KR102186721B1 - 차량에서의 과전압 보호 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 과전압 보호 회로에 대한 것으로, 본 발명에 따르면 허용된 전압 이상의 과전압이 꾸준하게 입력 되더라도, 스위치들의 온/오프 동작을 통해 메인회로에 과전압이 공급되는 것을 차단하고, 제너다이오드를 통해 항상 일정 수준의 정전압이 공급되도록 할 수 있다.

Description

차량에서의 과전압 보호 회로{Overvoltage protection circuit in vehicle}

본 발명은 차량에서의 과전압 보호 회로에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 차량의 각종 전자기기에 전원을 공급할 시 일정 수준의 전압이 안정적으로 공급되도록 하는 기술에 대한 것이다.

차량에 설치되는 각종 전자기기는 배터리 또는 발전기로부터 전원을 공급 받아 작동한다. 또한 변속 제어장치(Transmission Control Unit, TCU), 브레이크 잠김 방지 장치(Anti-lock Braking System, ABS), 전자식 스로틀 제어장치(Electronic Throttle Controller, ETC), 엔진 제어장치(Engine Control Unit, ECU) 등도 전원 공급을 필요로 한다.

하지만 차량에 설치된 전자기기들은 배터리 또는 발전기로부터 동작 전력을 공급받아야 하기 때문에, 상용 전원을 공급받는 기기들과는 달리 과도전압(Transient Voltage) 및 과전압(Over Voltage)에 노출될 우려가 많다.

이를 해결하기 위해 도1에 도시된 바와 같은 보호 회로를 이용하기도 한다. 즉 발전기 또는 배터리의 전원 공급단과 메인회로(전원 공급이 필요한 부하를 말함) 사이에 다이오드, TVS 다이오드, 퓨즈 등의 보호 소자들을 배치한 것이다.

다이오드는 역전압을 방지하기 위한 것이고, TVS 다이오드(Transient Voltage Suppressors)는 순간적으로 높은 과도 전압이 입력되었을 시 이를 일정 전압으로 클램핑하기 위해 마련되며, 퓨즈는 과전류를 예방하기 위해 설치된다.

하지만 도1에 도시된 종래의 보호 회로를 통해서는 TVS 다이오드를 통해 순간적으로 높게 입력되는 서지성 전압(과도 전압)의 유입은 차단시킬 수 있지만, 허용 전압보다 높은 과전압(Over Voltage)이 지속적으로 유입되는 것은 막아줄 수가 없다. 즉 TVS 다이오드의 클램핑 전압보다 높은 전압이 지속적으로 유입될 경우 TVS 다이오드 또는 역전압 차단을 위한 다이오드가 손상되면 메인회로 역시 보호해줄 수 없게 되는 것이다.

한편 과전압으로부터 메인회로를 보호하기 위한 종래기술로는 대한민국공개특허 제10-2016-0038648호(2016.04.07. '과전압 보호장치') 등이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 순간적으로 발생하는 서지성 전압(Transient Voltage)으로부터 메인회로를 보호하는 것은 물론, 허용 전압 이상의 과전압(Over Voltage)이 지속적으로 입력되더라도 일정 전압의 전원이 메인회로에 공급될 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 과전압 보호 회로는, 온 오프 동작에 의해 전원 입력단에서 입력되는 전원이 제2스위치를 동작시키도록 제어하는 제1스위치; 상기 제1스위치의 온 오프 동작에 따라 전원 입력단에서 입력되는 전원이 공급되거나 해제되어 온 오프함으로써 제3스위치를 동작시키도록 제어하는 상기 제2스위치; 상기 제2스위치의 온 오프 동작에 따라 상기 전원 입력단의 전원이 전원 출력단으로 출력되도록 하거나 차단되도록 하는 상기 제3스위치; 및 상기 전원 출력단에 연결되어 상기 전원 입력단을 통해 입력되는 전원의 전압에 따라 전류의 흐름을 발생시켜 상기 제1스위치를 온 오프 시키는 제너다이오드;를 포함한다.

여기서, 상기 제1스위치는 n형 FET이 사용되고, 상기 제2스위치 및 제3스위치는 p형 FET이 사용되며, 상기 제1스위치의 게이트단은 상기 제너다이오드의 애노드단에 연결되고, 상기 제1스위치의 소스단은 접지단과 연결되며, 상기 제1스위치의 드레인단은 제1저항을 통해 상기 전원 입력단에 연결되고, 상기 제2스위치의 게이트단은 제2저항을 통해 상기 제1스위치의 드레인단에 연결되며, 상기 제2스위치의 소스단은 상기 전원 입력단에 연결되고, 상기 제2스위치의 드레인단은 제3저항을 통해 접지단에 연결되며, 상기 제3스위치의 게이트단은 상기 제2스위치의 드레인단에 연결되고, 상기 제3스위치의 소스단은 상기 전원 입력단에 연결되며, 상기 제3스위치의 드레인단은 상기 전원 출력단이자 상기 제너다이오드의 캐소드단에 연결되고, 상기 제너다이오드의 애노드단은 제4저항을 통해 접지단에 연결될 수 있다.

또한, 상기 전원 입력단에 설치되어 역전압 유입을 방지하는 다이오드;를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 전원 출력단에 설치되어 과도전압 유입을 방지하는 TVS 다이오드;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 과전압 보호 회로에 따르면, 제너다이오드와 복수개의 스위치로 구성된 과전압 보호부에 의해 과전압이 꾸준하게 입력되더라도 메인회로를 포함하는 부하 측에는 항상 일정한 수준의 전압(허용 전압 이하의 전압)이 공급되도록 함으로써, 차량에 탑재된 각종 전자기기를 과전압으로부터 보호해 줄 수가 있다.

도1은 종래의 과도전압 보호 회로를 설명하기 위한 도면.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로를 설명하기 위한 도면.
도3은 도2에 도시된 과전압 보호 회로에서 과전압이 입력되었을 시 출력되는 전압을 설명하기 위한 그래프.
도4는 도2에 도시된 과전압 보호 회로에서 입력 전압에 따른 출력 전압을 설명하기 위한 그래프.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로를 설명하기 위한 도면이다. 도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로는 다이오드(D1), 과도전압 보호부 및 과전압 보호부(10)를 포함한다.

다이오드(D1)는 애노드단이 전원 입력단에 연결 설치됨으로써 역전압을 방지하기 위해 마련된다. 또한 과도전압 보호부는 과전압 보호부(10)의 출력단과 접지단 사이에 설치된다. 이러한 과도전압 보호부는 TVS 다이오드(TVS)(Transient Voltage Suppressors)가 사용될 수 있으며, TVS 다이오드(TVS)에 의해 서지성 전압, 즉 과도전압(Transient Voltage)이 전원 입력단으로부터 입력될 시 일정 전압으로 클램핑하기 위해 마련된다. 물론 이하에서 설명하겠지만, TVS 다이오드(TVS) 전의 과전압 보호부(10)에서 일정 이상의 전압은 차단된 이후 출력되기 때문에 TVS 다이오드(TVS)에 지속적으로 전류가 흘러 소손되는 현상을 막아줄 수 있다.

과전압 보호부(10)는 전원 입력단을 통해 과전압(Over Voltage)이 입력되더라도 일정 전압의 전원을 출력하여 메인회로(40) 측으로 허용치 이상의 높은 전압이 유입되는 것을 방지하기 위해 마련된다. 이러한 과전압 보호부(10)는 복수개의 스위치(Q1,Q2,Q3), 복수개의 저항(R1,R2,R3,R4) 및 제너다이오드(Z1)를 포함한다.

먼저 제1스위치(Q1)는 과전압 입력 여부에 따라 온/오프되어 제2스위치(Q2)를 동작시키는 것으로 n형 FET이 사용될 수 있으며, 제2스위치(Q2)는 제1스위치(Q1)의 온/오프 여부에 따라 온/오프 되어 제3스위치(Q3)의 동작을 제어하기 위한 것으로 p형 FET이 사용될 수 있다. 또한 제3스위치(Q3)는 제2스위치(Q2)의 온/오프 여부에 따라 온/오프 되어 전원 입력단에서 입력되는 전원이 메인회로(40) 측으로 입력되도록 하거나 차단하기 위해 마련되며 p형 FET이 사용될 수 있다.

한편 제너다이오드(Z1)는 과전압 검출을 위해 설치된다. 이러한 제1스위치(Q1), 제2스위치(Q2), 제3스위치(Q3), 제너다이오드(Z1) 및 저항들의 연결 구조를 설명하면 다음과 같다.

먼저 제1저항(R1)은 다이오드(D1)의 캐소드단과 제1스위치(Q1)의 드레인단 사이에 연결되고, 제1스위치(Q1)의 게이트단은 제너다이오드(Z1)의 애노드단에 연결되며, 제1스위치(Q1)의 소스단은 접지단에 연결된다.

제2저항(R2)은 제1스위치(Q1)의 드레인단과 제2스위치(Q2)의 게이트단 사이에 연결되고, 제2스위치(Q2)의 소스단은 다이오드(D1)의 캐소드단에 연결되며, 제2스위치(Q2)의 드레인단은 제3저항(R3)을 통해 접지단에 연결된다.

제3스위치(Q3)의 소스단은 다이오드(D1)의 캐소드단이자 제2스위치(Q2)의 소스단에 연결되고, 제3스위치(Q3)의 게이트단은 제2스위치(Q2)의 드레인단과 제3저항(R3) 사이에 연결되며, 제3스위치(Q3)의 드레인단은 제너다이오드(Z1)의 캐소드단과 연결된다. 또한 제3스위치(Q3)의 드레인단은 과전압 보호부(10)의 전원 출력단이며 제3스위치(Q3)의 드레인단을 통해 출력되는 전원은 전기적인 노이즈 제거를 위한 EMI 필터부(20), 전압 변환을 위한 DC-DC 컨버터(30)를 거친 후 메인회로(40)에 공급될 수 있다.

제너다이오드(Z1)의 캐소드단은 제3스위치(Q3)의 드레인단과 연결되고, 제너다이오드(Z1)의 애노드단은 제4저항(R4)을 통해 접지단에 연결된다. 물론 앞서 설명한 바와 같이 제1스위치(Q1)의 게이트단은 제너다이오드(Z1)의 애노드단과 제4저항(R4) 사이에 연결된다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다. 설명의 편의를 위해 도2에 도시된 과전압 보호 회로는 정상 작동시 5V의 전원이 입력되고, 메인회로(40)(또는 DC-DC 컨버터(30))의 최대 허용 전압은 6V라고 가정한다. 이를 위해 제1저항(R1) 내지 제4저항(R4)은 각각 100㏀, 1㏀, 5㏀, 10㏀이 사용되고, 제너다이오드(Z1)는 제너 전압(항복 전압)이 5.1V인 것이 사용된다고 가정한다.

먼저 입력 전원이 정상일 때(Vin = 5V) 회로의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다. 최초 전원 입력이 없거나 입력 전원이 정상일 경우 제너다이오드(Z1) 양단에 걸리는 전압은 제너 전압 이하인 경우이다. 따라서 제너다이오드(Z1)와 제4저항(R4)을 통해서는 전류의 흐름이 없기 때문에 제1스위치(Q1)의 게이트단의 입력은 low가 되어 n형 FET인 제1스위치(Q1)는 off 상태가 된다.

제1스위치(Q1)가 off 될 경우 제2스위치(Q2)의 게이트단은 제1저항(R1) 및 제2저항(R2)을 통해 다이오드(D1)의 캐소드단과 연결된다. 따라서 제2스위치(Q2)의 게이트단에는 High 신호가 입력되어 p형 FET인 제2스위치(Q2)는 off가 된다.

제2스위치(Q2)가 off 될 경우 제3스위치(Q3)의 게이트단은 제3저항(R3)을 통해 접지단과 연결된다. 따라서 제3스위치(Q3)의 게이트단에는 low 신호가 입력되어 p형 FET인 제3스위치(Q3)는 ON이 된다. 즉 정상 전압이 입력될 경우(Vin = 5V) 제3스위치(Q3)가 온 상태를 유지함으로써, 출력 전압(Vout)은 입력 전압 그대로 유지되어 정상 전압(5V)이 EMI 필터부(20)를 거쳐 DC-DC 컨버터(30)에서 전압 변환된 후 메인회로(40)에 공급된다.

한편 입력 전원으로 지속적인 과전압(Vin = 7V)이 입력될 경우의 회로 동작 과정을 설명하면 다음과 같다. 과전압 입력시 제너다이오드(Z1)의 양단에 걸리는 전압은 제너 전압 이상이기 때문에 제너다이오드(Z1)를 통해 전류 흐름이 발생한다. 따라서 제너다이오드(Z1)의 애노드단에 연결된 제1스위치(Q1)의 게이트단에는 High 신호가 입력되고, 이에 따라 제1스위치(Q1)는 ON 상태가 된다.

제1스위치(Q1)가 ON 상태로 전환되면, 입력 전원은 제1저항(R1)을 통해 접지단으로 흐르기 때문에, 제2스위치(Q2)의 게이트단에는 low 신호가 입력된다. 따라서 제2스위치(Q2)는 ON 상태로 전환된다.

제2스위치(Q2)가 ON 상태가 되면, 제3스위치(Q3)의 게이트단은 ON으로 스위칭된 제2스위치(Q2)를 통해 다이오드(D1)의 캐소드단과 연결된다. 따라서 제3스위치(Q3)의 게이트단에는 High 신호가 입력되며, 이에 따라 제3스위치(Q3)는 off 상태가 된다. 제3스위치(Q3)가 off 되면 과전압 보호부(10)로 입력된 입력 전원(Vin = 7V)이 메인회로(40) 측으로 출력되지 않는다. 따라서 메인회로(40)에 과전압이 입력되어 회로가 손상되는 현상을 방지할 수가 있다.

여기서 제3스위치(Q3)가 off로 전환되면, 제너다이오드(Z1)의 캐소드단에 걸리는 전압도 사라지게 된다. 따라서 제너다이오드(Z1)의 양단으로 전류 흐름이 발생하지 않게 되며, 이에 따라 제1스위치(Q1)의 게이트단에는 low가 입력되어 제1스위치(Q1)가 off 되고, 제2스위치(Q2)의 게이트단에는 High가 입력되어 제2스위치(Q2)가 off 되며, 제3스위치(Q3)의 게이트단에는 low가 입력되어 제3스위치(Q3)는 다시 ON 상태가 된다.

과전압이 입력되는 상태에서 제3스위치(Q3)가 다시 ON으로 전환되면, 제3스위치(Q3)의 드레인단으로 7V의 과전압이 출력되지만, 제너다이오드(Z1)에 제너 전압(항복 전압)이 걸림으로써, 메인회로(40)를 포함하는 부하에는 항상 일정한 전압이 공급된다.

도3은 도2에 도시된 과전압 보호 회로에서 입력 전압(Vin)으로 과전압(예컨대 Vin>5.6V 이상)이 입력되었을 경우, 시간에 따른 출력 전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 여기서 입력 전압(Vin)은 과전압 보호부(10)에 입력되는 전압이고, 출력 전압(Vout)은 과전압 보호부(10)를 거쳐 EMI 필터부(20), DC-DC 컨버터(30) 및 메인회로(40)를 포함하는 부하로 공급되는 전압이다.

도3에 도시된 바와 같이 입력 전압이 과전압(예컨대 Vin>5.6V일 경우이며, 이는 제너다이오드(Z1)의 제너 전압 이상임)일 경우에는 제3스위치(Q3)가 온/오프를 반복하게 되고, 출력 전압(Vout)은 제너 전압 인근의 전압으로 항상 일정하게 공급된다. 즉 제3스위치(Q3)가 온인 상태에서 제너다이오드(Z1)의 항복전압 이상의 과전압이 입력 전압(Vin)으로 유입되면, 출력 전압(Vout)은 일시적으로 높은 전압으로 출력되지만, 곧바로 제3스위치(Q3)가 오프되면서 출력 전압(Vout)은 떨어지게 되고, 다시 제3스위치(Q3)가 온되면 증가하는 현상을 반복한다. 따라서 입력 전압(Vin)이 과전압으로 높게 입력되더라도, 출력 전압(Vout)은 도3의 확대도를 통해 확인할 수 있듯이 제너다이오드(Z1)의 항복전압 부근에서 오르고 내리고를 반복하면서 일정 전압으로 수렴하는 형태를 보이게 된다.

여기서 제너다이오드(Z1)의 항복전압은 5.1V인 것을 사용하였지만, 제너다이오드(Z1)의 I-V 곡선의 특성상 과전압 보호부(10)의 출력 전압(Vin)은 대략 5.6V 부근으로 수렴하게 되며, 수렴되는 5.6V의 출력 전압(Vin)은 메인회로(40)나 DC-DC 컨버터(30)의 허용 전압 이내이다.

이상의 설명을 종합하여 입력 전압(Vin) 대비 출력 전압(Vout)의 형태를 도4를 통해 설명하면, 입력 전압(Vin)이 일정 전압 이하일 경우에는 제3스위치(Q3)가 항상 ON 상태이기 때문에, 입력 전압(Vin)이 거의 그대로 출력 전압(Vout)으로 공급되고, 입력 전압(Vin)이 일정 전압 이상이 되어 과전압이 유입되는 경우에는 제너다이오드의 항복 전압 부근의 전압으로 수렴된 전압이 출력 전압(Vout)으로 출력되는 것을 알 수 있다.

한편 도면에는 도시하지 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 과전압 보호 회로는 과전류에 의한 회로 손상을 방지하기 위해 퓨즈를 더 포함할 수도 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 과전압 보호 회로에 따르면, 제너다이오드(Z1)와 복수개의 스위치(Q1,Q2,Q3)로 구성된 과전압 보호부(10)에 의해 과전압이 꾸준하게 입력되더라도 메인회로(40)를 포함하는 부하 측에는 항상 일정한 수준의 전압(허용 전압 이하의 전압)이 공급되도록 함으로써, 차량에 탑재된 각종 전자기기를 과전압으로부터 보호해 줄 수가 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

D1 : 다이오드
TVS : TVS 다이오드
10 : 과전압 보호부
R1, R2, R3, R4 : 저항
Z1 : 제너다이오드
Q1, Q2, Q3 : 스위치
20 : EMI 필터부
30 : DC-DC 컨버터
40 : 메인회로

Claims (4)

1. 온 오프 동작에 의해 전원 입력단에서 입력되는 전원이 제2스위치를 동작시키도록 제어하는 제1스위치;
   상기 제1스위치의 온 오프 동작에 따라 전원 입력단에서 입력되는 전원이 공급되거나 해제되어 온 오프함으로써 제3스위치를 동작시키도록 제어하는 상기 제2스위치;
   상기 제2스위치의 온 오프 동작에 따라 상기 전원 입력단의 전원이 전원 출력단으로 출력되도록 하거나 차단되도록 하는 상기 제3스위치; 및
   상기 전원 출력단에 연결되어 상기 전원 입력단을 통해 입력되는 전원의 전압에 따라 전류의 흐름을 발생시켜 상기 제1스위치를 온 오프 시키는 제너다이오드;를 포함하되,
   상기 제1스위치는 n형 FET이 사용되고, 상기 제2스위치 및 제3스위치는 p형 FET이 사용되며,
   상기 제1스위치의 게이트단은 상기 제너다이오드의 애노드단에 연결되고, 상기 제1스위치의 소스단은 접지단과 연결되며, 상기 제1스위치의 드레인단은 제1저항을 통해 상기 전원 입력단에 연결되고,
   상기 제2스위치의 게이트단은 제2저항을 통해 상기 제1스위치의 드레인단에 연결되며, 상기 제2스위치의 소스단은 상기 전원 입력단에 연결되고, 상기 제2스위치의 드레인단은 제3저항을 통해 접지단에 연결되며,
   상기 제3스위치의 게이트단은 상기 제2스위치의 드레인단에 연결되고, 상기 제3스위치의 소스단은 상기 전원 입력단에 연결되며, 상기 제3스위치의 드레인단은 상기 전원 출력단이자 상기 제너다이오드의 캐소드단에 연결되고,
   상기 제너다이오드의 애노드단은 제4저항을 통해 접지단에 연결됨으로써,
   상기 전원 입력단을 통해 상기 제너다이오드의 제너 전압 이하인 정상 전원이 입력될 경우, 상기 제너다이오드와 상기 제4저항을 통한 전류의 흐름이 없기 때문에 상기 제1스위치의 게이트단 입력이 low 신호가 되어 상기 제1스위치는 off 상태가 되고, 상기 제1스위치의 off에 따라 상기 제2스위치의 게이트단에는 High 신호가 입력되어 상기 제2스위치는 off가 되며, 상기 제2스위치의 off에 따라 상기 제3스위치의 게이트단에는 low 신호가 입력되어 상기 제3스위치가 ON 됨으로써, 상기 전원 입력단에서 입력되는 정상 전원이 상기 전원 출력단으로 출력되고,
   상기 전원 입력단을 통해 상기 제너다이오드의 제너 전압 이상의 과전압이 입력되면, 상기 제너다이오드를 통해 전류의 흐름이 발생하여 상기 제1스위치의 게이트단에 High 신호가 입력됨으로써 상기 제1스위치가 ON 되고, 상기 제1스위치의 ON에 따라 상기 제2스위치의 게이트단에는 low 신호가 입력되어 상기 제2스위치는 ON 상태로 전환되며, 상기 제2스위치가 ON으로 전환됨에 따라 상기 제3스위치의 게이트단에는 High 신호가 입력되어 상기 제3스위치가 off 상태가 됨으로써, 상기 전원 입력단에서 입력되는 과전압이 상기 전원 출력단으로 출력되는 것이 차단되되,
   상기 전원 입력단에 과전압이 입력되어 상기 제3스위치가 off로 전환되면 상기 제너다이오드의 캐소드단에 걸리는 전압이 사라지면서 상기 제3스위치가 다시 ON 상태로 전환되는 동작이 반복됨으로써, 상기 전원 출력단에는 상기 제너다이오드의 제너 전압 인근의 전압이 일정하게 공급되는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 전원 입력단에 설치되어 역전압 유입을 방지하는 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 전원 출력단에 설치되어 과도전압 유입을 방지하는 TVS 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전압 보호 회로.

Images