전원장치에서 여러 다양한 문제를 해결하기 위해서 블로킹 다이오드가 폭넓게 사용된다. 자동차 시스템에서는 배터리를 교체하거나 점프스타트를 할 때 직렬 블로킹 다이오드를 사용해서 우발적인 역 배터리 연결에 대해 시스템을 보호할 수 있다. 

고가용성 시스템이나 텔레콤 전원 분배 시스템은 블로킹 다이오드를 사용해서 전원장치를 병렬로 연결함으로써 중복성을 달성할 수 있다. 또한 입력 드롭아웃이나 잡음 스파이크에도 불구하고 순간적으로 출력 전압을 유지해야할 때 저장 커패시터의 방전을 방지하거나 또는 입력 전원이 갑자기 떨어졌을 때 부하를 매끄럽게 파워다운하고자 할 때 다이오드를 사용할 수 있다.

블로킹 다이오드는 이해하기 쉽고 적용하기 쉬운데, 순방향 강하로 인해서 상당한 전력 소모를 유발한다는 점에서는 저전압 및 고전류 애플리케이션에 사용하기에 적합하지 않다. 저전압 애플리케이션에서는 쇼트키 배리어 다이오드를 사용한다 하더라도 순방향 전압 강하가 회로의 동작 범위를 제한하는 요인이 된다. 직렬 다이오드 상에서 적어도 500mV의 전원 여유분을 잃게 되는데, 12V 자동차 시스템이 콜드 크랭크 시에 최저 4V까지로 떨어질 수 있다는 점에서 이 정도는 상당한 저하가 아닐 수 없다.

다이오드는 전류 정격에 상관 없이 최소 400mV ~700mV의 고정 전압 강하로 동작하므로, 표면실장 애플리케이션으로 1A~2A 범위일 때 전력 소모가 문제가 될 수 있다. 5A 이상의 애플리케이션일 때는 전력 소모가 중대한 문제가 됨으로써 다이오드를 냉각하기 위해서 잘 다듬어진 열 레이아웃이나 비싼 히트 싱크를 필요로 할 수 있다. 그러므로 회로 디자이너들을 위해서는 좀더 나은 솔루션을 필요로 한다.

이 때 한 가지 솔루션이  바로 다이오드를 MOSFET 스위치로 교체하는 것이다. MOSFET을 이의 바디 다이오드를 자신이 교체하는 다이오드와 같은 방향이 되도록 연결한다. 순방향 전도 시에는 MOSFET을 턴온하고 MOSFET 채널을 통해서 저손실 경로를 사용해서 바디 다이오드를 단락시킨다. 

전류가 역전될 때는 MOSFET을 턴오프시켜서 바디 다이오드가 전류 흐름을 차단함으로써 다이오드 동작을 유지한다. 이 방법을 사용함으로써 순방향 강하와 전력 소모를 많게는 1/10로 줄일 수 있다. 이렇게 하는 것이, 기존의 p-n 또는 쇼트키 배리어 다이오드를 사용하는 것과 대조되는, ‘아이디얼’ 다이오드의 토대를 이룬다.

리니어의 LTC4357과 LTC4359는 바로 이러한 아이디얼 다이오드 컨트롤러로서, 다양한 유형의 거꾸로 된 전원 차단, ORing, 홀드업 애플리케이션에서 N-채널 MOSFET을 구동하도록 설계되었다. RDS(ON) 사양이 최저 1mW에 이르는 MOSFET을 곧바로 사용할 수 있으므로 단일 통과 소자를 사용해서 50A 이상의 전류를 처리하면서 전압 및 전력 손실을 어떤 다이오드 솔루션보다도 10배 더 우수하게 유지하는 아이디얼 다이오드를 구축할 수 있다.

LTC4357과 LTC4359 둘 다 다이오드를 대체할 수 있는데, 후자의 제품이 최저 4V까지로 더 넓은 동작 범위로 동작하며 정지 전류는 전자의 1/4이다. LTC4359의 /SHDN 핀은 정지 전류를 낮추고 LTC4359 솔루션을 부하 스위치로 동작하도록 할 수 있다. 이 기능은 LTC4357과 다이오드 솔루션은 제공하지 못하는 것이다. 표 1은 LTC4357과 LTC4359의 특징을 요약하고 있다.

LTC4359는 4V~80V의 넓은 범위로 동작하는 낮은 정지 전류 컨트롤러이다. 동작 범위의 낮은 쪽 끝이 4V라는 점은 다이오드 강하를 허용할 수 없는 저전압 애플리케이션에서 중요한 점이며, 80V 정격은 48V 텔레콤 시스템 및 자동차 환경에서 동작하고 트랜션트를 극복할 수 있다. 또한 LTC4359는 배터리 단자를 잘못 연결했을 때 겪게 되는 -40V까지의 역 입력으로부터 하위 회로들을 보호한다. 

배터리로 동작할 때는 정상 동작으로 방전 전류를 최소화하는 것이 중요하며 부하가 꺼져있을 때는 더더욱 중요한 문제이다. LTC4359는 정지 전류가 정격적으로 155mA로 낮으며, 셧다운 모드일 때는 14mA로 더 낮출 수 있다. 셧다운일 때는 MOSFET은 턴오프하더라도 바디 다이오드는 계속해서 전류를 전도한다. 애플리케이션에 따라서는 부하를 턴온/턴오프하거나 전원 전압에 상관 없이 전력 공급을 제어할 수 있는 능력을 필요로 한다. LTC4359는 2개 N-채널 MOSFET을 부하 스위치로 구동해서 순방향 및 역방향 전류를 차단함으로써 이 기능을 달성한다.

작동 원리

LTC4359는 그림 1의 블록 다이어그램에서 Q1으로 표시된 N-채널 MOSFET을 제어한다. 이 MOSFET의 소스는 입력 전원으로 연결되고 다이오드의 애노드로서 동작하고, 드레인은 캐소드이다. 전원을 처음으로 인가하면 부하 전류가 먼저 MOSFET의 바디 다이오드를 통해서 흐른다. LTC4359는 IN-OUT의 전압 강하를 검출하고 MOSFET을 온(on)으로 구동한다. 내부 증폭기(GATE AMP)와 차지 펌프가 MOSFET 상에서 30mV 강하를 유지하려고 한다. 부하 전류가 30mV 이상의 전압 강하를 일으키면 MOSFET을 완전 온으로 구동하고, 순방향 강하는 RDS(ON)·ILOAD에 따라서 증가한다.

▲ 그림 1. LTC4359 블록 다이어그램

부하 전류가 감소하면, GATE AMP가 MOSFET 게이트를 더 낮게 구동해서 30mV 강하를 유지한다. 순방향 전류가 30mV를 유지할 수 없을 정도로 낮아지면 GATE AMP가 MOSFET을 오프(off)로 구동한다. 이렇게 해서 DC 역 전류를 방지하고 중복 전원 애플리케이션에서 발진을 일으키지 않고 매끄럽게 전환하게 한다.

입력 단락의 경우에는 전류가 재빨리 방향을 바꾸고 출력 커패시턴스나 다른 전원을 사용해서 전력을 제공한다. 고속 풀다운 비교기(FPD COMP)가 IN과 OUT 사이에 MOSFET 상의 강하를 측정해서 역 전류를 검출한다. MOSFET 상에서 -30mV 이상이면 FPD COMP 비교기가 이에 대한 응답으로서 MOSFET 게이트를 500ns 이내에 로우(low)로 풀링한다.

/SHDN 핀은 이 IC와 외부 MOSFET을 제어할 수 있다. /SHDN 핀을 로우로 풀링하면 IC와 외부 MOSFET들을 턴오프하고 전류를 단 14mA로 낮춘다. IC를 턴온하기 위해서는 /SHDN 핀을 부동으로 두거나 또는 하이(high)로 구동할 수 있다. 부동으로 두면 내부 2.6mA 전류 소스가 /SHDN을 풀업한다.

쇼트키 다이오드보다 우수

MOSFET 기반 다이오드 솔루션은 쇼트키 다이오드에 비해서 전력 소모와 순방향 전압 강하를 낮추며 거의 어떠한 전압 및 전류 조합이든 폭넓은 MOSFET 선택이 가능하므로 범용성이 좀 더 우수하다. 그림 2와 그림 3은 SBG2040CT 쇼트키 다이오드와 BSC028N06NS MOSFET의 전력 소모와 순방향 전압 강하를 비교하고 있다. 20A일 때 BSC028N06NS 2.8mW MOSFET은 1W만을 소모하므로, SBG2040CT 쇼트키 다이오드에 비해서 전력 소모를 8W를 절약할 수 있다. 또한 쇼트키 다이오드가 450mV인 것에 비해서 MOSFET은 RDS(ON) • ILOAD = 56mV로 순방향 전압 강하를 크게 낮추므로 회로가 더 낮은 전압으로 동작할 수 있다. 

▲ 그림 2. 부하 전류에 따른 전력 소모

▲ 그림 3. 순방향 전압 강하 대비 부하 전류

역 입력 보호가 가능한 12V/20A 자동차 다이오드

그림 4는 -40V에 이르는 역 입력을 처리할 수 있는 12V 20A 애플리케이션을 보여준다. MOSFET이 2.8mW으로 온 저항이 낮은 점에 의해서 순방향 강하가 풀 부하 전류로 56mV에 불과하다. 

▲ 그림 4. 역 입력 보호가 가능한 12V/20A 아이디얼 다이오드

입력 단락 시에는 IN, SOURCE, OUT 핀으로 파괴적인 트랜션트가 발생될 수 있다. D1과 D2를 사용해서 전압 트랜션트를 -40V 미만으로 클램핑시킴으로써 IN과 SOURCE를 보호할 수 있다. Q1은 애벌랜치 정격이 50A인 60V BVDSS MOSFET으로서, 인덕티브 에너지를 흡수하고 IN, SOURCE, OUT이 각각 절대 최대 정격을 넘지 않도록 방지한다.

DC/DC 컨버터와 선형 레귤레이터 같은 하위 회로들을 역 입력이나 배터리 단자를 잘못 연결했을 때 겪는 전압으로부터 보호해야 한다. LTC4359의 입력 핀들은 -40V 정격으로 되어 있다. MOSFET을 오프로 유지하기 위해서 내부 NEGATIVE COMP 비교기가 SOURCE 핀이 VSS에 대해서 최소한 1.7V로 음일 때를 검출하고 GATE 핀을 풀다운한다. MOSFET이 오프이면 음의 전압이 부하로 도달하지 못한다. R1에서의 소모 때문에 역 입력 보호는 약 -40V로 제한된다.

다이오드를 부하 스위치로 작동

LTC4359를 스위치로 작동시켜서 부하로의 전력 공급을 제어할 수 있다. 다이오드는 쇼트키 다이오드가 되었든 그림 4의 회로와 같은 것이 되었든, 항상 순방향 전류를 전도한다. 셧다운 시에는 LTC4359가 MOSFET을 턴오프하는데, 바디 다이오드는 여전히 순방향 전류를 전도한다.

순방향 전류를 차단하기 위해서 그림 5에서는 추가적인 MOSFET으로서 Q2를 추가하고 있다. /SHDN 핀을 제어 신호로 사용해서 부하 스위치를 턴온/턴오프한다. /SHDN을 로우로 풀링하면 둘 다의 MOSFET을 턴오프한다. Q2는 순방향 전류를 차단하고, Q1은 역 전류를 방지한다. MOSFET 바디 다이오드는 반대 방향이 되어서 순방향 및 역 전류 흐름을 차단한다. /SHDN을 부동으로 두거나 하이(high)로 구동하면 IC를 턴온하고 MOSFET으로 다이오드 동작을 가능하게 한다. 턴온 시에는 게이트 커패시터 C1과 LTC4359의 제어된 게이트 전류를 사용해서 GATE 핀에서의 스루율을 제어해 쇄도 전류를 제한할 수 있다. 

▲ 그림 5. 28V 부하 스위치와 아이디얼 다이오드를 사용한 역 입력 보호

다중 전원을 사용하는 경우에는 그림 5를 복제하고 상대적인 소스 전압에 상관 없이 동적으로 전원 소스를 선택할 수 있다. 이것은 엄격한 다이오드 동작이 단순히 전원 전압이 가장 높은 입력 소스를 선택하는 수동 선택 기법과 비교된다.

전원 병렬화

중복성이나 드룹 공유(droop sharing)를 위해서 그림 6에서 보는 것과 같이 다중의 LTC4359를 사용해서 2개 이상의 전원 출력을 결합할 수 있다. 중복 전원을 사용하는 경우에는 출력 전압이 가장 높은 전원이 부하 전류의 대부분 또는 전부를 공급한다. 부하 전류를 공급하는 중에 전원의 출력이 접지로 단락되면 전류가 순간적으로 방향이 역전되고 MOSFET을 통해서 거꾸로 흐른다. LTC4359는 이 역 전류를 검출하고 고속 풀다운 비교기(FPD COMP)를 작동시켜서 500ns 이내에 MOSFET을 턴오프한다.

▲ 그림 6. 중복 전원

더 낮은 또 다른 전원이 결함 시에 어떠한 부하 전류를 공급하지 않으면 출력이 떨어져서 결국에 ORing MOSFET의 바디 다이오드가 전도한다. 한편 LTC4359는 순방향 강하가 30mV로 낮아질 때까지 10mA를 사용해서 MOSFET 게이트를 충전한다. 이 전원이 결함 시에 부하 전류를 공유하고 있다면 이에 해당되는 ORing MOSFET이 30mV의 강하를 유지하고자 단순히 MOSFET 게이트를 더 세게 구동한다. 

두 전원 출력 전압 및 출력 임피던스가 거의 같으면 드롭 공유를 할 수 있다. 30mV 레귤레이션 기법은 발진을 일으키지 않으면서 출력들 사이에 매끄러운 부하 공유가 가능하다. 공유의 정도는 옴의 법칙에 따라서 MOSFET RDS(ON), 전원들의 출력 임피던스, 초기 출력 전압에 따른 함수이다. 

역 입력 보호 범위 확대

그림 7은 LTC4359를 역 입력 전압을 보호하는 48V 아이디얼 다이오드로 구성한 것을 보여준다. R2를 추가해서 VIN-VOUT 범위를 -100VDC로까지 확대하고 있으며 순방향 레귤레이션을 10mV로 낮추고 있다. 이차 전원이나 충전 커패시터를 사용해서 출력을 +48V로 유지하는 애플리케이션에서는 Q1이 역전된 48V 입력 전원을 차단한다. 입력 전원을 제거하거나 실수로 거꾸로 연결했을 때 출력이 제로로 떨어질 수 있는 비중복 애플리케이션에서 최대 -100VDC에 이르는 입력을 출력으로 도달하지 못하도록 성공적으로 차단할 수 있다.

▲ 그림 7. 48V 아이디얼 다이오드의 역 입력 보호

R2는 펄스율(pulse-rated) 소자이므로 -100V가 넘는 VIN-VOUT 트랜션트를 쉽게 극복할 수 있다. Q1은 250V VBDSS와 20mW의 극히 낮은 RDS(ON)을 조합했다는 점에서 선택됐으며, 애벌랜치 정격은 크지 않은 320mJ이고 최대 애벌랜치 전류는 47A이다. 역 전류가 MOSFET 애벌랜치 전류 정격을 넘는 경우에는 D6을 추가해서 어떠한 애벌랜치 에너지를 흡수해서 Q1을 보호할 수 있다. 다만 이렇게 하면 피크 VIN-VOUT 전압을 -150V로 제한한다. 이 지점을 넘으면 D6이 항복하게 되고 트랜션트 전류 펄스를 통과시켜서 출력에 도달하게 한다.

LTC4359 아이디얼 다이오드 컨트롤러를 사용해서 쇼트키 다이오드를 대체할 수 있으며 부하 스위치로서 동작할 수 있다. 1A~2A 또는 그 이상의 전류로 LTC4359는 쇼트키 다이오드 솔루션에 비해서 더 우수한 솔루션을 제공한다. 4V~80V의 넓은 동작 범위와 역 입력 보호 기능을 갖춘 LTC4359는 자동차 콜드 크랭크 같은 저전압 애플리케이션으로 낮은 순방향 강하를 유지하며 배터리를 거꾸로 연결했을 때 부하를 보호할 수 있다. 셧다운 모드는 155mA로 이미 낮은 정지 전류를 14mA로 추가적으로 더욱 낮출 수 있으며, 부하 스위치로 동작할 때 온/오프 제어 신호로 사용할 수 있다. 그러므로 LTC4359는 자동차와 텔레콤 및 중복 전원 애플리케이션에 사용하도록 뛰어난 솔루션을 제공한다. 

Meilissa Lum ▶▶ 리니어 테크놀로지