KR101807400B1 - Method for driving a current sink which discharges a capacitive load - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전계 효과 트랜지스터(T1)에 의해 형성된 부하 경로를 갖고, 활성화 시점(t0)부터 용량성 부하(CL)를 방전시키는 조절된 전류 싱크를 구동 제어하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이때 이 전류 싱크는 활성화 시점(t0) 전에 사전에 설정된 기간 동안 제어 신호(Isoll)에 의해서 구동 제어 되고, 이 제어 신호의 진폭은, 조절 회로(OP, R1, C1, R2, R3)에 의해서 임계값 전압(Uth)보다 약간만 더 위에 있는 게이트 전압(UG)을 전계 효과 트랜지스터(T1)에 인가하기에 충분하며, 이 경우 사전에 설정된 기간은 조절 회로(OP, R1, C1, R2, R3)의 조절 특성 및 전계 효과 트랜지스터(T1)의 게이트-소스-커패시턴스에 의존하고, 활성화 시점(t0)에 게이트 전압(UG)이 적어도 전계 효과 트랜지스터(T1)의 임계값 전압(Uth)의 값을 갖도록 선택되어 있다.The present invention relates to a method for driving control of a regulated current sink having a load path formed by a field effect transistor (T1) and discharging a capacitive load (CL) from an activation point of time (t0) The sink is driven and controlled by the control signal Isoll for a predetermined period before the activation point t0 and the amplitude of the control signal is controlled by the control circuit OP, R1, C1, R2, R3 to the threshold voltage In which case the predetermined period of time is sufficient to apply the regulating characteristics of the regulating circuits OP, R1, C1, R2, R3 and the gate voltage UG, Source-capacitance of the field effect transistor T1 and the gate voltage UG is selected to have at least the value of the threshold voltage Uth of the field effect transistor T1 at the activation point in time t0.

Description

용량성 부하를 방전시키는 전류 싱크를 구동 제어하기 위한 방법{METHOD FOR DRIVING A CURRENT SINK WHICH DISCHARGES A CAPACITIVE LOAD}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for driving a current sink for discharging a capacitive load,

본 발명은, 전계 효과 트랜지스터에 의해 형성된 부하 경로를 갖고, 활성화 시점부터 용량성 부하를 방전시키는 조절된 전류 싱크(current sink)를 구동 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for driving and controlling a regulated current sink having a load path formed by a field effect transistor and discharging a capacitive load from an activation point of time.

이와 같은 전류 싱크는 WO 2007/009862 A1호에 공지되어 있다. 이 간행물에 공지된 조절된 전류 싱크는 자동차 연소 엔진을 위한 연료 분사 밸브 내에 있는 피에조 액추에이터를 잔류 방전시키기 위해서 사용된다.Such a current sink is known from WO 2007/009862 A1. The regulated current sinks known in this publication are used to cause residual discharge of the piezo actuator within the fuel injection valve for an automotive combustion engine.

이와 같은 피에조 액추에이터는 통상적으로 연료 밸브를 개방하기 위하여 정확하게 사전에 설정된 시점에 스위칭 조절기를 통해서 사전에 설정된 전압까지 충전되며, 이로써 가급적 정확한 연료량이 특정 크랭크 샤프트각에 대하여 정확하게 사전에 설정된 시점에 연료 연소 엔진의 연소실 내부로 분사될 수 있다. 연료 밸브를 재차 폐쇄하기 위해서는 피에조 액추에이터가 재차 방전되어야만 하며, 이 경우에는 방전이 가급적 완전하게 이루어짐으로써, 결과적으로 그 후에는 재차 정확한 충전이 이루어질 수 있는 것이 중요하다.Such a piezo actuator is typically charged to a predetermined voltage through a switching regulator at a precisely predetermined time to open the fuel valve so that the fuel quantity as accurately as possible is accurately set at a precisely predetermined time for a particular crankshaft angle, It can be injected into the combustion chamber of the engine. In order to close the fuel valve again, the piezo actuator must be discharged again, in which case it is important that the discharge is made as completely as possible so that the subsequent accurate filling can be effected subsequently.

방전도 마찬가지로 가장 먼저 스위칭 조절기를 통해 이루어짐으로써, 결과적으로 피에조 액추에이터 내에 저장된 전기 에너지는 적어도 부분적으로 재차 축적 콘덴서 내부로 역으로 충전될 수 있다. 하지만, 이와 같은 스위칭 조절기는 구조적인 조건으로 인해 피에조 액추에이터를 방전시킬 때 약점을 가질 수 있으며, 이로써 방전 전류는 방전 과정이 끝날 즈음에는 지나치게 작은 값까지 떨어지게 된다. 그렇기 때문에, WO 2007/009862 A1호에 기술되어 있는 바와 같이, 방전이 끝날 즈음에는 방전 과정이 스위칭 조절기에 의해서 소산적인(dissipative) 경로로 전달된다.Discharging is likewise accomplished first through the switching regulator, so that the electrical energy stored in the piezo actuator can at least partially be reversely charged back into the accumulation capacitor again. However, such a switching regulator may have drawbacks in discharging the piezo actuator due to structural conditions, so that the discharge current falls to an excessively small value at the end of the discharge process. Thus, as described in WO 2007/009862 A1, by the end of the discharge, the discharge process is transferred to the dissipative path by the switching regulator.

이 경로는 실질적으로 전계 효과 트랜지스터를 구비하는 조절된 전류 싱크이며, 이 전계 효과 트랜지스터의 부하 전류는 이 전계 효과 트랜지스터에 직렬로 접속된 분로 저항기(shunt resistor)를 통해서 측정되고, 조절 회로를 통해서는, 방전 전류가 사전에 설정된 값에 상응하도록 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전압이 설정된다.This path is a regulated current sink having a substantially field effect transistor whose load current is measured through a shunt resistor connected in series with the field effect transistor and through a regulating circuit , The gate voltage of the field effect transistor is set so that the discharge current corresponds to a predetermined value.

WO 2007/009862 A1호에서는 조절 회로가 전환 가능하게 형성되어 있음으로써, 결과적으로 피에조 액추에이터는 가장 먼저 상대적으로 높은 전류로 잔류 방전될 수 있고, 추후의 한 시점에 훨씬 더 작은 전류로써 최종적인 방전이 이루어지게 된다.In WO 2007/009862 A1, the control circuit is formed so as to be switchable so that the piezo actuator can be the first to have a relatively high residual current, and at a later point in time, .

하지만, 전계 효과 트랜지스터를 구비하는 이와 같은 조절된 전류 싱크의 문제점은, 모든 트랜지스터가 개별적으로 부품 공차로 인해 그리고 정확한 온도에 따라 상이한 게이트 전압/게이트 전하를 필요로 한다는 것이다. 그렇기 때문에, 그리고 조절기의 나머지 부품들의 공차로 인해, 구동 제어가 항상 동일한 유형 및 방식으로 이루어지더라도, 전류 싱크의 활성화와 준비 과정 사이의 기간은 장치별로 그리고 온도에 따라 상이하다.The problem with such regulated current sinks with field effect transistors, however, is that all transistors individually require different gate voltage / gate charge due to component tolerances and at the correct temperature. Thus, and due to the tolerances of the remaining parts of the regulator, the duration between activation and preparation of the current sink varies with the device and temperature, even though the drive control is always done in the same type and manner.

상기 문제점은, 전계 효과 트랜지스터에 의해 형성된 부하 경로를 갖고, 활성화 시점부터 용량성 부하를 방전시키는 조절된 전류 싱크를 구동 제어하기 위한 방법에 의해서 해결되며, 이때 이 전류 싱크는 활성화 시점 전에 사전에 설정된 기간 동안 제어 신호에 의해서 구동 제어 되고, 이 제어 신호의 진폭은, 조절 회로에 의해서 임계값 전압보다 약간만 더 위에 있는 게이트 전압을 전계 효과 트랜지스터에 인가하기에 충분하며, 이 경우 사전에 설정된 기간은 조절 회로의 조절 특성 및 전계 효과 트랜지스터의 게이트-소스-커패시턴스에 의존하고, 활성화 시점에 게이트 전압이 적어도 전계 효과 트랜지스터의 임계값 전압의 값을 갖도록 선택되어 있다.The problem is solved by a method for driving control a regulated current sink having a load path formed by a field effect transistor and discharging a capacitive load from an activation point of time, wherein the current sink is pre- And the amplitude of the control signal is sufficient to apply a gate voltage to the field effect transistor that is slightly higher than the threshold voltage by the adjustment circuit, in which case the pre- The control characteristics of the circuit and the gate-source-capacitance of the field effect transistor, and at the time of activation the gate voltage is selected to have at least the value of the threshold voltage of the field effect transistor.

더 상세하게 말해서, 전류 싱크는 본 발명에 따른 방식으로, 원래의 활성화 시점 전에 조절기가 과도 진동할 수 있을 정도로 이른 시점에 스위치-온 된다. 이때, 설정값은 가장 먼저 바로, 모든 공차에 걸쳐서 활성화 시점에는 조절기가 자신의 작은 목표값까지 과도 진동할 정도로 크게 선택되었다. 그 다음에 실제 방전 전류가 전류 싱크로 전달되어야만 하는 경우에는, 전계 효과 트랜지스터가 이미 자신의 활성 영역 안에 있게 되는데, 다시 말하자면 전계 효과 트랜지스터의 임계값 전압에 이미 완전히 도달하게 된다. 그렇기 때문에, 전계 효과 트랜지스터의 임계값 전압에 도달할 때까지는, 공지되지 않은 게이트 전하는 더 이상 필요치 않으며, 다만 방전 전류를 지지할 수 있기 위한 추가 전하만이 필요하다. 따라서, 원하는 전류 흐름이 거의 직접적으로 설정된다.More specifically, the current sink is switched on in a manner consistent with the present invention, at a point in time that the regulator can oscillate before the original activation point. At this time, the setting value was selected to be the earliest, and all the tolerances were selected to be large enough to cause the regulator to vibrate to its small target value at the activation point. Then, if the actual discharge current has to be transferred to the current sink, the field effect transistor is already in its active area, that is, it is already fully reaching the threshold voltage of the field effect transistor. Hence, until the threshold voltage of the field effect transistor is reached, an unknown gate charge is no longer needed, but only additional charge is needed to be able to sustain the discharge current. Therefore, the desired current flow is set almost directly.

특히 바람직하게, 본 발명에 따른 방법은, 조절 회로가 적분 방식의 조절 특성을 갖는 경우에 사용되는데, 그 이유는 이와 같은 방식에 의해서는 항상 특정 설정값의 인가와 출력 값의 과도 진동 사이에 시간 지연이 존재하기 때문이다.Particularly preferably, the method according to the invention is used when the regulating circuit has the regulating characteristic of the integrating method, because this way always gives the time between the application of the specific set value and the transient oscillation of the output value There is a delay.

전류 싱크는 본 발명에 따른 방법을 통해서 임의의 용량성 부하를 방전시키기 위해 사용되지만, 피에조 액추에이터를 방전시키기 위한 용도에서도 특히 바람직하다.The current sink is used to discharge any capacitive load through the method according to the present invention, but is also particularly preferred for use in discharging piezo actuators.

본 발명은, 도면들과 연계된 실시예를 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 도면부에서:
도 1은 선행 기술에 따른 조절된 전류 싱크를 도시한 도면;
도 2는 도 1에 도시된 조절된 전류 싱크의 스위칭 특성을 도시한 도면; 및
도 3은 상기와 같은 조절된 전류 싱크의 본 발명에 따른 구동 제어 방식을 도시한 도면.The present invention will be described in detail below with reference to embodiments associated with the drawings. In the drawing:
Figure 1 shows a prior art controlled current sink;
Figure 2 shows the switching characteristics of the regulated current sink shown in Figure 1; And
FIG. 3 is a diagram showing a drive control method according to the present invention of the above-described regulated current sink. FIG.

도 1에 따라, 조절된 전류 싱크는 공지된 방식으로 전계 효과 트랜지스터(T1)에 의해서 형성되어 있으며, 이 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자는 방전될 용량성 부하(CL)와 연결되어 있고, 그의 소스 단자는 분로 저항기(R3)를 통해서 기준 전위와 연결되어 있다. 전계 효과 트랜지스터(T1)의 게이트 단자는 연산 증폭기(OP)의 출력에 의해서 구동 제어되며, 이 경우 이 연산 증폭기(OP)의 비-반전 입력에는 방전 전류를 위한 설정값을 대표하는 기준 전압(Uref)이 제공된다. 연산 증폭기(OP)의 반전 입력은 제1 저항기(R1) 및 커패시터(C1)의 직렬 회로를 통해서는 연산 증폭기(OP)의 출력과 연결되어 있고, 제2 저항기(R2)를 통해서는 전계 효과 트랜지스터(T1)의 소스 단자와 연결되어 있다. 이로써, 전류 싱크의 조절 회로는 PI-조절기로서 형성되어 있다. 하지만, 기본적으로는 다른 조절 특성을 갖는 조절 회로도 본 발명에 따른 방식으로 사용된다.According to Figure 1, the regulated current sink is formed by a field effect transistor T1 in a known manner, the drain terminal of which is connected to the capacitive load CL to be discharged, Is connected to the reference potential through the shunt resistor R3. The gate terminal of the field effect transistor T1 is driven and controlled by the output of the operational amplifier OP and the noninverting input of the operational amplifier OP is supplied with a reference voltage Uref representing the set value for the discharging current Is provided. The inverting input of the operational amplifier OP is connected to the output of the operational amplifier OP through the series circuit of the first resistor R1 and the capacitor C1 and the output of the operational amplifier OP is connected to the output of the operational amplifier OP through the second resistor R2. Is connected to the source terminal of the transistor T1. As a result, the control circuit of the current sink is formed as a PI-regulator. However, basically a regulating circuit with other regulating characteristics is also used in the manner according to the invention.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 한 시점(t0)에 도 1에 따른 이와 같은 조절 회로에 갑자기 방전 전류(Isoll)를 위한 설정값이 제공되면, 연산 증폭기(OP)의 출력 전압이 증가하고, 이로써 전계 효과 트랜지스터(T1)에서의 게이트 전압은 조절 회로의 적분 방식의 특성으로 인해, 한 시점(t1)에 전계 효과 트랜지스터(T1)의 임계값 전압(Uth)에 도달하고 그 결과로서 부하 전류가 전계 효과 트랜지스터(T1)를 통과하며 이로써 용량성 부하(CL)를 위한 방전 전류가 설정값으로 증가할 때까지 대략 선형으로 증가한다.As shown in Fig. 2, when the setting value for the sudden discharge current Isoll is provided to such an adjusting circuit according to Fig. 1 at one time point t0, the output voltage of the operational amplifier OP increases, As a result, the gate voltage at the field effect transistor T1 reaches the threshold voltage Uth of the field effect transistor T1 at one time point t1 due to the characteristic of the integration method of the control circuit, Passes through the field effect transistor T1 and thereby increases approximately linearly until the discharge current for the capacitive load CL increases to a set value.

하지만, 조절 회로의 부품들의 공차에 의해서, 그리고 커패시터(C1)에서의 잔류 전하의 변동 및 전계 효과 트랜지스터(T1)의 게이트 소스 커패시턴스의 변동에 의해서, 원하는 방전 전류에 실제로 도달할 때까지 설정값이 조절된 전류 싱크에 인가되는 기간은 충분히 정확하게 예측될 수 없다.However, due to the tolerances of the components of the regulating circuit and due to the variation of the residual charge in the capacitor C1 and the variation of the gate source capacitance of the field effect transistor T1, The period applied to the regulated current sink can not be predicted sufficiently accurately.

그렇기 때문에, 본 발명에 따른 방식에서는, 도 3에 따라, 원래의 구동 제어 시점(t0) 앞에 충분히 길게 놓여 있는 시점(t2)에, 사전에 설정된 작은 설정 전류(Isoll)에 상응하는 전압(Uref)이 조절된 전류 싱크에 제공되며, 그 후에 전계 효과 트랜지스터(T1)의 게이트 전압이 서서히 임계값 전압(Uth)까지 증가하며, 그 후에 사전에 설정된 작은 방전 전류(Isoll)가 흐르기 시작한다.Therefore, in the method according to the present invention, the voltage Uref corresponding to the previously set small set current Isoll at the time point t2, which is sufficiently long before the original drive control time point t0, Is supplied to the regulated current sink, after which the gate voltage of the field effect transistor T1 is gradually increased to the threshold voltage Uth, and then a predetermined small discharge current Isoll begins to flow.

이 전류는, 피에조 액추에이터 형태의 용량성 부하의 방전 과정에 상당한 영향을 미치지는 않지만, 전계 효과 트랜지스터(T1)를 규정된 상태로 만들어 줄 정도로 작다. 그 후 원래의 활성화 시점(t0)에 원하는 높은 방전 전류가 새로운 설정값(Isoll)으로서 설정되면, 공지되고 규정된 프로파일을 갖는 원하는 방전 전류가 매우 신속하게 설정될 수 있다.This current does not have a significant effect on the discharge process of the capacitive load in the form of a piezo actuator, but is small enough to bring the field effect transistor T1 into a prescribed state. Then, when the desired high discharge current at the original activation time t0 is set as a new set value Isoll, the desired discharge current having a known and defined profile can be set very quickly.

시점(t2)에 작은 설정 전류를 인가하는 것과 원래의 활성화 시점(t0)까지 사이의 시간 간격은 실질적으로 전계 효과 트랜지스터(T1)의 게이트 소스 커패시턴스의 충전 상태에, 조절 회로의 커패시터(C1)의 충전 상태에 그리고 사용된 부품들의 공차에 의존한다. 이들은 실험적으로 결정될 수 있고, 최악의-경우-상황(Worst-Case-Situation)을 위해 충분히 큰 시간 간격이 선택될 수 있다.The time interval between the application of the small set current at the time t2 and the original activation time t0 is substantially equal to the charge state of the gate source capacitance of the field effect transistor T1, Depends on the state of charge and the tolerances of the parts used. These can be determined experimentally and a sufficiently large time interval can be chosen for the worst-case-situation.

Claims (3)

전계 효과 트랜지스터(T1)에 의해 형성된 부하 경로를 갖고, 활성화 시점(t0)부터 용량성 부하(CL)를 방전시키는 조절된 전류 싱크를 구동 제어하기 위한 방법으로서,
상기 전류 싱크는 활성화 시점(t0) 전에 사전에 설정된 기간 동안 제어 신호(Isoll)에 의해서 구동 제어 되고, 상기 제어 신호의 진폭은, 조절 회로(OP, R1, C1, R2, R3)에 의해서 임계값 전압(Uth)보다 더 위에 있는 게이트 전압(UG)을 전계 효과 트랜지스터(T1)에 인가하기에 충분하며, 이때 상기 사전에 설정된 기간은 조절 회로(OP, R1, C1, R2, R3)의 조절 특성 및 전계 효과 트랜지스터(T1)의 게이트-소스-커패시턴스에 의존하고, 활성화 시점(t0)에 게이트 전압(UG)이 적어도 전계 효과 트랜지스터(T1)의 임계값 전압(Uth)의 값을 갖도록 선택되어 있는, 용량성 부하를 방전시키는 조절된 전류 싱크를 구동 제어하기 위한 방법.CLAIMS 1. A method for driving and controlling a regulated current sink having a load path formed by a field effect transistor (T1) and discharging a capacitive load (CL) from an activation time (t0)
Wherein the current sink is driven and controlled by a control signal Isoll for a predetermined period before the activation time t0 and the amplitude of the control signal is controlled by the control circuit OP, R1, C1, R2, Is sufficient to apply a gate voltage UG above the voltage Uth to the field effect transistor T1 where the predetermined period of time is less than the regulating characteristic of the regulating circuit OP, R1, C1, R2, R3 And the gate-source-capacitance of the field effect transistor T1 and the gate voltage UG at the activation time t0 is selected to have at least the value of the threshold voltage Uth of the field effect transistor T1 , And a controlled current sink for discharging the capacitive load. 제1항에 있어서, 상기 조절된 전류 싱크가 적분 방식의 조절 특성을 갖는, 용량성 부하를 방전시키는 조절된 전류 싱크를 구동 제어하기 위한 방법.2. The method of claim 1, wherein the regulated current sink has a regulating characteristic of an integral manner. 제1항 또는 제2항에 있어서, 용량성 부하(CL)로서 피에조 액추에이터가 구동 제어되는, 용량성 부하를 방전시키는 조절된 전류 싱크를 구동 제어하기 위한 방법.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the piezoelectric actuator is driven and controlled as the capacitive load (CL).
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