KR20130002567U - 돌입전류 방지 장치 - Google Patents

돌입전류 방지 장치 Download PDF

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Abstract

특히 핫플러그인(hotplug-in)을 지원하는 장치에서 플러그인될 때 발생하는 돌입전류를 방지할 수 있는 돌입전류 방지 장치를 제공한다. 이 장치에 따르면, 입력 전압으로 인한 임피던스를 조정하면서 전압을 충ㆍ방전하는 부하 임피던스 완충부; 스위칭 제어신호를 발생하는 전압 제어부; 및 상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 입력 전압을 턴온시켜, 상기 부하 임피던스 완충부로부터 인가되는 전압이 순차적으로 증가함에 따라 출력단의 전압을 점진적으로 상승시키는 전원 스위치를 포함한다.

Description

돌입전류 방지 장치{APPARATUS FOR PREVENTING IN-RUSH CURRENT}
본 고안은 돌입(in-rush) 전류 방지 장치에 관한 것으로, 특히 핫플러그인(hotplug-in)을 지원하는 장치에서 플러그인될 때 발생하는 돌입전류를 방지하기 위한 장치에 관한 것이다.
핫플러그(hot plug)는 예컨대 컴퓨터의 전원을 넣은 채로 주변장치나 코드를 꽂고(plug-in) 빼기(plug-out) 하는 것을 의미한다. PC에서는 PCMCIA 카드, 유니버셜 시리얼 버스(USB), IEEE 1394 등 최근 등장한 입출력 규격이 핫플러그에 대응하고 있다. 통상 핫플러그인 모듈은 도1에 도시된 바와 같이 주 장치에 연결되어 동작하며, 전원 공급의 불규칙성을 방지하기 위해 캐패시터(CL: load capacitor)와 부하 저항(RL: load resister) 등을 구비한다.
일반적으로 전기제품은 전원을 켤 때 회로내에서 순간적으로 대용량의 전류가 흐르게 되는데, 이를 돌입전류(in-rush current)라 한다. 즉 돌입전류는 전원투입시 과도상태의 써지전류를 말한다. 회로에 유입되는 과대 돌입전류는 콘덴서 등에 충격을 가해 수명을 단축시킴과 더불어 과전압이 발생하는 등 제품 고장의 원인이 된다.
구체적으로, 기기에 전원이 공급되면, 꺼져있던 기기에 전원이 인가되는 순간에서부터 수 초까지의 동안에 돌입전류(in-rush current)가 발생한다. 즉 전자기기는 전원이 들어와 있지 않은 상태에서는 캐패시터가 방전된 상태였다가 전원이 인가되는 순간 캐패시터를 충전시키기 위한 전류들이 한꺼번에 흐르게 되는데, 이때 발생되는 전류가 도2와 같은 돌입전류이다. 이 돌입전류로 인해 전원의 전압이 순간적으로 떨어지는 도3과 같은 전압 강하(voltage drop) 현상이 발생하고, 전압 강하로 인해 주 장치의 중요한 CPU나 기타 처리 장치들에 공급되는 전원의 전압이 낮아져서 주 장치가 리셋되거나, 리셋되지 않더라도 오동작을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.
한국공개특허 2001-0055686호(2001.07.04 공개)
본 고안의 목적은 특히 핫플러그인(hotplug-in)을 지원하는 장치에서 플러그인될 때 발생하는 돌입전류를 방지할 수 있는 돌입전류 방지 장치를 제공하는 것이다.
본 고안의 일 특징에 따르면, 특히 핫플러그인(hotplug-in)을 지원하는 장치에서 플러그인될 때 발생하는 돌입전류를 방지할 수 있는 돌입전류 방지 장치를 제공한다. 이 장치에 의하면, 입력 전압으로 인한 임피던스를 조정하면서 전압을 충ㆍ방전하는 부하 임피던스 완충부; 스위칭 제어신호를 발생하는 전압 제어부; 및 상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 입력 전압을 턴온시켜, 상기 부하 임피던스 완충부로부터 인가되는 전압이 순차적으로 증가함에 따라 출력단의 전압을 점진적으로 상승시키는 전원 스위치를 포함한다.
본 고안에 의하면, 핫플러그인 모듈이 주 장칟에 삽입되는 경우 발생하는 돌입전류의 발생을 방지하고, 주 장치의 동작을 안정화시킬 수 있는 이점이 있다.
도1은 주 장치에 연결된 핫플러그인 모듈에서 돌입전류가 발생하는 과정을 보여주는 설명도.
도2는 돌입전류를 보여주는 설명도.
도3은 돌입전류로 인한 전압 강하를 보여주는 설명도.
도4는 본 고안에 따른 돌입전류 방지 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도5는 본 고안의 제1 실시예에 따라 돌입전류 방지 장치의 회로 구성을 도시한 도면.
도6은 본 고안에 따른 돌입전류 방지 장치의 부하 임피던스 완충부에서 출력 전압의 변화를 보여주는 도면.
도7은 본 고안에 따른 돌입전류 방지 장치의 전압 제어부에서 출력 전압의 변화를 보여주는 도면.
도8은 본 고안에 따른 돌입전류 방지 장치의 전원 스위치에서 FET의 I-V 특성을 보여주는 도면.
도9는 본 고안에 따른 돌입전류 방지 장치에서 핫플러그인 모듈로 공급되는 전류를 보여주는 설명도.
도10은 본 고안의 제2 실시예에 따라 돌입전류 방지 장치의 회로 구성을 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
도4는 본 고안에 따른 돌입전류 방지 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도5는 본 고안의 제1 실시예에 따라 돌입전류 방지 장치의 회로 구성을 도시한 도면이다.
본 고안에 따른 돌입전류 방지 장치는 주 장치와 핫플러그인 모듈(44) 사이에 구비되어, 주 장치에 보조 장치(제품, 모듈 등)가 핫플러그인될 때 발생하는 돌입전류(in-rush current)를 방지하는 기능을 수행한다.
돌입전류 방지 장치는 캐패시터(CL: load capacitor)와 부하 저항(RL: load resister) 등을 구비하는 핫플러그인 모듈(44)과 함께 보조 장치에 구성되거나, 핫플러그인 모듈(44)을 구비한 보조 장치와는 별개로 주 장치에 구성될 수도 있다.
만약 본 고안의 돌입전류 방지 장치가 주 장치와 보조 장치의 핫플러그인 모듈(44) 사이에 존재하지 않고, 핫플러그인 모듈(44)의 캐패시터(CL)가 주 장치의 전원에 직접 연결되는 경우, 핫플러그인 모듈(44)이 주 장치의 전원에 삽입되는 순간 캐패시터(CL)의 임피던스가 0이 되어 순간적으로 아주 큰 돌입전류가 발생하고(도2 참조), 이 돌입전류로 인해 주 장치의 전원 전압이 순간적으로 떨어지는 전압 강하(voltage drop) 현상이 발생한다(도3 참조).
따라서 본 고안의 돌입전류 방지 장치는 주 장치와 보조 장치의 핫플러그인 모듈(44) 사이에 구비되어, 핫플러그인 모듈(44)의 전원부(캐패시터(CL))의 완충 역할을 한다. 완충 역할로서, 핫플러그인 모듈(44)이 주 장치에 삽입되는 경우 핫플러그인 모듈(44)의 캐패시터(CL)의 임피던스가 서서히 변화되도록 하여 돌입전류가 발생하는 것을 방지함으로써, 주 장치가 안정적으로 동작하도록 한다.
즉 돌입전류 방지 장치를 주 장치와 핫플러그인 모듈(44) 사이에 두어, 돌입전류 방지 장치가 핫플러그인 모듈(44)의 캐패시터(CL)로 공급되는 전원의 전압을 서서히 증가시키면 캐패시터(CL)의 임피던스는 서서히 변화되고, 임피던스가 0이 될 때 순간적으로 발생되는 돌입전류는 발생되지 않는다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 고안의 돌입전류 방지 장치는, 부하 임피던스 완충부(41), 전원 제어부(42), 전원 스위치(43)를 포함한다. 구체적인 구성을 도5를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
주 장치에 핫플러그인 모듈(44)을 연결하면 주 장치의 전원 전압(Vin)이 돌입전류 방지 장치로 공급된다.
부하 임피던스 완충부(41)는 전원 전압(Vin)을 캐패시터(C)에 충전하는데, 이때 캐패시터(C)의 임피던스가 '0'이 되지 않도록 하기 위해 입력단(Vin)과 접지(GND) 사이에 연결된 캐패시터(C)의 전단에 저항 소자(R)가 직렬 연결된다. 이 저항 소자(R)는 캐패시터(C)가 충전되는 동안 캐패시터(C)에 돌입전류가 발생하지도록 한다. 따라서 저항 소자(R)로 인해 캐패시터(C)의 임피던스는 0이 아닌 소정의 값을 가지며, 순간적으로 아주 큰 돌입전류가 발생되지 않는다.
저항 소자(R)는 전원공급측 입력단(Vin)에 연결되고, 캐패시터(C)가 충전하는 동안에만 동작한다. 즉 캐패시터(C)의 충전이 완료되면 저항 소자(R)는 동작하지 않는다. 따라서 캐패시터(C)가 충전되면 입력단(Vin)의 전압과 저항 소자(R)의 출력단(V1) 전압은 동일하다.
시간이 흐르면서 캐패시터(C)가 충전되고, 캐패시터(C)의 전압(V1)은 서서히 주 장치에서 공급되는 전원의 전압(Vin)까지 증가하게 된다(Vin = V1). 이때 캐패시터(C) 전압(V1)의 증가 속도는 도6과 같이 RC 시정수에 관계되고, RC 값을 크게 하면 증가 속도를 더 늦출 수 있다.
전압 제어부(42)는 입력 전압(Vin)을 전원 스위치(43) 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)의 턴온(turn-on) 전압에 맞춰 전압의 범위를 줄여주는 역할을 한다. 전압 제어부(42)를 거친 전압의 변화는 도7과 같다.
구성을 살펴보면, 전압 제어부(42)는 저항 소자(R)의 출력단(V1)에 연결되고 출력단(V2)이 FET의 게이트(G)에 연결되는 제1 저항(R1)과, 제1 저항(R1)의 출력단(V2)에 연결되고 출력단이 접지(GND)에 연결되는 제2 저항(R2)을 포함한다. 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)은 FET의 턴온(turn-on) 조건을 위한 것이다. 이 턴온 조건을 만족하면 스위칭 제어신호가 발생된다.
전압 제어부(42)의 출력 전압(V2)은 커패시터(C)의 방전에 따라 서서히 증가되고, 전원 스위치(43)의 FET는 소정 전압(≤Vin)이 되면(스위칭 제어신호의 발생) 턴온되는데, 이때 입력 전압(Vin)을 출력단(Vo)으로 턴온시킨다. 이때 FET의 게이트(G)에 전압이 순차적으로 증가함에 따라 출력단(Vo)의 전압은 점진적으로 상승한다. 왜냐하면, 전원 스위치(43)의 FET는 저항과 같은 역할을 하여, 전압 제어부(42)의 출력 전압(V2)이 순차적으로 증가함에 따라 점차 낮은 저항값을 갖게 되기 때문이다.
구성을 살펴보면, 전원 스위치(43)의 FET는 소오스(S)가 입력단(Vin)에 연결되고 게이트(G)가 전압 제어부(42)의 출력단(V2)에 연결되며 드레인(D)이 핫플러그인 모듈(44)에 연결된 출력단(Vo)에 연결된다. FET에서 전압과 전류와의 관계는 도8과 같고, 최고 전압을 고정하면 전류는 일정값에서 포화되는 특성을 갖는다.
FET의 드레인에 연결된 출력단(Vo)는 턴오프(turn-off)시 0V 값을 갖다가, FET는 게이트(G)가 소정 전압이 되어 턴온(turn-on)되면 이때 게이트(G)에 걸리는 전압(V2)이 점차 증가함에 따라 점차 낮은 저항값을 갖게 된다. 따라서 출력단(Vo)의 전압은 점차적으로 상승되어 입력 전압(Vin)에 가깝게 된다. 이때 출력단(Vo)으로 출력되는 전류값(Io)은 도9와 같이 서서히 증가되고, 최고 전압(Vin ≤ Vo)이 되면 포화되는 특성을 갖는다. 도9는 부하 임피던스 완충부(41), 전원 제어부(42) 및 전원 스위치(43)를 거친 최종 출력 전류(Io)의 시간에 따른 변화를 도시한 것이다. 도9에서와 같이 돌입전류 방지 장치는 핫플러그인 모듈(44)이 주 장치의 전원에 삽입되는 순간에 전류를 시간에 대해 서서히 증가시킴으로써 돌입전류를 방지할 수 있다.
한편 높은 출력이 요구되는 장치의 경우 도10과 같이 전압 제어부(42)의 FET를 다수 개(N개)로 구성하여 출력 전류(Io)를 높일 수 있다(N×Io). 도10에서는 2개의 FET를 예시하였으나, 이에 한정되지 않음에 유의하여야 한다.
상기에서는 게이트 전압으로 드레인 전압을 제어하는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)를 가정하였지만, 이미터 전류로 컬렉터 전류를 제어하는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction transistor)로도 대체 가능하다.
본 명세서에서는 본 고안이 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 고안이 속하는 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 본 고안의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 실용신안등록청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.
41: 부하 임피던스 완충부 42: 전압 제어부
43: 전원 스위치 44: 핫플러그인 모듈

Claims (6)

  1. 핫플러그인(hotplug-in)시 발생되는 돌입전류(in-rush current)를 방지하는 장치로서,
    입력 전압으로 인한 임피던스를 조정하면서 전압을 충ㆍ방전하는 부하 임피던스 완충부;
    스위칭 제어신호를 발생하는 전압 제어부; 및
    상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 입력 전압을 턴온시켜, 상기 부하 임피던스 완충부로부터 인가되는 전압이 순차적으로 증가함에 따라 출력단의 전압을 점진적으로 상승시키는 전원 스위치를 포함하는 돌입전류 방지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력단에서는 전류가 점진적으로 상승되어 핫플러그인 모듈로 제공되는, 돌입전류 방지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전원 스위치는, 복수 개로 구성되어 출력 전류를 상승시키는, 돌입전류 방지 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부하 임피던스 완충부는, 캐패시터와 직렬로 구성되는 저항 소자를 구비하여, 상기 입력 전압으로 인해 상기 캐패시터의 임피던스가 영('0')이 되지 않도록 하는, 돌입전류 방지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 제어부는, 상기 저항 소자의 출력단에 연결되고 출력단이 상기 전원 스위치에 연결되는 제1 저항과, 상기 제1 저항의 출력단에 연결되고 출력단이 접지(GND)에 연결되는 제2 저항을 포함하는, 돌입전류 방지 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전원 스위치는, 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 중 어느 하나로 구성되는, 돌입전류 방지 장치.
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