KR20070049561A - 부하구동장치 - Google Patents

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KR20070049561A
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Abstract

구동회로의 제어하에서 반도체장치의 온/오프 스위칭을 통해 부하의 구동 및 정지를 제어하는 부하구동장치는 상기 반도체장치의 제1전극과 제2전극 사이에 전류가 흐를 때 발생하는 전극간 전압을 규정된 판정전압과 비교하고, 전극간 전압이 판정전압 보다 높을 때 반도체장치를 통해 과전류가 흐른다고 판정하는 과전류 검출유닛과, 반도체장치가 온-상태에 있는 상태에서 과전류 검출유닛이 정상적으로 동작하는지 여부에 관한 진단을 수행하는 진단유닛을 포함한다. 상기 과전류 검출유닛이 정상적으로 동작하지 않는다고 진단유닛이 판정하면, 판정유닛은 반도체장치를 턴오프하는 명령신호를 구동회로에 출력한다.

Description

부하구동장치{LOAD DRIVING DEVICE}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라서 자기-진단기능을 가지는 부하구동장치의 구성을 보여주는 회로도.
도 2는 제1실시예에 따른 부하구동장치의 다양한 제어신호들과 전압들의 변화들을 보여주는 타이밍도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따라서 자기-진단기능을 가지는 부하구동장치의 구성을 보여주는 회로도.
도 4는 제2실시예에 따른 부하구동장치의 다양한 제어신호들과 전압들의 변화를 보여주는 타이밍도.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따라서 자기-진단기능을 가지는 부하구동장치의 구성을 보여주는 회로도.
도 6은 제3실시예에 따른 부하구동장치의 다양한 제어신호들과 전압들의 변화를 보여주는 타이밍도.
도 7은 통상적인 부하구동장치의 구성을 보여주는 회로도.
본 발명은 과전류시에 회로를 차단하는 기능을 가지는 부하구동장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 과전류 검출기능에서 오류를 검출하는 자기진단기능을 가지는 부하구동장치에 관한 것이다.
예컨대, 램프 또는 모터와 같은 부하를 구동하기 위한 부하구동장치에서, 전자스위치로서 MOSFET가 배터리와 부하 사이에 제공되고 또한 부하 구동의 중단은 MOSFET의 턴온 또는 턴오프에 의해 제어된다. 과전류가 부하를 통해 흐를때 이를 즉시 감지하여 부하의 회로부품들과, MOSFET 및 전기적 배선들을 보호하는 과전류 보호기능이 제공된다.
도 7은 과전류 검출기능을 가지는 부하구동장치로 공지된 예시적인 회로이다.
도 7에 도시되어 있듯이, 배터리(VB), MOSFET(이후부터 "FET"라 칭함)(T101) 및 램프 또는 모터와 같은 부하(101)로 된 직렬회로가 상기 부하구동장치에 제공된다.
드라이버(102)가 FET(T101)의 게이트에 연결된다. 드라이버(102)로부터 구동신호가 출력되면, FET(101)가 턴온되어, 배터리(VB)의 출력전압이 부하(101)에 인가되어 부하를 구동한다.
FET(101)의 드레인(전압: V1)은 저항들(R101 및 R102)로 이루어진 직렬회로를 통해 접지되고, 저항들(R101 및 R102)의 연결점(전압 V4)은 비교기(CMP101)의 플러스-측 입력단자에 연결된다. FET(T101)의 소오스(전압 V2)는 비교기(CMP101)의 마이너스-측 입력단자에 연결된다. 도 7에서 참조기호 R102 아래 나타난 용어 "1K" 는, 저항(R101)의 저항값이 1㏀ 이라는 것을 의미한다. 그리고 동일한 방식이 다른 저항들에 적용된다. 즉, 저항(R102)의 저항값은 150㏀이다.
저항들(R103, R104 및 R105)은 저항(R102)과 병렬로 제공되고, 이들 저항값들은 각각 150㏀, 75㏀ 및 37.5㏀에 설정된다. 저항들(R103, R104 및 R105)은 FET(T102, T103 및 T104)를 통해 접지된다.
다음에, 상기와 같이 구성된 부하구동장치의 동작을 설명한다. 드라이버(102)로부터 구동신호가 출력되면, FET(T101)이 턴온되어, 전류(ID)가 배터리(VB), FET(T101) 및 부하(101)의 경로를 따라 흐른다. 부하(101)는 이러한 방식으로 전력을 공급받아 구동한다. FET의 드레인(제1전극)의 전압(V1)과 소오스(제2전극)의 전압(V2) 간의 차이인 전압(VDS)(전극간 전압)은 부하전류(ID)와 FET(T101)의 온-저항(Ron)의 곱이다. 즉, 식(1)은 다음을 만족한다.
VDS = V1 - V2 = Ron*ID ........(1)
저항(Ron)이 일정하기 때문에, 전압(VDS)은 부하전류(ID)에 비례해 변한다. 따라서, 전압(VDS)의 크기를 감시함으로써 부하전류(ID)가 과전류인지 여부를 판단할 수 있다. 이는 다음과 같은 방식으로 이루어진다. 저항(R101)에 걸친 전압(V1 - V4)은 판정전압으로 설정된다. 전압(VDS)이 판정전압(V1 - V4) 보다 크게 될 때, 즉 FET(T101)의 소오스전압(V2)이 전압(V4) 보다 낮아지게 될 때, 비교기(CMP101)의 출력신호의 반전을 통해 과전류의 출현을 검출한다.
FET들(T102-T104) 모두가 오프되면, 전압(V4)은 저항들(R101 및 R102) 간의 전압(V1)을 나눔으로써 얻게되는 전압과 동일하게 된다. 정상 상태에서 FET(T101) 의 온-저항은 보통 약 5mΩ 이고 부하전류(ID)는 약 10 A 이기 때문에, 드레인-소오스 전압(VDS)은 정상상태에서 약 50 mV와 같게 된다. 이러한 사실을 근거로, 전압(V1 - V4)이 약 100 mV가 되게 되도록 전압(V4)이 설정된다. 도 7의 예에서, V1=14.5 V 이면, 전압(V1 - V4)은 다음의 식(2)에 의해 주어진다.
V1 - 4V = V1*R101/(R101+R102)
= 14.5*1/(1+150)
= 96(mV) .................... (2)
상기의 설정으로, 정규상태에서 관계 V4<V2 가 유지된다. 만일 과전류가 발생하고 또한 전압(V2)가 감소하여 관계 V4>V2를 확립하게 되면, 비교기(CMP101)의 출력신호가 반전된다. 과전류의 출현은 이러한 반전을 검출함으로 검출된다.
부하(101)의 구동이 개시되면 돌입전류(rush current)가 흐른다. 돌입전류가 과전류로서 잘못 판정되는 것을 막기 위하여, FET들(T102-T104)에 제어신호(A1-A3)을 공급함으로써 판정전압(V1 - V4)의 변경제어가 수행된다. 예컨대, FET(T102)가 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)은 거의 2배가 된다. 만일 FET(T103)가 부가적으로 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)은 거의 4배가 된다. 만일 FET(T104)가 더 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)은 원래 값보다 약 8배 크게 된다. 이러한 방식으로 FET들(T102-T104)을 제어하는 것은, 돌입전류 또는 부하전류(ID)의 정규 변화로 인해 회로가 잘못 인터럽트 되는 이러한 문제점을 피할 수 있도록 한다.
상기 회로구성에서, 만일 FET들(T102-T104) 중에서 적어도 하나에서 실패상 태(on-failure)가 발생하면, 즉 FET들(T102-T104)중 적어도 하나가 오프가 되어야만 하나 소정의 이유로 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)은 정규 상태에서도 그 정상상태 값 보다 2배 이상 커지게 된다. 정상동작에서, 모든 FET들(T102-T104)이 오프상태를 유지하도록 제어가 수행된다. 그러나, 예컨대 실패상태로 인해 FET(T102)가 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)은 FET(T102)이 오프되었을 때 얻을 수 있는 전압보다 거의 두 배가 되게 된다.
만일 이러한 상태에서 과전류가 발생하면, 전압(VDS)가 표준 판정값보다 크다고 하더라도 과전류가 검출될 수 없다(즉, 전압(VDS)가, 모든 FET들(T102-T1040이 오프되었을 때 설정되는 판정전압을 초과한다.). 적절한 검출이 이루어질 수 없고 또한 FET(T101)가 파괴되거나 또는 회선들이 탈 수 있다.
FET들(T102-T104) 중 하나 또는 몇몇에서 실패상태가 발생하더라도, 돌입전류의 경우를 포함한 정상동작에서 흐르는 부하전류(ID)가 관련되는 한 비-에러적인 동작을 야기시키기 때문에 실패는 발견될 수 없다. 단락회로(short-circuiting) 등으로 인해 실제로 과전류가 발생한 이후에만 실패를 발견한다. 즉, FET들(T102-T104) 중 하나 또는 몇몇에서 실패상태가 발생하면, 단락회로 등으로 인해 실제로 과전류가 발생하기 전까지 실패가 나타나지 않는다. 이러한 상황은 장애 시 안전(fail-safe)의 관점에서 보면 바람직하지 않다.
상기에서 설명하였듯이, 통상적인 부하구동장치에는, 부하를 통해 흐르는 과전류(전류 ID)를 즉시 검출하는 기능뿐만 아니라 돌입전류와 같은 정규상태에서 흐르는 전류의 잘못된 검출을 방지하기 위한 저항들(R103-R105)과 FET(T102-T104)들 이 제공된다. 그러나, 통상적인 부하구동장치는, FET들(T102-T104) 중 하나에서 또는 몇몇에서 실패상대가 발생하는 과전류의 경우에도 회로가 신뢰성 있게 보호될 수 없다는 문제점을 가지고 있다.
과전류 보호회로는 판정전압설정을 위한 회로요소들 이외에도 회로요소들과 이들을 연결시키는 배선들을 가진다. 만일 이들 회로요소들과 배선들에 실패가 발생하면, 회로보호기능은 상실될 수 있다. 회로보호기능의 상실이 즉각 나타나지 않기 때문에, 실패가 나타나면 실패는 오랜 시간에 걸쳐 계속적으로 존재한다. 따라서, 과전류의 사고 가능성이 적다고 하더라도 과전류 사고의 경우에 회로는 보호받을 수 없을 수 있다.
본 발명은 상기의 본 기술분야의 문제를 해결하는 것이고, 따라서 본 발명의 목적은 과전류 검출/보호기능에서 비정상이 발생하였는지 여부에 관해 진단을 수행할 수 있는 자기-진단기능을 가지는 부하구동회로를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서, 구동회로의 제어하에서 반도체 장치의 온/오프 스위칭을 통해부하의 구동과 정지를 제어하기 위한 부하구동장치가 제공되는 바, 상기 장치는:
반도체장치의 제1전극과 제2전극 사이에 전류가 흐를 때 발생하는 전극간 전압을 규정된 판정전압과 비교하고, 전극간 전압이 판정전압 보다 높을 때 반도체장치를 통해 과전류가 흐른다고 판정하는 과전류 검출유닛; 및
반도체장치가 온-상태에 있는 상태에서 과전류 검출유닛이 정상적으로 동작 하고 있는지에 관해 진단을 수행하는 진단유닛을 포함하고,
상기 진단유닛이, 과전류 검출유닛이 정상적으로 작동하지 않는다면 판단하면, 진단유닛이 반도체장치를 턴오프하라는 명령신호를 구동회로로 출력한다.
상기 구성에서, 반도체장치가 온-상태에 있는 동안에 과전류 검출유닛이 정상적으로 동작하는지에 관한 진단이 수행된다. 만일, 과전류 검출유닛에서 비정상이 발생했다고 판단되면, 반도체장치가 턴오프되어 부하의 구동을 정지한다. 이는, 과전류 검출유닛이 비정상성을 가지는 상태에서 부하의 구동이 계속된다는 문제를 방지해 줄 수 있다. 따라서, 과전류가 발생하면, 반도체장치를 차단함으로써 회로를 신뢰성 있게 보호할 수 있다.
바람직하게, 과전류 검출유닛은 전극간 전압을 판정전압과 비교하는 비교유닛을 포함한다. 과전류 검출유닛의 진단을 진단유닛이 수행하면, 정상 전류가 부하를 통해 흐를 때 얻게 되는 반도체장치의 전극간 전압 보다 작은 진단 판정전압으로 판정전압을 변경하기 위하여 스위칭하고, 전극간 전압이 진단 판정전압 보다 낮거나 동일한 것으로 비교유닛이 판정하면 비정상상태가 과전류 검출유닛에서 발생하였다는 것을 검출한다.
상기 구성에서, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단할 때, 전극간 전압과 비교하게 될 판정전압은 정규 판정전압 보다 낮은 진단 판정전압으로 변경된다. 따라서, 과전류 검출유닛에서 비정상이 발견되지 않는다면 비교유닛은 출력신호는 반전되고, 만일 과전류 검출유닛에서 비정상이 발생하면 반전되지 않는다. 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하였는지 여부는 비교유닛의 출력신호가 반전되었는지 여부를 판정함으로써 판정될 수 있다. 과도하게 작은 전류가 부하를 통해 흐르는지 여부를 검출할 수 있다.
바람직하게, 과전류 검출유닛은 전극간 전압을 판정전압과 비교하는 비교유닛을 포함한다. 진단유닛이 과전류 검출유닛의 진단을 수행하면, 진단유닛은 전극간 전압에 규정된 전압을 부가함으로써 부가전압을 생성하고, 비교유닛은 전극간 전압 대신에 부가전압을 판정전압과 비교한다. 부가전압이 판정전압 보다 낮거나 또는 동일하다가 비교유닛이 판정하면, 비정상상태가 과전류 검출유닛에서 발생하였다고 진단유닛은 판정한다.
상기 구성에서, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단할 때, 전극간 전압에 규정된 전압을 부가함으로써 얻게 되는 부가전압이 전극간 전압 대신에 비교유닛에 공급되고, 비교유닛은 부가전압과 판정전압을 비교한다. 따라서, 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하지 않았으면, 부가전압은 판정전압 보다 높아지고, 그러므로 비교유닛의 출력신호가 반전된다. 한편, 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하였다면, 비교유닛의 출력신호가 반전되지 않는다. 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하였는지 여부는 비교유닛의 출력신호가 반전되었는지 여부를 판정함을써 판정할 수 있다. 이러한 진단방법에서, 만일 부가전압이 표준 판정전압 보다 높거나 또는 동일하게 설정된다면, 부하전류가 과도하게 작다고 하더라도 과전류 검출유닛을 판정할 수 있다. 이러한 진단방법은, 열발생과 같은 문제를 야기시키는 요인이 아니기 때문에 과도하게 작은 부하전류의 경우에라도 반도체장치를 차단할 필요가 있다고 여기는 경우에도 적용할 수 있다. 제2실시예를 이와 같은 경우에 적 용한다.
바람직하게, 과전류 검출유닛은 전극간 전압을 판정전압과 비교하는 비교유닛을 포함한다. 진단유닛이 과전류 검출유닛의 진단을 수행하면, 부하를 통해 정상전류가 흐를 때 얻게 되는 반도체장치의 전극간 전압 보다 작은 진단 판정전압으로 판정전압을 변경시키기 위해 진단유닛을 스위칭하고, 전극간 전압에 규정된 전압을 부가함으로써 부가전압을 생성한다. 비교유닛은 전극간 전압 대신에 부가전압을 진단 판정전압과 비교한다. 부가전압이 진단 판정전압보다 낮거나 동일하다가 비교유닛이 판정하면 비정상상태가 과전류 검출유닛에서 발생하였다고 진단유닛은 판정한다.
상기 구성에서, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단하면, 판정전압은 정상 판정전압 보다 낮은 진단 판정전압으로 변경되고, 전극간 전압에 규정된 전압을 부가함으로써 얻게 되는 부가전압이 전극간 전압 대신에 비교유닛에 공급된다. 따라서, 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하지 않는다면 비교유닛의 출력신호는 반전되고, 만일 과전류 유닛에서 비정상상태가 발생한다면 반전되지 않는다. 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하였는지 여부는 비교유닛의 출력신호가 반전되었는지 여부를 판정함으로써 판정할 수 있다. 과도하게 작은 전류가 부하를 통해 흐르면, 비교유닛의 출력신호가 반전된다. 따라서, 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하였는지 여부만을 검출할 수 있다. 즉, 과도하게 작은 부하전류의 출현은 검출하지 않는다.
여기에서, 진단상태를 제외한 정상상태에서 판전정압 보다 전극간 전압이 높 다고 비교유닛을 판정할 때 과전류를 검출하는 기능을 과전류 검출유닛이 가지는 것이 바람직하다. 과전류 검출유닛은, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단하는 동안에 비교유닛의 출력을 근거로 과전류를 검출하는 기능을 비활성시키는 금지유닛(prohibiting unit)을 포함한다.
상기 구성에서, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단할 때, 금지유닛은 비교유닛의 출력신호를 근거로 하는 과전류 판정을 비활성시킨다. 이는, 진단 동안 비교유닛의 출력신호의 반전으로 야기되는 잘못된 과전류 검출을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 목적과 장점들은 첨부도면과 함께 바람직한 예시적인 실시예들을 상세히 설명함으로써 보다 명확하게 될 것이다.
이후, 본 발명의 실시예들을 첨부도면과 함께 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라서 자기-진단기능을 가지는 부하구동장치의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 1에 도시되어 있듯이, 이 부하구동장치는 일련의 배터리(VB)와, MOSFET(T1)(반도체장치, 이후 "FET"라 간략히 칭함), 및 램프 또는 모터와 같은 부하(1)를 구비한다.
드라이버(구동회로)(2)가 FET(T1)의 게이트에 연결된다. 드라이버(2)로부터 구동신호가 출력되면, FET(T1)가 턴온되어 배터리(VB)의 출력전압이 부하(1)에 공급되어 부하를 구동한다.
FET(T1)의 드레인(제1전극; 전압: V1)은 저항들(R1 및 R2)의 직렬회로를 통해 접지되고, 저항들(R1 및 R2)의 접속점(전압 V4)은 비교기(CMP1)의 플러스-측 입력단자에 연결된다. FET(T1)의 소오스(제2전극; 전압: V2)는 비교기(CMP1)의 마이너스-측 입력단자에 연결된다. 도 1에서 참조기호 R1 아래 용어 "1K"는 저항(R1)의 저항값이 1㏀ 이라는 것을 의미한다. 그리고, 동일하게 다른 저항들에도 적용된다. 즉, 저항 R2의 저항값은 600㏀이다.
두 개의 분기선들이 비교기(CMP1)의 출력단자를 분기한다. 한 분기선은 AND회로(AND1)(금지유닛)의 한 입력단자에 연결되고, 다른 분기선은 제어회로(3)(과전류 검출유닛, 진단유닛)에 연결된다. AND회로(AND1)의 다른 입력단자는 제어회로(3)에 연결된다.
저항들(R3, R4 및 R5)은 저항(R2)와 병렬로 제공되고, 이들은 저항값들은 각각 150㏀, 75㏀ 및 37.5㏀ 에 설정된다. 저항들(R3, R4 및 R5)은 FET들(T2, T3 및 T4)에 각각 접지된다.
저항(R21)은 저항(R2)에 병렬로 접속되고, FET(T5)를 통해 접지된다. 저항(R2 및 R21)의 저항값은 각각 600㏀ 및 200㏀이어서, 그러므로 이들의 결합저항(병렬접속)은 150㏀ 과 등가인데, 이는 도 7의 통상적인 장치의 저항(R102)의 저항값과 등가이다.
FET들(T2-T5)의 게이트들은 제어회로(3)에 연결되고, FET들(T2-T5)은 제어회로(3)로부터 출력되는 제어신호들(A1-A3)에 따라서 온/오프 제어된다.
다음에, 상기와 같이 구성된 부하구동회로의 동작을 설명한다.
<정상동작>
드라이버(2)로부터 구동신호가 출력되어 FET(T1)의 게이트에 공급되면, FET(T1)는 턴온되고 그리고 배터리(VB), FET(T1) 및 부하(1)의 경로를 따라 전류(ID)가 흐른다. 이러한 식으로 전력이 공급되어 부하(1)가 구동된다. FET(T1)의 드레인 전압(V1)과 소오스 전압(V2)의 차이인 전압(VDS)(전극간 전압)은 부하전류(ID)와 FET(T1)의 온-저항(Ron)의 곱이다. 배경기술에서 설명하였듯이 즉, 식 (1)이 유지된다.
VDS = V1 - V2 - Ron*ID ..............(1)
저항(Ron)이 일정하기 때문에, 전압(VDS)은 부하전류(ID)에 비례하여 변한다. 따라서, 전압(VDS)의 크기를 감시함으로써 부하전류(ID)가 과전류인지 여부를 판정할 수 있다. 이는 다음의 방식으로 이루어진다. 저항(R1)에 걸친 전압(V1 - V4)은 판정전압으로서 설정한다. 전압(VDS)이 전압(V1 - V4)보다 커지게 될 때, 즉 FET(T1)의 소오스전압(V2)이 전압(V4) 보다 낮아지게 될 때, 비교기(CMP1)의 출력신호의 반전을 통해 과전류의 출현을 검출한다.
모든 FET들(T2-T4)이 오프되고 또한 FET(T5)가 온되면, 전압(V4)은 저항(R1)(1㏀)과 저항들(R2 및 R21)(병렬접속)로 된 결합저항(150㏀) 간의 전압(V1)을 나눔으로써 얻게되는 전압과 동일하다. 정상상태에서 FET(T1)의 온-저항은 약 5mΩ이고 또한 부하전류(ID)는 약 10A 이기 때문에, 드레인-소오스전압(VDS)는 정상상태에서 약 50mV와 동일하다. 이러한 사실을 근거로, 판정전압(V1 - V4)이 약 100mV와 동일하게 되도록 전압(V4)이 설정된다. 도 1의 예에서, V1=14.5V 이면, 전 압(V1 - V4)은 식 (2)로 주어진다.
V1 - V4 =V1*R1/(R1 + R2//R21)
= 14.5*1/(1 + 150)
= 96(mV) .....................(2)
R2//R21 은, 저항들(R2 및 R21)(병렬접속)의 결합저항을 의미한다.
상기와 같은 설정으로, 정상상태에서 관계 V4<V2 가 유지된다. 만일 과전류가 발생하고 전압(V2)이 감소하여 관계 V4>V2를 확립하게 되면, 비교기(CMP1)의 출력신호는 반전된다. 이와 같은 반전을 검출함으로써 과전류의 출현을 검출한다. 비교기(CMP1)의 출력신호의 반전을 검출하면, 제어회로(3)는 FET(T1)를 턴오프시키는 명령신호를 드라이버(2)로 출력한다.
부하(1)의 구동이 시작되면 돌입전류가 흐른다. 돌입전류가 과전류로서 잘못 판정되는 것을 방지하기 위하여, 판정전압(V1 - V4)을 변경하는 제어가 FET들(T2-T4)로 제어회로(3)의 출력제어신호(A1-A3)에 의해 수행된다. 예컨대, 만일 FET(T2)가 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)은 거의 두 배가 된다. 만일 FET(T3)가 부가적으로 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)는 거의 네 배가 된다. 만일 FET(T4)가 더 턴온되면, 판정전압(V1 - V4)는 최초값 보다 약 여덟 배 더 커지게 된다. 이러한 방식으로 FET들(T2-T4)을 제어하는 것은, 부하전류(ID)의 돌입전류 또는 정상변화로 인해 회로가 잘못 중단되는 문제를 피할 수 있도록 해준다.
아래에서 특정한 동작을 설명한다. AND회로(AND1)의 한 입력단자에 공급되는 제어신호(B)가 H레벨이라 가정한다. 먼저, 만일 FET(T2-T4) 모두가 오프되고 FET(T5)가 온된 상태에서 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전되면, FET(T2-T4)들 모두가 턴온된다. 이 경우에 있어서, 판정전압(V1 - V4)은 정규상태값 보다 여덟 배 커지게 된다. 만일 이 상태에서 과전류가 여전히 검출된다면, 완전단락(dead short-circuiting) 등에 의해 너무 많은 과전류가 흐른다는 인지와 즉시 FET(T1)가 차단된다.
만일 판정전압(V1 - V4)을 초기상태값 보다 여덟 배 크게 만듦으로써 과전류가 더 이상 검출되지 않는다면(즉, 비교기(CMP1)의 출력신호가 초기상태로 복귀하면, 규정된 시간의 경과후에 FET(T4)만이 턴오프된다. 따라서, 판정전압(V1 - V4)은 초기상태값 보다 네 배 커지게 된다. 만일 이 상태에서 다시 과전류가 검출된다면, FET(T1)은 차단된다. 한편, 과전류가 검출되지 않는다면, 규정된 시간 경과 후에 FET(T3)가 턴오프되어, 판정전압(V1 - V4)은 초기상태값 보다 두 배 커지게 된다.
만일 이 상태에서 과전류가 다시 검출된다면, FET(T1)는 차단된다. 만일 과전류가 검출되지 않는다면, 규정된 시간 경과 후에 FET(T2)가 턴오프된다. 이 상태에서 과전류가 검출된다면 FET(T1)가 차단된다. 한편, 과전류가 검출되지 않는다면, 과전류가 돌입전류와 같은 정상전류변화에 의한 것이라는 인지로 현 상태가 유지된다. 즉, 부하(1)의 구동은 FET(T2-R4)를 오프상태로 유지하면서 지속된다.
FET들(T2-T4)은 상기의 방식으로 개별적으로 온/오프 제어되기 때문에, 완전단락의 경우에 흐를 수 있는 너무 큰 전류가 FET(T1)를 통해 흐르면, 회로는 즉각 차단(인터럽트)되어 FET(T1)와 부하(1)와 배선들을 보호할 수 있다. 게다가, 정상상태에서 발생할 수 있는 돌입전류와 같은 전류가 과전류가 판정되지 않아, 잘못된 차단(인터럽트)를 방지할 수 있다.
<진단 동작>
다음에, 과전류 검출회로에서 고장이 발생하였는지에 관한 진단의 동작을 설명한다. 도 2는 제어회로(3)로부터 출력되는 각각의 FET(T2-T5)에 대한 제어신호들과, AND회로(AND1)의 한 입력단자에 입력되는 제어신호(B)와 다양한 전압들의 변화를 보여주는 타이밍도이다. 도 2(a)는 제어신호(A1-A3)를 보여주고, 도 2(b)는 제어신호(B)를 보여주고, 도 2(c)는 제어신호(C)를 보여준다. 도 2(d)는 전압(V1)과, 전압(V2a)(후술함)과, 전압(V2)과, 전압(V4)과, 전압(V4a)(후술함)을 보여준다. 모든 제어신호들(A1-A3)이 오프되고(즉, L 레벨) 또한 판정전압이 표준상태에 있을 때 진단을 수행한다.
진단의 시작시에, 도 2(c)에 도시된 제어신호(C)의 레벨이 시간 t2에서 "H"에서 "L"로 스위치되어, AND회로(AND1)(금지유닛)DML 한 입력단자에 공급되는 신호의 레벨이 "L"로 된다. 따라서, AND회로(AND1)의 출력단자의 레벨은 "L"에 고정된다. 즉, 과전류 판정신호의 출력는 비교기(CMP1)에 의해 생성된다고 하더라도 금지된다.
이 상태에서, 도 2(c)에 도시된 제어신호(C)의 레벨은 시간 t2에서 "H"에서 "L"로 스위치되어, FET(T5)가 턴오프되고 또한 저항(R21)이 인터럽트된다. 저항들(R1 및 R2)의 직렬회로에 의해 전압(V4)이 발생하게 된다. 저항들(R2 및 R21)(병 렬접속)의 결합저항(150㏀)이 저항(R2)(600㏀)으로 스위칭되기 때문에, 판정전압(V1 - V4)은(진단 판정값으로) 급격히 감소한다. 즉, 도 2(d)에 도시된 바와 같이 전압(V4)이 급격히 증가한다. 전압(V4)은 전압(V2)을 초과하여, 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전된다. 이는, AND회로(AND1)가 과전류 판정신호를 출력하는 것을 금지당하고 있기 때문에, 과전류의 검출이 되지 않는다. 따라서, 과전류의 출현이 검출되지 않는다.
제어회로(3)는, 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전되었는지 여부를 검출한다. 만일 반전을 검출한다면, 제어회로(3)는, FET들(T2-R4)을 포함한 과전류 검출회로가 정상적으로 동작하고 있다고 판정한다. 제어신호(C)의 레벨은 시간 t3에서 "L"에서 "H"로 복귀하여, 전압(V4)는 전압(V2) 보다 낮아지게 된다(판정전압은 지난 판정값에서 정규 판정값으로 변한다). 제어신호(B)의 레벨은 시간 t4에서 "L"에서 "H"로 복귀하여, 정규 과전류 검출기능이 복원된다. 상기에서 기술한 진단기능은 시간 t1 에서 t4의 상기 조작을 순환적으로 수행함으로써 규정된 간격으로 수행된다.
FET들(T2-R4) 중 하나 이상에서 실패상태가 발생하면, 저항(R21)이 인터럽트되었다 하더라도 진단 동안에 저항들(R3-R5)중 하나 이상이 유효하게 된다. 저항들(R2-R5)(병렬접속)의 결합저항은 150㏀ 보다 작아지게 된다. 따라서, 전압(V4)는 정규동작에서의 값(즉, 저항들(R2 및 R21)이 병렬로 서로 접속되었을 때 얻는 값)보다 낮아지게 된다. 즉, 도 2(d)에 도시되어 있듯이, 이 상황에서 전압(V4)인 전압(V4a)은 저항(R2)이 유효할 때만 얻게되는 값보다 전압(Vx)만큼 낮아지게 된다. 따라서, 전압(V4a)은 전압(V2)를 초과하지 못하고 또한 비교기(CMP1)의 출력신호는 반전되지 않는다.
따라서, 비교기(CMP1)의 출력신호가 시간 t2 내지 t3의 주기에서 반전되지 않는다면, 제어회로(3)는, 과전류 검출회로가 기능하지 않는다고 판정할 수 있다. 만일 제어회로(3)가, 순환적으로 수행되는 시간 t1 내지 t4의 처리시간에서 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전되지 않는다는 것을 수차례(예컨대 3회) 연속적으로 검출하면, 제어회로(3)는, 과전류 검출회로가 확실히 기능장애라고 판정한다. 최악의 경우 차량화재를 일으킬 수 있는 이와 같은 문제를 방지하기 위하여, 제어회로(3)는 정지신호(stop signal)를 드라이버(2)로 출력하여, FET(T1)를 차단한다. 게다가, 제어회로(3)는 램프, 부저 등(도시되지 않음)을 사용하여 과전류 검출기능에서 비정상 상태의 발생을 알려줄 수 있다.
상기에서 기술하였듯이, 실시예에 따라 자기-진단기능을 가지는 부하구동장치에서, 정규상태에서 전압분할을 위한 저항(R102)(도 7참조)이 도 1에 도시된 바와 같이 저항들(R2 및 R21)의 병렬접속으로 대체되고, 이들의 결합저항은 저항(R102)의 저항과 동일하게 설정된다(150㏀). 진단 동안에, FET(R5)가 턴오프되어, 판정전압(V1 - V4)은 정규 판정전압 보다 작은 진단 판정전압이 되게 되고 또한 비교기(CMP1)의 출력신호는 반전된다.
상기 회로는 또한 부하(1)를 통해 흐르는 전류가 과도하게 작은 상태를 검출할 수 있다. 이를 아래에서 설명한다. 부하(1)를 통해 흐르는 전류(즉 부하전류 ID)가 소정의 이유로 인해 정규동작에서 보다 작게 되면, 전압(VDS)는 식 (1)에 따 라 낮아지게 된다. 즉, FET(T1)의 소오스전압(V2)(즉, 도 2(d)에 도시된 전압 V2a)은 정규상태에서 보다 커지게 된다. 이 경우에서, 전압(V4)는 FET(T5)가 턴오프되어 전압(V4)를 증가시킨다 하더라도 전압(V2a)을 초과하지 않는다. 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전되지 않기 때문에, 제어회로(3)는, 과전류 검출기능이 상실되었다고 판정한다. 이는, 부하(1)를 통해 흐르는 전류가 과도하게 작다는 비정상상태를, FET(T5)를 턴오프함으로써 판정전압(V1 - V4)을 표준상태 보다 낮게 만듦으로써 검출할 수 있다는 것을 나타낸다.
상기의 논의는 다음과 같이 해석할 수 있다. ΔV4를, FET(T5)가 턴오프되었을 때 발생하는 전압(V4)의 증가라 하자. 판정전압(V1 - V4)이 표준상태(즉, FET들(T2-T4)이 턴오프되도록 제어가 이루어짐)에 있게 되는 상태에서 만약 전압(V4)이 ΔV4 만큼 증가한다면 관계 (V1 - V4<VDS) 가 확립된다는 것을 확인하는 것은, 선로 장애 등으로 인해 전압(VDS)가 ΔV4 이상 증가할 때 과전류 검출기능이 확실히 동작한다는 것을 보장한다. 상기 설명에서, FET(T2-T4) 중 하나 이상에서 실패상태는 과전류 검출기능을 손상시키는 한 요인이다. 한편, 전압(V4)이 ΔV4 만큼 증가할 때 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전된다는 확인은, FET(T2-T4)들이 정상상태에 있을 뿐만 아니라 과전류 검출기능에 연류되는 모든 부품들과 선로들이 정상적으로 동작한다는 확증을 의미한다.
다음에, 본 발명의 제2실시예를 설명한다. 도 3은 제2실시예에 따른 부하구동장치의 구성을 보여주는 회로도이다. 이 실시예에 따른 회로는, 저항들(R6 및 R7)과 FET(T6)를 구비한다는 점을 제외하고는 도 1의 회로구성과 동일하다.
보다 상세히 설명하면, 제2실시예에 따른 부하구동장치에서, FET(T1)과 비교기(CMP1)의 마이너스-측 입력단자 사이에 저항(R6)이 제공되고, 저항(R7)과 FET(T6)로 된 직렬회로가 저항(R6)의 일단부와 접지 사이에 제공된다. FET(T6)의 게이트는 FET(T5)의 소오스에 연결된다.
다음에, 제2실시예의 동작을 설명한다. 정상상태에서, 제2실시예에 따른 부하구동장치는 제1실시예에 따른 것과 동일한 방식으로 동작한다. 도 4의 타이밍도를 참조하여 진단동작을 아래에서 설명한다.
진단 동작시에, 제어신호(B)의 레벨은 시간 t1에서 "L"로 변경되어, AND회로(AND1)의 출력신호의 레벨은 "L"에 고정된다. 제어신호(C)가 시간 t2에서 FET(T5)의 게이트에 입력되어, FET(T5)가 턴오프된다. 따라서, 전압(V4)는 제1실시예의 경우에서와 같이 증가한다 도 4(d)에 도시되어 있듯이, 전압(V4)은 시간 t2 내지 t3의 주기에서 증가하여 전압(V2)를 초과한다. 따라서, 비교기(CMP1)의 출력신호는 반전되고, FET(T2-T4)에서 실패상태가 발생하지 않았다는 사실을 포함해 과전류 검출기능이 정상적이라는 것을 검출한다.
동시에, FET(T6)가 시간 t2에서 턴온되어, 전류가 저항들(R6 및 R7)을 통해 흐르고 또한 저항(R6)에 걸쳐 전압강하가 발생한다. 전압(V2) 보다 낮은 전압(V3)가 비교기(CMP1)의 마이너스 입력단자에 공급된다. 즉, 전압(V1 - V3)은, 규정된 전압을 전압(VDS)(전극간 전압)에 부가함으로써 얻게 되는 부가전압이다.
따라서, 부하(1)를 통해 과도하게 작은 전류가 흐르고 또한 전압(V2)(즉, 도 4(d)에 도시된 전압 V2a)이 정규값 보다 크게 되더라도, 시간 t2 내지 t3의 주기에 서, 저항(R6)을 가로지른 전압강하에 의해 낮아지게 되는 전압(V3)이 전압(V4) 보다 낮아지게 되어, 그러므로 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전된다. 이는, 부하(1)를 통해 흐르는 과도하게 작은 전류로 인해 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전되지 않는 현상을 방지한다.
제1실시예에서, 진단 동작시에, 과도하게 작은 부하전류(ID)는 비교기(CMP1)의 출력신호의 비-반전을 통해 검출한다. 반대로, 제2실시예에서는, 부하전류(ID)가 과도하게 작을 때 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전되기 때문에 상기와 같은 방법의 검출대상에서 제외할 수 있다. 과전류와는 반대로, 과도하게 작은 전류는 안전-관련문제가 아니기 때문에 과도하게 작은 부하전류의 경우에 FET(T1)을 차단할 필요가 없다는 것을 생각할 수도 있다. 제2실시예는 이와 같은 경우에 적용할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제3실시예를 설명한다. 도 5는 제3실시예에 따른 부하구동장치를 보여주는 회로도이다. 이 실시예의 회는, 저항(R21)과 FET(T)가 제거되고 저항(R2)(600㏀)이 저항(R20)(150㏀)으로 대체된다는 것과, 제어신호(C)가 FET(T6)의 게이트에 공급된다는 점에서 도 3의 회로와는 다르다. 이 실시예의 제어신호(C)는 도 4(c)에 도시된 제어신호의 반전된 버전이다. 게다가, 전압(V2 - V3)의 크기를 변경하기 위해, 저항들(R6 및 R7)의 저항값이 변경된다. 도 5의 회로에서, 진단 동작시에, 전압(V4)은 변경되지 않고, 단지 전압(VDS)에 전압을 부가하는 조작만이 수행된다. 즉, 제1실시예와는 달리, 판정전압(V1 - V4)은 정규 판정전압 보다 작은 진단 판정전압으로 변경되지 않고, 다만 전압(VDS)에 규정된 전압을 부가함으로써 부가전압을 얻는 처리만이 수행된다.
제3실시예의 동작을 도 6의 타이밍도를 참조해 설명한다. 도 6의 예는, 제어신호(A1-A3)들이 L 레벨에 있는 상태에서 진단동작이 수행되고 또한 시간 t1 내지 t4의 주기에서, 제어신호(B)가 L 레벨에 설정되어 AND회로(AND1)의 출력레벨을 "L"에 고정한다는 점에서 도 2 및 4의 예들과 동일하다.
제어신호(C)의 레벨은 시간 t2에서 "L"에서 "H"로 변경되어, EFT(T6)가 턴온되고, 이로써 전류가 저항(R6)을 통해 흐르고 또한 전압강하가 발생한다.
저항(R6 및 R7)들의 저항값은, 전압강하(V2 - V3)의 크기가 표준 판정전압(V1 - V4) 보다 어느정도 크도록 설정된다. 따라서, 만일 과전류 검출회로가 정상적으로 기능한다면, t2 내지 t3의 주기에서, 관계 V3<V4가 확립되어, 비교기(CMP1)의 출력신호가 반전된다. 비교기(CMP1)의 출력신호는, 부하전류(ID)가 정상값 보다 과도하게 작을 때 얻는 전압(V2a)에 대해서도 반전된다. 즉, 과도하게 작은 부하전류는 검출의 대상이 아니라는 제2실시예의 특징이 보다 단순한 회로구성으로 제3실시예에서 실현된다.
본 발명에 따른 자기-진단기능을 가지는 부하구동장치가 설명한 실시예들의 형태로 상기에서 기술하였다. 그러나, 본 발명의 이들 실시예들에 한정되지 않는다. 각각의 개별적인 부분들이 동일한 기능을 가지는 바람직한 회로로 대체될 수 있다.
특정한 바람직한 실시예들에 대해 본 발명을 설명하였다고 하더라도, 본 발명의 지침을 근거로 다양한 변경과 수정들이 이루어질 수 있음은 본 기술분야의 당 업자들에게는 자명한 사실이다. 이러한 변경들과 수정들은 첨부 청구항들에 의해 규정되는 본 발명의 사상, 범위 및 목적 내에 포함되는 것도 자명하다.
본 발명은 여기에서 그 내용이 참조로 통합되는, 2005년 11월 11일자 출원 일본국 특허출원 제2005-323439호를 기반으로 한다.
반도체 스위치가 전도되는 동안에 반도체 스위치에 통합된 과전류 보호기능이 규정된 간격으로 수행되는지에 대한 진단이 수행된다. 비정상상태인 경우에, 반도체 스위치는 차단되어, 반도체 스위치에서 고장으로 인한 열발생 또는 화재와 같은 사고를 쉽게 방지할 수 있게 된다. 따라서, 반도체 스위치의 신뢰성은 퓨즈와 릴레이로 구성되는 통상적인 스위칭기계장치와 동등하게 된다. 그러므로, 과전류 보호기능과 스위칭기능은 반도체 스위치로 구현할 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 구동회로의 제어하에서 반도체장치의 온/오프 스위칭을 통해 부하의 구동 및 정지를 제어하는 부하구동장치에 있어서,
    상기 반도체장치의 제1전극과 제2전극 사이에 전류가 흐를 때 발생하는 전극간 전압을 규정된 판정전압과 비교하고, 전극간 전압이 판정전압 보다 높을 때 반도체장치를 통해 과전류가 흐른다고 판정하는 과전류 검출유닛; 및
    반도체장치가 온-상태에 있는 상태에서 과전류 검출유닛이 정상적으로 동작하는지 여부에 관한 진단을 수행하는 진단유닛을 포함하고;
    상기 과전류 검출유닛이 정상적으로 동작하지 않는다고 진단유닛이 판정하면, 판정유닛은 반도체장치를 턴오프하는 명령신호를 구동회로에 출력하는 것을 특징으로 하는 부하구동장치.
  2. 제1항에 있어서, 과전류 검출유닛은 전극간 전압을 판정전압과 비교하는 비교유닛을 포함하고,
    정상전류가 부하를 통해 흐를 때 얻는 반도체장치의 전극간 전압 보다 작은 진단 판정전압으로 판정전압을 변경시키기 위하여 진단유닛이 스위칭하고, 또한 전극간 전압이 진단 판정전압보다 낮거나 또는 동일하다고 비교유닛이 판정하면 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하였다는 것을 진단유닛이 판정하는 것을 특징으로 하는 부하구동장치.
  3. 제1항에 있어서, 과전류 검출유닛은 전극간 전압과 판정전압을 비교하는 비교유닛을 포함하고,
    진단유닛이 과전류 검출유닛의 진단을 수행하면, 진단유닛은 전극간 전압에 규정된 전압을 부가함으로써 부가전압을 발생하고, 비교유닛은 전극간 전압 대신에 상기 부가전압을 판정전압과 비교하고,
    상기 부가전압이 판정전압보다 낮거나 또는 동일하다고 상기 비교유닛이 판정하면 상기 진단유닛은 상기 과전류 검출유닛에서 비정상상태가 발생하였다고 판정하는 것을 특징으로 하는 부하구동장치.
  4. 제1항에 있어서, 과전류 검출유닛은 전극간 전압과 판정전압을 비교하는 비교유닛을 포함하고,
    진단유닛이 과전류 검출유닛의 진단을 수행하면, 정상전류가 부하를 통해 흐를 때 얻는 반도체장치의 전극간 전압보다 작은 진단 판정전압으로 판정전압을 변경시키기 위해 진단유닛이 스위칭하고 또한 전극간 전압에 규정된 전압을 부가함으로써 부가전압을 발생시키고, 비교유닛은 전극간 전압 대신에 상기 부가전압을 진단 판정전압과 비교를 하며,
    부가전압이 진단 판정전압보다 낮거나 또는 동일하다고 비교유닛이 판정하면 진단유닛은 비정상상태가 과전류 검출유닛에서 발생하였다고 판정하는 것을 특징으로 하는 부하구동장치.
  5. 제2항에 있어서, 진단상태를 배제한 정상상태에서 전극간 전압이 판정전압보다 높다고 비교유닛이 판정하면 과전류 검출하는 기능을 과전류 검출유닛이 가지고,
    과전류 검출유닛은, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단하는 동안 비교유닛의 출력을 근거로 과전류를 검출하는 기능을 불능으로 하는 금지유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 부하구동장치.
  6. 제3항에 있어서, 진단상태를 배제한 정상상태에서 전극간 전압이 판정전압보다 높다고 비교유닛이 판정하면 과전류 검출하는 기능을 과전류 검출유닛이 가지고,
    과전류 검출유닛은, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단하는 동안 비교유닛의 출력을 근거로 과전류를 검출하는 기능을 불능으로 하는 금지유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 부하구동장치.
  7. 제4항에 있어서, 진단상태를 배제한 정상상태에서 전극간 전압이 판정전압보다 높다고 비교유닛이 판정하면 과전류 검출하는 기능을 과전류 검출유닛이 가지고,
    과전류 검출유닛은, 진단유닛이 과전류 검출유닛을 진단하는 동안 비교유닛의 출력을 근거로 과전류를 검출하는 기능을 불능으로 하는 금지유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 부하구동장치.
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