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

강건한 시스템은 종종 여러 개의 전원을 사용할 수 있도록 설계된다. 하나의 장치에 서로 다른 전원이 공급될 경우, 전력원 간의 간섭을 방지하고 손상을 막기 위해 전원을 분리하는 스위치가 필요하다. 이를 위해 전력 경로에 여러 개의 다이오드를 삽입할 수 있지만, 보다 유연하고 효율적인 해결책은 아이디얼 다이오드(ideal diode)를 사용하는 것이다.

이 글에서는 아이디얼 다이오드가 어떻게 유용한지를 설명하고, 두 가지 유형을 소개한다. 첫 번째는 입력 전압 레일의 선택이 전압 수준과 관계없이 독립적으로 이루어지는 방식이며, 두 번째는 항상 더 높은 전압을 사용하여 시스템을 구동하는 보다 단순한 방식이다.

아이디얼 다이오드

여러 가지 서로 다른 전압으로 전원을 공급받을 수 있는 애플리케이션들이 많이 있다. 배터리로 구동되는 장치는 주 전원 외에 대체 옵션으로 플러그인 전원을 사용할 수 있도록 장착되어 있는 경우가 종종 있다. 또한, USB 케이블을 사용하는 기본 전원 공급 장치에 대한 추가적인 에너지원으로서, 벽면형 AC-DC 컨버터로 전원을 공급하는 것도 일반적이다.

장치에 다양한 에너지원이 제공되면, 사용자에게 유익할 뿐만 아니라, 에너지원의 이중화를 통해 시스템의 강건성을 높일 수 있다. 서로 다른 전압원을 사용하기 위해서는 회로 설계와 관련한 더 많은 노력이 필요하다. 특히, 한 에너지원이 다른 에너지원으로 역류하지 않도록 하고, 그로 인해 손상이 발생하지 않도록 보장해야 한다. 그림 1은 사용되지 않은 각각의 전압 공급원을 보호하기 위한 간단한 설정을 보여준다. 이 방식에서는 전력 경로에 다이오드가 사용된다. 

이 방식은 신뢰성이 높지만, 한 가지 주요한 한계점을 가지고 있다. 이러한 설정에서는 항상 더 높은 전압을 가진 에너지원을 사용하여 부하에 전력을 공급한다. 또한, 다이오드는 전력 경로에서 150mV에서 450mV 정도의 전압 강하를 발생시키며, 특히 낮은 전압에서 높은 전력 손실을 초래할 수도 있다. 배터리로 구동하는 장치의 경우, 이와 같은 전력 손실 증가는 불리하게 작용할 수 있다.

그림 1. 애플리케이션에 전원을 공급하는 두 개의 전원과 전력 경로의 다이오드

앞서 언급한 단점들을 해결하기 위해서는 아이디얼 다이오드(ideal diode)를 사용하는 것이 적절하다. 아이디얼 다이오드는 일반적인 다이오드 대신 스위치(주로 MOSFET)를 사용하는 부품들을 의미한다. 스위치가 켜진 상태에서는 전압 강하가 매우 낮으며, 이 전압 강하는 스위치를 통해 흐르는 실제 전류에 따라 변하고, 스위치의 온저항(R_DS(ON))에 의해 결정된다.

그림 2는 두 개의 LT4422 디바이스를 사용하여 구현된 아이디얼 다이오드 회로를 보여준다. 이 집적 회로(IC)는 전력 경로의 저항이 단 50mΩ에 불과하여 전압 강하가 낮다. 또한 IC 자체 전력 소비가 10μA에 불과해 총 전력 손실을 최소화할 수 있다. 추가적으로, 그림 2의 회로에는 부하에 전력을 공급하는 전원(voltage source)을 표시하는 LED 기능이 포함될 수 있다. 따라서, 이 회로는 그림 1의 회로를 대체할 수 있으며, 더 낮은 전력 손실과 추가적인 기능(예: LED 표시 기능)을 제공할 수 있다.

그림 2. 두 개의 아이디얼 다이오드를 사용하여 더 높은 효율과 추가 기능을 제공하는 회로

하지만 그림 2의 회로에서도 변하지 않는 특징이 하나 있다. 전압이 더 높은 전원이 장치에 전력을 공급한다는 점이다. 아이디얼 다이오드 LT4422에는 활성화(enable) 핀(SHDN)이 있지만, 내장된 MOSFET의 보디 다이오드(body diode)는 입력(IN) 전압이 출력(OUT) 전압보다 높을 경우 전류가 흐르게 된다. 

이를 방지하기 위해, LT4422의 파생 모델인 LT4423은 전력 경로에 백투백(back-to-back) 방식으로 배치된 두 개의 MOSFET을 포함하고 있다. 이들은 보디 다이오드가 다른 MOSFET이 동시에 켜지지 않으면 전류가 흐르지 않도록 설계되어 있다.

그림 3은 부하에 전원을 공급하는 전압원을 자유롭게 선택할 수 있는 회로 구성을 보여준다. 이 방식에서는 각 공급 전압의 크기에 관계없이 독립적으로 동작이 가능하다. 그러나 두 개의 MOSFET이 추가되면서, 전원이 켜졌을 때 전력 경로의 저항이 LT4622의 50mΩ에서 LT4423의 200mΩ로 증가하게 된다.

그림 3. 전압원의 크기와 관계없이 전원 선택이 가능한 두 개의 아이디얼 다이오드

마지막으로, LT4423과 같이 두 개의 MOSFET이 포함된 버전은 통합 열 차단(thermal shutdown) 기능도 제공한다. 일반적인 다이오드와 달리, 이 아이디얼 다이오드는 내부 온도가 160°C(일반적) 이상이 되면 자동으로 전원을 차단한다. 이 기능은 시스템을 더욱 강건하게 만들 수 있다.

아이디얼 다이오드는 단순히 여러 전원 공급 옵션을 제공하는 것뿐만 아니라, 전원 이중화(redundancy)를 통해 시스템의 안정성을 더욱 향상시킨다. 또한, 전원 공급 상태를 감지하는 LED 기능과 과열 시 보호 차단 기능 같은 추가적인 기능도 제공한다.

안정성 및 효율 향상

아이디얼 다이오드는 여러 개의 전원을 사용하는 시스템에서 전력 효율을 높이기 위한 일반적인 다이오드의 대안으로서 매우 유용하다. 이러한 아이디얼 다이오드는 전력 손실을 줄이는 것뿐만 아니라, 유연성과 추가적인 기능도 제공한다. 또한, 설계가 간단하고 사용이 용이하며, 특히 LT4422 및 LT4423과 같은 높은 집적도의 디바이스를 사용할 경우 더욱 쉽게 적용할 수 있다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전력 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com