전류 공유 컨트롤러를 사용해 양쪽 전원의 합 전류로 부하 공급

  • 2017-01-04
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글 | 밥 스미스(Bob Smith), 혼합신호 제품, 리니어 테크놀로지



LTC4370는 몇 개의 추가소자들을 사용해 양쪽 전원을 사용해 전체 부하를 제공해야 하는 비중복 전원 환경에서 견고한 부하 공유 컨트롤러다.

LTC4370은 2개 전원 전류공유를 위한 다이오드 OR컨트롤러로서, MOSFET을 사용해서 아이디얼 다이오드를 형성한다. 이 방법으로 출력 전압이 같지 않은 2개 전원이라 하더라도 LTC4370이 이들 2개 전원의 출력 전류를 동적으로 밸런싱할 수 있다. 전압이 다른 2개 전원에 대해서 전압이 높은 쪽 전원 다이오드의 포워드 전압을 서보시켜 공유 부하 전류를 밸런싱한다. LTC4370의 RANGE 핀에 저항을 사용해서 허용 가능한 최대 전압 강하를 프로그램할 수 있다.

통상적으로는 LTC4370을 사용해서 2개 전원의 출력전류 공유를 할 때 어느 쪽이든 상대편이 LTC4370의 RANGE 핀에서 설정한 공유 전압 임계값 아래로 떨어졌을 때 전체 부하 전류를 제공할 수 있다(하단 ‘부하 전류 공유의 이점’ 참조).

그런데 2개 전원의 합 부하 전류가 부하가 필요로 하는 것과 동일하거나 이상인 비중복 시스템에도 전류공유 기능의 이점을 활용할 수 있다.

정상적으로는 LTC4370은 전압이 높은 쪽 전원이 모든 부하 전류를 공급하도록 한다. 하지만 다른 한 쪽이 전체 전류를 제공할 수 없을 때는 이렇게 되지 않도록 해야 한다. 이 글에서는 이러한 경우에 하위 부하를 정지시키기 위한 솔루션을 설명한다.

동작 원리 

정상 동작일 때는 LTC4370이 2개 전원의 전류를 모니터링한다. 정상 동작이면 LTC4370은 전압이 높은 쪽 전원이 부하로의 모든 전류를 공급하도록 한다. 하지만 경우에 따라서는 LTC4370은 전압이 높은 쪽 전원의 MOSFET을 선형적으로 제어해서 전압이 낮은 쪽 전원과 동일한 전류를 제공하도록 할 수 있다. 허용 가능한 최대 전압 차이는 RANGE 핀과 접지 사이의 저항을 사용해서 설정할 수 있다.

입력 전원 전압 차이가 프로그램 된 범위 이상으로 커지면 LTC4370이 전류 공유 기능을 정지시킨다. 2개 경고 출력이 각 MOSFET 게이트 상의 제어 전압을 모니터링한다. 정상 동작일 때는 양쪽 MOSFET이 턴오프되고(전압 차이가 프로그램 된 범위 이상일 때) 그에 따른 FETON 신호가 로직 로우로 설정된다.

이론적으로는 이들 신호들이 로직 AND를 거치면 이를 사용해서 하위 부하를 제어함으로써 MOSFET이 턴오프 됐을 때(전류 공유 정지) 부하를 정지시킬 것으로 생각될 수 있다. 하지만 이들 신호는 MOSFET을 통해서 제로 전류가 흐르면 로직 로우로 복귀한다. 그러면 하위 부하가 정지되고 아무런 전류를 소비하지 않으면서 시스템이 무한정하게 이 상태로 유지될 것이다.

이 글에서 설명하는 솔루션은 입력 전압 차이를 검출하고 두 전원 사이에 지정된 전압 차이가 검출되면 하위 부하를 정지시킨다. 이 전압 차이는 LTC4370의 최대 전압 임계값보다 낮도록 프로그램한다. 밸런싱을 벗어난 조건이 검출되면 하위로의 전원 공급을 정지시킨다. 그리고 발진 조건을 피하기 위해 회로가 히컵(Hiccup) 모드로 전환하고 전원을 매 3.2초마다 200 ms 동안 온(on)으로 사이클링한다. 〈그림 1〉은 이 회로의 블록 다이어그램을 보여준다.

 

블록 다이어그램에서 보듯이 2개 비교기를 사용해서 전원 입력 VINA와 VINB의 차의 절대 값이 적절한 전류공유를 위해서 허용된 범위를 벗어나는지를 검출한다.

이 상황이 발생되면 음의 트루 OR 게이트의 출력이 로직 하이가 되어서 히컵 회로를 작동시킨다. 정상적으로는 히컵 회로의 출력이 로직 하이로서 하위 부하를 작동시킨다. 범위를 벗어난 조건이 검출되면 히컵 회로가 작동하고 로직 로우가 되어서 하위 부하를 정지시킨다. 히컵 회로가 200 ms의 온(on) 시간 동안 전압차이를 모니터링하고, 결함 조건이 제거되면 히컵 회로가 정지된다.



회로 설명

그림 2〉는 전체적인 솔루션의 회로도다. 〈그림 2〉에서 U2와 U3은 LT1716 ‘Over-The-Top’ 전압 비교기로서, 이를 사용해 VINA와 VINB 사이의 전압 차이를 검출한다.

이들 비교기로의 임계 오프셋 전압은 R8 및 R9와 함께 전류 싱크 트랜지스터 Q5 및 Q6에 의해서 제공된다. Q5와 Q6 콜렉터 상의 전류는 트랜지스터 Q1, Q2, Q3과 U6(LT6650 전압 레퍼런스)에 의해 100 μA로 안정화된다. 이 예의 경우는 R8과 R9에 3.01k를 사용하고 있다. 그럼으로써 오프셋을 300 mV로 설정한다. 이들 저항 값을 바꾸면 다른 값의 오프셋을 설정할 수 있다.

U2와 U3의 어느 쪽 비교기이든 오프셋으로 설정한 임계값에 도달하면 이의 출력이 로직 로우가 되어서 히컵 회로를 작동시킨다.

U4는 74HC132 쿼드 CMOS NAND 게이트로서 각 입력에 대해서 히스터리시스를 제공한다. U5는 74HC163 4비트 프로그래머블 CMOS 카운터다.

VINA와 VINB가 R8과 R9를 사용해서 설정한 임계값 이내이면 U4A의 출력이 로직 로우다. VINA와 VINB가 이 임계값을 벗어나면 해당 비교기 출력이 로직 로우가 되고, 그러면 U4A의 출력이 로직 하이가 된다.

U4A의 로직 하이 출력은 U4B에 의해서 반전되어서 NOR 게이트 U4C의 한쪽 입력에서 로직 로우를 발생시킨다. 그러면 U4C의 출력은 로직 하이가 되고 카운터 U5가 카운팅을 시작한다. 첫 번째 카운트는 제로로서, TC(Terminal Count) 핀이 로직 로우가 되도록 한다. 이 출력은 NOR 게이트 U4C의 출력에서 다른 쪽 입력으로의 피드백에 의해 U11B로부터의 입력에 상관없이 이후 15개 카운트 동안 로우로 있게 된다. 16번째 카운트에 TC가 200 ms 피리어드 동안 하이가 된다.

이 간격에 하위 부하가 작동된다. 만약 비교기들이 전압 차이가 한계 범위 이내라고 판단하면, 카운터가 정지되고 TC 출력은 로직 하이로 있음으로써 부하를 작동시킨다. 전압 차이가 범위를 벗어나면 카운터가 다시 시작되어서 15까지 카운팅하고 TC 출력이 로직 로우가 된다. 이와 같은 방법으로 결함 조건이 제거될 때까지 매 3.2초마다 200 ms 동안 부하를 작동시킨다.

클록은 U4D(히스터리시스 완화 오실레이터)에 의해서 제공되며, 200 ms 피리어드는 R14와 C7을 사용해서 설정할 수 있다.

U1은 LTC4370으로서, 전류 공유 기능을 제공한다. 임계값은 R1을 사용해서 300 mV로 설정하고 있다. 이 디바이스의 동작에 대해서는 데이터 시트에서 설명하고 있다.

추가 회로들의 전원은 LTC4370의 VCC로부터 제공된다.

맺음말 

LTC4370은 주로 2개 중복 전원의 전류 공유를 위한 다이오드 OR 컨트롤러로 설계됐다. 하지만 몇 개의 추가 소자들을 사용해 양쪽 전원을 사용해서 전체 부하를 제공해야 하는 비중복 전원 환경에서 견고한 부하 공유컨트롤러로서 편리하게 사용할 수 있다. 이 글에서는 이 기능을 제공하기 위한 솔루션을 설명했다.  

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