개요: ISDN 및 텔레콤 시스템과 같은 애플리케이션은 네거티브 전압, 전류 감지 앰프를 필요로 한다. 이 애플리케이션 노트에서는 네거티브 레일, 전류 감지 앰프를 설계하는 한 가지 방법을 소개한다. 이 설계는 유연성이 뛰어나 다른 네거티브 레일을 모니터링할 수 있도록 쉽게 변경할 수도 있다. 설계 시연에는 MAX4460 단일 전원 계측 앰프가 사용되었다.
머리말
하이 사이드 전류 감지 앰프는 주로 포지티브 전원 레일로부터 발생되는 전류를 모니터링하는 데 사용된다. 그러나 ISDN 및 텔레콤 전원과 같은 애플리케이션은 네거티브 레일에서 동작하는 전류 감지 앰프가 필요하다. 이 애플리케이션 노트에서는 네거티브 레일, 전류 감지 앰프를 설계하는 한 가지 방법에 대해 설명한다.
애플리케이션 예
그림 1. 전화 교환국, 전원 시스템의 블록 다이어그램
그림 1은 일반적인 전화 교환국에 사용되는 전원 분배망의 블록 다이어그램을 보여준다. 주 전원에서 정류기가 AC를 DC로 변환하며 정류기에서 나오는 DC 출력은 48V 납축전지를 충전하는 데 사용된다. 배터리는 전화선을 통해 사용자 전화에 전원을 공급하며, 배터리 극성은 라인 전압이 네거티브(-48V)가 되도록 연결된다. 네거티브 라인 전압은 습기에 노출된 (wet) 전화선에서 발생하는 전기화학적 반응으로부터 부식을 줄이는 데 도움을 준다. 텔레콤 네트워크는 여러 개의 DC-DC 컨버터를 사용하여 -48V DC 입력으로부터 중간 (intermediate) 전원 레일을 끌어오고, 이러한 중간 전원 레일은 전화 교환국의 스위치, 라디오, 라우터, ATX 컴퓨터 및 기타 전자 장치에 전원을 공급한다. 전류 감지 앰프는 -48V 전원 전류를 모니터링하면서 시스템 상태를 감독한다.
회로 설명
그림 2. MAX4460을 사용한 네거티브 레일, 전류 감지 앰프
그림 2의 회로는 네거티브 레일, 전류 감지 블록의 구현을 보여준다. 여기서는 MAX4460 또는 MAX4208 같은 계측 앰프와 일부 개별 부품이 사용되었다.
제너 다이오드 D1은 계측 앰프 동작을 위해 충분한 전원 전압을 제공할 뿐 아니라 과전압 손상으로부터 계측 앰프를 보호한다. 모니터링되는 전류는 감지 저항 RSENSE를 통해 네거티브 전원으로 흐른다. 계측 앰프는 단일 전원을 가져야 하며 접지 감지 기능을 사용하여 동작해야 한다.
MAX4460의 출력은 MOSFET M1을 위한 게이트 드라이브를 제공한다. 네거티브 피드백은 저항 R3을 통과하는 전압 강하가 RSENSE를 통과하는 전압 VSENSE와 같도록 해야 한다. 그 결과 R3은 다음과 같이 부하 전류와 비례하여 전류를 설정한다.
IOUT = (ILOAD × RSENSE)/R3 = VSENSE/R3(Eq. 1)
출력 전압이 다음 회로, 주로 ADC의 원하는 범위 내에 있도록 R2를 선택한다. MOSFET의 드레인 소스 항복 전압 정격은 두 전원 레일 사이의 전체 전압 강하(이 경우 +125V)보다 높아야 한다. ADC가 높은 임피던스 입력을 갖지 않으면 VOUT에서 op 앰프 버퍼를 추가적으로 사용할 수 있다.
오류 발생 시 감지 전류가 정격 값을 초과하면, 출력 전압은 네거티브가 된다. 다이오드 D2는 출력의 네거티브 전압을 1개의 다이오드 강하로 제한함으로써 ADC가 손상되지 않도록 보호한다.
설계 단계
위의 설계는 변경을 통해 고전압, 네거티브 전원, 전류 감지 모니터링 기능을 쉽게 추가할 수 있다. 유연성 있게 네거티브 레일로 -120V를 선택하여 사용 가능하다. 다음과 같이 간단한 단계를 거쳐 다른 전원 레일에 대한 전류 감지 앰프를 설계할 수 있다.
1. 제너 레귤레이터 지정
전달 특성상 낮은 동적 저항(즉, 역 항복 전압 영역)을 제공하는 지점에서 제너를 바이어싱하여 PSRR에 오류를 방지하는 것이 중요하다. 그림 3은 역 바이어스로 구성된 표준 제너 다이오드에 대한 제너 전류 대비 제너 전압 그래프이다. 데이터는 제너 전압이 항복 전압 가까이에서는 적절히 레귤레이트되지 않는다는 것을 보여준다. 그러면 일반적인 규칙은 전원 정격에 의해 지정된 최대 전류의 약 25% 선에서 바이어스 지점을 선택하는 것이다. 이러한 바이어스 지점은 너무 많은 전력 낭비 없이 낮은 동적 저항을 제공한다. 바이어스 지점은 다음 식에 따라 저항 R1을 선택하여 원하는 값으로 설정된다.
IR1 = (VCC + |VNEG| - VZ)/R1 = IS + IZ(Eq. 2)
여기서,
VCC = 포지티브 레일 전원 전압
VZ = 레귤레이트된 제너 전압
|VNEG| = 네거티브 레일 전압의 절대값
IS = MAX4460 전원 전류
IZ = 제너 다이오드를 통과하는 전류
R1은 적절한 전원 정격을 가져야 하며 통과하는 큰 전압을 견딜 수 있어야 한다. 다른 방법으로는 더 낮은 와트 저항의 직렬-병렬 조합을 사용하여 이러한 제약을 완화시킬 수 있다.
그림 3. 1N750 제너 다이오드 전달 특성, VZ = 4.7V
2. 트랜지스터 선택
n채널 MOSFET 또는 JFET는 |VNEG| + VCC보다 큰 드레인-소스 항복 전압을 가져야 한다. 네거티브 전원 전압이 높을 경우 이는 중요한 제약이 된다.
3. RSENSE 선택
RSENSE를 통과하는 풀 스케일 감지 전압이 100mV보다 낮거나 같도록 RSENSE를 선택한다.
4a. R3 선택
R3은 선택폭이 매우 넓다. 다음 두 가지를 고려하면 적절히 선택할 수 있다.
R3이 감소되면, 식 1은 고정 이득에서 소비 전력이 증가한다는 것을 의미한다.
FET의 열 잡음과 누설 전류는 R3의 선택 값에 대한 상한 제한을 설정한다.
4b. R2 선택
저항 R2와 R3의 비는 구현된 전류 감지 앰프의 전압 이득과 같다. 출력 전압은 다음과 같다.
VOUT = VCC - IOUT × R2(Eq. 3)
식 1과 3으로부터 다음을 얻을 수 있다.
VOUT = VCC - (VSENSE × R2/R3)
VSENSE에 대해 미분을 하면,
전압 이득, Av = -R2/R3(Eq. 4)
네거티브 부호는 출력 전압과 입력 감지 전압 간의 반전 관계를 나타낸다. 식 4로부터 R2를 결정할 수 있다.
결과
그림 4는 감지 전압의 함수로 구현되는 일반적인 출력 전압을 보여준다. 전류 감지 앰프에 대해 다음과 같은 일반적인 파라미터를 유추할 수 있다.
입력 기준 오프셋 전압 = (5 - 4.9831)/49.942 = 338µV
이득 = -49.942
그림 4. T = +25°C에서 감지 전압의 변화에 따른 출력 전압 변화
결론
이 애플리케이션 노트에서는 네거티브 전압의 전류 감지를 위해 MAX4460과 같은 정밀한 계측 앰프의 사용을 시연하였다. 이 회로는 위의 설계 단계에 따라 다른 네거티브 레일 모니터링을 위해서도 쉽게 재설계할 수 있다.
유사한 글이 Penton Publication, Power Electronics Technology 2007년 8월호에 게재되었다.
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(Eq. 1)
