KR20010102416A - 분리된 버스 시스템 및 이를 포함하는 자동차 시스템 및이를 제공하는 방법 - Google Patents

분리된 버스 시스템 및 이를 포함하는 자동차 시스템 및이를 제공하는 방법 Download PDF

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브레디우스마티즌
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롤페스 요하네스 게라투스 알베르투스
코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

전류-제한형 저-임피던스 복귀 경로는 분리된 버스 시스템과 이 분리된 버스 시스템을 제공하는 주 공급 간에 제공된다. 바람직한 실시예에서는, 접지 전위에서의 입력을 갖는 전압 팔로워 회로는 제어된 제로-전압을 분리 변압기의 부하 측 상의 중앙-탭에 공급한다. 이 전압 팔로워 회로는 비밸런스된 통신 신호에 대해 저 임피던스 경로를 제공하나, 쇼트-회로 전류에 대해 고 임피던스 또는 전류-제한형 경로를 제공하도록 구성된다. 이런 방식에서는, 주 공급과 분리된 버스 시스템 간의 기생 전류에 의해 발생되는 공통 모드 전압 변화가 저 임피던스 경로를 이러한 전류에 제공함으로써 최소화되며, 분리도 쇼트-회로 전류에 고 임피던스 경로를 제공함으로써 유지된다.

Description

분리된 버스 시스템 및 이를 포함하는 자동차 시스템 및 이를 제공하는 방법{EMI REDUCTION FOR ISOLATED BUS SYSTEMS}
분리된 전력-버스 시스템은 통상 구성 요소 시스템(a component system)을 전력 소스로부터 분리시키기 위해 사용된다. 가령, 전자 디바이스는 종종 전압 강하 및 주 전력 소스로부터의 전압 분리의 이중 목적을 제공하는 전력 변압기를 포함한다. 구성 요소 전원을 주 전압 소스로부터 분리시킴으로써, 버스 와이어는 버스 와이어로부터 공급 전압 및 전지 전위으로의 쇼트에 민감하지 않게 된다.
가령 라디오, 텔레비젼 등과 같은 몇몇 시스템은 실질적으로 독립적으로 동작한다. 그러나, 많은 시스템이 다른 디바이스 및 시스템과 통신하며 동작하며, 그들 중 몇몇은 주 전력 소스로부터 동작된다. 그러나, 이러한 디바이스 간의 통신은 두 디바이스 간의 전류 경로를 생성하게 된다. 만약 두 디바이스 간의 데이터 경로가 완전하게 밸런스가 맞지 않다면, 전류는 한 쪽 디바이스에서 다른 쪽 디바이스로 이동하게 된다. 만약 디바이스 중의 하나는 분리된 시스템 내에 존재하고, 다른 디바이스는 주, 비-분리된 시스템(primary, non-isolated system)에 내에 존재한다면, 전류는 통상 두 시스템 간의 고-임피던스 기생 경로를 경유하여 되돌아 간다. 비록 통신 신호와 관련된 차 전류(difference current)가 통상 매우 작을 지라도, 고-임피던스 경로는 분리된 구성 요소 상에 공통-모드 전압을 야기하며, 이 공통-모드 전압 전위는 전자기 간섭(electromagnetic interference(EMI))에 대한 소스가 된다. 분리된 버스 상의 구성 요소와 주 전원 공급 시스템 상의 디바이스 간에 저-임피던스 복귀 경로를 제공하는 것은 이러한 공통-모드 전압을 감소시킬 수 있으나, 그러한 저-임피던스 경로는 분리 버스의 목적을 상실하게 한다. 분리된 시스템과 주 공급 시스템의 와이어 간의 쇼트는 저-임피던스 복귀 경로를 경유하여 "분리된" 구성 요소 및 버스를 통하는 상당한 양의 쇼트 회로 전류를 발생하게 할 수 있다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 분리된 버스 상의 공통-모드 전압 전위를 감소시키는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 제공된 분리에 실질적인 영향을 주지 않으면서 공통-모드 전압 전위를 감소시키는 것이다.
이러한 목적 및 다른 목적은 분리된 버스 시스템과 이 분리된 버스 시스템을 제공하는 주 전원 간의 전류-제안형 저-임피던스 복귀 경로(a current-limited low-impedance return path)를 제공함으로써 성취된다. 바람직한 실시예에서, 접지 전위에서의 입력을 갖는 전압 팔로워 회로(a voltage follower circuit)가 제어된 제로-전압을 분리 변압기의 부하 측 상의 중앙-탭(center-tap)에 공급한다. 이러한 전압 팔로워 회로는 비밸런스된 통신 신호(unbalanced communication signals)에 대한 저-임피던스 경로를 제공하는 한편, 고-임피던스 경로 혹은 전류-제한형 경로를 쇼트-회로 전류에 제공하도록 구성된다. 이런 방식으로, 주 공급과 분리된 버스 시스템 간의 기생 전류에 의해 야기되는 공통모드 전압 변화는 이들 전류에 대한 저-임피던스 경로를 제공함으로써 최소화되며, 분리는 쇼트 회로 전류에 대한 고-임피던스 경로를 제공함으로써 유지된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 실시예에 의해 보다 더 상세하게 설명된다.
본 발명은 전자 시스템에 관한 것이며, 특히 분리된 전력-버스 시스템(isolated power-bus system)을 사용하는 전자 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제어된 제로-전압 소스를 갖는 분리된 버스 시스템의 실시예의 블륵도.
도 2는 본 발명에 따른 전류-제한 제로-전압 소스의 실시예의 블록도.
도면 전반에 걸쳐, 동일한 참조 부호는 유사한 또는 대응하는 피쳐 또는 기능을 표시한다.
도 1은 본 발명에 따른 제어된 제어-전압 소스를 갖는 분리된 버스 시스템의 실시예의 블록도이다. 주 전력 소스(110)는 분리 변압기(an isolationtransformer)(120)의 공급 레일(120A)에 에너지를 제공하며, 전자기적으로 접속된 부하 코일(120B)은 분리된 버스 시스템(100)에 유도된 전압을 제공한다. 전압 조정기(a voltage regulator)(130)는 직류 전압 및 전류를 하나 또는 그 이상의 구성 요소(140)에 제공한다. 분리 변압기는 구성 요소(140)가 분리된 버스 시스템(100)과 주 공급 소스(110)의 와이어 간의 전위 쇼트에 의존하지 않고 작동되도록 하게 한다. 분리된 버스 시스템(100)은 주 전력 소스(110)로의 직접적인 전류 경로를 갖지 않는 모든 구성 요소(130,140,120B 등)를 포함한다.
본 발명은 임의의 분리된 버스 시스템에 적용될 수 있지만, 본 명세서에는 이해를 쉽게 하도록 자동차 전기 시스템이 본 발명의 패러다임으로서 사용된다. 자동차 시스템의 주 전력 소스(110)는 차량 접지 전위에 대한 공칭(nominal) 12 볼트 DC 전위를 제공하는 교류발전기/배터리 시스템(alternator/battery system)이다. 공급 코일(120A)로의 입력은 통상 주 전력 소스에 의해 전력이 공급되는 발진기에 의해 제공되며, 엔진이 동작할 때 에너지를 배터리 및 차량 구성 요소에 제공하는 차량 내의 교류발전기로부터의 AC 출력이 될 수 있다. 구성 요소(140)는 에어백 전개 시스템(airbag deployment system)(140)과 차량 접지 또는 차량 DC 전위에서의 와이어 간의 쇼트에 무관하게 동작될 수 있게 해주는 분리된 버스 시스템(100) 내에서 동작되는 그 에어백 전개 시스템(140)이 될 수 있다. 참조를 쉽게 하기 위해서, 용어 "공급-전위"는 이후부터 차량 접지 전위 또는 차량 DC 전위를 의미한다.
구성 요소(140)는 가령 가속도계, 안전 벨트 센서 등과 같은 센서 및 다른시스템으로부터의 신호를 평가하는 가령 프로세싱 디바이스와 같은 다른 디바이스로부터의 통신을 수신한다. 이들 다른 디바이스 중의 일부 또는 모두는 주, 비-분리된 전력 소스(primary,non-isolated power source)(110)를 사용할 것이며, 도 1에서는 차동 신호 소스(150)로 도시된다. 차동 시그널링(differential signaling)은 잡음에 강하고 비-분리된 시스템(110) 및 분리된 시스템(100) 간의 총 전류 전달이 최소가 되기 때문에 선호된다. 이상적으로는, 차동 입력의 한 분기에서의 전류(I1)는 다른 분기에서의 전류(I2)와 방향은 반대이고 양은 같아서 순 전류 전달은 제로가 된다. 그러나, 실제로는, 차 전류(I1-I2)가 존재하여 분리된 시스템(100)과 비분리된 시스템(110) 간의 전류 루프를 발생시킨다. 전술한 바 대로, 이러한 전류는 분리된 시스템 전자기 간섭 방사를 증가시키는데, 그 이유는 그것이, 이러한 전류가 통과하는 의도하지 않은 기생 경로와 관련된 고-임피던스로 인해, 분리된 시스템(100)의 구성 요소 상의 공통모드 전압 변화로 나타나기 때문이다. 이러한 고-임피던스는 도 1에서 분리 변압기(120)의 부하 코일(120B)의 중앙-탭을 비분리된 전력 소스(110)의 접지 전위(101)에 접속시키는 저항 R1(190)으로 표현된다. 이와 같이 분리된 버스 시스템(100) 내의 특정 지점에 결합된 벌크 저항 R1(190)으로서 기생 저항을 표현하는 것이 도시를 쉽게 하기 위한 것임을 본 기술의 당업자는 이해할 것이다. 통상적인 시스템에서는, 기생 경로가 형성될 것이라는 것을 인식하고, 도시된 바처럼 별개의 저항 구성 요소 R1(190)가 분리된 버스 시스템에 기준 전위를 제공하고 미지의(unknown) 기생 경로 모델 대신 특성화가능한(characterizable) 복귀 경로 모델을 제공하기 위해 종종 제공된다.이 저항 구성 요소 R1(190)는 분리된 버스 시스템(100) 및 주 전압 소스(110) 간의 필요한 분리를 유지하기 위해 아주 높은 임피던스(메가-옴)를 갖는다. 전술한 바처럼, 통상적인 시스템에서 이 저항 R1(190)의 임피던스는 분리된 버스 시스템(100)의 전자기 민감성(electromagnetic susceptibility)을 감소시키기 위해 저감될 수 있으나, 이는 또한 분리된 버스 시스템(100)과 주 전압 소스(100) 간의 분리의 정도를 감소시킬 것이다. 통상적으로, 고주파수 전류에 저 임피던스를 제공하기 위해 캐패시터가 저항(190)에 병렬로 제공되지만, 이러한 해결책은 저 임피던스를 보다 낮은 주파수 전류에 제공하기 위해 매우 큰 캐패시터를 필요로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 최소의 전류 상태 하에서는 저 임피던스 전류 경로를, 보다 높은 전류 상태 하에서는 고 임피던스 전류 경로를 제공할 수 있는 컨덕턴스 디바이스가 사용된다. 바람직하게는, 분리된 버스 시스템(100)의 "중앙 전압 전위"에서 주 전압 소스(100)까지의 전류 경로가 제공된다. 주 소스(110) 내의 노드의 선택은 다소 임의적이며, 접지 전위(101)는 본 발명의 실시를 쉽게 하도록 선택된다. 전압 디바이더 네트워크와 같은 다른 구성이 분리된 버스 시스템(100)의 중간 지점 전압(midpoint voltage)에서 또는 그 근처에서 존재하는 분리된 버스 시스템(100) 내의 노드를 제공하는데 또한 사용될 수 있으나, 분리 시스템 중앙 전위는 분리된 변압기(120)의 중앙 탭에 제공되는 것이 편리하다는 것은 본 기술의 당업자에게는 본 개시를 봄으로써 자명할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 분리 변압기(120)에 의해 제공된 쇼트-회로 분리를 방지하지 않으면서, 분리 변압기(120)의 부하 코일(120B)의 중앙 탭에서의전위를 접지 전위(101)로 유지하기 위해 제어된 제로-전압 소스(200)가 제공된다. 제어된 제로-전압 소스(200)는 주 시스템(110) 내의 구성 요소(150)과 분리된 시스템(100) 내의 구성 요소(140) 간의 신호 전류의 비밸런스에 의해 유도되는 차 전류(I1-I2)의 복귀에 저 임피던스 경로를 제공한다. 이 차 전류(I1-I2)는 고 임피던스 경로 R1(190)를 통과하지 못하기 때문에, 고 공통모드 전압은 유도되지 않아 전자기 간섭에 대한 전위가 감소된다. 제어된 제로-전압 소스(200)는 쇼트-회로 전류와 같은 큰 전류에 고 임피던스 전류 경로를 제공하여 필요한 쇼트-회로 분리 장점을 유지하도록 구성된다. 최소 전류 상태 하에서의 전류에 저 임피던스 경로를 제공하며 더 높은 전류 상태 하에서의 전류에 고 임피던스를 제공하는 컨덕턴스 디바이스(200)를 제공하기 위해, 본 개시 내에서 통상의 다양한 기술이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전류-제한형 제로-전압 소스(200)의 실시예의 회로도이다. 소스(200)는 입력으로서 접지 전위(101)를 갖는 전압 팔로워로 구성되는 비교 회로(210)를 포함한다. 비교 회로(210)는 트랜지스터(221,222) 및 다이오드(231,232)를 포함하는 전류 제한기 회로(current limiter circuit)를 제어한다. 포지티브 전류 차(I1-I2)는 Vout(201)에서의 전위를 상승시키려 하며, 한편 비교 회로(210)는 트랜지스터(222)를 턴 온이 되게 함으로써 포지티브 전류 차(I1-I2)를 효과적인 저 임피던스 경로를 통해 싱크(sink)하고 Vout(201) 전위를 접지 전위(101)로 유지한다. 같은 방식으로, 네거티브 전류 차(I1-I2)는 Vout(201)에서의 전위를 저감시키려 하고, 한편 비교 회로(210)와 트랜지스터-다이오드 결합(221-231)이 이 차 전류(I1-I2)를 공급함으로써, Vout(201) 전위를 접지 전위(101)로 유지한다. 트랜지스터(221,222)는 또한 Vout(201)에 인가되거나 싱크된 전류의 양을 제한한다. 이런 방식으로, 분리된 버스 시스템(100)은 주 시스템(110)에서 쇼트된다면, 소스(200)를 통과할 수 있는 쇼트-회로 전류는 제한되며, 이로써 분리 변압기(120)의 필요한 분리 보호를 실질적으로 유지할 수 있게 된다.
전술한 내용들은 단지 본 발명의 원리를 설명한다. 본 명세서에서는 분명하게 기술되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 범주 및 정신 내에 있으며 본 발명의 원리를 구현하는 다른 구성도 가능하다는 것을 본 기술의 당업자는 이해할 것이다. 가령, 제로-전압 소스(200)는 분리된 버스 시스템(100)에 의해 전력이 공급되도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서는, 전압 팔로워의 출력은 접지 전위(101)에 접속되며 입력은 중앙탭 Vout(201)에 접속되도록 소스(200)의 입출력이 바꾸어진다. 이러한 방식에서는, 주 공급(110) 상의 네거티브 전압 공급이 필요하지 않게 된다. 다음 청구 범위의 범주 내에 포함되는 이러한 시스템 구성 및 다른 시스템 구성 및 최적화 특징은 본 개시를 봄으로써 본 기술의 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (10)

  1. 분리된 버스 시스템으로서,
    공급 코일(120A) 및 부하 코일(120B)━상기 부하 코일은 하나 또는 그 이상의 구성 요소(140)에 분리된 전력-버스 시스템(100)을 제공함━을 갖는 분리 변압기(120)와,
    상기 공급 코일(120A)에 동작가능하게 접속되어, 상기 공급 코일(120A)에 주 전압을 제공하도록 구성되는 주-전압 소스(110)와,
    상기 분리된 전력-버스 시스템(100)으로부터 상기 주-전압 소스(110)와 관련된 공급-전위(101)로의 전류 경로를 제공하는 컨덕턴스 디바이스(200)를 포함하되,
    상기 전류 경로는 상기 전류 경로와 관련된 전류 부하에 의존하여 변하는 임피던스를 가지며, 이로써 저-임피던스 경로가 신호 전류(I1-I2)에 제공되며 고-임피던스 경로가 쇼트-회로 전류에 제공되는 분리된 버스 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 코일(120B)은 제 1 탭 및 제 2 탭 및 중앙 탭을 가지며,
    상기 분리된 전력-버스 시스템(100)은 상기 제 1 및 제 2 탭에 접속되며,
    상기 컨덕턴스 디바이스(200)는 상기 중앙 탭으로부터 상기 공급-전위(101)로의 전류 경로를 제공하는 분리된 버스 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 컨덕턴스 디바이스(200)는 상기 공급-전위(101)에 접속된 입력 및 상기 중앙 탭에 접속된 출력을 갖는 전류-제한형 전압-팔로워 회로(a current-limited voltage-follower circuit)를 포함하는 분리된 버스 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류-제한형 전압-팔로워 회로는 상기 컨덕턴스 디바이스(200)의 출력에 접속된 출력을 갖는 전류-제한 회로(221,231,222,232)를 제어하는 출력과, 상기 공급-전위(101)에 접속된 제 1 입력과, 상기 컨덕턴스 디바이스(200)의 출력에 접속된 제 2 입력을 갖는 전압 비교기(210)를 포함하는 분리된 버스 시스템.
  5. 자동차 시스템으로서,
    공급-전위(101)를 갖는 주 전압 시스템(110)과,
    상기 주 전압 시스템(110)으로부터 에너지를 받아 이로부터 상기 공급-전위(101)와는 실질적으로 전기적으로 분리된 2차(secondary) 전위를 제공하도록 구성된 분리 시스템(100)을 포함하되,
    상기 분리 시스템(100)은 상기 2차 전위로부터 상기 공급-전위(101)로의 전류 경로를 제공하도록 구성되어, 상기 전류 경로와 관련된 전류 부하에 의존하여 변하는 임피던스를 갖는 컨덕턴스 디바이스(200)를 포함하고, 이에 의해 저-임피던스 경로가 신호 전류(I1-I2)에 제공되고 고-임피던스 경로가 쇼트-회로 전류에 제공되는 자동차 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 2차 전위로부터 에너지를 수신하는 구성 요소 디바이스(140)를 더 포함하며, 상기 구성 요소 디바이스는 이에 의해 자신과 상기 공급-전위(101) 간의 쇼트-회로로부터 실질적으로 절연되는 자동차 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 분리 시스템은 공급 코일(120A) 및 부하 코일(120B)을 갖는 분리 변압기(120)를 포함하며,
    상기 부하 코일(120B)은 제 1 탭 및 제 2 탭 및 중앙 탭을 가지며,
    상기 제 2의 전위는 상기 제 1 및 제 2 탭을 경유하여 공급되며,
    상기 컨덕턴스 디바이스(200)는 상기 중앙 탭으로부터 상기 공급-전위(101)로의 전류 경로를 제공하는 자동차 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 컨덕턴스 디바이스(200)는 상기 공급-전위(101)에 접속된 입력 및 상기 중앙 탭에 접속된 출력을 갖는 전류-제한형 전압-팔로워 회로를 포함하는 자동차 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류-제한형 전압-팔로워 회로는 상기 컨덕턴스 디바이스(200)의 출력에 접속되는 출력을 갖는 전류-제한 회로(221,231,222,232)를 제어하는 출력과, 상기 공급-전위(101)에 접속된 제 1 입력과, 상기 컨덕턴스 디바이스(200)의 출력에 접속된 제 2 입력을 갖는 전압 비교기(210)를 포함하는 자동차 시스템.
  10. 분리된 버스-시스템(100)을 제공하는 방법으로서,
    주 전압으로부터 2차 전압━상기 2차 전압은 상기 주 전압으로부터 실질적으로 전기적으로 분리됨━의 생성을 인에이블(120)하는 단계와,
    통신 신호에 대한 상기 2차 전압과 상기 주 전압 간의 저-임피던스 경로를 인에이블(200)하는 단계와,
    쇼트-회로 전류에 대한 상기 2차 전압과 상기 주 전압 간의 고-임피던스 경로를 인에이블(200)하는 단계를 포함하는 분리된 버스 시스템의 제공 방법.
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