KR102518650B1 - 과전압 보호 및 선형 레귤레이터 디바이스 모듈 - Google Patents

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테디 씨. 티. 토
웨이 후아 티안
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리텔퓨즈 세미컨덕터 (우시) 씨오., 엘티디.
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Abstract

장치는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자에 접속된 과도 전압 억제(TVS) 디바이스 어레이; 및 상기 TVS 디바이스 어레이의 각각의 출력 쌍에 연결된 입력 쌍을 갖는 선형 레귤레이터 모듈을 포함할 수 있고, 상기 TVS 디바이스 어레이는 제1 클램핑 전압 신호를 생성하기 위해 상기 출력 쌍의 제1 출력과 제2 출력 사이에 연결된 적어도 하나의 TVS 다이오드를 포함하고, 상기 선형 레귤레이터 모듈은, 상기 TVS 디바이스 어레이로부터 수신된 상기 제1 클램핑 전압 신호의 제1 클램핑 전압에 독립적인 제2 클램핑 전압을 갖는 제2 클램핑 전압 신호를 생성하도록 구성된다.

Description

과전압 보호 및 선형 레귤레이터 디바이스 모듈
실시예는 반도체 디바이스(semiconductor devices)의 분야에 관한 것이고, 보다 상세하게는 과전압 보호 디바이스(overvoltage protection devices) 및 선형 레귤레이터(Linear regulators)에 관한 것이다.
과전압 보호 디바이스는 전자 회로(electronic circuits) 및 구성 요소(components)를 과전압 고장 상태(over-voltage fault conditions)로 인한 손상으로부터 보호하기 위해 사용된다. 선형 레귤레이터는 안정적인 출력 전압을 유지하고 과전압 상태로부터 보호하는 데 사용되는 디바이스의 클래스(class)를 구성한다. 선형 레귤레이터는 예를 들면 자동차, 항공기 및 군용 차량 애플리케이션을 포함하는 다른 많은 컨텍스트(contexts)에서 보호 애플리케이션을 위해 사용될 수 있다. 상이한 기술은 작동에 대해 상이한 표준(standards)을 설정할 수 있으며, 상이한 표준은 안전한 레벨로 소산(dissipated)되는 전력 또는 전압에 따라 넓게 달라질 수 있다.
선형 레귤레이터의 통상적인 DC-DC 컨버터(DC-DC converters)는 상이한 표준에 의해 특정된 낮은 또는 안전한 레벨로 과전압 상태를 클램핑하고 요구된 전력을 소산시키는 니즈(needs)를 충족시키도록 설계되지 않을 수 있다.
본 개시가 제공되는 것은 이들 및 다른 고려 사항에 관한 것이다.
예시적인 실시예는 개선된 과전압 보호 디바이스에 관한 것이다. 일 실시예에서, 장치는 제1 입력 단자(input terminal) 및 제2 입력 단자에 접속(couple)된 과도 전압 억제(TVS; transient voltage suppression) 디바이스 어레이; 및 상기 TVS 디바이스 어레이의 각각의 출력 쌍(pair of outputs)에 연결된 입력 쌍(pair of inputs)을 갖는 선형 레귤레이터 모듈(linear regulator module)을 포함할 수 있고, 상기 TVS 디바이스 어레이는, 제1 클램핑 전압 신호(clamping voltage signal)를 생성하기 위해 상기 출력 쌍의 제1 출력과 제2 출력 사이에 연결된 적어도 하나의 TVS 다이오드(TVS diode)를 포함하고, 상기 선형 레귤레이터 모듈은, 상기 TVS 디바이스 어레이로부터 수신된 상기 제1 클램핑 전압 신호의 제1 클램핑 전압(clamping voltage)에 독립적인 제2 클램핑 전압을 갖는 제2 클램핑 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 과전압 보호를 제공하는 방법은, 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자에 접속(couple)된 과도 전압 억제(TVS) 디바이스 어레이에서의 전압 펄스를 수신하는 단계 - 상기 TVS 디바이스 어레이는 상기 제1 입력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에 연결된 적어도 하나의 TVS 다이오드를 포함함 -; 상기 TVS 디바이스 어레이로부터 제1 클램핑 전압 신호를 출력하는 단계; 상기 TVS 디바이스 어레이의 각각의 출력 쌍에 연결된 입력 쌍을 갖는 선형 레귤레이터 모듈에서 상기 제1 클램핑 전압 신호를 수신하는 단계; 및 상기 선형 레귤레이터로부터 제2 클램핑 전압 신호를 출력하는 단계 - 상기 제2 클램핑 전압 신호는 상기 제1 클램핑된 전압 신호(clamped voltage signal)의 제1 클램핑 전압 보다 작은 제2 클램핑 전압을 가짐 -를 포함할 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 2a는 본 개시의 실시예에 따른 또 다른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 2b는 도 2a의 장치의 차지 펌프의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 다른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 다른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 다른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른 다른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 다른 장치의 개략도를 나타낸다.
이제, 이하 예시적인 실시예를 도시한 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예들은 더 충분히 설명될 것이다. 실시예들은 본원에 제시한 실시예에 제한되는 것으로 이해해서는 안된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하게 이루어질 수 있도록 제공되며, 당업자에게 범위를 충분히 전달할 것이다. 도면에서, 동일한 번호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하의 설명 및/또는 청구 범위에서, "위에(on)", "위에 놓이는(overlying)", "위에 배치된(disposed on)" 및 "위로(over)"라는 용어는 다음의 설명 및 청구 범위에서 사용될 수 있다. "위에(on)", "위에 놓이는(overlying)", "위에 배치된(disposed on)" 및 "위로(over)"라는 용어는 둘 이상의 요소가 서로 직접 물리적으로 접촉함을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 또한, "위에(on)", "위에 놓이는(overlying)", "위에 배치된(disposed on)" 및 "위로(over)"라는 용어는 둘 이상의 요소가 서로 직접 접촉하지 않음을 의미할 수 있다. 예를 들어, "위로"는 하나의 요소가 다른 요소의 위에 있고 서로 접촉하지 않으며, 두 개의 요소 사이에서의 요소 또는 다른 요소를 가질 수 있음을 의미할 수 있다. 또한, "및/또는"이라는 용어는, 청구된 주제의 범위가 이 점에 제한되지는 않지만, "및"을 의미할 수 있고, "또는"을 의미할 수 있고, "배타적인 또는(exclusive-or)"을 의미할 수 있고, "하나(one)"를 의미할 수 있고, "전부는 아니지만 일부(some, but not all)"를 의미할 수 있고, "어느 쪽도 아닌(neither)"을 의미할 수 있고, 및/또는 "둘 다(both)"를 의미할 수도 있다.
다양한 실시예에서, 선형 레귤레이터 및 과도 전압 억제(TVS) 디바이스 어레이를 포함하는 하이브리드 장치(hybrid apparatus)가 제공된다. 이들 구성 요소는 함께 밀리초(millisecond)(ms) 시간 단위로 발생하는 이벤트(events)를 포함하여, DC 전원 라인 과전압 이벤트(DC power line overvoltage events) 및 돌입 전류(inrush current)와 같은 이벤트에 대한 보호를 제공한다. 다양한 실시예에서, 전자 장비에 대한 적절한 보호를 제공하기 위하여 DC 전력 시스템에 대한 보호 요건이 달라질 수 있는 자동차, 항공기 및 군용 차량 애플리케이션에 대한 보호를 제공하는 하이브리드 장치가 제공된다. 본 실시예의 하이브리드 장치는 주어진 시스템에 대한 효율적인 작동을 유지하면서 특히 이러한 과전압 보호를 제공할 수 있다.
다양한 실시예에서, 하이브리드 장치는 당업계에 공지된 회로 기판과 같은 기판(board) 또는 캐리어(carrier)에 통합되거나 배치될 수 있다. 상기 장치는 전기적 직렬(electrical series) 및 전기적 병렬 방식(electrical parallel fashion)으로 서로 간에 상호적으로 배열(arrange)된 TVS 다이오드를 수용(accommodate)하기 위해 전도성 노드(conductive nodes)의 2 차원 어레이(two dimensional array)를 갖는 TVS 디바이스 어레이를 포함할 수 있다.
TVS 다이오드의 어레이는 상이한 서지 요건(surge requirements)에 대해 조정될 수 있는 데 반해, 단일 TVS 다이오드는 서지 테스트 요건(surge test requirement)에 따른 TVS 다이오드의 병렬 구성과 함께 직렬로 연결된 TVS 다이오드의 세트(set of TVS diodes)가 이용된다. 상이한 실시예에서, TVS 다이오드 어레이는 스루-홀 구성(through-hole configuration)으로 회로 기판에 장착될 수 있거나 대안적으로 복수의 표면 장착된 디바이스로서 배열될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)의 개략도를 나타낸다. 장치(100)는 과전압 상태 또는 서지(surge)의 유형이 실질적으로 변할 수 있는 다양한 애플리케이션에 대해 과전압 보호를 제공할 수 있다. 장치(100)는 상이한 표준에 의해 요구되는 낮은 또는 안전한 레벨로 과전압을 클램프 다운(clamp down)하는 것을 돕는 니즈를 충족시키기 위해 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 제1 입력 단자(110) 및 제2 입력 단자(112)에 접속된 TVS 디바이스 어레이(102)를 포함할 수 있다. 고전압이 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112)사이에서 발달(develops)하는 과전압 상태 또는 이벤트에서, 장치(100)는 전압을 클램핑(clamp)하여 과전압 상태 동안 허용 가능한 레벨로 클램핑된 출력 전압을 제공할 수 있다. 이러한 클램핑은 장치(100)의 출력 단자에 전기적으로 접속된 주어진 구성 요소를 보호할 수 있다.
장치(100)는 TVS 디바이스 어레이(102)의 각각의 출력 쌍에 연결된 입력 쌍을 갖는 선형 레귤레이터 모듈(104)을 더 포함할 수 있으며, 여기서 선형 레귤레이터 모듈(104)의 아키텍처(architecture) 및 선형 레귤레이터 모듈(104)의 변형(variants)이 아래에 설명된다. 작동시에, TVS 디바이스 어레이(102)는 제1 클램핑 전압 신호를 생성할 수 있고, 이 신호는 선형 레귤레이터 모듈(104)에 송신되며, 선형 레귤레이터 모듈이 제2 클램핑 전압 신호를 생성하며, 제2 클램핑 전압 신호는 제1 클램핑과 독립적이다. 특히, TVS 디바이스 어레이(102)는 전압을 제1 클램핑 전압으로 클램핑하고, 선형 레귤레이터는 제1 클램핑 전압보다 더 작은 제2 클램핑 전압으로서 생성할 수 있다. 장치(100)는 이벤트의 지속 시간이 밀리초 정도인 직류(DC) 전력 라인 상의 과전압 이벤트 및 돌입 전류를 조절하는데 특히 효과적일 수 있다. 실시예는 이 컨텍스트에 제한되지 않는다.
도 2a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 장치(200)로 도시된 또 다른 장치의 개략도를 나타낸다. 장치(200)는 TVS 디바이스 어레이(102)의 출력에 접속된 선형 레귤레이터 모듈(210)뿐만 아니라 전술한 TVS 디바이스 어레이(102)를 포함할 수 있다. 이 예시에서, TVS 디바이스 어레이는 도시된 바와 같이 5 × 5 매트릭스(matrix)의 TVS 디바이스 위치 또는 전도성 노드(203)를 포함할 수 있다. 이 예시에서, 선형 레귤레이터 모듈(210)은 선형 레귤레이터 모듈(210)의 출력에 접속된 차지 펌프(20) 출력 DC 전압 필터(208)(charge pump 20 output DC voltage filter 208)를 포함한다. TVS 다이오드(206)는 특정 설계에 따른 선형 레귤레이터 모듈(210)에 대한 최대 클램핑 전압을 설정하도록 구성될 수 있다. 선형 레귤레이터 모듈(104)은 MOSFET(metal oxide field effect transistor)(202)이 TVS 디바이스 어레이(102)의 출력에 접속되는, 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터, MOSFET(202)을 더 포함한다. 일부 예시에서, MOSFET(202)은 50V 이하의 전압에서 제2 클램핑 전압 신호를 출력하도록 TVS 다이오드(206)와 상호 동작(interoperative)할 수 있다.
상이한 실시예에 따르면, 디바이스로 채워질(populated) 때, TVS 디바이스 어레이(102)는 TVS 디바이스 어레이에 대한 클램핑 전압을 설정하는 클램핑 전압을 갖는 제너 다이오드(Zener diodes)와 같은 다이오드를 포함할 수 있다. 유사하게는, TVS 다이오드(206)는 일부 실시예에서 제너 다이오드일 수 있고, 특히, 일부 실시예에서는 TVS 다이오드(206)의 항복 전압(breakdown voltage)이 40V 이하일 수 있다.
도 2a에서 더 제시된 바와 같이, TVS 디바이스 어레이(102)는 2 차원 어레이로서 배열될 수 있는데, 여기서 어레이는 전기적으로 상호 연결된 패드(electrically interconnected pads) 또는 전도성 노드(203)의 세트를 나타내며, TVS 다이오드의 상이한 구성은 원하는 노드에 연결되어 적절한 과전압 보호를 제공할 수 있다. 예를 들어, TVS 디바이스 어레이(102)는 하나 이상의 전기적으로 연결된 TVS 다이오드의 어레이를 형성하기 위해, 패턴의 주어진 위치(전기적 노드)에 배치된 적어도 하나의 TVS 다이오드로 구성 가능한 2 차원 회로 패턴을 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, TVS 디바이스 어레이(102)에서의 제1 세트의 TVS 다이오드들(first set of TVS diodes)(주어진 TVS 다이오드의 열)는 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이에 전기적 직렬로 연결되고, 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들(at least one additional set of TVS diodes)(TVS 다이오드의 다른 열)는 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이에 전기적 직렬로 연결된다. 또한, TVS 다이오드의 개별 열들이 배열될 수 있으며, 제1 세트의 TVS 다이오드들는 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들에 전기적 병렬 방식으로 배열(arrange)된다. 아래에 자세히 설명된 바와 같이, 이 배열은 다양한 애플리케이션에 대한 과전압 서지를 해결하기 위한 유연성(flexibility)을 제공하며, TVS 디바이스의 수와 TVS 디바이스 배열의 TVS 디바이스의 구성은 선형 레귤레이터의 입력 단자에 의해 수신되기 전에 과전압 이벤트를 허용 가능한 레벨로 클램핑하기 위하여 애플리케이션에 따라 선택될 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따르면, TVS 다이오드(206)의 항복 전압은 애플리케이션에 따라 조정(tailored)될 수 있다. 또한, 선형 레귤레이터 모듈(210)에 제공된 전압을 클램프하기 위한 TVS 디바이스 어레이의 사용은 과전압 이벤트에서 MOSFET에 의해 소산(dissipate)되는 전력을 감소시키고, 따라서 아래에서 설명되는 바와 같이 장치(200)에 의해 처리되는 전력의 상한을 증가시킨다.
도 2b는 도 2a의 장치(200)의 차지 펌프(204)의 개략도를 나타낸다. 이 예시에서, 차지 펌프(204)는 12V 차지 펌프로서 설계될 수 있지만, 실시예들은 이 컨텍스트에 제한되지 않는다. 이 예시에서, 차지 펌프(204)는 공지된 IC 555에 기초하여 구성되며, 더 낮은 출력 전압으로 입력 전압을 드롭(drop)시키는 것을 돕기 위해 MOSFET 드라이버(MOSFET driver)로서 동작한다. 이 실시예가 차지 펌프 및 MOSFET을 사용하여 구성된 선형 DC 레귤레이터를 포함하지만, 다른 실시예에서는 DC/DC 선형 레귤레이터의 다른 유형이 TVS 디바이스 어레이와 함께 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 장치(300)로 도시된 또 다른 장치의 개략도를 나타낸다. 이 예시에서, 장치(300)는 장치(200)의 변형일 수 있으며, TVS 디바이스 어레이(102)의 상이한 위치의 TVS 다이오드의 특정 세트는 사용을 위해 선택된다. 또한, 도 3은 202V, 350ms 파형으로 표시되는 과전압 이벤트가 발생하는 작동 시나리오를 나타낸다. 예를 들어, 장치(300)는 24V 150W 자동 시스템(auto system)에서 사용하도록 설계될 수 있다. 입력 전압 파형(304)에 의해 도시된 바와 같이, 과전압 이벤트 이전에, 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이의 전압은 자동 시스템용으로 설계된 바와 같이 24V이다. 과전압 이벤트 동안, 202V의 피크 전압(peak voltage)은 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이에서 발견(experienced)된다. 이 전압은 TVS 디바이스 어레이(102)를 통해 전파된다. 이 실시예에서, TVS 디바이스 어레이는 과전압 이벤트를 처리하도록 디바이스 그룹(device group)(302)으로 채워진다. 디바이스 그룹(302)은 전기적 직렬로 배열된 TVS 디바이스의 열을 나타내며, TVS 디바이스 어레이의 유효 클램핑 전압은 디바이스 그룹(302)의 개별 TVS 디바이스의 클램핑 전압의 합일 수 있다. 도 3의 특정 예시에서, 모든 TVS 다이오드는 동일할 수 있고, 약 17V의 클램핑 전압이 주어진 TVS 디바이스에 적용될 수 있다. 따라서, 5개의 TVS 디바이스를 사용하여 전기적 직렬로 배열된 디바이스 그룹(302)은 약 85 V의 클램핑 전압을 나타낼 수 있다. 이러한 동작(behavior)은 파형(306)에 의해 나타내지만, 파형(306)은 입력 전압 파형(304)에 응답하여 TVS 디바이스 어레이(102)에 의해 출력된 전압을 나타낸다. 관찰된 바와 같이, 85V의 최대 전압은 입력 전압 파형(304)이 85V를 초과하는 지속 기간에 대응하는 과도 상태(transient)로서 출력된다.
도 3에 더 도시된 바와 같이, 선형 레귤레이터 모듈(310)은 입력 전압 파형(304)을 생성하는 과전압 이벤트에 응답하여 파형(308)을 출력하도록 구성된다. 이 예시에서, TVS 다이오드(206)는 36V의 클램핑 전압을 생성하도록 구성될 수 있으므로, 도시된 바와 같이 선형 레귤레이터(310)에 의해 출력된 최대 전압은 36V이며, 파형(306)이 36V를 초과하는 지속 시간 동안 지속된다. 따라서, 이 예시에서, 24V 150W 자동 시스템은 장치(300)가 짧은 지속 시간 동안 36V를 출력하는 202V 350ms 과전압 이벤트로부터 보호될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치(400)로 도시된 또 다른 장치의 개략도를 나타낸다. 이 예시에서, 장치(400)는 장치(200)의 변형일 수 있고, TVS 디바이스 어레이(102)의 상이한 위치의 TVS 다이오드의 특정 세트가 사용을 위해 선택된다. 또한, 도 4는 101V, 400mS 파형에 의해 나타낸 과전압 이벤트가 발생하는 작동 시나리오를 보여준다. 장치(400)는 예를 들어, 12V 100W 자동 시스템에서 사용하도록 설계될 수 있다. 입력 전압 파형(404)에 의해 도시된 바와 같이, 과전압 이벤트 이전에, 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이의 전압은 자동 시스템용으로 설계된 바와 같이 12V이다. 과전압 이벤트 동안, 101V의 피크 전압은 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이에서 발견된다. 이 전압은 TVS 디바이스 어레이(102)를 통해 전파된다. 이 실시예에서, TVS 디바이스 어레이는 과전압 이벤트를 처리하도록 구성된 디바이스 그룹(402)으로 채워진다. 디바이스 그룹(402)은 전기적 직렬로 배열된 3개의 TVS 디바이스의 열의 일부를 나타내며, TVS 디바이스 어레이의 유효 클램핑 전압은 디바이스 그룹(402)의 개별 TVS 디바이스의 클램핑 전압의 합일 수 있다. 도 4의 특정 예시에서, 모든 TVS 다이오드는 동일할 수 있고, 약 17V의 클램핑 전압은 주어진 TVS 디바이스에 적용될 수 있다. 따라서, 3 개의 TVS 디바이스를 사용하여 전기적 직렬로 배열된 디바이스 그룹(402)은 약 50V의 클램핑 전압을 나타낼 수 있다. 이 작동은 파형(406)에 의해 나타나고, 파형(406)은 입력 전압 파형(404)에 응답하여 TVS 디바이스 어레이(102)에 의해 출력된 전압을 나타낸다. 관찰된 바와 같이, 50V의 최대 전압은 입력 전압 파형(404)이 50V를 초과하는 지속 시간에 대응하는 과도 상태로서 출력된다.
도 4에 더 도시된 바와 같이, 선형 레귤레이터 모듈(410)은 입력 전압 파형(404)을 생성하는 과전압 이벤트에 응답하여 파형(408)을 출력하도록 구성된다. 이 예시에서, TVS 다이오드(206)는 30V의 클램핑 전압을 생성하도록 구성될 수 있으므로, 도시된 바와 같이 선형 레귤레이터(410)에 의해 출력된 최대 전압은 30V이며, 파형(406)이 24V를 초과하는 지속 시간 동안 지속된다. 따라서, 이 예시에서, 12V 100W 자동 시스템은 장치(400)가 짧은 지속 시간 동안 30V를 출력하는 101V 400ms 과전압 이벤트로부터 보호될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 장치(500)로 도시된 또 다른 장치의 개략도를 나타낸다. 이 예시에서, 장치(500)는 장치(200)의 변형일 수 있으며, TVS 디바이스 어레이(102)의 상이한 위치의 TVS 다이오드의 특정 세트는 사용을 위해 선택된다. 또한, 도 5는 100V, 50ms 파형에 의해 나타나는 과전압 이벤트가 발생하는 작동 시나리오를 나타낸다. 예를 들어, 장치(500)는 28V 600W 군사 시스템(Military system)에서 사용하도록 설계될 수 있다. 장치(500)는 1초 간격으로 발생하는 일련의 5 개의 펄스와 같은 과전압 펄스로부터 보호하도록 설계될 수 있다. 입력 전압 파형(504)에 의해 도시된 바와 같이, 과전압 이벤트 이전에, 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이의 전압은 군사 시스템용으로 설계된 바와 같이 28V이다. 과전압 이벤트 동안, 100V의 피크 전압은 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이에서 발견된다. 이 전압은 TVS 디바이스 어레이(102)를 통해 전파된다. 이 실시예에서, TVS 디바이스 어레이는 과전압 이벤트를 처리하도록 디바이스 그룹(502)으로 채워진다. 디바이스 그룹(502)은 도시된 TVS 디바이스의 2×3 어레이를 나타내며, 여기서 디바이스의 2열은 전기적 직렬로 배열된 3개의 TVS 디바이스를 포함하는 주어진 열이 서로 전기적으로 병렬로 배열된다. TVS 디바이스 어레이의 유효 클램핑 전압은 디바이스 그룹(502)의 주어진 열 내에 개별 TVS 디바이스의 클램핑 전압의 합일 수 있다. 도 5의 특정 예시에서, 모든 TVS 다이오드는 동일할 수 있고, 약 17V의 클램핑 전압이 주어진 TVS 디바이스에 적용될 수 있다. 따라서, 3개의 TVS 디바이스가 전기적 직렬로 배열된 주어진 열을 갖는 디바이스 그룹(502)은 약 50V의 클램핑 전압을 나타낼 수 있다. 이러한 동작은 파형(506)에 의해 나타내지만, 파형(506)은 입력 전압 파형(504)에 응답하여 TVS 디바이스 어레이(102)에 의해 출력된 전압을 나타낸다. 관찰된 바와 같이, 50V의 최대 전압은 입력 전압 파형(504)이 50V를 초과하는 지속 기간에 대응하는 과도 상태로서 출력된다.
도 5에 더 도시된 바와 같이, 선형 레귤레이터 모듈(510)은 입력 전압 파형(504)을 생성하는 과전압 이벤트에 응답하여 파형(508)을 출력하도록 구성된다. 이 예시에서, TVS 다이오드(206)는 36V의 클램핑 전압을 생성하도록 구성될 수 있으므로, 도시된 바와 같이 선형 레귤레이터(510)에 의해 출력된 최대 전압은 36V이며, 파형(506)이 36V를 초과하는 지속 시간 동안 지속된다. 따라서, 이 예시에서, 28V 600W 군사 시스템은 장치(500)가 짧은 지속 시간 동안 36V 신호를 출력하는 100V 50ms 과전압 이벤트(예컨대, 5초에 5펄스, 각 펄스 에너지(pulse energy)는 60 줄(Joules)보다 작음), 또는 일련의 과전압 이벤트로부터 보호될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 장치(600)로 도시된 또 다른 장치의 개략도를 나타낸다. 이 예시에서, 장치(600)는 장치(200)의 변형일 수 있으며, TVS 디바이스 어레이(102)의 상이한 위치의 TVS 다이오드의 특정 세트는 사용을 위해 선택된다. 또한, 도 6은 600V, 10μs 파형에 의해 나타나는 과전압 이벤트가 발생하는 작동 시나리오를 나타낸다. 예를 들어, 장치(600)는 28V 100W 항공기 시스템(aircraft system)에서 사용하도록 설계될 수 있다. 입력 전압 파형(604)에 의해 도시된 바와 같이, 과전압 이벤트 이전에, 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이의 전압은 항공기 시스템용으로 설계된 바와 같이 28V이다. 과전압 이벤트 동안, 이 전압은 제1 입력 단자(110)와 제2 입력 단자(112) 사이에서 발견되는 600V의 피크 전압으로서 전파한다. 이 실시예에서, TVS 디바이스 어레이는 과전압 이벤트를 처리하도록 구성된 디바이스 그룹(620)로 채워진다. 디바이스 그룹(602)은 TVS 디바이스 어레이의 유효 클램핑 전압이 디바이스 그룹(602)의 개별 TVS 디바이스의 클램핑 전압의 합일 수 있는 전기적 직렬로 배열된 3개의 TVS 디바이스의 열의 일부를 나타낸다. 도 6의 특정 예시에서, 모든 TVS 다이오드는 동일할 수 있고, 약 33V의 클램핑 전압이 주어진 TVS 디바이스에 적용될 수 있다. 따라서, 3개의 TVS 디바이스가 전기적 직렬로 배열된 디바이스 그룹(602)은 약 100V의 클램핑 전압을 나타낼 수 있다. 이러한 동작은 파형(606)에 의해 나타내지만, 파형(606)은 입력 전압 파형(604)에 응답하여 TVS 디바이스 어레이(102)에 의해 출력된 전압을 나타낸다. 관찰된 바와 같이, 100V의 최대 전압은 입력 전압 파형(504)이 100V를 초과하는 지속 기간에 대응하여 매우 짧은 시간 동안 출력된다.
도 6에 더 도시된 바와 같이, 선형 레귤레이터 모듈(610)은 입력 전압 파형(604)을 생성하는 과전압 이벤트에 응답하여 파형(608)을 출력하도록 구성된다. 이 예시에서, TVS 다이오드(206)는 36V의 클램핑 전압을 생성하도록 구성될 수 있으므로, 도시된 바와 같이 선형 레귤레이터 모듈(610)에 의해 출력된 최대 전압은 36V이며, 파형(606)이 36V를 초과하는 지속 시간 동안 지속된다. 따라서, 이 예시에서, 28V 100W 항공기 시스템은 장치(500)가 짧은 지속 시간 동안 36V를 출력하는 600V 10μs 과전압 이벤트로부터 보호될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치(700)로 도시된 또 다른 장치의 개략도를 나타낸다. 이 예시에서, 장치(700)는 전술한 실시예에서 논의된 바와 같이, TVS 디바이스 어레이(102)를 포함할 수 있으며, TVS 디바이스 어레이(102)의 상이한 위치의 TVS 다이오드의 임의의 특정 세트는 상술된 바와 같은 TVS 디바이스 어레이(102) 상에 채워질 수 있다. 장치(700)는 2개의 상이한 선형 레귤레이터가 TVS 디바이스 어레이(102)로 전기적 직렬로 배열되고 서로에게 전기적 직렬로 배열된다는 점에서 상술한 실시예와 다를 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, TVS 디바이스 어레이(102)의 출력에 직접 접속된 제1 선형 레귤레이터(710)는 출력측상에서 제2 선형 레귤레이터(712)에 연결될 수 있다. 하나의 특정 예시에서, 제1 선형 레귤레이터(710)는 제2 선형 레귤레이터(712)에 58V의 클램핑 전압을 출력하도록 과전압 이벤트의 이벤트에 배열될 수 있다. 차례로 제2 선형 레귤레이터(712)는 예를 들어 38Vm의 클램핑 전압을 출력하도록 배열될 수 있다. 실시예들은 이 컨텍스트에 제한되지 않는다. 이 다중 선형 레귤레이터 토폴로지(multiple linear regulator topology)는 예를 들어 고전류를 포함하여 고전압 과전압 이벤트를 처리할 때 더 큰 유연성을 제공한다.
본 실시예들에 의해 제공되는 다른 장점들 중에서, TVS 디바이스 어레이가 하나 이상의 선형 레귤레이터와 직렬로 배열되는 아키텍처의 제공은 과전압 이벤트 동안 보다 양호한 전력의 처리를 제공한다. 이러한 장점을 설명하기 위해, 일 실시예에서, MOSFET(202)은 IRFP4568로서 구현될 수 있다. 일 예시에서, MOSFET Rth(j-c)의 열 저항(thermal resistance)은 0.29C/W이고, 선형 레귤레이터(104) 모듈에 대한 클램핑 전압은 40V 인 반면, 초기 입력 과도 과전압(initial input transient over voltage)은 100V 50ms 일 수 있다. MOSFET(202)을 통과하는 3A (100W 전력) 전류의 부하 전류를 가정하면, 접합 온도 증가(junction temperature increase)는 (100-40)×3×0.29=52.2°C로 주어진다. 위의 예시에서, 타겟 상위 접합 온도(target upper junction temperature)는 150°C 일 수 있다. 접합 온도를 150°C 아래로(below) 유지하기 위해, 허용되는 초기 시작 케이스 온도(initial start case temperature permitted)는 150-52.2　=　97.8°C이다. 다중 과도 과전압(multiple transient over voltage)에 대한 5C 버퍼(5C buffer)를 포함하여, 허용된 초기 시작 케이스 온도는 97.8-5 = 92.8°C이다.
MOSFET(202)과 같은 선형 레귤레이터의 MOSFET은 과전압 이벤트를 위한 레귤레이터로 역할을 할 수 있지만, MOSFET의 전력 소산은 부하 전력(load power)에 의해 제한된다. 전력이 높을수록 MOSFET 접합에서 더 많은 옴 손실(Ohmic loss)이 열로 소산된다. 예를 들어, IRFP4568 MOSFET에서 202V부하 덤프(load dump)가 발생하고 클램프 전압이 36V로 설정되면, 이 부하 덤프(load dump)에 대한 온도 상승은 (202-36)*I*0.29이다. 흔히, 75°C 값이 초기 MOSFET 케이스 온도로 설정될 수 있다. 이것은 등식 (202-36)*I*0.29=150-75 또는 최대 전류의 값 Imax=1.56A를 산출한다. 허용되는 최대 전력은 28*1.56=43.7W이라는 의미다. 항공기/군용/자동차 애플리케이션에서, 설계자는 다양한 전력 시스템 니즈를 충족시키기 위해 모듈 전력 용량을 증강시키는 것을 고려할 수 있다. 예를 들어, 주어진 MOSFET에 대해 최대 전력이 43.7W 인 위의 경우를 사용하여, 200W 전력 요구 사항을 충족하려면, 전체 전력 요구 사항을 충족시키기 위해 많은 모듈의 병렬 배열이 요구될 수 있다. 특히, 200W 요구 사항을 충족하려면, 주어진 MOSFET이 최대 43.7W를 처리하는 경우 병렬 방식으로 작동하는 적어도 5 개의 모듈이 필요하다.
대조적으로, 본 실시예에 의해 제공되는 아키텍처에서, TVS 디바이스 어레이는 일례로 202V 과전압 이벤트에 응답하여 65V의 제1 클램핑 전압을 편리하게 제공할 수 있다. 따라서, MOSFET(202)이 TVS 디바이스 어레이(102)로부터 65V 클램프된 전압을 수신할 때, 전력 손실은 훨씬 낮아져: (65-36)*I*0.29=75, Imax = 8.9A가 산출된다. 단일 모듈에서 소산되는 최대 전력은 28*8.9=249.2W로 주어진다. 따라서, 65V의 클램핑된 전압을 출력하는 TVS 어레이를 갖는 장치(200)와 같은 단일 장치는 적어도 200W 입력 전력을 처리하기에 충분할 것이다.
또한, 2개의 선형 레귤레이터가 도 7에서와 같이 직렬로 배열된 실시예에서, 전력 처리 능력은 단지 하나의 선형 레귤레이터를 갖는 장치에 대해 두 배가 될 수 있다.
본 실시예가 특정 실시예를 참조하여 개시되었지만, 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같이, 본 개시물의 영역(sphere) 및 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시예에 대한 다수의 수정, 개조 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 실시예는 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 다음의 청구 범위의 언어 및 그 등가물에 의해 정의된 전체 범위를 갖는다.

Claims (18)

  1. 장치에 있어서,
    제1 입력 단자 및 제2 입력 단자에 접속된 과도 전압 억제(TVS) 디바이스 어레이; 및
    상기 TVS 디바이스 어레이의 각각의 출력 쌍에 연결된 입력 쌍을 갖는 선형 레귤레이터 모듈
    을 포함하고,
    상기 TVS 디바이스 어레이는,
    상기 제1 입력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에서 전기적 직렬로 연결된 제1 세트의 TVS 다이오드들, 및
    상기 제1 입력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에서 전기적 직렬로 연결된 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들
    을 포함하고,
    상기 제1 세트의 TVS 다이오드들은,
    상기 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들에 전기적 병렬 방식으로 배열되고,
    제1 클램핑 전압 신호는,
    상기 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들 또는 상기 제1 세트의 TVS 다이오드들의 부분으로부터 생성되고,
    상기 부분은,
    상기 제1 세트의 TVS 다이오드들의 모든 TVS 다이오드들보다 작거나, 또는
    상기 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들의 모든 TVS 다이오드들보다 작고,
    상기 선형 레귤레이터 모듈은,
    상기 TVS 디바이스 어레이로부터 수신된 상기 제1 클램핑 전압 신호의 제1 클램핑 전압에 독립적인 제2 클램핑 전압을 갖는 제2 클램핑 전압 신호를 생성하도록 구성되는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈의 출력 전압과 그라운드(ground) 사이에 접속된 차지 펌프
    를 더 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈은,
    상기 선형 레귤레이터 모듈에 대해 최대 클램핑 전압을 설정하도록 구성된 TVS 다이오드
    를 더 포함하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈은,
    상기 TVS 디바이스 어레이의 출력에 접속된 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)
    를 더 포함하고,
    상기 MOSFET는,
    40V이하의 전압에서 상기 제2 클램핑 전압 신호를 출력하도록 상기 TVS 다이오드와 상호 동작하는
    장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈의 상기 TVS 다이오드의 클램핑 전압은 40V 이하인
    장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 TVS 디바이스 어레이는,
    상기 TVS 디바이스 어레이에서의 복수의 전도성 노드들에 배치된 복수의 제너 다이오드들
    을 포함하는 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 TVS 디바이스 어레이는,
    적어도 200 W 입력 전력을 소산하도록 구성되는
    장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈의 출력에 접속된 출력 DC 전압 필터
    를 더 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 클램핑 전압은 110V 이하인
    장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈은,
    제1 선형 레귤레이터 모듈을 포함하고,
    상기 장치는,
    상기 제1 선형 레귤레이터 모듈의 출력에 연결된 제2 선형 레귤레이터 모듈
    을 더 포함하고,
    상기 제2 선형 레귤레이터 모듈은,
    상기 제2 클램핑 전압에 독립적인 제3 클램핑 전압을 갖는 제3 클램핑 전압 신호를 출력하는
    장치.
  12. 과전압 보호를 제공하는 방법에 있어서,
    제1 입력 단자 및 제2 입력 단자에 접속된 과도 전압 억제(TVS) 디바이스 어레이에서의 전압 펄스를 수신하는 단계;
    상기 TVS 디바이스 어레이로부터 제1 클램핑 전압 신호를 출력하는 단계;
    상기 TVS 디바이스 어레이의 각각의 출력 쌍에 연결된 입력 쌍을 갖는 선형 레귤레이터 모듈에서 상기 제1 클램핑 전압 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 선형 레귤레이터 모듈로부터 제2 클램핑 전압 신호를 출력하는 단계
    를 포함하고,
    상기 TVS 디바이스 어레이는,
    상기 제1 입력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에 연결되고,
    상기 TVS 디바이스 어레이는,
    상기 제1 입력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에서 전기적 직렬로 연결된 제1 세트의 TVS 다이오드들, 및
    상기 제1 입력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에서 전기적 직렬로 연결된 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들
    을 포함하고,
    상기 제1 세트의 TVS 다이오드들은,
    상기 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들에 전기적 병렬 방식으로 배열되고,
    상기 제1 클램핑 전압 신호는,
    상기 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들 또는 상기 제1 세트의 TVS 다이오드들의 부분으로부터 생성되고,
    상기 부분은,
    상기 제1 세트의 TVS 다이오드들의 모든 TVS 다이오드들보다 작거나, 또는
    상기 적어도 하나의 추가적인 세트의 TVS 다이오드들의 모든 TVS 다이오드들보다 작고,
    상기 제2 클램핑 전압 신호는,
    상기 제1 클램핑 전압 신호의 제1 클램핑 전압 보다 작은 제2 클램핑 전압을 가지는
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 클램핑 전압 신호에 대해 최대 클램핑 전압을 설정하도록 상기 선형 레귤레이터 모듈에 TVS 다이오드를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈은,
    상기 TVS 디바이스 어레이의 출력에 접속된 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)
    를 더 포함하고,
    상기 MOSFET는,
    40V이하의 전압에서 상기 제2 클램핑 전압 신호를 출력하도록 상기 TVS 다이오드와 상호 동작하는
    방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 모듈의 상기 TVS 다이오드의 클램핑 전압은 40V 이하인
    방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 TVS 디바이스 어레이는,
    복수의 제너 다이오드들을 포함하는
    방법.
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터는,
    제1 선형 레귤레이터 모듈을 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 제1 선형 레귤레이터 모듈의 출력에 연결된 제2 선형 레귤레이터 모듈을 제공하는 단계, 및
    상기 제2 클램핑 전압에 독립적인 제3 클램핑 전압을 갖는 제3 클램핑 전압 신호를 상기 제2 선형 레귤레이터 모듈로부터 출력하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
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