개요: 이 응용 노트에서는 시스템의 여타 회로에 접속되는 스위치와 멀티플렉서에 대한 과전압 보호 회로의 필요성에 대해 살펴본다. MAX4711/MAX4712/MAX4713 아날로그 스위치는 2.7V~11V 전압에서 동작하며 전원 사고 보호 기능을 내장하고 있다. 전원 사고 보호를 위한 그 외의 방법들도 각각의 장단점과 함께 알아보도록 한다.
현재 널리 사용되고 있는 시스템의 표준 전원 전압(단전원 3.3V 또는 5V, 또는 양전원 ±3.3V또는 ±5V)은 일반적으로 보드 상에서 사용 가능한 가장 높은 전압이다. 보드의 입력 단자는 전원 전압보다 더 높은 전압에 노출될 가능성이 있다. 보드에 공급되는 전원이 꺼졌을 때 전압이 입력 단자에 남아 있을 수 있다. 이 과전압에 의해 첫 번째로 영향 받는회로 요소는 멀티플렉서 또는 스위치로, 따라서 이 부품들은 후속 회로를 보호할 수 있어야 한다.
아날로그 스위치 내의 패스 소자들에는 하나 이상의 MOSFET이 있고, ESD 보호를 위해 전원 단자에 기생 클램핑 다이오드가 달려있다.그림 1에는 닫혀 있는 아날로그 스위치에 대한 등가 회로도가 나와 있다. V+ 및 V-가 인가되어 있고 클램핑 다이오드의 순방향 바이어스전압(일반적으로 0.6V)을 넘는 입력 전압이 없는 경우, 이 다이오드들은 역방향 바이어스가 걸리게 되고 전류도 흐르지 않게 된다.
그림 1. 닫혀 있는 스위치에 대한 등가 회로도
적절하지 않은 전원 전압 시퀀싱이 있을 경우 과전압에 의한 전원 사고가 있을 수 있으므로, 많은 스위치의 경우 가장 높은 (+) 전압이 먼저 인가되고 가장 낮은 (-) 전압이 맨 나중에 인가되는 것을 요구한다. 전원 전압이 꺼져 있을 때 입력 전압이 인가되거나 전원 전압보다 높은 입력 전압이 인가되는 경우 전류가 클램핑 다이오드를 통해 흐르게 된다. 이 다이오드는 (IC의 반도체 제조 공정에 따라) 발열로 인한 영구적인 스위치 손상이 발생하기 전까지 수 밀리와트 정도만의 전류를 버틸 수 있다.
전류 레벨이 낮을 경우에는 래치업, 즉 스위치가 오작동을 일으키고 전원으로부터 과도한 전류를 흘리게 되는 상황이 발생할 수 있다. 대부분의경우 래치업은 스위치로부터 모든 전압을 제거함으로써 스위치에 손상을 주지 않고 끝날 수 있으나, 이렇게 하기 전까지 보드의 동작은 올바르지 않게 된다.
외부 보호 회로
래치업 상황으로부터 아날로그 스위치를 보호하는 간단한 방법(그림 2)은 최대 0.3V의 낮은 순방향 바이어스
전압을 갖는 대전류 쇼트키 다이오드를 추가하는 것이다. 입력 전압이 전원 전압을 초과하는 경우, 쇼트키 전압이 낮으므로 일반적으로 순방향 바이어스 전압이 0.6V인 클램프 다이오드에 전류가 흐르지 않게 된다.
그림 2. 외부 쇼트키 다이오드를 사용한 래치업 보호 회로
이렇게 만들어진 래치업 방지 회로는 단점이 있다 쇼트키 다이오드는 전원 전압보다 최소 0.3V 이상 높은 모든 전압을 통과시킨다. 이러한동작은 전원 전압이 없는 경우(V+ 및 V-가 그라운드 레벨인 경우), 그리고 입력 전압이 V+ 및 V-에 연결되는 모든 부품의 절대정격보다낮은 경우에는 아무런 문제가 없다.
그러나, 이 회로는 과전압에 대해서는 전혀 보호 기능을 제공하지 못 한다. 예를 들어 V+ = 5V이고 스위치 입력에 걸리는 고장 전압이8V이라고 하면, V+가 약 7.7V까지 풀업된다. 이는 V+에 연결된 대부분의 디지털 부품의 사양에 비교할 때 너무 높은 값이다. V+가 스위치에만 전력을 공급하고 스위치가 전원 사고를 버틴다 해도, 이러한 높은 전압이 닫혀진 스위치를 통해 전달되게 되면 후속 회로 쪽의 부품이 손상된다. 다중 입력 스위치의 경우에는 모든 입력에 대해 V+ 쪽 경로에 쇼트키 다이오드를 달아야 하므로 비용과 보드 공간이 더욱더 많이 필요하게 된다.
그림 3에는 스위치의 전원 전압이 걸려 있지 않을 경우 언제나 입력 전압이 꺼지게 되는, 훌륭한 과전압 보호 회로가 나와 있다. (일반적인실리콘 다이오드의 경우) 순방향 전압 VD는 일반적으로 0.7V이므로, VD + Vz1 < V+ 조건을만족할 수 있도록 제너 전압 Vz1을 선택해야 한다. (-)쪽 레일에 대해서도 마찬가지로 Vz2를선택하여 |VD + Vz2| < |V-|가 되도록 해야 한다. 다이오드(제너 및 표준 실리콘 타입)에 대한 최대 정격 전압은 최대로발생할 수 있는 전원 사고 전압에 따라 선택해야 한다.
그림 3. 외부 다이오드를 사용한 과전압 보호 회로
스파이크성이 아닌 연속적인 과전압 전원 사고에 대해서는 그라운드와 제너 다이오드 사이에 저항을 넣어 다이오드를 통해 흐르는 전류에 제한을 걸 수 있다. 이러한 보호 회로의 가장 큰 단점은 스위치의 입력 전압 범위에 제한이 있다는 것이다. 다이오드들은 바이어스 전압이 매우차이가 나므로, 다이오드 네트워크에 대한 최저/최고 제한값 역시 크게 달라진다. 네트워크가 최악 상황 한계를 상정하여 만들어진다면 다이오드전류는 전원 전압보다 많이 낮은 전압에서도 흐를 수 있으며, 따라서 스위치의 rail-to-rail 특성이 없어지게 된다.
입력 채널에 직렬로 달려 있는 저항(수 kΩ 수준) 역시 스위치 내의 클램핑 다이오드를 통해 흐르는 사고 전류를 제한함으로써 어느 정도 보호 기능을 갖는다. 그러나 과전압에 의해 스위치 이후의 회로 쪽 부품의 손상이 발생할 가능성은 여전히 있다. 저항이 있을 경우 스위치의 턴온 저항은 급격히 증가한다. 온도에 따른 저항값의 변화가 있을 경우 신호가 왜곡되며, 변동된 턴온 저항을 통해 흐르는 스위치로부터의 누설 전류 역시 신호 왜곡의 원인이 된다.
내부 보호 회로
아날로그 스위치에 전원 사고 보호 회로를 집적하는 첫 번째 시도는 세 개의 MOSFET이 n-채널/p-채널/n-채널
순으로 직렬 구성되어 있는 패스 소자를 사용하는 특정 멀티플렉서에 대해 이루어졌다. 이 회로 구조는 최대 ±100V까지의 전압에 대해 모든신호 경로를 보호해 준다(그림 4). 이 멀티플렉서의 턴온 저항은 전원 전압 이상의 입력 전압에 대해 급격히 올라가 입력 전류를 제한함으로써스스로를(그리고 멀티플렉서 앞뒤의) 보호하게 된다. 사고 전류를 제한하게 되면 여타 채널로의 커플링에 의해서 발생하는 전원 사고를 예방하게된다.
그림 4. 구식 전원 사고 보호 스위치에 대한 턴온 저항 vs. 신호 전압
이러한 직렬 MOSFET을 사용한 방법은 전원 전압이 걸려 있지 않은 경우에도 보호 기능을 제공한다. 반면에 MAX288 또는 HI-509A와같은 구식 제품은 ±4.5~±18V 범위에서만 동작하며, 패키지가 크고 턴온 저항이 높으며(최소 350Ω, 최고 3.5kΩ), 전원 전압보다약 2V 이상 낮지 않으면 입력 신호 전압이 통과하지 못하는 단점들이 있다.
9V~36V 또는 ±4.5V~±20V에서 동작하는 소자들에 대해 이러한 문제를 해결하기 위한 첫 번째 단계는 아래에 '저전압 전원 사고 보호 회로'로서 설명한 것과 유사한 형태의 새로운 스위치 구조를 개발하는 것이었다. 이 새로운 접근 방법은 rail-to-rail 동작이 가능하고 턴온 저항이 낮다는 점에서 기존의 3 FET 직렬 구성보다 확실한 이점을 제공하게 되었다. 전원 사고가 검출되는 경우 내부 회로가 스위치를 끔으로써 사고 전류가 스위치 또는 멀티플렉서를 통해 여타 회로부로 흘러 들어가는 것을 막게 된다.
전원 사고 상황에서는 누설 전류만이 스위치 또는 멀티플렉서로 흘러 들어가므로, 칩이 발열에 의해 파괴되는 일은 없다. 3개의 FET을 사용하는 이전의 방법과 마찬가지로, 이러한 새로운 공정과 구조에 의해 만들어진 스위치와 멀티플렉서는 전원이 꺼졌을 때는 고 임피던스 상태로 돌아감으로써 전원 사고를 방지한다. 이러한 제품들(예: MAX4511 스위치 및 MAX4508 멀티플렉서 제품군)은 ±40V까지의 전원 사고 보호 기능을 요구하는 고전압 시스템에 적합하지만, 일반적인 3V 및 5V 시스템에는 적절하지 않다. 여기서 언급한 제품들은 이러한 전압 범위를목표로 만들어진 것이 아니며, 전원 전압 5V일 때의 Rds(on)는 수천 Ω이 된다.
저전압 전원 사고 보호 회로
최신의 전원 사고 보호 스위치 제품군은 단전원 3.3V 또는 5.5V 그리고 양전원 ±3.3V 또는 ±5V전원 전압 동작에 최적화되어 있다. 외부 보호 회로가 필요하지 않으며, 최대 턴온 저항도 30Ω(±5V 전원) 또는 100Ω(+3V 전원)으로낮다.
그림 5에 나와 있는 것과 같이, 이 스위치 소자들은 n-채널 FET(N1)가 p-채널 FET(P1)와 병렬로 구성되어 입력에서 출력에 이르기까지의저항을 낮게 형성하고 있다. 전원 레일 전압 내의 입력 신호 또는 전원 레일을 150mV 이상 넘지 않는 입력 신호는 스위치를 통과하여COM 단자로 흐르게 되고, 따라서 rail-to-rail 동작이 가능하게 된다.
그림 5. 저전압 전원 사고 보호 스위치의 블록 다이어그램
두 개의 비교기는 입력 전압을 전원 전압 V+ 및 V-와 연속적으로 비교함으로써 입력 전압을 모니터링한다. NO(normally open)또는 NC(normally closed) 핀의 신호가 V+ 및 V-의 사이에 있으면 스위치는 정상적으로 동작한다. 신호 전압이 전원 레일전압보다 150mV 이상 높으면(전원 사고 조건이 되면), 출력 전압(COM)이 전원 전압의 값(극성은 동일)으로 제한된다. 또한 입력은고 임피던스 상태가 된다. 이 동작은 전원 사고 비교기 회로가 N1및 P1을 끔으로써 구현된다. 또한 이 비교기 회로는 다음과 같이 클램핑FET N2 및 P2를 제어한다. 스위치가 (-) 방향의 전원 사고 이전에 닫혀 있으면, N2는 COM을 V-에 연결한다. (+) 방향전원 사고 이전에 스위치가 닫혀 있었으면, P2가 COM을 V+에 연결한다. 스위치가 전원 사고 이전에 열려 있던 경우에는 출력은 고임피던스가 된다.
전원 사고 상황에서 입력은 스위치 상태 또는 부하 저항에 상관 없이 고 임피던스 상태가 된다. 입력에 대한 최대 사고 전압은 스위치의 최대 절대 정격으로 제한되는데, 이 값은 MAX4711 제품군에 대해 ±12V이다. 예를 들어, MAX4711 소자의 전원이 +5V일 경우이 소자는 (+) 레일에 대해 +12V까지의 사고 전압에 대한 보호 기능을 가지며 (-) 레일에 대해서는 -7V (5V + |-7V| = 12V)에 대해 보호 기능을 갖는다. 이 제품은 전원 전압이 걸려 있지 않은 경우에 입력 핀(NO 및 NC)에 대해 보호 기능을 제공하며,
이 보호 기능은 제품의 전원이 꺼져 있을 때 더욱 강력해진다. 전원이 꺼져 있으면 양쪽 레일 모두에 ±12V의 사고 전압에 대한 보호기능이 제공된다.
로직 입력(IN)은 (+) 방향 사고 전압 +12V까지에 대해 보호되나, (-) 방향 사고 전압은 (-) 방향 전원에 대해 다이오드 전압강하량 만큼 초과될 수 있다. 출력 단자(COM)은 전원 사고에 대해 보호 기능을 갖고 있지 않으므로, 위에서 설명한 바와 같이 COM 전압은 양쪽 전원 전압에 대해 0.3V 이상을 넘어서는 안 된다.
그림 6에는 닫혀 있는 전원 사고 보호 기능 스위치에 대해, 두 가지 극성 모두에 대한 입력 전원 사고 시에 출력 전압이 어떻게 되는지를보여주고 있다. 일반적으로 입력 전압이 V+(또는 V-)를 약 150mV 초과하기 시작한지 200ns가 지나면 출력(COM)은 (+)방향(혹은 (-)방향) 전원 전압을 FET에서의 전압 강하량 만큼 뺀 전압과 같아지게 된다. 입력 사고 전압의 값이 전원 레일 안으로 돌아오면, 평균 700ns의 지연시간 후에 출력이 회복되어 입력을 따라가게 된다. 이 지연 시간은 COM 출력의 저항 및 커패시턴스에 따라 달라지며, 전원 사고 전압의 진폭에는 상관이 없다. COM 단자의 저항 및 커패시턴스가 높아지면 복귀 시간이 길어진다.
그림 6. 전원 사고시의 입력 전압 vs. 출력 전압
응용 회로
ATE 및 산업용 기기의 아날로그 입력을 보호하는 저전압 전원 사고 보호 스위치라는 분명한 용도 외에도, 이 소자들은 많은 다른 응용 회로에서 설계 부담을 줄이고 공간 문제를 해결하는 용도로 사용할 수 있다.
예를 들면, 장비 랙의 전원을 내려서는 안되기 때문에, 많은 애플리케이션은 동작하고 있는 백플레인에 확장 보드를 삽입할 수 있는 기능을 요구하고 있다. MAX4271과 같은 핫 스왑 컨트롤러가 카드에 대한 전류 돌입량을 제한할 수는 있지만, 신호 회선에 대한 보호가 쉬운 것은 아니다. 예를 들어 5V TTL 에 의해 데이터 버스 통신이 이루어지는 백플레인에 카드를 삽입한다고 하자. 디지털 IC(마이크로컨트롤러, ASIC 등)은 전원이 인가되기 전에 입력으로 5V가 들어오는 상황이 된다. 먼저 이야기한 바와 같이, 이러한 상황이 되면 보드에 래치업이 일어나거나 손상이 생길 수 있다.
민감한 부품과 백플레인 접속 사이에 전원 사고 보호 기능을 갖는 저전압 스위치를 배치하면(그림 7) 우리가 원하는 과전압 보호 기능을 얻을수 있다. 스위치는 카드에 전원 전압이 인가되고 스위치 연결이 백플레인 쪽으로 이루어질 때까지 고 임피던스 상태에서 COM 출력을 유지한다.스위치의 보호 회로가 달려 있는 입력(NO) 쪽이 백플레인과 접속되면, 전원 미 인가 시에 ±12V에 대해 보호 기능을 제공하며, 또한전원 전압이 인가되었을 때 백플레인으로부터 전달될 수 있는 과전압에 대해 카드를 보호하게 된다. 여러 업체에서 나오는 일반적인 logic-bus스위치들은이런 종류의 보호 기능을 제공하지 못함을 주지해야한다. 이 소자들은 표준 CMOS 부품들보다 더 높은 허용 래치업 전류 상황에 대한 보호기능을 제공하지만, 연속적인 과전압 상황을 버티지는 못 한다.
그림 7. 핫 스왑 백플레인 신호
그림 8에 있는 저전압 전원 사고 보호 스위치는 콘센트 어댑터와 같은 외부 전원을 검출했을 때 9V 배터리 전원(또는 직렬 연결된 리튬 단추전지 등)을 통한 내부 전원을 차단한다. 일반적으로 스위치의 전원은 핀 13을 통해서 배터리로부터 전원을 공급 받는다. 저전압 쇼트키다이오드는 외부 전원이 인가되었을 때 충전 불가능 배터리가 충전되는 일이 없도록 막아 준다.
그림 8. 외부 전원이 있을 때 배터리 전원이 꺼지도록 되어 있다.
핀 10에 있는 스위치는 VCC를 끌어오는 역할을 하는데, VCC는 대부분의 애플리케이션에서 스위치 뒤에 있는 전압 레귤레이터에 의해 조절된다. 보드로부터 외부 전원 전압이 검출되는 즉시 마이크로컨트롤러는 스위치 1과 4를 닫고 스위치 3을 연다. 출력 커패시터 C는 스위치 3으로부터스위치 4까지의 전환 시간 동안 시스템 전력을 공급한다. 배터리 손상을 방지하기 위해, 스위치 3은 스위치 4가 닫혀 있는 동안에는 언제나열려 있어야 한다. 외부 전원이 제거되면 스위치 4와 1이 열리고 스위치 3이 닫힌다. 전원 사고 보호 기능이 있는 입력은 외부 전원전압이 배터리 전압보다 높은 경우, 배터리가 방전되고 외부 전원이 연결되는 경우, 또는 C가 충전되어 있고 배터리가 제거되는 경우 스위치를보호하는 역할을 한다.
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