KR20090045089A - 마이크로 전기기계 시스템 기반 스위치의 접촉부 고착을 방지하는 시스템 - Google Patents

마이크로 전기기계 시스템 기반 스위치의 접촉부 고착을 방지하는 시스템 Download PDF

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Abstract

예컨대, 복수의 마이크로 전기기계 스위치(S1 내지 Sn)로 구성될 수 있는 마이크로 전기기계 스위칭 회로(12)를 포함하는 시스템이 제공된다. 복수의 마이크로 전기기계 스위치는 일반적으로 시스템 작동 동안 폐쇄 스위칭 상태에서 작동할 수 있다. 제어기(14)는 마이크로 전기기계 스위칭 회로(12)에 결합된다. 제어기(14)는 마이크로 전기기계 스위치 중 적어도 하나를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키는 동안 나머지 마이크로 전기기계 스위치는 부하 전류를 전도시키고 시스템 작동 중단을 방지하기 위해 폐쇄 스위칭 상태에 남아있도록 구성될 수 있다. 스위치의 일시적인 개방 스위칭 상태는 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하는 데 유용하다.

Description

마이크로 전기기계 시스템 기반 스위치의 접촉부 고착을 방지하는 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR AVOIDING CONTACT STICTION IN MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM BASED SWITCH}
본 발명의 실시예는 일반적으로 전기 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 기반 스위칭 장치, 보다 더 구체적으로는, 시스템 작동을 방해하지 않으면서 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
회로 차단기는 회로의 고장에 기인하는 손상으로부터 전기 장비를 보호하도록 설계된 전기 장치이다. 통상적으로, 대부분의 종래의 회로 차단기는 벌키 전기기계 스위치를 포함한다. 불행히도, 이들 종래의 회로 차단기는 크기가 크므로, 스위칭 메커니즘을 활성화하는 데 큰 힘을 사용하는 것이 필요하다. 부가적으로, 이들 회로 차단기의 스위치는 일반적으로 비교적 느리게 동작한다. 또한, 이들 회로 차단기는 구성하기 복잡하므로 제조하는 데 많은 비용이 든다. 또한, 종래의 회로 차단기 내의 스위칭 메커니즘의 접촉부가 물리적으로 분리되는 경우에, 전형적으로 회로 내의 전류가 중지될 때까지 전류를 계속해서 전달하는 그들 사이에 아크가 형성된다. 또한, 아크와 관련된 에너지는 접촉부에 심하게 손상을 줄 수 있고/있거나 사람에게 화상 위험을 줄 수 있다.
느린 전기기계 스위치와 다른 것으로서, 고속 스위칭 애플리케이션에서 비교적 빠른 고체 상태 스위치를 사용하는 것이 알려져 있다. 알 수 있듯이, 이들 고체 상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 제어형 인가를 통해 도전 상태와 비도전 상태 사이에서 스위칭한다. 예컨대, 고체 상태 스위치를 역바이어싱함으로써, 스위치는 비도전 상태로 변할 수 있다. 그러나, 고체 상태 스위치는 비도전 상태로 스위칭되는 경우에 접촉부들 사이에 물리적 갭을 생성하지 않으므로, 누설 전류를 격을 수 있다. 또한, 내부 저항 때문에, 고체 상태 스위치는 도전 상태에서 동작하는 경우에, 전압 강하를 격을 수 있다. 전압 강하와 누설 전류 양자 모두 정상 동작 환경하에서 스위칭 성능과 수명에 해로울 수 있는 과다 열 발생에 기여한다.
MEMS 스위칭 장치는 종래의 전기기계 스위치 및 고체 상태 스위치 이상의 두드러진 이점을 제공할 수 있다. 그러나, MEMS 스위칭 장치가, 비교적 긴 시간 동안 폐쇄된 후에 접촉부 고착 또는 스위치의 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 나타낼 수 있음(예컨대, 스위치 접촉부는 개방하라는 명령을 받을 때 계속 폐쇄되어 있을 수 있거나, 개방하라는 명령을 받을 때 개방까지 수락 불가능한 시간 지연을 나타낼 수 있음)을 관찰할 수 있으며, 이는 주어진 스위치의 특성에 따라 변할 수 있다.
예컨대, 접촉부 재료의 시간에 따른 금속 확산 때문에 접촉부 고착이 발생할 수 있음은 알려져 있다. 이 고착 현상은 스위치가 스위치의 정상 작동 상태가 폐쇄되는 회로 차단기 애플리케이션과 같은 애플리케이션에서 사용되는 작동 상태에서 발생할 수 있다. 이는 스위칭 장치가 지정된 스위칭 시간보다 개방 시간이 오래 걸리는 성능 저하를 야기할 수 있으며, 스위치가 전혀 개방되지 않는 고장도 야기할 수 있다. 따라서, MEMS 스위칭 장치가 고착되려는 경향을 감소시키고 방지하여, 스위치가 사용되는 시스템 및/또는 애플리케이션의 전체 신뢰도에 점점 기여하는 시스템 및/또는 제어 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 본 발명의 측면은 예컨대, 복수의 마이크로 전기기계 스위치로 구성될 수 있는 마이크로 전기기계 스위칭 회로를 포함하는 시스템을 제공한다. 복수의 마이크로 전기기계 스위치는 일반적으로 시스템 작동 동안 폐쇄 스위칭 상태에서 작동할 수 있다. 제어기는 마이크로 전기기계 스위칭 회로에 결합된다. 제어기는 마이크로 전기기계 스위치 중 적어도 하나를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키는 동안 나머지 마이크로 전기기계 스위치는 부하 전류를 전도시키고 시스템 작동 중단을 방지하기 위해 폐쇄 스위칭 상태에 남아있도록 구성될 수 있 다. 스위치의 일시적인 개방 스위칭 상태는 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하는 데 유용하다.
본 발명의 다른 측면은 시스템 작동 동안 일반적으로 폐쇄 스위칭 상태에서 작동하는 적어도 하나의 마이크로 전기기계 스위치로 구성될 수 있는 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로를 포함하는 시스템을 제공한다. 제어기는 마이크로 전기기계 스위칭 회로에 결합되어 마이크로 전기기계 스위치를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시킨다. 과전류 보호 회로는 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로와 병렬 회로로 접속될 수 있다. 과전류 보호 회로는 일시적인 개방 스위칭 상태 동안 전기적 도전 경로를 순간적으로 형성하도록 구성될 수 있다. 전기적 도전 경로는 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로와 병렬 회로를 형성하고, 스위치가 폐쇄 스위칭 상태로부터 일시적인 개방 스위칭 상태로 진입하도록 전환할 때 스위치의 접촉부를 통과하는 전류 흐름을 방지하도록 적응된다. 이 경로는 또한 스위치가 일시적인 개방 스위칭 상태를 벗어나 폐쇄 스위칭 상태로 리턴할 때 스위치의 접촉부 양단의 전압 레벨을 붕괴하도록 적응된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 측면, 및 장점은 도면 전체에서 동일한 기호가 동일한 구성요소를 나타내는 첨부 도면과 관련하여 후속하는 상세한 설명을 읽을 때 잘 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, MEMS 스위칭 장치가 고착되려는 경향을 감소시키고 방지 하여, 스위치가 사용되는 시스템 및/또는 애플리케이션의 전체 신뢰도를 개선할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 본 명세서에 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 스위칭 회로를 포함하는 시스템이 설명될 것이다. 후속하는 상세한 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명의 실시예가 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수 있고, 본 발명이 설명된 실시예로 제한되지 않으며, 본 발명이 다른 다양한 실시예로 실시될 수 있음을 알 것이다. 다른 경우에, 잘 알려져 있는 방법, 절차 및 부품은 상세히 설명되지 않았다.
또한, 다양한 동작은 본 발명의 실시예를 이해하는 데 도움이 되는 방식으로 수행되는 다수의 분리된 단계로서 설명될 수 있다. 그러나, 설명 순서는 이들 동작이 그들이 나타난 순서대로 수행되어야 한다는 것도 동일한 순서에 의존하는 것도 아님을 의미하도록 해석되어서는 안 된다. 또한, 구 "일 실시예에서"의 반복 사용이 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수도 있다. 마지막으로, 본 출원에서 사용되는 용어 "포함하는", "구비하는", "가지는" 등은 이와 달리 나타내지 않는 한 동의어일 수 있다.
도 1은 본 발명의 측면에 따른 예시적인 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 기반 스위칭 시스템(10)의 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다. 현재, MEMS는 일 반적으로 예컨대, 기계적 소자, 전기기계적 소자, 센서, 액추에이터 및 전자기기와 같은 다수의 기능적으로 별개의 소자를 마이크로제조 기술을 통해 하나 이상의 기판 상에 집적할 수 있는 마이크론-스케일 구조체를 지칭한다. 그러나, MEMS 장치로 현재 이용가능한 다수의 기술 및 구조체를 단 몇 년 안에 예컨대, 크기가 100 나노미터 미만일 수 있는 구조체와 같은 나노기술 기반 장치를 통해 이용할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서, 이 문서의 도처에 설명된 예시적인 실시예가 MEMS 기반 스위칭 장치를 지칭할 수는 있지만, 본 발명의 발명 측면은 광범위하게 해석되어야 하며, 마이크론 크기 장치로 한정되어서는 안 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 시스템(10)은 MEMS 기반 스위칭 회로(12)를 포함한다. 예컨대, 회로 차단기 애플리케이션에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 일반적으로 시스템 작동 동안 부하 회로 전류를 전도시키기 위해 폐쇄 스위칭 상태에서 작동하는 복수의 마이크로 전기기계 스위치로 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 스위치는 접촉부 고착에 취약할 수 있다. 도 1에 또한 도시된 바와 같이, 제어기(14)가 MEMS 기반 스위칭 회로(12)에 결합된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(14)는 마이크로 전기기계 스위치(예컨대, 스위치 Si) 중 적어도 하나를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키는 동안 스위치 S1, S2 내지 Si-1 및 Si+1 내지 Sn과 같은 마이크로 전기기계 스위치의 나머지는 부하 회로 전류(I1)를 전도시키고 시스템 작동 중단을 방지하도록 폐쇄 스위칭 상태에 남아있도록 구성될 수 있다. 본 발명의 발명자는 이러한 스위치의 일시적인 개방 스 위칭 상태(예컨대, 마이크로초 정도)가 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하는 데 유용하다는 것을 알 것이다. 일시적인 개방 스위칭 상태로 동시에 설정될 수 있는 스위치의 개수가 하나의 스위치로 제한될 필요가 없음을 알아야 할 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 이 개수는 일시적인 개방 상태로 설정된 스위치의 개수에 기인하는 부하 회로 전류의 증가 레벨을 전달하도록 계속 폐쇄되어 있는 스위치의 능력에 기초할 수 있다. 즉, 계속 폐쇄되어 있는 스위치는 통상적으로 언급된 일시적인 개방 상태로 설정된 스위치의 개수에 기인하는 전류의 증가 레벨을 더하여 전달하는 부하 전류를 전달할 것이다. 도시된 예에서, 스위치 S1, S2 내지 Si-1 및 Si+1 내지 Sn는 함께, 일시적인 개방 상태로 설정되고 있는 스위치 Si에 기인하는 부하 회로 전류의 증가 레벨을 (일반적으로 전달하는 부하 전류에 더하여) 전달할 수 있어야 한다. 직렬 회로 배열 또는 병렬 및 직렬 회로 마이크로 전기기계 스위치의 조합이 본 발명의 측면으로부터 동일하게 이로울 수 있으므로, 본 발명의 측면이 마이크로 전기기계 스위치의 병렬 회로 배열로 제한되지 않음을 알아야 할 것이다.
예시적인 일 실시예에서, 제어기(14)는 복수의 마이크로 전기기계 스위치 중 적어도 하나의 별개의 마이크로 전기기계 스위치를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키는 스위칭 알고리즘을 수행하도록 구성될 수 있다. 전형적으로, 이 스위치는 사전규정된 시구간(예컨대, 일주일, 하루 정도 등) 동안 일시적인 개방 스위칭 상태로 이전에 작동되지 않았던 스위치일 것이다. 도시된 예로 돌아가면, 만일 스위치 Si가 사전규정된 시구간 동안 일시적인 개방 상태로 이미 설정되었으면, 임의의 스위치(또는 아직 작동되지 않은 스위치)가 일시적인 개방 상태로 설정되어야 한다. 이러한 적어도 하나의 별개의 마이크로 전기기계 스위치가 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동되는 동안, 다른 나머지 마이크로 전기기계 스위치는 시스템 작동 중단을 방지하기 위해 폐쇄 스위칭 상태에 남아있을 것이다. 예컨대, 스위치 S1 및 S2가 현재 일시적인 개방 스위칭 상태로 설정된 스위치라면, 폐쇄 스위칭 상태에 있는 나머지 마이크로 전기기계 스위치는 스위치 S3(도시 생략) 내지 Sn일 것이다.
예시적인 일 실시예에서, 제어기(14)는 사전규정된 시구간 동안 스위칭 알고리즘을 선택적으로 실행하여 결국 복수의 스위치 각각이 이러한 시구간 동안 일시적인 개방 스위칭 상태로 적어도 한 번 작동되도록 구성된다. 스위칭 알고리즘은 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로의 각 스위치가 저마다의 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하도록 작동되었음을 보장할 것이다.
도 3에 도시된 예시적인 일 실시예에서, 과전류 보호 회로(15)와 같은 회로는 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로에 결합될 수 있다. 과전류 보호 회로(15)는 평형 다이오드 브릿지 및 펄스 회로를 포함할 수 있다. 또한, 과전류 보호 회로(15)는 MEMS 스위치의 접촉부들 사이의 아크 형성 방지를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 과전류 보호 회로(14)가 교류 전류(AC) 또는 직류 전류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있음을 알 수 있다.
아크 형성의 억제에 관한 배경 정보를 원하는 독자를 위해, 2005년 12월 20 일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 11/314,336 호(대리인 관리번호 162711-1)를 참조하며, 그 전체내용은 본 명세서에 참조로써 포함된다. 전술한 출원은 마이크로 전기기계 시스템의 접촉부들 사이의 아크 형성을 억제하기에 적합한 회로 및 펄싱 기술을 포함하는 고속 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 기반 스위칭 장치를 설명한다. 이러한 출원에서, 아크 형성 억제는 이러한 접촉부를 통해 흐르는 전류를 효율적으로 분로함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 과전류 보호 회로(15)는 일시적인 개방 상태로 작동되고 있는 마이크로 전기기계 스위치 각각의 접촉부를 통과하는 전류 흐름을 방지하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전류 흐름은 이러한 각각의 스위치가 폐쇄 스위칭 상태로부터 일시적인 개방 스위칭 상태로 진입하도록 전환될 때, 우회(예컨대, 분로)된다. 또한, 과전류 보호 회로(15)는 일시적인 개방 상태로 작동되고 있는 마이크로 전기기계 스위치 각각의 접촉부 양단의 전압 레벨을 붕괴(collapse)하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전압 레벨은, 이러한 각 스위치가 일시적인 개방 스위칭 상태를 벗어나 폐쇄 스위칭 상태로 리턴할 때 이러한 붕괴를 발생시킬 것이다.
특정 실시예에서, 예컨대, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 과전류 보호 회로(15)와 함께 단일 패키지(16) 안에 완전히 집적될 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)의 특정 부분 또는 부품만이 과전류 보호 회로(15)와 함께 집적될 수 있다.
일반적으로, MEMS 기반 스위칭 회로는 스위칭 접촉부 양단의 전압의 존재시 에 도전성 스위칭 상태로 폐쇄되어서도, 이러한 접촉부를 통해 전류를 전달하는 동안 이러한 회로가 비도전 스위칭 상태로 개방되어서도 안 된다. 전술한 문제를 방지하는 MEMS 호환가능 스위칭 기술의 일례는 전술한 특허 출원에 설명된 펄스 형성 기술일 수 있다.
MEMS 기반 호환가능 스위칭 기술의 다른 예는 소프트 또는 포인트 온 웨이브(point-on-wave) 스위칭을 수행하도록 스위칭 시스템을 구성함으로써 달성될 수 있으며, 이로써 스위칭 회로(12) 내의 하나 이상의 MEMS 스위치는 스위칭 회로(12) 양단의 전압이 0이거나 0에 상당히 가까우면 동시에 폐쇄될 수 있고, 스위칭 회로(12)를 통과한 전류가 0이거나 0에 가까우면 동시에 개방될 수 있다. 이러한 기술에 관한 배경 정보를 원하는 독자를 위해, 2005년 12월 20일에 출원된 "Micro-Electromechanical System Based Soft Switching" 라는 명칭의 미국 특허 출원 제 11/314,879 호(대리인 관리번호 162191-1)를 참조한다.
스위칭 회로(12) 양단의 전압이 0이거나 0에 상당히 가까우면 하나 이상의 스위치를 동시에 폐쇄함으로써, 이러한 스위치가 일시적인 개방 상태로 명령을 받을 때 하나 이상의 MEMS 스위치의 접촉부 사이의 전기장을 약하게 유지함으로써 사전 스트라이크(pre-strike) 아크가 방지될 수 있다. 이상에 암시하고 도 5에 도시된 바와 같이, 제어기(14)는 적합한 제로 크로싱 검출 회로(16)를 사용하여 검출될 수 있는 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 제로 크로싱의 발생과 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치의 개방 및 폐쇄를 동기화하도록 구성될 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 개략도(18)가 과전류 보호 회로의 예시적인 일 실시예에 따라 도시된다. 도시된 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 제 1 접촉부(22), 제 2 접촉부(24) 및 제 3 접촉부(26)를 가지는 것으로 도시된다. 일 실시예에서, 제 1 접촉부(22)는 드레인으로서 구성될 수 있고, 제 2 접촉부(24)는 소스로서 구성될 수 있으며, 제 3 접촉부(26)는 게이트로서 구성될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 전압 스너버(snubber) 회로(33)가 MEMS 스위치(20)와 병렬로 결합될 수 있고, 빠른 접촉 분리 동안 전압 오버슈트(overshoot)를 제한하도록 구성될 수 있으며, 이는 이하에 보다 상세히 설명될 것이다. 특정 실시예에서, 스너버 회로(33)는 스너버 저항기(도시 생략)와 직렬로 결합된 스너버 캐패시터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 스너버 캐패시터는 MEMS 스위치(20)의 개방의 연속 동안 과도 전압 분배의 개선을 용이하게 할 수 있다. 또한, 스너버 저항기는 MEMS 스위치(20)의 폐쇄 동작 동안 스너버 캐패시터에 의해 생성된 임의의 전류 펄스를 억제할 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 스너버 회로(33)는 예컨대, R/C 스너버 및/또는 고체 상태 스너버(예컨대, 금속 산화물 바리스터(MOV))와 같은 하나 이상의 회로 유형 또는 예컨대, 캐패시터에 급전하도록 결합된 정류기와 같은 임의의 적합한 과전압 보호 회로를 포함할 수 있다. 바람직하게, 스너버 캐패시터는 인덕턴스 문제를 피하기 위해 각 다이 상에 구성되어야 한다.
본 기술의 다른 측면에 따르면, 전동 기계 또는 전기 모터와 같은 부하 회로(40)가 제 1 MEMS 스위치(20)와 직렬로 결합될 수 있다. 부하 회로(40)는 교류 전압(AC) 또는 직류 전압(DC)과 같은 적합한 전압 소스 VBUS(44)를 포함할 수 있다. 또한, 부하 회로(40)는 부하 인덕턴스 LLOAD(46)도 포함할 수 있는데, 여기서 부하 인덕턴스 LLOAD(46)는 부하 회로(40)에 의해 관찰되는 조합된 부하 인덕턴스 및 버스 인덕턴스를 나타낸다. 부하 회로(40)는 부하 회로(40)에 의해 관찰되는 조합된 부하 저항을 나타내는 부하 저항 RLOAD(48)도 포함할 수 있다. 참조 번호 50은 부하 회로(40) 및 제 1 MEMS 스위치(20)를 통해 흐를 수 있는 부하 회로 전류 ILOAD를 나타낸다.
도시된 실시예에서, 평형 다이오드 브릿지(28)는 제 1 분기(29)와 제 2 분기(31)를 가지는 것으로 도시된다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "평형 다이오드 브릿지"는 제 1 및 제 2 분기(29,31) 양자 모두를 통한 전압 강하가 실질적으로 동일하도록 구성되는 다이오드 브릿지를 나타내는 데 사용된다. 평형 다이오드 브릿지(28)의 제 1 분기(29)는 제 1 직렬 회로를 형성하도록 함께 결합된 제 1 다이오드 D1(30)와 제 2 다이오드 D2(32)를 포함할 수 있다. 유사한 방식으로, 평형 다이오드 브릿지(28)의 제 2 분기(31)는 제 2 직렬 회로를 형성하도록 함께 동작가능하게 결합된 제 3 다이오드 D3(34)와 제 4 다이오드 D4(36)를 포함할 수 있다. 평형 다이오드 브릿지(28) 내의 다이오드 소자 각각이 단 하나의 개별 다이오드가 아니라 병렬식의 다수의 다이오드로 구성될 수 있음을 알 것이다. 이러한 유형의 복수의 다이오드 배열은 다이오드 브릿지의 분기 내의 저항 감소를 용이하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 평형 다이오드 브릿지(28)의 중심점 양단에 병렬로 결합될 수 있다. 평형 다이오드 브릿지의 중심점은 제 1 및 제 2 다이오드(30,32) 사이에 배치된 제 1 중심점 및 제 3 및 제 4 다이오드(34,36) 사이에 배치된 제 2 중심점을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 MEMS 스위치(20) 및 평형 다이오드 브릿지(28)는 빽빽하게 패키징되어, 평형 다이오드 브릿지(28), 특히, MEMS 스위치(20)에 대한 접속부에 기인하는 기생 인덕턴스의 최소화를 용이하게 할 수 있다. 본 기술의 예시적인 측면에 따르면, 제 1 MEMS 스위치(20)와 평형 다이오드 브릿지(28)는 서로에 관하여 배치되어, 제 1 MEMS 스위치(20)와 평형 다이오드 브릿지(28) 사이의 고유 인덕턴스가 L*di/dt 전압을 산출하게 되는데, 여기서 L은 기생 인덕턴스를 나타냄을 알 수 있다. 산출된 전압은 MEMS 스위치(20)가 턴오프하는 동안 다이오드 브릿지(28)로 부하 전류를 전달하는 경우에, MEMS 스위치(20)의 드레인(22)과 소스(24) 양단의 전압의 몇 퍼센트 미만일 수 있으며, 이는 이하에 보다 상세히 설명될 것이다. 일 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 평형 다이오드 브릿지(28)와 함께 단일 패키지(38)에 또는 선택적으로, MEMS 스위치(20)와 다이오드 브릿지(28)를 상호접속하는 인덕턴스를 최소화할 의도로 동일한 다이 내에 집적될 수 있다. 예로써, 도 4는 다이오드 브릿지에 결합된 하나의 MEMS 스위치를 도시한다. 일반적으로, 병렬 및/또는 직렬 회로의 다수의 스위치는 다이오드 브릿지에 결합될 수 있다.
부가적으로, 과전류 보호 회로(15)는 평형 다이오드 브릿지(28)와 동작 관련 하여 결합된 펄스 회로(52)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(52)는 스위치 상태를 검출하고 그 스위치 상태에 응답하여, MEMS 스위치(20)의 개방을 시작하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "스위치 상태"는 MEMS 스위치(20)의 현재 작동 상태 변경을 트리거하는 상태를 지칭한다. 예컨대, 스위치 상태는 MEMS 스위치(20)의 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로의 변경 또는 MEMS 스위치(20)의 제 1 개방 상태에서 제 2 폐쇄 상태로의 변경을 초래할 수 있다. 스위치 상태는 회로 고장, 회로 과부하 또는 스위치 온/오프 요청을 포함하는 다수의 작용에 응답하여 발생할 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
펄스 회로(52)는 펄스 스위치(54) 및 펄스 스위치(54)와 직렬로 결합된 펄스 캐패시터 CPULSE(56)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로는 펄스 인덕턴스 LPULSE(58) 및 펄스 스위치(54)와 직렬로 결합된 제 1 다이오드 DP(60)도 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE(58), 다이오드 DP(60), 펄스 스위치(54) 및 펄스 캐패시터 CPULSE(56)는 직렬로 결합되어 펄스 회로(52)의 제 1 분기를 형성할 수 있는데, 여기서 제 1 분기의 부품은 펄스 전류 형성 및 타이밍을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 참조 번호 62는 펄스 회로(52)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 IPULSE를 나타낸다.
본 발명의 측면에 따르면, MEMS 스위치(20)는 전류를 전달하지 않거나 거의 0인 전류를 전달하는 동안 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로 (예컨대, 마이크 로초 정도로) 빠르게 스위칭될 수 있다. 이는 부하 회로(40) 및 MEMS 스위치(20)의 접촉부 양단에 병렬로 결합된 평형 다이오드 브릿지(28)를 포함하는 펄스 회로(52)의 결합된 동작을 통해 달성될 수 있다.
도 6은 과전류 보호 회로가 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로와 병렬 회로로 이용되는 경우에, 스위치가 일시적인 개방 상태로 설정될 때 생성될 수 있는 시간의 함수로서의 예시적인 파형의 플롯을 도시한다. 스위칭 알고리즘이 실행될 때, 제어기가 임의의 일시적인 개방 스위칭 상태 동안에 과전류 보호 회로가 전기적 도전 경로를 순간적으로(momentarily) 형성하도록 점화되는지(fired) 여부를 선택적으로 제어할 수 있음을 알아야 한다. 가령, 다이오드 브릿지의 분기에서 발생할 수 있는 전압 불균형 때문에 이러한 점화가 바람직하지 않을 수 있는 상태가 존재할 수 있다.
본 발명의 측면이 이러한 임의의 펄싱 기술 또는 임의의 제로 크로싱 기술을 이용하지 않으면서 실시될 수 있으므로, 이러한 과전류 보호 회로 및 대응하는 펄싱 회로가 본 발명의 측면을 실시하기 위한 필요조건이 아님을 반복하여 설명한다. 또한, 스위칭 알고리즘이 실행될 때, 제어기가 임의의 일시적인 개방 스위칭 상태 동안에 과전류 보호 회로가 전기적 도전 경로를 순간적으로 형성하도록 설정되는지 여부를 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 측면은 제로 크로싱과 펄싱 기술 양자 모두를 이용할 수 있는(그럴 필요는 없음) 기술과 결합하여 실시될 수 있다.
도 6에서, 파형(100)은 일시적인 개방 상태로 설정되고 있는 스위치의 게이 트에 인가되는 게이팅(예컨대, 작동) 신호를 나타낸다. 파형(102)은 펄스 회로로부터의 펄스 전류를 나타낸다. 파형(104)은 정상 상태 부하 전류를 나타낸다. 시간 간격 Ⅰ 및 Ⅴ는 정규 시스템 작동을 나타낸다. 즉, 스위치는 폐쇄되고 회로 부하 전류는 정상 상태에 있을 수 있다. 시간 간격 Ⅱ은 일시적인 스위치 개방 및 펄스 점화의 시작을 나타낸다. 시간 간격 Ⅲ은 일시적인 스위치 개방을 나타낸다. 시간 간격 Ⅳ은 일반적으로 폐쇄 상태로의 리턴을 나타낸다. 전술한 파형으로부터, 일시적인 스위치 개방 상태와 관련된 각 사건이 펄스 전류가 존재하는 동안, 즉, 과전류 보호 회로가 MEMS 스위칭 회로와 병렬식으로 전기적 도전 경로의 순간적인 형성을 가능하게 하는 동안 발생한다는 것이 관찰되어야 한다.
도 7은 제로 크로싱 검출 회로가 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로와 함께 이용되는 경우에, 스위치가 일시적인 개방 상태로 설정될 때 생성될 수 있는 시간의 함수로서의 예시적인 파형의 플롯을 도시한다. 도 7에서, 파형(200)은 일시적인 개방 상태로 설정되고 있는 스위치의 게이트에 인가되는 게이팅(예컨대, 작동) 신호를 나타낸다. 파형(202)은 제로 크로싱을 포함하는 MEMS 스위칭 회로 양단의 전압을 나타낸다. 제 1 제로 크로싱과 동기식으로 턴오프 전환(204)은 일시적인 스위치 개방의 시작을 나타냄을 알아야 한다. 제 2 제로 크로싱과 동기식으로 턴온 전환(206)은 일반적으로 폐쇄 상태로의 리턴을 나타냄을 알아야 한다.
본 명세서에 본 발명의 특정 특징만이 예시되고 설명되었지만, 당업자에게 다수의 변경 및 수정이 발생할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위가 본 발명의 진정한 사상 내에 포함되는 이러한 변경 및 수정을 모두 포함하려고 함을 알아야 한다.
도 1은 본 기술의 측면에 따른, 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 MEMS 기반 스위칭 시스템과 관련하여 예시적인 회로 세부사항을 도시한다.
도 3은 과전류 보호 회로를 포함할 수 있는 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 3의 MEMS 기반 스위칭 시스템과 관련하여 회로 세부사항을 도시하는 개략도이다.
도 5는 제로 크로싱 검출 회로를 포함할 수 있는 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 6은 스위치가 접촉 고착을 방지하기 위해 일시적인 개방 상태로 설정되고 있는 도 3 및 도 4의 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템에서 전개될 수 있는 예시적인 파형의 플롯을 도시한다.
도 7은 제로 크로싱 검출 회로가 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로와 함께 이용되는 경우에 전개될 수 있는 예시적인 파형의 플롯을 도시한다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 MEMS 기반 스위칭 시스템
12 MEMS 기반 스위칭 회로
14 제어기
15 전류 보호 회로
16 제로 크로싱 검출 회로
18 MEMS 기반 스위칭 시스템의 개략도
20 제 1 MEMS 스위치
22 제 1 접촉부(드레인)
24 제 2 접촉부(소스)
26 제 3 접촉부(게이트)
28 평형 다이오드 브릿지
29 제 1 분기
30 제 1 다이오드 d1
31 제 2 분기
32 제 2 다이오드 d2
33 전압 스너버 회로
34 제 3 다이오드 d3
36 제 4 다이오드 d4
38 단일 패키지
40 부하 회로
46 부하 인덕턴스
48 부하 저항
50 부하 전류
52 펄스 회로
54 펄스 스위치
56 펄스 캐패시터
58 펄스 인덕턴스
60 제 1 다이오드
62 펄스 전류
100, 102, 104, 200, 202 파형
204 턴오프 전환
206 턴온 전환

Claims (13)

  1. 시스템 작동 동안 일반적으로 폐쇄 스위칭 상태에서 작동하는 복수의 마이크로 전기기계 스위치(S1 내지 Sn)를 포함하는 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12)와,
    상기 마이크로 전기기계 스위칭 회로(12)에 결합된 제어기(14)를 포함하되,
    상기 제어기는 상기 마이크로 전기기계 스위치 중 적어도 하나를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키는 동안 나머지 마이크로 전기기계 스위치는 부하 회로(50) 전류를 전도시키고 시스템 작동 중단을 방지하기 위해 상기 폐쇄 스위칭 상태에 남아있도록 구성되고, 상기 스위치의 일시적인 개방 스위칭 상태는 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하는 데 유용한
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(14)는 또한 상기 복수의 마이크로 전기기계 스위치 중 적어도 하나의 별개의 마이크로 전기기계 스위치를 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키도록 구성된 스위칭 알고리즘을 수행하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 별개의 스위치는 사전규정된 시구간 동안 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 이전 에 작동되지 않았던 스위치를 포함하며, 상기 적어도 하나의 별개의 마이크로 전기기계 스위치의 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로의 작동이 발생하는 동안, 상기 마이크로 전기기계 스위치의 다른 나머지는 시스템 작동 중단을 피하기 위해 상기 폐쇄 스위칭 상태에 남아있는
    시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기(14)는 또한 상기 사전규정된 시구간 동안 상기 스위칭 알고리즘을 선택적으로 실행하도록 구성되어, 결국 상기 복수의 스위치 각각이 상기 시구간 동안 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 적어도 한번 작동됨으로써, 상기 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12)의 각 스위치가 저마다의 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하도록 작동되었음을 보장하게 되는
    시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치가 상기 폐쇄 스위칭 상태로부터 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 진입하도록 전환할 때 상기 마이크로 전기기계 스위치 중 상기 적어도 하나의 접촉부를 통과하는 전류 흐름을 방지하도록 상기 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12)에 결합된 회로(15)를 더 포함하는
    시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회로(15)는 또한 상기 스위치가 상기 일시적인 개방 스위칭 상태를 벗어나 상기 폐쇄 스위칭 상태로 리턴할 때 상기 마이크로 전기기계 스위치 중 상기 적어도 하나의 접촉부 양단의 전압 레벨을 붕괴하도록(collapse) 구성되는
    시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 전기기계 스위치 중 상기 적어도 하나의 일시적인 개방 스위칭 상태의 발생과 교류 소스 전압 및 교류 부하 회로 전류 중 적어도 하나의 제로 크로싱(zero crossing)의 발생을 동기화하도록 구성된 회로(16)를 더 포함하는
    시스템.
  7. 시스템 작동 동안 일반적으로 폐쇄 스위칭 상태에서 작동하는 적어도 하나의 마이크로 전기기계 스위치를 포함하는 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12) 와,
    상기 마이크로 전기기계 스위칭 회로(12)에 결합되며, 상기 적어도 하나의 마이크로 전기기계 스위치를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키도록 구성된 제어기(14)와,
    상기 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12)와 병렬 회로로 접속된 과전류 보호 회로(15)를 포함하되,
    상기 과전류 보호 회로(15)는 상기 일시적인 개방 스위칭 상태 동안 전기적 도전 경로를 순간적으로(momentarily) 형성하도록 구성되고, 상기 전기적 도전 경로는 상기 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12)와 병렬 회로로 접속되며, 상기 스위치가 상기 폐쇄 스위칭 상태로부터 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 진입하도록 전환할 때 상기 스위치의 접촉부를 통과하는 전류 흐름을 방지하고 상기 스위치가 상기 일시적인 개방 스위칭 상태를 벗어나 상기 폐쇄 스위칭 상태로 리턴할 때 상기 스위치의 접촉부 양단의 전압 레벨을 붕괴하도록 적응되는
    시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로 전기기계 스위치와 결합하여 복수의 마이크로 전기기계 스위치를 더 포함하되, 상기 복수의 마이크로 전기기계 스위치도 시스템 작동 동안 일반적으로 폐쇄 스위칭 상태에서 작동하는
    시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기(14)는 또한 상기 복수의 마이크로 전기기계 스위치 중 적어도 하나의 마이크로 전기기계 스위치를 일시적인 개방 스위칭 상태로 작동시키도록 구성된 스위칭 알고리즘을 수행하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 스위치는 사전규정된 시구간 동안 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 이전에 작동되지 않았던 스위치를 포함하며, 상기 적어도 하나의 마이크로 전기기계 스위치의 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로의 작동이 발생하는 동안, 나머지 마이크로 전기기계 스위치는 시스템 작동 중단을 방지하기 위해 상기 폐쇄 스위칭 상태에 남아있는
    시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기(14)는 또한 상기 사전규정된 시구간 동안 상기 스위칭 알고리즘을 선택적으로 실행하도록 구성되어, 결국 상기 복수의 스위치 각각이 상기 시구간 동안 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 적어도 한번 작동됨으로써, 상기 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12)의 각 스위치가 저마다의 스위치 접촉부가 서로에 고착되려는 경향을 방지하도록 작동되었음을 보장하게 되는
    시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 과전류 보호 회로(15)는 상기 복수의 마이크로 전기기계 스위치 중 상기 적어도 하나의 마이크로 전기기계 스위치의 일시적인 개방 스위칭 상태 동안 전기적 도전 경로를 순간적으로 형성하도록 구성되고, 상기 전기적 도전 경로는 상기 마이크로 전기기계 시스템 스위칭 회로(12)와 병렬 회로로 접속되며, 상기 적어도 하나의 스위치가 상기 폐쇄 스위칭 상태로부터 상기 일시적인 개방 스위칭 상태로 진입하도록 전환할 때 상기 적어도 하나의 스위치의 접촉부를 통과하는 전류 흐름을 방지하고 상기 스위치가 상기 일시적인 개방 스위칭 상태를 벗어나 상기 폐쇄 스위칭 상태로 리턴할 때 상기 스위치의 접촉부 양단의 전압 레벨을 붕괴하도록 적응되는
    시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기(14)는 또한 상기 과전류 보호 회로(15)에 결합되고, 상기 스위칭 알고리즘이 실행될 때 상기 과전류 보호 회로가 임의의 일시적인 개방 스위칭 상태 동안 상기 전기적 도전 경로를 순간적으로 형성하도록 설정되는지 여부를 선 택적으로 제어하도록 구성되는
    시스템.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 전기기계 스위치 중 상기 적어도 하나의 일시적인 개방 스위칭 상태의 발생과 교류 소스 전압 및 교류 부하 회로 전류 중 적어도 하나의 제로 크로싱의 발생을 동기화하도록 구성된 회로를 더 포함하는
    시스템.
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