반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

 글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices)

이 글에서는 전자 시스템에서 필요에 따라 전원 라인을 연결 또는 차단하기 위해서 회로 설계자가 사용할 수 있는 방법들을 설명한다. 이 작업이 별것 아닌 것처럼 생각될 수도 있으나, 성공적으로 구현하기 위해서는 여러 사항들을 고려해야 한다.

어떤 전자 시스템에서는 전원 라인을 차단해야 할 수 있다. 배터리 전하를 낭비하지 않기 위해 배터리 전압을 차단하는 것일 수도 있고, 부하를 전원 라인으로부터 차단하는 것일 수도 있다. 이를 위해서는 기계적 스위치를 사용하는 것이 이상적일 것이다. 하지만 전자 신호에서 스위칭이 일어난다면 전자식 스위치가 좀더 적합할 수 있다. 스위칭 소자로 MOSFET을 사용해서 이러한 전자 스위치를 구현할 수 있다. MOSFET을 별도로 사용하는 디스크리트 솔루션과 함께, 전자 스위치를 편리하게 구현할 수 있도록 하는 다양한 반도체 IC들이 출시되어 있다.

그림 1: N-채널 MOSFET과 별도의 드라이버 IC로서 LTC7003을 사용한 전원 라인 스위칭

​

가장 먼저 결정해야 할 것은 스위칭 소자로서 N-채널 MOSFET과 P-채널 MOSFET 중 어떤 것을 사용할 것인가이다. 둘 중 어느 것이든 사용할 수 있다. P-채널 MOSFET에 비해 N-채널 MOSFET이 저항이 더 낮고, 따라서 온 상태에서 손실도 더 적다. 단점은 N-채널 MOSFET을 구동하는 데 있다. N-채널 MOSFET은 구동하기 위해서 게이트로 전원 라인 전압보다 더 높은 전압을 필요로 한다. 그러므로 구동 IC에 특정한 형태의 차지 펌프가 필요하다. P-채널 MOSFET은 이처럼 전압을 높이는 작업이 필요 없다. 선택할 수 있는 선택폭은 N-채널 MOSFET이 더 다양하다.

스위칭 소자를 정했으면 그 다음에는 전력 스위치와 드라이버를 단일 하우징으로 통합한 것을 사용할지, 아니면 드라이버 IC와 MOSFET을 따로따로 사용할지 선택해야 한다. 단일 패키지는 스위치와 드라이버를 이미 최적화하고 있다는 점이 장점일 수 있다. 그러므로 스위치를 잘 보호하고 동작 시에 과부하를 방지한다. 통합 솔루션의 단점은 시장에서 선택할 수 있는 폭이 다양하지 않고 가격대가 비싸다는 것이다.

세 번째 단계로, 단일 MOSFET이 기계식 스위치를 대신하기에 충분한지 여부를 판단해야 한다. MOSFET은 항상 보디 다이오드(body diode)를 포함하고 있기 때문에 한 방향으로만 전류를 스위칭할 수 있다. 따라서 어떤 애플리케이션에서 전원 라인을 완벽하게 차단하고 어느 방향으로든 전류가 흐르지 않도록 해야 한다면 2개 MOSFET을 서로 반대 방향으로 직렬로 연결한 솔루션이 필요할 수 있다. 그림 2는 그러한 스위칭 스테이지를 보여준다.

그림 2: 전류가 양쪽 방향으로 흐를 수 있는 회로로는 2개 N-채널 MOSFET을 '백-투-백'으로 사용할 수 있다.

마지막 단계는 적합한 IC를 선택하는 것이다. MOSFET을 위한 드라이버를 선택할 수도 있고, MOSFET과 드라이버를 통합한 IC를 선택할 수도 있다. 이 선택 또한 말처럼 쉽지만은 않다. 흔히 부하 스위치를 떠올릴 수 있는데, 부하 스위치는 사용할 수 있는 것이 다양하지 않다. 애플리케이션과 필요로 하는 추가적인 모니터링 기능에 따라서 핫 스왑 컨트롤러, 전자 퓨즈, 서지 보호기, 아이디얼 다이오드, 전력 경로 컨트롤러 같은 것들을 사용할 수 있다. 이들 대부분의 디바이스가 온/오프 핀을 제공하므로 필요에 따라서 전류 흐름을 차단할 수 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)가 제공하는 LTspice™ 시뮬레이션 툴을 사용하면 특정 솔루션이 요구 조건을 충족하는지 여부를 확인할 수 있다.

그림 3: 부하 스위치로서 LTC4414 저손실 PowerPath™ 컨트롤러를 사용한 회로에 대한 LTspice 시뮬레이션

공급 전원을 차단하는 것이 애플리케이션에 따라서는 복잡한 일일 수 있다. 온/오프 제어 핀을 갖춘 특수한 MOSFET 드라이버 IC를 사용하면 이 설계를 쉽게 할 수 있다.

저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 현재는 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.