KR20220109112A - 과전압 보호 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 회로는 전원이 입력되는 입력단과 부하로 전원을 출력하는 출력단, 상기 입력단과 상기 출력단 사이에 위치하여, 턴오프시 상기 부하로의 출력을 차단하는 제1 스위치, 상기 입력단에 연결되어 과전압을 감지하여 도통하는 제1 제너 다이오드, 상기 제1 제너 다이오드 도통시 턴온되는 제2 스위치, 및 상기 제1 스위치가 턴온시, 턴온되는 제3 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는, 상기 입력단으로 입력되는 전원에 의해 턴온되고, 상기 제3 스위치가 턴온시 턴오프된다.

Description

과전압 보호 회로{Over-voltage protection circuit}
본 발명은 과전압 보호 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로 순간적인 과전압 및 연속적인 과전압을 차단하여 부하를 보호하는 과전압 보호 회로에 관한 발명이다.
전기 차량과 같이, 배터리 전원을 이용하는 장치의 경우, 고전압이 입력될 때, 내부를 보호하는 과전압 보호 회로 회로가 적용된다. 도 1은 마일드 하이브리드 차량(mHEV)에 적용되는 과전압 보호 회로로, 12 V 배터리와 48 V 배터리의 48 V 전압을 12 V로 변환하는 DC-DC 컨버터로부터 전원을 입력받아 배터리 관리 장치(BMS)로 출력하되, 과전압을 보호하기 위하여, 제너 다이오드를 이용한다.
기본 KL30 전원(12 V 배터리)를 사용하는 BMS 경우 입력에 대한 과전압 보호 회로는 제너 다이오드(D3)를 이용 하여 입력 과전압(Overshoot) 발생시 과전압을 제한(clamping) 하여 BMS를 보호한다. 마일드 하이브리드 차량 48 V 시스템에서도 위와 동일하게 BMS는 KL30 전원을 입력받으며, 48V/12V DC-DC 컨버터에서 KL30 배터리를 충전하고, KL30 전원을 사용하는 부하에 전원을 공급한다.
이때, 48/12V DC-DC 컨버터에 고장이 발생하여, 40V OVP(over voltage protection)가 발생하는 경우, 이와 연결되는 부하인 전기 장치들에 손상(Damage)이 발생하지 않아야 한다. 도 1과 같이, 제너 다이오드를 이용하는 경우, 순간 OVP는 차단 할 수 있지만, 연속적인 OVP에 의해 제너 다이오드는 연속 전압 클램핑을 수행하는 경우, 정격 전력 손실(Power Dissipation) 과다로 인해 손상이 발생하게 되어 연속으로 입력되는 40 V 이상 OVP는 보호 할 수 없는 문제가 있다.
도 2는 제너 다이오드가 아닌 레귤레이터(regulator)를 이용하는 과전압 보호 회로로, 레귤레이터를 이용하는 경우에도, 연속적인 OVP가 인가되는 경우, 정격 전력 손실(Power Dissipation) 과다로 인해 손상이 발생하게 되어 연속으로 입력되는 OVP는 보호 할 수 없는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 순간적인 과전압 및 연속적인 과전압을 차단하여 부하를 보호하는 과전압 보호 회로에 관한 발명이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 회로는 전원이 입력되는 입력단과 부하로 전원을 출력하는 출력단; 상기 입력단과 상기 출력단 사이에 위치하여, 턴오프시 상기 부하로의 출력을 차단하는 제1 스위치; 상기 입력단에 연결되어 과전압을 감지하여 도통하는 제1 제너 다이오드; 상기 제1 제너 다이오드 도통시 턴온되는 제2 스위치; 및 상기 제1 스위치가 턴온시, 턴온되는 제3 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는, 상기 입력단으로 입력되는 전원에 의해 턴온되고, 상기 제3 스위치가 턴온시 턴오프된다.
또한, 상기 제1 스위치는 PMOS이고, 상기 제1 제너 다이오드의 캐소드는 상기 제1 스위치의 드레인과 연결되고, 상기 제1 제너 다이오드의 애노드는 직렬로 연결되는 제1 저항 및 제2 저항을 통해 그라운드와 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 스위치는 NMOS이고, 상기 제2 스위치의 게이트는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이 노드에 연결되고, 상기 제2 스위치의 소스는 그라운드와 연결되고, 상기 제2 스위치의 드레인은 직렬로 연결되는 제3 저항 및 제4 저항과 연결될 수 있다.
또한, 상기 제3 스위치는 PMOS이고, 상기 제3 스위치의 게이트는 상기 제3 저항 및 상기 제4 저항 사이의 노드에 연결되고, 상기 제3 스위치의 소스는 제5 저항을 통해 그라운드와 연결되고, 상기 제3 스위치의 드레인은 상기 제1 스위치의 드레인과 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치의 게이트는 상기 제3 스위치의 소스 및 상기 제5 저항 사이 노드에 연결되고, 상기 제1 스위치의 소소는 상기 출력단과 연결되고, 상기 제1 스위치의 드레인은 상기 입력단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치의 게이트 및 드레인 사이에 각각 병렬로 연결되는 제6 저항 및 제2 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제5 저항의 값이 상기 제6 저항의 값보다 크고, 상기 제1 스위치는 상기 입력단으로 전원 입력시, 상기 제5 저항 및 상기 제6 저항의 전압분배에 의해 턴온될 수 있다.
또한, 상기 제2 제너 다이오드는 상기 제1 스위치의 게이트에 인가되는 과전압을 검출할 수 있다.
또한, 상기 입력단은, 배터리 또는 상기 배터리를 충전하는 DC-DC 컨버터로부터 전원을 입력받을 수 있다.
또한, 상기 출력단은, 배터리 관리 시스템(Battery Management System)과 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 순간적인 과전압 뿐만 아니라 연속적인 과전압을 차단할 수 있다. 간단한 회로 구성을 통해 구현함으로써 PCB 공간 활용에 용이하며, 회로를 추가함에도 저비용으로 구현이 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 비교 실시예에 따른 과전압 보호 회로를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 회로의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로의 회로도이다.
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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 회로의 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로의 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 회로(100)는 입력단(110), 출력단(120), 제1 스위치(130), 제1 제너 다이오드(140), 제2 스위치(150), 제3 스위치(160)로 구성되고, 제2 제너 다이오드, 다이오드 및 저항들을 포함할 수 있다.
입력단(110)은 전원이 입력되고, 출력단(120)은 부하로 전원을 출력한다. 과전압 보호 회로는 입력단(110)으로 입력받은 전원을 출력단(120)을 통해 부하로 출력하되, 과전압이 발생하는 경우, 부하로 과전압 전원이 출력되지 않도록 한다.
여기서, 입력단(110)은 배터리 또는 상기 배터리를 충전하는 DC-DC 컨버터로부터 전원을 입력받을 수 있고, 출력단(120)은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)과 연결되어 있다. 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로(100)는 배터리 전원을 부하로 인가시 발생하는 과전압으로부터 부하를 보호할 수 있다. 예를 들어, 마일드 하이브리드 차량(mHEV)에서 배터리 전원이 배터리 관리 장치(Battery Management System, BMS)에 입력될 때, 과전압 발생시 배터리 관리 장치를 보호하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 배터리 관리 장치는 배터리의 충방전을 주행 상태에 따라 관리하는 장치이다. 마일드 하이브리드 차량의 경우, 배터리 관리 장치로 12 V 배터리의 전원이 인가될 뿐만 아니라 48 V 시스템에 따라 48V/12V DC-DC 컨버터를 통해 변환된 전원이 인가될 수 있다.
쇼트 등의 고장에 의해 12 V 배터리나 DC-DC 컨버터로부터 순간적인 과전압이 발생하는 경우, 제너 다이오드로 보호가 가능하나, DC-DC 컨버터의 고장에 의해 전압변환이 정상적으로 이루어지지 않는 경우, 정격 전압인 12 V보다 큰 전압이 연속으로 입력될 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터에서 40 V 이상의 과전압을 가지는 전원이 입력될 수 있고, 이 경우, 제너 다이오드에 손상이 발생하게 되어 부하를 보호하기 어렵다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로(100)는 복수의 스위치를 이용한다.
제1 스위치(130)는 상기 입력단과 상기 출력단 사이에 위치하여, 턴오프시 상기 부하로의 출력을 차단한다. 제1 스위치(130)는 입력단(110)과 출력단(120) 사이 즉, 입력라인에 연결되어, 입력단(110)과 출력단(120) 사이를 연결하거나 연결을 차단하는 역할을 한다. 제1 스위치(130)가 턴오프되면, 입력단(110)과 출력단(120)의 연결이 차단되는바, 출력단(120)을 통한 부하로의 전원 출력이 차단되어, 과전압으로부터 부하를 보호할 수 있다.
제1 스위치(130)는 입력단(110)에 전원이 입력되면, 입력단(110)으로 입력되는 전원에 의해 턴온된다. 제1 스위치(130)는 PMOS일 수 있고, 입력단(110)으로 입력되는 전원을 이용하여 제1 스위치(130)의 게이트에 게이트 전압보다 큰 전압을 인가하여 턴온되도록 한다. 제1 스위치(130) 내지 제3 스위치(160)는 MOSFET이 아닌 수동소자 등 다양한 스위칭 소자로 형성될 수도 있다.
전압이 정상 범위에 있는 경우, 제1 스위치(130)는 턴온된 이후 온 상태를 유지한다. 하지만, 과전압이 발생하는 경우, 제1 제너 다이오드(140), 제2 스위치(150), 제3 스위치(160)를 이용하여 제1 스위치(130)가 턴오프되도록 한다.
제1 제너 다이오드(140)는 입력단(110)에 연결되어 과전압을 감지하여 도통한다. 제너 다이오드(Zener Diode)는 PN 접합 다이오드로, 매우 낮고 일정한 항복 전압(제너 전압) 특성을 가지고 있어, 역방향으로 제너 전압 이상 전압이 걸리면 전류가 흐르게 된다. 이러한 특성을 이용하여, 입력단(110)에 인가되는 과전압을 감지하는 역할을 한다.
제1 제너 다이오드(140)는 입력단(110)에서 분기되어 연결되어, 입력단에 제너 전압 이상의 과전압이 인가되면, 전류가 그라운드로 흐르도록 경로를 형성하여, 과전압이 출력단(120)이 아닌 그라운드로 흐르도록 한다. 이를 통해, 과전압으로부터 부하를 보호할 수 있다. 하지만, 연속적인 과전압이 인가되는 경우, 제1 제너 다이오드(140)에 손상이 발생할 수 있고, 손상이 발생한 경우, 정상적인 과전압 보호가 이루어지지 않게 되는바, 연속적인 과전압을 차단하기 위하여, 제1 스위치(130)를 턴오프시켜야 한다.
제2 스위치(150)는 제1 제너 다이오드(140) 도통시 턴온되고, 제3 스위치(160)는 제1 스위치(130)가 턴온시, 턴온되며, 제3 스위치(160)가 턴온되면, 제1 스위치(130)가 턴오프된다. 제1 제너 다이오드(140) 도통 -> 제2 스위치(150) 턴온 -> 제3 스위치(160) 턴온 -> 제1 스위치(130) 턴오프를 통해 과전압이 발생하면 제1 스위치(130)가 턴오프되어 부하를 보호하는 과정이 수행된다.
제1 스위치(130)는 PMOS이고 제1 제너 다이오드(140)의 캐소드는 제1 스위치(130)의 드레인과 연결되고, 제1 제너 다이오드(140)의 애노드는 직렬로 연결되는 제1 저항 및 제2 저항을 통해 그라운드와 연결될 수 있다. 제1 제너 다이오드(140)가 과전압에 의해 도통되면, 전류가 제1 저항 및 제2 저항을 통해 그라운드로 빠져나간다.
제2 스위치(150)는 NMOS이고, 제2 스위치(150)의 게이트는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이 노드에 연결되고, 제2 스위치(150)의 소스는 그라운드와 연결되고, 제2 스위치(150)의 드레인은 직렬로 연결되는 제3 저항 및 제4 저항과 연결될 수 있다. NMOS는 게이트-소스 전압이 문턱값보다 높으면 턴온되고, 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮으면 턴오프된다. 제1 제너 다이오드(140)가 도통되지 않으면, 제2 저항에 의해 그라운드와 연결되어, 제2 스위치(150)의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮아 오프상태를 유지한다. 과전압에 의해, 제1 제너 다이오드(140)가 도통되어 제1 저항 및 제2 저항으로 전류가 흐르게 되면, 제1 저항과 제2 저항에 과전압이 분배되어 걸리게되고, 제2 저항에 걸리는 전압이 제2 스위치(150)의 게이트에 인가되고 제2 스위치(150)의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 높아져 제2 스위치(150)가 턴온된다. 제2 저항에 걸리는 전압이 제2 스위치의 게이트-소스 전압에 해당하는바, 과전압의 크기가 임계값 이상일 때, 제2 스위치(150)가 턴온되도록 제1 저항과 제2 저항의 저항값을 설정할 수 있다. 예를 들어, 제1 제너 다이오드(140)의 제너 전압이 30 V일 때, 과전압이 40 V 이상이면 이를 차단하도록 설정하고, 제2 스위치(150)의 게이트-소스 전압의 문턱값은 5 V인 경우, 과전압이 40 V이면 제1 제너 다이오드(140)에 30 V가 걸리고, 제1 저항과 제2 저항의 크기를 같게 설정하면 제2 저항에는 5 V가 걸려 제2 스위치(150)를 턴온시킬 수 있다. 추가되는 다이오드나 소자에 의한 전압손실, 오차 등을 고려하여 제1 저항과 제2 저항의 값을 설정하거나 사용자에 의해 설정될 수도 있다. 제2 스위치(150)가 턴온되면, 제3 저항 및 제4 저항에 전류가 흐르게 된다.
제3 스위치(160)는 PMOS이고, 제3 스위치(160)의 게이트는 상기 제3 저항 및 상기 제4 저항 사이의 노드에 연결되고, 제3 스위치(160)의 소스는 제5 저항을 통해 그라운드와 연결되고, 제3 스위치(160)의 드레인은 제1 스위치(130)의 드레인과 연결될 수 있다. PMOS는 게이트-소스 전압이 문턱값보다 높으면 턴오프되고, 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮으면 턴온된다. 제2 스위치(150)가 오프상태인 경우, 제3 스위치의 게이트는 제3 저항에 의해 입력단(110)과 연결되는바, 제3 스위치(160)의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 높아 오프상태를 유지한다. 과전압에 의해, 제1 제너 다이오드(140)가 도통되고 제2 스위치(150)가 턴온되어 제3 저항 및 제4 저항에 전압이 걸리면, 제3 저항 및 제4 저항의 전압 분배에 의해, 게이트 전압이 낮아지고, 그에 따라 제3 스위치(160)의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮아져 제3 스위치(160)가 턴온된다.
제1 스위치(130)의 게이트는 제3 스위치(160)의 소스 및 상기 제5 저항 사이 노드에 연결되고, 제1 스위치(130)의 소스는 출력단(120)과 연결되고, 제1 스위치(130)의 드레인은 입력단(110)과 연결되고, 제1 스위치(130)의 게이트 및 드레인 사이에는 제6 저항 및 제2 제너 다이오드가 각각 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 제5 저항의 값이 상기 제6 저항의 값보다 크고, 상기 제1 스위치(130)는 상기 입력단으로 전원 입력시, 상기 제5 저항 및 상기 제6 저항의 전압분배에 의해 턴온될 수 있다.
입력단으로 정상범위의 전압을 가지는 전원이 인가되면, 제5 저항 및 제6 저항에 전류가 흐르고, 제5 저항 및 제6 저항 사이의 노드에 연결되는 제1 스위치(130)의 게이트에 전압이 인가되고, 이때, 제5 저항 및 제6 저항의 전압분배에 의해 제6항에 걸리는 전압이 문턱값보다 낮도록 설정할 수 있다. 이를 통해, 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮아 제1 스위치(130)가 턴온된다. 제1 스위치(130)가 턴온되면 입력단(110)으로 입력된 전원이 출력단(120)으로 통해 부하 출력된다.
이때, 전압이 정상범위일 때, 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮도록 제5 저항의 값과 제6 저항의 값을 설정할 수 있다. 입력단(110)에 입력되는 전압, 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압의 문턱값, 제5 저항 및 제6 저항에 걸리는 전압의 크기에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 정상범위에서 배터리 전압이 12 V 가 입력되는 상황에서 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압의 문턱값이 5 V인 경우, 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압은 제6 저항에 걸리는 전압이 되는바, 제6 저항보다 제5 저항에 걸리는 전압이 더 커야 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮아 제1 스위치(130)를 턴온시킬 수 있다. 이를 위하여, 제5 저항의 값이 제6 저항의 값보다 크게 설정할 수 있다.
정상동작시, 제1 스위치(130)의 게이트를 보호하기 위하여, 제2 제너 다이오드를 연결하여, 제2 제너 다이오드는 제1 스위치(130)의 게이트에 인가되는 과전압을 검출하고, 과전압 발생시 제1 스위치(130)의 게이트로 과전압이 인가되는 것을 차단할 수 있다. 과전압 발생시, 제1 제너 다이오드(140), 제2 스위치(150), 제3 스위치(160)의 동작에 의해 제1 스위치(130)가 오프될 때까지 시간이 소요될 수 있는바, 제1 스위치(130)의 게이트 보호를 위하여 제1 스위치(130)의 게이트 및 소스 사이에 제2 제너 다이오드를 연결한다.
과전압이 발생하여 제1 제너 다이오드(140)가 도통되고, 제2 스위치(150)가 턴온되면 제3 스위치(160)가 턴온된다. 제3 스위치(160)가 턴온되면, 제6 저항이 아닌 제3 스위치(160)의 경로를 따라 전류가 흐르게된다. 제6 저항을 통해 제1 스위치(130)의 게이트와 소스가 연결되는 경우, 제1 스위치(130)의 소스의 전압이 게이트의 전압보다 높아 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압은 로우(low)로 제1 스위치(130)가 온 상태를 유지하다, 제3 스위치(160)가 턴온되면, 제3 스위치(160)의 턴온에 의해 제1 스위치(130)의 소스와 게이트의 전위차가 낮아져 제1 스위치(130)의 게이트-소스 전압은 문턱값보다 높아지고, 이로 인해 하이(high)가 되어 제1 스위치(130)가 턴오프된다.
본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로(100)는 도 4와 같은 회로로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로(100)는 12 V 배터리(220)로 형성되는 KL 30전원과 48V/12V DC-DC 컨터버(210)로부터 전원을 입력받아 배터리 관리 장치인 BMS(230)로 전원을 출력할 수 있다. 과전압으로부터 BMS(230)를 보호하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로(100)는 제1 제너다이오드(140)인 D1, 제1 스위치(130)인 M1, 제2 스위치(150)인 M2, 제3 스위치(160)인 M3를 포함하고, 다이오드 D3, 제2 제너 다이오드 D2, 및 제1 저항인 R1, 제2 저항인 R2, 제3 저항인 R3, 제4 저항인 R4, 제5 저항인 R5, 제6 저항인 R6을 포함할 수 있다.
입력단을 통해 전원이 입력되면, D3 및 M1를 거쳐 출력단으로 출력된다. 여기서, D3는 역방향 즉 입력단으로 전원이 출력되는 것을 방지한다. D1는 과전압을 검출하고 차단하기 위하여 과전압 범위로 제너 전압이 설정될 수 있다. 예를 들어, 입력전압의 정상범위가 12 V일 때, 제너 전압은 27 V 내지 28 V로 설정될 수 있다. 이는 요구되는 사양이나 사용자에 의해 설정될 수 있다.
정상전압이 인가되는 경우, D1는 다이오드 특성에 의해 도통되지 않고, M2의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮아 오프상태를 유지한다. M2가 오프상태이면, M3는 R3를 통해 게이트에 높은 전압이 걸리게 되어 게이트-소스 전압이 문턱값보다 높아 오프상태가 된다. M3가 오프상태이면, M1는 R6과 R5의 전압 분배에 따라 게이트-소스 전압은 R6에 걸리는 전압이되고, R6에 M1의 게이트-소스 전압의 문턱값보다 낮도록 R6과 R5의 저항값을 설정하여, M1가 턴온되도록 할 수 있다. 이를 통해, 전압이 정상범위에서 D1 미도통, M2, M3는 오프, M1는 턴온하여 정상전압의 전원이 BMS(230)로 출력되도록 할 수 있다. D2은 M1에 과전압이 인가되는 것을 검출하여 방지하는 역할을 한다.
정상동작 중 D1의 제너 전압 이상의 과전압이 발생하면, D1가 도통되고, R1 및 R2의 전압분배에 따라 R2에 걸리는 전압이 M2의 게이트-소스 전압이 되는바, R2에 걸리는 전압이 M2의 게이트-소스 전압보다 커지게 되면, M2가 턴온된다. 과전압의 크기가 임계값 이상일 때, M2를 턴온되도록 임계값에 따라 R1 및 R2의 값을 설정할 수 있다.
M2가 턴온되면, R3 및 R4로 전류가 흐르게 되고, R4에 의해 M3의 게이트 전압이 낮아지고, M3의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 낮아져 턴온된다. M3가 턴온되면, R6으로 전류가 흐르지 않고, M3로 흐르기 때문에, M1의 게이트-소스 전압의 크기가 로우에서 전위차가 작아져 하이가 되고, 이로 인해, M1의 게이트-소스 전압이 문턱값보다 커지면 턴오프된다. M1가 턴오프되면 BMS(230)로 전원의 출력이 차단되어, 과전압으로부터 BMS(230)를 보호할 수 있다.
상기와 같이, 제너 다이오드와 함께, 스위치를 이용함으로써 과전압을 차단하여 부하에 연결되는 BMS 내 IC와 같은 회로 등을 보호할 수 있다. 순간적인 과전압은 제너 다이오드로 검출 및 차단하되, 연속적인 과전압에 대해서는 차례대로 동작하는 스위치를 이용하여 출력단으로의 출력을 차단할 수 있다. 이를 통해, 48 V 마일드 하이브리드 차량 등 연속적인 과전압이 발생할 수 있는 장치에 있어서, 40 V 이상의 과전압을 차단할 수 있어, 과전압 보호가 가능하다. 또한, 간단한 소자들로 회로를 구현함으로써 PCB 공간 활용에 용이하며, 회로를 추가함에도 저비용으로 구현이 가능하다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 과전압 보호 회로
110: 입력단
120: 출력단
130: 제1 스위치
140: 제1 제너 다이오드
150: 제2 스위치
160: 제3 스위치

Claims (10)

  1. 전원이 입력되는 입력단과 부하로 전원을 출력하는 출력단;
    상기 입력단과 상기 출력단 사이에 위치하여, 턴오프시 상기 부하로의 출력을 차단하는 제1 스위치;
    상기 입력단에 연결되어 과전압을 감지하여 도통하는 제1 제너 다이오드;
    상기 제1 제너 다이오드 도통시 턴온되는 제2 스위치; 및
    상기 제1 스위치가 턴온시, 턴온되는 제3 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치는,
    상기 입력단으로 입력되는 전원에 의해 턴온되고, 상기 제3 스위치가 턴온시 턴오프되는 과전압 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 PMOS이고,
    상기 제1 제너 다이오드의 캐소드는 상기 제1 스위치의 드레인과 연결되고,
    상기 제1 제너 다이오드의 애노드는 직렬로 연결되는 제1 저항 및 제2 저항을 통해 그라운드와 연결되는 과전압 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 NMOS이고,
    상기 제2 스위치의 게이트는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이 노드에 연결되고,
    상기 제2 스위치의 소스는 그라운드와 연결되고,
    상기 제2 스위치의 드레인은 직렬로 연결되는 제3 저항 및 제4 저항과 연결되는 과전압 보호 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 스위치는 PMOS이고,
    상기 제3 스위치의 게이트는 상기 제3 저항 및 상기 제4 저항 사이의 노드에 연결되고,
    상기 제3 스위치의 소스는 제5 저항을 통해 그라운드와 연결되고,
    상기 제3 스위치의 드레인은 상기 제1 스위치의 드레인과 연결되는 과전압 보호 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 게이트는 상기 제3 스위치의 소스 및 상기 제5 저항 사이 노드에 연결되고,
    상기 제1 스위치의 소소는 상기 출력단과 연결되고,
    상기 제1 스위치의 드레인은 상기 입력단과 연결되는 과전압 보호 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 게이트 및 드레인 사이에 각각 병렬로 연결되는 제6 저항 및 제2 제너 다이오드를 포함하는 과전압 보호 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제5 저항의 값이 상기 제6 저항의 값보다 크고,
    상기 제1 스위치는 상기 입력단으로 전원 입력시, 상기 제5 저항 및 상기 제6 저항의 전압분배에 의해 턴온되는 과전압 보호 회로.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 제너 다이오드는 상기 제1 스위치의 게이트에 인가되는 과전압을 검출하는 과전압 보호 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입력단은,
    배터리 또는 상기 배터리를 충전하는 DC-DC 컨버터로부터 전원을 입력받는 과전압 보호 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 출력단은,
    배터리 관리 시스템(Battery Management System)과 연결되는 과전압 보호 회로.
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