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글/ 토마스 브랜드(Thomas Brand),

아나로그디바이스(Analog Devices) 필드 애플리케이션 엔지니어

산업용 환경에서 동작하는 전자 시스템이 보다 견고하게 설계돼야 한다는 요구가 점점 더 늘어남에 따라 개발자들의 부담은 더욱 커지고 있다. 시스템을 과전압으로부터 보호하기 위해서는 추가적인 부품들이 필요한데, 이러한 부품들은 신호에 영향을 미치기도 하고, 심하면 신호를 손상시킬 수도 있다. 더구나 이러한 부품들을 사용하면 추가 비용도 발생하고 공간 제약도 더 커진다. 따라서 이러한 보호 회로를 설계할 때 기존의 솔루션은 시스템 정확도와 보호 수준 사이에서 절충을 해야 했다.

가장 일반적이면서 간단한 방법은 통상적으로 신호 라인과 전원 또는 접지 사이에 TVS(transient voltage suppressor) 다이오드 같은 외부 보호 다이오드를 사용하는 것이다. TVS 다이오드의 장점은, 순간적인 전압 스파이크에 즉각 대응할 수 있다는 것이다. 그림 1에서 왼쪽 부분이 이러한 외부 과전압 보호 회로이다.

그림 1. 추가적인 외부 부품을 사용하는 기존의 과전압 보호 설계

양(+)의 과도 전압 펄스가 발생하면 다이오드 D1에서 VDD로 흐르는 전류를 사용해서 전압을 클램프 한다. 이 전압은 VDD에 다이오드 순방향 전압을 더한 것으로 제한된다. 펄스가 음(-)이고 VSS보다 낮으면, 마찬가지로 D2를 통해 VSS로 클램프 한다. 그런데 과전압으로 인해 발생한 누설 전류를 제한하지 않으면 다이오드를 손상시킬 수 있다. 이 때문에 이 경로에 전류 제한 저항도 함께 있어야 한다. 또한 환경 조건이 매우 열악할 때에는 보호 능력을 더욱 강화하기 위해 입력단에 양방향 TVS 다이오드를 사용하기도 한다.

이러한 구조의 보호 회로는 단점이 있는데, 예컨대 에지 상승 및 하강 시간이 늘어나며, 정전용량 효과가 발생하기도 한다. 또한 회로에 에너지 공급이 중단되면 보호 기능을 제공하지 못한다.

아날로그-디지털 컨버터(ADC)나 연산 증폭기 같은 부품들은 대개 보호 기능을 포함한다. 이것은 그림 1의 오른쪽 부분에서 보는 것과 같은 스위치 아키텍처로 이루어진다. 그림 1을 보면 양쪽 전원 레일 상에 입력단과 출력단 보호 다이오드가 사용되고 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 설계의 단점은, 에너지 공급이 중단된 상태에서 부동 신호가 나타나면(IC 파워업 되지 않음) 스위치가 오프(OFF) 상태라 하더라도 작동 상태처럼 되고 다이오드와 전원 레일을 통해서 전류가 흐른다는 것이다. 그러면 전류가 흐르게 되어 신호 라인에 보호 기능을 잃게 된다.

결함 방지 스위치 아키텍처

이러한 문제를 해결할 수 있는 솔루션이 그림 2에서 보는 것처럼 양방향 ESD 셀을 사용해서 보강한 결함 방지 스위치 아키텍처이다. 여기서는 입력단 TVS 다이오드 대신에, ESD 셀이 지속적으로 입력 전압을 VDD나 VSS와 비교해서 전압 과도를 클램프한다. 영구 과전압이 발생하면 하향 스위치는 자동으로 개방된다. 입력 전압은 더 이상 전원 레일에 클램프한 보호 다이오드에 의해 제한되지 않는다. 여기서 제한 역할을 하는 것은 스위치의 최대 전압 정격이다. 시스템 견고성과 신뢰성이 더욱 높아지는 것은 부가적인 이점이다. 실제 신호와 신호 정확도에는 거의 아무런 영향도 없다. 뿐만 아니라 스위치가 열려 있을 때 누설 전류가 매우 낮기 때문에 추가적인 전류 제한 저항을 사용할 필요도 없다.

그림 2. 양방향 ESD 셀을 통합한 과전압 보호 회로

아나로그디바이스(Analog Devices)의 쿼드 SPST(single-pole, single-throw) 스위치인 ADG5412F는 바로 이러한 입력 구조를 사용한 제품이다. 이 스위치 제품은 기존 공급 전압에 상관없이 최대 55V의 영구 과전압을 허용한다. 4개 채널 각각에 통합된 ESD 셀은 최대 5.5kV의 전압 과도를 클램프한다. 과전압이 발생하면 해당 채널만 개방하고 다른 채널들은 계속해서 정상적으로 작동한다.

결론

이러한 구조의 과전압 보호 스위치를 사용하면 전기 회로를 크게 간소화할 수 있다. 기존의 디스크리트 솔루션에 비해 다양한 이점들도 제공한다. 정밀한 신호 체인으로 스위칭 성능과 견고성을 향상시킬 뿐만 아니라 공간을 크게 절약할 수 있다. ADG5412F이 제공하는 과전압 보호 기능은 매우 열악한 환경에서 동작하는 고정밀 측정 애플리케이션에 특히 유용하다.