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단일 IC로 구현한 포괄적 시스템 보호의 통합 솔루션

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글/앤서니 휜(Anthony Huynh) 전 기술 스태프, 아나로그디바이스

이 글에서는 아이디얼 다이오드와, 백-투-백(back-to-back) MOSFET을 추가한 보다 진보한 디바이스에 대해 설명한다. 또한 포괄적인 시스템 보호의 기능이 포함된 아이디얼 다이오드 솔루션도 소개한다. 

다이오드는 많은 애플리케이션에서 매우 유용하고도 중요한 디바이스이다. 표준 실리콘 다이오드는 전압 강하가 0.6V ~ 0.7V이며, 쇼트키 다이오드는 0.3V이다. 고전류 애플리케이션처럼 다이오드로 인한 전압 강하가 큰 경우를 제외하면, 통상적으로 이 정도의 전압 강하는 문제가 되지 않는다.  그러한 애플리케이션에서는 아이디얼 다이오드가 이상적인 디바이스가 될 수 있다. 다행히, MOSFET은 표준 실리콘 다이오드를 대체함으로써 애플리케이션에서 뜻밖의 이점들을 제공할 수 있다.

머리말

아이디얼 다이오드는 다이오드처럼 단방향으로 전류를 흐르게 하면서도 다이오드의 전압 강하로 인한 손실을 피하기 위해 온-저항이 낮은 전원 스위치(통상적으로 MOSFET)를 사용한다. 여기에 백-투-백 MOSFET과 제어 회로를 추가함으로써, 이 솔루션은 소스 셀렉터, 전류 제한, 돌입전류 제한 같은 추가적인 시스템 제어 기능들을 구현할 수 있다. 기존에는 이러한 기능들이 서로 다른 컨트롤러에 분산되어 있어서 포괄적인 시스템 보호를 구현하기가 복잡하고 번거로웠다. 이 글에서는 아이디얼 다이오드의 주요 회로 사양을 살펴보고, 애플리케이션 사례를 설명하는 한편, 포괄적인 시스템 보호를 위해 필요한 여러 기능들을 단일 IC에 통합한 새로운 아이디얼 다이오드 솔루션을 소개한다.

아이디얼 다이오드의 기본 이해

그림 1은 N-채널 파워 MOSFET을 사용하는 기본적인 아이디얼 다이오드를 보여준다. MOSFET은 내부 바디 다이오드(intrinsic body diode)가 구현하고자 하는 다이오드 기능과 같은 방향이 되도록 배치된다(그림 상단). VA가 VC보다 높으면 전류는 내부 다이오드를 통해서 자연스럽게 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 전류가 이 방향으로 흐를 때는 제어 회로가 MOSFET을 턴온해서 순방향 전압 강하를 낮춘다. VC가 VA보다 높아졌을 때는 역방향 전류 흐름(오른쪽에서 왼쪽으로)을 방지하기 위해 제어 회로가 MOSFET을 재빨리 턴오프해야 한다. 아이디얼 다이오드는 낮은 전압 강하를 갖는데, 이는 MOSFET의 RDS(ON)과 전류 크기에 의해 결정된다. 10mΩ MOSFET은 1A의 부하에서 전압 강하가 1A x 10mΩ = 10mV이다. 이에 비해, 보통의 다이오드는 전압 강하가 600mV에 이른다. 아이디얼 다이오드의 전력 소모는 1A2 x 10mΩ = 10mW인데, 이는 일반 다이오드가 1A x 600mV = 600mW(통상)인 것과 비교하면 훨씬 낮은 것이다.

MOSFET 기술의 발전으로, 이제는 RDS(ON)이 낮은 MOSFET을 이용할 수 있게 되었다. 아이디얼 다이오드 솔루션에 백-투-백 MOSFET을 추가하면 전압 강하는 약간 늘어나지만 다양한 시스템 제어 기능들이 가능해진다. 그림 2는 이러한 회로를 보여준다.

원래의 Q1은 VB에서 VA로 흐르는 역방향 전류를 제어 및 차단한다. 추가적인 MOSFET(Q2)는 VA에서 VB로 흐르는 순방향 전류를 제어하고 차단한다. 이 솔루션은 두 MOSFET 중 하나 또는 둘 모두를 턴온/턴오프하거나 양쪽의 어느 방향으로든 전류 흐름을 제한함으로써 포괄적인 시스템 제어가 가능해진다.

아이디얼 다이오드 애플리케이션의 예시 및 주요 사양

아이디얼 다이오드는 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 산업용 UPS 백업 전원 시스템을 예로 들어 보자(그림 3). 이 시스템은 24V를 메인 전원으로 사용한다. 이 전원의 동작 범위는 19.2VDC ~ 30VDC이고, 트랜션트 전압은 최대 60V에 이른다. 백업 전원으로는 24V 배터리를 사용한다. 최대의 백업 전력을 확보하기 위해, 이 배터리는 정상 동작(배터리 대기 상태) 시에는 24V로 완충된다. 그러다 메인 전원 공급이 중단되면 배터리가 백업 전원을 공급하는데, 시스템이 더 이상 작동할 수 없게 되거나 혹은 그 전에 메인 전원이 다시 켜질 때까지 둘 중 더 짧은 기간 동안 전원을 공급하여 배터리 전압이 24V에서 19.2V 이하로 떨어진다. 이때 시스템 전원과 백업 배터리 간의 전환을 위한 OR 기능(ORing)으로서 아이디얼 다이오드 회로가 필요하다. OR 기능 외에도, 시스템 결함에 대한 시스템 견고성을 높이기 위해서는 과전압, 저전압, 핫 스왑, eFuse 보호 기능들도 필요하다.

[그림 3] 산업용 UPS 전원 백업 시스템

OR 기능 대 소스 셀렉터

그림 4는 전원 OR 기능의 개념도를 보여준다. 이 그림에서는 편의상 아이디얼 다이오드 대신에 다이오드 심볼을 사용하고 있다. 이 단순한 OR 기능 구성에서는, 더 높은 전압의 전원이 우선권을 갖고 부하에 전원을 공급하며, 다른 소스는 대기 상태에 있게 된다. 이 솔루션은 전원들의 전압 값이 다를 때 효과적으로 작동한다. 두 전원의 전압이 비슷하거나 전압 변동으로 인해 전압 값이 교차할 때에는, 전원들 간에 스위칭이 일어날 수 있다.

이와 같은 활용 사례에서는 단순한 OR 기능은 적절하지 않다. 두 가지 이유를 들 수 있다. 첫째, 배터리 전압이 24V로 시스템 공칭 전압과 같다. 그러므로 두 전원들 사이에서 스위칭이 가능한데, 이는 바람직하지 않다. 소스 임피던스와 부하 전류가 이 문제를 더 복잡하게 한다. 예를 들어 VS가 부하에 전원을 공급할 때 부하 전류가 VS 소스 임피던스로 전압 강하가 발생하여 배터리 단자 전압보다 약간 낮게 떨어진다(이때는 무부하 상태). 그러면 배터리가 온(on)으로 전환하여 부하 전류를 공급하는데, 이 역시 마찬가지로 배터리 측 임피던스로 인해 전압 강하가 발생하고 배터리 단자 전압을 떨어트린다. 그러는 동안, 부하가 없어진 메인 전원의 단자 전압이 상승하고 VS가 다시 전원 공급을 이어받게 한다. 이러한 상황에서는 두 전압이 서로 격차가 생길 때까지, 두 전원 사이의 이러한 스위칭이 계속 일어난다.

두 번째 이유를 보자. 24V 시스템 전원 전압 범위는 최소 19.2VDC부터 최대 30VDC까지고 피크 전압 트랜션트는 최대 60V이다. 백업 배터리 전압이 24VDC로 충전되면, 메인 전원 전압이 배터리 전압보다 낮기는 하나 여전히 자신의 동작 범위 이내로 동작하고 있는데도 배터리가 제어를 장악한다. 이 역시 바람직하지 않다. 배터리가 방전하고 백업 전압이 떨어질 것이기 때문이다. 그러므로 시스템 전압이 24V보다 낮기는 하나 최소 동작 수준보다 높을 때마다 시스템이 배터리를 충전하면서 동시에 방전하려고 한다. 바로 이럴 때 소스 셀렉터가 유용하다. 그림 5는 백-투-백 MOSFET을 내장한 아이디얼 다이오드를 사용하는 소스 셀렉터의 컨셉트를 보여준다. 

백-투-백 MOSFET을 사용하여, 이 컨트롤러는 양쪽 방향 모두로 전류 경로를 완전히 차단할 수 있다. 마치 기계식 스위치를 개방하는 것과 흡사하다. 그림 6은 백-투-백 MOSFET을 내장한 아이디얼 다이오드의 심볼 표현을 나타낸 것이다. 이 심볼은 그림 5에서 소스 셀렉터 기능을 보여주기 위해 사용됐다. 이 설정에서는 VS가 높은 우선순위로 설정됐다. VB는 오프로 있다가 VS가 자신의 동작 전압 범위 아래로 떨어질 때만 턴 온 한다.

[그림 5] 입력 소스 셀렉터

[그림 6] 백-투-백 MOSFET을 내장한 아이디얼 다이오드의 심볼 표현

그림 7은 배터리가 대기 상태일 때와 백업 전원을 공급할 때 소스 셀렉터의 동작을 보여준다.

[그림 7] 입력 소스 셀렉터의 동작

그 밖에 중요한 시스템 보호 요구 사항들

그림 6에서는 열고 닫는 기계식 스위치처럼 묘사하고 있지만, 이 컨트롤러에 적절한 전류 검출 회로를 사용하면 전류 흐름까지도 제어가 가능하다. 이미 가지고 있는 파워 MOSFET들을 활용해서 돌입전류 제한(핫 스왑), 과부하/단락 회로 보호(eFuse), 저전압/과전압(UV/OV) 같은 중요한 기능들을 구현할 수 있다.

핫 스왑(hot swap)

그림 3에서 보면, 보드를 (메인 시스템 전원과 백업 배터리가 탑재된) 백플레인에 연결할 때, 입력 커패시터(C)를 충전하면서 발생하는 돌입전류를 제한하기 위해, 시스템 보드에 핫 스왑 기능이 필요하다는 것을 알 수 있다. 이 핫 스왑 기능은 그림 2에서 Q2를 통해서 흐르는 전류를 검출하고 제어함으로써 이뤄진다.

eFuse

이 기능은 과전류나 단락 회로 조건으로부터 시스템을 보호한다. 이 기능 역시 그림 2에서 Q2를 통해서 흐르는 전류를 모니터링하고, 제한하고, 셧다운함으로써 수행된다. 시스템 전력 예산을 최적화하기 위해서는 eFuse 애플리케이션에서 전류 제한 임계값 정확도가 중요하다.

UV/OV

컨트롤러가 전원의 전압을 지속적으로 모니터링한다. 저전압 록아웃(UVLO)은 전원 전압이 자신의 최소 동작 수준(이 활용 사례에서는 19.2V)보다 높게 상승할 때까지 Q2를 오프시킨 채로 둔다. 과전압(OV) 보호는 입력 전압 트랜션트가 설정된 최대 수준(이 활용 사례에서는 30V 이상의 선택 값)보다 높을 때 Q2를 턴오프시킨다. 

아이디얼 다이오드 회로의 주요 사양 및 시스템 성능에 미치는 영향

다시 아이디얼 다이오드로 돌아가서 OR 기능이나 소스 셀렉터에 이 회로를 사용할 때 핵심 사양들을 살펴보자.

역방향 전류 응답 시간

그림 2로 돌아가 보면, 이 시간은 VA와 VB가 역전되고 VB가 VA보다 높게 되었을 때 Q1이 턴오프 하기까지 걸리는 시간을 말한다. VB에서 VA로 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서는 이 역방향 전류 응답 시간(tR)이 낮아야 한다(100ns). 전원 백업 시스템의 경우에는, 제어를 장악한 전원 VS가 부하를 구동하면서 턴오프하거나, 저전압으로 전이하거나, 단락 회로가 되었을 때 역 전압이 발생할 수 있다. 이러한 상황에서 tR은 보드 커패시터(C)나 백업 배터리에서 다시 VS로 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하거나 최소화한다.

과전압 조건 이후의 복구

백업 배터리를 사용하지 않는 시스템의 경우에는(그림 8) 커패시터(C)를 사용해서, 흔히 홀드업 커패시터라고 알려진 백업 전원을 공급할 수 있다. 이 설정에서는 VS 상에 트랜션트 과전압 조건이 발생하면 Q2를 턴오프한다. 그러면 커패시터가 필요한 전원을 공급하여 시스템이 계속해서 작동할 수 있게 하며, 그러는 동안 방전으로 인해 커패시터 전압이 떨어진다. 그러다 VS가 정상적인 동작 수준으로 돌아오면, Q2가 다시 턴온한다. 커패시터 전압 강하를 최소화하려면 Q2가 다시 턴온하기까지 걸리는 시간(tON)이 짧아야 한다. 그림 9는 동일한 양의 홀드업 커패시턴스일 때, tON이 절반이면 전압 강하를 절반으로 줄일 수 있다는 것을 보여준다. 

앞에서 우리는 흔히 발생하는 시스템 결함에 대해 시스템 견고성을 높일 수 있는 다양한 기능들, 즉 소스 셀렉터, 핫 스왑, eFuse, UV/OV와 주요 사양에 대해서 살펴봤다. 만약 이 모든 기능을 단일 기능을 제공하는 여러 IC들을 가지고 구현한다면 회로가 복잡해지고 필요한 부품들도 많아질 것이다. MAX17614는 고성능 아이디얼 다이오드 기능과 함께 전원 시스템을 포괄적으로 보호하는 데 필요한 여러 기능들을 단일 IC로 제공하는 솔루션이다. 이 디바이스는 4.5V ~ 60V로 동작하고 3A 출력을 제공하며, 아이디얼 다이오드/전원 소스 셀렉터 기능과 함께 가변 전류 제한, 핫 스왑, eFuse, UV/OV 보호 기능을 포함한다. 그림 10과 그림 11은 각각 OR 기능 애플리케이션과 전원 셀렉터 애플리케이션에 MAX17614를 사용한 간단한 회로도를 보여준다.

[그림 10] MAX17614를 사용한 전압 OR 기능

[그림 11] MAX17614를 사용한 전원 우선권 셀렉터. 이 회로에서는 VS가 우선권을 갖는다.

맺음말

이 글에서 설명한 백-투-백 MOSFET 솔루션은 소스 셀렉터, 핫 스왑, eFuse, UV/OV 같은 보다 많은 시스템 제어 기능을 제공한다. 이러한 기능들을 구현하기 위해 여러 개의 단일 기능 IC를 사용한다면 회로가 복잡하고 번잡해질 것이다. 이 글에서는 또 UPS 전원 백업 애플리케이션을 살펴보고, 아이디얼 다이오드 기능과 함께 시스템 보호에 필요한 다양한 기능들을 단일 IC에 통합한 고도의 통합 솔루션을 소개했다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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