반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

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

이 글은 산업용 전자 시스템에서 과전압 보호를 위해 기존의 리니어 서지 스토퍼 대신 스위칭 서지 스토퍼를 사용하는 방법에 대해 설명한다. 스위칭 서지 스토퍼를 적용하면 과전압이 장시간 지속되는 상황에서도 부하를 계속 동작시킬 수 있다. 기존의 리니어 서지 스토퍼는 전원 경로에 위치한 MOSFET이 감당할 수 있는 수준 이상으로 많은 열을 발산하게 되면 전류 흐름을 차단해야 한다는 한계를 가진다.

리니어 서지 보호 IC의 활용 사례

신뢰성이 요구되는 산업용 전자 시스템에는 전원 라인에서 발생할 수 있는 과전압을 사전에 차단하여 전자 회로를 손상으로부터 보호하기 위한 보호 회로가 적용되는 경우가 많다. 과전압은 전원 라인에서 급격한 부하 변화가 발생할 때 생길 수 있으며, 배선에 존재하는 기생 인덕턴스로 인해 높은 전압 스파이크가 유발될 수 있다. 이러한 문제는 그림 1에 제시된 아나로그디바이스(Analog Devices)의 LTC4380 을 사용하는 입력 보호 회로와 같은 방식으로 대응할 수 있다.

그림 1. 리니어 서지 보호 IC를 이용한 과전압 보호 회로(간략화한 회로도)

이 회로에서 전원 스위치 M1은 전류가 흐르는 경로에 위치한다. 입력 전압(V_IN)에서 과전압이 발생하면 스위치 M1은 리니어 영역에서 동작하게 된다. 이때 M1은 옴(ohmic) 영역에서 저항처럼 동작하며, 출력 전압(V_OUT)은 MOSFET M1에 걸리는 전압 강하에 의해 조절된다. 이는 출력 전압이 과도하게 상승하는 것을 방지해 뒤에 이어지는 전자 회로들을 보호한다.

이 방식은 특정 시간 내에서는 효과적이며, 그 지속 시간은 스위치 M1이 허용할 수 있는 안전 동작 영역(safe operating area, SOA)에 의해 결정된다. 그러나 전원 MOSFET에 걸리는 전압 강하가 높은 상태로 유지되고 그 지속 시간이 허용 한계를 초과하면, MOSFET은 최대 허용 온도 이상으로 과열되어 손상될 수 있다.

LTC4380과 같은 집적 회로(IC)에는 이러한 과전압 상황에 대비하기 위한 타이머가 내장돼 있다. 과전압 발생 시 MOSFET이 리니어 영역에서 동작하는 시간이 이 타이머 상에서 설정되는데, 그 시간은 일반적으로 수 마이크로초에서 수 밀리초 수준이다. 설정된 시간이 경과하면 스위치 M1은 완전히 차단된다. 그러면 스위치는 보호되지만, 그와 동시에 시스템에 대한 전원 공급도 차단된다.

스위칭 서지 보호 IC의 활용 사례

모든 조건에서 산업용 전자 시스템의 신뢰성 있는 동작과 전원 공급의 연속성을 보장하기 위해서는 장시간 지속되는 과전압을 견딜 수 있는 솔루션을 선택하는 것이 중요하다. 여기에는 잘못 연결된 전원 라인으로 인해 과전압이 발생하는 경우와 같은 고장 시나리오도 포함된다. 이러한 상황에 대처할 수 있는 솔루션을 채택하면 회로는 안정적으로 동작하고, 전원 공급의 중단도 방지할 수 있다. 이러한 요구를 충족하는 솔루션은 그림 2에 제시된 것과 같은 스위칭 서지 보호기를 통해 구현할 수 있다.

그림 2. 과전압 지속 시간에 제한이 없는 스위칭 방식 과전압 보호 회로(간략화한 회로도)

그림 2의 회로에서는 서지 보호 IC 외에 인덕터와 외부 쇼트키 다이오드를 추가로 사용한다. 기본적으로 이 회로는 스텝다운(벅) 스위칭 레귤레이터를 보호 회로로 동작시키는 방식이다. 다만 이 스위칭 레귤레이터는 입력 전압이 설정된 최대값을 초과할 때에만 동작을 시작한다. 일반적으로 이 구간에서의 동작은 특별히 높은 전력 효율을 요구하지 않는다. 간단한 쇼트키 다이오드가 플라이백 다이오드로 사용될 수 있다.

그림 3. 과전압에 대한 입력 전압과 출력 전압의 응답(상단)과 

고주파 영역에서 스위칭 노드의 스위칭 동작(하단)

그림 3에서 파란색으로 표시된 것은 입력 전압의 변화이다. 정상 입력 전압은 16V이고, 약 2ms 시점에서 최대 40V에 이르는 과전압이 발생한다. 시간에 따른 출력 전압의 변화는 빨간색으로 표시돼 있다. V_IN에 과전압이 인가되는 동안 스위칭 DC-DC 레귤레이터가 활성화되어 출력 전압을 16V로 유지한다. MOSFET, 쇼트키 다이오드, 인덕터 사이의 노드에서 측정된 스위칭 노드 전압은 녹색으로 표시돼 있다.

이처럼 과전압 보호 회로는 그림 1과 같이 리니어로 설계할 수도 있고, 그림 2에 제시된 LTC7860과 같은 특수한 스위칭(벅) DC-DC 레귤레이터를 이용해 구현할 수도 있다. 단순한 스텝다운 스위칭 레귤레이터는 이러한 애플리케이션에 적합하지 않은데, 이는 해당 구조에서 N채널 MOSFET을 연속적으로 온(on) 상태로 유지할 수 없기 때문이다.

과전압 보호 회로는 리니어 서지 보호기와 스위칭 서지 보호 IC를 모두 포함하고 있다. 스위칭 서지 보호 IC는 장시간 지속되는 과전압 상황에서도 회로의 연속 동작을 가능하게 한다. 이는 과전압이 오랜 시간 유지되더라도 전원을 공급받는 회로는 지속적으로 보호되며 정상적으로 동작할 수 있다는 것을 뜻한다.

결론

산업 및 계측 애플리케이션에서는 다양한 공정을 정확하게 제어하고 측정하기 위해 고정밀 컨버터를 요구하는 사례가 점점 더 많아지고 있다. 뿐만 아니라 이러한 최종 애플리케이션은 더 높은 유연성과 신뢰성, 기능 세트들을 요구하면서 이와 동시에 비용과 보드 면적은 지속적으로 줄이기를 원한다. 이에 따라 부품 제조사들은 이러한 과제를 해결하기 위한 다양한 제품을 선보이며, 현재와 미래의 시스템 설계를 위한 선택지를 제공하고 있다. 이 글에서 살펴본 바와 같이, 정밀 애플리케이션에 적합한 부품을 선택하는 방법은 여러 가지가 있으며, 각 접근 방식마다 나름의 장점과 한계를 갖고 있다. 시스템의 정확도가 높아질수록, 애플리케이션 요구 사항에 가장 적합한 부품을 선택하기 위한 보다 신중한 검토와 판단이 필요하다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 20년 이상의 경력을 보유한 전력 관리 분야 전문가다. 독일 에를랑겐대학교(University of Erlangen)에서 마이크로일렉트로닉스를 전공한 후, 2001년 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해 필드 애플리케이션 엔지니어로 활동하며 고객 프로젝트에서 전력 관리 솔루션을 구현하는 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 

2009년 아나로그 디바이스(Analog Devices)에 합류한 이후에는 제품 라인과 유럽 기술 지원 등 다양한 역할을 수행했으며, 현재는 폭넓은 설계 및 애플리케이션 경험을 바탕으로 전력 관리 전문가로 활동하고 있다. 현재는 아나로그디바이스 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.