LTC4364는 소형 풋프린트로 로드 보호와 출력 유지를 가능하게 하는 포괄적인 제어 솔루션으로서 대형 소자들을 필요로 하지 않고 바람직하지 않은 전압 강하를 제거할 수 있다.

글 | 쯔쫑 호우(Zhizhong Hou) 디자인 엔지니어
혼성신호 제품 담당
리니어 테크놀로지

자동차와 산업용 애플리케이션에 이용되는 전원 시스템은 순간적인 고전압 서지가 발생하더라도 로드에서 레귤레이션을 유지하고 위험한 과도전압(transient)으로부터 민감한 회로들을 보호할 수 있어야 한다. 주로 이용되고 있는 한 가지 보호 방법이 직렬 철심 인덕터와 높은 값의 전해질 바이패스 커패시터를 이용하고, 여기에 보완적으로 고전력 TVS(Transient Voltage Suppressor)와 퓨즈를 이용하는 것이다. 하지만 이 방법은 상당한 보드 면적을 차지한다. 대형 인덕터와 커패시터는 흔히 시스템 내에서 가장 높이가 높은 부품들이다. 또한 이 보호 방법은 자동차 환경에서 일어날 수 있는 시나리오로서 역류 입력 전위나 전원 브라운아웃(brownout)을 보호하지 못한다. 이러한 이벤트 시에 회로를 보호하고 출력 전압을 유지하기 위해서 설계자는 블로킹 다이오드를 추가하는데, 이 다이오드의 추가적인 전압 강하가 전력 손실을 증가시킨다.



LTC4364는 소형 풋프린트로 로드 보호와 출력 유지를 가능하게 하는 포괄적인 제어 솔루션으로서 대형 소자들을 필요로 하지 않고 바람직하지 않은 전압 강하를 제거할 수 있다. 그림 1은 LTC4364의 기능 블록 다이어그램을 보여준다. 이 디바이스는 2개 “back-to-back” N-채널 통과 트랜지스터를 구동한다. 하나는 전압 서지를 보호하고 출력에서 레귤레이트 된 전압을 유지하며(그림 1에서 M1), 다른 하나는 아이디얼 다이오드로 동작해서 역류 입력 보호 및 출력 유지를 달성한다(그림 1에서 M2).
또한 LTC4364는  과부하 및 단락 회로로부터 시스템을 보호하고, 출력 전압 역류를 견딜 수 있으며, 입력 저전압 조건 시에 MOSFET을 오프로 유지시키고 입력 과전압 조건 시에 턴온이나 자동 재시도를 하지 못하도록 한다. 셧다운 모드는 전원 전류를 최저 10 μA로 낮춘다.

높은 전압을 견디는 서지 스토퍼
그림 2는 LTC4364를 이용한 애플리케이션 예를 보여준다. 정상적인 동작 조건일 때는 LTC4364가 서지 스토퍼 N-채널 MOSFET(M1)을 완전 온으로 구동하고 아이디얼 다이오드 N-채널 MOSFET(M2)의 VDS를 30 mV로 레귤레이트함으로써 입력 전원에서 부하 회로로 전압 강하를 최소화한다. VOUT이 VIN보다 0.7 V 낮은 수준으로 상승하면 ENOUT 핀이 하이가 되어서 부하 회로를 작동시킨다.
입력 전압 서지 시에는 LTC4364가 HGATE 핀을 레귤레이트 해서 MOSFET M1과 저항 분할기를 통해서 출력 전압을 클램핑 하고 FB 핀 전압이 1.25 V로 유지되도록 한다. 그러므로 그림 3에서 보는 것처럼 전원 전압이 결코 완만하지 않게 상승함에도 불구하고 부하(load) 회로는 계속해서 작동한다.



전류 과부하 시에는 LTC4364가 M1을 통해서 출력 전류를 제한함으로써 SENSE 핀과 OUT 핀의 전압이 50 mV를 유지하도록 한다(OUT ? 2.5 V일 때). OUT이 1.5 V 아래로 떨어지는 심각한 출력 단락일 때는 전류 제한 검출 전압이 25 mV로 폴드백함으로써 MOSFET을 추가적으로 보호한다(그림 4).
출력 제한이 발생할 때마다 타이머 커패시터가 상승한다(그림 5에서 보는 것과 같은 과전압이나 과전류). 이 조건이 TMR 핀이 1.25 V에 도달하도록 계속되면 FAULT 핀이 로우가 되어서 하위 회로들로 전력 소실이 임박했음을 조기에 경고한다. 이 타이머가 1.35 V에 이르면 MOSFET을 턴오프 하고 쿨다운(cooldown) 간격 동안 기다렸다가 재시작을 시도한다.



LTC4364는 이 MOSFET의 전압을 모니터링하고 VCC -VOUT이 증가하는 것에 비례해서 턴오프 타이머 간격을 단축한다. 이러한 방법으로 극히 스트레스가 높은 출력 단락 회로 조건이 심하지 않은 과부하보다 더 짧은 간격 동안 지속되도록 하고 MOSFET이 자신의 SOA(Safe Operating Area)로 동작할 수 있게 한다.
LTC4364는 과전압 조건이나 과전류 조건일 때 약 0.1%의 극히 낮은 재시작 듀티 사이클을 이용해서 MOSFET이 결함으로 인해서 턴오프 된 후에 쿨다운하고서 재시작하도록 한다. 그림 5는 과전압 결함이 일어났을 때 LTC4364-2의 자동 재시도 타이머 시퀀스를 보여주고 있다.
LTC4364의 중요한 특징은 저항 등과 같은 전류 제한 소자(그림 2에서 R4)를 입력 전원과 VCC 핀 사이에 연결할 수 있다는 것이다. 그러면 VCC 핀에서의 전원 과도전압을 커패시터(그림 2에서 C1)를 이용해서 필터링 하거나 제너 다이오드(그림 2에서 D1)를 이용해서 클램핑 할 수 있다. 적절한 MOSFET M1을 선택하면, 이 방법으로 100 V가 훨씬 넘는 전원 과도전압을 견딜 수 있다. 그림 2의 회로는 최대 200 V에 이르는 전원 과도전압을 견딜 수 있다.

입력 전압 모니터링으로 예기치 않은 턴온 방지
LTC4364는 UV 핀을 이용해서 배터리 잔량 부족 등과 같은 입력 저전압 조건을 검출할 수 있으며 UV 핀 전압이 1.25 V보다 낮으면 MOSFET을 오프로 유지한다. 또한 LTC4364는 스타트업 시나 출력 결함 조건이 발생하고 재시작 할 때 입력 과전압 조건을 모니터링하고 MOSFET을 오프로 유지시킨다.
파워업 시에는 100 μs 파워온 리셋 지연시간이 끝나기 전에, 또는 UV 핀 전압이 1.25 V보다 높게 상승하기 전에 OV 핀 전압이 1.25 V보다 높아지면 OV 핀 전압이 1.25 V 아래로 떨어질 때까지 MOSFET을 오프시킨다. 이 기능은 OV 핀과 UV 핀에 2개의 각기 별도의 저항 분할기와 적정한 필터링 커패시터를 이용함으로써 보드를 과전압 전원으로 삽입할 때 스타트업을 하지 못하도록 한다(그림 6).
스타트업을 하고 난 후에는 정상적인 조건일 때 이후의 입력 과전압 조건은 MOSFET을 턴오프 하는 것이 아니라 출력 결함 후에 자동 재시도를 차단한다. 결함이 발생하고서 쿨다운 타이머 사이클이 끝났을 때 OV 핀 전압이 1.25 V보다 높으면 입력 과전압 조건이 소거될 때까지 MOSFET을 오프로 유지한다.

아이디얼 다이오드가 역류 입력 및 브라운아웃 보호
역류 입력으로부터 보호하기 위해서 흔히 전자 시스템의 전원 경로로 쇼트키 블로킹 다이오드를 포함시킨다. 하지만, 이 다이오드는 전력을 소모할 뿐만 아니라 부하 회로로 이용할 수 있는 동작 전압을 낮추며 자동차 콜드 크랭크 조건 같이 낮은 입력 전압일 때는 특히나 더 그렇다. LTC4364는 DGATE 핀을 포함시켜서 이차적인 반전 연결(reverse-connected) MOSFET
(그림 2에서 M2)을 구동하도록 함으로써 기존의 쇼트키 블로킹 다이오드를 제거하고, 그에 따른 전압 및 전력 손실을 피할 수 있도록 한다.
정상적 동작 조건일 때 LTC4364는 순방향 전압 강하(M2의 VDS)를 30 mV로 레귤레이트 한다. 로드 전류가 높아서 순방향 전압 강하가 30 mV 이상이 되면 M2를 완전 온으로 구동하고, 이의 VDS가 RDS(ON) 갏LOAD가 된다.
입력 단락이나 전원 결함의 경우에는 M2로 순간적으로 역류 전류가 흐를 수 있다. LTC4364는 역 전압 강하를 검출하고 즉시 M2를 턴오프 함으로써 출력 축전 커패시터의 방전을 최소화하고 출력 전압을 유지할 수 있도록 한다. 그림 7a는 12 V 입력 전원이 접지로 단락되었을 때의 결과를 보여준다. LTC4364는 이 조건이 발생하면 DGATE 핀을 로우로 풀링함으로써 역 전류 경로를 차단하여 출력 전압이 유지되도록 한다.
배터리를 거꾸로 연결한 경우에는 LTC4364가 외부 부품을 필요로 하지 않고서 DGATE 핀을 SOURCE 핀으로 단락시킴으로써(입력 추종) 그림 7b에서 보듯이 M2를 오프 시키고 입력으로부터 부하 회로를 차단한다. VCC, SHDN, UV, OV, HGATE, SOURCE, DGATE 핀 모두가 GND 전위보다 최대 100 V 높고 40 V 낮은 전압을 견딜 수 있다.





출력 포트 보호 기능 포함
그림 8에서 보는 바와 같이 출력이 커넥터 측에 있으면 과전압, 단락 회로, 역 전압을 경험할 수 있다. LTC4364는 다음과 같은 기능을 이용해서 이와 같은 조건들로부터 부하 회로와 입력 전원을 보호한다.

- 출력 포트를 입력보다 높은 전원으로 삽입하면 그림 9a에서 보는 것처럼 아이디얼 다이오드 MOSFET M2가 턴오프 해서 역류 경로를 개방시켜서 차단시킨다.
- 출력 포트가 접지로 단락되면 HGATE 핀이 먼저 순방향 전류를 전류 한계로 레귤레이트 하고, 그래도 결함이 지속되면 MOSFET M1을 턴오프 한다.
- 출력 포트로 역류 전원이 인가되면 일단 OUT 핀 전압이 GND 전위보다 낮게 떨어졌을 때 통과 MOSFET M1을 턴오프함으로써 순방향 전도 경로를 개방시켜서 차단하고 입력에서 배터리 소모를 방지한다.



그림 9b는 출력으로 -12 V 전원이 인가되었을 때의 결과를 보여준다. LTC4364가 즉시 HGATE 핀을 SOURCE 핀으로 단락시킴으로써(출력 추종) MOSFET M1을 턴오프 해서 입력 전원을 결함 출력으로부터 차단한다.
LTC4364의 OUT 핀 및 SENSE 핀은 GND 전위보다 최대 100 V 높고 20 V 낮은 수준을 견딜 수 있다. 출력 포트가 접지 아래로 떨어질 수 있는 애플리케이션에서는 전압 및 전류 제한 루프를 안정화하고 입력 과도전압의 커패시티브 피드스루(capacitive feedthrough)를 최소화하기 위해서 출력에서 적정한 전압 정격의 세라믹 바이패스 커패시터를 이용해야 한다(그림 8 참조). 또한 FB 핀을 보호하기 위해서 낮은 누설 다이오드(그림 8에서 D2)를 이용해야 한다.

결론
LTC4364는 전압 및 전류를 제한하고 레귤레이트 해서 민감한 부하 회로를 100 V 이상이 넘는 위험한 전원 과도전압으로부터 보호할 수 있는 소형의 포괄적인 솔루션이다. 이 디바이스는 자동차 및 산업용 시스템에서 기존의 부피가 큰 보호회로 대신에 편리하게 구현할 수 있는 고성능 솔루션을 제공한다.
LTC4364는 아이디얼 다이오드 드라이버를 통합함으로써 입력 단락, 전원 브라운아웃, 역류 입력 시에 출력 전압을 유지하고 블로킹 다이오드에 따른 전압 손실을 피할 수 있다. 출력 포트 보호 기능은 출력이 커넥터 측에 있을 때 유용하다. 또한 입력 UV 및 OV 모니터링과 저전류 셧다운 모드를 포함함으로써 풍부한 기능 셋을 제공한다.  ES