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부하 스위치, 최신 애플리케이션 전력관리의 핵심


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글/브라이슨 바니(Bryson Barney), 온세미컨덕터 애플리케이션 엔지니어


전력은 현 세계를 이끄는 기술의 생명선이며, 업무 현장 안팎에서 이뤄지는 바쁜 일상을 지원하기 위해 하이테크(high-tech) 제품에 의존하는 비중도 점차 높아지고 있다. 전력 관리와 제어는 하이 테크 저전력 애플리케이션에 있어 중요한 문제다. 대형 디바이스를 위한 정교한 다중 전력공급 시스템을 개발하거나 배터리 기반 디바이스에서 배터리 최종 잔량까지 활용하기 위해서 전력관리가 설계자들의 주요 관심사가 되었다.


부하 스위치(load switch)는 다양한 규모의 시스템 내에서 전력관리와 부하보호에 있어 중요한 역할을 담당한다. 특정 애플리케이션을 위한 부하 스위치 선택 시 몇 가지 고려할 사항이 있으며, 성능과 기능이 개선된 신규 디바이스들의 사용이 가능한 상태이다.
부하 스위치의 주 기능은 부하에 대한 전원연결 및 전원차단이다. 이 기능은 단순히 MOSFET 단품을 사용하면 쉽게 구현할 수 있다. 그러나, 완전히 통합된 부하 스위치 디바이스는 보통 개별 솔루션보다 크기가 작고 적은 부품이 들어가며, 과온도, 저전압, 과전류 조건 등과 같은 보호 기능을 갖고 있어 제공하는 기능이 더 많다. 뿐만 아니라 부하에서 소스로 흐르는 역방향 전류가 차단되는 역전류 보호기능이 포함되는 경우도 있다. 이와같은 역전류 보호기능은 최신 USB 표준인 PD(Power Delivery)에 특히 유용하다.

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[그림 1] 일반적인 통합 부하 스위치 디바이스 블록 다이어그램

추가기능을 지원하며 보호기능을 위한 시스템 출력을 제공하기 위해 그림 1과 같이 추가 핀이 제공될 때도 있지만, 모든 통합 부하 스위치는 VIN, VOUT, GND, EN의 최소 4개 핀을 포함한다.
간단한 파워 온/오프 제어 및 보호기능을 제공하는 것 외에도 출력전압을 제어함으로써 부하가 켜지는 속도를 제어할 수 있다. FET 게이트를 제어함으로써 출력전압의 상승시간과 출력 돌입전류가 제어될 수 있다. 이와 같은 완만한 FET 동작은 부하가 순수 저항이 아닌 경우 발생할 수 있는 전류 스파이크로부터 부하를 보호한다.
일부 부하 스위치는 부하에 저장된 에너지를 신속하게 방전할 수 있는 블리드(bleed) 저항을 포함하고 있어 부하 스위치가 꺼졌을 때 부하가 플로우팅 되지 않도록 한다.

부하 스위치 시스템 사용 및 구성

부하 스위치의 가장 일반적인 애플리케이션 중 하나는 시스템 내에서 여러 부하를 나누어 전원을 관리하는 것이다. 이러한 제어는 배터리 기반 디바이스에서 불필요한 에너지 낭비가 발생하지 않도록 방지함으로써 배터리 가동 시간을 최대화 하는데 특히 유용하다.

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[그림 2] 부하 스위치는 여러 부하 도메인의 전력 전달을 관리할 수 있다

부하 스위치는 그림 2와 같이 전원이 분할된 시스템의 다양한 부분에 대한 전력을 제어하는데 사용할 수 있다. 실제 사용예는 센서나 송수신 회로와 같이 잠깐 동안만 동작될 필요가 있는 부분에 대해 필요한 시간만 전력이 공급되도록 제어하는 것이다.
또한 부하 스위치는 그림 3과 같이 단일 부하에 여러 입력 전원이 있는 시스템에서도 사용할 수 있다. 예를 들어 주 전원과 배터리 백업 공급 장치에서 전원이 공급되는 시스템에서 부하전력을 제어할 수 있다.

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[그림 3] 전력 멀티플렉싱을 통해 단일 부하는 여러 공급 장치로부터 이점을 얻을 수 있다.

복잡한 시스템은 다중 전원 레일을 필요로 할 때가 있는데, 많은 경우 이러한 레일은 적절한 시스템 작동을 용이하게 하기 위해 특정 순서로 사용되어야 한다. 예를 들어 무선 송신기의 혼선이나 알 수 없는 전송을 피하기 위해 무선 송신기가 동작하기 전에 코어 프로세서의 완전히 부팅이 필요할 수 있다.

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[그림 4] 부하 스위치는 자체 구동 전원 시퀀싱을 용이하게 할 수 있다.

파워 업 시퀀싱(power up sequencing)은 외부 마이크로컨트롤러를 사용해 정확한 타이밍으로 부하 스위치를 활성화해 달성할 수 있으며, 부하 스위치는 그림 4에서 나타난 대로 ‘파워 굿(power good)’ 출력을 사용해 독립적인 시퀀싱을 제공할 수 있다. 여러개의 부하 스위치는 하나의 부하 스위치의 파워 굿 핀을 다음 부하 스위치의 EN 핀과 연결해 데이지 체인(daisy chained) 방식으로 연결할 수 있다. 여러 부하 스위치간에 더 긴 동작지연이 더 필요한 경우, 제어 라인과 커패시터를 추가함으로써 동작지연을 늘릴 수 있다.

애플리케이션에 맞는 부하 스위치 선택

현재 사용할 수 있는 부하 스위치는 여러 가지 유형이 있으며, 설계자에게 특정 애플리케이션을 위한 디바이스 선택 시 다양한 선택권을 제공한다. 처음엔 다양한 선택권이 부담스러워 보일 수 있지만, 여섯 가지 기본 특성을 고려하여 평가하면 최적의 디바이스를 고르기가 비교적 수월해진다.
에너지 효율은 중요하며, 애플리케이션에서 부하 스위치를 선택하는 주요 이유이기도 하다. 설계자들은 디바이스의 RON 스위치 저항에 세심한 주의를 기울여야 한다. 저항값이 낮을수록 디바이스 입력에서 출력까지의 전압 강하가 낮아지며, 결과적으로 부하 스위치 내 전력 손실과 열 발생이 줄어든다.
디바이스는 최대 허용 부하전류와 입력전압(VIN) 범위와 관련해 애플리케이션에 맞게 정확하게 평가돼야 한다. FET가 클수로 게이트 커패시턴스가 높고 동작시키는데 더 큰 에너지가 필요하기 때문에 정격 전류가 애플리케이션에 적합한지 확인이 필요하다. 또한, 디바이스의 내압이 높을수록 크기가 크거나 비용이 더 많이 드는 경향이 있다.
소모전류(부하 스위치가 켜져 있을 때 사용되는 에너지)는 누설전류(부하 스위치 FET이 꺼진 상태로 전원에서 부하로 흐르는 전류)만큼이나 낮아야 한다.
마지막으로, 특정 애플리케이션의 경우 스위치 온/오프 시간뿐만 아니라 오류 보호 작동 시간 같은 반응속도가 매우 중요하다. 반응속도는 MOSFET 크기에 영향을 받는데 크기가 클수록 더 많은 에너지를 필요로 하며 또한 동작하는데 느려지게 된다. 즉, 너무 큰 FET를 사용하여 설계하는 경우 급격한 변화에 대한 반응속도의 저하로 이어질 수 있다.

에코스위치 (ecoSWITCH™) - 포괄적 범위의 부하 스위치

온세미컨덕터가 제공하는 에코스위치(ecoSWITCHTM) 시리즈의 부하 제어 디바이스는 현재 설계자에게 동급 최강의 RON 저항을 제공한다. 이 시리즈는 20여 가지 이상의 제품으로 구성돼 있으며, 온세미컨덕터가 선보이는 새로운 부하 스위치 디바이스로써 지속적으로 발전하고 있다.
NCP45560 디바이스는 에코스위치 시리즈중에서 사용가능한 제품중 하나이다. 이 디바이스는 공간절약형 3mm x 3mm DFN12 패키지로 제공되지만, 4.1mΩ 정도로 낮은 RON 값으로 지속적이며 효율적으로 최대 24A에 이르는 전류를 스위칭 할 수 있다. 소형 풋프린트 솔루션이 필요한 전력 관리와 핫 스왑 애플리케이션에 적합한 NCP45560은 여러 보호기능을 통합하는 한편 개별 단품 솔루션에 비해 뛰어난 크기와 비용 절감효과를 제공한다.

요약

전력 요구사항이 더욱 복잡해지고 소형 휴대용 배터리 기반 디바이스를 더욱 효율적으로 사용해야 하는 필요성이 확대되면서 부하 스위치가 점차 대중화되고 있다. 이를 통해 설계자들은 초소형 디바이스에서도 높은 효율의 정교한 전력구성을 구현할 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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