고신뢰성 전원 시스템 용으로 향상된 보호와 안전성 기능을 제공하는 IC 제품들


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글/Steve Munns, Mil-Aero Marketing Manager, Analog Devices’ Power by Linear Group


고신뢰성 시스템을 설계하기 위해서는 결함을 견딜 수 있는 설계 기법을 적용하고 예상되는 환경 조건과 규격 요건을 충족하는 적합한 부품들을 선택해야 한다. 이 글에서는 고신뢰성 전원장치를 구현하기 위해서 중복성, 회로 보호, 원격 시스템 관리 기능을 포함하는 반도체 솔루션에 대해서 살펴본다. 반도체 기술의 발전과 새로운 안전성 기능의 도입으로 디자인을 간소화하고 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되었다는 것을 설명한다.
고신뢰성 전원장치의 요구사항
이상적인 고신뢰성 시스템은 단 하나의 결함이라도 방지하도록 설계되어야 한다. 결함이 발생되었을 때는 결함을 차단하고 조금의 성능 저하를 감수하고서라도 동작을 계속하도록 해야 한다. 결함을 차단해서 하위 또는 상위 장치들로 전달되지 않도록 해야 한다.
그러기 위해서는 부하를 동적으로 공유하거나 또는 한 쪽이 결함이 발생되었을 때 다른 쪽이 대체하는 형태로 중복성을 구축해야 한다. 그러려면 결함을 검출하고 조치를 취하기 위해서 추가적인 회로를 필요로 하므로 전체적인 복잡성과 비용을 증가시킨다. 또 어떤 시스템들의 경우에는 병렬적 회로를 상이한 것을 사용해서 다양성을 높이고 동일한 결함 메커니즘으로 인한 위험성을 피할 수 있다. 항공기 비행 제어 시스템이 그런 예이다.
시스템 복잡성이 높아지면 전원장치로의 부담이 가중된다. 그러므로 높은 변환 효율과 우수한 열 관리가 요구된다. IC의 접합부 온도가 10℃ 높아질 때마다 IC의 수명은 절반으로 줄어든다. 이 글에서 설명하듯이, 풍부한 기능을 통합한 최신의 전원 IC와 전용적인 전원 관리 기능들을 사용함으로써 IC와 주변 시스템에 대한 보호를 향상시킬 수 있다.

전원 레귤레이터 안전성 기능

전원 레귤레이터는 과도한 출력 전류가 스스로나 하위 장치들을 손상시키는 것을 방지하기 위해서 갈수록 더 정밀하고 정교한 형태의 전류 제한을 사용하고 있다. 또한 역 배터리 보호, 전류 제한, 열 제한, 역 전류 방지 같은 보호 기능을 포함하는 것이 갈수록 일반화되고 있다.
바로 그러한 제품이 Linear Technology의 LTC7801 DC/DC 스위칭 컨트롤러이다. LTC7801은 프로세스 기술에서나 안전성 기능에서나 향상된 솔루션을 제공한다. 최대 150V에 이르는 입력 전압을 안전하게 유지할 수 있으며 입력 전압이 프로그램 된 동작 범위보다 높게 상승하면 스위칭을 못하게 하는 보호 기능을 포함한다. 그러므로 입력 전원 트랜션트 보호 회로를 간소화하고 필요한 부품 수와 솔루션 크기를 줄인다. 또한 과전압 비교기를 사용해서 전압 오버슈트를 방지함으로써 출력 또한 잘 보호하며, 폴드백 전류 제한기를 사용해서 과전류 및 단락 회로 결함 시에 전력 소모를 제한한다.
또한 인접한 고전압 핀과 저전압 핀 사이에 아크가 발생되는 위험을 피하도록 핀 간격이 넓은 패키지 옵션을 제공하므로 물리적인 패키징 측면에서도 안전성을 높일 수 있다. 항복 전압은 기압이 낮을수록 낮아진다. 그러므로 항공기 애플리케이션은 LTC7801과 기능과 성능은 동일하면서 핀 간격이 0.68mm로 두 배인 LTC3895를 사용할 수 있다.
또한 결함 허용 LT3007 선형 레귤레이터 같은 제품을 사용할 수도 있다. 이 제품은 FMEA(failure mode and effects analysis) 규격 핀아웃을 적용한 제품으로서, 인접한 핀들이 서로 단락 되거나 어떤 핀이 플로팅 되어 있으면 출력을 레귤레이션 전압 수준이나 이보다 낮게 유지한다.

다중의 입력 소스 제어

어떤 전원장치 시스템은 메인 전원에 더해서 중복적 백업 전원과 외부적 보조 전원까지 포함할 수 있다. 이러한 시스템은 전원들의 우선순위를 중재하고 이들 전원의 상태를 모니터링하기 위한 시스템을 필요로 한다. 또한 전원 소스 전환 시에 교차 전도를 하거나 역류하는 것을 차단해야 한다. LTC4417 같은 단일 칩 IC는 각기 입력에 대해서 사용자가 지정한 전원 임계값에 따라 전원 소스를 자동으로 선택할 수 있다.
또 다른 방법으로는, 두 입력 소스가 동시에 작동하면서 부하를 공유할 수 있다. 그럼으로써 각 소스로의 부담을 줄일 수 있고 이로 인해 신뢰성을 높일 수 있다. 또한 각 소스의 크기를 전체적인 부하 요구량을 처리할 수 있을 정도로 한다면 한 쪽 소스가 결함이 발생되었을 때 다른 쪽이 대체할 수도 있다. 예전에는 간단하기는 하지만 비효율적인 다이오드 OR 구성을 많이 사용했다. 하지만 이 방법은 부하를 밸런싱 하기 위해서 각 전원으로 동적 제어를 필요로 했다. 그림 2는 이제는 이것을 어떻게 단일 칩 솔루션을 사용해서 할 수 있는지 보여준다. LTC4370은 역 차단 기능을 포함하는 전류 공유 컨트롤러로서, 한 쪽 전원으로 결함이 발생되더라도 전체 시스템이 중단되지 않도록 한다...(중략)

기사입력 : 2017-11-13

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