KR102555498B1

KR102555498B1 - 돌입 전류 제한 장치 및 이를 포함하는 시스템

Info

Publication number: KR102555498B1
Application number: KR1020200064398A
Authority: KR
Inventors: 김근용; 김현; 박재순; 최선호
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2023-07-12
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: EP3916941A1; US20210376596A1; US11539205B2; CN113746076A; EP3916941B1; CN113746076B; KR20210147335A

Abstract

본 발명의 실시 예들은, 돌입 전류 제한 장치, 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 상기 돌입 전류 제한 장치는, 전원으로부터 입력 전압을 입력 받는 제1 및 제2 입력 노드, 부하와 연결되는 제1 및 제2 출력 노드, 상기 제1 입력 노드와 상기 제1 출력 노드 사이에 연결되는 트랜지스터를 포함하며, 상기 입력 전압의 전압 레벨이 제1 레벨 이상이면 상기 트랜지스터를 턴 온 시키고, 상기 입력 전압이 인가된 후 상기 트랜지스터가 턴 온 되기까지의 시간을 조절하여 돌입 전류를 제한하는 돌입 전류 제한부, 상기 트랜지스터의 제어단과 상기 제2 입력 노드 사이에 연결되는 스위치, 및 상기 입력 전압의 전압 레벨이, 상기 제1 레벨보다 낮은 제2 레벨 이하이면, 상기 스위치를 턴 온 시키는 모드 제어부를 포함할 수 있다.

Description

돌입 전류 제한 장치 및 이를 포함하는 시스템{INRUSH CURRENT LIMITER AND SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명의 실시 예들은 돌입 전류 제한 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

돌입 전류(inrush current)는 전기 전자 시스템에서 입력 전압이 투입될 때 부하의 크기에 따라 부가적으로 발생하는 과도(transient) 현상이다. 이러한 돌입 전류는 시스템의 영구적인 손상(permanent damage), 고장(fault), 또는 이상 작동(abnormal operation)을 발생시키는 원인이 될 수 있어 제한이 필요하다. 일반적으로 전지 팩(battery pack)에 적용되는 전지 관리 시스템(BMS: battery management system) 또한 돌입 전류를 제한하기 위한 기술이 필수적으로 적용된다.

한편 전지 팩이 탑재되는 대표적인 시스템 중 하나인 자동차의 경우, 대부분 저전압(LV: low voltage) 전원으로 납축전지를 사용한다. 이에 따라, 납축전지에 연결되는 유도성(Inductive), 용량성(conductive) 부하들의 영향으로, 전자파 적합성(ECM: electromagnetic compatibility) 테스트 시 매우 광범위한 공급 전압 범위(예를 들어, 최대 58.5V에서 최저 5.0V까지의 전압 범위)에서 시스템이 정상 작동해야 한다.

그러나, 종래에 고전압(HV: high voltage) 시스템을 위해 설계된 돌입 전류 제한부의 경우 공급 전압이 일정 수준 이하로 낮아지면 오작동을 초래하는 문제가 있어 개선이 필요하다.

본 발명의 실시 예들을 통해 해결하고자 하는 과제는, 돌입 전류 제한회로의 작동 전압 범위를 개선하여, EMC 테스트 환경에서도 시스템의 정상 작동이 가능한 돌입 전류 제한 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 돌입 전류 제한 장치는, 전원으로부터 입력 전압을 입력 받는 제1 및 제2 입력 노드, 부하와 연결되는 제1 및 제2 출력 노드, 상기 제1 입력 노드와 상기 제1 출력 노드 사이에 연결되는 트랜지스터를 포함하며, 상기 입력 전압의 전압 레벨이 제1 레벨 이상이면 상기 트랜지스터를 턴 온 시키고, 상기 입력 전압이 인가된 후 상기 트랜지스터가 턴 온 되기까지의 시간을 조절하여 돌입 전류를 제한하는 돌입 전류 제한부, 상기 트랜지스터의 제어단과 상기 제2 입력 노드 사이에 연결되는 스위치, 및 상기 입력 전압의 전압 레벨이, 상기 제1 레벨보다 낮은 제2 레벨 이하이면, 상기 스위치를 턴 온 시키는 모드 제어부를 포함할 수 있다.

상기 트랜지스터는 상기 제1 입력 노드에 연결되는 제1 단, 및 상기 제1 출력 노드에 연결되는 제2 단을 포함하며, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압에 의해 턴 온이 제어될 수 있다.

상기 트랜지스터는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)이며, 상기 제1 및 제2 단은 각각 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인이고, 상기 제어단은 상기 트랜지스터의 게이트일 수 있다.

상기 제2 입력 노드는 접지에 연결될 수 있다.

상기 돌입 전류 제한부는, 상기 입력 전압이 입력되면, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압을 점차적으로 증가시키는 게이트 구동부를 포함할 수 있다.

상기 게이트 구동부는, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이에 병렬 연결되는 제1 저항, 및 제1 커패시터, 및 상기 제어단과 상기 제2 입력 노드 사이에 연결되는 제3 저항을 포함할 수 있다.

상기 게이트 구동부는, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이에 연결되어, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압을 제한하는 제너 다이오드를 더 포함할 수 있다.

상기 돌입 전류 제한부는, 상기 제2 단과 상기 제어단 사이에 연결되며, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압을 안정화하는 피드백부를 더 포함할 수 있다.

상기 피드백부는, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이에 직렬 연결되는 제2 커패시터, 및 제2 저항을 포함할 수 있다.

상기 모드 제어부는, 비교기를 포함하고, 상기 비교기는, 상기 입력 전압에 대응하여 비교 전압이 입력되는 제1 입력단, 기준 전압이 입력되는 제2 입력단, 및 상기 제1 및 제2 입력단을 통해 입력되는 전압들의 비교 결과에 대응하는 출력 신호를 상기 스위치의 제어단으로 출력하는 출력단을 포함할 수 있다.

상기 모드 제어부는, 서로 직렬 연결되는 제4 저항 및 제5 저항을 포함하며, 상기 입력 전압으로부터 분압된 상기 비교 전압을 상기 제1 입력단으로 출력하는 분압 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 모드 제어부는, 상기 비교기의 상기 제2 입력단과 상기 출력단 사이에 연결하는 제6 저항을 더 포함하고, 상기 비교기는, 상기 기준 전압보다 낮은 하한치, 및 상기 기준 전압보다 높은 상한치를 갖는 히스테리시스 밴드(hysteresis band)에 기초하여 히스테리시스 비교기로 작동하며, 상기 비교 전압이 상기 하한치 이하이면 상기 스위치를 턴 온 시키는 출력신호를 상기 출력단으로 출력하고, 상기 비교 전압이 상기 상한치 이상이면 상기 스위치를 턴 오프 시키는 출력 신호를 상기 출력단으로 출력할 수 있다.

상기 제4 저항 및 상기 제5 저항은, 상기 제1 출력 노드 및 접지 사이에 연결되고, 상기 비교기는 상기 입력 전압이 입력되고 소정 시간 이후에 활성화될 수 있다.

상기 제4 저항 및 상기 제5 저항은, 상기 제1 입력 노드 및 접지 사이에 연결될 수도 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템은, 상기 돌입 전류 제한 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들에 따르면, 돌입 전류 제한회로의 작동 전압 범위를 개선하여, EMC 테스트 환경에서도 시스템의 정상 작동이 가능하도록 하였다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치가 적용된 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치가 적용된 시스템을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 돌입 전류 제한 장치의 작동 타이밍도를 개략적으로 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예들의 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 상세히 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 그에 대한 중복되는 설명은 생략된다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시 예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 될 수 있도록 예로서 제공되며, 통상의 기술자에게 본 발명의 양태 및 특징을 충분히 전달할 것이다.

따라서, 본 발명의 양태들 및 특징들의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수 있다. 도면에서, 소자들, 층들, 및 영역들의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.

본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 임의의 조합을 포함한다. 본 발명의 실시 예들을 기술할 때 "~할 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시 예"를 의미한다. 다음의 본 발명의 실시예에 대한 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함 할 수 있다.

"제1" 및 "제2"의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되지만, 이들 구성요소들은 이 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

이하, 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치(inrush current limiter)에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치(100A)는 전원(미도시)과 연결되는 입력 노드들(IN1, IN2), 부하(load, 미도시)와 연결되는 출력 노드들(OUT1, OUT2), 돌입 전류 제한부(110), 모드 제어 스위치(SW1), 및 모드 제어부(120)를 포함할 수 있다.

돌입 전류 제한부(110)는 입력 노드들(IN1, IN2)과 출력 노드들(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 전원 연결 시 돌입 전류 제한 기능을 수행하는 회로이다. 돌입 전류 제한부(110)는, 입력 노드(IN1)와 출력 노드(OUT1) 사이에 연결된 트랜지스터(Q1), 트랜지스터(Q1)의 입력단과 제어단 사이에 연결되는 게이트 구동부(111), 및 트랜지스터(Q1)의 출력단과 제어단 사이에 연결되는 피드백부(112)를 포함할 수 있다.

게이트 구동부(111)는, 제1 전압 레벨 이상의 입력 전압(Vin)이 인가되면 트랜지스터(Q1)를 턴 온 시키되, 입력 전압(Vin)이 인가되고 소정 시간 이후에 트랜지스터(Q1)가 턴 온 되도록 트랜지스터(Q1)의 제어단과 입력단 사이의 전압을 점차적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 게이트 구동부(111)에 의해 트랜지스터(Q1)의 온 저항은 입력 전압(Vin)이 인가된 후 소정 시간 동안 점차적으로 감소하고, 이로 인해 트랜지스터(Q1)의 턴 온에 따른 급격한 전류 변동이 발생하지 않아 돌입 전류가 제한될 수 있다.

피드백부(112)는, 트랜지스터(Q1)의 출력단과 제어단 사이에 연결되는 네거티브(negative) 피드백부로서, 트랜지스터(Q1)의 제어단과 입력단 사이의 전압을 안정화(또는 평탄화)시켜 돌입 전류를 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 트랜지스터(Q1)의 제어단과 입력단 사이의 전압이 급격히 변동되는 것을 억제하여 돌입 전류를 억제할 수 있다.

모드 제어 스위치(SW1)는 돌입 전류 제한부(110) 내 트랜지스터(Q1)의 제어단과 입력 노드(IN2) 사이에 연결되며, 입력 노드(IN2)와 트랜지스터(Q1)의 제어단 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 기능을 수행할 수 있다. 모드 제어 스위치(SW1)가 턴 오프 되는 경우, 트랜지스터(Q1)는 돌입 전류 제한부(110) 내 게이트 구동부(111)에 의해 턴 온이 제어되는 돌입 전류 제한 모드로 작동할 수 있다. 반면에, 모드 제어 스위치(SW1)가 턴 온 되는 경우, 트랜지스터(Q1)의 제어단은 입력 노드(IN2)와 전기적으로 연결되며, 게이트 구동부(111)의 작동과 상관 없이 입력 전압(Vin)에 따라 턴 온이 제어되는 모드(예를 들어, EMC 테스트 모드)로 작동할 수 있다.

모드 제어 스위치(SW1)가 턴 온 되는 경우, 트랜지스터(Q1)의 제어단은 입력 노드(IN2)에 직접 연결되고, 입력 전압(Vin)이 트랜지스터(Q1)의 입력단과 제어단 사이의 전압에 대응한다. 따라서, 트랜지스터(Q1)는 입력 전압(Vin)의 전압 레벨이 트랜지스터(Q1)의 문턱 전압 레벨(이하, '제2 전압 레벨'이라 칭함) 이상이면 턴 온 될 수 있다.

모드 제어 스위치(SW1)가 턴 오프 되는 경우, 즉 트랜지스터(Q1)가 돌입 전류 제한 모드로 작동하는 경우, 트랜지스터(Q1)는 입력 전압(Vin)의 전압 레벨이 제1 전압 레벨 이상이면 게이트 구동부(111)에 의해 턴 온 될 수 있다. 후술하는 바에 따르면, 게이트 구동부(111)는 분압 회로(미도시)를 통해 입력 전압(Vin)을 분압한 전압을 트랜지스터(Q1)의 제어단에 전달한다. 따라서, 돌입 전류 제한 모드에서 트랜지스터(Q1)의 턴 온을 결정하는 제1 전압 레벨은, 전술한 제2 전압 레벨보다 큰 값일 수 있다.

모드 제어부(120)는 전원으로부터 공급되는 입력 전압(Vin)을 전달 받고, 전달 받은 입력 전압(Vin)의 레벨에 따라서 모드 제어 스위치(SW1)의 턴 온/턴 오프를 제어할 수 있다. 즉, 모드 제어부(120)는 입력 전압(Vin), 또는 입력 전압(Vin)으로부터 분압된 전압의 전압 레벨을 기 설정된 기준 전압(Vref) 또는 기준 전압 범위와 비교하고, 비교 결과에 따라서 모드 제어 스위치(SW1)의 스위칭을 제어할 수 있다.

예를 들어, 모드 제어부(120)는 모드 제어 스위치(SW1)가 턴 오프 된 상태에서 입력 전압(Vin), 또는 입력 전압(Vin)으로부터 분압된 전압의 전압 레벨이 기 설정된 기준 전압(Vref)보다 낮거나, 기 설정된 기준 전압 범위의 하한치 이하이면 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 온 시킬 수 있다.

또한, 예를 들어, 모드 제어부(120)는, 모드 제어 스위치(SW1)가 턴 온 된 상태에서 입력 전압(Vin), 또는 입력 전압(Vin)으로부터 분압된 전압의 전압 레벨이 기 설정된 기준 전압(Vref)보다 높거나, 기 설정된 기준 전압 범위의 상한치 이상이면, 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 오프 시킬 수 있다. 여기서, 기준 전압 범위는 모드 제어부(120)에 입력되는 기준 전압(Vref)을 기준으로 상한치 및 하한치가 정해질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치가 적용된 시스템을 도시한다.

도 2를 참조하면, 시스템(10A)은, 전원(300)과 부하(200) 사이에 연결되는 돌입 전류 제한 장치(100A)를 포함할 수 있다. 이러한 시스템(10A)은 예를 들어, 차량 시스템일 수 있다.

전원(300)은 돌입 전류 제한 장치(100A)의 입력 노드들(IN1, IN2)에 전기적으로 연결되어 돌입 전류 제한 장치(100A)로 입력 전압(Vin)을 공급할 수 있다. 예를 들어, 시스템(10A)이 고전압 배터리 팩을 포함하는 경우, 전원(300)은 고전압 배터리 팩일 수 있다. 또한, 예를 들어, 전원(300)은 시스템(10A)의 EMC 테스트를 위한 외부 전원일 수도 있다. 후자의 경우, 전원(300)은 대략 최저 5V에서 최대 58.5V까지의 입력 전압(Vin)을 돌입 전류 제한 장치(100A)로 공급할 수 있다.

시스템(10A)은 메인 스위치(SW2)를 더 포함하며, 전원(300)은 메인 스위치(SW2)에 의해 돌입 전류 제한 장치(100A)와의 연결이 제어될 수 있다.

돌입 전류 제한 장치(100A)는 전술한 바와 같이, 돌입 전류 제한부(110), 모드 제어 스위치(SW1), 및 모드 제어부(120)를 포함할 수 있다. 또한, 돌입 전류 제한부(110)는 트랜지스터(Q1), 게이트 구동부(111), 및 피드백부(112)를 포함할 수 있다.

트랜지스터(Q1)는 입력 노드(IN1)와 출력 노드(OUT1) 사이에 연결되어 두 노드 사이에 전류 흐름을 차단 또는 허용하는 스위치로 작동할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 입력 노드(IN1)가 전원(300)의 포지티브(positive) 출력에 연결되고 입력 노드(IN2)가 전원(300)의 네거티브 출력에 연결되는 경우, 트랜지스터(Q1)는 예를 들어, P-채널 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(P-channel metal oxide semiconductor field effect transistor, P-채널 MOSFET)일 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예가 이에 의해 제한되는 것은 아니어서, 트랜지스터(Q1)는 N-채널 MOSFET일 수도 있다. 이 경우, 돌입 전류 제한 장치(100A)의 입력 노드(IN2)가 전원(300)의 포지티브 출력에 연결되고 입력 노드(IN1)가 전원(300)의 네거티브 출력에 연결될 수 있다.

이하에서는, 설명의 편의를 위해 트랜지스터(Q1)가 P채널 MOSFET인 경우를 예로 들어 설명한다.

게이트 구동부(111)는 트랜지스터(Q1)의 소스(source)와 게이트(gate) 사이에 병렬 연결되는 제1 커패시터(C1) 및 제1 저항(R1), 그리고 트랜지스터(Q1)의 게이트와 제2 입력 노드(IN2) 사이에 연결되는 제3 저항(R3)을 포함할 수 있다.

메인 스위치(SW2)가 턴 온 되어 전원(300)으로부터 제1 전압 레벨 이상의 입력 전압(Vin)이 공급되면, 전원(300)으로부터 공급된 전류는 제1 저항(R1), 및 제3 저항(R3)을 경유하여 흐르고, 전원(300)의 공급 전압에 의해 제1 커패시터(C1)가 충전된다. 이에 따라, 트랜지스터(Q1)의 게이트 전압(Vg)은 제1 커패시터(C1)의 충전에 의해 점차적으로 낮아지고, 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스 간 전압(Vgs)이 점차적으로 증가한다. 이후, 점차적으로 증가한 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스 간 전압(Vgs)이 트랜지스터(Q1)의 문턱 전압(Vth)에 도달하면 트랜지스터(Q1)가 턴 온 된다. 이 때, 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스 간 전압(Vgs)이 트랜지스터(Q1)의 문턱 전압(Vth)에 도달하는 시간을 결정하는 시정수는, 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스(capacitance), 제1 저항(R1) 및 제3 저항(R3)의 저항 값들에 의해 결정될 수 있다. 또한, 트랜지스터(Q1)를 턴 온 시키는 입력 전압(Vin)의 전압 레벨은, 제1 저항(R1) 및 제3 저항(R3)의 저항 값에 의해 결정될 수 있다.

한편, 게이트 구동부(111)는 트랜지스터(Q1)의 소스에 연결되는 캐소드(cathode)와 트랜지스터(Q1)의 게이트에 연결되는 애노드(anode)를 포함하는 제너 다이오드(ZD1)를 더 포함할 수 있다. 제너 다이오드(ZD1)는 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스 간 전압(Vgs)을 자신의 정격 전압 내로 제한하는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 제너 다이오드(ZD1)와 병렬 연결되는 제1 커패시터(C1)는 충전 시 양단 전압이 제너 다이오드(ZD1)에 의해 제한될 수 있다.

피드백부(112)는 트랜지스터(Q1)의 드레인(drain)과 게이트 사이에 서로 직렬 연결되는 제2 커패시터(C2), 및 제2 저항(R2)을 포함할 수 있다. 이러한 피드백부(112)는 트랜지스터(Q1)의 드레인과 게이트 사이에 피드백 경로를 제공하여 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스 간 전압(Vgs)을 안정화시켜 부하측 커패시터(C_L)로 전달되는 돌입 전류를 억제하는 기능을 수행할 수 있다.

모드 제어부(120)는, 비교기(U1), 및 분압 회로(R4, R5)를 포함할 수 있다.

분압 회로(R4, R5)는 출력 노드(OUT1)와 입력 노드(IN2)(즉, 접지) 사이에 서로 직렬 연결되는 제4 저항(R4) 및 제5 저항(R5)을 포함하며, 트랜지스터(Q1)를 통해 출력 노드(OUT1)로 전달되는 전압을 분압하여 비교기(U1)의 입력 전압으로 전달할 수 있다. 이를 위해, 제4 저항(R4)은 출력 노드(OUT1)와 비교기(U1)의 제1 입력단 사이에 연결되며, 제5 저항(R5)은 비교기(U1)의 제1 입력단과 제2 입력 노드(IN2) 즉, 접지 사이에 연결될 수 있다.

비교기(U1)는 분압 회로(R4, R5)로부터 분압된 전압을 입력 받는 제1 입력단(예를 들어, 네거티브 입력), 기준 전압(Vref)이 입력되는 제2 입력단(예를 들어, 포지티브 입력), 및 모드 제어 스위치(SW1)로 제어 신호를 출력하는 출력단을 포함할 수 있다.

비교기(U1)는 제1 입력단을 통해 입력 받은 전압이 기준 전압(Vref)보다 낮으면, 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 온 시키기 위한 신호(예를 들어, 하이 레벨 신호)를 출력단으로 출력할 수 있다. 반면에, 비교기(U1)는 제1 입력단을 통해 입력받은 전압이 기준 전압(Vref) 보다 높으면, 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 오프 시키기 위한 신호(예를 들어, 하이 레벨 신호)를 출력단으로 출력할 수 있다.

비교기(U1)는 히스테리시스(Hysteresis) 비교기일 수도 있다. 히스테리시스 비교기(U1)는, 상한치 및 하한치로 정의되는 히스테리시스 밴드(Hysteresis band)(본 문서에서는 '기준 전압 범위'라 칭함)에 의해 작동할 수 있다. 비교기(U1)가 히스테리시스 비교기로 작동하는 경우, 모드 제어부(120)는, 비교기(U1)의 제2 입력단과 출력단 사이에 연결되며 비교기(U1)의 히스테리시스 밴드를 결정하기 위한 제6 저항(R6)을 더 포함할 수 있다. 히스테리시스 비교기(U1)의 히스테리시스 밴드 즉, 기준 전압 범위는, 비교기(U1)의 제2 입력단으로 입력되는 기준 전압(Vref)을 기준으로 더 낮은 레벨에서 결정되는 하한치와 더 높은 레벨에서 결정되는 상한치에 의해 그 범위가 정의되며, 이러한 상한치 및 하한치는 제6 저항(R6)에 의해 그 값이 결정될 수 있다.

이러한 히스테리시스 비교기(U1)는 제1 입력단으로 입력되는 전압이 기준 전압 범위의 하한치 이하이면 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 온 시키기 위한 신호(예를 들어, 하이 레벨 신호)를 출력단으로 제1 입력단으로 입력되는 전압이 기준 전압 범위의 상한치 이상이면 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 오프 시키기 위한 신호(예를 들어, 로우 레벨 신호)를 출력단으로 출력할 수 있다.

전술한 기준 전압(Vref) 또는 기준 전압 범위는, 입력 전압(Vin)이 제1 전압 레벨보다 낮은 전압 레벨을 가지는 때, 모드 제어 스위치(SW1)가 턴 온 될 수 있도록 그 값이 설정될 수 있다.

한편, 모드 제어부(120) 즉 모드 제어부(120)의 비교기(U1)는, 전원(300) 연결 초기 즉, 돌입 전류 제한부(110)가 돌입 전류 제한 작동을 수행하는 동안, 출력 노드(OUT1)로 입력 전압(Vin)의 일부 전압만 전달되어 비교기(U1)의 오작동이 발생하는 것을 방지하고, 돌입 전류 제한 작동을 수행하는 동안 비교기(U1)의 불필요한 작동으로 인해 전력 낭비가 발생하는 것을 방지하기 위해, 전원(300) 투입 후 소정 시간 이후에 비교기(U1)가 활성화되도록 제어될 수 있다. 즉, 전원(300) 연결 후 소정의 지연 시간 이후에 비교기(U1)를 작동시키기 위한 동작 전압을 비교기(U1)에 인가함으로써, 출력 노드(OUT1)를 통해 부하(200)로 전달되는 전압이 안정화된 상태에서 비교기(U1)가 동작하도록 한다. 이 상태에서, 트랜지스터(Q1)는 완전히 턴 온(fully turn on)되어 포화 영역(saturation)으로 동작하고, 출력 노드(OUT1)에는 입력 전압(Vin)이 인가될 수 있다.

한편, 전술한 일 실시 예에서는 모드 제어부(120)가 전원(300)으로부터 공급되는 입력 전압(Vin)을 모니터링하기 위해 돌입 전류 제한 장치(100A)의 출력 노드(OUT1)에 연결되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명의 실시 예가 이로 인해 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치(100B)를 개략적으로 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 돌입 전류 제한 장치가 적용된 시스템(10B)을 개략적으로 도시한 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치(100B) 및 시스템(10B)은 전술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌입 전류 제한 장치(100A), 및 시스템(10A)과 비교하여, 분압 회로(R4, R5)가 제1 출력 노드(OUT1)가 아닌 제1 입력 노드(IN1)에 연결된다는 것에 차이가 있다. 따라서, 이하에서는 불필요한 중복 설명을 피하기 위해, 전술한 돌입 전류 제한 장치(100A) 및 시스템(10A)과 유사하게 동작하는 나머지 구성 요소들에 대한 설명을 생략한다.

전술한 일 실시 예에서와 같이, 분압 회로(R4, R5)가 제1 출력 노드(OUT1)에 연결되는 경우, 돌입 전류 제한부(110)의 동작으로 인해 전원(300)에 의해 공급된 전압(Vin)이 정상적으로 출력 노드(OUT1)에 전달되기까지 소정의 지연이 발생하고, 이에 따라 분압 회로(R4, R5)가 정상적인 입력 전압(Vin)에 대응하는 전압을 비교기(U1)로 전달하기까지도 소정의 지연이 발생한다.

반면에, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 비교기(U1)의 제1 입력단이 분압 회로(R4, R5)를 통해 제1 입력 노드(IN1)에 연결되는 경우, 전원(300) 연결 시 분압 회로(R4, R5)에 바로 입력 전압(Vin)이 전달되며, 이에 따라 비교기(U1) 또한 정상적인 입력 전압(Vin)에 대응하는 전압을 바로 입력 받을 수 있다.

한편, 돌입 전류 제한 장치(100B)에서도 전술한 실시 예와 마찬가지로, 돌입 전류 제한 작동을 수행하는 동안 비교기(U1)의 불필요한 작동으로 인해 전력 낭비가 발생하는 것을 방지하기 위해, 전원(300) 투입 후 소정 시간 이후에 비교기(U1)가 활성화 될 수 있다.

이하, 5를 참조하여 본 발명의 실시 예들에 예에 따른 돌입 전류 제한 장치(100A, 100B)의 작동 방법에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 돌입 전류 제한 장치(100A, 100B)의 작동 타이밍도를 개략적으로 도시한 것으로서, 시스템(10A, 10B)에 전원(300)이 연결된 이후 EMC 테스트를 위해 저전압의 테스트 전압이 인가되는 경우를 예로 들어 도시한 것이다.

도 5에 도시되지 않았으나, 메인 스위치(SW2)가 턴 온 되어 전원(300)으로부터 입력 전압(Vin)이 공급되기 시작하면, 초기에는 영 전위(0V)에 가까운 부하 커패시터(C_L)의 충전 전압으로 인해 입력단에 돌입 전류가 발생할 수 있다. 따라서, 전원(300) 연결 초기의 돌입 전류 제한 장치(100A)는 돌입 전류 제한 모드로 작동하여 부하(200)로 전달되는 돌입 전류를 억제한다.

이후, 트랜지스터(Q1)가 턴 온 되고 소정 시간이 경과하여 입력 전류가 어느 정도 안정화되면, 입력 전압(Vin) 모니터링을 위해 비교기(U1)가 활성화되고, 전류 제한 장치(100A, 100B)는 비교기(U1)를 통해 입력 전압(Vin)의 전압 레벨을 지속적으로 모니터링한다(Mode 1). 이 때, 비교기(U1)는 트랜지스터(Q1)가 완전히 턴 온(fully turn on)되어 포화 영역(saturation)에서 작동한다.

모드 제어부(120)는 비교기(U1)를 통해 입력 전압(Vin)을 모니터링하는 중 EMC 테스트 등을 위해 입력 전압(Vin)이 시스템(10A)의 정격 전압 이하로 낮아짐이 검출되면(Mode 2), 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 온 시킨다. 즉, 비교기(U1)는 입력 전압(Vin)에 대응하여 입력되는 전압이 제1 임계치(VHL) 이하이면, 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 온 상태로 제어하기 위한 출력 신호(V_out_comp)를 모드 제어 스위치(SW1)의 제어단으로 출력한다. 여기서, 제1 임계치(VHL)는 히스테리시스 비교기(U1)의 히스테리시스 밴드의 하한치에 대응한다.

모드 제어 스위치(SW1)가 턴 온 상태인 구간에서는(Mode 3), 입력 전압(Vin)의 전압 레벨이 트랜지스터(Q1)의 문턱 전압 레벨 이상이면 트랜지스터(Q1)가 완전히 턴 온 될 수 있다. 따라서, EMC 테스트 시와 같이 시스템(10A, 10B)의 정격 전압보다 낮은 전압이 입력되는 상황에서도 트랜지스터(Q1)의 작동이 가능하다.

한편, 모드 제어부(120)는 Mode 2 구간에서도 비교기(U1)를 통해 입력 전압(Vin)의 전압 레벨을 지속적으로 모니터링하며, 모니터링 중 EMC 상황 종료 등으로 인해 입력 전압(Vin)이 시스템(10A)의 정격 전압 범위 이내로 높아짐이 검출되면(Mode 4), 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 오프 시킨다. 즉, 비교기(U1)는 입력 전압(Vin)에 대응하여 입력되는 전압이 제2 임계치(VHU) 이상이면, 모드 제어 스위치(SW1)를 턴 오프 상태로 제어하기 위한 출력 신호(V_out_comp)를 모드 제어 스위치(SW1)의 제어단으로 출력한다. 여기서, 제2 임계치(VHU)는 히스테리시스 비교기(U1)의 히스테리시스 밴드의 상한치에 대응한다.

모드 제어 스위치(SW1)가 턴 오프 됨에 따라, 돌입 전류 제한 장치(100A, 100B)는 돌입 전류 제한 모드로 복귀하고, 게이트 구동부(111)에 의해 트랜지스터(Q1)의 턴 온이 제어된다(Mode 5).

전술한 실시 예들에 따르면, 시스템(10A, 10B)의 돌입 전류 제한 장치(100A, 100B)는 EMC 테스트 공정에서와 같이 시스템(10A, 10B)의 정격 전압보다 낮은 레벨의 입력 전압(Vin)으로 공급되는 상황에서도 트랜지스터(Q1)가 턴 온 될 수 있도록 하여, 트랜지스터(Q1)의 오작동으로 부하(200)에 전력이 공급되지 않는 상황이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

여기에 설명된 본 발명의 실시 예들에 따른 전자 또는 전기 장치 및/또는 임의의 다른 관련 장치 또는 구성 요소는 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 집적회로(application-specific integrated circuit)), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 상에 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소들은 가요성 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film), 테이프 캐리어 패키지(TCP: tape carrier package), 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 명세서에 기재된 전기적 연결 또는 상호 연결은, 예를 들어, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상의 배선 또는 전도성 소자들에 의해 구현될 수 있다. 전도성 소자는 예를 들어 표면 금속화(surface metallizations)와 같은 금속화, 및/또는 핀(pin)들을 포함할 수 있으며, 전도성 중합체(conductive polymers) 또는 세라믹(ceramics)을 포함할 수 있다. 또한 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 또는 빛을 이용한 무선 접속을 통해 전송될 수 있다.

또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 여기에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서 상에서 실행되고, 하나 이상의 컴퓨팅 장치 내에서 실행되며, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory)와 같은, 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.

또한, 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합되거나 또는 통합될 수 있거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 본 발명의 예시적인 실시예들의 범위를 벗어나지 않으면서 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치에 걸쳐 분산될 수 있음을 인식해야 한다.

10: 시스템
100: 돌입 전류 제한 장치
110: 돌입 전류 제한부
111: 게이트 구동부
112: 피드백부
120: 모드 제어부
200: 부하
300: 전원
IN1, IN2: 입력 노드
OUT1, OUT2: 출력 노드
SW1: 모드 제어 스위치
SW2: 메인 스위치
U1: 비교기

Claims

전원으로부터 입력 전압을 입력 받는 제1 및 제2 입력 노드,
부하와 연결되는 제1 및 제2 출력 노드,
상기 제1 입력 노드와 상기 제1 출력 노드 사이에 연결되는 트랜지스터를 포함하며, 상기 입력 전압이 인가된 후 상기 트랜지스터가 턴 온 되기까지의 시간을 조절하여 돌입 전류를 제한하는 돌입 전류 제한부,
상기 트랜지스터의 제어단과 상기 제2 입력 노드 사이에 연결되는 스위치, 및
상기 입력 전압의 전압 레벨이 소정치보다 낮으면 상기 스위치를 턴 온 시키는 모드 제어부를 포함하며,
상기 트랜지스터는 상기 스위치가 턴 오프된 상태에서는 상기 입력 전압의 전압 레벨이 제1 전압 레벨 이상이면 턴 온되고, 상기 스위치가 턴 온된 상태에서는 상기 입력 전압의 전압 레벨이 제2 전압 레벨 이상이면 턴 온 되고,
상기 제1 전압 레벨은 상기 제2 전압 레벨보다 큰 값인,
돌입 전류 제한 장치.
제1항에 있어서,
상기 트랜지스터는 상기 제1 입력 노드에 연결되는 제1 단, 및 상기 제1 출력 노드에 연결되는 제2 단을 포함하며,
상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압에 의해 턴 온이 제어되는, 돌입 전류 제한 장치.
제2항에 있어서,
상기 트랜지스터는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)이고,
상기 제1 및 제2 단은 각각 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인이고, 상기 제어단은 상기 트랜지스터의 게이트인, 돌입 전류 제한 장치.
제3항에 있어서,
상기 제2 입력 노드는 접지에 연결되는, 돌입 전류 제한 장치.
제2항에 있어서,
상기 돌입 전류 제한부는,
상기 입력 전압이 입력되면, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압을 점차적으로 증가시키는 게이트 구동부를 포함하는, 돌입 전류 제한 장치.
제5항에 있어서,
상기 게이트 구동부는,
상기 제1 단과 상기 제어단 사이에 병렬 연결되는 제1 저항, 및 제1 커패시터, 및
상기 제어단과 상기 제2 입력 노드 사이에 연결되는 제3 저항을 포함하는, 돌입 전류 제한 장치.
제6항에 있어서,
상기 게이트 구동부는,
상기 제1 단과 상기 제어단 사이에 연결되어, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압을 제한하는 제너 다이오드를 더 포함하는, 돌입 전류 제한 장치.
제5항에 있어서,
상기 돌입 전류 제한부는,
상기 제2 단과 상기 제어단 사이에 연결되며, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이의 전압을 안정화하는 피드백부를 더 포함하는, 돌입 전류 제한 장치.
제8항에 있어서,
상기 피드백부는, 상기 제1 단과 상기 제어단 사이에 직렬 연결되는 제2 커패시터, 및 제2 저항을 포함하는, 돌입 전류 제한 장치.
제1항에 있어서,
상기 모드 제어부는, 비교기를 포함하고,
상기 비교기는,
상기 입력 전압에 대응하여 비교 전압이 입력되는 제1 입력단,
기준 전압이 입력되는 제2 입력단, 및
상기 제1 및 제2 입력단을 통해 입력되는 전압들의 비교 결과에 대응하는 출력 신호를 상기 스위치의 제어단으로 출력하는 출력단을 포함하는, 돌입 전류 제한 장치.
제10항에 있어서,
상기 모드 제어부는,
서로 직렬 연결되는 제4 저항 및 제5 저항을 포함하며, 상기 입력 전압으로부터 분압된 상기 비교 전압을 상기 제1 입력단으로 출력하는 분압 회로를 더 포함하는, 돌입 전류 제한 장치.
제11항에 있어서,
상기 모드 제어부는, 상기 비교기의 상기 제2 입력단과 상기 출력단 사이에 연결하는 제6 저항을 더 포함하고,
상기 비교기는, 상기 기준 전압보다 낮은 하한치, 및 상기 기준 전압보다 더 높은 상한치를 갖는 히스테리시스 밴드(hysteresis band)에 기초하여 히스테리시스 비교기로 작동하며, 상기 비교 전압이 상기 하한치 이하이면 상기 스위치를 턴 온 시키는 출력신호를 상기 출력단으로 출력하고, 상기 비교 전압이 상기 상한치 이상이면 상기 스위치를 턴 오프 시키는 출력 신호를 상기 출력단으로 출력하는, 돌입 전류 제한 장치.
제11항에 있어서,
상기 제4 저항 및 상기 제5 저항은, 상기 제1 출력 노드 및 접지 사이에 연결되고,
상기 비교기는 상기 입력 전압이 입력되고 소정 시간 이후에 활성화되는, 돌입 전류 제한 장치.
제11항에 있어서,
상기 제4 저항 및 상기 제5 저항은, 상기 제1 입력 노드 및 접지 사이에 연결되는, 돌입 전류 제한 장치.
제1항 내지 제 14항 중 어느 한 항의 돌입 전류 제한 장치를 포함하는 시스템.