KR20170013372A - 과부하 방지를 위한 회로, 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로 전기적 전원의 공급에 있어서 과부하 방지에 관련된다. 본 발명은 특히 용량성 부하들에 대한 전원의 공급에 있어서 유리하게 적용된다. 종래 기술의 회로들에 있어서 충전 전류는 선형적으로 동작하는 트랜지스터 또는 전원 저항을 통해서 용량성 부하로 흐른다. 따라서, 종래 기술의 회로들은 대부분 전원 트랜지스터의 안정적인 동작 영역을 초과하는 위험을 수반하거나, 상당히 많은 수의 구성요소들을 포함하는 회로들을 필요하게 된다. 본 발명에 따른 과부하 방지 회로는 스위칭 요소(Q)와 직렬로 연결된 인덕터(L)를 가진다. 부하 전류가 측정되고(35, 38), 인덕터(L)를 통하여 부하에 이르는 공급 전류가 결정된 전류 한계에 이를 때까지 스위칭 요소(Q)가 제어된다. 전류 한계에 이른 이후에, 스위칭 요소(Q)는 오프-상태가 되도록 제어되고, 그 동안에 인덕터(L)의 환류 전류(freewheeling current)가 전압 의존성 요소(Z)를 통하여 유도된다.

Description

과부하 방지를 위한 회로, 방법 및 시스템 {CIRCUIT, METHOD AND SYSTEM FOR OVERLOAD PROTECTION}
본 발명은 일반적으로 전기적 전원(electric power) 공급에 있어서 과부하 방지에 관련된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 독립항들의 전제부들(Preambles)에 개시되어 있는 것들에 관련된다. 본 발명은 특히 용량성 부하들(capacitive loads)에 대한 전원을 공급함에 있어서 유리하게 적용된다.
파워 서플라이들을 스위칭하는 것과 같은, 파워 서플라이들은, 셀 방식 통신(cellular communications) 시스템에 있어서 기지국들(base stations)과 같은 다양한 전기적 장치들에 대하여 직접 전류(DC, Direct current)를 제공하는 데에 사용된다. 파워 서플라이를 위하여, 전기적 장치는 대부분 용량성 부하 구성요소를 포함한다. 특정한 동작 전압을 가지는 전원이 이러한 부하에 연결된 경우, 용량성 부하 구성요소(component)를 충전하기 위하여 초기에 고전류가 형성된다. 이러한 고전류는 파워 서플라이의 전류 출력 등급을 초과할 수 있고, 이는 파워 서플라이의 전원 구성요소들의 손상을 야기할 수 있다. 지나친 고전류는 단락 회로(short circuit) 또는 부하에 있어서 다른 결함(fault)의 또 다른 이유가 될 수 있다. 또한 부하가 파워 서플라이 등급과 맞지 않을 수도 있다. 이러한 상황에서 파워 서플라이를 보호하기 위해서 과부하 방지 회로들이 사용된다. 이러한 회로들은 파워 서플라이의 출력에서 과도한 전류가 감지되는 상황에 있어서 부하로 공급되는 전류를 제한 및/또는 차단(disconnect)한다.
도 1은 종래 기술에 따른 과부하 방지 회로를 나타낸다. 회로는 파워 서플라이의 전원 출력선 -VSUPPLY과 부하의 전원 입력선 -VLOAD 사이에 연결된다. 도면에서 사용되는 ＇R＇은 부하의 저항성 부분을 나타내고 ＇C＇는 부하의 용량성 부분을 나타내는 데에 사용된다. 회로는, FET 트랜지스터와 같은 스위칭 요소(Q)와 트랜지스터의 게이트를 제어하여 부하로 전류를 공급하는 제어부(15)를 가진다. 제어부는 전류 센서(18)와 함께 공급 전류를 모니터한다. 트랜지스터가 스위치-온 되는 경우, 공급 전류가 트랜지스터를 통하여 부하로 흐른다. 전류가 기설정된(predetermined) 한계를 초과하는 경우, 제어부의 출력(16)이 트랜지스터로 하여금 전류를 줄이도록 제어한다. 따라서 트랜지스터(Q)는 공급 전류의 선형 제어에도 사용된다.
그러나 종래 기술의 해결책은 약간의 단점(disadvantage)을 가진다. 트랜지스터는 그의 안전 동작 영역(SOA, safe operation area)을 초과하여야만 장 시간 동안에 고전력(high power)을 소진(dissipate)시킬 수 있다. 만일 트랜지스터의 안전 동작 영역이 초과된다면, 트랜지스터들이 손상을 입게 될 위험이 있다. 장치의 신뢰성(Reliability)은 이에 따라 저하될 수 있다. 다른 단점으로서, 스위칭 트랜지스터의 선형 제어를 제공하는 것은 보다 복잡한 구조의 제어 회로를 요구한다. 이러한 선형 제어와 관련하여 불안정성의 잠재적인 위험이 또한 존재한다.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 과부하 방지 회로를 나타낸다. 이 회로는 파워 서플라이와 부하 사이의 제1 스위칭 요소(Q1)를 가진다. 또한, 과부하 방지 회로는 제2 스위칭 요소(Q2)를 가지며, 이는 전원 저항(R1)과 직렬로 연결된다. 스위칭 요소들은 제어 회로(25)에 의하여 제어된다. 부하에 대한 전원이 스위치 온 되는 경우, 제2 스위칭 요소가 제어 라인(27)에 의하여 먼저 스위치 온 되어, 전류가 제2 스위칭 요소(Q2)와 전원 저항(R1)을 통하여 흐르도록 한다. 전류의 과도한 값을 피하기 위해 전류는 저항에 의하여 제한된다. 부하 캐패시턴스가 초기에 충전된 이후, 제1 스위칭 요소가 제어 라인(26)에 의하여 스위치 온 되고, 전류가 직접적으로 제1 스위칭 요소를 통하여 부하로 흐르도록 한다. 예를 들어, 제1 및 제2 스위칭 요소들의 스위칭 온 사이에는 고정된 지연(delay)이 예정될 수 있다.
도 2에 따른 종래 기술의 과부하 방지 회로와 관련하여서도 또한 약간의 단점들이 있다. 첫째로, 저항(R1)을 통하여 전류가 공급되는 경우에 부하 전압이 공칭 값(Nominal value)에 이르지 못한다. 따라서 제2 스위칭 트랜지스터가 스위치 온 된 경우에 높은 충전 전류가 여전히 존재할 가능성이 있다.
둘째로, 전원 스타트-업 동안에 전원 저항이 다량의 에너지를 소모할 수 있다. 따라서, 전원 저항은 고전원 등급을 가져야만 한다. 이러한 전원 저항은 큰 치수(dimension)를 가져서 많은 공간을 요구한다. 이는 또한 상대적으로 비싼 구성요소이며, 따라서 장치의 제조 단가를 상승시킨다. 요구되는 전원 저항의 저항과 전원 등급들은 또한 파워 서플라이와 저항의 필요조건들(requirements)에 의존한다. 따라서 상이한 구성요소들을 구비하는 다수의 과부하 방지 회로들의 형태들을 제공하는 것이 요구될 수 있다.
또한, 도 2의 회로는 두 개의 스위칭 요소들과 양(both) 요소들에 대하여 상응하는 제어 회로들을 요구한다. 이는 장치의 복잡성과 제조 단가를 더 증가시킨다.
통신 시스템들과 같은, 전기 시스템들에 있어서, 시스템의 다수의 장치들에 대하여 종종 다양한 전원을 제공하는 것이 요구된다. 과부하 방지 회로는 각 공급 연결에 대하여 필요하며, 따라서 과부하 방지 회로들에 대하여 요구되는 수는 커질 수 있다. 또한, 각 장치의 상이한 부하 장치들과 상이한 공급 입력들을 위해, 과부하 방지 회로들은 종종 상이한 특성들을 갖는 것이 필요로 된다. 나아가, 실패(failure)는 전기 시스템의 많은 부분이 작동하지 않는 것을 야기하기 때문에 과부하 방지 회로들의 신뢰성이 높다는 점은 중요하다. 상술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 과부하 방지 회로들은 원하는 방식 내에서 이러한 필요조건들을 충족시키지 못한다.
본 발명의 목적은 다양한 어플리케이션들을 위한 과부하 방지 회로를 제공하는 것이며, 설명된 종래 기술의 단점들을 방지하거나 감소시킨다. 본 발명의 목적은 따라서 높은 신뢰성을 가지며, 적당한 제조 비용으로 구현될 수 있으며, 파워 서플라이들과 부하들의 다방면의(versatile) 필요조건들에 적합한 과부하 방지를 달성하는 것이다.
본 발명의 목적은 스위칭 요소와 직렬로 연결된 인덕터를 갖는 과부하 방지 회로를 제공함으로써 달성된다. 스위칭 요소는 설정된 전류 한계가 달성될 때까지 인덕터를 통하여 전류가 공급되도록 제어된다. 전류 한계에 도달한 이후에 스위칭 요소는 오프-상태로 제어되며, 그 이후에 스위칭 요소와 병렬로 연결된 전압 종속성 요소를 통하여 인덕터의 환류 전류(freewheeling current)가 유도된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 파워 서플라이와 부하 사이의 과부하 방지를 위한 전기 회로를 제공함으로 달성되며, 회로는
- 파워 서플라이 출력과 부하 입력 사이에 직렬로 연결된 제어가능한(controllable) 스위칭 요소,
- 스위칭 요소의 전류를 직접적으로 또는 간접적으로 측정하기 위한 센서;
- 측정된 전류에 기초하여 스위칭 요소를 제어하기 위한 제어 수단,
을 포함하며, 이러한 회로는,
- 스위칭 요소와 직렬로 연결된 인덕터, 및
- 스위칭 요소와 병렬로 연결된 전압 종속성 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
여기서
- 제어 수단은 측정된 전류가 설정된 트리거 역치 값(trigger threshold value)보다 높은 경우에 스위칭 요소를 스위치 오프 하고,
- 스위칭 요소의 오프 상태 동안에 인덕터의 전류가 전압 종속성 요소를 통하여 흐르도록 한다.
본 발명은 또한 전압 공급을 위한 과부하 방지를 제공하기 위한 방법에 관련되며, 여기서
- 전류는 파워 서플라이로부터 제어가능한 스위칭 요소를 통하여 부하에까지 유도되고,
- 스위칭 요소의 전류가 측정되고, 스위칭 요소는 측정된 전류에 기초하여 제어되고,
상기 방법은
- 또한, 스위칭 요소와 직렬로 연결된 인덕터를 통하여 공급 전류가 유도되며,
- 트리거 역치 값이 제어 수단에 저장되고,
- 스위칭 요소의 측정된 전류가 트리거 역치 값과 비교되어,
- 전류 값이 역치 값을 초과하는 경우에는 스위칭 요소가 스위치 오프 되고,
- 스위칭 요소가 스위치 오프 된 후에 부하 전류가 스위칭 요소와 병렬로 연결된 전압 종속성 요소를 통하여 유도되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 나아가 부하들에 전기적 전원을 공급하기 위한 시스템에 관련되며, 여기서 시스템은 부하들의 전원 입력들에 대해 전원을 공급하는 전원 출력들을 수반하는 하나 또는 다수의 파워 서플라이들, 및 복수의 파워 서플라이 출력들과 부하 입력들 사이에 연결된 과부하 방지 회로들을 가진다. 시스템은 본 발명에 따른 회로인 적어도 하나의 과부하 방지 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 트리거 역치 값의 초과에 기인하여 스위칭 요소가 스위치 오프 된 이후에 기설정된 지연이 경과하면 스위칭 요소가 스위치 온 된다. 충전 전류가 트리거 역치 값을 초과할 때까지 스위칭 요소가 온 그리고 오프되는 스위칭의 사이클은 수 차례 반복된다. 지연은 고정되거나, 예를 들어 프로그램 가능하거나 또는 제어가능할 수 있다. 가변적인 지연은 히스테리시스(hysteresis) 제어, 적응적 제어, 등을 통하여 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 과부하 방지 회로는 또한, 예를 들어 계속적인 과부하 상태의 경우에 전원을 스위치 오프 하기 위한 트립 기능(function)을 가진다. 트립 기능에 있어서 전류 레벨 값들 및 상응하는 트립 역치 시간 길이들은 제어 수단 내에 저장된다. 스위칭 요소의 전류가 측정되고, 시간 영역대(window) 내에서 저장된 전류 레벨들을 초과하는 시간이 모니터된다. 만일 어떠한 전류 레벨과 관련하여 역치 시간이 초과되면 제어 수단에 의하여 스위칭 요소는 스위치 오프 된다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 트리거 역치 데이터 및/또는 트립 데이터는 회로의 인터페이스를 통하여 제어 수단에 저장된다. 데이터는, 과부하 방지 회로의 설치(installation)에 앞서, 그 동안 또는 이후에 저장될 수 있으며, 데이터는 파워 서플라이 출력과 부하 입력의 필요조건들에 따라서 결정될 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 있어서 회로의 인터페이스는 과부하 방지 회로의 히스토리 및/또는 동작 상태에 관련된 데이터를 획득하기 위하여 사용될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 있어서 과부하 방지 회로는 또한 파워 서플라이로부터 수신된 전압 또는 부하에 대하여 공급되는 전압을 측정하기 위한 수단을 포함한다. 측정된 전압 정보는 스위칭 요소의 제어에 사용될 수 있다. 또한 측정된 전압 값은 허용된 전압 범위에 대한 저장된 정보와 비교될 수 있으며, 만일 측정된 전압 값이 허용된 범위를 벗어나면 제어 수단은 전원을 스위치 오프 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서 과부하 방지 회로는 또한 과부하 방지 회로의 구성요소 온도 및/또는 주변 온도를 측정하기 위한 수단을 포함한다. 측정된 온도 값들은 허용된 온도 범위에 대한 저장된 정보와 비교되어, 만일 측정된 온도 값이 허용된 범위를 벗어나면 제어 수단은 전원을 스위치 오프 할 수 있다.
본 발명의 일부 바람직한 실시예들은 종속항들에서 설명된다.
본 발명은 종래 기술 해결책들 이상의 상당한 장점들을 가진다. 회로의 스위칭 요소는 전류의 선형 제어를 위하여 사용되지 않는다. 따라서 스위칭 요소에 대한 전원 소모가 작다. 또한, 전압 종속성 요소에 있어서 전원 소모의 개별적인 시간이 짧다. 따라서 안전 동작 영역에서 동작하는 전원 구성요소들이 포함된 과부하 방지 회로를 제공하는 것이 실현가능(feasible)하다. 결론적으로, 과부하 방지 회로뿐만 아니라 파워 서플라이의 높은 신뢰성을 달성하는 것이 가능하다.
회로의 제어부는 역치 전류들, 지연들, 및/또는 전압들의 함수로서 최적의 스위칭을 위하여 프로그램될 수 있다. 상이한 구성요소들을 수반하면서 다수의 형태들을 갖는 과부하 방지 회로들이 필요하지 않으며, 동일한 회로가 상이한 필요조건들을 수반하는 파워 서플라이들과 부하들에 대하여 넓은 범위에서 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 과부하 회로는 작은 수의 전원 구성요소들과 제어 구성요소들로 구현될 수 있으며, 이에 따라 회로는 경제적으로 제조될 수 있다.
본 발명의 설명된 그리고 다른 장점들은 이어지는 상세한 설명과 여기서 첨부된 도면들을 참조함으로써 분명해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 과부하 방지 회로를 나타낸다.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 과부하 방지 회로를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 과부하 방지 회로를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 과부하 방지 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 5a는 본 발명에 따른 예시적인 과부하 방지 회로에 있어서 작은 부하 캐패시턴스를 충전하는 동안의 트랜지스터 전압 및 전류를 나타낸다.
도 5b는 본 발명에 따른 예시적인 과부하 방지 회로에 있어서 큰 부하 캐패시턴스를 충전하는 동안의 트랜지스터 전압 및 전류를 나타낸다.
도 6은 전류 레벨들의 함수에 따른 최대 시간 길이들의 그래프를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 다수의 과부하 방지 회로들을 포함하는, 예시적인 파워 서플라이 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 1 및 2는 명세서의 종래 기술 부분에서 설명되었다.
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 과부하 방지 회로를 나타낸다. 파워 서플라이는 접지(GND)와 음의(Negative) 전압 출력(-VSUPPLY) 단자들의 사이에 출력 전압을 제공한다. 파워 서플라이는 접지(GND)와 음의 전압 입력(-VLOAD)을 위한 단자들을 갖는 부하에 대하여 전원을 제공한다. 도면 내에서 사용되는 ＇R＇은 저항성 부하를 나타내며, ＇C＇는 용량성 부하를 나타내는 데에 사용된다.
과부하 방지 회로는, 예를 들어, MOSFET 또는 IGBT와 같은, 전력 트랜지스터(power transistor)와 같은 스위칭 요소(Q)를 가질 수 있다. 스위칭 트랜지스터는, 스위칭 트랜지스터의 게이트(G)와 연결된 제어 출력(36)을 가지는 제어 수단(35)으로 제어될 수 있다. 과부하 방지 회로는 스위칭 요소(Q)와 직렬로 연결된 인덕터(L)를 가질 수 있다. 도 3의 회로에 있어서 스위칭 요소의 소스(S)는 파워 서플라이의 음의 단자(-VSUPPLY)와 연결되며, 스위칭 요소의 드레인(D)은 인턱터(L)의 제1 단자와 연결되고, 인덕터(L)의 제2 단자는 부하의 음의 입력 단자(-VLOAD)에 연결된다. 스위칭 요소(Q)가 전도 상태(conducting state) (스위치-온)에 있는 경우, 공급 전류는 스위칭 요소와 인덕터를 통하여 부하로 흐른다.
또한 회로는 전압 의존성 요소(Z)를 가지며, 그의 전류는 요소를 가로지르는 전압의 비선형 함수이다. 전압 의존성 요소는, 예를 들어 금속 산화물 배리스터(metal oxide varistor)로 구현될 수 있다. 전압 의존성 요소를 가로지르는 전압이 작은 경우에 요소를 통하는 전류는 작으며 회로의 기능에 대하여 무시할 수 있다. 전압 의존성 요소를 가로지르는 전압이 요소의 클램핑(clamping) 전압(u)을 초과하는 경우에 요소의 전류는 급격하게 상승한다. 전압 의존성 요소는 스위칭 요소(Q)와 병렬로 그들의 소스(S) 및 드레인(D) 단자들과 연결된다. 따라서 전압 의존성 요소는 스위칭 요소를 가로지르는 전압이 전압 의존성 요소의 클램핑 전압을 훨씬 넘도록 상승하는 것을 방지한다. 클램핑 전압은 스위칭 요소의 항복 전압(breakdown voltage)보다 실질적으로 낮게 선택되어, 이에 따라 전압 의존성 요소가 스위칭 요소를 과전압(overvoltage)으로부터 보호할 수 있도록 한다. 배리스터가 전압 의존성 요소로 적합하더라도, 제너 다이오드들 또는 다른 전압 억제 구성요소들과 같이, 클램핑 전압을 갖고 사용될 수 있는 다른 형태들의 빠른 구성요소들(fast components) 또한 사용될 수 있다.
과부하 방지 회로는 부하로 공급되는 전류를 측정하기 위한 전류 센서(38)를 가진다. 전류 센서는 스위칭 요소의 소스 또는 드레인 단자에 위치할 수 있거나, 또는 파워 서플라이와 과부하 방지 회로 사이의 -VSUPPLY 리드에, 또는 과부하 방지 회로와 부하 사이의 -VLOAD 리드에 위치할 수 있다. 그러나, 부하 전류는 그 대신에, 파워 서플라이와 부하 사이의 접지 리드와 같이 일부 다른 포인트(들)에서 측정될 수 있다.
전류 센서(38)는 제어 수단(35)에 연결되며, 제어 수단(35)은 스위칭 요소(Q)를 제어하는 데에 있어서 감지된 전류 값에 대한 정보를 이용한다. 제어 수단(35)은 마이크로컨트롤러(microcontroller)와 같은 프로세서와 적합한 입출력 인터페이스 회로들로 구현될 수 있다.
다음으로 도 3의 회로의 동작을 도 4a, 4b, 5a 및 5b를 더 참조하여 설명한다. 도 4a는 트리거 역치 제어(trigger threshold control)를 이용하여 과부하 방지를 제공하기 위한 예시적인 방법의 흐름도를 나타낸다. 먼저 단계 40에 있어서, 과부하 방지 회로가 최대 부하 전류를 초과함으로 인하여 트립된 상태(tripped state)에 있는 것이 아닌지를 확인한다. 트립된 상태에 대한 정보는 회로의 트립 제어 프로세스로부터 수신된다. 만일 트립이 발생하면 트립된 상태가 정상으로 리셋될 때까지 트리거 제어 기능이 중단된다.
단계 41에 있어서 스위칭 요소(Q)가 스위치 온 된다. 스위칭 요소가 스위치 온 되면 부하가 지속적으로 과부하 방지 회로에 연결되고, 이에 따라 공급 전압이 부하에 인가되는 것이 가능하다. 이와는 달리 부하는, 부하를 과부하 방지 회로에 연결하는 별도의 전원 스위치를 포함할 수 있다.
단계 42에 있어서 공급 전류가 전류 센서(38)에 의하여 측정된다. 제어 수단(35)은 센서 신호를 수신하고 신호를 측정된 전류 값으로 변환한다. 단계 43에 있어서 제어 수단은 나아가 측정된 전류 값을 기설정된 트리거 역치 값과 비교한다. 만일 부하가 상당한 용량성 부하 구성요소를 가지면, 측정된 전류 값은 트리거 역치 값을 초과할 수 있고, 단계 44에서 스위칭 요소가 스위치 오프 된다. 스위칭 요소가 스위치 오프 되면 인덕터에 저장된 유도 에너지에 의하여 전류가 지속적으로 인덕터(L)를 통하여 유도된다. 이는 전압이, 스위칭 요소와 전압 의존성 요소와 P 포인트에서 연결된 인덕터 단자에서 상승하는 것을 야기한다. 전압 의존성 요소(Z)를 가로지르는 전압이 클램핑 전압에 도달하면, 부하 전류가 전압 의존성 요소(Z)를 통하여 흐른다.
스위칭 요소(Q)는 기설정된 시간 동안 오프-상태로 유지된다. 이는 단계 45에 있어서 기설정된 지연을 인가함으로써 구현되며, 이후에 트립이 발생하였는 지를 확인하기 위하여 제어 프로세스가 단계 40으로 되돌아간다. 단계 40 내지 45는 측정된 전류가 단계 43에서의 트리거 역치 값을 초과하거나 과부하 방지 회로가 트립될 때까지 반복된다. 지연은 고정되거나, 예를 들어, 프로그램 가능하거나 또는 제어 가능할 수 있다. 가변적인 지연은 히스테리시스(hysteresis) 제어, 적응적 제어, 등을 통하여 결정될 수 있다.
도 5a 및 5b는 부하 캐패시턴스의 충전 동안에 시간(수평 축)의 함수에 따른 전류 및 전압(수직 축)의 예시적인 그래프를 나타낸 것이다. 도 5a는 스위칭 요소를 통하여 흐르는 전류의 그래프(51a)와 스위칭 요소(Q), 인덕터 및 전압 의존성 요소(Z)의 연결 포인트(P)에서의 전압 그래프(52a)를 나타낸다. 도 5a는 부하 캐패시턴스가 25μF과 같이 작은 상황을 나타낸다. 부하 캐패시턴스를 충전하기 위하여 요구되는 피크 전류(55a)는 트리거 역치 값을 초과하지 않으며, 따라서 스위칭 요소가 충전하는 동안에 스위치 오프 되지 않는다.
도 5b는 부하 캐패시턴스가 1000μF과 같이 큰 상황을 나타낸다. 도 5b는 스위칭 요소를 통하여 흐르는 전류의 그래프(51b)와 부하에서의 전압의 그래프(52b)를 나타낸다. 큰 부하 캐패시턴스로 인하여 포인트(55b)에서 전류가 트리거 역치 값을 초과하며, 스위칭 요소가 이에 따라 스위치 오프 된다. 부하 캐패시턴스가 충전될 때까지 스위칭 요소가 온 그리고 오프 되는 과정이 수 차례 반복되고, 이후에 부하 저항이 그의 공칭 값으로 안정화된다.
도 4b는 본 발명에 따른 과부하 방지 회로에 있어서 트립 제어를 구현하기 위한 예시적인 방법의 흐름도를 나타낸다. 초기에 어떠한 전류 스텝들이 모니터되며 어떠한 시간 길이들이 트립 역치들로 사용되는 지가 결정된다. 스위칭 요소의 전류는 이 단계 46에서 측정된다. 트리거 제어에서 사용된 것과 동일한 전류 측정이 트립 제어에서도 사용될 수 있다.
전류가 전류 스텝을 초과하는 경우, 예를 들어, 특정한 시간 영역대(window) 내에서 전류 스텝의 초과가 얼마나 오랫동안 발생하는 지를 이 때에 모니터한다. 단계 48에 있어서 상기 시간 길이가 모니터된 전류 스텝에 대하여 정의된 시간 역치를 초과하는 지를 확인한다. 만일 시간 역치가 초과되지 않으면 전류 측정 및 시간 측정이 계속된다. 만일 시간 역치가 초과된다면, 단계 49에 있어서 스위칭 요소가 제어 수단(35)에 의하여 스위치 오프 되며, 이는 과부하 방지 회로가 트립된 것을 의미한다. 트립 상태에 대한 정보는 트리거 제어에서도 사용되어 트립의 상황에 있어서 스위칭 요소가 스위치 온 되는 것을 방지한다.
트립 역치를 초과하는 것은 과부하 상태가 발생한 것을 의미하며, 이는 전원의 공급이 계속된다면 파워 서플라이에 손상을 줄 수 있다. 따라서, 스위칭 요소는 자동적으로 다시 스위치 온 되지 않는다. 예를 들어, 트립 이후에 다시 부하에 전원을 스위치 온 하기 위하여 제어 수단에서의 트립 상태를 리셋하는 것이 필요할 수 있다.
트립 모니터링을 구현함에 있어서 다양한 가능성들이 있다는 것을 주목해야 한다. 전류 스텝들의 수는 예를 들어 여섯, 하지만 대안적으로 그보다 낮거나 높을 수 있다. 전류 측정에 있어서 샘플링 시간은 예를 들어 1ms, 하지만 대안적으로 그보다 낮거나 높을 수 있다. 이러한 파라미터들은 프로그램 가능할 수 있다.
트립 모니터링을 위하여 측정 시간 영역대를 부여하는 것이 바람직하다. 이러한 시간 영역대는, 예를 들어 일 초의 길이를 가질 수 있다. 시간 영역대 동안에 모니터된 전류 레벨의 초과는 그 다음에 기록되어 축적된다. 만일 시간 영역대 내에서 어떠한 전류 레벨에 대하여 시간 역치가 초과된다면 스위칭 요소는 스위치 오프, 즉 트립된다. 시간 영역대가 도과한 이후, 초과 전류 레벨들의 기록된 시간 값들은 리셋되고, 초과된 전류 레벨들의 영(zero) 축적 시간 값들과 함께 새로운 시간 영역대가 시작될 수 있다. 새로운 시간 영역대는 전류 레벨이 다음으로 초과되는 경우에 시작될 수 있다. 시간 영역대가 자동적으로 반복되는 것 또한 가능하다.
대안적으로, 변화하는(sliding) 시간 영역대를 적용하는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 초과 전류 레벨들의 기록된 시간 길이들은 최신의 시간 영역대 내에서 저장된 데이터로 축적된다. 이러한 과정은 보다 정확하나, 보다 효과적인 데이터 처리를 요구한다.
트리거 모니터링과 트립 모니터링의 과정들은 위에서는 병렬적인 과정들로 설명되었다. 대안적으로, 과정들이 순차적으로 구현되는 것도 가능하다.
도 6은 전류 값들의 함수에 따른 최대 시간 길이들의 예시적인 그래프(61)를 나타낸다. 수평 축은 시간 길이를 나타내며 수직 축은 즉각적인 전류 값과 파워 서플라이의 정격 공칭 전류 값 사이의 비율을 나타낸다. 도 6의 그래프는 ETSI(European Telecommunications Standards Institute) 표준 EN 300 132-2에 의하여 결정된다. 그래프는 공칭 전압과 최대 부하에서 전기 통신 장비에 대한 최대 돌입 전류(inrush current)를 보여준다. 그래프의 값을 초과하는 것을 방지하기 위하여, 트립 역치들에 대한 시간 길이는 그래프에 나타낸 것보다 작은 값들을 사용하는 것이 바람직하다. 그래프의 시간 값들과 과부하 방지 장치의 트립 역치 값들 사이의 차이는, 과부하 방지 장치의 전류 측정 정확도, 시간 분해능(timing resolution) 등에 의존한다.
도 7은 여덟 개의 부하들(91 내지 98)에 대하여 전원을 공급하기 위한 예시적인 시스템을 나타낸다. 부하들(91, 93 내지 97)은 하나의 전원 입력을 가지며, 부하(92)는 두 개의 전원 입력들, 그리고 부하(98)는 세 개의 전원 입력들을 가진다. 시스템은 세 개의 출력들(V1, V2, V3)을 가지는 제1 파워 서플라이(71)를 가진다. 제1 파워 서플라이는 부하들(91, 92)에 대하여 전원을 제공한다. 제2 파워 서플라이(72)는 두 개의 출력들(V4, V5)을 가진다. 제2 파워 서플라이는 부하들(93, 94)에 대하여 전원을 제공한다. 제3 파워 서플라이(73)는 하나의 전원 출력(V6)을 가지며, 이는 세 개의 부하들(95, 96, 97)에 대하여 전원을 제공한다. 제4 파워 서플라이(74)는 하나의 출력을 가지며, 이는 단일 부하(98)의 세 개의 전원 입력들에 대한 전원을 제공한다. 부하들(91 내지 95)의 각 여섯 개의 전원 연결들은 개별적인 과부하 방지 회로(OL1 내지 OL6)를 가진다. 부하들(96, 97)은 공통 과부하 방지 회로(OL7)를 가진다. 부하(98)는 두 개의 전원 입력들에 대하여 하나의 과부하 방지 회로(OL8)와 세 번째 전원 입력에 대하여 또 다른 과부하 방지 회로(OL9)를 가진다.
시스템 내의 파워 서플라이들, 과부하 방지 회로들 또는 부하들의 수는 언급된 숫자들에 어떠한 방식으로든 한정되지 않는다는 것을 주의해야 한다. 따라서 시스템은 하나 또는 다수의 파워 서플라이들을 가질 수 있으며, 그리고 파워 서플라이는 하나 또는 다수의 전원 출력들을 가질 수 있다. 하나의 과부하 방지 장치는 하나 또는 다수의 파워 서플라이들의 하나 또는 다수의 출력들로부터 전원을 수신할 수 있다. 하나의 과부하 방지 회로는 하나 또는 다수의 부하들을 위한 전원을 제공할 수 있으며, 부하는 하나 또는 다수의 전원 입력들을 가질 수 있다. 그리고 나아가, 하나의 부하는 하나 또는 다수의 과부하 방지 회로들로부터 전원을 수신할 수 있다. 과부하 방지 회로들의 입력들과 출력들은 공통 접지를 가지는 것이 바람직하다.
과부하 방지 회로는 예를 들어 직렬 또는 병렬 제어 인터페이스(80)로 프로그램될 수 있다. 과부하 방지 회로들은 개별적인 제어를 위하여 개별적인 어드레스들을 가질 수 있다. 유선 또는 무선 데이터 전송이 과부하 방지 회로들의 원격 제어를 위하여 마련되는 것 또한 가능하다. 제어 입력 데이터는 예를 들어 트리거 역치 값들, 지연 값들 그리고 트립 역치 데이터를 포함할 수 있다. 제어 출력 데이터는 예를 들어 과부하 방지 회로들의 동작과 관련된 상태 및 히스토리 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 장치 온/오프 변환을 위하여 원격 제어를 사용하는 것도 가능하다.
과부하 방지 회로는, 예를 들어, 최초의 제조 과정 동안에 프로그램되거나 그리고/또는 설치(installation) 그리고 유지 보수 동안에 국부적으로 프로그램되거나 그리고/또는 중앙 제어 시설로부터 원격으로 프로그램될 수 있다. 과부하 방지 회로들은 히스토리, 상태 그리고 측정 정보를 이러한 원격 제어 센터로 보낼 수 있다. 과부하 방지 회로들은 그들의 상태 그리고 다른 가능한 정보를 그들이 연결된 파워 서플라이들의 프로세서들로 전송하는 것도 가능하다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 만일 과부하 방지 회로가 그들이 출력이 트립된 상태에 있으면, 파워 서플라이가 스위치 오프 될 수 있다.
본 명세서 내에서 과부하방지 회로의 다른 다양한 구성요소들의 구조는 상술한 기재와 해당 기술분야의 당업자의 통상의 지식을 이용하여 구현될 수 있으므로 더욱 상세하게 설명되지는 않았다. 스위칭 요소, 인덕터 및 전압 의존성 요소와 같은 각 요소들은, 단일 구성요소를 포함하거나 둘 또는 다수의 구성요소들로 구성될 수 있다. 언급된 구성요소 형태들은 예시들이며, 당업자는 상술한 기능들을 제공하기 위하여 다양한 대안적인 구성요소 형태들을 생각할 수 있다.
과부하 방지 회로의 제어 기능은, ASIC 회로와 같은 아날로그 회로들로 구현될 수 있으며, 이에 따라 간단한 구현이 얻어질 수 있다. 하지만, 보다 진보된 기능성을 얻기 위해서는, 디지털 구현이 바람직하다. 마이크로컨트롤러/프로세서가 사용되는 경우에, 회로는 장치 내에서 실행되는 적합한 프로세서 프로그램을 요구한다. 알려진 장치 또는 시스템을 본 발명에 따른 장비로 변환하기 위해서는, 하드웨어 변형(modification)에 더하여, 상술한 기능들을 수행하도록 마이크로프로세서(들)에 명령하는 기계-판독가능한(mechanical-readable) 명령들의 집합을 저장하는 메모리 수단이 필요하다. 이러한 명령들을 구성하고 메모리에 저장하는 것은 알려진 기술을 수반하며, 이 명세서의 교시(teachings)와 함께 결합되는 경우, 당업자의 능력 이내에 있다.
위에서, 본 발명에 따른 해결책의 단지 일부 실시예들만이 설명되었다. 본 발명에 따른 원리는 청구항들에 의하여 정의되는 범위의 프레임 내에서, 예를 들어, 구현예 그리고 사용의 범위의 구체화의 변형에 의하여 자연스럽게 변형 될 수 있다.
예를 들어, 위에서 설명된 실시예들은 트리거 및 트립 기능들의 제어에 기초한 디지털, 마이크로컨트롤러를 포함한다. 하지만, 대안적으로 예를 들어, 트리거 및/또는 트립 기능들의 구현을 위한 적합한 필터들을 수반한 아날로그 회로들을 사용하는 것 또한 가능하다.
부하가 용량성 부하 구성요소를 가지는 실시예들로 본 발명이 설명되었으나 본 발명에 따른 과부하 방지 회로가 어떠한 부하 임피던스를 가지는 부하들에도 적용될 수 있음은 자명하다.
본 발명은 전기통신 시스템들, 전기 차 어플리케이션들, 태양 전지판(solar panel) 등과 같은 다양한 목적들을 위한 DC 파워 서플라이들에 적용될 수 있다.
35 : 제어 수단
36 : 제어 출력
38 : 전류 센서
71, 72, 73, 74 : 파워 서플라이

Claims (1)

  1. 파워 서플라이(power supply)와 부하(load) 사이의 과부하를 방지하기 위한 전기 회로이며, 상기 회로는,
    상기 파워 서플라이 출력과 상기 부하 입력 사이에 직렬로 연결된 제어 가능한(controllable) 스위칭 요소,
    상기 스위칭 요소의 전류를 직접 또는 간접적으로 측정하는 센서;
    상기 측정된 전류에 기초하여 상기 스위칭 요소를 제어하기 위한 제어 수단;
    상기 스위칭 요소와 직렬로 연결된 인덕터, 및
    상기 스위칭 요소와 병렬로 연결된 전압 종속성(dependent) 요소를 포함하고,
    상기 측정된 전류가 설정된 트리거 역치 값보다 큰 경우, 상기 제어 수단은 상기 스위칭 요소를 스위치 오프 하고,
    상기 스위칭 요소의 상기 오프 상태 동안에 상기 인덕터의 전류는 상기 전압 종속성 요소를 통하여 흐르도록 처리되고(arranged),
    상기 제어 수단은 복수의 전류 레벨 값들과 상기 복수의 전류 레벨 값들 각각에 상응하는 트립 역치 시간 길이들의 값들을 포함하는 저장된 데이터를 구비하며, 상기 제어 수단은 기설정된 시간 영역대 이내에 각 전류 레벨이 초과되는 시간을 모니터하고 상기 트립 역치 시간 길이들의 가능한 초과를 모니터하여, 전류 레벨 값들 중 어느 하나에 상응하는 트립 역치 시간 길이가 초과되는 경우에 상기 스위칭 요소를 스위치 오프 하며,
    상기 전압 종속성 요소는 상기 스위칭 요소의 항복 전압보다 낮은 클램핑 전압을 가지는 것을 특징으로 하는 과부하 방지 회로.
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