KR20160144262A - 전류 측정 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전류 측정 회로는, 션트 저항; 증폭기; 상기 션트 저항의 일단과 상기 증폭기의 제1 입력 단자를 연결하는 제1 신호선; 상기 션트 저항의 타단과 상기 증폭기의 제2 입력 단자를 연결하는 제2 신호선; 및 상기 션트 저항의 타단과 상기 증폭기의 제1 전원 단자를 연결하는 제3 신호선을 포함한다.

Description

전류 측정 회로{CURRENT DETECTING CIRCUIT}
본 발명은 전류 측정 회로에 관한 것으로서, 구체적으로 션트 저항(Shunt Resistor)을 구비하는 전류 측정 회로에 관한 것이다.
션트 저항은 특정 전류 경로에 배치되고, 양단 전압을 증폭하여 전압에 따른 전류를 측정하는 데 사용되는 소자이다.
특히, 미세한 전류 차이를 측정하기 위해서 션트 저항의 저항 값은 정밀하게 제조된다. 션트 저항의 저항 값은 일반적으로 매우 낮으며, 따라서 연결되는 배선의 패턴에 따라 발생하는 저항 값에 영향을 받기 쉽다. 그러므로 배선의 패턴을 어떻게 설계하는 지는 설계자에게 중요한 문제이다.
또한, 션트 저항을 이용한 전류 측정 회로는 미세한 전류 변화를 측정하기 위해서 노이즈의 제거가 필수적으로 요구된다. 이러한 노이즈는 크게 공통 모드 노이즈(Common Mode Noise)와 차동 모드 노이즈(Differential Mode Noise)로 나뉜다.
공통 모드 노이즈는 두 신호선에서 접지단에 대해 발생하는 동일 위상의 노이즈이다. 이러한 공통 모드 노이즈를 제거하기 위해선 다양한 방법이 있지만, 하나의 예로서 바이패스 커패시터(C21, C22)(Bypass Capacitor)를 접지단과 두 신호선(L221, L22) 각각의 사이에 연결하는 방법이 있다(도 4 참조). 교류 성분인 노이즈는 바이패스 커패시터(C21, C22)를 통한 경로로 흐르게 된다. 차동 모드 노이즈도 바이패스 커패시터(C21, C22)를 통한 전류 경로 설정으로 제거가능하다.
하지만 도 4를 참조하면, 바이패스 커패시터(C21, C22)가 연결된 접지단과 증폭기(31)의 제1 전원(Vee)이 연결된 접지단 사이에는 임피던스(51)가 존재한다. 즉, 상술한 두 접지단은 물리적으로 서로 다른 접지단이기에 전위차이가 있게 된다. 따라서, 전위차에 따른 공통 모드 전류(Common Mode Current)가 흐르게 되고, 공통 모드 전류에 실린 노이즈 성분으로 인해 정확한 전류 검출이 힘들게 된다.
또한 바이패스 커패시터(C21, C22)가 연결된 접지단의 위치가 증폭기(31)의 제1 전원(Vee)에 연결된 접지단의 위치와 다르므로, 서로 다른 노이즈가 전달될 수 있는 문제도 있다.
따라서 상술한 문제들을 해결하기 위한 새로운 구조의 전류 측정 회로가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전류정확도를 향상시킨 전류 측정 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 전류 측정 회로는, 션트 저항; 증폭기; 상기 션트 저항의 일단과 상기 증폭기의 제1 입력 단자를 전기적으로 연결하는 제1 신호선; 상기 션트 저항의 타단과 상기 증폭기의 제2 입력 단자를 전기적으로 연결하는 제2 신호선; 및 상기 션트 저항의 타단과 상기 증폭기의 제1 전원 단자를 연결하는 제3 신호선을 포함한다.
상기 제1 신호선과 상기 제3 신호선을 연결하는 제1 커패시터; 및 상기 제2 신호선과 상기 제3 신호선을 연결하는 제2 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 신호선의 패턴은 상기 제1 신호선의 패턴과 상기 제2 신호선의 패턴 사이에서 패터닝되어 있을 수 있다.
상기 제1 신호선의 임피던스가 상기 제2 신호선의 임피던스와 매칭될 수 있다.
상기 제3 신호선의 임피던스는 상기 제1 및 제2 신호선의 임피던스와 매칭될 수 있다.
상기 제1, 제2, 및 제3 신호선의 임피던스는 각 신호선 패턴의 형태에 따라 결정될 수 있다.
상기 제1 커패시터의 용량 값과 상기 제2 커패시터의 용량 값은 상기 전류 측정 회로가 사용되는 환경에서 주로 인가되는 노이즈의 주파수 값에 따라 결정될 수 있다.
상기 제1 커패시터의 용량 값과 상기 제2 커패시터의 용량 값은 서로 동일할 수 있다.
상기 증폭기의 제2 전원 단자는 고정 전압원에 연결되고, 상기 제2 전원 단자에 인가되는 전압은 상기 제1 전원 단자에 인가되는 전압보다 클 수 있다.
상기 션트 저항은 배터리 보호 회로의 대전류 경로에 위치할 수 있다.
상기 배터리 보호 회로가 충전 모드일 때, 상기 션트 저항의 양단 전압의 극성과
상기 배터리 보호 회로가 방전 모드일 때, 상기 션트 저항의 양단 전압의 극성이 서로 다를 수 있다.
상기 증폭기의 출력은 ADC(Analog to Digital Converter)에 입력되고, 상기 ADC의 출력에 따라 상기 션트 저항에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 전류정확도를 향상시킨 전류 측정 회로를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 측정 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 PCB(Printed Circuit Board) 상에 구현된 전류 측정 회로의 일부를 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 전류 측정 회로를 도시한 도면이다.
이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리(10) 및 배터리 보호 회로(20)을 포함한다.
배터리 보호 회로(20)는 배터리(10)의 양극 및 외부 단자(P) 사이, 그리고 배터리(10)의 음극 및 외부 단자(N) 사이에 개재되어, 대전류 경로 상에 위치한다.
배터리 보호 회로(20)는 서로 직렬로 연결된 충전용 전계 효과 트랜지스터(미도시) 및 방전용 전계 효과 트랜지스터(미도시)를 포함하여 제어부(미도시)의 제어에 따라 충방전 제어를 할 수 있다. 충전용 전계 효과 트랜지스터와 방전용 전계 효과 트랜지스터가 제대로 작동하지 않아 과방전 또는 과충전이 발생하는 경우, 제어부는 2차 보호 소자인 퓨즈(fuse)(미도시)를 끊어 대전류 경로를 차단할 수 있다. 상술한 배터리 보호 회로(20)의 보호 동작은 일 실시예이며 본 발명을 제한하지 않는다.
본 발명의 배터리 보호 회로(20)는 상술한 배터리(10)의 보호 기능을 수행하기 위해 션트 저항(R1)을 포함한다. 예를 들어, 충전 모드인데 방전 방향으로 전류가 흐르거나, 예상 전류보다 과전류가 흐르는 경우, 이를 션트 저항(R1)을 통해 감지할 수 있고, 배터리 보호 회로(20)가 동작할 수 있다.
션트 저항(R1)은 전류 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다. 션트 저항(R1)은 배터리 보호 회로(20)의 대전류 경로 상에 위치할 수 있다.
션트 저항(R1)이 배터리 보호 회로(20)의 대전류 경로 상에 위치하는 경우, 배터리 보호 회로(20)의 모드에 따라 양단 전압의 극성이 바뀔 수 있다. 즉, 배터리 보호 회로(20)가 충전 모드일 때 션트 저항(R1)의 양단 전압의 극성과, 배터리 보호 회로(20)가 방전 모드일 때 션트 저항(R1)의 양단 전압의 극성이 서로 다르게 된다. 충전 모드일 때의 충전 전류와 방전 모드일 때의 방전 전류는 서로 반대 방향이기 때문이다.
충전 모드일 때 충전 전류는 외부 단자(P), 배터리 보호 회로(20), 배터리(10)의 양극, 배터리(10)의 음극, 배터리 보호 회로(20), 외부 단자(N)의 순서로 흐르게 된다. 방전 모드일 때 방전 전류는 외부 단자(N), 배터리 보호 회로(20), 배터리(10)의 음극, 배터리(10)의 양극, 배터리 보호 회로(20), 외부 단자(P)의 순서로 흐르게 된다.
외부 단자(P) 및 외부 단자(N)에는 부하 또는 발전기 등의 외부 장치가 연결된다.
도 1에서 션트 저항(R1)은 배터리(10)의 음극과 외부 단자(N) 사이의 대전류 경로 상에 위치한다. 다른 실시예로서, 션트 저항(R1)은 배터리(10)의 양극과 외부 단자(P) 사이의 대전류 경로 상에 위치할 수도 있다. 이러한 션트 저항(R1)의 위치는 도 2의 증폭기(30)의 제1 및 제2 전원 단자(Vcc, Vee)에 인가될 전압 레벨을 고려하여 결정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 측정 회로를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 측정 회로는 션트 저항(R1), 제1 내지 3 신호선(L1, L2, L3), 제1 및 제2 커패시터(C1, C2), 증폭기(30) 및 ADC(40)(Analog to Digital Converter)를 포함한다.
제1 신호선(L1)은 션트 저항(R1)의 일단과 증폭기(30)의 제1 입력 단자(Vn)를 연결한다. 제2 신호선(L2)은 션트 저항(R1)의 타단과 증폭기(30)의 제2 입력 단자(Vp)를 연결한다. 제3 신호선(L3)은 션트 저항(R1)의 타단과 증폭기(30)의 제1 전원 단자(Vee)를 연결한다. 이때 제1 전원 단자(Vee)는 증폭기(30)의 접지 단자일 수 있다.
이하 본 발명에서 두 소자를 서로 "연결"한다는 것은, 발휘하고자하는 기능이 수행되는 이상, 서로 "전기적으로 연결"한다는 것을 의미한다. "전기적으로 연결"한다는 것은 중간에 다른 수동 소자 또는 능동 소자가 개재될 수 있다는 것이다. 즉, 도 2에서 개시하는 전류 측정 회로의 특정 경로에 다른 소자가 개재되어, 추가적인 다른 효과를 발휘하도록 변경 사용하는 것은 당업자에게 용이하다.
제1 커패시터(C1)는 제1 신호선(L1)과 제3 신호선(L3)을 연결한다. 제2 커패시터(C2)는 제2 신호선(L2)과 제3 신호선(L3)을 연결한다.
제1 및 제2 커패시터(C1, C2)는 바이패스 커패시터로서, 전술한 바와 같이 공통 모드 노이즈와 차동 모드 노이즈를 감소시키는 역할을 수행한다.
한 실시예로서, 제1 커패시터(C1)의 용량 값과 제2 커패시터(C2)의 용량 값은 서로 동일 또는 유사할 수 있다. 이는 각 신호선으로 구성되는 패턴의 임피던스를 서로 매칭시키기 위한 것으로서, 구체적인 패턴에 따라 각 커패시터의 용량 값은 서로 다를 수도 있다.
제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 용량 값은 본 발명의 전류 측정 회로가 사용되는 환경에서 주로 인가되는 노이즈의 주파수 값에 따라 결정될 수 있다. 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)는 노이즈의 교류 성분을 바이패스 시킴으로써 노이즈를 저감시키는 역할을 수행한다. 이때 전류 측정 회로가 사용되는 환경에 따라 인가되는 노이즈의 주파수 값이 달라질 수 있으므로, 이에 따라 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 용량 값이 결정되어 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.
증폭기(30)는 OP AMP(Operational Amplifier)일 수 있다. 증폭기(30)는 단전원 또는 양전원 OP AMP로 구성될 수 있다. 증폭기(30)는 제품에 따라 입력 및 출력 단자가 달라질 수 있다. 본 발명에서의 증폭기(30)는 두 개의 입력 단자(Vn, Vp), 두 개의 전원 단자(Vcc, Vee) 및 한 개의 출력 단자를 포함하는 것으로 설명한다.
증폭기(30)는 제1 입력 단자(Vn)에 입력되는 제1 전압과 제2 입력 단자(Vp)에 입력되는 제2 전압의 차이를 일정 비율로 증폭시켜 출력한다. 본 실시예에서 제1 전압은 션트 저항(R1)의 일단의 전압이고, 제2 전압은 션트 저항(R1)의 타단의 전압이다. 제1 입력 단자(Vn)와 제2 입력 단자(Vp)는 서로 대체되어 사용될 수 있다.
제3 신호선(L3)은 션트 저항(R1)의 타단과 증폭기(30)의 제1 전원 단자(Vee)를 동일한 전압 노드로 연결한다. 따라서 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 일단과 제1 전원 단자(Vee)는 동일한 전압 노드에 위치하게 된다. 전술한 바와 같이 제1 전원 단자(Vee)는 증폭기(30)의 접지 단자일 수 있다.
전술한 바와 같이 도4 를 참조하면, 기존의 전류 보호 회로에서는 바이패스 커패시터(C21, C22)의 접지단과 제1 전원 단자(Vee)의 접지단이 서로 달라 전위 차이가 있었다. 따라서 이러한 전위의 불일치가 증폭기에서 증폭되어 원하지 않는 신호가 증폭되어 나타나는 문제가 있었다.
하지만 본 발명에서는 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 일단과 제1 전원 단자(Vee)를 물리적으로 동일한 전압 노드에 위치시킴으로써, 도 4와 같은 임피던스(51)가 중간에 개재되지 않는다. 따라서 공통 모드 노이즈의 발생 원인을 제거함으로써, 출력 신호의 품질을 향상시킬 수 있다.
증폭기(30)의 제2 전원 단자(Vcc)는 고정 전압원에 연결 될 수 있다. 이때 제2 전원 단자(Vcc)에 인가되는 전압은 제1 전원 단자(Vee)에 인가되는 전압보다 클 수 있다.
다른 실시예로서, 증폭기(30)의 제2 전원 단자(Vcc)는 제1 전원 단자(Vee) 보다 높은 전압 레벨을 가진 노드에 연결될 수도 있다. 제1 전원 단자(Vee)와 제2 전원 단자(Vcc)의 전위 차이는 증폭기(30)의 출력 범위를 고려하여 결정될 수 있다.
증폭기(30)의 출력은 ADC(40)에 입력되고, 본 발명의 전류 측정 회로는 ADC(40)의 출력에 따라 션트 저항(R1)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. ADC(40)는 선택적 구성으로서, 전류 측정 회로는 ADC(40)를 대체한 아날로그 회로를 더 포함하여 전류를 측정할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 PCB(Printed Circuit Board) 상에 구현된 전류 측정 회로의 일부를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 신호선(L1, L2, L3)은 PCB(Printed Circuit Board) 상에서 패터닝될 수 있다.
제1 신호선(L1)의 임피던스와 제2 신호선(L2)의 임피던스는 서로 매칭될 수 있다. 제1 신호선(L1)과 제2 신호선(L2)이 같은 물질(예를 들어, 구리)로 구성되는 경우에, 제1 신호선(L1)과 제2 신호선(L2)의 패턴은 서로 동일 유사할 수 있다. 즉, 제1 신호선(L1)의 패턴의 길이, 폭 및 모양과 제2 신호선(L2)의 패턴의 길이, 폭 및 모양을 서로 동일 유사하게 함으로써, 임피던스 매칭을 구현할 수 있다.
제3 신호선(L3)은 제1 및 제2 신호선(L1, L2) 사이에서 패터닝되어 있다. 따라서 제3 신호선(L3)과 제1 신호선(L1)과의 간격과 제3 신호선(L3)과 제2 신호선(L2) 과의 간격이 서로 동일 또는 유사해질 수 있어, 제1 및 제2 신호선(L1, L2)의 임피던스 매칭에 유리하다.
이때 제3 신호선(L3)의 패턴은 제1 또는 제2 신호선(L1, L2)의 패턴과 유사하게 구성되어, 제3 신호선(L3)의 임피던스가 제1 또는 제2 신호선(L1, L2)의 임피던스와 매칭될 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 배터리
20: 배터리 보호 회로
R1: 션트 저항
L1: 제1 신호선
L2: 제2 신호선
L3: 제3 신호선
C1: 제1 커패시터
C2: 제2 커패시터
30: 증폭기
40: ADC

Claims (13)

  1. 션트 저항;
    증폭기;
    상기 션트 저항의 일단과 상기 증폭기의 제1 입력 단자를 연결하는 제1 신호선;
    상기 션트 저항의 타단과 상기 증폭기의 제2 입력 단자를 연결하는 제2 신호선; 및
    상기 션트 저항의 타단과 상기 증폭기의 제1 전원 단자를 연결하는 제3 신호선을 포함하는
    전류 측정 회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 신호선과 상기 제3 신호선을 연결하는 제1 커패시터; 및
    상기 제2 신호선과 상기 제3 신호선을 연결하는 제2 커패시터를 더 포함하는
    전류 측정 회로.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 신호선의 패턴은 상기 제1 신호선의 패턴과 상기 제2 신호선의 패턴 사이에서 패터닝되어 있는
    전류 측정 회로.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 신호선의 임피던스가 상기 제2 신호선의 임피던스와 매칭되는
    전류 측정 회로.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제3 신호선의 임피던스는 상기 제1 및 제2 신호선의 임피던스와 매칭되는
    전류 측정 회로.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 및 제3 신호선의 임피던스는 각 신호선 패턴의 형태에 따라 결정되는
    전류 측정 회로.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 용량 값과 상기 제2 커패시터의 용량 값은
    상기 전류 측정 회로가 사용되는 환경에서 주로 인가되는 노이즈의 주파수 값에 따라 결정되는
    전류 측정 회로.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 용량 값과 상기 제2 커패시터의 용량 값은 서로 동일한
    전류 측정 회로.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 증폭기의 제2 전원 단자는 고정 전압원에 연결되고,
    상기 제2 전원 단자에 인가되는 전압은 상기 제1 전원 단자에 인가되는 전압보다 큰
    전류 측정 회로.
  10. 제3 항에 있어서,
    상기 션트 저항은 배터리 보호 회로의 대전류 경로에 위치하는
    전류 측정 회로.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 배터리 보호 회로가 충전 모드일 때, 상기 션트 저항의 양단 전압의 극성과
    상기 배터리 보호 회로가 방전 모드일 때, 상기 션트 저항의 양단 전압의 극성이 서로 다른
    전류 측정 회로.
  12. 제3 항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력은 ADC(Analog to Digital Converter)에 입력되고,
    상기 ADC의 출력에 따라 상기 션트 저항에 흐르는 전류를 측정하는
    전류 측정 회로.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전원 단자는 접지 단자인
    전류 측정 회로.
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