KR20170064385A

KR20170064385A - 전원 공급 시스템

Info

Publication number: KR20170064385A
Application number: KR1020150170153A
Authority: KR
Inventors: 남상국; 송한정
Original assignee: 인제대학교 산학협력단
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-06-09
Also published as: KR101816290B1

Abstract

본 발명의 실시예에 따르는 전원 공급 시스템은, 입력 전압을 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 출력 전력으로 변환하는 전원 공급 시스템에 있어서, 상기 입력 전압을 출력 전력으로 변환하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머를 스위칭하는 전력 스위치; 및 상기 트랜스포머는 2차측에 보조코일을 포함하고, 상기 보조코일로부터 인가되는 피드백 신호와 상기 보조코일로부터 인가되는 상기 피드백 신호를 지연시킨 신호를 비교기를 통해 비교하여 상기 비교기가 온 되는 때의 전압 정보에 따라 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤 IC를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전원 공급 시스템{Power Supply System}

본 발명은 플라이백 컨버터를 포함하는 전원 공급 시스템에 관한 것이다.

현재 파워 업은 전력 소모, 수명, 친환경성 등과 같은 문제들이 이슈화되어, 그에 따른 연구, 개발이 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 대기 소비 전력을 낮추는 문제는 가장 큰 이슈라 하여도 과언이 아닐 정도로 치열하게 연구되고 있다. 한국, 유럽연합, 미국 등 각 나라의 낮은 대기전력 규제를 만족시키기 위한 방법으로 회로 구성이 매우 간단하고 가격이 낮은 플라이백(Flyback) 컨버터가 이용되고 있다.

플라이백 컨버터는 가장 많이 이용되는 절연형 SMPS 회로 방식이다. 절연형이란 입력과 출력이 전기적으로 절연되어 있다는 의미인데 대부분의 전자제품의 SMPS는 안전문제 등으로 인하여 절연형이 되어야 한다. 절연형 SMPS의 또 다른 표현은 off-line SMPS 이다. 오프라인은 전원을 공급하는 라인과 전기적으로 절연되어 있다는 표현이다.

2차 측 제어를 하는 플라이백(Flyback) 컨버터는 1차 측과 2차 측이 절연된 상태로, 2차측 출력전압정보를 직접적으로 감지하기 위하여 옵토커플러(optocoupler)를 사용한다. 그러나 옵토커플러의 사용으로 인하여 2차 측에 추가적인 제어회로를 필요로 하여 전력손실이 증가하고 이에 따라 대기전력 역시 증가하여 현재의 대기전력 규제를 만족시키기 어렵다. 이에 따라, 최근에는 보조 코일의 간접적인 신호를 감지하여 Flyback 컨버터의 출력전압정보를 간접적으로 감지하는 1차 측 제어 Flyback 컨버터 (PSR; Primary Side Regulation)가 늘어나고 있다.

그러나 종래의 PSR 방식에 의한 출력전압정보 감지 방식은 전압정보를 간접적으로 감지하므로 정확한 전압정보를 가지고 있는 구간을 감지하는 것이 어렵다.

전압정보를 가지고 있는 구간을 정확하게 감지하지 못하면 출력전압보다 높거나 낮은 전압을 출력전압으로 감지하여 컨버터 동작이 불안해지고 레귤레이션 특성이 감소되어 전체 회로 동작이 불안정해지는 문제가 있다.

한국공개특허 제2003-0011511호 한국공개특허 제2015-0066958

본 발명은 전압정보를 정확하게 감지하여 출력 전압에 따라 컨버터 동작을 안정적으로 조정할 수 있는 전원 공급 시스템를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 전원 공급 시스템은 피드백 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 컨트롤 IC는, 상기 2차측 보조 코일에서 인가되는 상기 피드백 신호를 그 지연신호와 비교하는 비교기, VGS 폴링 에지를 감지하여 VGS 딜레이 신호를 생성하는 인버터와 NOR 게이트, 상기 비교기와 상기 NOR 게이트로부터 세트 리셋 신호를 인가받아 출력 전압 감지 정보를 출력하는 SR 래치로 구성된 피드백 감지부를 포함하는 하는 것을 특징으로 한다.

상기 피드백 감지부는 VGS가 인가되면 VGS의 폴링 에지를 감지하여 VGS 딜레이 신호를 생성하고, 상기 VGS 딜레이 신호가 RS 래치를 세트 시키고, VGS가 오프된 후 상기 2차측 보조 코일에서 상기 피드백 신호가 인가되고 상기 피드백 신호와 상기 피드백 신호를 딜레이 시킨 피드백 딜레이 신호를 비교기로 비교하여 Vkp_delay 신호를 생성하고, 상기 Vkp_delay의 첫번째 신호가 상기 RS 래치를 리셋 시키고, 상기 RS는 상기 세트 리셋 신호로 생성된 Vsample을 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 컨트롤 IC는, 상기 피드백 감지부로부터 Vkp delay 신호와 Vsample 신호를 인가받는 샘플 앤드 홀드 회로, 상기 샘플 앤드 홀드 회로의 출력 신호를 증폭하는 증폭기, 톱니파 생성기, 상기 증폭기 출력 신호와 상기 톱니파 생성기에서 출력되는 톱니파를 비교하여 PWM 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 PWM 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 피드백 감지부에서 출력되는 상기 피드백 딜레이 신호는 상기 샘플 앤드 홀드 회로에 샘플 신호로 인가되고, 상기 Vsample 신호는 상기 샘플 앤드 홀드 회로에 클럭 신호로 인가되는 것을 특징으로 한다.

상기 컨트롤 IC는 상기 PWM 생성부에서 출력되는 신호의 레벨을 시프트하는 레벨 시프터와 상기 레벨 시프터에서 출력되는 신호를 구동하여 상기 전력 스위치 구동 신호 Vgate를 출력하는 구동 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따르면, 전압정보를 정확하게 감지하여 출력 전압에 따라 컨버터 동작을 안정적으로 조정할 수 있는 전원 공급 시스템을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전원 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 제어 회로를 나타낸 회로도이다.
도 3 은 도 2의 회로의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예가 적용될 수 있는 전원 공급 시스템(1)을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 전원 공급 시스템(1)은 플라이백 컨버터(flyback converter)로 구현되어 있다. 그러나 이는 본 발명의 일 실시예일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

전원 공급 시스템(1)은 브릿지 정류 다이오드(10), 전력 스위치(M), 컨트롤 IC(100), 트랜스포머(20)를 포함한다. 브릿지 정류 다이오드(10)는 교류 입력을 정류하여 입력 전압(Vin)을 생성한다. 브릿지 정류 다이오드(10)는 4개의 다이오드를 포함한다. 평활 커패시터(C1)는 입력 전압(Vin)의 리플 성분을 평활시킨다. 트랜스포머(20)는 입력전압(Vin)에 의해 발생하는 1차측 전력을 변환하여 2차측으로 전달한다. 트랜스포머(20)는 1차측에 위치하는 제1코일(CO1), 2차측에 위치하는 제2코일(CO2) 및 보조코일(CO3)을 포함한다. 제1코일(CO1)은 입력전압(Vin)이 전달되는 일단 및 전력 스위치(M)에 연결되는 타단을 포함한다. 제2코일(CO2)와 보조코일(CO3)은 2차측에 형성되어 있고, 1차측으로부터 전달되는 전력에 의해 제2코일(CO2)에 전압 및 전류가 발생한다. 1차측과 2차측은 서로 절연되어 있다. 1차측 코일의 권선수와 2차측 코일의 권선수에 따라 권선비가 결정된다. 트랜스포머(20)의 제1코일(CO1)의 전압 V1 및 제2코일(CO2)의 전압 V2 간의 비는 권선비에 비례하고, 1차측 코일의 전류와 2차측 코일의 전류 간의 비는 권선비에 반비례한다. 보조코일(CO3)은 제1코일(CO1)과 소정의 권선비를 가지고 절연 커플링 되어 있다. 보조코일(CO3)의 일단은 저항(R2)의 일단에 연결되어 있고, 보조코일(CO3)의 타단은 접지되어 있다. 저항(R2)의 타단은 컨트롤 IC(100)에 연결되어 피드백 전압(VFB)을 입력한다.

본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치는 플라이백 컨버터로 구현되어 입력전압을 출력 전력으로 변환하는 수단으로 트랜스포머(20)를 포함하고 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 플라이백 컨버터 대신 다른 컨버터가 사용될 수 있다.

정류 다이오드(D1)는 제2코일(CO2)의 일단에 연결어 있는 애노드 전극 및 출력 커패시터(C4)의 일단에 연결되어 있는 캐소드 전극을 포함한다. 정류 다이오드(D1)는 제2코일에 흐르는 전류(I2)를 정류한다. 정류 다이오드(D1)를 통해 흐르는 전류(IR)는 부하에 공급되거나 출력 커패시터(C4)를 충전시킨다. 출력 커패시터(C4)는 전류(IR)에 의해 충전되거나, 부하에 전류를 공급하기 위하여 출력된다.

전력 스위치(M)는 제1코일(CO1)에 연결되어 있고, 전력 스위치(M)의 스위칭 동작에 의해 제1 코일(M)에 흐르는 전류(I1)가 제어된다. 전류(I1)는 전력 스위치가 턴온되어 있는 기간동안 증가하고, 전력 스위치(M)가 턴 오프되어 있는 기간 동안 흐르지 않는다. 전력 스위치(M)가 턴온되어 있는 기간 동안, 전류이 증가하면서, 제1 코일(CO1)에 에너지가 저장된다. 이때, 정류 다이오드(D1)는 오프 상태이므로, 제2 코일(CO2)에는 전류가 흐르지 않는다. 전력 스위치(M)가 턴오프 되어 있는 기간 동안, 제2 코일(CO2)의 전류(I2)는 제2 코일(CO2)에서 정류 다이오드(D1)의 애노드 전극으로 흐르고, 정류 다이오드(D1)를 통해 정류되어 전류(IR)가 발생한다.

본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 시스템(1)은 일정한 출력 전압(Vout) 및 일정한 출력 전류(Iout) 제어가 필요한 부하에 전력을 공급할 수 있다.

따라서, 컨트롤 IC(100)는 입력 전압(Vin)에 대한 피드백 정보를 입력받고, 출력 전압(Vout) 및 출력 전류(Iout)가 일정하도록 전력 스위치(M)의 스위칭 동작을 제어한다. 출력 전류(Iout) 또는 출력 전압(Vout)이 적정 레벨 이상으로 증가하면, 컨트롤 IC(100)는 전력 스위치(M)의 듀티를 감소시켜 2차측으로 전달되는 전력을 감소시킬 수 있다. 반대로 출력 전압(Vout)이 적정 레벨 이하로 감소하면, 컨트롤 IC(100)는 전력 스위치(M)의 듀티를 증가시켜 2차측으로 전달되는 전력을 증가시킬 수 있다. 이와 같은 동작에 의해 출력 전압 및 출력 전류를 제어할 수 있다. 컨트롤 IC(100)의 동작에 필요한 전원 전압은 저항(R1)에 의해 생성된다.

컨트롤 IC(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 피드백 감지부(110), PWM 생성부(120), 구동 출력부(130)를 포함한다.

피드백 감지부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이 비교기(Comp), 인버터(INV), NOR 게이트(NOR), SR 래치(111)를 포함한다. 비교기(Comp)는 VFB와 VFB를 딜레이한 신호를 비교하여 SR 래치(111)에 전달하고, NOR 게이트(NOR)는 VGS의 falling edge를 감지하여 VGS_delay 신호를 생성한다. SR 래치(111)는 Vsample 신호를 생성한다. 즉, 피드백 감지부(110)는 VGS가 인가되면 VGS의 폴링 에지(falling edge) 감지하여 VGS_delay 신호 생성하고, VGS_delay 신호가 RS 래치(111)를 세트 시킨다(Vsample ON). VGS가 off 된 후 보조 권선에서 VFB가 인가되고 VFB와 VFB를 딜레이 시킨 Vdelay 신호를 비교기로 비교하여 Vkp_delay 신호를 생성한다. Vkp_delay의 첫 번째 신호가 RS 래치(111)를 리셋 시킨다. RS 래치(111)의 세트, 리셋으로 생성된 신호 Vsample은 후술할 샘플앤드홀드 회로(sample & hold)에 클럭 신호로 인가된다. 피드백 감지부(110)의 타이밍 그래프가 도 4에 도시된다.

PWM 생성부(120)는 샘플앤드홀드 회로(sample & hold)와 증폭기(Op amp), 톱니파 생성기(sawtooth generator), 비교기(Comp)를 포함한다. 샘플앤드홀드 회로는 Vsample이 클럭신호로 인가되고, Vdelay 신호가 샘플신호로 인가된다. 샘플앤홀드 회로는 다음 주기까지 전압을 유지한다. 이렇게 유지된 전압은 증폭기(Op amp)를 통해 증폭하고, 비교기(comp)에 의해 톱니파 생성기(sawtooth generator)에 의해 생성된 톱니파와 비교되고, 비교된 신호가 PWM을 조정하게 된다. PWM 생성부(120) 출력 신호는 구동 출력부(130)에 인가되고 구동출력부(130)는 레벨 시프터(level shifter)와 드라이버(driver)를 구비하여 스위치(M) 구동 신호 Vgate를 출력한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤 IC(110)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따르면 보조 코일(CO3)을 통해 간접적으로 가져온 전압(VFB) 정보 원래 신호와 그것을 지연시킨 신호(VFB_delay)를 만들어 비교기를 통해 비교하고 비교기가 ON되는 순간을 정확한 전압정보로 가지고 있는 구간으로 감지하게 된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 전압정보를 정확하게 감지하여 출력 전압에 따라 컨버터 동작을 안정적으로 조정할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 2차측에 추가적인 제어회로를 필요로 하지 않아 대기 전력에 따른 전력 손실을 방지할 수 있다.

Claims

입력 전압을 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 출력 전력으로 변환하는 전원 공급 시스템에 있어서,
상기 입력 전압을 출력 전력으로 변환하는 트랜스포머;
상기 트랜스포머를 스위칭하는 전력 스위치; 및
상기 트랜스포머는 2차측에 보조코일을 포함하고, 상기 보조코일로부터 인가되는 피드백 신호와 상기 보조코일로부터 인가되는 상기 피드백 신호를 지연시킨 신호를 비교기를 통해 비교하여 상기 비교기가 온 되는 때의 전압 정보에 따라 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤 IC를 포함하는 전원 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전원 공급 시스템은 피드백 컨버터를 포함하는 전원 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 컨트롤 IC는,
상기 2차측 보조 코일에서 인가되는 상기 피드백 신호를 그 지연신호와 비교하는 비교기, VGS 폴링 에지를 감지하여 VGS 딜레이 신호를 생성하는 인버터와 NOR 게이트, 상기 비교기와 상기 NOR 게이트로부터 세트 리셋 신호를 인가받아 출력 전압 감지 정보를 출력하는 SR 래치로 구성된 피드백 감지부를 포함하는 전원 공급 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 피드백 감지부는 VGS가 인가되면 VGS의 폴링 에지를 감지하여 VGS 딜레이 신호를 생성하고, 상기 VGS 딜레이 신호가 RS 래치를 세트 시키고, VGS가 오프된 후 상기 2차측 보조 코일에서 상기 피드백 신호가 인가되고 상기 피드백 신호와 상기 피드백 신호를 딜레이 시킨 피드백 딜레이 신호를 비교기로 비교하여 Vkp_delay 신호를 생성하고, 상기 Vkp_delay의 첫번째 신호가 상기 RS 래치를 리셋 시키고, 상기 RS는 상기 세트 리셋 신호로 생성된 Vsample을 출력하는 전원 공급 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 컨트롤 IC는, 상기 피드백 감지부로부터 Vkp delay 신호와 Vsample 신호를 인가받는 샘플 앤드 홀드 회로, 상기 샘플 앤드 홀드 회로의 출력 신호를 증폭하는 증폭기, 톱니파 생성기, 상기 증폭기 출력 신호와 상기 톱니파 생성기에서 출력되는 톱니파를 비교하여 PWM 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 PWM 생성부를 포함하는 전원 공급 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 피드백 감지부에서 출력되는 상기 피드백 딜레이 신호는 상기 샘플 앤드 홀드 회로에 샘플 신호로 인가되고, 상기 Vsample 신호는 상기 샘플 앤드 홀드 회로에 클럭 신호로 인가되는 전원 공급 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 컨트롤 IC는 상기 PWM 생성부에서 출력되는 신호의 레벨을 시프트하는 레벨 시프터와 상기 레벨 시프터에서 출력되는 신호를 구동하여 상기 전력 스위치 구동 신호 Vgate를 출력하는 구동 출력부를 더 포함하는 전원 공급 시스템.