KR20180028270A - 로드덤프 보호 회로 - Google Patents

로드덤프 보호 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 차량용 배터리의 충전 중 발생하는 로드 덤프(load dump)로부터 전자기기를 보호하는 로드덤프 보호 회로에 관한 발명이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로드덤프 보호 회로는, 상기 배터리의 충전 전원의 출력단에 일단이 연결된 제1 저항 및 상기 제1 저항의 타단에 일단이 연결되고 타단은 그라운드(ground)에 연결된 모스펫(MOSFET)을 포함하되, 상기 모스펫의 게이트(gate)단에는 상기 출력단의 전압과 사전에 정해진 기준 전압의 차이 전압이 인가될 수 있다.

Description

로드덤프 보호 회로{Load dump protection circuit}
본 발명은 로드덤프 보호 회로에 관한 것이다.
차량용 배터리를 충전시키는 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)가 적용된 제품에 있어서, 직류-직류 변환기에서 배터리로 충전 중에 충전 케이블이 단락되는 등의 상황이 발생하면 로드덤프(load dump)가 발생하게 된다. 이 경우 직류-직류 변환기는 단락된 배터리를 충전하려고 시도하므로, 직류-직류 변환기의 출력 전압이 급상승하게 된다. 직류-직류 변환기의 출력 전압의 갑작스런 상승은 배터리에 함께 연결된 로드(load)에도 영향을 미쳐, 로드의 전자기기를 파괴될 수 있기 때문에 이러한 출력 전압으로부터 로드의 전자기기를 보호하는 회로가 필요하다.
도 1은 종래의 TVS(Transient Voltage Suppression) diode를 이용한 로드덤프(load dump) 보호 회로가 포함된 차량용 배터리 충전 회로이다. TVS diode(10)는 스위치(60)가 오픈(open)되어 충전 케이블에 단락이 발생한 경우, 급격한 피크(peak) 전압을 클램핑(clamping)할 수 있다. 도 2는 TVS diode의 동작을 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 보통 전압(VN) 상태에서 피크 전압이 인가되면, TVS diode(10)는 아발란체(avalanche) 동작이 발생되어 낮은 임피던스(impendence)로 동작하게 되어, TVS diode(10) 양단에는 클램핑 전압(Vc)이 유지가 된다. 클램핑 전압(Vc)는 로드(80)의 전자기기의 파손 전압(VF)보다 낮은 값으로 설정되기 때문에, 피크 전압으로부터 전자기기를 보호할 수 있다.
차량용 배터리를 충전시키는 직류-직류 변환기는 차량용 점프 스타트(jump start) 조건을 만족시켜야 한다. 배터리가 방전된 경우, 외부의 배터리에서 전력을 끌어와서 점프 스타트 시키는 경우, 배터리에 연결된 로드에 과도 전압이 인가될 수 있다. 점프 스타트의 경우 1분여 정도 지속될 수 있으므로, TVS diode를 이용한 로드덤프 보호 회로를 이용해서는 점프 스타트에서 발생하는 과도 전압으로부터 로드의 전자기기를 보호할 수 없다. TVS diode는 diode의 아발란체 동작을 이용하여 순간적인 과도 전압을 클램핑할 수 있지만, 지속적인 과도 전압에 노출이 되는 경우 소자가 파괴되어 클램핑 기능을 수행할 수 없기 때문이다.
따라서, 차량용 배터리를 충전시키는 회로에 있어서, 로드덤프 발생한 경우와 점프 스타트를 하는 경우에 로드의 전자기기를 과도 전압으로부터 보호할 수 있는 로드덤프 보호 회로 기술의 제공이 요구 된다.
한국공개특허 제2003-0040422호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 로드덤프 발생 시에 로드의 전자기기를 보호할 수 있는 보호 회로를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 점프 스타트 요구 사항을 만족시킬 수 있는 보호 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 로드덤프 보호 회로는, 상기 배터리의 충전 전원의 출력단에 일단이 연결된 제1 저항 및 상기 제1 저항의 타단에 일단이 연결되고 타단은 그라운드(ground)에 연결된 모스펫(MOSFET)을 포함하되, 상기 모스펫의 게이트(gate)단에는 상기 출력단의 전압과 사전에 정해진 기준 전압의 차이 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 로드덤프 보호 회로는, 상기 충전 전원의 출력단과 상기 제1 저항 사이에 직렬로 연결되며 상기 출력단에서 상기 제1 저항 방향을 순방향으로 연결된 다이오드(diode), 상기 제1 저항과 상기 모스펫 사이에 직렬로 연결되는 커패시터 및 상기 커패시터의 양단에 병렬로 연결된 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 로드덤프 보호 회로는, 상기 출력단의 전압과 사전에 정해진 기준 전압의 차이만큼의 전압을 출력하는 비교기를 더 포함하며, 상기 비교기의 비반전 신호 입력단은 상기 충전 전원의 출력단에 연결되고, 상기 비교기의 반전 신호 입력단에는 상기 기준 전압이 인가되며, 상기 비교기의 출력단은 상기 모스펫의 게이트(gate)단에 연결될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 로드덤프 발생한 경우와 점프 스타트를 하는 경우에 로드의 전자기기를 과도 전압으로부터 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 TVS(Transient Voltage Suppression) diode를 이용한 로드덤프(load dump) 보호 회로가 포함된 차량용 배터리 충전 회로이다.
도 2는 종래의 TVS diode의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 로드덤프 보호 회로가 포함된 차량용 배터리 충전 회로이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로드덤프 보호 회로의 동작을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 로드덤프 보호 회로가 포함된 차량용 배터리 충전 회로이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 회로는 직류-직류 변환기(50), 배터리(70), 로드(80) 및 로드덤프 보호 회로(100) 을 포함할 수 있다. 직류-직류 변환기(50)는 직류 전압을 입력 받고 배터리(70)의 충전을 위한 직류 전압을 출력할 수 있다. 로드(80)는 배터리로부터 전력을 공급받아 동작하는 전자기기를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된, 스위치(60)은 직류-직류 변환기(50)로부터 배터리(70)를 충전하는 충전 케이블에서 발생하는 단락을 설명하기 위하여 추가된 것이다. 스위치(60)는 실제 스위치 소자일 수도 있으며, 충전 케이블의 단선 또는 충전 케이블의 제거 등의 상황을 개념적으로 설명하기 위해 추가된 소자일 수도 있다. 스위치(60)가 개방(open)되는 것은 충전 케이블의 단락을 가리키며, 이 경우 로드 덤프가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로드덤프 보호 회로(100)은 배터리(70)의 충전 전원의 출력단에 일단이 연결된 제1 저항(120) 및 제1 저항(120)의 타단에 일단이 연결되고 타단은 그라운드(ground)에 연결된 모스펫(MOSFET, 150)을 포함할 수 있다. 모스펫(150)의 게이트(gate)단에는 상기 출력단의 전압과 사전에 정해진 기준 전압의 차이 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 충전 전원은 직류-직류 변환기(50)일 수 있으며, 상기 충전 전원의 출력단은 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단일 수 있다. 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단의 전압은, 이하 설명의 편의를 위하여 출력단 전압(Vo)라고 한다.
스위치(60)이 개방되면서, 출력단 전압(Vo)은 과도 전압이 되고, 모스펫(150)의 게이트단에는 기준 전압 이상의 전압이 인가됨으로써 모스펫(150)의 스위칭 동작이 켜진(ON) 상태가 될 수 있다. 이 경우, 출력단 전압(Vo)은 그라운드와 연결되게 되므로, 상기 과도 전압이 클램핑될 수 있다.
로드덤프 보호 회로(100)은 비교기(200)을 더 포함할 수 있다. 비교기(200)은 출력단 전압(Vo)과 사전에 정해진 기준 전압의 차이만큼의 전압을 출력할 수 있다. 비교기(200)는 OP-AMP(230)를 포함할 수 있다. 비교기(200)의 비반전 신호 입력단(+)은 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단에 연결되고, 비교기(200)의 반전 신호 입력단(-)에는 기준 전압(220)이 인가되며, 비교기(200)의 출력단은 모스펫(100)의 게이트(gate)단에 연결될 수 있다. 따라서, 비교기(200)의 출력단은 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단의 전압(Vo)과 기준 전압(220)의 차이를 증폭한 값을 비교기(200)의 출력단으로 출력할 수 있다.
비교기(200)의 출력단 전압은 모스펫(100)의 게이트단에 연결되어 모스펫(100)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 즉, 출력단 전압(Vo)가 과도 전압이 되면, 기준 전압보다 큰 값이 되고, 기준 전압과의 차이만큼의 전압값이 증폭되어 모스펫(100)의 게이트단에 제공됨으로써 모스펫(100)의 스위칭 상태를 켜진 상태(ON)로 만들 수 있다.
비교기(200)은 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단과 비반전 신호 입력단(+) 사이에 직렬로 연결된 필터 회로(210)를 더 포함할 수 있다. 필터 회로(210)은 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단의 신호에 포함된 노이즈를 제거하거나, 특정 주파수의 입력만을 통과하거나 블록(block)할 수 있다.
로드덤프 보호 회로(100)은 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단과 제1 저항(120) 사이에 직렬로 연결되며, 상기 출력단에서 제1 저항(120)의 방향을 순방향으로 하면서 연결된 다이오드(diode, 110)을 더 포함할 수 있다. 다이오드(110)은 로드덤프 보호 회로(100)에 역방향 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.
로드덤프 보호 회로(100)은 제1 저항(120)과 모스펫(150) 사이에 직렬로 연결된 커패시터(130)과 커패시터(130)의 양단에 병렬로 연결된 제2 저항(140)을 더 포함할 수 있다. 커패시터(130)은 점프 스타트를 하는 상황에서, 로드덤프 보호 회로(100)에 지속적인 과도 전압이 인가될 때, 커패시터(130)이 충전됨으로써 출력단 전압(Vo)를 일정한 전압값으로 유지하는 기능을 수행할 수 있다. 제2 저항(140)은 커패시터(130)에 충전된 전력을 소비하는 기능을 수행할 수 있다.
로드덤프 보호 회로(100)은 다이오드(110), 제1 저항(120), 커패시터(130), 제2 저항(140) 및 모스펫(150)을 포함할 수 있다. 다이오드(110), 제1 저항(120), 커패시터(130) 및 모스펫(150) 은 이 순서대로 직렬로 연결될 수 있고, 제2 저항(140)은 커패시터(130)의 양단에 병렬로 연결될 수 있다. 상기 직렬 연결에 포함되지 않은 다이오드(110)의 일단과 모스펫(150의 일단은, 각각 직류-직류 변환기(50)의 양(+)의 출력단과 그라운드(ground)에 연결될 수 있다.
도 3에는 직류-직류 변환기(50)와 로드덤프 보호 회로(100) 및 비교기(200)이 개별적으로 구성된 것으로 도시되었지만, 이것은 예시에 불과하며, 하나의 기판 상에 구성될 수도 있다. 또는, 직류-직류 변환기(50)에 보호 회로(100) 및 비교기(200)가 포함되어, 일체형으로 구성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로드덤프 보호 회로의 동작을 나타내는 그래프이다. 도 3과 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 로드덤프 보호 회로의 동작을 자세하게 설명한다.
출력단 전압(Vo)는 보통의 경우 V1 [V]의 출력값을 가진다. t1 시점에 스위치(60)가 오픈되어 충전 케이블이 단선되는 로드덤프 이벤트가 발생한다. 출력단 전압(Vo)는 가파르게 상승한다.
t2 시점에 출력단 전압(Vo)는 로드덤프 보호 회로(100)의 온스위칭(on-switching) 전압값(V2)에 도달한다. t3 시점에 로드덤프 보호 회로(100)가 온스위칭된다. t2 에서 t3 사이의 시간은, 필터 회로(210)에 의한 지연된 시간이다.
t3 시점에 온스위칭된 로드덤프 보호 회로(100)에 의해서, 출력단 전압(Vo)는 급격하게 작아지게 되며 커패시터(140)은 충전됨으로써 커패시터(140)의 양단 전압(Vcap)은 증가하게 된다. 출력단 전압(Vo)가 순간 V2 [V]보다 작아지게 되어 로드덤프 보호 회로(100)은 오프스위칭(off-switching) 되고, 따라서 출력단 전압(Vo)는 다시 상승하게 된다. 출력단 전압(Vo)는 다시 V2 [V]보다 크게 되며, 이때 로드덤프 보호 회로(100)은 다시 온스위칭된다. 이 때에는, 커패시터(140)이 충전된 상태이기 때문에 출력단 전압(Vo)는 어느 정도 더 상승하게 되지만 출력전압 한계치(V3) 이하로만 상승하게 된다. 출력전압 한계치(V3)는 로드(80)에 포함된 전자기기가 손상을 입지 않을 수 있는 최대 전압값일 수 있다. 출력단 전압(Vo)가 V3 [V] 까지만 상승하도록 기준 전압(220)과 커패시터(130)의 전기용량값을 사전에 정할 수 있다.
t3에서 t4 사이에, 출력단 전압(Vo)은 V3까지만 상승하고 다시 하강하게 된다. 로드덤프로 인해 발생하는 과도 전압은 피크 전압 형태이기 때문에, 최대값을 찍은 이후에는 감소하게 된다.
t4 시점에 출력단 전압(Vo)는 V2에 도달하지만, 필터 회로(210)의 측정 지연으로 인하여, t5 시점에 로드덤프 보호 회로(100)은 오프스위칭 상태가 된다.
t5이후로, 로드덤프 보호 회로(100)은 오프스위칭 되어 개방된 것과 같이 동작한다. t5이후로는 출력단 전압(Vo)의 값이 V2 [V] 이하이기 때문에 로드덤프 보호 회로(100)가 동작할 필요가 없다. 커패시터(130)에 충전된 전력은 제2 저항(140)에 의해서 서서히 소비되므로, Vcap 값은 점점 줄어들게 된다.
t6 시점에, 로드덤프 이벤트는 종료하게 되고, 출력단 전압(Vo)는 보통 상태의 전압값 V1[V]가 된다.
도 4를 이용하여 로드덤프 발생의 경우만 설명하였지만, 점프 스타트의 경우는 t1에서 t6까지의 시간만 길어질 뿐 동작 순서는 동일하기 때문에, 중복된 설명을 피하기 위해서 생략한다.
도 3 내지 도 4에서, 제1 저항(120) 0.2 [ohm], 제2 저항(140)은 4.7 k ohm], 커패시터(130)의 전기 용량은 2200 [uF], OP-AMP(230)의 기준전압(220)은 19 [V], V1 값은 14 [V], V2 값은 19 [V], V3 값은 24 [V] 일 수 있지만, 이것은 예시적이며 이에 한정되지 않는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
TVS diode 10
로드덤프 보호 회로 100
비교기 200

Claims (9)

  1. 차량용 배터리의 충전 중 발생하는 로드 덤프(load dump)로부터 전자기기를 보호하는 회로에 있어서,
    상기 배터리의 충전 전원의 출력단에 일단이 연결된 제1 저항; 및
    상기 제1 저항의 타단에 일단이 연결되고 타단은 그라운드(ground)에 연결된 모스펫(MOSFET);을 포함하되,
    상기 모스펫의 게이트(gate)단에는 상기 출력단의 전압과 사전에 정해진 기준 전압의 차이 전압이 인가되는,
    로드덤프 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로드덤프 보호 회로는,
    상기 충전 전원의 출력단과 상기 제1 저항 사이에 직렬로 연결되며 상기 출력단에서 상기 제1 저항 방향을 순방향으로 연결된 다이오드(diode);를 더 포함하는,
    로드덤프 보호 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 로드덤프 보호 회로는,
    상기 제1 저항과 상기 모스펫 사이에 직렬로 연결된 커패시터; 및
    상기 커패시터의 양단에 병렬로 연결된 제2 저항;을 더 포함하는,
    로드덤프 보호 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 로드덤프 보호 회로는,
    상기 충전 전원의 출력단과 상기 제1 저항 사이에 직렬로 연결되며 상기 출력단에서 상기 제1 저항 방향을 순방향으로 연결된 다이오드(diode);
    상기 제1 저항과 상기 모스펫 사이에 직렬로 연결되는 커패시터; 및
    상기 커패시터의 양단에 병렬로 연결된 제2 저항;을 더 포함하는,
    로드덤프 보호 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 로드덤프 보호회로는,
    상기 출력단의 전압과 사전에 정해진 기준 전압의 차이 만큼의 전압을 출력하는 비교기;를 더 포함하며,
    상기 비교기의 비반전 신호 입력단은 상기 충전 전원의 출력단에 연결되고,
    상기 비교기의 반전 신호 입력단에는 상기 기준 전압이 인가되며,
    상기 비교기의 출력단은 상기 모스펫의 게이트(gate)단에 연결되는,
    로드덤프 보호 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 출력단의 전압과 상기 비반전 신호 입력단 사이에는 연결된 필터 회로;를 더 포함하는,
    로드덤프 보호 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 충전 전원은,
    직류-직류 변환기(DC-DC Converter)를 포함하는,
    로드덤프 보호 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리의 충전 전원의 출력단은,
    상기 직류-직류 변환기의 양(+)의 출력단인,
    로드덤프 보호 회로.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 로드덤프 보호 회로는,
    상기 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)와 일체형으로 구성되는,
    로드덤프 보호 회로.
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