KR101199488B1 - 부동 컨버터의 과전압 보호 회로 - Google Patents

부동 컨버터의 과전압 보호 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하의 그라운드가 입력전압의 그라운드와 동일하지 않은 부동 컨버터에서의 부동 컨버터의 전압이 일정 전압이상 증가하면 부하와 컨버터를 보호하기 위해서 컨버터 회로의 동작을 중단시키는 과전압 보호회로에 관한 것이다. 과전압 보호 회로는, 출력 전압을 직접 측정하지 않고 부동 상태인 출력 그라운드의 전압을 측정하고, 측정된 전압 상태를 이용하여 출력 부하 전압의 과전압 상태를 판단한다. 또한, LED 드라이버로 이용되는 부동 벅 컨버터에도, 부동 상태인 출력 그라운드의 전압을 측정하고, 측정된 전압 상태를 이용하여 과전압 보호 회로를 구성할 수 있다.

Description

부동 컨버터의 과전압 보호 회로{Over voltage protection circuit for floating converter}
본 발명은 부하의 그라운드가 입력전압의 그라운드와 동일하지 않은 부동 컨버터에서의 과전압 보호 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부동 컨버터의 출력 전압이 일정 전압이상 증가하면 부하와 컨버터를 보호하기 위해서 컨버터 회로의 동작을 중단시키는 보호 회로에 대한 것이다.
도 1은 일반적인 출력 그라운드가 입력 그라운드와 공통인 컨버터를 나타내는 도면이다.
일반적으로, 입력 직류 전압을 출력 측에 적합한 직류 전압으로 변환하는 컨버터는, 도 1에 도시된 바와 같이 컨버터(11)의 입력전압(V12. 즉, V1-V2) 측의 전기적 그라운드와 컨버터(11)의 출력측의 전압(Vab, 즉, Va-Vb)의 전기적 그라운드가 연결된 구조를 갖고 있다. 즉, 컨버터(11)의 입력측 그라운드 전압 V2 = Vb가 되며 모두 전기적으로 0V가 된다. 컨버터(11)의 입력 전압(V12)은 통상적으로 교류 상용전압을 정류하여 충전하거나 축전지 전압을 사용하는 직류 전압(Vdc)과 연결되고, 컨버터(11)의 출력 전압(Vab)은 부하 저항(RO)과 연결된다.
도 2는 출력 그라운드가 공통인 컨버터에서 사용하는 과전압 보호 회로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2의 컨버터(11)에서 출력전압(Vab)이 필요전압보다 크게 높아지는 경우, 이상 전압 상태를 감지하여 컨버터(11)를 보호하기 위하여, 도 2와 같이 컨버터(11)의 출력 전압(Vab)을 측정하는 방식이 이용된다. 컨버터(11)의 출력 전압(Vab)은 측정 전압(VS)으로 측정된다. 이 경우, 측정 전압(VS)은 컨버터(11)의 출력 전압(Vab)과 Vab*R2/(R1+R2)의 관계가 있다.
측정 전압(VS)이 기준 전압(Vref)보다 큰 경우, 비교기(12)를 통해 과전압 보호 신호(VC)를 발생하게 한다. 이 과전압 보호 신호(VC)는 컨버터(11) 내부의 주 반도체 스위치를 구동하는 IC(도시되지 않음)의 디스에이블(disable)핀에 전달되어 IC의 동작을 멈추게 한다. 이러한 보호 방식은 출력 부하(RO)가 개방된 무부하 상태에서 출력 전압(Vab)이 계속 증가하게 되어 과전압 상태가 되므로, 무부하 보호 회로로서도 이용될 수 있다.
부동 컨버터(floating converter)의 부동 그라운드 전압을 측정하여, 부동 컨버터의 과전압 상태를 감지함으로써, 부동 컨버터에 대한 과전압을 효율적으로 감지하기 위한 부동 컨버터에 대한 과전압 보호 회로가 제공된다.
또한, 부동 벅 컨버터(floating buck converter)의 부동 그라운드 전압을 감지하여, 부동 벅 컨버터의 과전압을 효율적으로 감지하기 위한 부동 벅 컨버터의 과전압 보호 회로가 제공된다.
일 측면에 따른, 직류 전압(Vdc)을 입력으로 하고 출력 전압(Vab)을 부하(RO)에 공급하며, 출력 그라운드가 공통이 아닌 부동 컨버터의 출력 전압(Vab)에 대한 과전압 보호 회로는, 부동 컨버터의 부동 그라운드의 전압(Vb)을 감쇄시켜 측정 전압(VS)을 공급하는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)과, 부동 컨버터의 출력 전압(Vab)의 과전압 상태의 기준이 되는 과전압 기준 전압(Vref) 및 측정 전압(VS)을 입력으로 하고, 출력 전압(Vab)의 과전압으로 인해 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계 전압 이하로 떨어지는 상태를 알려주는 과전압 보호 신호(VC)를 부동 컨버터로 출력하는 비교기를 포함한다.
다른 측면에 따른, 직류 전압(Vdc)을 입력으로 하고 출력을 부하에 공급하고 환류 다이오드(D)와, 인덕터(L)와, 필터 캐패시터(C)와, 반도체 스위치(Q)와, 반도체 스위치(Q)를 구동하는 제어 회로(IC)와 전류 측정 저항(Rs)을 포함하는 부동 벅 컨버터의 과전압 보호 회로는, 부동 벅 컨버터의 출력 전압(Vab)의 과도 전압으로 인하여 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계값 이하로 떨어지는지를 감지하는 제너다이오드(ZD1)와, 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계값 이하로 떨어지는 경우, 과전압 보호 신호(Vc)를 발생시키는 반도체 스위치(Q1)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 부동 컨버터의 부동 그라운드 전압을 측정하여, 부동 컨버터의 과전압 상태를 감지함으로써, 부동 컨버터에 대한 과전압을 효율적으로 감지할 수 있는 과전압 보호 회로를 제공할 수 있다. 또한, 부동 벅 컨버터의 부동 그라운드 전압을 감지하여, 부동 벅 컨버터의 과전압을 효율적으로 감지하기 위한 부동 벅 컨버터의 과전압 보호 회로를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 출력 그라운드가 입력 그라운드와 공통인 컨버터를 나타내는 도면이고,
도 2는 출력 그라운드가 공통인 컨버터에서 사용하는 과전압 보호 회로의 구성을 나타내는 도면이고,
도 3은 출력 그라운드가 공통이 아닌 부동 컨버터를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부동 컨버터에서의 과전압 보호 회로 구성을 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부동 벅 컨버터에서의 과전압 보호 회로 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 출력 그라운드가 공통이 아닌 부동 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 3의 컨버터(21)는 입력측 그라운드 전압(V2)과 부하에 해당되는 저항(RO)의 그라운드 전압(Vb)이 동일하지 않고, 대신에 입력 전압의 +측에 해당되는 전압(V1)이 출력 부하의 +측에 해당되는 전압(Va)과 연결된 구조 즉, V1=Va인 구조로 구성된다.
도 3의 부하(RO)가 LED(Light Emitting Diode) 어레이로 대체되는 경우, 컨버터(21)는 LED 어레이 구동 회로로 동작된다. LED 구동 회로에서는 구동 회로의 입력 전압이 LED 어레이의 전압보다 높은 경우는 높은 입력전압에서 낮은 LED 어레이 전압을 출력하는 벅 컨버터 구조를 사용한다. 특히, LED의 경우는 LED 부하의 그라운드가 입력 측과 같지 않아도 사용에 문제가 없다.
도 3과 같은 컨버터(21)를, 도 2와 같이 기존의 방식처럼 출력전압(Vab)을 센싱하여 과전압 보호신호를 발생시키는 방법을 사용하게 할 경우 회로가 동작을 할 수 없게 된다. 그 이유는, 출력측 그라운드가 부동상태인 경우는 V2=Vb가 성립하지 않으므로, 컨버터(21)의 출력 전압(Vab)에 대한 측정 전압(VS)은 Vb+Vab*R2/(R1+R2)가 된다. 이때, Vb=Vdc-Vab이므로, 입력 전압(Vdc)이 클 경우, 측정 전압(VS)은 계측 및 제어회로에서 처리하기 어려운 큰 값을 갖게 된다. 즉, 출력 부하의 전압(Vab)을 측정할 경우 출력의 부동 그라운드(Vb)의 자체 전압강하가 매우 크기 때문에 과전압 보호 회로가 처리할 수 있는 동작 전압 영역을 초과하게 되어 과전압 보호 회로를 손상시키게 된다.
예를 들어, 직류 전압(Vdc)이 400V이고 부하인 LED 어레이의 전압이 50V라고 하면, 부동 그라운드의 전압(Vb)은 350V가 된다. 따라서, 실제 측정된 측정 전압(VS)은 350V 이상의 매우 높은 전압으로 측정되고, 이것은 도 2의 비교기(12)가 입력받을 수 있는 전압 범위를 넘어서게 되어 비교기(12)가 파괴될 수 있다. 통상의 비교기를 구성하는 연산증폭기의 경우는 허용전압이 최대 30V 이하이다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 방식으로는 입력과 출력의 그라운드가 부동상태인 컨버터(21)에 대한 과전압 측정회로를 구성하는 것이 어렵다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부동 컨버터에서의 과전압 보호 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 회로는 부동 컨버터(21)의 출력전압(Vab)를 측정하는 대신에 출력측의 부동 그라운드 전압(Vb)을 측정하도록 구성된다. 일 실시예에 따른 과전압 보호 회로는, 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 비교기(22) 및 기준 전압을 제공하는 전압원(Vref)을 포함할 수 있다.
부동 컨버터(21)의 부동 그라운드 전압(Vb)은 실제로 Vb=Vdc-Vab의 관계를 가지므로, 출력전압(Vab)이 과전압이 되는 상태는, 부동 그라운드 전압(Vb)이 정상 전압보다 낮은 상태를 초래하게 된다. 따라서, 과전압 보호 회로는 부동 그라운드 전압(Vb)을 측정하여, 부동 그라운드 전압(Vb)이 정해진 전압 이하로 떨어질 경우 부하인 출력전압(Vab)이 과전압 상태로 판단해서 과전압 보호신호(VC)를 발생시키게 한다.
이 경우, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)은 부동 컨버터의 부동 그라운드의 전압(Vb)을 감쇄시켜 측정 전압(VS)을 공급하는 역할을 한다. 부동 그라운드의 전압(Vb)을 측정하기 위한 측정 전압(Vs)는, 부동 그라운드의 전압(Vb)이 수백 볼트(V)의 높은 전압이라도, VS=Vb*R2/(R1+R2)의 관계가 성립한다.
여기에서, 제1 저항(R1)에 대해서 제2 저항(R2)의 값이 충분히 작은 경우 비교기(22)에 입력가능한 30V이하로 전압을 낮추어서 측정할 수 있다. 실제적으로는, 15V이하로 측정을 하도록 설정할 수 있다. 측정 전압(Vs)이 비교기(22)의 허용 전압보다 작도록, 제2 저항(R2)의 크기가 제1 저항(R1)보다 작은 값을 가질 수 있다.
도 4의 Vref는 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계 전압값 이하로 감소할 때 보호신호를 내는 기준 전압을 나타낸다. 비교기(22)는 부동 컨버터의 출력 전압(Vab)의 과전압 상태의 기준이 되는 과전압 기준 전압(Vref) 및 측정 전압(VS)을 입력으로 한다. 도시되지는 않았으나, 비교기(22)는 출력 전압(Vab)의 과전압으로 인해 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계 전압 이하로 떨어지는 상태를 알려주는 과전압 보호 신호(VC)를 부동 컨버터(21)로 출력할 수 있다.
보호 신호(VC)는 정상적인 상태에서는 0V 수준을 유지하다가, 출력 전압(Vab)이 과전압상태가 되어 부동 그라운드 전압(Vb)이 임계 전압값 이하로 떨어질 때 5-15V 수준의 상태로 변화하여 컨버터(21) 내부의 제어 IC(도시되지 않음)에 보호신호를 전달하여 컨버터(21)의 동작을 멈추게 할 수 있다. 여기에서, 임계 전압값은, 실험적으로 설정될 수 있다.
측정 전압(VS)은 0V에서 15V의 범위를 갖고, 과전압 기준 전압(Vref)은 0V에서 15V의 범위를 갖고, 과전압 보호 신호(VC)는 0V에서 15V의 범위를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부동 벅 컨버터에서의 과전압 보호 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 부동 벅 컨버터(31)에서 도 4에서의 과전압 보호 회로를 구성하는 방법과 동일한 원리를 사용하되 저가의 과전압 보호 회로의 구성의 일 예를 나타낸다.
부동 벅 컨버터(31)는, 환류다이오드(D)와, 인덕터(L)와, 필터 캐패시터(C)와, MOSFET를 사용하는 반도체 스위치(Q)와, 반도체 스위치(Q)를 동작시키는 제어 회로(IC)와, 전류측정용 저항(RS)을 포함한다. 부동 벅 컨버터(31)는 LED 어레이를 구동하는 회로이다. 부동 벅 컨버터(31)의 부하로 LED 어레이가 출력 전압(Vab)에 연결된다. 도 5의 부동 벅 컨버터(31)의 과전압 보호 회로는, 제너 다이오드(ZD1), 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 반도체 스위치(Q1), 충전용 커패시터(C1)를 포함할 수 있다.
부동 벅 컨버터(31)의 출력의 부동 그라운드 b지점의 전압(Vb)은 초기에는 입력에 연결되는 직류전압 값(Vdc)과 동일한 값이 된다. 부동 벅 컨버터(31)가 동작하면서 출력 전압(Vab)은 증가하게 되고, 그에 따라 부동 그라운드의 전압(Vb)는 감소하게 된다.
제너 다이오드(ZD1)는 부동 벅 컨버터의 출력 전압(Vab)의 과도 전압으로 인하여 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계값 이하로 떨어지는지를 감지한다. 제너 다이오드(ZD1)의 항복전압은, 입력 직류 전압(Vdc)과 출력 전압(Vab)의 임계 출력 전압의 차이보다 작도록 설정된다. 반도체 스위치(Q1)는 부동 그라운드 전압(Vb)이 임계값 이하로 떨어지는 경우 과전압 보호 신호(VC)를 발생시킨다.
상세하게는, 초기부터 부동 그라운드의 전압(Vb)이 제너 다이오드(ZD1)의 항복전압보다 크므로, 제너 다이오드(ZD1)는 도통하여 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)을 0.7V이상으로 증가시켜, 반도체 스위치(Q1)를 도통시키게 된다. 이때, 반도체 스위치(Q1)의 컬렉터 전압(VC)은 0V 수준이 되어 제어 회로(IC)를 동작을 유지시킨다.
만약, 출력전압(Vab)이 증가하여, 임계 출력 전압 이상이 될 경우, 부동 그라운드 전압(Vb)은 감소하게 되고, 이때 제너 다이오드(ZD1)에 걸리는 전압은 항복 전압 값보다 작아지게 되어, 제너 다이오드(ZD1)는 도통하지 않게 된다. 이 경우. 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)은 제2 저항(R2)로 방전하게 되어 0.7V이하로 감소하게 되고, 반도체 스위치(Q1)는 오프(off) 상태로 된다.
풀업 저항(RC)은 반도체 스위치(Q1)가 오프 상태일 때, 과전압 보호 신호(Vc)를 제어 회로(IC)의 공급 전압(Vcc)으로 상승시키기 위해, 공급 전압(Vcc)과 제어 회로(IC)의 디스에이블 핀(cs) 사이에 연결되고, 과전압 보호 신호(VC)와도 연결된다. 즉, 반도체 스위치(Q1)는 오프(off) 상태로 되면, 반도체 스위치(Q1)의 컬렉터 전압(VC)에 대응하는 과전압 보호신호(VC)의 수준은 저항(RC)를 통해서 제어 회로(IC)의 전원 전압(Vcc)에 연결된 전압만큼 높아져서 제어 회로(IC)의 디스에이블 핀인 cs핀에 전달되어 제어 회로(IC)의 동작을 멈추게 되고 컨버터(31)도 동작을 중지하게 된다. 풀업 저항(RC)은 부동 벅 컨버터(31)에 포함된 것으로 도시되어 있으나, 과전압 보호 회로의 구성요소로 포함될 수 있다. 과전압 보호신호(VC)는 0V에서 15V의 범위를 가질 수 있다.
보호 회로의 제1 저항(R1)은 트랜지스터인 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전류를 제한하는 용도로 이용된다. 충전용 커패시터(C1)는 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)을 조절하는 소자이다. 제2 저항(R2)은, 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)을 조절하기 위한 방전용 저항이다. 제2 저항(R2)과 커패시터(C1)는, 반도체 스위치(Q1)의 제너 다이오드(ZD1)가 도통 상태인 경우 베이스 전압(VB)을 0.7V이상을 유지시키고, 제너 다이오드(ZD1)가 오프 상태인 경우는 0.7V이하로 떨어지도록, 충방전 시키는 역할을 수행한다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 직류 전압(Vdc)을 입력으로 하고 출력 전압(Vab)을 부하(RO)에 공급하며, 출력전압의 그라운드가 입력전압의 그라운드와 전기적으로 직접 연결되지 않은 부동(floating) 벅 컨버터의 출력 전압(Vab)에 대한 과전압 보호 회로로서.
    상기 부동 벅 컨버터의 부동(floating) 그라운드의 전압(Vb)을 감쇄시켜 측정 전압(VS)을 공급하는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)과,
    상기 부동 벅 컨버터의 출력 전압(Vab)의 과전압 상태의 기준이 되는 과전압 기준 전압(Vref) 및 상기 측정 전압(VS)을 입력으로 하고, 상기 출력 전압(Vab)의 과전압으로 인해 상기 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계 전압 이하로 떨어지는 상태를 알려주는 과전압 보호 신호(VC)를 상기 부동 벅 컨버터로 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 전압(VS)은 상기 부동 그라운드 전압(Vb)의 R2/(R1+R2)배에 대응하는 전압인 과전압 보호 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 비교기는, 연산 증폭기이고,
    상기 측정 전압(Vs)이 상기 비교기의 허용 전압보다 작도록, 상기 제2 저항(R2)의 크기가 제1 저항(R1)보다 작은 값을 가지는 과전압 보호 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 전압(VS)은 0V에서 15V의 범위를 갖고,
    상기 과전압 기준 전압(Vref)은 0V에서 15V의 범위를 갖고,
    상기 과전압 보호 신호(VC)는 0V에서 15V의 범위를 갖는 과전압 보호 회로.
  5. 직류 전압(Vdc)을 입력으로 하고 출력을 부하에 공급하고 환류 다이오드(D)와, 인덕터(L)와, 필터 캐패시터(C)와, 반도체 스위치(Q)와, 상기 반도체 스위치(Q)를 구동하는 제어 회로(IC)와 전류 측정 저항(RS)을 포함하는 부동(floating) 벅 컨버터의 과전압 보호 회로로서,
    상기 부동 벅 컨버터의 출력 전압(Vab)의 과도 전압으로 인하여 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계값 이하로 떨어지는지를 감지하는 제너다이오드(ZD1)와,
    상기 부동 그라운드의 전압(Vb)이 임계값 이하로 떨어지는 경우, 과전압 보호 신호(Vc)를 발생시키는 반도체 스위치(Q1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치(Q1)가 오프 상태일 때, 과전압 보호 신호(VC)를 상기 제어 회로(IC)의 공급 전압(Vcc)으로 상승시키기 위해, 상기 공급 전압(Vcc)과 상기 제어 회로(IC)의 디스에이블 핀(cs) 사이에 연결되고 상기 과전압 보호신호(VC)와 연결된 풀업 저항(RC)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전류를 제한하는 제1 저항(R1)과,
    상기 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)을 조절하기 위한 충전용 캐패시터(C1)와,
    상기 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)을 조절하기 위한 방전용 제2 저항 (R2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제너 다이오드(ZD1)의 항복전압은, 상기 입력 직류 전압(Vdc)과 상기 출력 전압(Vab)의 임계 출력 전압의 차이보다 작은 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)은 상기 제너 다이오드(ZD1)가 도통상태인 경우는 0.7V이상인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치(Q1)의 베이스 전압(VB)은, 상기 제너 다이오드(ZD1)가 오프 상태인 경우는 0.7V이하인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 과전압 보호신호(VC)는 0V에서 15V의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
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