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글 / 수르야시 라이(Suryash Rai) 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices)

안정적인 수퍼바이저 IC를 사용하면 시스템 안정성을 높이고 전압 트랜션트와 전원 결함에 대한 시스템 신뢰성을 높일 수 있기 때문에 산업계에서는 늘 이에 대한 수요가 있다. 반도체 회사들은 전압 수퍼바이저 IC의 성능을 향상시키기 위해 끊임없이 노력해 왔다. 모든 수퍼바이저 IC는 깨끗하거나 안정적인 리셋(reset) 신호를 발생하기 위해서 파워-온-리셋 전압(V_POR)이라고 하는 최소한의 전압을 필요로 한다. 이 최소 전원 전압에 도달하기 전에 리셋 신호 상태가 불안정할 수 있는데, 이것을 리셋 글리치(glitch on reset)라고 한다.

RESET 핀에는오픈 드레인(open-drain)과 푸시-풀(push-pull)이라고 하는 두 가지 토폴로지가 주로 사용된다(그림 1). 두 토폴로지 모두 NMOS를 풀다운 MOSFET으로 사용한다.

그림 1: 리셋 토폴로지로는 오픈 드레인 구성과 푸시-풀 구성이 주로 사용된다. 

전원이 인가되는 동안, 전원 전압이 V_POR보다 낮으면 내부 회로가 출력 MOSFET을 구동하기에 전압이 충분하지 않으므로 출력 MOSFET이 오프(off)이다. 이 상태에서는 수퍼바이저가 출력 리셋 전압을 제어할 방법이 없다. 리셋은 풀업 전압(V_PULLUP)에 비례해서 상승할 것이며, 전원 전압이 V_POR 전압보다 높아지면 내부 MOSFET이 RESET 핀을 유효한 상태로 구동할 것이다.

그림 2: 리셋 신호가 어떻게 풀업 전압(V_PULLUP)에 비례하게 상승해서 리셋 글리치를 발생시키는지 알 수 있다.

전압 수퍼바이저는 FPGA, ASIC, DSP 등 전압 레일이 1V 정도로 낮은 저전압 레일들을 모니터링하는 용도에 사용될 수 있다. 저전압 프로세서에서는 I/O 로직 레벨이 매우 민감하며, 그림 3에서 보듯이 V_IH가 낮게는 0.5V까지 이를 수 있다.

전원 인가 시, 모든 전원 레일이 안정적이 될 때까지 FPGA, ASIC, DSP는 RESET 상태로 있어야 한다. VDD가 V_POR보다 낮으면 RESET에 글리치가 발생하고, 이 글리치가 FPGA에 알 수 없는 동작을 야기할 수 있다. VDD가 V_POR 전압보다 높아지면 내부 MOSFET이 켜지고, RESET을 GND로 연결하고, RESET이 정확한 로직 레벨을 출력하도록 한다.

그림 3: 수퍼바이저가 저전압 ASIC, FPGA, DSP와 어떻게 인터페이싱하는지 보여준다.

그림 4: 리셋 글리치가 발생하는 전원 인가 시퀀스

전자 업계가 저전압 반도체로 옮겨감에 따라서 아날로그 칩 제조사들 역시 기존 수퍼바이저를 가지고 글리치 프리 수퍼바이저를 제공하기 위해서 애쓰고 있다. 하지만 기존의 수퍼바이저로는 프로세스를 개선해서 V_POR 전압을 낮출 수 있을 뿐이어서, 진정한 글리치 프리 수퍼바이저를 제공하기 위해서는 새로운 아키텍처가 필요하다.

현재로서는 시스템 엔지니어들이 기존의 수퍼바이저에다 외부 회로를 사용해서 글리치 프리 기능을 흉내내는 수준이다(그림 5). 소스-팔로어 구성으로 구성된 표준 JFET을 추가함으로써, 소스의 전압은 ‘VG 전압에서 JFET 임계 전압을 뺀 값’을 따르게 된다. JFET 임계 전압은 VG와 VOUT 사이에서 약 1V 강하를 일으키고, 내부 회로가 작동할 때까지 출력에서 전압 전위 상승을 제거한다.

그림 5: 현행 방식은 기존의 수퍼바이저에다 외부 P-JFET을 추가해서 글리치 프리 기능을 제공하고자 한다.

진정한 글리치 프리 수퍼바이저는 리셋을 통해 전류를 싱크해서 제로 VCC에서라도 리셋이 접지 전위가 되도록 한다. 그림 6은 진정한 글리치 프리 수퍼바이저를 사용한 회로를 보여준다. 아나로그디바이스의 MAX16161/MAX16162는 글리치 프리 동작을 위한 외부 부품이 필요 없어 시스템 설계의 크기를 줄이고 비용을 줄일 수 있게 해준다.

그림 6: MAX16162를 사용한 애플리케이션 회로와 해당 타이밍 다이어그램

진정한 글리치 프리 수퍼바이저 IC가 더 이상 컨셉트가 아니라 현실이 되었다. 이제 설계 엔지니어들은 제로 전원 전압에서 안정적인 리셋 신호를 발생하는 수퍼바이저 IC를 활용할 수 있게 되었고, 이 IC로 저전압(1V 이하) 기기들을 모니터링할 수 있게 되었다. MAX16161/MAX16162는 극히 소형화된 nanoPower IC로서, 대기 전류가 825nA에 불과하므로 시스템 배터리 시간을 늘리는 데 도움이 된다.

저자 소개

수르야시 라이(Suryash Rai)는 아나로그디바이스(Analog Devices)에서 2016년부터 애플리케이션 엔지니어로 재직 중이며, 수퍼바이저 및 보호 IC 포트폴리오를 담당하고 있다. 인도 국립 공과대학 카르나타카 캠퍼스에서 통신공학 석사학위를 취득했다. 현재 벵갈로르에 거주하고 있으며, 요리와 여행, 새로운 친구를 사귀는 것을 좋아한다.