시스템 전력 사이클링을 위한 하이사이드 MOSFET 입력 스위치 옵션

전력 사이클링은 전자 응용 제품, 특히 먼 곳에 배치되고 배터리로 구동되는 응용 제품의 중단 없는 작동을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 전원 공급 장치를 분리 후 다시 연결하면, 지속적인 비활성 상태 또는 시스템 중단으로 인해 응답하지 않게 된 시스템을 초기화할 수 있습니다. 전력 사이클링을 위해 널리 사용되는 효과적인 한 가지 방법은 감시 회로의 Low 활성 출력을 사용하여 하이 사이드 MOSFET 입력 스위치를 구동하는 것입니다.

전압 모니터 또는 감시 회로는 논리 레벨 출력에 두 가지 옵션(Low 활성 및 High 활성 출력 신호)을 제공할 수 있습니다. 이는 푸시풀 출력 토폴로지 또는 풀업 저항이 있는 오픈 드레인 출력 토폴로지에 적용됩니다.

• Low 활성: 입력 조건이 충족되면 출력이 낮아지고, 입력 조건이 충족되지 않으면 출력이 높아집니다.
• High 활성: 입력 조건이 충족되면 출력이 높아지고, 입력 조건이 충족되지 않으면 출력이 낮아집니다.

감시 회로는 전압 공급을 추적하거나 비활성 상태를 감지하기 위한 감시 타이머를 사용함으로써, 또는 두 가지 방법 모두를 활용하여 시스템 활동을 모니터링합니다. 이러한 안전 장치가 문제를 감지하면, 전원 사이클링이 열리고 전원 공급 장치와 다운스트림 시스템 간의 경로가 닫혀 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)가 리셋 프로세스에 들어가게 됩니다. 회로의 하이사이드에 있는 입력 스위치(그림 1)는 다운스트림 전자 시스템에 대한 전력을 제어하는 데 사용됩니다.

그러나, 올바른 부품을 선택하여 전력 순환 과정에서 발생할 수 있는 발열 및 스위칭 잡음과 같은 잠재적 문제를 해결하는 것이 매우 중요합니다.

그림 1: 정전 상태에서 다운스트림 전자 시스템을 오류로부터 보호하기 위해 하이사이드 스위치를 사용하는 응용 제품 회로 (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

그러나, 올바른 부품을 선택하여 전력 순환 과정에서 발생할 수 있는 발열 및 스위칭 잡음과 같은 잠재적 문제를 해결하는 것이 매우 중요합니다.

하이사이드 전원 스위치

전력 사이클링은 무선 트랜시버, 의료 장치, 스마트 홈 장치, 전원 공급 장치 및 가전 제품을 포함한 다양한 응용 제품에서 시스템의 안정성을 개선하고 잠재적인 손상을 완화하기 위해 활용 가능합니다.

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)는 낮은 온 저항, 빠른 스위칭 속도 및 높은 입력 임피던스를 가지고 있기 때문에 전력 사이클링에 널리 사용됩니다.

감시 회로의 출력은 MOSFET의 게이트를 제어하여, 효과적으로 전원을 켜거나 끔으로써 전력을 순환시킬 수 있습니다. 이 방법은 시스템이 응답하지 않는 상태에서 재설정 및 복구가 가능하도록 하므로, 최적의 시스템 안정성을 보장합니다.

이 접근 방식을 사용하는 개발자는 N-채널 또는 P-채널 MOSFET을 사용할 수 있는데, P-채널 접근 방식이 온/오프에 필요한 조건과 회로가 N-채널 MOSFET에 비해 덜 복잡하므로 많은 개발자들이 이를 선호합니다.

P-채널 MOSFET의 경우 게이트 전압이 소스 전압보다 낮아야 켜지고, N-채널 MOSFET의 경우에는 게이트 전압이 소스 전압보다 높아야 켜집니다.

N-채널 MOSFET을 하이사이드 입력 스위치로 사용하는 경우, 낮은 게이트 전압으로 인해 스위치가 열리고 전원 공급 장치가 분리됩니다. 일반적으로 N-채널 MOSFET이 더 나은 효율과 성능을 제공하지만, 이 경우에는 스위치가 전원 공급 장치를 완벽하게 연결하기 위해서는 양의 게이트-소스 전압(V_GS)을 생성하도록 충전 펌프와 같은 추가 회로가 필요합니다.

음의 V_GS로 켜질 수 있는 P-채널 MOSFET을 사용할 때는 추가 회로가 필요하지 않으므로, 응용 제품 설계가 간소화되지만 온 저항이 높고 효율이 낮다는 단점이 있습니다.

P-채널 하이사이드 스위치 구현

P-채널 접근 방식을 사용하는 경우, MOSFET을 제어하기 위한 게이트-소스 전압이 적어도 게이트-소스 임계 전압 V_GS(th)만큼 공급 전압보다 낮아야만 전류가 소스에서 드레인으로 흐를 수 있습니다. 또 다른 고려 사항은 장치가 손상되지 않도록 드레인과 소스 사이의 전압(V_DS)이 지정된 한계 내에서 작동하는지 확인하는 것입니다.

Low 활성 감시 회로 출력이 P-채널 MOSFET의 게이트에 연결된 경우, 지정된 임계값을 초과하면 OUT 핀이 게이트를 아래로 끌어내려서 공급 전압에서 부하로의 연결을 활성화합니다. 전압이 임계값 아래로 떨어지면, OUT 핀이 높아지고 P-채널 MOSFET이 꺼져 전원 공급 장치에서 부하가 분리됩니다.

개발자는 장치의 OUT 핀을 P-채널 MOSFET의 게이트에 직접 연결하여 매우 효과적인 과전압 보호 회로를 만들 수 있습니다. 이 P-채널 MOSFET을 Analog Devices, Inc., MAX16052 전력 관리 IC(그림 2)에 연결된 하이사이드 스위치로 사용하는 강력한 접근 방식은 부하가 공급 전압에 연결되도록 보장합니다.

그림 2: 과전압 보호를 위한 하이사이드 스위치로 사용되는 P-채널 MOSFET (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

모니터링되는 전압과 P-채널 MOSFET의 게이트 사이에 있는 외부 풀업 저항기는 오픈 드레인 OUT 핀이 높은 임피던스 상태에 있을 때 게이트를 높게 유지합니다. 모니터링되는 전압이 임계값을 초과하면 OUT 핀이 높은 임피던스 상태로 전환되어, P-채널 MOSFET이 꺼지고 공급 전압에서 부하가 분리됩니다. 그와 반대로, 모니터링 전압이 임계값 아래로 떨어지면 OUT 핀은 게이트 핀을 끌어내립니다.

MAX16052는 ADI의 MAX16053과 함께 시퀀싱 기능을 갖춘 소형 저전력 고전압 모니터링 회로 라인으로 구성되며, 두 제품 모두 소형 6핀 SOT23 패키지로 제공됩니다. MAX16052는 High 활성 오픈 드레인 출력을 제공하고 MAX16053은 High 활성 푸시풀 출력을 제공합니다. 두 제품 모두 0.5V까지의 입력에 대해 조정 가능한 전압 모니터링을 제공하며, 내부적으로 고정 0.5V 임계값의 고임피던스 입력(IN)을 사용하여 전압 모니터링을 수행합니다.

감시 타이머 사용

감시 타이머(WDT)는 모니터링 조건이 충족될 때 출력 신호가 낮은 경우 감시 회로의 보호 기능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 환경에서, 감시 타이머는 특정 시간 동안 펄스 또는 변환이 없는 것을 감지하여(감시 타임아웃(t_WD)이라고 함) 마이크로 컨트롤러 리셋을 활성화하거나 전력 사이클을 개시할 수 있습니다.

감시 타이머가 있는 ADI의 MAX16155 nanoPower 감시기는 리셋 임계값보다 낮더라도 양극 공급 전압(V_CC)이 최소 작동 전압을 초과하면 리셋 출력을 시작합니다. 두 개의 WDT를 사용하는 응용 제품(그림 3)은 32초 동안 사용하지 않으면 마이크로 컨트롤러 소프트 리셋을, 128초 동안 사용하지 않으면 시스템 전력 사이클을 활성화할 수 있습니다.

그림 3: 이 구성에서 감시 타이머 1은 소프트 리셋을 활성화하고 감시 타이머 2는 시스템 전력 주기를 개시합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

P-채널 하이사이드 스위치를 구동하기 위한 한 가지 옵션은 NPN 양극 접합 트랜지스터(BJT)를 인버터로 사용하여, 풀업 저항기를 통해 감시 출력의 낮은 신호를 NPN 트랜지스터를 끄는 높은 신호로 변환하여 P채널 MOSFET을 끄는 것입니다. (그림 4). 시스템이 활성화되면, 감시 출력(WDO)이 높아져 저항기를 통해 NPN 트랜지스터의 베이스에 신호를 전송하여 전원을 켭니다.

그림 4: NPN 양극 접합 트랜지스터(Q1)는 P-채널 MOSFET(Q2)을 구동합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

MOSFET의 게이트와 소스에 연결된 저항 분배기가 V_GS를 제어합니다. NPN 트랜지스터가 켜지면 저항 분배기를 낮게 끌어내어 게이트 전압을 소스 전압보다 낮게 만들고, P-채널 MOSFET을 켜서 시스템에 전원 공급 장치를 제공합니다.

마이크로 프로세서가 무응답 상태가 되거나 MAX16155 감시 타이머의 사전 정의된 타임아웃 기간 내에 입력 펄스를 보내지 못하면, 감시 타임아웃 이벤트가 발생하여 WDO 핀이 낮음으로 설정됩니다. 그러면 NPN의 바닥이 접지로 당겨져 꺼지게 됩니다. NPN 트랜지스터가 꺼지면, P-채널 MOSFET의 게이트와 소스의 전압이 동일해져 MOSFET이 꺼지고 마이크로 프로세서에 대한 전력이 차단됩니다.

감시 타이머의 WDO 출력이 다시 높아지면 시스템이 정상 작동을 재개합니다. 그러면 마이크로 프로세서가 WDI 핀에 규칙적인 펄스를 전송하여 추가적인 타임아웃을 방지합니다. NPN 트랜지스터가 켜지면서 하이사이드 MOSFET이 켜진 상태를 유지하여 마이크로 프로세서에 지속적인 전력을 공급합니다.

양극 접합 트랜지스터의 저렴한 비용은 P채널 하이사이드 스위치의 설계 이점이지만, 저항기와 같은 추가 외부 부품의 도움으로 적절한 튜닝이 필요합니다.

N-채널 MOSFET을 이용한 구동 회로

하이사이드 P-채널 MOSFET을 제어하기 위해 N-채널 MOSFET을 사용하는 것은 양극 트랜지스터에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.

N-채널 MOSFET은 온저항이 낮아 전력 손실을 줄이고 효율을 높입니다. 또한 빠르게 전환하여 시스템 응답 시간을 개선합니다. 스위칭 손실이 적고 더 높은 주파수에서 작동이 가능하므로, 배터리 구동 장치 등 에너지 효율적인 응용 제품에 이상적입니다. 또한 게이트 구동 요구 사항이 BJT보다 덜 까다로워 구동 회로망이 간소화되고 부품의 수가 줄어듭니다.

감시 출력은 N-채널 MOSFET의 게이트를 직접 제어할 수 있습니다. WDO의 풀업 전압이 MOSFET의 게이트 임계 전압(V_GS(th))과 일치해야 올바르게 작동합니다. 시스템이 활성 상태일 때, 높은 WDO 신호로 인해 N-채널 MOSFET(그림 5의 Q1)이 켜지면 이에 따라 P-채널 MOSFET(그림 5의 Q2)이 켜져 시스템에 전력을 공급합니다. 시스템이 비활성 상태일 때는 WDO 신호가 낮으면 Q1이 꺼지고, 이로 인해 Q2가 꺼져 전력 공급이 차단됩니다.

그림 5: P-채널 MOSFET(Q2)을 구동하는 N-채널 MOSFET(Q1). (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

결론

하이사이드 스위치를 구동하기 위해 N-채널 또는 P-채널 MOSFET을 사용하는 것은 모두 시스템 전력 사이클링을 위한 안정적인 방법입니다. NPN 양극 트랜지스터와 추가 부품을 사용하는 P-채널 방식은 저렴한 옵션이 되는 반면, 고주파 스위칭에는 비용이 더 많이 드는 N-채널 방식이 더 효과적입니다. 개발자의 설계 선호도와 응용 제품 요구 사항에 따라 최적의 접근 방식이 결정됩니다.