개요
무선 송수신기 같이 원격지에 설치되고 배터리로 구동되는 애플리케이션은 사람이 자주 점검할 수 없기에 계속 작동할 수 있게 설계해야 한다. 시스템이 한동안 아무런 동작이 없거나 장애가 발생하면 시스템 리셋을 통해 동작을 복구해야 한다.
그러기 위해서는 전원 전압을 끊어 시스템과의 연결을 해제했다가 다시 연결해서 재시작해야 한다. 이 글에서는 감시 회로의 액티브 로우 출력을 사용해서 하이사이드 입력 스위치를 구동해 시스템 파워 사이클링을 실행하는 방법에 대해 알아본다.
머리말
전자 시스템의 신뢰성을 높이는 방법 중 하나는 결함을 감지하고 즉시 대응하는 보호 메커니즘을 구현하는 것이다. 이러한 메커니즘이 안전 조치 기능을 함으로써 잠재적인 손상을 방지하고 시스템이 적절히 작동하도록 하는 것이다. 파워 사이클링은 시스템을 제대로 작동시키고 시스템을 보호하기 위한 기법으로서, 시스템이 아무런 반응이나 동작이 없을 때 파워 사이클링을 실시함으로써 시스템이 다시 정상 작동하도록 할 수 있다.
파워 사이클링은 전원 스위치를 사용해 전원 입력과 하위 전자 시스템 사이의 경로를 개방했다가 다시 닫음으로써 시스템을 재시작한다. 시스템의 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)이 반응이 없고, 아무 동작도 하지 않는 시간이 한동안 지속되면 시스템이 리셋 모드가 되고 파워 사이클링을 실시한다.
하이사이드 전원 경로, 다시 말해 입력 스위치를 구현하기 위해 가장 흔히 사용되는 방법은 MOSFET을 사용하는 것이다. N-채널 MOSFET이나 P-채널 MOSFET 중 하나를 이 입력 스위치로 사용하는데, 구동 요구 사항은 각기 다르다. 하이사이드 스위치로 사용할 때 N-채널 MOSFET을 구동하기가 복잡하기에 P-채널 MOSFET을 주로 선호한다.
감시 회로는 시스템이 아무 동작도 하지 않는 것을 쉽게 감지한다. 전원 전압을 모니터링하고 그와 함께 워치도그 타이머를 사용해 아무런 펄스가 없다는 것을 감지한다. 워치도그 타이머 기능은 포괄적인 보호 솔루션으로서 보호 회로의 기능성을 향상시킨다. 아무 동작이 없는 것을 감지했으면, 워치도그 타이머가 리셋 출력을 선언한다.
이 출력은 통상적으로 액티브 로우 신호다. 이 신호를 사용해서 MCU가 리셋 모드가 되게 하거나 마스킹 불가능 인터럽트를 트리거해 교정 조치를 취한다. MCU를 리셋하기 위해서는 액티브 로우 출력을 주로 사용하는데, 시스템이 너무 긴 시간 동안 반응이 없을 때 같은 몇몇 경우에는 파워 사이클링을 실시하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 시스템 안정성을 최적화하도록 감시 회로의 액티브 로우 출력을 사용해 하이사이드 P-채널 MOSFET 입력 스위치를 구동하는 다양한 기법을 사용할 수 있다.
MOSFET을 하이사이드 입력 스위치로 사용
그림 1은 브라운아웃 조건 시에 하위 전자 시스템을 오작동으로부터 보호하기 위해 하이사이드 입력 스위치를 사용하는 애플리케이션 회로를 보여준다. MOSFET은 시스템 하이사이드 스위치로 사용하기에 적합한 선택지를 제공한다. 애플리케이션에 따라 적정한 전압 및 전류 정격을 손쉽게 선택할 수 있다.
하이사이드 입력 스위치는 N-채널 MOSFET을 사용하거나 P-채널 MOSFET을 사용할 수 있다. N-채널 MOSFET은 게이트 전압이 낮을 때 개방돼 전원 전압을 차단한다. N-채널 MOSFET을 완전히 닫고 전원을 하위 전자 시스템으로 연결하기 위해서는 게이트 전압이 전원 전압보다 적어도 MOSFET 임계 전압만큼은 높아야 한다. 그러므로 N-채널 MOSFET을 하이사이드 입력 스위치로 사용할 때는 차지 펌프 같은 추가 회로가 필요하다.
일부 보호 회로는 하이사이드 N-채널 MOSFET 구동을 위해 비교기와 차지 펌프를 포함함으로써 솔루션을 간소화하도록 한다. 하이사이드 입력 스위치로 P-채널 MOSFET을 사용하면 차지 펌프를 사용할 필요가 없지만 극성은 반대가 된다. 이러한 간편함 때문에 P-채널 MOSFET이 많은 애플리케이션에서 널리 사용되고 있다.
감시 회로 출력을 사용한 입력 스위치 구동
P-채널 MOSFET을 회로에 사용할 때는 우선 게이트, 소스, 드레인 단자를 위한 적정 바이어스 조건을 확실히 하는 것이 중요하다. MOSFET의 전도를 제어하기 위해서는 게이트-소스 전압(VGS)이 중요한 역할을 한다. P-채널 MOSFET은 게이트 전압이 소스 전압보다 적어도 임계 전압만큼 낮아야 한다.
이와 같은 음(-)의 바이어스가 P-채널 MOSFET을 활성 구간으로 바이어스함으로써 소스에서 드레인으로 전류가 흐르도록 한다. 또한, 게이트-소스 임계 전압(VGS(th))은 전도 채널을 생성하는 데 필요한 게이트 단자와 소스 단자 사이의 최소 전압을 결정한다.
P-채널 MOSFET의 경우, VGS(th)는 통상적으로 음의 값으로 표기하는데, 이는 다시 말해 전도가 가능하기 위해서는 게이트 전압이 소스에 대해 충분히 음이어야 한다는 뜻이다. 중요하게 고려해야 할 또 다른 요소는 드레인-소스 전압(VDS)인데, 이는 드레인 단자와 소스 단자에 걸쳐서 인가되는 전압이다. 이 전압은 디바이스에 손상을 일으키지 않도록 MOSFET을 지정된 VDS 한계 이내에서 작동하도록 하기 위해서 중요하다.
전압 모니터링 또는 감시 회로는 로직 레벨 출력으로 두 가지 옵션을 제공한다. 액티브 로우 신호와 액티브 하이 출력 신호가 그것이다. 액티브 로우는 입력 조건이 참이고 조건이 만족되었을 때 출력이 로우가 되고, 입력 조건이 거짓이면 출력이 하이가 되는 것을 말한다.
반대로 액티브 하이는 입력 조건이 참일 때 하이가 되고, 입력 조건이 거짓이고 만족되지 않으면 로우가 된다. 감시 회로의 가장 대표적인 용도는 MCU 리셋이므로, 결함이 발생하면 액티브 로우 출력을 사용해 MCU의 리셋 핀을 로우로 풀링한다. 액티브 하이 출력을 사용해 P-채널 MOSFET을 구동하는 것은 간단하며, 개방 드레인 토폴로지의 경우 특히 그렇다.
감시 회로의 액티브 하이 출력을 P-채널 MOSFET의 게이트로 연결한다. 모니터링하려는 전압이 지정된 임계값보다 낮으면 OUT 핀이 게이트를 로우로 풀링해서 P-채널 MOSFET을 턴온한다. 그러면 부하가 전원 전압으로 연결된다. 모니터링하려는 전압이 임계값보다 높으면 OUT 핀이 하이가 돼서 P-채널 MOSFET을 턴오프하고 부하를 전원 전압으로부터 차단한다.
그림 2에서는 고전압 가변 시퀀싱 및 감시 IC인 MAX16052가 과전압 보호 회로로 사용된다. 이 디바이스의 OUT 핀은 P-채널 MOSFET의 게이트에 직접 연결된다. P-채널 MOSFET의 소스는 입력 전압에 연결되고 드레인은 부하에 연결된다. VCC와 P-채널 MOSFET 게이트 사이에 외부 풀업 저항을 연결해서 OUT 핀이 로우일 때 게이트를 하이로 유지한다.
모니터링하려는 전압이 MAX16052의 지정된 고정 임계값보다 낮으면, OUT 핀이 게이트 핀을 로우로 풀링해서 P-채널 MOSFET 스위치가 단락 회로 상태, 다시 말해 온(on) 상태가 되도록 한다. 모니터링하려는 전압이 이 임계값보다 높으면 OUT 핀이 하이가 돼서 P-채널 MOSFET을 턴오프하고 부하를 전원 전압으로부터 차단한다.
경우에 따라, 원하는 감시 사양이 액티브 로우 출력을 사용해야만 할 수 있는 애플리케이션도 있다. 이는 모니터링하는 조건이 충족됐을 때 출력 신호가 로우라는 것을 뜻한다. 이 경우에는 액티브 로우 출력으로 입력 스위치를 제어하기 위한 기법을 사용해야 한다. 예를 들어 어떤 시스템에서 32초 동안 아무런 동작이 없으면 MCU를 리셋하고 계속해서 128초 동안 아무런 동작이 없으면 시스템을 파워 사이클링해야 한다고 했을 때, 워치도그 타이머를 사용하면 워치도그 입력(WDI) 핀을 통해 이러한 동작 없음을 감지할 수 있다.
특정 시간(워치도그 타임아웃 : tWD) 동안 아무런 펄스나 전이가 감지되지 않으면 워치도그 출력(WDO)이 로우가 된다. 워치도그 타이머를 내장한 MAX16155 나노파워 감시기는 각각 32초와 128초의 워치도그 타임아웃을 지원하는 제품 버전을 제공한다.
앞서 예시한 시스템에서 원하는 기능을 달성하기 위해서는 그림 3처럼 두 개의 워치도그 타이머가 필요하다. 하나는 MCU를 리셋하기 위한 것이고, 다른 하나는 파워 사이클링 루틴을 실시하기 위한 것이다. 여기서 중요한 과제는 시스템이 아무런 동작이 없거나 반응이 없는 상태일 때 어떻게 워치도그 타이머의 로우 출력을 사용해서 입력 스위치를 개방하고 파워 사이클링이 일어나도록 할 것이냐 하는 것이다.
NPN 양극성 접합 트랜지스터(BJT)를 구동 회로로 사용
P-채널 하이사이드 스위치를 구동하기 위한 한 가지 방법은 NPN 양극성 접합 트랜지스터(BJT)를 사용하는 것이다(그림 4). 이 회로는 워치도그 출력으로부터 주어지는 액티브 로우 신호를 P-채널 MOSFET 스위치가 필요로 하는 하이 로직 신호로 변환하는 인버터를 형성한다.
시스템이 동작하고 있을 때는 MAX16155 WDO 핀의 워치도그 출력이 휴지(idle) 상태에 있는데, 일반적으로 하이다. 이 출력은 전류 제한 저항 네트워크를 거쳐 구동 트랜지스터의 베이스 핀에 연결된다. WDO 핀의 일반적인 하이 출력은 NPN BJT의 제어 입력으로서 필요한 베이스-이미터 전압을 제공한다. 이는 베이스-이미터 접합부에 걸쳐 충분한 전압을 구축함으로써, 트랜지스터가 전도 상태가 되도록 한다.
하이사이드 MOSFET 스위치의 게이트 핀과 소스 핀에 저항 분배기를 연결해서 이 MOSFET의 게이트-소스 전압(VGS)을 제어한다. 이 게이트-소스 전압이 MOSFET이 온 상태가 될지 오프 상태가 될지 결정한다. WDO 핀을 통해 NPN BJT가 활성화되면 이 트랜지스터를 통해 전류가 흐른다. 이는 저항 분배기를 GND로 풀링해 저항 분배기의 접합부 지점에서 전압을 변화시킨다.
이 전압은 하이사이드 MOSFET의 게이트 핀에 인가된다. 이는 게이트 핀이 소스 핀보다 전위가 낮은 곳에서 전위 차이를 만드는데, 이는 MOSFET을 효과적으로 턴온한다. MOSFET이 온 상태일 때는 시스템 마이크로프로세서 또는 부하에 전원이 공급된다. 그림 5는 시스템이 작동하고 스위치 Q2를 통해 전원이 공급되고 있을 때의 전류 흐름을 보여준다.
하지만 MAX16155 워치도그 타이머의 지정된 타임아웃 시간 동안에 마이크로프로세서가 반응이 없거나 입력 펄스가 없으면, 워치도그 타임아웃 이벤트가 발생하고 WDO가 로우가 된다. 그러면 NPN BJT Q1의 베이스를 접지로 풀링함으로써 이 트랜지스터를 턴오프한다. Q1이 개방되면 P-채널 MOSFET Q2의 게이트와 소스 상의 전압이 대략 같아지는데, 이는 MOSFET을 턴오프하기에 충분하다.
그림 5처럼, NPN BJT의 컬렉터 핀을 하이사이드 MOSFET의 저항 분배기로 연결한다. NPN BJT가 오프 상태이기에 저항 분배기의 접합부 지점과 게이트의 전압이 소스 핀의 전압과 거의 같다. 그러면 MOSFET의 게이트와 소스 간의 전위차가 0이 될 것이므로, MOSFET Q2를 전도 상태로 유지하는데 필요한 VGS 임계값을 충족하지 못하게 된다.
그 결과, MOSFET은 이제 턴오프해 마이크로프로세서에 대한 3.3V 전원이 차단되며, 사실상 마이크로프로세서 혹은 부하에 대한 전원 공급이 끊어진다. 그림 6은 시스템이 동작하지 않고 파워 사이클링이 일어날 때의 등가 회로와 전류 흐름을 보여준다.
WDO 출력 펄스 폭이 끝나고 다시 하이 전압 레벨이 되면 시스템이 정상 동작으로 복귀한다. 이 시점에는 마이크로프로세서가 다시 WDI 핀으로 정상적인 입력 펄스를 전송해서 더 이상의 워치도그 타임아웃 이벤트가 발생하지 않도록 한다. NPN BJT가 다시 활성 상태가 됨으로써 하이사이드 MOSFET이 온 상태가 된다. 그럼으로써 마이크로프로세서 혹은 부하로 중단 없이 전원 공급이 이뤄진다.
그림 7은 NPN 바이폴라 트랜지스터를 사용한 파워 사이클링 이벤트 시의 파형을 보여준다. CH1을 보면 WDI 신호에 아무런 전이가 감지되지 않는다는 것을 알 수 있는데, 이는 시스템에 아무런 동작이 일어나지 않는다는 뜻이다. 타임아웃 시간이 지나면 CH2의 WDO 신호가 로우를 선언하는데, 이 시간 동안 하이사이드 입력 스위치 Q1이 개방된다.
그러면 CH3과 MCU 전원 전압에서는 어떠한 전압도 측정되지 않고, 시스템 재시작이 이뤄진다. CH4는 부하에 의해 인출되는 출력 전류로서, 제로 암페어가 됐다는 것은 부하가 전원 전압으로부터 차단됐다는 것을 나타낸다.
NPN BJT를 하이사이드 스위치의 드라이버로 사용할 때 가장 큰 장점은 BJT 가격이 저렴하다는 것이다. 하지만 NPN BJT를 바이어스하기 위해서는 저항 같은 추가적인 외부 부품을 사용한 적절한 튜닝이 필요하다.
N-채널 MOSFET을 구동 회로로 사용
하이사이드 P-채널 MOSFET을 제어하기 위한 구동 회로로 N-채널 MOSFET을 사용할 수도 있다. 이 방법은 바이폴라 트랜지스터를 사용할 때보다 몇 가지 유리한 점이 있다. N-채널 MOSFET은 온-저항이 낮기에 디바이스 상에서 전압 강하를 최소화해 전력 소모를 줄이고 에너지 효율을 높인다. MOSFET은 빠른 스위칭이 가능하므로 더 빠르게 응답할 수 있어 감시 시스템의 실시간 성능을 향상시킨다.
MOSFET의 또 다른 장점은 스위칭 손실을 낮추고 더 높은 주파수로 동작할 수 있다는 것이다. 이는 매끄럽고 효율적인 동작을 가능하게 해 배터리 구동 애플리케이션에서 에너지를 절약하게 한다. 이뿐 아니라 게이트 구동 요구 사항이 BJT보다 덜 까다로우므로, 구동 회로를 간소화하고 필요한 부품 수를 줄일 수 있다.
그림 8에서 보듯이, 워치도그 출력이 N-채널 MOSFET의 게이트를 곧바로 구동할 수 있다. WDO의 풀업 전압은 적절한 작동을 위해 N-채널 MOSFET의 게이트 임계 전압 VGS(th) 조건을 충족해야 한다. 시스템이 작동하고 있으면 WDO의 로직 하이 출력 전압이 Q1을 턴온하고 Q2를 턴온함으로써 시스템에 전원을 공급한다.
바이폴라 트랜지스터의 경우와 마찬가지로, 시스템에서 아무런 동작이 없으면 WDO 핀의 로직 로우 출력 레벨이 Q1을 턴오프하고 Q2를 개방시킴으로써 시스템에 대한 전원 전압을 차단한다. 그림 9는 N-채널 MOSFET을 구동 회로로 사용해서 파워 사이클링이 일어날 때의 신호 파형을 보여준다.
하이사이드 스위치 구동에 관해서 이 글에서 설명한 접근법은 무선 트랜시버에 유용할 뿐 아니라, 기능 안전 시스템이나 기본 안전 시스템에서 과전압이나 과전류 같은 결함이 발생했을 때 시스템을 보호하기 위해 파워 사이클링 루틴을 필요로 하는 다양한 애플리케이션에도 적용할 수 있다.
검출 스테이지는 파워 사이클링이 일어나기 위해서 어떤 조건을 필요로 하느냐에 따라서 달라질 수 있다. 전압 감시기를 사용해서 전압 결함을 감지하는 것일 수도 있고, 전류 센서를 사용해서 과전류를 방지하는 것일 수도 있고, 아니면 또 다른 기법을 사용할 수도 있다. 이 글에서는 하위 시스템을 보호하기 위해 액티브 로우 출력을 지원하는 검출 및 감시 디바이스를 사용해 파워 사이클링을 하는 방법에 대해 살펴봤다.
맺음말
감시 회로의 액티브 로우 신호를 사용해 하이사이드 스위치를 구동함으로써 파워 사이클링을 수행하는 다양한 기법이 있다. NPN 바이폴라 트랜지스터를 추가적인 부품과 함께 사용하면 P-채널 MOSFET 입력 스위치를 구동하기 위한 요구 사항을 저렴한 비용으로 충족한다.
이에 반해 N-채널 MOSFET을 사용하면 필요한 외부 부품 수가 더 적고 구현하기도 쉽지만 전반적으로 비용이 더 비싸다. N-채널 MOSFET은 높은 주파수에서 스위치로 사용할 때에도 유리하다. 두 방법 모두 검증된 방법이고 시스템 파워 사이클링을 할 때 저마다 설계 상의 이점을 제공한다.
헬로티 서재창 기자 |
