이 글에서는 개별 전원 분배에 대한 능동적인 제어 기능을 지원하면서 드룹 공유의 간편성을 제공하는 새로운 전류 공유 방법을 소개한다. 이 시스템에서 다이오드는 전류 공유의 균형을 달성할 수 있도록 조정될 수 있는 턴-온 전압을 제공하는 조정 가능 다이오드로 대체된다.

글 | 핀케시 사치데프(Pinkesh Sachdev) 제품 마케팅 엔지니어 혼성신호 제품 리니어 테크놀로지

고장은 선택사항이 아니다. 이것은 통신 네트워크, 인터넷, 전력망 등과 같은 상시-가동(always-up) 전기 인프라스트럭처 설계자에게 있음직한 모토이다. 문제는 간단한 커패시터에서부터 지능형 블레이드-서버에 이르는 다양한 이들 인프라스트럭처는 일반적으로 최악의 순간에 끝이 나는 제한된 수명을 가지고 있다. 고장률 문제에 대한 일반적인 제 2의 해결책은 중요한 부품이 고장이 났을 경우에 대처할 수 있도록 준비된 백업 시스템과 같은 이중화(redundancy) 구조이다.
예를 들어, 고가용성 컴퓨터 서버는 일반적으로 전력을 각각의 개별 보드에 제공하는 2개의 유사한 DC 전원과 함께 판매된다. 단일 1 + 1 이중화 전원(redundant supply)을 생성하기 위해 전력 다이오드를 통해 함께 다이오드-OR된 2개의 전원 공급기로 각 전원은 전체 부하를 자동으로 처리할 수 있다. 다시 말해 보다 높은 전압의 공급기가 전력을 부하에 제공하고 다른 공급기는 대기한다. 고장 또는 제거로 인해 공급 전압이 강하하거나 사라질 경우, 다시 상대적으로 낮은 전압의 전원이 보다 높은 전압의 전원이 되어 부하를 담당한다. 다이오드는 전원 간 백-피딩(back-feeding)과 교차-전도(cross-conduction)를 방지하면서 시스템의 전원 고장을 방지한다. 다이오드-OR는 가장 높은 전압의 전원이 전체 부하 전류를 공급하는 간단한 승자 독식(winner-take-all) 시스템이다. 상대적으로 낮은 전압의 전원은 동작 요청 시까지 대기 상태를 유지한다. 구현이 간편함에도 불구하고 1 + 1 솔루션은 비효율적이며 전체 동작 효율과 수명을 향상시키는 데 사용될 수 있는 자원을 낭비한다. 동시에 부하를 공유하는 공급기가 한층 더 우수하며 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

- 각각이 1/2의 부하를 처리하면 전원의 열을 분산시키고 전력 공급기 부품에 대한 열 스트레스를 낮춰 공급기 수명이 연장된다. 전자장치의 수명과 관련한 경험 법칙은 온도가 10 °C 낮아질 때마다 부품의 고장률이 절반 수준으로 낮아진다는 것이다. 이것은 상당한 상관관계가 있는 이득이다.
- 다이오드-OR 시스템에서는 상대적으로 낮은 전압의 전원이 항상 동작되고 있으나 이 전원에 예고 없는 고장이 발생할 경우 백업 전원으로 전환되어도 고장 발생 가능성은 존재한다.
- 부하-공유 시스템에서 보다 큰 전원을 형성하기 위해서 보다 작은 전원을 병렬로 연결시킬 수 있다.
- 전원 고장 시 복구 동작이 보다 부드럽고 신속하며, 이는 전원 변화가 오프와 온이 아니라 상대적인 크기의 변화이기 때문이다.
- 1/2 부하로 동작하는 2개의 전원을 통해 형성된 DC/DC 컨버터는 최대 부하로 동작하는 단일 전원보다 전체적인 변환 효율이 우수하다.

전류 공유 방법
복수의 전력 공급기의 출력을 연결시킴으로써 공통 부하 전류를 공유할 수 있다. 전원 사이의 부하 전류 구분은 공통 부하에 대한 각각의 공급 출력 전압과 공급 경로 저항에 의해 결정된다. 이를 드룹 공유(droop sharing)라고 한다. 공급기의 백-피딩을 방지하고 시스템을 고장 전원으로부터 격리시키기 위해서 연결된 공급기 각각에 다이오드를 삽입한다. 물론 이 추가된 다이오드 전압 강하는 부하 공유의 균형에 영향을 미친다.
드룹 공유는 간단하지만 공유 정확도를 제어하는 것이 어려우며, 직렬 연결된 다이오드에는 전압과 전력 손실이 존재한다. 전류 공유를 보다 잘 제어할 수 있는 방법은 공급 전류를 모니터링하여 이것을 각 전원에서 필요로 하는 평균 전류와 비교한 다음, 공급 전류가 필요한 값에 일치할 때까지(조정 핀 또는 피드백 네트워크를 통해) 공급 전압을 조정하는 것이다. 이 방법은 각각에 대해 필요한 전류 분배 신호를 전송하기 위해 각 전원에 대한 배선, 즉 공유 버스를 필요로 한다. 전류 공유 루프 보상은 전력 공급기 루프 역학을 수용할 수 있도록 조정되어야만 한다. 제어 전류 공유 기능은 일부 시스템에서는 불가능한 모든 전원에 대한 세심한 설계와 접근을 필요로 한다.
이 글에서는 개별 전원 분배에 대한 능동적인 제어 기능을 지원하면서도 드룹 공유의 간편성을 제공하는 새로운 전류 공유 방법을 소개한다. 이 시스템에서 다이오드는 전류 공유의 균형을 달성할 수 있도록 조정될 수 있는 턴-온 전압을 제공하는 조정 가능 다이오드로 대체된다. 이것은 드룹 공유보다 향상된 공유 정확도를 제공하고 조정이 가능한 다이오드에서 소모되는 전력은 공유를 달성하는 데 필요한 최솟값이며 전통적인 다이오드에서 손실되는 것보다 한층 더 작다. 공유 버스가 전혀 필요하지 않기 때문에 보다 간편한 전원-독립적인 보상 기능과 휴대용 설계를 제공한다. 조정 핀과 피드백 네트워크에 접근하기 어렵거나 접근이 불가능한 전원이 이 기법에 이상적이다.

전류 공유 컨트롤러
LTC4370은 리니어 테크놀로지가 자체 개발한 조정 가능 다이오드 전류 공유 기법을 특징으로 한다. 이것은 균형이 맞는 공유를 달성하기 위해 턴-온 전압을 변조시킬 수 있는 조정 가능한 다이오드와 같이 동작하는 외부 N-채널 MOSFET을 사용해 2개 전원 사이의 부하에 대한 균형을 조절한다. 그림 1은 2개의 12 V 전원 사이에서 10 A 부하를 공유하는 LTC4370을 나타낸 것이다.



그림 2는 부하 공유에 영향을 미치는 디바이스 내부 구조를 나타낸 것이다. EA(Error Amplifier)는 OUT1 핀과 OUT2 핀 사이의 차동 전압을 모니터한다. 이것은 2개의 서보 증폭기(SA1, SA2)의 순방향 레귤레이션 전압 VFR을 각 전원에 하나씩 설정한다. 서보 증폭기는 외부 MOSFET의 게이트(따라서 이것의 저항)를 변조시켜서 MOSFET에 대한 순방향 전압 강하가 순방향 레귤레이션 전압과 같아진다. EA는 상대적으로 낮은 전압 전원의 VFR을 최솟값 25 mV로 설정한다. 상대적으로 높은 전압 전원의 서보는 25 mV에 2개 전원의 전압 차이를 더한 값으로 설정된다. 이러한 방법으로 2개의 OUT 핀 모두가 동일해진다. OUT1 = OUT2는 I1갧1 = I2갧2라는 것을 의미한다. 따라서 R1 = R2이라면 I1 = I2이다. 각기 다른 값의 감지 레지스터를 간단히 조정하여 공유 비율 기준, 즉 I1/I2 = R2/R1을 설정할 수 있다. 주의할 것은 부하 전압이 25 mV에서 최저 공급 전압으로 이동한다는 것이다.
서보 증폭기와 연결된 MOSFET는 턴-온 전압이 포워드 레귤레이션 전압인 다이오드와 같이 동작한다. MOSFET는 포워드 전압 강하가 레귤레이션 전압 아래로 낮아질 경우에 오프 상태로 전환한다. MOSFET 전류가 증가함에 따라 게이트 전압이 상승하여 온-상태 저항을 낮춰 VFR 조건에서 포워드 강하를 유지한다. 이것은 게이트 전압이 전원보다 높은 12 V 조건에서 전달될 때까지 나타난다. 전류가 추가적으로 상승하면 강하가 MOSFET에 대해 IFET갧DS(ON)에 따라 선형적으로 증가한다.
위에서 제시한 바와 같이 에러 증폭기가 서보 증폭기의 포워드 레귤레이션 전압을 설정할 때, 이것은 (MOSFET-기반) 다이오드의 턴-온 전압을 조정하는 것과 기능적으로 동일하다. 조정 범위는 최소 25 mV에서 RANGE 핀에 의해 설정되는 최댓값까지이다(아래 “설계 고려사항” 참조).
컨트롤러는 0~18 V까지의 공유 전원을 처리할 수 있다. 두 전원이 2.9 V보다 낮을 경우, LTC4370에 전력을 공급하기 위해 2.9~6 V까지의 범위를 가지는 외부 전원이 VCC 핀에 필요하다. 역전류 조건 하에서 MOSFET의 게이트는 1 μs 이내에 오프 상태로 전환된다. 게이트는 또한 큰 포워드 강하에 대해 1 μs 이내에 온 상태로 전환된다. 저전압 전원에 대해 중요한 신속한 턴-온 동작은 통합 충전 펌프 출력 상의 저장 커패시터(reservoir capacitor)를 통해 달성된다. 이것은 디바이스 파워-업 조건에서 전하를 저장하고 고속 턴-온 이벤트 시에 1.4 A의 게이트-풀-업 전류를 전달한다. EN1 및 EN2 핀은 그 각각의 MOSFET을 오프 상태로 전환하는 데 사용될 수 있다. 주의할 것은 전류가 MOSFET의 바디 다이오드를 통해 여전히 흐르고 있다는 것이다. 2개의 채널이 모두 오프 상태가 되면, 디바이스 전류 소모가 전원당 80 μA로 낮아진다. FETON 출력은 각각의 MOSFET이 온 또는 오프 상태인지를 표시한다.

전류 공유 특성
그림 3은 LTC4370, 즉 조정 가능 다이오드 방법의 전류 공유 특성을 나타낸 것이다. 2개의 그래프가 있으며 x-축 상에서 둘 다 공급 전압 차이 ΔVIN = VIN1-VIN2를 가진다. 위의 그래프는 부하 전류에 대해 정상화된 2개의 공급 전류를 나타내며, 아래 그래프는 MOSFET에 대한 포워드 전압 강하 특성 VFWDx를 나타내고 있다. 2개의 공급 전압 모두가 동일할 경우(ΔVIN = 0 V) 공급 전류는 동일하며 2개의 포워드 전압 모두가 25 mV의 최소 서보 전압 조건에 있다. VIN1이 VIN2(양의 ΔVIN) 이상으로 증가함에 따라 VFWD2는 25 mV로 유지되지만 VFWD1은 정확히 ΔVIN만큼 증가하여 OUT1 = OUT2를 유지한다. 이것은 다시 I1 = I2 = 0.5ILOAD를 유지한다. RANGE 핀으로 설정되는 VFWD를 조정하는 데 상한이 있다. 그림 3의 예에서, 500 mV 조건에서 RANGE 핀에 의해 설정된 한계는 525 mV이다. 일단 VFWD1이 이 한계에 도달하면 공유 상태의 균형이 깨지고 VIN1의 추가 상승으로 인해 OUT1이 OUT2보다 높게 된다.
중단 지점(break point)은 VFR(MAX) - VFR(MIN)이며 보다 많은 부하 전류가 상대적으로 높은 전압 전원으로부터 나온다. OUT1-OUT2 = ILOAD갧SENSE 일 경우, 전체 부하 전류는 I1로 전환된다. 이것은 MOSFET M1에서 최대 전력 소모를 가지는 동작 지점인데, 최대 포워드 강하와 함께 전체 부하 전류가 MOSFET을 통해 흐르기 때문이다. 예를 들어 10 A 부하 전류는 MOSFET에서 5.3W(= 10A?25mV)를 소모하는 원인이 된다. ΔVIN이 추가적으로 상승할 경우 컨트롤러는 M1에 대한 포워드 강하를 최소 25 mV로 낮춘다. 부하 전류가 공유되지 않을 경우, 이로 인해 큰 VIN을 위한 MOSFET의 전력 소모가 극대화된다. 동작은 음의 ΔVIN에 대해 대칭을 이룬다.
이 예제의 공유 획득 범위는 500 mV이며 RANGE 핀 전압에 의해 설정된다. 이 범위를 통해 컨트롤러는 ±250 mV의 공차를 가지는 전원을 공유할 수 있다. 이것은 다음과 같이 말할 수 있다: 3.3 V 전원에 대해서는 ±7.5%의 공차, 5 V에 전원에 대해서는
±5%의 공차, 12 V 전원에 대해서는 ±2% 공차를 가진다.

설계 고려사항
부하 공유 설계를 위한 몇 가지 중요한 고려사항은 다음과 같다.

MOSFET 선택 - 이상적으로는 MOSFET의 RDS(ON)은 작아야만 컨트롤러가 이것을 통해 흐르는 부하 전류의 1/2로 MOSFET에 대해 25 mV의 최소 포워드 레귤레이션 전압을 제공할 수 있다. 보다 높은 RDS(ON)은 컨트롤러가 25 mV를 레귤레이션 할 수 없도록 막는다. 이 경우 레귤레이션 되지 않은 강하는 0.5IL갧DS(ON)이다. 이 강하가 상승하면 공유 중단 지점(이제 VFR(MAX) -0.5IL갧DS(ON)에 의해 정의됨)이 보다 쉽게 나타나며, 획득 범위를 줄이게 된다. MOSFET이 그림 3에 나타낸 바와 같이 최대 IL갫FR(MAX)까지 전력을 소모하기 때문에 패키지와 히트싱크를 적절하게 선택해야만 한다. MOSFET의 전력 소모를 낮추는 유일한 방법은 보다 정확한 전원을 사용하거나 공유 범위를 포기하는 것이다.

RANGE 핀 - RANGE 핀은 애플리케이션의 공유 획득 범위를 설정하고, 이것은 다시 전원의 정확도에 의해 결정된다. 예를 들어 ±3% 공차의 전원을 사용하는 5 V 시스템은 2? V
?% 또는 300 mV의 공유 범위를 필요로 한다(상대적으로 높은 전원은 5.15 V이며, 낮은 전원은 4.85 V이다). RANGE 핀은 10 μA의 정확한 내부 풀-업 전류를 제공한다. 30.1k 레지스터를 RANGE 핀에 배치해 전압을 301 mV로 설정하면 이제 컨트롤러가 300 mV 전원 차이를 보상할 수 있다(그림 4 참조). RANGE 핀을 (그림 1에 나타낸 바와 같이) 오픈 상태로 두면 600 mV의 최대 가능 공유 범위가 제공된다. 하지만, 서보 전압이 다이오드 전압에 접근하면 전류가 MOSFET의 바디 다이오드를 통해 흘러 공유 상태를 손상시키는 원인이 될 수 있다. RANGE를 VCC에 연결하면 디바이스를 듀얼 아이디얼-다이오드(ideal-diode) 컨트롤러로 변환하여 부하 공유를 불능화시킬 수 있다.

보상 - 부하 공유 루프는 COMP 핀에서 접지까지 단일 커패시터를 통해 보상된다. 이 커패시터는 MOSFET의 입력(게이트) 커패시턴스 CISS의 50배가 되어야 한다. 고속 게이트 턴-온을 사용하지 않을 경우(CPO 커패시터가 없을 경우), 커패시터는 단지 CISS의 10배일 수 있다.

센스 저항 - 센스 저항은 부하 공유 정확도를 결정한다. 정확도는 레지스터 전압 강하가 증가함에 따라 향상된다. 최대 에러 증폭기 오프셋은 2 mV이다. 따라서 25 mV 감지 레지스터 강하가 4% 공유 에러를 생성한다. 전력 소모가 정확도보다 중요할 경우에 저항을 낮출 수 있다.

결론
전원 사이의 부하 전류에 대한 균형을 맞추는 일은 전통적으로 어려운 문제이며 줄타기를 하는 것과 같다. 전력 모듈 또는 전원 브릭(brick)이 빌트-인 지원 기능을 제공하지 않을 경우 일부 설계자들은 제어가 잘되는 시스템을 설계하기 위해(그리고 전원 형태가 변경될 때마다 이를 재설계하기 위해서) 상당한 시간을 허비해야 하며, 다른 설계자는 저항 기반 드룹 공유에 만족해야 한다.
LTC4370은 부하-공유 전원에 대해 다른 컨트롤러와는 완전히 다른 접근법을 사용한다. 이것은 특히 온-더-플라이(on-the-fly) 조정을 채용하지 않는 전원을 통해 설계를 간소화하며 다양한 형태의 전원에 적용할 수 있다. 고유한 다이오드 동작이 전원을 역전류로부터 보호하고 고장 전원으로부터 시스템을 보호한다. LTC4370은 복잡한 문제에 대해 간편하면서도 명쾌하고 소형의 솔루션을 제공한다.  ES