KR102028391B1 - 신호절연회로 - Google Patents

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이경호
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Abstract

본 발명은 신호절연회로에 관한 것으로, 구형파 신호의 상승 엣지 지점 및 하강 엣지 지점을 검출하고, 상기 구형파 신호를 변조하여 상기 검출된 지점들에서 상승 엣지를 갖는 변조 신호를 생성하는 변조부; 상기 변조 신호의 상승 엣지들에 대응하는 양 전압 펄스 신호들과 상기 변조 신호의 하강 엣지들에 대응하는 음 전압 펄스 신호들을 포함하는 변압 신호를 출력하는 변압기; 및 상기 변압 신호의 양 전압 펄스 신호들을 이용하여 상기 구형파 신호를 복원하는 복조부를 포함한다.

Description

신호절연회로{SIGNAL ISOLATION CIRCUIT}
본 발명은 신호절연회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기(transformer)를 이용하여 입력 신호와 출력 신호 간을 전기적으로 분리시키는 신호절연회로에 관한 것이다.
일반적으로 신호절연회로는 입력 신호와 출력 신호 간을 물리적/전기적으로 분리시키는 회로이다. 현대의 전기/전자 시스템에는 여러 가지 이유로 절연이 필요하다. 예컨대, 절연(isolation)은 변이 전압으로부터 고가의 기기, 사용자 그리고 데이터를 보호할 수 있고, 노이즈 내성을 향상시킬 수 있으며, 접지 루프 및 공동 전압이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 절연은 매우 큰 전압 차이를 갖는 두 회로 사이에서 신호를 안전하게 전달하기 위해 사용될 수 있다.
신호절연회로는 크게 세 가지의 유형, 즉 포토 다이오드를 이용한 신호절연회로, 변압기를 이용한 신호절연회로, 콘덴서를 이용한 신호절연회로로 분류될 수 있다. 이 중 변압기를 이용한 신호절연회로는 고전압 및 고속 전송에 유용한 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 신호절연회로의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 신호절연회로(10)는 상호 유도 작용을 이용하여 신호를 전기적으로 분리시키는 변압기(11)와, 상기 변압기(11)의 출력 신호를 원래 신호(original signal)로 복원하는 복조부(13, demodulator)를 포함할 수 있다.
구형파 신호(가령, PWM 신호)가 신호절연회로(10)에 입력되면, 변압기(11)는 상기 구형파 신호의 상승 엣지(edge)에 대응하여 양 전압 펄스 신호를 출력하고, 상기 구형파 신호의 하강 엣지(edge)에 대응하여 음 전압 펄스 신호를 출력한다. 복조부(13)는 변압기(11)의 출력 신호를 이용하여 원래의 구형파 신호로 복원한다.
그런데, 음 전압 펄스 신호를 이용하여 구형파 신호를 복원하기 위해서는, 브릿지 다이오드(bridge diode) 회로나 음 전압 전원이 필요한 음 전압 감지회로 등이 필요하기 때문에, 복조부(13)의 회로 구성이 매우 복잡해지는 문제가 있다. 따라서, 신호절연회로에 사용되는 복조부를 좀 더 간단히 구현할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 구형파 신호의 하강 엣지를 상승 엣지로 변경하는 변조부를 구비하는 신호절연회로를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 변압기의 출력 신호들 중 양 전압 펄스 신호들만을 이용하여 구형파 신호를 복원하는 복조부를 구비하는 신호절연회로를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 구형파 신호의 상승 엣지 지점 및 하강 엣지 지점을 검출하고, 상기 구형파 신호를 변조하여 상기 검출된 지점들에서 상승 엣지를 갖는 변조 신호를 생성하는 변조부; 상기 변조 신호의 상승 엣지들에 대응하는 양 전압 펄스 신호들과 상기 변조 신호의 하강 엣지들에 대응하는 음 전압 펄스 신호들을 포함하는 변압 신호를 출력하는 변압기; 및 상기 변압 신호의 양 전압 펄스 신호들을 이용하여 상기 구형파 신호를 복원하는 복조부를 포함하는 신호절연회로를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 변조부는, 지연 회로, NOT 게이트, AND 게이트, NOR 게이트 및 OR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 복조부는, 비교기 및 에지 트리거 T 플리플롭을 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 복조부는, 변압 신호의 상승 엣지 지점들을 검출하고, 상기 검출된 지점들에서 상태가 변경되는 복조 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 상기 복조 신호는 구형파 신호의 파형과 동일한 파형을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 신호절연회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 구형파 신호의 하강 엣지를 상승 엣지로 변경하는 변조부를 신호절연회로에 추가함으로써, 상기 구형파 신호를 복원하기 위한 복조부의 회로 구성을 단순화시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 구형파 신호의 하강 엣지를 상승 엣지로 변경하는 변조부를 신호절연회로에 추가함으로써, 매우 큰 전압 차이를 갖는 두 회로 사이에서 신호를 안전하게 전달할 수 있고, 외부 노이즈에 대한 내성을 강화할 수 있으며, 더 이상 음 전압 신호를 감지하기 위한 음 전압 전원을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 신호절연회로가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 신호절연회로의 구성을 도시하는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호절연회로의 구성을 도시하는 도면;
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 변조부의 회로 구성을 도시하는 도면;
도 3b는 도 3a에 도시된 변조부의 입/출력 신호의 파형을 도시하는 도면;
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복조부의 회로 구성을 도시하는 도면;
도 4b는 도 4a에 도시된 복조부의 입/출력 신호의 파형을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호절연회로의 상세 구성을 도시하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 구형파 신호의 하강 엣지를 상승 엣지로 변경하는 변조부를 구비하는 신호절연회로를 제안한다. 또한, 본 발명은 변압기의 출력 신호들 중 양 전압 펄스 신호들만을 이용하여 구형파 신호를 복원하는 복조부를 구비하는 신호절연회로를 제안한다. 이하, 본 명세서에서는, 상기 구형파 신호의 일 예로 PWM(Pulse Width Modulation) 신호가 사용되는 것을 가정하여 설명하도록 한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호절연회로의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호절연회로(100)는 변조부(110, modulator), 변압기(120, transformer) 및 복조부(130, demodulator)를 포함할 수 있다.
변조부(110)는, 신호절연회로(100)에 입력되는 제1 구형파 신호의 상승 엣지 지점 및 하강 엣지 지점을 검출하고, 상기 제1 구형파 신호를 변조하여 상기 검출된 지점들에서 상승 엣지를 갖는 제2 구형파 신호(즉, 변조 신호)를 생성할 수 있다. 변조부(110)는 제2 구형파 신호를 변압기(120)로 출력할 수 있다.
변압기(120)는, 변조부(110)와 복조부(130) 사이에 배치되어, 제2 구형파 신호의 상승 엣지들에 대응하는 양 전압 펄스 신호들과 상기 제2 구형파 신호의 하강 엣지들에 대응하는 음 전압 펄스 신호들을 포함하는 변압 신호를 생성할 수 있다. 변압기(120)는 상기 변압 신호를 복조부(130)로 출력할 수 있다.
복조부(130)는, 변압기(120)의 출력 단에 연결되어, 변압 신호의 양 전압 펄스 신호들만을 이용하여 제1 구형파 신호를 복원할 수 있다. 이는 변조부(110)를 통해 제1 구형파의 하강 엣지가 상승 엣지로 변경되었기 때문이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 변조부의 회로 구성을 도시하는 도면이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 변조부의 입/출력 신호의 파형을 도시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 변조부(110)는 지연 회로(111), NOT 게이트(113), AND 게이트(115), NOR 게이트(117) 및 OR 게이트(119)를 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 구성요소들은 변조부(110)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 변조부는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
지연 회로(111)의 입력 단은 AND 게이트(115)의 제1 입력 단과 NOR 게이트(117)의 제2 입력 단에 전기적으로 연결될 수 있고, 출력 단은 NOT 게이트(113)의 입력 단에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 지연 회로(111)는, 변조부(110)에 입력되는 제1 PWM 신호를 일정 시간(τ) 동안 지연시켜 제2 PWM 신호를 생성하고, 상기 제2 PWM 신호를 NOT 게이트(113)로 출력할 수 있다.
NOT 게이트(113)의 입력 단은 지연 회로(111)의 출력 단에 전기적으로 연결될 수 있고, 출력 단은 AND 게이트(115)의 제2 입력 단과 NOR 게이트(117)의 제1 입력 단에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 NOT 게이트(113)는 지연 회로(111)로부터 수신된 제2 PWM 신호를 논리 부정(즉, 반전)하여 제3 PWM 신호를 생성하고, 상기 제3 PWM 신호를 AND 게이트(115) 및 NOR 게이트(117)로 출력할 수 있다.
AND 게이트(115)의 제1 입력 단은 지연 회로(111)의 입력 단과 NOR 게이트(117)의 제2 입력 단에 전기적으로 연결될 수 있고, 제2 입력 단은 NOT 게이트(113)의 출력 단과 NOR 게이트(117)의 제1 입력 단에 연결될 수 있으며, 출력 단은 OR 게이트(119)의 제1 입력 단에 연결될 수 있다. 상기 AND 게이트(115)는 제1 입력 단을 통해 수신된 제1 PWM 신호와 제2 입력 단을 통해 수신된 제3 PWM 신호를 논리 곱 연산하여 제4 PWM 신호를 생성하고, 상기 제4 PWM 신호를 OR 게이트(119)로 출력할 수 있다.
NOR 게이트(117)의 제1 입력 단은 NOT 게이트(113)의 출력 단과 AND 게이트(117)의 제2 입력 단에 전기적으로 연결될 수 있고, 제2 입력 단은 지연 회로(111)의 입력 단과 AND 게이트(115)의 제1 입력 단에 연결될 수 있으며, 출력 단은 OR 게이트(119)의 제2 입력 단에 연결될 수 있다. 상기 NOR 게이트(115)는 제1 입력 단을 통해 수신된 제3 PWM 신호와 제2 입력 단을 통해 수신된 제1 PWM 신호를 부정 논리 합 연산하여 제5 PWM 신호를 생성하고, 상기 제5 PWM 신호를 OR 게이트(119)로 출력할 수 있다.
OR 게이트(119)의 제1 입력 단은 AND 게이트(115)의 출력 단에 연결될 수 있고, 제2 입력 단은 NOR 게이트(117)의 출력 단에 연결될 수 있으며, 출력 단은 변압기(120)의 입력 단에 연결될 수 있다. 상기 OR 게이트(119)는 제1 입력 단을 통해 수신된 제4 PWM 신호와 제2 입력 단을 통해 수신된 제5 PWM 신호를 논리 합 연산하여 제6 PWM 신호를 생성하고, 상기 제6 PWM 신호를 변압기(120)로 출력할 수 있다.
변조부(110)는, 상술한 지연 회로(111) 및 논리 회로들(113, 115, 117, 119)을 이용하여, 신호절연회로(100)로 입력되는 구형파 신호(즉, PWM 신호)를 변조할 수 있다.
가령, 도 3b에 도시된 바와 같이, 변조부(110)는 PWM 신호(310)의 상승 엣지 지점들(t1, t3, t5, t7)을 검출하고, 상기 PWM 신호(310)를 변조하여 상기 검출된 지점들에서 상승 엣지를 갖는 변조 신호(320)를 생성할 수 있다. 또한, 변조부(110)는 PWM 신호(310)의 하강 엣지 지점들(t2, t4, t6, t8)을 검출하고, 상기 PWM 신호(310)를 변조하여 상기 검출된 지점들에서 상승 엣지를 갖는 변조 신호(320)를 생성할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복조부의 회로 구성을 도시하는 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 복조부의 입/출력 신호의 파형을 도시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 복조부(130)는 비교기(comparator, 131) 및 에지 트리거 T 플리플롭(Edge Trigger T flip-flop, 133)을 포함할 수 있다. 도 4a에 도시된 구성요소들은 복조부(130)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 복조부는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
비교기(131)의 제1 및 제2 입력 단은 변압기(120)의 출력 단에 전기적으로 연결될 수 있고, 출력 단은 에지 트리거 T 플리플롭(133)의 입력 단에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 비교기(131)는 제1 및 제2 입력 단을 통해 수신된 값들을 서로 비교할 수 있다. 예컨대, 비교기(131)는 두 개의 입력 값이 서로 같으면 '0'을 출력하고, 두 개의 입력 값이 서로 다르면 '1'을 출력할 수 있다.
에지 트리거 T 플리플롭(133)은, 비교기(131)의 출력 단에 연결되어, 상기 비교기(131)의 출력 값을 기반으로 상태를 변경하는 플리플롭 회로이다. 즉, 상기 에지 트리거 T 플리플롭(133)은 상승 엣지를 검출할 때마다 하이 레벨 상태를 로우 레벨 상태로 혹은 로우 레벨 상태를 하이 레벨 상태로 변경할 수 있다.
복조부(130)는, 상술한 비교기(131) 및 에지 트리거 T 플리플롭(133)을 이용하여, 변압기(120)의 출력 신호들 중 양 전압 펄스 신호들만을 기반으로 원래의 PWM 신호를 복원할 수 있다.
가령, 도 4b에 도시된 바와 같이, 복조부(130)는 변압기(120)의 출력 신호에서 상승 엣지 지점들(t1, t2, t3, t4, t5)을 검출하고, 상기 검출된 지점들에서 상태가 변경되는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호절연회로의 상세 구성을 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 신호절연회로(100)는 변조부(110), 변압기(120) 및 복조부(130)를 포함할 수 있다.
변조부(110)는, 신호절연회로(100)에 입력되는 구형파 신호(VPWM, 510)의 상승 엣지 지점 및 하강 엣지 지점을 검출하고, 상기 검출된 지점들에서 상승 엣지를 갖는 변조 신호(VM_OUT, 520)를 생성할 수 있다. 변조부(110)는 상기 변조 신호(VM_OUT, 520)를 변압기(120)로 출력할 수 있다.
변압기(120)는 변조 신호(VM_OUT, 520)의 상승 엣지에 대응하는 양 전압 펄스 신호와 상기 변조 신호(VM_OUT, 520)의 하강 엣지에 대응하는 음 전압 펄스 신호를 포함하는 변압 신호(VT_OUT, 530)를 생성할 수 있다. 변압기(120)는 상기 변압 신호(VT_OUT, 530)를 복조부(130)로 출력할 수 있다.
복조부(130)는 변압 신호(VT_OUT, 530)의 상승 엣지 지점들(t1, t2, t3, t4, t5)을 검출하고, 상기 검출된 지점들에서 상태가 변경되는 복조 신호(VD_OUT, 540)를 생성할 수 있다. 즉, 복조부(130)는 비교기와 플리플롭만을 이용하여 원래의 구형파 신호(VPWM, 510)와 동일한 구형파 신호(VD_OUT, 540)를 완벽하게 복원할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 신호절연회로(100)는, 구형파 신호의 하강 엣지를 상승 엣지로 변경하는 변조부를 구비함으로써, 상기 구형파 신호를 복원하기 위한 복조부의 회로 구성을 단순화시킬 수 있다. 또한, 상기 신호절연회로(100)는 수백 내지 수천 볼트(V)의 전압 차이를 갖는 두 회로 사이에서 신호를 안전하게 전달할 수 있고, 외부 노이즈에 대한 내성을 강화할 수 있으며, 더 이상 음 전압 신호를 감지하기 위한 음 전압 전원을 필요로 하지 않는다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 신호절연회로 110: 변조부(modulator)
120: 변압기 130: 복조부(demodulator)

Claims (4)

  1. 제1 구형파 신호의 상승 엣지 지점 및 하강 엣지 지점을 검출하고, 상기 제1 구형파 신호를 변조하여 상기 검출된 상승 및 하강 엣지 지점들에서 상승 엣지를 갖는 변조 신호를 생성하는 변조부;
    상기 변조 신호의 상승 엣지들에 대응하는 양 전압 펄스 신호들과 상기 변조 신호의 하강 엣지들에 대응하는 음 전압 펄스 신호들을 포함하는 변압 신호를 출력하는 변압기; 및
    상기 변압 신호의 양 전압 펄스 신호들을 이용하여 상기 제1 구형파 신호를 복원하는 복조부를 포함하고,
    상기 변조 신호는 상기 제1 구형파 신호를 변조하여 상기 검출된 상승 및 하강 엣지 지점들에서 상승 엣지를 갖는 제2 구형파 신호임을 특징으로 하는 신호절연회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변조부는, 지연 회로, NOT 게이트, AND 게이트, NOR 게이트 및 OR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호절연회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복조부는, 비교기 및 에지 트리거 T 플리플롭을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호절연회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복조부는, 상기 변압 신호의 상승 엣지 지점들을 검출하고, 상기 검출된 지점들에서 상태가 변경되는 복조 신호를 생성하며,
    상기 복조 신호는 상기 제1 구형파 신호의 파형과 동일한 파형을 구비하는 것을 특징으로 하는 신호절연회로.
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