안정기 집적회로 document_id A220623010224

본 발명은 형광등 구동을 위한 안정기 집적회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부하의 특성에 따라서 자동으로 데드-타임(dead-time)을 조절할 수 있는 안정기 집적회로에 관한 것이다. 도 1은 일반적인 안정기 집적회로를 이용한 형광등 구동회로를 나타내 보인 회로도이다. 그리고 도 2는 도 1의 안정기 집적회로의 동작을 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다. 도 2에서 가로축 및 세로축은 각각 주파수 및 진폭(magnitude)을 나타낸다. 먼저 도 1을 참조하면, 형광등(100)을 구동하기 위한 인버터 회로는, 안정기 집적회로(Ballast IC)(110)에 의해 구동되는 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)를 포함한다. 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)는 n채널형 모스(MOS) 트랜지스터이다. 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)의 게이트단자는 안정기 집적회로(110)에 연결된다. 제1 스위칭소자(121)의 드레인단자에는 직류전압(VDC)이 입력되고, 소스단자는 제1 스위칭소자(122)의 드레인단자 및 출력노드(a)에 연결된다. 제2 스위칭소자(122)의 드레인단자는 제1 스위칭소자(121)의 소스단자 및 출력노드(a)에 연결되고, 드레인단자는 접지에 연결된다. 상기 출력노드(a)와 형광등(100) 사이에는 공진을 위한 제1 공진커패시터(CS)가 배치되고, 형광등(100)과 병렬로는 제2 공진커패시터(CP)가 배치된다. 출력노드(a)와 제1 공진커패시터(CS) 사이에는 전류제한을 위한 인덕터(L)가 배치되고, 이 인덕터(L)와 병렬로는 차지펌프에서 사용하는 등가커패시터(CCP)가 배치된다. 이와 같은 구동회로는, 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)를 구동하여 출력노드(a)에 구형파의 교류 출력전압(VO)이 발생되도록 함으로써 형광등(100)을 구동한다. 이때 상기 안정기 집적회로(110)는 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)를 구동하는데 있어서, 형광등의 부저항(negative impedance) 특성을 보상하여 전류를 안정화시키는 역할을 수행한다. 이와 같은 회로에서 형광등(100)을 하나의 부하저항(RL)으로 간주할 수 있으며, 이 경우 부하저항(RL)과 제2 공진커패시터(CP)는 서로 병렬연결된다. 따라서 인덕터(L), 제1 및 제2 공진커패시터(CS, CP) 및 부하저항(RL)으로 구성되는 공진회로의 특성은 부하저항(RL)의 크기에 따라서 여러 가지 형태로 변형된다. 이와 같은 부하저항(RL)의 크기에 따라 공진회로의 특성이 변화되고, 공진회로의 특성변화에 따라 안정기 집적회로는 3가지 모드로 동작한다. 즉 도 2를 참조하면, 형광등(100)이 점등되지 않은 경우는 전류가 흐르지 않는 경우이므로 부하저항(RL)이 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 이 경우에는 부하저항(RL)이 100k인 경우(도면에서 참조부호 "210"으로 나타낸 그래프)와 같이 매우 급한 기울기와 매우 큰 공진 피크값을 갖는다. 그러나 형광등(100)이 점등되면, 부하저항(RL)이 낮아지고, 따라서 부하저항(RL)이 10k인 경우(도면에서 참조부호 "220"으로 나타낸 그래프), 부하저항(RL)이 1k인 경우(도면에서 참조부호 "230"으로 나타낸 그래프) 및 부하저항(RL)이 500인 경우(도면에서 참조부호 "240"으로 나타낸 그래프)와 같이, 공진 피크값이 낮아지면서 공진 주파수가 점점 더 낮은 주파수로 이동하게 된다. 이와 같은 공진특성에 따라서 안정기 집적회로는 3가지 모드로 형광등(100)이 구동되도록 한다. 즉 먼저 예열모드(preheating mode)로 형광등(100)을 구동시키고, 이어서 점등모드(ignition mode)로 형광등(100)을 구동시키며, 그리고 끝으로 구동모드(running mode)로 형광등(100)을 구동시킨다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 예열모드는, 도면에서 "A"로 나타낸 바와 같이, 부하저항(RL)이 매우 클 때의 공진 주파수보다 높은 주파수로 형광등(100)을 구동하는 단계다. 이 예열모드에서 전류는 형광등(100)을 통해 흐르지 않고 형광등(100) 내의 필라멘트와 제2 공진커패시터(CP)를 통해 흐른다. 이 전류에 의해 필라멘트는 열전자가 잘 방출될 수 있는 상태가 된다. 다음에 상기 점등모드는, 도면에서 "B"로 나타낸 바와 같이, 충분한 예열후 예열모드의 시간보다 충분히 빠른 속도로 주파수를 낮추게됨에 따라 증가되는 형광등(100)의 양단전압(VL)에 의해 형광등(100)이 점등하는 단계이다. 그리고 상기 구동모드는, 형광등(100)의 수명이 다하거나, 형광등(100)에 이상이 생기거나, 회로에 이상이 생기지 않는 한 일정한 주파수로 구동되도록 하는 단계이다. 이 구동모드에서는, 도면에서 "C"로 나타낸 바와 같이, 형광등(100)이 점등되고 난 후이므로 낮아지는 부하저항(RL)에 따라서 공진 피크값도 낮아지고, 공진회로의 Q 인자(Quality factor)가 낮아진다. 이때의 구동 주파수는 형광등(100)의 저항이 무한대일 때의 공진회로의 공진 주파수보다 약간 낮은 주파수로 설정되는 것이 일반적이다. 한편 상기와 같은 구동회로는 영전압스위칭(zero voltage switching) 제어를 채택하는데, 일반적으로 영전압스위칭은 모스 트랜지스터의 드레인과 소스의 전압차가 거의 0일 때 모스 트랜지스터를 턴-온 시켜 도통손실(conduction loss)과 전자기적 간섭(EMI; ElectroMagnetic Interference)을 최소화하는 스위칭기법을 의미한다. 통상적으로 영전압스위칭에 실패하는 경우는 부하저항(RL)이 매우 크거나, 없거나, 또는 비정상적으로 클 때이다. 어떠한 경우든지 부하저항(RL)이 매우 큰 상태이다. 이 상태에서는 공진회로의 공진 주파수가 구동 모드 주파수보다 높은 주파수에 위치하게 된다. 따라서 공진회로를 기준으로 공진 주파수보다 낮은 주파수로 구동하게 된다. 이때 공진회로는 마치 커패시터 부하(capacitive load)와 유사하게 동작하므로 인덕터(L)의 전류가 출력전압(VO)의 위상보다 빠르게 되며, 이에 따라 영전압스위칭이 일어나지 않고 하드 스위칭(hard switching)이 일어나게 된다. 하드 스위칭은, 스위칭에 의해 출력이 변화되며, 최대 전압이 인가된 상태에서 스위치가 턴-온 되는 것을 의미한다. 이 경우 손실이 매우 증가하며 스위치에 갑작스런 전류 흐름이 발생하기 때문에 전자기적 간섭이 매우 증가한다. 이와 같은 하드 스위칭이 일어나게 되면, 집적회로가 오동작하는 경우도 발생할 수 있다. 일반적으로 안정기 집적회로에서는, 구동회로의 출력에 커패시터(CCP)를 달고, 커패시터(CCP)에 흐르는 전류를 이용하여 보조전원을 만들어서, 이 보조전원에 의한 전압으로 집적회로의 동작전압을 발생시키는 경우가 많다. 이때 커패시터(CCP)의 전류는 출력전압(VO)의 상승 기울기에 의해 결정이 되는데, 만약 하드 스위칭이 발생하게 되면 이 기울기가 매우 급해져서 커패시터(CCP)의 전류가 증가하게 되고, 이 전류가 보조전원에 고압의 피크를 발생시키게 된다. 따라서 집적회로에 고주파 잡음이 실리게 되므로 집적회로의 오동작을 일으키는 원인으로 작용한다. 도 3a 내지 도 3d는 도 1의 안정기 집적회로의 영전압 스위칭 동작을 설명하기 위하여 나타내 보인 회로도이다. 그리고 도 4는 도 3a 내지 도 3d의 각 회로상태에서의 신호상태를 나타내 보인 타이밍도이다. 도 3a 내지 도 3d에서 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 요소를 나타낸다. 먼저 도 4와 함께 도 3a를 참조하면, 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)를 각각 구동하는 하이 사이드(High side) 입력신호(HIN) 및 로우 사이드(Low side) 입력신호(LIN)에 의해 제1 스위칭소자(121)만 턴-온 되어 있을 동안(T1), 인덕터(L)에는 공진전류가 흐르고 공진 주파수가 구동 주파수보다 낮은 상태, 즉 도 2에서 "C"로 나타낸 상태이므로, 공진전류는 구동전압 위상보다 느리게 되어 처음에는 "-" 방향, 즉 인덕터(L)에서 구동회로쪽으로 전류가 흐른다. 그러나 시간이 지나면서 제1 스위칭소자(121)에서 공급하는 전류에 의해 전류방향이 바뀌고 상승하게 된다. 다음에 도 4와 함께 도 3b를 참조하면, 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)가 모두 턴-오프되는 동안(Td), 인덕터(L) 전류는 커패시터(CCP)를 통해 흐르게 되고, 커패시터(CCP) 전압은 낮아지게 된다. 이 기간(Td)은 짧으므로, 인덕터(L) 전류 변동을 무시하고 직류전류라고 가정하면 출력전압(VO)은 커패시터(CCP)와 인덕터(L) 전류에 의해 거의 일정한 기울기로 감소하게 된다. 다음에 도 4와 함께 도 3c를 참조하면, 인덕터(L) 전류에 의해 커패시터(CCP) 전압이 0까지 떨어진 후에도, 인덕터(L)의 전류방향이 바뀌지 않았으므로 이 기간(T3)동안 제2 스위칭소자(122)와 병렬로 연결되는 다이오드(D2)가 온 되어 전류가 흐른다. 이때 제2 스위칭소자(122)의 드레인과 소스에는 다이오드(D2)의 온 전압이 인가된다. 다음에 도 4와 함께 도 3d를 참조하면, 커패시터(CCP) 전압이 0V가 되는 순간 또는 제2 스위칭소자(122)가 온 되는 동안(T4), 제2 스위칭소자(122)의 드레인과 소스 사이의 전압이 매우 작게 되므로, 거의 영전압스위칭 동작이 이루어지게 된다. 제2 스위칭소자(122)가 온 된다고 하여도, 기존의 전류가 흐르던 부분에 전류변동이 발생하지 않으므로, di/dt에 의한 전자기적 간섭이 발생하지 않으며, 드레인-소스 사이의 전압이 거의 0V이므로 모스 트랜지스터의 온 저항에 의한 도통손실이 발생하지 않는다. 이와 같은 데드타임은 일반적으로 안정기 집적회로에 의해 제공이 되어, 일정한 데드타임이 보장되도록 한다. 그러나 부하의 상태에 따라 데드타임이 조절되지 않음으로써 영전압스위칭동작이 정확하게 이루어지지 않을 수 있고, 이상이 발생한 경우 시스템이 보호되지 않음으로써 시스템이 안정적이지 못하다는 문제가 있다.