개요: 과전압 보호 (OVP) 소자는 로드 덤프 시 또는 과도 상태에서 발생되는 과전압 상태로부터 다운스트림 회로를 보호한다. 그러나 특정 애플리케이션에서는 OVP 소자를 위한 기본 애플리케이션 회로가 적합하지 않을 수 있다. 이 경우 공통적인 두 가지 변경이 적용된다. 첫째, 회로의 최대 입력 전압을 증가시킬 수 있다. 둘째, 과전압 또는 저전압 상태에서 전력을 유지하기 위해 출력 커패시터를 저장용 커패시터(reservoir)로 사용하도록 회로를 수정할 수 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 위의 두 가지 설계 변경 방법에 대해 설명한다. MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398 OVP 소자를 이용하여 이러한 기술을 적용하기로 한다
개요
MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398 과전압 보호 (OVP) 소자는 로드 덤프 시 또는 과도 상태에서 발생되는 과전압 상태로부터 다운스트림 회로를 보호한다. 이 소자들은 전원 레일과 직렬로 연결된 n채널 MOSFET을 제어하여 동작한다. 전압이 사용자가 지정한 과전압 임계값을 초과하면, 게이트는 로우로 구동되고 MOSFET의 전원을 차단하여 전원 레일의 연결을 분리시킨다.
이러한 OVP 소자를 위한 데이터 시트에 제공되는 일반적인 회로는 대부분의 애플리케이션에 적합하다(그림 1 참조). 그러나 간혹 일부 애플리케이션은 기본 회로를 약간 수정해야 할 필요가 있다. 이 글에서는 이러한 애플리케이션으로 최대 입력 전압을 증가시키고, 과전압 이벤트 시 출력 커패시터를 저장용 커패시터로 사용하는 두 가지 경우에 대해 설명한다.
그림 1. 기본 과전압 보호 회로
최대 입력 전압 증가
그림 1의 회로는 최대 72V까지 입력 전압 과도상태에서 동작하지만 일부 애플리케이션은 더 높은 보호를 필요로 한다. 따라서 OVP 소자에서 최대 입력 전압을 증가시키는 방법을 알아둘 필요가 있다. 그림 2는 추가 저항과 IN의 전압을 클램프하는 제너 다이오드가 탑재된 회로를 보여준다. 트랜지스터 버퍼(그림 3)를 추가할 경우 션트 레귤레이터에 대한 전류 요구사항은 낮아지지만 설계 비용은 증가한다.
그림 2. 최대 입력 전압을 증가시키는 과전압 보호 회로
그림 3. 이 과전압 보호 회로는 트랜지스터 버퍼를 사용하여 최대 입력 전압을 증가시킨다.
정상 동작 중 제너 전압을 선택하고 전력 낭비를 피하려면 최대 정상 입력 전압보다 높은 전압을 선택한다. 그러나 제너 전압은 제너 전류가 가장 높은 과도 상태 동안 OVP 회로의 최대 동작 전압(72V)보다 낮아야 한다.
직렬 저항 R3은 과전압 상태 시 제너 다이오드의 전력 소모를 제한할 수 있을 정도로 충분히 커야 하고, 최소 입력 전압으로 OVP IC에 대한 전력을 유지할 수 있을 만큼 작아야 한다.
그림 2의 R3 저항값 계산은 다음 값에서부터 시작한다. D1의 제너 전압은 54V이고, 과전압 피크는 150V이며, 제너 전력은 3W 이하여야 한다. 이 데이터로부터 제너를 통과하는 최대 전류는 다음과 같다.
3W/54V = 56mA
이러한 전류를 가질 때, R3의 하한 제한은 다음과 같다.
(150V - 54V)/56mA = 1.7kΩ
따라서 R3의 피크 전력 소모는 다음과 같다.
(56mA)² × 1.7kΩ = 5.3W
이 5.3W보다 작은 저항값은 저항과 제너 다이오드에 적지 않은 수준의 전력 소모를 발생시킬 수 있다.
저항의 상한 제한을 계산하려면 필요한 최소 전원 전압을 알아야 한다. MAX6495는 최소 5.5V의 전압을 필요로 한다. 이 예에서, 최소 전원 전압은 6V이므로 정상 동작 중 저항 R3에 걸리는 수용 가능한 전압 강하는 500mV이다. MAX6495의 소비 전류는 150µA(최대)이므로, 대응하는 최대 저항값은 다음과 같다.
500mV/150µA = 3.3kΩ
OVP 소자가 6V보다 조금 아래의 입력 전압으로 동작하도록 하기 위해 그림 2에서 회로의 저항 R3은 2kΩ으로 설정되었다.
과전압 상태 시 R3과 D1(그림 2)에서 상당한 전력이 소모된다는 사실에 주의한다. 만약 과전압 과도 상태가 지속된다면(수십 밀리초 이상), 그림 3의 회로가 애플리케이션에 더 적합할 수 있다. 이러한 emitter-follower 회로는 R3과 D1 사이의 노드로부터 소비되는 전류를 감소시켜 R3에 대한 허용 가능한 최대값을 크게 증가시킨다. 트랜지스터β 100의 경우, 150µA 소비 전류는 1.5µA가 된다. 이 지점에서 다이오드의 5µA 역 누설 전류는 무시할 수 없다. R3을 10kΩ으로 설정하면 누설 전류에 의해 초래되는 R3에서의 전압 강하를 50mV로 제한할 수 있다.
IN에서 GND까지 1µF (최소) 세라믹 커패시터를 사용한다. 부품의 전압 정격이 입력 전압 요구사항을 만족하는지 확인한다. 직렬 MOSFET의 VDS_MAX 정격에 주의한다.
출력 커패시터를 저장용 커패시터로 사용
과전압 상태 시 일반적인 애플리케이션 회로는 출력 커패시터를 자동으로 방전하여 다운스트림 회로를 보호한다(그림 4). 그러나 일부 애플리케이션에서는 과도 과전압 상태 시 출력 커패시터가 다운스트림 회로에 에너지를 저장하고 전력을 유지하도록 요구한다. 그림 5의 회로는 이러한 동작을 구현한다.
그림 4. 출력 커패시터의 방전 경로를 보여주는 일반적인 과전압 리미터 회로
MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398은 GATE 출력에 연결된 내부 100mA 전류 싱크(그림 4)를 사용하여 게이트 커패시턴스를 방전하고 출력 커패시터를 방전한다. 전류 싱크는 GATE의 전압이 OUTFB의 전압과 같아질 때까지 게이트를 방전한다(전류 I1, 녹색 화살표). 이 지점에서 FET는 꺼진다. 전류 싱크는 GATE의 전압을 계속 낮추다가, 최종적으로는 내부 클램프 다이오드를 포워드 바이어스하고 출력 커패시턴스를 방전한다(전류 I2, 적색).
그림 5. 저장용 커패시터 회로가 내장된 과전압 리미터
OUTFB가 분리되고 클램프 다이오드를 통과하는 전류 경로가 제거되면, 출력 커패시터는 더 이상 방전하지 않는다. 그러나 MOSFET의 게이트가 더 이상 보호 클램프 다이오드를 갖지 않으므로 VGS_MAX 정격이 초과될 수 있다.
MOSFET 소스로부터 MOSFET 게이트로 외부 클램프 다이오드(그림 5의 D1)를 추가하면 출력으로부터 100mA 전류 싱크로 전류 경로가 다시 만들어진다. GATE와 게이트 핀 사이에 저항을 직렬로 추가하면(그림 5의 R3), 이러한 전류는 제한되고 출력 커패시터의 전류 드레인은 감소된다. 또한 전류를 제한하면 턴 오프 시간이 증가되고 순간적인 과전압을 숨기기 위해 회로의 응답이 느려진다. 직렬 저항을 통과하는 커패시터(그림 5의 C4)를 추가하면 응답 시간을 줄이는 데 도움이 된다. 옵션인 저항 R4는 OUTFB의 플로팅(floating)을 방지한다.
MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398이 SET 저항-분배기를 입력 대신 출력 연결에 연결하여 리미터 모드로 동작하면(앞의 그림 참조), 회로는 주기적으로 출력 커패시터를 충전할 수 있다. 이후 커패시터 전압이 과전압 임계값의 히스테리시스 전압 미만으로 떨어지면 직렬 MOSFET이 켜지고 커패시터가 충전되며, 전압이 과전압 임계값을 초과하면 꺼진다.
그림 6은 과전압 모니터링 모드로 동작하도록 연결된 MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398을 보여준다. SET 저항-분배기를 입력 연결에 연결하면, 입력 과전압 동안 MOSFET의 전원이 차단되고, 과전압 상태가 제거될 때까지 꺼짐 상태를 유지한다.
그림 6. 과전압 모니터링 모드로 구성된 과전압 비교기
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