KR101449403B1 - 비동기 dc-dc 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러, 이를 이용한 led 백라이트 시스템과 램프 시스템, 및 입력전원의 선택적 차단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전압감지 컨트롤러는 단락회로가 출력단자나 부하의 어떤 부분에서 발생하였을 때에 부하에 입력전원을 선택적으로 차단하기 위하여 비동기 DC-DC 부스트 컨버터에 제공된다. 상기 컨트롤러는 단락보호기능을 위하여 추가의 부품을 사용하지 않으며 기존의 다른 기능을 위하여 제공된 부품을 사용하여, 입력전원전압에 연결된 제1 노드를 감지하는 회로는 저전압 입력전원 보호기능과 함께 단락회로의 한 입력신호를 제공하며, 부하에 연결된 제2 노드를 감지하는 회로는 고전압 출력전압에 대한 보호기능과 함께 단락회로의 또 다른 입력신호를 제공하는 회로를 포함한다. 감지된 입력전압을 생성하기 위하여 제1 노드 및 감지된 출력전압을 생성하기 위하여 제2 노드에 분압기가 공급된다. 감지된 전압 사이의 오프셋 전압은 입력전압, 출력전압 및 허용 가능한 입력전압과 출력전압 사이의 전압강하에 따라 결정되며, 감지된 출력전압에 오프셋 전압은 덧붙여져 기준전압을 생성한다. 비교기는 비교기의 출력신호가 높은 상태에 있을 때 입력전원을 차단하는 신호를 발생하기 위하여 감지된 입력전압과 기준전압을 비교하고 기준전압이 감지된 입력전압보다 적을 때에 높은 상태를 가지는 출력신호를 생성한다. 본 특허에서 제공하는 상기의 단락 보호 방법은 간단하고, 효율적이며 저비용이 가능하며 인쇄회로기판에서 구현시 편리함을 제공한다.

Description

비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러, 이를 이용한 LED 백라이트 시스템과 램프 시스템, 및 입력전원의 선택적 차단방법{VOLTAGE SENSING CONTROLLER FOR AN ASYNCHRONOUS DC-DC BOOST CONVERTER, LED BACKLIGHT SYSTEM, LAMP SYSTEM WITH THE SAME CONTROLLER AND METHOD OF SELECTIVELY ISOLATING INPUT POWER SUPPLY}

본 발명은 전압감지 컨트롤러(voltage sensing controller)에 관한 것이다. 보다 구체적으로 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 회로(Asynchronous DC-DC boost converter circuit)에서 단락(short circuit) 상태를 감지하고, 관련 부품의 소손(Burn-out)(burn-out)을 방지하는 전압감지컨트롤러에 관한 것이다.

본 명세서에서 사용되는 ‘부하(load)’는 발광다이오드(Light Emitting Diodes, LED), 전구, 백라이트(backlights) 등을 포함하는 저전력부하(low power loads)를 의미하며, 이에 한정되지는 않는다.

본 명세서에서 사용되는 용어 ‘노드(node)’는 하나의 회로에서 적어도 두 개의 부품이 만나는 접속점(connection point) 또는 재분배점(redistribution point)을 의미하며, 이에 한정되지는 않는다.

본 명세서에서 사용되는 ‘단락회로(short circuit)’ 또는 ‘단락(short)’는 어떤 한 노드(node)가 다른 노드(node)에 전기적으로 연결되는 현상을 의미하며, 이에 한정되지는 않는다.

본 명세서에서 사용되는 비교기(comparator)는 비교기(comparator) 및 연산 증폭기(operational amplifiers)를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 ‘저전압동작 차단전압’(under voltage lockout level)은 미리 결정된 작동 전압레벨을 의미하며, 이에 한정되지는 않는다.

상기의 용어 정의는 본 발명 기술분야에서 통용되는 것이다.

부스트 컨버터는 일반적으로 연결된 부하를 동작시키기 위한 승강전압(stepped up voltage)을 제공하는데 이용된다. 대부분의 승압 DC-DC 컨버터는 구동회로가 필요한 BJT, MOFET, IGBT 등과 같은 동기식 스위치를 사용하지 않고 다이오드나 쇼트키 다이오드와 같이 구동회로가 필요없는 비동기식 스위치를 적용한다. 비동기식 DC-DC 부스트 컨버터는 구조적으로 입력단 전압으로부터 출력단으로 연결되는 전기적 연결을 끊을 수 없다. 정상동작 중에, 만약 출력전압이 입력전압보다 낮아지면 단락현상이 나타난 것으로써 커다란 전류가 입력으로부터 출력으로 인덕터와 비동기 스위치를 통하여 흐르게 된다. 큰 단락전류가 차단되지 않는다면 인덕터와 비동기 스위치는 소손(Burn out)될 수 있다. 그러므로 단락감지회로가 필요하며 단락신호가 입력단 전원의 제어기나 전원차단스위치를 차단(Off) 동작시킬 수 있어야 한다.

비동기 DC-DC 부스트 컨버터(Asynchronous DC-DC boost converter)는 단락 감지 및 커다란 단락 전류로부터 회로의 부품을 보호하고, 더불어 회로 부품의 기능을 조절하는 컨트롤러(controller)를 포함한다. 컨트롤러는 전형적으로 비동기 DC-DC 부스트 컨버터를 통하여 흐르는 전류에 의하여 발생되는 감지전압과 단락 검출 기준전압을 비교하는 비교기로 구성되어 있다. 비교기는 양 전압신호를 비교하고, 그에 따라서 부하에 대한 입력전압의 공급을 차단하는데 사용되는 차단장치(disabling means)에 신호를 제공한다. 기존의 감지회로는 전형적으로 부하를 통해 흐르는 전류를 결정하기 위해 미리 결정된 구성으로 저항(registor) 및 커패시터(capacitor)를 포함한다. 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 또는 부하에서 단락이 있을 때마다, 대전류가 미리 결정된 저항을 통해 시스템접지(system ground)로 전류가 흐르게 되고, 이에 상응하여 드롭아웃 전압(dropout voltage)이 발생한다. 드롭아웃 전압은 단락 검출 기준전압 과 비교하기 위해 비교기에 입력신호로 비교기에 공급되고, 그에 따라 비교기 출력전압은 단락신호를 발생하여 입력전원전압 제어기에 제공함으로써 입력전원전압(input power supply)이 비동기 DC-DC 부스트 컨버터로부터 전기적으로 절연되도록 한다.

상기 컨트롤러의 동작은 비교기로 전달되어지는 단락전류를 기반으로 한다. 전류 감지용으로 사용되는 단락회로 저항(short circuit resistor)는 회로에서 불필요한 노이즈를 제거하기 위해 병렬로 추가적인 필터 회로(filter circuit)가 필요하다. 단락회로 저항은 정확성을 갖기 위해 적정값을 가질 필요가 있고, 동시에 커다란 전력 손실(high power loss)을 피할 수 있어야 한다. 단락회로 저항은 단락회로 전류를 감지하기 위해 정밀하게 조정하여야 하므로 고가의 저항이 필요하여 비용을 증가시키게 된다. 또한, 컨버터가 일반적으로 작동되는 동안 전력이 항상 소비되기 때문에 단락회로 저항에 따른 전력손실을 무시할 수 없다.

그러므로, 정확하게 커다란 단락회로 전류를 감지하여, 소손(Burn-out)으로부터 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 및 부하를 보호하는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 고효율 컨트롤러가 필요하다.

본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 개선하고 유용한 대안을 제공하는 본 발명의 목적 중에서 일부분을 하기에 기재하였다.

본 발명의 목적은 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 회로에서 단락을 감지하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 단락이 있는 경우, 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 회로의 부품이 소손(Burn-out) 되는 것을 방지하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 비동기 DC-DC 부스트 컨버터에서 기존의 단락회로로 인한 전력손실을 감소시키기 위한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 비동기 DC-DC 부스트 컨버터에서 단락검출회로가 비용면에서 유리한 컨트롤러를 제공하는 것이다.

본 발명의 부가적인 목적은 비동기 DC-DC 부스트 컨버터에서 단락검출회로가 간단한 컨트롤러를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 소모전력에서 효율성 높은 컨트롤러를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상대적으로 적은 수의 부품을 필요로 하는 구성을 가진 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 단락보호 컨트롤러를 제공하는 것이다.

본 발명의 기타 목적 및 이점은 첨부되는 도면을 참조하여 하기 설명을 읽음으로써 더욱 명백하게 이해될 것이며, 이는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 한 구체예에서, 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러(voltage sensing controller)가 제공되는데, 이 컨트롤러는 입력전원전압을 선택적으로 차단하는데 적용되고 아래와 같은 구성요소를 포함한다.

● 입력전원전압에 연결된 제1 노드 및 부하에 연결된 제2 노드를 가지는 회로;

● 상기 제1 노드와 접지(ground) 사이에 연결되어 감지된 입력전압을 생성하는 제1 저항 쌍으로 구성된 제1 분압기(voltage divider);

● 상기 제2 노드와 접지 사이에 연결되어 감지된 출력전압을 생성하는 제2 저항 쌍으로 구성된 제2 분압기;

● 단락현상에 대하여 안정적으로 시스템을 보호할 수 있도록 입력전압 및 출력전압과 각각의 전압을 감지하기 위한 분압기들의 감지비율(sensing ratio)에 따라 설정되는 오프셋 전압원;

● 상기 감지된 입력전압과 상기 감지된 출력전압에 상기 오프셋 전압이 더해진 기준전압을 비교하고, 설정된 비교기에 따라 상기 기준전압이 상기 감지된 입력전압보다 낮을 때에는 높은 상태를 갖고, 상기 기준 전압이 상기 감지된 입력전압보다 높을 때에는 낮은 상태를 갖는 출력신호를 발생하도록 하는 비교기; 및

● 상기 출력신호가 상기 높은 상태에 있을 때, 상기 입력전원을 선택적으로 차단하기 위하여 상기 출력신호를 받아서 차단신호를 발생하는 차단장치

컨버터의 출력전압과 입력전압 사이에 큰 차이가 있는 경우에, 상기의 단락보호를 위한 제 1 및 제 2 분압기와 별도로 단지 과전압 보호 목적의 제 3 분압기를 갖는 또다른 구체예를 제시한다.

요구되는 구체예로서, 제1 저항 쌍 및 제2 저항 쌍의 값은 상기 제1 저항 쌍의 값의 비율이 상기 제2 저항 쌍의 값의 비율과 동일하도록 선택되었다. 이 경우, 비교기의 입력 오프셋 전압, 허용되는 단락전류 값에 상응하는 전압, 및 제2 노드의 출력전압 값의 허용 가능한 전압강하에 따라 결정되는 오프셋 전압을 보다 쉽게 결정할 수 있기 때문이다. 오프셋 전압은 제 1 저항 쌍 및 제 2 저항 쌍의 비율, 비교기의 입력 오프셋 전압, 허용되는 단락전류 값에 상응하는 전압, 및 제 1 노드의 입력전한에 대하여 제 2 노드의 출력전압 값의 허용 가능한 전압강하에 따라 결정된다.

전형적으로 차단장치는 차단신호가 생성되기 전에 안정적 동작을 위하여 시간지연 회로(time delay circuit)를 포함한다.

본 발명에서 설명되는 컨트롤러는 개별 부품, 집적회로, 및 하이브리드 집적회로 중에서 적어도 하나로 구성된다.

본 명세서에서 설명되는 컨트롤러는 전형적으로 LED 백라이트 시스템 및 램프 시스템에서 사용된다.

본 발명은 부하에 대하여 비동기 DC-DC 부스트 컨버터의 입력전원전압을 선택적으로 절연하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.

● 제1 노드에 입력전원전압을 연결하는 단계;

● 제2 노드에 부하를 연결하는 단계;

● 정상 동작 중, 허용 가능한 단락전류에 영향을 받으며, 제 1 노드의 입력전압을 기준으로 제2 노드의 출력전압에서 의 허용 가능한 전압강하를 설정하는 단계;

● 입력전원전압전압에 상응하도록 감지된 입력전압을 생성하는 단계;

● 상기 제2 노드의 출력전압에 상응하도록 감지된 출력전압을 생성하는 단계;

● 감지된 입력전압 및 감지된 출력전압을 수용하는 단계;

● 상기의 허용 가능한 전압강하에 따라서 감지된 입력전압과 감지된 출력전압 사이에 오프셋 전압을 결정하는 단계;

● 오프셋 전압을 감지된 출력전압에 덧붙여 기준전압을 생성하는 단계;

● 감지된 입력전압과 기준전압을 비교하고, 기준전압이 감지된 입력전압보다 적은 경우에 비교기의 출력단자는 높은 상태를 가지고 기준전압이 감지된 입력전압보다 큰 경우에는 비교기의 출력단자는 낮은 상태를 가지는 출력신호를 생성하는 단계;

● 출력신호를 수용하는 단계; 및

● 출력신호가 높은 상태에 있을 때 입력전원전압을 선택적으로 차단하는 단계;

상기 감지된 입력전압을 생성하고 상기 감지된 출력전압을 생성하는 단계에 대해 아래 단계들이 선행한다.

● 제1 분압기를 구성하고 있는 제1 저항 쌍 및 제2 분압기를 구성하고 있는 제2 저항 쌍이 있고 각각의 저항 쌍들은, 상기 제1 저항 쌍의 비율은 저전압 입력 보호회로(Under voltage lockout protection)의 입력전압 및 단락검출을 위한 비교기의 한 입력전압을 생성하는 역할을 하고, 상기 제2 저항 쌍의 비율은 과전압 출력 보호회로(Over voltage protection)의 입력전압 및 단락검출을 위한 비교기의 다른 입력전압을 생성하는 역할을 하도록 설정되는 단계;

● 상기 제1 노드 및 접지 사이에 제1 분압기를 연결하는 단계; 및

● 상기 제2 노드 및 접지 사이에 제2 분압기를 연결하는 단계;

전형적으로 상기 비교단계는, 아래 단계들이 선행한다.

● 비교기의 비반전단자(non-inverting terminal)에 감지된 입력전압을 연결하는 단계;

● 비교기의 반전단자(inverting terminal)에 기준전압을 연결하는 단계; 및

전형적으로, 미리 설정된 시간지연 회로는 단계가 상기 입력전원전압을 선택적으로 차단하는 단계에 선행하여 작동한다.

본 발명의 개시되는 사항은 첨부되는 도면과 함께 설명된다:
도 1은 LED 백라이트 시스템으로 PWM 밝기조절을 하며 부전류감지방식(Negative current sensing method)을 이용한 단락방지회로를 갖는 기존의 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러를 도시한다.
도 2는 본 발명의 구체예의LED 백라이트 시스템으로 PWM 밝기조절을 하며 새로운 방식의 단락방지회로를 갖는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러를 도시한다.
도3은 본 발명의 다른 구체예의LED 백라이트 시스템으로 PWM 밝기조절을 하며 새로운 방식의 단락방지회로를 갖는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러를 도시한다.
부품번호/표식은 첨부된 도면 중 일부 도면에서의 대응하는 부품을 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 구체예를 설명하기 위한 것으로, 이에 한정하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수형태인 “하나” 및 “상기”는 별도로 기재되지 않았다면, 복수의 의미도 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 “포함한다”, “포함하는”, 및 “가지고 있는”은 포괄적인 의미로, 기재된 특징, 정수, 단계, 기능, 부품, 및/또는 부품을 특징짓는 것이며, 하나 이상의 기타 다른 특징, 정수, 단계, 기능, 부품, 부품, 및/또는 이들의 군의 존재 또는 추가를 제한하는 것은 아니다. 본 명세서에서 설명되는 방법의 단계, 절차 및 기능은 별도로 기재되지 않는 한, 반드시 본 명세서에서 논의되거나 설명된 특정 순서로 실시되는 것을 의도하는 것은 아니다. 또한, 부가적인 단계 또는 대체 단계도 적용될 수 있다.

부품 또는 레이어(Layer)가 다른 부품 또는 레이어(Layer) “위에”, “과 맞물린”, “에 연결된” 또는 “에 결합된” 것으로 언급될 때, 부품 또는 레이어는 다른 부품 또는 레이어 상에 직접적으로 존재하거나, 직접적으로 맞물려 있거나, 연결되어 있거나, 또는 결합되어 있을 수 있다. 또한, 부품이 다른 부품 또는 레이어에 “직접적으로 상부에”, “과 직접적으로 맞물린”, “직접적으로 연결된”, 또는 “직접적으로 결합된” 것으로 언급될 때는, 이들 부품 또는 레이어 사이에 어떤 부품도 존재하지 않을 수 있다. 부품간의 관계를 설명하는데 사용된 기타 용어(예, “사이에” 와 “직접적으로 사이에”, “인접한” 과 “직접적으로 인접한”)는 동등한 형태로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어 “및/또는”은 열거된 목록의 하나 이상의 어떤 조합 및 모든 조합을 포함한다.

용어 제1, 제2, 제3 등은 다양한 부품, 부품, 영역, 레이어 및/또는 부문을 설명하기 위해 사용될 수 있으나, 이러한 부품, 부품, 영역, 레이어, 및/또는 부문이 이러한 용어로 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 단지 하나의 부품, 부품, 영역, 레이어 또는 부문을 다른 영역, 레이어 또는 부문과 구별하고자 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 “제1”, “제2” 및 기타 다른 숫자 용어는 별도로 기재되지 않는 한, 연속성 또는 순서를 의미하는 것은 아니다. 따라서, 하기에 기재된 제1 부품, 제1 부품, 제1 영역, 제1 레이어 또는 제1 부문은 본 발명의 구체예의 범위를 벗어나지 않으면서, 제2 부품, 제2 부품, 제2 영역, 제2 레이어 또는 제2 부문으로 명명될 수 있다.

도 1은 비동기 DC-DC 부스트 컨버터와 관련된 특별히 집적회로(IC) 칩과 관련하여 표시된 기존의 컨트롤러를 도시한다. 도 1에 나타나 있는 것처럼, 비동기 DC-DC 부스트 컨버터(100)는 전류감지회로(current sensing circuit)(108)에 연결된 컨트롤러(106)를 포함한다. 제1 노드(Vin)의 입력전압은 저항(R1 및 R2)로 구성된 전압 분압기(voltage divider)를 통해 감지되고, UVLO단자를 통하여 컨트롤러(106)에 공급이 된다. 또한 저항(R1 및 R2)와 함께 UVLO 단자는 저전압동작 차단(under voltage lock out) 보호를 위해 사용된다. 제 2노드(Vout)의 출력전압은 저항(R3 및 R4)로 구성된 전압 분압기(voltage divider)를 통해 감지되고, OVP 단자를 통하여 컨트롤러(106)에 공급이 된다. 또한 저항(R3 및 R4)의 값에 따른 OVP 단자 제2 전압은 과전압 보호(Over Voltage Protection)를 위해 사용된다. 제1 노드(Vin)로부터 제2 노드(Vout)로 흐르는 전류는 인덕터(inductor)(L1) 및 다이오드(diode)(D1)을 통해 흐르게 되고, 직렬 연결된 발광다이오드(LED)인 부하(112)에 공급된다. 전류감지회로(108)는 단락회로저항(Rsht)와 또 병렬로 연결된저항(Rc) 및 커패시터(capacitor(Cc)) 를 포함하고, NCS 단자를 통하여 컨트롤로(106)에 연결이 된다. 컨트롤러(106)는 입력단자에 적용되는 전압을 비교하고, 출력신호(Vcom)를 생성하는 비교기(110)과, 안정적 동작을 위한 지연회로(102)와 입력전원전압을 차단하는 차단신호(104)를 출력하는 단자(DIS)를 포함한다. 컨트롤러(106)는 또한 DPWM 단자에 연결된 펄스폭 변조기(pulse width modulator)를 포함한다. 부하(112)를 통해 흐르는 부하전류는 컨트롤러(106)의 ISET단자에 연결된 저항(Rset)에 의해 조절이 된다. 스위치(M2) 및DPWM 단자를 통하여 외부신호에 따라 PWM 밝기제어(PWM dimming control)를 할 수 있다. 도 1에서 두 가지의 접지가 있는데 하나는 모든 접지가 연결된 시스템의 접지(System ground, 113)와 다른 하나는 제어회로 접지와 부하의 접지가 연결된 새시접지(Sash ground, 114) 이다. 시스템접지와 새시접지는 전류감지회로(108)로 서로 연결되어 있다. 직렬 연결된 LED의 어느 부분에서 접지로 단락이 발생할 때에 단락전류는 입력전원전압(Vin)으로 부터 인덕터(L1), 비동기 스위치(D1), 단락된 LED를 통하여 새시접지(114)로 흐르게 되고 전류감지회로(108)을 통하여 시스템접지(113)로 흐르게 된다.

비동기 DC-DC 부스트 컨버터(100)의 정상작동시, UVLO 단자는 입력전압을 감지하고, OVP단자는 출력전압을 감지한다. 집적회로의 접지(IC ground)로 단락회로가 발생한 경우, 과전류(I_VIN)가 부하(112), 인덕터(L1) 및 다이오드(D1)과 같은 다른 회로 부품을 통해 제어회로의 접지로 흐르게 되고, 그 다음에 전류(I_VIN)는 제어회로의 접지로부터 단락회로 감지 저항(Rsht)를 통해 전류감지 회로(108)에 표시된 것처럼 시스템의 접지에 흘러 드롭아웃 전압(Vsht)을 발생하게 한다. 드롭아웃 전압(Vsht)은 NCS 단자의 전압이 접지전압 0V 이하로 강하되게 하면서 음의 전류(Negative Current)에 의한 음의 전압이 NCS 단자에 나타나게 한다. 0V 이하로 강하된 NCS 단자의 전압이 비교기(110)의 반전단자(inverting terminal)에 인가되고 비반전단자(non-inverting terminal)에 적용되는 -0.2V(기준전압) 이하로 감소할 때, 비교기(110)의 출력신호(Vcom)가 높아지게 된다. 비교기의 출력신호는 신호지연회로(102)를 거쳐 DIS 단자를 통하여 입력전원전압 제어회로에 전달됨으로써 입력전원전압을 부하로부터 차단하게 된다. 다시 말하면, 비교기 (110)의 출력전압(Vcom)은 전압강하(Vsht)이 0.2V보다 클 때 높은 전압신호를 출력하며, 전압강하(Vsht)는 아래의 식으로 표현된다.

Vsht=I_VIN*Rsht>0.2따라서, Vcom 이 높은 경우는 DIS가 높은 것을 나타내고 입력전원전압은 입력전원 제어기나 입력전원과 부하사이의 차단기의 구동회로에 의하여 부하(112)로부터 분리된다.

전류감지회로(108)에서 감지되는 전류에 나타나는 노이즈에 의한 오동작을 피하기 위해, 저역필터(low pass filter)의 동작을 수행하는 저항(Rc) 및 커패시터(Cc)가 단락회로저항(Rsht)에 병렬로 연결된다. 단락회로저항(Rsht)는 그 값이 많은 전력 손실이 발생하지 않도록 충분히 작아야 하며, 단락회로저항에 의하여 나타나는 Vsht이 낮은 전압에서도 충분히 단락회로전류를 감지하기 위해서 정확한 값을 요구하므로 비용이 비싸다. 단락회로 저항(Rsht)에 따른 전력손실은 정상작동시 항상 전력을 소비하기 때문에 전력효율이 낮아지게 되므로, 따라서, 기존의 음의 전류 감지 방식(Negative current sensing method)은 컨버터의 전체비용을 증가시키게 한다.

그러나, 발광다이오드(LED) 백라이트 시스템, 램프 시스템 등과 같은 시스템에서 저전압 부하(low voltage load)인 경우에, 음의 전류 감지방식으로 인한 전력손실을 무시할 수 없기 때문에 전력효율을 감소시키지 않는 효율적 시스템을 필요로 한다.

도 2는 본 발명의 구체예로서, 비동기 DC-DC 부스트 컨번터와 관련된 컨트롤러를 도시한다. 컨트롤러는 특별히 집적회로(IC) 칩과 관련하여 표시된다. 그러나, 개별 부품 또는 하이브리드 집적회로를 적용하여 본 발명을 구현하는 경우도 본 발명의 범주 내에서 포함된다. 도 2에 도시되어 있는 것처럼, 비동기 부스트 컨버터(200)는 적시의 단락 감지 및 부하(210)로부터의 입력전원전압 차단을 위한 컨트롤러(206)를 포함한다. 부하(210)를 통해 흐르는 전류는 핀(ISET)에 연결된 저항(Rset)에 의해 조정이 된다. 컨트롤러(206)는 또한 DPWM 단자에 의해 조정이 되는 펄스폭 변조기(pulse width modulator(PWM))를 포함한다. 스위치(M2) 및 외부로부터 제공되는 밝기 신호는DPWM 단자를 통하여PWM방식의 밝기제어(PWM dimming control)를 할 수 있다.

감지된 입력전압은 제1 노드(Vin)에서 입력전원전압을 감지함으로써 UVLO 단자에 연결된 저항(R1 및 R2)로 구성되어 있는 제1 분압기에 의해 발생된다. 감지된 출력전압은 제2 노드(Vout)에 있는 전압을 감지함으로써, OVP 단자에 연결된 저항(R3 및 R4)로 구성되어 있는 제2 분압기에 의해 발생된다. 컨트롤러(206)는 감지된 출력전압과 감지된 입력전압을 비교하기 위한 비교기(208)를 포함한다. 계산을 용이하게 하기 위하여, 저항 쌍(R1 및 R2) 및 저항 쌍(R3 및 R4) 각각의 저항 비율이 동일하도록 선택되었다. 다만 제 1 분압기는 낮은 입력전원전압에 대한 보호회로(Under voltage lockout protection) 및 단락회로 검출을 위한 하나의 감지기 역할을 하고, 제 2 분압기는 높은 출력전압에 대한 보호회로(Over voltage protection) 및 단락회로 검출을 위한 또 다른 하나의 감지기 역할을 한다. 비교기(208)는 UVLO 단자 및 OVP 단자를 통하여 들어오는 감지된 전압을 비교하고 출력신호(Vcom)를 생성한다. 비교기(208)의 출력신호(Vcom)는 지연회로(202)로 제공되며 DIS 단자의 지연된 신호는 입력전원전압을 차단하는 차단장치에 공급된다.

입력전원전압이 DC-DC 부스터 컨버터에 인가될 때, 제2 노드(Vout)의 제로듀티(Zero Duty)에서 최소출력 전압은 하기 방정식으로 표시된다:

Vout=Vin-VF

상기식에서, VF는 비동기 스위치인 다이오드(D1)의 순방향 전압이다. 상기의 방정식은 비동기 DC-DC 컨버터가 동작하지 않거나 제로듀티에서 동작할 때에만 옳다. 그러나 정상동작 중에 승압 DC-DC 컨버터(Step-up DC-DC converter)의 출력전압은 결코 입력전압보다 낮을 수 없기 때문에 출력전압은 항상 입력전압보다 높아야 한다. Vout 또는 직렬연결된 LED의 임의의 지점에서 단락전류가 발생할 경우에, 커다란 단락전류(I_VIN)가 부하(210) 및 인덕터(L1) 및 다이오드(D1), 단락된 부하와 PWM 밝기조절 스위치(M2) 같은 기타 부품을 통과하여 흐른다. 이러한 높은 단락전류(I_Vin)가 흐르는 것을 차단하기 위해서는, 입력전원전압이 차단신호(204)에 의하여 비동기 DC-DC 부스트 컨버터(200)로부터 연결이 끊어져야 된다. 입력전원전압으로부터 단락된 컨버터의 출력 또는 부하(210)를 차단하고자, 비동기 DC-DC 부스트 컨버터(200) 출력 및 부하에서 단락전류가 발생하였을 때, 제2 노드(Vout)의 전압 제1노드(Vin)의 전압 아래로 빠르게 떨어지는 사실을 본 발명에서 이용하였다. 감지된 출력전압 및 감지된 입력전압은 비교기(208)의 입력신호로 전달되는데, 감지된 입력전압과 감지된 출력전압 및 허용 가능한 단락전류 값, 그리고 비교기(208)의 입력 오프셋 전압에 따라 설정되는 오프셋 전압(Offset voltage)이 비교기 입력신호에 더해지게 되며, 이 오프셋 전압은 비교기(208)의 입력 오프셋 전압을 포함하고 있다. 이러한 오프셋 전압(Voff)은 감지된 출력전압(OVP 단자 전압)에 더해져서 기준전압(reference voltage)으로써 비교기(208)의 반전단자로 인가된다. 비교기(208)는 감지된 입력전압을 기준전압과 비교하고 기준전압이 감지된 입력전압보다 낮은 경우의 높은 출력전압 신호를 발생하고 및 기준전압이 감지된 입력전압보다 높은 경우의 낮은 출력신호(Vcom)을 생성한다.

출력신호(Vcom)가 높은 상태에 상응할 때, 제2 노드(Vout)에 있는 전압에 비동기 스위치의 순방향 전압강하(VF)의 합은 제1 노드(Vin)에 있는 전압보다 더 낮다. 따라서, UVLO 단자에 있는 전압은 OVP 단자에 있는 전압에 오프셋 전압(Voff)의 합 보다 더 높다는 것이고, 비교기 출력(Vcom)은 하기 방정식에 의해 나타낸 것처럼 높은 상태를 나타낸다:

비교기(208)의 출력신호(Vcom)는 디글리치(deglitch), 필터(filter), 시간지연(time delay) 등과 같은 방법을 포함하는 지연회로(202)에 제공되는데 잡음으로 인한 오작동을 방지하기 위한 지연회로(202)의 출력단자인 DIS 단자(204)를 통하여 입력전원장치가 안정적으로 차단되기 위한 시간지연을 제공한다.

도 2의 본 실시예는 단락보호회로를 구현하기 위한 추가적인 회로를 필요로 하지 않는데, 그 이유는 UVLO(저전압 입력전원에 대한 보호기능)나 OVP(고전압 출력에 대한 보호기능)의 보호기능은 필수 기능으로 대부분의 컨버터에 제공되므로 이를 단락보호회로로 중복하여 이용할 수 있기 때문이다. 도 2의 실시예를 통하여 부가적으로 기존의 단락보호회로에서 나타나는 전력손실이 나타나지 않음을 볼 수 있다. 도면에서 접지가 하나뿐이므로 인쇄회로기판(Printed Circuit board)에 접지를 배치할 때 편리성 및 성능 면에서 또 하나의 이로움을 제공한다.

도3은 본 발명의 또 하나의 구체예에 따른 비동기 DC-DC 부스트 컨버터와 관련된 컨트롤러를 도시한다. 특히, 본 구체예는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터(특히, 높은 Vout/Vin 비율을 가지는)에 대한 단락회로 보호회로를 나타낸다. 본 발명의 컨트롤러를 특히 회로(IC) 칩과 관련하여 설명하였나, 개별 부품 또는 하이브리드 회로를 사용하여 본 발명의 회로 구현하는 것도 본 발명의 범주 내에서 있다. 도면에서 도시된 것처럼, 비동기 DC-DC 부스트 컨버터(300)는 제1 노드(Vin)의 입력전원전압으로부터 컨버터(300) 또는 제2 노드(Vout)에 연결된 부하(310)를 차단함으로써 높은 단락전류(I_VIN)로부터 컨버터(300) 또는 부하(310)을 보호하는 컨트롤러(306)을 포함한다. 컨트롤러(306)는 감지된 입력전압과 감지된 출력전압을 비교하기 위하여 비교기(308)를 포함한다. 감지된 입력전압은 UVLO 단자에 연결된 저항(R1 및 R2)를 포함하는 제1 분압기에 의해 공급된다. 감지된 출력전압은 VOSEN 단자에 연결된 저항(R5 및 R6)를 포함하는 제2 분압기에 의해 공급된다. 용이한 계산을 위하여, 저항 쌍(R1 및 R2) 및 저항 쌍(R5 및 R6)을 포함하는 저항의 값은 이들이 비율이 동일하도록 선택될 수 있다. 저항(R3 및 R4)를 포함하는 제3 분압기는 과전압의 출력에 대한 보호를 위하여 일정한 저항비율을 가지고 OVP 단자에 연결된다. 비교기(308)는 단자(VOSEN 및 UVLO)에서 감지된 전압을 비교하고 출력신호(Vcom)를 생성한다. 부하(310)를 통하여 흐르는 전류는 ISET 단자에 연결된 저항(Rset)에 의해 조절된다. 스위치(M2) 및 DPWM 단자는 외부신호를 기반으로 한 PWM 디밍제어를 할 수 있다.

감지된 입력전압에 대한 감지된 출력전압의 비율이 높을 때, OVP 단자에 연결된 분압기는 도 2의 비동기 DC-DC 부스트 컨버터의 경우에서처럼 과전압 보호 및 단락보호를 위한 감지된 출력전압을 생성하는 두 가지 목적으로 사용하지 못한다. 이러한 상기의 조건에서, 과전압 보호를 위한 기준전압은 연결된 부하 수와 부하(310)에 의해 흐르는 부하 전류의 크기에 따라 다른 제2 노드(Vout)의 다양한 전압값 때문에 고정된 값을 가질 수 없다. 따라서, 저항 쌍(R3 및 R4)을 포함하고 있는 저항 값은 저항 쌍(R1 및 R2)을 포함하고 있는 저항의 값과 다르고; 저항 쌍(R3 및 R4)은 특별하게 과전압 보호만 하도록 설정된다. 따라서, Vout/Vin 비율이 높을 때, OVP 단자에 연결된 제3 분압기 (R3 및 R4)는 과전압 보호를 위해 제공되고, VOSEN 단자에 연결된 제2 분압기(R5 및 R6)는 감지된 출력전압을 생성하기 위해 제공된다.

단락전류가 발생할 경우에, 제2 노드(Vout)의 전압값은 제1 노드(Vin)의 전압값 아래로 급격히 떨어지고, 높은 단락전류(I_VIN)는 부하(310) 및 인덕터(L1) 및 다이오드(D1), 단락된 부하와 같은 기타부품을 통과해 흐른다. 감지된 출력전압 및 감지된 입력전압은 비교기(308)의 입력신호로 전달되는데, 감지된 입력전압과 감지된 출력전압 및 허용 가능한 단락전류 값에 따라 설정되는 오프셋 전압(Offset voltage)이 비교기 입력신호에 더해지게 되며, 이 오프셋 전압은 비교기(308)의 입력 오프셋 전압을 포함하고 있다. 이러한 오프셋 전압(Voff)은 감지된 출력전압(VOSEN 단자 전압)에 더해져서 기준전압(reference voltage)으로써 비교기(308)의 반전단자로 인가된다. 비교기(308)는 감지된 입력전압을 기준전압과 비교하고 기준전압이 감지된 입력전압보다 낮은 경우의 높은 출력전압 신호(Vcom)를 발생하고 및 기준전압이 감지된 입력전압보다 높은 경우의 낮은 출력신호(Vcom)을 생성한다. DIS 단자가 차단신호와 함께 공급될 때 오프셋 전압은 하기와 같은 식을 갖는다:

비교기(308)의 출력신호(Vcom)는 일반적으로 DIS 단자의 차단신호(304)에 의하여 입력전원을 컨버터나 부하로부터 절연하기 위한 차단장치에 전달되며, 비교기의 출력신호는 미리 결정된 정확한 시간의 시간지연을 제공하는 지연회로(302)를 거쳐 차단장치에 공급된다.

따라서, 본 발명의 도 2 및 도 3의 컨트롤러는 단락전류 상태를 검출하고 부하로부터의 입력전원을 차단할 수 있는 신호를 발생하고, 이로 인하여 시스템 내의 전력손실을 줄이고, 감소된 전력손실로 인하여 비용을 절감하고 시스템 효율성을 향상시키기 위한 것으로, 기존의 당 분야에서 알려진 추가적인 부품을 필요로 하지 않는다.

또한 도 2와 도 3에서 접지가 인쇄회로기판에서 배치될 때 기존의 도 1에서 접지가 2개인 경우와 비교하였을 때 단지 하나의 접지이므로 더욱 간편하게 배치될 수 있고 이로 인하여 성능 향상 및 비용 감소를 얻을 수 있다.

본 발명의 컨트롤러는 LED 백라이트 시스템 및 램프 시스템에서 일반적으로 적용된다.

<기술적 진보 및 경제적 유의성>

본 발명의 기술적 진보는 하기 사항의 구현을 포함한다:

비동기 DC-DC 부스트 컨버터 회로 내의 단락전류를 탐지하는 컨트롤러;

단락전류가 발생할 경우에 과부하(burn-out)로부터 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 회로의 부품을 보호하는 컨트롤러;

비동기 DC-DC 부스트 컨버터 내의 전력손실을 줄이는 컨트롤러의 단락보호회로;

비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러에 사용되는 비용 효율이 높은 단락보호회로;

비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러에 사용되는 단순한 단락보호회로;

비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러에 사용되는 효율적인 단락보호회로; 및

비교적 적은 수의 부품으로 구성된 비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러에 사용되는 단락보호회로.

비동기 DC-DC 부스트 컨버터 컨트롤러에 사용되는 단 하나의 접지로 인하여 인쇄회로 기판에서 간편한 접지의 배치가 가능한 단락보호회로

단어 “적어도” 또는 “적어도 하나”는 하나 이상의 요구되는 목적 또는 결과를 얻기 위하여 본 발명의 구체예에서 사용되는 하나 이상의 부재, 부품, 또는 수량의 사용을 의미한다.

본 명세서의 자료, 실시, 재료, 장치, 물품, 등의 모든 내용은 단지 본 발명의 내용을 설명하기 위한 것이다. 이러한 어떤 또는 모든 내용은 본 출원의 우선일 전의 발명과 관련된 분야에서의 종래의 기술의 일부분 또는 일반적인 지식이 아니다.

구체화된 수치범위에서, 본 발명은 구체화된 수치범위의 최하값보다 10 % 더 낮은 값 및 최고값보다 10 % 더 높은 값을 포함한다.

다양한 물리적 파라미터, 크기 또는 수량에서 언급된 수치는 단지 대략적인 것으로 명세서에서 구체적으로 별도로 언급되지 않는 한, 언급된 파라미터, 크기 또는 수량의 수치보다 더 높고/낮은 값도 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 이해하여야 한다.

상기 특정 구체예는 일반적인 개념을 벗어나지 않으면서 현재의 지식을 적용하여, 이러한 특정 구체예를 용이하게 개조하고 다양한 적용에 사용할 수 있도록 구체예의 일반적인 특징을 충분히 설명한 것으로, 이러한 적용 및 개조는 본 발명의 구체예를 의미 및 상응물의 범주에 포함되는 것을 의도하였다. 본 명세서에서 사용된 표현 또는 단어는 설명을 위한 것으로 이에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서의 구체예가 바람직한 구체예의 단어로 설명되었지만, 당업자는 이러한 구체예가 본 명세서에서 설명된 구체예의 개념 및 범주 내에서 변경되어 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 부하에 대하여 입력전원을 선택적으로 차단하는 신호를 발생시키는 전압감지 컨트롤러로서,
   입력전원에 연결된 제1 노드 및 부하에 연결된 제2 노드를 가지는 회로;
   상기 제1 노드와 접지(ground) 사이에 연결되고, 나아가 감지된 입력전압을 생성하는 한 쌍의 제1 저항을 포함하는 제1 분압기;
   상기 제2 노드와 접지 사이에 연결되고, 나아가 감지된 출력전압을 생성하는 한 쌍의 제2 저항을 포함하는 제2 분압기;
   상기 감지된 입력전압 및 상기 감지된 출력전압을 수용하고, 그리고 상기 감지된 입력전압과 상기 감지된 출력전압 사이에서 오프셋 전압을 결정하는 오프셋 전압 발생기;
   상기 오프셋 전압을 상기 감지된 출력 전압에 더하고, 기준전압을 발생 시키는 기준 전압 발생기;
   상기 감지된 입력전압과 기준 전압을 비교하여, 상기 기준 전압이 상기 감지된 입력전압보다 낮을 때에는 높은 상태를 갖고, 상기 기준 전압이 상기 감지된 입력전압보다 높을 때에는 낮은 상태를 갖는 출력신호를 발생하는 비교기; 및
   상기 비교기의 상기 출력신호를 수신하고, 그리고 상기 출력신호가 상기 높은 상태를 갖는 출력신호인 경우, 상기 입력전원을 선택적으로 차단하기 위하여 차단신호를 생성하는 차단장치;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러.
   
2. 제1항에 있어서, 미리 결정된 과전압 보호 기준전압(voltage protection threshold value)를 기반으로 한 분압기 비율(divider ratio)을 가지는 제3 분압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 오프셋 전압은 상기 비교기의 입력 오프셋 전압, 허용되는 단락전류 값에 상응하는 전압, 및 상기 제2 노드의 출력전압 값의 허용 가능한 강하를 포함하는 것을 특징으로 하는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 차단장치는 상기 차단신호가 생성되기 전에 미리 결정된 시간지연을 도입하기 위한 시간지연 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 개별부품, 집적회로, 및 하이브리드 집적회로 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비동기 DC-DC 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러.
   
6. 제1항에 따른 컨트롤러를 포함하는 LED 백라이트 시스템(LED backlight system).
   
7. 제1항에 따른 컨트롤러를 포함하는 램프 시스템(lamp system).
   
8. 제1 노드에 입력전원을 연결하고;
   제2 노드에 부하를 연결하고;
   고장없는 정상작동(normal operation) 동안에 상기 제1 노드의 입력전압으로부터 제2 노드의 출력 전압에서의 허용가능한 강하를 결정하고, 그리고 단락회로 전류에 상응하는 허용가능한 전압을 결정하고;
   상기 입력전원에 상응하는 감지된 입력전압을 생성하고;
   상기 제2 노드의 출력전압에 상응하도록 감지된 출력전압을 생성하고;
   상기 감지된 입력 전압 및 상기 감지된 출력전압을 수용하고;
   상기 허용가능한 강하 및 상기 허용가능한 전압에 근거하여, 상기 감지된 입력전압 및 상기 감지된 출력전압 사이에서 오프셋 전압을 결정하고;
   기준전압을 발생시키기 위하여 상기 오프셋 전압 및 상기 감지된 출력 전압을 더하고;
   상기 감지된 입력전압 및 상기 기준 전압을 비교하여, 상기 기준 전압이 상기 감지된 입력전압보다 낮을 때는 높은 상태를 갖고, 그리고 상기 기준 전압이 상기 감지된 입력 전압보다 높을 때는 낮은 상태를 갖는 출력 신호를 발생시키고;
   상기 출력신호를 수용하고; 그리고,
   상기 출력신호가 상기 높은 상태를 갖는 출력신호인 경우 상기 입력 전원을 선택적으로 차단하는;
   단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하에 대하여 비동기 DC-DC 부스트 컨버터의 입력전원을 선택적으로 차단하는 방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 감지된 입력전압의 생성 및 상기 감지된 출력전압의 생성단계는,
   제1 분압기를 구성하고 있는 한 쌍의 제1 저항 및 제2 분압기를 구성하고 있는 한 쌍의 제2 저항을 선택하고;
   상기 제1 분압기를 상기 제1 노드 및 접지 사이에 연결하고; 그리고,
   상기 제2 분압기를 상기 제2 노드 및 접지 사이에 연결하는;
   단계에 의해 선행되는 것을 특징으로 하는 부하에 대하여 비동기 DC-DC 부스트 컨버터의 입력전원을 선택적으로 차단하는 방법.
   
10. 제8항에 있어서, 상기 감지된 입력전압 및 상기 기준 전압의 비교 단계는;
    비교기의 비-반전단자에 감지된 입력전압을 연결하고;
    상기 비교기의 반전단자에 상기 기준전압을 연결하고; 그리고,
    상기 오프셋 전압에 상기 비교기의 입력 오프셋 전압을 더하는;
    단계에 의해 선행되는 것을 특징으로 하는 부하에 대하여 비동기 DC-DC 부스트 컨버터의 입력전원을 선택적으로 차단하는 방법.
    
11. 제8항에 있어서, 상기 입력전원의 선택적 차단 단계는 미리 결정된 시간지연을 제공하는 단계에 의해 선행되는 것을 특징으로 하는 부하에 대하여 비동기 DC-DC 부스트 컨버터의 입력전원을 선택적으로 차단하는 방법.
    

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