KR102121202B1 - 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치 및 이를 이용한 이상 상태 감지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치 및 이를 이용한 이상 상태 감지 방법에 관한 것으로서, 소정의 입력전압을 공급받는 1차측 권선과 상기 1차측 권선에 인가된 전압을 기설정된 권선비에 따라 승압하여 출력하는 2차측 권선을 포함하는 트랜스포머부와, 상기 트랜스포머부의 2차측에 유도된 유도 기전력을 전압 체배하여 고전압으로 출력하는 체배 회로부와, 상기 체배 회로부에서 출력되는 출력 전압의 변동을 검출하여 피드백 신호를 발생하는 피드백 회로부와, 외부 스위치와 연결된 입력단의 이상 여부를 내부에 구비된 타이머 카운터에 의한 클럭 주기와 상기 피드백 신호에 기초하여 판단한 결과에 따라 상기 트랜스포머부의 구동을 위한 PWM 신호를 생성하여 출력하는 제어부와, 상기 PWM 신호에 기초한 소정의 구동 신호를 생성하여 상기 트랜스포머부로 출력하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따르면, 고전압부의 출력단과 접지단에 먼지, 분진 등의 이물질이 유입되어 과전류나 단락과 같은 이상 상태가 발생할 경우 이를 신속하게 감지하여 이에 따른 출력 조절을 수행함으로써, 이상 상태로 인해 발생할 수 있는 화재 및 감전 등의 위험을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치 및 이를 이용한 이상 상태 감지 방법{HIGH VOLTAGE SUPPLY AVAILABLE FOR CONTROLLING OUTPUT ACCORDING TO DETECTING ABNORMAL STATE, AND METHOD FOR DETECTING ABNORMAL STATE USING THEREOF}
본 발명은 고전압 발생을 필요로 하는 에어컨의 집진부나 공기정화장치에 이용되는 기술로서, 고전압부에서 발생하는 과전류나 단락 등의 이상 상태를 감지하여 이에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치와 이를 이용한 이상 상태 감지 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고전압 발생장치는 비교적 낮은 정전압의 전원을 이용하여 그 전압을 승압시킴으로써 고전압을 발생하는 장치로서, 고전압의 발생을 필요로 하는 가정용 전자기기 및 산업용 전자기기 등에 널리 적용되고 있다.
이 중에서도 특히 음이온을 발생시켜 공기를 정화시키는 공기청정장치 등에서 고전압 발생장치가 주로 사용되는데, 현재 상용화되어 있는 대부분의 음이온 발생장치들은 음이온 발생부와 고전압 발생 장치를 포함한 구조로 마련되어, 상기 고전압 발생 장치로부터 12V 정도의 직류전원을 공급받아 이를 소정 주파수로 발진시키고, 3kV 정도의 고전압으로 승압 및 배가한 후 방전핀과 대전관을 구비한 상기 음이온 발생부에 출력하여 음이온을 발생시키는 구조를 채택하고 있다.
그러나, 종래의 고전압 발생 장치의 경우, 단순히 고전압 발생만을 목적으로 고전압부의 안전을 고려하지 않고 설계됨에 따라, 먼지나 분진 등의 과부하 요인 발생 시 고전압부의 (+)단자나 (-)단자 간에 쇼트 현상이 일어날 경우 자체적으로 동작이 이루어지지 않아 화재 및 감전이 발생할 위험이 높다는 문제가 있다.
KR 10-2000-0055146 A KR 20-0248851 Y1
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 먼지나 분진 등의 이물질로 인해 고전압부에서 발생하는 이상 상태를 감지하여 이에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치와 이를 이용한 이상 상태 감지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치는, 소정의 입력전압을 공급받는 1차측 권선과 상기 1차측 권선에 인가된 전압을 기설정된 권선비에 따라 승압하여 출력하는 2차측 권선을 포함하는 트랜스포머부와, 상기 트랜스포머부의 2차측에 유도된 유도 기전력을 전압 체배하여 고전압으로 출력하는 체배 회로부와, 상기 체배 회로부에서 출력되는 출력 전압의 변동을 검출하여 피드백 신호를 발생하는 피드백 회로부와, 내부에 구비된 타이머 카운터에 의한 클럭 주기와 상기 피드백 신호에 기초하여 외부 스위치와 연결된 입력단의 이상 여부를 판단한 결과에 따라 상기 트랜스포머부의 구동을 위한 PWM 신호를 생성하여 출력하는 제어부와, 상기 PWM 신호에 기초한 소정의 구동 신호를 생성하여 상기 트랜스포머부로 출력하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 이상 상태 감지 방법은, 소정의 입력전압을 기설정된 권선비에 따라 승압하여 출력하는 트랜스포머부와, 외부 스위치에 입력단이 연결되되 내부에 구비된 타이머 카운터의 클럭 주기에 기초하여 상기 트랜스포머부의 구동을 위한 PWM 신호를 생성하는 제어부와, 상기 트랜스포머부의 2차측에 유도된 유도 기전력을 전압 체배하여 고전압으로 출력하는 체배 회로부와, 상기 체배 회로부에서 출력되는 출력 전압의 변동을 검출하여 피드백 신호를 발생하는 피드백 회로부를 포함하는 고전압 발생 장치를 이용한 이상 상태 감지 방법에 있어서, 상기 고전압 발생 장치에 소정의 입력전원이 공급되면 상기 타이머 카운터를 초기화시키는 제1 단계와, 상기 외부 스위치와 연결된 상기 제어부의 입력포트로 입력되는 상기 외부 스위치의 동작 상태에 따른 신호와 상기 클럭 주기를 기설정된 제1 기준 주기와 비교한 결과에 기초하여 상기 PWM 신호를 온 또는 오프 상태로 출력하는 제2 단계와, 상기 클럭 주기를 상기 제1 기준 주기와 상이한 기설정된 제2 기준 주기와 비교한 결과에 기초하여 상기 타이머 카운터의 초기화 여부를 결정하는 제3 단계와, 상기 클럭 주기가 기설정된 단위 주기에 도달하는 시점에서의 상기 피드백 신호에 기초한 피드백 전압 및 이의 변동에 기초하여 상기 피드백 신호를 수신하는 상기 제어부의 ADC 입력단의 이상 여부를 판단하는 제4 단계와, 상기 판단 결과 상기 ADC 입력단의 이상이 감지되는 경우, 상기 PWM 신호를 오프 상태로 출력하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고전압부의 출력단과 접지단에 먼지, 분진 등의 이물질이 유입되어 과전류나 단락과 같은 이상 상태가 발생할 경우 이를 신속하게 감지하여 이에 따른 출력 조절을 수행함으로써, 이상 상태로 인해 발생할 수 있는 화재 및 감전 등의 위험을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초기 구동 시 소정 시간 동안 정상 동작을 수행한 후에야 이상 상태 여부를 감지하도록 함으로써, 기기 자체의 고장이나 정전 또는 단순 방전 등으로 인한 구동 관련 문제와 구분하여 고전압부의 출력단에서 발생한 이상 상태만을 효과적으로 감지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치의 구성을 개략적을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치의 내부 회로 구성을 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 체배 회로부의 양의 출력단 및 음의 출력단에 각각 출력되는 출력 전압의 파형을 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 발생 장치가 정상 동작하는 경우와 이상 상태가 감지된 경우에 도 1의 제어부의 ADC 입력단으로 입력되는 피드백 전압의 파형을 각각 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지 방법을 나타낸 순서도이고,
도 6은 도 5에 도시된 제4 단계 및 제5 단계를 상세하게 나타낸 순서도이고,
도 7은 도 5에 도시된 제2 단계의 수행 결과 출력되는 PWM 신호의 파형을 나타낸 그래프이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치의 구성을 개략적을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치의 내부 회로 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 체배 회로부의 양의 출력단 및 음의 출력단에 각각 출력되는 전압의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 발생 장치가 정상 동작하는 경우와 이상 상태가 감지된 경우에 도 1의 제어부의 ADC 입력단으로 입력되는 피드백 전압의 파형을 각각 나타낸 그래프이다.
이하, 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 발생 장치는 크게 트랜스포머부(200), 체배 회로부(300), 피드백 회로부(400), 제어부(500) 및 구동부(100)를 포함하여 구성된다.
트랜스포머부(200)는 소정의 입력전압(Vcc)을 공급받는 1차측 권선과 상기 1차측 권선에 인가된 전압을 기설정된 권선비에 따라 승압하여 출력하는 2차측 권선을 포함한다.
이때, 입력전압(Vcc)은 12[V]의 직류 전압값을 기준으로 ±0.1[V]의 오차 범위 내에 해당하는 값일 수 있고, 입력전압(Vcc)에 기초한 입력 소비전류는 최대 35[mA]일 수 있다.
체배 회로부(300)는 트랜스포머부(200)의 2차측에 유도된 유도 기전력을 전압 체배하여 고전압으로 출력한다.
여기서, 체배 회로부(300)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 트랜스포머부(200)의 2차 권선의 일측과 음의 출력단자(HV-) 사이에 역방향으로 직렬 연결되는 제3 다이오드(HD1) 및 제4 다이오드(HD3)와, 일단은 트랜스포머부(200)의 2차 권선의 일측과 제3 다이오드(HD1) 사이에 연결되고 타단은 양의 출력단자(HV+)에 연결되는 제2 커패시터(HC2)와, 일단은 제3 다이오드(HD1) 및 제4 다이오드(HD3) 사이에 연결되고 타단은 트랜스포머부(200)의 2차 권선의 타측에 연결되는 제3 커패시터(HC1)와, 일단은 제2 커패시터(HC2)와 양의 출력단자(HV+) 사이에 연결되고 타단은 제3 커패시터(HC1)와 트랜스포머부(200)의 2차 권선의 타측에 연결되는 제5 다이오드(HD2)를 포함할 수 있다.
이 경우, 체배 회로부(300)는 '(+) 반파 배전압 회로'와 '(-) 반파 배전압 정류회로'가 함께 더해진 회로로 구성됨에 따라, 처음 '(-) 반주기'에 제3 다이오드(HD1), 제5 다이오드(HD2) 및 제4 다이오드(HD3)가 도통되고 제3 다이오드(HD1) 및 제5 다이오드(HD2)에 트랜스 2차 출력이 각각 충전된 후, 다음 '(+) 반주기'에 제3 다이오드(HD1) 및 제5 다이오드(HD2)가 오프(OFF)되어 충전전압과 트랜스 2차 출력이 더해져서 제4 다이오드(HD3)로 '(+) 방전'하면서 출력이 2체배가 되도록 동작할 수 있다.
이때, 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)로는 '4±0.5[kV]'의 전압이 출력되고, 체배 회로부(300)의 음의 출력단자(HV-)로는 '-4±0.5[kV]'의 전압이 출력될 수 있다.
또한, 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+) 및 음의 출력단자(HV-)로 각각 출력되는 출력 전압의 주파수는 100[Hz]로서, 상기 출력 전압이 온(ON) 상태일 때의 듀티비는 15[%]이고 오프(OFF) 상태일 때의 듀티비는 85[%]일 수 있다.
예컨대, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 양의 출력단자(HV+)에서는 출력 주파수가 100.19Hz이고 "+3.5kV"의 피크 전압을 가지는 제1 출력전압(51)이 출력되고, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 음의 출력단자(HV-)에서는 출력 주파수가 100.04Hz이고 "-4.06kV"의 피크 전압을 가지는 제2 출력전압(52)이 출력될 수 있다.
피드백 회로부(400)는 체배 회로부(300)에서 출력되는 출력 전압의 변동을 검출하여 피드백 신호를 발생한다.
여기서, 피드백 회로부(400)는, 체배 회로부(300)의 출력단과 제어부(500)의 입력단 사이에 배치되되, 체배 회로부(400)의 양의 출력단자(HV+) 또는 음의 출력단자(HV-) 중 어느 하나와 접지단자(GND) 사이에 연결되어 체배 회로부(300)의 양단으로부터 출력되는 고전압을 분압하는 적어도 하나의 저항 및 커패시터를 포함할 수 있다.
구체적으로, 피드백 회로부(400)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 일단이 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)에 연결되는 제1 저항(HR3)과, 일단이 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)에 역방향으로 연결되는 제1 다이오드(HD2)와, 일단은 제1 다이오드(HD2)의 타단에 연결되고 타단은 접지되는 제2 저항(HR2)과, 일단은 제1 저항(HR3)의 타단에 연결되고 타단은 접지되는 제3 저항(R11)과, 일단은 체배 회로부(300)의 출력 전압에 기초하여 발생된 피드백 신호를 수신하는 제어부(500)의 ADC(Analog-to-Ditigal Converter) 입력단(P07)에 연결되고 타단은 접지되는 제1 커패시터(C7)와, 제3 저항(R11)과 제1 커패시터(C7) 사이에 정방향으로 연결되는 제2 다이오드(D1)와, 일단은 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)과 제1 커패시터(C7) 사이에 연결되고 타단은 접지되는 제4 저항(R12)과, 일단이 외부 스위치(10)의 동작 상태에 따른 신호를 입력받는 제어부(500)의 입력포트(P06)에 연결되는 제5 저항(R5)과, 일단은 제5 저항(R5)에 연결되고 타단은 접지되는 제6 저항(R9)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 피드백 신호는 제1 저항(HR3)을 체배 회로부(300)의 양의 출력단(HV+)에 연결하는 배선 상의 분기점(X)에서의 전압(Vx)이 분기점(X)과 연결된 노드 상의 다수의 저항(HR3,R11,R12) 및 커패시터(C7)에 의해 분압된 후 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)으로 입력되는 피드백 전압에 기초한 것으로서, 후술할 제어부(50O)에서 상기 피드백 신호에 기초한 피드백 전압 및 이의 변동값을 이용하여 ADC 입력단(P07)의 이상 여부를 판단하게 된다.
이때, 제6 저항(R9)은 피드백 회로부(400)로부터 출력된 피드백 신호가 플로팅(floating) 상태인 경우에 '0V'로 입력받기 위한 것으로서, 예컨대, 100K의 저항값을 가질 수 있고, 제5 저항(R5)은 입력 포트 보호용 저항에 해당하는 것으로서, 예컨대, 20K의 저항값을 가질 수 있다.
또한, 제2 다이오드(D1)는 5V 이상의 과전압 입력 보호용 다이오드에 해당하는 것이고, 제1 커패시터(C7)는 노이즈 제거용 병렬 커패시터에 해당하는 것일 수 있다.
제어부(500)는 트랜스포머부(200)의 구동을 위한 소정의 PWM 신호를 생성하여 출력한다.
여기서, 제어부(500)는 내부에 구비된 타이머 카운터(Timer/Counter)에 의한 클럭 주기(Tc)와 피드백 회로부(400)에 의해 생성된 피드백 신호에 기초하여 외부 스위치(10)와 연결된 입력단(P06)의 이상 여부를 판단한 결과에 따라, 상기 판단 시점에 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태를 가지는 상기 PWM 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
구체적으로, 제어부(500)는 타이머 카운터(Timer/Counter)에 의한 클럭 주기(Tc)를 기설정된 서로 상이한 제1 단위 주기, 제2 단위 주기 및 제3 단위 주기마다 순차적으로 확인한 결과, 피드백 회로부(400)에 의해 발생되어 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)으로 입수신되는 피드백 신호에 기초한 피드백 전압(Vout)이 기설정된 최소 전압값(2.8V) 미만이거나 또는 상기 피드백 전압(Vout)의 변동값(｜Vr｜)이 기설정된 제1 임계변화값(0.05V) 또는 제2 임계변화값(0.10V) 이상으로 판단되면, 상기 판단 시점에 상기 PWM 신호를 오프(OFF) 상태로 출력할 수 있다.
이때, 상기 제2 단위 주기는 상기 제1 단위 주기보다 큰 값으로 설정되고 상기 제3 단위 주기는 상기 제2 단위 주기보다 큰 값으로 설정될 수 있으며, 예컨대, 상기 제1 단위 주기는 1ms이고, 상기 제2 단위 주기는 200ms이며, 상기 제3 단위 주기는 400ms일 수 있다.
여기서, 상기 최소 전압값은 본 발명에 따른 고전압 발생 장치가 정상 동작할 때, 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)에서 출력되는 '4±0.5[kV]'의 고전압(Vx)을 피드백 회로부(400)에 포함된 복수 개의 저항(HR3,R11,R12) 및 커패시터(C7)에 의해 분압한 결과 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)으로 입력되는 분배 전압(Vout)에 기초하여 설계된 값일 수 있고, 상기 제1 임계변화값 및 상기 제2 임계변화값은 소정 시점에서의 상기 분배 전압(Vout)의 변동값(｜Vr｜)에 기초하여 설계된 값일 수 있다.
예컨대, 상기 최소 전압값은 2.8V를 기준으로 오차범위 ±0.2V 내에 해당하는 값이고, 상기 제1 임계변화값은 0.05V이며, 상기 제2 임계변화값은 0.1V인 것이 바람직하다.
이때, 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)로는 '4±0.5[kV]'의 전압이 출력되고, 체배 회로부(300)의 음의 출력단자(HV-)로는 '-4±0.5[kV]'의 전압이 출력될 수 있다.
여기서, 제어부(500)는 복수 개의 핀(1~8)을 가지는 소정의 마이크로컨트롤러 유닛(CMOS single-chip 8-bit MCU with 12-bit A/D converter)으로 마련될 수 있으며, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전원 입력단에 해당하는 1번핀(VSS)에는 입력전압(Vcc)으로서 소정의 제1 전압(12V)이 인가되고, 리셋 입력단에 해당하는 2번핀(RESETB)에는 외부 RESET 신호가 입력되고, 스위치 입력단에 해당하는 3번핀(P06)에는 외부 스위치(10)로부터 출력된 온/오프 상태의 신호가 입력되고, ADC 입력단에 해당하는 4번핀(P07)에는 피드백 회로부(400)에 의해 발생된 피드백 신호에 기초한 피드백 전압이 아날로그-디지털 변환 입력되고, PWM 출력단에 해당하는 7번핀(P02/PWM1)은 제어부(500)에서 생성한 PWM 신호를 출력하고, 제2 전원 입력단에 해당하는 8번핀(VDD)에는 기설정된 상기 제1 전압(12V)보다 작은 제2 전압(5V)이 인가될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 발생 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 총 3개의 핀으로 구성되되 제1핀은 외부 스위치(SW)와 연결되고 제2핀은 제1 전압(12V)이 인가되며 제3핀은 접지(GND) 연결되는 제1 커넥터부(CN1)와, 총 4개의 핀을 구성되되 제4핀은 제2 전압(5V)이 인가되고 제3핀은 접지(GND) 연결되는 제2 커넥터부(CN2)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 커넥터부(CN1)의 제1핀(SW)은 제어부(500)의 3번핀(P06)에 연결되고, 제1 커넥터부(CN1)의 제2핀(12V)은 제어부(500)의 1번핀(VSS)에 연결되며, 제2 커넥터부(CN2)의 제4핀(5V)은 제어부(500)의 8번핀(VDD)에 연결될 수 있다.
한편, 제어부(500)는, 입력전원(Vcc)이 온(ON)되고 1.6V 이상에 도달하면 16ms 이후에 RESET 기능을 해제한 후 정상 동작을 수행하는 내부 리셋 동작(Internal RESET)과, 입력전원(Vcc)이 온(ON)되고 1.6V 이상에 도달한 후 약 7ms가 경과하여 외부 리셋(External RESET) 신호가 하이(HIGH) 상태가 되면 RESET 기능을 해제한 후 정상 동작을 수행하는 외부 리셋 동작(External RESET)을 수행할 수 있다.
이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(500)의 8번핀(VDD)과 2번핀(RESETB) 사이에 연결되는 제7 저항(R7)과, 일단은 제7 저항(R7)과 2번핀(RESETB) 사이에 연결되고 타단은 접지 연결되는 제4 커패시터(C5)로 구성되는 외부 리셋 회로를 더 포함할 수 있다.
구동부(100)는 제어부(500)로부터 출력된 PWM 신호에 기초한 소정의 구동 신호를 생성하여 트랜스포머부(200)로 출력한다.
여기서, 구동부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 트랜스포머부(200)의 1차 권선의 일측에 소정의 제1 전원(12V)이 인가될 때, 드레인 단자가 트랜스포머부(200)의 1차 권선의 타측에 연결되고 소스 단자가 접지 연결되는 제1 트랜지스터(Q1)와, 제1 트랜지스터(Q1)에 병렬 연결되는 제5 커패시터(C9)와, 게이트 단자가 제어부(500)의 PWM 출력단(P02/PWM1)에 연결되고 소스 단자가 접지 연결되는 제2 트랜지스터(Q2)와, 제2 트랜지스터(Q2)의 드레인 단자와 제1 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자 사이에 연결되는 제8 저항(R2)와, 일단은 제1 트랜지스터(Q1)의 소스 단자에 연결되고 타단은 제8 저항(R2)과 제2 트랜지스터(Q2)의 드레인 단자 사이에 연결되는 제9 저항(R3)을 포함할 수 있다.
이때, 제9 저항(R3)은 20K의 저항값을 가지고, 제5 커패시터(C9)는 6.8nF의 커패시터값을 가지는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6은 도 5에 도시된 제4 단계 및 제5 단계를 상세하게 나타낸 순서도이고, 도 7은 도 5에 도시된 제2 단계의 수행 결과 출력되는 PWM 신호의 파형을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지 방법은, 전술한 도 1 및 도 2에 기초하여, 소정의 입력전압(Vcc)을 기설정된 권선비에 따라 승압하여 출력하는 트랜스포머부(200)와, 외부 스위치(10)에 입력단이 연결되되 내부에 구비된 타이머 카운터(Timer/Counter)의 클럭 주기(Tc)에 기초하여 트랜스포머부(200)의 구동을 위한 PWM 신호를 생성하는 제어부(500)와, 트랜스포머부(200)의 2차측에 유도된 유도 기전력을 전압 체배하여 고전압으로 출력하는 체배 회로부(300)와, 체배 회로부(300)에서 출력되는 출력 전압의 변동을 검출하여 피드백 신호를 발생하는 피드백 회로부(400)를 포함하는 고전압 발생 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
여기서, 제어부(500)는 복수 개의 핀(1~8)을 가지는 소정의 마이크로컨트롤러 유닛(CMOS single-chip 8-bit MCU with 12-bit A/D converter)으로 마련될 수 있으며, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전원 입력단에 해당하는 1번핀(VSS)에는 소정의 제1 전압(12V)이 인가되고, 리셋 입력단에 해당하는 2번핀(RESETB)에는 외부 RESET 신호가 입력되고, 스위치 입력단에 해당하는 3번핀(P06)에는 외부 스위치(10)로부터 출력된 온/오프 상태의 신호가 입력되고, ADC 입력단에 해당하는 4번핀(P07)에는 피드백 회로부(400)로부터 출력된 피드백 신호가 아날로그-디지털 변환된 형태로 입력되고, PWM 출력단에 해당하는 7번핀(P02/PWM1)은 제어부(500)에서 생성한 PWM 신호를 출력하고, 제2 전원 입력단에 해당하는 8번핀(VDD)에는 상기 제1 전압(12V)보다 작은 제2 전압(5V)이 인가될 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7과 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 상태 감지 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 제1 단계로서, 제어부(500)의 제1 전원 입력단(VSS)에 입력전원(Vcc)으로 소정의 제1 전압(12V)이 인가되면 타이머 카운터(Timer/Counter)를 초기화시킨다(S100).
다음으로, 제2 단계로서, 외부 스위치(10)와 연결된 제어부(500)의 입력포트(P06)로 입력되는 외부 스위치(10)의 동작 상태에 따른 신호와 타이머 카운터(Timer/Counter)에 의한 클럭 주기(Tc)를 기설정된 제1 기준 주기와 비교한 결과에 기초하여 온(ON) 또는 오프(OFF) 중 어느 하나의 상태값을 가지는 PWM 신호를 출력한다(S200).
구체적으로, 상기 제2 단계(S200)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 외부 스위치(10)로부터 하이(HIGH) 상태의 신호가 수신되면 오프(OFF) 상태의 PWM 신호를 출력한 후 상기 제1 단계(S100)로 되돌아가는 단계(S220)와, 외부 스위치(10)로부터 로우(LOW) 상태의 신호가 수신되되 상기 클럭 주기(Tc)가 상기 제1 기준 주기 이상인 경우, 오프(OFF) 상태의 PWM 신호를 출력하는 단계(S240)와, 외부 스위치(10)로부터 로우(LOW) 상태의 신호가 수신되되 상기 클럭 주기(Tc)가 상기 제1 기준 주기 미만인 경우, 온(ON) 상태의 PWM 신호를 출력하는 단계(S250)를 포함할 수 있다.
여기서, 제어부(500)의 입력포트(P06)에는 외부 스위치(10)로부터 출력된 온/오프 상태의 신호가 입력될 수 있으며, 상기 제1 기준 주기는 2ms인 것이 바람직하다.
예컨대, 도 7을 참조하면, 제1 기준 주기가 "2ms"일 때, 외부 스위치(10)로부터 하이(HIGH) 상태의 신호가 수신되는 경우(S210;N) 또는 외부 스위치(10)로부터 로우(LOW) 상태의 신호가 수신되고 클럭 주기(Tc)가 2ms 이상인 경우(S230;N), 제어부(500)가 오프(OFF) 상태의 PWM 신호를 출력함에 따라, 출력 주파수가 28.6kHz(즉, 주기는 35us)이고 온 상태 구간(ON-time)이 '9.25us'인 도 7(a)에 도시된 바와 같은 PWM 신호 파형(61)을 출력할 수 있다(S220,S240).
또한, 외부 스위치(10)로부터 로우(LOW) 상태의 신호가 수신되고 클럭 주기(Tc)가 2ms 미만인 경우(S230;Y), 제어부(500)가 온(ON) 상태의 PWM 신호를 출력함에 따라, 출력 주파수가 100Hz(즉, 주기는 10ms)이고 온 상태 구간(ON-time)이 '1ms'인 도 7(b)에 도시된 바와 같은 PWM 신호 파형(62)을 출력할 수 있다(S250).
다음으로, 제3 단계로서, 상기 클럭 주기(Tc)를 상기 제1 기준 주기와 상이한 기설정된 제2 기준 주기와 비교한 결과에 기초하여 타이머 카운터(Timer/Counter)의 초기화 여부를 결정한다(S300).
여기서, 상기 제3 단계에서는, 상기 클럭 주기(Tc)가 상기 제2 기준 주기 이상이면 타이머 카운트(Timer/Counter)를 초기화시키고, 그렇지 않은 경우엔 바로 다음 단계로 진행할 수 있으며, 상기 제2 기준 주기는 10ms인 것이 바람직하다.
다음으로, 제4 단계로서, 상기 클럭 주기(Tc)가 기설정된 단위 주기에 도달하는 시점에서의 피드백 회로부(300)에 의해 발생된 피드백 신호에 기초한 피드백 전압(Vout) 및 이의 변동에 기초하여 상기 피드백 신호를 수신하는 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)의 이상 여부를 판단한다(S400).
구체적으로, 상기 제4 단계는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 클럭 주기(Tc)가 기설정된 제1 단위 주기의 소정 배수(T0)에 도달하는 시점(S410)에서의 상기 피드백 전압(Vout)이 기설정된 최소 전압값 미만인 경우이거나(S420), 또는 상기 클럭 주기(Tc)가 기설정된 상기 제1 단위 주기보다 큰 제2 단위 주기의 소정 배수(T1)에 도달하는 시점(S430)에서의 상기 피드백 전압(Vout)의 변동값(｜Vr｜)이 기설정된 제1 임계변화값 이상인 경우이거나(S440), 또는 상기 클럭 주기(Vc)가 기설정된 상기 제2 단위 주기보다 큰 제3 단위 주기의 소정 배수(T2)에 도달하는 시점(S450)에서의 상기 피드백 전압(Vout)의 변동값(｜Vr｜)이 기설정된 상기 제1 임계변화값과 상이한 제2 임계변화값 이상인 경우(S460)에 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)에 이상 상태가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이때, 상기 제1 단위 주기는 1ms이고, 상기 제2 단위 주기는 200ms이며, 상기 제3 단위 주기는 400ms인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 최소 전압값은 본 발명에 따른 고전압 발생 장치가 정상 동작할 때, 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)에서 출력되는 '4±0.5[kV]'의 고전압(Vx)을 피드백 회로부(400)에 포함된 복수 개의 저항(HR3,R11,R12) 및 커패시터(C7)에 의해 분압한 결과 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)으로 입력되는 분배 전압(Vout)에 기초하여 설계된 값일 수 있고, 상기 제1 임계변화값 및 상기 제2 임계변화값은 소정 시점에서의 상기 분배 전압(Vout)의 변동값(｜Vr｜)에 기초하여 설계된 값일 수 있다.
예컨대, 상기 최소 전압값은 2.8V를 기준으로 오차범위 ±0.2V 내에 해당하는 값이고, 상기 제1 임계변화값은 0.05V이며, 상기 제2 임계변화값은 0.1V인 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 발생 장치가 이상 상태가 감지된 경우에 도 1의 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)으로 입력되는 피드백 전압의 파형을 각각 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 4(a)는 고전압 발생 장치가 정상 동작하는 경우의 피드백 전압 파형(71)을 나타내고, 도 4(b)는 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)와 접지 단자(GND) 사이에 합선이 발생한 경우의 피드백 전압 파형(72)을 나타내고, 도 4(c)는 체배 회로부(300)의 음의 출력단자(HV-)와 접지 단자(GND) 사이에 합선이 발생한 경우의 피드백 전압 파형(73)을 나타내고, 도 4(d)는 체배 회로부(300)의 양의 출력단자(HV+)와 음의 출력단자(HV-) 사이에 합선이 발생한 경우의 피드백 전압 파형(74)을 나타낸다.
예컨대, 만약 기설정된 최소 전압값이 "2.8V"일 때, 고전압 발생 장치가 정상 동작 할 때의 피드백 전압값은 도 4(a)에 도시된 바와 같이 상기 최소 전압값인 "2.8V"보다 큰 "3.75V"를 나타내는 데 반해, 고전압 발생 장치의 양의 출력단자(HV+)와 접지 단자(GND) 사이에 합선이 발생한 경우의 피드백 전압값은 도 4(b)에 도시된 바와 같이 상기 최소 전압값인 "2.8V"보다 작은 "0.41V"를 나타냄에 따라 상기 S420 단계에 의해 이상 상태를 감지해낼 수 있다.
또한, 고전압 발생 장치의 음의 출력단자(HV-)와 접지 단자(GND) 사이에 합선이 발생한 경우의 피드백 전압값은 도 4(c)에 도시된 바와 같이 상기 최소 전압값인 "2.8V"보다 작은 "2.7V"를 나타냄에 따라 마찬가지로 상기 S420 단계에 의해 이상 상태를 감지해낼 수 있다.
또한, 고전압 발생 장치의 양의 출력단자(HV+)와 음의 출력단자(HV-) 사이에 합선이 발생한 경우의 피드백 전압값은 도 4(d)에 도시된 바와 같이 상기 최소 전압값인 "2.8V"보다 작은 "0.09V"를 나타냄에 따라 마찬가지로 상기 S420 단계에 의해 이상 상태를 감지해낼 수 있다.
다음으로, 제5 단계로서, 상기 제4 단계(S400)에 의한 판단 결과 제어부(500)의 ADC 입력단(P07)의 이상이 감지되는 경우, 제어부(500)에서 상기 PWM 신호를 오프(OFF) 상태로 출력한다(S500).
예컨대, 상기 S500 단계에 의해 ADC 입력단(P07)의 이상 상태가 감지되는 경우에도 전술한 S220 단계 및 S240 단계와 같이 제어부(500)가 오프(OFF) 상태의 PWM 신호를 출력함에 따라, 출력 주파수가 28.6kHz(즉, 주기는 35us)이고 온 상태 구간(ON-time)이 '9.25us'인 도 7(a)에 도시된 바와 같은 PWM 신호 파형(61)을 출력할 수 있다.
다음으로, 상기 S500 단계를 수행한 경우와 상기 클럭 주기(Tc)가 상기 제2 단위 주기와 상기 제3 단위 주기 중 적어도 어느 하나의 소정 배수에 해당하지 않는 경우에 상기 제2 단계(S200)로 복귀한다.
이에 따라, 전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고전압부의 출력단과 접지단에 먼지, 분진 등의 이물질이 유입되어 과전류나 단락과 같은 이상 상태가 발생할 경우 이를 신속하게 감지하여 이에 따른 출력 조절을 수행함으로써, 이상 상태로 인해 발생할 수 있는 화재 및 감전 등의 위험을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 초기 구동 시 소정 시간 동안 정상 동작을 수행한 후에야 이상 상태 여부를 감지하도록 함으로써, 기기 자체의 고장이나 정전 또는 단순 방전 등으로 인한 구동 관련 문제와 구분하여 고전압부의 출력단에서 발생한 이상 상태만을 효과적으로 감지할 수 있는 이점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
특히, 전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 강점을 다소 폭넓게 상술하였으므로, 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로써 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 상기에서 기술된 실시예는 본 발명에 따른 하나의 실시예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위에 속하는 것으로 전술한 본 발명의 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 구동부
200: 트랜스포머부
300: 체배 회로부
400: 피드백 회로부
500: 제어부

Claims (8)

  1. 소정의 입력전압을 공급받는 1차측 권선과 상기 1차측 권선에 인가된 전압을 기설정된 권선비에 따라 승압하여 출력하는 2차측 권선을 포함하는 트랜스포머부;
    상기 트랜스포머부의 2차측에 유도된 유도 기전력을 전압 체배하여 고전압으로 출력하는 체배 회로부;
    상기 체배 회로부에서 출력되는 출력 전압의 변동을 검출하여 피드백 신호를 발생하는 피드백 회로부;
    외부 스위치와 연결된 입력단의 이상 여부를 내부에 구비된 타이머 카운터에 의한 클럭 주기와 상기 피드백 신호에 기초하여 판단한 결과에 따라 상기 트랜스포머부의 구동을 위한 PWM 신호를 생성하여 출력하는 제어부; 및
    상기 PWM 신호에 기초한 소정의 구동 신호를 생성하여 상기 트랜스포머부로 출력하는 구동부;를 포함하고,
    상기 피드백 회로부는,
    상기 체배 회로부의 출력단과 상기 제어부의 입력단 사이에 배치되되, 상기 체배 회로부의 양의 출력단자 또는 음의 출력단자 중 어느 하나와 접지단자 사이에 연결되어 상기 체배 회로부의 양단으로부터 출력되는 고전압을 분압하는 적어도 하나의 저항 및 커패시터를 포함하는 것으로,
    일단이 상기 체배 회로부의 양의 출력단자에 연결되는 제1 저항(HR3), 일단이 상기 체배 회로부의 양의 출력단자에 역방향으로 연결되는 제1 다이오드(HD2), 일단은 상기 제1 다이오드의 타단에 연결되고 타단은 접지되는 제2 저항(HR2), 일단은 상기 제1 저항의 타단에 연결되고 타단은 접지되는 제3 저항(R11), 일단은 상기 출력 전압에 기초하여 발생된 피드백 신호를 수신하는 상기 제어부의 ADC 입력단에 연결되고 타단은 접지되는 제1 커패시터(C7), 상기 제3 저항과 상기 제1 커패시터 사이에 정방향으로 연결되는 제2 다이오드(D1), 일단은 상기 ADC 입력단과 상기 제1 커패시터 사이에 연결되고 타단은 접지되는 제4 저항(R12), 일단이 상기 외부 스위치의 동작 상태에 따른 신호를 입력받는 상기 제어부의 입력포트에 연결되는 제5 저항(R5) 및 일단은 상기 제5 저항에 연결되고 타단은 접지되는 제6 저항(R9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 클럭 주기를 기설정된 서로 상이한 제1 단위 주기, 제2 단위 주기 및 제3 단위 주기마다 순차적으로 확인한 결과, 상기 피드백 신호에 기초한 피드백 전압이 기설정된 최소 전압값 미만이거나 또는 상기 피드백 전압의 변동값이 기설정된 제1 임계변화값 또는 제2 임계변화값 이상으로 판단되면, 상기 판단 시점에 상기 PWM 신호를 오프 상태로 출력하는 것을 특징으로 하는 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 체배 회로부는,
    상기 트랜스포머부의 2차 권선의 일측과 음의 출력단자 사이에 역방향으로 직렬 연결되는 제3 다이오드(HD1) 및 제4 다이오드(HD3);
    일단은 상기 트랜스포머부의 2차 권선의 일측과 상기 제3 다이오드 사이에 연결되고 타단은 양의 출력단자에 연결되는 제2 커패시터(HC2);
    일단은 상기 제3 다이오드 및 상기 제4 다이오드 사이에 연결되고 타단은 상기 트랜스포머부의 2차 권선의 타측에 연결되는 제3 커패시터(HC1); 및
    일단은 상기 제2 커패시터와 양의 출력단자 사이에 연결되고 타단은 상기 제3 커패시터와 상기 트랜스포머부의 2차 권선의 타측에 연결되는 제5 다이오드(HD2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치.
  6. 소정의 입력전압을 기설정된 권선비에 따라 승압하여 출력하는 트랜스포머부와, 외부 스위치에 입력단이 연결되되 내부에 구비된 타이머 카운터의 클럭 주기에 기초하여 상기 트랜스포머부의 구동을 위한 PWM 신호를 생성하는 제어부와, 상기 트랜스포머부의 2차측에 유도된 유도 기전력을 전압 체배하여 고전압으로 출력하는 체배 회로부와, 상기 체배 회로부에서 출력되는 출력 전압의 변동을 검출하여 피드백 신호를 발생하는 피드백 회로부를 포함하는 고전압 발생 장치를 이용한 이상 상태 감지 방법에 있어서,
    상기 제어부의 전원 입력단에 소정의 입력전원이 공급되면 상기 타이머 카운터를 초기화시키는 제1 단계;
    상기 외부 스위치와 연결된 상기 제어부의 입력포트로 입력되는 상기 외부 스위치의 동작 상태에 따른 신호와 상기 클럭 주기를 기설정된 제1 기준 주기와 비교한 결과에 기초하여 상기 PWM 신호를 온 또는 오프 상태로 출력하는 제2 단계;
    상기 클럭 주기를 상기 제1 기준 주기와 상이한 기설정된 제2 기준 주기와 비교한 결과에 기초하여 상기 타이머 카운터의 초기화 여부를 결정하는 제3 단계; 및
    상기 클럭 주기가 기설정된 단위 주기에 도달하는 시점에서의 상기 피드백 신호에 기초한 피드백 전압 및 이의 변동에 기초하여 상기 피드백 신호를 수신하는 상기 제어부의 ADC 입력단의 이상 여부를 판단하는 제4 단계; 및
    상기 판단 결과 상기 ADC 입력단의 이상이 감지되는 경우, 상기 PWM 신호를 오프 상태로 출력하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이상 상태 감지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제4 단계는,
    상기 클럭 주기가 기설정된 제1 단위 주기의 소정 배수에 도달하는 시점에서의 상기 피드백 전압이 기설정된 최소 전압값 미만인 경우이거나, 또는 상기 클럭 주기가 기설정된 상기 제1 단위 주기보다 큰 제2 단위 주기의 소정 배수에 도달하는 시점에서의 상기 피드백 전압의 변동값이 기설정된 제1 임계변화값 이상인 경우이거나, 또는 상기 클럭 주기가 기설정된 상기 제2 단위 주기보다 큰 제3 단위 주기의 소정 배수에 도달하는 시점에서의 상기 피드백 전압의 변동값이 기설정된 상기 제1 임계변화값과 상이한 제2 임계변화값 이상인 경우에 상기 제어부의 ADC 입력단에 이상 상태가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하는 이상 상태 감지 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 외부 스위치로부터 하이 상태의 신호가 수신되면 상기 PWM 신호를 오프 상태로 출력한 후 상기 제1 단계로 되돌아가는 단계;
    상기 외부 스위치로부터 로우 상태의 신호가 수신되되 상기 클럭 주기가 상기 제1 기준 주기 이상인 경우, 상기 PWM 신호를 오프 상태로 출력하는 단계; 및
    상기 외부 스위치로부터 로우 상태의 신호가 수신되되 상기 클럭 주기가 상기 제1 기준 주기 미만인 경우, 상기 PWM 신호를 온 상태로 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이상 상태 감지 방법.
KR1020190000785A 2019-01-03 2019-01-03 이상 상태 감지에 따른 출력 조절이 가능한 고전압 발생 장치 및 이를 이용한 이상 상태 감지 방법 KR102121202B1 (ko)

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