핫스왑 컨트롤러

자료제공 : 내셔널세미컨덕터 / www.national.com핫 스왑은 활성 백플레인 전압에 대한 회로 보드 삽입 및 제거로 정의된다. 이 기술은 텔레콤 서버, USB 인터페이스, 파이어와이어(FireWire), CompactPCI 응용 분야에서 사용되어 왔다[참고 1]. 시스템 백플레인 전압을 활성 상태로 유지함으로써 장애가 발생한 보드를 제거하고 새 보드로 교체할 수 있으며, 시스템의 다른 보드에 대해서는 시스템을 활성 상태로 유지한다. 활성 상태의 백플레인에 핫 스왑으로 인한 위험은 회로 보드의 커패시터가 공급장치에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공하여 상당한 돌입 전류를 발생시킨다는 점이다. 이러한 돌입 전류는 보드 커패시터, 트레이스 회선, 커넥터에 손상을 줄 수 있다. 돌입 전류 때문에 시스템 전압이 시스템 리셋 임계값 이하로 강하될 수 있고, 그 결과 백플레인에 연결된 다른 보드가 리셋될 수 있다.핫 스왑 컨트롤러는 외부 FET를 제어하여 돌입 전류를 제한하도록 설계되었다(그림 1). 컨트롤러는 또한 출력이 접지면으로 단락되거나 큰 과도 전류가 발생하는 장애 조건 동안에도 전류를 제한한다. DC 전류 부하량과 최대 입력 전압을 수용할 수 있는 FET를 선택하는 것으로 충분하다고 생각할 수 있다. 하지만 전류 제어 기능만 있는 컨트롤러에서는 문제가 발생한다. 이러한 유형의 컨트롤러는 모든 동작 조건에서 FET가 안전 동작 영역(SOA: Safe Operating Area) 내에 있을 것이라고 보장할 수 없다. 전류 제한 기능만 있는 컨트롤러와 전력/전류 제한 기능이 있는 컨트롤러인 내셔널 LM5069 핫 스왑 컨트롤러를 비교해 보자. 이 문서는 FET가 정상 동작에서 단락 장애까지 모든 조건에서 SOA를 벗어나지 않도록 하려면 전류 제한과 전력 제한 조합이 필요하다는 사실을 보여 줄 것이다.컨트롤러그림 1은 LM5069 핫 스왑 컨트롤러이다. 돌입 전류가 감지센서 저항(Rsns)을 통해 감지된다. 컨트롤러는 Rsns에 허용된 전압의 최대치만 흐르도록 허용한다. 만약 전압이 최대 전압을 초과하면 컨트롤러가 게이트 전압을 조정하여 전류를 허용된 최대값으로 유지시킨다. 최대 전류는 한정된 시간 동안만 유지된다. 전류 제한에 대해 허용되는 최대 전류는 장애 감지 전류, 장애 임계값 및 외부 커패시터를 경유해 타이머 핀을 통해 프로그래밍한다. 타이머가 장애 임계값에 도달하면, 컨트롤러가 게이트를 닫고 시스템 입력 전압으로부터 출력이 차단된다. 시스템 미달 전압과 초과 전압은 각각 UVLO 핀과 OVLO 핀의 레지스터 분할기를 통해 감지된다. 부품은 입력 전압이 특정 범위, 즉 미달 전압 임계값과 초과 전압 임계값 사이에 있는지 확인한다. 입력 전압이 범위를 벗어나면 게이트가 닫힌다. PGD(Power Good Pin)는 개방 드레인 출력이다. 따라서 PGD는 Vout에 풀 업 되어있어야 하고 출력(VOUT)이 2V정도 입력(VIN) 레벨을 벗어나게 되면 개방 드레인이 풀 다운 되고 디바이스가 비활성 상태가 된다. PGD 출력을 사용하여 다운스트림 회로 플래그를 지정함으로써 VOUT 전압이 ‘양호한’ 상태임을 나타낼 수 있다. PWR 핀의 저항이 FET에 걸리는 최대 전력의 제한을 프로그래밍한다. 이 기능에 대한 자세한 내용은 이 문서 뒷부분에서 논의한다.전류 제한만 있는 핫 스왑 컨트롤러가 그림 2에 나와 있다. 초과 전압 및 전력 제한 기능이 없다는 점을 제외하고 모든 특성이 LM5069와 동일하다.MOSFET 안전 동작 영역(SOA)핫 스왑 또는 단락 장애 조건이 유지되는 동안 전류를 제어할 때 외부 MOSFET가 SOA 내에 있어야 FET 장애를 방지할 수 있다. 그림 3은 Vishay SUM40N15-38 FET SOA 곡선이다[참고 2]. 최대 드레인 대 소스 전압(Vds)이 110V이며 낮은 Vds에서 FET의 rDS(on) 때문에 전류가 제한된다. 시간과 함께 표시된 곡선은 FET의 최대 에너지 한계이다.SOA 곡선(그림 3에서 빨간색 선)에 수평선을 그려서 전류 제한 기능만 있는 컨트롤러임을 나타낼 수 있다. 정상 동작(즉, Vds가 낮음) 중에 전류는 5A로 제한되고 FET는 SOA 경계를 벗어나지 않는다. 하지만 Vds가 커지면 컨트롤러가 동일한 전류 한계로 제한되고, 프로그래밍된 장애 기간에 따라 FET가 SOA를 벗어나기도 한다. 예를 들어 시스템 백플레인 전압이 50V이고 전류 한계가 5A로 설정되어 있으며 프로그래밍된 장애 시간이 40ms일 경우, 출력에서의 단락으로 인해 FET가 SOA 외부에서 동작하게 된다(그림 3에서 빨간색 점).그림 4에서 파란색 곡선은 LM5069의 전류 및 전력 제한 기능의 조합을 나타낸다. 프로그래밍된 전류 한계는 5A로 설정되고 전력 한계는 50W로 설정된다. 장애 시간을 다시 40ms로 프로그래밍한다. 이제 50V 출력이 단락될 때 부품은 더 이상 전류 제한 모드(5A)에서 동작하지 않고 전력 제한 모드(50V * 1A = 50W)에서 동작한다. FET는 10ms SOA 곡선 미만으로 유지되므로 FET 장애가 방지된다(그림 3에서 파란색 점). 50V 핫 스왑 때와 마찬가지로 전력 제한 모드에서는 FET가 SOA 이내로 유지된다(그림 4에서 파란색 점). Vds가 10V 미만일 때, 부품은 전류 제한 모드로 들어가고, FET가 SOA 내로 유지되는 동안 모든 출력에 필요한 전류 부하량을 공급한다. LM5069 전력 제한 기능은 FET를 흐르는 전력이 프로그래밍된 한계인 50W를 넘어서려고 하는 경우에만 제어를 시작한다. 그렇지 않으면 전류 제한 기능이 FET를 제어한다.벤치 데이터 LM5069와 전류 제한 컨트롤러, 두 가지에 대한 애플리케이션 보드를 제작했다. 두 보드의 조건은 입력 전압 50V, 전류 한계 5A, 장애 시간 40ms로 설정했다. LM5069에는 50W 전력 제한 기능을 추가했다. 두 애플리케이션 모두 부하 레지스터를 통해 출력을 단락시켜서 Vds의 증가를 유도했다.전류 제한 기능 디바이스의 스코프 화면이 그림 5에 나와 있다. 출력 부하가 Vds를 30V로 증가시켰다. 처음에 전류를 5A로 제한하지만 10ms 후에 FET에서 장애가 발생하고 입력 전압이 출력 전압으로 단락된다. 그러면 입력 전압에 의해 순간적인 전압강하가 생기고 전압 공급장치의 전류 한계로 전류가 제한된다. 타이머가 40ms 시간 초과에 도달하지만 게이트를 닫지는 못하는데, 그 이유는 FET가 손상되었기 때문이다. SOA 곡선을 살펴보면 FET는 Vds = 50V 및 Ids = 5A 조건에서 10ms 펄스만 수용할 수 있다. 전류 제한 컨트롤러 때문에 FET가 10ms를 초과하면 FET에서 장애가 발생한다(그림 8에서 빨간색 점).그림 6에서와 같이 출력 부하가 Vds를 45V로 증가시키고 LM5069가 FET를 흐르는 전력을 50W로 제한한다. 타이머가 장애 임계값에 도달하면 부품이 FET를 차단한다. LM5069는 단락 조건에서도 SOA 곡선 내에 있도록 FET를 제어한다(그림 8에서 파란색 점).LM5069의 다양한 기능을 그림 7에 나온 순수한 전류 제한 조건을 통해 확인할 수 있다. 이러한 상태에서 출력 부하가 전류를 증가시키지만 그 정도가 Vds 증가를 유발할 정도로 크지는 않다. LM5069는 전류 제한 모드에서 동작하며 전류를 5A로 제한한다. 프로그래밍된 장애 시간인 40ms 이후에 FET가 차단된다. 다시 한 번 LM5069는 FET가 SOA(그림 8에서 녹색 점)를 벗어나지 않도록 제어한다.결론 전류 제한 기능만 있는 핫 스왑 컨트롤러는 재앙에 가까운 FET 장애 상황에서도 안전성을 제공할 수 있다. FET가 SOA를 벗어나면 사용자가 더 큰 FET와 방열판을 선택하여 신뢰할 수 있는 장애 방지 성능을 갖춰야 한다. 프로그램 가능한 전력 및 전류 제한 기능이 결합된 LM5069는 외부 FET 규모를 확장할 필요없이 신뢰할 수 있는 수준의 보호 기능을 제공하는 안전 여유를 SOA 경계에서 유지한다.
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