KR101514979B1

KR101514979B1 - 스위칭 신호를 출력하기 위한 안전 회로

Info

Publication number: KR101514979B1
Application number: KR1020117004761A
Authority: KR
Inventors: 헤르베르트 할러
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2015-04-24
Also published as: WO2010012536A1; KR20110039570A; ATE535847T1; CN102084305B; CN102084305A; EP2149826B1; JP5222404B2; EP2149826A1; BRPI0916558A2; US8605392B2; JP2011530204A; US20110134573A1

Abstract

본 발명은 부하(LA)에 대하여 파워 서플라이의 연결해제를 제어하기 위하여 사용될 수 있는 회로의 안전-지향 방해(safety-oriented interruption)에 대하여 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)에 대한 스위칭 신호를 출력하기 위한 안전 스위칭 어레인지먼트(arrangement)를 제안한다. 상기 안전 스위칭 어레인지먼트는 각각의 출력부(OUTA1, OUTB1; OUTA2, OUTB2)에서 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)에 대하여 각각의 안전하지 않은 구동 신호를 전송(emit)하는 적어도 하나의 평가 회로(μCA, μCB)를 포함한다. 상기 안전 스위칭 어레인지먼트는 각각의 입력부(INA1, INB1; INA2, INB2)에서 구동 신호(들)를 공급받을 수 있고, 그리고 안전한 구동 신호를 사용하여 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)를 구동시키기 위하여 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)에 연결되는 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)을 또한 포함한다. 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛은 동작 동안에 각각의 스위치(TRA, TRB)의 정정 기능을 테스트하고 모니터링할 수 있는 테스팅 및 모니터링 디바이스의 형태이다. 마지막으로, 본 발명은 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)의 안전한 비-부동(non-floating) 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))를 갖고, 상기 단자는 상기 단자의 전위 상태를 모니터링하기 위하여 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 각각의 피드백 입력부(FBA, FBB)에 연결된다. 무오류(error-free) 동작 동안에 등가의 전위 상태는 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)에 대한 안전한 구동 신호에 대응한다.

Description

스위칭 신호를 출력하기 위한 안전 회로{SAFETY CIRCUIT FOR OUTPUTTING A SWITCHING SIGNAL}

본 발명은 부하에 대하여 파워 서플라이의 연결해제를 제어하기 위하여 사용될 수 있는 회로의 안전-지향 (비상안전(fail-safe)) 개방을 위하여 적어도 하나의 스위치에 대하여 스위칭 신호를 출력하기 위한 안전 스위칭 어레인지먼트에 관한 것이다.

안전 스위칭 어레인지먼트는 증가된 안전을 제공하기 위하여 스위치기어에서 사용된다. 상기 안전 스위칭 어레인지먼트는 외부 전기 디바이스를 모니터링하고 그리고 상기 모니터링 결과에 따라 파워 서플라이를 부하로 스위칭한다. 상기 모니터링된 전기 디바이스 및 부하는 장비의 동일한 아이템이 될 수 있다. 안전 스위칭 어레인지먼트는 일반적으로 부하에 직접 스위칭하지 않지만, 특정한 스위칭 디바이스들을 통하여 간접적으로 스위칭한다. 특히, 안전 스위칭 어레인지먼트는 부하-특정 스위칭 디바이스 예를 들어, 모터 접촉기 또는 이러한 모터 접촉기에 대한 보조 릴레이를 제어한다.

안전 스위칭 어레인지먼트에 대한 안전 요구사항들은 IEC 13849에 설명되어있다. 이런 표준은 가장 높은 안전 레벨에 상응하는 카테고리 4와 상이한 카테고리들로 정의한다. 카테고리 4를 달성하기 위하여, 안전 스위칭 어레인지먼트의 안전-관련 컴포넌트들 전부가 중복적(redundant) 설계가 될 것이 필요하다.

안전-지향 안전 스위칭 어레인지먼트에서, 안전 제어 신호는 스위치 또는 스위치들에 인가되어야만 한다. 이것은 이런 종류의 안전 스위칭 어레인지먼트의 설계자들이 상기 안전 스위칭 어레인지먼트의 안전-지향 출력들의 동작을 상세히 인식해야한다는 것을 의미한다. 안전 스위칭 어레인지먼트의 상기 의도된 목적에 따라, 상기 안전 제어 신호를 제공하는 안전 스위칭 어레인지먼트의 이러한 컴포넌트들의 상이한 설계가 필요할 수 있다. 특히, 소위 "다크 테스트(dark test)들"의 제어 및 평가의 경우, 평가 회로들에서 구현되는 펌웨어의 개조(adaptation)가 필요하다. 이런 절차는 한편으로는 가변적인 프로세스 시간을 요구하는 반면에 다른 한편으로는 평가 회로 리소스들을 요구한다.

그러므로 본 발명의 목적은 적어도 하나의 스위치에 대한 안전한 스위칭을 출력하는 더 간단한 방식을 제공하는 안전 스위칭 어레인지먼트를 특정하는 것에 있다.

상기 목적은 청구항 제 1항에서 설명되는 특징들을 갖는 안전 스위칭 어레인지먼트에 의하여 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속항들로부터 도출될 것이다.

본 발명은 부하에 대하여 파워 서플라이의 연결해제를 제어하기 위하여 사용될 수 있는 회로의 안전-지향 개방을 위하여 적어도 하나의 스위치에 대하여 스위칭 신호를 출력하기 위한 안전 스위칭 어레인지먼트를 안출(create)한다. 상기 안전 스위칭 어레인지먼트는 각각의 출력부에서 적어도 하나의 스위치에 대하여 각각의 안전하지 않은 구동 신호를 생성(produce)하는 적어도 하나의 평가 회로를 포함한다. 안전 스위칭 어레인지먼트는 각각의 입력부에서 구동 신호(들)를 제공받을 수 있고 그리고 안전한 구동 신호를 이용하여 적어도 하나의 스위치를 구동시키기 위하여 적어도 하나의 스위치에 연결되는 프로그래밍가능한 로직 유닛을 또한 포함하고, 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛은 동작 동안에 각각의 스위치의 정정 기능을 테스트하고 모니터링할 수 있는 테스팅 및 모니터링 디바이스로서 구현된다.

마지막으로 상기 안전 스위칭 어레인지먼트는 상기 적어도 하나의 스위치의 안전한 비-부동(non-floating) 제 1 단자를 포함하고, 상기 단자는 상기 단자의 전위(potential) 상태를 모니터링하기 위하여 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛의 각각의 피드백 입력부에 연결되고, 무오류(error-free) 동작 동안에 상기 전위 상태는 상기 적어도 하나의 스위치의 안전한 구동 신호에 대응한다.

본 발명에 따른 안전 스위칭 어레인지먼트는 안전-지향 출력들의 평가 및 표준화된 세팅을 허용한다. 안전-지향 평가 회로들의 설계자들은 안전-지향 출력들의 동작 방법에 대하여 더 적은 지식을 필요로 하거나 또는 절대적으로 지식을 필요로 하지 않는다. 이것은 상기 평가 회로들의 기능성 및 프로그래밍가능한 로직 유닛에 집중된 안전-지향 기능성에 대하여 필요한 컴포넌트들을 분리함으로써 가능하다. 적어도 하나의 평가 회로에서 수행되는 계산 또는 체크들은 상기 안전 스위칭 어레인지먼트의 출력부에서 안전-지향 요구사항들에 관계없이 수행될 수 있다. 상기 적어도 하나의 스위치에 대한 안전하기 않은 구동 신호는 안전한 구동 신호가 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛에 의하여 상기 적어도 하나의 스위치로 유입(feed out)될 수 있도록 모든 테스팅 및 모니터링을 수행하는 프로그래밍가능한 로직 유닛으로 전달된다. 이런 절차의 상당한 이점은 상기 적어도 하나의 평가 회로가 더 작고 덜 비싼 마이크로프로세서들로 구성될 수 있게 한다는 것이다.

본 발명에 따른 안전 스위칭 어레인지먼트는 카테고리 4 애플리케이션들에서 사용될 수 있는데, 이는 모든 안전-지향 컴포넌트들의 중복적 설계에 대한 필요성 때문에, 안전 스위칭 어레인지먼트는 각각의 출력부에서 각각의 스위치에 대하여 안전하지 않은 구동 신호를 생성하는 두 개의 평가 회로들 및 두 개의 직렬-연결된 스위치들을 포함한다는 것을 의미한다. 하지만, 본 발명에 따른 스위칭 어레인지먼트는 단지 하나의 스위치 및/또는 하나의 평가 디바이스를 필요로 하는 시스템들에서 또한 사용될 수 있다.

독창적인 스위칭 어레인지먼트의 일 실시예에 따라, 프로그래밍가능한 로직 유닛은 적어도 하나의 스위치가 의도되는 바와 같이 동작한다면 각각의 피드백 입력부들에서 검출될 수 있고 그리고 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛의 각각의 입력부들에 인가되는 적어도 하나의 평가 유닛들의 구동 신호들 상에 중첩(superimpose)될 수 있는 테스트 펄스들을 생성하는 수단을 포함한다. 그러므로 적어도 하나의 스위치의 명시된 기능성의 체크는 적어도 하나의 평가 회로의 동작과 병행하여 일어날 수 있다. 그러므로 테스팅 및 모니터링을 위하여 적어도 하나의 평가 회로의 동작 시퀀스를 더이상 방해할 필요는 없다.

각각의 단자의 상태는 적어도 하나의 평가 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 유닛의 중복적 레지스터들에 기록될 수 있다는 것이 부가적으로 제공된다. 바람직하게 보안 통신 프로토콜은 두 개의 레지스터들에 상기 상태를 기록하기 위하여 이용된다. 두 개의 레지스터들로의 각각의 단자의 상태의 기록은 카테고리 4 애플리케이션들에 대하여 요구되는 바와 같이 중복성을 구성한다.

상기 스위치들 각각에는 각각의 아크 갭에 흐르는 전류를 모니터링하도록 설계된 과전류(overcurrent) 검출 수단이 할당된다. 이것은 특히 집적 온도 모니터링이 없이 간단한 스위치들을 이용하는 것을 가능하게 한다. 간단한 스위치들 예를 들어, 소위 스마트 MOSFET들에 비해 MOSFET를 이용하는 것은 훨씬 더 값이 싸다.

과전류 검출 수단은 예를 들어, 션트(shunt)들, 및 저항들과 같은 간단한 이산 컴포넌트들로 구성될 수 있다. 스위치를 개방하기 위한 전류의 크기의 평가 및 그로부터 얻어지는 임의의 구동 신호는 프로그래밍가능한 로직 유닛 또는 심지어 마이크로프로세서에서 발생할 수 있다.

특히, 프로그래밍가능한 로직 유닛은 적어도 하나의 평가 회로로의 특정 직렬 통신 링크를 갖는다. 상기 통신 링크는 상태 데이터, 각각의 단자에서의 결함(fault)들을 교환하기 위하여 이용될 수 있거나 또는 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛을 파라미터화하기 위하여 이용될 수 있다. 상기 통신 링크는 직렬 통신 예를 들어 SPI (직렬 주변장치 인터페이스) 또는 IO-링크로서 구성될 수 있다. 이는 데이터 상호교환이 상기 통신 링크를 통하여 보안 프로토콜을 이용하여 발생한다면 특히 이점이 있다. 상기 통신 링크는 적어도 하나의 스위치에 대한 구동 신호를 프로그래밍가능한 로직 유닛에 제공하기 위하여 또한 이용될 수 있고, 상기 통신 링크를 통하여 제공되는 상기 구동 신호는 안전하지 않은 구동 신호이다. 상기 설명된 방식으로의 프로그래밍가능한 로직 유닛에서 프로세싱함으로써, 상기 구동 신호는 안전한 구동 신호가 된다.

상기 프로그래밍가능한 로직 유닛은 예를 들어 FPGA (필드 프로그램가능한 게이트 어레이) 또는 ASIC (주문형 응용 집적 회로)로서 구현될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 안전 스위칭 어레인지먼트를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 안전 스위칭 어레인지먼트의 프로그래밍가능한 로직 유닛의 예를 도시한다.

IEC 13849 카테고리 4에 따라 독창적인 안전 스위칭 어레인지먼트는 두 개의 자체(per se) 동일한 평가 회로(μCA 및 μCB)들을 포함한다. 상기 평가 회로(μCA, μCB)들은 일반적으로 마이크로프로세서를 포함하고 그리고 안전 스위칭 어레인지먼트의 두 개의 스위치(TRA, TRB)들의 중복적 제어를 위하여 사용된다. 평가 회로(μCA, μCB)들 각각은 스위치(TRA, TRB)들 각각에 대하여 중복적인 안전하지 않은 구동 신호가 인가되는 두 개의 출력부(OUTA1, OUTB1; OUTA2, OUTB2)들을 각각 갖는다. 평가 회로(μCA)의 출력부(OUTA1) 및 평가 회로(μCB)의 출력부(OUTA2)는 스위치(TRA)에 할당된다. 평가 회로(μCA)의 출력부(OUTB1) 및 평가 회로(μCB)의 출력부(OUTB2)는 스위치(TRB)에 할당된다. 상기 출력부(OUTA1, OUTB1; OUTA2, OUTB2)들은 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 상응하는 입력부(INA1, INB1; INA2, INB2)들에 연결된다.

FPGA 또는 ASIC의 형태로 구현될 수 있는 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)은 안전 스위칭 어레인지먼트의 동작 동안에 스위치(TRA, TRB)들의 정정 기능을 테스트하고 모니터링할 수 있는 테스팅 및 모니터링 디바이스로서 설계된다. 이런 목적을 위하여 안전한 출력부(OUTA)는 스위치(TRA)의 제어 단자와 연결되고 그리고 안전한 출력부(OUTB)는 스위치(TRB)의 제어 단자와 연결된다. 상기 출력부(OUTA, OUTB)들에 인가되는 안전한 구동 신호는 안전하지 않은 구동 신호들(INA1, INB1; INA2, INB2)로부터 각각 형성된다.

평가 회로(μCA, μCB)들 및 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)은 공급 전압 단자(VDD) 및 기준 전압 단자(VSS)에 연결된다.

스위치(TRA, TRB)들은 MOSFET 또는 IGBT와 같은 반도체 스위칭 엘리먼트들이 바람직하다. 스위치(TRA, TRB)들은 상기 스위치 자신들의 동작을 모니터링하는 수단으로 이루어진(built-in) 인텔리전트 반도체 스위치들로서 구현될 수 있다. 그러므로 예를 들어 스마트 MOSFET들은 사전설정된 제한 온도를 초과하는 경우, 문제의(in question) 반도체 스위치로 하여금 자신의 보호를 위하여 개방되게 하는 집적 온도 모니터링을 갖는 것으로 알려진다. 하지만, 도 1에 도시된 회로 어레인지먼트에서 스위치(TRA, TRB)는 보호 기능을 갖추지 않고 간단한 반도체 스위치들로서 또한 구현될 수 있다.

상기 스위치(TRA, TRB)들에 대한 과부하 보호는 특정 아크 갭과 각각 직렬로 연결되는 션트 저항(RA, RB)들에 의하여 제공될 수 있다. 상기 스위치(TRA)의 아크 갭은 제 1 단자(OUT(P))와 제 2 단자(KLA) 사이에 형성된다. 상기 스위치(TRB)의 아크 갭은 제 1 단자(OUT(M))와 제 2 단자(KLB) 사이에 형성된다. 션트 저항(RA)은 상기 제 2 단자(KLA)와 공급 전압 단자(p24) 사이에 연결된다. 션트 저항은 상기 스위치(TRB)의 제 2 단자(KLB)와 기준 전위(VFS) 사이에 연결된다.

전류를 측정하기 위하여, 션트 저항(RA)은 제 1 전압 분배기(R21, R22) 및 제 1 직렬 저항(R23)을 통하여 그리고 제 2 전압 분배기(R31, R32) 및 제 2 직렬 저항(R33)을 통하여 자신의 단자들 둘 모두에 의하여 입력부(ISA1, ISA2)들에 연결된다. 션트 저항(RB)의 단자들은 전류 측정을 위하여 입력부(ISB1, ISB2)에 유사한 방식으로 연결된다. 입력부(INA1, INB1; INA2, INB2)들은 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 예시적인 실시예와 관련하여 이하에 기술될 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 선택적인 전류 평가 회로(PL2)의 부분이다.

액츄에이터(actuator)(예를 들어, 모터 또는 접촉기)를 표현하는 부하(LA)는 제 1 단자들(OUT(P) 및 OUT(M)) 사이에 연결된다. 그러므로 도시되는 어레인지먼트는 소위 PM 회로에 상응한다. 하지만, 본 발명은 PM 회로의 형태로의 구현으로 한정되는 것은 아니지만, 또한 두 개의 스위치(TRA, TRB)들이 부하(LA)와 기준 전위에서 직렬로 연결되는 소위 PP 회로에서 사용될 수 있다.

스위치들의 동작 동안(즉, 스위치(TRA, TRB)들이 전도하게 하는 동안)에 상기 스위치(TRA, TRB)들의 정정 기능의 모니터링은 제 1 단자들(OUT(P) 및 OUT(M))이 프로그래밍가능한 로직 유닛의 피드백 입력부(FBA, FBB)에 각각 연결된다는 사실에 의하여 가능하다. 공급 전압(P24)과 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 동작 전압(VDD) 사이에서 전압 매칭을 수행하기 위하여, 상기 제 1 단자들(OUT(P) 및 OUT(M))은 전압 분배기(R11, R12 및 R51, R52)를 통하여 각각 서로 연결된다. 피드백 입력부(FBA, FBB)들에 부가적으로 연결되는 저항들(R13 및 R53)은 직렬 저항들을 각각 구성한다.

상기 피드백 입력부(FBA, FBB)들에 인가되는 신호는 각각 상기 출력부(OUTA 및 OUTB)에서 나타나는 구동 신호들과 비교되고 그리고 비교 결과는 평가 중복도를 보장하기 위하여 각각의 경우 두 개의 레지스터들에 상태 정보로서 기록된다. 결함의 발생의 경우, 그러므로 플래그는 상태 레지스터들에 세팅된다. 평가 회로(μCA, μCB)들은 특정 직렬 통신 링크(KVA 및 KVB)를 통하여 결함의 발생이 통지될 수 있다.

다른 상태 정보는 상태 정보의 통신에 부가하여 통신 링크(KVA 및 KVB)들을 통하여 평가 회로(μCA, μCB)들로 송신될 수 있다. 또한, 상기 통신 링크들은 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)을 파라미터화하도록 사용될 수 있다. 스위치(PRA, PRB)들에 대한 구동 신호들은 자신들의 통신 라인들을 통하여 송신되지 않고, 상기 기술되는 바와 같이, 상기 통신 링크(KVA 및 KVB)들을 통하여 송신된다는 것을 또한 생각할 수 있다. 이런 목적을 위하여 보안 프로토콜은 상기 통신 링크(KVA 및 KVB)들을 통하여 통신하는데 사용하는 경우 이점이 있다. 평가 회로(μCA)와 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL) 사이에 구축된 통신 링크(KVA)와 평가 회로(μCB)와 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL) 사이에 구축된 통신 링크(KVB)는 SPI, IO-링크 또는 RS-232 표준들에 따라 구현될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시되는 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 가능한 변형을 도시한다. 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)은 테스팅 및 모니터링 디바이스(PL1), 전류 평가 회로(PL2) 및 인터페이스(PL3)를 평가 회로(μCA, μCB)들로 통합한다. 상기 테스팅 및 모니터링 디바이스(PL1)가 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 필수 컴포넌트인 반면에, 상기 평가 회로(μCA, μCB)들로의 상기 전류 평가 회로(PL2) 및 상기 인터페이스(PL3)는 선택적인 컴포넌트들을 구성한다.

상기 테스팅 및 모니터링 디바이스(PL1)는 입력부(INA1, INA2)들에 연결되는 AND-게이트(G2A), 입력부들을 통합한다. 상기 AND-게이트(G2A)의 출력부는 다른 AND-게이트(G3A)의 제 1 입력부에 연결되고 그리고 두 개의 XOR-게이트들(G4A1, G4A2)의 제 1 입력부들에 연결된다. AND-게이트(G3A)의 제 2 입력부는 입력부 측에서 클록(CLKA)에 연결되는 모노플롭(monoflop)(MFA)에 연결된다. 반전된 신호는 상기 모노플롭(MFA)의 출력부에 인가된다. 상기 AND-게이트(G3A)의 출력부는 안전한 출력부(OUTA)에 연결된다. 비교기(K1)의 제 1 입력부는 피드백 입력부(FBA)에 연결되고 상기 비교기로 들어오는 신호는 반전된다. 기준 신호는 상기 비교기(K1)의 제 2 입력부(Ref1)에 인가된다. 출력부 측에서, 상기 비교기(K1)는 각각의 경우 상기 XOR-게이트들(G4A1, G4A2)의 제 2 입력부들에 연결된다. 상기 XOR-게이트(G4A1)의 출력부는 상태 입력부(STA1)에 연결된다. 유사하게, 상기 XOR-게이트(G4A2)의 출력부는 상태 입력부(STA2)에 연결된다. 상기 상태 입력부들(STA1, STA2)은 마이크로컨트롤러(μCA)에서 제공되는 본 예에서 이미 언급된 상태 레지스터들에 연결된다.

중복도를 위하여, 기술되는 회로 섹션은 테스팅 및 모니터링 디바이스(PL1)에서 복제된다.

이런 목적을 위하여, 입력부(INB1, INB2)들은 AND-게이트(G2B)의 입력부들에 연결된다. 상기 AND-게이트(G2B)의 출력부는 AND-게이트(G3B)의 제 1 입력부 및 두 개의 XOR-게이트들(G4B1, G4B2)의 제 1 입력부에 연결된다. 상기 AND-게이트(G3B)의 제 2 입력부는 입력부 측에서 클록 발생기(CLKB)에 연결되는 모노플롭(MFB)에 연결된다. 반전된 신호가 상기 모노플롭(MFB)의 출력부에 인가된다. 상기 AND-게이트(G3B)의 출력부는 안전한 출력부(OUTB)에 연결된다. 피드백 입력부(FBB)는 비교기(K2)의 제 1 입력부에 연결되고, 상기 비교기에 인가되는 신호는 반전된다. 기준 신호는 제 2 입력부(Ref2)에서 나타나게 된다. 출력부 측에서, 상기 비교기(K2)는 각각의 경우 상기 XOR-게이트들(G4B1, G4B2)의 제 2 입력부들에 연결된다. 상기 XOR-게이트(G4B1, G4B2)들의 출력부들은 상태 입력부(STB1, STB2)들에 연결된다. 상기 상태 입력부들(STB1, STB2)은 예를 들어, 마이크로컨트롤러(μCB)에서 제공되는 두 개의 상태 레지스터들에 연결된다.

상기 상태 입력부(STA1, STA2, STB1, STB2)들에서 나타나는 신호들은 통신 링크(KVA, KVB)들을 통하여 상기 평가 회로(μCA, μCB)들로 송신된다. 이런 목적을 위하여 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)은 상기 평가 회로(μCA, μCB)들로 인터페이스(PL3)를 포함한다.

전자 스위치(TRA, TRB)들을 통하여 흐르는 전류들은 전류 평가 회로(PL2)에서 모니터링된다. 이런 목적을 위하여, 입력부(ISA1, ISA2; ISB1, ISB2)들은 각각 전류 측정을 위한 각각의 전류 평가 유닛(AWA, AWB)들에 연결된다. 상기 전류 평가 유닛(AWA, AWB)들은 상기 션트 저항들(RA, RB)의 알려진 변수들 및 각각의 입력부(ISA1, ISA2; ISB1, ISB2)들에서 나타나는 전압 차로부터 스위치(TRA, TRB)들을 통하는 각각의 전류를 결정하기 위하여 사용된다. 출력부 측에서, 상기 전류 평가 유닛(AWA, AWB)들은 전류 상태 출력부(I_STATE)에 연결되는 게이트(G1)에 연결된다. 상기 전자 스위치(TRA, TRB)들 중 하나를 통하는 과전류가 검출된다면, 상응하는 신호가 상기 전류 상태 출력부(I_STATE)에 인가된다. 상태 신호는 통신 링크(KVA, KVB) 하나 또는 둘 모두를 통하여 바람직하게 송신된다. 이는 상기 평가 회로(μCA, μCB)들 중 하나에 의하여 또한 평가될 수 있다. 과전류 발생의 경우, 영향을 받는 스위치 또는 전자 스위치(TRA, TRB)들 둘 다가 개방된다.

상기 테스팅 및 모니터링 디바이스(PL1)는 다음과 같이 동작한다.

안전 스위칭 어레인지먼트의 정상(normal) 동작 동안에, 논리 "1"로 하여금 AND-게이트(G2A)의 출력부 및 XOR-게이트들(G4A1 및 G4A2)의 제 1 입력부들에서 또한 나타나게 하는 상기 입력부(INA1, INA2)들에서 논리 "1" 신호가 나타난다. 논리 "1" 신호가 모노플롭(MFA)의 출력부에서 또한 나타난다면, 논리 "1" 신호가 상기 AND-게이트(G3A)의 출력부에서 나타나기 때문에 상기 전자 스위치(TRA)는 전도하게 된다(폐쇄됨).

상기 전자 스위치를 테스트하기 위하여, 논리 "0" 신호는 모노플롭(MFA)에 의하여 일시적으로 예를 들어, 300㎳ 내지 500㎳ 사이의 기간 동안에 발생되고, 이런 짧은 기간 동안 논리 "0"은 AND-게이트(G3A)의 출력부에서 나타나게 되고 그리고 상기 전자 스위치(TRA)는 비전도(nonconducting)하게 된다(개방됨). 이런 중첩성(superimposition)은 피드백 입력부(FBA)에서 검출될 수 있는 제 1 단자(OUT(P))에서의 전위의 변화를 야기한다. 상기 전자 스위치(TRA)의 비전도가 반전되고 상기 비교기(K1)의 상기 제 1 입력부로 제공되기 때문에 상기 논리 "0"은 상기 단자(OUT(P))에서 나타난다. 상기 기준 신호가 상기 비교기(K1)의 제 2 입력부(Ref1)에 나타나기 때문에, 제 1 입력부에서 논리 "1"이 나타나는 것과 공동으로 논리 "0"이 상기 비교기(K1)의 출력부에 나타나고, 논리 "1"은 경우에 따라 게이트들(G4A1 또는 G4A2)의 출력부에서 야기된다. 그러므로 논리 "1"은 상기 전자 스위치(TRA)가 의도한 대로 동작한다는 것을 표시하는 상태 입력부(STA1 및 STA2)에서 판독(read off)될 수 있다.

상기 테스팅 및 모니터링 디바이스(PL1)의 다른 회로 섹션은 유사한 방식으로 동작한다.

스위치(TRA)가 의도된 바와 같이 동작한다면, 논리 "0"은 상태 입력부(STA1, STA2)에서 나타나게 될 것이다.

기준 신호(Ref1)가 구현되는 방법에 따라, 상기 전자 스위치(TRA)의 의도되거나 또는 불완전한 동작은 또한 반대 방식으로 표시될 수 있다.

상기 전자 스위치(TRA, TRB)들 각각을 통하는 과전류는 전류 평가 회로(PL2)에 의하여 검출될 수 있고, 이에 의하여 특히 상기 전자 스위치들이 자신들의 안전한 전자부품들을 전혀 갖지 않는 간단한 반도체 스위치들로서 구현되더라도 상기 스위치(TRA, TRB)들의 파괴를 방지하게 한다.

본 발명에 따른 안전 스위칭 어레인지먼트의 이점은 안전-지향 출력부들의 평가 및 구동이 표준화된다는 것이다. 이는 안전-지향 제어들의 설계자들이 안전-지향 출력들에 대하여 훨씬 더 적은 노하우를 요구한다는 것을 의미한다. 게다가, 상기 평가 회로들로부터 상기 테스팅 및 모니터링 디바이스를 연결함으로써 더 작고 그러므로 이를 테면 마이크로컨트롤러들 또는 마이크로프로세서들과 같은 더 값싼 평가 회로들이 사용될 수 있다. 직렬 인터페이스를 프로그래밍가능한 로직 유닛으로 통합시킴으로써, 복잡한 안전 시스템들에 대한 필요한 평가 회로들의 개수는 감소될 수 있다. 또한, 상기 테스팅 및 모니터링 기능은 평가 디바이스에 의하여 제어와 병행하여 실행할 수 있기 때문에 속도 이점도 있다.

다른 이점은 본 발명에 따른 안전 스위칭 어레인지먼트가 기존의 안전 스위칭 어레인지먼트들에 비하여 회로 기판상에 더 적은 공간을 요구한다는 것이다. 게다가, 도판 제작 설계 복잡도가 감소될 수 있다. 모든 테스팅 및 모니터링 기능들은 프로그래밍가능한 로직 유닛에 의하여 제어되고 평가되고, 단지 평가 결과만이 평가 회로(들)에 전송(communicate)되며, 이에 의하여 상기 평가 회로(들) 상에서의 부담이 경감한다.

μCA 평가 회로 (마이크로컨트롤러)
μCB 평가 회로 (마이크로컨트롤러)
VDD 공급 전압
VSS 기준 전위
P24 공급 전압
OUTA1 안전하지 않은 출력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
OUTB1 안전하지 않은 출력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
PL 프로그래밍가능한 로직 유닛
PL1 테스팅 및 모니터링 디바이스
PL2 전류 평가 회로
PL3 평가 회로에 대한 인터페이스
INA 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
INB 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
INA1 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
INA2 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
INB1 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
INB2 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
OUTA 안전한 출력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
OUTB 안전한 출력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
FBA 피드백 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
FBB 피드백 입력부 (드라이버에 대한 구동 신호)
TRA 전자 스위치
TRB 전자 스위치
OUT(P) 제 1 단자
OUT(M) 제 1 단자
KLA 제 2 단자
KLB 제 2 단자
LA 부하
R11 저항
R12 저항
R13 저항
R21 저항
R22 저항
R23 저항
R31 저항
R32 저항
R33 저항
R51 저항
R52 저항
R53 저항
ISA1 전류 측정을 위한 입력부
ISA2 전류 측정을 위한 입력부
ISB1 전류 측정을 위한 입력부
ISB2 전류 측정을 위한 입력부
AWA 전류 평가 유닛
AWB 전류 평가 유닛
G1 게이트
K1 비교기
Ref1 기준 입력부
G2A AND-게이트
G3A AND-게이트
G4A1 XOR-게이트
G4A2 XOR-게이트
K2 비교기
Ref2 기준 입력부
G2B AND-게이트
G3B AND-게이트
G4B1 XOR-게이트
G4B2 XOR-게이트
CLKA 클록
CLKB 클록
MFA 모노플롭(monoflop)
MFB 모노플롭
KVA 통신 링크
KVB 통신 링크
RA 션트 저항
RB 션트 저항
STA1 상태 입력부
STA2 상태 입력부
STB1 상태 입력부
STB2 상태 입력부
I_STATE 전류 상태 출력부

Claims

부하(LA)의 파워 서플라이의 연결해제를 제어하기 위해 사용될 수 있는 회로의 안전-지향(safety-oriented opening) 개방을 위한 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)에 대한 스위칭 신호를 출력하기 위한 안전 회로로서,
각각의 출력부(OUTA1, OUTB1; OUTA2, OUTB2)에서 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)에 대하여 각각의 안전하지 않은 구동 신호를 출력하는 적어도 하나의 평가 회로(μCA, μCB);
각각의 입력부(INA1, INB1; INA2, INB2)에서 상기 안전하지 않은 구동 신호들을 공급받을 수 있고, 안전한 구동 신호를 사용하여 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)를 구동시키기 위한 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)에 연결되는 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL) ― 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛은 동작 동안에 각각의 스위치(TRA, TRB)의 무결함 기능을 테스트하고 모니터링할 수 있는 테스팅 및 모니터링 디바이스로서 설계됨 ―; 및
상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)의 안전한 비-부동(non-floating) 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))
를 포함하고, 상기 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))는 상기 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))의 전위(potential) 상태를 모니터링하기 위하여 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 각각의 피드백 입력부(FBA, FBB)에 연결되고, 상기 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))의 전위 상태는 무결함 동작 동안 상기 스위치(TRA, TRB)의 상기 안전한 구동 신호에 대응하며,
상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)은 상기 적어도 하나의 스위치(TRA, TRB)가 의도한 대로 동작하고 있는 경우 상기 각각의 피드백 입력부들(FBA, FBB)에서 검출가능하고 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 각각의 입력부(INA1, INB1; INA2, INB2)들에서 존재하는 상기 적어도 하나의 평가 회로(μCA, μCB)의 구동 신호들 상에 중첩될 수 있는 테스트 펄스들을 발생시키는 수단(CLK, MF)을 갖는,
안전 회로.
제 1 항에 있어서,
상기 안전 회로는 두 개의 서로 직렬 연결된 스위치들(TRA, TRB)을 포함하는,
안전 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 안전 회로는 각각의 출력부(OUTA1, OUTB1; OUTA2, OUTB2)에서 각각의 스위치(TRA, TRB)에 대한 각각의 안전하지 않은 구동 신호를 출력하는 두 개의 평가 회로들(μCA, μCB)을 포함하는,
안전 회로.
부하(LA)의 파워 서플라이의 연결해제를 제어하기 위해 사용될 수 있는 회로의 안전-지향(safety-oriented opening) 개방을 위한 2개의 스위치(TRA, TRB)에 대한 스위칭 신호를 출력하기 위한 안전 회로로서,
각각의 출력부(OUTA1, OUTB1; OUTA2, OUTB2)에서 상기 2개의 스위치(TRA, TRB)에 대하여 각각의 안전하지 않은 구동 신호를 각각 출력하는 2개의 평가 회로(μCA, μCB);
각각의 입력부(INA1, INB1; INA2, INB2)에서 상기 안전하지 않은 구동 신호들을 공급받을 수 있고, 안전한 구동 신호들을 사용하여 상기 2개의 스위치(TRA, TRB)를 구동시키기 위한 상기 2개의 스위치(TRA, TRB)에 연결되는 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL) ― 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛은 동작 동안에 상기 2개의 스위치(TRA, TRB)의 무결함 기능을 테스트하고 모니터링할 수 있는 테스팅 및 모니터링 디바이스로서 설계됨 ―; 및
상기 2개의 스위치(TRA, TRB)의 안전한 비-부동 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))
를 포함하고, 상기 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))는 상기 제 1 단자(OUT(P), OUT(M))의 전위 상태를 모니터링하기 위하여 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛(PL)의 각각의 피드백 입력부(FBA, FBB)에 연결되고, 상기 제 1 단자의 전위 상태는 무결함 동작 동안 상기 스위치(TRA, TRB)의 상기 안전한 구동 신호에 대응하는,
안전 회로.
제 4 항에 있어서,
상기 안전 회로는 두 개의 서로 직렬 연결된 스위치들(TRA, TRB)을 포함하는,
안전 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 단자(OUT(P), OUT(M))의 상태는 상기 프로그래밍가능한 로직 유닛 또는 상기 적어도 하나의 평가 회로(μCA, μCB)의 중복적(redundant) 레지스터들에 각각 기록될 수 있는,
안전 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 스위치(TRA, TRB)에는 각각의 스위치 구간에서 흐르는 전류를 모니터링하도록 설계되는 과전류 검출 수단이 할당되는,
안전 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 프로그래밍가능한 로직 유닛은 상기 적어도 하나의 평가 회로(μCA, μCB)로의 통신 링크를 갖는,
안전 회로.
제 8 항에 있어서,
상기 통신 링크를 통하여 보안 프로토콜을 이용하여 데이터 교환이 발생하는,
안전 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 프로그래밍가능한 로직 유닛은 FPGA 또는 ASIC로서 설계되는,
안전 회로.
제 8 항에 있어서,
상기 통신 링크는 직렬 통신 링크인,
안전 회로.