기술기고문
엔지니어에게 최상의 대안이 될 수 있는 ‘아이디얼 다이오드’
아이디얼 다이오드(Ideal Diodes) IC는 큰 역할을 할 수 있지만 엔지니어들은 이에 대해 잊고 있다. 아이디얼 다이오드 IC는 MOSFET(산화막 반도체 전기장효과 트랜지스터)와 연결하기만 하면 전압 강하와 누설 전류를 현저히 낮추면서 다이오드와 유사하게 작동한다.
글 - 짐 해리슨(Jim Harrison)/ 링컨 테크놀로지 커뮤니케이션(Lincoln Technology Communications)
아이디얼 다이오드는 주로 3가지 분야에 활용된다. 첫 번째 분야는 배터리로 작동하는 기기의 역전압을 간단한 방식으로 보호하는 것이다. 이 기능은 배터리와 회로 사이에 다이오드를 직렬로 연결해 손쉽게 구현된다. 두 번째는 높은 신뢰도의 이중화 전원 공급장치를 위해 다이오드 OR 회로로 활용하는 것이다. 마지막은 다이오드 OR 회로(게이트 회로)와 구조는 동일하지만, 휴대전화를 비롯한 여러 모바일 기기 기판에 장착된 충전식 배터리와 일반 충전기 사이에서 전원을 선택하는 선택 회로로 활용하는 것이다. 뿐만 아니라 아이디얼 다이오드(예: MAX16915)는 전원 입력부를 과전압으로부터 보호하는 용도로도 활용된다.
설계자들은 앞서 언급한 3개 응용분야 모두에 일반 다이오드 대신에 쇼트키 다이오드를 사용할 수도 있다. 쇼트키 다이오드는 순방향 전압 강하에 상당한 도움이 된다. 일반 다이오드 경우 순방향 전류가 1A일 때 전압은 1.1V에서 약 0.45V로 강하되는 반면 아이디얼 다이오드는 동일한 전류에서 전압이 85mV까지 강하하며 비용도 높지 않고 크기도 훨씬 작다.
이처럼 전력 소비와 전압 손실을 낮춰주는 아이디얼 다이오드 IC는 저전압 배터리로 전원을 공급받는 경우 중요한 요소이다. 또한, PC 기판에서 차지하는 면적도 작고 쇼트키의 중대한 문제점을 해결해준다. 쇼트키 다이오드는 전류가 1A인 기기에서 누설 전류가 1mA에 달할 정도로 매우 높은데 이러한 누설 전류는 특히 1차 배터리에서 부정적 요소로 작용한다. 이에 반해 아이디얼 다이오드는 동일 전류에서 온도 변화에 따른 역방향 누설 전류가 일반적으로 1µA 미만으로 매우 적다.
아이디얼 다이오드를 구현하는 방법으로는 자체 제작, 외부 FET(Field Effect Transistor)용 구동칩 사용, FET가 내장된 기기 사용 등 3가지가 있다. FET 구동에서 중요한 점은 구동 회로가 MOSFET 의 순방향 저압 강하를 제어함으로써 경로 간 전류의 흐름이 발진 현상 없이 원활하게 유지되도록 하는 것이다. 아이디얼 다이오드가 올바르게 구현되면 배터리 역접속, 과전압, 전류 유입 상황에서 기기를 완벽하게 보호할 수 있다. 외부 FET를 사용하는 아이디얼 다이오드 컨트롤러 IC는 최대 정격 전류 5A, 최대 정격 전압 80V로 구현 가능하다.
완전한 아이디얼 기기에 대한 좋은 사례 – 맥심 MAX40200
맥심 MAX40200 는 완전한 아이디얼 기기에 대한 좋은 사례다. 이 제품은 1.5~5.5V의 공급 전압 범위에서 작동하고 최대 허용 전류가 1A이며, 0.73mm² 의 초소형 4범프 WLP 또는 SOT23-5 패키지로 제공된다. 온도에 대한 자체 보호 기능도 있어 섭씨 -40~125도의 온도 범위에서 안전하게 작동한다. 비활성화 시 양방향에서 최대 6V 전압을 차단한다.
[그림 1] MAX40200 아이디얼 다이오드 전류 스위치
[그림 1]의 기능 다이어그램에서는 내부 FET의 고유 기호를 보여준다. P채널 FET에는 회로가 추가되어 드레인소스 전압을 감지하고, 게이트 구동 기능에 더해 FET 다이오드의 역방향 바이어스를 유지해준다.
이 아이디얼 다이오드는 일반 다이오드와 달리 정류용으로는 적합하지 않음에 유의해야 한다. 공급 전류가 60Hz 유도결합 AC인 경우 회로의 정류부에는 일반형 다이오드를 사용해야 한다. MAX40200은 여러 DC 공급 전류를 선택하는 애플리케이션용으로 설계되어 있으며, 이 칩은 최대 100mA 순방향 전류에서 최대 20mV 정전압 강하를 나타낸다. 또한 1A의 최대 정격 순방향 전류에서 전압 강하가 약 90mV까지 증가하며 이처럼 낮은 전압 강하는 전력 효율을 높이고 배터리 작동시간을 늘려준다.
다이내믹한(Dynamic) 특성의 일례로 MAX40200가 2개 탑재된 회로에서 AAA 배터리는 최대 3V까지 1Ah 용량을 유지한다. 1A에서 쇼트키 다이오드의 경우 전압 강하가 0.36V인 반면 MAX40200은 0.09V에 불과해 0.27V 차이에 해당하는 0.27Wh가 절감되어 기기의 작동 시간이 1A 최대 부하에서 15분 연장된다.
[그림 2] 휴대용 기기에 사용되는 표준형 전력 선택 회로
MAX40200 IC는 섭씨 12도 히스테리시스(hysteresis, 이력현상)와 함께 과열 차단온도가 약 154도로 설정돼 전류가 500mA를 초과하는 경우에는 이 온도를 넘지 않도록 설계에 유의해야 한다. WLP 패키지 열 성능은 실제적으로 SOT 패키지 열 성능보다 우수하다.
MAX40200의 다이내믹 반응은 제품의 애플리케이션 참고 사항인 “다이오드 OR 회로에 응용 시 MAX40200가 보이는 정적/동적 특성(Static and Dynamic Behavior of the MAX40200 in a Diode ORing Application)”에 상세히 수록되어 있으며, 평가 키트인 MAX40200EVKIT도 제공된다.
IC에 대한 추가 예시
MAX16141 아이디얼 다이오드 컨트롤러는 앞서 언급한 첫 번째 예시와는 기능면에서 상당히 다르다. 역전류, 과전류, 입력 과전압 및 저전압, 온도 과부하 상태에서 시스템을 보호해주며, 잘못된 입력 전원을 차단하고 격리한다. 이 IC는 3.5V에서 36V에 이르는 넓은 작동 전압 범위와 5μA(일반)의 낮은 차단전류 덕분에 자동차용 애플리케이션에 이상적이며 자동차 산업용 부품으로도 인증 받았다.
[그림 3] MAX16141를 응용한 아이디얼 다이오드 구현
[그림 3] 회로에서 MAX16141의 차지 펌프(Charge Pump)는 연이은 외부 nFET의 게이트 전압을 전원 결선부에 비해 9V까지 높여준다. 빠른 속도로 작동하는 비교 회로가 있어 입력 전압이 출력 전압보다 낮아지면 발생 시점으로부터 최대 1μs 이내 역전류 유입을 차단한다. 또한 RS와 OUT 단자 사이에 외부 전류 감지 저항기가 연결되어 전류 과부하를 감시한다. 전류의 최대값은 조정이 가능하며 선택하는 FET에 따라 결정된다. OVSET 및 UVSET 입력은 입력부의 과전압 및 저전압 발생에 대한 설정값을 제공한다. MAX16141은 4 x 4 x 0.75mm 규격, 16-핀 TQFN 패키지로 제공되며 온도 범위 섭씨 -40~125도 사이에서 작동한다.
아이디얼 다이오드는 증폭기, 전원 관리, 회로 보호 등 경우에 따라 기능이 다양하게 분류되고 여러 형태의 제품 설계에 응용될 수 있다. 대부분 엔지니어들이 이 장치에 대한 정확한 활용처를 몰라 활용률이 낮지만, 아이디얼 다이오드 대한 정확한 인식은 제품 설계에 분명 가치 있는 일이다.
글 - 짐 해리슨(Jim Harrison)/ 링컨 테크놀로지 커뮤니케이션(Lincoln Technology Communications)
아이디얼 다이오드는 주로 3가지 분야에 활용된다. 첫 번째 분야는 배터리로 작동하는 기기의 역전압을 간단한 방식으로 보호하는 것이다. 이 기능은 배터리와 회로 사이에 다이오드를 직렬로 연결해 손쉽게 구현된다. 두 번째는 높은 신뢰도의 이중화 전원 공급장치를 위해 다이오드 OR 회로로 활용하는 것이다. 마지막은 다이오드 OR 회로(게이트 회로)와 구조는 동일하지만, 휴대전화를 비롯한 여러 모바일 기기 기판에 장착된 충전식 배터리와 일반 충전기 사이에서 전원을 선택하는 선택 회로로 활용하는 것이다. 뿐만 아니라 아이디얼 다이오드(예: MAX16915)는 전원 입력부를 과전압으로부터 보호하는 용도로도 활용된다.
설계자들은 앞서 언급한 3개 응용분야 모두에 일반 다이오드 대신에 쇼트키 다이오드를 사용할 수도 있다. 쇼트키 다이오드는 순방향 전압 강하에 상당한 도움이 된다. 일반 다이오드 경우 순방향 전류가 1A일 때 전압은 1.1V에서 약 0.45V로 강하되는 반면 아이디얼 다이오드는 동일한 전류에서 전압이 85mV까지 강하하며 비용도 높지 않고 크기도 훨씬 작다.
이처럼 전력 소비와 전압 손실을 낮춰주는 아이디얼 다이오드 IC는 저전압 배터리로 전원을 공급받는 경우 중요한 요소이다. 또한, PC 기판에서 차지하는 면적도 작고 쇼트키의 중대한 문제점을 해결해준다. 쇼트키 다이오드는 전류가 1A인 기기에서 누설 전류가 1mA에 달할 정도로 매우 높은데 이러한 누설 전류는 특히 1차 배터리에서 부정적 요소로 작용한다. 이에 반해 아이디얼 다이오드는 동일 전류에서 온도 변화에 따른 역방향 누설 전류가 일반적으로 1µA 미만으로 매우 적다.
아이디얼 다이오드를 구현하는 방법으로는 자체 제작, 외부 FET(Field Effect Transistor)용 구동칩 사용, FET가 내장된 기기 사용 등 3가지가 있다. FET 구동에서 중요한 점은 구동 회로가 MOSFET 의 순방향 저압 강하를 제어함으로써 경로 간 전류의 흐름이 발진 현상 없이 원활하게 유지되도록 하는 것이다. 아이디얼 다이오드가 올바르게 구현되면 배터리 역접속, 과전압, 전류 유입 상황에서 기기를 완벽하게 보호할 수 있다. 외부 FET를 사용하는 아이디얼 다이오드 컨트롤러 IC는 최대 정격 전류 5A, 최대 정격 전압 80V로 구현 가능하다.
완전한 아이디얼 기기에 대한 좋은 사례 – 맥심 MAX40200
맥심 MAX40200 는 완전한 아이디얼 기기에 대한 좋은 사례다. 이 제품은 1.5~5.5V의 공급 전압 범위에서 작동하고 최대 허용 전류가 1A이며, 0.73mm² 의 초소형 4범프 WLP 또는 SOT23-5 패키지로 제공된다. 온도에 대한 자체 보호 기능도 있어 섭씨 -40~125도의 온도 범위에서 안전하게 작동한다. 비활성화 시 양방향에서 최대 6V 전압을 차단한다.
[그림 1] MAX40200 아이디얼 다이오드 전류 스위치
[그림 1]의 기능 다이어그램에서는 내부 FET의 고유 기호를 보여준다. P채널 FET에는 회로가 추가되어 드레인소스 전압을 감지하고, 게이트 구동 기능에 더해 FET 다이오드의 역방향 바이어스를 유지해준다.
이 아이디얼 다이오드는 일반 다이오드와 달리 정류용으로는 적합하지 않음에 유의해야 한다. 공급 전류가 60Hz 유도결합 AC인 경우 회로의 정류부에는 일반형 다이오드를 사용해야 한다. MAX40200은 여러 DC 공급 전류를 선택하는 애플리케이션용으로 설계되어 있으며, 이 칩은 최대 100mA 순방향 전류에서 최대 20mV 정전압 강하를 나타낸다. 또한 1A의 최대 정격 순방향 전류에서 전압 강하가 약 90mV까지 증가하며 이처럼 낮은 전압 강하는 전력 효율을 높이고 배터리 작동시간을 늘려준다.
다이내믹한(Dynamic) 특성의 일례로 MAX40200가 2개 탑재된 회로에서 AAA 배터리는 최대 3V까지 1Ah 용량을 유지한다. 1A에서 쇼트키 다이오드의 경우 전압 강하가 0.36V인 반면 MAX40200은 0.09V에 불과해 0.27V 차이에 해당하는 0.27Wh가 절감되어 기기의 작동 시간이 1A 최대 부하에서 15분 연장된다.
[그림 2] 휴대용 기기에 사용되는 표준형 전력 선택 회로
MAX40200 IC는 섭씨 12도 히스테리시스(hysteresis, 이력현상)와 함께 과열 차단온도가 약 154도로 설정돼 전류가 500mA를 초과하는 경우에는 이 온도를 넘지 않도록 설계에 유의해야 한다. WLP 패키지 열 성능은 실제적으로 SOT 패키지 열 성능보다 우수하다.
MAX40200의 다이내믹 반응은 제품의 애플리케이션 참고 사항인 “다이오드 OR 회로에 응용 시 MAX40200가 보이는 정적/동적 특성(Static and Dynamic Behavior of the MAX40200 in a Diode ORing Application)”에 상세히 수록되어 있으며, 평가 키트인 MAX40200EVKIT도 제공된다.
IC에 대한 추가 예시
MAX16141 아이디얼 다이오드 컨트롤러는 앞서 언급한 첫 번째 예시와는 기능면에서 상당히 다르다. 역전류, 과전류, 입력 과전압 및 저전압, 온도 과부하 상태에서 시스템을 보호해주며, 잘못된 입력 전원을 차단하고 격리한다. 이 IC는 3.5V에서 36V에 이르는 넓은 작동 전압 범위와 5μA(일반)의 낮은 차단전류 덕분에 자동차용 애플리케이션에 이상적이며 자동차 산업용 부품으로도 인증 받았다.
[그림 3] MAX16141를 응용한 아이디얼 다이오드 구현
[그림 3] 회로에서 MAX16141의 차지 펌프(Charge Pump)는 연이은 외부 nFET의 게이트 전압을 전원 결선부에 비해 9V까지 높여준다. 빠른 속도로 작동하는 비교 회로가 있어 입력 전압이 출력 전압보다 낮아지면 발생 시점으로부터 최대 1μs 이내 역전류 유입을 차단한다. 또한 RS와 OUT 단자 사이에 외부 전류 감지 저항기가 연결되어 전류 과부하를 감시한다. 전류의 최대값은 조정이 가능하며 선택하는 FET에 따라 결정된다. OVSET 및 UVSET 입력은 입력부의 과전압 및 저전압 발생에 대한 설정값을 제공한다. MAX16141은 4 x 4 x 0.75mm 규격, 16-핀 TQFN 패키지로 제공되며 온도 범위 섭씨 -40~125도 사이에서 작동한다.
아이디얼 다이오드는 증폭기, 전원 관리, 회로 보호 등 경우에 따라 기능이 다양하게 분류되고 여러 형태의 제품 설계에 응용될 수 있다. 대부분 엔지니어들이 이 장치에 대한 정확한 활용처를 몰라 활용률이 낮지만, 아이디얼 다이오드 대한 정확한 인식은 제품 설계에 분명 가치 있는 일이다.
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