Recently, various handheld devices like as smart-phone, smart-pad, and notebook computer are developed and demand for these devices is gradually increasing. In order to use electronic devices, an AC/DC adapter designed for each device is needed. Therefore, demand for AC/DC adapter is also continuously increasing as that for electronic equipment increases.
Because of global warming, temperature on Earth continues to rise. As a result, people’s interest in the environment is growing and all countries of the world are strengthening CO2 regulation. Moreover, the market for power supply demands for high efficiency and high power density. To meet this requirement, the AC/DC adapter with high efficiency and high power density is also needed and developed.
The AC/DC adapter is usually connected to the wall outlets with no regard for connection state of the load system. In other words, the AC/DC adapter is often operated without the attached load system. It is generally called no-load condition. Therefore, under no-load condition, the AC/DC adapter just wastes power without any power transfer to the load system. This power consumption is called no-load power or standby power. Standby power has been considered as a waste of electric power and it’s typically 5-10 % of residential electricity use in most developed countries. To reduce standby power, many standby power reduction techniques have been proposed and applied to recent AC/DC adapter. Although the conventional AC/DC adapter with these techniques meets the current standby requirement, some countries are gradually tightening the standby requirement and some computer manufactures are asking for more stringent standby requirement.
The AC/DC adapter can be implemented with two different methods, single-stage approach and two-stage approach. In two-stage approach, the AC/DC adapter is composed with power-factor correction (PFC) stage and DC/DC stage. The PFC stage regulates input harmonic currents for international requirements like as IEC 61000-3-2. The DC/DC stage provides a galvanic isolation and a stable output voltage. For each stage function, each stage has own conversion system including power switch and controller. Consequently, the cost of two-stage approach increases because the count of component increases. This is the main disadvantage of two-stage approach. In order to reduce the cost, single-stage approach, which PFC stage and DC/DC stage are integrated with a common power switch and a controller, has been proposed. However, single-stage approach has a link capacitor voltage problem at high input voltage and light load condition. To solve this problem, many single-stage approaches without link capacitor voltage problem have been proposed. Unfortunately, each approach has one or more disadvantages.
In this dissertation, to overcome before-mentioned problems and meet the latest stringent requirements in AC/DC adapter, the research is focused on no-load power reduction techniques and single-stage power-factor-correction converter for AC/DC adapter. In addition, non-isolated dc/dc converter for digital audio amplifier, leakage current reduction method and active-clamp forward converter with asymmetric transformer turns for reducing transformer DC offset current are studied. The research is divided into three parts as follows.
Part I. No-Load Power Reduction Technique For AC/DC Adapter
No-load power consumption is considered as energy waste, because it is consumed by AC/DC adapter without power transfer to the load system. To reduce no-load power consumption, the burst-mode control and high voltage start-up circuit have been proposed. While using conventional method, to further reduce no-load power consumption, three types of no-load power reduction techniques are proposed.
I-1. No-load power reduction technique for AC/DC adapter
I-2. Single switching double powering converter for reducing power consumption of AC/DC adapter in standby mode
I-3. Zero no-load power AC/DC adapter for electronic equipment with embedded battery
Part II. Single-Stage Power-Factor-Correction Converter For AC/DC Adapters
Single-stage power-factor-correction (SSPFC) converter is used for low power applications, because of simple structure and low cost. However, since conventional SSPFC converter has a link capacitor voltage problem at high line input voltage and light load condition, it has a high voltage stress at power switch and link capacitor. To overcome this problem, a novel approach for link capacitor voltage problem is proposed. Moreover, based on the proposed approach, a new SSPFC converter is proposed.
II-1. Novel Approach for Link Capacitor Voltage Problem (LCVP) in Single-Stage Power-Factor-Correction (SSPFC) Converter
It is noted that the no-load power reduction techniques proposed in this dissertation have been already applied to AC/DC adapter for notebook computer and that AC/DC adapter is in mass production. Moreover, proposed other circuits and concepts can be expected to apply to various industrial applications.
Part III. Appendix
In addition to the research on no-load power reduction technique and single-stage power-factor-correction (PFC) AC/DC converter for AC/DC adapter, various kinds of topologies are studied with regard to non-isolated dc/dc converter, leakage current reduction method and transformer DC offset current reduction method as follows.
III-1. A new non-isolated ZVZCS voltage doubler rectified boost-integrated half-bridge (VDRBIHB) DC/DC converter for digital car audio amplifier power supply
III-2. Leakage Current Reduction Method for AC/DC Adapter
III-3. Active-clamp forward converter with asymmetric transformer turns for reducing transformer DC offset current
Keywords : AC/DC adapter, no-load power consumption, single-stage power-factor-correction, standby power consumption
최근 스마트폰, 스마트패드, 노트북 등 다양한 소형 전자기기들이 등장하였으며, 이들 전자기기에 대한 수요가 점차 증가하고 있는 추세이다. 다양한 소형 전자기기들의 사용을 위해서는 각각의 전자기기에 적합한 입출력 사양을 만족하는 AC/DC 어댑터가 필요하게 되며, 전자기기의 수요 증가에 따라 AC/DC 어댑터에 대한 수요 또한 지속적으로 증가하고 있다.
지속적인 지구 온난화 현상으로 인해 지구의 기온은 계속적으로 상승하고 있으며, 이에 따라 환경에 대한 사람들의 관심이 증가하고 있다. 지구 온난화 현상의 원인으로 지목 받고 있는 이산화탄소 발생량에 대한 규제가 마련되었으며, 전세계적으로 이산화탄소 발생량에 대한 규제가 강화되고 있다.
전원장치 시장은 최근의 이러한 환경에 대한 관심 증가로 인해 높은 전력밀도와 높은 효율의 전원장치를 요구하고 있다. 전원장치의 일종인 AC/DC 어댑터 또한 이러한 시장의 요구에 따라 점차 더 높은 수준의 전력밀도와 효율을 가지는 제품들이 개발되어 판매되고 있다.
AC/DC 어댑터의 경우 AC 전원에는 연결되어 있으면서 전자기기에는 연결되어 있지 않은 상태인 standby mode 혹은 무부하 조건에서 동작하는 경우가 많게 된다. 이 때 AC/DC 어댑터가 소모하는 전력을 standby power 또는 무부하 전력이라고 불리며, 최근의 전자기기 증가에 따라 standby power가 가정이나 사무실에서 소비되는 전력에서 많은 부분을 차지하고 있다. Standby power는 전자기기에 연결되지 않은 상태에서 AC/DC 어댑터가 소비하는 전력이므로 에너지 낭비 혹은 손실로 인식되어 왔다. Standby power를 줄이기 위하여 여러 기술들이 개발되어 왔으며, 최근 AC/DC 어댑터 제품들의 경우 이러한 standby power 저감 기술들이 적용되어 있다.
AC/DC 어댑터는 크게 역률 보상을 위한 power-factor-correction (PFC) 단과 일정 출력 전압을 만들어주기 위한 DC/DC 단으로 구성되는 two-stage 접근 방법과 역률 보상 및 출력 전압 제어를 동시에 해주는 single-stage 접근의 두 가지 방법이 있다. Two-stage의 경우 각 단을 위한 두 개의 제어기가 존재하며, 높은 역률과 빠른 응답 특성 등의 장점으로 높은 전력의 기기에 적합하다. Single-stage의 경우에는 하나의 제어기를 통해 제어되며, 저렴한 가격과 구조적으로 간단하다는 장점으로 낮은 전력의 기기에 적합하다. 하지만 single-stage의 경우에는 낮은 부하 조건과 높은 입력 전압 조건에서 link capacitor의 전압이 상승하는 문제를 가지고 있다. Link capacitor 전압 상승 문제를 해결하기 위해서 다양한 기술들이 개발되어 왔지만, 각각이 가지는 단점들이 존재한다.
본 논문에서는 AC/DC 어댑터의 standby power 혹은 무부하 소비 전력을 저감하기 위한 기술과 single-stage 접근 방법의 link capacitor 전압 상승 문제를 해결하기 위하여 다음과 같이 각각에 대한 연구를 진행하였다.
[1] AC/DC 어댑터를 위한 무부하 소비 전력 저감 기법
무부하 소비 전력은 부하 전자기기에 에너지 전달이 없으면서 AC/DC 어댑터에서 소비되는 전력이므로 에너지 낭비로 인식되어 왔다. 무부하 소비 전력을 줄이기 위하여 burst-mode 제어 방법, 초기 구동을 위한 high voltage start-up 회로 등이 개발되어 적용되고 있다. 기존에 개발된 기술을 그대로 사용하면서, 추가적으로 무부하 소비 전력 저감을 위한 기법들에 대해 제안하고 실험을 통하여 검증하였다.
[1-1] 부하 전자기기의 연결 상태를 판단할 수 있는 부분과 control-IC의 동작을 제어하는 부분을 추가하여 부하 전자기기의 연결에 따라 AC/DC 어댑터의 동작을 다르게 제어할 수 있는 방법을 적용하였다. 부하 연결 시에는 기존과 동일한 동작을 하게 되며, 무부하 상태에서는 출력전압의 최소값을 낮추어주고, control-IC를 동작시키지 않음으로써 출력전압 제어 회로에서 발생하는 손실 저감과 control-IC에서 발생하는 손실을 저감할 수 있었다.
[1-2] 기존 flyback 컨버터의 transformer에 forward type의 권선을 추가하여 한 번의 스위칭 동작이 일어나는 동안 flyback type과 forward type 두 번의 전력전달 경로를 제공함으로써, 더 적은 스위칭 동작을 통해서도 동일 전력 전달이 가능하였다. 스위칭 횟수의 저감을 통하여 스위칭 손실을 줄일 수 있었다.
[1-3] 내장형 배터리를 가지는 부하 전자기기에서 내장형 배터리를 부하 연결 유/무에 대한 신호로 사용하여 부하 전자기기가 연결되어 있는 경우에만 AC/DC 어댑터를 동작시킴으로써 무부하 상태에서 AC/DC 어댑터의 전력 소비를 이론적으로 ‘0’으로 만들 수 있었다.
[2] AC/DC 어댑터를 위한 단일단 역률 보상 컨버터
단일단 역률 보상 컨버터의 경우 간단한 구조와 낮은 비용 등의 장점으로 인해 낮은 전력을 요구하는 전자기기들에 적용되어 왔다. 하지만 높은 입력 전압과 낮은 부하 조건에서 link capacitor 전압 상승으로 인해 소자들의 전압 스트레스가 문제이다. 이를 해결하기 위하여 link capacitor 전압 상승 문제에 대한 새로운 접근 방법을 연구하였고, 이를 통하여 새로운 형태의 단일단 역률 보상 컨버터를 제안하고 실험을 통하여 검증하였다.
[2-1] Link capacitor 전압 상승 문제를 단일단 역률 보상 컨버터에서 DC/DC stage의 입출력 전압 변환비의 특성을 통하여 해석하였으며, 이를 바탕으로 스위치의 duty ratio에 의존적이지 않는 입출력 전압 변환비 특성을 가지는 DC/DC stage를 단일단 역률 보상 컨버터에 적용하여 link capacitor 전압 상승 문제를 해결하였다.
본 논문에서는 AC/DC 어댑터를 위한 무부하 소비전력 저감 기법과 단일단 역률 보상 컨버터에 관하여 연구하였다. 또한, 디지털 오디오 앰프를 위한 컨버터와 누설전류 저감 방법 및 transformer 자화전류의 DC offset을 줄이기 위한 방법에 대하여 연구하였다. 본 논문에서 제안된 무부하 소비전력 저감 기법의 경우 이미 노트북용 AC/DC 어댑터에 적용되어 제품으로 양산되고 있으며, 제안된 다른 회로 및 개념들도 추후 산업적으로도 널리 사용되어지길 기대한다.
핵심어 : AC/DC 어댑터, 무부하 전력 소비, 단일단 역률 보상, 대기 전력
