KR102634159B1 - 전압 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치는 직류 전압을 공급하는 전원부, 상기 직류 전압을 인가받으며, 복수의 스위칭 소자가 온오프 동작을 반복하여 상기 직류 전압 인가시 발생하는 돌입 전류를 제어하는 제1 제어부, 상기 돌입 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면 상기 제1 제어부의 스위칭 소자를 턴오프시키는 제2 제어부, 그리고 상기 돌입 전류가 제어된 직류 전압을 입력받아 부하단으로 출력 전압을 출력하되, 상기 출력 전압의 크기를 상기 돌입 전류가 제어된 직류 전압의 크기에 도달할때까지 일정 시간 동안 상승시키는 지연 출력부를 포함한다.

Description

전압 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING VOLTAGE}
실시 예는 전기 자동차 충전을 위한 전압 제어 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 자동차의 구동 에너지를 화석 연료의 연소가 아닌 전기에너지로부터 얻는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 배기가스가 전혀 없고, 소음이 매우 적어, 무공해 친환경적인 점이라는 이유로 관심이 높아지고 있다.
이러한 전기 자동차는 차량에 내장된 배터리를 통해 모터를 구동하게 된다. 이때, 배터리는 모터뿐만 아니라 전기자동차의 통신 컨트롤러(Communication Controller of Electric Vehicle, EVCC)에서 필요로 하는 전력 또한 공급하게 된다. 구체적으로, 전기 자동차는 배터리를 입력으로 하는 전원 장치(power supply)를 통해 EVCC에 전력을 공급한다.
배터리 충전 시, 배터리 충전을 제어하기 위하여, 전기 자동차는 주로 컨텍터(contactor)를 이용한다. 상세하게는 컨텍터는 솔레노이드 코일의 동작 기법을 통해 전류 인가 시 형성되는 자기장을 이용하여 스위치를 연결시킴으로써 배터리 충전을 제어한다.
하지만, 모든 컨텍터는 초기 동작 시 돌입 전류가 발생하게 된다. 그 결과, 고전류의 돌입 전류로 인하여 전기 자동차의 부품이 파손되거나, 출력 전압이 낮아지게 되어 안정적인 출력 전압 공급에 문제가 발생한다.
돌입 전류의 제어와 안정적인 출력 전압 공급을 위하여, 컨텍터를 제어하기 위한 전용 IC 장치나 MCU 장치를 이용하기도 하지만, 이를 이용하기 위한 회로의 구성이 복잡해지고 제품 생산에 비용이 증가하는 문제점이 발생하고 있다.
실시 예는 컨텍터의 초기 동작시 발생하는 돌입 전류를 제어할 수 있는 전압 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시 예는 컨텍터의 초기 동작시 발생하는 돌입 전류에 의해 출력 전압이 낮아지는 현상을 방지하여 안정적인 출력 전압을 공급하는 전압 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치는 직류 전압을 공급하는 전원부, 상기 직류 전압을 인가받으며, 복수의 스위칭 소자가 온오프 동작을 반복하여 상기 직류 전압 인가시 발생하는 돌입 전류를 제어하는 제1 제어부, 상기 돌입 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면 상기 제1 제어부의 스위칭 소자를 턴오프시키는 제2 제어부, 그리고 상기 돌입 전류가 제어된 직류 전압을 입력받아 부하단으로 출력 전압을 출력하되, 상기 출력 전압의 크기를 상기 돌입 전류가 제어된 직류 전압의 크기에 도달할때까지 일정 시간 동안 상승시키는 지연 출력부를 포함한다.
상기 제1 제어부를 최초 구동시키는 구동 전압을 공급하는 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 제어부는, 상기 구동 전압을 입력받으면 상기 복수의 스위칭 소자를 턴온시키고, 상기 제2 제어부로부터 접지 전원을 입력받으면 상기 복수의 스위칭 소자를 턴오프시켜 상기 돌입 전류를 제어할 수 있다.
상기 제2 제어부는, 상기 돌입 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면, 접지 전원을 상기 제1 제어부에 인가하여 상기 제1 제어부의 복수의 스위칭 소자를 턴오프시킬 수 있다.
상기 지연 출력부는, 기 설정된 시정수에 따라 기 설정된 전하량이 충전되면 스위칭 소자를 턴온시켜, 상기 돌입 전류가 제어된 직류 전압의 크기에 도달할 때까지 출력 전압의 크기를 상기 시정수에 따라 상승시킬 수 있다.
상기 제1 제어부 및 상기 지연 출력부 중 적어도 하나의 동작 중 발생하는 노이즈 신호를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 제어부는, 제1단이 상기 전원부의 양의 단자와 연결되는 제1 스위칭 소자, 제1단이 상기 제1 스위칭 소자의 제2단에 연결되는 제1 저항 소자, 제1단이 상기 제1 스위칭 소자의 제3단에 연결되는 제2 저항 소자, 제1단이 상기 제2 저항 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결되는 제3저항 소자, 제1단이 상기 제2 저항 소자의 제1단에 연결되고, 제2단이 상기 제1 저항 소자의 제2단에 연결되며, 제3단이 상기 제2 저항 소자의 제2단에 연결되는 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 제2 제어부는, 제1단이 상기 제1 제어부에 연결되는 제4 저항 소자, 제1단이 상기 제4저항 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결되는 제5 저항 소자, 그리고 제1단이 상기 접지 단자에 연결되고, 제2단이 상기 제1 제어부에 연결되고, 제3단이 상기 제4 저항 소자의 제2단에 연결되는 레귤레이터 소자를 포함할 수 있다.
상기 지연 출력부는, 제1단이 상기 제1 제어부와 연결되는 제6 저항 소자, 제1단이 상기 제6 저항 소자의 제2단과 연결되고, 제2단이 접지 단자와 연결되는 제7 저항 소자, 제1단이 상기 제6 저항 소자의 제2단과 연결되는 제8 저항 소자, 제1단이 상기 제8 저항 소자의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 접지 단자와 연결되는 제1 캐패시터, 제1단이 상기 제6 저항 소자의 제1단과 연결되는 제9 저항 소자, 제1단이 상기 제9 저항 소자의 제2단과 연결되는 제10 저항 소자, 제1단이 상기 제10 저항 소자의 제2단과 연결되고, 제3단이 상기 제8 저항 소자의 제2단과 연결되는 제3 스위칭 소자, 제1단이 상기 제3 스위칭 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자와 연결되는 제11 저항 소자, 그리고 제1단이 상기 제9 저항 소자의 제1단에 연결되고, 제2단이 상기 제11 저항 소자의 제1단에 연결되고, 제3단이 상기 제9 저항 소자의 제2단에 연결되는 제4 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 구동부는, 제1단이 상기 전원부에 연결되는 제12 저항 소자, 제1단이 상기 제12 저항 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결되는 제13 저항 소자, 제1단이 상기 제12 저항 소자의 제1단 및 상기 제1 제어부에 연결되는 제14 저항 소자, 그리고 제1단이 상기 제1 제어부에 연결되고, 제2단이 상기 제14 저항 소자의 제2단에 연결되고, 제3단이 상기 제12 저항 소자의 제2단에 연결되는 제5 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 제12 저항 소자는, 적어도 하나의 다이오드 소자를 포함할 수 있다.
노이즈 제거부는, 상기 제1 제어부 및 상기 지연 출력부 사이에 배치되는 제2 캐패시터 및 상기 지연 출력부에 배치되는 제3 캐패시터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 컨텍터의 초기 동작시 발생하는 돌입 전류를 제어하여 돌입 전류에 의한 회로 파손을 방지할 수 있으며, 부품의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
실시 예는 컨텍터의 초기 동작시 발생하는 돌입 전류에 의해 출력 전압이 낮아지는 현상을 방지하여 안정적인 출력 전압을 공급할 수 있다.
실시 예는 컨텍터를 제어하기 위한 전용 IC(intergrated circuit)나 MCU(micro controller unit)가 요구되지 않으므로 제품 제조 비용을 절감할 수 있다.
실시 예는 기능 블록 단위로 회로 설계가 가능하므로 컨텍터의 종류나 사양 등에 따른 회로 변경 설계가 용이하다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전압 제어 장치의 회로도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 전압 제어 장치의 회로도이다.
도 4는 제3 실시예에 따른 전압 제어 장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치의 출력 전압 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치(100)는 전기 자동차의 배터리 충전을 제어하는데 이용되는 직류 콘택터(DC Contactor)의 초기 동작시 발생하는 돌입 전류를 제거하여 전압을 안정적으로 출력하기 위한 장치이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압 제어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치(100)는 전원부(110), 제1 제어부(120), 제2 제어부(130) 및 지연 출력부(140) 및 구동부(150)를 포함할 수 있다.
우선, 전원부(110)는 직류 전압을 공급한다.
일 실시예에 따르면, 전원부(110)는 PFC 부스트 컨버터(Power Factor Correction boost converter)일 수 있다. 예를 들어, 전원부(110)가 PFC 부스트 컨버터일 경우, 전원부(110)는 전력 계통으로부터 공급받은 220[V] 크기의 교류 전압을 브릿지 다이오드(bridge diode) 회로를 통해 전파 정류한 후, 역률(power factor)를 높임으로써 승압된 16[V] 크기의 직류 전압을 공급할 수 있다.
위에서 설명한 PFC 부스트 컨버터는 전원부(110)의 일 실시예에 불과하며, 전원부(110)는 직류 전압을 공급하는 다양한 구조로 구현될 수 있다.
다음으로, 제1 제어부(120)는 직류 전압을 인가받으며, 복수의 스위칭 소자가 온오프(on-off) 동작을 반복하여 직류 전압 인가시 발생하는 돌입 전류를 제어한다. 돌입 전류(rush current)란 전기기기의 전원을 켤 때, 일시적으로 흐르는 최대 순간 압력 전류, 즉 과도 전류를 의미한다. 돌입 전류는 전류 서지 입력(input surge current) 또는 스위치 온 서지(switch-on surge)와 동일한 의미일 수 있다.
구체적으로, 제1 제어부(120)는 구동 전압을 입력받으면 복수의 스위칭 소자를 턴온(turn on)시키고, 제2 제어부(130)로부터 접지 전원을 인가받으면 복수의 스위칭 소자를 턴오프(turn off) 시켜 돌입 전류를 제어할 수 있다.
예를 들어, 구동부(150)로부터 구동 전압을 입력받으면, 제1 제어부(120)는 구동 전압을 이용하여 복수의 스위칭 소자에 스위칭 소자를 턴온 시키는 스위칭 전류를 공급한다. 그리고 턴온 된 복수의 스위칭 소자에 의해 직류 전압에 따른 전류가 흐름으로써 지연 출력부(140)에 직류 전압을 공급할 수 있다.
반면, 제2 제어부(130)로부터 접지 전원을 입력받으면, 제1 제어부(120)는 구동 전압의 공급이 끊기게 된다. 이에 따라, 복수의 스위칭 소자를 턴온 시키는 스위칭 전류의 공급이 차단된다. 따라서, 복수의 스위칭 소자는 턴오프되고, 지연 출력부(140)로의 직류 전압 공급이 중단된다.
즉, 제1 제어부(120)는 직류 전압 인가에 따라 돌입 전류가 발생하면, 제2 제어부(130)로부터 접지 전원을 공급받아 복수의 스위칭 소자를 턴오프 시킴으로써 돌입 전류의 흐름을 제어할 수 있다.
다음으로, 제2 제어부(130)는 감지된 돌입 전류의 크기를 이용하여 돌입 전류를 제어하는 제1 제어부(120)의 동작을 제어하는 구성이다. 제2 제어부(130)는 돌입 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면 제1 제어부(120)의 스위칭 소자를 턴오프시킨다.
구체적으로, 제2 제어부(130)는 돌입 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면, 접지 전원을 제1 제어부(120)에 인가하여 제1 제어부(120)의 복수의 스위칭 소자를 턴오프 시킬 수 있다.
다음으로, 지연 출력부(140)는 돌입 전류가 제어된 직류 전압을 입력받아 부하단(200)으로 출력 전압을 출력한다. 이때, 지연 출력부(140)는 돌입 전류가 제어된 직류 전압의 크기에 도달할 때까지 출력 전압의 크기를 일정 시간 동안 상승시킨다.
구체적으로, 기 설정된 시정수에 따라 기 설정된 전하량이 충전되면, 지연 출력부(140)는 돌입 전류가 제어된 직류 전압의 크기에 도달할 때까지 출력 전압의 크기를 기 설정된 시정수에 따라 상승시킬 수 있다.
한편, 돌입 전류가 제어된 직류 전압은 제1 제어부(120)를 거침으로써 전압 강하될 수 있다. 따라서, 돌입 전류가 제어된 직류 전압은 전원부(110)가 공급하는 직류 전압의 크기보다 작을 수 있다.
다음으로, 구동부(150)는 제1 제어부(120)를 최초 구동시키는 구동 전압을 공급한다. 이때, 구동 전압은 전원부(110)로부터 공급받은 직류 전압을 이용하여 구동 전압을 생성할 수 있다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전압 제어 장치의 회로도이다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치(100)가 포함하는 각 구성의 회로도와 그 동작을 구체적으로 살펴보도록 한다.
우선, 도 2를 참조하여 구동부(150)의 회로 구성을 살펴본다. 구동부(150)는 제12 저항 소자(R12), 제13 저항 소자(R13), 제14 저항 소자(R14) 및 제5 스위칭 소자(SW5)를 포함한다.
제12 저항 소자(R12)는 제1단이 전원부(110)에 연결된다. 구체적으로, 제12 저항 소자(R12)의 제1단은 전원부(110)의 양(+)의 단자에 연결된다. 제12 저항 소자(R12)의 제1단은 제14 저항 소자(R14)의 제1단 및 제1 스위칭 소자(SW1)에 연결된다.
제13 저항 소자(R13)는 제1단이 제12 저항 소자(R12)의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결된다. 접지 단자란 접지 전원과 연결되는 단자를 의미할 수 있다.
제14 저항 소자(R14)는 제1단이 제12 저항 소자(R12)의 제1단 및 제1 제어부(120)에 연결된다.
제5 스위칭 소자(SW5)는 제1단이 제1 제어부(120)에 연결되고, 제2단이 제14 저항 소자(R14)의 제2단에 연결되고, 제3단이 제12 저항 소자(R12)의 제2단에 연결된다. 이때, 제5 스위칭 소자(SW5)는 BJT(Bipolar junction transistor) 소자일 수 있으며, PNP형 BJT 소자일 수 있다. 이 경우, 제1단은 컬렉터(collector) 단자, 제2단은 에미터(emitter) 단자, 제3단은 베이스(base) 단자일 수 있다.
도 2를 참조하여, 구동부(150)의 회로 동작을 살펴본다.
전원부(110)로부터 공급되는 입력 전압은 제12 저항 소자(R12) 및 제13 저항 소자(R13)에 의해 전압 분배되며, 분배된 전압이 제3단에 인가됨으로써 제5 스위칭 소자(SW5)에 전류가 공급된다.
제5 스위칭 소자(SW5)의 제3단에 공급된 전류에 의해 제5 스위칭 소자(SW5)가 턴온되면, 제5 스위칭 소자(SW5)의 제1단과 제2단 사이의 전류가 흐르게 된다. 즉, 에미터 단자에서 컬렉터 단자로 전류가 흐르게 된다. 제5 스위칭 소자(SW5)의 제1단에 흐르는 전류는 제2단과 제3단에 흐르는 전류를 합산한 값과 동일할 수 있으며, 제1단에 흐르는 전류는 제1 제어부(120)에 공급된다.
다음으로, 도 2를 참조하여 제1 제어부(120)의 회로 구성을 살펴본다. 제1 제어부(120)는 제1 스위칭 소자(SW1), 제1 저항 소자(R1), 제2 저항 소자(R2), 제3 저항 소자(R3) 및 제2 스위칭 소자(SW2)를 포함한다.
제1 스위칭 소자(SW1)는 제1단이 전원부(110)에 연결된다. 구체적으로, 제1 스위칭 소자(SW1)의 제1단은 전원부(110)의 양의 단자에 연결된다. 이때, 제1 스위칭 소자(SW1)는 BJT 소자일 수 있으며, NPN형 BJT 소자일 수 있다. 이 경우, 제1단은 컬렉터 단자, 제2단은 에미터 단자, 제3단은 베이스 단자일 수 있다.
제1 저항 소자(R1)는 제1단이 제1 스위칭 소자(SW1)의 제2단에 연결된다.
제2 저항 소자(R2)는 제1단이 제1 스위칭 소자(SW1)의 제3단에 연결된다.
제3 저항 소자(R3)는 제1단이 제2 저항 소자(R2)의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결된다.
제2 스위칭 소자(SW2)는 제1단이 제2 저항 소자(R2)의 제1단에 연결되고, 제2단이 제1 저항 소자(R1)의 제2단에 연결되며, 제3단이 제2 저항 소자(R2)의 제2단에 연결된다. 이때, 제2 스위칭 소자(SW2)는 BJT 소자일 수 있으며, NPN형 BJT 소자일 수 있다. 이 경우, 제1단은 컬렉터 단자, 제2단은 에미터 단자, 제3단은 베이스 단자일 수 있다.
도 2를 참조하여, 제1 제어부(120)의 회로 동작을 살펴본다.
구동부(150)로부터 구동 전압이 인가되면, 제1 스위칭 소자(SW1)와 제2 스위칭 소자(SW2)의 제3단에 전류가 공급된다. 그러면, 제1 스위칭 소자(SW1)와 제2 스위칭 소자(SW2)는 턴온된다. 이때, 제1 스위칭 소자(SW1)의 제3단에 인가되는 전압은 제5 스위칭 단자의 제1단의 전압, 즉 구동 전압과 동일하고, 제2 스위칭 소자(SW2)의 제3단에 인가되는 전압은 제2 저항 소자(R2)와 제3 저항 소자(R3)의 전압 분배에 따라 제3 저항 소자(R3)에 걸리는 전압과 동일하다.
제1 스위칭 소자(SW1)의 제2단에 형성된 전압은 제2 제어부(130)에 인가된다. 여기서, 제1 스위칭 소자(SW1)의 제2단에 형성된 전압은 전원부(110)로부터 인가되는 직류 전압에서 제1 저항 소자(R1)를 통해 강하된 전압만큼의 크기를 가진다. 예를 들어, 직류 전압이 16[V]인 경우 제1 저항 소자(R1)에 의한 전압 강하로 인해, 제1 저항 소자(R1)의 제2단에는 12[V]의 전압이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 제2 제어부(130)의 회로 구성을 살펴본다. 제2 제어부(130)는 제4 저항 소자(R4), 제5 저항 소자(R5) 및 레귤레이터 소자(U1)를 포함한다.
제4 저항 소자(R4)는 제1단이 제1 제어부(120)에 연결된다. 구체적으로 제4 저항 소자(R4)의 제1단은 제1 저항 소자(R1)의 제2단과 연결된다.
제5 저항 소자(R5)는 제1단이 제4저항 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결된다.
레귤레이터 소자(U1)는 제1단이 접지 단자에 연결되고, 제2단이 제1 제어부(120)에 연결되고, 제3단이 제4 저항 소자(R4)의 제2단에 연결된다. 구체적으로 레귤레이터 소자(U1)의 제2단은 제2 저항 소자(R2)의 제1단에 연결된다. 이때, 레귤레이터 소자(U1)는 일정 크기 이상의 전압이 레퍼런스(reference) 단자에 인가되면 애노드(anode) 단자와 캐소드(cathode) 단자가 도통되는 TL431 소자와 같은 프로그래머블 레귤레이터(programmable regulator) 소자일 수 있다. 이 경우, 제1단은 애노드 단자, 제2단은 캐소드 단자, 제3단은 레퍼런스 단자일 수 있다.
도 2를 참조하여 제2 제어부(130)의 회로 동작을 살펴본다.
레귤레이터 소자(U1)의 제3단에는 제4 저항 소자(R4)와 제5 저항 소자(R5)의 전압분배에 따른 전압이 인가되는데, 돌입 전류가 발생하지 않는 경우에는 레귤레이터 소자(U1)의 기준값을 넘지 않는다. 따라서, 레귤레이터 소자(U1)는 개방 상태를 유지하며, 제1 제어부(120)에는 영향을 미치지 않는다.
하지만, 돌입 전류가 발생하여 레귤레이터 소자(U1)의 제3단에 인가되는 전압 크기가 기준값을 넘게되면 레귤레이터 소자(U1)는 도통 상태로 변경된다. 그러면, 레귤레이터 소자(U1)의 제1단에 인가된 접지 전압이 제1 스위칭 소자(SW1)의 제3단 및 제2 스위칭 소자(SW2)의 제3단에 인가된다. 이로 인해, 제1 스위칭 소자(SW1) 및 제2 스위칭 소자(SW2)는 턴오프되며, 제1 제어부(120)는 지연 출력부(140)로의 전압 공급을 차단한다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 지연 출력부(140)의 회로 구성을 살펴본다. 지연 출력부(140)는, 제6 저항 소자(R6), 제7 저항 소자(R7), 제8 저항 소자(R8), 제1 캐패시터(C1), 제9 저항 소자(R9), 제10 저항 소자(R10), 제3 스위칭 소자(SW3), 제11 저항 소자(R11), 제4 스위칭 소자(SW4)를 포함한다.
제6 저항 소자(R6)는 제1단이 제1 제어부(120)와 연결된다. 구체적으로, 제6 저항 소자(R6)의 제1단은 제1 저항 소자(R1)의 제2단 및 제4 저항 소자(R4)의 제1단과 연결된다.
제7 저항 소자(R7)는 제1단이 제6 저항 소자(R6)의 제2단과 연결되고, 제2단이 접지 단자와 연결된다.
제8 저항 소자(R8)는 제1단이 제6 저항 소자(R6)의 제2단과 연결된다.
제1 캐패시터(C1)는 제1단이 제8 저항 소자(R8)의 제2단과 연결되고, 제2단이 접지 단자와 연결된다.
제9 저항 소자(R9)는 제1단이 제6 저항 소자(R6)의 제1단과 연결된다.
제10 저항 소자(R10)는 제1단이 제9 저항 소자(R9)의 제2단과 연결된다.
제3 스위칭 소자(SW3)는 제1단이 상기 제10 저항 소자(R10)의 제2단과 연결되고, 제3단이 제8 저항 소자(R8)의 제2단과 연결된다. 이때, 제3 스위칭 소자(SW3)는 BJT 소자일 수 있으며, NPN형 BJT 소자일 수 있다. 이 경우, 제1단은 컬렉터 단자, 제2단은 에미터 단자, 제3단은 베이스 단자일 수 있다.
제11 저항 소자(R11)는 제1단이 제3 스위칭 소자(SW3)의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자와 연결된다.
제4 스위칭 소자(SW4)는 제1단이 제9 저항 소자(R9)의 제1단에 연결되고, 제2단이 제11 저항 소자(R11)의 제1단 및 부하단(200)에 연결되고, 제3단이 제9 저항 소자(R9)의 제2단에 연결된다. 이때, 제4 스위칭 소자(SW4)는 FET(Field Effect Transistor) 소자일 수 있으며, P 채널 증가형 MOSFET(P channel enhancement-type Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 소자일 수 있다. 이 경우, 제1단은 소스(source) 단자, 제2단은 드레인(drain) 단자, 제3단은 게이트(gate) 단자일 수 있다.
도 2를 참조하여 지연 출력부(140)의 회로 동작을 살펴본다.
제1 제어부(120)로부터 직류 전압이 인가되면, 제1 캐패시터(C1)에 전하가 시정수에 따라 서서히 충전된다. 제1 캐패시터(C1)에 일정량 이상의 전하가 충전되기 전까지, 제3 스위칭 소자(SW3) 및 제4 스위칭 소자(SW4)는 개방 상태(즉, 턴오프 상태)에 있으므로 부하단(200)에는 출력 전압이 공급되지 않는다.
이후, 제1 캐패시터(C1)에 일정량 이상의 전하가 충전되어 제3 스위칭 소자(SW3)의 제3 단자에 기준값 이상의 전류가 공급되면, 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴온된다.
그러면, 제9 저항 소자(R9), 제10 저항 소자(R10) 및 제11 저항 소자(R11)의 전압 분배에 따라 제4 스위칭 소자(SW4)에 전압이 인가되어 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴온되며, 부하단(200)에 전압이 공급된다.
부하단(200)에 전압 공급이 시작되더라도 제1 캐패시터(C1)는 최대 전하 충전량에 도달할 때까지 전하 충전을 계속하게 되므로, 부하단(200)에 공급되는 출력 전압의 크기는 제1 캐패시터(C1)에 최대 전하가 충전될 때까지 시정수에 따라 서서히 증가하게 된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압 제어 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치(100)는 도 1에서와 같이, 전원부(110), 제1 제어부(120), 제2 제어부(130) 및 지연 출력부(140) 및 구동부(150)를 더 포함하며, 노이즈 제거부(160)를 더 포함할 수 있다.
전원부(110), 제1 제어부(120), 제2 제어부(130) 및 지연 출력부(140) 및 구동부(150)에 대한 내용은 앞서 도 1을 참조하여 설명한 내용과 동일한 바 상세한 설명은 생략하도록 한다.
노이즈 제거부(160)는 제1 제어부(120) 및 지연 출력부(140) 중 적어도 하나의 동작 중 발생하는 노이즈 신호를 제거할 수 있다.
제1 제어부(120) 및 지연 출력부(140)는 각각에 포함된 복수의 스위칭 소자를 동작시킴으로써 돌입 전류를 제어하거나 출력 전압을 부하단(200)에 공급하는데, 이때 스위칭 소자의 동작에 따라 노이즈 신호가 발생할 수 있다.
노이즈 제거부(160)는 제1 제어부(120) 및 지연 출력부(140) 중 적어도 하나에 연결되어 스위칭 소자의 동작에 따라 발생하는 노이즈 신호를 제거할 수 있다. 이때, 노이즈 신호는 스위칭 소자의 동작에 따라 발생하는 신호뿐만 아니라 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치(100)의 또 다른 구성이 동작함에 따라 발생하는 노이즈 신호도 포함할 수 있다.
도 4는 제2 실시예에 따른 전압 제어 장치의 회로도이다.
도 4에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치(100)는 도 2에 도시된 회로 구성에 노이즈 제거를 위한 적어도 하나의 캐패시터를 더 포함하여 구성될 수 있다.
노이즈 제거부(160)는 제1 제어부(120) 및 지연 출력부(140) 사이에 배치되는 제2 캐패시터(C2) 및 지연 출력부(140)에 배치되는 제3 캐패시터(C3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 캐패시터(C2) 및 제3 캐패시터(C3)는 전압 제어 장치(100)의 스위칭 동작과 같이 구동 과정에서 발생하는 노이즈(noise) 신호를 흡수한다.
제2 캐패시터(C2)는 제1단이 제2 저항 소자(R2)의 제1단에 연결되고 제2단이 제5 저항 소자(R5)의 제1단에 연결된다.
제3 캐패시터(C3)는 제1단이 제4 스위칭 소자(SW4)의 제2단에 연결되고 제2단이 제11 저항의 제1단에 연결된다.
도 4에서는 제2 캐패시터(C2)와 제3 캐패시터(C3)가 함께 도시되어 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 노이즈 제거부(160)는 제2 캐패시터(C2) 또는 제3 캐패시터(C3) 중 어느 하나만 포함할 수도 있다.
도 5는 제3 실시예에 따른 전압 제어 장치의 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 구동부(150)의 제12 저항 소자(R12)는 적어도 하나의 다이오드 소자를 포함할 수 있다. 다이오드에 순방향 전압이 인가될 경우 전압 강하가 발생하므로 저항 소자가 배치된 것과 동일한 효과를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 것처럼, 구동부(150)의 제12 저항 소자(R12)는 제1 다이오드(D1) 소자 및 제2 다이오드(D2) 소자가 직렬 연결된 형태로 구현될 수 있다. 제1 다이오드(D1)의 캐소드 단자는 전원부(110)에 연결되고, 제2 다이오드(D2)의 캐소드 단자는 제1 다이오드(D1)의 애노드 단자에 연결되며, 제2 다이오드(D2)의 애노드 단자는 제13 저항 소자(R13)의 제1단에 연결될 수 있다.
제12 저항 소자(R12)가 적어도 하나의 다이오드 소자로 구현될 경우, 전원부(110)에 인가되는 역전압을 차단할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 장치의 출력 전압 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 전원부(110)가 16[V] 크기의 직류 전압을 인가할 경우, 부하단(200)에 공급되는 출력 전압의 크기를 시간축에 따라 나타낸다.
도 6에 도시된 것처럼, 지연 출력부(140)의 충방전에 의해 파형을 형성하는 출력 전압이 일정 시간(도 5에서는 1초)동안 선형적으로 증가한 후, 12[V] 크기의 출력 전압을 부하단(200)에 공급됨을 확인할 수 있다. 이를 통해, 돌입 전류의 영향 없이 부하단(200)에 안정적인 전압 공급이 가능하게 된다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전압 제어 장치
110 : 전원부
120 : 제1 제어부
130 : 제2 제어부
140 : 지연 출력부
150 : 구동부
160 : 노이즈 제거부

Claims (12)

  1. 직류 전압을 공급하는 전원부,
    상기 직류 전압을 인가받으며, 복수의 스위칭 소자가 온오프 동작을 반복하여 상기 직류 전압 인가시 발생하는 돌입 전류를 제어하는 제1 제어부,
    상기 돌입 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면 상기 제1 제어부의 스위칭 소자를 턴오프시키는 제2 제어부, 그리고
    상기 돌입 전류가 제어된 직류 전압을 입력받아 부하단으로 출력 전압을 출력하되, 기 설정된 시정수에 따라 기 설정된 전하량이 충전되면 스위칭 소자를 턴온시켜, 상기 돌입 전류가 제어된 직류 전압의 크기에 도달할 때까지 출력 전압의 크기를 상기 시정수에 따라 일정 시간 동안 상승시키는 지연 출력부를 포함하는 전압 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부를 최초 구동시키는 구동 전압을 공급하는 구동부를 더 포함하는 전압 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 제어부는,
    상기 구동 전압을 입력받으면 상기 복수의 스위칭 소자를 턴온시키고, 상기 제2 제어부로부터 접지 전원을 입력받으면 상기 복수의 스위칭 소자를 턴오프시켜 상기 돌입 전류를 제어하는 전압 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 돌입 전류의 크기가 기 설정된 값을 초과하면, 접지 전원을 상기 제1 제어부에 인가하여 상기 제1 제어부의 복수의 스위칭 소자를 턴오프시키는 전압 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부 및 상기 지연 출력부 중 적어도 하나의 동작 중 발생하는 노이즈 신호를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함하는 전압 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부는,
    제1단이 상기 전원부의 양의 단자와 연결되는 제1 스위칭 소자,
    제1단이 상기 제1 스위칭 소자의 제2단에 연결되는 제1 저항 소자,
    제1단이 상기 제1 스위칭 소자의 제3단에 연결되는 제2 저항 소자,
    제1단이 상기 제2 저항 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결되는 제3저항 소자,
    제1단이 상기 제2 저항 소자의 제1단에 연결되고, 제2단이 상기 제1 저항 소자의 제2단에 연결되며, 제3단이 상기 제2 저항 소자의 제2단에 연결되는 제2 스위칭 소자를 포함하는 전압 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    제1단이 상기 제1 제어부에 연결되는 제4 저항 소자,
    제1단이 상기 제4 저항 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결되는 제5 저항 소자, 그리고
    제1단이 상기 접지 단자에 연결되고, 제2단이 상기 제1 제어부에 연결되고, 제3단이 상기 제4 저항 소자의 제2단에 연결되는 레귤레이터 소자를 포함하는 전압 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지연 출력부는,
    제1단이 상기 제1 제어부와 연결되는 제6 저항 소자,
    제1단이 상기 제6 저항 소자의 제2단과 연결되고, 제2단이 접지 단자와 연결되는 제7 저항 소자,
    제1단이 상기 제6 저항 소자의 제2단과 연결되는 제8 저항 소자,
    제1단이 상기 제8 저항 소자의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 접지 단자와 연결되는 제1 캐패시터,
    제1단이 상기 제6 저항 소자의 제1단과 연결되는 제9 저항 소자,
    제1단이 상기 제9 저항 소자의 제2단과 연결되는 제10 저항 소자,
    제1단이 상기 제10 저항 소자의 제2단과 연결되고, 제3단이 상기 제8 저항 소자의 제2단과 연결되는 제3 스위칭 소자,
    제1단이 상기 제3 스위칭 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자와 연결되는 제11 저항 소자, 그리고
    제1단이 상기 제9 저항 소자의 제1단에 연결되고, 제2단이 상기 제11 저항 소자의 제1단에 연결되고, 제3단이 상기 제9 저항 소자의 제2단에 연결되는 제4 스위칭 소자를 포함하는 전압 제어 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는,
    제1단이 상기 전원부에 연결되는 제12 저항 소자,
    제1단이 상기 제12 저항 소자의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 단자에 연결되는 제13 저항 소자,
    제1단이 상기 제12 저항 소자의 제1단 및 상기 제1 제어부에 연결되는 제14 저항 소자, 그리고
    제1단이 상기 제1 제어부에 연결되고, 제2단이 상기 제14 저항 소자의 제2단에 연결되고, 제3단이 상기 제12 저항 소자의 제2단에 연결되는 제5 스위칭 소자를 포함하는 전압 제어 장치,
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제12 저항 소자는,
    적어도 하나의 다이오드 소자를 포함하는 전압 제어 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    노이즈 제거부는,
    상기 제1 제어부 및 상기 지연 출력부 사이에 배치되는 제2 캐패시터 및 상기 지연 출력부에 배치되는 제3 캐패시터 중 적어도 하나를 포함하는 전압 제어 장치.
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