지능형 전원 장치 스위치를 사용하여 단순한 솔루션의 한계를 극복

최고의 설계 지침이자 바람직한 엔지니어링 관행으로 알려진 원칙 중에 하나는 바로 '단순함'입니다. 이는 더 많은 부품이 추가될수록, 결국 오류 발생 가능성이 높아지며 예상치 않은 문제가 발생할 수 있기 때문입니다. 부품 명세서(BOM)에 대한 영향은 차치하고도 말입니다.

그럼에도 불구하고, 이러한 모든 가이드라인에는 합리적인 예외가 많이 있습니다. 예측 가능하고 피할 수 없는 스트레스를 견디며, 일반적 상황과 혹독한 상황에서도 작동하는 견고한 '방탄' 설계를 지향한다면 특히 그렇습니다. 무결성을 강화하기 위해서는 시스템 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)에 대한 의존도를 줄여 중단 이벤트를 처리하고, 대신 소프트웨어를 최소화하거나 아예 사용하지 않고 더 빠르고 안정적인 내장 하드웨어에 의존할 수도 있습니다.

자동차 및 기타 응용 제품에서 기존의 전기 기계 계전기를 대체하기 위해 널리 사용되는 MOSFET 기반 전원 스위치를 고려해 보세요. 수십 개의 무접점 스위치를 통해 엔진, 변속기, 조명, 제동, 배선 및 서스펜션 제어를 공급하는 전원 레일을 간단하게 켜고 끌 수 있습니다. 이러한 반도체 스위치는 수명이 100만 주기를 넘으며, 전기 기계 계전기와는 달리 혹독한 자동차 환경에서 접촉 마찰, 노화, 가스 또는 탄화물로 인한 접촉 고장의 영향을 받지 않습니다.

범용 켜기/끄기 스위치를 구축하는 일은 이론상으로는 간단합니다. 그러나 이러한 MOSFET 기반 스위치는 스타트업 또는 일반 작동 중에 고에너지 회로를 스위칭할 때 발생하는 단락 및 과도 현상으로 인해 작동이 중단될 수 있습니다. 따라서 다양한 에너지 흡수 부품으로 보호해야 스위치가 더욱 정교한 장치가 될 수 있습니다. 이러한 추가 부품을 MOSFET 스위치 외부 또는 패키지 내에 배치하면, 스위치를 기본 지능형 전원 장치(IPD) 스위치로 변환할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 단순 MOSFET은 전원 스위치(왼쪽)로서 작동할 수 있지만, 피할 수 없는 과도 전류 및 단락으로부터 보호하기 위한 에너지 흡수 부품(오른쪽)이 부족합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor, 저자가 수정함)

추가 고려 사항

전원 스위치 주변에 적합한 부품을 사용하는 것 외에도, 보호를 위한 방법에는 여러 가지가 있습니다. 거의 모든 전류 전달 레일은 과도한 전류로 인해 전원 스위치나 부하 회로가 손상되는 것을 방지하기 위한 보호가 필요합니다. 이러한 과전류 상황은 종종 부하 내의 결함으로 인해 발생합니다.

과전류 보호에 대한 해결책은 간단하며, 널리 알려져 있습니다. 공급 레일에 맞춰 기본 열 활성화 퓨즈를 설치하기만 하면 됩니다. 과전류 상황이 발생하면 퓨즈가 활성화되고 개방 회로 모드로 전환되어, 손상된 전류의 흐름을 완전히 차단합니다.

퓨즈 솔루션은 확실히 효과가 있지만, 어떤 면에서는 지나치게 잘 작동합니다. 퓨즈가 끊어지면 시스템 MCU는 부하 모듈에서 어떤 일이 일어나고 있는지 파악할 수 없으며, 이를 관리할 수도 없습니다.

따라서, 많은 주요 회로는 전류 모니터링 기능도 사용합니다. 이를 통해 MCU는 과전류 감지 IC가 감지한 오류 신호를 읽고, 해당하는 상황의 뉘앙스에 따라 종료 또는 반복적인 종료/재시작 사이클을 시작하도록 IPD 스위치로 신호를 보낼 수 있습니다.

그러나 이로 인해 회로 작동이 불안정해지거나 기타 오작동이 발생할 수 있습니다. 반면 ROHM Semiconductor의 고급 IPD 스위치인 AECQ-100 제품군은 MCU의 개입 없이도 보호 기능을 제공합니다. 이 자동차 인증(AEC-Q100) 장치는 단일 및 이중 채널 구성의 로우사이드 또는 하이사이드 스위치로 제공됩니다. 다양한 8핀 패키지로 제공되며 여러 전압 및 전류 레벨을 지원합니다.

예를 들어 BD1HD500FVM-CTR은 단일 채널 하이사이드 스위치로, 8리드 MSOP 패키지에 500밀리옴(mΩ)의 온 저항(R_DS(ON))과 1.45A의 전류 제한이 특징입니다. 반면, 단일 채널BV1LB025EFJ-CE2는 45mΩ의 R_DS(ON) 그리고 13A의 전류 제한을 가진 로우사이드 스위치로, HSSOP-C16 패키지에 제공됩니다.

AECQ-100 IPD 스위치 제품군은 보호 작동 중에 최소 전류 레벨을 공급할 수 있으므로, 오류 신호를 생성하는 동안에도 회로는 계속 작동합니다(가능한 경우). 따라서 치명적이지 않은 이상 징후가 발생할 경우, 회로 작동 중 긴급 '알림'이 가능합니다.

또한, 이러한 고급 IPD 스위치는 회로 정전을 방지합니다. 이는 노화로 인해 기계적 부하가 증가하여 전류 소모가 증가하는 경우 발생할 수 있습니다. MCU를 거치지 않고 독립적으로 작동할 수 있으므로, 이 기능에 필요한 부품의 개수가 줄어드는 동시에 안정성은 향상됩니다(그림 2).

그림 2 : 표준 IPD 스위치를 사용할 때는 전원 차단이 유일한 옵션입니다. 그러나 ROHM IPD 스위치는 유입 전류에 대한 보호와 유입 보호가 완료된 후 정상 상태 작동을 모두 지원합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

퓨즈와 관련하여 고려해야 할 또 다른 사항이 있습니다. 작동 마진이 잘 정의된 표준 퓨즈는 시스템 또는 모듈의 파워 온 단계에서 더 높은 유입 전류로 인한 의도치 않은 차단을 방지합니다(그림 3, 위). 그러나 이 쿠션 또는 '마스킹'으로 인해, 원하는 제한 설정은 불가능해집니다.

이와 달리 ROHM의 IPD 스위치는 유입 전류로부터의 보호가 가능하며 마스킹이 필요하지 않습니다. (그림 3, 아래).

그림 3: 기존 온도 퓨즈에는 유입 전류로 인한 의도치 않은 활성화 마스킹하고 차단하는 모호성 영역이 있는 반면(위), ROHM IPD 스위치에는 보다 정교한 임계값과 제한이 있습니다(아래). (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

그 결과로 정상 상태 작동 중 사소한 전류 이상 징후도 정확하게 감지할 수 있습니다. 그와 동시에, 이상 발생 후 즉시 작동을 중단하는 대신 부하 모듈에 최소한의 전류를 공급할 수 있으므로, 작동 중 이상 징후를 감지하는 동안 시스템 MCU가 예방적 유지보수를 위해 해당 모듈에 계속 액세스를 시도할 수 있습니다.

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특히 혹독한 자동차 환경에서 효과적인 전력 레일 관리를 구현하려면 다양한 보호 부품 및 기능으로 보완된 전원 장치를 사용하는 것이 필요하지만, 그것만으로는 충분하지 않습니다. 과전류 상황에서는 추가적인 보호와 유연성이 필요합니다.

결론

설계의 단순화는 중요한 목표지만, 현실적인 고려 사항과 미묘한 차이로 인해 약간의 정교함을 더하는 것이 실제로는 더 신중하고 더 나은 접근 방식이 되는 경우가 많습니다. ROHM의 AECQ-100 제품군의 IPD 스위치를 사용하면 퓨즈가 제공할 수 없는 통찰력과 보호 기능을 달성하면서 더 적은 부품으로 무접점 전원 장치의 신뢰성, 유연성 및 이점을 얻을 수 있습니다.

관련 내용

Nick Ikuta와 함께 알아보는 IPD 자동차 스위치

https://www.digikey.com/en/videos/r/rohm-semiconductor/ipd-automotive-switches-with-nick-ikuta

교육 모듈/튜토리얼: 지능형 전원 장치(IPD) 스위치

https://www.digikey.com/en/ptm/r/rohm-semiconductor/ipd-switches/tutorial