이 글에서는 라인 과전압을 위한 가전기기 시스템의 필수 부품인 플라이백 DC-DC 컨버터의 보호 회로에 대해 설명한다.

전력은 인간의 일상에서 큰 부분을 차지하고 있다. 오늘날 냉장고, 에어컨, 텔레비전 등이 없는 삶을 상상하기란 어렵다. 기술의 발전에도 전력 변동 또는 고장 시에 전기 기기는 무용지물이 된다. 보다 중요한 문제는 AC 입력 라인 변동으로 인해 기기가 파손된다는 것이다. 수요의 증가, 전력망 과부하, 부적절한 인프라스트럭처, 낙뢰 서지 등과 같은 몇 가지 라인 전압 변동 원인이 있다. 어떠한 경우에도 변동으로 인해 라인 전압이 상승할 경우에 전기 기기 내부에 전력 시스템이 고장을 일으킬 수 있는 위험이 있다. 이와 같은 상황에서는 AC 라인 입력을 알맞은 DC 전압으로 변환하는 전력 보드가 대부분 첫 번째 희생물이 된다.

애벌런치 강건 전력 스위치
입력 라인 변동 또는 과전압에 대해 가능한 솔루션 중 하나는 강건한 전력 스위치를 적용하는 것이다. 대부분의 통합 전력 스위치들이 전력 스위치로서 내부에 MOSFET을 통합하고 있다. 일반적인 최신 전력 MOSFET은 애벌런치 고장 조건 하에서 이것의 정격 전압을 초과하여 전력 스위치에 인가되는 고전압으로 인한 일정 수준의 스트레스를 견딜 수 있다. 하지만, 이 수준은 디바이스 기술 또는 칩 설계에 따라서 크게 변화한다. 그림 1은 예제를 나타낸 것이다. 2개의 디바이스는 매우 유사한 온-상태 저항 규격을 가지고 있다. 하지만 UIS(Unclamped Induc-
tive Switching) 테스트 시 FSL 시리즈는 고장 발생 시 10배 이상의 전류 수준을 나타낸다. 이것은 디바이스가 고장을 일으키기 전까지 FSL 시리즈가 한층 더 높은 전류 또는 에너지 스트레스를 견딜 수 있다는 것을 의미하는 데, 이 경우 424 mJ : 3.67 mJ이다. FSL 시리즈 내부의 내부 전력 MOSFET은 수직 DMOS 구조를 사용하는 반면, 경쟁 디바이스는 수평 DMOS 구조를 가지고 있다. 페어차일드 FPS™ 전력 스위치를 위해 사용되는 수직 DMOS 구조가 일반적으로 고전압 고전력 MOSFET에 보다 적합한 것으로 알려져 있다. 로직 회로와의 통합 측면에서는 수평 DMOS 구조가 더욱 우수하지만, 높은 수준의 에너지 스트레스를 견디는 데 있어서는 수직 DMOS보다 성능이 떨어진다.
사실상 크램핑되지 않은 스위칭 조건을 찾기는 어려운 데 대부분의 플라이백 컨버터가 전력 스위치의 스위칭-오프 시에 고전압 스파이크를 클램핑하는 스누버 회로를 포함하고 있기 때문이다. 하지만, 스누버 회로가 전력 스위치의 최대 정격보다 낮게 최고 전압을 항상 유지할 수는 없다. 출력 단락, 입력 라인 과전압 등과 같은 비정상적인 조건에서 전력 스위치가 고장 상태에 진입할 수 있다.
이 경우, 보다 우수한 애벌런치 강건성이 플라이백 컨버터의 신뢰성을 향상시키는 데 도움이 된다.

입력 과전압 보호 기능을 제공하는 FPS 파워 스위치
변동으로 인한 라인 과전압 발생 시 내부 전력 MOSFET이 드레인-소스를 통과하는 아주 넓은 전압 범위 하에서 오프 상태로 스위칭되며, 애벌런치 고장 상태에 진입할 수 있다. 전력 스위치의 내부 MOSFET이 과도현상 또는 비정상 조건에서 일정 양의 에너지 스트레스를 견딜 수 있다고 할지라도 스트레스가 용량을 넘어서게 되면 내부 MOSFET이 영구적으로 고장을 일으킬 수 있기 때문에 최종적인 안전장치 기능을 고려해야만 한다. 그러므로 라인 전압이 너무 높은 수준에 도달할 경우에 내부 전력 MOSFET의 셧다운 스위칭 특성이 더욱 우수할 수 있다.
여기서 입력 라인 과전압에 대한 보호 기능을 내장한 전력 스위치가 플라이백 컨버터 설계자들에게 상당한 이점을 제공한다. FSL117MRIN은 700 V 정격 애벌런치 강건 내부 MOSFET과 빌트인 입력 라인 과전압 보호 기능(Line Over-Voltage Protection, LOVP) 기능을 제공하는 신형 그린-모드 전력 스위치이다.
이 LOVP 기능은 라인 입력 전압의 급격한 상승에 대해 확장된 보호기능을 제공하며, 플라이백 컨버터의 안전한 동작을 보장한다. 그림 2는 LOVP 기능의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 컨트롤러 내부의 전압 감지 회로가 라인 입력 전압을 실시간으로 모니터링 한다. 라인 입력 전압이 사전 설정된 수준 - VIN 핀에서 1.95 V 이상을 초과하면 컨트롤러는 폴트 신호를 발생시키고 PWM 출력을 셧다운시킨다. VIN 핀의 전압이 1.89 V로 낮아질 때까지 플라이백 컨버터는 동작을 중단한다. LOVP의 오동작을 방지하기 위해서 라인 과전압이 20 μs 이상 지속될 경우에 LOVP 기능이 트리거된다. LOVP 기능의 다른 중요한 특징은 자동 복구 기능이다.
심지어 고장 조건 하에서도 컨트롤러는 지속적으로 라인 입력 전압을 모니터링하고, 과전압 조건이 사라지면 PWM 출력을 온 상태로 전환한다.
가전기기 애플리케이션은 래치가 아니라 기본적으로 자동 복구 모드를 요구하기 때문에 FSL117MRIN은 고객들의 이러한 요구를 충족시킬 수 있도록 설계됐다.
LOVP 기능을 통해 애벌런치 고장 상태에 진입하게 되는 잠재적인 위험으로부터 내부 전력 MOSFET을 보호할 수 있다. 라인 입력 전압 변동 조건 하에서도 플라이백 컨버터의 신뢰성이 보장된다.
그림 3은 상용 에어컨의 입력 과전압 보호 기능의 동작 방법을 나타낸 것이다.
에어컨 시스템은 320VAC 라인 입력을 통해 동작하고 있으며, 라인 전압이 336VAC로 급격히 상승한다. LOVP 기능이 활성화되고 FPS 전력 스위치(FSL MRIN 시리즈)가 스위칭을 중단시킨다. 라인 입력 전압이 정상 수준으로 복구되면, 보호 기능이 제거되고 FPS 전력 스위치(FSL MRIN 시리즈)가 스위칭 동작을 다시 수행한다.

결론
입력 LOVP 기능을 제공하는 신형 페어차일드 FPS 전력 스위치 제품군이 출시됐다. 이것은 FPS 전력 스위치(FSL, MRIN 시리즈)의 강건한 내부 전력 MOSFET과 함께 라인 변동에 대해 확장된 보호 기능을 제공한다. 이것은 전력망이 자주 불안정해지는 경우에 반드시 필요한 보호 기능이다.  ES