KR101771582B1 - ＋28ｖ 항공기 과도 억제 - Google Patents

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    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator

Abstract

릴레이 코일을 통한 전압 변동을 억제하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 상기 방법은 차동 증폭기에 의해 릴레이 코일을 통한 전압 강하를 모니터링하는 단계, 기준 소스의 출력 및 상기 차동 증폭기의 출력을 적분 증폭기에 제공하는 단계, 상기 적분 증폭기의 출력을 트랜지스터에 제공하는 단계, 및 상기 적분 증폭기의 출력에 기초하여 상기 트랜지스터의 출력을 제어함으로써 상기 릴레이 코일을 구동시키는 단계를 포함하고, 상기 기준 소스의 출력은 상기 릴레이 코일을 통한 모니터링된 원치 않는 전압 변동에 응답하여 상기 적분 증폭기에 선택적으로 적용된다.

Description

＋28Ｖ 항공기 과도 억제{+28V AIRCRAFT TRANSIENT SUPPRESSION}
본원은 2009년 2월 26일 출원된 미국 특허 출원 제12/393,746호에 조약상 우선권을 주장하고, 이는 전체로서 참조에 의해 본원에 통합된다.
본 발명은 Withheld 계약 하에서 미국 정부의 지원으로 이루어진 것이다. 미국 정부는 본 발명에 소정 권리를 갖는다.
본 개시내용은 일반적으로 전자공학 분야에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 릴레이 코일을 통한 과도 전압을 억제하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전력 조절 유닛(PCU; Power Conditioning Unit)은 릴레이 코일에 전력 공급하기 위해 에어본 항공기(airborne aircraft) +28Vdc 버스를 이용한다. 이러한 코일은 통상적으로 +29Vdc의 최댓값으로 정격화(rating)되고, 몇몇은 +32Vdc의 최댓값으로 정격화된다. +28Vdc 전력 규격은 22 내지 29Vdc이고, 추가적인 1.5V의 리플을 가진다. 부가적으로, 50V 과도 전압 또한 존재할 수 있다.
+28Vdc 버스 상의 과도 및 과전압 상태를 해결하기 위해서, 과거에는 버스를 통해 과도 억제기 또는 제너 다이오드를 연결하려고 시도하거나, 또는 단순히 어떠한 시도도 하지 않았다. 제너 다이오드 및 과도 억제기는 단 하나의 과전압 상태 후에도 전소될 가능성이 높다는 한계를 겪는다. PCU 내의 컴포넌트를 파괴하지 않고 이러한 과도 전압 상태를 다루는 장치 및 방법이 요구된다.
다양한 실시예에 따르면, 릴레이 코일을 통한 전압 변동(fluctuation)을 억제하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 차동 증폭기에 의해 릴레이 코일을 통한 전압 강하를 모니터링하는 단계; 기준 소스의 출력 및 상기 차동 증폭기의 출력을 적분 증폭기에 제공하는 단계; 상기 적분 증폭기의 출력을 트랜지스터에 제공하는 단계; 및 상기 적분 증폭기의 출력에 기초하여 상기 트랜지스터의 출력을 제어함으로써 상기 릴레이 코일을 구동시키는 단계를 포함하고, 상기 기준 소스의 출력은 상기 릴레이 코일을 통한 모니터링된 원치 않는 전압 변동에 응답하여 상기 적분 증폭기에 선택적으로 적용된다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 릴레이 코일을 통한 전압 변동을 억제하는 장치가 개시된다. 상기 장치는 릴레이 코일을 통한 전압 강하를 모니터링하도록 구성된 차동 증폭기; 기준 소스로부터의 입력 및 상기 차동 증폭기의 출력에 응답하여 출력을 제공하도록 구성된 적분 증폭기; 상기 릴레이 코일과 직렬로 배열되고 상기 적분 증폭기의 출력에 의해 제어되도록 구성된 트랜지스터; 및 상기 릴레이 코일을 통한 전압 변동을 억제하도록 상기 트랜지스터의 출력을 제어함으로써 상기 릴레이 코일을 구동시키기 위해 상기 기준 소스를 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 전력 릴레이 코일에 전력 공급하는 전력 조절기 유닛에서 전압 변동을 억제하기 위한 장치가 개시된다. 상기 장치는 연관된 전압 변동을 억제하도록 상기 전력 릴레이 코일에 전력을 인가하기 위해 상기 전력 릴레이 코일을 통한 전압 강하를 모니터링하도록 구성된 능동 피드백 루프를 포함한다.
본 명세서의 일부를 이루는 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구 범위를 고려하는 경우 이러한 특징 및 특성, 및 다른 특징 및 특성뿐만 아니라 동작 방법 및 관련된 구조의 구성요소들의 기능 및 부분들의 조합 및 제조의 경제성이 보다 명백해질 것이고, 다양한 도면에서는 유사한 도면 부호가 대응하는 부분들을 표시한다. 그러나 도면은 예시 및 설명을 위한 것이고 청구 범위에 대한 제한을 규정하는 것으로 의도되지는 않는다는 점이 명백히 이해되어야 한다. 본 명세서 및 청구 범위에서 사용될 때, 단수형은 문맥상 명백히 달리 지시하지 않는 경우 복수의 지시대상을 포함한다.
도 1은 릴레이 코일을 구동시키기 위한 기존 설계를 도시한다.
도 2는 실시예에 따라 릴레이 코일을 구동시키기 위한 설계에 대한 블록도를 도시한다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따라 릴레이 코일을 구동시키도록 구성된 예시적인 회로도를 도시한다.
뒤따르는 설명에서, 유사한 컴포넌트는 상이한 실시예에 도시되어 있는지 여부와 무관하게 동일한 참조 번호가 부여되었다. 본 개시내용의 실시예를 명확하고 간결하게 예시하기 위해서, 도면은 반드시 일정한 비율로 도시되지는 않았고 몇몇 특징은 다소 개략적인 형태로 도시될 수 있다. 일 실시예에 관해 기술 및/또는 예시된 특징들은 하나 이상의 다른 실시예에서 그리고/또는 나머지 실시예의 특징과 조합하여 또는 나머지 실시예의 특징 대신에 동일한 방식으로 또는 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
본 개시내용은 릴레이 코일을 통한 전압을 모니터링하고 온/오프 회로 또는 적분기에 피드백을 제공한다. 적분기는 트랜지스터, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(FET)를 구동시킴으로써 릴레이 코일을 통해 미리결정된 전압을 유지하도록 구성될 수 있다. 이에 의해 릴레이 코일 전압 정격은 +28Vdc 버스의 과도 성능과 상관없이 초과되지 않는다.
실시예에서, +28Vdc 항공기 버스 특성은 MIL-STD-704에 의해 규정될 수 있고, 이는 항공기 정상 상태 전압이 22 내지 29Vdc가 되고 1.5V의 리플 전압을 가진다고 기술한다. 이러한 리플 전압은 정상 상태 제한(limit)에 포함되지 않는다. 그러므로 이러한 실시예에서, 항공기 전압은 30.5V에 이르기까지 높을 수 있다. 이러한 정상 상태 값에 부가하여, 12.5 ms 동안 50V로의 과도기가 발생할 수 있고 그 다음 75 ms 동안 32V로 감쇠할 수 있다.
일반적으로 3개의 전력 릴레이가 PCU에서 이용된다. 이들은 400 Hz 프라임(prime) 전력을 스위치하기 전력 릴레이, 전류 제한 저항기를 스위치 인(switch in)하기 위한 돌입(in-rush) 릴레이 및 대형 출력 커패시터를 방전시키기 위해 저항기를 스위치 인하기 위한 방전 릴레이(고 전압 유형)이다.
이러한 릴레이들은 표 1에 상술된 것과 같이 다음의 컨택 및 코일 특성을 가진다.
일반적인 릴레이 컨택 및 코일 특성
릴레이 벤더 컨택 수명 코일 전압
일반 최대
전력 Leach 100k 사이클 분* +28Vdc +29Vdc
돌입 Leach 200k 사이클 분* +28Vdc +29Vdc
방전 Cii Tech 100k 사이클 +26.5Vdc +32Vdc
*25% 레이트 부하에서의 컨택 수명
종전 설계는 과도 전압을 제한하고자 하는 시도에서 +28Vdc 항공기 버스를 통해 제너 다이오드 또는 과도 억제기를 이용하였다. 일반적인 회로 구성(100)이 도 1에 도시된다. 도면에 도시된 것처럼, 제너 다이오드와 같은 과도 억제기(110)가 과도 전압을 제한하고자 하는 시도에서 +28Vdc 항공기 버스(105)를 통해 이용된다. 릴레이 코일(115)은 직렬로 배열된 구동기(120) 및 전계 효과 트랜지스터(125)에 의해 제어된다. 활성화되는 경우, 릴레이 코일(115)은 스위치(130)를 제어한다. +1.5V 기준 신호 및 온/오프 신호 양자 모두가 현장 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA; 미도시)로부터 제공되어 구동기(120)로 송신된다. 구동기(120)의 출력은 전계 효과 트랜지스터(125)에 공급되고, 이는 그 후 릴레이 코일(115)을 제어하는데 이용된다.
예를 들어, F-18 항공기는 500 와트 피크 펄스 과도 억제기를 갖는 RUG PCU(부품 번호 1N6120A)를 이용하고 B-2 항공기는 1500 와트 피크 펄스 과도 억제기를 갖는 RMP PCU(부품 번호 1N6156A)를 이용하며, 이는 F-18 RUG 부품과 동일한 계열(family)이다. 유일한 차이는 피크 전력 용량이다. 이후의 분석은 B-2 RMP 부품이 둘 이상의 전압 과도를 다루는데 불충분하다는 점을 보여주었다. 이러한 분석의 결과로서, (가능성 있는) 기판 손상을 유발하는 것을 방지하기 위해서 이러한 부품을 회로에서 제거하였다.
도 2는 본 개시내용의 양상에 따라 릴레이 코일을 구동하기 위한 단순화된 설계를 도시한다. 도 3은 도 2에 따른 예시적인 회로도를 도시한다. 일반적으로 200에 의해 표시된 설계는 버스(210)에 의해 전력 공급되는 릴레이 코일(205)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 버스(210)는 +28V의 전압을 가질 수 있고, 이는 항공기 용도로 적합하다. MIL-STD-704에 의해 규정된 버스 특성에 따르는 다른 버스 전압이 이용될 수 있고, 이는 1.5V의 리플 전압을 가진 약 22 내지 29Vdc의 정상 상태 전압을 포함한다. 능동 피드백 루프(215)는 릴레이 코일(205)을 통한 전압을 모니터링하고 릴레이 코일(205)로의 전력을 턴오프 함으로써 과도 전압 또는 전압 스파이크를 억제하도록 구성된다. 따라서 릴레이 코일(205)에 손상이 발생하는 것을 방지한다. 활성화되는 경우, 릴레이 코일(205)은 스위치(240)를 제어한다.
능동 피드백 루프(215)는 차동 증폭기(220), 적분 증폭기(225), 기준 소스(230), 및 트랜지스터(235)를 포함할 수 있다. 릴레이 코일(205)을 통한 전압은 차동 증폭기(220)에 의해 측정된다. 몇몇 실시예에서, 차동 증폭기(220)로부터의 출력은 이용되는 기준 소스의 유형에 따라 +5V 또는 +3.3V로 하향 조정(scale down)된다. 차동 증폭기(220)로부터 측정된 전압 차는 적분 증폭기(225)에 입력으로서 제공된다. 비-제한적 예로서, 차동 증폭기(220) 및 적분 증폭기(225) 양자 모두는 예를 들어 National Semiconductor에 의해 제조된 저 전력 쿼드 연산 증폭기인 모델 번호 LM124와 같은 집적 회로(IC)일 수 있다. 기준 신호는 기준 소스(230)로부터 적분 증폭기(225)의 다른 입력으로 제공된다. 기준 소스(230)에는 제어기(미도시)로부터 온/오프 신호(240)가 제공된다. 몇몇 실시예에서, 제어기는 현장 프로그램가능 게이트 어레이일 수 있다. 적분 증폭기(225)는 2개의 입력에 기초하여 출력 전압을 제공하고 트랜지스터(235)에 이러한 출력 전압을 공급한다. 비-제한적인 예로서, 버스(210) 상에 과전압이 발생하는 경우, 차동 증폭기(220) 및 적분 증폭기(225)에 의해 측정된 것과 같은 초과 전압은 트랜지스터(235)를 통해 소진(dissipate)된다. 몇몇 실시예에서, 트랜지스터(235)는 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 제어기(미도시)는 기준 소스(230)의 인에이블 핀(enable pin)을 제어하도록 구성되고, 이는 적분 증폭기(225)가 릴레이 코일(205)로의 전력을 턴온 또는 턴오프시킬 수 있게 한다.
차동 증폭기(220)의 출력을 설정함으로써 정격화(regulation)가 이루어진다. 비-제한적인 예로서, 릴레이 코일(205)을 통해 요구되는 전압이 +28V인 경우, 차동 증폭기 이득은 +5V의 출력을 생성하도록 설정된다. 본 예에서는, 기준 소스(230) 출력이 +5V이다. 적분 증폭기(225)는 릴레이 코일(205)을 통해 +28V를 생성하도록 트랜지스터(235)를 구동하게 구성된다. 버스(210)가 30V에 있는 경우, 트랜지스터(235)는 2V를 강하시킬 것이고, 나머지 28V는 릴레이 코일(205)을 통해 강하된다. 버스(210)가 50V의 과도 전압을 가지는 경우, 트랜지스터(235)는 22V를 강하시킬 것이다.
다른 비-제한적인 예로서, 버스(210) 상의 보다 낮은 전압, 예를 들어 22V의 경우, 트랜지스터(235)는 매우 작은 양의 전압(대략적으로 0.1V)을 강하시킬 것이고, 22V 중 거의 대부분은 릴레이 코일(205)을 통해 강하될 것이다.
릴레이 코일(205)이 턴오프 되어야 하는 경우, 현장 프로그램가능 게이트 어레이와 같은 제어기(미도시)는 인에이블 핀(미도시)을 통해 기준 소스(230)를 턴오프 시킬 것이다. 그 다음 기준 소스(230)의 출력은 0 볼트까지 강하될 것이고 적분 증폭기(225)의 출력은 0 볼트에 매우 근접하게 될 것이다. 이는 트랜지스터(235)를 턴오프 시킬 것이고 모든 버스 전압이 트랜지스터(235)를 통해 강하될 것이다.
이러한 설계는 릴레이 코일(205)을 턴온 및 턴오프 시킬 수 있을 것이고 단지 28V 이내의 전압이 릴레이 코일(205)을 통해 나타날 것이다. 릴레이 코일(205)은 제조자의 규격에 따라 올바른 코일 전압으로 동작할 수 있게 될 것이다.
상기 개시내용이 현재 다양한 유용한 실시예라 간주되는 것을 논의하고 있지만, 이러한 세부사항은 단지 이러한 목적을 위한 것이며 첨부된 청구 범위는 개시된 실시예로 제한되지 않고 반대로 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내인 수정 사항 및 이와 균등한 배열을 포괄하도록 의도된다는 점을 이해해야 할 것이다.
본 출원은 산업상 이용가능성을 갖고 릴레이 코일을 통한 과도 전압을 억제하기 위한 시스템 및 방법을 포함하여 다양한 용도에 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 코일 전압 정격(rating)을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동(fluctuation)을 억제하는 방법으로서,
    차동 증폭기에 의해 상기 릴레이 코일 양단간의 전압 강하를 모니터링하는 단계;
    기준 소스의 출력 및 상기 차동 증폭기의 출력을 적분 증폭기에 제공하는 단계;
    상기 적분 증폭기의 출력을 트랜지스터에 제공하는 단계; 및
    상기 적분 증폭기의 출력에 기초하여 상기 트랜지스터의 출력을 제어함으로써 상기 릴레이 코일을 구동시키는 단계
    를 포함하고, 상기 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하기 위해 상기 트랜지스터를 통한 임의의 초과 전압을 소진(dissipate)시킴으로써 상기 코일 전압 정격이 초과되지 않도록 상기 기준 소스의 출력은 상기 릴레이 코일 양단간의 모니터링된 원치 않는 전압 변동에 응답하여 상기 적분 증폭기에 선택적으로 적용되는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차동 증폭기의 출력을 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 차동 증폭기의 출력은 +5V 또는 +3.3V 인,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 소스의 유형에 기초하여 상기 감소된 차동 증폭기의 출력을 결정하는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 코일 양단간의 요구되는 전압이 +28V인 경우에 상기 차동 증폭기가 +5V의 출력을 생성하도록 상기 차동 증폭기의 이득을 설정하는 단계
    를 포함하는, 코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적분 증폭기를 이용하여 상기 릴레이 코일 양단간에 +28V를 생성하도록 상기 트랜지스터를 구동시키는 단계를 포함하는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제어기로부터의 요구되는 신호를 상기 트랜지스터에 적용함으로써 상기 릴레이 코일을 턴오프시키는 단계를 포함하는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 상기 전압 변동에 기인하는 임의의 잔존하는 버스 과전압을 소진(dissipate)시키도록 구성된,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는 현장 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)를 포함하는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 방법.
  10. 코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 장치로서,
    릴레이 코일 양단간의 전압 강하를 모니터링하도록 구성된 차동 증폭기;
    기준 소스로부터의 입력 및 상기 차동 증폭기의 출력에 응답하여 출력을 제공하도록 구성된 적분 증폭기;
    상기 릴레이 코일과 직렬로 배열되고 상기 적분 증폭기의 출력에 의해 제어되도록 구성된 트랜지스터; 및
    제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 기준 소스를 제어하도록 구성되어서, 상기 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하기 위해 상기 트랜지스터를 통한 임의의 초과 전압을 소진시킴으로써 상기 코일 전압 정격이 초과되지 않도록, 상기 트랜지스터의 출력을 제어함으로써 상기 릴레이 코일이 구동되는 것인,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 현장 프로그램가능 게이트 어레이를 포함하는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는,
    코일 전압 정격을 갖는 릴레이 코일 양단간의 전압 변동을 억제하는 장치.
  13. 코일 전압 정격을 갖는 전력 릴레이 코일에 전력 공급하는 전력 조절기 유닛에서 전압 변동을 억제하기 위한 장치로서,
    연관된 전압 변동을 억제하도록 상기 전력 릴레이 코일에 전력을 인가하기 위해 상기 전력 릴레이 코일 양단간의 모니터링된 전압 강하 및 선택적으로 공급된 기준 전압을 수신하도록 구성된 적분 증폭기를 포함하는 능동 피드백 루프
    를 포함하는,
    코일 전압 정격을 갖는 전력 릴레이 코일에 전력 공급하는 전력 조절기 유닛에서 전압 변동을 억제하기 위한 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전력 릴레이 코일은 상기 모니터링된 전압 강하에 응답하여 턴온 또는 턴오프되는,
    코일 전압 정격을 갖는 전력 릴레이 코일에 전력 공급하는 전력 조절기 유닛에서 전압 변동을 억제하기 위한 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 능동 피드백 루프는:
    상기 전력 릴레이 코일 양단간의 전압 강하를 모니터링하도록 구성된 차동 증폭기;
    상기 적분 증폭기의 출력을 수신하도록 구성된 트랜지스터; 및
    상기 트랜지스터의 출력을 제어함으로써 상기 전력 릴레이 코일을 구동시키도록 구성된 제어기
    를 포함하고, 상기 제어기는 전압 변동을 억제하기 위해 상기 트랜지스터가 상기 릴레이를 턴온 또는 턴오프시킬 수 있도록 기준 소스를 제어하는,
    코일 전압 정격을 갖는 전력 릴레이 코일에 전력 공급하는 전력 조절기 유닛에서 전압 변동을 억제하기 위한 장치.
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