KR20150100739A - 전원 전압 제로－크로싱 검출기 - Google Patents

전원 전압 제로－크로싱 검출기 Download PDF

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KR20150100739A
KR20150100739A KR1020157018969A KR20157018969A KR20150100739A KR 20150100739 A KR20150100739 A KR 20150100739A KR 1020157018969 A KR1020157018969 A KR 1020157018969A KR 20157018969 A KR20157018969 A KR 20157018969A KR 20150100739 A KR20150100739 A KR 20150100739A
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리차드 헐
존 카라이스
가브리엘 로스카
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마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

전원 전압 제로-크로싱 검출기는, 싱글 엔디드 듀얼 출력부들을 갖는 연산 증폭기와 클래스 B 제어 회로를 포함하는 높은 전력 효율 클래스 B 구성체 주위의 피드백 루프에 의해 제공된 적절한 제어 신호들로 트랜지스터 디바이스들을 구동함으로써 외부 노드에 강제된 정전압을 갖는다. 그러면, 이 증폭기에 의해 구동된 디바이스들의 드라이브 전류를 모니터링함으로써 전원 제로 크로싱들이 검출될 수 있다. 여기서 클래스 B 제어 및 전류 모드 검출은 온도, 프로세스 제조 및/또는 공급 전압에 따라 달라질 수 있는 어떠한 전압 임계값에도 의존하지 않고서 구동 신호의 정확한 검출을 제공한다.

Description

전원 전압 제로－크로싱 검출기{MAINS VOLTAGE ZERO-CROSSING DETECTOR}
관련 특허 출원
본 출원은 2012년 12월 21일 출원된 공동 소유의 미국 가출원 번호 61/745,320 호의 우선이익을 주장하며, 상기 미국 가출원은 모든 목적을 위해 본 출원에 참조로 통합된다.
기술 분야
본 개시는 교류(AC) 제로 크로싱 검출기에 관한 것으로, 특히, 감지 입력부를 갖는 집적 회로의 전원(power mains) 제로 크로싱 검출기 모듈에 관한 것이며, 여기서 상기 집적 회로의 공급 레일(rail) 전압들 내에서 전압이 유지된다.
전원 전압 제로-크로싱들을 모니터하는 회로, 예를 들어 어플라이언스 제어 회로들에 대해서는 많은 애플리케이션들이 있다. 제로-크로싱 검출은 예를 들어, 트라이악 점화(firing TRIACS)를 위한 타이밍 지연들, EMI를 줄이기 위한 펄스 스킵 등에 사용될 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니고, 그리고 교류(AC) 전원 주파수는 긴 시간 주기 동안 크리스탈 제어 발진기보다 더 정확하다.
도 1을 보면, 외부 구성 요소들을 통해 전원에 결합된 입력부들을 갖는 기존 디지털 디바이스의 예시적인 종래 기술의 개략도가 도시되어 있다. 마이크로컨트롤러의 디지털 I/O 포트와 같은 디지털 디바이스(102)의 기존 입/출력 포트는 1 내지 2 메그옴 저항(104)과 같은 높은 값의 임피던스를 통해 전원 라인에 결합될 수 있다. 도 2를 보면, 도 1에 도시된 기존 디지털 디바이스의 입력 구조의 예시적인 종래 기술의 개략도가 도시되어 있다. 제로-크로싱 검출을 수행하기 위해서는, 예를 들어 이러한 내부 결합을 가능케 하는 각각의 구성 레지스터를 프로그래밍함으로써, 집적 슈미트(Schmitt) 트리거가 I/O 포트(노드)에 결합될 수 있다. 전원 라인 전압이 자신의 부호(sign)를 변경할 때, 검출기 출력은 자신의 상태를 변화시켜야 한다. 현재 이것은 디지털 입력으로서 감지된다. 전압 하강 저항(104)의 입력 포트에서의 과전압으로 인해 기생 다이오드들이 디지털 디바이스의 집적 회로 다이에서 도통(conduct)될 때, 일부 모듈들은 주입 전류에 의해 교란될 수 있다. 이 주입 전류로 인해, 상기 디바이스에는 바람직하지 않은 교란이 일어날 수 있다.
도 3을 보면, 도 1에 도시된 기존 디지털 디바이스용 외부 구성 요소들을 사용하는 입력 보호 회로의 예시적인 종래 기술의 개략도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 다이오드들(306 및 308)이 부가될 수 있지만, 이들은 쇼트키(Schottky) 다이오드들이어야 하는데, 그 이유는 입력 전압이, 내부 (안쪽(102)) 다이오드들에서 Vdd 및/또는 Vss로 바람직하지 않은 다이오드 도통(conduction)이 발생할 수 있는 레벨에 도달하지 않도록 하기 위해서이다. 이러한 외부 구성요소들을 사용함으로 인해, 인쇄 회로 기판의 사이즈 및 복잡도가 증가하게 되고 재료들의 청구액이 증가하게 되므로, 비용이 중요한 많은 애플리케이션들에 대해서는 바람직하지 않을 것이다.
따라서, 범용 아날로그 및 디지털 기능의 (혼합 신호) 집적 회로 디바이스, 예컨대 마이크로컨트롤러에는, 전원 제로-크로싱 검출기 모듈이 필요한데, 이 모듈은 집적 회로에서의 최대 입력 전압들을 초과하지 않고서 전원 전압의 제로 크로싱들의 검출을 제공하고, 그리고 이 모듈로 인해 상기 집적 회로 디바이스 내의 입력 정전기 방전(ESD) 보호 디바이스들 등의 어떠한 디바이스도 다이오드 도통을 일으키지 않을 것이다. 이러한 모듈은 실리콘 영역의 경제성, 저전력 소비, 회로 단순화, 외부 보호 회로가 필요치 않음, 및 동작의 안정성(robustness)을 염두에 두는 효과적인 방법으로 구현되어야 한다.
실시예에 따르면, 전원 전압 제로-크로싱 검출기는: 제 1 레일(rail) 전압과 외부 노드 사이에 결합된 제 1 출력 드라이버; 제 2 레일 전압과 상기 외부 노드 사이에 결합된 제 2 출력 드라이버; 제 1 및 제 2 차동 입력부들과 제 1 및 제 2 싱글 엔디드(ended) 출력부들을 갖는 증폭기 - 상기 출력부들 중 제 1 출력부는 상기 제 1 출력 드라이버의 제어 입력부에 결합할 수 있고, 상기 출력부들 중 제 2 출력부는 상기 제 2 출력 드라이버의 제어 입력부에 결합할 수 있음 -; 출력 노드와 상기 증폭기의 제 2 입력부 사이에 결합된 피드백 네트워크; 상기 증폭기의 제 1 입력부에 결합된 전압 기준부; 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 상기 제어 입력부들에 결합된 클래스 B 제어 회로 - 상기 클래스 B 제어 회로는 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들 중 하나가 도통(conducting)할 때 다른 하나의 출력 드라이버를 강제로 오프시키고, 도통을 중단하면 상기 증폭기로 제어를 다시 릴리스(release)함 -; 및 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 상기 제어 입력부들에 결합된 전류 모드 검출기 회로를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 전류 모드 검출기 회로는 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 제어 입력부들에 흐르는 전류들에 기초하여 전원 전압 제로-크로싱 검출을 제공한다.
추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 출력 드라이버는 P-채널 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)일 수 있고, 상기 제 2 출력 드라이버는 N-채널 MOSFET일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전압 기준부의 기준 전압은 상기 제 1 및 제 2 전압 레일들 사이에 있을 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 싱글 엔디드 출력부들 중 하나가 상기 제 1 출력 드라이버 또는 상기 제 2 출력 드라이버의 상기 제어 입력부들 중 그 각각을 제어할 때, 상기 클래스 B 제어 회로는 각각의 상기 제 1 출력 드라이버 또는 상기 제 2 출력 드라이버를 실질적으로 턴 오프하기 위하여, 상기 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 싱글 엔디드 출력부들 중 다른 하나를 오버라이딩(overriding)하여 이로써 슛 스루(shoot through) 전류를 실질적으로 감소시킬 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전류 모드 검출 회로는 슈미트(Schmitt) 트리거 회로에 결합된 별도의 N-채널 MOSFET 및 P-채널 MOSFET 입력부들을 갖는 입력 버퍼를 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 증폭기는 연산 증폭기일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 외부 노드는 하이(high) 임피던스를 통해 전원 전압에 결합할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 증폭기는 싱글 출력부를 포함할 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 출력부들은 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 각각의 제어 입력부들에 결합된 제 1 및 제 2 저항들을 통해 제공될 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 전원 전압 제로-크로싱들을 검출하기 위한 회로 장치는: 하이(high) 값의 임피던스를 통해 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 구성될 수 있는 집적 회로 디바이스의 외부 노드; 상기 외부 노드를 제 1 공급 레일 전압과 제 2 공급 레일 전압 중 어느 하나에 결합시키도록 동작할 수 있는 제 1 및 제 2 출력 드라이버들; 및 전류가 상기 전원 AC 전압으로부터 싱크(sink)되고 있거나 상기 전원 AC 전압에 소스(source)되고 있든지 아니든지 간에, 실질적인 정전압이 상기 외부 노드에 강제될 수 있도록, 그리고 상기 전원 AC 전압의 전압 제로-크로싱들을 결정할 때 그 전류가 모니터링될 수 있도록, 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 제어를 제공할 수 있는 제로-크로싱 검출기를 포함할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 출력 드라이버들은 상기 외부 노드를 디지털 출력 포트, 디지털 입력 포트, 또는 제로 크로싱 검출기 입력 포트로서 동작시키도록 프로그램 가능한 디지털 입/출력 포트의 일부분일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 외부 노드의 기능을 결정하는 구성 레지스터가 제공될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 정전압은 클래스 B 제어 연산 증폭기 주위의 피드백 루프에 의해 제어될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 클래스 B 제어된 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들은 전력을 효율적으로 운영한다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제로-크로싱 검출기는 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들에 구동되는 전류를 모니터링하도록 동작할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제로-크로싱 검출은 동작 온도, 프로세스 제조 및 공급 전압과는 무관할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 하이 값의 임피던스는 하이 값의 저항일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 하이 값의 임피던스는 저항, 커패시터, 트랜지스터, 및 인덕터로 이루어진 그룹 중 임의의 하나 이상으로부터 선택될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 하이 값의 임피던스는 수동 부품과 능동 부품의 결합체일 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 디지털 필터가 상기 제로-크로싱 검출기에 결합될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 디지털 필터는 전원 AC 주파수의 두 배보다 실질적으로 짧은 홀드 오프(hold off) 시간을 갖는다.
다른 또 하나의 실시예에 따르면, 전원 전압 제로-크로싱들을 검출하기 위한 방법은: 하이 값의 임피던스를 통해 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 집적 회로 디바이스의 외부 노드를 구성하는 단계; 상기 외부 노드를 제 1 공급 레일 전압과 제 2 공급 레일 전압 중 어느 하나에 결합시키도록 동작 가능한 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제공하는 단계; 전류가 상기 전원 AC 전압으로부터 싱크되고 있거나 상기 전원 AC 전압에 소스(source)되고 있든지 아니든지 간에, 실질적인 정전압이 상기 외부 노드에 강제될 수 있도록 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제어하기 위해 제로-크로싱 검출기를 제공하는 단계; 및 상기 전원 AC 전압의 전압 제로-크로싱들을 결정하기 위해 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제어하는 신호들의 전류를 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은, 디지털 필터로 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제어하는 상기 신호들의 상기 모니터링된 전류를 필터링하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 디지털 필터는 전원 AC 주파수의 두 배보다 실질적으로 짧은 홀드 오프 시간을 갖는다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 상기 집적 회로 디바이스의 상기 외부 노드를 구성하는 단계는 상기 집적 회로 디바이스의 파워 업(power up)시 수행될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 상기 집적 회로 디바이스의 상기 노드를 구성하는 단계는 상기 집적 회로 디바이스의 파워 업 이후에 수행될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 집적 회로 디바이스의 파워 업 이후에 상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합된 상기 집적 회로 디바이스의 노드를 디스에이블하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 상기 집적 회로 디바이스의 상기 노드를 구성하는 단계는 프로그램 코드를 실행할 필요없이 적어도 하나의 구성 퓨즈로 수행될 수 있다.
본 발명에 따라, 범용 아날로그 및 디지털 기능의 (혼합 신호) 집적 회로 디바이스, 예컨대 마이크로컨트롤러에는, 전원 제로-크로싱 검출기 모듈이 제공되는데, 이 모듈은 집적 회로에서의 최대 입력 전압들을 초과하지 않고서 전원 전압의 제로 크로싱들의 검출을 제공하고, 그리고 이 모듈로 인해 상기 집적 회로 디바이스 내의 입력 정전기 방전(ESD) 보호 디바이스들 등의 어떠한 디바이스도 다이오드 도통을 일으키지 않을 것이다.
본 개시는 첨부 도면들과 결합된 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 외부 구성요소들을 통해 전원에 결합된 입력부들을 갖는 기존 디지털 디바이스의 예시적인 종래 기술의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기존 디지털 디바이스의 입력 구조의 예시적인 종래 기술의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 기존 디지털 디바이스를 위해 외부 구성요소들을 사용하는 입력 보호 회로의 예시적인 종래 기술의 개략도이다.
도 4는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 전원 전압 제로-크로싱 검출기의 개략도이다.
도 5는 본 개시의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 전원 전압 제로-크로싱 검출기의 개략도이다.
본 개시는 다양한 변형들 및 대안의 형태들을 허용하지만, 그의 특정 예시의 실시예들이 도면들에 도시되었고 본 명세서에서 상세히 설명된다. 하지만, 그 특정 예시의 실시예들에 대한 설명은 본 개시를 여기에서 개시된 특정 형태들로 한정하고자 하는 것이 아니고, 오히려, 본 개시는 부속 특허청구범위에 의해 정의되는 모든 변형들 및 균등물들을 포괄한다고 이해해야 한다.
다양한 실시예들에 따르면, 싱글 엔디드(single ended) 듀얼 출력부들을 갖는 연산 증폭기와 클래스 B 제어 회로를 포함하는 높은 전력 효율 클래스 B 구성체 주위의 피드백 루프에 의해 제공된 적절한 제어 신호들로 트랜지스터 디바이스들을 구동함으로써, 정전압이 외부 노드에 강제된다(forced). 이후에, 이 증폭기의 출력부에 결합된(attached) 디바이스들의 전류 드라이브를 모니터링함으로써 전원 제로 크로싱이 검출될 수 있다. 여기서 클래스 B 제어 및 전류 모드 검출은 온도, 프로세스 제조 및/또는 공급 전압에 따라 달라질 수 있는 어떠한 전압 임계값에도 의존하지 않고서 구동 신호의 정확한 검출을 제공한다.
다양한 실시예들에 따르면, 외부 보호 구성요소들의 필요성을 포함하여, 기존 종래 기술의 전원 제로-크로싱 검출 회로들의 모든 결점들이 제거될 수 있다. 입력 노드 전압은 결코 전력 공급 전압 레일들을 초과하지 않으며, 그리고 집적 회로 디바이스 내의 주변 아날로그 및 디지털 모듈들의 동작은 매우 민감하더라도 영향을 받지 않는다. 순간 라인 전압(VAC)이 여전히 디지털 디바이스 공급 전압 레일 범위 내에 있음에도 불구하고 전류 모드 검출을 이용하면 전원 크로스오버(crossover) 이벤트를 감지하는 동안에는 매우 정확하다.
다양한 실시예들에 따르면, 외부의 높은 값의 임피던스가 제로-크로싱 검출기 모듈 입력 노드를 전원 라인에 결합시킬 수 있다. 노드를 보호하는 ESD 구조물을 활성화(firing-up)시키는 것을 방지함으로써 집적 회로 디바이스 내의 다른 민감한 아날로그 기능부들을 교란시키는 것을 피하기 위해, 제로-크로싱 검출기는 상기 외부의 높은 임피던스에 결합된 입력 노드를 항상 공급 레일들(예컨대, Vdd 및 Vss) 사이에 있는 정전압 레벨로 유지할 수 있다. 동시에 제로-크로싱 검출기는 상기 외부의 높은 값의 임피던스를 통해 흐르는 전류를 모니터링할 수 있고, 그리고 전원 전압이 기준 값을 제로(0) 볼트에 가깝게 교차시킬 때, 예컨대 전원 라인의 제로-크로싱 이벤트가 발생할 때, 그의 출력 상태를 변화시킬 수 있다.
제로-크로싱 검출기 모듈은 마이크로컨트롤러와 결합하여 많은 애플리케이션들을 수용할 수 있다. 따라서, 이 기능을 수행하는 집적 주변기기가 바람직할 것이다. 예를 들어, 이러한 기능은 트라이악 점화를 위한 타이밍 지연들을 수행하는데 이용될 수 있거나, (EMI를 감소시키는) 펄스 스킵에 이용될 수 있거나, 또는 AC 전원(mains)의 주파수가 긴 시간 주기 동안 크리스탈 제어 발진기보다 더 정확하기 때문에 주파수 상수로서 이용될 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 출력 드라이버들은, 디지털 출력 포트 또는 디지털 입력 포트로서 또는 제로 크로싱 검출기로서 동작하도록 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러 디지털 입/출력 노드(포트)의 일부분일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 구성 레지스터는 상기 외부 노드의 기능을 결정할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 클래스 B 제어 연산 증폭기 주위의 피드백 루프로부터의 제어 신호들에 의해 노드에는 정전압 제어가 제공될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 클래스 B 제어 연산 증폭기는 상기 출력 드라이버들과 결합하여 전력 효율적일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제로 크로싱 검출기는 상기 연산 증폭기의 전류 드라이브를 모니터링하도록 동작할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제로 크로싱 검출은 온도, 프로세스 및 공급 전압과는 무관하다. 추가 실시예에 따르면, 마이크로컨트롤러는 이하 더욱 상세히 설명되는 실시예의 회로 장치를 포함할 수 있다.
이제 도면들을 보면, 특정 예시의 실시예들의 세부사항들이 개략적으로 도시되어 있다. 도면들에서 같은 요소들은 같은 숫자들로 나타내어지며, 유사한 요소들은 같은 숫자들에 다른 소문자 첨자를 붙여서 나타내어질 것이다.
도 4를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 전원 전압 제로-크로싱 검출기의 개략도가 도시되어 있다. 혼합 신호 디바이스(402), 예컨대 마이크로컨트롤러는 패드 디바이스들(406) 및 제로-크로싱 검출기 모듈(410)을 포함할 수 있다. 외부의 높은(high) 값(예컨대, 1 내지 2 메그옴)의 임피던스(404)는 패드 디바이스들(406)의 입력 노드(416)를 전원 라인 전압(예컨대, 120 VAC 또는 240 VAC)에 결합시킬 수 있다. 외부의 높은 임피던스(404)는 저항(들), 커패시터(들), 트랜지스터들, 및/또는 인덕터(들)의 어떠한 결합물이라도 될 수 있으며, 전자 회로 설계의 기술분야에서 통상의 지식을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 자라면, 적절한 외부의 높은 임피던스 네트워크를 용이하게 구성할 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.
패드 디바이스들(406)은 P-채널 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)(420), N-채널 MOSFET(422) 및 피드백 네트워크(408)를 포함할 수 있다. 정전기 방전(ESD) 보호 디바이스들은 또한 그것의 정전기 보호를 위해 입력 노드(416)에 결합될 수 있다. 피드백 네트워크(408)는 저항(424)을 포함할 수 있다. 하지만, 피드백 네트워크(408)는 저항(들), 커패시터(들), 트랜지스터들, 및/또는 인덕터(들)의 어떠한 결합물이라도 될 수 있으며, 전자 회로 설계의 기술분야에서 통상의 지식을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 자라면, 적절한 피드백 네트워크(408)를 용이하게 구성할 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다. 또한, 노드(416)는 디지털 출력 포트, 디지털 입력 포트, 또는 제로 크로싱 검출기 입력 포트 및/또는 다른 디지털 및 아날로그 기능부들로 구성될 수 있는 표준 구성가능 디지털 입-출력 노드일 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다. 게다가, 이 구성은 디지털 디바이스(402)의 구성 레지스터(도시되지 않음)에 저장될 수 있다.
제로-크로싱 검출기 모듈(410)은 차동 제 1 및 제 2 입력부들과 두 개의 싱글 엔디드 출력부들을 갖는 에러 증폭기(426), 에러 증폭기(426)의 제 1 입력부에 결합된 전압 기준부(428), 클래스 B 제어 회로(412), 및 전류 모드 검출기(414)를 포함할 수 있다. 피드백 네트워크(408), 예컨대 저항(424)은 입력 노드(416)의 전압을 에러 증폭기(426)의 제 2 입력부에 결합시킬 수 있다. 에러 증폭기(426)는 동일한 위상을 제공하는 싱글 엔디드 더블 출력부들 및 차동 입력부들을 포함할 수 있고, 또한 에러 증폭기(426)는 전압 기준부(428)의 기준 전압과 실질적으로 동일한 입력 노드(416)의 전압을 유지하도록 P-채널 MOSFET(420) 및 N-채널 MOSFET(422)의 게이트들을 제어하기 위해 전압 버퍼로서 기능할 수 있다. 입력 노드(416)에서 이 전압을 유지하는데 필요한 전류의 양은 전원 라인 전압이 변화함에 따라 달라진다. 클래스 B 제어 회로(412)가 없다면, P-채널 MOSFET(420) 및 N-채널 MOSFET(422)의 게이트 전압들 둘 다는 거의 동일하게 되어 그 결과 매우 높은 슛-스루(shoot-through) 전류를 일으키고, 여기서 전류 모드 검출기(414)는 "제로-크로싱"을 만드는데 훨씬 더 어려운 시간을 가질 것이다.
대안적으로 에러 증폭기(426a)는 차동 입력부들 및 싱글 출력부를 포함할 수 있으며, 여기서 싱글 출력부는 제 1 저항(도시되지 않음)에 의해 P-채널 MOSFET(420)의 게이트에 결합될 수 있고 그리고 제 2 저항(도시되지 않음)에 의해 N-채널 MOSFET(422)의 게이트에 결합될 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.
클래스 B 제어 회로(412)는 제 1 스위치(436) 및 제 2 스위치(438)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 스위치들(436 및 438)은 트랜지스터들, 예컨대 전계 효과 트랜지스터들에 의해 구현될 수 있다. 실질적으로 제 1 스위치(436)로 로직 제로 레벨이 있을 때에는 제 1 스위치(436)는 폐쇄될 것이고(온(on)), 로직 하이 레벨("1")에 있을 때에는 제 1 스위치(436)는 개방될 것이다(오프(off)). 제 1 스위치(436)에 로직 로우 레벨("0")이 있을 때에는 그것이 폐쇄될 것이고(온), 로직 하이 레벨("1")에 있을 때에는 그것이 개방될 것이다(오프(off)). 제 1 스위치(436)가 폐쇄될 때, N-채널 MOSFET(422)는 하드(hard) "오프"일 것이고, 제 2 스위치(438)가 폐쇄될 때에 P-채널 MOSFET(420)는 하드 "오프"일 것이다. 제 1 및 제 2 스위치들(436 및 438) 중 어느 하나 또는 둘 다가 개방될 때, 에러 증폭기(426)의 각각의 출력부들은 P-채널 MOSFET(420)과 N-채널 MOSFET(422)의 도통(conduction)을 제어할 것이다. 스위치(436)가 폐쇄될 때, 그것은 에러 증폭기(426)에 의한 제어를 통해 N-채널 MOSFET(422)의 제어를 지배할 것이다. 스위치(438)가 폐쇄될 때, 그것은 에러 증폭기(426)에 의한 제어를 통해 P-채널 MOSFET(420)의 제어를 지배할 것이다. 클래스 B 제어 회로(412)는 (전원 라인 전압이 어느 방향으로 갔는지에 기초하여) 불필요한 드라이버 트랜지스터, 예컨대 P-채널 MOSFET(420) 또는 N-채널 MOSFET(422)를 셧다운함으로써, P-채널 MOSFET(420)과 N-채널 MOSFET(422)을 통해 V+에서 V-로 흐르는 슛-스루 전류를 크게 감소시킨다. 이것은 총 전력 소비의 상당한 감소를 제공하고, 그리고 전류 모드 검출기(414)가 전원 AC 파형 제로-크로싱(파형 방향)의 보다 빠르고 보다 정확한 전류 모드 검출을 수행하는데 도움을 준다.
예를 들면: 에러 증폭기(426)가 P-채널 MOSFET(420)을 턴 온시킬만큼 P-채널 MOSFET(420)의 게이트를 로우로 구동할 때에는, 클래스 B 제어 회로(412)는 N-채널 MOSFET(422)이 도통할 수 없도록 N-채널 MOSFET(422)의 게이트를 풀 다운(pull down)할 것이다(외부 라인 전압이 네거티브이기 때문에 P-채널 MOSFET(420)이 입력 노드(416)를 기준 전압으로 풀 업할 때에는 N-채널 MOSFET(422)은 불필요하다). 에러 증폭기(426)가 N-채널 MOSFET(422)을 턴 온시킬만큼 N-채널 MOSFET(422)의 게이트를 하이로 구동할 때에는, 클래스 B 제어 회로(412)는 P-채널 MOSFET(420)이 도통할 수 없도록 P-채널 MOSFET(420)의 게이트를 풀 업(pull up)할 것이다(외부 라인 전압이 포지티브이기 때문에 N-채널 MOSFET(422)이 입력 노드(416)를 기준 전압으로 풀 다운할 때에는 P-채널 MOSFET(420)이 불필요하다). 입력 노드(416)를 통해 흐르는 전류가 실질적으로 제로로 감소함에 따라, 예를 들어 전원 라인 전압이 그의 제로 크로스-오버에 근접함에 따라, 클래스 B 제어 회로(412)는 비(non)-도통 MOSFET(420 또는 422)의 게이트에서 그의 "잠금"을 해제(release)할 것이다. 잠금을 해제하는 이유는 '잠금 해제된' 게이트(도통 MOSFET)가 효과적으로 다른 MOSFET 게이트의 잠금(lockdown)을 위한 인에이블로서 기능하기 때문이다. 도통 게이트가 오프 쪽으로 이동함에 따라(Vgs~Vt), 클래스 B 제어 회로(412)는 '다른' 게이트의 그 잠금을 해제한다.
전류 모드 검출기(414)는 P-채널 MOSFET(430), N-채널 MOSFET(434) 및 인버터(432)를 포함할 수 있다. 전류 모드 검출기(414)는 위에 설명된 제어 전압들이 두 개의 레일들 중 하나(예컨대, V+ 또는 V-)로 스윙할 때를 결정하는데, 이 스윙에 의해 P-채널 MOSFET(420)과 N-채널 MOSFET(422) 중 하나가 턴 온되고 다른 하나는 턴 오프되어, 상기 제어 전압들은 외부 높은 값의 임피던스(404)의 전류 흐름의 방향에 매칭한다. 따라서, P-채널 MOSFET(420) 또는 N-채널 MOSFET(422)의 게이트들로의 드라이브 신호들은 버퍼의 N측과 P측의 입력들로 이용될 수 있는데, 이 버퍼는 예를 들어 슈미트 트리거(Schmitt Trigger; ST) 버퍼 구조일 수 있지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 여기서 전류 모드 검출기(414)의 하나의 입력부가 도통 상태일 때, (클래스 B 제어 회로(412)로부터의 '잠금'으로 인해) 다른 입력부는 하드 오프일 것이고, 그러면 ST는 레일 간에(rail to rail) 스위칭할 것이다.
도 5를 보면, 본 개시의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 전원 전압 제로-크로싱 검출기의 개략도가 도시되어 있다. 혼합 신호 디바이스(502), 예컨대 마이크로컨트롤러는 위에 설명된 혼합 신호 디바이스(402)와 실질적으로 동일한 방식으로 기능할 수 있으며, 여기에는 인버터(432)로부터 검출기 출력을 수신하는 디지털 필터(540)가 추가되어 있다. 제로 크로싱 결정 수행 프로세스 동안 발생할 수 있는 임의의 원치 않는 아날로그 글리치들(glitches)을 회피하는 것을 돕기 위해서, 전력 라인 주파수의 두 배(예컨대, 주기 시간의 절반)보다 실질적으로 짧을 수 있지만 제로 크로스 오버 포인트로부터 '멀리' 떨어져 있기에 충분히 긴 시간 동안 홀딩 오프(holding off)하는데 디지털 필터(540)가 사용될 수 있다.
집적 회로 디바이스의 파워 업(power up)시 또는 그 이후에 집적 회로 디바이스의 노드는 높은 값의 임피던스를 통해 전원 교류(AC) 전압과 결합하도록 구성될 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다. 또한, 집적 회로 디바이스의 파워 업 이후에 집적 회로 디바이스의 노드는 높은 값의 임피던스를 통해 전원 교류(AC) 전압과의 결합으로부터 비활성화될 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다. 추가로, 프로그램 코드를 실행해야 할 필요없이 제로 크로스 회로 기능을 활성화하는데 적어도 하나의 구성 퓨즈가 사용될 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.
본 개시의 실시예들은 본 개시의 예시적인 실시예들을 참조하여 도시되고 설명되고 정의되었지만, 이러한 참조는 본 개시의 한정을 의미하지 않고 이러한 한정이 추정되지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야에 통상의 기술을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 사람들에게는 형태와 기능에 있어서 상당한 수정, 대체, 및 균등물들이 가능하다. 본 개시의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 개시의 범위를 한정하지 않는다.

Claims (29)

  1. 전원 전압 제로-크로싱 검출기로서,
    제 1 레일(rail) 전압과 외부 노드 사이에 결합된 제 1 출력 드라이버;
    제 2 레일 전압과 상기 외부 노드 사이에 결합된 제 2 출력 드라이버;
    제 1 및 제 2 차동 입력부들과 제 1 및 제 2 싱글 엔디드 출력부들을 갖는 증폭기 - 상기 출력부들 중 제 1 출력부는 상기 제 1 출력 드라이버의 제어 입력부에 결합하고, 상기 출력부들 중 제 2 출력부는 상기 제 2 출력 드라이버의 제어 입력부에 결합함 -;
    출력 노드와 상기 증폭기의 제 2 입력부 사이에 결합된 피드백 네트워크;
    상기 증폭기의 제 1 입력부에 결합된 전압 기준부;
    상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 상기 제어 입력부들에 결합된 클래스 B 제어 회로 - 상기 클래스 B 제어 회로는 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들 중 하나가 도통할 때 다른 하나의 출력 드라이버를 강제로 오프시키고, 도통을 중단하면 상기 증폭기로 제어를 다시 릴리스함 -; 및
    상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 상기 제어 입력부들에 결합된 전류 모드 검출기 회로를 포함하고,
    상기 전류 모드 검출기 회로는 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 제어 입력부들에 흐르는 전류들에 기초하여 전원 전압 제로-크로싱 검출을 제공하는, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 드라이버는 P-채널 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이고, 상기 제 2 출력 드라이버는 N-채널 MOSFET인, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 기준부의 기준 전압은 상기 제 1 및 제 2 전압 레일들 사이에 있는, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 싱글 엔디드 출력부들 중 하나가 상기 제 1 출력 드라이버 또는 상기 제 2 출력 드라이버의 상기 제어 입력부들 중 그 각각을 제어할 때, 상기 클래스 B 제어 회로는 각각의 상기 제 1 출력 드라이버 또는 상기 제 2 출력 드라이버를 실질적으로 턴 오프하기 위하여, 상기 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 싱글 엔디드 출력부들 중 다른 하나를 오버라이딩(overriding)하여 이로써 슛 스루(shoot through) 전류를 실질적으로 감소시키는, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 모드 검출 회로는 슈미트(Schmitt) 트리거 회로에 결합된 별도의 N-채널 MOSFET 및 P-채널 MOSFET 입력부들을 갖는 입력 버퍼를 포함하는, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는 연산 증폭기인 것을 특징으로 하는, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 노드는 하이(high) 임피던스를 통해 전원 전압에 결합하는, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는 싱글 출력부를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 출력부들은 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 각각의 제어 입력부들에 결합된 제 1 및 제 2 저항들을 통해 제공되는, 전원 전압 제로-크로싱 검출기.
  9. 제 1 항에 따른 회로 장치를 포함하는 마이크로컨트롤러.
  10. 전원 전압 제로-크로싱들을 검출하기 위한 회로 장치로서,
    하이(high) 값의 임피던스를 통해 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 구성되는 집적 회로 디바이스의 외부 노드;
    상기 외부 노드를 제 1 공급 레일 전압과 제 2 공급 레일 전압 중 어느 하나에 결합시키도록 동작 가능한 제 1 및 제 2 출력 드라이버들; 및
    전류가 상기 전원 AC 전압으로부터 싱크(sink)되고 있거나 상기 전원 AC 전압에 소스(source)되고 있든지 아니든지 간에, 실질적인 정전압이 상기 외부 노드에 강제되도록, 그리고 상기 전원 AC 전압의 전압 제로-크로싱들을 결정할 때 그 전류가 모니터링되도록, 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들의 제어를 제공하는 제로-크로싱 검출기를 포함하는, 회로 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 출력 드라이버들은 상기 외부 노드를 디지털 출력 포트, 디지털 입력 포트, 또는 제로 크로싱 검출기 입력 포트로서 동작시키도록 프로그램 가능한 디지털 입/출력 포트의 일부분인, 회로 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 외부 노드의 기능을 결정하는 구성 레지스터를 더 포함하는 회로 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 정전압은 클래스 B 제어 연산 증폭기 주위의 피드백 루프에 의해 제어되는, 회로 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    클래스 B 제어된 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들은 전력을 효율적으로 운영하는, 회로 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제로-크로싱 검출기는 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들에 구동되는 전류를 모니터링하도록 동작 가능한, 회로 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제로-크로싱 검출은 동작 온도, 프로세스 제조 및 공급 전압과는 무관한, 회로 장치.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 하이 값의 임피던스는 하이 값의 저항인, 회로 장치.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 하이 값의 임피던스는 저항, 커패시터, 트랜지스터, 및 인덕터로 이루어진 그룹 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는, 회로 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하이 값의 임피던스는 수동 부품과 능동 부품의 결합체인, 회로 장치.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 제로-크로싱 검출기에 결합된 디지털 필터를 더 포함하는 회로 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 디지털 필터는 전원 AC 주파수의 두 배보다 실질적으로 짧은 홀드 오프(hold off) 시간을 갖는 것을 특징으로 하는, 회로 장치.
  22. 제 10 항에 따른 회로 장치를 포함하는 마이크로컨트롤러.
  23. 전원 전압 제로-크로싱들을 검출하기 위한 방법으로서,
    하이 값의 임피던스를 통해 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 집적 회로 디바이스의 외부 노드를 구성하는 단계;
    상기 외부 노드를 제 1 공급 레일 전압과 제 2 공급 레일 전압 중 어느 하나에 결합시키도록 동작 가능한 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제공하는 단계;
    전류가 상기 전원 AC 전압으로부터 싱크되고 있거나 상기 전원 AC 전압에 소스(source)되고 있든지 아니든지 간에, 실질적인 정전압이 상기 외부 노드에 강제되도록 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제어하기 위해 제로-크로싱 검출기를 제공하는 단계; 및
    상기 전원 AC 전압의 전압 제로-크로싱들을 결정하기 위해 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제어하는 신호들의 전류를 모니터링하는 단계를 포함하는, 전원 전압 제로-크로싱 검출 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    디지털 필터로 상기 제 1 및 제 2 출력 드라이버들을 제어하는 상기 신호들의 상기 모니터링된 전류를 필터링하는 단계를 더 포함하는, 전원 전압 제로-크로싱 검출 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 디지털 필터는 전원 AC 주파수의 두 배보다 실질적으로 짧은 홀드 오프 시간을 갖는, 전원 전압 제로-크로싱 검출 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 상기 집적 회로 디바이스의 상기 외부 노드를 구성하는 단계는 상기 집적 회로 디바이스의 파워 업(power up)시 수행되는, 전원 전압 제로-크로싱 검출 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 상기 집적 회로 디바이스의 상기 노드를 구성하는 단계는 상기 집적 회로 디바이스의 파워 업 이후에 수행되는, 전원 전압 제로-크로싱 검출 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 집적 회로 디바이스의 파워 업 이후에 상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합된 상기 집적 회로 디바이스의 노드를 디스에이블하는 단계를 더 포함하는, 전원 전압 제로-크로싱 검출 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 하이 값의 임피던스를 통해 상기 전원 교류(AC) 전압에 결합하도록 상기 집적 회로 디바이스의 상기 노드를 구성하는 단계는 프로그램 코드를 실행할 필요없이 적어도 하나의 구성 퓨즈로 수행되는, 전원 전압 제로-크로싱 검출 방법.
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