KR20230134835A - 부하 전류 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부하 전류 검출 장치에 관한 것으로, 상측 전원전압 인가단과 부하 사이에 연결되어 스위칭 제어 신호에 따라 부하에 구동전압을 공급하는 제1 트랜지스터와 전류 미러를 형성하고, 제1 트랜지스터를 통해 부하에 흐르는 부하 전류를 미러링하여 미러 전류를 생성하는 제2 트랜지스터, 제2 트랜지스터의 드레인-소스 전압이 제1 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 추종하도록 미러 전류를 전압 변환하여 감지 전압을 생성하는 전류-전압 변환부; 및 감지 전압을 전류 변환하여 검출 전류를 생성하는 전압-전류 변환부를 포함한다.

Description

부하 전류 검출 장치{LOAD CURRENT DETECTION APPARATUS}
본 발명은 부하 전류 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전원의 상측(high-side) 단자에 연결된 반도체 스위치를 통해 부하로 흐르는 부하 전류를 정밀하게 검출할 수 있는 부하 전류 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력 제어 시스템은 전력 공급원(power supply)의 상측 (high-side) 단자와 부하 사이에 하이 사이드 스위치를 연결하고, 하이 사이드 스위치를 통해 부하에 전력을 공급하거나 차단한다. 여기에서, 하이 사이드 스위치는 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 등과 같은 반도체 소자로 구현될 수 있다.
이와 같이 구성된 전력 제어 시스템은 하이 사이드 스위치를 통해 부하에 흐르는 전류를 검출하여 부하의 이상 여부를 감지하거나, 부하가 배터리 전원 장치일 경우 배터리의 사용량을 감시하는 등의 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 많은 장치가 하이 스위치를 통해 부하에 공급되는 전류를 검출하는 기능을 매우 중요한 기능으로 요구하고 있다.
그런데, 하이 사이드 스위치는 스위칭 동작을 수행하고, 소비 전력을 작게 하기 위해 온(on) 저항 값이 매우 작게 설계된다. 따라서, 하이 사이드 스위치와 직렬로 저항을 직접 연결하여 하이 사이드 스위치를 통해 부하로 흐르는 전류를 검출할 수 없다. 이에 따라, 하이 사이드 스위치를 통해 부하로 흐르는 전류를 전류 미러(current mirror) 방식으로 검출하는 방법이 제안되었다.
도 1 및 도 2는 일반적인 부하 전류 검출 장치를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 부하 전류 검출 장치(10)는 제1 트랜지스터(T1), 부하(12), 게이트 구동부(14), 제2 트랜지스터(T2) 및 전류 검출부(16)를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터(T1)는 상측 전원전압(VHH) 인가단에 연결된 하이 사이드 스위치로서, 게이트 구동부(14)에 의해 제어되어 부하(12)에 구동 전압을 공급한다.
제2 트랜지스터(T2)는 제1트랜지스터(T1)와 전류 미러를 형성하고, 제1 트랜지스터(T1)를 통해 부하(12)에 흐르는 부하 전류(I1)를 미러링하여 미러 전류(I2)를 생성한다. 전류 검출부(16)는 미러 전류(I2)의 크기를 검출한다.
여기에서, 부하 전류(I1)와 미러 전류(I2) 간의 비율은 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2) 각각의 폭(width; W)과 길이(length; L) 간의 비율, 즉 W/L에 따라 조절된다. 예를 들어, 제2 트랜지스터(T2)의 W/L을 제1 트랜지스터(T1)의 1/100000배로 형성하면, 미러 전류(I2)는 부하 전류(I1)의 1/100000에 해당하는 크기로 흐르게 된다.
그런데, 제1트랜지스터(T1)는 온(on) 저항이 매우 작으므로, 제1 트랜지스터(T1)가 온(on) 상태일 때 제1 트랜지스터(T1)의 드레인-소스 전압은 매우 작다. 일반적으로 대 전류 스위치의 경우 제1 트랜지스터(T1)의 드레인-소스 전압은 약 0.2V 이하의 값을 갖도록 설계된다.
이와 달리, 제2 트랜지스터(T2)의 W/L은 제1 트랜지스터(T1)의 W/L보다 작게 설계되고, W/L이 작을수록 온(on) 저항은 크기 때문에 제2 트랜지스터(T2)의 드레인-소스 전압은 제1 트랜지스터(T1)의 드레인-소스 전압 보다 큰 값을 갖는다.
제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2) 간의 드레인-소스 전압 간의 차이가 커질수록 부하 전류(I1)와 미러 전류(I2) 간에 오차가 발생할 수 있다. 이러한 오차를 줄이기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 트랜지스터(T2)와 전류 검출부(16) 사이에 바이어스 트랜지스터(T3)를 추가하고, 바이어스 트랜지스터(T3)를 통해 제2 트랜지스터(T2)의 드레인-소스 전압이 제1 트랜지스터(T1)의 드레인-소스 전압에 비해 큰 차이가 나지 않도록 하는 방법이 제안되었다.
그러나, 바이어스 전압(VB)은 고정된 전압 값이기 때문에, 제1 트랜지스터(T1)의 드레인-소스 전압을 정확하게 추종할 수 없다. 따라서, 이러한 방식도 전류 검출의 오차가 발생할 수 있다.
실시예는 상술한 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 전원의 상측 단자에 연결된 반도체 스위치를 통해 부하로 흐르는 부하 전류를 정밀하게 검출할 수 있는 부하 전류 검출 장치에 관한 것이다.
실시예가 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 실시예의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예에 따른 부하 전류 검출 장치는 상측 전원전압 인가단과 부하 사이에 연결되어 스위칭 제어 신호에 따라 상기 부하에 구동전압을 공급하는 제1 트랜지스터와 전류 미러를 형성하고, 상기 제1 트랜지스터를 통해 상기 부하에 흐르는 부하 전류를 미러링하여 미러 전류를 생성하는 제2 트랜지스터; 상기 제2 트랜지스터의 드레인-소스 전압이 상기 제1 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 추종하도록 상기 미러 전류를 전압 변환하여 감지 전압을 생성하는 전류-전압 변환부; 및 상기 감지 전압을 전류 변환하여 검출 전류를 생성하는 전압-전류 변환부를 포함한다.
여기에서, 상기 전류-전압 변환부는 상기 제1 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 입력받는 비반전 입력 단자, 상기 제2 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 입력받는 반전 입력 단자 및 상기 감지 전압을 출력하는 출력 단자를 포함하는 연산 증폭기; 및 상기 제2 트랜지스터와 상기 출력 단자 사이에 연결된 저항을 포함한다.
여기에서, 상기 전압-전류 변환부는 상기 감지 전압을 추종하는 전압을 생성하고, 상기 감지 전압을 추종하는 전압을 전류 변환하여 상기 검출 전류를 출력한다.
여기에서, 상기 전압-전류 변환부는 상기 상측 전원전압 인가단과 저항 사이에 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단자에 연결된 게이트 단자를 포함하는 제3 트랜지스터; 상기 제3 트랜지스터와 제1 노드 사이에 연결된 저항; 상기 제1 노드의 전압이 상기 감지 전압을 추종하도록 조절하는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기의 출력에 따라 상기 검출 전류의 크기를 조절하여 출력하는 제4 트랜지스터를 포함한다.
여기에서, 상기 전압-전류 변환부는 상기 감지 전압을 추종하여 상기 미러 전류 대비 제1 증폭도를 갖는 제1 검출 전류를 생성하는 제1 전압-전류 변환부; 및 상기 감지 전압을 추종하여 상기 미러 전류 대비 제2 증폭도를 갖는 제2 검출 전류를 생성하는 제2 전압-전류 변환부를 포함한다.
여기에서, 상기 검출 전류를 전압 변환하여 검출 전압을 출력하는 전류 검출부를 더 포함한다.
여기에서, 상기 전류 검출부는 상기 검출 전류에 비례하는 전압을 증폭하여 상기 검출 전압으로 출력한다.
여기에서, 상기 전류 검출부는 양단에 상기 검출 전류가 흐르는 검출 저항; 및 상기 검출 저항의 일단에 연결된 비반전 입력 단자, 상기 검출 저항의 타단에 연결된 반전 입력 단자 및 상기 검출 전압을 출력하는 출력 단자를 포함하는 연산 증폭기를 포함한다.
실시예에 따른 부하 전류 검출 장치는 전원의 상측 단자에 연결된 반도체 스위치를 통해 부하로 흐르는 부하 전류를 정밀하게 검출할 수 있다.
도 1및 도 2는 일반적인 부하 전류 검출 장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 전력 제어 시스템의 상세 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전력 제어 시스템에서 수행되는 부하 전류 검출 방법을 설명하기 위해 도시한 등가 회로도이다.
도 6은 도 4에 도시된 전류 검출부의 다른 실시예를 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 도시한 상세 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 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 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)은 스위칭부(110), 부하(120), 게이트 구동부(130) 및 부하 전류 검출부(140)를 포함할 수 있다. 여기에서, 스위칭부(110)는 상측 전원전압(VHH) 인가단과 제1 노드(N11) 사이에 연결되고, 스위칭 제어 신호(CONT)에 따라 구동 전압(VOUT)을 출력한다. 제1 노드(N11)는 출력 단자(TO)에 접속된다.
부하(120)는 출력 단자(TO)와 하측 전원전압(VSS) 인가단 사이에 연결되고, 스위칭부(110)를 통해 구동 전압(VOUT)을 공급받는다. 게이트 구동부(130)는 스위칭 제어 신호(CONT)를 생성하여 스위칭부(110)에 인가한다.
부하 전류 검출부(140)는 스위칭부(110)를 통해 부하(120)에 흐르는 부하 전류(I11)를 검출하고, 검출 결과를 검출 전압(VA)으로 출력한다. 부하 전류 검출부(140)는 전류 미러링부(142), 전류-전압 변환부(144), 전압-전류 변환부(146) 및 전류 검출부(148)를 포함할 수 있다.
전류 미러링부(142)는 스위칭부(110)를 통해 부하(120)에 구동 전압(VOUT)이 공급되면, 상측 전원전압(VHH) 인가단에서 부하(120)로 흐르는 부하 전류(I11)를 미러링하여 미러 전류(I12)를 생성한다. 전류 미러링부(142)는 미러 전류(I12)를 제2 노드(N12)로 출력한다. 여기에서, 전류 미러링부(142)는 부하 전류(I11)의 1/100000배로 미러링하여 미러 전류(I12)를 생성할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않는다.
전류-전압 변환부(144)는 제1 및 제2 노드(N11, N12)에 연결되고, 제2 노드(N12)의 전압이 제1 노드(N11)의 전압을 추종하도록 미러 전류(I12)를 전압 변환하여 감지 전압(V1)을 생성한다. 전류-전압 변환부(144)는 감지 전압(V1)을 전압-전류 변환부(146)로 출력한다.
전압-전류 변환부(146)는 전류-전압 변환부(144)로부터 감지 전압(V1)을 공급받아 전류 변환하여 감지 전류(I13)를 생성하고, 전류 검출부(148)로 출력한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압-전류 변환부(146)는 감지 전압(V1)을 전류의 형태로 변환하여 하측 전원전압(VSS) 인가단에 접속된 전류 검출부(148)로 전달함으로써 검출 결과가 상측 전원전압(VHH)과 하측 전원전압(VSS) 간의 차이에 영향을 받지 않도록 한다.
전류 검출부(148)는 하측 전원전압(VSS) 인가단에 접속되고, 전압-전류 변환부(146)로부터 감지 전류(I13)를 공급받아 전압 변환하여 검출 전압(VA)을 출력한다. 전류 검출부(148)는 전류-전압 변환기로 구성되어 감지 전류(I13)에 비례하는 전압을 생성하고, 증폭하여 검출 전압(VA)을 출력할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 전류 검출부(148)를 생략하고, 감지 전류(I13)를 부하 전류 검출부(140)의 최종 출력으로 이용할 수 있다. 이 경우 외부에 별도의 저항기(미도시)를 구성하여 감지 전류(I13)를 전압 변환할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 전력 제어 시스템의 상세 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부(110)는 제1 트랜지스터(T11)를 포함할 수 있다. 여기에서, 제1 트랜지스터(T11)는 상측 전원전압(VHH) 인가단에 연결된 하이 사이드 스위치로서, 부하(120)에 구동 전압(VOUT)을 공급하는 제어 스위치의 역할을 수행한다.
제1 트랜지스터(T11)는 상측 전원전압(VHH) 인가단과 제1 노드(N11) 사이에 연결되고, 스위칭 제어 신호(CONT)에 따라 구동 전압(VOUT)을 출력한다. 여기에서, 제1 트랜지스터(T11)는 NMOS 트랜지스터로 형성될 수 있다. 제1 트랜지스터(T11)는 상측 전원전압(VHH) 인가단에 연결된 드레인 단자, 제1 노드(N11)에 연결된 소스 단자 및 스위칭 제어 신호(CONT)가 인가되는 게이트 단자를 포함한다.
전류 미러링부(142)는 제2 트랜지스터(T12)를 포함할 수 있다. 여기에서, 제2트랜지스터(T12)는 제1 트랜지스터(T11)와 전류 미러를 형성한다. 제2 트랜지스터(T12)는 부하 전류(I11)를 미러링하여 미러 전류(I12)를 생성하고, 제2 노드(N12)로 출력한다.
제2 트랜지스터(T12)는 NMOS 트랜지스터로 형성될 수 있고, 상측 전원전압(VHH) 인가단에 연결된 드레인 단자, 제1 트랜지스터(T11)의 게이트 단자에 연결된 게이트 단자 및 제2 노드(N12)에 연결된 소스 단자를 포함한다.
전류-전압 변환부(144)는 제1 연산 증폭기(OPA1) 및 저항(R1)을 포함할 수 있다. 제1 연산 증폭기(OPA1)는 제1 노드(N11)에 연결된 비반전 입력 단자(+), 제2 노드(N12)에 연결된 반전 입력 단자(-) 및 출력 단자를 포함한다.
저항(R1)은 제2 노드(N12)에 연결된 일단 및 제1 연산 증폭기(OPA1)의 출력 단자에 연결된 타단을 포함한다.
전압-전류 변환부(146)는 제3 트랜지스터(T13), 제2 저항(R2), 제2 연산 증폭기(OPA2) 및 제4 트랜지스터(T14)를 포함한다. 제3 트랜지스터(T13)는 NMOS 트랜지스터로 형성될 수 있다. 제3 트랜지스터(T13)는 제1 트랜지스터(T11)의 드레인 단자에 연결된 드레인 단자, 제1 트랜지스터(T11)의 게이트 단자에 연결된 게이트 단자 및 제2 저항(R2)의 일단에 연결된 소스 단자를 포함한다.
제2 저항(R2)은 제3 트랜지스터(T13)의 소스 단자에 연결된 일단 및 제3 노드(N13)에 연결된 타단을 포함한다. 제2 저항(R2)은 제1 저항(R1)과 동일한 특성을 가질 수 있다.
제2 연산 증폭기(OPA2)는 제1 연산 증폭기(OPA1)의 출력단에 연결된 비반전 입력 단자(+), 제3 노드(N13)에 연결된 반전 입력 단자(-) 및 출력 단자를 포함한다.
제4 트랜지스터(T14)는 PMOS 트랜지스터로 형성될 수 있고, 제3 노드(N13)에 연결된 소스 단자, 제2 연산 증폭기(OPA2)의 출력 단자에 연결된 게이트 단자 및 검출 저항(RA)의 일단에 연결된 드레인 단자를 포함한다.
전류 검출부(148)는 검출 저항(RA) 및 제3 연산 증폭기(OPA3)를 포함할 수 있다. 검출 저항(RA)은 제4 트랜지스터(T14)의 드레인 단자에 연결된 일단 및 하측 전원전압(VSS) 인가단에 연결된 타단을 포함한다. 검출 저항(RA)은 제1 및 제2 저항(R1, R2)과 동일한 특성을 가질 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 전력 제어 시스템에서 수행되는 부하 전류 검출 방법을 설명하기 위해 도시한 등가 회로도이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 스위칭 제어 신호(CONT)에 의해 제1 트랜지스터(T11)가 턴 온되면 부하(120)에 구동 전압(VOUT)이 공급된다. 이때, 구동 전압(VOUT)은 상측 전원전압(VHH)에서 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)만큼 전압 강하된 전압으로 출력된다. 즉, 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)은 상측 전원전압(VHH)과 구동 전압(VOUT) 간의 차이에 대응하고, 제1 트랜지스터(T11)를 통해 흐르는 부하 전류(I11)와 스위칭 트랜지스터(T11)의 온 저항(RDSON1)의 곱에 대응하는 전압 값을 갖는다.
이 상태에서, 제2 트랜지스터(T12)는 부하 전류(I11)를 미러링하여 미러 전류(I12)를 출력한다. 이때, 미러 전류(I12)는 제1 트랜지스터(T11)와 제2 트랜지스터(T12) 간의 W/L 비율만큼 부하 전류(I11)에 비례하는 값으로 출력된다. 즉, 미러 전류(I12)는 제2 트랜지스터(T12)의 W/L 값을 제1 트랜지스터(T11)의 W/L 값으로 나눈 값에 부하 전류(I11)를 곱한 값을 갖는다. 본 발명의 일 실시예는 제1 트랜지스터(T11)와 제2 트랜지스터(T12) 간의 W/L 비율이 1/100000배인 경우로 가정하여 설명하며, 이 경우 미러 전류(I12)는 부하 전류(I11)의 1/100000만큼의 크기로 생성될 수 있다.
이때, 제2 트랜지스터(T12)의 드레인-소스 전압(VDS2)(제2 노드(N12)의 전압)은 제1 연산 증폭기(OPA1)에 의해 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)(제1 노드(N11)의 전압)을 추종한다. 제1 트랜지스터(T11)는 온 저항(RDSON1) 값이 매우 작게 설계되기 때문에, 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)은 수 mV~200mV의 매우 작은 값을 갖는다. 따라서, 제1 저항(R1)이 없을 경우 제1 연산 증폭기(OPA1)는 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)을 추종하기 어려우나, 본 발명의 일 실시예는 제1 저항(R1)을 연결하여 제1 연산 증폭기(OPA1)가 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)을 추종하도록 설계한다. 이때, 제1 연산 증폭기(OPA1)로부터 출력되는 감지 전압(V1)은 아래의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
V1=VHH-(VDS2+I12*R1)
여기에서, 제2 트랜지스터(T12)의 드레인-소스 전압(VDS2)은 미러 전류(I12)와 제2 트랜지스터(T12)의 온 저항(RDSON2)의 곱에 대응하는 전압 값을 갖는다. 이를 [수학식 1]에 대입하면 감지 전압(V1)은 아래의 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
V1=VHH-{I12*(RDSON2+R1)}
=VHH-{I12*RDSON2*(1+R1/RDSON2)}
여기에서, 1+R1/RDSON의 값은 제1 연산 증폭기(OPA1)의 증폭도(A0)에 해당한다. 이때, I12*RDSON2의 값은 제2트랜지스터(T12)의 드레인-소스 전압(VDS2)이고, 제2 트랜지스터(T12)의 드레인-소스 전압(VDS2)은 제1트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)을 추종하므로, 결국 감지 전압(V1)은 아래의 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]
V1=VHH-VDS1*A0
즉, 제1 연산 증폭기(OPA1)는 제1트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)에 대해 A0의 증폭도를 갖는 감지 전압(V1)을 출력하므로, 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)이 매우 작은 크기의 전압일지라도 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)에 비례하는 감지 전압(V1)을 출력할 수 있다.
그 다음, 제2 연산 증폭기(OPA2)는 제3 노드(N13)의 전압(V1')이 감지 전압(V1)을 추종하도록 조절된 게이트 전압(VG)을 출력한다. 이때, 제3 노드(N13)의 전압(V1')은 아래의 [수학식 4]와 같이, 제3 트랜지스터(T13)의 드레인-소스 전압(VDS3)과 제2 저항(R2)의 양단에 걸리는 전압(I13*R2)의 합과 같다.
[수학식 4]
V1'=VHH-(VDS3+I13*R2)
그 다음, 제4 트랜지스터(T14)는 게이트 전압(VG)에 따라 감지 전류(I13)를 출력한다. 즉, 제 4 트랜지스터(T14)에 의해 제3 노드(N13)의 전압(V1')이 감지 전압(V1)과 동일해지도록 감지 전류(I13)의 크기가 조절된다. 여기에서, V1'=V1을 상기한 [수학식 4]에 대입하면 아래의 [수학식 5]와 같은 관계식이 도출된다.
[수학식 5]
VDS3+I13*R3=VDS2+I12*R1
즉, 제3 트랜지스터(T13)는 제2 트랜지스터(T12)의 드레인-소스 전압(VDS2)을 상쇄시켜 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)과 제2 및 제3 트랜지스터(T12, T13)의 드레인-소스 전압(VDS2, VDS3) 간의 차이로 인해 전류 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 제4 트랜지스터(T14)를 통해 흐르는 감지 전류(I13)는 아래의 [수학식 6]과 같이, 제3 노드(N13)의 전압(V1')과 제3 트랜지스터(TR13)의 드레인-소스 전압(VDS3) 간의 전위차로 결정된다.
[수학식 6]
I13=(V1'-VDS3)/R2
이때, 제2 트랜지스터(TR12)와 제3 트랜지스터(TR13)의 W/L 값이 동일하고, 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 저항 값이 동일한 경우 감지 전류(I13)는 미러 전류(I12)와 동일하다.
이와 달리, 제3 트랜지스터(TR13)의 W/L 값을 제2 트랜지스터(TR12)의 W/L 값의 2배, 즉 제3 트랜지스터(TR13)의 온 저항(RDSON3) 값을 제2 트랜지스터(TR12)의 온 저항(RDSON2)의 1/2배로 형성하고, 제2 저항(R2)의 저항 값을 제1 저항(R1)의 1/2배로 형성한 경우 감지 전류(I13)는 미러 전류(I12)의 2배로 출력된다.
즉, 제2 트랜지스터(TR12)의 W/L 값, 제3 트랜지스터(TR13)의 W/L 값, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)의 저항 값에 따라 미러 전류(I12)에 대한 감지 전류(I13)의 증폭도(A1)가 결정될 수 있다. 즉, 증폭도(A1)는 I13/I12로 정의되고, 증폭도(A1)에 따라 미러 전류(I12)에 대한 감지 전류(I13)의 변환비가 결정될 수 있다.
감지 전류(I13)가 검출 저항(RA)의 일단에서 타단으로 흐르면, 제3 연산 증폭기(OPA3)는 검출 저항(RA)의 양단에 걸리는 전압을 증폭하여 검출 전압(VA)을 출력한다. 검출 전압(VA)은 아래의 [수학식 7]과 같다.
[수학식 7]
VA=A2*I13*RA
여기에서, A2는 제3 연산 증폭기(OPA3)의 증폭도이다.
즉, 본 발명의 일 실시예는 제2 트랜지스터(T12)의 드레인-소스 전압(VDS2)이 제1 트랜지스터(T11)의 드레인-소스 전압(VDS1)을 추종하도록 하여 미러 전류(I12)가 부하 전류(I11)에 정확하게 비례하는 값을 갖도록 하고, 미러 전류(I12)에 비례하는 감지 전압(V1)을 생성한다. 그리고, 감지 전압(V1)을 전류 변환하여 미러 전류(I12)에 비례하는 감지 전류(I13)를 생성한 후, 감지 전류(I13)의 크기를 검출하여 검출 전압(VA)으로 출력함으로써 부하 전류(I11)를 정확하게 검출할 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 전류 검출부의 다른 실시예를 도시한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 검출부(148')는 검출 저항(RA'), 제1 내지 제4 연산 증폭기(OPA11~OPA14), 제1 내지 제7 저항(R11~R17) 및 가변 저항(RV)을 포함할 수 있다. 검출 저항(RA')의 일단은 제4 트랜지스터(도 2의 T14)의 드레인 단자에 연결된 일단 및 하측 전원전압(VSS) 인가단에 연결된 타단을 포함한다.
제1 연산 증폭기(OPA11)는 검출 저항(RA')의 일단에 연결된 비반전 입력 단자(+), 제1 저항(R11)의 타단에 연결된 반전 입력 단자(-) 및 출력 단자를 포함한다. 제2 연산 증폭기(OPA12)는 검출 저항(RA')의 타단에 연결된 비반전 입력 단자(+), 제3 저항(R13)의 일단에 연결된 반전 입력 단자(-) 및 출력 단자를 포함한다.
제3 연산 증폭기(OPA13)는 제6 저항(R16)의 타단에 연결된 비반전 입력 단자(+), 제5 저항(R15)의 일단에 연결된 반전 입력 단자(-) 및 출력 단자를 포함한다. 제4 연산 증폭기(OPA14)는 제3 연산 증폭기(OPA13)의 출력 단자에 연결된 비반전 입력 단자(+), 가변 저항(RA)에 연결된 반전 입력 단자(-) 및 검출 전압(VA)을 출력하는 출력 단자를 포함한다.
제1 저항(R11)은 제1 연산 증폭기(OPA11)의 출력 단자에 연결된 일단 및 제1 연산 증폭기(OPA11)의 반전 입력 단자(-)에 연결된 타단을 포함한다. 제2 저항(R12)은 제1 저항(R11)의 타단에 연결된 일단 및 제2 연산 증폭기(OPA12)의 반전 입력 단자(-)에 연결된 타단을 포함한다.
제3 저항(R13)은 제2 저항(R12)의 타단에 연결된 일단 및 제2 연산 증폭기(OPA12)의 출력 단자에 연결된 타단을 포함한다. 제4 저항(R14)은 제3 저항(R13)의 타단에 연결된 일단 및 제5 저항(R15)의 일단에 연결된 타단을 포함한다.
제5 저항(R15)의 타단은 하측 전원전압(VSS)에 연결되고, 제6 저항(R8)은 제1 연산 증폭기(OPA11)의 출력 단자에 연결된 일단 및 제7 저항(R17)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 제7 저항(R17)의 타단은 제3 연산 증폭기(OPA13)의 출력 단자에 연결된다. 가변 저항(RV)은 제4 연산 증폭기(OPA14)의 출력 단자에 연결된 일단 및 하측 전원전압(VSS) 인가단에 연결된 타단을 포함한다.
상기한 구성을 갖는 전류 검출부(148')는 검출 저항(RA')의 양단의 전압을 제1 내지 제3 연산 증폭기(OPA11~OPA13)를 통해 증폭하여 제4 연산 증폭기(OPA14)의 비반전 단자(+)에 입력하고, 가변 저항(RV)을 통해 제4 연산 증폭기(OPA14)의 반전 단자(-)에 피드백되는 전압을 조절하여 제4 연산 증폭기(OPA14)의 증폭도를 제어한다.
이때, 가변 저항(RV)의 저항 값은 외부 저항 제어기(미도시)를 통해 제어될 수 있고, 미리 설정된 검출 전류(I13)에 대한 검출 전압(VA)의 출력 스케일에 따라 제어될 수 있다. 이와 같이, 제4 연산 증폭기(OPA14)의 증폭도를 조절하여 검출 전압(VA)의 크기를 변경 가능하게 함으로써 부하 전류 검출부(140)의 정밀도를 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 도시한 상세 회로도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100')은 스위칭부(110), 부하(120), 게이트 구동부(130) 및 부하 전류 검출부(140')를 포함할 수 있다. 여기에서, 스위칭부(110), 부하(120) 및 게이트 구동부(130)는 도 2의 구성과 동일하여 동일한 도면 번호로 도시하였으며, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
부하 전류 검출부(140')는 제1 트랜지스터(T11)를 통해 부하(120)에 흐르는 부하 전류(I11)를 검출하여 제1 및 제2 검출 전압(VA, VB)을 출력한다. 부하 전류 검출부(140')는 전류 미러링부(142), 전류-전압 변환부(144), 전압-전류 변환부(146, 146'), 전류 검출부(148, 148')를 포함할 수 있다. 여기에서, 전류 미러링부(142) 및 전류-전압 변환부(144)는 도 2의 구성과 동일하여 동일한 도면 부호로 도시하였으며, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부하 전류 검출부(140')는 전압-전류 변환부가 2개로 구성되고, 이에 대응하여 전류 검출부가 2개로 구성된다. 설명 상의 편의를 위해 전류-전압 변환부(146)를 제1 전류-전압 변환부라 하고, 전류-전압 변환부(146')를 제2 전류-전압 변환부라 한다. 마찬가지로, 전류 검출부(148)를 제1 전류 검출부라 하고, 전류 검출부(148')를 제2 전류 검출부라 하여 설명한다. 여기에서, 제1 전류-전압 변환부(146) 및 제1 전류 검출부(148)는 도 2의 구성과 동일하여 동일한 도면 부호로 도시하고, 자세한 설명은 생략한다.
제2 전압-전류 변환부(146')는 제5 트랜지스터(T15), 제3 저항(R3), 제3 연산 증폭기(OPA3) 및 제6 트랜지스터(T16)를 포함한다. 제5 트랜지스터(T15)는 제1 트랜지스터(T11)와 전류 미러를 형성하고, 제1 트랜지스터(T11)를 통해 부하(120)에 흐르는 부하 전류(I11)를 미러링하여 제2 검출 전류(I14)를 출력한다.
제3 저항(R3)은 제5 트랜지스터(T15)의 소스 단자에 연결된 일단 및 제4 노드(N14)에 연결된 타단을 포함한다. 제3 연산 증폭기(OPA3)는 감지 전압(V1)을 입력 받는 비반전 입력 단자(+), 제4 노드(N14)의 전압(V1")을 입력 받는 반전 입력 단자(-) 및 출력 단자를 포함한다.
제6트랜지스터(T16)는 제4 연산 증폭기(OPA4)의 출력에 따라 제2 검출 전류(I14)의 크기를 조절하여 출력한다. 여기에서, 제6 트랜지스터(T16)는 PMOS 트랜지스터로 형성될 수 있고, 제4 노드(N14)에 연결된 소스 단자, 제4 연산 증폭기(OPA4)의 출력 단자에 연결된 게이트 단자 및 제2 검출 저항(RB)의 일단에 연결된 드레인 단자를 포함한다.
전류 검출부(148')는 제2 검출 저항(RB) 및 제5 연산 증폭기(OPA5)를 포함할 수 있다. 제2 검출 저항(RB)은 제6 트랜지스터(T16)의 드레인 단자에 연결된 일단 및 하측 전원전압(VSS) 인가단에 연결된 타단을 포함한다.
제5 연산 증폭기(OPA5)는 제2 검출 저항(RB)의 일단에 연결된 비반전 입력 단자(+), 제2 검출 저항(RB)의 타단에 연결된 반전 입력 단자(-) 및 제2 검출 전압(VB)을 출력하는 출력 단자를 포함한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100')은 전압-전류 변환부(146, 146') 및 이에 대응하는 전류 검출부(148 148')를 복수 개로 구성하여 미러 전류(I12)에 대한 증폭도를 서로 다르게 설정할 수 있다. 즉, 제1 전압-전류 변환부(146)는 제1 증폭도(A1)만큼 제2 미러 전류(I12)에 비례하는 제1 검출 전류(I13)를 출력하도록 설정하고, 제2 전압-전류 변환부(146')는 제2 증폭도(A1')만큼 제2 미러 전류(I12)에 비례하는 제2 검출 전류(I14)를 출력하도록 설정할 수 있다.
이 경우 제1 증폭도(A1)를 소 전류 검출에 적합하게 설정하고, 제2 증폭도(A1')를 대 전류 검출에 적합하게 설정할 수 있다. 소 전류 검출의 경우 제1 트랜지스터(T11)가 정상 동작 범위 내의 부하 전류(I11)를 통전하고 있을 때 해당 부하 전류(I11)를 검출할 수 있고, 대 전류 검출의 경우 제1 트랜지스터(T11)에 부하 전류(I11)가 과 전류로 흐를 때 해당 부하 전류(I11)를 검출할 수 있다. 예를 들어, 대 전류 검출의 경우 최대 정상 부하 전류의 1.5배로 설정한 수십 밀리 초(msec)의 전류 펄스 또는 최대 정상 부하 전류의 4배로 설정한 순간적인 전류 펄스를 검출할 수 있다.
구체적으로, 부하(120)의 최대 허용 전류가 20A인 경우 부하(120)에 20A가 흐를 때 제1 검출 전압(VA)이 하측 전원전압(VSS)의 최대치에 해당하는 5V로 출력되도록 제1 검출 전류(I13)에 대한 증폭도를 설정하고, 부하(120)에 최대 허용 전류의 4배인 80A의 과전류가 흐를 때 제2 검출 전압(VB)이 5V로 출력되도록 제2 검출 전류(I14)에 대한 증폭도를 설정할 수 있다.
만약, 제1 검출 전압(VA)만 검출한다면 부하(120)에 흐르는 과전류를 검출할 수 없고, 제2 검출 전압(VB)만으로 정상 동작 전류를 측정하려면 최대 정상 동작 전류가 흐르더라도 제2 검출 전압(VB)이 1.25V로 출력되어 측정 정밀도가 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예는 제 1 및 제2 전압-전류 변환부(146. 146')의 증폭도를 다르게 설정하여 부하 전류(I11)의 검출 범위 및 정밀도를 조절할 수 있다.
이상에서 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 실시예의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 실시예의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 실시예의 권리범위에 속하는 것이다.
따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되고 예시로서 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
100, 100': 전력 제어 시스템
110: 스위칭부
120: 부하
130: 게이트 구동부
140, 140': 부하 전류 검출부

Claims (8)

  1. 상측 전원전압 인가단과 부하 사이에 연결되어 스위칭 제어 신호에 따라 상기 부하에 구동전압을 공급하는 제1 트랜지스터와 전류 미러를 형성하고, 상기 제1 트랜지스터를 통해 상기 부하에 흐르는 부하 전류를 미러링하여 미러 전류를 생성하는 제2 트랜지스터;
    상기 제2 트랜지스터의 드레인-소스 전압이 상기 제1 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 추종하도록 상기 미러 전류를 전압 변환하여 감지 전압을 생성하는 전류-전압 변환부; 및
    상기 감지 전압을 전류 변환하여 검출 전류를 생성하는 전압-전류 변환부
    를 포함하는 부하 전류 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류-전압 변환부는
    상기 제1 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 입력받는 비반전 입력 단자, 상기 제2 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 입력받는 반전 입력 단자 및 상기 감지 전압을 출력하는 출력 단자를 포함하는 연산 증폭기; 및
    상기 제2 트랜지스터와 상기 출력 단자 사이에 연결된 저항
    을 포함하는, 부하 전류 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전압-전류 변환부는
    상기 감지 전압을 추종하는 전압을 생성하고, 상기 감지 전압을 추종하는 전압을 전류 변환하여 상기 검출 전류를 출력하는, 부하 전류 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전압-전류 변환부는
    상기 상측 전원전압 인가단과 저항 사이에 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단자에 연결된 게이트 단자를 포함하는 제3 트랜지스터;
    상기 제3 트랜지스터와 제1 노드 사이에 연결된 저항;
    상기 제1 노드의 전압이 상기 감지 전압을 추종하도록 조절하는 연산 증폭기; 및
    상기 연산 증폭기의 출력에 따라 상기 검출 전류의 크기를 조절하여 출력하는 제4 트랜지스터
    를 포함하는, 부하 전류 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전압-전류 변환부는
    상기 감지 전압을 추종하여 상기 미러 전류 대비 제1 증폭도를 갖는 제1 검출 전류를 생성하는 제1 전압-전류 변환부; 및
    상기 감지 전압을 추종하여 상기 미러 전류 대비 제2 증폭도를 갖는 제2 검출 전류를 생성하는 제2 전압-전류 변환부
    를 포함하는, 부하 전류 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출 전류를 전압 변환하여 검출 전압을 출력하는 전류 검출부를 더 포함하는 부하 전류 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전류 검출부는
    상기 검출 전류에 비례하는 전압을 증폭하여 상기 검출 전압으로 출력하는, 부하 전류 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전류 검출부는
    양단에 상기 검출 전류가 흐르는 검출 저항; 및
    상기 검출 저항의 일단에 연결된 비반전 입력 단자, 상기 검출 저항의 타단에 연결된 반전 입력 단자 및 상기 검출 전압을 출력하는 출력 단자를 포함하는 연산 증폭기를 포함하는, 부하 전류 검출 장치.
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