#9. 역극성 방지 회로와 역전압 보호 회로

역극성이란? 간단하게 배터리의 (+)단자와 (-)단자를 반대로 연결한 경우를 뜻합니다. 이런 경우 다양한 부품 소자들이 손상될 수 있습니다.예를들면, 탄탈과 같이 극성이 있는 캐패시터는 전압이 반대로 걸릴 경우 파손되기 쉽습니다.  다이오드 또한 역방향 전압을 지나 항복전압(breakdown voltage)에 다다르면 순간적으로 강한 전류를 발생시키면서 파손이 되죠. 그러면 당연하게도 트랜지스터 역시 파손될 가능성이 있겠지요. 트랜지스터는 두 개의 다이오드로 이루어져 있으니까요. 이 외에도 몇몇 취약한 IC들은 전압이 반대로 걸릴 경우 파손될 우려가 있습니다. 한 곳에서 파손되기 시작하면 점차 범위를 넓혀 나가기 때문에 전원을 연결했을 때 뭔가 심상치않은 소리가 나거나 연기가 피어오르면 바로 전원을 차단해야 합니다. 나머지 소자들이라도 살려야겠죠! 뭐, 대강 이런 현상들을 사전에 방지하고자 역극성 방지 회로를 사용하게 됩니다. 역극성 보호회로 또는 역극성 차단회로 라고도 하는데 다 같은 말입니다.
 
그럼 본격적으로 역극성 방지 회로는 어떤 종류가 있고, 어떻게 회로를 구성할 수 있을지 살펴 보도록 합니다. 대략 3가지 정도 역극성을 방지할 수 있는 방법이 있습니다.
 
첫째, 다이오드
둘째, Switch FET(MOSFET)
셋째, Ideal diode
 

 

첫째, 다이오드

가장 쉽고 가장 많이들 사용하는 방법은 다이오드 입니다. 굉장히 값싼 다이오드 하나만 사용하면 역극성은 물론 역전압까지 방지 할 수 있으니 전원부에 심플하게 사용할 수 있습니다. 하지만, 크나큰 단점 한가지가 있는데 바로 0.7V의 전압 드롭이 생긴다는 점입니다. 물론 shottkey 다이오드의 경우 0.4V까지도 낮출수있지만 대략 회로에 1A만 흐른다고 가정해도 다이오드 하나에 0.4W가 소모되는 셈입니다. 굉장히 비효율적이죠. 그래서 저전류 어플리케이션에서나 사용가능한 방법입니다. 그림 1에서 좀 더 상세하게 확인할 수 있습니다.
 

[그림 1. 역극성 방지 회로 구성. (좌)정류 다이오드 사용, (우)Shottkey 다이오드 사용]

 
그림 1과 같이 부하단에서 500mA의 전류를 사용한다고 가정하면 일반 정류용 다이오드를 사용 시 다이오드의 소모전력이 0.7V × 500mA = 350mW가 되고, shottkey 다이오드 사용 시 다이오드의 소모전력은 0.4 × 500mA = 200mW가 됩니다. 단지 역극성 방지를 위해 사용하는 다이오드 하나가 200mW 이상을 소모한다니 굉장히 억울하지 않을 수 없죠. 그래서 역극성을 방지하면서 소모전력을 줄일 수 있는 방법을 생각하게 됩니다.
 

둘째, Switch FET(MOSFET)

그렇게 나온게 Switch FET 입니다. MOSFET을 Switch 용도로 사용하는거죠. 아래 그림 2와 같이 MOFET을 이용한 역극성 방지회로를 구성할 수 있습니다.
 

[그림 2. (좌) MOSFET을 이용한 역극성 방지 회로 구성. (우) MOSFET State]

 
그림 2와 같이 P채널 MOSFET이 ON되면 100mΩ 수준의 Ron 저항이 생성됩니다.(소자에 따라 저항 값은 수십미리옴부터 수옴까지도 차이가 있습니다) 역시 부하단에 500mA가 흐른다고 가정하면 MOSFET에 걸리는 전압은 50mV이고 따라서 MOSFET 소모전력은 50mV × 500mA = 25mW 입니다. 앞서 살펴봤던 다이오드를 사용할 때보다 10배 가량 소모전력이 줄어드는 것을 확인할 수 있습니다.
 
하지만 일반적인 MOSFET의 경우 VGS 내압이 20V이하로 작기 때문에 이 이상의 전압이 FET의 Gate - Source단에 걸릴 경우 FET 소자가 파손되는 것을 방지하기 위해 그림 3과 같이 제너다이오드를 추가 합니다. 그리고 제너 다이오드는 MOSFET의 VGS 내압이 20V임을 고려하여 15V 수준의 역전압에서 ON되는 소자로 선택합니다.
 

[그림 3. 제너다이오드 추가, 정상동작 시]

 
입력 전압이 정상적으로 12V가 인가될 경우 제너다이오드는 OFF 상태가 되어 아무런 동작을 하지 않습니다. 없는 것과 마찬가지죠. 하지만 아래 그림 4와 같이 순간적으로 25V의 전압이 인가될 경우 제너 다이오드는 ON 상태가 되어 MOSFET의 VGS를 15V로 잡아 버립니다. 제너 다이오드가 없었다면 VGS는 25V가 인가되서 MOSFET의 파손이 발생했을 겁니다. 하지만 제너 다이오드를 추가함으로써 VGS를 15V로 고정했고, MOSFET의 파손을 막을 수 있었죠. 아, 그리고 이런 High Side에서는 PMOS를 사용하지만 Low Side에서는 NMOS를 사용합니다.
 

[그림 3. 제너다이오드 추가, 비정상동작 시]

 
 
Switch FET의 단점은 역전압을 보호 할 수 없다는 것입니다. 역극성과 역전압은 많은 사람들이 혼동하여 사용되기도 하는만큼 서로 유사한 개념이기 때문에 헷갈리지 않도록 주의해야 합니다. 역극성이 (+)단자와 (-)단자를 반대로 연결한 것이라면, 역전압은 어떤 소자의 전위차가 뒤바껴서 전류가 반대 방향으로 흐르는 경우를 뜻합니다. 예를들면 아래 그림 4와 같습니다.
 

[그림 4. 입력 전압에 따른 전류의 흐름 변화]

 
입력으로 12V가 인가 될 때는 부하 방향으로 전류가 흐르지만 입력 전압이 0V로 떨어졌을 때, 캐패시터에 충전되어 있던 전하가 역으로 MOSFET을 타고 흐르게 됩니다.(물론 부하단으로도 일부 흐르지만 MOSFET의 저항 성분이 굉장히 작기 때문에 대부분의 전류는 MOSFET을 타고 흐릅니다) 이럴 때, 배터리나 다른 소자에 영향을 줄 수 있기 때문에 역전압에 의한 역전류를 방지할 수 있어야 합니다. 하지만 그림 4에서 볼 수 있듯 MOSFET을 사용할 경우에는 역전압을 방지할 수 없습니다. PMOS의 GATE에 항상 0V가 인가되어 있으므로 PMOS는 항상 ON 상태이기 때문입니다. 그래서 역전압이 발생했을 때, 이 PMOS를 강제로 끌 수 있는 회로가 또 추가 되어야 합니다.
 

셋째, Ideal diode

그렇게 나온 것이 바로 Ideal diode 입니다. 가장 많이 발전된 형태의 보호 회로라고 볼 수 있죠. Ideal diode는 Switch용 FET와 FET의 ON/OFF를 제어하는 Controller를 사용하여 전압 드롭이 매우 작은 Ideal한 형태의 diode를 구현했다고 이해하시면 될 듯 합니다. 그림 5에서 더 자세히 살펴 보도록 합니다.
 

[그림 5. Ideal diode 사용 시 역전압 보호 회로]

 
그림 4에서 입력전압이 12V에서 0V로 떨어지면 캐패시터에서 충전된 전류가 항시 ON되어 있는 MOSFET으로 흘렀지만 그림 5에서는 Controller가 MOSFET의 Source와 Drain의 전압을 감지하여 역전압이 발생할 경우 VGS 전압을 0으로 만들어 MOFET을 OFF 시킵니다. 다시 한번 더 말하자면, 입력전압이 0V로 떨어질 때 MOSFET의 Source가 0V로 떨어지고, 떨어지는 순간 Drain은 커패시터에 의해 12V가 충전된 상태이므로 역전압이 발생하게 됩니다. Controller가 순간적으로 발생한 역전압을 감지하고 MOSFET을 OFF 시키기 때문에 무한대에 가까운 저항성분이 생겨서 상대적으로 저항성분이 작은 부하단으로 전류가 흐르게 됩니다. 그림 5에서 FET는 N채널을 사용하였고, ON 시킬 때는 Controller 내부의 Charge pump가 입력전압 대비 2배에 가까운 전압을 만들어 Gate전압에 인가하게 됩니다.
 
이렇게 Ideal diode는 역극성, 역전압을 모두 방지할 수 있고, 전압 드롭 역시 수십 미리 볼트 수준으로 유지할 수 있기 때문에 전원단에서는 굉장히 유용하게 사용할 수 있는 소자라고 할 수 있습니다. 다만, 앞의 두 가지 경우보다 가격이 좀 더 비싼게 단점이라고 할 수 있겠네요. Ideal diode의 Controller로 사용되는 소자는 ADI에서 나온 max16171, LT4358, TI에서 나온 LM7480 등 다양 합니다. 여기까지 실무에서 사용하는 역극성 역전압 보호 회로에 대해 알아보았습니다~!