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모터 칼럼

모터 드라이버의 절대 최대 정격

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이번에는 모터 드라이버의 절대 최대 정격에 대해 설명하겠습니다. 절대 최대 정격의 정의는 모터 드라이버뿐만 아니라 다른 반도체 디바이스에 모두 해당되는 동일한 개념입니다. 본 테마에서는 절대 최대 정격의 정의 및 의도하는 바를 정확하게 이해하고 발생되는 트러블을 방지하기 위해, 모터의 절대 최대 정격에 대해 다루고자 합니다.

절대 최대 정격이란?

먼저, 절대 최대 정격의 정의를 확인하겠습니다. 반도체 디바이스에 관해서는 기본적으로 「JIS C 7032 트랜지스터 통칙」의 용어 정의를 바탕으로 하며, 「한 순간이라도 초과해서는 안 되는 한계치로, 어떤 2가지 항목도 동시에 도달해서는 안 되는 한계치」라고 기재되어 있습니다. 다시 설명하자면, 「절대 최대 정격에 규정되어 있는 모든 항목의 수치를, 아주 짧은 시간이더라도 절대로 넘어서는 안된다」고 할 수 있습니다.

모터 드라이버의 절대 최대 정격

모터 드라이버의 설계에 있어서, 출력전류에 임펄스 상태, 즉 단시간에 스파이크와 같은 전류가 흐르고, 이 전류치가 순간적으로 절대 최대 정격을 넘어도 문제가 없는지에 대한 질문을 받는 경우가 있습니다. 이에 대한 정답은, 위에서 확인한 절대 최대 정격의 정의를 생각하면, 「불가」합니다. 절대 최대 정격에는 허용차나 순간 (시간이 규정된 항목은 있음)이라는 타협안은 존재하지 않습니다.

실제로, 모터 드라이버 IC의 절대 최대 정격을 살펴보겠습니다. 로옴의 DC Brush 모터용 H 브릿지 회로 내장 타입의 데이터시트를 발췌한 것입니다.

본 예에서, 출력전류의 절대 최대 정격은 3.0A이므로, 기본적으로 이 수치를 초과해서는 안 되지만, 「출력전류 (피크)」라는 항목의 Note 2를 고려하면, 펄스폭 1ms 이하로 듀티 사이클 20%의 펄스라면 4A가 절대 최대 정격이 됩니다. 앞서 설명한 임펄스가 이 규정에 포함된다면 허용 가능하지만, 초과하게 되면 허용할 수 없습니다. 참고로, 본 예에서는 시간 규정이 있는 출력전류 항목이 있지만, 모든 모터 드라이버 IC가 해당되는 것은 아닙니다. 절대 최대 정격의 항목도 메이커 및 기종에 따라 일률적이지 않습니다.

또한, 출력전류의 절대 최대 정격 3.0A에는 「Tjmax=150℃를 넘지 않을 것」이라는 내용의 주석 Note 1이 있습니다. 이는 출력전류만의 관점에서는 3.0A까지 허용 가능하지만, 실제로 흘릴 수 있는 전류는 Tjmax가 150℃에 도달하기까지라는 의미입니다. 절대 최대 정격의 정의에서는 규정된 항목을 모두 초과해서는 안 되므로, 이와 같이 전류와 발열의 상관 관계가 있는 항목은 절대 최대 정격치에 도달하지 않더라도 다른 한쪽의 항목으로 인해 제한되는 경우가 있습니다.

절대 최대 정격을 초과하는 경우

절대 최대 정격을 초과하면, 일반적으로는 특성이나 내압의 열화 및 파괴가 발생할 가능성이 있으며, 초과한 직후에 이상이 발견되지 않더라도 동작 수명이 단축되는 경우가 있습니다. 순간적으로 초과한 것만으로 바로 파괴되는 항목도 있지만, 그렇지 않은 항목도 있습니다. 그렇다고 해서 「한 순간」이라고 방심해서는 안 됩니다. 「전류치는 지키지 않으면 위험하지만, 온도는 다소 지키지 않아도 괜찮다」고 생각하는 경우도 있을지 모르겠습니다. 그러나, 이는 절대 최대 정격의 정의와 취지를 이해하지 못한 전형적인 케이스입니다.

따라서, 설계 시 절대 최대 정격을 초과하는 상황이 있는 경우에는, 절대 최대 정격 범위에 포함되도록 설계하거나 적절한 대책을 세워야 하며, 이를 허용할 수 있는 절대 최대 정격의 디바이스나 부품의 사용을 검토해야 합니다.

절대 최대 정격과 권장 동작 조건 및 규격치의 관계

데이터시트에는 절대 최대 정격 이외에, 「권장 동작 조건」이나 「규격치」가 제시되어 있습니다. 절대 최대 정격의 정의 다음으로 중요한 것이 「절대 최대 정격치는 허용 가능한 수치로서, 동작이나 특성치가 보증되는 수치는 아니다」라는 것입니다.

하기는 앞서 예로 들은 모터 드라이버 IC의 데이터시트에 기재되어 있는 「권장 동작 조건」입니다.

출력전류 (연속)에 있어서 권장 동작 조건은 최대 2.4A이며, 절대 최대 정격의 3.0A보다 작습니다. 이는 규정된 특성치 및 기대되는 신뢰성을 확보하면서 사용하기 위한 조건입니다.

전원전압의 예에서는, 절대 최대 정격이 -0.2V~36.0V인 반면, 권장 동작 조건은 8V~28V입니다. 최소치가 8V인 것은, 이 모터 드라이버 IC가 전원전압 8V 이하에서는 정상 동작하지 않을 가능성이 있다는 것을 뜻합니다. 물론 5V나 3.3V 등을 전원에 인가하는 것은 특별히 문제되지 않지만, 아마도 동작은 하지 않을 것입니다. 참고로, 전기적 특성의 규격치인 전원전압 조건은, 권장 동작 조건의 표준치인 24V가 기본 조건이 됩니다.

정리하자면, 절대 최대 정격은 결코 규정되어 있는 수치를 넘어서는 안 되는 것입니다. 이는 모터 드라이버 IC에 국한된 것이 아니며, 반도체 디바이스에서는 공통적으로 적용되는 것입니다. 설계 및 평가 시에는 다양한 조건을 반영한 실제 동작을 확인하여 절대 최대 정격 범위에 포함되는지와, 대원칙으로서 권장 동작 조건에 준거하고 있는지를 함께 확인해야 합니다. 특히, 펄스 상태의 전압 및 전류는 반드시 확인해야 합니다.

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