KR20090107963A - Circuit arrangement for operating a capacitive load and usage of such a circuit arrangement - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 예컨대 압전 액추에이터와 같은 용량성 부하를 작동하기 위한 회로 장치와 관련이 있다.The present invention relates to circuit arrangements for operating capacitive loads, for example piezoelectric actuators.
상기와 같은 회로 장치는 특히 자동차 전자 장치 분야에서 다양한 실시예로 공지되어 있으며, 특별히 연료 인젝터 내에 있는 압전 액추에이터를 작동하기 위해서 이용된다. 하지만, 공지된 회로 장치들은 연료 분사 밸브의 신속하고 정확하며 재생 가능한 개방 및 폐쇄와 관련하여 상기와 같은 적용 분야에서 제기되는 높은 요구 조건들로 인해 상당히 복잡하게 형성되었다.Such circuit arrangements are known in various embodiments, especially in the field of automotive electronics, and are especially used for operating piezoelectric actuators in fuel injectors. However, the known circuit arrangements are quite complex due to the high requirements posed by such applications in connection with the fast, accurate and renewable opening and closing of fuel injection valves.
그렇기 때문에, 회로 장치의 파워 특성에 대한 요구 사항이 적은 적용례들을 위해서는 덜 복잡하게 형성되고 그로 인해 더욱 경제적인 회로 장치들이 바람직할 것이다.As such, less complex and less economical circuit devices would be desirable for applications where the requirements for power characteristics of the circuit device are low.
본 발명의 과제는 용량성 부하를 작동하기 위한 단순하게 구성된 회로 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a simply configured circuit arrangement for operating a capacitive load.
상기 과제는 본 발명의 청구항 1 또는 2에 따른 회로 장치에 의해서 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들과 관련이 있다.The problem is solved by the circuit arrangement according to claim 1 or 2 of the present invention. The dependent claims relate to preferred refinements of the invention.
본 발명에 따른 회로 장치(10 및 10a)에 의해서는, 각각 단순하게 구성되었기 때문에 압전 액추에이터를 트리거링 하기에 비용적으로 유리한 출력단이 만들어진다. 상기 회로 장치는 1단으로만 구성되었고, 뒤에 접속되는 선형 조절기를 필요로 하지 않는다. 기본적으로 임의의 출력 전압 및 입력 전압이 설정될 수 있다. 전력 공급 측과 출력 측 간의 용량성 또는 유도성 결합 해제에 의해서는 에러의 경우에도 출력부에서 높은 전류 또는 높은 전압이 발생하지 않을 수 있다. 그밖에 부하 내에 저장된 에너지도 부하 방전시에 적어도 부분적으로 재차 회복될 수 있다.The
본 발명의 제 1 양상에 따른 회로 장치는The circuit arrangement according to the first aspect of the present invention is
- 제 1 공급 전위 또는 제 2 공급 전위를 인가하기 위한 제 1 전력 공급 단자 및 제 2 전력 공급 단자를 포함하고,A first power supply terminal and a second power supply terminal for applying a first supply potential or a second supply potential,
- 부하를 접속하기 위한 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 포함하며, 이 경우 제 1 출력 단자는 제 1 전력 공급 단자에 연결되어 있고,A first output terminal and a second output terminal for connecting the load, in which case the first output terminal is connected to the first power supply terminal,
- 제 1 회로 노드와 제 2 회로 노드 사이에 배치된 커패시터를 포함하며,A capacitor disposed between the first circuit node and the second circuit node,
- 제 2 전력 공급 단자와 제 1 회로 노드 사이에 배치된 제 1 인덕터를 포함하고, A first inductor disposed between the second power supply terminal and the first circuit node,
- 제 1 회로 노드와 제 1 전력 공급 단자 사이에 배치된, 트리거링 가능한 제 1 스위치를 포함하며,A first triggerable switch disposed between the first circuit node and the first power supply terminal,
- 제 2 회로 노드와 제 1 전력 공급 단자 사이에 배치된 제 2 인덕터를 포함하고,A second inductor disposed between the second circuit node and the first power supply terminal,
- 제 2 회로 노드와 제 2 출력 단자 사이에 배치된 다이오드를 포함하며,A diode disposed between the second circuit node and the second output terminal,
- 제 2 출력 단자와 제 1 출력 단자 사이에 배치된, 트리거링 가능한 제 2 스위치를 포함하며,A triggerable second switch disposed between the second output terminal and the first output terminal,
- 두 개의 스위치를 트리거링 하기 위한 제어 신호를 제공하기 위한 제어 장치를 포함한다.A control device for providing a control signal for triggering two switches.
본 발명의 상기 제 1 양상의 한 개선예에서는 두 개의 인덕터가 유도성으로 결합되어 있는데, 다시 말하자면 예를 들어 하나의 공통 코어 상에 감긴 코일로 형성되었다.In one refinement of the first aspect of the invention, two inductors are inductively coupled, that is to say formed as coils wound on one common core, for example.
본 발명의 제 2 양상에 따른 회로 장치는The circuit arrangement according to the second aspect of the present invention
- 제 1 공급 전위 또는 제 2 공급 전위를 인가하기 위한 제 1 전력 공급 단자 및 제 2 전력 공급 단자를 포함하고,A first power supply terminal and a second power supply terminal for applying a first supply potential or a second supply potential,
- 부하를 접속하기 위한 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 포함하며, 이 경우 제 1 출력 단자는 제 1 전력 공급 단자에 연결되어 있고,A first output terminal and a second output terminal for connecting the load, in which case the first output terminal is connected to the first power supply terminal,
- 제 1 전력 공급 단자와 제 2 전력 공급 단자 사이에 배치되어 있고 제 1 인덕터 및 트리거링 가능한 제 1 스위치로 이루어진 직렬 회로를 포함하며,A series circuit disposed between the first power supply terminal and the second power supply terminal and comprising a first inductor and a triggerable first switch,
- 제 1 인덕터에 유도성으로 결합된 제 2 인덕터를 포함하고, 상기 제 2 인덕터는 한편으로는 제 1 전력 공급 단자에 그리고 다른 한편으로는 다이오드를 통해 제 2 출력 단자에 연결되어 있으며,A second inductor coupled inductively to the first inductor, the second inductor being connected to the first power supply terminal on the one hand and to the second output terminal via the diode on the other hand,
- 제 2 출력 단자와 제 1 출력 단자 사이에 배치된, 트리거링 가능한 제 2 스위치를 포함하고,A triggerable second switch disposed between the second output terminal and the first output terminal,
- 두 개의 스위치를 트리거링 하기 위한 제어 신호를 제공하기 위한 제어 장치를 포함한다.A control device for providing a control signal for triggering two switches.
한 개선예에서 본 발명의 제 2 양상에 따른 회로 장치는 또한 제 1 전력 공급 단자와 제 2 전력 공급 단자 사이에 배치된 커패시터를 포함한다.In one refinement the circuit arrangement according to the second aspect of the invention also comprises a capacitor arranged between the first power supply terminal and the second power supply terminal.
본 발명에 따른 회로 장치는 상대적으로 적은 개수의 컴포넌트를 구비하여 매우 단순하게 구현될 수 있고, 두 개의 스위치를 상응하게 트리거링 함으로써 기본적으로 임의의 시간 파형을 갖는 상응하는 부하 전류로 용량성 부하를 충전 및 방전할 수 있다.The circuit arrangement according to the invention can be implemented very simply with a relatively small number of components and charges the capacitive load with a corresponding load current which basically has an arbitrary time waveform by correspondingly triggering two switches. And discharge.
더 나아가 상기 회로 구상은 특히 (예컨대 비례 밸브 안에 있는) 압전 액추에이터를 트리거링 할 목적으로 사용하는 경우에 일련의 추가적인 장점들을 갖는다.Furthermore, the circuit design has a series of additional advantages, particularly when used for the purpose of triggering a piezoelectric actuator (eg in a proportional valve).
본 발명은 조정 가능한 유체 밸브(예컨대 비례 밸브) 안에서, 예를 들어 압력 감소기로 제공된 가스 밸브 안에서 예컨대 액추에이터를 (연료 인젝터에 비해) "상대적으로 느리게" 트리거링 하기에 매우 적합하다. 압전 방식으로 작동되고 조절이 가능한 가스 밸브는 가스에 의해 작동되는 내연 기관(가스 모터)의 연소 가스 저장 영역과 연소 가스 유입 영역 사이에 예컨대 압력 감소기로서 삽입될 수 있다. 본 발명에 따른 회로 장치에 의해서는, 상기와 같은 압력 감소 밸브를 트리거링 하기에 완전히 충분한 출력 전압(부하 전압)의 시간에 따른 변동율이 성취될 수 있다(전형적으로는 ms-범위 안에서).The present invention is well suited for triggering "relatively slow" (as compared to fuel injectors), for example, actuators in adjustable fluid valves (such as proportional valves), for example in gas valves provided with pressure reducers. The piezoelectrically actuated and adjustable gas valve can be inserted, for example, as a pressure reducer between the combustion gas storage region and the combustion gas inlet region of an internal combustion engine (gas motor) operated by gas. With the circuit arrangement according to the invention, the rate of change over time of the output voltage (load voltage) which is fully sufficient to trigger such a pressure reducing valve can be achieved (typically within the ms-range).
그밖에 본 발명에 따른 회로 장치는 상대적으로 낮은 공급 전압(= 두 개 공급 전위들 간의 차)으로부터 압전 액추에이터를 편향시키기 위해서 필요한 더 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 그에 상응하게 출력 측 전압도 바람직하게 매우 크다(그 이유는 출력 전압도 0 V로 줄어들 수 있기 때문이다).In addition, the circuit arrangement according to the invention can generate the higher voltages necessary to deflect the piezoelectric actuator from a relatively low supply voltage (= difference between two supply potentials). Correspondingly, the output side voltage is also very large (because the output voltage can also be reduced to 0 V).
또한, 상기 회로 장치에 의해서는 일정한 출력 전압이 간단한 방식으로 더 긴 시간에 걸쳐 유지될 수 있으며(예컨대 설정값으로 조절됨), 이와 같은 상황은 압전 방식으로 작동되는 전술한 압력 감소기의 적용례에서는 실제로 빈번하게 발생한다.In addition, the circuit arrangement allows a constant output voltage to be maintained over a longer time in a simple manner (e.g., adjusted to a set point), and this situation is practical in the application of the above-described pressure reducer operated in a piezoelectric manner. Occurs frequently.
회로 장치의 구조가 극도로 단순함에도 작동 중의 전력 손실은 상대적으로 낮게 유지될 수 있다. 또한, 용량성 부하 내에 저장된 전기 에너지의 회복이 부하 방전시에 가능함으로써 다이내믹한 스톱-스타트-작동 상태에서도 손실이 적은 동작이 가능해진다.Although the structure of the circuit arrangement is extremely simple, the power loss during operation can be kept relatively low. In addition, recovery of electrical energy stored in the capacitive load is possible at the time of load discharge, thereby enabling operation with low loss even in the dynamic stop-start-operation state.
한 실시예에서 두 개의 공급 전위는 하나의 배터리에 의해서 제공되는데, 예를 들면 자동차 전기 시스템에 전력을 공급하기 위해서 제공된 배터리에 의해서 제공된다. 이 경우 회로 장치는 예컨대 압전 액추에이터를 작동하기 위하여 (예컨대 비례 밸브를 작동하기 위한) 자동차 구동 장치의 영역에 제공될 수 있다.In one embodiment two supply potentials are provided by one battery, for example by a battery provided for powering an automotive electrical system. The circuit arrangement can in this case be provided in the area of the motor vehicle drive device (for example for operating the proportional valve) for operating the piezo actuator.
한 실시예에서 회로 구성 부품들은 공급 전압을 초과하는 출력 전압에 도달할 수 있도록 설계되었다. 이와 같이 공급 전압으로부터 출력 전압 방향으로 이루어지는 상향 이동은 예컨대 자동차 적용례에서 (12 V 내지 16 V의 범위 안에 있는) 상대적으로 낮은 전압을 갖는 전기 시스템으로부터 통상적으로 완전한 편향을 위해 상대적으로 높은 (예컨대 50 V 이상, 특히 100 V 이상의) 전압을 필요로 하는 압전 액추에이터를 트리거링 하는 것이 문제가 되는 경우에 특히 중요하다.In one embodiment, the circuit components are designed to reach an output voltage that exceeds the supply voltage. This upward movement from the supply voltage to the output voltage is typically relatively high (eg 50 V) for complete deflection from an electrical system having a relatively low voltage (in the range of 12 V to 16 V), for example in automotive applications. This is particularly important when triggering piezoelectric actuators requiring voltages (especially above 100 V) are problematic.
트리거링 가능한 제 1 스위치 및/또는 트리거링 가능한 제 2 스위치는 간단한 방식으로 트랜지스터로서, 특히 전계 효과 트랜지스터(FET)로서 형성될 수 있다. 바이폴러 트랜지스터가 사용되면, 낮은 전기 손실과 관련하여 절연된 게이트-전극("IGBT)"을 갖는 바이폴러 트랜지스터가 선호된다.The first triggerable switch and / or the second triggerable switch can be formed in a simple manner as a transistor, in particular as a field effect transistor (FET). If bipolar transistors are used, bipolar transistors with insulated gate-electrodes (“IGBTs”) are preferred in connection with low electrical losses.
출력 전압을 가급적 정확하게 조절하는 것과 관련해서는, 제 1 스위치를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위한 수단 및/또는 부하를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위한 수단이 제공된 경우가 장점이 된다. 이와 같은 전류 측정 수단은 예컨대 분로(shunt) 저항을 포함할 수 있으며, 상기 분로 저항은 상응하는 전류 경로 안에 배치되어 있고, 상기 분로 저항의 전압 강하는 평가 유닛에 의하여 유동 전류를 나타내는 측정값으로서 기록된다. 평가 유닛은 특히 두 개 스위치를 위한 제어 신호 를 제공하기 위해서 어떤 경우에도 제공되는 제어 장치의 한 부분일 수 있다.With regard to adjusting the output voltage as accurately as possible, it is advantageous if means are provided for measuring the current flowing through the first switch and / or for measuring the current flowing through the load. Such current measuring means may comprise, for example, a shunt resistor, the shunt resistor being arranged in a corresponding current path, the voltage drop of the shunt resistance being recorded as a measurement value representing the flow current by the evaluation unit. do. The evaluation unit may in particular be part of a control device provided in any case for providing control signals for two switches.
본 발명은 첨부된 도면들과 관련된 실시예들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.The invention is described in detail below with reference to embodiments associated with the accompanying drawings.
도 1은 압전 액추에이터(P)의 형태로 된 용량성 부하를 작동하기 위한 회로 장치(10)(출력단)를 보여주고 있다. 회로 장치(10)는 본 경우에 예컨대 자동차 배터리로부터 제공되는 공급 전위(GND 및 VBAT)를 인가하기 위한 전력 공급 단자(E1 및 E2)를 포함한다.FIG. 1 shows a circuit arrangement 10 (output stage) for operating a capacitive load in the form of a piezoelectric actuator P. FIG. The
공급 전압(VBAT와 GND 간의 차)은 예컨대 12 V이다. 출력 측에서 출력 단자들(A1과 A2) 사이에서는 작동 중에 압전 액추에이터(P)를 위한 출력 전압(부하 전압)이 설정될 수 있는데, 상기 출력 전압은 예컨대 0 V 내지 200 V의 범위 안에서 변경될 수 있다.The supply voltage (difference between VBAT and GND) is eg 12V. On the output side, between the output terminals A1 and A2, an output voltage (load voltage) for the piezoelectric actuator P can be set during operation, which output voltage can be changed in the range of 0 V to 200 V, for example. have.
압전 액추에이터(P)는 예컨대 자동차 가스 모터의 유입 영역에서 압력 감소기를 작동하기 위하여 이용된다.Piezoelectric actuators P are used to operate pressure reducers, for example, in the inlet region of an automobile gas motor.
회로 장치(10)는 또한
- 제 1 회로 노드(K1)와 제 2 회로 노드(K2) 사이에 배치된 커패시터(C)를 포함하며,A capacitor C disposed between the first circuit node K1 and the second circuit node K2,
- 제 2 전력 공급 단자(E2)와 제 1 회로 노드(K1) 사이에 배치된 제 1 인덕터(L1)를 포함하고, A first inductor L1 disposed between the second power supply terminal E2 and the first circuit node K1,
- 제 1 회로 노드(K1)와 제 1 전력 공급 단자(E1) 사이에 배치된 제 1 스위칭 트랜지스터(Q1)를 포함하며,A first switching transistor Q1 disposed between the first circuit node K1 and the first power supply terminal E1,
- 제 2 회로 노드(K2)와 제 1 전력 공급 단자(E1) 사이에 배치된 제 2 인덕터(L2)를 포함하고,A second inductor L2 disposed between the second circuit node K2 and the first power supply terminal E1,
- 제 2 회로 노드(K2)와 제 2 출력 단자(A2) 사이에 배치된 다이오드(D1)를 포함하며,A diode D1 disposed between the second circuit node K2 and the second output terminal A2,
- 제 2 출력 단자(A2)와 제 1 출력 단자(A1) 사이에 배치된 제 2 스위칭 트랜지스터(Q3)를 포함하며,A second switching transistor Q3 disposed between the second output terminal A2 and the first output terminal A1,
- 두 개의 트랜지스터(Q1 및 Q3)를 트리거링 하기 위한 제어 신호(q1 및 q3)를 제공하기 위한 제어 장치(ST)를 포함한다. 상기 제어 장치(ST)는 제공되는 사전 설정 신호(S)를 토대로 하여 상기와 같은 트리거링 동작을 야기한다(상기 사전 설정 신호는 예컨대 프로그램 제어된 컴퓨터 장치(예컨대 마이크로 컨트롤러)에 의해서 발생됨).A control device ST for providing control signals q1 and q3 for triggering two transistors Q1 and Q3. The control device ST causes such a triggering operation on the basis of the preset signal S provided (the preset signal is generated by, for example, a program controlled computer device (eg a microcontroller)).
도시된 실시예에서 제 1 트랜지스터(Q1)에는 전류 측정 저항(Rs1)이 직렬로 접속되어 있으며, 상기 전류 측정 저항의 전압 강하(Us1)는 제 1 트랜지스터(Q1)를 통해 흐르는 전류를 나타낸다. 상기 측정값(Us1)은 제어 장치(ST)의 제어 정확성을 개선하기 위해 제공된다.In the illustrated embodiment, the current measuring resistor Rs1 is connected in series to the first transistor Q1, and the voltage drop Us1 of the current measuring resistor represents a current flowing through the first transistor Q1. The measured value Us1 is provided to improve the control accuracy of the control device ST.
그밖에 도시된 실시예에서는 제 2 전류 측정 저항(Rs2)에서 강하하는 전압 강하(Us2)가 제어시에 고려되며, 상기 제 2 전류 측정 저항은 제 1 전력 공급 단자(E1)와 제 1 출력 단자(A1) 사이에 있는 연결 경로 안에 배치되어 있다. 따라서, 전압 강하(Us2)는 압전 액추에이터(P)를 통해 흐르는 전류를 나타낸다.In another exemplary embodiment, the voltage drop Us2 falling from the second current measuring resistor Rs2 is considered in the control, and the second current measuring resistor includes the first power supply terminal E1 and the first output terminal. It is arranged in the connection path between A1). Therefore, the voltage drop Us2 represents the current flowing through the piezoelectric actuator P. FIG.
회로 장치(10)의 한 간단한 기능 방식에 따르면, 압전 액추에이터(P)의 충전 은 제 1 트랜지스터(Q1)의 클록 제어된(clocked) 동작에 의해서 이루어지며, 그와 달리 부하(P)의 방전은 제 2 트랜지스터(Q3)에 의해서 이루어지고, 상기 제 2 트랜지스터는 예컨대 클럭 제어되거나 또는 영구적으로, 특히 선형으로 설정된 상태로 작동될 수 있다.According to one simple functional scheme of the
충전 과정과 관련하여 언급할 내용은 회로 장치(10)가 실제로 소위 SEPIC("Single Ended Primary Inductance Converter")-변환기와 동일하게 동작한다는 것이다. 클럭 제어된 방식으로 이루어지는 충전은 다음과 같이 설명될 수 있다:It should be noted that with respect to the charging process, the
회로 동작의 처음에는 트랜지스터(Q1 및 Q3)가 차단되고, 공급 전압에 상응하는 충전 전압이 커패시터(C)에서 설정된다. 제 1 회로 노드(K1)에서는 전위(VBAT)가 우세하고, 제 2 회로 노드(K2)에서는 전위(GND)가 우세하다.At the beginning of the circuit operation, transistors Q1 and Q3 are cut off, and a charging voltage corresponding to the supply voltage is set in capacitor C. The potential VBAT prevails at the first circuit node K1, and the potential GND prevails at the second circuit node K2.
제 1 트랜지스터(Q1)가 스위치-온 되면, 제 1 회로 노드(K1)에서의 전위는 갑자기 GND로 줄어든다. 이와 같은 현상의 결과로서, 제 2 전력 공급 단자(E2)의 점진적으로 증가하는 전류는 제 1 인덕터(L1)(제 1 초킹 코일(choking coil)) 및 추가로 제 1 트랜지스터(Q1)를 거쳐 제 1 전력 공급 단자(E1)로 흘러가며, 제 2 회로 노드(K2)에서의 전위는 갑자기 VBAT의 값으로 떨어지는데, 다시 말하자면 전위(GND) 아래로 떨어진다. 이와 같은 현상의 결과로서, 점진적으로 증가하는 전류도 제 2 인덕터(L2)(제 2 초킹 코일)를 통해 제 1 전력 공급 단자(E1)로부터 제 2 회로 노드(K2)로 흘러간다. 도시된 실시예에서 인덕터(L1 및 L2)는 동일한 크기로 설계되었다.When the first transistor Q1 is switched on, the potential at the first circuit node K1 suddenly decreases to GND. As a result of this phenomenon, the gradually increasing current of the second power supply terminal E2 is passed through the first inductor L1 (first choking coil) and further through the first transistor Q1. Flowing to one power supply terminal E1, the potential at the second circuit node K2 suddenly drops to the value of VBAT, that is to say below the potential GND. As a result of this phenomenon, a gradually increasing current also flows from the first power supply terminal E1 to the second circuit node K2 through the second inductor L2 (second choking coil). In the illustrated embodiment, the inductors L1 and L2 are designed to be the same size.
소정의 시간 후에는 제 2 회로 노드(K2)에서의 전위가 재차 대략 GND의 값으로 상승할 것이며, 이 순간에는 비교적 큰 전류가 두 개의 인덕터(L1 및 L2)를 통해 흐르게 된다.After a predetermined time, the potential at the second circuit node K2 will again rise to a value of approximately GND, at which moment a relatively large current will flow through the two inductors L1 and L2.
대략 상기 순간에 제 1 트랜지스터(Q1)가 재차 스위치-오프 되면, 계속해서 제 1 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류는 제 1 회로 노드(K1)에서 우세한 전위를 증가시킨다. 또한, 제 2 회로 노드(K2)에서 우세한 전위도 (VBAT의 값을 훨씬 초과하는 정도까지) 증가함으로써, 결국 제 2 회로 노드(K2)의 부하 전류는 다이오드(D1) 및 제 2 출력 단자(A2)를 거쳐 압전 액추에이터(P)로 흘러간다. 이와 같은 상태에서는 출력 전압이 증가함으로써 압전 액추에이터(P)가 충전된다.If the first transistor Q1 is switched off again at about the moment, then the current flowing through the first inductor L1 increases the prevailing potential at the first circuit node K1. In addition, the predominant potential at the second circuit node K2 (up to a degree far exceeding the value of VBAT) also increases, so that the load current of the second circuit node K2 eventually leads to the diode D1 and the second output terminal A2. Flows through the piezoelectric actuator (P). In this state, the piezoelectric actuator P is charged by increasing the output voltage.
제 1 트랜지스터(Q1)의 스위치-온 동작 및 스위치-오프 동작이 반복됨으로써, 압전 액추에이터(P)가 원하는 양만큼 충전될 수 있거나 또는 원하는 출력 전압(부하 전압)이 설정될 수 있다.By repeating the switch-on operation and the switch-off operation of the first transistor Q1, the piezoelectric actuator P can be charged by a desired amount or a desired output voltage (load voltage) can be set.
출력 단자들(A1과 A2) 사이의 출력 전압을 일정하게 유지하고 그로 인해 압전 액추에이터(P)에 저장된 전하를 일정하게 유지하기 위하여, 두 개의 스위치(Q1 및 Q3)는 간단히 스위치-오프 된다(개방된다). 예컨대 누설 전류에 의해 발생하는 바람직하지 않은 점진적인 방전을 보상하기 위하여 출력 전압이 모니터링 될 수 있고, 상기 모니터링 결과를 토대로 하여 출력 전압이 리셋 될 수 있다.In order to keep the output voltage between the output terminals A1 and A2 constant and thereby keep the charge stored in the piezoelectric actuator P constant, the two switches Q1 and Q3 are simply switched off (open). do). For example, the output voltage can be monitored to compensate for the undesirable gradual discharge caused by the leakage current, and the output voltage can be reset based on the monitoring result.
출력 전압을 재차 줄이고 그로 인해 압전 액추에이터(P)를 방전하기 위하여, 제 2 트랜지스터(Q3)는 영구적으로 또는 클럭 제어된 상태로 스위치-온 된다. 이와 같은 방식에 의해서는 원하는 시간적인 방전 파형이 성취될 수 있다.In order to reduce the output voltage again and thereby discharge the piezoelectric actuator P, the second transistor Q3 is switched on permanently or in a clock controlled state. In this way a desired temporal discharge waveform can be achieved.
도시된 실시예의 한 가지 특징은, 제 2 트랜지스터(Q3)의 트리거링이 제어 신호(q3)를 상기 제 2 트랜지스터(Q3)의 제어 입력부(본 경우에는 게이트)에 직접 인가함으로써 실행되는 것이 아니라 오히려 연산 증폭기(OPAMP)에 의해서 방전 전류의 조절이 실행된다는 것으로서, 이와 같은 방전 전류 조절에서는 제어 신호(q3)의 전압값이 설정될 방전 전류에 대한 설정 내용이 된다. 이와 같은 목적을 위해 상기 신호(q3)는 연산 증폭기(OPAMP)의 비-반전 입력부에 인가되며, 상기 비-반전 입력부에 의해서 반전 입력부는 제 2 트랜지스터(Q3)의 소스-단자에 연결되고, 출력 단자는 제 2 트랜지스터(Q3)의 게이트-단자에 연결된다. 그밖에 제 2 트랜지스터(Q3)의 소스-단자는 직접이 아니라 오히려 추가의 분로 저항(Rs3)을 통해 제 1 전력 공급 단자(E1)로부터 제 1 출력 단자(A1)로 이어지는 연결 경로에 연결된다. 이와 같은 조치에 의해서 제 2 트랜지스터(Q3) 및 추가의 분로 저항(Rs3)을 통해 흐르는 방전 전류는 제어 신호(q3)에 따라 설정된다.One feature of the illustrated embodiment is that the triggering of the second transistor Q3 is not performed by directly applying the control signal q3 to the control input (in this case the gate) of the second transistor Q3 but rather arithmetic. The adjustment of the discharge current is performed by the amplifier OPAMP. In such a discharge current adjustment, the voltage value of the control signal q3 becomes the setting contents for the discharge current to be set. For this purpose, the signal q3 is applied to the non-inverting input of the operational amplifier OPAMP, by which the inverting input is connected to the source terminal of the second transistor Q3 and outputs. The terminal is connected to the gate terminal of the second transistor Q3. In addition, the source-terminal of the second transistor Q3 is connected directly to the connection path from the first power supply terminal E1 to the first output terminal A1 through the additional shunt resistor Rs3. By this measure, the discharge current flowing through the second transistor Q3 and the additional shunt resistor Rs3 is set in accordance with the control signal q3.
출력 전압을 가급적 정밀하게 설정할 목적으로 두 개의 스위치(Q1 및 Q3)를 가급적 정확하게 트리거링 하는 것과 관련해서는, 제어 장치(ST)를 이용하여 스위칭 시점을 결정하는 경우에 앞에서 이미 언급된 전류 측정 신호(Us1 및 Us2)를 이용할 수 있다는 장점이 얻어진다.With regard to the triggering of the two switches Q1 and Q3 as precisely as possible for the purpose of setting the output voltage as precisely as possible, in the case of determining the switching point using the control device ST, the above-mentioned current measurement signal Us1 And Us2) can be used.
시간적인 방전 전류 파형을 모니터링 하기 위하여, 분로 저항(Rs2)에서 강하하는 전압을 평가하는 동작의 대안으로서 또는 추가의 조치(여분의(redundant) 조치)로서 분로 저항(Rs3)에서 강하하는 전압을 모니터링 하는 방식이 고려된다.To monitor the temporal discharge current waveform, monitor the voltage dropping in the shunt resistor Rs3 as an alternative or as an additional measure (redundant measure) as an alternative to evaluating the voltage dropping in the shunt resistor Rs2. The way of doing this is considered.
대안적으로 또는 추가적으로는 최적화된 스위칭 시점을 결정하기 위하여 도 면에 도시된 회로의 영역에서 다른 측정 신호들을 검출하는 방식이 고려된다. 이와 같은 접근 방식에서는 출력 전압을 설정값으로 조절하는 서보 루프(servo loop)를 구현하기 위하여 예컨대 출력 전압을 검출하는 것이 다수의 경우에 바람직하다.Alternatively or additionally, a way of detecting other measurement signals in the area of the circuit shown in the figure to determine the optimized switching timing is contemplated. In this approach, for example, detecting the output voltage is desirable in many cases to implement a servo loop that adjusts the output voltage to a set value.
후속하는 한 추가 실시예의 설명에서는 동일한 작용을 하는 회로 구성 부품들에 대하여 동일한 도면 부호들이 사용된다. 본 설명에서는 실제로 단지 앞에서 기술된 실시예와의 차이점만 기재되며, 나머지는 전술된 실시예의 설명이 참조될 수 있다.In the following description of the additional embodiment, the same reference numerals are used for the circuit components having the same function. In the present description, only the differences from the above-described embodiment are actually described, with the rest of which may be referred to the description of the above-described embodiment.
도 2는 압전 액추에이터(P)를 작동하기 위한 회로 장치(10a)(출력단)를 보여주고 있다.FIG. 2 shows a
회로 장치(10a)는The
- 제 1 공급 전위(GND) 또는 제 2 공급 전위(VBAT)를 인가하기 위한 제 1 전력 공급 단자(E1) 및 제 2 전력 공급 단자(E2)를 포함하고,A first power supply terminal E1 and a second power supply terminal E2 for applying a first supply potential GND or a second supply potential VBAT,
- 부하(P)를 접속하기 위한 제 1 출력 단자(A1) 및 제 2 출력 단자(A2)를 포함하며, 이 경우 제 1 출력 단자(A1)는 제 1 전력 공급 단자(E1)에 연결되어 있고,A first output terminal A1 and a second output terminal A2 for connecting the load P, in which case the first output terminal A1 is connected to the first power supply terminal E1 and ,
- 제 1 전력 공급 단자(E1)와 제 2 전력 공급 단자(E2) 사이에 배치되어 있고 제 1 인덕터(L1) 및 제 1 스위칭 트랜지스터(Q1)로 이루어진 직렬 회로를 포함하며,A series circuit disposed between the first power supply terminal E1 and the second power supply terminal E2 and consisting of a first inductor L1 and a first switching transistor Q1,
- 제 1 인덕터(L1)에 유도성으로 결합된 제 2 인덕터(L2)를 포함하고, 상기 제 2 인덕터는 한편으로는 제 1 전력 공급 단자(E1)에 그리고 다른 한편으로는 다이오드(D1)를 통해 제 2 출력 단자(A2)에 연결되어 있으며, 상기 두 개의 인덕터는 하나의 트랜스포머를 형성하고,A second inductor L2 inductively coupled to the first inductor L1, said second inductor on one hand to the first power supply terminal E1 and on the other hand to a diode D1; It is connected to the second output terminal (A2) through the two inductors form a transformer,
- 제 2 출력 단자(A2)와 제 1 출력 단자(A1) 사이에 배치된 제 2 스위칭 트랜지스터(Q3)를 포함하며,A second switching transistor Q3 disposed between the second output terminal A2 and the first output terminal A1,
- 두 개의 스위치(Q1, Q3)를 트리거링 하기 위한 제어 신호(q1, q3)를 제공하기 위한 제어 장치(ST)를 포함한다. 제어 장치(ST)는 사전 설정 신호(S)를 토대로 하여 상기 트리거링 동작을 야기한다(도 1에 따른 실시예에 대하여 이미 앞에서 기술된 바와 마찬가지임).A control device ST for providing control signals q1, q3 for triggering the two switches Q1, Q3. The control device ST causes the triggering operation on the basis of the preset signal S (as already described above for the embodiment according to FIG. 1).
제 1 트랜지스터(Q1) 또는 압전 액추에이터(P)를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위하여 전류 측정 저항(Rs1 및 Rs2)이 제공된다.Current measuring resistors Rs1 and Rs2 are provided to measure the current flowing through the first transistor Q1 or piezoelectric actuator P. FIG.
회로 장치(10a)의 한 간단한 기능 방식에 따르면, 압전 액추에이터(P)의 충전은 제 1 트랜지스터(Q1)의 클럭 제어된 동작에 의해서 이루어지는 한편 부하(P)의 방전은 제 2 트랜지스터(Q3)의 선형 동작(방전 전류 조절)에 의해서 이루어진다.According to one simple functional scheme of the
충전 과정과 관련하여 언급할 내용은 회로 장치(10a)가 실제로 소위 차단-변환기와 동일하게 동작한다는 것이다.It should be noted that with respect to the charging process, the
공급 전압(VBAT-GND)을 버퍼링하기 위하여 도시된 실시예에서는 두 개의 전력 공급 단자(E1과 E2) 사이에 배치된 커패시터(C)가 제공된다.In the illustrated embodiment for buffering the supply voltage VBAT-GND, a capacitor C is provided disposed between two power supply terminals E1 and E2.
압전 액추에이터(P)의 클럭 제어된 방식으로 이루어지는 충전은 다음과 같이 설명될 수 있다:Charging made in a clock-controlled manner of the piezoelectric actuator P can be described as follows:
회로 동작의 처음에 트랜지스터(Q1)가 차단되면, 공급 전압에 상응하는 충전 전압이 커패시터(C)에서 설정된다. 이때 커패시터(C)는 상기 커패시터의 충전 전압이 회로 동작 중에 실제로 일정하게 유지되도록 설계되었다.When transistor Q1 is shut off at the beginning of circuit operation, a charge voltage corresponding to the supply voltage is set at capacitor C. In this case, the capacitor C is designed such that the charging voltage of the capacitor is kept substantially constant during circuit operation.
제 1 트랜지스터(Q1)가 스위치-온 되면, 점진적으로 증가하는 제 2 전력 공급 단자(E2)의 전류는 제 1 인덕터(L1)(트랜스포머의 1차 측) 그리고 더 나아가서는 제 1 트랜지스터(Q1)를 거쳐 제 1 전력 공급 단자(E1)로 흘러간다. 유도성으로 결합된 제 2 인덕터(L2)(트랜스포머의 2차 측)는 그 내부에서 유도되는 전압이 다이오드(D1)의 극성 때문에 2차 측에서 전류 흐름을 전혀 야기하지 않도록 배치되어(감겨) 있다.When the first transistor Q1 is switched on, the gradually increasing current of the second power supply terminal E2 is increased by the first inductor L1 (primary side of the transformer) and further by the first transistor Q1. To the first power supply terminal E1. The inductively coupled second inductor L2 (secondary side of the transformer) is arranged so that the voltage induced therein does not cause any current flow on the secondary side due to the polarity of the diode D1.
소정의 시간 후에는 비교적 큰 전류가 인덕터(L1)를 통해 흐르게 된다.After a predetermined time, a relatively large current flows through the inductor L1.
그때 제 1 트랜지스터(Q1)가 재차 스위치-오프 되고 1차 전류가 차단되면, 제 2 인덕터(L2) 내에서 상대적으로 큰 전압이 유도됨으로써 부하 전류는 제 2 인덕터(L2)로부터 다이오드(D1) 및 출력 단자(A2)를 거쳐 압전 액추에이터(P)로 흘러간다. 이와 같은 상태에서는 출력 전압이 증가함으로써 압전 액추에이터(P)가 충전된다.At that time, when the first transistor Q1 is again switched off and the primary current is cut off, a relatively large voltage is induced in the second inductor L2 so that the load current is transferred from the second inductor L2 to the diode D1 and It flows to the piezoelectric actuator P via the output terminal A2. In this state, the piezoelectric actuator P is charged by increasing the output voltage.
제 1 트랜지스터(Q1)의 스위치-온 동작 및 스위치-오프 동작이 반복됨으로써, 압전 액추에이터(P)가 원하는 양만큼 충전될 수 있거나 또는 원하는 출력 전압(부하 전압)이 설정될 수 있다.By repeating the switch-on operation and the switch-off operation of the first transistor Q1, the piezoelectric actuator P can be charged by a desired amount or a desired output voltage (load voltage) can be set.
출력 단자들(A1과 A2) 사이의 출력 전압을 일정하게 유지하고 그로 인해 압전 액추에이터(P)에 저장된 전하를 일정하게 유지하기 위하여, 두 개의 스위치(Q1 및 Q3)는 간단히 스위치-오프 된다(개방된다). 예컨대 누설 전류에 의해 발생하는 바람직하지 않은 점진적인 방전을 보상하기 위하여 출력 전압이 모니터링 될 수 있고, 상기 모니터링 결과를 토대로 하여 출력 전압이 리셋 될 수 있다.In order to keep the output voltage between the output terminals A1 and A2 constant and thereby keep the charge stored in the piezoelectric actuator P constant, the two switches Q1 and Q3 are simply switched off (open). do). For example, the output voltage can be monitored to compensate for the undesirable gradual discharge caused by the leakage current, and the output voltage can be reset based on the monitoring result.
출력 전압을 재차 줄이고 그로 인해 압전 액추에이터(P)를 방전하기 위하여, 제 2 트랜지스터(Q3)는 영구적으로 또는 클럭 제어된 상태로 스위치-온 된다. 이와 같은 방식에 의해서는 원하는 시간적인 방전 파형이 성취될 수 있다.In order to reduce the output voltage again and thereby discharge the piezoelectric actuator P, the second transistor Q3 is switched on permanently or in a clock controlled state. In this way a desired temporal discharge waveform can be achieved.
두 개의 스위치(Q1 및 Q3)를 트리거링 하는 경우에는 제어 장치(ST)를 이용해서 작동에 유리한 스위칭 시점을 결정하기 위하여 앞에서 이미 언급된 전류 측정 신호(Us1 및 Us2)가 이용된다.In the case of triggering the two switches Q1 and Q3, the above-mentioned current measuring signals Us1 and Us2 are used to determine the switching point advantageous for operation using the control device ST.
또한, 도 1을 참조하여 기술된 상기 실시예에서는 트리거링 할 때에 분로 저항(Rs3)에서 강하하는 전압 또는 특히 출력 전압과 같은 다른 측정 신호들도 고려하는 방식이 고려된다.In addition, the above-described embodiment described with reference to FIG. 1 contemplates a way to consider other measurement signals such as voltage dropping in the shunt resistor Rs3 or in particular the output voltage when triggering.
도 1은 제 1 실시예에 따라 압전 액추에이터를 작동하기 위한 회로 장치의 회로도.1 is a circuit diagram of a circuit arrangement for operating a piezoelectric actuator according to a first embodiment.
도 2는 추가 실시예에 따라 압전 액추에이터를 작동하기 위한 회로 장치의 회로도.2 is a circuit diagram of a circuit arrangement for operating a piezoelectric actuator according to a further embodiment.
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