KR101196199B1 - 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류/직류 변환기의 출력단 부하 쇼트를 전류센서의 출력신호를 근거로 검출하여 직류/직류 변환기를 신속하게 셧다운시키고 최소 개수의 비교기를 사용하여 부하 쇼트를 검출할 수 있도록 한 것이다. 이를 위해 본 발명은 유기발광다이오드를 포함하는 부하 측으로 공급되는 전류량을 검출하여 그에 따른 검출전류를 출력하는 전류센서; 상기 전류센서에서 출력되는 검출전류를 기 설정된 드레쉬홀드전류와 비교하여 그 검출전류가 더 클 때 셧다운신호를 출력하는 비교기 및, 상기 비교기에서 셧다운신호가 출력될 때 직류/직류 변환기의 입력전원을 차단하여 셧다운 상태에 놓이도록 하는 제어부;를 구비한다.

Description

직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로{CIRCUIT FOR BLOCKING OVERCURRENT IN DC/DC CONVERTER}
본 발명은 직류/직류 변환기의 구동 제어기술에 관한 것으로, 특히 출력단 부하 쇼트로 인하여 직류/직류 변환기에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있도록 한 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 직류/직류 변환기는 입력직류전원을 부하가 요구하는 직류전원으로 변환하는 장치이다. 이와 같은 직류/직류 변환기는 입력직류전원을 승압하여 출력하는 승압형(boost type) 직류/직류 변환기와, 입력직류전압을 강압하여 출력하는 강압형(buck type) 직류/직류 변환기와, 입력직류전압을 강압/승압하여 출력하는 강압승압형(buck-boost type) 직류/직류 변환기 등이 있다.
근래 들어, LCD, PDP 및 OLED와 같이 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치들이 널리 보급되고 있는데, 이와 같은 평판 디스플레이장치의 전원공급장치로써 직류/직류 변환기가 많이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 직류/직류 변환기를 포함하는 전원공급 회로도로서 이에 도시한 바와 같이 직류/직류 변환기(10), 캐패시터(Cout) 및 부하(RL)를 포함하여 구성된다. 여기서, 부하(RL)는 평판 디스플레이 장치에 적용된 다수의 유기발광다이오드(AMOLED)로 이루어진 유기발광다이오드 모듈인 것을 예로 하여 설명한다.
직류/직류 변환기(10)는 입력전압(VIN)을 부하(RL)가 요구하는 레벨의 전압으로 변환하여 출력한다.
캐패시터(Cout)는 평활용 캐패시터로서 상기 직류/직류 변환기(10)에서 출력되는 직류전압에 포함된 교류성분을 제거하기 위하여 평활하여 부하(RL)에 공급한다.
상기 부하(RL)는 어떠한 이유로 인하여 양단이 저항값이 거의 없는 상태로 단락되거나, 어느 정도의 저항값을 가진 상태로 단락될 수 있다. 스위치(SW11)의 턴온은 상기 부하(RL)의 양단이 저항값이 거의 없는 상태로 단락되는 경우를 나타내기 위한 것이고, 스위치(SW12)의 턴온 및 저항(Rsmall)은 상기 부하(RL)의 양단이 어느 정도의 저항값을 가지고 단락되는 상태를 나타내기 위한 것이다.
물론, 상기 스위치(SW11),(SW12) 및 저항(Rsmall)은 실제 회로상에 설계된 것이 아니라, 본의 아니게 생성된 것을 등가회로적으로 나타낸 것이다.
도 2는 상기 직류/직류 변환기(10)가 승압형으로 구현된 것을 나타낸 것으로 이의 동작을 설명하면 다음과 같다.
제어부(도면에 미표시)로부터 충전용 모스트랜지스터(N 채널 모스트랜지스터)(M21) 및 출력용 모스트랜지스터(P 채널 모스 트랜지스터)(M22)의 게이트에 펄스폭변조신호와 같은 구동신호가 '하이'로 공급된다. 이에 의해 상기 충전용 모스트랜지스터(M21)가 턴온되는 반면, 출력용 모스트랜지스터(M22)는 턴오프된다. 따라서, 입력전원(VIN)으로부터 공급되는 전하가 코일(L21)에 축적된다.
이어서, 상기 제어부는 상기 모스트랜지스터(M21),(M22)의 게이트에 '로우'를 출력한다. 이에 의해 상기 충전용 모스트랜지스터(M21)가 턴오프되는 반면 출력용 모스트랜지스터(M22)는 턴온된다. 따라서, 상기 코일(L21)에 축적된 전하가 부하(RL)에 공급되어 이의 구성요소들인 유기발광다이오드들이 점등된다.
이후에도 상기 모스트랜지스터(M21),(M22)는 상기와 같이 턴온 및 턴오프시켜 상기 유기발광다이오드들의 점등을 제어하게 된다.
그런데, 상기 설명에서와 같이 어떠한 이유로 인하여 스위치(SW11) 또는 스위치(SW12)가 턴온되는 경우 해당 스위치를 통해 과전류가 흐르게 되고, 이에 의해 상기 직류/직류 변환기(10)에 과전류가 흘러 손상을 입게 된다.
따라서, 상기와 같이 과전류가 흐르는 것을 검출하여 직류/직류 변환기(10)를 셧다운시키게 되는데 도 3은 종래 기술에 의한 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로를 나타낸 것으로, 직류/직류 변환기(30), 비교기(CP31) 및 타이머(31)를 포함하여 구성된다.
비교기(CP31)의 기준전압(Vref)은 부하(RL)가 정상적으로 동작하는 노멀 상태에서 직류/직류 변환기(30)의 출력전압(Vout)보다 조금 낮게 설정되어 있다. 상기 기준전압(Vref)은 상기 입력전원(VIN)으로 설정할 수 있다.
따라서, 노멀 상태에서 상기 비교기(CP31)는 '로우' 신호를 출력하고, 이에 대응하여 타이머(31)는 셧다운신호(SD)를 출력하지 않는다.
하지만, 어떠한 이유로 인하여 상기 스위치(SW11) 또는 스위치(SW12)가 턴온되는 경우 상기 직류/직류 변환기(30)의 출력전압(Vout)은 점차 낮아지게 된다. 이에 따라, 상기 비교기(CP31)는 상기 직류/직류 변환기(30)의 출력전압(Vout)을 드레쉬홀드전압(Vth)과 비교하여 그보다 낮아지는 순간 '하이'를 출력한다. 이때, 상기 타이머(31)는 상기 비교기(CP31)에서 '하이'가 출력되는 시간을 체크하여 기 설정된 시간 이상일 때 상기 직류/직류 변환기(30)에 셧다운신호(SD)를 출력한다. 이에 의해 상기 직류/직류 변환기(30)는 셧다운된다.
상기와 같은 과정을 통해 상기 직류/직류 변환기(30)를 셧다운시키지 않는 경우, 그 직류/직류 변환기(30)는 상기 스위치(SW11) 또는 스위치(SW12)에 의해 출력전압(Vout)이 낮아지는 것을 보상하기 위해 상기 모스트랜지스터(M21),(M22)의 게이트에 공급되는 펄스폭변조신호의 듀티비를 점차 높이게 되고 이에 의해 과전류가 흐르게 된다. 하지만, 상기와 같은 셧다운 동작에 의해 과전류가 흐르지 못하게 된다.
그런데, 스위치(SW12)가 턴온되는 경우 상기 저항(Rsmall)의 값에 따라 상기 직류/직류 변환기(30)의 출력전압(Vout)의 레벨이 다양하게 결정된다. 따라서, 상기와 같이 다양한 레벨의 출력전압(Vout)을 근거로 부하의 단락 상태를 검출하여 직류/직류 변환기(30)를 셧다운시키기 위해서는 많은 개수의 비교기(CP31)와 타이머(31)를 구비하여야 한다.
이와 같이 종래 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로에 있어서는 다양한 레벨의 출력전압을 근거로 부하의 단락 상태를 정확하게 검출하여 직류/직류 변환기를 셧다운시키기 위해서는 많은 개수의 비교기와 타이머를 구비하여야 하므로 그에 따른 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
더욱이, 부하가 단락된 후 직류/직류 변환기의 출력전압이 비교적 완만하게 하강되므로 부하가 단락된 것을 검출하는데 비교적 오랜 시간이 경과된 후 부하 단락을 검출하여 그 직류/직류 변환기를 셧다운시키게 되므로 셧다운 이전에 과전류에 의해 직류/직류 변환기가 손상되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 직류/직류 변환기의 출력단 부하 쇼트를 전류센서의 출력신호를 근거로 검출하여 직류/직류 변환기를 신속하게 셧다운시키고 최소 개수의 비교기를 사용하여 부하 쇼트를 검출할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 목적들은 앞에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
유기발광다이오드를 포함하는 부하 측으로 공급되는 전류량을 검출하여 그에 따른 검출전류를 출력하는 전류센서;
상기 전류센서에서 출력되는 검출전류를 기 설정된 드레쉬홀드전류와 비교하여 그 검출전류가 더 클 때 셧다운신호를 출력하는 비교기 및,
상기 비교기에서 셧다운신호가 출력될 때 직류/직류 변환기의 입력전원을 차단하여 셧다운 상태에 놓이도록 하는 제어부;를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.
본 발명은 직류/직류 변환기의 출력단 부하 쇼트를 전류센서의 출력신호를 근거로 검출하여 직류/직류 변환기를 신속하게 셧다운시킴으로써, 최소 개수의 비교기를 사용하여 부하 쇼트에 대처할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전압 검출 방식에 비하여 상대적으로 신속하게 부하 쇼트를 검출하여 직류/직류 변환기를 셧다운 시킴으로써 부하쇼트에 의한 피해를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 직류/직류 변환기를 포함하는 전원공급 회로도.
도 2는 종래의 승압형 직류/직류 변환기의 동작 설명도.
도 3은 종래 기술에 의한 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로의 블록도.
도 4는 본 발명에 의한 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로의 블록도.
도 5의 (a)는 본 발명에 의한 직류/직류 변환기의 셧다운 동작 설명도.
도 5의 (b)는 종래 기술에 의한 직류/직류 변환기의 셧다운 동작 설명도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 의한 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 직류/직류 변환기(40), 캐패시터(Cout) 및 부하(RL)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 직류/직류 변환기(40)는 전류센서(41), 전류제한기(42), 비교기(43) 및 제어부(44)로 구성된다. 상기 직류/직류변환기(40)는 코일(L41)을 주기적으로 스위칭 구동하는 충전용 모스트랜지스터(M41) 및, 상기 코일(L41)에 주기적으로 충전되는 전기에너지를 상기 부하(RL) 측으로 전달하는 출력용 모스트랜지스터(M42)를 구비한다.
노멀 모드에서, 제어부(44)는 충전용 모스트랜지스터(N 채널 모스트랜지스터)(M41) 및 출력용 모스트랜지스터(P 채널 모스 트랜지스터)의 게이트에 펄스폭변조신호 형태의 '하이'를 출력한다. 이에 의해 상기 충전용 모스트랜지스터(M41)가 턴온되는 반면, 출력용 모스트랜지스터(M42)는 턴오프된다. 따라서, 입력전원(VIN)으로부터 공급되는 전하가 코일(L41)에 축적된다.
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이어서, 상기 제어부(44)는 상기 충전용 모스트랜지스터(M41) 및 출력용 모스트랜지스터(M42)의 게이트에 '로우'를 출력한다. 이에 의해 상기 충전용 모스트랜지스터(M41)가 턴오프되는 반면, 출력용 모스트랜지스터(M42)는 턴온된다. 따라서, 상기 코일(L41)에 축적된 전하가 부하(RL)에 공급되어 이의 구성요소들인 유기발광다이오드들이 점등된다.
이후에도 상기 제어부(44)는 상기 모스트랜지스터(M41),(M42)를 상기와 같이 턴온 및 턴오프시켜 상기 유기발광다이오드들의 점등을 제어하게 되며, 상기 충전용 모스트랜지스터(M41)의 게이트에 공급하는 '하이' 신호의 길이 즉, 펄스폭변조신호의 듀티비를 제어하여 부하(RL)에 공급되는 전류량을 제어하게 된다.
이때, 전류센서(41)는 상기 부하(RL) 측으로 공급되는 전류량을 검출하여 그에 따른 검출전류를 출력하고, 전류 제한기(42)는 그 검출전류를 근거로 부하(RL)에 기 설정된 전류량 이상으로 전류가 흐르지 않도록 제어부(44)에 전류제한신호를 출력한다.
이에 따라, 상기 제어부(44)는 상기 전류제한기(42)에서 출력되는 전류제한신호를 근거로, 도 5의 (a)에서와 같이 상기 부하(RL)에 공급되는 전류가 제한전류(ILimit) 이하가 되도록 상기 충전용 모스트랜지스터(M41)에 공급되는 듀티비를 제어한다.
그런데, 어떠한 이유로 인하여 상기 부하(RL)가 쇼트되는 경우, 즉 스위치(SW41) 또는 스위치(SW42)가 턴온되는 경우 상기 전류 제한기(42)를 이용한 전류 제한기능이 상실되므로 해당 스위치를 통해 과전류가 흐르게 된다.
여기서, 상기 스위치(SW41)의 턴온은 상기 부하(RL)의 양단이 저항값이 거의 없는 상태로 단락되는 경우를 나타내기 위한 것이고, 스위치(SW42)의 턴온 및 저항(Rsmall)은 상기 부하(RL)의 양단이 어느 정도의 저항값을 가지고 단락되는 상태를 나타내기 위한 것이다. 상기 스위치(SW11),(SW12) 및 저항(Rsmall)은 실제 회로상에 설계된 것이 아니라, 본의 아니게 생성된 것을 등가회로적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따라 상기와 같이 과전류가 흐르는 것을 검출하여 직류/직류 변환기(40)를 셧다운시키는 것에 대한 처리과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 설명에서와 같이 어떠한 이유로 인하여 상기 스위치(SW41) 또는 스위치(SW42)가 턴온되는 경우 해당 스위치를 통해 과전류가 흐르게 되고 이로 인하여 상기 부하(RL) 측으로 공급되는 전류가 도 5의 (a)에서와 같이 상기 제한전류(ILimit)를 초과하여 드레쉬홀드 전류(Ith)에 이르게 된다.
이때, 비교기(43)는 상기 전류센서(41)에서 출력되는 검출전류를 기 설정된 드레쉬홀드전류(Ith)와 비교하게 되는데, 이때의 검출전류 값은 상기 드레쉬홀드전류(Ith) 값보다 크므로 비교기(43)는 상기 제어부(44)에 셧다운신호(SD)를 출력한다.
상기 비교기(43)는 상기 셧다운신호(SD)를 출력함에 있어서, 검출전류 값이 상기 드레쉬홀드전류(Ith) 값보다 클 때 곧바로 셧다운신호(SD)를 출력하지 않고, 검출전류 값이 상기 드레쉬홀드전류(Ith) 값보다 큰 유지시간이 기 설정된 시간 이상 지속될 때 셧다운신호(SD)를 출력함으로써, 잡음 등으로 인한 오동작을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 제어부(44)는 직류/직류 변환기(40)의 입력전원(VIN)을 차단하여 셧다운 상태에 놓이게 된다.
그런데, 종래의 경우 도 5의 (b)에서와 같이, 직류/직류 변환기의 출력전압을 드레쉬홀드전압(Vth)과 비교하여 셧다운신호를 발생하므로 셧다운신호를 발생하기 까지 비교적 오랜 시간(t2)이 소요되고, 이로 인하여 직류/직류 변환기가 셧다운 이전에 과전류에 의해 손상되는 경우가 발생된다.
이에 비하여, 본 발명에서는 전류센서(41)를 통해 부하(RL) 측으로 공급되는 전류를 검출하여 그에 따른 검출전류를 출력하고, 이를 드레쉬홀드전류(Ith)와 비교하여 그보다 많은 전류가 흐를 때 셧다운신호(SD)를 출력하므로, 도 5의 (a)에서와 같이 비교적 빠른 시간(t1) 이내에 셧다운 동작이 이루어져 과전류에 의해 그 직류/직류 변환기(40)가 손상되는 피해를 최소화할 수 있게 된다.
참고로, 상기 직류/직류 변환기(40)를 집적소자로 구현하는 경우 상기 코일(L41)은 집적소자의 외부에 설치하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
40 : 직류/직류 변환기
41 : 전류센서
42 : 전류제한기
43 : 비교기
44 : 제어부

Claims (5)

  1. 코일을 주기적으로 스위칭 구동하는 충전용 모스트랜지스터 및, 상기 코일에 주기적으로 충전되는 전기에너지를 유기발광다이오드를 포함하는 부하 측으로 전달하는 출력용 모스트랜지스터를 구비하여, 상기 부하를 구동하기 위해 요구된 직류전원을 공급하고, 그 부하에 과전류가 공급되는 것을 검출하여 차단하는 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로에 있어서,
    상기 코일과 상기 충전용 모스트랜지스터의 드레인 접속점으로부터 상기 부하 측으로 공급되는 전류량을 검출하여 그에 따른 검출전류를 출력하는 전류센서;
    상기 전류센서에서 출력되는 검출전류를 기 설정된 드레쉬홀드전류와 비교하여 그 검출전류가 더 클 때 셧다운신호를 출력하는 비교기 및,
    상기 비교기에서 셧다운신호가 출력될 때 상기 직류/직류 변환기의 입력전원을 차단하여 셧다운 상태에 놓이도록 하는 제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로.
  2. 제1항에 있어서, 노멀 모드에서 상기 전류센서의 검출전류를 모니터링하여 부하에 기 설정된 전류량 이상으로 전류가 흐르지 않도록 상기 제어부에 전류제한신호를 출력하는 전류 제한기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로.
  3. 제1항에 있어서, 비교기는 상기 전류센서의 검출전류 값이 상기 드레쉬홀드전류 값보다 큰 시간이 기 설정된 시간 이상 지속될 때 상기 셧다운신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로.
  4. 제1항에 있어서, 제어부는 노멀 모드에서 상기 충전용 모스트랜지스터의 구동을 제어하여 상기 부하에 공급되는 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로.
  5. 제1항에 있어서, 직류/직류 변환기는 입력직류전압을 승압하여 출력하는 승압형 직류/직류 변환기, 입력직류전압을 강압하여 출력하는 강압형 직류/직류 변환기, 입력직류전압을 강압/승압하여 출력하는 강압승압형 직류/직류 변환기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환기의 과전류 차단 회로.
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