KR100306980B1 - 전류제한솔레노이드드라이버 - Google Patents

전류제한솔레노이드드라이버 Download PDF

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존 씨. 메티유
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Abstract

본 발명은 솔레노이드 드라이버(28), (114), (151)에 관한 것으로, 작동개시 전류를 소정의 기간동안 솔레노이드(14)에 인가한 후 낮은 작동유지 전류를 인가한다. 스위칭 장치(24), (116), (132)는 작동 개시 및 유지 전류 진폭을 유지하도록 상한 및 하한에서 인가된 전류를 펄스화 한다. 이 펄스는 솔레노이드 인덕턴스에 의해 정상상태 전류로 합성된다.
마이크로 프로세싱 유닛(18)은 솔레노이드 전류의 진폭을 결정한다. 바람직한 전류 진폭을 나타내는 신호가 솔레노이드 전류량을 나타내는 신호와 비교된다. 이들 사이의 차를 나타내는 신호는 스위칭 장치(34), (116), (152)를 제어하는데 이용된다. 솔레노이드(14)와 직렬로 배열된 저항(36)에 걸쳐 형성된 전압이, 솔레노이드(14)의 전류 감쇠율을 최소화하는 피크검출기(42)의 출력에 접속된 차동 증폭기에 입력된다. 측정된 솔레노이드 전류를 나타내는 신호가 피크검출기(42)에서 얻어진다. 솔레노이드 드라이버(28), (114), (151)에 의해 전력감소가 최소화되고, 후자의 신호는 전류원의 계속적 단락을 방지한다. 피크 검출기(42)의 출력은, 고장의 보호 및 기록을 위해 마이크로 프로세싱 유닛에 의해 감지된다.

Description

전류제한 솔레노이드 드라이버
제1도는 간단한 하이 사이드 솔레노이드 드라이버의 개략도.
제2도는 간단한 로우 사이드 솔레노이드 드라이버의 개략도.
제3도는 전기 솔레노이드를 작동개시 및 유지시키도록 전기 전류를 제어하는 로우 사이드 스위치 모드 솔레노이드 드라이버를 설명한 개략도.
제4도는 전류 기준 신호를 나타낸 그래프.
제5도는 스위치 모드 전류파형을 나타낸 그래프.
제6도는 제4도의 스위치 모드 전류 파형의 확대부분을 나타낸 그래프.
제7도는 솔레노이드 시험 펄스를 나타낸 그래프.
제8도는 다수의 전기 솔레노이드중 하나를 작동개시 및 유지시키기 위해 전기 전류를 제어하는 로우 사이드 스위치 모드 솔레노이드 드라이버를 설명한 그래프.
제9도는 하이 사이드 솔레노이드 드라이버를 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
14 : 전기 솔레노이드
34, 116, 152 : 스위칭 수단
38, 108, 180 : 검출수단
34 : 비교수단
76 : 논리 게이팅 수단(NOR 게이트)
18 : 마이크로 프로세싱 유닛
92 : 전류 설정점 회로
94 : 아날로그 디지탈 변환기
100 : 제1설정점 저항
102 : 제2설정점 저항
104 : 제3설정점 저항
106 : 설정점 콘덴서
40 : 차동 증폭기
36 : 전류 감지저항
182 : 솔레노이드 콘덴서
166 : 전류제어 트랜지스터
174 : 제1스위칭 저항
176 : 제2스위칭 저항
196 : 절연 다이오드
192 : 제1입력 저항
190 : 제2입력 저항
본 발명은 전기 솔레노이드의 전류를 구동 및 제한하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 전기 솔레노이드는 잠시동안 자동차 관련 장비류에 이용되어 오고 있고, 여러 제어장치가, 이 솔레노이드의 동작 전류를 제어하기 위해 설계되었다. 여러 제어장치가 설계된 이유는 시스템 전원과 솔레노이드 특성이 변하기 때문이다. 일반적으로, 자동차 관련 장비류는, 12 볼트 또는 24 볼트 전원으로 구동되는 솔레노이드에 대한 5 볼트 작동 컴퓨터 인터페이스를 포함하고 있다. 최저 시스템 전압이 인가되었을지라도 아마츄어를 효율적으로 흡인 하기에 적당한 전류가 형성되게 각각의 솔레노이드의 저항을 매우 낮게 해야 한다.
매우 높은 시스템 전압이 저 저항을 지닌 솔레노이드에 인가되면, 필요 이상의 전류가 형성되고, 솔레노이드는 과잉 에너지를 열로 소산하게 된다. 예를 들면, 3오옴의 저항을 갖는 솔레노이드에 인가된 전압이 7∼30볼트 사이에서 변동하면 전력은 16∼300와트 사이에서 변동한다. 저 시스템 전압으로 작동할 수 있는 동시에, 고 시스템 전압으로 발생된 과잉에너지를 소산시킬 수 있는 솔레노이드를 만드는 것이 어렵고 비용이 많이 들게 되어, 많은 장비류에 있어 솔레노이드가 비실용적으로 커지게 된다. 솔레노이드에 인가된 전류를 제어하는 일반적인 방법은 선형 제어장치를 이용하는 것이다.
그러나, 선형 제어장치의 경우, 제어장치의 솔레노이드 드라이버는 솔레노이드를 구동하는데 필요하지 않는 과잉 에너지를 흡입한다. 이러한 장치의 단점은, 스위치 모드 제어장치로 필요 이상의 에너지를 솔레노이드 드라이버 및 솔레노이드로 공급해야 한다는 것이다. 하이 사이드 솔레노이드 드라이버, 즉 솔레노이드의 전원측 위에 위치한 드라이버가 때때로 솔레노이드 제어장치에 이용된다. 그러나, 이 드라이버는, 레벨 시프팅 회로의 부수적 이용을 수반하므로 비용이 많이 들고, 복잡해진다. 회로가 더 복잡해짐에 따라, 이와 관련된 인터페이스 회로가 더 비싸지고 복잡해 진다. 또 다른 단점으로는, 로우-사이드 솔레노이드 드라이버를 이용하는 제어장치에 이용되는 반도체(예를 들면, NPN 바이폴과 트랜지스터 및 N-채널 전계효과 트랜지스터)가 하이 사이드 솔레노이드 드라이버에 이용되는 반도체 보다 특성이 양호하고 저렴하기 때문에 보다 광범위하게 확보 가능하다는 점이다. 전기 솔레노이드 제어 관련 사용시 어느 정도의 효용성은 있으나, 본 발명의 향상된 방법 및 장치가 갖는 아래와 같은 장점은 제공하지 못한다.
본 발명의 목적은, 전기 솔레노이드에 인가된 전류를 정확히 제어하고 솔레노이드 및 이와 관련된 드라이버에 의해 소모되는 전력을 최소화하는, 간단하고 저렴한 스위치 모드 솔레노이드 드라이버 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 솔레노이드에 인가된 전류를 선택적으로 제한하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한, 다수의 솔레노이드중 하나에 인가된 전류를 정확히 제어하는 향상된 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 아마츄어 흡인 위상동안 작동 전류를 솔레노이드에 공급하고, 아마츄어가 흡인된 후에는 감소된 유지 전류를 공급하는 솔레노이드 드라이버를 제공하는 것이다.
본 발명의 특성은, 전류원에의 단락으로 인한 손상으로부터 솔레노이드 드라이버를 보호하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은 검출오류에 대비한 수단이다.
위에서 언급한 목적 및 특성을 실현함에 있어서, 본 발명의 제1실시예는, 전기 솔레노이드를 작동 유지하도록 시스템 전원 또는 전류원으로부터의 전류를 제어하는 로우 사이드 스위치 모드 솔레노이드를 포함한다. 전류가 솔레노이드 제어 신호 및 소정의 전류 기준신호에 따라 인가된다. 스위칭 트랜지스터는 펄스화된(pulsed) 전류를 발생시키도록 솔레노이드에 인가된 전류를 온, 오프(ON, OFF)로 신속히 스위칭한다. 솔레노이드를 통해 흐르는 전류를 나타내는 신호가 상한으로 증가할 때까지 전류는 온으로 스위칭되고, 상한에 이르럼과 동시에 오프 된다. 솔레노이드 인덕턴스는 펄스 전류를 실질적 정상상태(steady-state) 전류로 합성한다.
또한, 솔레노이드 드라이버는, 솔레노이드를 통하는 전류 흐름을 검출하고, 이에 따라 솔레노이드 통과 전류량을 나타내는 피크신호를 발생하는 검출회로를 포함한다. 검출회로는 솔레노이드 및 스위칭 트랜지스터와 직렬로 접속된 전류감지 저항을 포함한다.
감지저항이 솔레노이드와 직렬로 접속되어 있기 때문에, 저항을 가로질러 인가된 전압 세기가 솔레노이드를 통해 흐르는 전류량을 나타낸다. 감지 저항을 가로질러 형성된 전압이, 솔레노이드를 통해 흐르는 피크 전류를 나타내는 피크신호를 형성하도록, 그 출력에 접속된 피크 검출기를 갖는 차동 증폭기에 인가된다. 피크신호가 소정의 전류 기준신호와 함게 비교기에 입력되고, 이들 사이의 차를 나타내는 편차신호가 발생되나. 편차신호가 솔레노이드 제어신호와 논리 NOR 게이트에 입력되고, 스위칭 트랜지스터를 제어하는 솔레노이드 전류 제어신호가 발생된다.
또한, 본 발명은 마이크로 프로세서싱 유닛을 포함하고, 그 기능은 전류설정점 신호를 발생하는 것이다. 전류 설정점 회로는 마이크로 프로세싱 유닛의 출력으로부터의 전류 설정점 신호를 수신하고 이에 따라 전류 기준신호를 발생시킨다. 아날로그-디지탈 변환기는 피크 검출기와 마이크로 프로세싱 유닛의 입력 사이에 접속되어, 아날로그 피크신호를 솔레노이드 통과전류량을 나타내는 디지탈 감지신호로 전환하며, 마이크로 프로세싱 유닛이 시스템 고장을 진단하고 문제해결을 위해 에러를 기록한다.
본 발명의 제2실시예는, 다수의 전기 솔레노이드중 하나를 작동개시, 유지하도록 시스템 전원 즉 전류원으로부터의 전류를 제어하는 로우 사이드 스위치 모드 솔레노이드 드라이버를 포함한다. 제2실시예의 솔레노이드 드라이버는 제1실시예와 같은 기능을 하지만, 일련의 달링턴 증폭기와 각각의 솔레노이드에 대한 논리 NOR 게이트를 포함한다. 또한, 각각의 솔레노이드에 대한 논리 NOR 게이트를 포함하며, 각각의 NOR 게이트에는, 다수의 솔레노이드중 특정의 하나를 선택하기 위해 개별적 솔레노이드 제어신호가 입력된다.
본 발명의 제3실시예는 전기 솔레노이드를 작동 개시 및 유지하도록 시스템 전원 즉, 전류원으로부터의 전류를 제어하는 하이 사이드 스위치 모드 솔레노이드 드라이버를 포함한다. 제3실시예의 솔레노이드 드라이버는 스위칭 트랜지스터가 전류원과 솔레노이드 사이에 위치하는 점에서 제1실시예의 솔레노이드 드라이버와 다르다. 솔레노이드 드라이버는 하이 사이드 솔레노이드 드라이버로 한다. 솔레노이드 드라이버는 제1실시예의 솔레노이드 드라이버와 같은 기능을 하지만, 솔레노이드 전기 제어신호를 수신하고, 이에 따라 스위칭 트랜지스터를 제어하는 전류 제어 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 목적 및 특징 그리고 기타를 첨부 도면을 참고로 상세히 설명한다. 같은 참조 번호는 같은 부품을 나타낸다. 솔레노이드 드라이버는 2개의 군, 즉 하이 사이드 솔레노이드 드라이버(high side solenoid driver)와 로우 사이드 솔레노이드 드라이버(low side solenoid dirver)로 분류된다. 제1도는 하이 사이드 솔레노이드 드라이버를 도시한 것이다. 하이 사이드 솔레노이드 드라이버(10)는 시스템 전원 또는 전류원(12) 및 이에 의해 제어되는 솔레노이드(14)사이에 보통 위치한다. 하이 사이드 솔레노이드 드라이버는 전원(16), 마이크로프로세싱 유닛(18), 버퍼(20) 및 스위칭 트랜지스터(22)를 포함한다.
제2도는 로우 사이드 솔레노이드 드라이버(10)를 도시한 것이다. 로우 사이드 솔레노이드 드라이버(24)는 솔레노이드와 접지 사이에 위치하고 있다. 로우 사이드 솔레노이드 드라이버는 전원(16), 마이크로 프로세싱 유닛(18), 버퍼(20) 및 스위칭 트랜지스터(26)를 포함한다. 로우 사이드 솔레노이드 드라이버는 하이-사이드 솔레노이드 드라이버 보다 특성이 좋고 저렴한 반도체 장치를 폭넓게 선택할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 본 발명의 3개의 실시예중 두개의 실시예에서, 솔레노이드 드라이버 설계상의 이러한 장점을 지니고 있다.
솔레노이드는 아마츄어를 흡인하기 위해 충분한 자기력을 갖도록 설계해야 한다. 일단 아마츄어가 흡인되고나면, 자기회로내의 자기리액턴스가 감소하여, 보다 낮은 전류로써도 흡입위치에 아마츄어를 유지시킬 수 있다. 아마츄어를 흡입함에 있어서, 솔레노이드를 통해 흐르는 전류를 감소시키는 제어회로를 이용하면, 솔레노이드가 소산해야 하는 과잉 에너지의 량이 감소하고, 솔레노이드의 크기, 무게 및 비용이 감소된다. 유지전류가 작동개시 전류보다 작기 때문에, 아마츄어 방출시간이 짧아진다. 이 형태의 제어회로를 이용하면, 솔레노이드의 성능 대 비용 비율을 향상시키고, 본 발명의 제3실시예의 솔레노이드 드라이버 제어회로에도 채택하고 있다.
솔레노이드에 인가된 전류를 제어하는 일반적인 방법은 선형제어장치를 이용하는 방법일지라도, 그러한 제어장치내 솔레노이드 드라이버가 솔레노이드 구동에 불필요한 과잉 에너지를 흡수해야만 한다. 이러한 단점은 전류 펄스를 솔레노이드에 전달하는 스위칭 모드 제어장치를 이용하므로서 해결된다. 상기 시스템에 있어서, 솔레노이드의 인덕턴스는 펄스를 실질적으로 정상상태 전류로 합성시킨다. 이러한 장치는 솔레노이드 및 솔레노이드 드라이버에 인가된 전력을 최소화하므로 본 발명의 3개의 실시예의 솔레노이드 드라이버에 이용된다.
제3도는 본 발명의 제1실시예를 도시한다. 전기 솔레노이드(14)로 하여금 작동개시 및 작동유지하도록 전류를 제어하는 로우-사이드 스위치형 솔레노이드 드라이버(28)를 도시한다. 솔레노이드(14)에 대한 전류 제어는 3개 인자, 즉 솔레노이드 제어신호(30), 전류기준신호(32), 및 솔레노이드(14)를 통해 흐르는 측정 전류의 함수로 이루어진다. 솔레노이드 제어신호(30)는, 솔레노이드(14)가 작동개시 대상임을 나타낸다. 전류 기준 신호는 솔레노이드(14)를 통해 흐르는 실제 전류를 나타내는 신호가 비교되는 기준을 제공하며, 솔레노이드에 전류를 인가하는 것을 제어하는 회로는, 솔레노이드(14)를 통해 흐르는 전류가 소정의 한계이상 및 이하 일때 개폐된다.
솔레노이드(14)에 접속된 컬렉터(33), 베이스(35) 및 저류 감지 저항(36)을 통해 접지에 접속된 에미터(37)를 지닌 스위칭 트랜지스터(34), 즉 스위칭 수단은 전류를 신속히 온, 오프하여, 펄스화된 전류를 솔레노이드(14)에 인가한다. 솔레노이드 인덕턴스는 펄스 전류를 정상상태 전류로 합성시킨다. 필드 감쇠 보호 다이오드(field decay protection diode)(39)가 스위칭 트랜지스터)(34)의 컬렉터(33)와 에미터(37)사이에 접속되어 있다. 전류 기준신호(32)는 솔레노이드(14)를 작동시키고, 이와 결합된 아마츄어(도시하지 않음)를 흡인하도록 소정의 "풀인"("Pull-in")동안 충분한 전류를 제공하도록 되어 있다. 위에서 설명했듯이, 일단 아마츄어가 흡인되고나면, 솔레노이드(14)의 자기 리액턴스가 감소하여, 흡인위치에 아마츄어를 유지시키는데 필요한 전류가 감소한다. 이때, 전류 기준신호(32)는 흡인위치에 아마츄어를 유지시키는데 필요한 레벨까지 감소한다.
솔레노이드(14)를 통과하는 전류는, 솔레노이드(14) 및 스위칭 트랜지스터(34)와 직렬로 접속된 감지저항(36)에 걸린 전압을 측정함으로써 감지된다. 감지 저항(36)이 솔레노이드(14)와 직렬로 접속되었기 때문에, 감지 저항(138)을 가로질러 형성된 전압량이 솔레노이드(14)을 통해 흐르는 전류량을 나타낸다. 감지 저항(36)은 검출회로 즉 검출수단(38)의 일부이고, 이 검출수단은 차동증폭기(40)와 피크검출기(42)를 포함한다.
차동증폭기(40)는 인버팅 입력(44), 비인버팅 입력(46)및 출력(48)을 포함한다. 피크검출기(42)는 피크 검출 콘덴서(50), 피크 검출 블리드 저항(51), 및 캐소오드(54)와 아노드(56)를 지닌 피크 검출 다이오드(52)를 포함한다. 피이크 검출 다이오드(52)의 아노드(56)는 차동 증폭기(46)의 출력(48)에 접속되어 있고, 피크 검출 콘덴서(50) 및 피크 검출 블리드 저항(51)은 피크 검출 다이오드(52)의 캐소드(54)와 접지 사이에 접속되어 있다. 피크 검출 다이오드(52)의 캐소드(54)와 피크 검출 콘덴서(56) 사이의 접속은 피크 검출기(42)의 출력(38)으로 효과적이다.
스위칭 트랜지스터(34)의 에미터(37)는 차동 증폭기 입력 저항(47)을 통해 차동증폭기(48)의 비인버팅 입력(46)에 접속되어 있고, 제1차동증폭기 게인 저항(60)이 차동증폭기(40)의 인버팅 저항(44)과 접지 사이에 접속되어 있다. 제2차동 증폭기 게인 저항(62)은 차동증폭기(40)의 인버팅 입력(44)과 피크 검출기 다이오드(52)의 캐소드(34) 사이에 위치하고 있다.
솔레노이드 드라이버(28)는, 스위칭 트랜지스터(34)의 온, 오프 여부에 관계없이 전류 감지 저항(36)을 통해 전류가 흐르도록, 전류감지저항(36)을 스위칭 트랜지스터(34)의 컬렉터 회로내에 위치하는 형태로 설계할 수도 있다. 이것은 솔레노이드 전류 흐름의 감지를 간단히 할 수 있지만, 전류 감지저항(36)에 걸린 전압을 측정함에 있어 레벨이동 해야 하기 때문에, 차동 증폭기(40)가 더 고가로 된다. 이러한 문제에 대한 해결책으로, 전압을 분할하여 이 전압을 차동 증폭기(40)의 허용 범위 레벨까지 감소시켜 증폭하면 되지만, 이와 같은 접근 방식은 복잡하고 비용이 많이 든다. 또 다른 해결책으로 노턴 증폭기(Norton amplifier)를 이용하는 것이지만, 이용 가능한 증폭기의 가변 특성 때문에 실용적이지 못하다.
제3도에 도시되어 있듯이, 전류 감지 저항(36)을 스위칭 트랜지스터(34)의 에미터 회로에 위치시키면 문제의 해결이 이상적일지 모르나, 스위칭 트랜지스터(34)가 온 될때만 솔레노이드 전류가 감지되고, 스위칭 트랜지스터(34)가 오프 되면 제로(0)라는 그릇된 전류레벨이 측정된다. 적당한 값을 관련 소자에게 제공함으로써, 피크 검출기(42)는, 솔레노이드(14) 전류의 감쇠율(decay rate)에 근사한 감쇠율을 가질 수 있다.
제1 및 제2차동 증폭기 게인 저항(60), (62)의 저항비는 차동 증폭기(40)의 게인을 결정하고, 제1 및 제2차동 증폭기 게인 저항(60), (62)의 절대치는 피크 검출기 콘덴서(50)의 방전율을 결정한다. 방전율(t)은 다음식에 따라 결정된다.
t = RC ∝ L/RL(1)
여기서, R 은 피크 검출기 방전저항
(제3도에서, R = R62+ R60)
C는 피크 검출기 정전용량
L은 솔레노이드 인덕턴스
RL은 솔레노이드 저항
(경우에 따라, 플라이백 저항(flyback resistance) 추가)
증폭기 게인(AV)은 다음식으로 주어진다.
피크 검출기 방전 저항(도시하지 않음)이 피크 검출기 콘덴서에 걸쳐 위치할 수도 있지만, 제3도의 회로에 도시되어 있듯이, 식(1), (2)에 따라 제1 및 제2차동 증폭기 게인 저항(60), (62)의 저항치를 적당히 선택함으로써 이를 제거할 수도 있다.
피크 검출기(42)는 전류원(12)에의 단락으로 인한 솔레노이드 드라이버(28)의 손상방지를 추가로 제공한다. 솔레노이드 드라이버(28)가 전류원(12)에 대해 단락상태로 되면, 전류 기준신호(32)가 나타내는 레벨을 대단히 초과하는 순시 레벨을 갖는 전류가 전류감지 저항(36)을 통해 흐르게 되어, 차동증폭기(40)는 피크 검출기(42)의 출력 전압을 최대로 끌어올린다.
정상적 유도 부하를 통해 야기되는 전류의 상승비는 그 부하의 시정수 즉, 저항대 부하 인덕턴스의 비(L/R)의 함수로서 감소한다. 따라서, 제어회로는 전류를 소정의 한계로 유지할 수 있다. 그러나, 단락회로 상태에 있어서, 상승은 거의 순시적이고 이와 관련된 제어회로 소자는 한계 전류를 유지하기 충분할 정도로 신속히 응답할 수 없다. 이러한 상태에서, 전류는 시스템 전압, 또는 전류원, 전류 감지저항(36)의 저항 및 출력장치의 게인에 의해서만 제한된다.
제1실시예의 솔레노이드 드라이버(28)에서, 제어회로가 응답하고 스위칭 트랜지스터(34)가 스위치 오프할때, 다시 스위치로 온 하기 위해 피크 검출기가 스위칭 트랜지스터(34)에 대해 충분히 응답하는데 시간이 많이 걸린다. 전류 흐름은, 고레벨 전류의 단락 스파이크(short spikes)에 의해 상승점이 형성되는 현저히 낮은 레벨의 전류를 지닌다. 솔레노이드 드라이버(28)에 의한 전력 소모가 최소화되고, 솔레노이드 드라이버는, 전류원에 대한 계속적 단락에도 견딜 수 있다.
위에서 설명한 숏트 회로 보호를 위해 식(1)에서 정한 요구조건 외의 몇몇 조건을 만족해야 한다. 피크 검출기(42)는 정상 작동범위 이상의 작동 범위를 실질적으로 지녀야 한다. 일반적인 예는 전류 감지 저항(36)을 통해 흐르는 1 암페어의 전류가 피크검출기(42)의 출력(58)에 나타날때 1 볼트의 전압으로 나타내는 솔레노이드 드라이버(28)를 포함한다. 마찬가지로, 2 암페어의 아마츄어 흡인, 즉 풀인(pull-in) 전류가 2볼트의 전압으로 나타난다. 단락회로는 3.5 또는 4볼트의 높은 레벨로 피크 검출기(42)의 출력(58)을 구동한다. 전압을 이 레벨에서 1 또는 2볼트의 레벨로 감소시키는데 시간이 필요하므로, 단락 회로동안 낮은 듀티사이클(duty cycle)을 제공한다. 또 다른 조건은, 차동증폭기(40)가 신속하게 응답하도록, 이 차동 증폭기(40) 임피던스를 크게 구동해야 한다.
또한 제1실시예에서, 인버팅 입력(66), 비인버팅 입력(68) 및 출력(70)을 지닌 비교기(64)즉 비교수단을 포함한다. 제1비교기 게인 저항(72)이 비교기(70)의 비인버팅 입력(68)과 피크검출기(42)의 출력(58)사이에 접속되어 있다. 제2비교기 게인 저항(74)이 비교기(64)의 비인버팅 입력(68)과 비교기(64)의 출력(70) 사이에 접속되어 있다. 제어입력(78), 기준입력(80)및 출력(82)을 갖는 논리 NOR 게이트(76), 즉 논리 게이팅 수단이 포함되어 있다. 제어입력(78)은 솔레노이드 제어신호(30)를 수신하고, 기준 입력(80)은 비교기(64)의 출력(70)에 접속되어 있다. 논리 NOR 게이트(76)의 출력(82)이 스위칭 트랜지스터(34)의 베이스(33)에 접속되어 있다.
솔레노이드(14)가 작동개시되면, 전류 감지 저항(36)을 가로질러 형성된 전압이 차동증폭기(40)의 비인버팅 입력(46)에 인가된다. 차동증폭기(40)의 출력(48)에 접속된 피크검출기(42)는, 솔레노이드(14)를 통해 흐르는 피크 전류를 나타내는 피크신호를 발생시킨다. 피크신호는 비교기(64)의 비인버팅 입력(68)에 입력되고, 소정의 전류기준 신호(32)가 인버팅 입력(66)에 입력되고, 이들 사이의 차이를 나타내는 편차신호가 발생한다. 편차신호는 솔레노이드 제어신호와 함께 논리 NOR 게이트(76)에 입력되고, 스위칭 트랜지스터(34)에 인가되어 이를 제어하는 솔레노이드 전류 제어신호가 발생된다. 솔레노이드 전류 제어신호는, 솔레노이드 전류가 소정의 상한을 초과하는 것으로 결정되면 스위칭 트랜지스터(34)를 오프하고, 솔레노이드 제어신호(30)가 아직 존재하면, 솔레노이드 전류가 소정의 하한 이하로 떨어질 때 스위칭 트랜지스터(34)를 오프로 스위칭한다.
제1실시예에는 플라이백 다이오드(84)가 또한 포함되어 있다. 솔레노이드(14)를 방전시키도록 솔레노이드(14)에 걸쳐 접속되어 있다. 플라이백 다이오드(84)는 캐소드(86)와 아노드(88)를 지니며, 이 캐소드(86)은 회로의 턴오프(turn off) 특성을 향상시키기 위해 플라이백 저항(90)을 지나 전류원(12)에 접속되어 있고, 플라이백 저항(90)은 솔레노이드(14)에 있어 충전보다 방전을 더 신속히 하도록 한다.
또한 제1실시예는 마이크로 프로세싱 유닛(18)은 전류설정점 회로(92) 및 아날로그-디지탈 변환기(94)를 포함한다. 전류설정점 회로(92)는 마이크로 프로세싱 유닛(18)의 출력(96)과 비교기(64)의 인버팅 입력(66)사이에 접속되어 있고, 아날로그-디지탈 변환기(94)가 피크 검출기(42)의 출력(58)과 마이크로 프로세싱 유닛(18)의 입력(98) 사이에 접속되어 있다.
전류 설정점 회로(92)는 마이크로 프로세싱 유닛(18)의 출력(96)과 비교기(64)의 인버팅 입력(66)사이에 접속된 제1설정점 저항(100), 비교기(64)의 인버팅 입력(66)과 양전압원(source of positive voltage) 사이에 접속된 제2설정점 저항(102), 비교기(64)의 인버팅 입력(66)과 접지 사이에 접속된 제3설정점저항(104), 및 비교기(64)의 인버팅 입력(66)과 접지 사이에 접속된 설정점 콘덴서(106)를 포함한다.
마이크로 프로세싱 유닛(18)의 하나의 기능은 전류 설정점 신호를 발생하는 것이다. 후자는 소정의 "풀인" 기간 동안 유지되는 진폭을 지니고, 이 진폭은 후속 기간 동안 감소한다. 전류 설정점 회로(92)는 마이크로 프로세싱 유닛(18)으로부터 전류 설정신호를 수신하고, 이에 응답하여 전류 기준신호(32)를 발생시킨다.
제4도는 전류 기준신호(32)의 그래프이다. 전류설정점 신호에 응답하여, 전류기준신호(32)는, 결과로서 발생하는 솔레노이드 전류가 솔레노이드 아마츄어를 흡인할 수 있도록, 초기부분(108)으로 나타낸 바의 상응하는 초기 진폭을 갖는다. 전류 기준신호(32)는 또한, 솔레노이드에 인가된 전류가 아마츄어를 흡인위치에 유지하도록, 이어지는 기간 동안은 후속 부분(110)으로 나타낸 바의 감소된 진폭을 갖는다. 초기 부분(108)의 진폭 및 주기는 아마츄어 흡인, 즉 풀인 전류를 나타내고 시스템 전압의 기능을 한다.
제5도는 일반적인 스위치 모드 전류파형의 그래프이다. 풀인 타임, 즉 솔레노이드 아마츄어가 처음으로 흡인되는 기간과 유지기간, 즉 아마츄어가 흡인 위치에 유지되는 기간동안 솔레노이드를 통해 흐르는 전류레벨이 도시되어 있다. 제6도는 제5도의 스위치 모드 전류 파형의 확대부분 그래프이고, 이 부분은 도 5에 있어 원(6)으로 표시했다. 제6도에 도시된 파형은 소정의 상한과 하한 사이에서 변동하는 솔레노이드 전류를 나타낸다. 도시된 솔레노이드 전류의 주기 및 진폭은 비교기 히스테리시스(hysteresis)와 회로지연의 함수이다.
마이크로 프로세싱 유닛(18)(제3도)의 또 다른 기능은 솔레노이드 전류를 감지하고 시스템 문제의 진단을 용이하게 하기 위해 어떤 편차를 기록하는 수단을 제공하는 것이다. 이러한 이유 때문에, 피크 검출기(42)의 출력(58)이 아날로그-디지탈 변환기(94)를 통해 마이크로 프로세싱 유닛(18)에 접속되어 있다. 아날로그-디지탈 변환기(94)는 아날로그 피크신호를 마이크로 프로세싱 유닛(18)에 입력될 디지탈 감지신호로 변환한다.
만일 소정의 레벨이상의 전류가 검출되면, 편차가 기록되고, 필요시, 솔레노이드 드라이버(28)를 스위치 오프할 수 있다. 소정의 레벨 이하로 검출되는 전류는 솔레노이드(14)가 분리, 즉 개방되었거나, 출력핀이 접지에 대해 단락되었음을 나타낸다. 적절한 예방 또는 관리작용이 이어지고, 다시 편차가 기록된다.
솔레노이드가 비교적 드물게 작동하기 때문에, 앤티록(antilock) 브레이크 시스템은 솔레노이드 드라이버 응용에 대한 독특한 상황을 제공한다. 이러한 응용예에 이용되는 솔레노이드를 시험하는 방법은, 일련의 단락 시험 펄스(112)(제7도에 도시)를 솔레노이드에 인가하는 단계를 포함한다. 펄스 폭이 1/2∼2미리 초, 펄스 사이의 주기가 60∼100미리 초, 펄스 진폭이 300∼500미리 암페어이다. 신호는 솔레노이드의 특성에 따라 변하지만, 바람직한 신호는, 펄스폭이 1미리 초이고, 진폭이 400미리 암페어이며, 펄스 사이의 주기는 80미리 초이다.
일련의 시험펄스(112) 동안 중간점에서, 전류 감지저항(36)(제3도)이 감지하는 전류가 측정된다. 시험에 이용되는 펄스는 너무 짧아, 5∼7미리초의 전형적 응답시간을 갖는 솔레노이드(14)로 하여금 응답을 일으키게 하지 못한다. 그러나, 펄스(112)는 솔레노이드(14)를 통해 흐르는 측정 가능한 전류를 발생하기에 충분히 길고, 측정된 전류는 소정의 범위내에 있어야 하거나, 에러가 기록된다.
제8도는 본 발명의 제실시예를 도시한다. 다수의 전기 솔레노이드(14)중 하나에 대한 전류를 제어하는 로우 사이드 스위치 모드 솔레노이드 드라이버(114)를 도시한다. 솔레노이드 드라이버(114)는, 논리 게이트 수단이 각각의 솔레노이드(14)에 대해 논리 NOR 게이트(76)를 포함하고, 스위칭 수단이 각각의 솔레노이드(14)에 대해 달링턴 증폭기(116)를 포함한다는 것을 제외하고, 제1실시예의 솔레노이드 드라이버(28)와 유사하다.
달링턴 증폭기는 기본적으로 컬렉터들이 함께 접속된 드라이버 트랜지스터(118) 및 출력 트랜지스터(120)를 포함하는 트랜지스터 회로로서, 드라이버 트랜지스터(118)의 에미터 전류가 출력 트랜지스터(120)의 베이스 전류와 같아지도록, 드라이버 트랜지스터의 에미터가 출력 트랜지스터(120)의 베이스에 직접 접속되어 있다. 이 회로는 하나의 베이스 단자(122), 하나의 컬렉터 단자(124) 및 하나의 에미터 단자(126)를 지닌 복합 트랜지스터로서 효과적으로 작용한다. 각각의 달링턴 증폭기(116)는 출력 트랜지스터(120)의 공통 컬렉터와 에미터 사이에 접속된 필드감쇠보호 다이오드(128)를 포함한다.
다수의 솔레노이드(14)가 전류원(12) 및 이에 관련된 달링턴 증폭기(116) 사이에 접속되어 있다. 베이스 저항(130)이 각각의 달링턴 증폭기(116)의 베이스 단자(122)와 접지 사이에 접속되어 있고, 스위칭 콘덴서(132)가 달링턴 증폭기(116)의 컬렉터 단자(124)와 접지 사이에 접속되어 있다. 또한 각각의 달링턴 증폭기(116)의 베이스 단자(122)가 NOR 게이트(76)중 하나의 출력에 접속되어 있다. 제1실시예에서, 플라이백 다이오드(134)와 플라이백 저항(136)이 각각의 솔레노이드(14)를 가로질러 직렬로 접속되어 있다.
검출회로, 즉 검출수단(138)은, 각각의 달링턴 증폭기(116)의 에미터 단자(126)에 차동증폭기(40)의 비인버팅 입력(46)이 접속된 입력저항(146)과, 차동증폭기(40)의 비인버팅 입력(46)과 접지 사이에 접속된 입력콘덴서(148)가 추가된 것을 제외하고, 제1실시예의 검출수단(38)과 유사하다. 제2실시예의 비교기(64), 즉 비교수단은 비교기(64)의 출력(76)과 양전압원 사이에 접속된 비교기 출력저항(150)을 포함한다.
각각의 솔레노이드 제어신호(30)는 NOR 게이트(76)에 입력되어 특정의 솔레노이드(14)를 선택하게 된다. 제1실시예서처럼, 솔레노이드 제어신호(30)는 선택된 솔레노이드(14)와 관련된 NOR 게이트(76)의 1/2을 가동시킨다. 이 신호(30)가 존재하는 경우, 솔레노이드(14)를 통해 흐르는 전류가 하한 이하임을 비교기(64)에 의해 발생된 편차신호가 표시할 때 마다. 상기 선택된 솔레노이드(14)와 관련된 달링턴 증폭기(116)는 솔레노이드(14)에 전류를 가하도록 스위칭된다.
선택된 솔레노이드(14)를 통해 흐르는 전류가 상한을 초과할 때, 달링턴 증폭기(116)는 전류 흐름을 방해하도록 스위칭 된다. 하나만의 솔레노이드(14)라기 보다 다수의 솔레노이드(14)중 하나를 선택하는 것을 제외하고, 솔레노이드 드라이버(114)의 작동은 제1실시예의 솔레노이드 드라이버(28)와 유사하다.
본 발명의 제3실시예를 제9도에 나타낸다. 제3실시예의 드라이버는, 전기 솔레노이드(14)를 작동개시 및 작동유지하기 위해 시스템 전원 또는 전류원(12)을 제어한다는 점에서, 제1실시예의 솔레노이드 드라이버(28)와 유사하다. 로우 사이드 솔레노이드 드라이버가 아닌, (151)로 나타낸 하이사이드 솔레노이드 드라이버라는 점에서 기본적으로 다르다. 로우 사이드 및 하이 사이드 솔레노이드 드라이버는 많은 유사 소자를 이용하지만, 다르게 배열했다. 중요한 차이점으로서는, 로우 사이드 솔레노이드 드라이버에서처럼 솔레노이드(14)와 접지 사이에 위치하지 않고, 하이 사이드 솔레노이드 드라이버가 전류원(12)과 솔레노이드(14)사이에 위치하고 있다.
하이 사이드 솔레노이드 드라이버의 스위칭 수단은 컬렉터(154), 베이스(156) 및 에미터(158)를 지닌 스위칭 트렌지스터(152)와, 스위칭 트렌지스터(132)의 에미터(138)와 전류원(12)에 접속된 캐소우드(162)와, 스위칭 트랜지스터(132)의 컬렉터(134)에 접속된 아노드(164)를 지닌 스위칭 다이오드(160)를 포함한다. 또한, 스위칭 수단은 컬렉터(168), 베이스(170) 및 에미터(172)를 포함한다.
제1스위칭 저항(174)은 전류원(12)과 스위칭 트렌지스터(132)의 베이스(136) 사이에 접속되어 있고, 제2스위칭 저항(176)은 스위칭 트랜지스터(152)의 베이스(156)와 전류 제어 트랜지스터(166)의 컬렉터(168) 사이에 접속되어 있다. 전류 제어 트랜지스터(166)의 에미터(172)가 접지에 접속되어 있고, 베이스(170)가 NOR 게이트(76)이 출력(82)에 접속되어 있다.
검출회로, 즉 검출수단(180)은, 솔레노이드(14)가 전류 감지 저항(36)과 접지 사이에 접속되어 있다는 점만을 제외하고, 제1실시예의 검출수단(38)과 같다. 부가적인 소자로서는, 솔레노이드(14)를 통해 접속된 스위칭 콘덴서(182)와, 접지에 접속된 아노드(186)와, 전류감지 저항(36) 및 솔레노이드(14)의 직렬회로를 가로질러 접속된 캐소우드(188)를 지닌 플라이백 다이오드(184)를 포함한다.
또한, 제1입력 저항(190)이 차동 증폭기(40)의 인버팅 입력(44)과 솔레노이드(14)의 비접지단 사이에 접속되어 있고, 제2입력저항(192)이 차동 증폭기(40)의 비인버팅 입력(46)과 플라이백 다이오드(184)의 캐소우드(188) 사이에 접속되어 있다. 그리고, 제3차동 증폭기 게인 저항(194)이 차동증폭기(40)의 비인버팅 입력(46)과 그라운드 사이에 접속되어 있다. 하이사이드 솔레노이드 드라이버(151)는 또한 스위칭 트랜지스터(152)의 컬렉터(134)에 접속된 아노드(198)와, 플라이드백 다이오드(184)의 캐소드(180)에 접속된 캐소드(200)를 지닌 절연 다이오드(196)를 포함한다.
제2실시예의 비교기(64), 즉 비교수단 처럼, 제3실시예의 비교기(64)는 비교기(64)의 출력과 양전압원 사이에 접속된 비교기 출력저항(130)을 또한 포함한다. 하이 사이드 솔레노이드 드라이버(151)는, 약 0.1% 의 정확도를 갖는 저항을 이용하는 진(true) 차동증폭기(40)를 필요로 한다. 또한, 차동 증폭기 게인 네트워크가 약간 다르기 때문에, 별도의 피크 검출기 블리드 저항(202)이 피크 검출기 콘덴서(50)에 걸쳐 접속되어 있다. 솔레노이드 드라이버(151)의 동작은 제1실시예의 솔레노이드 드라이버(28)와 같다.
당업자라면, 제2실시예의 로우 사이드 솔레노이드 드라이버(114)의 경우와 같은 방식으로 제3실시예의 하이 사이드 솔레노이드 드라이버(151)를 쉽게 변경가능함을 알 수 있다.
바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명했으나, 다음 청구범위 내에서 여러 변경과 수정이 가능하다.

Claims (8)

  1. 솔레노이드에 인가되는 전류를 신속히 온, 오프하여 펄스 전류를 발생시키는 스위칭 수단(34)과; 상기 솔레노이드를 통과하는 전류를 검출하고, 그 통과 전류량을 나타내는 피크 신호를 발생시키는 수단으로서, 상기 스위칭 수단이 솔레노이드에 인가되는 전류를 오프 할 때 감쇠 피크 신호를 발생시키는 방식으로, 솔레노이드의 전류 감쇠율에 상응하는 감쇠율을 갖는 피크 검출기를 포함하는 검출 수단(38)과; 상기 피크 신호를 전류 기준 신호와 비교하고, 이들 사이의 편차를 나타내는 편차 신호를 발생시키는 비교 수단(64)과; 솔레노이드 제어 신호를 상기 편차 신호와 게이팅하고 솔레노이드 전류 제어 신호를 발생시켜, 상기 피크 신호가 소정의 최대 및 최소 레벨에 이르렀을 때 상기 스위칭 신호를 온, 오프 하는 논리 게이팅 수단(76)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 솔레노이드를 그 단락으로 인한 손상이 방지되도록 하여 작동 개시 및 작동 유지시키기 위한 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
  2. 제1항에 있어서, 상기 솔레노이드는 소정의 기간 동안 작동 개시되고, 후속 기간 동안은 작동 유지되는데, 이 소정의 기간 동안은 초기 진폭을, 후속 기간 동안은 보다 낮은 진폭을 갖는 기준 전류 설정점 신호를 발생시키는 마이크로 프로세싱 유닛(18)과; 상기 마이크로 프로세싱 유닛의 출력으로부터의 기준 전류 설정점 신호를 수신하여, 소정의 기간 동안 기준 전류 설정점 신호의 진폭에 상응하는 초기 진폭을 갖고, 후속 기간 동안은 기준 전류 설정점 신호보다 낮은 진폭을 갖는 기준 전류 신호를 발생시키는 기준 전류 설정점 회로(92)와; 피크 신호를, 솔레노이드 통과 전류량을 나타내는 디지탈 감지 신호로 변환하기 위한, 피크 검출기의 출력과 상기 마이크로 프로세싱 유닛의 입력 사이에 접속된 아날로그-디지탈 변환기(94)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기준 전류 설정점 회로(92)는, 상기 마이크로 프로세싱 유닛의 출력과 상기 비교 수단 사이에 접속된 제1 설정점 저항(100)과; 상기 비교 수단과 양전압원 사이에 접속된 제2 설정점 저항(102)과; 상기 비교 수단과 접지 사이에 접속된 제3 설정점 저항(104)과; 상기 비교 수단과 접지 사이에 접속된 설정점 콘덴서(106)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
  4. 제1항에 있어서, 상기 검출 수단(38)은, 상기 솔레노이드에 접속된 저항(36)과; 상기 저항으로부터의 입력 신호에 대한 일정 게인을 제공하여 피크 신호를 발생시키도록 선택되는, 인버팅 입력에 접속된 관련 제1 및 제2 차동 증폭기 게인 저항들을 갖는 차동 증폭기로서, 상기 저항에 접속된 비인버팅을 갖는 차동 증폭기(40)와; 상기 솔레노이드의 감쇠율에 근사한 감쇠율을 갖는, 상기 차등 증폭기의 출력에 접속된 피크 검출기(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
  5. 제4항에 있어서, 상기 피크 검출기(42)는, 캐소드, 및 상기 차동 증폭기의 출력에 접속된 아노드를 갖는 피크 검출기 다이오드(56)와; 상기 피크 검출기 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 접속된 피크 검출기 콘덴서(50)와; 상기 피크 검출기 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 접속된 피크 검출기 블리드 저항(51)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비교 수단(64)은, 기준 전류 신호를 수신하는 인버팅 입력과, 비인버팅 입력 및 출력을 갖는 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
  7. 제1항에 있어서, 상기 논리 게이팅 수단(76)은, 솔레노이드 제어 신호를 수신하는 제1 입력과, 상기 비교 수단의 출력에 접속된 제2 입력과, 상기 스위칭 수단에 접속된 출력을 갖는 NOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
  8. 제3항에 있어서, 상기 전류는 다수의 솔레노이드(14)중 선택된 하나를 작동 개시 및 작동 유지시키며; 상기 스위칭 수단은, 전원과 달링턴 증폭기의 컬렉터 단자 사이에 접속된 각각의 솔레노이드와 결합된, 베이스, 컬렉터 및 에미터 단자를 갖는, 달링턴 증폭기 형상으로 접속된 한 쌍의 스위칭 트랜지스터를 포함하고; 상기 검출 수단은 각각의 달링턴 증폭기의 에미터 단자에 접속되고, 작동, 비작동에 관계 없이 솔레노이드 통과 전류량을 나타내는 피크 신호를 발생시키며; 상기 논리 게이팅 수단은, 다수의 솔레노이드 중 하나를 작동시키고자 할 때 솔레노이드 제어 신호를 수신하는 제1입력과, 상기 비교 수단에 접속된 제2 입력과, 솔레노이드 관련형 달링턴 증폭기의 베이스에 접속된 출력을 갖는, 각각의 솔레노이드와 결합된 NOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 솔레노이드 드라이버.
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