KR20090050003A - 프로그램가능 로직 제어기 및 입/출력 인터페이스 모듈 - Google Patents

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KR20090050003A
KR20090050003A KR1020080112580A KR20080112580A KR20090050003A KR 20090050003 A KR20090050003 A KR 20090050003A KR 1020080112580 A KR1020080112580 A KR 1020080112580A KR 20080112580 A KR20080112580 A KR 20080112580A KR 20090050003 A KR20090050003 A KR 20090050003A
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Abstract

프로그램가능 로직 제어기가 개시된다. 프로그램가능 로직 제어기는 I/O 모듈(24)에 접속된 적어도 하나의 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 스위치(36)를 포함한다. MEMS 스위치(36)는 외부 장치(54)에 접속되어, 외부 장치(54)로 신호를 송신하고 수신한다. 프로그램가능 로직 제어기는 MEMS 스위치 및 MEMS 스위치 양단의 전압을 측정하는 전압 센서(90)도 포함할 수 있다. MEMS 스위치(36)는 로직 신호를 송신 또는 수신하도록 배치된다.

Description

프로그램가능 로직 제어기 및 입/출력 인터페이스 모듈{PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER HAVING MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM BASED SWITCHING}
본 발명은 일반적으로 프로그램가능 로직 제어기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로 전기기계 시스템 기반 스위칭 장치를 사용하여 디지털 입력 및 출력 인터페이스를 제공하는 프로그램가능 로직 제어기에 관한 것이다.
프로그램가능 로직 제어기("PLC")는 자동화 및 제어에 광범위하게 사용된다. 이들은 산업 자동화, 공장 자동화, 빌딩 자동화 등을 포함한다. PLC는 전형적으로 사용자에 의해 제어 프로그램으로 프로그래밍되어 바람직한 기능을 구현한다. 제어 프로그램은 예컨대, 바람직한 제어를 실행하도록 래더 로직(ladder logic)과 같은 프로그래밍 언어로 기록될 것이다. 예컨대, PLC는 모터 속도, 온도, 압력, 용적측정 흐름 등과 같은 입력 상태를 모니터할 수 있다. 제어 프로그램은 PLC 내의 메모리에 저장되어, 특정 입력 신호 또는 상태와 직면할 때 취하는 동작에 따라 PLC에 명령한다.
PLC는 보통 자신이 제어하는 장치와 직접 접속되지 않는다. 인터페이스 모 듈 또는 입/출력 모듈("I/O 모듈")은 필요한 접속을 제공하고 신호를 장치와 PLC 양자 모두에 대해 이용가능한 형태로 적응시키는 데 사용된다. I/O 모듈은 단락 회로 상태와 같은 비정상적인 전기적 고장으로부터 PLC를 보호한다. I/O 모듈은 전형적으로 PLC 내의 백플레인 보드 상에 배치된 각각의 슬롯 내에 박힌다. 슬롯들은 중앙 처리 장치("CPU")에 임의의 I/O 모듈을 결합하는 주요 버스에 의해 함께 결합된다.
전형적으로 높은 전력 애플리케이션과 PLC를 인터페이싱하는 데 사용되는 2 가지 유형의 장치는 전기기계 계전기(relay) 및 고체 상태 장치이다. 이들 장치는 5 V DC 회로를 사용하여 동작하는 디지털 로직 장치인 PLC가 더 높은 전압 및 전류, 예컨대, 24 V dc 또는 120 V ac에서 동작하는 장치를 제어하게 한다.
계전기는 전자석을 사용하여 동작하는 전기기계 스위치이다. 전기적 시스템에서 온/오프 전류를 스위칭하기 위해, 접촉부 세트가 사용될 수 있다. 접촉부는 전류 흐름의 중단을 초래하는 개방 위치 또는 전류 흐름을 허용하는 폐쇄 위치에 있을 수 있다. 계전기 내의 코일은 전기자(armature)에서 작용하는 자기장을 생성하도록 급전된다(energized). 전기자는 접촉부에 기계적으로 접속되어, 접촉부가 코일에 의해 생성된 자기장 하에서 움직이게 한다. 그 움직임은 접촉부에 의해 생성되는 전기적 접속이 이루어지게 하거나 끊는다. 계전기는 높이 신뢰할 수 있고 광범위한 다양성을 쉽게 이용할 수 있다는 장점을 제공한다. 따라서, 정확한 계전기는 애플리케이션과 쉽게 정합될 수 있다. 그러나, 이들 전기기계 스위치는 느리게 작동하려는 경향이 있으며, 또한 특정 전력 레벨에 관하여 설계되거나 선택되어 야 한다. 계전기가 하나의 전력 레벨에서만 작동하므로, 장치의 스케일링가능성(scalability)은 제한된다. 또한, 계전기는 자신 또는 자신이 구동하는 회로에 대한 보호를 제공하지 않는다.
느린 전기기계 스위치와 다른 것으로서, 직류 애플리케이션에서 저전력 레벨로 예컨대, BJT 또는 MOSFET과 같은 빠른 고체 상태 스위치가 이용되어 왔다. 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 겪을 수 있다. 물리적 갭이 없으므로, 고체 상태 스위치에 의해 제공되는 전기적 보호가 제한된다. 또한, 계전기와 유사하게, 고체 상태 스위치는 특정 전력 레벨에 대하여 크기가 정해지므로 제한된 스케일링가능성을 갖는다.
기존의 I/O 모듈 기술은 그 의도된 용도에는 적합하지만, 당해 기술에서 이들 단점을 극복하는 스케일링가능성 및 전기적 고장 보호를 제공하는 I/O 모듈을 구비한 PLC가 필요하다.
중앙 처리 장치를 구비한 프로그램가능 로직 제어기가 제공된다. 디지털 입/출력 인터페이스가 중앙 처리 장치에 동작가능하게 결합된다. 디지털 입/출력 인터페이스는 적어도 하나의 입력 단자 및 적어도 하나의 출력 단자를 갖는다. 마이크로 전기기계 시스템("MEMS") 스위치가 적어도 하나의 입력 단자 각각 및 적어도 하나의 출력 단자 각각에 접속됨으로써 입력 MEMS 스위치 및 출력 MEMS 스위치를 정의한다. 각각의 마이크로 전기기계 시스템("MEMS") 스위치는 소스 접속부, 드레인 접속부 및 게이트 접속부를 갖는다.
프로그램가능 로직 제어기 인터페이스를 구비한 프로그램가능 로직 제어기에 대한 입/출력 인터페이스 모듈도 제공된다. 적어도 하나의 인터페이스 단자가 제어기 인터페이스에 전기적으로 결합된다. 적어도 하나의 MEMS 스위치가 인터페이스 단자에 접속되는데, MEMS 스위치는 소스 접속부, 드레인 접속부 및 게이트 접속부를 갖는다. 게이트 드라이버가 MEMS 스위치 각각에 결합되고, MEMS 스위치의 개방을 용이하게 하도록 회로가 게이트 드라이버와 전기적으로 접속된다.
중앙 처리 장치를 구비한 프로그램가능 로직 제어기도 제공된다. 인터페이스 모듈이 중앙 처리 장치에 전기적으로 결합된다. 인터페이스 모듈은 드레인 접속부, 소스 접속부 및 게이트 접속부를 가진 적어도 하나의 제 1 MEMS 스위치를 더 포함한다. 게이트 드라이버가 제 1 MEMS 스위치에 동작가능하게 결합되고 중앙 처리 장치로부터 제 1 로직 신호를 수신하도록 전기적으로 결합된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 측면, 및 장점은 도면 전체에서 동일한 기호 가 동일한 구성요소를 나타내는 첨부 도면과 관련하여 후속하는 상세한 설명을 읽을 때 잘 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 스케일링가능성 및 단락 회로 상태와 같은 비정상적인 전기적 고장으로부터 보호하는 전기적 고장 보호를 제공하는 I/O 모듈을 구비한 프로그램가능 로직 제어기(PLC)를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예는 외부 장치의 디지털 제어를 제공하기에 적합한 전기적 보호 기능이 있는 스케일링가능한 인터페이스를 구비한 프로그램가능 로직 제어기("PLC")를 제공한다. 입/출력 인터페이스 모듈("I/O 모듈")은 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 스위치를 포함한다. MEMS 스위치의 사용은 빠른 응답 시간을 제공하고, PLC의 디지털 로직 회로와 높은 전력 외부 회로 사이의 인터페이스도 제공한다. MEMS 스위치와 병렬로 접속된 하이브리드 아크 방지형 제한 기술(HALT) 회로는 MEMS 스위치가 전류 또는 전압과 상관없이 임의의 주어진 시간에 아크 없이 개방되는 능력을 제공한다. 이와 달리, MEMS 스위치와 병렬로 접속된 펄스 지원형 턴온(도시 생략) 회로는 MEMS 스위치가 임의의 주어진 시간에 아크 없이 폐쇄되는 능력을 제공한다.
도 1은 "MEMS 스위치 1", "MEMS 스위치 2" 내지 "MEMS 스위치 n"으로 지정된 복수의 MEMS 스위치를 가진 MEMS 기반 스위칭 시스템(28)을 포함하는 I/O 모듈(24,26)을 구비한 예시적인 PLC(20)의 블록도를 도시한다. 입력 모듈(24)에 접속된 MEMS 스위치는 본 명세서에서 입력 MEMS 스위치로 지칭되고, 출력 모듈(26)에 접속된 MEMS 스위치는 마찬가지로 본 명세서에서 출력 MEMS 스위치로 지칭된다. PLC(20)는 입력 모듈(24)로부터 신호를 수신하도록 배치되는 중앙 처리 장치("CPU")(22)를 포함한다. 입력 모듈(22)은 모터 제어기 또는 온도 센서와 같은 외부 장치로부터 상태를 나타내는 신호를 수신한다. PLC(20) 내의 회로는 전형적으로 저전압, 예컨대, 5 V DC이고, MEMS 스위치(28)는 외부 신호를 CPU(22)에 접속된 로직 회로에 의해 사용가능한 형태로 변환한다. 출력 모듈(26)은 CPU(22)로부터 신호를 수신하도록 배치된다. 출력 모듈(26) 내의 MEMS 스위치(28)는 신호를 외부 장치에 의해 사용가능한 형태로 변환하고, 그 외부 장치로 신호를 전달한다. 본 명세서에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, I/O 모듈은 외부 장치와 CPU(22)에 접속된 로직 회로 사이에 절연 장벽을 제공한다. 본 명세서에는 명확성을 위해 입력 모듈(24) 및 출력 모듈(26)이 2 개의 개별 부품으로서 설명되지만, I/O 모듈은 입력 모듈이나 출력 모듈 또는 이들의 조합으로서 동작하도록 구성될 수 있는 단일 부품으로 결합될 수 있음을 알아야 한다.
CPU(22)는 전형적으로 마이크로프로세서, RAM 및 ROM을 포함하는 주문형 반도체("ASIC")이다. ROM은 PLC(20)에 대한 운영 체제를 포함하고, PLC 유형에 따라 EPROM 또는 플래시 EPROM일 수 있다. RAM은 운영 체제 데이터 저장부용뿐만 아니라 조작자가 실행가능한 코드로 컴파일하였던 제어 프로그램을 저장하는 데에도 사 용된다. CPU(22)는 예컨대, 범용 비동기식 수신기, 송신기, 조절 회로, 고속 카운터, 워치독(watchdog) 회로 및 버스 인터페이스와 같은 디지털 로직 회로의 다른 부품을 더 갖는다.
도 2는 예시적인 아크 방지형 마이크로 전기기계 시스템 스위치(MEMS) 기반 스위칭 시스템(28)의 블록도를 도시한다. 현재, MEMS는 일반적으로 예컨대, 기계적 소자, 전기기계적 소자, 센서, 액추에이터 및 전자기기와 같은 다수의 기능적으로 별개의 소자를 마이크로제조 기술을 통해 공통 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, 실시예는 광범위하게 해석되어야 하며, 마이크론 크기 장치로 한정되어서는 안 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 아크 방지형 MEMS 기반 스위칭 시스템(28)은 MEMS 기반 스위칭 회로(30)와, MEMS 기반 스위칭 회로(30)에 동작가능하게 결합된 아크 억제 회로(32)를 포함하는 것으로 도시되는데, 여기서 아크 억제 회로(32)는 하이브리드 아크 방지형 제한 기술(HALT) 장치로도 지칭된다. 특정 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(30)는 예컨대, 아크 억제 회로(32)와 함께 단일 패키지(34) 안에 완전히 집적될 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(30)의 특정 부분 또는 부품만이 아크 억제 회로(32)와 함께 집적될 수 있다.
현재 고려되는 구성에서, 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명되는 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 회로(30)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함한다. 부가적으로, 아크 억제 회로(32)는 평형 다이오드 브릿지 및 펄스 회로를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(32)는 상태가 폐쇄에서 개방으로 변하는 MEMS 스위치에 응답하여 MEMS 스위치로부터 전기적 에너지의 전달을 수신함으로써 하나 이상의 MEMS 스위치의 접촉부들 사이의 아크 형성 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 아크 억제 회로(32)가 교류 전류(AC) 또는 직류 전류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있음을 알 것이다.
MEMS 기반 스위칭 회로(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 MEMS 스위치(36)를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, MEMS 스위치(36)는 제 1 접속부(38), 제 2 접속부(40) 및 제 3 접속부(42)를 가지는 것으로 도시된다. 일 실시예에서, 제 1 접속부(38)는 드레인으로서 구성될 수 있고, 제 2 접속부(40)는 소스로서 구성될 수 있으며, 제 3 접촉부(42)는 게이트로서 구성될 수 있다. 게이트 접속부(42)는 게이트 드라이버(44)에 접속된다. 게이트 드라이버(44)는 전원 입력(도시 생략)과, CPU(22)로부터 신호를 수신하고 MEMS 스위치(36)의 상태를 변경하는 수단을 제공하도록 접속되는 제어 로직 입력(46)을 포함한다. MEMS 스위치(36)는 단일 스위치로서 도시되었지만, 본 출원에 필요한 필수 전압 및 전류 용량을 제공하도록 2 개 이상의 스위치가 병렬, 직렬, 또는 이들의 몇몇 조합으로 결합될 수 있음을 알아야 한다. 예시적인 실시예에서, MEMS 스위치(28)는 MEMS 스위치의 가감을 허용하도록 모듈러 장치로 구성되어 원하는 외부 장치와의 필수 인터페이스를 제공한 다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, MEMS 스위칭 시스템(28)은 MEMS 스위칭 회로(30)를 통합하고, 차례로 MEMS 스위치(36)를 통합하는 회로를 도시하는 시스템을 도시한다.
전압 스너버 회로(48)는 MEMS 스위치(36)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(48)는 스너버 저항기와 직렬로 결합된 스너버 캐패시터를 포함할 수 있다. 스너버 캐패시터는 MEMS 스위치(36)의 개방의 연속 동안 과도 전압 분배의 개선을 용이하게 할 수 있다. 또한, 스너버 저항기는 MEMS 스위치(36)의 폐쇄 동작 동안 스너버 캐패시터에 의해 생성된 임의의 전류 펄스를 억제할 수 있다. 다른 특정 실시예에서, 전압 스너버 회로(48)는 금속 산화물 바리스터(MOV)(도시 생략)를 포함할 수 있다.
본 기술의 다른 측면에 따르면, 부하 회로(50)가 MEMS 스위치(36)와 직렬로 결합될 수 있다. 부하 회로(50)는 PLC(20)로 신호를 전달하고 있거나 제어되고 있는 외부 장치(54)도 포함할 수 있다. 또한, 부하 회로(50)는 전압 소스 VBUS(52)를 포함할 수 있다. 부하 회로(50)는 부하 인덕턴스 LLOAD(56)를 더 포함할 수 있는데, 여기서 부하 인덕턴스 LLOAD(56)는 부하 회로(50)에 의해 관찰되는 조합된 부하 인덕턴스 및 버스 인덕턴스를 나타낸다. 부하 회로(50)는 부하 회로(50)에 의해 관찰되는 조합된 부하 저항을 나타내는 부하 저항 RLOAD(58)도 포함할 수 있다. 참조 번호 60은 부하 회로(50) 및 MEMS 스위치(36)를 통해 흐를 수 있는 부하 회로 전류 ILOAD를 나타낸다.
또한, 도 2를 참조하여 알 수 있듯이, 아크 억제 회로(32)는 평형 다이오드 브릿지를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 평형 다이오드 브릿지(62)는 제 1 분기(64) 및 제 2 분기(66)를 가지는 것으로 도시된다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "평형 다이오드 브릿지"는 제 1 및 제 2 분기(64,66) 양자 모두를 통한 전압 강하가 실질적으로 동일하도록 구성되는 다이오드 브릿지를 나타내는 데 사용된다. 평형 다이오드 브릿지(62)의 제 1 분기(64)는 제 1 직렬 회로를 형성하도록 함께 결합된 제 1 다이오드 D1(68)와 제 2 다이오드 D2(70)를 포함할 수 있다. 유사한 방식으로, 평형 다이오드 브릿지(62)의 제 2 분기(66)는 제 2 직렬 회로를 형성하도록 함께 동작가능하게 결합된 제 3 다이오드 D3(72)와 제 4 다이오드 D4(74)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 스위치(36)는 평형 다이오드 브릿지(62)의 중심점 양단에 병렬로 결합될 수 있다. 평형 다이오드 브릿지의 중심점은 제 1 및 제 2 다이오드(68,70) 사이에 배치된 제 1 중심점 및 제 3 및 제 4 다이오드(72,74) 사이에 배치된 제 2 중심점을 포함할 수 있다. 또한, MEMS 스위치(36) 및 평형 다이오드 브릿지(62)는 빽빽하게 패키징되어, 평형 다이오드 브릿지(62), 특히, MEMS 스위치(36)에 대한 접속부에 기인하는 기생 인덕턴스의 최소화를 용이하게 할 수 있다. 본 기술의 예시적인 측면에 따르면, MEMS 스위치(36)와 평형 다이오드 브릿지(62)는 서로에 관하여 배치되어, MEMS 스위치(36)가 턴오프하는 동안 다이오드 브릿 지(62)로 부하 전류를 전달하는 경우에, MEMS 스위치(36)와 평형 다이오드 브릿지(62) 사이의 고유 인덕턴스가 MEMS 스위치(36)의 드레인(38)과 소스(40) 양단의 몇 퍼센트의 전압 미만의 di/dt 전압을 산출하게 되며, 이는 보다 상세히 후술될 것이다. 일 실시예에서, MEMS 스위치(36)는 평형 다이오드 브릿지(62)와 함께 단일 패키지에 또는 선택적으로, MEMS 스위치(36)와 다이오드 브릿지(62)를 상호접속하는 인덕턴스를 최소화할 의도로 동일한 다이 내에 집적될 수 있다.
부가적으로, 아크 억제 회로(32)는 평형 다이오드 브릿지(62)와 동작 관련하여 결합된 펄스 회로(76)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(76)는 스위치 상태를 검출하고 그 스위치 상태에 응답하여, MEMS 스위치(36)의 개방을 시작하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "스위치 상태"는 MEMS 스위치(36)의 현재 작동 상태 변경을 트리거하는 상태를 지칭한다. 예컨대, 스위치 상태는 MEMS 스위치(36)의 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로의 변경 또는 MEMS 스위치(36)의 제 1 개방 상태에서 제 2 폐쇄 상태로의 변경을 초래할 수 있다. 스위치 상태는 회로 고장 또는 CPU(22)로부터의 온/오프 요청을 포함하는 다수의 작용에 응답하여 발생할 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
펄스 회로(76)는 펄스 스위치(78) 및 펄스 스위치(78)와 직렬로 결합된 펄스 캐패시터 CPULSE(80)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로(76)는 펄스 인덕턴스 LPULSE(82) 및 펄스 스위치(78)와 직렬로 결합된 제 1 다이오드 DP(84)도 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE(82), 다이오드 DP(84), 펄스 스위치(78) 및 펄스 캐패시 터 CPULSE(80)는 직렬로 결합되어 펄스 회로(76)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 86은 펄스 회로(76)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 IPULSE를 나타낸다.
예시적인 실시예의 측면에 따르면, MEMS 스위치(36)는 전압이 거의 0임에도 불구하고 전류를 전달하면서 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로 스위칭될 수 있다. 이는 부하 회로(50)의 결합된 동작 및 MEMS 스위치(36)의 접촉부 양단에 병렬로 결합된 평형 다이오드 브릿지(62)를 포함하는 펄스 회로(76)를 통해 달성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 예시적인 실시예의 입력 모듈(24)이 도시된다. 전술한 바와 같이 입력 모듈(24)은 부하 회로(50), 다이오드 회로(62) 및 펄스 회로(76)와 직렬로 결합된 MEMS 스위치(36)를 포함한다. 입력 모듈은 부하 회로(50)로부터의 신호를 수락하고 PLC(20)의 디지털 로직 회로에 의해 사용할 부하 신호를 변환한다. 이 실시예에서, 전압 감지 회로(90)가 MEMS 스위치(36)의 소스(40) 및 드레인(38) 단자에 결합된다. 적합한 전압 센서는 MEMS 스위치(36) 양단의 전압을 측정한다. 참조 번호 92는 부하 회로(50)를 통해 흐를 수 있는 전압 전위 VLOAD를 나타낸다. 전압 전위(92)는 예컨대, 온도 센서 또는 부하 셀과 같은 외부 장치(54)에 의해 생성된 신호를 나타낸다. 전압 센서(90)는 예컨대, PLC(20) 백플레인을 통해 CPU(22)와 입력 모듈(24)을 접속하는 단자 블록(terminal block)(96)에 결합 된다. 단자 블록(96)은 각각 개별적인 MEMS 스위치 회로(28)에 대한 접속에 적합한 복수의 단자를 갖는다.
전압 센서는 MEMS 스위치(36)를 통해 겪게 될 예측된 전압 범위를 측정할 수 있는 예컨대, 고 저항 전류계(ammeter)와 같은 임의의 적합한 전압 측정 회로일 수 있다. 전압 감지 회로(90)는 CPU(22)의 디지털 로직 회로에 적합한 전압 신호 VDIGITAL를 발생시킨다. 참조 번호 94는 CPU(22)로 전송되는 전압 신호 VDIGITAL를 나타낸다. 예시적인 실시예에서, 전압 신호(94)는 부하 전압(92)에 비례하고, 그 범위는 -5 V DC 내지 +5 V DC이다. 전술한 바와 같이, CPU(22)는 전압 신호(94)에 응답하고 그 신호가 나타낸 상태에 기초하여 인스트럭션을 실행하며, 그에 응답하여 출력 데이터 신호를 산출한다.
이제 도 5를 참조하면, 예시적인 실시예의 출력 모듈(26)이 설명될 것이다. 입력 신호(94)에 응답하여, CPU(22)는 입력 상태가 감지 또는 측정될 때 시스템 조작자가 원하는, 예컨대, 모터를 턴온하는 출력 응답을 제공하도록 제어 인스트럭션을 실행한다. 출력 신호는 참조 번호 100으로 나타낸다. 출력 신호(100)는 CPU(22)에서 출력 모듈(26) 내의 단자 블록(98)으로 전송된다. 출력 모듈은 예컨대, 백플레인을 통해 PLC(20)에 결합된다.
출력 모듈(26)은 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 다이오드(62)와 펄스 회로(76)에 결합된 MEMS 스위치(36)를 가진 MEMS 기반 스위칭 시스템(28)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, MEMS 스위치(36)는 외부 장치(102)와 직렬로 결합되고, 외부 장치(102)에 전력을 접속하거나 끊도록 배치된다. 출력 모듈(26)은 상이한 유형의 외부 장치를 가진 다수의 상이한 애플리케이션에서 이용될 수 있으며, 외부 장치로부터 전력을 접속하고 끊는 기능은 예시적이며 이것으로 한정되어서는 안 됨을 알아야 한다.
출력 신호(100)는 CPU(22)에 의해 단자 블록(98)을 통해 전송되고, 게이트 드라이버 제어 로직 입력(46)에 의해 수신된다. 출력 신호(100)의 특성에 따라, 게이트 드라이버(44)는 MEMS 스위치(36)가 폐쇄되거나 개방되게 하는 게이트 접속부(42)를 급전하거나 단전한다(deenergize). MEMS 스위치(36)가 폐쇄되는 경우에, 전력은 전압 소스(104)에서 외부 장치(102)로 흐를 수 있다. MEMS 스위치(36)가 개방되는 경우에, 외부 장치(102)로의 전력의 흐름은 중단된다. 전술한 바와 같이, MEMS 스위치는 MEMS 기반 스위칭 시스템(28) 또는 CPU(22)의 디지털 로직 회로에 손상을 줄 수 있는 원치 않는 전기적 상태로부터 MEMS 기반 스위칭 시스템(28)과 PLC(20)를 보호하기 위해 회로 내에 집적된 아크 억제 회로(32)를 가질 수 있다.
입력 모듈(24)과 출력 모듈(26)이 PLC(20)에 결합된 개별 부품으로 설명되었지만, 이것은 예시를 위해 및 모듈(24,26)을 설명하기 위해 이루어진 것이다. 입/출력 모듈(24,26)은 또한 예컨대, 백플레인을 통해 PLC(20)에 결합되는 단일 부품으로 통합될 수 있다. 또한, 각각의 MEMS 기반 스위칭 시스템(28)은 입력 인터페이스 기능과 출력 인터페이스 기능 양자 모두를 제공하도록 구성되어, 제조 공정 시에 늦게 또는 애플리케이션이 배치되는 필드에서 그 구성이 변할 수 있게 된다. 입력 인터페이스에서 출력 인터페이스로의 변화는 예컨대, 딥 스위치(dip switch)와 같은 하드웨어를 통해 또는 CPU(22) 상에서 실행되는 제어 코드를 통해 달성될 수 있다. MEMS 기반 스위칭 시스템(28)을 재구성하는 능력은 비용 및 설치 시간의 측면에서, 재구성을 달성하기 위해 전용 하드웨어의 교체를 필요로 하는 기존의 I/O 모듈 이상의 이점을 제공한다.
이제 예시적인 실시예의 측면에 따라, 출력 모듈(26)에 대한 예시적인 소프트 스위칭 시스템(106)의 블록도를 도시하는 도 6을 참조한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 소프트 스위칭 시스템(106)은 서로 동작가능하게 결합된 스위칭 회로(30), 검출 회로(108) 및 제어 회로(110)를 포함한다. 검출 회로(108)는 스위칭 회로(30)에 결합되고, 외부 장치에 접속된 부하 회로 내의 교류 소스 전압(이하 "소스 전압") 또는 부하 회로 내의 교류 전류(이하 "부하 회로 전류"로 지칭됨)의 제로 크로싱(zero crossing)의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 제어 회로(110)는 스위칭 회로(30) 및 검출 회로(108)에 결합될 수 있고, 검출된 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 제로 크로싱에 응답하여 스위칭 회로(30) 내의 하나 이상의 스위치의 아크 방지형 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(110)는 스위칭 회로(30)의 적어도 일부를 포함하는 하나 이상의 MEMS 스위치의 아크 방지형 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예의 일 측면에 따르면, 소프트 스위칭 시스템(106)은 소프트 또는 포인트 온 웨이브(PoW:point-on-wave) 스위칭을 수행하도록 구성될 수 있으며, 이로써 스위칭 회로(30) 내의 하나 이상의 MEMS 스위치는 스위칭 회로(30) 양 단의 전압이 0이거나 0에 상당히 가까우면 동시에 폐쇄될 수 있고, 스위칭 회로(30)를 통과한 전류가 0이거나 0에 가까우면 동시에 개방될 수 있다. 스위칭 회로(30) 양단의 전압이 0이거나 0에 상당히 가까우면 스위치를 동시에 폐쇄함으로써, 다수의 스위치가 동시에 전부 닫히지 않더라도, 하나 이상의 MEMS 스위치의 접촉부가 닫히므로 이들 사이의 전기장을 약하게 유지함으로써 사전 스트라이크(pre-strike) 아크가 방지될 수 있다. 이와 유사하게, 스위칭 회로(30) 양단의 전류가 0이거나 0에 가까우면 스위치를 동시에 개방함으로써, 소프트 스위칭 시스템(106)은 스위칭 회로(30)에서 개방된 마지막 스위치 내의 전류가 스위치의 설계 능력 내에 있도록 설계될 수 있다. 이상에 암시한 바와 같이 그리고 일 실시예에 따르면, 제어 회로(110)는 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 제로 크로싱의 발생과 스위칭 회로(30)의 하나 이상의 MEMS 스위치의 개방 및 폐쇄를 동기화하도록 구성될 수 있다.
설명을 위해, 도 3, 도 4 및 도 5는 MEMS 스위치(36)를 단일 스위치로서 도시하지만, MEMS 스위치(36)는 예컨대, 소프트 스위칭 시스템(106)의 전류 및 전압 처리 요구조건에 따라 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 회로(30)는 MEMS 스위치에 전류를 분배하도록 병렬식 구성으로 함께 결합된 다수의 MEMS 스위치를 포함하는 스위치 모듈도 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 회로(30)의 하나 이상의 MEMS 스위치는 단일 패키지에 집적될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 6의 소프트 스위칭 시스템(106)의 일 실시예의 개략 도(112)가 도시된다. 도시된 실시예에 따르면, 개략도(112)는 스위칭 회로(30), 검출 회로(108) 및 제어 회로(110)의 일례를 포함한다. 추가 설명을 위해, MEMS 스위치(36) 각각이 도 3을 참조하여 전술한 MEMS 스위치에 관하여 설명될 것이다. 일 실시예에서, 제어 회로(108)는 제어 로직 입력(46)을 통해 게이트 드라이버(44)에 결합되어 MEMS 스위치(36)의 전류 상태의 스위칭을 용이하게 할 수 있다.
부가적으로, MEMS 스위치(36)는 도 7에 또한 도시된 바와 같이 부하 회로(50)와 직렬로 결합될 수 있다. 현재 고려중인 구성에서, 부하 회로(50)는 외부 제어형 장치(54)에 접속되고, 또한 전압 소스 VSOURCE(52)를 포함할 수 있으며, 부하 인덕턴스 LLOAD(56) 및 부하 저항 RLOAD(58)을 보유할 수 있다. 일 실시예에서, 전압 소스 VSOURCE(52)(AC 전압 소스로도 지칭됨)는 교류 소스 전압 및 교류 부하 전류 ILOAD(60)를 생성하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 검출 회로(108)는 부하 회로(50) 내의 교류 소스 전압 또는 교류 부하 전류 ILOAD(60)의 제로 크로싱의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 교류 소스 전압은 전압 감지 회로(114)를 통해 감지될 수 있고, 교류 부하 전류 ILOAD(60)는 전류 감지 회로(116)를 통해 감지될 수 있다. 교류 소스 전압 및 교류 부하 전류는 예컨대, 연속적으로 또는 불연속 주기로 감지될 수 있다.
소스 전압의 제로 크로싱은 예컨대, 도시된 0 전압 비교기(118)와 같은 비교기를 사용하여 검출될 수 있다. 전압 감지 회로(114)에 의해 감지된 전압 및 0 전 압 기준(120)은 0 전압 비교기(118)로의 입력으로서 이용될 수 있다. 차례로, 부하 회로(50)의 소스 전압의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(122)가 생성될 수 있다. 이와 유사하게, 부하 전류 ILOAD(60)의 제로 크로싱도 도시된 0 전류 비교기(124)와 같은 비교기를 사용하여 검출될 수 있다. 전류 감지 회로(116)에 의해 감지된 전류 및 0 전류 기준(126)은 0 전류 비교기(124)로의 입력으로서 이용될 수 있다. 차례로, 부하 전류 ILOAD(60)의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(128)가 생성될 수 있다.
그 다음에 제어 회로(110)는 출력 신호(122,128)를 이용하여 MEMS 스위치(36)의 전류 작동 상태를 언제 변경(예컨대, 개방 또는 폐쇄)할지를 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 회로(110)는, 검출된 교류 부하 전류 ILOAD(60)의 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(50)를 개방하거나 차단하기 위해, MEMS 스위치(36)의 개방을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어 회로(110)는, 검출된 교류 소스 전압의 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(50)를 완료하기 위해, MEMS 스위치(36)의 폐쇄를 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 회로(110)는 CPU(22)로부터 전송된 인에이블 신호(130)의 상태에 적어도 일부분 기초하여 MEMS 스위치(36)의 현재 작동 상태를 제 2 작동 상태로 스위칭할지를 결정할 수 있다. 인에이블 신호(130)는 예컨대, 파워 오프 명령의 결과로서 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 인에이블 신호(130) 및 출력 신호(122,128)는 도시된 이중 D 플립 플롭(132)으로의 입력 신호로서 사용될 수 있 다. 이들 신호는 인에이블 신호(130)가 활성(예컨대, 상승 에지 트리거링)이 된 후에 제 1 소스 전압 0에서 MEMS 스위치(36)를 폐쇄하고, 인에이블 신호(130)가 비활성(예컨대, 하강 에지 트리거링)이 된 후에 제 1 부하 전류 0에서 MEMS 스위치(36)를 개방하는 데 사용될 수 있다. 도시된 도 7의 개략도(112)에 관하여, 인에이블 신호(130)가 활성(특정 구현에 따라 하이 또는 로우)이고, 출력 신호(122) 또는 출력 신호(128)가 감지된 전압 또는 전류 0을 나타낼 때마다, 트리거 신호(134)가 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 트리거 신호(134)는 예컨대, NOR 게이트(136)를 통해 생성될 수 있다. 차례로, 트리거 신호(134)는 드라이버(138)를 통해 전달되어, MEMS 스위치(36)의 게이트 드라이버(44)의 제어 로직 입력(46)에 제어 전압을 인가하는 데 사용될 수 있는 게이트 활성화 신호(140)를 생성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 특정 애플리케이션에 대해 바람직한 정격 전압을 획득하기 위해, MEMS 스위치(136)는 다른 MEMS 스위치와 직렬로 동작가능하게 결합될 수 있다. 각각의 개별 MEMS 스위치(36)는 홀드 오프(hold-off) 전압으로 지칭되는 전기적 특성을 가질 수 있다. 이것은 MEMS 스위치에 존재하는 정전기력의 유도 하에서 MEMS 스위치가 상태를 개방에서 폐쇄로 또는 폐쇄에서 개방으로 변경하는 전압이다. 전형적인 MEMS 스위치는 대략 100 V의 홀드 오프 전압을 갖는다. 그러나, 특정 애플리케이션에서는, 예컨대, 400 V와 같은 높은 전압에서 작동하는 것이 바람직하다. MEMS 스위치(36)가 직렬식으로 배치되므로, 그 쌍에 대한 홀드 오프 전압은 각각의 개별 MEMS 스위치에 대한 홀드 오프 전압의 합과 같다. 만일 스위치 가 예컨대, 100 V의 동일한 홀드 오프 전압을 가지면, 2 개의 MEMS 스위치(36)에 대한 홀드 오프 전압은 예컨대, 2 배 또는 200 V일 것이다.
MEMS 스위치(36)가 함께 병렬식으로 배치되어 전류를 전달하는 추가 용량을 제공하는 추가적인 MEMS 스위치를 포함할 수 있음을 알아야 한다. MEMS 스위치의 조합된 능력은 홀드 오프 전압을 증가시키고 부하 회로에 의해 겪을 수 있는 연속적이고 과도한 과부하 전류 레벨을 적절히 전달할 수 있다. 예컨대, 6 배의 과도 과부하를 가진 10 A RMS 모터 접촉기를 사용하는 경우에, 10 초 동안 60 A RMS를 전달하도록 병렬로 결합된 스위치가 충분해야 한다. 전류 0에 도달하는 5 ㎲ 이내에 MEMS 스위치를 스위칭하기 위해 포인트 온 웨이브 스위칭을 사용하면, 접촉부 개방시에 흐르는 160 mA 순시치가 존재할 것이다. 따라서, 이 애플리케이션의 경우에, 각 MEMS 스위치는 160 mA를 "웜(warm) 스위칭"할 수 있어야 하며, 60 A를 전달하도록 충분히 병렬로 배치되어야 한다. 반면에, 단일 MEMS 스위치는 스위칭 순간에 흐르게 될 전류량 또는 전류 레벨을 중단시킬 수 있어야 한다.
그러나, 예시적인 실시예는 교류 전류 및/또는 사인곡선 파형의 아크 방지형 스위칭으로 제한되지 않는다. 도 8에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예는 본래 0을 발생시키지 않는 직류 전류 및/또는 전류들의 아크 방지형 스위칭에도 적용가능하다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템(142)의 블록도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 아크 방지형 MEMS 기반 스위칭 시스템(142)은 MEMS 기반 스위칭 회로(144) 및 아크 억제 회로(146)를 포함하는 것으 로 도시되는데, 예컨대, HALT 및 PATO 회로와 같은 아크 억제 회로(146)는 MEMS 기반 스위칭 회로(144)에 동작가능하게 결합된다. 몇몇 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(144)는 아크 억제 회로(146)와 함께 단일 패키지(148) 안에 완전히 집적될 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(144)의 특정 부분 또는 부품만이 아크 억제 회로(146)와 함께 집적될 수 있다.
MEMS 기반 스위칭 회로(144)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 부가적으로, 아크 억제 회로(146)는 평형 다이오드 브릿지 및 펄스 회로 및/또는 펄스 회로 소자를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(146)는 상태가 폐쇄에서 개방(또는 개방에서 폐쇄)으로 변하는 MEMS 스위치에 응답하여 MEMS 스위치로부터 전기적 에너지의 전달을 수신함으로써 하나 이상의 MEMS 스위치의 접촉부들 사이의 아크 형성 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 아크 억제 회로(146)가 교류 전류(AC) 또는 직류 전류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있음을 알 것이다.
그러나, 예시적인 실시예는 단일 MEMS 스위치를 포함하는 I/O 모듈로 제한되지 않는다. 예컨대, 복수의 MEMS 스위치는 단일 MEMS 스위치 쌍과 비교하여, 상이한 정격 전압 또는 상이한 전류 처리 능력을 달성하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 전술한 바와 같이, 복수의 MEMS 스위치는 병렬로 접속되어 전류 처리 능력이 증가할 수 있다. 이와 유사하게, 복수의 MEMS 스위치는 직렬로 접속되어 높은 정격 전압을 획득할 수 있다. 또한, 복수의 MEMS 스위치는 직렬 및 병렬 접속의 조합을 포함하는 네트워크 내에 접속되어 바람직한 정격 전압 및 전류 처리 능력을 달성할 수 있다. 이러한 모든 조합은 예시적인 실시예의 범위 내에 있도록 의도된다. 도 9를 참조하면, 다수의 MEMS 스위치를 가진 출력 모듈(26)의 예시적인 구성이 도시된다.
도 9는 예시적인 실시예에 따라 구성된 출력 모듈(26)을 가진 PLC(20)의 블록도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 2 개의 MEMS 기반 스위칭 시스템(150,152)은 각각 단자 블록(90)과 부하 회로(154,156) 사이에 접속된다. 부하 회로(154,156)는 시스템 조작자가 제어하기를 원하는 외부 장치에 각각 접속된다. 제 3 MEMS 기반 스위칭 시스템(160)이 접속되어 외부 회로(166) 상의 신호를 측정한다. MEMS 기반 스위칭 시스템(160)을 통해 수신된 입력 신호에 응답하여 CPU(22)는 MEMS 기반 스위칭 시스템(150,152) 각각을 독립적으로 작동시킬 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 시스템(150)은 단자 블록(98)의 단자 1에 결합된다. MEMS 기반 스위칭 시스템(150)은 부하 회로(154)에 필요한 높은 전압 스탠드오프(standoff) 성능을 제공하도록 직렬로 접속된 MEMS 스위치(158) 어레이와 정렬된다. MEMS 기반 스위칭 시스템(152)은 단자 블록(98)의 단자 2에 접속된다. MEMS 기반 스위칭 시스템(152)은 높은 전류 애플리케이션에서의 사용을 허용하도록 병렬로 결합된 MEMS 스위치(160) 어레이를 예시한다. PLC가 각각 단자 블록(98)의 단자에 접속되어 있는, 출력 모듈(26) 상의 복수의 MEMS 기반 스위칭 시스템(150,152)을 가질 수 있음을 알아야 한다. 이들 제각기의 MEMS 기반 스위칭 시스템 각각은 본 명세서에 설명된 바와 같이 CPU(22)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
제 3 MEMS 기반 스위칭 시스템(160)은 외부 회로(166)로부터 신호를 수신하도록 배치된다. MEMS 스위치(164)는 그 신호를 본 명세서에 설명되어온 바와 같이 전압 센서(168)에 의해 측정되는 전압으로서 수신한다. 전압 센서(168)는 단자 블록(98)의 단자 "n-1"에 접속되는데, 이는 MEMS 기반 스위칭 시스템(160)에서 CPU(22)로의 디지털 신호의 전송을 허용한다. 제 3 MEMS 기반 스위칭 시스템(160)이 전술한 것과 유사한 방식으로 직렬 또는 병렬로 배치된 다수의 MEMS 스위치(164)를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
따라서, 본 명세서에 설명된 PLC(20)는 전류 경로와 집적형으로(integrally) 배치된 제어 회로와, 전류 경로에 배치된 적어도 하나의 MEMS 스위치와, 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속되어 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크 방지형 개방을 용이하게 하는 HALT 회로, 및 적어도 하나의 MEMS 스위치 쌍과 병렬로 접속되어 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크 방지형 폐쇄를 용이하게 하는 PATO 회로를 포함할 수 있다.
또한, 예시적인 실시예는 전류 경로를 통해 전달되는 전류를 제어하는 방법을 제공한다. 예컨대, 방법은 전류 경로 개방을 용이하게 하도록 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 전류 경로 폐쇄를 용이하게 하도록 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예는 아크 방지형 전류 제어 장치 및 아크 방지형 전류 제어의 방법 도 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에 포함된 예시적인 실시예는 예컨대, HALT 또는 PATO 회로와 같은 아크 억제 회로와 MEMS 스위치의 결합을 논의하지만, 이러한 보호를 필요로 하지 않는 애플리케이션이 존재한다. PLC(20)가 예컨대, -5 V DC 내지 +5 V DC 로직 회로에서 작동하는 장치를 의미하는 디지털 장치를 모니터하고 제어하는 데 사용되는 애플리케이션에서, 이러한 보호 회로는 필요하지 않을 수도 있다. 따라서, 이들 애플리케이션에서, 아크 억제 회로는 제거되어 비용을 줄이고 I/O 모듈의 크기를 감소시킬 수 있다.
이렇게 기재된 설명은 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하고, 어떠한 당업자도 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하는 본 발명을 실시할 수 있게 하는 데 예시를 이용한다. 본 발명의 특허가능 범위는 특허청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 발생하는 다른 예시를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예시는, 만일 그 예시가 특허청구범위의 문자 언어와 다르지 않은 구성 요소를 가지거나, 특허청구범위의 문자 언어와의 차이가 미미한 균등한 구성 요소를 포함하면, 특허청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 또한, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라, 어떤 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 데 사용된다. 또한, 용어 하나의 등의 사용은 양의 제한을 나타내는 것이 아니라, 언급된 항목이 적어도 하나 존재함을 나타낸다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 MEMS 기반 스위칭 시스템과 I/O 모듈을 구비한 예시적인 PLC의 블록도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 예시적인 MEMS 스위치를 도시하는 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템 입력 인터페이스 모듈의 개략도이다.
도 5는 도 3에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템 출력 인터페이스 모듈을 도시하는 개략도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 7은 도 5에 도시된 시스템의 대안 및 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템 출력 인터페이스 모듈의 개략도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 전기적 고장 보호를 구비한 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따라 직렬 및 병렬로 배치된 MEMS 기반 스위칭 시스템 어레이를 구비한 PLC의 블록도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 프로그램가능 로직 제어기(PLC) 22 중앙 처리 장치
24 I/O 입력 모듈 26 I/O 출력 모듈
28 MEMS 기반 스위칭 시스템 30 MEMS 기반 스위칭 회로
32 아크 억제 회로 34 단일 패키지
36 MEMS 스위치 38 제 1 접속부 (드레인)
40 제 2 접속부 (소스) 42 제 3 접속부 (게이트)
44 게이트 드라이버 46 제어 로직 입력
48 전압 스너버 회로 50 부하 회로
52 전압 소스 54 외부 장치
56 부하 인덕턴스 58 부하 저항
60 부하 회로 전류 62 평형 다이오드 브릿지
64 제 1 분기 66 제 2 분기
68 제 1 다이오드 70 제 2 다이오드
72 제 3 다이오드 74 제 4 다이오드
76 펄스 회로 78 펄스 스위치
80 펄스 캐패시터 82 펄스 인덕턴스
84 제 1 다이오드 86 펄스 회로 전류
90 전압 감지 회로 92 전압 전위
94 전압 신호 96 단자 블록
100 출력 신호 102 외부 장치
104 전압 소스 106 소프트 스위칭 시스템
108 검출 회로 110 제어 회로
112 개략도 114 전압 감지 회로
116 전류 감지 회로 118 0 전압 비교기
120 0 전압 기준 122 출력 신호
124 0 전류 비교기 126 0 전류 기준
128 출력 신호 130 인에이블 신호
132 이중 D 플립 플롭 134 트리거 신호
136 MEMS 스위치 138 드라이버
140 게이트 활성화 신호 142 MEMS 기반 스위칭 시스템
144 MEMS 기반 스위칭 회로 146 아크 억제 회로
148 단일 패키지 150 MEMS 기반 스위칭 시스템
152 MEMS 기반 스위칭 시스템 154 부하 회로
156 부하 회로 158 MEMS 스위치 어레이
160 제 3 MEMS 기반 스위칭 시스템 164 MEMS 스위치
166 외부 회로

Claims (10)

  1. 프로그램가능 로직 제어기에 있어서,
    중앙 처리 장치(22)와,
    상기 중앙 처리 장치(22)에 동작가능하게 결합되며, 적어도 하나의 입력 단자 및 적어도 하나의 출력 단자를 가진 디지털 입/출력 인터페이스(24)와,
    상기 적어도 하나의 입력 단자 각각 및 상기 적어도 하나의 출력 단자 각각에 접속됨으로써 입력 MEMS 스위치(28) 및 출력 MEMS 스위치(28)를 정의하며, 각각 소스 접속부(40), 드레인 접속부(38) 및 게이트 접속부(42)를 가지는 마이크로 전기기계 시스템("MEMS") 스위치(28)를 포함하는
    프로그램가능 로직 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 MEMS 스위치(28)는 제각기의 게이트 접속부(42)에 결합된 게이트 드라이버(44)를 더 포함하는
    프로그램가능 로직 제어기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 출력 MEMS 스위치(28)의 상기 게이트 드라이버(44)는 상기 출력 MEMS 스위치(28)의 개방을 전기적으로 용이하게 하는 드라이버 회로(30)에 결합되는
    프로그램가능 로직 제어기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 입력 MEMS 스위치(28) 각각은 상기 스위치(28) 양단의 전압을 감지하는 감지 회로(114)에 결합되는
    프로그램가능 로직 제어기.
  5. 프로그램가능 로직 제어기용 입/출력 인터페이스 모듈에 있어서,
    프로그램가능 로직 제어기 인터페이스(24)와,
    상기 제어기 인터페이스에 전기적으로 결합된 적어도 하나의 인터페이스 단자와,
    상기 인터페이스 단자에 접속되며, 소스 접속부(40), 드레인 접속부(38) 및 게이트 접속부(42)를 가진 적어도 하나의 MEMS 스위치(28)와,
    상기 MEMS 스위치(28) 각각에 결합된 게이트 드라이버(44)와,
    상기 MEMS 스위치(28)의 개방을 용이하게 하도록 상기 게이트 드라이버(44)와 전기적으로 접속된 회로(30)를 포함하는
    입/출력 인터페이스 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버(44)는 상기 제어기 인터페이스에 전기적으로 결합되는
    입/출력 인터페이스 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치(28)는 복수의 MEMS 스위치(158)를 가진 어레이인
    입/출력 인터페이스 모듈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 회로는 HALT 회로(32)인
    입/출력 인터페이스 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 HALT 회로(32)는, 상태가 폐쇄에서 개방으로 변하는 상기 MEMS 스위 치(28)에 응답하여 상기 MEMS 스위치(28)로부터 전기적 에너지의 전달을 수신하도록 구성되는
    입/출력 인터페이스 모듈.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치(28)에 전기적으로 결합된 감지 회로(90)를 더 포함하되,
    상기 감지 회로(90)는 상기 MEMS 스위치(28)가 개방 위치에 있는 경우에 상기 MEMS 스위치의 소스 접속부(40)와 드레인 접속부(38) 사이의 전압을 측정하도록 배치된
    입/출력 인터페이스 모듈.
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