KR101389481B1 - 마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트 - Google Patents

마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로프로세서(MP)로부터의 출력 신호(V6)를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트에 관한 것으로, 상기 회로 어레인지먼트는 제어 입력부를 갖는 상기 전자 소자; 출력부(A1)를 통해 출력 신호(V6)를 제공하는 마이크로프로세서(MP)를 포함하고, 이때 상기 회로 어레인지먼트는, 공통 베이스 접속부에서 제1 양극성 트랜지스터(Q5) - 상기 트랜지스터의 이미터는 마이크로프로세서(MP)의 출력부(A1)에 커플링됨 -; 공통 이미터 접속부에서 제2 양극성 트랜지스터(Q7) - 상기 트랜지스터의 베이스는 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 콜렉터에 커플링됨 - 를 더 포함하고, 상기 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 콜렉터는 전자 소자의 제어 입력부에 커플링된다. 또한, 본 발명은 마이크로프로세서(MP)로부터의 출력 신호(V6)를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 대응하는 방법에 관한 것이다.

Description

마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트 및 방법{CIRCUIT ARRANGEMENT AND METHOD FOR DRIVING AN ELECTRONIC COMPONENT WITH AN OUTPUT SIGNAL FROM A MICROPROCESSOR}
본 발명은 마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트에 관한 것으로, 상기 회로 어레인지먼트는 제어 입력부를 갖는 전자 소자, 및 출력부를 통해 출력 신호를 제공하는 마이크로프로세서를 포함한다. 또한, 본 발명은 마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 상응하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 마이크로프로세서 제어기들이 파워 일렉트로닉스를 점점 잠식해 가는 배경에 대비하여 보여져야 한다. 여기서, 통상적인 애플리케이션은 예컨대 PFC(power factor correction) 단들을 위해 정적으로(statically) 필수적으로 전압-제어된 전자 절연 게이트 스위치들, 예컨대 MOSFET, IGBT, ESBT를 구동하기 위한 용도이다.
마이크로프로세서에 의하여 출력부를 통해 제공되는 신호 ― 상기 신호는 일반적으로 5 V 크기 정도의 전압 스윙을 갖고, 훨씬 더 낮은 전압으로 향하는 추세이다 ― 를 이용하여 이러한 전자 소자를 바로 구동하는 것은 실패하는데, 그 이유는 이러한 전자 소자들이 신뢰성 있는 구동을 위하여 각자의 제어 입력부에서 10 V 또는 그를 초과하는 전압을 요구하기 때문이다. 또한, 마이크로프로세서는 감지할 수 있는(appreciable) 입력 커패시턴스들 ― 대응하는 MOSFET 파라미터는 전체 게이트 전하(total gate charge)로 불린다 ― 을 갖는 강력한 스위치들을 높은 스위칭 속도들로 작동시킬 수 없는데, 왜냐하면 필요한 제어 전류들이 공급될 수 없기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 마이크로프로세서의 출력 신호의 레벨이 전자 소자를 구동하기에 적합한 레벨이 되게 하고 높은 스위칭 속도들을 위해 대응하게 높은 출력 전류들을 생성할 수 있는 특별한 집적 구동기 회로들이 일반적으로 사용된다. 그러나, 이러한 구동기 회로들의 사용은 그들의 복잡성 및 연관된 고비용들 때문에 불리하다.
그러므로, 본 발명의 목적은 전자 소자가 마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 경제적인 방식으로 구동될 수 있도록 하는 가능성을 제공하는 것으로 구성된다.
상기 목적은 첫째로 청구항 1의 특징들을 갖는 회로 어레인지먼트를 통해 달성되고, 둘째로 청구항 11의 특징들을 갖는 방법을 통해 달성된다.
본 발명은, 두 개의 양극성(bipolar) 트랜지스터들의 조합이 마이크로프로세서의 출력부 및 전자 소자의 제어 입력부 사이에서 구동기단의 일부로서 접속된다면, 상기 언급된 목적이 달성될 수 있다는 관점에 기초하며, 이때 마이크로프로세서에 접속된 양극성 트랜지스터는 공통 베이스 접속부에서 접속된다. 상기 양극성 트랜지스터는 공통 이미터 접속부에서 작동하는 추가(further) 양극성 트랜지스터를 구동시킨다. 결과적으로, 한편으로, 높은 스위칭 속도가 저렴한 표준 소자들에 의해서도 보장된다, 즉 어떠한 특별한 RF 트랜지스터들도 사용할 필요가 없다; 다른 한편으로, 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 장점은, 상기 두 개의 양극성 트랜지스터들을 포함하는 구동기단의 공급 전압의 실패시 마이크로프로세서의 관련된 출력부에 전류가 흐르지 않으며 마이크로프로세서의 논리 상태에 영향을 주지 않는다는 것이다.
제1 양극성 트랜지스터의 이미터 측에서 상기 제1 양극성 트랜지스터를 구동함으로써, 상기 양극성 트랜지스터가 자신의 베이스 측을 통해 구동되는 경우보다 더 높은 전류를 사용하는 것이 가능하다. 이 경우, 특히 전압 공급을 위해, 마이크로프로세서가 자신의 입력부들 중에서 하나를 통해 커플링된 기준 전위에 상기 제1 양극성 트랜지스터의 베이스가 커플링되는 것이 바람직하다.
저렴한 표준 소자들에 의해서도 높은 스위칭 속도들을 보장하기 위하여, 제1 반포화 다이오드는 제1 양극성 트랜지스터의 콜렉터 및 제2 양극성 트랜지스터의 베이스 사이에 커플링될 수 있고, 제2 반포화 다이오드는 제1 양극성 트랜지스터의 콜렉터 및 제2 양극성 트랜지스터의 콜렉터 사이에 커플링될 수 있다.
전자 소자가 신속하게 스위칭 오프될 수 있게 하기 위하여, 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트는 바람직하게 추가의 트랜지스터, 바람직하게는 논리 레벨 MOSFET, 특히 n-채널 MOSFET을 포함하는데, 상기 트랜지스터의 제어 전극은 마이크로프로세서의 출력부에 커플링되고, 상기 트랜지스터의 기준 전극은 제2 기준 전위, 특히 접지에 커플링되고, 상기 트랜지스터의 작동 전극은 전자 소자의 제어 입력부에 커플링된다. 또한, 그러므로, 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 매우 낮은 대기 전류 소비량의 장점을 얻는 것이 가능하다.
바람직하게, 전자 소자가 활성 제어 회로가 없더라도 대기 상태에서 신뢰성 있게 턴 오프 되도록 하기 위하여, 상기 전자 소자의 제어 입력부는 풀-다운 레지스터를 통해 제2 기준 전위에 커플링된다.
마이크로프로세서의 출력부에서 출력 신호의 전압 스윙은 바람직하게 많아야 6 V이다. 바람직하게, 제1 양극성 트랜지스터는 npn 타입의 트랜지스터이고, 제2 양극성 트랜지스터는 pnp 타입의 트랜지스터이다. 이미 언급된 바와 같이, 전자 소자는 필수적으로 전압-제어된 전자 소자, 특히 MOSFET, IGBT 또는 ESBT이다.
추가의 바람직한 실시예들은 종속항들의 요지이다.
본 발명에 따른 회로 어레인지먼트에 관련된 상기 언급된 바람직한 실시예들 및 그들의 장점들은 본 발명에 따른 방법에도 대응하게 적용 가능하다.
본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 예시적인 실시예가 이제 동반된 도면들을 참조하여 하기에서 더욱 상세히 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 예시적 실시예의 개략적인 회로도,
도 2는 MOSFET을 스위칭 온 및 스위칭 오프 하는 경우, 도 1의 회로 어레인지먼트의 상이한 변수들의 시간에 따른 프로파일에 대한 도면,
도 3은 MOSFET을 스위칭 온 하는 경우, 도 1의 회로 어레인지먼트의 상이한 변수들의 시간에 따른 프로파일에 대한 확대도, 및
도 4는 MOSFET을 스위칭 오프 하는 경우, 도 1의 회로 어레인지먼트의 상이한 변수들의 시간에 따른 프로파일에 대한 확대도.
도 1은 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 예시적 실시예의 개략적인 회로도를 나타낸다. 하기의 설명에 있어서 당업자에게 자명한 바와 같이, 전자 소자들의 일부는 시뮬레이션으로 관리된다. 회로 어레인지먼트는 마이크로프로세서(MP)를 포함하고, 상기 마이크로프로세서의 출력부(A1)를 통해 출력 신호(V6)가 제공된다. 상기 출력 신호는 레지스터(R97)를 통해 공통 베이스 접속부에서 양극성 트랜지스터(Q5)의 이미터에 인가된다. 상기 트랜지스터의 베이스는 기준 전위(V7)에 위치하고, 예시적인 실시예에서 상기 기준 전위는 5 V이고 동시에 마이크로프로세서(MP)에 전력을 공급한다. 양극성 트랜지스터(Q5)의 콜렉터는 공통 이미터 접속부에서 작동되는 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 베이스에 접속된다. 제2 양극성 트랜지스터의 콜렉터는 레지스터(R108)를 통해 제어 입력부, 즉 MOSFET 트랜지스터(M9)에 의해 구현된 전력 스위치의 게이트에 접속된다. 제1 반포화 다이오드(D86)는 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 콜렉터 및 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 베이스 사이에 커플링되고, 제2 반포화 다이오드(D87)는 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 콜렉터 및 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 콜렉터 사이에 커플링된다. 전계 효과 트랜지스터(M9)의 게이트는 전계 효과 트랜지스터(Q9)의 드레인 단자에 커플링되고, 상기 트랜지스터의 게이트가 마이크로프로세서(MP)의 출력부(A1)에 접속되는 반면에 상기 트랜지스터의 소스는 접지 단자에 접속된다. 풀-다운 레지스터(R1)는 전계 효과 트랜지스터(M9)의 게이트 및 접지 단자 사이에 커플링된다. 유도성 부하의 시뮬레이션을 위해, 인덕턴스(L9)가 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속되고, 상기 드레인 단자는 다이오드(D72) 및 제너 다이오드(D78)에 의해 형성된 직렬 회로를 통해 접지 전위에 추가로 접속된다. 양극성 트랜지스터들(Q5, Q7)을 포함하는 구동기단과 또한 전계 효과 트랜지스터(Q9) 및 전계 효과 트랜지스터(M9)는 본 경우에서 12 V의 전압을 공급하는 전압 소스(V1)로부터 전력을 공급받는다.
도 2는 스위칭 온의 경우(도면의 좌측 절반)와 스위칭 오프의 경우(도면의 우측 절반), 전계 효과 트랜지스터(M9)의 게이트 전류(IG) 및 게이트 전압(UG)의 시간에 따른 프로파일을 나타낸다. 상기 스위칭-온 동작은 도 3에서 더욱 명확하게 볼 수 있고 상기 스위칭-오프 동작은 하기에서 참조되는 도 4에서 더욱 명확하게 볼 수 있다.
전계 효과 트랜지스터(M9)를 스위칭 온 하기 위하여, 먼저, 마이크로프로세서(MP)의 출력부(A1)에 접지 전위가 인가되고, 그럼으로써 제1 양극성 트랜지스터(Q5)는 스위칭 온 한다. 상기 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 스위칭 온은 제2 양극성 트랜지스터(Q7)가 스위칭 온 되도록 유발하고, 그 결과 상기 제2 양극성 트랜지스터(Q7)는 게이트 전류(IG)로서 전계 효과 트랜지스터(M9)의 게이트로 필수적으로 흐르는 콜렉터 전류를 생성한다. 제2 전계 효과 트랜지스터(Q9)는 마이크로프로세서(MP)의 출력부(A1)에서의 전압이 접지 전위에 있다는 사실로 인해 초기에 턴 오프 된다. 전하 운반자들이 전계 효과 트랜지스터(M9)의 게이트를 흐르는 결과로서, 도 3에서, 전계 효과 트랜지스터는 200ns 내에서 스위칭 온 되며, 전계 효과 트랜지스터(M9)의 게이트 전압(UG)이 0 V로부터 약 12 V까지 상승하는 것을 볼 수 있다.
전계 효과 트랜지스터(M9)를 스위칭 오프 하기 위하여, 5 V 신호가 마이크로프로세서(MP)의 출력부(A1)에 제공되고, 그럼으로써 양극성 트랜지스터(Q5)는 턴 오프 되고 전계 효과 트랜지스터(Q9)는 턴 온 된다. 결과적으로, 전계 효과 트랜지스터(M9)의 게이트 단자는 접지 전위에 접속되고, 전하 운반자들이 M9의 게이트로부터 흘러나오도록 인에이블링되는데, 이는 음의 진폭을 갖는 게이트 전류(IG)를 야기한다. 오버슈트(overshoot)는 전계 효과 트랜지스터(M9)의 밀러 커패시턴스와 유도성 부하(L9) 때문에 진동으로부터 유발된다. 게이트의 방전 이후에, 게이트 전류(IG)는 0 A로 다시 돌아간다. 음의 진폭을 갖는 게이트 전류(IG)는 20ns 내에서 전계 효과 트랜지스터(M9)의 스위칭 오프를 유도하는데, 도 4에서 게이트 전압(UG)의 프로파일을 볼 수 있다.
구동기단의 두 개의 양극성 트랜지스터들이 이미터 플로어(emitter follower)로서 동작한다면, 즉 공통 콜렉터 접속부에서 동작한다면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 이러한 짧은 스위칭 시간이 획득될 수 없을 것이다. 스위칭-오프 상태에서, 즉 양극성 트랜지스터(Q5)가 턴 오프 된 상태에서, 양극성 트랜지스터(Q7)가 턴 오프 된 결과로서, 전계 효과 트랜지스터(Q9)가 턴 온 되고, 전계 효과 트랜지스터(M9)가 스위칭 오프 되고, 대기 전류 소모량은 0이다. 도 1에 도시된 회로 어레인지먼트의 향상은, 전계 효과 트랜지스터(Q9)의 출력부에서, 전체 회로의 시동 단계에서 MOSFET(M9)이 신뢰성 있게 턴 오프 되는 것을 보장하는 풀-다운 레지스터(R1)가 배치된다면 달성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 회로 어레인지먼트는 공급 전압 V1 < V7에서 공통 이미터 접속부에서 동작되는 트랜지스터(Q5)의 역 동작에 의해 야기될 수 있는 문제점들 없이 동작한다. 일정한 환경에서, 마이크로프로세서(MP)의 출력부는 이로써 마이크로프로세서(MP)의 기능에 악영향을 줄 수도 있는 과도하게 낮은 전압에 대하여 외부적으로 클램핑된다. 또한, 이는 출력부의 과부하의 결과로서 마이크로프로세서(MP)의 파괴를 유도할 수도 있다. 본 발명에 따른 솔루션에서, 상기 문제점은 반포화 다이오드들(D86, D87)의 사용에 의해 회피되며, 상기 다이오드들은 동시에 트랜지스터(Q5)를 위한 역보호 다이오드들(inverse protection diodes)로서 동작한다. 상기 다이오드들이 사용되지 않는다면, 상기 문제점은 마이크로프로세서(MP)가 높은 임피던스를 갖는 트라이스테이트(tristate)나 논리 하이(logic high)로 스위칭된다면 해결될 수 있다.
도 2 내지 도 4의 시간에 따른 프로파일들에서, 기초로서 취해진 예시적인 실시예에서, 도 1의 회로 어레인지먼트의 전자 반도체 소자들은 하기의 소자들에 의해 구현되었다 : BC846A에 의해 Q5가 구현되었고, BC807-40에 의해 Q7이 구현되었고, D1N4148에 의해 각각 D86과 D87이 구현되었고, BSS87/SIE에 의해 Q9이 구현되었고, IRF830에 의해 M9이 구현되었고, D1N4937에 의해 D72가 구현되었고, D1N5254에 의해 D78이 구현되었다. Q9를 위한 저렴한 대안들은 예컨대 BSS98, BSS123 및 2N7002일 수 있다.

Claims (11)

  1. 마이크로프로세서(MP)로부터의 출력 신호(V6)를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트로서,
    제어 입력부를 갖는 상기 전자 소자;
    출력부(A1)에서 출력 신호(V6)를 제공하는 상기 마이크로프로세서(MP);
    공통 베이스 접속부의 제1 양극성 트랜지스터(Q5) ― 상기 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 이미터는 상기 마이크로프로세서(MP)의 출력부(A1)에 커플링됨 ―;
    공통 이미터 접속부의 제2 양극성 트랜지스터(Q7) ― 상기 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 베이스는 상기 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 콜렉터에 커플링되고, 상기 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 콜렉터는 상기 전자 소자의 상기 제어 입력부에 커플링됨 ― 및
    추가 트랜지스터(Q9) ― 상기 추가 트랜지스터(Q9)의 제어 전극은 상기 마이크로프로세서(MP)의 상기 출력부(A1)에 커플링되고, 상기 추가 트랜지스터(Q9)의 기준 전극은 접지에 커플링되며, 상기 추가 트랜지스터(Q9)의 작동 전극은 상기 전자 소자의 상기 제어 입력부에 커플링됨 ―
    를 포함하는,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(MP)는 제1 기준 전위(V7)에 커플링된 입력부를 갖고, 상기 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 베이스는 상기 마이크로프로세서(MP)의 상기 제1 기준 전위(V7)에 커플링되는,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제1 반포화 다이오드(antisaturation diode)(D86)가 상기 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 콜렉터와 상기 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 베이스 사이에 커플링되고, 제2 반포화 다이오드(D87)는 상기 제1 양극성 트랜지스터(Q5)의 콜렉터와 상기 제2 양극성 트랜지스터(Q7)의 콜렉터 사이에 커플링되는,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 트랜지스터(Q9)는 MOSFET인,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 소자의 상기 제어 입력부는 풀-다운 레지스터(R1)를 통해 제2 기준 전위에 커플링되는,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(MP)의 상기 출력부(A1)에서 상기 출력 신호(V6)의 전압 스윙은 최대 6 V인,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 양극성 트랜지스터(Q5)는 npn 타입의 트랜지스터인,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 양극성 트랜지스터(Q7)는 pnp 타입의 트랜지스터인,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자 소자는 필수적으로 전압-제어된 전자 소자인,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자 소자는 MOSFET, IGBT 또는 ESBT인,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 트랜지스터(Q9)는 n-채널 MOSFET인,
    마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트.
KR1020087015078A 2005-11-23 2006-11-21 마이크로프로세서로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 소자를 구동하기 위한 회로 어레인지먼트 KR101389481B1 (ko)

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