2020년 9월 21일 월요일

T Technical Report

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전원의 높은 dV/dt 제어 방안

 전원 장치에 나타나는 높은 dV/dt 상승 시간은 다운스트림 부품에서 문제를 일으킬 수 있다. 이는 특히 고전류 출력 드라이버를 사용하는 24V 구동 산업 및 자동차 시스템에서 문제가 된다. 이 글에서는 설계 개념을 통해 제어 FET의 전력 손실을 제한하면서 상승 시간을 제어하는 방법을 설명한다.



글/ 롭 맥카시(Rob McCarthy) Senior Member of Technical Staff. Maxim Integrated
 


상승 시간 제한하기
많은 시스템에서 관련 부품과 함께 간단한 pFET 회로는 전원의 상승 시간을 제한하는 데 충분하다. 그러나 전류가 8A를 넘어서면 pFET의 RDSON은 시스템 내에서 발열을 증가시킬 수 있다. 낮은 RDSON을 갖는 nFET는 효과적인 대안이 된다.
 
MAX16127은 과전압 보호에 적합하게 설계된 3mm x 3mm nFET 컨트롤러이다. MAX16127은 전원 전압의 램핑을 제어하는 데도 사용할 수 있다. 이 보호 회로에 있는 power-good/FLAG 는 제어되는 전압이 입력 전압의 90%가 되면 입력 전압과 관계 없이 다운스트림 디바이스를 인에이블하는 고유한 기능을 제공한다. 이 기능은 특히 입력 전압이 넓은 범위에 걸쳐 변화하는 산업 및 자동차 시스템에서 고정 턴-온 전압 또는 지연 시간 설정 방식에 비해 향상된 이점을 갖는다.
 
그림 1의 회로는 VIN 램핑에 사용되는 기본 구성을 보여준다. MAX16127의 GATE 핀은 내부 차지 펌프에서 나오는 전류 출력 회로이다. 이 회로는 nFET 트랜지스터의 게이트를 nFET의 소스보다 약 10V 높게 구동한다. GATE의 추가 커패시터는 nFET 게이트 전압의 상승 시간을 제어하는 데 사용할 수 있으며 커패시터의 전압은 원하는 슬루율을 얻도록 조정할 수 있다. 이 경우 C1 220nF 커패시터가 사용되었다. 저항 R2(1kΩ)는 C1과 직렬로 연결된다. R2는 C1을 절연하므로 과전압 또는 오류 조건에서 MAX16127가 턴 오프 할 경우 빠른 턴 오프 시간을 갖는다.
 
nFET는 게이트가 램핑하는 동안 선형 영역에 있게 된다. 따라서 램핑하는 동안 모든 다운스트림 회로가 동작하기 시작하면 많은 양의 전력 소모가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이러한 경우 MAX16127의 /FLAG 핀을 다운스트림 드라이버와 전원에 대한 인에이블 핀으로 사용할 수 있다. 그림 2와 그림 3은 VIN이 변화함에 따라 적시에 /FLAG-인에이블 신호가 작동해 VSUPPLY가 VIN의 90%일 때 항상 인에이블링하는 것을 보여준다. /FLAG를 인에이블로 사용하는 경우 모두 온(On) 상태일 때 마지막 10%에 대한 nFET 크기에 대해서만 주의하면 된다.
 
MAX16127의 GATE 핀은 180µA의 공칭 전류를 가지므로 공식 I = C dV/dT를 사용하여 게이트-드라이브 상승 시간을 계산할 수 있다. 보이는 것과 같은 220nF 커패시터를 사용할 경우 dV/dT는 대략 0.82V/ms가 된다. 그림 2는 VSUPPLY가 약 40ms에 30V로 램핑하는 것을 보여준다. 이는 게이트 드라이브가 선형적으로 램핑할 때 기대한 값에 가깝다.
 
이 회로는 또한 저항 R5와 R6을 사용하는 표준 과전압 보호(OVP) 및 저항 R3과 R7을 사용하는 미달전압 록아웃(UVLO)을 제공한다.
 

 
 
그림 1. 상승 시간 제어 회로의 회로도
 


그림 2. 30V VIN일 때 파형과 /FLAG 동작
 


 
그림 3. 18V VIN일 때 파형과 /FLAG 동작
 
FET의 크기
이 예에서 우리는 90% /FLAG를 사용하여 10A의 다운스트림 부하를 인에이블하였다. VIN이 최대 30V라고 가정할 때 VSUPPLY는 약 4ms에 27V에서부터 30V로 램핑하므로 평균 전력을 처리할 수 있도록 FET 크기를 지정해야 한다. 평균 전력은 ½ (VIN – VOUT) × I 또는 1.5V × 10A = 15W가 되지만 짧은 시간 동안이다. 대부분의 전력 FET 데이터 시트는 시간을 중첩시켜 VDS와 전류를 대비해 보여주는 안전한 동작 영역(SOA) 그래프를 제공하므로 FET 크기 결정 시 SOA를 참조한다.
 
 
저자 약력
롭 맥카시(Rob McCarthy)는 2011년부터 Maxim에 합류했으며 시카고 지역의 필드 애플리케이션 엔지니어로 있다. 30년 이상 설계 및 애플리케이션 경험을 가지고 있으며 자전거 타기와 낚시가 취미이다.