KR101314307B1 - 직렬 접속된 디바이스들을 위한 션트 보호 모듈 및 방법 - Google Patents

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Abstract

직렬 접속된 디바이스들을 위한 션트 보호 모듈 및 방법은 다중 션트 반도체들과 제어 유닛을 사용한다. 션트 반도체들은 다중의 타겟 디바이스들에 각각 접속한다. 각각의 션트 반도체는 병렬로 대응하는 타겟 디바이스에 접속한다. 제어 유닛은 션트 반도체들의 트리거 단자들에 접속한다. 각각의 션트 반도체는 트리거 단자에 입력되는 전압이 클수록 상기 션트 단자들 사이의 전위차가 낮아지는 특성을 가지며, 제어 유닛은 적어도 2개의 인접한 타겟 디바이스들에서의 전위차와 동등한 트리거 전압을 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 출력하기 때문에, 션트 반도체들에서의 전위차는 그것이 동작할 때 낮아진다. 션트 보호 모듈 및 방법은 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체들에 대한 높은 트리거 전압의 제공을 보장하여, 본 발명의 션트보호 모듈의 전력 소모가 가능한 낮게 감소될 수 있다.

Description

직렬 접속된 디바이스들을 위한 션트 보호 모듈 및 방법{SHUNT PROTECTION MODULE AND METHOD FOR SERIES CONNECTED DEVICES}
본 발명은 직렬 접속된 디바이스들을 위한 션트(Shunt) 보호 모듈 및 방법, 특히 낮은 전력 소모(power dissipation)를 갖는 션트 보호 모듈 및 방법에 관한 것이다.
종래의 션트 보호 장치는 직렬 접속된 디바이스, 이를테면 다중 직렬 접속된 LED들이, 직렬 접속된 LED들 중 하나에 고장이 발생하더라도, 정상적으로 동작하는 것을 보장하기 위해 발명되었다. 그러나, 낮은 전력 소모를 갖는 션트 보호 장치의 설계가 해결되어야 할 중요한 이슈이다. 미국 특허 제7,564,666호(이하에서 관련 선행 기술이라 칭함)는 그 해결책을 개시하고 있다.
도 7에 관련하여, 상기 관련 선행 기술의 션트 보호 회로가 개시된다. 각각의 션트 보호 회로는 LED에 대응하여 접속되고, 제1 단자(51), 제2 단자(52), 금속 산화물 반도체(MOS) 게이티드 실리콘 제어 정류기((gated silicon controlled rectifier : SCR)(53), 2개 다이오드(54, 55), 및 저항(56)을 가진다. 상기 제1 단자(51)는 대응하는 LED의 애노드에 접속되며, 제2 단자(52)는 대응하는 LED의 캐소드에 접속된다. MOS 게이티드 SCR(53)의 드레인 단자는 상기 제1 단자(51)에 접속되며, MOS 게이티드 SCR(53)의 소스 단자는 상기 제2 단자(52)에 접속된다. 상기 2개의 다이오드(54, 55)는 서로 백투백(back to back) 접속된다. 상기 2개의 다이오드(54, 55) 중 하나의 캐소드는 상기 제1 단자(51)에 접속되며, 다른 다이오드(55)의 캐소드는 MOS 게이티드 SCR(53)의 게이트 단자에 접속된다. 상기 저항(56)은 MOS 게이티드 SCR(53)의 게이트 단자와 상기 제2 단자(52) 사이에 접속된다.
대응하는 LED가 정상적으로 동작할 때 상기 언급된 션트 보호 회로는 동작하지 않으며, 따라서 션트 보호 회로는 실질적으로 제로 전류를 도통시킨다. 대응하는 LED가 고장나고 그결과 직렬 접속된 LED들의 루프에 개방 회로가 초래되면, 션트 보호 회로내의 MOS 게이티드 SCR(53)은 턴온되어 MOS 게이티드 SCR(53)을 통과하는 전류를 션트하게 될 것이다. 그러므로, 하나의 고장 LED를 갖는 직렬 접속된 LED들은 정상적으로 동작하게 된다.
도 8은 상기 관련 선행 기술에 개시된 다른 예를 도시한다. 제너 다이오드(57)가 션트 보호 회로가 되도록 적용된다. 제너 다이오드(57)의 캐소드는 제1 단자(51)에 접속되고, 제너 다이오드(57)의 애노드는 제2 단자(52)에 접속된다. 제너 다이오드(57)는 대응하는 LED가 정상적으로 동작할 때 실질적으로 제로의 전류를 도통시킨다. 대응하는 LED가 고장나고 그결과 직렬 접속된 LED들의 루프에 개방 회로가 초래되면, 제너 다이오드(57)는 도통되어 제너 다이오드(57)를 통과하는 전류를 션트하게 될 것이다. 그러므로, 하나의 고장난 LED를 갖는 직렬 접속된 LED들은 정상적으로 동작하게 된다.
상기 관련 선행 기술의 상세한 설명의 칼럼 6에 따르면, MOS 게이티드 SCR(53) 또는 제너 다이오드(57)의 최대 전력 소모는 MOS 게이티드 SCR(53)가 턴온되거나 또는 제너 다이오드(57)가 도통될 때 대응하는 LED의 전력 소모의 1/4이다. 예를 들면, 350밀리암페어(㎃) 전류가 대응하는 LED를 통해 흐르고 LED의 순방향 전압이 3.5V라면, 대응하는 LED가 정상적으로 동작할 때, 대응하는 LED의 전력 소모는 약 1.2와트이며, 따라서 MOS 게이티드 SCR(53) 또는 제너 다이오드(57)의 최대 전력 소모는 대응 LED가 고장날 때 약 0.3와트이다.
그러나, 상기 관련 선행 기술에 개시된 션트 보호 장치의 전력 소모는 대응하는 LED의 전력 소모의 1/4 보다 낮아질 수 없다. 그 이유는 MOS 게이티드 SCR(53)의 게이트와 소스 단자 사이의 전위차가 임계 전압 보다 커질 것이고, 따라서 MOS 게이티드 SCR(53)를 턴온 상태로 스위칭시키기 때문이다. 그러나, 도 7의 MOS 게이티드 SCR(53)의 접속에 근거하면, MOS 게이티드 SCR(53)의 드레인과 소스 단자 사이의 전위차는 게이트와 소스 단자 사이의 전위차보다 결코 낮아질 수 없을 것이다. 그러므로, 비록 상기 관련 선행 기술에서는 MOS 게이티드 SCR(53) 또는 제너 다이오드(57)의 전력 소모가 대응하는 LED의 전력 소모의 약 1/10을 넘지 않는 것이 바람직하다고 개시하고 있지만, 이는 사실상 상기 관련 선행 기술에 개시된 발명에 의해 달성되기는 어렵다.
본 발명의 주된 목적은 낮은 전력 소모를 가지는 션트 보호 모듈 및 방법을 제공하는 것이다.
직렬 접속된 디바이스들을 위한 션트 보호 모듈 및 방법은 다중 션트 반도체와 제어 유닛을 사용한다. 션트 반도체들은 다중 타겟 디바이스에 각각 대응한다. 각각의 션트 반도체는 병렬로 대응하는 타겟 디바이스에 접속한다. 제어 유닛은 션트 반도체들의 트리거 단자들에 접속한다.
각각의 션트 반도체는 트리거 단자에 입력되는 전압이 클수록 상기 션트 단자들 사이의 전위차가 낮아지며, 제어 유닛은 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 적어도 2개의 인접한 타겟 디바이스들에서의 전위차와 동등한 트리거 전압을 출력하려는 특성을 가지기 때문에, 션트 반도체들에서의 전위차는 그것이 동작할 때 낮아진다.
션트 보호 모듈 및 방법은 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체들에 대한 높은 트리거 전압의 제공을 보장하여, 본 발명의 션트보호 모듈의 전력 소모가 가능한 낮게 그리고 종래의 션트 보호 장치의 소비 전력보다 더 낮게 감소될 수 있다.
도 1은 직렬 접속된 LED들의 스트링에 있어서 2개의 LED에 접속하고 있는 본 발명에 따른 션트 보호 모듈의 일실시예의 기능 블록도이고;
도 2는 도 1에 도시된 션트 보호 모듈의 기능 블록도이고;
도 3은 도 2에 도시된 제어 유닛에 의해 실행되는 동작 프로세스의 흐름도이고;
도 4는 도 2의 LED들을 통해 흐르는 전류의 루트를 도시하는 기능 블록도이고;
도 5는 전류가 고장난 LED를 통해 흐를 수 없다는 것을 보여주는 기능 블록도이고;
도 6은 대응하는 LED들 중 하나가 고장날 때 본 발명에 따른 션트 보호 모듈을 통과하는 션트 루트를 보여주는 기능 블록도이고;
도 7은 종래의 션트 보호 회로의 전기회로이며; 그리고
도 8은 다른 종래의 션트 보호 회로의 전기회로이다.
본 발명에 따른 션트 보호 모듈은 다중 타겟 디바이스들에 접속하기 위해 사용되고, 다중 션트 반도체들과 제어 유닛을 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 션트 보호 모듈(10)의 한 실시예가, 직렬로 접속되는 다중 LED들을 포함하는 LED 스트링에 적용된다(이에만 국한되는 것은 아님). 각각의 션트 보호 모듈은 본 실시예에서의 LED 스트링 내의 2개의 인접한 LED들에 대한 접속과 같이, 다중의 인접한 타겟 디바이스들에 접속한다. 2개의 인접한 LED들은 이후에 제1 LED(20) 및 제2 LED(30)로서 예를 든다. 제2 LED(30)의 애노드는 노드(40)에서 제1 LED(20)의 캐소드에 접속한다.
션트 반도체들의 양은 타겟 디바이스들의 양에 대응한다. 추가로 도 2를 참조하면, 제1 션트 반도체(11)와 제2 션트 반도체(12)가 되는, 2개의 션트 반도체들이 본 실시예에서 구현되며, 제1 LED(20)와 제2 LED(30)에 각각 대응한다. 션트 보호 모듈이 3개 또는 4개의 인접한 LED들에 접속한다면, 3개 또는 4개의 션트 반도체들이 션트 보호 모듈에서 구현되고, 3개 또는 4개의 인접한 LED들에 각각 대응한다.
제1 션트 반도체(11)는 제1 LED(20)에 대응하고 트리거 단자(111)와 2개의 션트 단자들(112, 113)을 가진다. 제1 션트 반도체(11)의 션트 단자들(112, 113)은 각각 제1 LED(20)의 애노드와 노드(40)에 접속하여 제1 션트 반도체(11)가 병렬로 제1 LED(20)에 접속하게 된다. 더욱이, 제1 션트 반도체(11)는, 트리거 단자(111)에 입력되는 전압이 클수록 션트 단자들(112, 113) 사이의 전위차가 낮아지는 특성을 가진다. 제1 션트 반도체(11)는 금속 산화물 반도체(MOS)가 될 수 있으며, 트리거 단자(111)는 상기 MOS의 게이트 단자가 되고 션트 단자들(112, 113)은 각각 상기 MOS의 드레인 단자와 소스 단자가 된다.
제2 션트 반도체(12)는 제2 LED(30)에 대응하고 트리거 단자(121)와 2개의 션트 단자들(122, 123)을 가진다. 제2 션트 반도체(12)의 션트 단자들(122, 123)은 각각 노드(40)와 제2 LED(30)의 캐소드에 접속하여 제2 션트 반도체(12)가 병렬로 제2 LED(30)에 접속하게 된다. 또한, 제2 션트 반도체(12)는, 트리거 단자(121)에 입력되는 전압이 클수록 션트 단자들(122, 123) 사이의 전위차가 낮아지는 특성을 가진다. 제2 션트 반도체(12)는 금속 산화물 반도체(MOS)가 될 수 있으며, 트리거 단자(121)는 상기 MOS의 게이트 단자가 되고 션트 단자들(122, 123)은 각각 상기 MOS의 드레인 단자와 소스 단자가 된다.
제어 유닛(13)은 제1 및 제2 션트 반도체들(11, 12)의 트리거 단자들(111, 121)에 접속하며, 제1 및 제2 LED(20, 30)가 고장인지 검출한다. 또한 제어 유닛은 고장난 LED(20, 30)에 대응하는 션트 반도체(11, 12)의 트리거 단자(111, 121)에 트리거 전압을 출력하여, 고장난 LED(20, 30)에 대응하는 션트 반도체(11, 12)가 턴온되도록 스위칭된다. 트리거 전압은 적어도 2개의 인접한 타겟 디바이스들에서의 전위차와 동등하다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 트리거 전압은 제1 LED(20)의 애노드와 제2 LED(30)의 캐소드 사이의 전위차와 동등하다.
추가로 도 2를 참조하면, 제어 유닛(13)은 타겟 디바이스 검출기(131)와 트리거 전압 발생기(132)를 포함할 수 있다.
타겟 디바이스 검출기(131)는 제1 LED(20) 또는 제2 LED(30) 중 어느 것이 고장인지 검출한다.
트리거 전압 발생기(132)는 타겟 디바이스 검출기(131)와 제1 및 제2 반도체들(11, 12)의 트리거 단자들(111, 112)에 접속한다. 트리거 전압 발생기(132)는 트리거 전압을 출력할 수 있다.
추가로 도 3를 참조하면, 제어 유닛(13)에 의해 실행되는 동작 프로세스는 모든 접속된 타겟 디바이스들의 상태를 획득하는 단계(301)와, 접속된 타겟 디바이스들 중 어떤 것이 고장인지 판단하는 단계(302)와, 그리고 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 트리거 전압을 출력하여, 대응하는 션트 반도체를 턴온하도록 스위칭하는 단계(303)를 포함한다.
모든 접속된 타겟 디바이스들의 상태를 획득하는 단계(301)에서, 타겟 디바이스 검출기(131)는 모든 접속된 타겟 디바이스들의 상태를 획득한다.
접속된 타겟 디바이스들 중 어떤 것이 고장인지 판단하는 단계(302)에서, 타겟 디바이스 검출기(131)는 접속된 타겟 디바이스들 중 어떤 것이 고장인지 판단한다.
접속된 타겟 디바이스들 중 어느 것도 고장이 아니라면, 제어 유닛(13)은 상기 동작 프로세스를 반복하기 위해 모든 접속된 타겟 디바이스들의 상태를 획득하는 단계(301)를 재실행한다. 상기 언급된 실시예에서, 도 4를 참조하면, 모든 접속된 LED들(20, 30)이 정상적으로 동작할 때, 타겟 디바이스 검출기(131)는 접속된 LED들(20, 30) 중 어느 것도 고장이 아니라고 판정하여, 트리거 전압 발생기(132)가 트리거 전압을 출력하지 않고, 제1 및 제2 션트 반도체들(11, 12)이 턴온되도록 스위칭되지 않을 것이고, 턴오프의 상태를 유지한다.
타겟 디바이스 검출기(131)가 접속된 타겟 디바이스들 중 어떤 것이 고장이라고 판단하면, 제어 유닛(13)은 전압 발생기(132)로부터 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체(11, 12)로 트리거 전압을 출력하기 위해, 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 트리거 전압을 출력하여 대응하는 션트 반도체가 턴온되도록 스위칭하는 단계(303)를 실행한다. 하기의 설명에서, 도 5 및 도 6은 상기 언급된 실시예를 사용함으로써 단계(303)를 설명하기 위해 예를 든다.
추가로 도 5를 참조하면, 타겟 디바이스 검출기(131)가 상기 접속된 LED들(20, 30) 중 하나가 고장이라고 검출할 때, 예를 들면 제1 LED(20)가 고장이면, 트리거 전압 발생기(132)는 고장난 제1 LED(20)에 대응하는 제1 션트 반도체(11)에 트리거 전압을 출력한다. 제1 LED(20)가 바로 고장인 순간에, 제1 LED(20)의 애노드와 제2 LED(30)의 캐소드 사이의 전위차는 급격히 상승될 것이고, 따라서 트리거 전압도 상승된다. 상기 트리거 전압은 MOS의 임계값보다 크고, 따라서 제1 션트 반도체(11)가 그 뒤에 턴온되어 포화(saturation) 모드에서 동작한다. 이런 상태에서, 전류는 제1 션트 반도체(11)의 션트 단자를 통해 흐르게 된다.
도 6을 참조하면, 제1 션트 반도체(11)가 턴온된 후, 제1 LED(20)를 통해 본래 흐르는 전류는 션트 단자(112), 제1 션트 반도체(11), 션트 단자(113), 노드(40) 및 제2 LED(30)를 통해 흐른다. LED 스트링은 제1 션트 반도체(11)가 션트 루트를 제공하기 때문에 정상적으로 동작하고 있다. 제1 LED(20)가 고장난 후 제2 LED(30) 만이 정상적으로 동작하더라도, 제1 션트 반도체(11)는 제2 LED(30)의 순방향 전압이 3.5V이므로 제어 유닛(13)이 3.5볼트의 트리거 전압을 출력하기 때문에 여전히 턴온 상태에 있다.
MOS의 특성에 따르면, MOS가 포화 모드에서 동작할 때, MOS의 드레인과 소스 단자 사이의 전위차는 매우 낮다. 예를 들면, 100밀리암페어(㎃) 전류가 MOS를 통해 흐르면, MOS의 드레인과 소스 단자 사이의 전위차는 약 0.1V이 된다. 그러므로, 제1 LED(20)가 고장이라서 제1 션트 반도체(11)가 턴온될 때, 제1 션트 반도체(11)의 전력 소모는 0.01와트가 된다.
상기 설명에 근거하면, 각각의 션트 반도체는 트리거 단자(111)에 입력되는 전압이 클수록 션트 단자들(112, 113) 사이의 전위차가 낮아지게 하려는 경향이 있으며, 제어 유닛이 고장난 타겟 바이어스에 대응하는 션트 반도체에 적어도 2개의 인접한 타겟 디바이스들에서의 전위차와 동등한 트리거 전압을 출력하기 때문에, 션트 반도체에서의 전위차는 낮아진다. 그러므로, 본 발명의 션트 보호 모듈 및 방법은 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 대한 높은 트리거 전압의 제공을 보장하여, 본 발명의 션트 보호 모듈의 전력 소모가 가능한 낮게 감소될 수 있다.
10 : 션트 보호 모듈 11 : 제1 션트 반도체
12 : 제2 션트 반도체 13 : 제어 유닛
20 : 제1 LED 30 : 제2 LED
40 : 노드 111, 121 : 트리거 단자
112, 113, 122, 123 : 션트 단자들 131 : 타겟 디바이스 검출기
132 : 트리거 전압 발생기

Claims (5)

  1. 직렬로 접속되는 다중의 타겟 디바이스들에 접속하도록 된 직렬 접속된 디바이스들을 위한 션트 보호 모듈로서,
    상기 타겟 디바이스들에 각각 대응하는 다중 션트 반도체들과, 상기 다중 션트 반도체들 각각은 트리거 단자와 2개의 션트 단자들을 가지고, 상기 션트 단자들과 병렬로 대응하는 타겟 디바이스에 접속하고, 그리고 트리거 단자에 입력되는 전압이 클수록 상기 션트 단자들 사이의 전위차가 낮아지는 특성을 가지며; 그리고
    적어도 2개의 인접한 타겟 디바이스들에서의 전위차와 동등한 트리거 전압을 출력할 수 있고, 상기 션트 반도체들의 트리거 단자들에 접속하고, 상기 타겟 디바이스들 중 어떤 타겟 디바이스가 고장인지 검출하고, 상기 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 상기 트리거 전압을 출력하여 상기 대응하는 션트 반도체를 턴온하도록 스위칭하는 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 션트 보호 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 타겟 디바이스들 중 어떤 타겟 디바이스가 고장인지 검출하는 타겟 디바이스 검출기와; 그리고
    상기 타겟 디바이스 검출기와 상기 션트 반도체들의 트리거 단자들에 접속하는 트리거 전압 발생기를 포함하고, 상기 타겟 디바이스 검출기가 상기 타겟 디바이스들 중 어떤 타겟 디바이스가 고장이라고 검출할 때, 상기 트리거 전압 발생기는 상기 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 상기 트리거 전압을 출력하여 상기 대응하는 션트 반도체를 턴온하도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 션트 보호 모듈.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 모듈은 제1 타겟 디바이스와 제2 타겟 디바이스에 접속하고, 각각의 타겟 디바이스는 입력과 출력을 가지고, 상기 제1 타겟 디바이스의 출력은 하나의 노드에서 상기 제2 타겟 디바이스의 입력에 접속하며,
    제1 션트 반도체와 제2 션트 반도체가 구현되고;
    상기 제1 션트 반도체는 상기 제1 타겟 디바이스에 대응하고,
    트리거 단자와; 그리고
    상기 제1 타겟 디바이스의 입력과 상기 노드에 각각 접속하는 2개의 션트 단자들을 가지며;
    상기 제2 션트 반도체는 상기 제2 타겟 디바이스에 대응하고,
    트리거 단자와; 그리고
    상기 노드와 상기 제2 타겟 디바이스의 출력에 각각 접속하는 2개의 션트 단자들을 가지며;
    상기 제어 유닛은 상기 제1 타겟 디바이스의 입력과 상기 제2 타겟 디바이스의 출력 사이의 전위차와 동등한 트리거 전압을 출력할 수 있고, 상기 제1 및 제2 션트 반도체들의 트리거 단자들에 접속하고, 상기 제1 및 제2 타겟 디바이스들 중 어떤 타겟 디바이스가 고장인지 검출하며, 상기 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 상기 트리거 전압을 출력하여 상기 대응하는 션트 반도체를 턴온하도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 션트 보호 모듈.
  4. 제어 유닛에 의해 실행되는 직렬 접속된 디바이스들을 위한 션트 보호 방법으로서,
    직렬로 접속되는 적어도 2개의 타겟 디바이스들에 각각 적어도 2개의 션트 반도체들을 접속하는 단계와, 상기 적어도 2개의 션트 반도체들은 각각 트리거 단자와 2개의 션트 단자들을 가지고, 상기 션트 단자들과 병렬로 대응하는 타겟 디바이스에 접속하고, 그리고 트리거 단자에 입력되는 전압이 클수록 상기 션트 단자들 사이의 전위차가 낮아지는 특성을 가지며;
    모든 접속된 타겟 디바이스들의 상태를 획득하는 단계와;
    상기 접속된 타겟 디바이스들 중 어떤 타겟 디바이스가 고장인지 검출하는 단계와; 그리고
    상기 고장난 타겟 디바이스에 대응하는 션트 반도체에 상기 트리거 전압을 출력하여, 상기 접속된 타겟 디바이스들 중 어떤 타겟 디바이스가 고장일 때, 상기 대응하는 션트 반도체를 턴온하도록 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 션트 보호 방법.
  5. 청구항 4에 있어서
    상기 접속된 타겟 디바이스들 중 어느 것도 고장이 아닌 경우에, 모든 접속된 타겟 디바이스들의 상태를 획득하는 단계를 재실행하는 것을 특징으로 하는 션트 보호 방법.
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