WO2021033793A1 - 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법 - Google Patents

벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법 Download PDF

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WO2021033793A1
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capacitor
buck converter
overcurrent
voltage
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유상덕
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엘지전자 주식회사
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    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

Definitions

  • the present invention relates to a buck converter and an overcurrent protection method thereof.
  • a buck converter is a DC-DC power converter that converts a DC input voltage into a lower DC output voltage.
  • an overcurrent may be induced from a load, so an overcurrent must be recognized and cut off in advance to protect internal circuits and devices.
  • Overcurrent discharge in a buck converter can be divided into overcurrent caused by a short circuit to ground by foreign substances and temporary overcurrent generated at the load end.
  • the buck converter is basically equipped with an overcurrent protection circuit to block overcurrent due to overload.
  • a maximum current limiting technique As a conventional overcurrent protection technique, a maximum current limiting technique, a foldback current limiting technique, and a hiccup mode operation technique are mainly used.
  • the maximum current limiting technique is to limit the maximum value of the current flowing to the output stage by adjusting the PWM duty when overcurrent occurs.
  • the maximum output current flows, so there is a problem that power consumption and heat generation continue.
  • the foldback current limiting technique reduces the voltage and current flowing to the load, and in this case, there is a problem in that the load does not supply the required power.
  • the hiccup mode operation technique is a widely used technique in recent years, which shuts down the buck converter when overcurrent occurs and restarts it after the sleep time has elapsed.
  • this technique if the cause of the overcurrent is not resolved after starting, the shutdown, pause time, and starting are repeated continuously. In this process, power is continuously consumed at the load end, the heating state continues, and the deterioration of EMI characteristics continues. There is this.
  • An object of the present invention is to provide a buck converter capable of recognizing and blocking overcurrent irrespective of the amount of power and current of a load terminal, and a method for protecting the overcurrent thereof.
  • An object of the present invention is to provide a buck converter capable of minimizing power consumption in an overcurrent state due to an overload and a method for protecting the overcurrent thereof.
  • An object of the present invention is to provide a buck converter that prevents heat generation and deterioration of EMI characteristics from occurring at a load terminal even when an overcurrent occurs, and a method for protecting the overcurrent thereof.
  • An object of the present invention is to provide a buck converter capable of checking an overcurrent state due to an overload with addition of a simple configuration, and a method for protecting the overcurrent thereof.
  • An object of the present invention is to provide a buck converter that shuts down when an overcurrent due to an overload occurs, maintains a pause time until the overload condition is removed, and starts after the overload condition is removed, and a method for protecting the overcurrent thereof.
  • An object of the present invention is to provide a buck converter capable of monitoring an overload condition of a load stage and a method for protecting the overcurrent thereof.
  • a current source that applies a constant current to the output terminal is separately installed to charge the capacitor by the minimum current applied from the current source. It is determined whether an overcurrent occurs based on the applied voltage.
  • the shutdown of the buck converter can be performed by turning off all of the plurality of switches constituting the buck converter.
  • the buck converter when an overcurrent occurs, the buck converter is shut down and a minimum current is applied to the capacitor from the current source to determine whether the overcurrent occurs, so that the amount of heat generated at the load end can be minimized.
  • the plurality of switches according to the present invention may include a PMOS power transistor and an NMOS power transistor, and the PMOS power transistor is connected between an input voltage and a ground and can perform an on/off switching operation according to a control signal.
  • the transistor is connected between the PMOS power transistor and the ground, and can perform an on/off switching operation according to a control signal.
  • a switch element is connected in series to a current source that supplies current to a capacitor, and the switch element is turned on when the charging voltage of the capacitor is discharged below the reference voltage in the off state, so that current can be applied from the current source to the capacitor.
  • a discharge resistor is connected in parallel to the capacitor and a discharge switch is connected in series to the discharge resistor.
  • the discharge switch When the discharge switch is turned on for discharging the capacitor, the current by the voltage of the capacitor flows through the discharge resistor, and the capacitor is discharged. Can be.
  • the current applied from the current source to the capacitor may be a minimum current capable of charging the capacitor above the reference voltage. Accordingly, after discharging the capacitor, it is possible to determine whether the occurrence of overcurrent is eliminated by checking whether the capacitor is charged above the reference voltage.
  • the overcurrent can be continuously monitored.
  • the shut down buck converter when it is determined that the occurrence of overcurrent has been eliminated, the shut down buck converter can be started. After starting the buck converter, the application of current from the current source to the capacitor can be blocked.
  • the buck converter in the buck converter, after the application of the current from the current source is blocked, the overcurrent is checked again, and if the overcurrent is detected again, the buck converter is shut down again, and then the capacitor discharges and charges by the current from the current source. Whether the converter is started or not can be determined.
  • the buck converter and its overcurrent protection method according to the present invention have the following effects.
  • the present invention allows a minimum current to flow to the load end, it is possible to monitor the overload of the load end while minimizing heat generation and power consumption at the load end.
  • the present invention can recognize and protect overcurrent regardless of the amount of power and current at the load end.
  • the present invention can prevent heat generation and deterioration of EMI characteristics at the load end even when an overcurrent occurs.
  • the present invention shuts down when an overcurrent occurs due to an overload, maintains a pause time until the overload condition is removed, and starts after the overload condition is removed, thereby reducing power consumption and heat generation due to repetition of shutdown and start-up. have.
  • a minimum amount of current flows from the current source to the output terminal in order to check whether an overcurrent occurs after shutting down the buck converter, thereby minimizing the amount of heat generated at the load terminal.
  • FIG. 1 is a block diagram of a buck converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of protecting an overcurrent of a buck converter according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 8 are diagrams for explaining an overcurrent protection process of a buck converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a waveform diagram of an output current and an output voltage according to the overcurrent protection process.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a buck converter having an overcurrent protection function according to an embodiment of the present invention.
  • the buck converter 1 includes a control unit 100, a switching unit 200, a filter unit 300, a current supply unit 400, a current detection unit 500, and a feedback circuit. It can be configured to include 600.
  • the controller 100 controls the overall operation of the buck converter 1.
  • the controller 100 may include, for example, an On Time Controller.
  • the on-time controller may output a signal by repeating On and Off at a set time.
  • control unit 100 may include a PWM circuit.
  • the PWM circuit may switch the switches 210 and 220 of the switching unit 200 according to the PWM duty in the switching mode. During the switching period, the PWM duty may be controlled by a PWM signal generated from the controller 100.
  • control unit 100 alternately turns on/off the first switch 210 and the second switch 220 constituting the switching unit 200 according to the PWM duty, so that the input voltage of the buck converter 10 ( Vi) can be reduced to a lower output voltage (Vo).
  • the buck converter 1 may include a feedback circuit 600 to control the output voltage Vo.
  • the feedback circuit 600 outputs a feedback voltage Vfb divided from the output voltage Vo through a plurality of resistors R1 and R2.
  • the comparator 20 may compare the feedback voltage Vfb and the set reference voltage Vref to transmit an error between the two voltages to the controller 100.
  • the controller 100 may control the on/off switching of the first and second switches 210 and 220 by adjusting the PWM duty so that the transmitted error becomes 0. Through this switching control, the output voltage Vo of the output terminal can be adjusted to a desired voltage.
  • the buck converter 1 may include a soft start circuit 10.
  • the soft start circuit 10 is for adjusting the slope at which the output voltage Vo increases when the buck converter 1 is started.
  • the soft start circuit 10 outputs a soft start control signal to the control unit 100 so that the control unit 100 gradually increases the PWM duty in response to the sort start control signal.
  • the control unit 100 controls the on/off switching of the switches 210 and 220 of the switching unit 200 so that when the buck converter 1 is started, the output voltage Vo gradually increases with a constant slope. Can be controlled to increase.
  • the soft start is to prevent the output voltage Vo from rising rapidly when the buck converter 1 is initially started, and to prevent damage to internal power electronic devices as the output voltage Vo increases rapidly.
  • the soft start time may be adjusted in consideration of the current IL flowing through the inductor (L) 310 and the output voltage Vo.
  • the switching unit 200 may include a plurality of switches 210 and 220 therein.
  • a pair of switches may be provided, and preferably, a first switch 210 and a second switch 220 connected in parallel to the inductor 310 of the buck converter 1 may be provided. .
  • the first switch 210 may include a PMOS power transistor and the second switch 220 may include an NMOS power transistor.
  • the first switch 210 is connected between the input voltage Vi and the ground and can perform an on/off switching operation according to the control signal S1 of the controller 100
  • the second switch 220 is a first switch. It is connected between the switch 210 and the ground, and the on/off switching operation may be performed according to the control signal S2 of the controller 100.
  • the controller 100 may turn on the first switch 210 and turn off the second switch 220 by the control signals S1 and S2.
  • the controller 100 may turn off the first switch 210 and turn on the second switch 220 by control signals S1 and S2.
  • the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200 include an inductor so that a lower output voltage Vo is output from the input voltage Vi according to the control signals S1 and S2 generated by the control unit 100.
  • a switching operation for supplying current to 310) may be performed.
  • the filter unit 300 may be connected between the center point of the first switch 210 and the second switch 220 and the output terminal.
  • the filter unit 300 may include an inductor 310 and a capacitor (C) 320, and may optionally include filter resistors (not shown).
  • the square wave output signal output from the switching unit 200 is filtered to have a predetermined level while passing through the filter unit 300.
  • Variations in the amount of current flowing through the inductor 310 of the filter unit 300 may be detected by the current detector 500.
  • the filter unit 300 may be applied in any configuration as long as it is a device or circuit having a low pass characteristic.
  • the voltage charged in the capacitor 320 may be detected by the voltage detector 30.
  • the charging voltage of the capacitor 320 detected by the voltage detector 30 may be transmitted to the control unit 100.
  • the feedback circuit 600 may be connected between the output terminal of the buck converter 1 and the ground.
  • the feedback circuit 600 may be configured to include two or more divided resistors R1 and R2 connected in series with each other, and the output voltage Vo is divided by the divided resistors R1 and R2 to provide a feedback voltage Vfb. As a result, it may be fed back to the controller 100.
  • the current detection unit 500 may detect a current flowing through the inductor 310 to prevent excessive current from flowing through the switching unit 200.
  • the current flowing through the switching unit 200 may be applied to the inductor 310. Accordingly, the current detection unit 500 may detect a current applied to the switching unit 200 in order to detect the current flowing through the inductor 310.
  • the current detector 500 may detect the drain current of the second switch 220 to prevent excessive current from flowing through the first switch 210 constituting the switching unit 200.
  • the current supply unit 400 may apply current to the output terminal under a specific condition under the control of the controller 100. When current is applied from the current supply unit 400 to the output terminal, the current may be applied to the load RL and the capacitor 320 of the filter unit 300.
  • the current supply unit 400 may include a current source 410 supplying a constant current and a switch element 420 connected between the current source 410 and the output terminal.
  • the switching element 420 can be switched on/off under the control of the controller 100, and when the switching element 420 is turned on, the current can be applied from the current source 410 to the output terminal, and when the switching element 420 is turned off, the current can be cut off. .
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of protecting an overcurrent of a buck converter according to an embodiment of the present invention.
  • the buck converter 1 is initially started to operate the buck converter 1. To this end, when an enable signal for starting the buck converter 1 is received, the controller 100 switches the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200 through a PWM signal.
  • the smart start circuit 10 may determine a slope with respect to the rise of the output voltage Vo when the buck converter 1 is started.
  • the control unit 100 adjusts the PWM duty of the PWM signal to correspond to the slope determined by the smart start circuit 10, and turns on/off the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200 according to the adjusted PWM duty.
  • Control signals S1 and S2 for off-switching may be output to the switching unit 200.
  • the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200 may perform on/off switching according to the respective control signals S1 and S2 output from the control unit 100 so that the buck converter 1 may operate.
  • a current by the input voltage Vi may flow to the output terminal through the inductor 310.
  • the current detector 500 may detect the current flowing through the inductor 310.
  • the current detection unit 500 may detect a current applied to the first switch 210 of the switching unit 200.
  • the current detection unit 500 may transfer the detected current to the control unit 100.
  • the controller 100 may determine whether an overcurrent is detected based on the current detected by the current detection unit 500.
  • control unit 100 determines whether the overcurrent is detected, when the current detected by the current detection unit 500 is greater than a preset rated current, it may be determined that the overcurrent is detected.
  • the detected current is greater than the rated current for a certain time or more, it may be determined that the overcurrent is detected. This is because a large current may temporarily flow through elements constituting the buck converter 1 or elements of a device connected to a load terminal.
  • the peak value of the current detected by the current detector 500 continuously occurs more than a preset number of times, it may be determined that the overcurrent is detected.
  • the causes of the overcurrent may include a case where the output node and the ground are connected to each other by a foreign substance to cause a short circuit, and a case where a transient overcurrent of the system (load) connected to the buck converter is drawn.
  • overcurrent may continue to occur due to a semi-permanent fault, and in the latter case, it is temporary and can be recovered through a recovery function generally installed in the system.
  • control unit 100 may determine whether to detect overcurrent based on the current detected by the current detection unit 500.
  • S140 Overcurrent occurrence determination step
  • the controller 100 may stop the operation of the buck converter 1 when it is determined that the overcurrent is detected.
  • the control unit 100 may stop the operation of the switching unit 200.
  • the controller 100 may shut down the buck converter 1 by turning off all of the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200.
  • the controller 100 may discharge the voltage charged in the capacitor 320.
  • the charging voltage of the capacitor C may be continuously discharged below the set reference voltage V1.
  • the controller 100 shuts down the buck converter 1, that is, turns off all the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200, and then turns on the discharge switch 50 connected in parallel to the capacitor 320. Let it.
  • a discharge resistor Rdis may be connected in series to the discharge switch 50. Accordingly, when the discharge switch 50 is turned on, the capacitor 320, the discharge resistor Rdis 40 and the discharge switch 50 may form a closed circuit.
  • This discharge may proceed until the charging voltage of the capacitor 320 reaches the reference voltage V1.
  • the reference voltage V1 may be 0.1V. This reference voltage can of course be changed.
  • the voltage of the capacitor 320 may be detected by the voltage detector 30.
  • the voltage detector 30 may detect a voltage charged in the capacitor 320 while the buck converter 1 is started and operated, a voltage during discharging as described above, and a voltage after discharging.
  • the voltage of the capacitor 320 detected by the voltage detector 30 may be transmitted to the control unit 100.
  • the controller 100 may determine whether the voltage of the capacitor 320 transmitted from the voltage detector 30 is discharged below a set reference voltage V1. [S170: Discharge completion judgment step]
  • the controller 100 determines that the voltage of the capacitor 320 is discharged below the reference voltage V1, the discharge may be terminated. To this end, the control unit 100 may complete the discharge by turning off the discharge switch 50 so that the current by the voltage of the capacitor 320 no longer flows to the discharge resistor 40.
  • the controller 100 may apply a predetermined current to the output terminal by the current supply unit 400. Specifically, the control unit 100 may turn on the switch element 420 constituting the current supply unit 400.
  • a current may be applied to the output terminal from the current source 410 connected in series to the switch element 420.
  • the current applied from the current source 410 to the output terminal as described above may also be applied to the capacitor 320.
  • the capacitor 320 may be charged.
  • the output terminal from the current source 410 Since the applied current almost flows to the load terminal, a voltage substantially charged to the capacitor 320 may be low.
  • the capacitor 320 may be charged by a predetermined voltage or more by the current applied from the current source 410 to the output terminal.
  • the voltage charged in the capacitor 320 may differ depending on whether the cause of the overcurrent has been resolved. This means that it can be determined whether the cause of the overcurrent has been solved based on the voltage charged in the capacitor 320.
  • the current applied from the current source 410 to the output terminal may be very small.
  • the current source 410 may apply a current having a size sufficient to charge the capacitor 320 to check whether the overcurrent is resolved.
  • the current source 310 may apply a current of 0.5 to 2 mA.
  • a current of 1 mA can be applied.
  • Applying current from the current source 410 to the capacitor 320 as described above is a state in which the buck converter 1 is shut down due to overcurrent occurrence, that is, all the switches 210 and 220 of the switching unit 200 are turned off. Since the current by the input voltage Vi cannot be supplied to the output terminal, it is to check whether the capacitor 320 is charged by applying a predetermined current from the current source 410.
  • the voltage detector 30 may detect the charging voltage of the capacitor 320.
  • the voltage detection unit 30 may transmit the detected charging voltage to the control unit 100.
  • the control unit 100 may determine whether the charging voltage transmitted from the voltage detection unit 30 is equal to or greater than the reference voltage.
  • the reference voltage may be a minimum voltage for determining whether an overcurrent occurs based on a voltage charged in the capacitor 320.
  • the current applied from the current source 410 mostly flows to the load terminal, so that the capacitor 320 is not substantially charged.
  • the capacitor 320 may be charged with a constant voltage by the current applied from the current source 410.
  • the magnitude of the voltage charged to the capacitor 320 may correspond to the magnitude of the current applied from the current source 410.
  • control unit 100 compares the voltage charged in the capacitor 320 with the reference voltage in order to check whether the overcurrent occurs again.
  • S200 Charging voltage determination step
  • the controller 100 may determine that overcurrent is generated, and if it is less than the reference voltage, the controller 100 may determine that overcurrent does not occur.
  • control unit 100 may keep the switch element 420 on so that current is continuously supplied from the current source 410 to the capacitor 320 (step S190). .
  • control unit 100 may restart the buck converter 1.
  • the restart of the buck converter 1 may be performed by normally switching on/off the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200 in which all of the control unit 100 is turned off according to the PWM duty.
  • step S120 When the buck converter 1 is started, the process proceeds to step S120 again, and the buck converter 1 can be normally operated, and subsequent steps can be repeated.
  • FIG. 3 to 8 are views for explaining an overcurrent protection process of a buck converter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a waveform diagram of an output current and an output voltage according to the overcurrent protection process.
  • FIG 3 shows the flow of current when the buck converter 1 starts and operates normally.
  • the switching element 420 and the discharge switch 50 of the current supply unit 400 may be maintained in an off state according to the PWM duty.
  • the inductor current IL may be applied to the capacitor 320 and the load RL, respectively. Accordingly, a voltage may be charged in the capacitor 320. A constant output voltage Vo may be output to the output terminal by the load RL.
  • FIG. 4 shows an example in which a short circuit occurs in a part of a load end.
  • An overcurrent is generated by a short circuit, and the inductor current IL may be mostly consumed as a short circuit current Is.
  • the overcurrent due to the short circuit is detected by the current detection unit 500, and the control unit 100 may detect the occurrence of the overcurrent by checking the current detected by the current detection unit 500.
  • the controller 100 may determine that an overcurrent occurs.
  • the controller 100 may shut down the buck converter 1 when detecting the occurrence of an overcurrent. To this end, the control unit 100 may turn off all of the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200.
  • control unit 100 may turn on the discharge switch 50 as shown in FIG. 5.
  • the output current IL also rapidly decreases according to the discharge of the capacitor 320.
  • the voltage of the capacitor 320 may be detected in real time by the voltage detector 30.
  • the voltage detection unit 30 may transmit the detected voltage to the control unit 100.
  • the control unit 100 may check whether the voltage of the capacitor 320 detected by the voltage detector 30 is discharged below the reference voltage V1.
  • the voltage V1 set in this embodiment may be, for example, 0.1V, and of course, it may be changed.
  • the controller 100 may switch the discharge switch 50 to an off state. As a result, as shown in FIG. 6, the capacitor 320 can stop discharging.
  • FIG. 7 and 8 illustrate a process of supplying current from the current source 410 to the output terminal.
  • FIG. 7 shows a case in which the short circuit condition at the load end is not resolved
  • FIG. 8 shows a case where the short circuit condition is resolved.
  • the control unit 100 turns on the switch element 420 of the current supply unit 410 to generate a constant current IA from the current source 410 to the output terminal. Can be supplied.
  • the current IA supplied from the current source 410 may be mostly consumed as the short-circuit current Is.
  • control unit 100 may check the voltage of the capacitor 320 detected by the voltage detector 30 and confirm that the short-circuit condition at the load terminal has not been resolved based on the voltage of the capacitor 320.
  • the current applied from the current source 410 may flow to the capacitor 320 and the normal load RL.
  • the capacitor 320 may be charged with a voltage equal to or higher than the reference voltage V1.
  • the current applied from the current source 410 may be a minimum current capable of charging the voltage of the capacitor 320 charged below the reference voltage V1 to a reference voltage V or higher.
  • the capacitor 320 may be charged to the reference voltage V1 or higher by the current applied from the current source 410, in which case the controller 100 According to the set PWM duty, the first and second switches 210 and 220 of the switching unit 200 are normally switched on/off to start the buck converter 1.
  • FIG. 9 shows a graph of an output voltage Vo and an output current IL when starting the buck converter 1 in the period T3.
  • the starting of the buck converter 1 can be started with a soft start. If the buck converter 1 operates normally after the shift start, the output voltage Vo can be kept constant.

Abstract

본 발명은 과전류 보호기능을 갖는 벅 컨버터와 이러한 벅 컨버터에서의 과전류 보호방법을 제공한다. 본 발명은 DC 입력전압을 더 낮은 DC 출력전압으로 변환하는 벅 컨버터에서 출력단에 일정전류를 인가하는 전류원을 별도로 설치하여 전류원에서 인가되는 최소한의 전류에 의해 커패시터에 충전되는 전압을 기초로 과전류 발생 여부를 판단하도록 한다. 벅 컨버터에 과전류가 발생되면 벅 컨버터를 셧다운시키고 커패시터를 기준전압 미만으로 방전시킨 후 전류원에서 커패시터로 전류를 인가하여 커패시터가 기준전압 이상으로 충전되면 과전류의 원인이 해소된 것으로 판단하여 벅 컨버터를 기동시킬 수 있다.

Description

벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법
본 발명은 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법에 관한 것이다.
일반적으로 벅 컨버터(Buck Converter)는 DC 입력 전압을 보다 낮은 DC 출력 전압으로 변환하는 DC-DC 전력변환장치이다.
이러한 벅 컨버터는 부하로부터 과전류가 유발될 수 있으므로 내부의 회로 및 소자들을 보호하기 위해 과전류를 사전에 인지하여 차단해야 한다.
벅 컨버터에서의 과전류 방생은 이물질에 의한 접지와의 단락으로 인해 발생되는 과전류와 부하단에서 발생되는 일시적인 과전류로 나누어 볼 수 있다.
벅 컨버터는 기본적으로 과부하에 의한 과전류를 차단하기 위한 과전류 보호 회로가 장착되어 있다.
종래의 과전류 보호 기법으로서 최대 전류 제한기법(Max Current Limiting), 폴드백 전류 제한기법(Foldback Current Limiting), 히컵 모드 동작기법(Hiccup Mode Operation) 등이 주로 사용되고 있다.
최대 전류 제한기법은 과전류가 발생하면 PWM 듀티를 조정하여 출력단으로 흐르는 전류의 최대치를 제한하는 것이다. 하지만 이 기법에서는 최대 출력전류가 흐르기 때문에 전력소모와 발열이 계속 진행되는 문제점이 있다.
폴드백 전류 제한기법은 부하로 흐르는 전압과 전류를 감소시키는 것으로서, 이 경우 부하가 필요로 하는 전력을 공급하지 못하는 문제가 있다.
히컵 모드 동작기법은 최근에 널리 사용되는 기법으로서 과전류가 발생하면 벅 컨버터를 셧다운(shut down)시키고 휴지시간(sleep time)이 경과한 후에 다시 기동시키도록 하는 것이다. 하지만, 이 기법에서는 기동 후에도 과전류의 원인이 해소되지 않으면 셧다운, 휴지시간, 기동을 계속 반복하게 되며, 이러한 과정에서 부하단에서 전력이 계속 소모되고 발열상태가 지속되며 EMI 특성 열화가 계속 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 부하단의 전력량과 전류량에 상관 없이 과전류를 인식하여 차단할 수 있는 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 과부하에 의한 과전류 상태에서 전력소모를 최소화할 수 있는 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 과전류 발생시에도 부하단에 발열과 EMI 특성 열화 현상이 발생되지 않도록 하는 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 간단한 구성의 추가로 과부하에 의한 과전류 상태를 확인할 수 있는 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 과부하에 의한 과전류가 발생하면 셧다운시키고 과부하 상태가 제거될 때까지 휴지시간을 유지하고 과부하 상태가 제거된 된 이후에 기동시키도록 하는 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 부하단의 과부하 상태를 모니터링할 수 있도록 하는 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 설정된 PWM 듀티에 따라 복수의 스위치를 온/오프시켜 일정한 출력전압을 출력하도록 하는 벅 컨버터에서 출력단에 일정전류를 인가하는 전류원을 별도로 설치하여 전류원에서 인가되는 최소한의 전류에 의해 커패시터에 충전되는 전압을 기초로 과전류 발생 여부를 판단하도록 한다.
이를 위해, 벅 컨버터의 운전 중에 전류검출부에 의해 검출된 전류를 기초로 과전류 발생으로 판단되면 벅 컨버터를 셧다운시키고 커패시터를 기준전압 미만으로 방전시킨 이후에, 전류원에서 커패시터로 전류를 인가하여 커패시터가 기준전압 이상으로 충전되면 과전류의 원인이 해소된 것으로 판단하여 벅 컨버터를 기동시킬 수 있다.
이때, 전류원에서 커패시터로 전류를 인가하여도 커패시터가 기준전압 이상 충전되지 않으면 과전류의 원인이 해소되지 않은 것으로 판단하여 벅 컨버터를 기동시키지 않을 수 있다.
이때, 벅 컨버터의 셧다운은 벅 컨버터를 구성하는 복수의 스위치를 모두 오프시킴으로써 수행될 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에 따른 벅 컨버터에서는 과전류 발생시 벅 컨버터를 셧다운시키고 과전류 발생 여부를 판단하기 위해 전류원에서 최소한의 전류를 커패시터로 인가하므로 부하단의 발열량을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 복수의 스위치는 PMOS 파워 트랜지스터 및 NMOS 파워 트랜지스터를 포함할 수 있으며, PMOS 파워 트랜지스터는 입력전압과 접지 사이에 연결되고 제어신호에 따라 온/오프 스위칭 동작을 수행할 수 있으며, NMOS 파워 트랜지스터는 PMOS 파워 트랜지스터와 접지 사이에 연결되고 제어신호에 따라 온/오프 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 벅 컨버터는 커패시터로 전류를 공급하는 전류원에 스위치소자가 직렬연결되고, 스위치소자는 오프상태에서 커패시터의 충전전압이 기준전압 미만으로 방전되면 온되어 전류원에서 커패시터로 전류가 인가될 수 있다.
본 발명의 벅 컨버터는 커패시터에 방전저항이 병렬연결되고 방전저항에 방전스위치가 직렬연결되며, 커패시터의 방전을 위해 방전스위치가 온되면 커패시터의 전압에 의한 전류가 방전저항을 통해 흐르게 되어 커패시터가 방전될 수 있다.
본 발명의 벅 컨버터는 전류원에서 커패시터로 인가되는 전류는 커패시터를 기준전압 이상으로 충전시킬 수 있는 최소한의 전류가 될 수 있다. 이로써 커패시터의 방전 이후에 기준전압 이상으로 커패시터가 충전되는지를 확인하여 과전류 발생이 해소되었는지를 판단할 수 있다.
이때, 커패시터가 기준전압 이상으로 충전되는지를 확인하여 기준전압 이상으로 충전되면 과전류 발생이 해소된 것으로 판단할 수 있고 기준전압 이상으로 충전되지 않으면 과전류 발생이 해소되지 않은 것으로 판단할 수 있으므로, 전류원에서 최소한의 전류를 커패시터에 인가하여 과전류 발생 여부를 계속 모니터링 할 수 있다.
본 발명의 벅 컨버터에서는 과전류 발생이 해소된 것으로 판단되면 셧다운된 벅 컨버터를 기동시킬 수 있다. 벅 컨버터의 기동 이후에는 전류원에서 커패시터로 전류의 인가를 차단할 수 있다.
또한, 상기 벅 컨버터에서는 전류원에서의 전류인가를 차단한 이후에는, 다시 과전류 발생여부를 확인하여 과전류가 재검출되면 벅 컨버터를 다시 셧다운시킨 후 커패시터의 방전과 전류원의 전류에 의한 충전을 진행하여 벅 컨버터의 기동여부를 판단할 수 있다.
이로써, 벅 컨버터를 기동한 이후에도 과전류 검출을 계속하여 과전류 발생 해소 여부를 계속 모니터링하도록 한다.
본 발명에 따른 벅 컨버터 및 그의 과전류 보호방법은 다음과 같은 효과들을 갖는다.
첫째, 본 발명은 최소한의 전류를 부하단으로 흐르게 하기 때문에 부하단에서의 발열과 전력소모를 최소화하면서 부하단의 과부하를 모니터링할 수 있다.
둘째, 본 발명은 부하단의 전력량과 전류량에 상관 없이 과전류를 인식하여 보호할 수 있다.
셋째, 본 발명은 과전류 발생시에도 부하단에 발열과 EMI 특성 열화 현상이 발생되지 않도록 할 수 있다.
넷째, 본 발명은 과부하에 의한 과전류가 발생하면 셧다운시키고 과부하 상태가 제거될 때까지 휴지시간을 유지하고 과부하 상태가 제거된 된 이후에 기동시킴으로써 셧다운과 기동의 반복에 따른 전력소모 및 발열을 줄일 수 있다.
다섯째, 본 발명은 벅 컨버터를 셧다운시킨 후 과전류 발생 여부를 확인하기 위해 전류원에서 최소한의 전류를 출력단으로 흐르게 하므로 부하단에 발열량을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 벅 컨버터의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 벅 컨버터의 과전류 보호방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 벅 컨버터의 과전류 보호과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 상기 과전류 보호과정에 따른 출력전류 및 출력전압의 파형도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 과전류 보호기능을 구비한 벅 컨버터의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 벅 컨버터(1)는 제어부(100), 스위칭부(200), 필터부(300), 전류공급부(400), 전류검출부(500) 및 피드백회로(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(100)는 벅 컨버터(1)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(100)는 예컨대 온 타임 컨트롤러(On Time Controller)를 포함할 수 있다. 온 타임 컨트롤러는 설정된 시간으로 온(On)과 오프(Off)를 반복하여 신호를 출력할 수 있다.
특히, 제어부(100)는 PWM 회로를 포함할 수 있다. PWM 회로는 스위칭 모드에서 PWM 듀티에 따라 스위칭부(200)의 스위치(210,220)를 스위칭할 수 있다. 스위칭 구간 동안 PWM 듀티는 제어부(100)에서 발생되는 PWM 신호에 의해 제어될 수 있다.
이와 같이, 제어부(100)는 PWM 듀티에 따라 스위칭부(200)를 구성하는 제1스위치(210) 및 제2스위치(220)를 교대로 온/오프 스위칭함으로써 벅 컨버터(10)의 입력전압(Vi)을 더 낮은 출력전압(Vo)으로 감소시키도록 할 수 있다.
벅 컨버터(1)는 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 피드백회로(600)를 포함할 수 있다. 피드백회로(600)는 출력전압(Vo)을 복수의 저항(R1,R2)을 통해 분압된 피드백전압(Vfb)을 출력한다.
비교기(20)는 피드백전압(Vfb)과 설정된 레퍼런스전압(Vref)을 비교하여 두 전압의 오차를 제어부(100)로 전달할 수 있다.
제어부(100)는 전달받은 오차가 0이 되도록 PWM 듀티를 조정함으로써 제1,2스위치(210,220)의 온/오프 스위칭을 제어할 수 있다. 이러한 스위칭 제어를 통해 출력단의 출력전압(Vo)을 원하는 전압으로 조정할 수 있다.
벅 컨버터(1)는 소프트 스타트(Soft Start) 회로(10)를 포함할 수 있다. 소프트 스타트 회로(10)는 벅 컨버터(1)의 기동시 출력전압(Vo)이 증가하는 기울기를 조절하기 위한 것이다.
소프트 스타트 회로(10)는 소프트 스타트 제어신호를 제어부(100)로 출력함으로써 제어부(100)가 소트트 스타트 제어신호에 대응하여 PWM 듀티가 서서히 증가되도록 한다.
이러한 PWM 듀티에 따라 제어부(100)는 스위칭부(200)의 스위치(210,220)의 온/오프 스위칭을 제어하여 벅 컨버터(1)가 기동할 때 출력전압(Vo)이 일정한 기울기(slope)로 서서히 증가하도록 제어할 수 있다.
소프트 스타트는 벅 컨버터(1)의 초기기동시 출력전압(Vo)이 급격히 상승하는 것을 방지하기 위한 것으로서 출력전압(Vo)이 급격히 상승함에 따라 내부의 전력전자소자들이 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다.
소프트 스타트 시간은 인덕터(L)(310)에 흐르는 전류(IL) 및 출력전압(Vo)을 고려하여 조정될 수 있다.
스위칭부(200)는 상술한 바와 같이 내부에 복수의 스위치(210,220)를 포함할 수 있다. 벅 컨버터(1)에서는 스위치가 한 쌍으로 구비될 수 있으며, 바람직하게는 벅 컨버터(1)의 인덕터(310)에 병렬연결된 제1스위치(210) 및 제2스위치(220)가 구비될 수 있다.
제1스위치(210)는 PMOS 파워 트랜지스터를 포함할 수 있고 제2스위치(220)는 NMOS 파워 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제1스위치(210)는 입력전압(Vi)과 접지 사이에 연결되고 제어부(100)의 제어신호(S1)에 따라 온/오프 스위칭 동작을 수행할 수 있으며, 제2스위치(220)는 제1스위치(210)와 접지 사이에 연결되고 제어부(100)의 제어신호(S2)에 따라 온/오프 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
제어부(100)는 예컨대 PWM 신호가 하이(high) 신호이면 제어신호(S1,S2)에 의해 제1스위치(210)를 온시키고 제2스위치(220)를 오프시킬 수 있다.
제어부(100)는 예컨대 PWM 신호가 로우(low) 신호이면 제어신호(S1,S2)에 의해 제1스위치(210)를 오프시키고 제2스위치(220)를 온시킬 수 있다.
이러한 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)는 제어부(100)에서 생성된 제어신호(S1,S2)에 따라 입력전압(Vi)으로부터 더 낮은 출력전압(Vo)이 출력되도록 인덕터(310)에 전류를 공급하기 위한 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
필터부(300)는 제1스위치(210)과 제2스위치(220)의 중심점과 출력단 사이에 연결될 수 있다.
필터부(300)는 인덕터(310)와 커패시터(C)(320)를 포함하여 구성될 수 있으며, 선택적으로 필터용 저항들(미도시)을 포함할 수 있다.
스위칭부(200)로부터 출력되는 구형파 출력신호는 필터부(300)를 거치면서 일정 레벨을 갖도록 필터링된다.
필터부(300)의 인덕터(310)에 흐르는 전류량의 변동은 전류검출부(500)에서 감지될 수 있다.
본 실시예에서 필터부(300)는 저역통과의 특성을 가진 소자나 회로라면 어떠한 구성도 적용이 가능할 것이다.
커패시터(320)에 충전되는 전압은 전압검출부(30)에서 검출될 수 있다. 전압검출부(30)에서 검출된 커패시터(320)의 충전전압은 제어부(100)로 전달될 수 있다.
피드백회로(600)는 벅 컨버터(1)의 출력단과 접지 사이에 연결될 수 있다.
피드백회로(600)는 서로 직렬연결된 2개 이상의 분압저항(R1,R2)을 포함하여 구성될 수 있으며, 이들 분압저항(R1,R2)에 의해 출력전압(Vo)이 분압되어 피드백전압(Vfb)으로 제어부(100)에 피드백될 수 있다.
전류검출부(500)는 스위칭부(200)에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 인덕터(310)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
스위칭부(200)에 흐르는 전류는 인덕터(310)로 인가될 수 있다. 따라서, 전류검출부(500)에서 인덕터(310)에 흐르는 전류를 검출하기 위해 스위칭부(200)로 인가되는 전류를 검출할 수 있다.
한편, 전류검출부(500)는 스위칭부(200)를 구성하는 제1스위치(210)에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 제2스위치(220)의 드레인 전류를 검출할 수도 있다.
전류공급부(400)는 제어부(100)의 제어에 의해 특정조건에서 전류를 출력단으로 인가할 수 있다. 전류공급부(400)에서 출력단으로 전류가 인가되면 그 전류는 부하(RL)와 필터부(300)의 커패시터(320)로 인가될 수 있다.
전류공급부(400)는 일정 전류를 공급하는 전류원(410) 및 전류원(410)과 출력단 사이에 연결된 스위치소자(420)를 포함하여 구성될 수 있다.
스위치소자(420)는 제어부(100)의 제어에 의해 온/오프 스위칭될 수 있으며 스위칭소자(420)가 온되면 전류원(410)에서 전류가 출력단으로 인가될 수 있고 오프되면 전류가 차단될 수 있다.
스위치소자(420)가 온되어 전류원(410)에서 전류가 출력단으로 인가되면 해당 전류는 커패시터(320)로 인가되어 커패시터(320)를 충전시킬 수 있다. 이로써 커패시터(320)에 전압이 충전될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 벅 컨버터의 과전류 보호방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 벅 컨버터(1)를 동작시키기 위해 벅 컨버터(1)를 초기기동시킨다. 이를 위해 제어부(100)는 벅 컨버터(1)의 기동을 위한 인에이블신호가 수신되면 PWM 신호를 통해 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)를 스위칭시킨다.
이때, 스마트 스타트 회로(10)는 벅 컨버터(1)의 기동시 출력전압(Vo)의 상승에 대한 기울기를 결정할 수 있다.
제어부(100)는 스마트 스타트 회로(10)에서 결정된 기울기에 대응하도록 PWM 신호의 PWM 듀티를 조정하고, 그 조정된 PWM 듀티에 따라 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)의 온/오프 스위칭을 위한 제어신호(S1,S2)를 스위칭부(200)로 출력할 수 있다. [S110 : 벅 컨버터 기동 단계]
스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)는 제어부(100)에서 출력되는 각 제어신호(S1,S2)에 따라 온/오프 스위칭을 수행하여 벅 컨버터(1)가 동작할 수 있다.
이러한 스위칭에 의해 입력전압(Vi)에 의한 전류가 인덕터(310)를 통해 출력단으로 흐를 수 있다.
이 과정에서 커패시터(320)에도 전류가 흘러 커패시터(320)에 전압이 충전될 수 있다. 커패시터(320)에 충전되는 전압은 전압검출부(30)에 의해 검출될 수 있다.
전류는 부하(RL)로도 흐르게 되며 출력단에는 출력전압(Vo)이 형성될 수 있다. 전류검출부(500)에서 검출되는 인덕터 전류(IL)는 출력단의 부하(RL)로 흐르는 전류와 동일하다. [S120 : 벅 컨버터 운전 단계]
벅 컨버터(1)가 운전중에 스위칭부(200)에서 출력되는 전류가 인덕터(310)로 흐를 때 전류검출부(500)는 인덕터(310)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
한편, 전류검출부(500)는 스위칭부(200)의 제1스위치(210)로 인가되는 전류를 검출할 수도 있다.
전류검출부(500)는 검출된 전류를 제어부(100)로 전달할 수 있다.
제어부(100)는 전류검출부(500)에서 검출된 전류를 기초로 과전류가 검출되었는지를 판단할 수 있다.
제어부(100)에서 과전류 검출 여부의 판단시 전류검출부(500)에서 검출된 전류가 기설정된 정격전류보다 클 경우에 과전류가 검출된 것으로 판단할 수 있다.
한편, 검출된 전류가 정격전류보다 일정시간 이상 클 경우에 과전류가 검출된 것으로 판단할 수도 있다. 왜냐하면, 벅 컨버터(1)를 구성하는 소자 또는 부하단에 연결된 장치의 소자들에 의해 일시적으로 대전류가 흐를 수 있기 때문이다.
본 실시예에서는 부하단에서 과부하에 의한 과전류를 판단하기 위해 일정시간 이상 정격전류 이상의 대전류가 흐를 경우에 과전류 검출로 판단할 수 있다.
다른 실시예에서, 전류검출부(500)에서 검출된 전류의 피크치가 연속적으로 기설정된 횟수 이상 발생할 경우에 과전류가 검출된 것으로 판단할 수도 있다.
과전류의 발생원인으로는 출력노드와 접지가 이물질 등에 의해 서로 연결되어 단락이 되는 경우와 벅 컨버터에 연결된 시스템(부하)의 과도적인 과전류를 인출하는 경우 등이 있을 수 있다.
전자의 경우 반영구적인 결함으로써 과전류가 계속해서 발생할 수 있으며, 후자의 경우는 일시적인 것으로서 일반적으로 시스템에 탑재된 회복기능(Recovery Function)을 통해 회복이 가능할 수 있다.
이와 같이, 제어부(100)에서는 전류검출부(500)에 의해 검출되는 전류를 기초로 과전류 검출여부를 판단할 수 있다. [S140 : 과전류 발생 판단 단계]
과전류가 검출되면 벅 컨버터(1)를 구성하는 내부 소자들에 손상을 줄 수 있다. 따라서 과전류가 발생하면 이에 대한 보호기능이 수행되어야 한다.
특히, 과전류는 스칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)를 통해 흐르게 되므로 이들 스위치에 손상을 줄 수 있다.
따라서, 제어부(100)는 과전류가 검출된 것으로 판단하면 벅 컨버터(1)의 동작을 정지시킬 수 있다. 예컨대, 제어부(100)는 스위칭부(200)의 동작을 정지시킬 수 있다. 상세하게는, 제어부(100)가 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)를 모두 오프시켜 벅 컨버터(1)를 셧다운(shut down)시킬 수 있다.
제1,2스위치(210,200)가 오프상태가 되면 입력전압(Vi)에 의한 전류의 인가가 차단되어 출력단으로 전류가 더 이상 흐르지 않게 된다. [S150 : 벅 컨버터 셧다운 단계]
벅 컨버터(1)가 셧다운되면 제어부(100)는 커패시터(320)에 충전된 전압을 방전시키도록 할 수 있다. 이때, 커패서터(C)의 충전전압을 설정된 기준전압(V1) 미만으로 계속 방전되도록 할 수 있다.
이를 위해 제어부(100)는 벅 컨버터(1)의 셧다운, 즉 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)를 모두 오프시킨 후, 커패시터(320)에 병렬연결된 방전스위치(50)를 온시킨다.
방전스위치(50)에는 직렬로 방전저항(Rdis)가 연결될 수 있다. 이에 방전스위치(50)가 온되면 커패시터(320), 방전저항(Rdis)(40) 및 방전스위치(50)는 폐회로를 형성할 수 있다.
이로써, 커패시터(320)에 충전된 전압에 의해 전류가 방전저항(40) 및 방전스위치(50)를 통해 흐르게 되고 커패시터(320)의 충전전압은 방전될 수 있다.
이러한 방전은 커패시터(320)의 충전전압이 기준전압(V1)이 될 때까지 진행될 수 있다. 본 실시예에서 기준전압(V1)은 0.1V가 될 수 있다. 이러한 기준전압은 물론 변경될 수 있다. [S160 : 커패시터 방전 단계]
커패시터(320)의 전압은 전압검출부(30)에 의해 검출될 수 있다.
이러한 전압검출부(30)는 벅 컨버터(1)가 기동되어 운전되는 동안에 커패시터(320)에 충전되는 전압과 상기와 같이 방전이 진행되는 동안의 전압, 그리고 방전 후의 전압을 검출할 수 있다.
전압검출부(30)에 의해 검출되는 커패시터(320)의 전압은 제어부(100)로 전달될 수 있다.
제어부(100)는 전압검출부(30)에서 전달되는 커패시터(320)의 전압이 설정된 기준전압(V1) 미만으로 방전되었는지를 판단할 수 있다. [S170 : 방전완료 판단 단계]
제어부(100)에서 커패시터(320)의 전압이 기준전압(V1) 미만으로 방전된 것으로 판단하면 방전을 종료할 수 있다. 이를 위해 제어부(100)는 방전스위치(50)를 오프시켜 커패시터(320)의 전압에 의한 전류가 더 이상 방전저항(40)으로 흐르지 않도록 함으로써 방전을 완료할 수 있다.
제어부(100)는 방전이 완료되면 전류공급부(400)에 의해 일정 전류가 출력단으로 인가되도록 할 수 있다. 구체적으로, 제어부(100)는 전류공급부(400)를 구성하는 스위치소자(420)를 온시킬 수 있다.
스위치소자(420)가 온되면 스위치소자(420)에 직렬연결된 전류원(410)에서 전류가 출력단으로 인가될 수 있다.
이때, 상기와 같이 전류원(410)으로부터 출력단으로 인가되는 전류는 커패시터(320)로도 인가될 수 있다. 커패시터(320)로 전류가 인가되면 커패시터(320)가 충전될 수 있다.
여기서, 만약 과전류를 발생시키는 원인이 해소되지 않아 과전류가 계속 발생되는 경우, 즉 예컨대 벅 컨버터(1)에 연결된 부하단에 과부하가 해소가 되지 않아 과전류를 계속 소모하는 경우에는 전류원(410)에서 출력단으로 인가되는 전류가 부하단으로 거의 대부분 흐르기 때문에 커패시터(320)에는 실질적으로 충전되는 전압이 낮을 수 있다.
반대로, 과전류의 원인이 해소된 상태에서는 전류원(410)에서 출력단으로 인가하는 전류에 의해 커패시터(320)는 일정 전압 이상 충전될 수 있다.
따라서, 과전류의 원인이 해소되었는지 여부에 따라 커패시터(320)에 충전되는 전압은 차이가 발생할 수 있다. 이는 커패시터(320)에 충전되는 전압을 기초로 과전류의 원인이 해소되었는지를 판단할 수 있다는 것이다.
한편, 전류원(410)에서 출력단으로 인가하는 전류는 매우 작을 수 있다. 이러한 전류원(410)은 과전류의 해소여부를 확인하기 위해 커패시터(320)를 충전할 수 있는 정도의 크기를 갖는 전류를 인가할 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서 전류원(310)은 0.5~2㎃의 전류를 인가할 수 있다. 바람직하게는 1㎃의 전류를 인가할 수 있다.
전류원(410)에서 인가되는 전류가 2㎃보다 크면 부하단에서 발열량이 증가될 수 있고 0.5㎃보다 작으면 커패시터(320)에 충전되는 전압이 작아 충전전압을 검출하기가 어려울 수 있다. [S190 : 커패시터 충전 단계]
상기와 같이 전류원(410)에서 커패시터(320)으로 전류를 인가하는 것은 벅 컨버터(1)가 과전류 발생으로 인해 셧다운된 상태이므로, 즉 스위칭부(200)의 모든 스위치(210,220)가 오프된 상태이므로 입력전압(Vi)에 의한 전류가 출력단으로 공급될 수 없기 때문에, 전류원(410)에서 소정의 전류를 인가하여 커패시터(320)에 충전이 되는지 여부를 확인하기 위한 것이다.
전류원(410)에서 공급되는 전류에 의해 커패시터(320)에 충전이 되는지를 확인하기 위해 전압검출부(30)에서 커패시터(320)의 충전전압을 검출할 수 있다.
전압검출부(30)는 검출된 충전전압을 제어부(100)로 전달할 수 있다.
제어부(100)는 전압검출부(30)로부터 전달된 충전전압이 기준전압 이상인지를 판단할 수 있다.
이때, 상기 기준전압은 커패시터(320)에 충전되는 전압을 기초로 과전류 발생 여부를 판단하기 위한 최소한의 전압일 수 있다.
구체적으로, 상술한 바와 같이 과전류가 발생한 상태에서는 전류원(410)에서 인가되는 전류는 부하단으로 대부분 흐르기 때문에 커패시터(320)에는 실질적으로 충전이 되지 않는다.
만약, 과부하 조건이 제거되어 과전류 발생 원인이 제거되면 전류원(410)에서 인가되는 전류에 의해 커패시터(320)에는 일정한 전압이 충전될 수 있다.
이때, 커패시터(320)에 충전되는 전압의 크기는 전류원(410)에서 인가되는 전류의 크기에 대응될 수 있다.
따라서, 커패시터(320)에 충전되는 전압이 기준전압 미만이면 과부하에 의한 과전류 발생 조건이 계속 유지되는 상태로서 과전류 발생이 해소되지 않은 것이다.
반대로, 커패시터(320)의 충전전압이 기준전압 이상이면 과부하 조건이 해소된 것으로서 과전류가 발생하지 않는다는 것이다.
이에, 과전류 발생 여부를 재차 확인하기 위해 제어부(100)는 커패시터(320)에 충전되는 전압과 기준전압을 비교한다. [S200 : 충전전압 판단 단계]
제어부(100)는 커패시터(320)의 충전전압이 기준전압 이상이면 과전류 발생으로 판단하고 기준전압 미만이면 과전류가 발생하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
만약, 과전류가 계속 발생하는 것으로 판단되면 제어부(100)는 계속 스위치소자(420)를 온으로 유지하여 전류원(410)에서 커패시터(320)로 전류가 계속 공급도히도록 할 수 있다(S190 단계).
만약, 과전류가 발생하지 않는 것으로 판단되면 제어부(100)는 벅 컨버터(1)를 재기동할 수 있다.
벅 컨버터(1)의 재기동은 제어부(100)가 모두 오프되어 있는 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)를 PWM 듀티에 따라 정상적으로 온/오프 스위칭시킴으로써 실행될 수 있다.
이때, 벅 컨버터(1)의 기동 및 재기동시에는 소프트 스타트 회로(10)에 의해 출력전압(Vo)이 일정한 기울기로 상승하도록 할 수 있다. [S210 : 벅 컨버터 재기동 단계]
벅 컨버터(1)가 기동되면 다시 S120 단계로 진행하여 벅 컨버터(1)가 정상적으로 운전될 수 있으며, 이후 단계들을 반복할 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 벅 컨버터의 과전류 보호과정을 설명하기 위한 도면들이고, 도 9는 상기 과전류 보호과정에 따른 출력전류 및 출력전압의 파형도이다.
도 3은 벅 컨버터(1)가 기동하여 정상적으로 운전하는 경우 전류의 흐름을 도시한다. 벅 컨버터(1)가 정상운전시에는 PWM 듀티에 따라 전류공급부(400)의 스위치소자(420)와 방전스위치(50)가 각각 오프 상태를 유지할 수 있다.
이때, 인덕터 전류(IL)는 커패시터(320)와 부하(RL)로 각각 인가될 수 있다. 이로 인해 커패시터(320)에는 전압이 충전될 수 있다. 부하(RL)에 의해 출력단에는 일정한 출력전압(Vo)가 출력될 수 있다.
도 4는 부하단의 일부에 단락이 발생한 예를 도시한다. 단락에 의해 과전류가 발생되고 인덕터 전류(IL)는 대부분 단락전류(Is)로 소비될 수 있다.
단락에 의한 과전류는 전류검출부(500)에서 검출되며, 제어부(100)는 전류검출부(500)에 의해 검출되는 전류를 확인하여 과전류가 발생함을 감지할 수 있다.
한편, 제어부(100)는 전류검출부(500)에 의해 검출되는 인덕터 전류(IL)의 피크값이 설정된 횟수 이상인 경우에 과전류 발생으로 판단할 수도 있다.
제어부(100)는 과전류 발생을 감지하면 벅 컨버터(1)를 셧다운시킬 수 있다. 이를 위해 제어부(100)는 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)를 모두 오프시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, PWM 듀티에 따라 벅 컨버터(1)가 동작하는 중에(T1 구간), 과전류가 발생하면 벅 컨버터(1)가 셧다운되고 PWM 스위칭은 진행되지 않는다(T2 구간).
제어부(100)는 벅 컨버터(1)가 셧다운되면 도 5와 같이 방전스위치(50)를 온으로 전환할 수 있다.
방전스위치(50)기 온되면 커패시터(320)에 충전된 전압에 의해 전류가 방전저항(Rdis)(40) 및 방전스위치(50)를 통해 흐를 수 있다. 이로써 커패시터(320)에 충전된 전압은 도 9에서와 같이 방전될 수 있다.
도 9와 같이 커패시터(320)의 방전에 따라 출력전류(IL)도 급격히 감소하게 된다.
커패시터(320)의 전압은 전압검출부(30)에 의해 실시간으로 검출될 수 있다. 전압검출부(30)는 검출된 전압을 제어부(100)로 전달할 수 있다.
제어부(100)는 전압검출부(30)에서 검출되는 커패시터(320)의 전압이 기준전압(V1) 미만으로 방전되는지를 확인할 수 있다. 본 실시예에서 설정된 전압(V1)은 예컨대 0.1V가 될 수 있으며, 변경도 물론 가능하다.
커패시터(320)의 전압이 기준전압(V1) 미만으로 방전되면 제어부(100)는 방전스위치(50)를 오프 상태로 전환할 수 있다. 이로써 도 6과 같이 커패시터(320)는 방전을 멈출 수 있다.
도 7 및 도 8은 전류원(410)에서 출력단으로 전류를 공급하는 과정을 도시한다. 다만, 도 7은 부하단에 단락 상태가 해소되지 않은 경우이고 도 8은 단락 상태가 해소된 경우를 도시한다.
커패시터(320)의 전압이 기준전압(V1) 미만으로 방전되면 제어부(100)는 전류공급부(410)의 스위치소자(420)를 온으로 전환하여 전류원(410)에서 출력단으로 일정 전류(IA)가 공급될 수 있다.
도 7의 경우 부하단에서 단락 상태가 해소되지 않았으므로 전류원(410)에서 공급되는 전류(IA)는 대부분 단락전류(Is)로 소모될 수 있다.
이 경우 커패시터(320)에는 전류가 흐르지 않기 때문에 커패시터(320)에는 실질적으로 전압이 충전되지 않는다.
이에, 제어부(100)는 전압검출부(30)에서 검출되는 커패시터(320)의 전압을 확인하여 커패시터(320)의 전압을 기초로 부하단에 단락 상태가 해소되지 않았음을 확인할 수 있다.
하지만, 도 8과 같이 부하단에 단락 상태가 해소된 경우에는 전류원(410)에서 인가되는 전류는 커패시터(320)와 정상적인 부하(RL)로 흐를 수 있다.
이로써, 커패시터(320)에는 전압이 기준전압(V1) 이상으로 충전될 수 있다.
이때, 전류원(410)에서 인가되는 전류는 반드시 기준전압(V1) 미만으로 충전되어 있는 커패시터(320)의 전압을 기준전압(V) 이상으로 충전시킬 수 있는 최소한의 전류가 될 수 있다.
왜냐하면, 커패시터(320)를 기준전압(V1) 미만으로 방전시킨 후 전류원(410)에서 전류를 인가하여 커패시터(320)가 다시 기준전압(V1) 이상으로 충전되는지를 확인하여 과전류가 해소되는지를 판단해야 하기 때문이다.
만약, 전류원(410)에서 인가되는 전류가 상기 최소한의 전류보다 작아서 커패시터(320)를 기준전압(V1) 이상으로 충전시키지 못한다면 과전류가 해소되었는지를 판단할 수 없게 된다.
이와 같이, 부하단에 단락 상태가 해소되어 과전류가 발생하지 않으면 전류원(410)로부터 인가되는 전류에 의해 커패시터(320)는 기준전압(V1) 이상으로 충전될 수 있으며, 이 경우 제어부(100)는 설정된 PWM 듀티에 따라 스위칭부(200)의 제1,2스위치(210,220)를 정상적으로 온/오프 스위칭하여 벅 컨버터(1)를 기동시킬 수 있다.
도 9에는 T3 구간에서 벅 컨버터(1)를 기동시킬 때 출력전압(Vo) 및 출력전류(IL)의 그래프를 도시한다. 벅 컨버터(1)의 기동은 소프트 스타트로 기동될 수 있다. 스프트 스타트 이후에 벅 컨버터(1)가 정상동작하면 출력전압(Vo)은 일정하게 유지될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (22)

  1. 복수의 스위치를 이용하여 입력전압을 출력전압으로 변환하는 스위칭부;
    인덕터 및 커패시터로 구성되고 상기 출력전압을 정류하는 필터부;
    상기 인덕터의 전류를 검출하는 전류검출부;
    상기 커패시터로 전류를 인가하기 위한 전류공급부;
    상기 전류검출부에서 과전류가 검출되면 상기 스위칭부의 동작을 정지시키고 상기 커패시터의 충전전압을 기준전압 미만으로 방전시킨 후 상기 전류공급부에서 인가되는 전류에 의해 상기 커패시터가 상기 기준전압 이상으로 충전되면 상기 스위칭부를 동작시켜 기동시키는 제어부를 포함하는 벅 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 PMOS 파워 트랜지스터 및 NMOS 파워 트랜지스터의 스위치를 포함하는 벅 컨버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류공급부는,
    상기 커패시터로 전류를 공급하는 전류원;
    상기 전류원에 직렬연결된 스위치소자; 를 포함하고,
    상기 스위치소자는 초기에 오프되고 상기 커패시터의 충전전압이 상기 기준전압 미만으로 방전되면 상기 제어부가 상기 스위치소자를 온시켜 상기 전류원에서 상기 커패시터로 전류가 인가되도록 하는 벅 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터에 방전저항이 병렬연결되고 상기 방전저항에 방전스위치가 직렬연결되며, 상기 스위칭부의 스위치의 동작이 정지되면 상기 제어부가 상기 방전스위치를 온시켜 상기 커패시터의 전압에 의한 전류가 상기 방전저항을 통해 흐르는 벅 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부의 스위치를 모두 오프시켜 상기 스위칭부의 동작을 정지시키는 벅 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기준전압은 0.1V인 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전류공급부에서 인가되는 전류는 상기 커패시터에 상기 기준전압 이상으로 충전할 수 있는 전류인 것을 특징으로 하는 벅 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에서 상기 스위칭부의 스위치를 동작시켜 기동시킬 때 소프트 스타트되도록 하기 위한 소프트 스타트 회로를 더 포함하는 벅 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전류검출부는 상기 인덕터 전류의 크기를 검출하여 과전류 발생 여부를 판단하는 벅 컨버터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류검출부는 상기 검출된 인덕터 전류의 피크값이 설정된 횟수 이상인 경우에 과전류 발생으로 판단하는 벅 컨버터.
  11. 입력전압을 더 낮은 출력전압으로 변환하는 벅 컨버터에서,
    상기 벅 컨버터의 운전 중 출력단에 과전류 발생을 검출하는 검출단계;
    상기 과전류가 검출되면 상기 벅 컨버터의 운전을 정지시키는 정지단계;
    상기 운전정지 후 상기 커패시터에 충전된 전압을 기준전압 미만으로 방전시키는 방전단계;
    상기 방전 후 전류원에서 상기 커패시터로 전류를 인가하는 전류인가단계;
    상기 인가된 전류에 의해 상기 커패시터가 상기 기준전압 이상으로 충전되면 상기 벅 컨버터를 기동시키는 기동단계;를 포함하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 검출단계는,
    상기 벅 컨버터의 인덕터에 흐르는 인덕터 전류를 검출하는 단계;
    상기 검출된 인덕터 전류의 피크치가 설정된 횟수 이상이면 과전류 발생으로 판단하는 단계를 포함하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전류인가단계는,
    상기 커패시터가 상기 기준전압 미만으로 방전되었는지를 판단하는 단계;
    상기 기준전압 미만으로 방전되었으면 상기 전류원에서 상기 전류가 상기 커패시터로 인가하는 단계를 포함하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기준전압 미만으로 방전되었으면 상기 전류원에 직렬연결된 스위치소자를 온시켜 상기 전류원에서 상기 커패시터로 전류가 인가되도록 하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 전류원에서 상기 커패시터로 인가되는 전류는 상기 커패시터에 상기 기준전압 이상으로 충전할 수 있는 전류인 것을 특징으로 하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 정지단계는,
    상기 벅 컨버터를 구성하는 복수의 스위치를 모두 오프시키는 단계를 포함하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 기동단계는,
    상기 벅 컨버터의 출력단의 출력전압이 일정한 기울기로 점차 증가하도록 소프트 스타트되는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 방전단계는,
    상기 운전이 정지되었는지를 판단하는 단계;
    상기 운전이 정지되었으면 상기 커패시터에 병렬연결된 방전저항 및 방전스위치의 직렬연결에서 상기 방전스위치를 온시키는 단계;
    상기 커패시터의 전압에 의한 전류가 상기 방전저항을 통해 흐르는 단계를 포함하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 기동단계에서 상기 인가된 전류에 의해 상기 커패시터가 상기 기준전압 이상으로 충전되지 않으면 상기 벅 컨버터의 동작 정지를 계속 유지하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 기동단계 이후에,
    상기 전류원에서 상기 커패시터로 전류의 인가를 차단하는 단계를 더 포함하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 벅 컨버터가 기동되면 상기 전류원에 직렬연결된 스위치소자를 오프시켜 상기 전류원에서 상기 커패시터로 전류가 차단되는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 전류의 인가를 차단하는 단계 이후에,
    상기 출력단에 과전류 발생을 검출하는 단계;
    상기 과전류가 재검출되면 상기 벅 컨버터의 운전을 정지시키는 단계;
    상기 운전정지 후 상기 커패시터로 전류를 재인가하는 단계;
    상기 재인가된 전류에 의해 상기 커패시터가 상기 기준전압 이상으로 충전되면 상기 벅 컨버터를 재기동시키는 단계; 를 더 포함하는 벅 컨버터의 과전류 보호방법.
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