MOSFET 내장 IC를 사용하여 손쉽게 전류를 제한하는 방법

2023년 02월 09일

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

전자 회로에서 전류를 제어해야 하는 경우가 있다. 예를 들어 전자 회로를 안정적으로 보호하기 위해서 USB 포트에서 과도한 전류를 제어해야 한다. 마찬가지로 파워 뱅크에서 배터리 방전을 방지해야 한다. 과도하게 높은 전류로 방전이 일어나면 배터리에서 허용치 이상의 전압 강하가 발생하고 연결된 기기들에 충분한 전압을 공급할 수 없기 때문이다.

따라서 전류 흐름을 종종 특정한 값으로 제한할 필요가 있다. 대부분의 전원 컨버터는 전류 리미터를 사용하여 자기자신을 과도한 전류로부터 손상되지 않도록 보호한다. 어떤 DC-DC 컨버터는 임계값을 조절할 수도 있다.

그림 1: 파워 뱅크에서 포트당 1A 출력 전류로 전류 제한

그림 1에서 전류 리미터(가능하다면 임계값 조절도 가능한)를 통합한 DC-DC 부스트 컨버터를 사용할 수도 있다. 그럴 경우, 추가적인 전류 리미터 블록을 생략할 수 있다. 하지만 많은 애플리케이션이 전원 경로에 어떠한 DC-DC 컨버터도 포함하지 않을 수 있다. 예컨대 시스템에서 24V 전압을 사용하고, 이 라인에서 전류 흐름을 제한하면서, 부하를 정확히 24V로 작동해야 하는 경우를 들 수 있다. 이 경우에는 그림 1에서 파란색으로 표시한 것과 같이 전류 리미터 블록을 사용할 수 있다.

전류 리미터 회로는 보호 모듈 제품을 통해 활용할 수 있는데, 여기에는 핫 스왑 컨트롤러, 서지 보호기, 전자 회로 보호기, 아이디얼 다이오드 등이 포함된다.

시중에 출시된 이들 대부분의 IC는 전류 흐름을 전환하기 위한 스위치로서 외부 MOSFET을 사용하는데, 이 MOSFET을 사용해서 전류를 제한할 수도 있다. 이 경우, 스위치는 선형 레귤레이터처럼 동작한다. 이때 MOSFET이 항상 자신의 안전 동작 구간(SOA) 이내에서 동작하도록 해야 한다. 그렇지 않으면 반도체와 결국 회로까지 손상을 입을 수 있다. 그런데 적합한 MOSFET을 선택하고 SOA 범위 내에서 작동한다는 것이 항상 쉽지만은 않다. 동작 온도, 전압, 전류, 시간 같은 요소들 모두가 여기에 영향을 미친다. 안전한 동작을 위해서는 이 모든 요소들이 적정해야 한다. 그림 2는 통상적인 N-채널 MOSFET의 SOA 다이어그램을 나타낸다. MOSFET의 동작은 이 선들 아래에서 이루어져야 한다.

그림 2: MOSFET의 통상적 SOA

그림 3은 아나로그디바이스(Analog Devices)의 전류 리미터 IC인 MAX17523을 보여준다. 2개의 MOSFET을 사용해서 전류를 150mA ~ 1A 사이에서 제한한다. 전류가 이 한계에 도달하면 전류를 차단하고 일정 시간 기다렸다가 전류를 재개하거나, 다음 스위치 턴온 때까지 전류 흐름을 중단하거나, 전압을 낮추어서 전류를 제한한다. 그러면 내부 MOSFET이 옴 영역(ohmic region)에서 동작한다. 이는 일종의 선형 레귤레이터 기능이다. 조절 가능한 제한 모드에서는 내부 MOSFET이 항상 자신의 SOA 이내에서 동작하며 어떠한 손상도 일으키지 않는다. 그러므로 애써 값을 계산하고 검토할 필요가 없다.

그림 3: 전용 전류 리미터 IC의 간략한 회로도

이러한 용도의 회로를 포함하는 고집적 IC를 사용하면 전류 제한을 손쉽게 할 수 있다. 만약 컨버터가 조절 가능한 전류 리미터를 가지고 있지 않다면 전류 제한 회로와 DC-DC 컨버터를 함께 사용하는 것이 도움이 될 수 있다.

저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 분야에서 20년 넘게 종사해 왔다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현에 있어서 풍부한 경험을 쌓았으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치를 담당했다. 2009년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 이후로 제품 라인 및 유럽 고객 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com