KR20000040964A - 입력조정이 가능한 압전소자 구동회로 - Google Patents

Abstract

입력조정(Input line-regulation)이 가능한 압전소자 구동회로에 관한 것으로서,스위칭소자의 개수를 줄이고 DC-DC컨버터를 사용하지 않고,입력전압이 넓게 변화해도 PCT구동회로가 필요로하는 일정한 전압을 얻을 수 있는 압전소자 구동회로를 제공하기 위해, 입력전압의 변동에 따른 최대출력전류를 생성하기 위한 압전소자 구동회로로서, 램프, 램프를 기동하는 압전소자, 압전소자를 구동하는 PCT구동수단, 출력전압을 정류하는 배전압정류기, 디밍전압과 출력전류를 가산하여 오차신호를 출력하는 증폭수단, 배전압정류기의 입력신호와 PCT구동수단의 입력신호의 위상을 비교하는 위상검파수단 및 위상검파수단에서의 출력신호와 증폭수단에서의 출력신호에 따라 PCT구동수단에 공급되는 신호의 듀티비를 제어하여 입력전압이 Vmin에서 Vmax까지 변화하더라도 기본주파수 성분의 전폭은 항상 일정하게 얻을 수 있는 변조수단을 구비하는 것으로 하였다.

이와 같이 하는 것에 의해, 온도나 외부환경에 영향을 받지 않고 스위칭소자의 부품개수를 감소시켜 인버터를 소형화시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

입력조정이 가능한 압전소자 구동회로

본 발명은 압전소자 구동회로 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 특히 DC-DC컨버터를 사용하지 않는 압전소자 구동회로 및 그 제어방법에 관한 것이다.

최근 들어 액정디스플레이(LCD)를 채용한 노트북 컴퓨터의 소형화 및 박형화의 기술이 급속도로 발전됨에 따라 이 액정 디스플레이 장치에 필수적으로 사용되어지는 백라이트(Back light)인버터의 소형화 및 고효율화가 매우 필요하게 되었다.

그러나, 종래의 백라이트용 DC-AC인버터에 사용되어 지는 마그네틱 트랜스(Magnetic transformer)는 소형화 및 고효율화의 한계점을 가지고 있다.

이를 개선하기 위해 수년전부터 PCT(PIEZO-CERAMIC TRANSFORMER)를 이용한 인버터가 연구되고 있으나 일반적으로 구동회로가 복잡한 문제와 입력전압의 가변범위가 넓은 응용회로에서 PCT구동회로에 가해지는 전압을 일정하게 유지해 주기 위한 또 하나의 DC-DC 컨버터가 필요한 문제점을 안고 있었다.

즉, 지금까지 실용화되고 있는 PCT인버터의 일반적인 형태로는

1. 벅 또는 부스트(BUCK or BOOST) DC-DC컨버터 + 푸시풀 인버터

2. DC-DC컨버터 + 싱글엔드(SINGLE-ENDED) 준공진형 인버터

3. DC-DC컨버터 + 하프브리지 인버터

4. DC-DC컨버터 + 플라이백 싱글 엔드 준 공진형 인버터

등과 같은 것이 있으나 모두 2단 인버터로 동작되고 있어 각 단마다 별도의 스위칭소자와 제어회로를 사용해야 하므로 회로가 매우 복잡해진다.

도 6은 하프브리지 인버터를 채용한 종래의 압전소자 구동회로이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 입력전압이 V_max에서 V_min까지 변할 때 A점에서 일정한 전압을 만들어 PCT구동용 스위칭소자인 트랜지스터 Q₁, Q₂에 공급을 하고 제어회로(2)에서는 트랜지스터Q₁, Q₂의 ON/OFF시간의 비율을 항상 일정하게 제어하여 PCT입력단자인 B점을 일정한 전압으로 구동하여 램프를 동작시키고 있다.

이러한 회로의 복잡성을 피하기 위해 반도체회사에서는 여러 제어회로를 하나의 칩속에 집적화하여 1단의 DC-AC 인버터 개념으로 사용하고 있으나 이것 역시 여러 스위칭소자를 사용해야 하는 단점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 스위칭소자의 개수를 줄이고 DC-DC컨버터를 사용하지 않는 압전소자 구동회로 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 입력전압이 넓게 변화해도 PCT구동회로가 필요로 하는 일정한 전압을 얻을 수 있는 압전소자 구동회로 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 인버터의 부수적기능으로 출력전류를 가변시켜 액정 디스플레이 백라이트의 밝기를 가변시키는 새로운 제광(DIMMING)개념과 PCT가 주변의 온도 및 충격에 의해 순간적으로 공진주파수와 회로의 동작주파수가 왜곡되어 자동적으로 공진주파수를 추적하는 압전소자 구동회로 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 압전소자 구동회로의 블럭도,

도 2는 본 발명에 따른 PCT구동부의 회로도,

도 3은 도 2에 도시된 입력전압에 따른 B점의 파형도,

도 4는 도 3에 도시된 파형을 푸리에급수로 전개하기 위한 개념도,

도 5는 PCT이 주파수에 대한 입출력승압비의 특성곡선을 도시한 도면,

도 6은 종래의 압전소자 구동회로도.

※ 도면의 주요부분에 따른 부호의 설명 ※

1…배전압정류기, 2…가산증폭기, 3…듀티비제어기 ,

4…위상검파기, 5…VCO, 6…톱니파발생기,

7…PWM변조기, 8…PCT구동부.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 압전소자 구동회로는 입력전압의 변동에 따른 최대출력전류를 생성하기 위한 압전소자 구동회로로서, 램프,상기 램프를 기동하는 압전소자,상기 압전소자를 구동하는 PCT구동수단, 출력전압을 정류하는 배전압정류기, 디밍전압과 출력전류를 가산하여 오차신호를 출력하는 증폭수단,상기 배전압정류기의 입력신호와 상기 PCT구동수단의 입력신호의 위상을 비교하는 위상검파수단 및 상기 위상검파수단에서의 출력신호와 상기 증폭수단에서의 출력신호에 따라 상기 PCT구동수단에 공급되는 신호의 듀티비를 제어하여 입력전압이 Vmin에서 Vmax까지 변화하더라도 기본주파수 성분의 진폭을 항상 일정하게 얻을 수 있는 변조수단을 구비하는 것으로 하였다.

압전소자 구동회로의 디밍제어방법으로서, 임의의 입력전압 Vx에서 최대출력전류 Iomax를 생성하는 Dx (여기서, Dx는 임의의 전압 Vx에서 한주기에 대한 스위치 도통시간의 비를 의미한다)를 결정하고,

상기 디밍을 위해 상기 Dx의 값을 좁혀서 원하는 밝기 만큼의 전류를 흐르게한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 구체적으로 설명한다. 또한, 본원의 도면에 있어서 동일부호는 동일부분을 나타내며 그 반복적인 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 압전소자 구동회로의 블럭도이다.

도 1에 있어서, (1)은 출력전압을 정류하는 배전압정류기, (2)는 디밍전압과 출력전류를 가산하여 출력신호를 생성하는 가산증폭기, (3)은 가산증폭기(2)에서 출력된 신호에 의해 듀티비를 제어하는 듀티비제어기, (4)는 후에 기술하는 PCT구동부(8)과 배전압정류기(1)의 출력신호의 상대적위상을 검출하는 위상검파기이다.

(5)는 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)로서, 위상검파기(4)의 출력신호에서 제어전압으로 발진주파수를 변화시킨다. (6)은 VCO(5)에서 출력된 전압 또는 전류를 시간에 비례하는 톱니파를 형성하는 톱니파발생기이고, (7)은 PWM(Pulse Width Modulation)변조기로서, 듀티비제어기(3)의 출력과 톱니파발생기의 출력에 따라 주기적인 펄스폭으로 변화시켜 출력한다. (8)은 PCT구동부로서, 구체적인 설명은 도 2에 따라 후술한다.

(9)는 압전세라믹트랜스(PCT : PIEZO-CERAMIC TRANSFORMER)이고, (10)은 램프이다.

다음에, 도 2에 따라 PCT구동부(8)에 대해 구체적으로 기술한다.

PCT구동부(8)은 인버터, 2개의 트랜지스터 Q₁, Q₂및 LC필터로 이루어진다.

도 2의 기본구조는 도 6에 도시된 종래의 기술과 유사하지만, 트랜지스터 Q₁, Q₂의 온, 오프 제어방법이 전혀 상이하다. 또, 도 6의 구조에 있어서는 구동트랜스를 사용해야 하지만, 도 2의 구조에서는 구동트랜스를 사용하지 않는다.

또한, 도 6의 구조에서는 A점에서 입력전압을 조절하여 항상 일정한 전압을 공급해야 한다. 그러나, 본 발명에 따른 구성에 있어서는 A점에 변화하는 입력전압이 그대로 공급되어도 B점에서 항상 일정한 전압이 출력되도록 제어회로가 구성되는 것이다.

즉, 도 2에 있어서 트랜지스터 Q₁, Q₂가 온, 오프하는 동작상태는 매 한 주기마다 트랜지스터 Q₁이 온하면 나머지 주기는 반드시 트랜지스터 Q₂가 온되는, 즉 입력전압의 변화에 대해 온, 오프 시간이 서로 다르게 조정되도록 해야 한다.

B점에서 파형은 도 4에 도시한 바와 같다.

즉, 입력전압이 높을 때에는 트랜지스터 Q₁의 온시간이 짧고,입력전압이 낮을 때에는 반대로 트랜지스터 Q₁의 온시간을 길게 제어하여 아래와 같은 이론을 추출할 수 있다. 도 3의 파형을 도 4를 참조하여 푸리에급수로 전개하면 다음과 같다.

b_K= 0 [ ∵f(t)는 우함수(EVEN FUNCTION)]

식 1에서

이 때, A는 V_min전압에서 V_max전압까지 변화를 한다. 만일, V_min전압에서 트랜지스터Q₁의 온시간, 펄스폭과 펄스주기와의 비인 듀티비D를 D₁(D_{1, max}≤50%)가 되게 조절을 하고, 입력전압이 V_max전압까지 변화할 때 이 D값에 해당하는 전압파형을 푸리에급수전개를 하였을 때 기본파성분의 크기가 같아지도록 D값을 제어하면, 입력전압V에 관계없이 항상 같은 기본파 주파수 성분, 즉 a₁₁=a₁₂를 얻을 수 있게 된다.

즉, 입력전압이 V_min과 V_max범위내로 변할 때 항상 일정한 진폭의 기본파 주파수 성분을 얻을 수 있어 입력조정(Input line-regulaiton)이 가능하게 된다. 이를 수식으로 전개하면 아래와 같다.

일반적으로 로 표시된다.

여기서, a₁₁=a_1x가 되도록 Dx를 구하면,

상기 식 3은 임의의 입력전압 V_X에서 V_min과 D₁로 얻어지는 기본주파수 성분의 진폭과 같은 진폭을 얻을 수 있는 듀티비를 계산하는 일반해다.

하기의 표 1은 입력전압에 대한 펄스폭의 비로서, 상술한 일반해로 구한 몇가지의 해를 나타낸 것이다.

Vx	듀 티 비( Dx )
8V	50%	28%	16. 9%
10V	29. 5%	21. 2%	13. 3%
12V	23. 2%	17. 2%	10. 9%
14V	19. 3%	14. 6%	9. 4%
16V	16. 6%	12. 6%	8. 2%
18V	14. 6%	11. 1%	7. 2%
20V	13. 0%	10%	6. 5%
a1(rms)	3. 6V	2. 78V	1. 82V

(Dx : 임의의 전압Vx에서 한주기T에 대한 스위치 도통시간DT의 비)

즉, 도 2에서 B점파형을 8V, 50%, 10V, 29. 5%, … 20V, 13%가 되도록 PWM변조기(7)에서 도통시간 비를 제어하고 PCT구동부(8)내의 LC필터로 기본주파수 성분만 통과시키면, C점에는 항상 a₁=3. 6V_rms가 되는 정현파를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 이 정현파 전압으로 램프(10)의 부하에 원하는 전류I_omax를 흐르게 하는 PCT구동부(8)을 설계하여 초단의 DC-DC컨버터를 사용하지 않고도 넓은 범위의 입력전압을 조정할 수 있는 DC-AC인버터를 설계할 수 있다.

다음에, 본 발명에 따른 디밍(dimming)방법을 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 구동회로는 입력전압의 변동에 따른 최대출력전류I_omax를 내기 위해 듀티비를 조정하게 한다. 임의의 전압V_x에서 최대출력전류I_omax를 낼 수 있는 D_x가 결정되면, 본 발명에서는 디밍을 위해 다시 이 D_x값을 좁혀서 원하는 밝기만큼의 전류를 흐르게 하는 것이다.

즉, 도 1에 있어서, 듀티비제어기(3)의 출력신호가 PWM변조기(7)에서 D_X를 좁혀주는 방향으로 배전압정류기(1)과 가산증폭기(2)를 설계한다.

다음에, PCT의 최적주파수를 찾는 방법에 대해 도 5을 참조해서 설명한다.

도 5에 있어서, fo는 PCT공진주파수이고, fr은 동작주파수이다.

일반적으로, PCT의 최대승압비는 회로의 동작주파수(fr)가 PCT의 공진주파수(fo)와 일치할 때 얻어진다. 그러나, fo=fr이 되게 회로를 동작시키면 VCO와 PCT의 온도특성 및 외부환경 등이 요인에 의해 VCO의 동작주파수가 fo보다 조금 낮은 주파수에서 동작할 수도 있다.

이 경우에는 PCT자체의 효율이 떨어지게 되므로 본 발명의 인버터는 동작주파수가 PCT공진주파수보다 항상 조금 높은 주파수에서 동작하도록 하였다.

이를 위해 본 발명에서는 도 1에 도시한 바와 같이, PCT 입력전압 파형과 출력파형의 위상을 비교하는 위상검파기(4)를 마련하여 온도나 외부환경에 의해 PCT공진주파수가 어긋나도 항상fr>fo가 되는 회로동작주파수로 동작하게 처리한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 압전소자 구동회로에 의하면, 온도나 외부환경에 영향을 받지 않고 스위칭소자의 부품개수를 감소시켜 인버터를 소형화시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 상기 실시예에 따라서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러가지로 변경가능한 것은 물론이다.

Claims (5)

1. 입력전압의 변동에 따른 최대출력전류를 생성하기 위한 압전소자 구동회로로서,

   램프,

   상기 램프를 기동하는 압전소자,

   상기 압전소자를 구동하는 PCT구동수단,

   출력전압을 정류하는 배전압정류기,

   디밍전압과 출력전류를 가산하여 오차신호를 출력하는 증폭수단,

   상기 배전압정류기의 입력신호와 상기 PCT구동수단의 입력신호의 위상을 비교하는 위상검파수단 및

   상기 위상검파수단에서의 출력신호와 상기 증폭수단에서의 출력신호에 따라 상기 PCT구동수단에 공급되는 신호의 듀티비를 제어하여 입력전압이 Vmin에서 Vmax까지 변화하더라도 기본주파수 성분의 진폭을 항상 일정하게 얻을 수 있는 변조수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자 구동회로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 PCT구동수단은 인버터, 2개의 트랜지스터 및 LC필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자 구동회로.
3. 제1항에 있어서,

   상기 위상검파수단은 동작주파수fr>PCT공진주파수fo의 관계가 만족하도록 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 압전소자 구동회로.
4. 압전소자 구동회로의 디밍제어방법으로서, 임의의 입력전압 Vx에서 최대출력전류 Iomax를 생성하는 Dx (여기서, Dx는 임의의 전압 Vx에서 한주기에 대한 스위치 도통시간의 비를 의미한다)를 결정하는 스텝과,

   상기 디밍을 위해 상기 Dx의 값을 좁혀서 원하는 밝기 만큼의 전류를 흐르게하는 스텝을 포함하는 디밍제어방법
5. 압전소자 구동회로의 듀티비 산출방법으로서, 임의의 입력전압 Vx에서 Vmin 과 D₁로 얻어지는 기본주파수 성분의 진폭과 같은 진폭을 하기에 식에 의해 구하는 듀티비 산출방법

   Dx =

   (여기서, Dx는 임의의 전압 Vx에서 한주기에 대한 스위치 도통시간의 비)