KR20010041291A

KR20010041291A - 전자 제어 유닛을 위한 전원 공급장치

Info

Publication number: KR20010041291A
Application number: KR1020007009391A
Authority: KR
Inventors: 데이비어스게리레이몬드
Original assignee: 루카스 인더스트리스 퍼블릭 리미티드 컴퍼니
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2001-05-15
Also published as: DE69919134T2; US6614134B1; DE69919134D1; WO1999044269A1; EP1057237A1; GB2334634A; GB2334634B; EP1057237B1; JP2002505568A; GB9803720D0; ES2226333T3

Abstract

본 발명은 일시적으로 전원 공급이 중단되는 동안, 공급 전원의 유지를 위해 커패시터를 사용하여 충전을 유지하는 ECU용 전원 공급장치를 개시하며, 커패시터에 저장된 에너지가 상승될 수 있도록 커패시터를 충전하는데 사용되는 전압을 공급 전원 레벨 이상으로 상승시키기 위한 전하 펌프(charge pump; 24)가 제공된다.

Description

전자 제어 유닛을 위한 전원 공급장치 {POWER SUPPLIES FOR ECUs}

마이크로프로세서는 예를 들어, 차량의 전자 서보 제동 시스템(electronic servo braking system), 차량의 앤티록 제동 시스템(antilock braking system), 차량의 엔진 제어 시스템, 차량의 능동 현가 시스템(active suspension system), 차량 점화 시스템(ignition system) 등 안전을 결정하는(safety-critical) 제어 시스템에 널리 사용되고 있다.

차량의 제어기가 매우 정밀한 전원 공급장치를 채택하는 것이 일반적이기 때문에, 이러한 제어기는 자신의 동작 환경에 의해 제어기 내에서 발생되거나 또는 제어기로 전달되는 전기 잡음에 대해 높은 내잡음성(immunity)을 갖도록 배치되는 것이 중요하다.

ECU 제어기로 공급되는 전압은 예측할 수 없으며, 높은 에너지의 매우 일시적인 또는 장기간의 장애로 인한 많은 글리치(glitch) 및 스파이크(spike)가 포함될 수 있다. 이들 장애는 전원 공급장치 내의 잡음을 지속시키며, 상기 ECU 전원 공급장치가 이러한 잡음을 극복하는데 적합하지 않은 경우, ECU는 예측 불가능한 결과를 발생하며, 시스템 및 차량을 열화시킬 수 있다.

차량의 전기 시스템에서 잡음원은 팬(fan), 계전기(relay), 유도성 (inductive) 부하를 통과하는 전류의 급속한 변화(스파이크), 배터리 소스 임피던스를 통한 높은 과도전압(글리치), 교류 발전기(alternator)와 시동기의 모터 잡음, 및 점화 회로 잡음과 같은 여러 가지 소스로부터 발생될 수 있다. ECU 전원 공급장치는 이들의 최악의 (잡음) 조건 내에서 견뎌 낼뿐만 아니라 동작하도록 설계되어야 한다.

예를 들면, 실제 상황에서, 제어기는 (정상적인 12 볼트로부터) 7.000 볼트로 연속적으로 서서히 떨어질 수 있도록, 그리고 전압이 순간적으로 0으로 떨어지고 이따금 해당 레벨을 유지하며 이후 7.000 볼트로 다시 상승하는 전원 공급이 중단되는 상태 동안에 ECU로의 전원이 공급될 수 있도록 설계될 수 있다. 제어기는 이러한 중단 중에도 정상적으로 작용할 필요가 있으며, 전원 공급장치가 "유지(hold-up)" 능력을 가질 것이 요구된다.

상기 제어기의 전원 공급 장치에 대해 상기 유지 동작을 달성하는 종래의 방법은 첨부된 도면 중 도 1에 예시되며, 순방향 바이어스가 인가된 저지 다이오드(blocking diode; D₁)를 통해 배터리 전압 B⁺(예를 들면 12 볼트)에 연결되는 전압 조정기(10)의 입력을 도시하고 있다. 고전력 제너 다이오드(Z₁) 및 전해(electrolytic) 저장 커패시터(C₁)가 강하(low-drop) 전압 조정기(10)의 입력 및 타측 전원 공급 라인(12) 사이에 병렬로 연결되어 있다. 상기 B⁺라인은 전류 제한 저항(도시되지 않음)을 또한 통상적으로 포함한다. 상기 전압 조정기 출력은 라인(14) 상에 있으며 제어기 자신으로 통하게 된다(도시되지 않음).

이 회로는 상기 전해 커패시터(C₁) 내에 전하를 충전함으로써 전원 공급 중단을 극복하게 된다. 저장된 에너지(E)는 다음과 같이 주어진다:

E = 0.5 ·C ·V²

여기서 E의 단위는 주울(Jule)이며, C의 단위는 패럿(Farad), V의 단위는 볼트이다.

상기 식은 다음과 같이 전개될 수 있다:

E = 0.5 ·C ·(V₁- V₂)²

여기서, V₁은 전압 공급 중단 전의 커패시터 시동 전압, V₂는 전압 조정기가 조정을 끝낸 후의 커패시터 말단 전압이다.

이 회로의 동작이 성공적으로 수행되도록, 커패시터(C₁)는 낮은 시동 전압, 예를 들어 엔진이 작동 중인 경우로부터 전압 공급 중단을 극복하는데 충분하도록 물리적으로 크기가 커야 한다. 커패시터의 정격 전압은 적어도 제너 다이오드(Z₁)의 클램프 전압(clamp voltage)이 되어야 한다. 또한, 커패시터의 정격 정전용량은 (V₁- V₂)가 작아짐에 따라 커야 한다. 따라서, 정전용량 값, 및 커패시터의 물리적 크기는 공급 전압이 떨어짐에 따라 증가하여야 한다. 상수값인 소정 에너지에 대해, 상기 정전용량(C)은 2E/V²이어야 한다.

이로 인해 물리적으로 크기가 큰 커패시터가 요구된다.

본 발명은 전자 제어 유닛/제어기(ECU) 역할을 하는 마이크로프로세서용 전원 공급장치에 관한 것으로, 특히 원하지 않는 전원 공급 중단이 발생하는 경우 ECU의 보수유지 문제에 관한 것이다.

도 1은 원하지 않는 전원 공급 장애를 해결하기 위해 전압 조정기에 사용되는 종래의 회로의 간략화된 회로도이다.

도 2는 본 발명에 따른 ECU 공급 전압 회로의 일 실시예의 회로도이다.

도 3은 도 2의 회로의 동작에 따른 다수의 특성 곡선을 예시하고 있다.

본 발명의 목적은 커패시터의 물리적 크기가 주어진 성능에 대해 소형화될 수 있는 회로를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따르면, 커패시터를 충전시키는데 사용되는 전압을 증가시켜 상기 커패시터의 저장 에너지가 증가되게 하는 수단이 제공된다.

상기 커패시터는 상기 공급 전압 이상의 레벨로 연속해서 충전되도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 전압을 증가시키는 수단은 전하 펌프, 예를 들어, n차 전압 멀티플라이어(multiplier)인 것이 바람직하다.

상기 충전된 커패시터는 조정기 입력 전압이 전압 공급의 중단으로 인해 기설정된 레벨로 떨어지는 경우 상기 전압 조정기의 입력에 선택적으로 연결되어, 그 후에 조정기 입력 전압이 상기 전압 공급 중단이 끝날 때까지 해당 레벨로 실질적으로 및 바람직하게 일정하게 유지되도록 구성되는 것이 바람직하다.

바람직한 일 실시예에서, 조정기로의 입력 전압에 따라 좌우되는 전압은 비교기로 입력되며, 상기 비교기의 출력은 상기 조정기 입력에 상기 충전된 커패시터를 연결하는 경로의 도통을 제어한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이후 추가로 기술되며 단지 예시를 위한 것으로 이에 국한되는 것은 아니다.

이하 도 2를 참조하면, 회로는 다이오드(D₁) 및 입력 라인(16)을 경유하여 B⁺배터리 공급 전압에 연결되는 종래의 전압 조정기(10)를 다시 포함한다. 전압 조정기는 라인(18)에 의해 다른 전압 공급 라인(12)에 연결된다. 상기 전압 공급 라인(12, 16) 사이에 연결되는 저항(R₁, R₂)은 전압 분배기(voltage divider)를 형성하고, 이들 저항의 상호 연결은 연산 증폭기(op-amp)의 제1 입력(-)에 연결되며, 상기 연산 증폭기는 기준 전압(Vref)에 연결되는 제2 입력(+)을 갖는 비교기(20)를 형성한다. 상기 비교기(20)의 출력은 먼저 자신의 제1 입력(-)에 다시 연결되며 또한 저항(R₄)을 경유하여 트랜지스터(Tr₁)의 베이스에 연결된다. 상기 트랜지스터 (Tr₁)의 이미터는 상기 공급 라인(12)에 연결되고 자신의 컬렉터는 저항(R₅)을 경유하여 다른 트랜지스터(Tr₂)의 베이스에 연결되며, 다른 트랜지스터(Tr₂)의 컬렉터는 상기 공급 라인(16)에 연결되고 그 이미터는 라인(22)에 의해 일종의 전하 펌프, 이 예에서는 n차 전압 멀티플라이어(24)에 연결된다. 상기 트랜지스터(Tr₂)의 베이스 및 이미터는 저항(R₆)에 의해 연결된다. 이 회로는 다음과 같이 동작한다.

라인(16) 상에서 조정기로의 전압 입력으로의 정상적인 동작이 자신의 드롭아웃(drop-out) 전압 이상인 동안, 트랜지스터(Tr₂)는 비도통(오프)된다. 상기 전하 펌프(24)는 상기 n차 전압 멀티플라이어를 사용하는 경우 n ×B⁺인 전압에 대응하여, 자신의 정규 정격 작동 전압까지 상기 커패시터(C₂)를 연속적으로 충전하도록 동작한다. 따라서 상기 커패시터(C₂)는 상기 B⁺레벨 이상의 전압을 유지한다. 트랜지스터(Tr₂)는 조정기(10)로의 라인(16) 상의 전압이 자신의 임계값 이상으로 되는 시점에 오프된다. 하지만, 상기 B⁺전압 공급에 장애가 발생하는 경우, 저항들 (R₁, R₂) 사이에 인가된 상기 연산 증폭기(20)로의 입력 전압이 트랜지스터(Tr₁)를 경유하여 트랜지스터(Tr₂)를 제어함으로써, 상기 조정기(10)(라인 16)로의 입력 상의 전압을 자신의 드롭아웃 전압 레벨 이상으로 유지하는데 충분하게 된다. 따라서, 전압 조정기로의 입력 공급 전압을 감시하는 효과가 있고, 전압이 자신의 임계값 이하에 도달하거나 또는 떨어지는 경우, 자신의 동작 상태를 유지하도록 상기 조정기로의 입력에 커패시터(C₂) 내의 충전 전하를 연결하는 효과가 있다. 저항들 (R₁, R₂및 R₃)은 상기 연산 증폭기(20)의 임계값과 이득을 제어한다. 예시된 실시예에서, 커패시터(C₂)는 상기 연산 증폭기(20) 및 트랜지스터(Tr₁, Tr₂)의 전압 분배기(R₁, R₂)에 의해 형성되는 능동 소자에 의해 효율적으로 제어되어, 고정 전압 레벨―여기서 고정 전압 레벨은 최적의 회로 성능을 위해 흔히 상기 조정기의 최악의 "드롭아웃 전압" 바로 이상임―에서 조정기 입력을 유지하게 된다. 하지만, 보다 간단한 예(도시되지 않음)에서, 상기 커패시터(C2)는 자신의 저장된 전하를 상기 조정기 입력에 연결하기 위해 순간 저임피던스 스위칭 방식(instantaneous low impedance switching method)을 통해 간단히 연결될 수 있다.

예시된 실시예에서, 도 1의 종래 회로와 비교하면, 본 발명에 따른 회로는 보다 높은 전압으로 충전되기 때문에 주어진 커패시터의 물리적인 크기에 대해 보다 장기간 지속되는 전압 공급 중단에 대응할 수 있으며, 전압의 제곱에 따라 비례하는 저장된 에너지는 다음과 같이 전술한 에너지 식으로부터 명백하다:

E = 0.5 ·C ·V²

상기 커패시터는 항상 전하를 저장하고 있고 자신의 최대 저장 정전용량으로 또는 이에 근접하게 동작하기 때문에, 및 상기 조정기에 사용될 수 있는 동작 전압이 커패시터의 작용 전압에 근접하기 때문에, 상당한 동작 개선이 이루어진다.

도 3은 공급 전압(B⁺)이 시간(t₁)에서 완전히 제거되기 경우 도 2의 회로의 동작을 예시하고 있다. 처음에는, 라인(16) 상의 조정기로의 입력은 V₁이며, 다이오드(D₁)에 의한 전압 강하에 의해 상기 공급 전압(B⁺)보다 낮아진다. 조정기(10)의 출력은 Vr로 일정하다. 공급 전압(B⁺)이 시간(t₁)에서 0으로 떨어지는 경우, 상기 회로는 더 이상의 전하가 상기 조정기에서 사용되지 않고 입력되지 않는 시간(T₂)까지 라인(16) 상의 전압을 조정기의 드롭아웃 전압 이상인 V₂로 유지하도록 동작함으로써, 자신의 출력은 0으로 떨어진다. 상기 회로의 작용에 의해, t₂에서 t₁까지의 시간 구간은 상기 회로의 전압 상승 작용 없이 사용될 수 있는 동일한 시간 구간에 비해 상당히 증가된다. 실제 동작 과정에서, 전압 공급 중단은 지속되지 않고 시간(t₂) 이전에 양호하게 복귀된다. 이후 조정기(10)의 출력 중단은 발생하지 않게 된다.

본 발명과 관련된 다수의 장점은 다음과 같다.

1) 도 1과 같은 구성으로 기술된 종래 방식과 동일한 성능을 제공하는 ECU에서 사용되는 커패시터의 물리적 크기가 동일한 전해 커패시터 구성을 사용하는 경우에 작아진다.

2) 온도에 따른 ESR 변화 문제가 최소화된다.

3) ECU의 비용이 줄어든다.

4) 상기 시스템은 동일한 종류의 전해 커패시터가 사용되는 경우 전압 공급 중단을 보다 용이하게 처리할 수 있다.

5) 크기가 큰 커패시터는 ECU 내에 확실하게 장착하기 어려울 수 있다; 본 발명에 따른 방식이 보다 강력하다.

6) 제너 다이오드 클램프 전압을 거치지 않아도 되므로 커패시터의 정격 작동 전압이 낮아질 수 있다.

7) 보다 크기가 작은 커패시터가 표면 장착(surface mount)에 사용될 수 있으므로 ECU의 조립 시간은 줄어든다; 종래 기술의 방식은 커패시터의 수동 납땜(soldering)을 필요로 할 수 있다.

8) 회로에 장착되는데 사용되는 인쇄회로기판이 완전하게 표면 장착될 수 있다; 커패시터를 조립하기 위한 도금 관통홀이 불필요하다.

9) 상기 방식은 비전해 커패시터를 사용하는 것이 가능하며, 다른 재료로 이루어지는 커패시터는 장시간의 수명, 화학적 내구성, 온도, 보다 큰 전하밀도(charge density)와 같은 중요한 장점을 가질 수 있다.

10) ECU는 낮은 배터리 전압으로 전압 공급 중단을 해결할 수 있다.

11) 비극성 커패시터가 사용될 수 있다.

12) 커패시터 동작 전압 및 정격 작동 전압이 커패시터의 최대 저장 용량과 동일하게 사용될 수 있다.

Claims

ECU용 전압 공급 회로에 있어서,

일시적인 공급 중단 중에 상기 공급을 유지하기 위해 충전을 유지하도록 커패시터를 사용하며,

상기 커패시터 내에 저장된 에너지가 상승될 수 있도록 상기 공급 전압 이상의 레벨로 상기 커패시터를 충전시키는 전압을 증가시키는 수단이 제공되는

전압 공급 회로.
제1항에 있어서,

상기 커패시터가 상기 공급 전압 이상의 레벨로 연속적으로 충전되는 전압 공급 회로.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 충전된 커패시터는 조정기 입력 전압이 전압 공급의 중단으로 인해 기설정된 레벨로 떨어지는 경우 상기 전압 조정기의 입력에 선택적으로 연결되어, 그 후에 조정기 입력 전압이 상기 전압 공급 중단이 끝날 때까지 거의 해당 레벨로 유지되도록 구성되는 전압 공급 회로.
제3항에 있어서,

상기 조정기의 입력 전압에 따라 좌우되는 전압이 비교기에 입력되며, 상기 비교기의 출력은 상기 충전된 커패시터를 상기 조정기 입력에 연결하는 경로의 도통을 제어하는 전압 공급 회로.
제4항에 있어서,

그 도통이 제어될 수 있는 상기 경로가 상기 비교기의 출력에 연결되는 트랜지스터를 포함하는 전압 공급 회로.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전압을 증가시키는 수단이 전하 펌프인 전압 공급 회로.
제6항에 있어서,

상기 전압을 증가시키는 수단이 n차 전압 멀티플라이어인 전압 공급 회로.
첨부된 도면 중 도 2 및 도 3을 참조하여 지금까지 개신된 것 및 예시된 도 2 및 도 3에 예시된 것과 거의 같은 ECU용 전압 공급 회로.