KR100747997B1 - 단일 오피-앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치 - Google Patents

단일 오피-앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과전압/저전압 보호 장치에 관한 것으로서, 드라이버 출력전압의 과전압 및 저전압 여부를 검출함에 있어 단일 OP앰프를 사용하여 검출함을 특징으로 한다. 본 발명의 과전압/저전압 보호 장치는, 드라이버 출력전압이 과전압 및 저전압일 때에 이를 검출하는 단일의 OP 앰프와, 기준전압 단자와 상기 OP앰프의 비반전 단자 사이에 연결된 저항 R1과, 드라이버 출력전압 단자와 상기 OP앰프의 비반전 단자 사이에 연결된 저항 R2와, 상기 OP 앰프의 비반전 단자와 접지 사이에 연결된 저항 R3와, 드라이버 출력전압 단자와 OP앰프의 반전 단자 사이에 연결된 저항 R4와, OP앰프의 반전 단자와 접지 사이에 연결된 저항 R5와, OP앰프의 반전 단자에 캐소드, 접지에 애노드가 연결된 제너 다이오드를 포함하는 단일 OP앰프를 구비한다.
과전압, 저전압, 검출, 보호회로, OP앰프, 반전단자, 비반전단자, 제너다이오드

Description

단일 오피-앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치 {Over/under voltage protection circuit using a single OP-AMP}
도 1은 드라이버 출력전압의 과전압 여부를 검출하는 OP앰프를 도시한 그림이다.
도 2는 드라이버 출력전압의 저전압 여부를 검출하는 OP앰프를 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 OP앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 OP앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치에서의 OP앰프 출력값을 도시한 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
30: OP앰프 31: 드라이버 출력전압
32: 기준전압 33: 비반전 단자
34: 반전 단자 36: 제너 다이오드
37: 제어부 41a,41c: UVP 구간
41b,41d: OVP 구간 45: OP앰프 출력값
본 발명은 OP앰프를 이용하여 드라이버 출력전압의 과전압 및 저전압을 검출하는 과전압/저전압 보호 장치에 관한 것이다.
일반적으로, LED 패널 등의 발광 장치에는 소정의 교류 전원을 인가받아 주회로에 필요한 전압으로 출력하는 스위칭 전원 장치(SMPS)가 내장되어 있다. 이 스위칭 전원 장치에는 부하의 불량이라든가 과부하 등에 의해 입력되는 전원이 변동되는 경우가 종종 발생하게 된다. 예컨대, 입력되는 전압이 과도하게 높아질 경우, 증가된 전압에 의해 주회로의 소자가 손상 받게 된다. 또, 입력되는 전압이 과도하게 낮아질 경우에는 그 만큼의 출력을 보상하기 위해 전류가 증가되기 때문에, 이 증가된 전류에 의해 소자가 손상 받게 된다.
따라서 일반적인 스위칭 전원 장치에는 설정된 전압을 기준으로서 과전압 및 저전압을 검출하고, 과전압과 저전압시에 전원 공급을 차단하도록 함으로써 주회로 소자의 손상을 방지하기 위한 과전압/저전압 보호 장치가 각각 구비되어 있다.
도 1은 LED 드라이버 구동시의 OP앰프를 이용한 과전압 보호장치(OVP; Over Voltage Protection)를 도시한 그림이다. LED등의 부하가 올바르게 LED 드라이버와 접촉되지 않는 등의 오픈(open) 상태가 될 시에, 드라이버 출력전압(12)이 순간적 으로 상승하게 되는데, 이때, OP앰프(10)는 비반전 단자(15)에 입력되는 드라이버 출력전압(12)이 반전 단자(14)에 입력되는 과전압 기준신호(11)의 레벨보다 높을 시에 하이(High) 신호를 제어부(13)로 출력한다. 상기 하이(High) 신호를 수신한 제어부(13)는 이에 따른 회로보호 동작(protection)을 수행한다.
도 2는 LED 드라이버 구동시의 OP앰프를 이용한 저전압 보호장치(UVP; Under Voltage Protection)를 도시한 그림이다. LED 손상 등의 이유로 캐소드와 애노드가 단락(short) 되었거나, LCC(Limited Current Circuit) 규격에 의해 출력전압이 저전압 기준신호보다 떨어질 수 있는데, 이때, OP앰프(20)는 반전 단자(24)에 입력되는 드라이버 출력전압(21)이 비반전 단자(25)에 입력되는 저전압 기준신호(22)의 레벨보다 낮을 시에 하이(High) 신호를 제어부(23)로 출력한다. 상기 하이(High) 신호를 수신한 제어부(23)는 이에 따른 회로보호 동작(protection)을 수행한다.
상기와 같이 종래의 과전압/저전압 보호장치는 도 1 및 도 2와 같이, 각각 별개로 된 두개의 OP앰프(10,20)를 사용하여 과전압, 저전압을 검출하는 구조를 가지고 있었다. 따라서 과전압, 저전압을 검출하는데 있어 두 개의 OP앰프를 사용함은, 과전압/저전압 보호 장치의 회로 부품 수의 중복으로 인해 회로 구현을 복잡하게 하는 원인이 되고, 아울러, 제조 비용의 상승 원인이 되는 문제가 있다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 안출된 것으로서, 과전압 및 저전압 검출 기능을 단일의 OP앰프 하나로서 구현하는 과전압/저전압 보호장치를 제안함을 목적으로 한다.
상기 목적을 이루기 위하여 본 발명은, 드라이버 출력전압이 과전압 및 저전압일 때에 이를 검출하는 단일의 OP 앰프와, 기준전압 단자와 상기 OP앰프의 비반전 단자 사이에 연결된 저항 R1과, 드라이버 출력전압 단자와 상기 OP앰프의 비반전 단자 사이에 연결된 저항 R2와, 상기 OP 앰프의 비반전 단자와 접지 사이에 연결된 저항 R3와, 드라이버 출력전압 단자와 OP앰프의 반전 단자 사이에 연결된 저항 R4와, OP앰프의 반전 단자와 접지 사이에 연결된 저항 R5와, OP앰프의 반전 단자에 캐소드, 접지에 애노드가 연결된 제너 다이오드를 포함하는 단일 OP앰프를 구비한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 과전압/저전압 보호장치의 회로도이다.
본 발명의 과전압/저전압 보호장치는 도 3과 같은 회로 구성을 가지는데, 드 라이버 출력전압(31)이 V1으로서 입력되고, 과전압 및 저전압 검출을 위한 기준전압(32)이 V3로서 입력된다. 또한, OP앰프(30)의 비반전 단자(33)에는 병렬로 된 R1//R2//R3의 노드점이 연결되며, 상기 R2를 통해 드라이버 출력전압(31;V1)이 인가되며, 상기 R1을 통해 과전압 및 저전압 검출을 위한 기준전압(32;V3)이 인가되는 구조를 가진다.
또한, OP앰프(30)의 반전 단자(34)에는 직렬로 된 R4와 R5의 중앙 노드점(35)이 반전 단자(34)에 연결되며, 상기 R5는 소정의 제너 정전압을 갖는 제너 다이오드(36)와 병렬로 연결된 구조를 가진다.
상기 도 3과 같은 회로 구조 하에서, OP앰프의 비반전 단자(33)에 입력되는 비반전 전압에 대하여 설명한 후, OP앰프의 반전 단자(34)에 입력되는 반전 전압에 대하여 설명하기로 한다.
비반전 단자(33)에 인가되는 비반전 전압은 드라이버 출력전압(V1)과 기준전압(V3)의 직렬 및 병렬로 된 저항의 분배 전압식에 의하여 산출된다. 이를 하기 [식 1]에 기재하였다.
[식 1]
비반전 전압 =
{(R2//R3)/[(R2//R3)+R1]}*V3+{(R1//R3)/[(R1//R3)+R2]}*V1
상기 [식 1]을 보면, OP앰프의 비반전 단자(33)에 입력되는 비반전 전압은, 기준전압(V3)으로부터 R2//R3에 걸리는 R2//R3 분배전압을 구하고, 상기 드라이버 출력전압(V1)으로부터 R1//R3에 걸리는 R1//R3 분배전압을 구하여, 이를 더함으로 써 구할 수 있다.
한편, 반전 단자(34)에는 드라이버 출력전압(V1)으로부터 R5에 걸리는 분배 전압이 입력되는데, 이를 식으로 표시하면 하기 [식 2]와 같다.
[식 2]
반전 전압 = {R5/(R4+R5)}*V1
(단, 제너다이오드의 제너 정전압보다 같거나 클 때에는, 반전 전압은 제너 정전압으로 입력됨)
상기 [식 2]를 보면, OP앰프의 반전 단자(34)에 인가되는 반전 전압은 드라이버 출력전압(31;V1)으로부터 반전 단자의 R5에 걸리는 분배전압이 됨을 알 수 있다. 한편, 반전 단자(34)에는 소정의 제너 정전압을 갖는 제너다이오드(36)가 R5와 병렬로 연결되어 있는데, 상기 [식 2]의 반전 전압의 계산치가 제너 정전압보다 클 경우에는 반전 전압은 제너 정전압이 되며, 반대로, 반전 전압의 계산치가 제너 정전압보다 작거나 같을 경우에는 반전 전압은 반전 전압의 계산치가 그대로 적용된다. 즉, 드라이버 출력전압(31;V1)이 과전압이 공급될 시에 제너 다이오드(36)를 도통시킴으로써, 반전 단자(34)에 드라이버 출력전압(V1)의 R5 분배전압이 아닌 제너 다이오드(36)의 제너 정전압이 걸리도록 하기 위함이다.
상기 도 3과 같은 회로 구성을 가질 때, OP앰프(30)는 드라이버 출력전압(31;V1)이 과전압 또는 저전압 될 시에 출력값으로서 하이(high) 신호를 출력하는데, 이를 도 4의 시뮬레이션 그래프와 함께 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 과전압/저전압 보호장치에서 OP앰프의 반전 단자 입력값, 비반전 단자 입력값, 출력값을 도시한 시뮬레이션 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3의 제너 다이오드(36)의 제너 정전압이 17.8V를 가지며, 기준전압(V3)이 일정한 값으로 유지(예컨대, 5.6V 정전압)되고, 드라이버 출력전압(V1)이 시뮬레이션을 위하여 일정하게 상하 진폭 가변되는 사인 파형의 전압이라 할 때, OP앰프의 반전 단자(34)에 입력되는 반전 전압, 비반전 단자(33)에 입력되는 비반전 전압, 제어부(37)로 출력되는 출력값은 도 4의 시뮬레이션 값을 가지게 된다. 상기 드라이버 출력전압(V1)을 사인파형 형태로 가변시켜 시뮬레이션 하는 것은, 과전압 상태, 저전압 상태일 때의 OP앰프의 출력값을 살펴보기 위함이다.
OP앰프는 반전 단자(34)에 입력되는 반전 전압(43a)이 비반전 단자(33)에 입력되는 비반전 전압(42a)보다 작을 때 하이(high) 신호를 출력하므로, 도 4의 시뮬레이션 그래프를 보면, 반전 전압(43a)의 값이 비반전 전압(42a)의 값보다 작은 구간(41a,41b,41c,41d)에서 하이 신호의 OP앰프 출력값(45)이 나타남을 알 수 있다.
드라이버 출력전압(V1)의 상승에 의하여 비반전 전압(42a)은 상기 [식 1]에 의하여 도 4의 그래프와 같은 파형을 얻는데, 드라이버 출력전압이 제너다이오드의 제너 정전압을 초과한 구간(41b,41d; 이하, 'OVP' 구간이라 함)에서, 반전 단자(34)에는 제너 다이오드(36)의 제너 정전압이 일정하게 걸리게 되어 도 4의 41b, 41d 구간과 같이 평평한 일직선 그래프를 가지게 된다. 따라서 상기 OVP 구간(41b,41d)에서는 반전 전압(43a)이 비반전 전압(42a)보다 작게 되므로 OP앰프의 출력값(45)은 하이(high) 신호를 가지게 된다.
상기 OVP 구간은, 드라이버 출력전압이 제너 정전압을 초과하는 과전압 상태를 나타내므로, OP앰프의 하이 신호 출력값을 수신한 제어부(37)는 보호 동작을 수행하게 된다.
한편, 드라이버 출력전압(V1)이 감소되어 일정 전압 이하의 저전압 상태로 되는 구간(41a,41c; 이하, 'UVP 구간'이라 함)에서, 도 3의 회로 구성에 의해 비반전 전압과 반전 전압은 도 4의 그래프 형태를 가지는데, 이러한 UVP 구간(41a,41c)에서도 마찬가지로 반전 전압(43b)이 비반전 전압(42b)보다 작게 되므로 OP앰프의 출력값(45)은 하이 신호를 가지게 된다. 따라서 이러한 UVP 구간에서도 제어부(37)는 OP앰프의 하이 신호 출력값을 수신하게 되므로 이에 따른 보호 동작을 수행하게 된다.
한편, 상기 OVP 구간(41b,41d) 및 UVP 구간(41a,41c)에서 영역은 도 3의 회로에서 각 저항값에 의하여 달리 설계될 수 있다. 도 4의 그래프는, R1->180KΩ, R2->100KΩ, R3->470KΩ, R4->56KΩ, R5->108.2KΩ로 설계하고서 실험한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 4의 경우에 UVP구간은 비반전 입력이 12.5V 이하로 내려갈 때이므로, 상기 [식 2]에 이를 대입하면, UVP 구간에서의 V1 최고값, 즉, 도 2에서의 저전압 기준신호에 대응되는 값을 구할 수 있다. 마찬가지로, OVP 구간은 반전 입력이 17.8V 이상으로 올라갈 때이므로, [식 1]에 이를 대입하면 도 1에서의 과전압 기준신호에 대응되는 값을 구할 수 있다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시 될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.
상기에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 과전압 및 저전압 검출에 있어서 소정의 저항과 제너 다이오드를 이용하여 하나의 OP앰프를 이용하여 구현할 수 있는 효과가 있다. 따라서 과전압/저전압 검출장치의 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 드라이버 출력전압이 과전압 및 저전압일 때에 이를 검출하는 단일의 OP 앰프와,
    기준전압 단자와 상기 OP앰프의 비반전 단자 사이에 연결된 저항 R1과,
    드라이버 출력전압 단자와 상기 OP앰프의 비반전 단자 사이에 연결된 저항 R2와,
    상기 OP 앰프의 비반전 단자와 접지 사이에 연결된 저항 R3와,
    드라이버 출력전압 단자와 OP앰프의 반전 단자 사이에 연결된 저항 R4와,
    OP앰프의 반전 단자와 접지 사이에 연결된 저항 R5와,
    OP앰프의 반전 단자에 캐소드, 접지에 애노드가 연결된 제너 다이오드
    를 구비한 단일 OP앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 드라이버 출력전압이 과전압 또는 저전압 일 때에는, 상기 OP앰프가 하이(high) 값을 출력하는 단일 OP앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서, 과전압/저전압 보호 장치는, OP앰프가 하이(high) 값을 출력 할 때 회로 보호 동작을 수행하는 단일 OP앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 R1, R2, R3, R4, R5의 값의 설계 변화에 따라 과전압 및 저전압의 검출 시점이 달라지는 단일 OP앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제너 정전압은 17.8V, 상기 기준전압은 5.6V, 상기 R1은 180KΩ, R2는 100KΩ, R3는 470KΩ, R4는 56KΩ, R5는 108.2KΩ을 가지는 단일 OP앰프를 이용한 과전압/저전압 보호 장치.
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