온되어 제 2 전류원의 전류가 커패시터(215)를 통해 방전되어 출력전압을 내린다.

즉, 듀티비가 50%일 때는 VDD와 VSS의 중간 전압을 출력하게 되고 듀티비가 내려가면 그보다 낮은 전압을 듀티비가 올라가면 그보다 높은 전압을 출력하게 된다.

도 6은 도 3의 펄스폭-전압 변환 장치를 구현한 다른 회로도이다. 도 6은 듀티비를 전압으로 변형하는 회로의 또 다른 예가 도시되어 있다.

기본적인 구성은 톱니파형 발생기와 동일하다. 톱니파 발생기는 전류원 (221)의 전류를 PWM이 하이(high)인 구간 동안 커패시터(222)에 충전되어 out 전압을 선형적으로 증가시키고, PWM이 로(Low)인 구간에서 스위치 (224, 225)에 의해 완전히 방전된다. 이회로의 출력 파형은 5도 (b)에서와 같이 PWM의 듀티비에 따라 선형적으로 증가하는 전압을 출력한다.

도 7은 도 4의 적분기와 전압-전류 변환 장치를 구현한 회로도이다. 도 7에서는 본 발명에서 제안한 적분기(240)와 전압-전류 변환기(280)의 구체적인 예가 도시되어 있다. 적분기(240)는 입력단 (IN)에서 입력되는 전압을 OP-AMP(241)를 통해 VIN/R1의 전류 (I1)으로 변환한다. 이 변환된 전류(I1)는 전류 미러(243)를 통해 미러링되어(I2) 커패시터에(245)에 충전된다.

즉, Vin(t)/R = C*dVA/dt 가 되므로, VA 전압은 Vin(t)/(R1*C)를 적분한 값이 된다. 그런데 입력된 전압 Vin은 듀티비에 따라 선형적인 값 즉 a*Ton와 같은 형태로 주어지기 때문에, VA전압의 기울기는 A*Ton/(R1*C)와 같이 주어져 듀티비가 증가할수록 기울기가 선형적으로 증가하는 형태를 갖는다.

회로(244)에 의해 VA와 VB의 전압은 동일하게 되어, I3의 전류는 VA/R2의 값을 갖게 된다. 이 전류는 전류 미러(247)를 통해 I4로 출력된다.

도 8은 도 3의 기울기 보상 회로의 실제 구현 예를 도시한 다른 블록도이다. 도 8의 회로는 도 4에서와는 달리, 듀티비를 전압으로 바꾸어 주는 회로(210)의 출력을 감지해서 듀티비가 50%를 기준으로 50% 이하일 때 보상 회로와 연결된 스위치(290)를 오프(OFF)시켜 보상하지 않고, 50% 이상에서만 스위치(290)를 온(ON)시켜 보상하는 장치를 포함한다.

본 발명은 스위칭 소자를 이용해 직류-직류(DC-DC) 혹은 교류-직류(AC-DC)를 변환하는 스위칭 모드 전력 공급 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 듀티비를 예측하는 장치와 듀티비에 따른 인덕의 전류 기울기를 보상하는 장치, 및 듀티비가 50% 이상일 때 보상 회로를 적용하는 장치를 개시한다.

본 발명의 장치를 활용하면, 전체 듀티비에서 안정된 시스템 동작을 확보할 수 있으며, 50% 이상의 듀티비에서만 보상 회로가 적용하기 때문에 낮은 듀티비에서도 이상적인 동작을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 기울기 보상 회로는, 인덕터, 제 1 스위치 제 2 스위치를 이용해서 전원을 변환하는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 제 1 스위치 조절 장치로서, 제 1 스위치에 흐르는 전류와 출력 전압을 피드백(feedback)하는 장치를 포함한다. 상기 전류 피드백(feedback) 장치에는 전류 피드백(feedback) 출력값을 보상하는 장치를 포함한다.

전류 피드백(feedback) 출력값을 보상하는 장치는 듀티비를 전압으로 바꾸는 장치, 적분기 그리고 다시 전압을 전류로 바꾸는 장치로 구성될 수 있다. 전류 피드백 출력값을 보상하는 장치는 출력값의 기울기가 듀티비에 따라 선형적으로 증가하는 특징을 가지며, 듀티비를 전압으로 바꾸는 장치 역시 듀티비에 따라 전압이 선형적으로 증가하는 특징을 가진다.

아울러, 전류 피드백(feedback) 출력값을 보상하는 장치는 특정 듀티비를 감지하여 특정 듀티비 이상일 때 보상회로를 연결하는 장치를 포함할 수 있다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

110: 합산기
200: 기울기 보상 회로
210: 듀티비-전압으로 변환기
240: 적분기
250: 듀티비 검출부
260: 기울기 조절부
280: 전압-전류 변환기
290: 스위치

Claims

출력 전류를 검출한 검출 전류에 추가되는 보상 전류를 생성하는 기울기 보상 회로를 포함하는 전류 모드 스위칭 모드 전력 공급 장치로서,
상기 기울기 보상 회로는,
상기 스위칭 모드 전력 공급 장치의 스위칭 듀티비를 검출하는 듀티비 검출부; 및
상기 검출된 듀티비가 높을수록 기울기 보상을 더 많이 수행하는 기울기 조절부를 포함하며,
상기 듀티비 검출부는 상기 듀티비의 변화에 따라 변화하는 듀티비 전압을 생성하는 듀티비 전압 생성부를 포함하고,
상기 기울기 조절부는 상기 듀티비 전압이 미리 설정된 전압보다 큰 경우에만 상기 보상 전류를 상기 검출 전류에 추가되도록 하는 스위치를 포함하여, 미리 설정된 듀티비 이상에서만 상기 기울기 보상을 수행하는 것을 특징으로 하는 기울기 보상 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 기울기 조절부는,
상기 듀티비 전압 생성부에서 생성된 전압에 따라 변화하는 듀티비 전류를 생성하는 듀티비 전류 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 보상 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치.
제 3항에 있어서,
상기 듀티비 전압은 상기 듀티비에 따라 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 기울기 보상 회로를 포함하는 스위칭 모드 전력 공급 장치.