KR20200102170A - 잔존수명 예측 장치, 방법 및 전원공급장치 - Google Patents

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KR20200102170A
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Abstract

본 발명은 잔존수명 예측 장치, 방법 및 전원공급장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치는 스위칭 모드 방식의 전원공급장치(switching mode power supply; SMPS)에 대한 잔존수명을 예측하는 장치로서, SMPS의 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 계측부; 및 계측부에서 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 SMPS 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 연산부;를 포함하며, 상기 특정 회로 소자는 SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자와, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.

Description

잔존수명 예측 장치, 방법 및 전원공급장치{Apparatus, method and switching mode power supply for estimating remaining life}
본 발명은 잔존수명 예측 장치, 방법 및 전원공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 모드 방식의 전원공급장치(switching mode power supply; 이하 “SMPS”라 지칭함)의 잔존수명을 예측하는 장치, 방법 및 그 SMPS에 관한 것이다.
교류 전원을 직류 전원을 변환하여 방식에는 크게 선형 제어(series regulator) 방식과 스위칭 모드(switching mode) 방식이 있다.
선형 제어 방식은 트랜스포머(transformer)를 사용하여 1차 전압을 감압하는 방식으로서, TV 수상기나 CRT 모니터 등에 주로 사용된다. 즉, 선형 제어 방식은 주위 회로가 간단하고 가격이 저렴하지만, 열 발생이 많고 전원 효율이 낮으며 부피가 큰 단점이 있다.
스위칭 모드 방식은 트랜지스터(예를 들어, GTO, BJT, IGBT, MOSFET 등)로 구성된 스위칭 소자를 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 방식이다. 즉, 스위칭 모드 방식은 선형 제어 방식에 비하여 회로가 복잡하여 가격이 비싸고 스위칭에 의한 출력 노이즈 및 전자파가 발생할 수 있지만, 열 발생이 거의 없고 전력 효율이 높으며 부피가 작은 이점을 가진다. 이러한 스위칭 모드 방식의 전원공급장치를 SMPS라 지칭한다.
특히, SMPS는 직류 안정화 전원장치로서, 스위칭 소자의 온/오프(on/off) 시간 비율을 제어하여 출력을 안정화시킬 수 있다. 이에 따라, SMPS는 선형 제어 방식의 전원공급장치에 비해 효율이 높고 내구성이 강하며 소형 및 경량화에 유리하여 통신용, 산업용, PC용, OA기기용, 가전기기용 등 대부분의 전자기기, 장비 및 시스템의 전원공급장치로 널리 사용된다.
한편, SMPS는 사용 기한이 있어 그 수명만큼 사용될 경우, 전원 공급이 중단될 수 있다. 이 경우, SMPS로부터 전원을 공급 받아 다양한 동작을 수행하는 전작기기, 장비 및 시스템은 오프(off)되는 등의 사고가 발생할 수 있다. 이에 따라, 이러한 사고를 미연에 방지하기 위해, SMPS의 사용에 따른 그 잔존수명을 예측하는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 SMPS의 잔존수명 예측에 적합한 기준을 설정하여, 그 기준에 따른 측정 값을 기반으로 SMPS 전체의 잔존수명을 예측하는 장치, 방법 및 그 SMPS를 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치는 스위칭 모드 방식의 전원공급장치(switching mode power supply; SMPS)에 대한 잔존수명을 예측하는 장치로서, (1) SMPS의 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 계측부, (2) 계측부에서 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 SMPS 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 연산부를 포함한다.
상기 특정 회로 소자는 SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자와, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나일 수 있다.
상기 특정 회로 소자가 상기 스위칭 소자인 경우, 상기 계측부는 상기 스위칭 소자가 온(on)인 경우에 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이의 저항(RDS(on))을 측정할 수 있다.
상기 연산부는 상기 계측부의 측정 값을 이용하여 상기 특정 회로 소자의 열화 정도를 추정함으로써 상기 잔존수명을 추정하는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
상기 잔존수명(TR)은 TR = C(Ts x (1 - D))의 식을 이용하여 도출될 수 있다(단 TS는 시간 데이터로부터 도출된 사용수명, C는 계수, D는 열화 정도).
상기 특정 회로 소자가 스위칭 소자인 경우, 상기 D는 스위칭 소자가 온(on)인 때에 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이의 저항(RDS(on)) 값이 가지는 초기 값과 현재 값의 차이에 비례할 수 있다.
상기 특정 회로 소자가 전해 콘덴서인 경우, 상기 D는 전해 콘덴서의 등가저항(ESR) 값이 가지는 초기 값과 현재 값의 차이에 비례할 수 있다.
상기 연산부는 상기 계측부의 측정 값을 이용하여 사용수명(LS)을 추정하되 측정 값이 초기 측정 값과 비교하여 커질수록 더 긴 사용수명(LS)을 추정하고, 기 저장된 기대수명(LE)과 추정된 사용수명(LS)의 차이(|LE-LS|)를 이용하여 그 차이가 작을수록 더 짧은 잔존수명을 추정할 수 있다.
상기 기대수명(L-E)은 전해 콘덴서의 사용 시간 별 커패시턴스 손실률과, 전해 콘덴서의 가용 최소 용량을 이용하여 도출될 수 있다.
상기 연산부가 t의 값을 이용하여 사용수명(LS)을 추정하는 경우, 상기 사용수명(LS)은 현재 온도(Tn)에서의 SMPS 작동 시간(TON)과 가속계수(A) 사이의 곱(TON×A)을 이용해 도출된 현재 사용수명(Ln)에 대한 누적분을 이용하여 도출될 수 있으며, 상기 가속계수(A)는 기대수명(LE)과 하기 (식)을 이용하여 도출된 현재 기대수명(Ln)과 비율(LE/Ln)을 이용해 도출될 수 있다.
(식)
Figure pat00001
(단, Ea는 활성화 에너지, k는 볼츠만 상수, Tn은 현재 온도)
본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 방법은 스위칭 모드 방식의 전원공급장치(switching mode power supply; SMPS)에 대한 잔존수명을 예측하는 방법으로서, (1) SMPS의 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 단계, (2) 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 SMPS 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 단계를 포함한다.
상기 특정 회로 소자는 SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자와, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전원공급장치는 스위칭 모드 방식의 전원공급(switching mode power supply; SMPS)을 수행하면서 자신의 잔존수명을 추정하는 전원공급장치로서, (1) SMPS를 수행하는 SMPS 회로부, (2) SMPS 회로부 중에서 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 계측부, (3) 계측부에서 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 전원공급장치 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 연산부를 포함한다.
상기 특정 회로 소자는 SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자와, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나일 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치, 방법 및 전원공급장치는 SMPS의 수명을 결정하는 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 이용하므로, 보다 간편하면서도 정확하게 SMPS 전체의 잔존수명 예측이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치, 방법 및 전원공급장치는 SMPS의 갑작스런 전원 공급 중단으로 인한 사고 예방이 가능하며, 사용자로 하여금 특정 회로 소자에 대한 사전 부품 교체 시기를 결정할 수 있게 함으로써 SMPS의 사용수명을 늘리는데 기여할 수 있다.
도 1은 일반적인 SMPS의 블록 구성도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 일부 구성에 대한 간략한 회로 및 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치의 블록 구성도를 나타낸다.
도 4는 MOSFET의 구조를 나타낸다.
도 5는 MOSFET의 접합부 온도(TJ)에 따라 변하는 RDS(on)에 대한 그래프를 나타낸다.
도 6은 다양한 MOSFET의 사용 시간에 따라 변하는 RDS(on)에 대한 그래프를 나타낸다.
도 7은 전해 콘덴서에 대한 등가 회로(도 7(a))와, 등가 저항(Equivalent Series Resistance; ESR)의 열화 특성(도 7(b))과, 등가 커패시터(C)의 열화 특성(도 7(c))을 나타낸다
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 방법의 순서도를 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 일반적인 SMPS의 블록 구성도를 나타내며, 도 2는 도 1의 일부 구성에 대한 간략한 회로 및 파형을 나타낸다.
SMPS는 스위칭 소자를 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 노이즈 필터(10), 입력 정류 평활 회로(20), 컨버터(30), 제어 회로(40) 및 출력 정류 평활 회로(50)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1 및 도 2는 SMPS 구성에 대한 일 예시로서, 본 발명의 SMPS를 한정하는 것은 아니다.
노이즈 필터(10)는 입력단을 통해 입력되는 교류 전원의 노이즈를 제거하는 구성이다. 또한, 노이즈 필터(10)는 전자파를 제거해 더 안정적인 전류를 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 노이즈 필터(10)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 과정에서 발생한 전원 노이즈를 제거하는 것으로서, 입력단의 노이즈가 내부의 회로 소자를 손상시키는 것을 방지할 수 있으며, 전류의 불규칙적인 떨림 현상을 최소화할 수 있다. 다만, 노이즈 필터(10)는 SMPS에서 발생한 전원 노이즈가 입력 계통으로 유입되지 않도록 방지하는 보조 기능을 위한 구성이므로, SMPS의 필수 구성 요소는 아니다.
입력 정류 평활 회로(20)는 입력 전원에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하는 구성으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 입력용 정류 회로(21) 및 입력용 평활 회로(22)를 포함할 수 있다.
입력용 정류 회로(21)는 노이즈 필터(10) 등을 통과한 교류 전원을 정류하여 직류의 정류 전원으로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 입력용 정류 회로(21)는 브릿지 다이오드 회로 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
입력용 평활 회로(22)는 입력용 정류 회로(21)를 통과한 맥류의 직류 정류 전원을 변환하여 보다 평활한 직류 전원을 생성할 수 있다. 즉, 입력용 평활 회로(22)는 높은 전원을 낮추고 낮은 전압을 높여 어느 정도 일정한 전압이 출력되게 할 수 있다. 예를 들어, 입력용 평활 회로(22)는 콘덴서 또는 인덕터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
컨버터(30)는 평활화된 직류 전원을 원하는 크기의 직류 전원으로 변환시키는 구성이다. 즉, 컨버터(30)는 스위칭 소자(31)의 온/오프(on/off) 시간에 따라 최종 출력 직류 전원의 크기를 조절할 수 있다. 이때, 스위칭 소자(31)는 GTO, BJT, IGBT, MOSFET 등의 트랜지스터로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨버터(220)는 스위칭 소자(31) 외에도 다이오드, 2차의 저역 통과 필터인 LC 필터 등을 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 컨버터(30)는 전력의 변환을 담당하는 주요 부분으로서, 입출력 변화 비의 크기 및 회로 구성에 따라 많은 종류의 컨버터로 분류된다. 예를 들어, 컨버터(30)는 고주파 트랜스포머의 유무에 따라 크게 비절연형과 절연형으로 나뉠 수 있으며, 비절연형은 Buck 방식, Boost 방식, Buck-boost 방식, C'uk 방식 등이 있을 수 있고, 절연형은 Flyback 방식, Forward 방식, Full-bridge 방식, Half-bridge 방식 등이 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제어 회로(40)는 컨버터(30)를 제어하는 구성이다. 즉, 제어 회로(40)는 스위칭 소자(31)의 온/오프(on/off) 시간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 방식으로는 보통 펄스 폭 변조(Pulse Wide Modulation; PWM) 또는 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation; PFM) 방식 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제어 회로(40)는 최종 출력되는 직류 전압을 안정화시키기 위한 궤환 제어 회로이거나 이를 더 포함할 수 있다.
출력 정류 평활 회로(50)는 컨버터(30)에 의해 변환된 직류 전원에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하여 최종 직류 전원을 생성하는 구성으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 출력용 정류 회로(51) 및 출력용 평활 회로(52)를 포함할 수 있다.
출력용 정류 회로(51)는 컨버터(30)에 의해 변환된 직류 전원에 대해 추가적으로 정류 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 출력용 정류 회로(51)는 다이오드 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력용 평활 회로(52)는 출력용 정류 회로(51)를 통과한 직류 전원을 변환하여 보다 평활한 최종 직류 전원을 생성할 수 있다. 즉, 출력용 평활 회로(52)는 높은 전원을 낮추고 낮은 전압을 높여 어느 정도 일정한 전압이 출력되게 할 수 있다. 예를 들어, 출력용 평활 회로(52)는 콘덴서 또는 인덕터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 출력용 평활 회로(52)는 하나 이상의 전해 콘덴서를 포함할 수 있다. 이때, 전해 콘덴서는 전해액이 충진된 콘덴서로서, 소형 대용량이 가능한 콘덴서이다.
한편, 출력용 평활 회로(52)는 2개의 출력단자 사이에 연결되어 최종 출력 전원이 충전되는 출력 콘덴서(53)를 포함할 수 있다. 이러한 출력 콘덴서(53)는 최종 직류 전압에 잔존할 수 있는 맥류를 제거하기 위해 사용되는 것으로서, 소형 대용량일 필요가 있다. 이에 따라, 출력 콘덴서(53)는 전해 콘덴서로 이루어질 수 있다. 다만, 출력용 평활 회로(52)는 출력 콘덴서(53) 외에도 다양한 콘덴서를 포함할 수 있으며, 이들 콘덴서도 전해 콘덴서로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여, SMPS에 수행되는 교류 전원에서 직류 전원으로의 변환 과정을 살펴보면 다음과 같다. 즉, 입력단에 입력된 정현파의 교류 전원(P1)은 입력용 정류 회로(21)를 통해 정류 전원(P2)으로 변환될 수 있으며, 정류 정원(P2)은 입력용 평활 회로(22)를 통해 평활 전원(P3)으로 평활화될 수 있다. 이후, 평활 전원(P3)은 스위칭 소자(31)의 온/오프(on/off)에 따라 분할 전원(P4)으로 분할될 수 있으며, 분할 전원(P4)은 트랜스포머를 통하여 원하는 크기로 변환될 수 있다. 이때, 트랜스포머에 의해 변환된 전원은 스위칭 소자(31)에 의해 분할된 전원이므로, 그 크기가 일정치 않다. 이에 따라, 해당 전원은 출력 정류 평활 회로(50) 의해 정류 및 평활화될 수 있으며, 그 결과 최종적으로 안정된 직류 전원(P5)이 출력될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치의 블록 구성도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치는, SMPS에 대한 잔존수명을 예측하는 장치로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 계측부(200) 및 연산부(300)를 포함하며, 추가적으로 카운터(400), 표시부(500) 및 통신부(600)를 더 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치는 SMPS에 연결될 수 있는 별도의 장치이거나, SMPS에 포함된 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치의 각 구성에 대한 설명에 앞서 본 발명에서 사용되는 용어에 대하여 먼저 설명하도록 한다.
즉, SMPS 회로부(100)는 도 1 및 도 2에 따라 상술한 스위치 제어 방식에 의한 직류 전원 공급을 수행하는 SMPS의 내부 회로 구성을 지칭한다. 즉, SMPS 회로부(100)는, 도 1 및 도 2에 도시된 구성, 즉 노이즈 필터(10), 입력 정류 평활 회로(20), 컨버터(30), 제어 회로(40) 및 출력 정류 평활 회로(50)를 포함할 수 있다.
다음으로, 특정 회로 소자는 SMPS의 잔존수명에 가장 영향이 큰 소자를 지칭하며, 계측부(200)의 측정 대상이 된다. 즉, '잔존수명에 가장 영향이 크다'는 것은 해당 소자의 열화가 가장 두드러짐으로 인해 해당 소자의 열화가 일정 이상이 되는 경우, SMPS의 정상 동작이 어려운 것을 의미할 수 있다.
이러한 내용을 고려하면, 특정 회로 소자는 SMPS 회로부(100)의 컨버터(30)에 포함된 스위칭 소자(31)와, SMPS 회로부(100)의 출력용 평활 회로(52)에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나인 것이 바람직할 수 있다. 이때, SMPS 회로부(100)의 출력용 평활 회로(52)에 포함된 전해 콘덴서는 복수 개일 수도 있으며, 그 중에서 적어도 하나는 출력 콘덴서(53)일 수 있다.
즉, SMPS가 사용될 경우, 그 사용 시간에 따라 스위칭 소자(31) 또는 전해 콘덴서의 열화는 당연히 발생하게 되는데, 이들의 열화가 일정 이상이 되면 SMPS 자체가 정상적으로 동작하지 않게 된다. 이에 따라, 본 발명은 이들 소자의 열화 정도를 측정함으로써 그에 따른 SMPS에 대한 잔존수명을 예측한다. 즉, 열화 정도가 높을수록 SMPS의 잔존수명은 점점 낮아진다.
다음으로, 사용수명(LS)은 SMPS가 작동(on)되어 사용된 시간을 지칭한다. 이러한 사용수명(LS)은 각 특정 회로 소자, 즉 스위칭 소자(31) 또는 전해 콘덴서가 사용된 시간을 의미할 수 있으며, 후술한 카운터(400) 등을 통해 도출될 수 있다.
다음으로, 기대수명(LE)은 SMPS가 정상 동작하면서 사용될 수 있는 총 시간을 지칭한다. 이러한 기대수명(LE)은 각 특정 회로 소자, 즉 스위칭 소자(31) 또는 전해 콘덴서가 정상 동작하면서 사용될 수 있는 총 시간을 의미할 수 있다. 특히, 기대수명(LE)은 사용된 각 특정 회로 소자의 사양에 따라 기 결정되어 저장부(미도시) 등에 기 저장되어 있을 수 있다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 이하의 각 특정 회로 소자의 특성 및 그에 따른 구체적인 잔존수명 예측 방법에서 후술하도록 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치의 각 구성을 보다 상세하게 살펴보도록 한다.
계측부(200)는 SMPS 회로부(100)의 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 구성이다. 즉, 계측부(200)는 특정 대상 소자의 열화 특성을 측정하기 위한 회로로 구성될 수 있다. 예를 들어, 계측부(200)는 저항 측정, 열 측정, 전류 측정, 전압 측정 등이 가능한 센서 또는 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연산부(300)는 계측부(200)에서 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 잔여수명 계산 알고리즘을 통해 SMPS 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 구성이다. 예를 들어, 연산부(300)는 프로세서 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 연산부(300)가 잔존수명을 추정하는 방법은 크게 2가지가 있을 수 있다.
먼저, 제1 방법으로서, 연산부(300)는 SMPS의 동작(on)에 대한 누적 사용수명(Ts)과, 계측부(200)에서 측정된 값에 의해 도출된 열화 정도(D)를 이용하여 그 잔존수명을 추정할 수 있다. 즉, 이 경우의 잔존수명(TR)은 Ts x (1 - D)이거나 이 수식에 비례한 값, 즉 TR = C(Ts x (1 - D)) 일 수 있다. 단, C는 기 실험으로부터 측정된 계수로서 상수 값을 갖는다.
예를 들어, SMPS가 동작(on)한 누적 사용시간(Ts)이 1,000시간이고 현재 계측부(200)로부터 측정된 열화 정도가 0.6 수준이라면, 잔존수명은 1,000(Ts) x [1 - 0.6(D)] = 400 시간이거나 그에 비례한 값일 수 있다. 이러한 제1 방법은 카운터(400) 등을 이용한 SMPS의 동작(on) 시간(Ton)이 반드시 측정되어야 한다.
다음으로, 제2 방법으로서, 연산부(300)는 특정 회로 소자의 설계 시 주어지는 기대수명(TE)과 계측부(200)에서 측정된 값에 의해 도출된 사용수명(Ts)의 차이(|LE-LS|)를 이용하여 그 잔존수명을 추정할 수 있다. 즉, 이 경우의 잔존수명은 |LE-LS|이거나 이 차이에 비례할 수 있다. 이러한 제2 방법은 제1 방법과 달리 카운터(400) 등을 이용한 SMPS의 동작(on) 시간(Ton)이 측정될 필요 없는 경우도 있다.
이하, 각 특정 회로 소자의 특성 및 그에 따른 구체적인 잔존수명 예측 방법에 대하여 설명하도록 한다.
<특정 회로 소자가 스위칭 소자인 경우>
도 4는 MOSFET의 구조를 나타내고, 도 5는 MOSFET의 접합부 온도(TJ)에 따라 변하는 RDS(on)에 대한 그래프를 나타내며, 도 6은 다양한 MOSFET의 사용 시간에 따라 변하는 RDS(on)에 대한 그래프를 나타낸다.
SMPS 회로부(100)의 컨버터(30)에 포함된 스위칭 소자(31)의 경우, 고효율 및 소형화를 위해 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor) 등의 반도체 소자로 이루어지는 것이 대부분이다.
도 4를 참조하면, MOSFET은 Gate 단자에 인가되는 전압(VGS)에 따라 소스(Source)와 드레인(Drain) 사이에 흐르는 전류(ID)를 결정한다. 즉, MOSFET은 게이트 전압(VGS)을 통해 전류(ID)의 스위칭 동작을 제어한다. 이때, RDS(ON)은 MOSFET이 온(ON)일 경우에 드레인-소스 사이의 총 저항(RDS(ON) = VDS / ID)으로서, 그 값이 낮을수록 좋다.
MOSFET이 스위칭 소자(31)로 동작할 경우, RDS(ON)은 0일때가 이상적이나, 그 물리적인 특성으로 인해 일정 이상의 값을 가지게 된다. 예를 들어, npn형의 MOSFET은 소스와 드레인 사이에 금속 및 N+ 반도체 영역을 포함하고 있어 어느 일정 값 이상의 RDS(ON)을 가지면서 누설 전류가 발생된다. 이때, 스위치 저항인 RDS(ON)의 값이 커질수록, 누설 전류가 커지며 MOSFET의 스위칭 동작 손실도 늘어나게 된다. 특히, RDS(ON)의 값이 일정 크기 이상으로 커지는 경우, RDS(ON)에 의해 발생되는 열이 증가하여 접합부(junction)의 최고 열적 용량 온도(Maximum Junction Temperature)의 초과로 MOSFET이 파괴될 수 있다.
도 5를 참조하면, RDS(ON)이 1.0에서 2.0로 2배 증가할 때, MOSFET의 접합부 온도(TJ)는 25℃에서 125℃이상으로 크게 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 RDS(ON)이 커지면 RDS(ON)을 통해 소비되는 전력(P = I2R)도 증가하게 되며, 이는 곧 MOSFET의 열 손실로 직결되면서 MOSFET의 온도가 증가한다. 한편, MOSFET의 온도가 증가하면 RDS(ON)도 증가하게 된다. 이러한 현상은 온도가 증가함에 따라 홀 및 전자의 유동성이 감소하면서 나타나는 현상으로서, 양(+)의 온도 계수라고도 지칭된다.
도 6을 참조하면, MOSFET의 열화 특성은 도 5에 도시된 RDS(ON)-접합부 온도(TJ)의 특성과 부합함을 알 수 있다. MOSFET은 그 사용 시간, 즉 사용수명(LS)이 길어질수록 열화 정도가 심해지면서 RDS(ON)이 증가한다.
즉, SMPS 회로부(100)의 컨버터(30)에 포함된 스위칭 소자(31)의 열화 정도를 측정하기 위해, 계측부(200)는 RDS(on)를 측정할 수 있다. 즉, SMPS의 사용 시간이 길어질수록 MOSFET의 열화 정도가 커지면서 계측부(200)에서 측정된 RDS(on)의 값도 커지게 되며, RDS(on)의 변화량은 다음 (식1)을 만족한다.
Figure pat00002
(식1)
단, (식1)에서, △RDS(on)은 RDS(on)의 변화량, α 및 β는 기 수행된 실험을 통해 획득된 계수(상수)를 각각 나타낸다.
이에 따라, 연산부(300)는 계측부(200)에서 측정된 RDS(on)의 값을 이용하여, 제1 방법 또는 제2 방법에 따른 잔존수명을 추정할 수 있다.
제1 방법의 경우, 연산부(300)는 초기 RDS(on) 값(RDS(on)f|)과 현재 RDS(on) 값(RDS(on)p)의 차이(|RDS(on)p-RDS(on)f|)인 △RDS(on)의 값을 이용하여 열화 정도(D)를 도출할 수 있다. 이때의 열화 정도(D)는 △RDS(on)이 커짐에 따라 커지며, △RDS(on)의 값에 비례할 수 있다. 이에 따라, △RDS(on)의 값이 클수록, 연산부(300)는 더 짧은 잔존수명을 추정하거나 해당 값에 반비례하는 잔존수명을 추정할 수 있다.
제1 방법에 따라 △RDS(on)의 값을 이용한 MOSFET의 열화 정도 또는 MOSFET의 잔존수명을 추정하기 위해 다양한 알고리즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 알고리즘으로는 가우스 공정회귀 프레임워크를 기반으로 하는 데이터 기반 알고리즘과, 베이시안 추정 프레임워크를 기반으로 하는 확장 칼만 필터 및 입자 필터 등의 모델 기반 알고리즘 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 방법의 경우, 연산부(300)는 △RDS(on)을 이용하여 사용수명(LS)의 값을 추정하는데, △RDS(on)이 커질수록 더 긴 사용수명(LS)의 값을 추정할 수 있다. 이후, 연산부(300)는 기 저장된 기대수명(LE)과 추정된 사용수명(LS)의 차이 값(|LE-LS|)을 이용하여 잔존수명(LR)을 추정할 수 있다. 이에 따라, 연산부(300)는 |LE-LS|의 값이 작을수록 더 긴 잔존수명을 추정하거나, |LE-LS|의 값에 비례하는 잔존수명을 추정할 수 있다. 이 경우, 카운터(400) 등을 이용한 SMPS의 동작(on) 시간(Ton)은 측정될 필요 없다.
다만, 기대수명(LE)은 SMPS에서 사용된 MOSFET의 각 종류에 대한 기 실험에 따라 기 결정되어 저장부(미도시) 등에 기 저장될 수 있다. 이에 따라, 기대수명(LE)은 MOSFET의 종류에 따라 다양한 값이 저장되어, 그 중에서 해당 MOSFET의 종류에 맞게 선택되어 사용될 수 있다.
<특정 회로 소자가 전해 콘덴서인 경우>
도 7은 전해 콘덴서에 대한 등가 회로(도 7(a))와, 등가 저항(Equivalent Series Resistance; ESR)의 열화 특성(도 7(b))과, 등가 커패시터(C)의 열화 특성(도 7(c))을 나타낸다
SMPS 회로부(100)의 출력용 평활 회로(52)에 포함된 전해 콘덴서는 사용 시간 경과에 따라 전해 물질이 증발하면서 열화가 발생한다. 이때, 전해 콘덴서는, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, C 및 ESR가 직렬 연결된 등가 회로로 나타낼 수 있다. 이에 따라, 특정 회로 소자가 전해 콘덴서인 경우, C 및 ESR을 그 구체적인 대상으로 하여 잔존수명을 추정할 수 있다.
-특정 회로 소자가 ESR인 경우-
도 7(b)를 참조하면, 전해 콘덴서는 그 사용 시간이 길어질수록 ESR의 값이 증가한다. 이에 따라, SMPS 회로부(100)의 출력용 평활 회로(52)에 포함된 전해 콘덴서의 열화 정도를 측정하기 위해, 계측부(200)는 전해 콘덴서의 ESR을 측정할 수 있다. 즉, SMPS의 사용 시간이 길어질수록 전해 콘덴서의 열화 정도가 커지면서 계측부(200)에서 측정된 ESR의 값도 커지게 된다.
이에 따라, 연산부(300)는 계측부(200)에서 측정된 ESR의 값을 이용하여, 제1 방법 또는 제2 방법에 따른 잔존수명을 추정할 수 있다.
제1 방법의 경우, 연산부(300)는 초기 ESR 값(ESRf)과 현재 ESR 값(ESRp)의 차이((ESRp-ESRf)인 변화량 △ESR의 값을 이용하여 열화 정도(D)를 도출할 수 있다. 이때의 열화 정도(D)는 △ESR이 커짐에 따라 커지며, △ESR의 값에 비례할 수 있다. 이에 따라, △ESR의 값이 클수록, 연산부(300)는 더 짧은 잔존수명을 추정하거나 해당 값에 반비례하는 잔존수명을 추정할 수 있다.
제1 방법에 따라 △ESR의 값을 이용한 전해 콘덴서의 열화 정도 또는 전해 콘덴서의 잔존수명을 추정하기 위해 다양한 알고리즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 알고리즘으로는 가우스 공정회귀 프레임워크를 기반으로 하는 데이터 기반 알고리즘과, 베이시안 추정 프레임워크를 기반으로 하는 확장 칼만 필터 및 입자 필터 등의 모델 기반 알고리즘 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 방법의 경우, 연산부(300)는 △ESR을 이용하여 사용수명(LS)의 값을 추정하는데, △ESR이 커질수록 더 긴 사용수명(LS)의 값을 추정할 수 있다. 이후, 연산부(300)는 기 저장된 기대수명(LE)과 추정된 사용수명(LS)의 차이 값(|LE-LS|)을 이용하여 잔존수명(LR)을 추정할 수 있다. 즉, 연산부(300)는 |LE-LS|의 값이 작을수록 더 긴 잔존수명을 추정하거나, |LE-LS|의 값에 비례하는 잔존수명을 추정할 수 있다. 이 경우, 카운터(400) 등을 이용한 SMPS의 동작(on) 시간(Ton)은 측정될 필요 없다.
다만, 기대수명(LE)은 SMPS에서 사용된 전해 콘덴서의 각 종류에 대한 기 실험에 따라 기 결정되어 저장부(미도시) 등에 기 저장될 수 있다. 이에 따라, 기대수명(LE)은 전해 콘덴서에 따라 다양한 값이 저장되어, 그 중에서 해당 전해 콘덴서의 종류에 맞게 선택되어 사용될 수 있다.
-특정 회로 소자가 C인 경우-
도 7(c)를 참조하면, 전해 콘덴서는 그 사용 시간이 길어질수록 C의 커패시턴스(capacitance) 값이 감소한다. 다만, C의 커패시턴스 값은 직접 측정하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 전해 콘덴서의 수명과 온도의 사이에는 Arrhenius 화학 반응 법칙이라는 관계를 따르는 것으로 알려져 있다. 이때, 전해 콘덴서의 온도는 직접 측정이 어려우므로, 전해 콘덴서의 주변 온도(t)를 측정함으로써 이를 대체할 수 있다. 즉, SMPS 회로부(100)의 출력용 평활 회로(52)에 포함된 전해 콘덴서의 열화 정도를 측정하기 위해, 계측부(200)는 전해 콘덴서의 주변 온도(t)를 측정할 수 있다. 이때, SMPS의 사용 시간이 길어질수록 전해 콘덴서의 열화 정도가 커지면서 계측부(200)에서 측정된 전해 콘덴서의 주변 온도(t)의 값도 커지게 된다.
이에 따라, 연산부(300)는 계측부(200)에서 측정된 t의 값을 이용하여 제2 방법에 따라 잔존수명을 추정하는데, 측정된 t의 값이 클수록 더 짧은 또는 t의 값에 반비례하는 잔존수명을 추정할 수 있다. 다만, 이 경우, 카운터(400) 등을 이용한 SMPS의 동작(on) 시간(Ton)은 측정되어야 한다.
구체적으로, Arrhenius 이론에 따른 가속 수명 평가 모델은 다음의 (식2)와 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00003
(식2)
단, (식2)에서, AF는 가속계수(상수), tu는 사용 환경 온도(Tu는 그에 대한 절대온도), tt는 시험 온도(Tt는 그에 대한 절대온도), Ea는 활성화 에너지(상수), k는 볼츠만 상수(8.617X10-5 eV/K)를 각각 나타낸다. 즉, AF는 SMPS에 사용된 전해 콘덴서를 가지고 기 수행한 가속 수명 실험을 통해 기 획득할 수 있다.
이어서, (식2)를 수명에 관한 수식으로 정리하면 다음의 (식3)과 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00004
(식3)
단, (식3)에서, Ln은 현재 기대수명, Tn은 현재 측정된 온도를 각각 나타낸다. 이때, 현재 측정된 온도(Tn)는 계측부(200)에서 측정된 주변 온도(t)로 대체될 수 있다. 다만, 현재 기대수명(Ln)은 현재 온도(Tn)에서의 기대수명을 의미하며, 계측부(200)에서 측정된 주변 온도(t)의 지수함수로 나타낼 수 있다. 다만, 현재 기대수명(Ln)은 그 자체가 사용수명(LS), 기대수명(LE) 또는 잔존수명을 의지하지는 않는다. 이에 따라, 현재 기대수명(Ln)을 가공하여 현재 사용수명(LN)을 추정한 후, 현재 사용수명(LN)을 이용하여 현재까지의 총 사용 시간인 사용수명(LS)를 추정할 필요가 있다.
이때, 현재 사용수명(LN)은 SMPS 또는 전해 콘덴서가 현재 온도(Tn)에서 사용된 시간, 즉 현재 온도(Tn)가 유지된 시간을 의미한다. 이에 따라, 현재 사용수명(Ln)은 현재 온도(Tn)에서 SMPS가 작동(on)된 시간(TON)과 가속계수(A) 사이의 곱(TON×A)을 이용해 도출될 수 있다. 즉, 현재 사용수명(Ln)은 TON×A의 값 자체이거나 그 값에 비례한 값일 수 있다. 이때, TON은 후술할 카운터(400)로부터 획득된 시간 데이터를 이용하여 연산부(300)가 도출할 수 있다.
다만, 가속계수(A)는 기 저장된 기대수명(LE)과 (식3)에 의해 도출된 현재 기대수명(Ln)의 비율(LE/Ln)의 값이거나 해당 비율에 비례한 값일 수 있다. 이에 따라, 사용수명(LS)은 각 현재 사용수명(Ln), 즉 초기부터 지금까지 각 온도(Tn)에서의 사용수명(LN)에 대한 누적분을 이용하여 도출될 수 있다. 이때, 누적분은 각 현재 사용수명(Ln)의 합에 비례한 값을 가질 수 있다.
예를 들어, SMPS가 작동한 초기부터 지금까지, 22℃에서 50초, 22.5℃에서 40초, 22.8℃에서 55초로 각각 유지된 경우, 연산부(300)는 (식3)을 이용하여, 22℃의 현재 기대수명(Ln1), 22.5℃의 현재 기대수명(Ln2), 22.8℃의 현재 기대수명(Ln3)을 각각 도출할 수 있다. 이후, 연산부(300)는 Ln1에 대한 가속계수(A1∝LE/Ln1), Ln2에 대한 가속계수(A2∝LE/Ln2), Ln2에 대한 가속계수(A3∝LE/Ln3)를 각각 도출한 후, 도출된 각 가속계수(A1, A2, A3)의 누적분을 이용하여 초기부터 현재까지의 총 사용수명(LS)을 추정할 수 있다.
이후, 연산부(300)는 기 저장된 기대수명(LE)과 추정된 총 사용수명(LS)의 차이 값(|LE-LS|)을 이용하여 잔존수명을 추정할 수 있다. 즉, 연산부(300)는 |LE-LS|의 값이 작을수록 더 긴 잔존수명을 추정하거나, |LE-LS|의 값에 비례하는 잔존수명을 추정할 수 있다.
다만, 기대수명(LE)은 SMPS에서 사용된 전해 콘덴서의 각 종류에 대한 기 실험에 따라 기 결정되어 저장부(미도시) 등에 기 저장될 수 있다. 이에 따라, 기대수명(LE)은 전해 콘덴서에 따라 다양한 값이 저장되어, 그 중에서 해당 전해 콘덴서의 종류에 맞게 선택되어 사용될 수 있다.
도 7(c)를 참조하면, 전해 콘덴서는 사용 시간이 늘어날수록 그 커패시턴스 손실률(Ck)은 하기의 (식4)에 따라 지수함수로 증가한다.
Figure pat00005
(식4)
단, (식4)에서 k는 특정 시점을, tk는 k 시점의 시간, α 및 β는 기 수행된 실험을 통해 획득된 계수(상수)를 각각 나타낸다.
즉, 전해 콘덴서는 사용 시간이 늘어날수록 그 커패시턴스의 값이 줄어들되, 일정 값까지 최소로 줄어들면 더 이상 정상 동작을 하지 않는다. 이때의 해당 커패시턴스의 값을 가용 최소 용량(Cm)이라 지칭할 수 있다.
이러한 내용을 고려하면, 기대수명(LE)은 전해 콘덴서의 사용 시간 별 커패시턴스 손실률(Ck)과, 전해 콘덴서의 가용 최소 용량(Cm)을 이용하여 도출될 수 있다. 즉, SMPS에 사용된 전해 콘덴서의 초기 커패시턴스의 값(Cf)과 가용 최소 용량(Cm)의 비 (Cf/Cm)는 해당 전해 콘덴서에 허용된 최대 커패시턴스 손실률(CkM)에 비례한다. 다만, Cf 및 Cm은 사용된 전해 콘덴서에 대해 기 실험된 기본 사양으로 제공될 수 있다.
이에 따라, 최대 커패시턴스 손실률(CkM)을 (식4)에 대입함으로써 획득되는 시간의 값을 기대수명(LE)으로 설정하거나 그 시간의 값에 비례한 값을 기대수명(LE)으로 설정할 수 있다. 이러한 기대수명(LE)의 값은 상술한 특정 회로 소자가 MOSFET 또는 ESR인 경우에도 적용될 수 있으며, 특히 ESR인 경우에 적용될 수 있다.
이상의 구성으로부터, 본 발명은 SMPS의 잔존수명 예측에 적합한 기준을 제시한다. 즉, 본 발명은 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하여 그 측정 값을 이용해 잔존수명을 예측하는데, 이때의 특정 회로 소자가 SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자이거나, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서이다. 이에 따라, 본 발명은 스위칭 소자가 온(on)인 경우에 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이의 저항(RDS(on))을 측정하거나, 전해 콘덴서의 등가저항(ESR) 또는 주변 온도(t)를 측정하는데, 이러한 측정은 전압, 전류 또는 전력을 측정하는 경우보다 측정 방법이 용이할 수 있다. 즉, 측정이 용이한 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태에 대한 측정의 값을 이용하므로, 본 발명은 보다 간편하면서도 정확하게 SMPS 전체의 잔존수명 예측이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명은 SMPS의 갑작스런 전원 공급 중단으로 인한 사고 예방이 가능하며, 사용자로 하여금 특정 회로 소자에 대한 사전 부품 교체 시기를 결정할 수 있게 함으로써 SMPS의 사용수명을 늘리는데 기여할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치에 추가 가능한 구성에 대하여 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원공급장치는 계측부(200) 및 연산부(300) 외에, 카운터(400), 표시부(500), 통신부(600) 및 저장부(미도시) 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 이들 추가 구성은 연산부(300) 또는 별도로 마련된 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
카운터(400)는 SMPS가 작동(on)되는 시간에 대한 데이터를 생성한다. 예를 들어, 카운터(400)는 SMPS에 의한 전원이 공급되면 시간 카운트 값을 누적하기 시작하고 SMPS에 의한 전원 공급이 차단되면 자동으로 시간 카운트를 중지하며 그 동안 누적된 시간 카운트 값을 저장하여 연산부(300)로 전달할 수 있다. 이후, 카운터(400)는 다시 전원 공급이 재개되면 저장된 시간 카운트 값을 불러 들여와 계속해서 시간 카운트 값을 누적할 수 있다. 다만, 카운터(400)의 동작은 상술한 내용에 의해 한정되는 것은 아니다.
연산부(300)는 카운터(400)로부터 시간 데이터를 획득하여 현재 온도(Tn)에서의 SMPS의 작동(on) 시간(TON)을 도출할 수 있다. 예를 들어, 연산부(300)는 이전 온도(Tn-1)의 시간 데이터와 현재 온도(Tn)의 시간 데이터의 차이 값을 TON의 값으로 도출할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 카운터(400)는 TON을 직접 측정하여 연산부(300)에 전달할 수도 있다.
한편, 시간 데이터는 타 장치, 타 서버 또는 타 시스템으로부터 통신부(600)를 통해 수신될 수 있다. 이 경우, 연산부(300)는 수신된 시간 데이터를 이용하여 TON을 도출할 수 있으며, 카운터(400)는 생략될 수 있다.
표시부(500)는 다양한 정보를 출력하는 구성이다. 예를 들어, 표시부(500)는 연산부(300)에 의해 도출 또는 추정되는 다양한 정보를 출력할 수 있으며, 특히 기대수명(LE), 사용수명(LS) 및 잔존수명을 출력할 수 있다. 또한, 잔존수명이 일정 이하로 줄어든 경우에 이에 대한 경고 정보를 출력할 수 있다. 다만, 해당 경고 정보는 연산부(300)에 의해 생성될 수 있다.
예를 들어, 표시부(500)는 비발광형 패널 또는 발광형 패널로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 발광형 패널은 발광 다이오드 디스플레이 패널(light emitting diode display panel), 유기전계발광 디스플레이 패널(organic electroluminescence display panel, 또는 OLED[organic light emitting diode] panel), 백라이트형 액정 디스플레이 패널(backlight liquid crystal display panel) 및 양자점 디스플레이 패널(quantum dot display panel) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 비발광형 패널은 액정 디스플레이 패널(liquid crystal display panel), 전기영동 디스플레이 패널(electrophoretic display panel), 콜레스테릭 액정 디스플레이 패널(cholesteric liquid crystal display panel), 마이크로전기기계 시스템 디스프레이 패널(micro-electromechanical system display panel), 일렉트로웨팅 디스플레이 패널(electrowetting display panel) 및 전자유체 디스플레이 패널 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
통신부(600)는 타 장치, 타 서버 또는 타 시스템 등과 통신하는 구성이다. 예를 들어, 통신부(600)는 기대수명(LE) 등과 같은 정보를 타 장치, 타 서버 또는 타 시스템 등으로부터 수신할 수 있다. 또한, 통신부(600)는 연산부(300)에 의해 도출 또는 추정되는 다양한 정보 등을, 특히 기대수명(LE), 사용수명(LS) 및 잔존수명을 타 장치, 타 서버 또는 타 시스템 등에 전송할 수 있다. 또한, 통신부(600)는 잔존수명이 일정 이하로 줄어든 경우에 이에 대한 경고 정보를 타 장치, 타 서버 또는 타 시스템 등에 전송할 수 있다.
통신부(600)는 다양한 통신 방식의 유/무선 통신 모듈을 포함할 수 있다.
예를 들어, 유선 통신 모듈은 LANs(Local Area Networks) 모듈, WANs(Wide Area Networks) 모듈, MANs(Metropolitan Area Networks) 모듈 및 ISDNs(Integrated Service Digital Networks) 모듈 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 무선 통신 모듈은 와이파이(WiFi) 통신 모듈, 블루투스 통신 모듈, NFC(Near Field Communication) 통신 모듈, BAN(Body Area Network) 통신 모듈, 지그비(ZigBee) 통신 모듈, 사물 인터넷 통신 모듈(LoRaWAN, SigFox, W-MBUS, Wi-SUN 등), 기타 근거리 통신 모듈 및 이동 통신 모듈(4G, 5G 등) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
저장부(미도시)는 각종 정보를 저장하는 구성이다. 이때, 저장되는 정보는 연산부(300)에 의해 도출 또는 추정되는 다양한 정보 등을 포함할 수 있으며, 통신부(600)를 통해 타 장치, 타 서버 또는 타 시스템으로부터 전송되어 저장되거나 입력부(미도시)를 통해 입력된 것일 수 있다.
예를 들어, 저장부는 그 유형에 따라 하드디스크 타입(hard disk type), 마그네틱 매체 타입(Sagnetic media type), CD-ROM(compact disc read only memory), 광기록 매체 타입(Optical Media type), 자기-광 매체 타입(Sagneto-optical media type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Sultimedia card micro type), 플래시 메모리 타입(flash memory type), 롬 타입(read only memory type) 및 램 타입(random access memory type) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 저장부는 그 용도/위치에 따라 캐시(cache), 버퍼, 주기억장치, 또는 보조기억장치이거나 별도로 마련된 저장 시스템일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 방법의 순서도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 방법은 SMPS에 대한 잔존수명을 예측하는 방법으로서, 도 1 내지 도 7에 따라 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치에 의해 수행될 수 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 방법은 S10 및 S20을 포함하며, 추가적으로 S30을 더 포함할 수 있다.
S10은 측정 단계로서, SMPS의 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 단계이다. 즉, S10은 계측부(200)에 의해 수행될 수 있으며, 상술한 계측부(200) 등에 대한 내용을 포함할 수 있다.
S20은 추정 단계로서, 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 SMPS 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 단계이다. 즉, S20은 연산부(300)에 의해 수행될 수 있으며, 상술한 연산부(300) 등에 대한 내용을 포함할 수 있다.
S30은 알림 단계로서, S20에서 추정된 다양한 정보를 표시부(500) 또는 통신부(600) 등을 통해 알리는 단계이다. 특히, S30은 잔존수명이 일정 이하인 경우에 이에 대한 경고 정보를 표시부(500) 또는 통신부(600) 등을 통해 알리는 단계를 포함할 수 있다. 즉, S30은 연산부(300)에 의해 수행될 수 있으며, 상술한 연산부(300), 표시부(500), 통신부(600)에 대한 내용을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 방법은 도 1 내지 도 7에 따라 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 잔존수명 예측 장치의 내용을 포함한다. 다만, 이에 대한 설명은 이미 기재되었으므로 이하 생략하도록 한다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 노이즈 필터 20: 입력 정류 평활 회로
21: 입력용 정류 회로 22: 입력용 평활 회로
30: 컨버터 31: 스위칭 소자
40: 제어 회로 50: 출력 정류 평활 회로
51: 출력용 정류 회로 52: 출력용 평활 회로
53: 출력 콘덴서 100: SMPS 회로부
200: 계측부 300: 연산부
400: 카운터 500: 표시부
600: 통신부

Claims (12)

  1. 스위칭 모드 방식의 전원공급장치(switching mode power supply; SMPS)에 대한 잔존수명을 예측하는 장치로서,
    SMPS의 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 계측부; 및
    계측부에서 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 SMPS 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 연산부;를 포함하며,
    상기 특정 회로 소자는,
    SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자와, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특정 회로 소자가 상기 스위칭 소자인 경우,
    상기 계측부는 상기 스위칭 소자가 온(on)인 경우에 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이의 저항(RDS(on))을 측정하는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특정 회로 소자가 상기 전해 콘덴서인 경우,
    상기 계측부는 상기 전해 콘덴서의 등가저항(ESR) 또는 주변 온도(t)를 측정하는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 계측부의 측정 값을 이용하여 상기 특정 회로 소자의 열화 정도를 추정함으로써 상기 잔존수명을 추정하는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 잔존수명(TR)은 하기 (식)을 이용하여 도출되는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
    (식)
    TR = C(Ts x (1 - D))
    (단, TS는 시간 데이터로부터 도출된 사용수명, C는 계수, D는 열화 정도)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 특정 회로 소자가 스위칭 소자인 경우,
    상기 D는 스위칭 소자가 온(on)인 때에 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이의 저항(RDS(on)) 값이 가지는 초기 값과 현재 값의 차이에 비례한 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 특정 회로 소자가 전해 콘덴서인 경우,
    상기 D는 전해 콘덴서의 등가저항(ESR) 값이 가지는 초기 값과 현재 값의 차이에 비례한 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 계측부의 측정 값을 이용하여 사용수명(LS)을 추정하되 측정 값이 초기 측정 값과 비교하여 커질수록 더 긴 사용수명(LS)을 추정하고, 기 저장된 기대수명(LE)과 추정된 사용수명(LS)의 차이(|LE-LS|)를 이용하여 그 차이가 작을수록 더 짧은 잔존수명을 추정하는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기대수명(L-E)은 전해 콘덴서의 사용 시간 별 커패시턴스 손실률과, 전해 콘덴서의 가용 최소 용량을 이용하여 도출되는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 연산부가 t의 값을 이용하여 사용수명(LS)을 추정하는 경우,
    상기 사용수명(LS)은 현재 온도(Tn)에서의 SMPS 작동 시간(TON)과 가속계수(A) 사이의 곱(TON×A)을 이용해 도출된 현재 사용수명(Ln)에 대한 누적분을 이용하여 도출되며,
    상기 가속계수(A)는 기대수명(LE)과 하기 (식)을 이용하여 도출된 현재 기대수명(Ln)과 비율(LE/Ln)을 이용해 도출되는 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 장치.
    (식)
    Figure pat00006

    (단, Ea는 활성화 에너지, k는 볼츠만 상수, Tn은 현재 온도)
  11. 스위칭 모드 방식의 전원공급장치(switching mode power supply; SMPS)에 대한 잔존수명을 예측하는 방법으로서,
    SMPS의 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 단계; 및
    측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 SMPS 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 단계;를 포함하며,
    상기 특정 회로 소자는 SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자와, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 잔존수명 예측 방법.
  12. 스위칭 모드 방식의 전원공급(switching mode power supply; SMPS)을 수행하면서 자신의 잔존수명을 추정하는 전원공급장치로서,
    SMPS를 수행하는 SMPS 회로부;
    SMPS 회로부 중에서 특정 회로 소자의 상태 또는 그 주변 상태를 측정하는 계측부; 및
    계측부에서 측정된 특정 회로 소자 또는 그 주변 상태에 대한 데이터를 이용하여 전원공급장치 전체에 대한 잔존수명을 추정하는 연산부;를 포함하며,
    상기 특정 회로 소자는 SMPS의 컨버터에 포함된 스위칭 소자와, SMPS의 출력용 평활 회로에 포함된 전해 콘덴서 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112182981A (zh) * 2020-10-26 2021-01-05 易事特集团(河南)有限公司 电解电容寿命预测方法、装置、设备及存储介质
EP4170364A1 (en) * 2021-10-22 2023-04-26 General Electric Renovables España S.L. Power converters
EP4198528A1 (en) * 2021-12-17 2023-06-21 Eaton Intelligent Power Limited Estimation of life of switching devices

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