[디지키 테크리포트] MOSFET이 통합된 아이디얼 다이오드 장점 활용

[테크월드뉴스=이광재 기자] 아이디얼 다이오드 기술은 전압 강하 감소, 시스템 제어 강화, 강력한 보호 기능 등 전자 응용 제품에 다양한 이점을 제공한다.

제품 설계자는 이러한 고급 솔루션의 잠재력을 최대한 활용해 보다 효율적이고 콤팩트하며 강력한 제품을 만들 수 있다. 그러나 응용 제품에 적합한 아이디얼 다이오드를 선택하려면 전기 성능, 열 고려 사항, 신뢰성, 비용, 규정 준수 등 여러 요소간에 균형을 잘 맞춰 선택해야 한다.

기존 다이오드는 0.6~0.7V 범위의 전압 강하를, 쇼트키 다이오드는 0.3V 내외의 전압 강하를 보인다. 고전류 응용 제품에서는 이러한 강하로 인해 상당한 전력 손실이 발생할 수 있다.

아이디얼 다이오드(그림1)는 다이오드의 단방향 전류 흐름 동작을 모방하지만 손실 다이오드 전압 강하 페널티가 없는 낮은 온저항 전원 스위치(일반적으로 MOSFET)를 사용한다.

예를 들어 1A 부하에서 10mΩ MOSFET은 10mV 강하에 불과하며 이는 표준 다이오드에서 일반적으로 600mV 강하가 발생하는 것과 비교되는 수치다. 전압 강하가 감소하면 소비 전력도 현저히 줄어든다. 일반 다이오드가 600mW를 소모하는 데 비해 10mΩ MOSFET의 1A 부하는 10mW를 소모한다.

추가적인 백투백 MOSFET 및 제어 회로가 통합된 아이디얼 다이오드 솔루션은 우선 소스 선택, 전류 제한 및 돌입 제한을 비롯한 고급 기능을 제공해 정교한 전력 관리가 가능히다.

기존에는 서로 다른 컨트롤러가 필요했기 때문에 전체 시스템 보호를 실현하는 데 복잡하고 번거로웠지만 아이디얼 다이오드 솔루션(그림2)에 백투백 MOSFET을 추가하면 하나 또는 두 MOSFET을 켜고 끄거나 전류를 제한해 전체 시스템을 제어할 수 있다.

통합 솔루션은 일반적인 시스템 오류에 대한 강력한 보호 기능을 제공해 시스템 다운타임을 줄여준다. 조정 가능한 저전압 차단(UVLO) 및 과전압 차단(OVLO) 임계값, 프로그래밍 가능 전류 제한, 열 차단 보호 등의 기능을 통해 어려운 조건에서도 시스템을 계속 작동할 수 있다. 또 통합 솔루션은 필요한 부품 수와 기판 공간을 최소화하는 데도 도움이 된다.

기존 쇼트키 다이오드를 MOSFET 통합 솔루션으로 교체하면 소비 전력이 크게 줄어 산업용 전원 공급 장치, 배터리 구동 시스템, 통신 및 데이터 센터 응용 제품의 이중화 전원 ‘OR-ing’에 이상적이다. 또 역방향 입력 보호를 보장해 우발적인 극성 반전으로 인한 손상을 방지할 수 있다.

아이디얼 다이오드 선택시 문제점
통합된 아이디얼 다이오드 솔루션은 응용 제품에서 안정적이고 효율적인 작동을 보장하도록 설계된다.

그러나 설계자가 아이디얼 다이오드를 선택할 때에는 열 관리, 전류 처리, 정격 전압, 통합 복잡성, 비용, 부품 가용성 등 다양한 문제에 직면하게 된다.

◇ 아이디얼 다이오드가 소비 전력을 줄여주기는 하지만 열 관리는 여전히 중요한 고려 사항이다. 따라서 설계자는 성능 저하 없이 이러한 조건을 견딜 수 있는 내구성이 뛰어난 솔루션을 설계해야 하는데 과열을 방지하려면 적절한 방열판과 열 설계가 필수적이다.

◇ 다이오드의 전류 처리 능력은 정격 한계를 초과하지 않고 응용 제품의 예상 전류 부하를 관리할 수 있어야 한다. 여기에는 다이오드의 RDS(ON)을 평가하고 최대 부하 조건에서 허용 가능한 한도 내에 유지되는지 확인하는 작업이 포함된다.

◇ 다이오드의 정격 전압은 응용 제품의 최대 전압 레벨을 견딜 수 있는 수준이어야 한다. 설계자는 안정적인 작동을 보장하기 위해 순방향 전압 강하와 역방향 전압 정격을 모두 고려해야 한다.

◇ 통합 솔루션은 많은 이점을 제공하지만 설계 프로세스가 복잡해질 수도 있다. 설계자가 UVLO, OVLO 및 전류 제한과 같은 모든 통합 기능이 적절하게 구성됐는지 확인해야 하므로 추가적인 설계 및 테스트 시간이 필요할 수 있다.

◇ 통합의 이점과 추가 비용을 비교해 추가된 기능이 비용을 정당화할 수 있는지 판단해야 한다.

◇ 설계자는 선택한 다이오드를 즉시 사용할 수 있는지, 생산 일정에 영향을 줄 수 있는 공급망 제약이 없는지 확인해야 한다.

통합 솔루션 활용
전력 관리 솔루션의 선도업체인 ADI(Analog Devices, Inc.)는 MOSFET 기반 설계를 활용하는 아이디얼 다이오드 컨트롤러 포트폴리오를 제공한다.

ADI의 통합 솔루션은 소비 전력을 최소화하고 열 성능을 개선하며 시스템 안정성을 향상시켜 산업, 자동차, 통신 및 배터리 구동 응용 제품에 필수적인 솔루션이다.

통합 솔루션은 아이디얼 다이오드 기능과 과전압, 저전압, 핫스왑 및 e퓨즈 보호와 같은 추가 시스템 보호 기능을 단일 IC에 통합한다. 이전에는 이러한 기능이 여러 컨트롤러에 분산돼 있어 완전한 시스템 보호를 실현하기가 복잡했다.

MAX17614(그림3)와 같은 ADI의 아이디얼 다이오드 컨트롤러는 고급 역방향 입력 보호, 빠른 전환 기능 및 고전압 처리 기능을 통합해 원활한 전력 이중화와 에너지 효율 향상을 실현한다.

MAX17614는 전력 시스템을 완벽하게 보호하기 위해 단일 집적 회로에 여러 다른 기능을 갖춘 고성능의 아이디얼 다이오드를 제공하는 고집적 솔루션이다.

MAX17614는 140ns의 역전류 차단 보호 기능을 제공하므로 우선순위 전원 선택기 응용 제품에서 더 작은 출력 홀드업 커패시터를 사용할 수 있어 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

아이디얼 다이오드/우선순위 전원 선택기 기능과 조정 가능한 전류 제한, 핫스왑, e퓨즈(Fuse), 저전압(UV) 및 과전압(OV) 보호 기능이 모두 통합돼 있다.

소형화
통합된 아이디얼 다이오드 솔루션의 경우 필요한 부품 수와 기판 공간을 최소화도니다. 예를 들어 2개의 N-채널 전계 효과 트랜지스터(NFET)가 통합된 MAX17614를 사용하면 솔루션 크기를 최대 40%까지 줄일 수 있다.

통합 NFET는 130mΩ의 낮은 누적의 일반 RDS(on)으로 직렬로 연결된다. 역방향 입력 전압 및 역방향 전류 보호 기능을 갖춘 아이디얼 다이오드 기능 구현에 사용할 수 있으며 시스템 효율성이 향상된다.

입력 UV 보호는 4.5~59V 사이에서 프로그래밍할 수 있으며 OV 보호는 5.5~60V 사이에서 독립적으로 프로그래밍할 수 있다. 또 이 장치의 내부 기본 UVLO 상승 임계값은 4.2V(통상)로 설정돼 있다.

MAX17614는 크기가 작아 공간이 협소한 응용 제품에 특히 유용하다. 빠른 응답 시간, 고전압 기능, 최소한의 전력 손실로 효율적인 전력 관리와 안정성이 중요한 태양광 에너지 시스템, USB-C 전원 공급, 산업 자동화 및 의료 장비에서 널리 사용되고 있다.

이산 소자 MOSFET에 비해 통합 NFET은 열 관리에 최적화돼 있어 추가 냉각 부품의 필요성이 줄어준다. 또 통신 및 데이터 센터 솔루션에 사용되는 이중화 전원 OR-ing 응용 제품에서 전원간 빠른 전환을 지원한다.

더불어 NFET는 역방향 입력 보호 기능을 제공해 잘못된 전압 연결이나 역 공급으로 인한 손상을 방지한다.

통합 NFET을 사용하면 설계자가 외부 MOSFET을 소싱하고 선택할 필요가 없으므로 부품 명세서(BOM)와 PCB 레이아웃이 간소화된다. 부품 수를 줄여 더 작고 콤팩트한 설계가 가능하다.

또 ADI는 설계자가 MAX17614 아이디얼 다이오드 컨트롤러를 테스트하고 전력 관리 솔루션에 통합할 수 있도록 MAX17614EVKIT 평가 키트를 제공한다. 평가 기판은 통합 NFET 기반 아이디얼 다이오드의 효율성, 스위칭 동작 및 보호 기능을 평가할 수 있는 플랫폼을 제공한다.

EVKIT를 사용하면 산업용 전원 공급 장치, 배터리 관리 시스템, 통신 및 서버 응용 제품의 이중화 전원 배선과 같은 응용 분야를 위한 효율적인 전원 경로 솔루션의 프로토타입을 제작할 수 있다.

이 키트를 사용하면 다양한 부하 조건에서 전압 및 전류 동작을 분석해 최적의 부품 선택과 설계 레이아웃을 보장할 수 있으므로 설계자는 본격적인 PCB 개발에 착수하기 전에 회로 성능을 검증할 수 있다.

결론
아이디얼 다이오드 기술은 전력 손실 감소, 전압 강하 최소화, 열 성능 개선 등 응용 제품에 필요한 고효율, 저손실 전력 경로 제어 기능을 제공한다.

아이디얼 다이오드는 에너지 효율을 높이고 열 발생을 줄이며 부피가 큰 방열판이 필요하지 않아 시스템 안정성을 향상하는 동시에 PCB 설계를 간소화한다.

설계자는 ADI의 MAX17614 그리고 함께 제공되는 평가 기판을 사용해 광범위한 응용 분야에서 더 작고 효율적이며 매우 견고한 전력 솔루션을 개발할 수 있다.

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