스마트 전류 감지 및 모니터링 기술을 선택하고 적용하는 방법(퓨즈 대체)

전통적으로 과전류로부터 설계를 보호하는 용도로는 인라인 퓨즈를 추가하는 방법을 사용해 왔습니다. 퓨즈는 기본적으로 과도한 전류가 흐르면 가열되어 녹아서 개방 회로를 만들고 차단 전류 흐름을 발생시키는 저항기입니다. 그러나 퓨즈는 정밀하지 못하고, 교체에 많은 시간과 비용이 들며, 원격 위치에서는 비용이 더욱 가중됩니다.

더 정교한 솔루션은 실시간으로 전류를 모니터링하며 과전류 상황이 일어나기 전에 감지하고 적절한 예방 조치를 취하는 것입니다. 이 문서에서는 과전류 감지 시스템을 구성하는 기본 원칙과 부품, 오류의 원인과 방지 방법, 사용 예에 관해 알아봅니다.

전류 모니터링 기법

측정하는 전류의 유형(AC 또는 DC)과 양에 따라 몇 가지 전류 모니터링 기법을 사용할 수 있습니다.

직접 측정에서는 측정하는 전류가 션트 저항기나 트랜지스터와 같은 측정 장치를 통해 흐릅니다. 이 방법은 소형의 고정밀 저가 솔루션을 만들 수 있으며, 가능한 경우 이 방법이 크게 선호됩니다.

전류가 흐르는 컨덕터와 측정 장치 사이를 전기적으로 분리하여 간접적으로 전류를 측정해야 하는 응용 분야도 많습니다. 간접 방법에서는 코일에 흐르는 전류 때문에 유도되는 자기장 등의 전류 관련 파라미터를 측정합니다.

이 기법으로 높은 정밀도를 얻을 수 있지만, 너무 복잡하고 비용이 많이 들어서 과전류 방지를 위한 대부분의 응용 분야에서 퓨즈의 대안으로 고려하기가 어렵습니다. 이제부터는 전류 감지 저항기나 전력 MOSFET을 감지 소자로 사용하는 직접 측정 방법 세 가지를 살펴보겠습니다.

정교함의 단계가 높아지면 BOM 비용이 커질 수 있지만, 미사용 마이크로 컨트롤러 용량과 같은 기존 회로망을 활용하여 약간의 비용만으로 기능을 추가할 수 있는 경우도 있습니다. 총 소유 비용(TCO)을 고려할 때, 원격 위치로 가서 퓨즈를 교체해야 할 필요가 없어진다면 추가 비용이 정당화될 만한 경우도 있습니다.

전류 감지 저항기를 사용한 직접 측정

가장 간단한 직접 접근 방식은 션트(직렬) 전류 감지 저항기로 전류를 측정하는 것입니다. 이 직접 방법은 간단하고 선형적이라는 이점이 있습니다. 저항기에 걸리는 전압을 사용해서 옴의 법칙 V = I x R에 따라 전류의 양을 알아낼 수 있습니다.

자동차 배터리 관리와 같은 고전류 정밀 응용 분야 대상으로, Vishay에서는 WSBS8518L1000JK와 같은 특수한 션트 저항기를 독립 부품이나 쉬운 PC 기판 연결에 좋은 몰드 인클로저(WSBM8518L1000JK)와의 통합형으로 제공합니다(그림 1).

그림 1: 직접 접근 방식으로 가장 간단한 것은 Vishay Dale WSBS8515L100JK 이산 소자 정밀 션트 저항기(위)나 연결된 인클로저(아래)와 같은 션트(직렬) 전류 감지 저항기를 사용하여 전류를 측정하는 것입니다. (이미지 제공: Vishay Dale)

인클로저에는 표준 Molex 커넥터와 연결되는 4핀 오목형 리셉터클이 통합되어 있습니다. 100µΩ의 낮은 저항, 5nH 미만의 유도 용량, ±20ppm/ºC 미만의 TCR(온도 저항 계수)을 가진 저항기도 사용할 수 있습니다.

하이사이드 및 로우사이드 감지

션트 저항기를 사용할 때, 부하와 반환 사이에 넣을 수도 있고(로우사이드 감지) 부하와 전원 공급 장치 사이에 넣을 수도 있습니다(하이사이드 감지).  로우사이드 감지는 션트 저항기가 접지 레퍼런스 되어 있고 표준 연산 증폭기로 완충이 가능하므로 단순하고 비용이 낮다는 장점이 있습니다.  한 가지 단점은 로우사이드 센서로 부하의 로우사이드에 발생한 개방 회로나 단락을 감지할 수 없다는 것입니다. 응용 분야에 따라서는 션트 저항 때문에 접지 경로에 저항이 추가되는 것이 적합하지 않을 수도 있습니다.

하이사이드 감지는 접지부를 방해하지 않지만, 션트 저항기의 양쪽에 걸리는 공통 모드 전압이 표준 연산 증폭기의 공통 모드 범위를 초과하거나 공급 전압을 넘어갈 수 있습니다.

션트 저항기 IC

Texas Instruments의 INA300 전류 감지 비교기와 같이 과전류 조건을 감지하기 위해 특별히 설계된 IC도 많습니다. INA300은 5V 전원으로 작동하지만, 최대 공통 모드 전압을 36V까지 수용할 수 있습니다. 과전류 임계값은 조정이 가능하며 디지털 아날로그 컨버터(DAC)나 외부 저항기로 설정할 수 있습니다. 응답 시간은 10μs ~ 100μs 사이로 다양합니다. 알림 출력 핀은 입력 상태를 따르거나(투명 모드) 과전류 조건이 발생했을 때 래치로 잠깁니다. 래치 모드에서는 시스템의 마이크로 컨트롤러가 래치를 지워서 알림을 받은 것을 나타냅니다.

그림 2: Texas Instruments의 INA300은 프로그래밍 가능 임계 전압 및 응답 시간과 같은 여러 가지 기능을 사용하여 과전류 조건으로부터 회로를 보호합니다. (이미지 제공: Texas Instruments)

어느 전류 제어 응용 제품이나 시스템 마이크로 컨트롤러 내부에서 전류를 참조 값과 비교하는 방법으로 과전류 감지 기능을 통합할 수 있지만, 산업용 모터 제어기나 DC/DC 컨버터와 같은 일부 응용 분야에서는 다운스트림 부품의 피해를 방지하기 위해 신속한 과전류 감지가 필요할 수도 있습니다.

그림 3에는 별도의 고속 보호 회로가 있는 전류 제어 시스템이 나와 있습니다. Analog Devices의 AD8211은 션트 저항기에 걸리는 전압을 증폭하고 제어 루프에 피드백 신호를 공급합니다. 장치에서는 최대 65V의 공통 모드 전압을 거부하고 접지 레퍼런스를 사용하며 완충된 출력을 ADC(아날로그 디지털 컨버터) 연결에 적합한 형태로 제공합니다.

그림 3: AD8211 및 AD8214는 함께 작동하며 과전류 조건에 100ns 미만의 시간에 응답할 수 있는 전류 모니터링 및 감지 시스템을 이룹니다. (이미지 제공: Analog Devices Inc.)

보호 기능은 역시 Analog Devices 부품인 AD8214에서 제공합니다. 응답이 빠르고 높은 공통 모드 전압의 전류 션트 비교기는 과전류 감지 신호를 100ns라는 짧은 시간 내에 제공할 수 있습니다. AD8214에는 최대 공급 전압 65V에서 작동할 수 있게 해 주는 내부 제너 조정기가 있습니다.

오류의 원인

저전류 응용 분야에서는 비용을 최소화하며 표준 전력 저항기를 션트 저항기로 사용하여 전류를 측정할 수 있지만, 션트의 허용 오차 범위가 과전류 감지 정확도에 직접 영향을 줍니다. 저항기 값이 커지면 신호도 커지지만, 그에 따라 열도 많이 발생하기 때문에 방열판이나 기타 열 관리 방법이 필요하게 되어 추가 비용이 생길 수도 있습니다.

그림 3에 있는 것과 같이 션트 저항기를 제어 시스템의 일부로 사용하려면 전압 신호의 작동 범위가 넓어야 하므로, 허용 오차 범위가 좁고 온도 저항 계수(TCR)가 낮은 정밀 저항기를 사용하는 것이 좋습니다. 

RDS_(ON) 기반의 전류 감지

과전류 조건을 감지하는 다른 방법으로는, 션트 저항기를 사용하지 않고 전력 MOSFET 자체를 감지 소자로 사용하는 것이 있습니다. 그림 4에는 단락 방지 기능이 포함된 Infineon AUIR3200S MOSFET 드라이버가 나와 있습니다.

그림 4: AUIR3200S는 통합 과전류 감지 및 온도 보정 기능이 통합된 MOSFET 드라이버입니다. (이미지 제공: Infineon Technology)

장치에서 전력 FET의 전압 강하를 감지합니다. 이 값은 부하 전류와 FET RDS_(ON)의 함수입니다. MOSFET이 켜질 때 소스 V_S의 전압은 다음과 같이 계산합니다.

V_S는 AUIR3200S의 소스 핀(S)으로 들어오는 입력이며, 이 값을 참조 전압 V_DS와 비교합니다.

I_VDS가 내부 전류 소스에서 1mA로 설정되므로 R_VDS에서 V_DS 값을 효과적으로 확인할 수 있습니다. V_BAT 역시 변화하며 자동차 응용 분야에서 특히 변화의 폭이 커질 수 있지만, 그 점이 두 전압의 비교에는 영향을 주지 않습니다.

과전류 조건이 발생하면 V_S가 V_DS를 초과하며, 그러면 내부 비교기가 트리거되어 MOSFET이 꺼집니다.

오류를 줄이려면 R_VDS에 대해 낮은 허용 오차 범위 값을 선택해야 합니다. 전력 MOSFET의 RDS_(ON) 값은 드레인 전류에 비교적 덜 민감하지만, 접합 온도 TJ가 높아지면 함께 높아집니다. 이 점을 보완하기 위해, AUIR3200S의 I_VDS 전류 소스 설계에 정비례 온도 계수가 포함되었습니다. 두 장치의 온도를 맞출 수 있도록 AUIR3200S를 MOSFET과 가능한 한 가깝게 실장해야 합니다.

고전류 응용 분야에서의 직접 측정

고전류 응용 분야에서 션트 저항기는 발열이 너무 심해서 적합하지 않을 수 있으며, 특히 자동차의 내부 모듈과 같은 고온 환경에서는 이 문제가 두드러집니다. 이런 경우는 적은 손실로 전류를 측정할 수 있는 전류 분배 MOSFET도 해결 방안이 될 수 있습니다. 

전류 분배 MOSFET의 작동 방식 현대의 전력 MOSFET은 켜져 있을 때의 전체적인 저항(RDS_(ON))을 최소화할 수 있도록 병렬로 연결된 수천 개의 동일한 트랜지스터 셀로 구성되어 있습니다. 전류 감지 MOSFET에서는 이러한 병렬 셀을 약간 사용하여 전원 공급 장치와 격리되어 있고, 공통의 게이트와 드레인을 사용하며, SENSE 핀을 통한 분리된 소스를 사용하는 두 번째 저전력 MOSFET(일명 senseFET)을 구성합니다. 그림 5에 해당 회로가 나와 있습니다.

그림 5: 고전류 응용 분야에서 직접 측정에 사용할 수 있는 전류 감지 MOSFET 해당 회로. (이미지 제공: NXP Semiconductors)

주 전력 트랜지스터가 켜져 있을 때, SENSE 핀에서는 주 전류 부하에 비례하는 전류 I_SENSE를 출력하며, 일반적인 비율은 1:500(0.2%)입니다.

그림 6에는 전류 감지 MOSFET에 사용되는 일반적인 회로가 나와 있습니다. 이중 연산 증폭기 회로는 I_SENSE를 시스템 마이크로 컨트롤러의 전압 입력 값으로 변환합니다.

그림 6: 시스템 마이크로 컨트롤러에 대한 전류 분배 MOSFET 인터페이스 (이미지 제공: NXP Semiconductors)

IXYS의 IXTN660N04T4는 고전류 응용 분야에 사용되는 n채널 전류 감지 FET의 예입니다. 이 장치는 최대 660A의 드레인 전류를 처리할 수 있습니다.

전류 모니터링 회로의 정확도는 R_SENSE의 허용 오차 범위에 따라 달라지지만, 퓨즈 교체 방식에서는 5%나 10%면 충분합니다. 일반적인 전류 감지 FET의 감지 출력 값은 편차가 ± 5% 정도이지만, 과전류나 단락 상황에서 사용하기에는 그 정도면 충분한 성능입니다. 그림 6에서 전류 신호 V_OUT는 아날로그 성격이 강하며 ADC(아날로그 디지털 컨버터)에 연결되지만, 외부 회로를 간단하게 수정해서 디지털 과전류 신호를 생성하게 만들 수도 있습니다.

결론

설계자는 과전류 및 단락 방지에 단순한 퓨즈 방식 외에도 몇 가지 옵션을 사용할 수 있습니다. 정교함의 단계가 높아지면 BOM 비용이 커질 수 있지만 총 소유 비용(TCO)을 고려하면 추가 비용이 정당화될 수 있으며, 제품 수명 전체의 총비용이 오히려 감소할 수도 있습니다.