KR102659904B1 - Input/Output port protection circuit of microcontroller practice kit - Google Patents
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Abstract
마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로가 개시된다. 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로는, 마이크로컨트롤러의 포트에 애노드가 연결되며, 전원의 전압에서 오프셋 전압을 뺀 전압이 캐소드에 인가되도록 구성되는 제1 다이오드, 포트에 캐소드가 연결되며, 오프셋 전압이 애노드에 인가되도록 구성되는 제2 다이오드, 포트에 연결된 폴리 스위치, 제1 다이오드의 캐소드에 에미터가 연결되고, 그라운드에 컬렉터가 연결되는 PNP 트랜지스터, 제2 다이오드의 애노드에 에미터가 연결되고, 전원에 컬렉터가 연결되는 NPN 트랜지스터 및 직렬로 연결된 제1 저항기, 제2 저항기 및 제3 저항기를 포함하되, 제1 저항기에는 전원이 연결되고, 제3 저항기에는 그라운드가 연결되고, 제1 저항기와 제2 저항기의 사이는 PNP 트랜지스터의 베이스가 연결되고, 제2 저항기와 제3 저항기의 사이는 NPN 트랜지스터의 베이스가 연결된다.An input/output port protection circuit of a microcontroller practice kit is disclosed. The input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit includes an anode connected to a port of the microcontroller, a first diode configured to apply a voltage obtained by subtracting the offset voltage from the voltage of the power supply to the cathode, and a cathode connected to the port, and the offset voltage A second diode configured to apply power to the anode, a poly switch connected to the port, an emitter connected to the cathode of the first diode, a PNP transistor whose collector is connected to the ground, and an emitter connected to the anode of the second diode, It includes an NPN transistor whose collector is connected to a power source, and a first resistor, a second resistor, and a third resistor connected in series, wherein the first resistor is connected to a power source, the third resistor is connected to the ground, and the first resistor and the third resistor are connected in series. The base of the PNP transistor is connected between the two resistors, and the base of the NPN transistor is connected between the second resistor and the third resistor.
Description
본 발명은 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로에 관한 것이다.The present invention relates to an input/output port protection circuit of a microcontroller training kit.
마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서를 응용한 기기에서 외부 잡음이나 스파크 등의 유입에 의한 순간적인 과전압으로부터 포트를 보호하기 위하여 다양한 보호 회로가 제시되어 사용되고 있다.In devices using microcontrollers and microprocessors, various protection circuits have been proposed and used to protect ports from momentary overvoltages caused by external noise or sparks.
도 1은 마이크로컨트롤러의 내부에 내장된 보호 회로를 예시하여 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram illustrating a protection circuit built into a microcontroller.
도 1을 참조하면, 입력범위를 벗어나는 전압이 포트(port)를 통해 입력된 경우, 이를 다이오드 D1 및 D2가 흡수하여 마이크로컨트롤러 내부를 보호한다.Referring to FIG. 1, when a voltage outside the input range is input through a port, diodes D1 and D2 absorb it to protect the inside of the microcontroller.
도 2는 마이크로컨트롤러의 포트로 입력되는 전압의 예를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing an example of voltage input to a port of a microcontroller.
다이오드 D1 및 D2는 소자와 소자 사이를 연결하는 전선에서 발생하는 과도현상에 의한 과전압을 제거하는 용도로 사용된다. 소자와 소자 사이를 접속하는 전선에는 매우 작지만 인덕턴스가 존재하므로, 어떤 펄스신호가 전선을 통과하는 경우, 도 2와 같은 과도현상이 발생한다.Diodes D1 and D2 are used to remove overvoltage caused by transient phenomena occurring in wires connecting devices. Since there is a very small but inductance in the wire connecting the elements, when a pulse signal passes through the wire, a transient phenomenon as shown in FIG. 2 occurs.
도 2를 참조하면, 도 2의 ①은 디지털 신호가 로우(Low)에서 하이(High)로 진행될 때, 디지털 전원 Vcc를 지나친 후 안정화되는 과정을 나타낸 것이고, 도 2의 ②는 디지털 신호가 하이에서 로우로 진행될 때, 0V를 지나친 후 안정화되는 과정을 나타낸 것이다. 이러한 ① 및 ②와 같은 과도현상은 디지털 전원 Vcc보다 높거나 0V보다 낮은 전압으로 나타나므로, 이 신호가 소자에 입력되면 소자가 파손될 수 있다.Referring to FIG. 2, ① in FIG. 2 shows the process of stabilization after passing the digital power supply Vcc when the digital signal progresses from low to high, and ② in FIG. 2 shows the process when the digital signal goes from high to high. When going low, it shows the process of stabilization after passing 0V. Since transient phenomena such as ① and ② appear as voltages higher than the digital power supply Vcc or lower than 0V, if this signal is input to the device, the device may be damaged.
도 2의 ①의 과도현상에 의한 과전압은 전원 Vcc보다 높으므로, 도 1의 다이오드 D1에 의하여 전원 Vcc쪽으로 전류가 흘러나가 Vcc+0.6V 이상으로는 높아지지 않는다. 이와 반대로, 도 2의 ②의 과도현상에 의한 과전압은 0V보다 낮으므로, 도 1의 다이오드 D2에 의하여 0V로부터 전류가 흘러들어 -0.6V 이하로는 낮아지지 않는다.Since the overvoltage due to the transient phenomenon in ① in FIG. 2 is higher than the power supply Vcc, the current flows toward the power supply Vcc through diode D1 in FIG. 1 and does not rise above Vcc+0.6V. On the contrary, since the overvoltage due to the transient phenomenon in ② of FIG. 2 is lower than 0V, the current flows from 0V through diode D2 of FIG. 1 and does not fall below -0.6V.
이러한 과도현상은 매우 짧은 시간동안 순간적으로 발생하여 에너지량은 비교적 작기 때문에, 도 1의 보호용 다이오드들은 소자의 단가를 낮추기 위하여 소용량으로 제작되고 있다.Since this transient phenomenon occurs instantaneously for a very short period of time and the amount of energy is relatively small, the protective diodes of FIG. 1 are manufactured with small capacities to reduce the unit cost of the device.
통신 라인과 같이 소자에 연결되는 전선이 비교적 긴 경우, 전선의 인덕턴스가 상당히 커지므로, 과도현상은 크기가 커지고 지속시간도 길어진다. 이는 과도현상의 에너지가 상당히 커진다는 것을 의미한다. 그래서, 전선이 매우 길어진 경우, 소자 내부에 내장된 다이오드 D1 및 D2의 용량이 부족하여 파손되므로, 외부 보호회로가 추가된다.When the wire connected to the device, such as a communication line, is relatively long, the inductance of the wire becomes significantly larger, so the transient phenomenon becomes larger in size and lasts longer. This means that the energy of the transient phenomenon becomes significantly larger. Therefore, when the wire becomes very long, the diodes D1 and D2 built inside the device are damaged due to insufficient capacity, so an external protection circuit is added.
도 3은 추가된 외부 보호회로를 예시하여 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram illustrating an added external protection circuit.
도 3을 참조하면, 다이오드 D3 및 D4는 외부에 추가되는 개별 소자이기 때문에, 소자 내부의 다이오드에 비하여 용량이 훨씬 크므로, 외부 라인에 의한 과도현상이 어느 정도 커도 충분히 처리할 수 있다.Referring to FIG. 3, since diodes D3 and D4 are individual devices added externally, their capacitance is much larger than that of the diodes inside the device, so even if the transient phenomenon caused by the external line is large, it can be sufficiently handled.
이와 같은 보호회로들은 순간적인 과전압으로부터의 보호에는 매우 유용하나, 과전압이 지속적으로 유입되는 경우에는 큰 문제가 발생할 수 있다. 마이크로컨트롤러의 훈련을 위한 실습키트에서, 훈련중인 사용자가 배선을 잘못 접속하여 포트에 지속적이 과전압이 인가되는 경우가 자주 발생한다. 이러한 접속을 하지 말아야 하지만, 훈련중이거나 미숙달된 사용자는 이러한 실수를 얼마든지 할 수 있다.These protection circuits are very useful for protecting against momentary overvoltage, but if overvoltage continues to flow, serious problems may occur. In practice kits for microcontroller training, it often happens that the training user connects the wiring incorrectly, resulting in continuous overvoltage being applied to the port. Although this type of connection should not be made, training or inexperienced users can easily make this mistake.
예를 들어, 입력 포트에 +12V를 잘못 배선하여 지속적인 과전압이 인가되는 경우, 전류가 도 3의 다이오드 D3를 통과하여 회로의 전원으로 유입된다. 이때, 순간적인 과전압은 전원회로에 설치된 커패시터에 의하여 충전 및 흡수되어 소멸될 수 있으나, 지속적인 과전압은 전원회로의 전압을 크게 상승시켜, 이와 접속된 모든 회로 전체가 파손되는 매우 심각한 문제를 발생시킨다.For example, if a continuous overvoltage is applied due to incorrect wiring of +12V to the input port, current passes through diode D3 in Figure 3 and flows into the circuit's power source. At this time, momentary overvoltage can be charged and absorbed by the capacitor installed in the power circuit and dissipated, but continuous overvoltage greatly increases the voltage of the power circuit, causing a very serious problem in which all circuits connected to it are damaged.
이를 해결하기 위하여, 한국등록특허 제10-2295037호 및 제10-2295038호는, 마이크로컨트롤러 실습키트에서 사용자의 실수에 의하여 발생된 과전압으로부터 기기를 보호하고, 동시에 이 상황을 사용자에게 경고하는 방법을 제시한 바 있다. 즉, 한국등록특허 제10-2295037호 및 제10-2295038호의 보호회로는, 학습자의 실수 등으로 인하여 지속적으로 인가되는 과전압으로부터 포트를 보호하기 위하여, 다이오드를 통해 입력되는 과전압을 전원으로 보내지 않고, 자체적으로 방전시킨다.To solve this problem, Korean Patent No. 10-2295037 and No. 10-2295038 provide a method to protect the device from overvoltage caused by user error in a microcontroller training kit and at the same time warn the user of this situation. It has been presented. In other words, the protection circuit of Korean Patent No. 10-2295037 and No. 10-2295038 does not send the overvoltage input through the diode to the power source in order to protect the port from overvoltage continuously applied due to the learner's mistake, etc. Discharges itself.
도 4 및 도 5는 각각 한국등록특허 제10-2295037호 및 제10-2295038호의 보호회로를 나타낸 도면이다.Figures 4 and 5 are diagrams showing the protection circuit of Korean Patent Nos. 10-2295037 and 10-2295038, respectively.
도 4를 참조하면, 도 4의 트랜지스터 Q501의 베이스와 컬렉터 사이에 접속된 다이오드 DZ501의 전압이 4.4V이므로, 다이오드를 통과한 L+5V 라인의 전압이 5V를 넘어서면, 다이오드 DZ501를 거쳐 트랜지스터 Q501의 베이스로 전류가 흐른다. 이에 따라, 트랜지스터 Q501이 동작하여, L+5V 라인이 5V(DZ501의 4.4V + Q501의 0.6V)를 넘어서지 않도록 방전된다. 이때, 과도한 전류유입에 따른 소자들의 파손을 방지하기 위하여, 폴리 스위치(10)가 직렬로 연결된다. 폴리 스위치(10)는 정상적인 포트 동작 즉, 매우 작은 전류에 대해서는 저항이 매우 작아(수 옴에서 수십 옴) 포트 동작에 영향을 미치지 않지만, 지정된 값보다 큰 전류가 통과하면, 저항이 수킬로 옴 이상으로 급격히 커지므로 전류를 크게 제한한다.Referring to FIG. 4, since the voltage of diode DZ501 connected between the base and collector of transistor Q501 in FIG. 4 is 4.4V, when the voltage of the L+5V line passing through the diode exceeds 5V, transistor Q501 passes through diode DZ501. Current flows through the base of . Accordingly, transistor Q501 operates, and the L+5V line is discharged so that it does not exceed 5V (4.4V of DZ501 + 0.6V of Q501). At this time, in order to prevent damage to the elements due to excessive current inflow, the poly switches 10 are connected in series. The poly switch 10 has a very small resistance (several ohms to tens of ohms) and does not affect port operation during normal port operation, i.e. for very small currents, but when currents greater than the specified value are passed, the resistance can be several kilo ohms or more. As it grows rapidly, the current is greatly limited.
이와 유사하게, 다이오드 DS502 및 DS504에 의하여 L_GND 라인이 0V 이하임이 감지되면, 트랜지스터 Q503이 동작하여 L_GND 라인이 항상 0V를 유지하도록 한다.Similarly, when diodes DS502 and DS504 detect that the L_GND line is below 0V, transistor Q503 operates to ensure that the L_GND line always remains at 0V.
이상의 방전동작이 이루어질 때, 트랜지스터 Q502와 Q504가 방전 동작을 감지하고, 이를 마이크로컨트롤러로 보고하도록 구성된다.When the above discharging operation is performed, transistors Q502 and Q504 are configured to detect the discharging operation and report this to the microcontroller.
도 5는, 도 4의 보호회로보다 온도특성 및 전압특성이 더욱 우수하도록 연산증폭기(OP-Amp.)를 이용하여 구성된 것으로, 기본적인 원리는 도 4와 동일하다.Figure 5 is constructed using an operational amplifier (OP-Amp.) to have better temperature and voltage characteristics than the protection circuit of Figure 4, and the basic principle is the same as that of Figure 4.
이상에서 살펴본 보호회로들은 순간적인 과전압이나 지속적인 과전압으로부터 포트를 보호하기 위한 것으로, 기본적인 원리는 과전압 성분을 다이오드를 통해 배출시킨다. 그러나, 이 보호회로를 실제로 기기에 적용하여 사용하면, 지속적인 과전압에 대하여 과전압을 감지하고 경고하는 기능은 정상적으로 동작하나, 마이크로컨트롤러의 포트는 지속적인 과전압으로 파손되거나 마이크로컨트롤러가 정상적으로 동작하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.The protection circuits examined above are intended to protect the port from momentary or continuous overvoltage, and the basic principle is to discharge the overvoltage component through a diode. However, if this protection circuit is actually applied to a device and used, the overvoltage detection and warning function will operate normally, but the port of the microcontroller may be damaged by continuous overvoltage or the microcontroller may not operate normally. You can.
본 발명은 순간적인 과전압 뿐만 아니라, 지속적인 과전압으로 증가한 전류에서도 마이크로컨트롤러의 포트를 보호하는 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로를 제공하기 위한 것이다.The purpose of the present invention is to provide an input/output port protection circuit of a microcontroller training kit that protects the port of the microcontroller not only from momentary overvoltage but also from current increased by continuous overvoltage.
본 발명의 일 측면에 따르면, 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로가 개시된다.According to one aspect of the present invention, an input/output port protection circuit of a microcontroller training kit is disclosed.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로는, 마이크로컨트롤러의 포트에 애노드가 연결되며, 전원의 전압에서 오프셋 전압을 뺀 전압이 캐소드에 인가되도록 구성되는 제1 다이오드, 상기 포트에 캐소드가 연결되며, 오프셋 전압이 애노드에 인가되도록 구성되는 제2 다이오드, 상기 포트에 연결된 폴리 스위치, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 에미터가 연결되고, 그라운드에 컬렉터가 연결되는 PNP 트랜지스터, 상기 제2 다이오드의 애노드에 에미터가 연결되고, 상기 전원에 컬렉터가 연결되는 NPN 트랜지스터 및 직렬로 연결된 제1 저항기, 제2 저항기 및 제3 저항기를 포함하되, 상기 제1 저항기에는 상기 전원이 연결되고, 상기 제3 저항기에는 상기 그라운드가 연결되고, 상기 제1 저항기와 상기 제2 저항기의 사이는 상기 PNP 트랜지스터의 베이스가 연결되고, 상기 제2 저항기와 상기 제3 저항기의 사이는 상기 NPN 트랜지스터의 베이스가 연결된다.The input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention includes an anode connected to a port of the microcontroller, a first diode configured to apply a voltage obtained by subtracting the offset voltage from the voltage of the power source to the cathode, and the port. A cathode is connected to a second diode configured to apply an offset voltage to the anode, a poly switch connected to the port, an emitter connected to the cathode of the first diode, and a PNP transistor whose collector is connected to the ground, the first diode 2 An emitter is connected to the anode of the diode, an NPN transistor whose collector is connected to the power source, and a first resistor, a second resistor, and a third resistor connected in series, wherein the power source is connected to the first resistor, The ground is connected to the third resistor, the base of the PNP transistor is connected between the first resistor and the second resistor, and the base of the NPN transistor is connected between the second resistor and the third resistor. connected.
상기 PNP 트랜지스터 및 상기 NPN 트랜지스터는 각각 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드를 통해 전달되는 과전압을 소모한다.The PNP transistor and the NPN transistor consume overvoltage transmitted through the first diode and the second diode, respectively.
상기 PNP 트랜지스터의 베이스 전압(Vb1)은 베이스와 에미터 사이의 오프셋 전압(VBE1)을 고려하여 하기 수학식으로 결정된다.The base voltage (Vb1) of the PNP transistor is determined by the following equation in consideration of the offset voltage (VBE1) between the base and emitter.
여기서, Vcc는 전원의 전압이고, VD1은 제1 다이오드의 오프셋 전압이다.Here, Vcc is the voltage of the power supply, and VD1 is the offset voltage of the first diode.
상기 NPN 트랜지스터의 베이스 전압(Vb2)는 베이스와 에미터 사이의 오프셋 전압(VBE2)를 고려하여 하기 수학식으로 결정된다.The base voltage (Vb2) of the NPN transistor is determined by the following equation in consideration of the offset voltage (VBE2) between the base and emitter.
여기서, VD2는 제2 다이오드의 오프셋 전압이다.Here, VD2 is the offset voltage of the second diode.
상기 PNP 트랜지스터 및 상기 NPN 트랜지스터의 베이스 전류에 의하여 베이스 전압이 영향을 받지 않기 위하여, 하기 수학식의 조건을 만족한다.In order for the base voltage not to be affected by the base currents of the PNP transistor and the NPN transistor, the condition of the following equation is satisfied.
여기서, Vcc는 전원의 전압이고, R1, R2 및 R3는 각각 제1 저항, 제2 저항 및 제3 저항이고, Ic1은 PNP 트랜지스터(21)의 컬렉터 전류이고, β1은 PNP 트랜지스터(21)의 전류 증폭률이고, Ic2는 NPN 트랜지스터(22)의 컬렉터 전류이고, β2는 NPN 트랜지스터(22)의 전류 증폭률이다.Here, Vcc is the voltage of the power supply, R1, R2 and R3 are the first resistor, the second resistor and the third resistor, respectively, Ic1 is the collector current of the PNP transistor 21, and β1 is the current of the PNP transistor 21. is the amplification factor, Ic2 is the collector current of the NPN transistor 22, and β2 is the current amplification factor of the NPN transistor 22.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로는, 순간적인 과전압뿐만 아니라, 지속적인 과전압으로 증가한 전류에서도 마이크로컨트롤러의 포트를 보호함으로써, 마이크로컨트롤러에 대하여 훈련중이거나 미숙달된 사용자가 배선을 잘못하여 발생하는 지속적인 과전압으로 인한 마이크로컨트롤러의 파손을 방지할 수 있다.The input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention protects the ports of the microcontroller not only from momentary overvoltage but also from current increased by continuous overvoltage, allowing users who are training or inexperienced with microcontrollers to Damage to the microcontroller due to continuous overvoltage caused by incorrect wiring can be prevented.
도 1은 마이크로컨트롤러의 내부에 내장된 보호 회로를 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 마이크로컨트롤러의 포트로 입력되는 전압의 예를 나타낸 도면.
도 3은 추가된 외부 보호회로를 예시하여 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 각각 한국등록특허 제10-2295037호 및 제10-2295038호의 보호회로를 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 각각 보호회로에 포함된 보호용 다이오드의 (+) 과전압 및 (-) 과전압일 때의 동작 상태를 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로의 개념을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로에 대한 실험 결과를 나타낸 도면.1 is a diagram illustrating a protection circuit built into a microcontroller.
Figure 2 is a diagram showing an example of voltage input to a port of a microcontroller.
Figure 3 is a diagram illustrating an added external protection circuit.
Figures 4 and 5 are diagrams showing the protection circuit of Korean Patent Nos. 10-2295037 and 10-2295038, respectively.
Figures 6 and 7 are diagrams schematically illustrating the operating states of the protection diode included in the protection circuit when there is (+) overvoltage and (-) overvoltage, respectively.
Figure 8 is a diagram showing the concept of an input/output port protection circuit of a microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram schematically illustrating the configuration of an input/output port protection circuit of a microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention.
10 to 12 are diagrams showing experimental results for the input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “consists of” or “comprises” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or steps may be included in the specification. It may not be included, or it should be interpreted as including additional components or steps. In addition, terms such as "... unit" and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 6 및 도 7은 각각 보호회로에 포함된 보호용 다이오드의 (+) 과전압 및 (-) 과전압일 때의 동작 상태를 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로에 대하여 설명하기에 앞서, 도 6 및 도 7을 참조하여, 보호회로에 적용되는 보호용 다이오드의 동작 원리를 살펴보고, 지속적인 과전압으로 인하여 마이크로컨트롤러의 포트가 파손되는 원인을 분석해 보기로 한다.Figures 6 and 7 are diagrams schematically illustrating the operating states of the protection diode included in the protection circuit when there is (+) overvoltage and (-) overvoltage, respectively. Hereinafter, before explaining the input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention, with reference to FIGS. 6 and 7, the operating principle of the protection diode applied to the protection circuit will be examined and the continuous overvoltage We will analyze the cause of damage to the microcontroller port.
우선, 도 6을 참조하면, 마이크로컨트롤러의 포트에 연결된 포트 라인에 (+) 과전압이 인가되었을 때, 보호용 다이오드 D3의 상측(캐소드)에 마이크로컨트롤러의 동작전압 +5V가 인가되어 있으므로, 포트 라인은 다이오드 오프셋 전압 +0.6V를 넘어서는 +5.6V 이상이면, 전류가 다이오드를 통과해 빠져나가므로, 포트 라인은 +5.6V 이상으로 상승하지 않는다. 이때, 흐르는 전류 Id가 미리 설정된 크기 이상으로 증가하면, 폴리 스위치 PS1의 저항이 급격히 증가함에 따라 전류가 제한되어 다이오드 D3는 파손되지 않는다.First, referring to Figure 6, when a positive overvoltage is applied to the port line connected to the port of the microcontroller, the operating voltage +5V of the microcontroller is applied to the upper side (cathode) of the protection diode D3, so the port line is Above +5.6V, which is above the diode offset voltage of +0.6V, the port line does not rise above +5.6V as current escapes through the diode. At this time, when the flowing current Id increases beyond the preset amount, the resistance of the poly switch PS1 rapidly increases and the current is limited so that diode D3 is not damaged.
다음으로, 도 7을 참조하면, 동일한 원리로, 마이크로컨트롤러의 포트에 연결된 포트 라인에 (-) 과전압이 인가되었을 때, 보호용 다이오드 D4의 하측(애노드)에 0V가 접속되어 있으므로, 포트 라인은 다이오드의 오프셋 전압인 -0.6V 이하로는 하강하지 않는다. 이때, 흐르는 전류 Id가 미리 설정된 크기 이상으로 증가하면, 폴리 스위치 PS1의 저항이 급격히 증가함에 따라 전류가 제한되어 다이오드 D4는 파손되지 않는다.Next, referring to FIG. 7, according to the same principle, when a (-) overvoltage is applied to the port line connected to the port of the microcontroller, 0V is connected to the lower side (anode) of the protection diode D4, so the port line is diode It does not fall below the offset voltage of -0.6V. At this time, when the flowing current Id increases beyond the preset amount, the resistance of the poly switch PS1 rapidly increases and the current is limited so that diode D4 is not damaged.
일반적으로, 마이크로컨트롤러의 포트 입력의 동작전압의 범위는 -0.6V에서 +5.6V이므로, 도 6 및 도 7의 보호회로에서 -0.6V에서 +5.6V의 포트 라인 전압 범위는 소자를 파손시키지 않는 범위이다.Generally, the operating voltage range of the port input of a microcontroller is -0.6V to +5.6V, so the port line voltage range of -0.6V to +5.6V in the protection circuit of Figures 6 and 7 is a range that does not damage the device. It's a range.
이와 같은 보호회로는 모두 보호용 다이오드의 오프셋 전압인 0.6V를 이용한 것이다. 그러나, 다이오드의 오프셋 전압 0.6V는 실제로 다이오드 전류가 거의 0A일 때의 전압이다. 일반적으로, 다이오드의 전류는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.All of these protection circuits use 0.6V, which is the offset voltage of the protection diode. However, the diode's offset voltage of 0.6V is actually the voltage when the diode current is approximately 0A. In general, the current of the diode can be expressed by the following equation.
여기서, Id는 다이오드의 전류이고, Is는 다이오드 역포화 전류이고, Tk는 다이오드의 온도이고, k는 다이오드 상수이고, Vd는 다이오드의 전압이다. 수학식 1은 다이오드 전압 Vd에 대한 다이오드 전류 Id를 표현한 것이므로, 현재 필요로 하는 다이오드 전류 Id에 따른 전압 Vd의 식으로 정리하고, 다이오드의 온도가 일정하다고 가정하여 Tk를 상수로 간주하여 다른 상수 k와 합쳐 전체 상수 K로 나타내면, 하기 수학식이 생성될 수 있다.Here, Id is the current of the diode, Is is the diode reverse saturation current, Tk is the temperature of the diode, k is the diode constant, and Vd is the voltage of the diode. Equation 1 expresses the diode current Id for the diode voltage Vd, so it can be summarized as the expression of the voltage Vd according to the currently needed diode current Id. Assuming that the temperature of the diode is constant, Tk is considered a constant and another constant k By combining with and expressing the overall constant K, the following equation can be generated.
수학식 2를 살펴보면, 다이오드 전압 Vd는 다이오드 전류 Id에 비례하여 증가할 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 다이오드 전류가 약 10mA일 때, 다이오드 전압은 약 0.7V이고, 다이오드 전류가 20mA일 때, 다이오드 전압이 약 0.8V이고, 다이오드 전류가 40mA일 때, 다이오드 전압이 약 0.93V가 된다.Looking at Equation 2, it shows that the diode voltage Vd can increase in proportion to the diode current Id. For example, when the diode current is about 10mA, the diode voltage is about 0.7V, when the diode current is 20mA, the diode voltage is about 0.8V, and when the diode current is 40mA, the diode voltage is about 0.93V. .
즉, 다이오드의 오프셋 전압은 0.6V이지만, 연속적인 과전류 상황에서는 오프셋 전압을 상회하는 다이오드 전압이 존재하며, 폴리 스위치는 마이크로컨트롤러의 포트의 출력전류를 지장없이 통과시켜야 하므로, 40mA이상에서 동작하도록 구성되어야 한다. 따라서, 과전압 상태에서 40mA로 제한된 경우, 포트 라인은 -0.93V에서 +5.93V의 보호범위를 가지므로, 마이크로컨트롤러의 포트는 파손된다.In other words, the offset voltage of the diode is 0.6V, but in a continuous overcurrent situation, the diode voltage exceeds the offset voltage, and since the poly switch must pass the output current of the microcontroller port without problems, it is configured to operate at over 40mA. It has to be. Therefore, when limited to 40mA in an overvoltage condition, the port line has a protection range of -0.93V to +5.93V, so the port of the microcontroller is damaged.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로의 개념을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.Figure 8 is a diagram showing the concept of the input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention, and Figure 9 schematically shows the configuration of the input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention. This is a drawing showing an example.
전술한 바와 같이, 보호용 다이오드는 순간적인 과전압에서는 매우 유용하게 보호 동작을 수행하나, 사용자의 부주의에 의한 잘못된 배선으로 인한 지속적인 과전압에서는 상당한 전류가 흘러 다이오드의 전압이 증가하여 포트 라인의 전압이 마이크로컨트롤러의 허용 전압을 벗어나 파손된다.As mentioned above, the protective diode performs a very useful protection operation in the event of momentary overvoltage, but in the case of continuous overvoltage caused by incorrect wiring due to the user's carelessness, a significant current flows and the voltage of the diode increases, causing the voltage of the port line to drop to the microcontroller. Damaged due to exceeding the allowable voltage.
그래서, 도 8에 도시된 바와 같이, 다이오드 D1의 상측 전압을 +4.4V로, 다이오드 D2의 하측 전압을 +0.6V로 유지하면, 두 다이오드의 전압이 최대 1.2V까지 상승하는 범위 내에서는 포트가 보호될 수 있다.So, as shown in Figure 8, if the upper voltage of diode D1 is maintained at +4.4V and the lower voltage of diode D2 is maintained at +0.6V, the port will be within the range where the voltage of the two diodes rises up to 1.2V. can be protected.
만약, 다이오드 D1의 상측 전압을 +4.4V보다 더 낮게 설정하면, 포트 라인에 정상적인 +5V가 인가되더라도 전류가 다이오드 D1을 통과하여 흐르므로 정상 신호에 영향을 미치고, 동일한 원리로, 다이오드 D2의 하측 전압을 +0.6V보다 높게 설정하면, 포트 라인에 정상적인 0V가 인가되더라도 다이오드 D2가 동작하여 전류가 흐르므로 정상신호에 영향을 미칠 수 있다.If the upper voltage of diode D1 is set lower than +4.4V, even if the normal +5V is applied to the port line, the current flows through diode D1, affecting the normal signal, and by the same principle, the lower side of diode D2 If the voltage is set higher than +0.6V, diode D2 operates and current flows even if a normal 0V is applied to the port line, which may affect the normal signal.
따라서, 다이오드 D1의 상측 전압은 최저 +4.4V로, 다이오드 D2의 하측 전압은 최고 +0.6V로 제한된다. 이를 적용하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로는 도 9와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the upper voltage of diode D1 is limited to a minimum of +4.4V, and the lower voltage of diode D2 is limited to a maximum of +0.6V. Applying this, the input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention can be shown as shown in FIG. 9.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로는, 제1 다이오드(11), 제2 다이오드(12), PNP 트랜지스터(21), NPN 트랜지스터(22), 제1 저항기(31), 제2 저항기(32), 제3 저항기(33) 및 폴리 스위치(40)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to Figure 9, the input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit according to an embodiment of the present invention includes a first diode 11, a second diode 12, a PNP transistor 21, an NPN transistor 22, It may be configured to include a first resistor 31, a second resistor 32, a third resistor 33, and a poly switch 40.
제1 다이오드(11)와 제2 다이오드(12)는 직렬로 연결되며, 제1 다이오드(11)와 제2 다이오드(12)의 사이 즉, 제1 다이오드(11)의 애노드 및 제2 다이오드(12)의 캐소드는 마이크로컨트롤러의 포트와 연결된 포트 라인에 연결된다. 여기서, 포트 라인에는 폴리 스위치(40)가 연결된다.The first diode 11 and the second diode 12 are connected in series, and between the first diode 11 and the second diode 12, that is, the anode of the first diode 11 and the second diode 12 )'s cathode is connected to the port line connected to the port of the microcontroller. Here, a poly switch 40 is connected to the port line.
그리고, PNP 트랜지스터(21)의 에미터는 제1 다이오드(11)의 캐소드에 연결되고, PNP 트랜지스터(21)의 컬렉터는 그라운드에 연결된다.And, the emitter of the PNP transistor 21 is connected to the cathode of the first diode 11, and the collector of the PNP transistor 21 is connected to the ground.
그리고, NPN 트랜지스터(22)의 에미터는 제2 다이오드(12)의 애노드에 연결되고, NPN 트랜지스터(22)의 컬렉터는 마이크로컨트롤러의 전원에 연결된다.And, the emitter of the NPN transistor 22 is connected to the anode of the second diode 12, and the collector of the NPN transistor 22 is connected to the power supply of the microcontroller.
그리고, 제1 저항기(31), 제2 저항기(32) 및 제3 저항기(33)는 순서대로 직렬로 연결되며, 제1 저항기(31)에는 전원이 연결되고, 제3 저항기(33)에는 그라운드가 연결된다.And, the first resistor 31, the second resistor 32, and the third resistor 33 are connected in series in that order, the power is connected to the first resistor 31, and the third resistor 33 is connected to the ground. is connected.
그리고, 제1 저항기(31)와 제2 저항기(32)의 사이는 PNP 트랜지스터(21)의 베이스가 연결되고, 제2 저항기(32)와 제3 저항기(33)의 사이는 NPN 트랜지스터(22)의 베이스가 연결된다.Additionally, the base of the PNP transistor 21 is connected between the first resistor 31 and the second resistor 32, and the base of the NPN transistor 22 is connected between the second resistor 32 and the third resistor 33. The base of is connected.
제1 다이오드(11)의 캐소드에는, 도 9에 도시된 바와 같이, 마이크로컨트롤러의 전원으로부터 공급되는 회로의 동작전압(Vcc)에서 제1 다이오드(11)의 오프셋 전압(VD1)을 뺀 전압(VH)이 인가되도록 구성된다.As shown in FIG. 9, the cathode of the first diode 11 has a voltage (VH) obtained by subtracting the offset voltage (VD1) of the first diode 11 from the operating voltage (Vcc) of the circuit supplied from the power supply of the microcontroller. ) is configured to be authorized.
제2 다이오드(12)의 애노드에는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 다이오드(12)의 오프셋 전압(VD2)이 인가되도록 구성된다.As shown in FIG. 9, the offset voltage VD2 of the second diode 12 is applied to the anode of the second diode 12.
예를 들어, 도 9를 참조하면, 동작전압 Vcc가 +5V이면, VH=4.4V가 유지되어야 하고, VL=VD2=+0.6V가 유지되어야 한다.For example, referring to FIG. 9, if the operating voltage Vcc is +5V, VH=4.4V must be maintained and VL=VD2=+0.6V must be maintained.
제1 다이오드(11) 및 제2 다이오드(12)를 통해 전달되는 과전압은 각각 PNP 트랜지스터(21) 및 NPN 트랜지스터(22)에 의하여 소모되도록 구성된다. 이에 따라, PNP 트랜지스터(21)의 베이스 전압 Vb1은 PNP 트랜지스터(21)의 베이스와 에미터 사이의 오프셋 전압 VBE1을 고려하여 하기 수학식으로 결정될 수 있다.The overvoltage transmitted through the first diode 11 and the second diode 12 is configured to be consumed by the PNP transistor 21 and the NPN transistor 22, respectively. Accordingly, the base voltage Vb1 of the PNP transistor 21 can be determined by the following equation in consideration of the offset voltage VBE1 between the base and emitter of the PNP transistor 21.
마찬가지로, NPN 트랜지스터(22)의 베이스 전압 Vb2는 NPN 트랜지스터(22)의 베이스와 에미터 사이의 오프셋 전압 VBE2를 고려하여 하기 수학식으로 결정될 수 있다.Likewise, the base voltage Vb2 of the NPN transistor 22 can be determined by the following equation by considering the offset voltage VBE2 between the base and emitter of the NPN transistor 22.
따라서, 만약, +5V의 전원이 이용되는 경우, Vb1=3.8V, Vb2=1.2V가 되어야 한다. 이러한 전압을 얻기 위한 제1 저항기(31)의 제1 저항(R1), 제2 저항기(32)의 제2 저항(R2) 및 제3 저항기(33)의 제3 저항(R3)의 비율은 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.Therefore, if +5V power is used, Vb1 = 3.8V, Vb2 = 1.2V. The ratio of the first resistance (R1) of the first resistor (31), the second resistance (R2) of the second resistor (32), and the third resistance (R3) of the third resistor (33) to obtain this voltage is as follows: It can be expressed mathematically.
그리고, PNP 트랜지스터(21) 및 NPN 트랜지스터(22)의 베이스 전류에 의하여 베이스 전압 Vb1 및 Vb2가 영향을 받지 않기 위해서는, 하기 수학식의 조건을 만족해야 한다.In order for the base voltages Vb1 and Vb2 not to be affected by the base currents of the PNP transistor 21 and the NPN transistor 22, the conditions of the following equation must be satisfied.
여기서, Ic1은 PNP 트랜지스터(21)의 컬렉터 전류이고, β1은 PNP 트랜지스터(21)의 전류 증폭률이고, Ic2는 NPN 트랜지스터(22)의 컬렉터 전류이고, β2는 NPN 트랜지스터(22)의 전류 증폭률이다.Here, Ic1 is the collector current of the PNP transistor 21, β1 is the current amplification factor of the PNP transistor 21, Ic2 is the collector current of the NPN transistor 22, and β2 is the current amplification factor of the NPN transistor 22.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다.Figures 10 to 12 are diagrams showing the results of experiments on the input/output port protection circuit of the microcontroller training kit according to an embodiment of the present invention.
전술한 수학식 5 및 수학식 6을 고려하여, R1은 330Ω, R2는 680Ω, R3는 330Ω으로 선정하고, 트립점이 100mA인 폴리 스위치를 이용하여, 도 10과 같은 회로를 구성하여 실험을 진행하였다.Considering the above-mentioned Equation 5 and Equation 6, R1 was selected as 330Ω, R2 as 680Ω, and R3 as 330Ω, and the experiment was conducted by constructing a circuit as shown in Figure 10 using a poly switch with a trip point of 100mA. .
마이크로컨트롤러의 포트의 전압과 전류에 대한 실험 결과는 하기 표와 같고, 도 11 및 도 12는 하기 표의 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.The experimental results for the voltage and current of the port of the microcontroller are shown in the table below, and Figures 11 and 12 graphically show the experimental results in the table below.
표 1의 실험 결과를 살펴보면, 마이크로컨트롤러의 포트가 파괴될 수 있는 전압 +5.6V가 입력되었을 때, 포트전압은 +5.3V로 억제되고, 이때, 전류는 35mA가 흐른다. 그 이후, 입력전압이 계속 증가하여 +7.5V가 되어도 포트전압은 5.51V로 억제된다. 이 이상의 전압에서는 폴리 스위치가 동작하여 전압과 전류가 다시 줄어든다. 이와 유사한 동작이 (-) 과전압 영역에서도 동일하게 이루어진다. 따라서, 포트전압은 +5.51V와 -0.46V의 범위를 벗어나지 않아 포트는 안전하게 보호된다.Looking at the experimental results in Table 1, when +5.6V, which can destroy the port of the microcontroller, is input, the port voltage is suppressed to +5.3V, and at this time, 35mA current flows. After that, even if the input voltage continues to increase to +7.5V, the port voltage is suppressed to 5.51V. At voltages above this, the poly switch operates and the voltage and current are reduced again. A similar operation occurs in the (-) overvoltage region. Therefore, the port voltage does not exceed the range of +5.51V and -0.46V, so the port is safely protected.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be possible. should be regarded as falling within the scope of the patent claims below.
11: 제1 다이오드
12: 제2 다이오드
21: PNP 트랜지스터
22: NPN 트랜지스터
31: 제1 저항기
32: 제2 저항기
33: 제3 저항기
40: 폴리 스위치11: first diode
12: second diode
21: PNP transistor
22: NPN transistor
31: first resistor
32: second resistor
33: third resistor
40: poly switch
Claims (5)
마이크로컨트롤러의 포트에 애노드가 연결되며, 전원의 전압에서 오프셋 전압을 뺀 전압이 캐소드에 인가되도록 구성되는 제1 다이오드;
상기 포트에 캐소드가 연결되며, 오프셋 전압이 애노드에 인가되도록 구성되는 제2 다이오드;
상기 포트에 연결된 폴리 스위치;
상기 제1 다이오드의 캐소드에 에미터가 연결되고, 그라운드에 컬렉터가 연결되는 PNP 트랜지스터;
상기 제2 다이오드의 애노드에 에미터가 연결되고, 상기 전원에 컬렉터가 연결되는 NPN 트랜지스터; 및
직렬로 연결된 제1 저항기, 제2 저항기 및 제3 저항기를 포함하되,
상기 제1 저항기에는 상기 전원이 연결되고, 상기 제3 저항기에는 상기 그라운드가 연결되고,
상기 제1 저항기와 상기 제2 저항기의 사이는 상기 PNP 트랜지스터의 베이스가 연결되고, 상기 제2 저항기와 상기 제3 저항기의 사이는 상기 NPN 트랜지스터의 베이스가 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로.
In the input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit,
A first diode whose anode is connected to the port of the microcontroller and configured to apply a voltage obtained by subtracting the offset voltage from the voltage of the power source to the cathode;
a second diode with a cathode connected to the port and configured to apply an offset voltage to the anode;
a poly switch connected to the port;
a PNP transistor whose emitter is connected to the cathode of the first diode and whose collector is connected to the ground;
an NPN transistor whose emitter is connected to the anode of the second diode and whose collector is connected to the power supply; and
Including a first resistor, a second resistor and a third resistor connected in series,
The power supply is connected to the first resistor, and the ground is connected to the third resistor,
The base of the PNP transistor is connected between the first resistor and the second resistor, and the base of the NPN transistor is connected between the second resistor and the third resistor. Input/output port protection circuit.
상기 PNP 트랜지스터 및 상기 NPN 트랜지스터는 각각 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드를 통해 전달되는 과전압을 소모하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로.
According to paragraph 1,
The input/output port protection circuit of the microcontroller training kit, characterized in that the PNP transistor and the NPN transistor consume overvoltage transmitted through the first diode and the second diode, respectively.
상기 PNP 트랜지스터의 베이스 전압(Vb1)은 베이스와 에미터 사이의 오프셋 전압(VBE1)을 고려하여 하기 수학식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로.
여기서, Vcc는 전원의 전압이고, VD1은 제1 다이오드의 오프셋 전압임
According to paragraph 1,
The input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit, characterized in that the base voltage (Vb1) of the PNP transistor is determined by the following equation in consideration of the offset voltage (VBE1) between the base and emitter.
Here, Vcc is the voltage of the power supply, and VD1 is the offset voltage of the first diode.
상기 NPN 트랜지스터의 베이스 전압(Vb2)는 베이스와 에미터 사이의 오프셋 전압(VBE2)를 고려하여 하기 수학식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로.
여기서, VD2는 제2 다이오드의 오프셋 전압임
According to paragraph 1,
The input/output port protection circuit of the microcontroller practice kit, characterized in that the base voltage (Vb2) of the NPN transistor is determined by the following equation in consideration of the offset voltage (VBE2) between the base and emitter.
Here, VD2 is the offset voltage of the second diode
상기 PNP 트랜지스터 및 상기 NPN 트랜지스터의 베이스 전류에 의하여 베이스 전압이 영향을 받지 않기 위하여, 하기 수학식의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 실습키트의 입출력 포트 보호 회로.
여기서, Vcc는 전원의 전압이고, R1, R2 및 R3는 각각 제1 저항, 제2 저항 및 제3 저항이고, Ic1은 PNP 트랜지스터(21)의 컬렉터 전류이고, β1은 PNP 트랜지스터(21)의 전류 증폭률이고, Ic2는 NPN 트랜지스터(22)의 컬렉터 전류이고, β2는 NPN 트랜지스터(22)의 전류 증폭률임According to paragraph 1,
An input/output port protection circuit of a microcontroller practice kit, characterized in that it satisfies the conditions of the following equation so that the base voltage is not affected by the base currents of the PNP transistor and the NPN transistor.
Here, Vcc is the voltage of the power supply, R1, R2 and R3 are the first resistor, the second resistor and the third resistor, respectively, Ic1 is the collector current of the PNP transistor 21, and β1 is the current of the PNP transistor 21. is the amplification factor, Ic2 is the collector current of the NPN transistor 22, and β2 is the current amplification factor of the NPN transistor 22.
Priority Applications (1)
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Patent Citations (1)
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