지능형 파워 스위치

ST마이크로일렉트로닉스는 하이 사이드와 로우 사이드 구성을 위한 지능형 파워 스위치 제품군을 제공한다. 지능형 하이 사이드 스위치는 인덕티브, 캐패시티브, 레지스티브 부하 구동에 사용되는 일체형 파워 스위치이다. 이와 같은 디바이스는 제어(로직 인터페이스, 드라이버, 진단 및 보호 기능)와 파워 스테이지를 동일한 칩에 통합함으로써 소형화, 시스템 신뢰성 개선 및 비용 효과 등을 구현할 수 있게 된다.

ST 마이크로일렉트로닉스의 지능형 파워 스위치(Intelligent Power Switches : IPS)는 마이크로컨트롤러 피드백을 진단하고 전기 보호 기능을 광범위하게 사용하므로 손상되지 않으며, 따라서 높은 신뢰성을 필요로 하는 산업용 애플리케이션에 적합하다.
프로세스 자동화, 자동 판매기, 엘리베이터, 경보장치, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)를 램프, 밸브, 계전기의 액추에이터로서 제조하는 데 사용되며, PLC 국제 표준 IEC61131-2를 준수하고 있다.
IPS 기술은 우수한 바이폴라, 멀티파워 BCD, VIPower 기술에 기초하고 있다. VIPower 기술은 아주 낮은 RDS를 가능하게 하는 일종의 수직 기술로서 다이 면적의 소형화를 가능하게 한다. 따라서 멀티파워 BCD 기술을 사용하면 더 많은 채널을 통합할 수 있다.
그런데, 수직 기술은 로직 기능을 통합하기 어렵다는 단점도 갖고 있다. 로직 기능 통합에는 멀티파워 BCD 기술이 사용된다. 멀티파워 BCD 기술은 PMOS 트랜지스터(VIPower 기술은 NMOS 트랜지스터만 갖고 있다)를 통합할 수 있다.
바이폴라 기술의 주요 장점은 고전압 용량(High Voltage Capability)이다. 현재 개발 중인 디바이스들은 앞에서 언급한 기술들의 최신 버전을 이용하여 설계되었으므로, 모든 애플리케이션에서도 최첨단 솔루션을 제공하는 셈이다.
MOSFET은 IPS에서 Vcc와 출력 핀 사이에 있으며, 마이크로컨트롤러에 연결된 입력 핀에 의해 제어된다. 이와 같은 디바이스들은 접촉이 없으므로 기계적인 계전기처럼 마모가 일어나지 않으며, 이러한 특성과 진단 출력 때문에 신뢰성이 더욱 높다.
또한 IPS는 24V에서 파워를 직접 공급받을 수 있지만, IPS의 가동 전압은 부분에 따라 5.5V에서 시작하여 55V까지 올라갈 수 있다. 일반적으로 온도는 40℃에서 최대 125℃까지이므로 매우 극심한 환경에서도 이 디바이스들을 사용할 수 있다. 뿐만 아니라 초핑(Chopping) 기법이 사용됨으로써 신속한 자기 소거(Demagnetization)가 가능하며, 개방부하(Open Load)를 감지할 수 있다.
ST는 단일 채널, 4채널, 8채널 디바이스와 같이 다양한 제품을 제공하고 있다. 하이 사이드(High-side) 스위치가 제품의 대다수를 차지하고 있으며, TDE1737과 같은 로우 사이드(Low-side) 스위치와, 하이 사이드 및 로우 사이드 스위치로 구성할 수 있는 두 개의 TDE170x 디바이스도 갖추고 있다.
다음에는 IPS 디바이스의 주요 기능에 대해 살펴보자. 이 디바이스들은 고객의 특정 요구조건을 해결하기 위해 개발된 것이므로 모든 디바이스가 모든 기능을 갖추고 있지는 않다. 또 이미 앞에서 언급했듯이, 일부 기능은 특정 기술로만 구현 가능하다.
모든 VNxxxx 디바이스와 일부 L637x에 걸쳐 갖추고 있는 한 가지 중요한 기능으로 출력전류 제한(Output Current Limiting)을 들 수 있다. 과전류나 쇼트 서킷이 발생할 경우, 출력 전류는 내부 설정 값으로 제한된다. VNI2140J는 이 기능이 탑재된 제품이며 신형 2-채널 IPS 디바이스이다.
또 다른 기능으로는 과열보호(Over-Temperature Protection) 기능이 있다. 연결점의 온도가 내부 설정 값을 초과하면, 리셋 온도에 도달할 때까지 관련 채널의 스위치를 끈다. 그리고 자동으로 그 채널을 재작동하여 디바이스의 중단을 최소로 줄인다.
다이어그램에서처럼 출력을 병렬로 연결하여 최소 전류의 세기를 높일 수 있다. 이렇게 하면 부하 시 전류의 세기를 올리고 총 RDS를 2 정도 내림으로써, 같은 양의 전류를 공급해도 파워 소실을 줄일 수 있다. 따라서 우리는 특정 채널에서 특정 전류를 받는 것이 아니라 채널에 따라, 그리고 채널 수에 따라 그 전류의 세기를 높일 수 있다. 마찬가지로, RDS의 경우에도 채널의 수에 따라 채널의 RDS를 분할할 수 있다.
ST의 IPS는 모든 부하에서 구동되지만 한계도 있다. 커패시티브 부하 값은 연결점의 과열에 의해 제한된다. 커패시티브 부하에서 구동하기 위해서는 다음 조건이 반드시 충족되어야 하며, 공식은 다음과 같다.
RDSON * C ＜ t (Tj) (연결점 과열에 도달하는 시간)
케이블은 0.3㎌/km의 커패시턴스를 갖고 있으므로, 긴 제어용 케이블인 경우 케이블 커패시턴스의 문제가 있는데, 이는 컨테이너 터미널의 크레인 시스템과 같이 대규모 시설을 설치했을 때 발생할 수 있다.
초핑 기법을 통한 신속한 자기 소거 덕분에, ST는 인덕티브 부하에 연결된 IPS가 꺼져있을 때 디바이스에 손상을 주지 않고 과에너지의 유입을 신속히 없앨 수 있다.
VNI2140J 디바이스에서 제공되는 또 다른 기능은 오프 상태 기능에서의 개방 부하 감지이다. 두 개의 출력 중 하나에 개방 부하가 발생하면 진단 핀이 신호를 준다.
그러나 개방 부하 장애를 감지하기 위해서는 풀업(Pull-up) 레지스터가 Vcc 라인과 출력 핀 사이에 연결되어 있어야 한다.
오프 상태(VIN 핀이 로우 상태이고 트랜지스터가 오프일 때)에서 개방 부하가 감지될 수 있다. 이를 위해 레지스터는 Vcc와 출력 핀 사이에 연결되어야 한다.



정상적인 조건에서 전류는 레지스터 RPU와 부하저항(Rload)을 통해 흐르게 된다.
3V 이하의 출력 핀에서 전압을 얻기 위해 RPU를 계산하므로 진단 핀은 높게 유지된다. 개방 부하가 발생할 때 출력 핀에서 전압은 3V 이상 상승하며 진단 핀은 내려간다.
온 상태에서 개방 부하를 감지하기 위해, 이와 같은 기능은 멀티파워 BCD로만 설계될 수 있다. 그러한 경우 전류 값은 모니터되고, 전압 값은 모니터되지 않는다.



L6370, L6375, TDE189x의 진단 핀에 Vcc 쇼트 서킷 및 저전압이 감지되고 신호로 나타난다.
IPS는 두 개의 다른 진단 출력 옵션, 즉 오픈 드레인이나 오픈 소스를 갖고 있다.
VN808을 제외한 VNxxxx 디바이스들은 오픈 드레인 출력이 진단 회로이며, VN808과 L637x 제품군은 오픈 소스 진단 출력을 갖고 있다.
L637x 디바이스들의 노이즈 이뮤니티(Noise Immunity)는 높으며, 입력 스테이지는 공통 및 차동 모드 범위를 지닌 높은 차동 임피던스 스테이지이다. 노이즈 이뮤니티를 높게 유지하기 위해 내장형 오프셋과 히스테리시스(Hysteresis)를 갖추고 있다.
모든 IPS 디바이스는 EMC 규정 IEC 61000-4-2/4/5/6을 준수한다.
이제 IPS 제품군의 주요 디바이스에 대해 살펴보자.
VN751PT는 60mΩ의 낮은 RDS를 제공하는 2.5A의 단일 채널 하이 사이드 드라이버이다.
능동 Vcc 핀 클램프는 낮은 에너지 스파이크로부터 디바이스를 보호한다. 또한, 능동 전류 제한(Active Current Limiting)은 열 차단 및 자동 리스타트 기능과 함께 과부하로부터 디바이스를 보호한다. 그라운드 핀이 끊기면 디바이스는 자동으로 꺼진다. 이와 같은 특징은 산업용 애플리케이션에 더 잘 어울리며, 프로그래머블 컨트롤러의 국제 표준인 IEC61131-2를 준수한다.



L6370은 멀티파워 BCD 기술로 제조되며, VIPower 기술 제품에는 없는 프로그래머블 전류 리미트, 온 상태에서 오픈 그라운드, 커패시티브 부하 구동을 위한 프로그래머블 온 딜레이(On Delay) 등의 기능을 갖고 있다.



QFN 7mm×7mm×1mm 패키지의 신제품 L6370Q는 훨씬 저렴한 비용이며, Power-SO20의 스탠더드형 L6370D와 비교했을 때 풋프린트 면적을 79% 절약한다.
VNI2140은 VIPower 기술로 제조된 차세대 2채널 IPS이다. VNI2140J의 경우 2개의 출력 채널을 위한 통합 솔루션을 제공하므로 PLC, 주변 I/O, 산업 프로세스 제어, 로봇 시스템, 자동판매기, 경보장치 및 보안 시스템, 그리고 섬유기계 등과 같은 장비를 위한 PC 기판의 공간을 절약할 수 있으며 신뢰성을 제고하면서도 설계를 간소화할 수 있다.



그리고 VNI2140J는 공간 절약형 6×5mm 풋프린트로서 모든 필수 로직, 드라이버 회로, 파워 스테이지, 보호 및 진단 기능을 통합하고 있다. 이 칩의 입력은 3.3V TTL/CMOS와 호환되고 출력은 하이 사이드 구성에 연결되며 레지스티브, 인덕티브, 커패시티브 부하 중 두 개가 독립적으로 구동될 수 있다.
각 채널의 독립적인 능동 전류 제한 기능을 지닌 이 칩의 내장형 단락 부하 보호 기능(Shorted Load Protection)은 부하 장애로 인해 시스템의 파워 공급이 중단되지 못하도록 한다.
어떤 채널이든 과부하되면 그 채널은 개별적으로 꺼지게 되며 다른 채널은 계속해서 정상적으로 작동하게 된다. 그리고 그 채널은 연결점의 온도가 정상으로 돌아오면 자동적으로 작동을 재개한다.
두 개의 채널에 과부하가 걸리면 전원 공급에서 피크 전류를 피하기 위해 동시에 작동을 재개하지는 않는다. 튼튼하고 다양한 기능의 솔루션을 제공하기 위해 오프 상태의 개방 부하 감지 등과 같은 진단 기능, 그라운드 손실 대비 보호 기능도 갖추고 있다.

VNI2140J의 기술적 특징

VNI2140J는 다음과 같은 특징을 갖고 있다.
· 공급 전압 : 9V~36V
· 정상 작동 시 고효율을 위한 0.08Ω RDS
· 채널당 0.5A의 노미널 전류
· 출력 전류 제한은 채널당 1A 이상
· 인덕티브 부하의 신속한 자기소거
· 프로그래머블 컨트롤러의 국제 표준 IEC 61131-2 준수
새로운 VNI4140K는 각 채널의 진단 기능을 갖춘 4채널 하이 사이드 드라이버로서 연결점의 온도와 케이스 온도를 모니터하는 이중 과열 보호기능(Double Temperature Protection Feature)을 제공한다. 이 기능은 디바이스뿐만 아니라 PCB 보호도 가능하다.



VNI4140K는 출력 전류가 0.7A이며, VN14140K-32는 고전류 용량(High Current Capability)을 갖추고 있다. 구형인 VN340과 비교했을 때 더욱 더 지원해야 할 제품이다.
VNI4140K는 ST의 최신 VIPower 기술로 생산됨에 따라, 다이 사이즈가 같은 이전 디바이스보다 RDS가 50%나 줄었다. 또한 이전의 VIPower 디바이스와 비교하면 파워 소모는 40%나 줄었다.
뿐만 아니라 RDS와 다이 사이즈 사이의 균형을 최적화하여 소형 PowerSSO24 패키지로 생산하며, 경쟁 4채널 디바이스와 비교했을 때 애플리케이션에서의 공간도 절약했다.
VNI4140K는 대규모 인덕티브 부하 시 안전하게 작동하도록 하기 위해 쇼트서킷 및 과전류 보호기능, 저전압 차단, 신속한 자기소거 기능을 제공하며 그라운드 손실 대비 보호 기능도 제공한다.
진단 출력은 다른 디바이스로 Wired-OR 구성이 가능한 오픈 드레인이고, 로직 입력은 3.3V CMOS/TTL과 호환된다. 스위치는 PLC의 국제 표준 IEC 61131-2를 준수한다.
VNI8200XP는 8채널 하이 사이드 스위치 제품군을 위해 개발 중인 새로운 디바이스로, 엔지니어에게 SPI 인터페이스를 제공할 예정이다. 현재는 VN808 제품군이 유사한 인터페이스를 갖고 있다. VNI8200XP는 진단 출력을 위한 LED 매트릭스 드라이버 및 통합형 DC/DC 컨버터와 같은 추가 기능을 갖게 될 것이다.



VNI8200XP의 장점은 시스템으로부터 출력 스테이지를 절연시키기 위해 사용되는 외부 옵토커플러의 사용 수량을 줄일 수 있다는 것이다. 현재의 VN808 디바이스는 32bit 시스템을 위해 36개의 옵토커플러가 필요한 반면, 새로운 SPI 인터페이스는 단 4개의 외부 옵토커플러만 필요하게 된다. VNI8200X는 사용자가 패럴렐 또는 SPI 인터페이스를 선택할 수 있도록 되어 있다.
마지막으로, TDE1707과 TDE1708은 공장자동화 및 프로세스 제어용 근접 감지기를 위한 출력 드라이버로 출시된 것이다. 이 제품은 하이 사이드나 로우 사이드 드라이버로 구성될 수 있는 단일 채널 디바이스이다.



이들은 일반적으로 센서 애플리케이션에서 사용되지만, 산업용 애플리케이션을 위한 표준 IPS로도 사용될 수 있다.
이 디바이스를 로우 사이드나 하이 사이드 구성에서 사용할 수 있으므로 두개의 디바이스로 하프 브리지(Half-bridge) 토폴로지를 만들 수 있다.
이 디바이스들은 다수의 내장형 보호 기능과, 외장 전기회로의 전력을 공급하는 데 사용되는 내장 회로를 공급하는 5V 선형 레귤레이터를 갖고 있다. 이 기능 덕분에 고비용이며 부피가 큰 외장 레귤레이터가 더 이상 필요없게 되었다.
TDE170x는 최고 50V의 공급 전압으로 작동할 수 있는 몇 되지 않는 디바이스 중 하나이다.

Ivan GATCHEV ST마이크로일렉트로닉스