KR20210070591A - Short circuit protection for power switch - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 강인한 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것이다.The present invention relates to a short-circuit protection circuit for a power switch, and more particularly, to a short-circuit protection circuit for a power switch that is robust against switching noise or external system noise.
일반적으로 전력소자는 전력의 변환이나 제어를 수행하는 반도체 소자로서, 정류 다이오드, 전력 트랜지스터, 트라이액(triac) 등이 산업, 정보, 통신, 교통, 전력, 가정 등 각 분야에 다양하게 사용되고 있다.In general, a power device is a semiconductor device that converts or controls power, and a rectifier diode, a power transistor, a triac, etc. are used in various fields such as industry, information, communication, transportation, power, and home.
전력소자로는 대표적으로 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), 전력 집적회로(IC) 등이 있으며, 이중에서 특히 고속 스위칭이 가능하고, 구동회로의 손실이 적은 MOSFET 소자가 주목받고 있다. 상기 MOSFET 소자의 종류로는 대표적으로 실리콘(Si) 기반의 MOSFET 소자와 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET 소자 등이 있다.Typical power devices include metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), insulated gate bipolar transistors (IGBTs), Bipolar Junction Transistors (BJTs), and power integrated circuits (ICs). MOSFET devices with low loss to the furnace are attracting attention. Examples of the MOSFET device include a silicon (Si)-based MOSFET device and a silicon carbide (SiC)-based MOSFET device.
이러한 MOSFET 소자가 다양한 애플리케이션에 응용되기 위해서는 반드시 소자의 안정성이 확보되어야 한다. 이를 위해, MOSFET 소자를 안전하게 보호하기 위한 단락보호회로가 필요하다.In order for these MOSFET devices to be applied to various applications, device stability must be secured. To this end, a short-circuit protection circuit is required to safely protect the MOSFET device.
도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET 스위치의 단락보호회로를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 단락보호회로(10)는 다이오드(D1)와 커패시터(C1)로 구성된 탈포화(desaturation) 회로를 이용하여 전력 스위치(20)의 드레인 전류량을 간접적으로 센싱한다. 전력 스위치(20)가 포화(saturation) 상태를 벗어나는 경우, 단락보호회로(10)의 다이오드(D1)가 오프(off) 상태가 되고, 커패시터(C1)가 충전되어 SR 래치의 출력이 로우 레벨(low level) 상태가 된다. 이러한 로우 레벨 상태의 SR 래치 출력이 NAND 게이트(30)로 입력되면, NAND 게이트(30)는 PWM 신호에 상관없이 하이 레벨(high level) 신호를 게이트 구동회로(40)로 출력한다. 이에 따라, 상기 게이트 구동회로(40)는 전력 스위치(20)의 동작을 강제로 턴 오프(turn off) 시킴으로써 해당 스위치(20)를 보호하게 된다.1 is a view showing a short circuit protection circuit of a MOSFET switch according to the prior art. As shown in FIG. 1 , the conventional short
이처럼, 종래의 일반적인 단락보호회로(10)는 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 모니터링하여 단락 상태를 검출하는 탈포화 검출 방법을 이용하여 해당 전력 스위치를 보호하게 된다. 하지만, 기존의 탈포화 검출 방법은 스위칭 노이즈(switching noise) 또는 외부 시스템 노이즈 등에 의해 야기되는 전력 스위치의 오 동작이 발생할 확률이 높아서 안정적인 시스템을 구현하기 어려운 문제가 있다.As such, the conventional short
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 강인한 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to solve the above and other problems. Another object of the present invention is to provide a short circuit protection circuit for a power switch that is strong against switching noise or external system noise.
또 다른 목적은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 일정 시간 동안 단락 상태가 유지되는지를 감지하고, 상기 단락 상태가 일정 시간 동안 유지되지 않는 경우 단락보호동작을 초기화하여 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 야기되는 불안정 동작을 방지할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.Another object is to detect whether a short-circuit condition is maintained for a certain period of time when a desaturation state is detected, and when the short-circuit state is not maintained for a certain period of time, initiate a short-circuit protection operation to prevent the occurrence of damage caused by switching noise or external system noise. An object of the present invention is to provide a short circuit protection circuit for a power switch capable of preventing unstable operation caused.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 스위치의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱하여 상기 전력 스위치가 포화(saturation) 상태를 벗어나는지를 검출하는 탈포화 검출부; 상기 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 상기 전력 스위치를 턴 오프(turn off)시키기 위한 게이트 구동전류를 제어하는 구동전류 제어부; 상기 탈포화 상태 검출 시, 상기 탈포화 검출부로부터 수신되는 제어신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 상기 구동전류 제어부로 출력하는 지연 회로부; 및 상기 탈포화 상태 검출 시, 상기 미리 결정된 시간(τ) 동안 단락 상태가 유지되지 않는 경우, 상기 탈포화 검출부 및 지연 회로부의 동작을 초기화하는 노이즈 검출부를 포함하는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공한다.According to an aspect of the present invention in order to achieve the above or other object, the voltage (V DS ) between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the power switch is sensed so that the power switch leaves the saturation state. Desaturation detection unit for detecting the fat; a driving current controller configured to control a gate driving current for turning off the power switch when the desaturation state of the power switch is detected; a delay circuit unit for delaying the control signal received from the desaturation detection unit for a predetermined time τ when the desaturation state is detected and then outputting it to the driving current control unit; and a noise detection unit that initializes operations of the desaturation detection unit and the delay circuit unit when the short circuit state is not maintained for the predetermined time τ when the desaturation state is detected. .
좀 더 바람직하게는, 상기 탈포화 검출부는 SR 래치, 커패시터 및 히스테리시스 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 히스테리시스 비교기는 상기 커패시터의 충전 전압(VDESAT)이 미리 결정된 제1 기준 전압(VThH)보다 더 커지는 경우 하이 레벨 신호를 출력하고, 상기 커패시터의 충전 전압(VDESAT)이 미리 결정된 제2 기준 전압(VThL)보다 작아지는 경우 로우 레벨 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the desaturation detection unit is characterized in that it comprises an SR latch, a capacitor and a hysteresis comparator. In addition, the hysteresis comparator is determined output a high level signal if no greater than the terminal voltage the first reference voltage (V ThH) (V DESAT) is determined in advance of the capacitor, and the charging voltage (V DESAT) of the capacitor is pre claim 2 It is characterized in that a low-level signal is output when it becomes smaller than the reference voltage V ThL.
좀 더 바람직하게는, 상기 노이즈 검출부는 인버터, AND 게이트 및 OR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 노이즈 검출부는 미리 결정된 시간(τ) 동안 단락 상태가 유지되지 않는 경우, 리셋 신호를 생성하여 SR 래치 및 지연 회로부로 출력하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the noise detector includes an inverter, an AND gate, and an OR gate. In addition, when the short-circuit state is not maintained for a predetermined time τ, the noise detector generates a reset signal and outputs the reset signal to the SR latch and delay circuit unit.
본 발명의 실시 예들에 따른 전력 스위치용 단락보호회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다. The effect of the short-circuit protection circuit for a power switch according to embodiments of the present invention will be described as follows.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 전력 스위치의 탈포화 상태 검출 시, 일정 시간 동안 단락 상태가 유지되는지를 감지하고, 상기 단락 상태가 일정 시간 동안 유지되지 않는 경우 단락보호동작을 초기화함으로써, 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 야기되는 전력 스위치의 오 동작을 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, when the desaturation state of the power switch is detected, by detecting whether the short-circuit state is maintained for a predetermined time, and initializing the short-circuit protection operation when the short-circuit state is not maintained for a predetermined time, There is an advantage in that it is possible to effectively prevent a malfunction of the power switch caused by switching noise or external system noise.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 전력 스위치용 단락보호회로가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be achieved by the short-circuit protection circuit for power switches according to the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are in the technical field to which the present invention belongs from the description below. It will be clearly understood by those of ordinary skill in the art.
도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET 스위치의 단락보호회로를 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 구성 블록도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 상세 구성을 나타내는 도면;
도 6은 도 4의 탈포화 검출부에 적용 가능한 히스테리시스 비교기의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 노이즈 신호가 발생한 경우, 단락보호회로에서의 동작 파형을 예시하는 도면;
도 8은 단락 신호가 발생한 경우, 단락보호회로에서의 동작 파형을 예시하는 도면.1 is a view showing a short circuit protection circuit of a MOSFET switch according to the prior art;
2 is a diagram showing the configuration of a power switch system according to an embodiment of the present invention;
3 is a block diagram of a short circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention;
4 is a view showing a detailed configuration of a short-circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a diagram referenced to explain the operation of a hysteresis comparator applicable to the desaturation detection unit of FIG. 4 ;
Fig. 7 is a diagram illustrating an operation waveform in a short-circuit protection circuit when a noise signal is generated;
Fig. 8 is a diagram illustrating an operation waveform in a short-circuit protection circuit when a short-circuit signal is generated;
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "part" for the components used in the following description are given or mixed in consideration of only the ease of writing the specification, and do not have a meaning or role distinct from each other by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in the present specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical spirit disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.
본 발명은 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 강인한 전력 스위치용 단락보호회로를 제안한다. 또한, 본 발명은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 일정 시간 동안 단락 상태가 유지되는지를 감지하고, 상기 단락 상태가 일정 시간 동안 유지되지 않을 경우 단락보호동작을 초기화하여 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 야기되는 불안정 동작을 방지할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제안한다.The present invention proposes a short circuit protection circuit for a power switch that is robust against switching noise or external system noise. In addition, the present invention detects whether a short-circuit state is maintained for a predetermined time when the desaturation state is detected, and when the short-circuit state is not maintained for a predetermined period of time, initiates a short-circuit protection operation to protect against switching noise or external system noise. We propose a short-circuit protection circuit for power switch that can prevent unstable operation caused by
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a configuration of a power switch system according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템(100)은 전력 스위치(110)와 상기 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 전력 스위치 제어장치를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전력 스위치 제어장치는 PWM 제어부(120), 게이트 구동회로(130) 및 단락보호회로(140)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 구성요소들은 전력 스위치 시스템(100)을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 전력 스위치 시스템은 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.Referring to FIG. 2 , the
전력 스위치(110)는 일종의 반도체 전력소자로서, 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 이루어진 전력용 MOSFET을 포함한다. 상기 전력용 MOSFET(110)은 고속성과 고전압 및 대 전류 구동에 강한 성질을 가지고 있다.The
전력용 MOSFET(110)에는 드레인(D)-소스(S) 간을 N형 반도체로 만드는 N 채널형 MOSFET과 드레인(D)-소스(S) 간을 P형 반도체로 만드는 P 채널형 MOSFET의 2 종류가 있다. 또한, 전력용 MOSFET(110)에는 실리콘(Si) 기반의 MOSFET, 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET, 질화 갈륨(GaN) 기반의 MOSFET 등이 있다.The
전력 스위치(110)로 N형 트랜지스터(NMOS)를 이용한 경우에는 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 온(turn on)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 오프(turn off)된다. 반대로, 전력 스위치(110)로 P형 트랜지스터(PMOS)를 이용한 경우에는 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 온(turn on)되고, 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 오프(turn off)된다.When an N-type transistor (NMOS) is used as the
PWM 제어부(120)는, 컨트롤러(미도시)의 제어신호에 기초하여, 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스폭 제어신호(VPWM)를 생성할 수 있다. 상기 PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호는 펄스 폭에 따라 전력 스위치(110)의 턴 온 시간을 제어하여 전류량을 조절하는 신호이다. The PWM control unit 120 may generate a pulse width control signal V PWM for controlling the switching operation of the
PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호의 로직 레벨은 일반적으로 컨트롤러의 출력 레벨과 같다. 따라서, PWM 제어부(120)는 컨트롤러의 출력 레벨과 같은 저 전압(가령, 3V 내지 5V)의 펄스폭 제어신호를 출력할 수 있다. PWM 제어부(120)에서 저 전압 신호(가령, 3V의 제어신호)를 출력하는 경우, 게이트 구동회로(130)는 저 전압 신호를 전력 스위치(110)의 구동을 위한 고 전압 신호(가령, 20V 이상)로 승압하기 위한 레벨 시프터(level shifter)를 포함할 수 있다. The logic level of the pulse width control signal output from the
한편, 다른 실시 예로, PWM 제어부(120)는 게이트 구동회로(130)의 전압과 같은 고 전압(가령, 20V 이상)의 펄스폭 제어신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 상기 레벨 시프터(level shifter)는 게이트 구동회로(130)에 설치될 필요가 없다.Meanwhile, in another embodiment, the
게이트 구동회로(130)는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 구동하기 위한 구동전압(VGS) 및 구동전류(IG)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 게이트 구동회로(130)는 PWM 제어부(120)로부터 입력된 펄스폭 제어신호가 하이 레벨일 때 구동전압(VGS)을 증가시키고, PWM 제어부(120)로부터 입력된 펄스폭 제어신호가 로우 레벨일 때 구동전압(VGS)을 감소시킬 수 있다.The
게이트 구동회로(130)는 데드 타임 생성부(미도시), 제1 구동회로(미도시) 및 제2 구동회로(미도시) 등을 포함할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임 생성부는 게이트 구동회로(130)에 반드시 필요한 구성요소는 아니며 선택적으로 채용될 수 있다.The
데드 타임 생성부는 전력 스위치(110)를 턴 온하기 위한 하이 레벨 신호와 전력 스위치(110)를 턴 오프하기 위한 로우 레벨 신호가 동시에 온(on)되는 현상을 방지하기 위한 데드 타임(dead time)을 설정하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임은 200ns 내지 300ns로 설정될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The dead time generator generates a dead time for preventing a phenomenon in which a high level signal for turning on the
제1 구동회로는, PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)에 기초하여, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작을 구동하기 위한 게이트 구동전류(이하, 설명의 편의상, '소스 전류(source current)'라 칭함)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 구동회로는 레벨 시프터(level shifter), 프리 드라이버(pre-driver) 및 P형 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.The first driving circuit, based on the pulse width control signal (V PWM ) output from the
제2 구동회로는, PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)에 기초하여, 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 구동하기 위한 게이트 구동전류(이하, 설명의 편의상, '싱크 전류(sink current)'라 칭함)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 구동회로는 레벨 시프터, 프리 드라이버 및 N형 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.The second driving circuit, based on the pulse width control signal (V PWM ) output from the
한편, 제1 및 제2 구동회로에 각각 설치된 레벨 시프터 및 프리 드라이버는, 게이트 구동회로(130)의 사용 목적 및 설계 사양 등에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.Meanwhile, the level shifter and the predriver respectively installed in the first and second driving circuits may be configured to be omitted depending on the purpose of use and design specifications of the
단락보호회로(140)는, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작 시, 탈포화(desaturation) 상태를 감지하여 해당 스위치(110)의 동작을 강제로 턴 오프시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 상기 단락보호회로(140)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(D) 단 간의 전압(VDS)을 센싱하여 해당 스위치(110)가 포화 상태를 벗어나는지를 검출할 수 있다.The short-
단락보호회로(140)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 제너 다이오드(Zener Diode)를 이용한 게이트 구동전압 제어를 통해 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다. 또한, 단락보호회로(140)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 미리 결정된 시간이 경과한 다음 게이트 구동전류(즉, 싱크 전류, Isink) 제어를 통해 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다.The short
단락보호회로(140)는, 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 미리 결정된 시간 동안 단락 상태가 유지되는지를 감지하고, 상기 단락 상태가 미리 결정된 시간 동안 유지되지 않는 경우 단락보호동작을 초기화하여 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 야기되는 전력 스위치의 불안정한 동작을 미연에 방지할 수 있다.The short-
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 스위치 시스템(100)은, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, 게이트 구동전압 및 구동전류의 제어가 가능한 단락보호회로를 이용하여 해당 스위치의 동작을 안전하게 턴 오프시킬 수 있다. 또한, 상기 전력 스위치 시스템(100)은, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, 노이즈 검출이 가능한 단락보호회로를 이용하여 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 야기되는 전력 스위치의 불안정한 동작을 미연에 방지할 수 있다.As described above, in the
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 구성 블록도이다.3 is a block diagram of a short circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로(140, 200)는 탈포화 검출부(210), 노이즈 검출부(220), 게이트 전압 제어부(230), 지연 회로부(240) 및 구동전류 제어부(250)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 구성요소들은 단락보호회로(200)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 단락보호회로는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.Referring to FIG. 3 , the short
탈포화 검출부(210)는, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작 시, 해당 스위치(110)가 탈포화(desaturation) 상태로 진입하는지 여부를 검출할 수 있다. 이를 위해, 상기 탈포화 검출부(210)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결되어, 해당 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱할 수 있다. 그리고, 탈포화 검출부(210)는 상기 센싱된 전압(VDS)을 기반으로 전력 스위치(110)가 포화(saturation) 상태를 벗어나는지 여부를 실시간으로 감지할 수 있다.The
탈포화 검출부(210)는, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 감지 시, 해당 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 제어신호를 게이트 전압 제어부(230) 및 지연 회로부(240)로 출력할 수 있다.The
노이즈 검출부(220)는, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, 미리 결정된 시간 동안 단락 상태가 유지되는지 여부를 확인할 수 있다. 상기 확인 결과, 전력 스위치(110)의 단락 상태가 미리 결정된 시간 동안 유지되지 않는 경우, 노이즈 검출부(220)는 단락 신호가 아닌 노이즈 신호가 입력된 것으로 판단할 수 있다. 이러한 경우, 노이즈 검출부(220)는 탈포화 검출부(210) 및 지연 회로부(240)의 동작을 초기화하여 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 전력 스위치(110)가 턴 오프되는 동작을 방지할 수 있다.When detecting the desaturation state of the
게이트 전압 제어부(230)는, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 감지 시, 해당 스위치(110)의 게이트 구동전압(VG)을 미리 결정된 전압으로 조절하여 해당 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류(ID)를 감소시킬 수 있다. When detecting the desaturation state of the
게이트 전압 제어부(230)는, 전력 스위치(110)가 턴 오프되기 전에 드레인 전류(ID)를 감소시킴으로써, 상기 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이에서 해당 스위치(110)의 내압을 초과하는 VDS 스파이크 전압이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다. The gate voltage control unit 230 reduces the drain current I D before the
지연 회로부(240)는 탈포화 검출부(210)로부터 수신되는 제어신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 구동전류 제어부(250)의 입력 단으로 출력할 수 있다. 이는 게이트 전압 제어부(230)에 의한 구동전압 제어를 통해 일정 시간(τ) 동안 전력 스위치(110)의 드레인 전류량을 감소시킨 다음에 해당 스위치(110)를 턴 오프시키기 위함이다.The
구동전류 제어부(250)는, 전력 스위치(110)를 강제로 턴 오프시키기 위한 게이트 구동전류(즉, 싱크 전류)를 단계적으로 조절할 수 있는 펄스폭 제어신호들을 출력할 수 있다. 이때, 상기 펄스폭 제어신호들에는 바이너리 코딩(binary coding)이 적용될 수 있다.The driving
구동전류 제어부(250)는, 전력 스위치(110)의 게이트 전압(Vgs)이 문턱 전압(Vth)으로 변경되기 직전의 일정 구간에서 싱크 전류를 최소화시킴으로써, 일차적으로는 드레인 전류의 변화량(dID/dt)을 낮추고, 이차적으로는 전력 스위치(110)의 VDS 스파이크 전압을 최소화시킬 수 있다. 즉, 구동전류 제어부(230)는 턴 오프의 초기 구간에는 높은 싱크 전류를 인가하고, VDS 스파이크 전압에 영향을 미치는 문턱 전압(Vth) 인근에서는 낮은 싱크 전류를 인가하게 된다.The driving
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단락보호회로(200)는, 전력 스위치(110)의 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 게이트 구동전압 및 구동전류 제어를 통해 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다. 또한, 상기 단락보호회로(140)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈를 검출하여 해당 노이즈에 의해 야기되는 전력 스위치의 오동작을 미연에 방지할 수 있다.As described above, the short-
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 상세 구성을 도시하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a detailed configuration of a short circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로(200)는 탈포화 검출부(210), 노이즈 검출부(220), 게이트 전압 제어부(230), 지연 회로부(240) 및 구동전류 제어부(250)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the short
탈포화 검출부(210)는 SR 래치(211), 비교기(212), 트랜지스터(213), 제1 내지 제3 저항(214~216), 커패시터(217), 다이오드(218) 및 전류원(219)을 포함할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 여기서, 상기 비교기(212), 트랜지스터(213) 및 제1 내지 제3 저항(214~216)는 히스테리시스 비교기의 동작을 구현할 수 있다. The
SR 래치(211)의 S(Set) 단은 비교기(212)의 출력 단과 트랜지스터(213)의 게이트 단과 노이즈 검출부(220)의 일 단이 만나는 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, SR 래치(211)의 R(Reset) 단은 노이즈 검출부(220) 및 지연 회로부(240)의 일 단에 연결될 수 있다. SR 래치(211)의 Q 단은 노이즈 검출부(220)의 일 단에 연결될 수 있고, SR 래치(211)의 단은 게이트 전압 제어부(230) 및 지연 회로부(240)의 일 단에 연결될 수 있다.The S(Set) terminal of the
비교기(212)의 제1 입력 단(-)은 제1 저항(214, R1)의 일 단과 제2 저항(215, R2)의 일 단이 만나는 제4 노드(N4)에 연결될 수 있고, 제2 입력 단(+)은 커패시터(217)의 일 단과 다이오드(218)의 애노드 단과 전류원(219)의 일 단이 만나는 제2 노드(N2)에 연결될 수 있다. 비교기(212)의 출력 단은 SR 래치(211)의 S(Set) 단과 트랜지스터(213)의 게이트 단과 노이즈 검출부(220)의 일 단이 만나는 제1 노드(N1)에 연결될 수 있다. The first input terminal (-) of the
트랜지스터(213)의 게이트(G) 단은 SR 래치(211)의 S(Set) 단과 비교기(212)의 출력 단과 노이즈 검출부(220)의 일 단이 만나는 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 제2 저항(215, R2)의 일 단과 제3 저항(216, R3)의 일 단이 만나는 제5 노드(N5)에 연결될 수 있으며, 소스(S) 단은 제3 저항(216, R3)의 일 단과 커패시터(217, C1)의 일 단이 만나는 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 상기 트랜지스터(213)로는 N형 MOSFET 소자가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 또한, 제3 노드(N3)는 접지와 연결될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. The gate (G) terminal of the
제1 저항(214, R1)은 비교기(212)의 제1 입력 단(-)과 제2 저항(215, R2)의 일 단이 만나는 제4 노드(N4)와 외부 전압원(VDD) 사이에 배치될 수 있다. 제2 저항(215, R2)은 비교기(212)의 제1 입력 단(-)과 제1 저항(214, R1)의 일 단이 만나는 제4 노드(N4)와 트랜지스터(213)의 드레인 단과 제3 저항(216, R3)의 일 단이 만나는 제5 노드(N5) 사이에 배치될 수 있다. 제3 저항(216, R3)은 트랜지스터(213)의 소스 단과 커패시터(217, C1)의 일 단이 만나는 제3 노드(N3)와 트랜지스터(213)의 드레인 단과 제2 저항의 일 단이 만나는 제5 노드(N5) 사이에 배치될 수 있다.The first resistor (214, R 1 ) is a fourth node (N 4 ) where the first input terminal (−) of the
커패시터(217, C1)의 일 단은 비교기(212)의 제2 입력 단(+)과 다이오드(218)의 애노드 단과 전류원(219)의 일 단이 만나는 제2 노드(N2)에 연결될 수 있고, 타 단은 트랜지스터(213)의 소스(S) 단과 제3 저항(216, R3)의 일 단이 만나는 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다.One end of the
다이오드(218)의 애노드 단은 비교기(212)의 제2 입력 단(+)과 커패시터(217, C1)의 일 단과 전류원(219)의 일 단이 만나는 제2 노드(N2)에 연결될 수 있고, 캐소드 단은 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결될 수 있다. 전류원(218)은 비교기(212)의 제2 입력 단(+)과 커패시터(217, C1)의 일 단과 다이오드(218)의 애노드 단이 만나는 제2 노드(N2)에 연결될 수 있다.The anode end of the
이와 같은 구성을 갖는 탈포화 검출부(210)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결되어, 상기 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱할 수 있다. 상기 센싱된 전압(VDS)이 미리 결정된 임계치 전압을 초과하는 경우, 탈포화 검출부(210)는 턴 온 상태의 전력 스위치(100)가 포화 상태를 벗어난 것으로 감지할 수 있다.The
전력 스위치(110)가 포화 상태를 벗어나게 되면, 해당 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결된 다이오드(218)의 캐소드(cathode) 전압은 애노드(anode) 전압보다 더 커지게 된다. 이에 따라, 다이오드(218)는 온(on) 상태에서 오프(off) 상태로 전환하게 되고, 전류원(219)에서 인가되는 전류는 커패시터(217)를 충전시키게 된다.When the
커패시터(217)에 전압이 계속 충전되어, 커패시터(217)의 충전 전압(VDESAT)이 비교기(212)의 제1 입력 단(-)에 설정된 제1 기준 전압(VThH = Vref + VHYS)보다 커지면, 비교기(212)는 하이 레벨(high level) 신호를 출력하게 된다. 상기 하이 레벨 신호가 SR 래치(211)의 S(Set) 단으로 입력되면, SR 래치(211)는 Q 단을 통해 하이 레벨 신호를 출력하게 되고, 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하게 된다.A voltage is continuously charged in the
한편, 비교기(212)에서 하이 레벨 신호가 출력되면, 트랜지스터(213)는 턴 오프 상태에서 턴 온 상태로 전환되고, 그에 따라 비교기(212)의 제1 입력 단(-)에 설정된 전압은 제1 기준 전압(VThH = Vref + VHYS)에서 제2 기준 전압(VThL = Vref - VHYS)으로 변경하게 된다. 여기서, 제1 기준 전압(VThH)은 아래 수학식 1과 같이 계산될 수 있고, 제2 기준 전압(VThL)은 아래 수학식 2와 같이 계산될 수 있다. On the other hand, when the high level signal is output from the
즉, 상술한 트랜지스터(213)와 제1 내지 제3 저항(214~216)의 저항 값을 이용하여 비교기(212)의 제1 입력 단(-)에 서로 다른 기준 전압(VThH, VThL)을 설정할 수 있다. 이는 노이즈 검출부(220)로 하여금 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈를 검출하도록 하기 위함이다. That is, different reference voltages (V ThH , V ThL ) are applied to the first input terminal (-) of the
통상, 전력 스위치 시스템(100)에서 발생하는 노이즈 신호는, 일종의 리플 신호로서, 특정 시점에 과도 전압이 발생한 후 해당 시점으로부터 일정 시간 내에 급격히 감소하는 특성을 갖는다. 따라서, 비교기(212)의 제2 입력 (+)단으로 제1 기준 전압(VThH) 이상의 전압이 인가된 시점으로부터 일정 시간 내에 제2 기준 전압(VThL) 이하의 전압이 인가되는 경우, 단락 신호가 아닌 노이즈 신호가 입력된 것으로 판단할 수 있다.In general, the noise signal generated in the
노이즈 신호가 탈포화 검출부(210)로 입력되어, 커패시터(217)의 충전 전압(VDESAT)이 비교기(212)의 제1 입력 단(-)에 설정된 제2 기준 전압(VThL = Vref - VHYS)보다 작아지면, 비교기(212)는 로우 레벨 신호를 출력하게 된다. 상기 로우 레벨 신호가 트랜지스터(213)의 게이트 단으로 입력되면, 상기 트랜지스터(213)는 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 전환된다. 그에 따라, 비교기(212)의 제1 입력 단(-)에 설정된 전압은 제2 기준 전압(VThL = Vref - VHYS)에서 제1 기준 전압(VThH = Vref + VHYS)으로 복귀하게 된다.The noise signal is input to the
한편, 다른 실시 예로, 탈포화 검출부(210)는 비교기(212), 트랜지스터(213) 및 제1 내지 제3 저항(214~216)를 생략하는 대신 비 반전 히스테리시스 비교기(300)를 포함할 수 있다. 가령, 도 5에 도시된 바와 같이, 비 반전 히스테리시스 비교기(300)는 비교기(U1)에서 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하기 위한 제1 기준 전압 값(VI = VThH)과 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하기 위한 제2 기준 전압 값(VI = VThL)이 서로 다르며, 양 기준 전압 간에 일정한 전압 차(ΔV)가 존재하는 비교기이다. 여기서, 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하기 위한 제1 기준 전압 값(VThH)은 아래 수학식 3을 통해 결정될 수 있고, 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하기 위한 제2 기준 전압 값(VThL)은 아래 수학식 4를 통해 결정될 수 있다.Meanwhile, in another embodiment, the
노이즈 검출부(220)는 인버터(또는 NOT 게이트, 221), AND 게이트(222) 및 OR 게이트(223)를 포함할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The
인버터(221)의 입력 단은 비교기(212)의 출력 단과 트랜지스터(213)의 게이트 단과 SR 래치(220)의 S(Set) 단이 만나는 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, 출력 단은 AND 게이트(222)의 입력 단에 연결될 수 있다. The input terminal of the inverter 221 may be connected to the first node N 1 where the output terminal of the
AND 게이트(222)의 제1 입력 단은 인버터(221)의 출력 단에 연결될 수 있고, 제2 입력 단은 지연 회로부(240)의 출력 단에 연결될 수 있고, 제3 입력 단은 SR 래치(220)의 Q 단에 연결될 수 있으며, 출력 단은 OR 게이트(223)의 입력 단에 연결될 수 있다.A first input terminal of the AND
OR 게이트(223)의 제1 입력 단은 POR(Power On Reset)에 연결될 수 있고, 제2 입력 단은 AND 게이트(222)의 출력 단에 연결될 수 있으며, 출력 단은 SR 래치(220)의 R(Reset) 단과 지연 회로부(240)의 일 단에 연결될 수 있다.A first input terminal of the
이와 같은 구성을 갖는 노이즈 검출부(220)는, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, 미리 결정된 시간 동안 단락 상태가 유지되는지 여부를 확인할 수 있다. 상기 확인 결과, 전력 스위치(110)의 단락 상태가 미리 결정된 시간 동안 유지되지 않는 경우, 노이즈 검출부(220)는 단락 신호가 아닌 노이즈 신호가 입력된 것으로 판단하여 탈포화 검출부(210) 및 지연 회로부(240)의 동작을 초기화할 수 있다. 여기서, 미리 결정된 시간은 지연 회로부(240)에 설정된 지연 시간에 대응한다.The
만약, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, 해당 스위치(110)의 단락 상태가 미리 결정된 시간 동안 유지되지 않는 경우(즉, 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈가 발생한 경우), 커패시터(217)의 충전 전압(VDESAT)은 제2 기준 전압 이하(VThL)로 감소하게 되고, 그에 따라 비교기(212)는 로우 레벨 신호를 출력하게 된다.When the desaturation state of the
인버터(221)는 비교기(212)로부터 입력된 로우 레벨 신호를 반전하여 하이 레벨 신호를 생성하고, 상기 생성된 하이 레벨 신호를 AND 게이트(222)의 제1 입력 단으로 출력한다. 지연 회로부(240)는 SR 래치(211)의 단에서 출력된 신호를 일정 시간 동안 지연하여 생성된 하이 레벨 신호를 AND 게이트(222)의 제2 입력 단으로 출력한다. SR 래치(211)는 Q 단을 통해 하이 레벨 신호를 AND 게이트(222)의 제3 입력 단으로 출력한다.The
AND 게이트(222)의 모든 입력 단을 통해 하이 레벨 신호가 입력되면, 상기 AND 게이트(222)는 입력 신호들을 논리곱 연산하므로 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. OR 게이트(223)의 제1 입력 단을 통해 POR 신호(즉, 로우 레벨 신호)가 입력되고 있는 상태에서, 제2 입력 단을 통해 하이 레벨 신호가 AND 게이트(222)로부터 입력되는 경우, 상기 OR 게이트(223)는 하이 레벨 신호(즉, 리셋 신호)를 SR 래치(211)의 R(Reset) 단과 지연 회로부(240)의 일 단으로 각각 출력하게 된다. When a high level signal is input through all input terminals of the AND
이에 따라, SR 래치(211)는 자신의 상태가 초기화되어 Q 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하고, 단을 통해 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. 지연 회로부(240) 역시 자신의 상태가 초기화되어 SR 래치(211)로부터 바로 전에 수신된 로우 레벨 신호를 구동전류 제어부(250)로 출력하지 않게 된다. 따라서, 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈가 발생하더라도, 해당 노이즈에 의해 전력 스위치(110)가 턴 오프되는 현상을 미연에 방지할 수 있게 된다.Accordingly, the
게이트 전압 제어부(230)는, 인버터(231), 버퍼 게이트(232), 트랜지스터(233) 및 제너 다이오드(234)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 버퍼 게이트(232)는, 전류 버퍼(current buffer)로서, 실시 예에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 트랜지스터로(233)는 N형 MOSFET 소자가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. The
인버터(231)의 입력 단은 SR 래치(211)의 단에 연결될 수 있고, 출력 단은 버퍼 게이트(232)의 입력 단에 연결될 수 있다. 버퍼 게이트(232)의 입력 단은 인버터(231)의 출력 단에 연결될 수 있고, 출력 단은 트랜지스터(233)의 게이트(G) 단에 연결될 수 있다. 트랜지스터(233)의 게이트(G) 단은 버퍼 게이트(232)의 출력 단에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 제너 다이오드(234)의 애노드 단에 연결될 수 있고, 소스(S) 단은 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 제너 다이오드(234)의 애노드 단은 트랜지스터(233)의 드레인(D) 단에 연결될 수 있고, 캐소드 단은 전력 스위치(110)의 게이트(G) 단에 연결될 수 있다.The input terminal of the
전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, SR 래치(211)의 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하게 되면, 인버터(231)는 입력 신호를 반전시켜 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. 버퍼 게이트(232)는 인버터(231)로부터 입력된 하이 레벨 신호를 변경하지 않고, 전류량만 증가하여 해당 신호를 그대로 출력하게 된다. 하이 레벨 신호가 트랜지스터(233)의 게이트(G) 단으로 입력되면, 상기 트랜지스터(233)는 턴 오프(turn off) 상태에서 턴 온(turn on) 상태로 전환된다. 상기 트랜지스터(233)가 턴 온 상태로 전환되면, 제너 다이오드(234)는 애노드 단이 접지(ground)와 연결되어 동작하게 된다. 제너 다이오드(234)는 전력 스위치(110)의 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 낮추게 된다. 예를 들어, 12V의 제너 다이오드를 사용하게 되면, 25V로 구동하는 게이트 전압을 12V로 강제로 낮춰주게 된다.When the desaturation state of the
게이트 전압 제어부(230)는, 전력 스위치(110)가 턴 오프 상태로 전환되기 전에, 해당 스위치(110)의 게이트 구동전압(VG)을 줄여서 해당 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류(ID)를 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 게이트 전압 제어부(230)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이에서 해당 스위치(110)의 내압을 초과하는 VDS 스파이크 전압이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다. 한편, 본 실시 예에서는, 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 낮추기 위해 제너 다이오드를 사용하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 상기 제너 다이오드가 아닌 다른 회로를 사용하여 게이트 전압 제어부를 구현할 수 있다. The gate voltage control unit 230 reduces the gate driving voltage V G of the
지연 회로부(240)는, 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, SR 래치(211)의 단으로부터 수신된 로우 레벨 신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 NAND 게이트(251)로 출력할 수 있다. 이는 게이트 구동전압 제어를 통해 일정 시간(τ) 동안 드레인 전류량을 감소시킨 다음, 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위함이다.When the
한편, 탈포화 상태가 검출된 시점으로부터 일정 시간(τ)이 경과하기 전에, 노이즈 검출부(220)로부터 하이 레벨 신호를 수신하는 경우, 지연 회로부(240)는 SR 래치(211)로부터 수신된 로우 레벨 신호를 초기화하여 해당 신호를 NAND 게이트(251)로 출력하지 않게 된다. 따라서, 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 전력 스위치(110)가 턴 오프되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.On the other hand, when a high level signal is received from the
구동전류 제어부(250)는 NAND 게이트(251) 및 싱크전류 조절부(232)를 포함할 수 있다. NAND 게이트(251)의 입력 단은 PWM 제어부(미도시) 및 지연 회로부(240)에 연결될 수 있고, 출력 단은 게이트 구동회로(130)의 P형 트랜지스터와 싱크전류 조절부(252)에 연결될 수 있다. 싱크전류 제어부(252)의 입력 단은 NAND 게이트(251)와 연결될 수 있고, 출력 단은 게이트 구동회로(130)를 구성하는 하나 이상의 N형 트랜지스터와 연결될 수 있다.The driving
PWM 제어부에서 출력되는 PWM 신호와 SR 래치(211)에서 출력되는 로우 레벨 신호가 NAND 게이트(251)로 입력되면, 상기 NAND 게이트(251)는 PWM 신호의 형태에 관계없이 항상 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. 하이 레벨 신호가 게이트 구동회로(130)의 P형 트랜지스터로 입력되면, 상기 P형 트랜지스터는 턴 오프 동작을 수행하게 된다. When the PWM signal output from the PWM control unit and the low level signal output from the
한편, 하이 레벨 신호가 싱크전류 제어부(252)로 입력되면, 싱크전류 제어부(252)는 전력 스위치(110)를 턴 오프시키기 위한 싱크 전류를 단계적으로 조절 가능한 펄스폭 제어신호들을 출력할 수 있다. 이때, 상기 복수의 펄스폭 제어신호들에는 바이너리 코딩(binary coding)이 적용될 수 있다. 예컨대, 싱크전류 제어부(252)에서 미리 결정된 바이너리 코딩이 적용된 펄스폭 제어신호들을 출력하게 되면, 게이트 구동회로(130)는 전력 스위치(110)의 싱크 전류(IG, sink)를 단계적으로 조절할 수 있게 된다. 따라서, 싱크전류 제어부(252)는 드레인 전류의 변화량(dID/dt)이 큰 문턱 전압(Vth) 주변에서 싱크 전류를 최소화시킴으로써, 전력 스위치(110)의 VDS 스파이크 전압을 최소화시킬 수 있다.Meanwhile, when a high level signal is input to the sink
이처럼, 본 발명에 따른 단락보호회로(200)는, 전력 스위치의 탈포화 상태 검출 시, 미리 결정된 지연 시간 동안 단락 상태가 유지되는지를 감지하고, 상기 단락 상태가 일정 시간 동안 유지되지 않는 경우 단락보호동작을 초기화하여 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 야기되는 전력 스위치의 오 동작을 방지할 수 있다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 커패시터(217)의 충전 전압(VDESAT)이 제1 기준 전압(VThH=9V)을 초과하는 시점으로부터 미리 결정된 지연 시간(delay time) 내에 제2 기준 전압(VThL=6V) 이하로 감소하는 경우, 노이즈 검출부(220)는 해당 신호를 노이즈 신호로 판단하여 하이 레벨 신호(즉, 리셋 신호)를 SR 래치(211) 및 지연 회로부(240)로 출력하게 된다. 그러면, SR 래치(211)는 자신의 상태가 초기화되어 Q 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하고, 단을 통해 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. 지연 회로부(240) 역시 SR 래치(211)로부터 수신된 로우 레벨 신호를 초기화하여 구동전류 제어부(250)로 출력하지 않게 된다. 따라서, 스위칭 노이즈 또는 외부 시스템 노이즈에 의해 전력 스위치(110)가 턴 오프되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.As such, the short
한편, 단락보호회로(200)는, 전력 스위치의 탈포화 상태 검출 시, 미리 결정된 지연 시간 동안 단락 상태가 유지되는지를 감지하고, 상기 단락 상태가 일정 시간 동안 유지되는 경우 게이트 구동전압 및 구동전류 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프 시킬 수 있다. 가령, 도 7에 도시된 바와 같이, 커패시터(217)의 충전 전압(VDESAT)이 제1 기준 전압(VThH=9V)을 초과하는 시점으로부터 미리 결정된 지연 시간(delay time)을 경과한 다음 제2 기준 전압(VThL=6V) 이하로 감소하는 경우, 노이즈 검출부(220)는 해당 신호를 단락 신호로 판단하여 로우 레벨 신호를 SR 래치(211) 및 지연 회로부(240)로 출력하게 된다. 그러면, SR 래치(211)는 현재의 상태를 그대로 유지하여 Q 단을 통해 하이 레벨 신호를 출력하고, 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하게 된다. 지연 회로부(240)는 SR 래치(211)로부터 수신된 로우 레벨 신호를 일정 시간 지연한 다음 구동전류 제어부(250)로 출력하게 된다. 상기 구동전류 제어부(250)는 게이트 구동회로(130)를 통해 싱크 전류를 제어하여 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프 시키게 된다.Meanwhile, the short
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Various embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the
100: 전력 스위치 시스템 110: 전력 스위치
120: PWM 제어부 130: 게이트 구동회로
140/200: 단락보호회로 210: 탈포화 검출부
220: 노이즈 검출부 230: 게이트 전압 제어부
240: 지연 회로부 250: 구동전류 제어부100: power switch system 110: power switch
120: PWM control unit 130: gate driving circuit
140/200: short circuit protection circuit 210: desaturation detection unit
220: noise detection unit 230: gate voltage control unit
240: delay circuit unit 250: driving current control unit
Claims (5)
상기 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 상기 전력 스위치를 턴 오프(turn off)시키기 위한 게이트 구동전류를 제어하는 구동전류 제어부;
상기 탈포화 상태 검출 시, 상기 탈포화 검출부로부터 수신되는 제어신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 상기 구동전류 제어부로 출력하는 지연 회로부; 및
상기 탈포화 상태 검출 시, 상기 미리 결정된 시간(τ) 동안 단락 상태가 유지되지 않는 경우, 상기 탈포화 검출부 및 지연 회로부의 동작을 초기화하는 노이즈 검출부를 포함하는 전력 스위치용 단락보호회로. a desaturation detection unit sensing a voltage (V DS ) between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the power switch to detect whether the power switch is out of a saturation state;
a driving current controller configured to control a gate driving current for turning off the power switch when the desaturation state of the power switch is detected;
a delay circuit unit for delaying the control signal received from the desaturation detection unit for a predetermined time τ when the desaturation state is detected and outputting the delay circuit unit to the driving current control unit; and
and a noise detection unit initializing operations of the desaturation detection unit and the delay circuit unit when the short circuit state is not maintained for the predetermined time τ when the desaturation state is detected.
상기 탈포화 검출부는 SR 래치, 커패시터 및 히스테리시스 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.According to claim 1,
The desaturation detection unit short circuit protection circuit for a power switch, characterized in that it comprises an SR latch, a capacitor and a hysteresis comparator.
상기 히스테리시스 비교기는, 상기 커패시터의 충전 전압(VDESAT)이 미리 결정된 제1 기준 전압(VThH)보다 더 커지는 경우 하이 레벨 신호를 출력하고, 상기 커패시터의 충전 전압(VDESAT)이 미리 결정된 제2 기준 전압(VThL)보다 작아지는 경우 로우 레벨 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.3. The method of claim 2,
The hysteresis comparator when the charge voltage (V DESAT) of the capacitor is pre more greater than the predetermined first reference voltage (V ThH) outputs a high level signal, and the charging voltage (V DESAT) of the capacitor is determined in advance, the second A short circuit protection circuit for a power switch, characterized in that when it becomes smaller than the reference voltage (V ThL ), a low-level signal is output.
상기 노이즈 검출부는 인버터, AND 게이트 및 OR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.3. The method of claim 2,
The noise detection unit short circuit protection circuit for a power switch, characterized in that it includes an inverter, an AND gate and an OR gate.
상기 노이즈 검출부는, 상기 미리 결정된 시간(τ) 동안 단락 상태가 유지되지 않는 경우, 리셋 신호를 생성하여 상기 SR 래치 및 지연 회로부로 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.5. The method of claim 4,
The noise detection unit generates a reset signal and outputs the reset signal to the SR latch and delay circuit unit when the short circuit state is not maintained for the predetermined time τ.
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---|---|---|---|
KR1020190160521A KR20210070591A (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Short circuit protection for power switch |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023068758A1 (en) * | 2021-10-18 | 2023-04-27 | 한양대학교 산학협력단 | Short circuit protection device for switch |
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2019
- 2019-12-05 KR KR1020190160521A patent/KR20210070591A/en active IP Right Grant
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WO2023068758A1 (en) * | 2021-10-18 | 2023-04-27 | 한양대학교 산학협력단 | Short circuit protection device for switch |
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