KR20210069396A - 전압 모니터링 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 모니터링 회로는, 전원으로부터 입력되는 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑(clamping)하여 MCU로 출력하는 클램핑부, 및 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 전원으로부터의 입력 전원을 차단하는 스위치부를 포함한다.

Description

전압 모니터링 회로{Voltage monitoring circuit}
본 발명은 전압 모니터링 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전압 모니터링에 이용되는 기준 전압에 이상이 발생한 경우, 모니터링하던 입력 전원을 차단하는 전압 모니터링 회로에 관한 발명이다.
자동차는 자동차에 장착되는 배터리 전원을 이용하여 자동차의 모터를 동작시킬 뿐만 아니라 통신 드라이버, 센서, 다양한 컨트롤러에 필요로 하는 안정적인 전압을 공급할 필요가 있다.
자동차의 종류 등 예를 들어 소형차, 대형차에 따라 배터리가 출력하는 전압은 상이할 수 있고, 배터리 전원의 사용에 따라 배터리가 출력하는 전압은 계속 변할 수 있다. 하지만, 배터리가 출력하는 전압의 크기와 무관하게 자동차 내 각 장치에서 필요로 하는 안정적인 전압을 공급할 필요가 있다.
이때, 배터리가 실제 출력하는 전압이 어느 정도인지를 감지하고 모니터링하는 전압 모니터링 회로가 이용된다. 이때, 배터리가 실제 출력하는 전압이 기설정된 범위안에 있지 않거나 배터리 전압을 모니터링하는 회로가 정상적으로 동작히지 않는 경우, 전압 모니터링 회로에 연결되는 다른 부품에 오동작이 발생하는 것을 방지할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전압 모니터링에 이용되는 기준 전압에 이상이 발생한 경우, 모니터링하던 입력 전원을 차단하는 전압 모니터링 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 모니터링 회로는, 전원으로부터 입력되는 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑(clamping)하여 MCU로 출력하는 클램핑부; 및 상기 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 전원으로부터의 입력 전원을 차단하는 스위치부를 포함한다.
또한, 상기 클램핑부는, 전압 공급부로부터 소정의 전압 크기를 갖는 기준 전압을 수신할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 전원으로부터의 입력 전원을 차단하여, 상기 전압 공급부로의 전원 인가를 차단할 수 있다.
또한, 상기 클램핑부 앞단에 연결되어 상기 입력 전원의 전압을 분배하는 전압 분배부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 클램핑부 앞단에 연결되어 상기 입력 전원을 필터링하는 저역통과필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 트랜지스터 또는 MOSFET으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전원은 배터리 전원일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 모니터링 회로는, 배터리 전원을 입력받는 제1 전원입력부 및 제2 전원입력부; 상기 제1 전원입력부에 연결되는 제1 스위치부, 및 상기 제2 전원입력부에 연결되는 제2 스위치부; 및 상기 제1 전원입력부와 상기 제1 스위치부를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑하는 제1 클램핑부, 및 상기 제2 전원입력부와 상기 제2 스위치부를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑하는 제2 클램핑부를 포함하고, 상기 제1 스위치부는, 상기 제1 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 제1 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단하고, 상기 제2 스위치부는, 상기 제2 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 제2 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 클램핑부 및 상기 제2 클램핑부는, 전압 공급부로부터 소정의 전압 크기를 갖는 기준 전압을 별도의 연결라인을 통해 수신할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치부는 트랜지스터로 구성되고, 상기 제2 스위치부는 MOSFET으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치부는 MOSFET으로 구성되고, 상기 제2 스위치부는 트랜지스터로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 클램핑부에서 클램핑된 전압과 상기 제2 클램핑부에서 클램핑된 전압을 비교하여 상기 제1 클램핑부의 기준 전압 또는 상기 제2 클램핑부의 기준 전압의 이상 발생여부를 판단하고, 상기 제1 클램핑부의 기준 전압 또는 상기 제2 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생한 경우, 상기 기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부와 연결된 상기 제1 스위치부 또는 상기 제2 스위치부를 오프 시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 클램핑부 및 상기 제2 클램핑부는, 상기 클램핑된 전압을 MCU로 출력할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 모니터링 회로는, 배터리 전원을 입력받는 복수의 전원입력부; 상기 복수의 전원입력부 각각에 연결되는 복수의 스위치부; 및 상기 복수의 스위치부 각각에 연결되고, 상기 전원입력부와 상기 스위치부를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑하는 복수의 클램핑부를 포함하고, 상기 스위치부는, 서로 다른 종류의 스위치로 구성되고, 상기 복수의 전원입력부 중 기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부와 연결된 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, PMIC의 클램핑 기준 전압에 이상이 발생한 겨우, PMIC와 연결된 타 부품에 전원을 차단하여 오작동을 방지할 수 있다. 또한, 스위치를 다른 소자로 구현함으로써 동시에 고장날 수 있는 종속 고장에 대한 가능성을 저감할 수 있다. PMIC 클램핑 기준 전압을 별도의 라인으로 수신함으로써 하나가 고장났을 때, 배터리 전압 비교를 통해 안전 매커니즘을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 모니터링 회로의 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 모니터링 회로의 블록도이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전압 모니터링 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 모니터링 회로(110)는 클램핑부(111) 및 스위치부(112)로 구성되고, 전압 분배부(113), 저역 통과필터(114)를 더 포함할 수 있다.
클램핑부(111)는 전원(120)으로부터 입력되는 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑한다.
보다 구체적으로, 클램핑부(111)는 전원(120)으로 입력되는 입력 전원의 전압 크기를 기준 전압으로 클램핑한다. 여기서, 클램핑(clamping)이란 입력 신호를 어떤 직류 레벨로 고정시키는 것으로, 전원(120)으로부터 입력되는 입력 전원의 전압의 크기가 기준 전압보다 큰 경우, 입력 전원의 전압의 크기를 기준 전압으로 제한한다.
클램핑부(111)에 입력되는 입력 전원은 배터리 전원(120)일 수 있다. 배터리 전원(120)은 전압이 일정하지 않기 때문에, 배터리 전원에 대한 모니터링이 필요하다. 이를 위하여, 배터리 전원(120)의 전압 크기를 모니터링 하는 전압 모니터링 회로(110)가 필요하다. 배터리 전원(120)은 하나의 예시로 든 것으로, 배터리 전원(120) 이외에도 다양한 전원(120)의 전압 크기를 측정할 수 있음은 당연하다. 이하, 배터리 전원(120)으로부터 입력 전원을 입력받는 것을 기준으로 설명하도록 한다.
클램핑부(111)는 상기 클램핑된 전압을 MCU(140)로 출력할 수 있다. 클램핑부(111)에서 기준 전압으로 클램핑된 전압은 이를 모니터링하는 MCU(140)로 출력할 수 있다. MCU (Micro Controller Unit, 140)는 마이크로 컨트롤러로, 클램핑부(111)로부터 클램핑된 전압을 수신하여 전원(120)의 전압을 모니터링한다. MCU(140)의 ADC 모듈은 0 내지 5 V 전압을 수신하여 배터리 전압을 산출할 수 있다. 이와 같이, 모니터링 되는 배터리 전압을 통해 ECU(Electronic Control Unit, 전자제어부)는 고장을 감지하여 기능안전 매터니즘을 구현할 수 있다.
클램핑부(111)는 전원(120)으로부터 입력되어 MCU(140)로 전달되는 입력 전원의 크기를 기준 전압으로 제한한다. 이는 기준 전압보다 큰 전압이 MCU(140)로 입력되는 경우, 해당 전압을 감지하는 MCU 내 회로나 ADC 모듈 등이 파손될 가능성이 있기 때문이다. 따라서, 파손될 가능성으로부터 회로나 모듈을 보호하기 위하여, 클램핑부(111)는 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑한다. 클램핑부(111)는 보호회로로서의 기능을 수행한다.
클램핑부(111)는 전압 공급부(130)로부터 소정의 전압 크기를 갖는 기준 전압을 수신할 수 있다. 입력 전원의 전압을 클램핑하기 위해선 기준 전압이 필요하다. 기준 전압을 기준으로 기준 전압보다 큰 전압을 가진 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 낮출 수 있다. 기준 전압은 클램핑하고자 하는 전압에 따라 달라질 수 있다. 안전성이나, 장치의 스펙에 따라 클램핑하고자 하는 전압이 달라질 수 있다. 예를 들어, 기준 전압은 5 V 일 수 있다.
전압 공급부(130)는 클램핑부(111)에서 입력 전원의 전압을 클램핑하기 위한 기준 전압을 공급한다. 전압 공급부(130)는 PMIC(Power Management Integrated Circuit, 전력관리칩)를 포함할 수 있다. 상기 기준 전압은 전압 공급부(130)에서 다른 부품에 공급하는 전압일 수 있다. 즉, 다른 부품에 제공되는 전압을 클램핑을 위한 기준 전압으로 공급할 수 있다.
스위치부(112)는 상기 클램핑부(111)의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 전원(120)으로부터의 입력 전원을 차단한다.
보다 구체적으로, 스위치부(112)는 클램핑부(111)의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 입력 전원이 입력되지 않도록 입력 전원을 차단한다. 앞서 설명한 바와 같이, 클램핑부(111)의 기준 전압은 전압 공급부(130)에서 공급받을 수 있고, 전압 공급부(130)로부터 기준 전압을 공급받는 연결라인 또는 전압 공급부(130)에 이상이 고장 등의 이상이 발생하는 경우, 클램핑부(111)는 전압 공급부(130)로부터 기준 전압을 안정적으로 공급받기 어려워진다. 기준 전압을 안정적으로 공급받지 못하는 경우, 입력 전원의 전압에 대한 클램핑에도 이상이 발생할 수 있다. 이에 따라 전압 모니터링 회로가 정상적으로 동작하지 않아 오작동이 발생할 수 있다. 전압 모니터링 회로 또는 전압 모니터링 회로와 연결된 다른 회로나 장치들이 오작동하는 것을 방지하기 위하여, 기준 전압에 이상이 발생하면 스위치부(112)는 전원(120)으로부터 입력 전원을 차단한다. 입력 전원을 차단함으로써 클램핑되지 않는 입력 전원으로부터 발생할 수 있는 오작동을 방지할 수 있다.
스위치부(112)는 전원(120)으로부터의 입력 전원을 차단하여, 전압 공급부(130)로의 전원 인가를 차단할 수 있다. 클램핑부(111)는 전압 공급부(130)로부터 기준 전압을 공급받는 상황에서 기준 전압에 이상이 발생하여 정상적으로 기준 전압을 공급받지 못하는 경우, 클램핑부(111)가 입력받은 입력 전원이 클램핑부(111)를 통해 전압 공급부(130) 측에 영향을 미칠 수 있다. 전압 공급부(130)는 클램핑부(111)에 기준 전압을 공급할 뿐만 아니라 다른 부품에서 기준 전압에 해당하는 전압을 공급할 수 있다. 전압 공급부(130)가 PMIC를 포함하는 경우, CAN 통신을 수행하는 CAN IC, 센서 등 다른 부품에 전압을 공급할 수 있는데, 전압 공급부(130)가 정상적으로 전압을 공급하지 못하는 경우, 클램핑부(111)를 통해 입력 전원이 전압 공급부(130) 측으로 인가되어, 전압 공급부(130)에 연결된 다른 부품들에 영향을 미칠 수 있다. 입력 전원의 전압이 전압 공급부(130)가 공급하던 전압보다 큰 경우, 다른 부품에 과전압이 인가되어 고장이 발생할 수 있다. 입력 전원이 배터리 전원일 경우, 배터리 전원은 일정한 전압이 아닌 전압 값이 흔들릴 수 있고, 그에 따라 입력 전원의 전압 값이 흔들리는 경우, 다른 부품에도 영향을 미치게 된다. 해당 부품이 통신 등을 수행하는 부품인 경우, 통신에 오류가 발생할 수 있어, 안전에 큰 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, CAN IC에 영향을 미치는 경우, 정상적인 CAN 통신이 수행되지 못하게 될 수 있다. CAN 통신은 자동차 등에 이용되는 통신 방식으로, 0 V 또는 5 V에 따라 0 또는 1의 값을 나타낸다. 1을 나타내는 5 V를 전송하기 위해 전압 공급부(130)로부터 5 V를 공급받던 상황에서 전압 공급부(130)가 아닌 입력 전원에 의해 5 V가 아닌 다른 전압 또는 전압 값이 흔들리는 전압을 입력받는 경우, 해당 전압이 1이 아닌 0으로 판단될 수 있어, 정상적인 통신이 어려워질 수 있다. 또한, 압력 센서 또는 온도 센서 등에 전압 공급부(130)에 공급하던 5 V의 전압에 이상이 발생하는 경우, 정확한 센싱이 어려워지고, 센싱 정보에 따른 다른 동작들이 오작동할 수 있다.
상기와 같은 다른 부품의 오작동 등을 방지하기 위하여, 기준 전압에 이상이발생한 경우, 스위치부(112)는 전원(120)으로부터의 입력 전원을 차단한다.
전압 분배부(113)는 클램핑부(111) 앞단에 연결되어 상기 입력 전원의 전압을 분배할 수 있다. 전압 분배부(113)는 입력 전압을 분배하여 일정 전압이 출력되도록 할 수 있다. 저역 통과필터(114)는 클램핑부(111) 앞단에 연결되어 상기 입력 전원을 필터링할 수 있다. 저역 통과필터(114)는 입력 전원의 노이즈를 제거하여 안정적인 전압이 출력되도록 할 수 있다. 전압 분배부(113) 및 저역 통과필터(114)는 순서대로 클램핑부(111) 앞단에 연결될 수 있고, 입력 전원을 클램핑부(111) 전달함에 있어서, 안정적인 전압 전달을 위한 역할을 할 수 있다.
스위치부(112)는 트랜지스터 또는 MOSFET으로 구성될 수 있다.
트랜지스터(Transistor)는 게르마늄(Ge), 규소(Si) 등의 반도체를 이용하여 전자 신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭하는데 이용되는 반도체소자로, 컬렉터(collector), 이미터(Emitter), 및 Base(베이스)로 구성된다. 각 구성을 형성하는 반도체의 특성에 따라 NPN 또는 PNP 트랜지스터로 구분된다. 이미터와 베이스 간에 순방향 전압이 가해지면 컬렉터에서 전류가 흐르게 되고, 이러한 동작원리를 이용하여 스위치로 이용할 수 있다.
MOSFET은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터로 소스(Source), 드레인(Drain), 및 게이트(Gate)로 구성된다. 사용하는 반도체소자의 특성에 따라 NMOS 또는 PMOS로 구분된다. 게이트에 전압이 가해지면 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되고, 형성된 채널을 통해 전류가 흐르게 되고, 이러한 동작원리를 이용하여 스위치로 이용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 모니터링 회로(110)는 스위치부 및 클램핑부로 형성되는 입력 전원의 이동 경로가 복수로 구성될 수 있다. 도 3과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 모니터링 회로(110)는 제1 전원입력부, 제2 전원입력부(미도시), 제1 스위치부(310), 제2 스위치부(320), 제1 클램핑부(320), 제2 클램핑부(340)로 구성될 수 있다. 도 3의 전압 모니터링 회로에 대한 상세한 설명 중 도 1의 전압 모니터링 회로에 대한 상세한 설명에 대응되는 설명은 간략히만 설명하도록 한다.
제1 전원입력부 및 제2 전원입력부는 배터리 전원을 입력받는다.
보다 구체적으로, 전압을 모니터링하고자 하는 배터리 전원(120)을 제1 전원입력부 및 제2 전원입력부가 각각 입력받을 수 있다. 배터리 전원(120)을 두 개의 전원입력부가 입력받아 MCU(140)로 전달함으로써 하나의 전달경로에 이상이 발생하더라도 다른 전달경로를 통해 배터리 전원(120)의 전압을 MCU(140)에 전달하여 안정적인 전압 모니터링이 가능하도록 할 수 있다. 제1 스위치부(310)는 제1 전원입력부에 연결되고, 제2 스위치부(320)는 제2 전원입력부에 연결된다.
제1 클램핑부(320)는 상기 제1 전원입력부와 상기 제1 스위치부(310)를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑하고, 제2 클램핑부(340)는 상기 제2 전원입력부와 상기 제2 스위치부(320)를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑한다. 제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340)는 각각 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑한다. 제1 클램핑부(320)의 기준 전압 및 제2 클램핑부(340)의 기준 전압은 동일한 전압 값을 가질 수 있다. 또는 제1 클램핑부(320)의 기준 전압 및 제2 클램핑부(340)의 기준 전압은 서로 다른 전압 값을 가질 수도 있다.
제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340)는 전압 공급부(130)로부터 소정의 전압 크기를 갖는 기준 전압을 별도의 연결라인을 통해 수신할 수 있다. 제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340)는 하나의 전압 공급부(130)로부터 기준 전압을 공급받을 수 있다. 전압 공급부(130)가 복수의 출력라인을 포함하는 경우, 제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340)는 서로 다른 출력라인에 별도의 연결라인을 통해 기준 전압을 수신할 수 있다. 제1 클램핑부(320)의 전압 공급부(130)와의 연결라인 또는 제2 클램핑부(340)의 전압 공급부(130)와의 연결라인 중 어느 하나에 이상이 발생하는 경우, 이상이 발생하지 않은 연결라인은 정상적으로 동작시켜 배터리 전원(120)의 전압 모니터링을 안정적으로 동작시킬 수 있다. 제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340)는 하나의 전압 공급부(130)가 아닌 복수의 전압 공급부(130)로부터 각각 기준 전압을 수신할 수도 있다.
제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340)는 기준 전압을 이용하여 각 입력 전원을 클램핑하고, 클램핑된 전압을 MCU(140)로 출력할 수 있다. MCU(140)는 제1 클램핑부(320)로부터 전달받은 전압 또는 제2 클램핑부(340)로부터 전달받은 전압을 통해 배터리 전원(120)의 전압을 알 수 있다.
제1 스위치부(310)는 상기 제1 클램핑부(320)의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 제1 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단하고, 제2 스위치부(320)는 상기 제2 클램핑부(340)의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 제2 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단한다. 제1 스위치부(310) 및 제2 스위치부(320) 각각 연결된 제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생한 경우, 기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부에 연결된 전원 입력부의 입력 전원을 차단한다.
제1 스위치부(310) 또는 제2 스위치부(320)를 동작시킴에 있어서, 제1 클램핑부(320)에서 클램핑된 전압과 상기 제2 클램핑부(340)에서 클램핑된 전압을 비교하여 상기 제1 클램핑부(320)의 기준 전압 또는 상기 제2 클램핑부(340)의 기준 전압의 이상 발생여부를 판단하고, 상기 제1 클램핑부(320)의 기준 전압 또는 상기 제2 클램핑부(340)의 기준 전압에 이상이 발생한 경우, 상기 기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부와 연결된 상기 제1 스위치부(310) 또는 상기 제2 스위치부(320)를 오프 시킬 수 있다. 이와 같이, 기준 전압의 이상 여부는 제1 클램핑부(320)에서 클램핑된 전압과 상기 제2 클램핑부(340)에서 클램핑된 전압을 비교하여 판단할 수 있다. 제1 클램핑부(320)에서 클램핑된 전압과 상기 제2 클램핑부(340)에서 클램핑된 전압의 비교는 MCU(140)에서 수행되거나 별도의 처리부 내지 제어부에서 수행될 수 있다.
제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340)에서 각각 클램핑된 전압은 전압 모니터링 회로가 정상 동작하는 경우, 동일한 전압 값을 가지게 된다. 하지만, 제1 클램핑부(320)에서 클램핑된 전압과 제2 클램핑부(340)에서 클램핑 전압이 서로 다른 전압을 가지게 되는 경우, 전압 모니터링 회로에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 두 전압 중 하나의 전압이 갑자기 작아지거나 커지는 경우, 해당 전압을 클램핑한 클램핑부, 전압 공급부, 또는 전압 공급부와 연결 라인에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 또는, 두 전압이 모두 기준 전압 이상으로 커지는 경우, 전압 모니터링 회로의 두 경로 모두에 이상이 발생한 것으로 판단할 수도 있다.
제1 클램핑부(320) 및 제2 클램핑부(340) 중 적어도 어느 하나에 이상이 발생한 것으로 판단되는 경우, 이상이 발생한 것으로 판단되는 클램핑부(111)와 연결된 스위치부를 오프시켜 입력 전원을 차단할 수 있다. 두 클램핑부(111) 모두에 이상이 발견된 경우, 모든 스위부를 오프시켜 입력 전원을 차단할 수 있다.
제1 스위치부(310)와 제2 스위치부(320)는 서로 다른 소자로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치부(310)는 트랜지스터로 구성되고, 제2 스위치부(320)는 MOSFET으로 구성되거나, 제1 스위치부(310)는 MOSFET으로 구성되고, 제2 스위치부(320)는 트랜지스터로 구성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 두 경로를 형성하는 회로를 이용하는 것은 하나의 회로에 이상이 발생한 경우, 다른 회로를 통해 정상 동작하기 위한 것으로, 스위치부에 대해서도 하나의 스위치부에 이상이 발생한 경우, 다른 스위치부는 정상 동작시키고자 함이다. 이때, 이형 소자를 이용함으로써 종속고장을 방지할 수 있다. 제1 스위치부(310)와 제2 스위치부(320)를 서로 다른 소자로 구성하는 경우, 고장이 발생할 확률이 서로 달라지고, 따라서, 하나의 소자에 고장이 발생하더라고 다른 소자에 동일한 고장이 발생할 확률을 줄일 수 있다. 이를 위하여, 제1 스위치부(310) 및 제2 스위치부(320)는 트랜지스터 및 MOSFET 중 서로 다른 소자로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 전압 모니터링 회로는 복수의 전원입력부, 복수의 스위치부, 복수의 클램핑부를 포함할 수 있다. 각 전원입력부, 스위치부, 클램핑부로 구성되는 전압 모니터링 경로를 복수로 형성하고, 각 스위치부(112)는 서로 다른 종류의 스위치로 구성되며, 상기 복수의 전원입력부 중 기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부와 연결된 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단할 수 있다. 이때, 전원입력부, 스위치부, 클램핑부는 각각 3 개 이상으로 구성될 수 있다.
도 4는 배터리 전압을 모니터링 하는 회로의 블록도로 두 개의 경로를 통해 안정성을 높여 배터리 전압을 모니터링하는 경우이다. 도 4의 전압 모니터링 회로는 스위치, 전압분배부, 저역통과필터(Low-Pass Filter), 클램핑부(Clamping)로 형성되는 전압 모니터링 경로가 두 개의 경로로 구성된다. 배터리 전압(120)은 각각 스위치_A(310), 전압분배부(410), 저역통과필터(420), 클램핑부(320)를 거쳐 마이크로 컨트롤러(140)로 인가되는 경로 및 스위치_B(330), 전압분배부(430), 저역통과필터(440), 클램핑부(340)를 거쳐 마이크로 컨트롤러(140)로 인가되는 경로로 분리되어 전달된다. 두 개의 클램핑부(320, 340)는 PMIC(130)로부터 서로 다른 연결라인을 통해 기준 전압인 5 V를 공급받는다. PMIC(140)에는 클램핑부(320, 340) 뿐만 아니라 CAN IC(350), 센서(360) 등이 연결되어 있다.
전압 모니터링 회로가 정상 동작하는 상황에서는 각 클램핑부(320, 340)는 PMIC(130)로부터 각각 5 V_A(450) 및 5 V_B(460)를 정상적으로 공급받으며, 각 스위치부(310, 330)도 정상적으로 온 되어 배터리 전압(120)이 각 클램핑부(320, 340)에 정상적으로 전달(470, 480)되도록 한다.
하지만, 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 오작동을 방지하기 위해 스위치부가 동작한다. 도 5는 PMIC(130)에서 클램핑부(320)에 기준 전압을 인가하는 연결 라인에 이상이 발생한 경우에서의 전압 모니터링 회로의 동작을 설명하는 도면이다. 이때, PMIC(130)에서 클램핑부(340)에 기준 전압을 인가하는 연결 라인은 이상이 발생하지 않은 것으로 가정한다. PMIC(130)에서 클램핑부(320)로 기준 전압 5 V_A 를 인가하는 연결라인(510)에 이상이 발생한 경우, 배터리 전압은 클램핑부(111)를 통해 마이크로 컨트롤러(140)가 아닌 PMIC(130) 측으로 인가(530)될 수 있고, 그에 따라 해당 연결라인(510)에 연결되어 있는 다른 부품들에 영향을 미쳐 오작동을 일으킬 수 있다. 따라서, 연결라인(510)에 이상이 발생한 경우, 해당 연결라인(510)의 이상을 판단하여 연결되어 있는 스위치부(310)를 오프시켜 배터리 전압의 입력을 차단한다. 이와 같이, 배터리 전압의 입력을 차단함으로써 클램핑부(320)에 전달되는 배터리 전압이 존재하지 않고, 따라서, 클램핑부(320)에서 PMIC(130) 측으로 인가되는 전압을 차단(530)할 수 있다. 이를 통해, 해당 연결라인(510)에 연결된 다른 부품들의 오작동을 방지할 수 있다.
기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부(320)에 연결된 스위치_A(310)가 오프되어 배터리 전압의 입력을 차단하는 것과 달리, 기준 전압에 이상이 발생하지 않은 클램핑부(330)에 연결된 스위치_B(330)는 정상적으로 온을 유지하여 배터리 전압의 입력이 차단되지 않는다. PMIC(130)로부터 클램핑부(340)에 정상적으로 5 V_B가 인가되어, 클램핑부(340)에서 배터리 전압을 정상적으로 클램핑하고, 클램핑된 전압은 마이크로 컨트롤러(140)로 인가된다. 마이크로 컨트롤러(140)는 클램핑부(340)를 통해 수신되는 아날로그 신호_B를 이용하여 배터리 전압을 모니터링할 수 있고, 아날로그 신호_A와의 비교를 통해 기능안전 메커니즘을 구현할 수 있다. 이를 통해 배터리 전압의 정상범위 검출을 90% 정도까지 높일 수 있다.
도 4 및 도 5의 전압 모니터링 회로와 달리 도 6과 같이 스위치부를 포함하지 않고, PMIC로부터 하나의 연결라인(63)을 통해 각 클램핑부(32, 34)에 기준 전압을 공급하는 경우, 오작동을 방지하기 어려울 수 있다. 도 6의 전압 모니터링 회로는 도 7과 같이 구현될 수 있다. 클램핑부는 도 7과 같이, 다이오드로 구현될 수 있다.
도 6 및 도 7에 따른 전압 모니터링 회로는 배터리 전압(12)을 전압분배부(41), 저역통과필터(42), 및 클램핑부(32)로 이루어지는 경로 및 전압분배부(43), 저역통과필터(44), 및 클램핑부(34)로 이루어지는 경로를 통해 마이크로 컨트롤러(14)에 인가할 수 있다. 정상적으로 동작하는 경우, PMIC에서 5 V(13)를 각 클램핑부에 정상적으로 인가(61, 62)할 수 있다. 하지만, PMIC 측에 이상이 발생하는 경우, 배터리 전압이 클램핑부(32, 33)를 통해 PMIC 측으로 인가되고, 그에 따라 PMIC에 연결된 CAN IC 또는 센서 등 다른 부품에 영향을 미쳐(64) 오작동을 일으킬 수 있다. 또한, PMIC에서 하나의 연결라인으로만 기준 전압을 받기 때문에, 전압 모니터링 회로가 동시에 동작하지 않기 때문에, 기능안전 메커니즘 커버리지가 낮다. 이경우, 배터리 전압의 정상범위 검출이 60% 정도 밖에 안될 수 있다.
상기와 같이, 오작동을 방지하기 위하여, 전압 모니터링 회로에 포함되는 스위치는 서로 다른 소자로 구성될 수 있고, 각각 트랜지스터 및 MOSFET 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 도 8은 제1 스위치부(310)는 트랜지스터로 구성되고, 제2 스위치부(320)는 MOSFET으로 구성되는 실시예에 대한 블록도이다.
제1 스위치부(310)는 트랜지스터로 구성되되, PNP 트랜지스터로 구성될 수 있다. 복수의 PNP 트랜지스터, 전류제한저항, 및 전압분배저항을 포함할 수 있다. 배터리 전압(120)을 클램핑부로 전달하는 라인에 트랜지스터(812)를 연결할 수 있다. 이때, 이미터는 배터리 전압(120)과 연결되고, 컬렉터는 클램핑부 측에 연결되며, 베이스는 전압공급부 측에 연결될 수 있다. 여기서 전압 공급부는 PMIC 일 수 있다. 베이스에 인가되는 PMIC 측 전압에 따라 컬렉터로 전류가 흐르게 되는데, 기준 전압에 해당하는 PMIC 측 전압에 이상이 발생하여 베이스에 전압이 인가되지 않으면, 컬렉터에 전류가 흐르지 않아 배터리 전압의 입력이 차단된다. 이를 통해 전압 모니터링 회로 또는 연결된 다른 부품들의 오동작을 방지할 수 있다. PMIC에서 스위칭 동작을 수행하는 트랜지스터(812)를 연결하는 회로는 PMIC 전압을 분배하기 위한 두 개의 전압분배저항(831, 816)을 포함하고, 전압분배된 PMIC 전압의 입력 여부에 따라 트랜지스터(812)의 베이스에 0 V를 인가할 수 있는 트랜지스터(811)를 더 포함하고, 전류의 비정상적 흐름을 방지하기 위한 전류제한저항(814, 815)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 안정적인 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
제2 스위치부(320)는 종속고장을 방지하기 위하여, 제1 스위치부(310)와 달리 MOSFET으로 구성될 수 있다. P-MOSFET, N-MOSFET, 복수의 전압분배저항을 포함할 수 있다. 배터리 전압(120)을 클램핑부로 전달하는 라인에 PMOS(822)를 연결할 수 있다. 이때, 소스는 배터리 전압(120)과 연결되고, 드레인는 클램핑부 측에 연결되며, 게이트는 PMIC 측에 연결될 수 있다. 게이트에 인가되는 PMIC 측 전압에 따라 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되는데, 기준 전압에 해당하는 PMIC 측 전압에 이상이 발생하여 베이스에 전압이 인가되지 않으면, 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되지 않아 배터리 전압의 입력이 차단된다. 이를 통해 전압 모니터링 회로 또는 연결된 다른 부품들의 오동작을 방지할 수 있다. PMIC에서 스위칭 동작을 수행하는 트랜지스터(822)를 연결하는 회로는 PMIC 전압을 분배하기 위한 두 개의 전압분배저항(823, 826)을 포함하고, 전압분배된 PMIC 전압의 입력 여부에 따라 PMOS(822)의 베이스에 0 V를 인가할 수 있는 NMOS(821)를 더 포함하고, NMOS(821)d의 드레인에 걸리는 전압을 분배하여 PMOS(822)의 게이트에 인가하는 복수의 전압분배저항(824, 825)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 안정적인 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
상기와 같이, 동작하는 전압 모니터링 회로는 도 9의 배터리 전원을 이용하여 모터를 구동시키기 위한 LCU 내부에 이용될 수 있다. 두 개의 LCU(920, 970)를 이용하여 배터리 전원(910)을 듀얼 모터(930)에 인가하는데, 각 LCU는 커넥터(911)를 통해 배터리 전원(910), CAN 통신(940), 토크 센서 전원(950)을 송수신한다. 배터리 전원(910)은 EMI 필터(912)를 통해 전원 공급 장치(914), 신호 측정(913), shutdown 제어(918)로 인가된다. shutdown 제어(918)로 인가된 전원은 3상 인버터(919) 및 Phase 스위치(921)를 통해 모터 구동 전원1으로써 듀얼 모터(930)에 인가된다. 신호 특정 장치(913)로 인가된 배터리 전원은 전압 모니터링 회로(960)를 통해 마이크로 컨트롤러(915)로 인가된다. 전압 모니터링 회로(960)는 스위치부(961) 및 클램핑부(962)로 구성되고, 도 4와 같은 회로로 구현될 수 있다. 전원 공급 장치로 인가된 배터리 전원은 신호 측정 장치(913)에 클램핑 기준 전압으로써 인가되고, 트래시버 전원으로써 차량 CAN 인터페이스(916) 및 토크 센서 인터페이스(915)로 인가되어 커넥터(911)를 통해 CAN 통신(940) 및 토크 센서 전원(950)으로 송신된다. LCU(970)는 LUC(920)과 동일한 구성을 가지며, 서로 내부 CAN 인터페이스(922)를 통해 CAN 통신을 수행할 수 있다. LCU(970)의 신호 측정 장치에도 전압 모니터링 회로(960)가 대응되어 포함될 수 있다.
도 10은 도 6 및 도 7의 전압 모니터링 회로에서의 측정되는 전압 및 전류의 파형을 나타낸 것으로, 도 10(A)는 배터리 전압의 ADC 신호이고, 도 10(B)는 클램핑부에서 PMIC로 흐르는 전류이고, 도 10(C)는 PMIC에서 공급되는 클램핑 기준 전압이다.
도 10(C)에서와 같이, 클램핑 기준 전압이 안정적인 5 V가 인가되는 경우, 도 10(A)와 같이 배터리 전원이 인가되면 정상적으로 동작하는 것을 알 수 있다. 하지만, 클램핑 기준 전압에 이상이 발생하여 O V로 떨어지면 도 10(B)와 같이, 배티러 전압 측정용 아날로그 전위가 높아 클램핑 회로에서 PMIC 전원으로 전류가 흐르게 된다. 배터리 전압이 PMIC 측으로 인가됨으로 인해 배터리 전압의 ADC 신호가 도 10(A)와 같이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 시간 축인 가로 축 상 1001 구간에서는 배터리 전원 투입 후 정상적인 ADC 공급이 가능하나, 클램핑 회로에 이상이 발생하면, 1002 구간에서의 도 10(A)와 같이 배터리 전압 ADC는 비정상이 되고, PMIC의 전원이 오프되면 도 10(B)와 같이, 클램핑 다이오드를 통해 타 부품에 전원이 공급되어 오작동을 일으킬 수 있다.
도 11은 두 개의 스위치 A, B를 포함하는 도 4 및 도 5의 전압 모니터링 회로에서의 측정되는 전압 및 전류의 파형을 도시한 것이다. 도 11(A) 내지 (C)는 스위치 A 측에 대한 파형으로, 각각 배터리 전압 ADC 신호, 클램핑부에서 PMIC로 흐르는 전류, PMIC에서 공급되는 클램핑 기준 전압을 나타낸다. 도 11(D) 내지 (F)는 스위치 B 측에 대한 파형으로 각각 배터리 전압 ADC 신호, 클램핑부에서 PMIC로 흐르는 전류, PMIC에서 공급되는 클램핑 기준 전압을 나타낸다. 시간 축인 가로 축 상 1101 구간에서는 배터리 전원 투입 후 정상적인 ADC 공급이 가능하고, 클램핑 회로에 이상이 발생하는 1102 구간에서 스위치 A,B의 동작에 따라 도 11(A), (C)와 같이, 배터리 전원 ADC는 0 V가 되고, 도 11(B), (E)와 같이, 클램핑 회로에서 PMIC로 흐르는 전류도 0 A가 되는 것을 알 수 있다. 클램핑 회로에서 PMIC로 흐르는 전류는 차단되기 때문에, 타 부품에 전원이 공급되지 않고 오작동을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 전압 모니터링 회로
111: 클램핑부
112: 스위치부
113: 전압 분배부
114: 저역통과필터
120: (배터리) 전원
130: 전압 공급부
140: MCU(마이크로 컨트롤러)
310: 제1 스위치부
320: 제1 클램핑부
330: 제2 스위치부
340: 제2 클램핑부

Claims (14)

  1. 전원으로부터 입력되는 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑(clamping)하여 MCU로 출력하는 클램핑부; 및
    상기 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 전원으로부터의 입력 전원을 차단하는 스위치부를 포함하는 전압 모니터링 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클램핑부는,
    전압 공급부로부터 소정의 전압 크기를 갖는 기준 전압을 수신하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 전원으로부터의 입력 전원을 차단하여, 상기 전압 공급부로의 전원 인가를 차단하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클램핑부 앞단에 연결되어 상기 입력 전원의 전압을 분배하는 전압 분배부를 더 포함하는 전압 모니터링 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 클램핑부 앞단에 연결되어 상기 입력 전원을 필터링하는 저역통과필터를 더 포함하는 전압 모니터링 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    트랜지스터 또는 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원은 배터리 전원인 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  8. 배터리 전원을 입력받는 제1 전원입력부 및 제2 전원입력부;
    상기 제1 전원입력부에 연결되는 제1 스위치부, 및 상기 제2 전원입력부에 연결되는 제2 스위치부; 및
    상기 제1 전원입력부와 상기 제1 스위치부를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑하는 제1 클램핑부, 및 상기 제2 전원입력부와 상기 제2 스위치부를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑하는 제2 클램핑부를 포함하고,
    상기 제1 스위치부는,
    상기 제1 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 제1 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단하고,
    상기 제2 스위치부는,
    상기 제2 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생하는 경우, 상기 제2 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 클램핑부 및 상기 제2 클램핑부는,
    전압 공급부로부터 소정의 전압 크기를 갖는 기준 전압을 별도의 연결라인을 통해 수신하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 스위치부는 트랜지스터로 구성되고, 상기 제2 스위치부는 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 스위치부는 MOSFET으로 구성되고, 상기 제2 스위치부는 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 클램핑부에서 클램핑된 전압과 상기 제2 클램핑부에서 클램핑된 전압을 비교하여 상기 제1 클램핑부의 기준 전압 또는 상기 제2 클램핑부의 기준 전압의 이상 발생여부를 판단하고,
    상기 제1 클램핑부의 기준 전압 또는 상기 제2 클램핑부의 기준 전압에 이상이 발생한 경우, 상기 기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부와 연결된 상기 제1 스위치부 또는 상기 제2 스위치부를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 클램핑부 및 상기 제2 클램핑부는,
    상기 클램핑된 전압을 MCU로 출력하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.
  14. 배터리 전원을 입력받는 복수의 전원입력부;
    상기 복수의 전원입력부 각각에 연결되는 복수의 스위치부; 및
    상기 복수의 스위치부 각각에 연결되고, 상기 전원입력부와 상기 스위치부를 통해 입력받은 입력 전원의 전압을 기준 전압으로 클램핑하는 복수의 클램핑부를 포함하고,
    상기 스위치부는,
    서로 다른 종류의 스위치로 구성되고, 상기 복수의 전원입력부 중 기준 전압에 이상이 발생한 클램핑부와 연결된 전원입력부로부터의 입력 전원을 차단하는 것을 특징으로 하는 전압 모니터링 회로.

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WO2023080560A1 (ko) * 2021-11-04 2023-05-11 주식회사 엘지에너지솔루션 전압 판단 회로

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