KR20020043345A - 온/오프 시간제어가 가능한 히컵 모드 과전류 보호회로 - Google Patents

온/오프 시간제어가 가능한 히컵 모드 과전류 보호회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로에 관련된 것으로서, 과부하 및 출력단락 상태에서의 온/오프타임(On/ Off Time) 발진동작의 히컵 모드(Hiccup Mode)에 의해 최대전류를 제한하여 과전류로부터 스위칭소자(트랜지스터)의 손실을 막기위한 보호회로에 관한 것이다. 본 발명은, 입력단과 제1스위칭소자 사이에 연결된 전류검출용 저항, 상기 전류검출용 저항에 걸리는 전압을 제1기준전압과 비교하는 제1비교수단, 상기 전류검출용 저항에 걸리는 전압을 제2기준전압과 비교하는 제2비교수단, 상기 제1비교수단의 출력에 의해 온타임 발진동작하는 제1멀티바이브레이터, 상기 제1멀티바이브레이터의 출력에 의해 오프타임 발진동작하는 제2멀티바이브레이터, 상기 제2멀티바이브레이터의 출력에 의해 스위칭되며, 제1스위칭소자의 게이트 및 제2비교수단의 출력에 연결된 제2스위칭소자를 포함하여 구성된다.

Description

온/오프 시간제어가 가능한 히컵 모드 과전류 보호회로 {Hiccup Mode overcurrent protective circuit for On/Off Time control}
본 발명은 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로에 관련된 것으로서, 과부하 및 출력단락 상태에서의 온/오프타임(On/Off Time) 발진동작의 히컵 모드(Hiccup Mode)에 의해 최대전류를 제한하여 과전류로부터 스위칭소자(트랜지스터)의 손실을 막기위한 보호회로에 관한 것이다.
본 발명에서의 배경기술이 되는 유니트로드(Unitrode, 상표명임)사의 UC3833의 동작원리는 도1과 같이 구성된다.
도1 회로의 일반적인 동작을 살펴보면, 입력전압(Vin)은 R1과 R2에 의해 분압되어 UC3833의 E/A단자에 인가된다. 인가된 전압은 내부 기준전압(2V REF)과 비교되고, 증폭기(1)에 의해 증폭되어 SINK단자의 전류를 제어함으로써 출력전압을 일정하게 유지시킨다. 그러나 과부하 및 출력단락 상태에서는, Rsense의 검출전압이 증가하여 100mV 이상이 되면, 비교기(3)의 출력으로부터 내부 타이머회로 (Ct, Rt의 시정수로 주파수 결정)가 동작을 시작하며, 또한, 연속적인 단락상태에서의 시간제어를 통하여 바이패스 트랜지스터(BYPASS TRANSISTOR)의 손실을 감소시킨다. 그리고 검출전압이 증가하여 130mV 이상이 되면, 비교기(5)의 출력으로부터 SINK단자의 전류공급을 제한하여 출력전류를 유지시키게 된다.
상기에서 서술한 유니트로드(Unitrode, 상표명임)사 UC3833은 저드롭아웃 제어기(Low DropOut(LDO) Controller)로서, 저드롭아웃 제어기 IC는 외부패스 트랜지스터(External Pass Transistor)를 사용하는 저드롭아웃 선형 레귤레이터를 위해 요구되는 모든 기능을 포함하고 있으며, 패스 트랜지스터(Pass Transistor)의 선택에 의해서 작은 입력전압으로 높은 전류를 제공할 수 있다. 또한, 저드롭아웃 제어기는 배터리의 수명을 최대화하고 전원의 오버헤드(overhead)를 줄이는데도 도움을 준다.
하지만, 상기에서 서술한 UC3833은 첫째, IC화된 패키지상태이므로 응용범위의 확대가 어려우며, 둘째, IC의 입력 허용전압 이상에서의 응용과 출력제어에서의 응용이 어렵다는 문제점을 갖고 있다.
본 발명의 목적은, 상기의 문제점을 해결하기 위하여 과부하 및 출력단락상태의 과전류보호에 광범위하게 응용할 수 있는 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로를 제공하는 것이다.
도1은 유니트로드(Unitrode)사 UC3833의 내부 회로도
도2는 본 발명의 회로구성의 개요도
도3은 본 발명의 구체화한 내부 회로도
도4는 온/오프 타임(On/Off Time) 동작특성 구성도
<도면부호의 설명>
증폭기(1), 비교기(3, 5, 19, 21), UC3833(7), 스위칭소자(11, 27, 31), 저항(13, 33, 35, 37, 39), 기준전압(Vref1(15), Vref2(17)), 멀티바이브레이터 발진기(23, 25), 제너 다이오드(29), 온타임 발진동작부(100), 오프타임 발진동작부(200), 정전압 동작부(300), 온타임(On Time) 출력펄스폭(600), 오프타임(Off Time) 출력펄스폭(700)
발명의 개요
본 발명은 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로로서, 도2를 참조하여 회로의 구성을 설명한다.
본 발명은 입력전압(Vin)이 인가되는 입력단으로부터 출력단으로 흐르는 전류를 일정한 값으로 제어하기 위한 제1스위칭소자(Q1)의 스위칭을 제어하는 회로로서, 입력단과 제1스위칭소자(Q1) 사이에 연결되어 입력단에서 출력단으로 흐르는 전류의 크기에 비례하여 양단전압이 상승되는 전류검출용 저항(R), 상기 전류검출용 저항(R)에 걸리는 전압(Vs)을 소정의 제1기준전압(Vref1)과 비교하는 제1비교수단(COMP1), 상기 전류검출용 저항(R)에 걸리는 전압(Vs)을 제1기준전압(Vref1)보다 큰 소정의 제2기준전압(Vref2)과 비교하는 제2비교수단(COMP2), 상기 제1비교수단 (COMP1)의 출력에 의해 이네이블되어 온타임(On Time) 발진동작하는 제1멀티바이브레이터(M1), 상기 제1멀티바이브레이터(M1)의 출력에 의해 이네이블되어 오프타임(Off Time) 발진동작하는 제2멀티바이브레이터(M2), 상기 제2멀티바이브레이터(M2)의 출력에 의해 스위칭되며, 콜렉터가 제1스위칭소자(Q1)의 게이트 및 제2비교수단 (COMP2)의 출력에 연결된 제2스위칭소자(Q2)를 포함하여 구성된다.
이와같이 구성된 회로의 동작은 다음과 같다.
도2의 회로에서, 상기 전류검출용 저항(R)에 걸리는 전압(Vs)이 제1기준전압 (Vref1)보다 커지면 상기 제1비교수단(COMP1)의 출력으로부터 제1멀티바이브레이터 (M1)에 이네이블되며, 상승에지전압에 의해 제1멀티바이브레이터(M1)가 온타임(On Time) 발진동작을 시작한다. 그리고 제1멀티바이브레이터(M1)가 일정 펄스폭으로 온타임(On Time) 발진동작 후에 하강되면, 제2멀티바이브레이터(M2)는 제1멀티바이브레이터(M1)의 출력에 의한 하강에지전압에 의해서 오프타임(Off Time) 발진동작을 시작하며, 이와같은 온/오프타임(On/Off Time) 발진동작으로 히컵 모드(Hiccup Mode)가 발생된다. 그리고 제2멀티바이브레이터(M2)의 출력에 의한 상기 제2스위칭소자(Q2)는 제1스위칭소자(Q1)의 스위칭을 제어하고, 만일, 상기 전류검출용 저항(R)에 걸리는 전압(Vs)이 제2기준전압(Vref2)보다 커지면 상기 제2비교수단 (COMP2)의 출력에 의해 상기 제1스위칭소자(Q1)가 제어되어 제1스위칭소자(Q1)를 흐르는 전류가 제한된다. 이와같은 회로동작으로, 과전류로부터 제1스위칭소자(Q1)를 보호할 수 있다.
실시예
본 발명에 따른, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로의 실시예를 도3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도3의 회로에서 보는 바와 같이, 입력전압(Vin=48V)으로부터 R9(37)와 R14 (39)의 제1전압분배수단에 의해서 상기 제1기준전압(Vref166mV)을 얻을 수 있으며, 입력전압(Vin=48V)으로부터 R4(33)와 R7(35)의 제2전압분배수단에 의해서 상기 제2기준전압(Vref285mV)을 얻을 수 있다.
또한, 입력전압(Vin)의 변동이 있더라도 정전압동작(300)을 통해서 상기 제1, 제2전압분배수단에 의해서 발생하는 제1기준전압(Vref1)과 제2기준전압
(Vref2)을 일정하게 유지한다. 상기의 정전압동작(300)은 입력전압을 일정 전압으로 클램핑하는 제너다이오드(29)를 통해서 이루어진다.
그리고 도2에서의 제1비교수단(COMP1)은 제1기준전압 (Vref1)이 비반전입력단(+)에 입력되고, 전류검출용 저항(13)에 걸리는 전압(Vs)이 반전입력단(-)에 입력되는 OP앰프를 이용한 비교기(19) LM2904N을 사용하였으며, 제2비교수단(COMP2)은 제2기준전압(Vref2)이 비반전입력단(+)에 입력되고, 전류검출용 저항(13)에 걸리는 전압(Vs)이 반전입력단(-)에 입력되는 OP앰프를 이용한 비교기(21) LM2904N을사용하였다.
그리고 제3스위칭소자(31)는 제1비교기(19)의 출력에 의해 동작하며 제1멀티바이브레이터(23)의 이네이블단자를 구동하기 위한 것이고, 제1멀티바이브레이터
(23)은 제3스위칭소자(31)의 콜렉터로부터 상승에지전압이 인가되는 (+T)트리거입력단과 제2멀티바이브레이터(25)로 하강에지전압을 인가하는 출력단(Q)으로 구성되어 있으며, 제2멀티바이브레이터(25)는 제1멀티바이브레이터(23)의 출력단(Q)으로부터 하강에지전압이 인가되는 (-T)트리거입력단과 제2스위칭소자(27)의 베이스로출력되는 출력단(Q)으로 구성되어 있으며, 제1, 제2멀티바이브레이터(23, 25)는 14538을 사용하였다.
도3의 회로에서의 동작은 다음과 같다.
입력전압(Vin)은 정전압동작(300) 특성을 갖는 제너다이오드(29)에 의해서 일정하게 유지되어 제1비교기(19)와 제2비교기(21)에 인가되는 제1, 제2기준전압 (Vref1, Vref2)이 변동되지 않도록 한다. 회로에서 과부하 및 출력단락 상태가 발생하여 입력전압(Vin)과 출력전압(Vout) 사이의 전류가 증가하면, 전류검출용 저항(13)에서의 전압이 상승되며 상승된 전압(Vs)은 제1비교기(19)의 6번 핀과 제2비교기(21)의 2번 핀인 반전 입력단으로 인가된다. 여기서, 입력전압(Vin)으로부터 R9(37)와 R14(39), R4(33)와 R7(35)의 전압분배에 의해 얻어진 제1, 제2기준전압 (Vref1, Vref2)과 상승된 전압(Vs)과의 비교에 의해서 나타나는 동작특성은 도4에 나타난 바와 같다.
첫째, 상승된 전압(Vs)이 제1기준전압(Vref1)보다 작은 경우에는 과부하가 일어나지 않으므로, 제1기준전압(Vref1)하에서의 회로동작이 이루어진다.
둘째, 상승된 전압(Vs)이 제1기준전압(Vref1) 이상이며 제2기준전압(Vref2)보다 작은 경우에는, 상승된 전압(Vs)이 제1기준전압(Vref1) 이상에서의 제1비교기 (19) 출력단 7번 핀에서의 출력은 하강되며, 이는 제3스위칭소자(31)를 동작시킨다. 그리고 제3스위칭소자(31)의 동작에 의해 제1멀티바이브레이터(23)의 (+T)트리거입력단 4번 핀으로 상승에지전압이 인가되며, 도3의 온타임(On Time) 발진동작부(100)인 제1멀티바이브레이터(23)에 의해 도4에 나타난 바와같이 전류(I10.32A)에서 온타임(On Time) 발진동작이 시작된다. 그리고 제1멀티바이브레이터(23)가 일정 펄스폭으로 온타임(On Time) 동작후에 출력단 6번 핀의 출력이 하강되면, 제2멀티바이브레이터(25)의 (-T)트리거입력단 11번 핀으로 하강에지전압이 인가되며, 도3의 오프타임(Off Time) 발진동작부(200)인 제2멀티바이브레이터(25)에 의해 도4에 나타난 바와같이 전류(I20.42A)에서 오프타임(Off Time) 발진동작이 시작된다.
상기에서 서술한 바와같이 본 발명에 따르면, 제1, 제2멀티바이브레이터(23, 25)의 온/오프타임(On/Off Time) 발진동작인 히컵 모드(Hiccup Mode)를 통하여 회로상에서의 과전류를 보호하게 된다. 그리고 본 발명에 따른 회로실험결과, 회로상에서 멀티바이브레이터를 2단으로 구성한 이유는 멀티바이브레이터를 1단으로 구성한 상태에서는 제2스위칭소자(27)의 드라이브에 문제가 있으며, 멀티바이브레이터의 출력 제어신호가 제2비교기(21)의 응답특성에 영향을 받아 회로의 동작이 멀티바이브레이터의 출력펄스에 의존하지 않는 현상이 발생하기 때문이다. 또한, 상기에서 진술한 플립플롭(Flip-Flop)회로인 멀티바이브레이터는 일정한 펄스폭의 직사각형 펄스를 발생하는 회로로서, 리트리거 및 리셋이 가능한 소자로 입력펄스의 상승부 또는 하강부의 어느쪽에서나 트리거할 수 있으며, 넓은 펄스폭의 범위에 걸쳐 정확한 출력펄스를 얻을 수 있고 출력펄스의 지속시간과 정확도는 외부 타이밍소자 (Cx, Rx)에 의해서 결정된다.
본 발명에 따른 회로에서는, 회로의 특성상 출력에 전달되는 온타임(On Time)은 짧게, 오프타임(Off Time)은 길게하여야 하며, 본 발명의 회로에서의 시정수에 의한 출력 펄스폭()은 다음과 같이 계산된다. 제1멀티바이브레이터(23)의 시정수에 의한 온타임(On Time) 출력 펄스폭()(600)은 (R=10K) * (C=0.1F) = 1mS 이며, 제2멀티바이브레이터(25)의 시정수에 의한 오프타임(Off Time) 출력 펄스폭()(700)은 (R=100K) * (C=1F) = 100mS 가 된다.
그리고, 실제 회로동작에 있어서의 제어신호는 온타임(On Time) 주기와 오프타임(Off Time) 주기 양쪽을 변환시키는 방법을 사용하였다. 이와같은 방법은, 각각의 시정수를 따로 계산해야 하는 번거로움이 있지만 전체주기(주파수)를 조정할 수 있는 잇점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 회로에서의 펄스폭은 온타임(On Time) 발진동작 펄스폭은 1mS이고 오프타임(Off Time) 발진동작 펄스폭은 100mS이며, 전체주기는 101mS의 주기로 온/오프타임(On/Off Time) 발진동작을 반복한다고 볼 수 있다.
그리고 세째, 도4에서 보는 바와 같이 히컵 모드(Hiccup Mode)의 온타임(On Time) 동작구간에서, 상승된 전압(Vs)이 제2기준전압(Vref2) 이상인 경우에는, 제2멀티바이브레이터(25)의 출력으로부터 스위칭되는 제2스위칭소자(27) 대신에 제1비교기(21) 출력에 의해 제1스위칭소자(11)의 최대전류가 제한되어 제1스위칭소자 (11)를 과전류로부터 보호할 수 있게 된다.
그리고 과부하 및 출력단락 상태가 해제되면, 전류 검출저항(13)의 전압은 하강되고, 제1비교기(19) 출력단 7번 핀의 출력이 상승되며, 이는 제3스위칭소자 (31) 동작의 차단으로 제1, 제2멀티바이브레이터(23, 25)의 온/오프타임(On/OffTime) 발진동작이 멈춰지게 되며, 이때는 도4에 나타난 바와같이 제1기준전압 (Vref1) 하에서의 일반적인 회로동작이 이루어지게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류보호회로의 구체적인 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 앞에서 설명한 실시예에 한정되어 실시될 수 있는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 기초로하여 여러가지로 변형실시할 수 있을 것이다.
이상에서와 같이 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로에 따르면, 선형 전원공급장치(Linear Power Supply), 스위칭모드 전원공급장치(SMPS(Switching Mode Power Supply)) 등의 과전류 보호회로에 광범위하게 응용할 수 있으며, 또한, 회로를 하이브리드(Hybrid)화하여 사용하면 크기의 경감으로 UC3833의 기능대체가 가능하므로 수입대체 효과도 가져올 수 있다.

Claims (7)

  1. 입력전압이 인가되는 입력단으로부터 출력단으로 흐르는 전류를 일정한 값으로 제어하기 위한 제1스위칭소자의 스위칭을 제어하는 회로가,
    입력단과 제1스위칭소자 사이에 연결되어, 입력단에서 출력단으로 흐르는 전류의 크기에 비례하여 양단전압이 상승되는 전류검출용 저항,
    상기 전류검출용 저항에 걸리는 전압을 소정의 제1기준전압과 비교하는 제1비교수단,
    상기 전류검출용 저항에 걸리는 전압을 제1기준전압보다 큰 소정의 제2기준전압과 비교하는 제2비교수단,
    상기 제1비교수단의 출력에 의해 이네이블되어 온타임 발진동작하는 제1멀티바이브레이터,
    상기 제1멀티바이브레이터의 출력에 의해 이네이블되어 오프타임 발진동작하는 제2멀티바이브레이터,
    상기 제2멀티바이브레이터의 출력에 의해 스위칭되며, 콜렉터가 제1스위칭소자의 게이트 및 제2비교수단의 출력에 연결된 제2스위칭소자로 구성되어,
    상기 전류검출용 저항의 전압이 제1기준전압보다 커지면 상기 제1비교수단의 출력으로부터 제1멀티바이브레이터에 이네이블되어 상승에지전압에 의해 제1멀티바이브레이터가 온타임 발진동작 하고, 제1멀티바이브레이터가 일정 펄스폭으로 온타임 발진동작 후에 하강되면 제2멀티바이브레이터는 제1멀티바이브레이터의 출력에의한 하강에지전압에 의해서 오프타임 동작으로 히컵모드가 발생되며, 제2멀티바이브레이터의 출력에 의한 상기 제2스위칭소자가 제1스위칭소자의 스위칭을 제어하고, 상기 전류검출용 저항의 전압이 제2기준전압보다 커지면 상기 제2비교수단의 출력에 의해 상기 제1스위칭소자가 제어되어 제1스위칭소자를 흐르는 전류가 제한되는 것을 특징으로 하는, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로.
  2. 청구항 1에서,
    입력전압으로부터 상기 제1기준전압을 얻는 제1전압분배수단과,
    입력전압으로부터 상기 제2기준전압을 얻는 제2전압분배수단이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로.
  3. 청구항 2에서, 입력전압의 변동이 있더라도 상기 제1, 제2전압분배수단에서 발생하는 제1기준전압과 제2기준전압을 일정하게 유지하기 위한 정전압수단이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드
    (Hiccup Mode) 과전류 보호회로.
  4. 청구항 3에서, 정전압수단은 입력전압을 일정 전압으로 클램핑하는 제너다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로.
  5. 청구항 1에서, 제1비교수단의 출력에 의해 동작하여 제1멀티바이브레이터의 이네이블단자를 구동하기 위한 제3스위칭소자가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로.
  6. 청구항 1에서,
    상기 제1비교수단은 제1기준전압이 비반전입력단에 입력되고 전류검출용 저항에 걸리는 전압이 반전입력단에 입력되는 OP앰프를 이용한 비교기이고,
    상기 제2비교수단은 제2기준전압이 비반전입력단에 입력되고 전류검출용 저항에 걸리는 전압이 반전입력단에 입력되는 OP앰프를 이용한 비교기인것을 특징으로 하는, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류 보호회로.
  7. 청구항 1에서,
    제1멀티바이브레이터는 제3스위칭소자의 콜렉터로부터 상승에지전압이 인가되는 트리거입력단과 제2멀티바이브레이터로 하강에지전압을 인가하는 출력단과,
    제2멀티바이브레이터는 제1멀티바이브레이터의 출력단으로부터 하강에지전압이 인가되는 트리거입력단과 제2스위칭소자의 베이스로 출력되는 출력단인 것을 특징으로 하는, 온/오프(On/Off) 시간제어가 가능한 히컵 모드(Hiccup Mode) 과전류보호회로.
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