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2019.03.20 DC/DC

보호 기능 / 시퀀스 기능

스위칭 레귤레이터의 기초

DC/DC 컨버터는 회로에 전력을 공급하는 것뿐만 아니라, 안전의 확보도 중요합니다. 최근의 DC/DC 컨버터용 IC는 필요한 대부분의 보호 기능을 탑재하고 있습니다. 보호 기능에 따라서는 임계치 등을 유저가 조정할 수 있어, 다양한 조건에 대응 가능합니다. 또한, CPU 및 FPGA 등 복수개의 전원을 필요로 하는 디바이스에는 전원 인가의 순서 및 타이밍 규정이 있어, 전원 회로 측에서 이에 대응할 필요가 있습니다. 그 때문에 시퀀스 기능을 구비한 전원 IC가 구비되어 있습니다. IC에 탑재되어 있는 보호 기능 및 시퀀스 기능을 외장 회로로 실현하는 방법도 가능하지만, 전원보다 훨씬 복잡한 회로 설계와 많은 추가 부품이 필요하므로, 현실적이라고 할 수 없습니다. 여기에서는 대표적인 보호 기능과 시퀀스 기능의 개요에 대해 소개하겠습니다.

보호 기능 : 서멀 셧다운
서멀 셧다운은 IC의 Junction 온도가 최대 정격, 즉 Tj max 전후에서 회로 동작을 셧다운합니다. 동작하는 Junction 온도는 IC에 따라 달라지지만, 대략 Tj max 전후로 설정되어 있습니다. 셧다운 후의 동작 모드는 자동 복귀 타입과 latch 타입의 2종류가 있습니다.

그림 51

자동 복귀 타입은 온도가 상승하여 설정되어 있는 임계치에 다다르면 셧다운하고, 온도가 설정치까지 낮아지면 IC의 동작은 자동적으로 복귀됩니다. Latch 타입은 온도가 낮아져도 IC의 동작은 셧다운된 상태가 유지됩니다. IC를 다시 동작시키기 위해서는 IC의 전원을 재입력할 필요가 있습니다.

이러한 2종류의 셧다운 후 동작 모드는 사용하는 어플리케이션의 안전 설계에 대한 개념에 따라 선택합니다. 참고로, 로옴의 IC는 Tj max가 150℃이므로, 그 수치에 25℃를 플러스하여, 175℃에서 서멀 셧다운하는 것이 많습니다. 중요한 확인 사항이지만, 서멀 셧다운 기능은 고장 시에 IC 자체의 발연 및 발화를 방지하기 위한 기능입니다. 전력을 공급하는 기판이나 세트를 보호하기 위한 기능은 아니므로 주의가 필요합니다.

보호 기능 : 저전압 오동작 방지
저전압 오동작 방지 기능은 영어의 이니셜로 UVLO라고 부르는 경우가 많습니다. 입력전압이 IC의 입력전압 범위 이하가 되면, IC의 출력을 정지하고 자체의 출력 트랜지스터 및 부하를 보호합니다. 입력전압이 IC의 동작전압 이하가 되면, 회로가 예기치 못한 문제를 일으켜 비정상적인 출력을 하기 전에 강제적으로 회로 동작을 정지합니다. UVLO는 예기치 못한 장해를 방지하는 의미로, 대부분의 전원 IC에 탑재되어 있습니다.

그림 52

그림 53

보호 기능 : 과전류 보호
과전류 보호는 출력전류가 제한치보다 많이 흐를 때 출력전류를 제한하여, IC 및 부하의 파손을 방지하는 기능입니다. 코일의 전류를 모니터링하여 제한치 초과를 검출하면, 상측 스위치의 ON 시간을 단축하여 출력전압을 낮춤으로써 전류를 제한합니다. 과전류 상태가 계속되면 IC는 전류를 계속 제한하지만, 제한치의 전류 즉 과전류는 부하에 계속 흐른다는 점을 기억하여 주십시오. 전류치가 정상으로 돌아오면 IC의 동작도 정상으로 돌아옵니다.

그림 54

보호 기능 : 단락 보호

단락 보호는 과전류 보호와 함께 사용하는 경우가 많으므로, 굳이 분류하지 않고 과전류 보호 기능으로서 정의하는 IC도 있습니다. 앞서 기술한 과전류가 더욱 많아지면, 보호회로는 출력전압을 더욱 낮추게 됩니다. 일정 시간 이상 규정 전압 이하가 되면, 보호회로는 스위칭 동작을 정지하여 출력은 zero가 됩니다. 이 보호 기능에도 자동 복귀 타입과 latch 타입이 있으며, 자동 복귀 타입은 수백 밀리세컨드 (Msec) 후에 다시 스위칭을 개시하여 전압이 출력됩니다. 이 시점에서 과전류의 원인이 배제되어 과전류가 흐르지 않게 되면 정상 동작하지만, 다시 과전류 상태가 되면 출력이 ON / OFF를 반복합니다. Latch 타입은 출력이 zero인 상태로 유지되어, IC의 전원을 재인가할 때까지 복귀되지 않습니다. 이것도 서멀 셧다운과 동일하며, 사용하는 어플리케이션의 안전 설계에 대한 개념에 따라 선택하게 됩니다.

보호 기능 : 과전압 보호
과전압 보호는 전원 라인이 어떠한 원인으로 인해 단락되어 대전류가 흐른 후, 복귀되었을 때 출력전압이 순간적으로 오버슈트할 가능성이 있으며, 특히 CPU계의 IC는 동작전압과 절대 최대 정격의 마진이 작으므로, 오버슈트의 과전압으로 인해 IC가 파괴될 가능성이 있습니다. 과전압 보호는 출력전압을 모니터링하여 규정치 이상의 전압을 검출하면, 상측 스위치를 OFF하여 전력 공급을 정지합니다. 단, 전력 공급 정지만으로는 인덕터에 축적된 전하가 방출되어 전압이 계속 상승하게 되므로, 하측 스위치를 ON하여 인덕터의 전하를 GND로 방출함으로써 출력이 상승하는 것을 방지합니다.

그림 55

시퀀스 기능 : 셧다운
셧다운 기능은 IC의 제어부 동작을 ON / OFF합니다. 회로에 전력이 필요하지 않은 경우, 또한 POL (Point Of Load : 기판상 일부의 회로 및 디바이스만의 전원)에서는 부하의 요구에 연동하여 셧다운함으로써, 소비전력 및 대기전력의 삭감에 기여합니다.

그림 56

시퀀스 기능 : 소프트 스타트
소프트 스타트는 기동 시에 돌입전류를 방지하기 위해, 출력전압의 turn-on에 시정수를 추가하여 서서히 상승시키는 기능입니다. 돌입전류가 있으면, IC의 과전류 보호가 동작하여 전원이 기동하지 않는 (latch off 상태) 트러블이 발생할 수 있으므로 주의하여 주십시오. 소프트 스타트의 시정수는 IC 내부에서 고정되어 있는 타입과 조정 핀을 구비하여 외장 콘덴서를 통해 설정 가능한 타입이 있습니다.

시퀀스 기능 : Power Good 출력
Power Good은 출력이 설정 전압치에 도달한 시점에서 flag를 출력하는 기능입니다. 전원이 문제없이 기동된 것을 CPU에 통지하거나, enable 기능과 조합함으로써 복수개 전원의 기동 시퀀스를 구성합니다. 그림 57은 Power Good과 enable을 사용하여, 전원 1에서 전원 3까지를 순서대로 기동시키는 시퀀스 구축의 예입니다.

그림 57

그림 58

시퀀스 기능 : 트래킹
트래킹은 복수개의 전원 기동의 순서와 타이밍을 설정하는 기능입니다. 복수개의 전원 출력이 요구되는 순서대로 기동함으로써, 회로 및 디바이스의 안전이 확보됩니다. 트래킹에는 동시 트래킹, 비례 트래킹, 오프셋 트래킹의 3가지 종류가 있습니다.

그림 59

동시 트래킹은 모든 전원이 동시에 ON되어, 같은 기울기로 상승하고, 낮은 전압의 전원부터 순서대로 설정 전압에 도달합니다. 이는, FPGA 등에서 전압이 낮은 코어 전원을 기동한 후, 주변의 I/O 전원을 기동시켜야 하는 어플리케이션에서 유용합니다.

비례 트래킹 (ratiometric)은 각각 다른 기울기로 상승합니다. 이는, 각 전원 라인의 디커플링 콘덴서에 큰 돌입전류가 흐르지 않도록 기울기를 조정하는 방법입니다.

오프셋 트래킹은 각 전원간의 오프셋 전압 (전압차)을 일정하게 유지하면서 상승합니다. 이는, 각 전원전압의 차이에 규정이 있는 디바이스에 유효한 방법입니다.

이러한 제어를 실행하기 위해서는 일반적으로 시퀀서 IC 및 트래킹 컨트롤러 IC를 사용합니다. 전원 IC에 트래킹 기능이 내장된 것도 있으며, 마스터가 되는 전원의 출력전압을 이용하여 슬레이브를 제어할 수 있습니다.

그림 60 : 시퀀서 IC를 사용한 제어의 예


그림 61:내장 트래킹 기능을 이용하는 예

키 포인트

・각 기능은 IC에 탑재되어 있으며, IC에 따라 그 유무가 달라진다.

・보호 기능은 입력측, 출력측, IC 자체 중 어느 것에 대한 보호인지, 어떤 동작인지를 이해한다.

・시퀀스 등의 경우, 간단한 기능은 IC 내장, 복잡한 기능은 개별 IC로 구비되어 있다.

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 기초