KR20150086518A - 과전압 보호 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20150086518A
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Abstract

본 발명은 과전압 보호 장치 및 방법을 개시하고 있다. 과전압 보호 장치는, 상기 장치의 입력 단에 연결된 입력 단과 소프트 스타트(soft-start) 유닛의 입력 단에 연결된 출력 단을 가지며, 상기 장치의 입력 단에서의 입력 전압이 사전 설정된 보호 전압을 초과하는지 판정하고 상기 판정의 결과를 상기 소프트 스타트 유닛에 전송하도록 구성되어 있는 판정 유닛; 및 상기 소프트-스타트 유닛을 포함하고, 여기서 소프트-스타트 유닛의 입력 단은 상기 판정 유닛의 출력 단에 독립하여 연결되어 있고, 상기 소프트 스타트 유닛의 출력 단은 상기 장치의 출력 단에 연결되어 있으며, 상기 판정 유닛이 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과하지 않는 것으로 판정하고 사전 설정된 지연 시간 내에 안정한 상태를 유지하면, 상기 소프트 스타트 유닛은 상기 장치의 출력 단에 상기 입력 전압을 전달하고, 그렇지 않으면, 상기 소프트 스타트 유닛은 상기 장치의 출력 단에 전압 신호를 전달하지 않는다.

Description

과전압 보호 장치 및 방법{OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE AND METHOD}
본 특허출원은 2012년 12월 3일에 출원되고 발명의 명칭이 "OVERVOLTAGE PROTECTION APPARATUS AND METHOD"인 중국 특허출원 제201210508789.2에 대한 우선권을 주장하는 바이며, 상기 문헌들의 내용은 그 전체로서 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 과전압 보호 장치에 관한 것으로서, 구체적으로, 고전압 전력원이 실수로 저전압 장치에 연결되는 것을 방지하는 과전압 보호 장치와 방법에 관한 것이다.
기존의 전자 제품과 장치는 일반적으로 전력이 공급될 제품 또는 장치와 전력원 사이의 외부 전력 어댑터(power adapter)를 연결하여 전력이 공급된다. 그러나, 산업계 내의 단일한 표준 없이, 주요 제조사에 의해 공급되는 장치에 다양한 전압이 적용되어, 고객이 장치에 다른 제조사의 어댑터를 실수로 연결하는 경우 어댑터의 전압과 장치가 맞지 않아 장치가 손상되는 문제가 발생하였다. 구체적으로, 고전압 어댑터가 저전압 장치에 실수로 연결되는 경우, 이는 곧바로 저전압 장치가 과전압으로 인해 타버리는 결과를 가져올 수 있다.
과전압 어댑터가 실수로 저전압 장치에 연결되는 것을 방지하기 위한 기존의 해결책은 전용 보호 부품을 사용하는 것이다. 즉, 장치에 퓨즈와 같은 과전압 보호를 위한 전용 칩을 사용하는 것이다. 그러나, 퓨즈와 같은 기존의 과전압 보호를 위한 전용 칩은 실수로 전력을 공급하는 문제가 있다. 즉, 고전압 어댑터가 연결되는 경우 입력 전압이 증가하는 과정 동안, 장치에 일시적으로 전력이 공급되며, 전력원은 입력 전압이 세트 보호 값(set protection value)에 도달한 경우에만 연결이 해제된다. 따라서, 장치가 전력원에 연결되는 경우 일시적으로 전력이 공급되는 상태에 있어서, 사용자 경험에 영향을 준다.
본 발명의 목적은 과전압 보호 장치 및 방법을 제공하는 것으로서, 장치가 오직 적합하고 안정된 전력원에 연결된 경우에만 전력이 공급되도록 보장할 수 있다는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 측면은, 상기 장치의 입력 단에 연결된 입력 단과 소프트-스타트(soft-start) 유닛의 입력 단에 연결된 출력 단을 가지며, 상기 장치의 입력 단에서의 입력 전압이 사전 설정된 보호 전압을 초과하는지 판정하고 상기 판정의 결과를 상기 소프트-스타트 유닛에 전송하도록 구성되어 있는 판정 유닛; 및 상기 소프트-스타트 유닛을 포함하며, 상기 소프트-스타트 유닛의 입력 단은 상기 판정 유닛의 출력 단에 독립하여 연결되어 있고, 상기 소프트-스타트 유닛의 출력 단은 상기 장치의 출력 단에 연결되어 있으며, 상기 판정 유닛이 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과하지 않는 것으로 판정하고 사전 설정된 지연 시간 내에 안정한 상태를 유지하면, 상기 소프트-스타트 유닛은 상기 장치의 출력 단에 상기 입력 전압을 전달하고, 그렇지 않으면, 상기 소프트-스타트 유닛은 상기 장치의 출력 단에 전압 신호를 전달하지 않는 소프트 스타트 유닛을 포함하는 과전압 보호 장치를 제공한다.
제1 측면을 참조하면, 제1 가능 구현 방법에서, 상기 판정 유닛은, 상기 장치의 입력 단에 연결되어 있는 소스(source)와 상기 소프트 스타트 유닛의 입력 단에 연결되어 있는 드레인(drain)을 가지는 제1 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되어 있는 양의 전극과 접지 단자에 연결되어 있는 음의 전극을 가지는 제너 다이오드(Zener diode); 및 상기 제1 트랜지스터의 게이트와 소스 사이에 연결되어 있는 제2 저항을 포함하고, 상기 소프트 스타트 유닛은, 상기 장치의 입력 단에 연결되어 있는 소스, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 연결되어 있는 게이트, 및 상기 장치의 출력 단에 연결되어 있는 드레인을 가지는 제2 트랜지스터; 상기 접지 단자와 상기 제2 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되어 있는 제1 저항; 및 상기 제2 트랜지스터의 게이트와 소스 사이에 연결되어 있는 커패시터를 포함한다.
제1 측면의 제1 가능 구현 방법을 참조하면, 제2 가능 구현 방법에서, 상기 제1 트랜지스터는 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과할 때 연결 해제(disconnect)되고, 상기 제2 트랜지스터는, 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과하지 않을 때 및 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 지연 시간 내에 안정한 상태를 유지한 후, 도통(conduct)된다.
제1 측면의 제1 가능 구현 방법을 참조하면, 제3 가능 구현 방법에서, 상기 제1 트랜지스터는 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과할 때 도통되고, 상기 제2 트랜지스터는 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과할 때 연결 해제된다.
제1 측면의 제1 가능 구현 방법, 제2 가능 구현 방법, 또는 제3 가능 구현 방법을 참조하면, 제4 가능 구현 방법에서, 상기 사전 설정된 보호 전압은 상기 제너 다이오드의 제너 전압과 상기 제1 트랜지스터의 문턱 전압의 합에 의존한다.
제1 측면의 제1 가능 구현 방법, 제2 가능 구현 방법, 제3 가능 구현 방법, 또는 제4 가능 구현 방법을 참조하면, 제5 가능 구현 방법에서, 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터이다.
본 발명의 제2 측면은 입력 전압이 사전 설정된 보호 전압을 초과하는지를 판정하는 단계; 및 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과하지 않고 사전 설정된 지연 시간 내에 안전한 상태를 유지하면, 상기 입력 전압을 전달하고, 그렇지 않으면, 전압 신호의 전달을 스킵(skip)하는 단계를 포함하는 과전압 보호 방법을 제공한다.
본 발명에 의해 제공되는 장치 및 방법에 따르면, 장치는 입력 전압이 장치의 허용된 전압 범위을 넘지 않고 입력 전압이 안정적인 때에만 전력이 공급되어, 고전압 전력원에 의해 야기되는 저전압 장치에의 손상을 효과적으로 방지할 수 있고, 전압이 상승하는 과정 동안 실수로 전력이 공급되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 일시적인 연결 및 연결 해제의 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 설계가 간단하고, 비용이 적게 들며, 매우 실용적이며, 휴대가 용이하다.
첨부된 도면을 참고하여 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명에 따르면, 본 발명의 다른 특성 및 측면이 명확해 질 것이다.
본 명세서에 포함되며 본 명세서의 부분을 구성하는 첨부된 도면, 설명되는 예시적인 실시예, 본 발명의 특성 및 측면은 본 명세서에서 함께 본 발명의 원칙을 설명하는데 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 구조도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 작업 공정의 흐름도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 구조도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 PMOS 트랜지스터와 제너 다이오드(Zener diode)의 개략도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는, 정상 전력 공급 모드의 도 3에서 설명된 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 동작 타이밍 다이어그램(operational timing diagram)을 도시한다.
도 6은, 고전압 보호 모드의 도 3에서 설명된 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 동작 타이밍 다이어그램을 도시한다.
도 7은, 급성 고전압(sudden high voltage) 보호 모드의 도 3에서 설명된 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 동작 타이밍 다이어그램을 도시한다.
이하에서 본 발명의 다양한 예시적인 실시예, 특성 및 측면을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명할 것이다. 첨부된 도면에서 사용된 부호는 유사하거나 비슷한 기능을 가지는 구성 요소를 나타낸다. 실시예의 다양한 측면이 첨부된 도면으로 설명되지만, 첨부된 도면은 구체적으로 특정되지 않는 한 반드시 비례하여 도시된 것은 아니다.
본 명세서에서, 전용 단어 “예시적인”은 예를 들어 실시예 또는 실례(實例)로써 사용되는 의미이다. 본 명세서에서 “예시적인” 것으로 설명되는 임의의 실시예는 반드시 다른 실시예보다 우수하거나 더 낫다는 것으로 설명되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 더 나은 설명을 위해, 다양한 구체적인 세부 사항이 다음의 특정 구현 방법을 따른다. 통상의 기술자는 본 발명이 이러한 구체적인 세부 설명 없이도 구현될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 일부 다른 실시예에서, 본 발명의 주요 사상을 강조하기 위해, 널리 알려진 방법, 수단, 구성, 및 회로는 상세하게 설명하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 장치(100)의 구조도를 도시한다. 이 실시예에서, 과전압 보호 장치는 판정 유닛(101)과 소프트 스타트 유닛(102)을 포함한다.
판정 유닛(101)은, 과전압 보호 장치의 입력 단(Pin)에 연결되어 있는 제1 입력 단(Pin1)과, 제1 출력 단(Pout1)을 가진다. 입력 단에서의 입력 전압(Vin)은 과전압 보호 장치(100)의 보호 전압(Vp)보다 큰 경우에는, 제1 입력 단(Pin1)은 제1 출력 단(Pout1)에 연결된다. 입력 단(Pin)에서의 입력 전압(Vin)은 보호 전압(Vp)보다 크지 않은 경우에는, 제1 입력 단(Pin1)은 제1 출력 단(Pout1)으로부터 연결이 해제(disconnect)된다.
소프트 스타트 유닛(102)은 제2 입력 단(Pin2), 제3 입력 단(Pin3), 및 제2 출력 단(Pout2)을 가지며, 제2 입력 단(Pin2)은 과전압 보호 장치의 입력 단(Pin)에 전기적으로 연결되어 있고, 제3 입력 단(Pin3)은 제1 출력 단(Pout1)에 전기적으로 연결되어 있고, 제2 출력 단(Pin2)은 과전압 보호 장치(101)의 출력 단(Pout)에 전기적으로 연결되어 있다. 입력 단(Pin)에서의 입력 전압(Vin)이 보호 전압(Vp)보다 큰 경우에는, 즉, 제1 입력 단(Pin1)이 제1 출력 단(Pout1)에 연결되어 있는 경우에는, 제2 입력 단(Pin2)은 제2 출력 단(Pout2)으로부터 연결이 해제된다, 즉, 과전압 보호 장치(101)의 출력 단(Pout)에 전기적 신호가 전달되지 않는다. 입력 단(Pin)에서의 입력 전압(Vin)이 보호 전압(Vp)보다 크지 않은 경우에는, 즉, 제1 입력 단(Pin1)이 제1 출력 단(Pout1)으로부터 연결이 해제된 경우에는, 제2 입력 단(Pin2)은, 입력 전압(Vin)이 사전 설정된 지연 시간에 대해 안정화 된 후, 제2 출력 단(Pout2)에 연결되므로, 과전압 보호 장치(100)의 출력 단(Pout)에 입력 전압(Vin)을 전달한다.
과전압 보호 장치의 입력 단(Pin)은 외부 어댑터에 연결되도록 구성되어 있고, 출력 단(Pout)은 전력이 공급될 장치에 연결되도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 과전압 보호 장치의 보호 전압(Vp)은 과전압 보호 장치에 연결되어 있는 장치에 의해 견뎌질 수 있는 가장 높은 전력원 전압이다.
판정 유닛(101)은 입력 전압(Vin)이 보호 전압(Vp)을 초과하는지 판정하도록 구성되어 있다. 한편, 소프트 스타트 유닛(102)은, 입력 전압(Vin)이 보호 전압을 초과하지 않고 보호 전압을 초과하는 과전압이 지연 시간 내에 존재하지 않을 때에만, 출력 단에(즉, 장치로) 입력 전압을 전달하므로, 어댑터의 공급 전력이 상승하는 과정 동안 실수로 전력을 공급하는 것을 방지할 수 있다. 한편으로는, 입력 전압이 보호 전압을 초과한 후, 이 유닛이 출력 단에 전압 신호를 전달하는 것을 즉시 멈춤으로써 과전압 보호를 실행하여, 전력원 전압이 기간 내에 보호 전압보다 항상 낮을 때만 전력 공급을 위해 유닛이 도통되도록 보장한다. 지연된 복구는 임계 고전압 변동(critical high voltage fluctuation)에 의해 야기되는 반복된 턴온과 턴오프를 방지하는데 도움이 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 작업 공정의 흐름도를 도시한다.
단계 S201에서, 판정 유닛은 입력 전압(Vin)이 보호 전압(Vp)보다 큰지 판정한다. 만일 입력 전압(Vin)이 보호 전압(Vp)보다 크다면, 단계 S202이 진행되고, 그렇지 않다면, 단계 S203이 진행된다.
단계 S202에서는, 과전압 보호 장치가 전력이 공급될 장치에 전력을 공급하지 않고, 작업 공정은 단계 S201로 되돌아간다.
단계 S203에서, 입력 전압(Vin)이 사전 설정된 지연 시간 내에 안정적이라면, 과전압 보호 장치는 장치에 전력을 공급하기 시작하고, 작업 공정은 단계 S201로 되돌아간다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 구조도를 도시한다. 이 실시예에서, 과전압 보호 장치는, 과전압 보호 장치의 입력 단(Pin)에 연결되어 있는 소스를 가지는 제1 트랜지스터(Q1); 과전압 보호 장치의 입력 단(Pin)에 연결되어 있는 소스, 제1 트랜지스터(Q1)의 드레인에 연결되어 있는 게이트, 및 과전압 보호 장치의 출력 단(Pout)에 연결되어 있는 드레인을 가지는 제2 트랜지스터(Q2); 제1 트랜지스터(Q1)의 게이트에 연결되어 있는 양의 전극과 접지 단자에 연결되어 있는 음의 전극을 가지는 제너 다이오드(Zener diode)(D1); 접지 단자와 제2 트랜지스터(Q2)의 게이트 사이에 연결되어 있는 제1 저항(R1); 제1 트랜지스터(Q1)의 소스와 게이트 사이에 연결되어 있는 제2 저항(R2); 및 제2 트랜지스터(Q2)의 소스와 게이트 사이에 연결되어 있는 커패시터(C1)를 포함한다.
제2 저항(R2), 제너 다이오드(D1), 및 제1 트랜지스터(Q1)는 전술한 판정 유닛(101)을 구성하고, 커패시터(C1), 제1 저항(R1), 및 제2 트랜지스터(Q2)는 전술한 소프트 스타트 유닛(102)을 구성한다.
도 3에서, 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터(Q1, Q2)를 설명하는데 PMOS 트랜지스터(p-채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터; p-channel metal oxide semiconductor field effect transistor)의 부호가 사용되었으나, 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터가 PMOS 트랜지스터에 한정되는 것은 아니며, 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)와 같은 다른 유형의 트랜지스터가 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
이하에서는 이 실시예의 과전압 보호 장치의 다른 동작 모드를 소개할 것이다. 이해의 편의를 위해, 먼저 PMOS 트랜지스터와 제너 다이오드의 기본적인 동작 원리를 소개한다.
도 4a 및 도 4b는 PMOS 트랜지스터와 제너 다이오드 각각의 개략도를 도시한다. 도 4a 내의 PMOS에 대해 살펴보면, 소스(S)와 게이트(G) 사이의 전압 차이는 PMOS 트랜지스터의 기본 턴온 전압(inherent turn-on voltage)(문턱 전압)(Vth)보다 크면, 드레인(D)와 소스(S)가 도통되고, 그렇지 않으면, 드레인(D)와 소스(S)는 연결이 해제된다. 도 4b 내의 제너 다이오드에 대해 살펴보면, 양의 전극과 음의 전극 사이의 전압 차이는 제너 다이오드의 제너 전압(Vref)을 초과할 때 제너 다이오드에 흐르는 전류가 최대로 흐를 수 있는 전류(Imax)보다 적다면, 양의 전극과 음의 전극 사이의 전압 차이는 Vref로 강제로 고정된다.
정상 전력 공급 모드
도 5a 및 도 5b는 정상 전력 공급 모드의 도 3에서 설명된 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 파형 다이어그램을 각각 도시한다. 정상 전력 공급 모드는 과전압 보호 장치의 입력 전압(Vin)(예를 들면, 외부 어댑터에 의해 공급되는 전압)이 저전압에서 서서히 증가하고, 전압 Vcc로 안정화되는 것을 나타낸다. 여기서, 전압 Vcc는 장치가 견딜 수 있는 최대 허용 가능한 전압, 즉, 과전압 보호 장치의 사전 설정된 보호 전압(Vp)을 넘지 않는다.
도 5a는 Vcc < Vref 의 경우 정상 전력 공급 모드 내의 파형 다이어그램을 도시한다. 도 5a에서 도시된 시간 t0에서, 어댑터는 이 실시예에서 설명된 과전압 보호 장치에 연결되어 있으며, 과전압 보호 장치는 전력이 공급될 장치에 연결되어 있다. 그 후, 시간 t0 에서 시간 t1의 기간에서는, 과전압 보호 장치의 입력 단의 전압(Vin)은 0에서 Vcc로 서서히 증가한다.
Vin이 증가하는 과정(시간 t0 에서 시간 t1의 기간)에서, 제1 트랜지스터(Q1)와 제너 다이오드(D1) 모두 Vcc < Vref 이므로 연결이 해제되어 있고, 전기 회로 내의 포인트 B에서의 전압 VB는 입력 단에서의 전압 Vin과 동기되어 Vcc로 증가한다. 동시에, 커패시터(C1)의 존재로 인해, 전기 회로 내의 포인트 A에서의 전압 VA 또한 입력 단에서의 전압 Vin과 함께 0에서부터 증가하기 시작한다. 그러나, 이 과정에서 제1 저항(R1)으로부터 커패시터(C1)로 방전되기 때문에, 포인트 A에서의 전압 VA의 상승 속도는 입력 단에서의 전압 Vin의 상승 속도보다 비교적 느리다.
시간 t1으로부터, 입력 단에서의 전압 Vin은 Vcc에 도달하고, 안정한 상태를 유지한다. 이 때, 제1 저항(R1)은 지속적으로 커패시터(C1)로 방전하여 포인트 A에서의 전압 VA이 떨어지도록 한다. 그러나, 시간 t0와 시간 t1 사이에서, 포인트 A에서의 전압이 VA > Vcc - Vth2 (Vth2는 제2 트랜지스터(Q2)의 문턱 전압임)를 만족하므로, 제2 트랜지스터(Q2)의 게이트-소스 전압은 문턱 전압(Vth2)에 도달하지 않고, 제2 트랜지스터(Q2)는 여전히 연결 해제 상태를 유지한다.
시간 t2에서는, 포인트 A에서의 전압 VA가 Vcc - Vth2로 떨어지고, 제2 트랜지스터(Q2)의 게이트-소스 전압이 Vth2에 도달하고, 제2 트랜지스터(Q2)이 도통되고, 과전압 보호 장치의 입력 단에서의 전압(Vin)이 출력 단에 전달되고, 과전압 보호 장치가 전력이 공급될 장치에 정상적으로 전력을 공급하기 시작한다. 시간 t2 후, 제1 저항(R1)은 포인트 A에서의 전압 VA이 0으로 떨어질 때까지 커패시터(C1)로 계속해서 방전한다.
전술한 분석으로부터, Vcc < Vref의 경우에 과전압 보호 장치는 정상 전력 공급 모드 내에 있다는 것을 알 수 있으며, 어댑터가 시간 t0에 과전압 보호 장치에 연결되어 있는 경우, 출력 단에서의 전압 Vout은 시간 t0에서 시간 t2 기간에 0으로 유지되고, 시간 t2 이후에 전달된다. 여기서 시간 t2는, 입력 전압 Vin이 Vcc에 도달하고 안정한 상태를 유지하기 시작하는 시간 t1와 비교하면 시간 T1만큼 지연되고, 어댑터가 연결되는 시간 t0와 비교하면 시간 T만큼 지연된다. 커패시터(C1)와 제1 저항(R1)에 의해 형성된 충전 및 방전 회로는 포인트 A에서의 전압의 변화율을 제어한다, 즉, 지연 시간 T1과 지연 시간 T를 결정한다.
도 5b는 Vref ≤ Vcc ≤ Vref + Vth1의 경우에서의 정상 전력 공급 모드 내의 파형 다이어그램을 도시한다. 여기서, Vth1는 제1 트랜지스터(Q1)의 문턱 전압이다. 도 5b에서 도시된 시간 t0에, 어댑터는 이 실시예에서 설명된 과전압 보호 장치에 연결되어 있다. 그 후, 시간 t0 에서 시간 t1의 기간에서, 과전압 보호 장치의 입력 단의 전압(Vin)은 0에서 Vcc로 서서히 증가한다.
Vref ≤ Vcc ≤ Vref + Vth1이므로, Vin이 상승하는 과정 동안(시간 t0 에서 시간 t1의 기간), 제1 트랜지스터(Q1)와 제너 다이오드(D1) 모두 연결 해제 상태에 있고, 전기 회로 내의 포인트 B에서 전압 VB는 입력 단에서의 전압 Vin에 동기되어 증가한다. 동시에, 커패시터(C1)의 존재로 인해, 전기 회로 내의 포인트 A에서의 전압 VA 또한 입력 단에서의 전압 Vin과 함께 0에서 증가하기 시작한다. 그러나, 이 과정에서 제1 회로(R1)로부터 커패시터(C1)로 방전되기 때문에, 포인트 A에서의 전압 VA의 상승 속도는 입력 단에서의 전압 Vin의 상승 속도보다 비교적 느리다.
시간 t1에서는, 입력 단에서의 전압 Vin은 Vref에 도달하고, 제너 다이오드(D1)는 시간 t1부터 제너 전압 (Vref)으로 유지된다. 그러나, Vref ≤ Vcc ≤ Vref + Vth1이므로, 제1 트랜지스터(Q1)는 여전히 연결 해제 상태로 유지되고, 포인트 A에서의 전압 VA은 Vin보다 느린 속도로 계속 증가한다.
시간 t2에서는, 입력 단에서의 전압 Vin은 Vcc에 도달하고, 안정한 상태를 유지하고, 제1 저항(R1)은 계속해서 커패시터(C1)로 방전하여 포인트 A에서의 전압 VA이 떨어지도록 한다. 그러나, 시간 t2와 시간 t3 사이에서, 포인트 A에서의 전압이 VA > Vcc - Vth2 를 만족하므로, 제2 트랜지스터(Q2)의 게이트-소스 전압은 문턱 전압(Vth2)에 도달하지 않고, 제2 트랜지스터(Q2)는 여전히 연결 해제 상태를 유지한다.
시간 t2에서, 포인트 A에서의 전압 VA은 Vcc - Vth2 아래로 떨어지고, 제2 트랜지스터(Q2)의 게이트-소스 전압은 Vth2에 도달하고, 제2 트랜지스터(Q2)는 도통되고, 과전압 보호 장치의 입력 단에서의 전압 Vin은 출력 단으로 전달되고, 과전압 보호 장치는 장치로 정상적으로 전력을 공급하기 시작한다. 시간 t3 이후, 제1 저항(R1)은 포인트 A에서의 전압 VA이 0으로 떨어질 때까지 커패시터(C1)로 계속 방전한다.
전술한 분석으로부터, Vcc < Vref의 경우와 유사한 Vref ≤ Vcc ≤ Vref + Vth1의 경우에도, 과전압 보호 장치는 정상 전력 공급 모드 내에 있다는 것을 알 수 있다. 어댑터가 시간 t0에 과전압 보호 장치에 연결되어 있는 경우, 시간 t0에서 시간 t3 기간에 출력 단에서의 전압 Vout은 0으로 유지되고, 시간 t3 이후에 전달된다. 시간 t3는 입력 전압이 안정되는 시간 t2와 비교하면 시간 T2만큼 지연되고, 어댑터가 연결되는 시간 t0와 비교하면 시간 T만큼 지연된다. 커패시터(C1)와 제1 저항(R1)에 의해 형성된 충전 및 방전 회로는 포인트 A에서의 전압의 변화율을 제어한다, 즉, 지연 시간 T2와 지연 시간 T를 결정한다.
전술한 분석으로부터, 이 실시예의 과전압 보호 장치는 정상 전력 공급 모드에서 동작할 때 Vcc ≤ Vref + Vth1의 조건을 만족해야 한다는 것을 알 수 있다. 즉, 제너 다이오드(D1)의 제너 전압(Vref)과 제1 트랜지스터(Q1)의 문턱 전압(Vth1)의 합이 전력이 공급될 장치의 허용 가능한 전압을 초과하지 않는 전제 하에, 제너 다이오드(D1)와 제1 트랜지스터(Q1)는 적절하게 선택되므로, 입력 전압이 보호 전압 Vref + Vth1보다 낮을 때 제1 트랜지스터가 연결 해제되고, 입력 전압이 안정한 상태에 도달하고 제1 지연 시간에 대해 안정한 상태를 유지한 후 제2 트랜지스터가 도통된다. 이 실시예의 과전압 보호 장치의 사전 설정된 보호 전압(Vp)은 제너 다이오드(D1)의 제너 전압(Vref)과 제1 트랜지스터(Q1)의 문턱 전압(Vth1)에 의존한다.
고전압 보호 모드
도 6은, 과전압 보호 장치가 고전압 보호 모드에서 동작하는, 도 3에서 설명된 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 파형 다이어그램을 도시한다. 고전압 보호 모드는 과전압 보호 장치의 입력 전압(Vin) (예를 들면, 외부 어댑터에 의해 공급되는 전압)이 저전압에서 서서히 증가하여, 과전압 보호 장치의 보호 전압(Vp)보다 높은 전압 Vdd, 즉, Vdd > Vref + Vth1으로 안정화되는 것을 나타낸다.
도 5b에 도시된 정상 모드와 비교하면, 고전압 보호 모드는, 시간 t1에서 입력 전압(Vin)이 제너 다이오드(D1)의 제너 전압(Vref)으로 상승하는 경우, 제너 다이오드(D1)는 조절된 상태가 되고, 포인트 B에서 전압 VB는 Vref로 안정화되어, 더 이상 Vin과 변하지 않는다는 점에서 상이하다. 이어서, Vin이 계속 증가하여 시간 t2에서 보호 전압 Vref + Vth1에 도달할 때, 제1 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스 전압은 Vth1에 도달하기 때문에 제1 트랜지스터(Q1)는 도통되고, 입력 전압 Vin은 포인트 A로 전달되므로, 포인트 A에서의 전압은 입력 전압 Vin이 Vdd에 도달하여 안정화되는 시간 t3까지 입력 전압 Vin과 동시에 상승을 계속한다. 제2 트랜지스터(Q2)의 소스 전압과 게이트 전압은 동일하게 유지되고, 게이트-소스 전압 차이는 제2 트랜지스터의 문턱 전압 Vth2에 도달하지 않을 수 있으므로, 제2 트랜지스터(Q2)는 항상 연결 해제를 유지한다.
전술한 분석으로부터, 입력 전압이 과전압 보호 장치의 보호 전압보다 높은 경우, 제1 트랜지스터(Q1)는 도통되고, 제2 트랜지스터(Q2)는 연결 해제된다는 것을 알 수 있다. 이 실시예에 따른 과전압 보호 장치는, 입력 전압이 과전압 보호 장치의 보호 전압 Vref + Vth1을 초과하는 경우, 제2 트랜지스터(Q2)가 연결 해제된다는 것을 보장할 수 있으므로, 입력 전압(Vin)이 장치에 전력을 공급할 수 없는 결과가 되어, 고전압 보호의 효과를 달성한다.
급성 고전압 보호 모드 (sudden high voltage protection mode)
도 7은, 과전압 보호 장치가 급성 고전압 보호 모드에서 동작하는, 도 3에서 설명된 실시예에 따른 과전압 보호 장치의 파형 다이어그램을 도시한다. 급성 고전압 보호 모드는, 정상 동작 모드에서 입력 전압이 보호 전압보다 높은 고전압으로 급상승하는 것을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 시간 t0와 시간 t1 사이에서, 입력 전압(Vin)이 Vin ≤ Vref + Vth1을 만족하므로, 과전압 보호 장치는 정상 전력 공급 모드에서 동작하고, 출력 전압은 Vout = Vin을 만족한다. 시간 t1 에서, 입력 전압(Vin)은 Vref + Vth1보다 높은 전압으로 급상승하고, 과전압 보호 장치는 즉각 고전압 보호 모드가 된다, 즉, 제1 트랜지스터(Q1)가 도통되고, 포인트 A에서의 전압 VA가 Vin으로 상승하여, 제2 트랜지스터(Q2)가 연결 해제되고 출력 전압(Vout)이 0이 된다. 시간 t2에서, 입력 전압(Vin)은 Vref + Vth1 이하의 허용 가능한 범위로 복원되고, 이 경우에 제1 트랜지스터(Q1)는 연결 해제되고, 제1 저항(R1)이 방전되므로 포인트 A에서의 전압이 시간 t3까지 서서히 떨어진다. 포인트 A에서의 전압이 VA < Vin - Vth2를 만족할 때, 제2 트랜지스터(Q2)는 도통되고, 과전압 보호 장치는 정상 전력 공급을 회복한다.
전술한 분석으로부터, 이 실시예에 따른 과전압 보호 장치는, 입력 전압(Vin)이 정상 동작 모드에서 보호 전압(Vp)(즉, Vref + Vth1)보다 높은 전압으로 상승하는 경우, 즉각 고전압 보호 모드를 시작하여, 제1 트랜지스터가 도통되고, 제2 트랜지스터가 연결 해제되도록 함으로써, 장치에 전력 공급을 차단하여 장치가 손상되는 것을 방지한다. 입력 전압이 (보호 전압을 초과하지 않는) 허용 가능한 전압으로 복원될 때, 제1 트랜지스터는 연결 해제되고, 입력 전압이 안정 상태에 도달하고 지연 시간 T3에 대해 안정 상태를 유지한 후, 제2 트랜지스터가 도통되므로, 과전압 보호 장치가 정상 동작 모드로 복원된다. 커패시터(C1)와 제1 저항(R1)에 의해 형성되는 충전 및 방전 회로는 포인트 A에서의 전압의 변화율을 제어한다, 즉, 지연 시간 T3를 결정한다.
본 발명은, 과전압 보호 장치의 입력 단이 외부 어댑터에 연결되도록 구성되어 있고, 과전압 보호 장치의 출력 단이 장치의 전력원의 입력 단에 연결되도록 구성되어 있는, 본 발명의 이 실시예에 따른 과전압 보호 장치를 가지는 장치를 추가로 제공한다.
앞서 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제너 다이오드는, 안정 기준 전압을 제공할 수 있는 한, 다른 능동 또는 수동 전압 조절 회로 또는 전압 조절기로 대체될 수 있다.
전술한 설명은 단지 본 발명의 특정 구현 방법일 뿐이고, 본 발명의 보호 범위를 한정하려는 의도는 아니다. 본 발명에서 개시된 기술적 범위에 속하는 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있는 임의의 변형 또는 대체는 본 발명의 보호 범위에 속할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 청구항의 보호 범위에 따른다. 그러나, 본 발명의 구현 방법은 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제너 다이오드는, 안정 기준 전압을 제공할 수 있는 한, 다른 능동 또는 수동 전압 조절 회로 또는 전압 조절기로 대체될 수 있다.
전술한 설명은 단지 본 발명의 특정 구현 방법일 뿐이고, 본 발명의 보호 범위를 한정하려는 의도는 아니다. 본 발명에서 개시된 기술적 범위에 속하는 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있는 임의의 변형 또는 대체는 본 발명의 보호 범위에 속할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 청구항의 보호 범위에 따른다.

Claims (7)

  1. 과전압 보호 장치로서
    상기 장치의 입력 단에 연결된 입력 단과 소프트-스타트(soft-start) 유닛의 입력 단에 연결된 출력 단을 가지며, 상기 장치의 입력 단에서의 입력 전압이 사전 설정된 보호 전압을 초과하는지 판정하고 상기 판정의 결과를 상기 소프트-스타트 유닛에 전송하도록 구성되어 있는 판정 유닛; 및
    상기 소프트-스타트 유닛
    을 포함하며,
    상기 소프트-스타트 유닛의 입력 단은 상기 판정 유닛의 출력 단에 독립하여 연결되어 있고, 상기 소프트-스타트 유닛의 출력 단은 상기 장치의 출력 단에 연결되어 있으며,
    상기 판정 유닛이 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과하지 않는 것으로 판정하고 사전 설정된 지연 시간 내에 안정한 상태를 유지하면, 상기 소프트-스타트 유닛은 상기 장치의 출력 단에 상기 입력 전압을 전달하고, 그렇지 않으면, 상기 소프트-스타트 유닛은 상기 장치의 출력 단에 전압 신호를 전달하지 않는,
    과전압 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판정 유닛은,
    상기 장치의 입력 단에 연결되어 있는 소스(source)와 상기 소프트-스타트 유닛의 입력 단에 연결되어 있는 드레인(drain)을 가지는 제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되어 있는 양의 전극과 접지 단자에 연결되어 있는 음의 전극을 가지는 제너 다이오드(Zener diode); 및
    상기 제1 트랜지스터의 게이트와 소스 사이에 연결되어 있는 제2 저항
    을 포함하고,
    상기 소프트-스타트 유닛은,
    상기 장치의 입력 단에 연결되어 있는 소스, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 연결되어 있는 게이트, 및 상기 장치의 출력 단에 연결되어 있는 드레인을 가지는 제2 트랜지스터;
    상기 접지 단자와 상기 제2 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되어 있는 제1 저항; 및
    상기 제2 트랜지스터의 게이트와 소스 사이에 연결되어 있는 커패시터
    를 포함하는, 과전압 보호 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터는 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과할 때 연결 해제(disconnect)되고, 상기 제2 트랜지스터는 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과하지 않을 때 및 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 지연 시간 내에 안정한 상태를 유지한 후에 도통(conduct)되는,
    과전압 보호 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터는 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과할 때 도통되고, 상기 제2 트랜지스터는 상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과할 때 연결 해제되는,
    과전압 보호 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 보호 전압은 상기 제너 다이오드의 제너 전압과 상기 제1 트랜지스터의 문턱 전압의 합에 의존하는,
    과전압 보호 장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터인,
    과전압 보호 장치.
  7. 입력 전압이 사전 설정된 보호 전압을 초과하는지를 판정하는 단계; 및
    상기 입력 전압이 상기 사전 설정된 보호 전압을 초과하지 않으며 사전 설정된 지연 시간 내에 안정한 상태를 유지하면, 상기 입력 전압을 전달하고, 그렇지 않으면, 전압 신호의 전달을 스킵(skip)하는 단계
    를 포함하는 과전압 보호 방법.
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