개요: 이 기준 설계는 자동차 에어백을 위한 전원 요구사항을 만족하기 위해 MAX15006/MAX15007 선형 레귤레이터의 출력 전류를 증가시키는 방법을 보여준다.
머리말
자동차에 더욱 많은 전자 컨텐츠들이 탑재되면서 전자 제어 모듈 설계자는 보다 제한적인 전력 예산으로 향상된 성능을 제공해야 하는 과제에 직면하고 있다. 요즘 나오는 자동차에는 스테레오 및 인포테인먼트 시스템, 와이퍼, 자동차 조명 시스템, 에어백과 같은 안전 장치 등 다양한 전자 시스템이 내장되고 있다. 설계자는 이러한 전자 시스템이 자동차 배터리에 추가하는 모든 요구들을 고려하여 특히 자동차 시동 키가 오프 상태이거나 자동차가 주차되어 있을 때 각 전자 시스템의 전력 소비를 최대한 줄여야 한다.
배터리는 일반적으로 자동차의 시동이 꺼져 있을 때에도 여러 시스템 동작에 무부하 전력을 공급해야 한다. 이러한 상태일 때 전력 소비를 줄이기 위해 전력 관리 블록에 여러 절전 모드가 도입되었다. 두 가지 대표적인 예가 마이크로프로세서에 제공되는 클록을 셧다운하는 것과 인에이블 입력을 통해 컨버터 회로의 동작을 중단시키는 것이다. 그러나 전력이 교류기에서 공급되든 배터리에서 공급되든 상시 동작해야 하는 RKE(remote keyless entry)나 보안 시스템 같은 장치와 기능들이 존재한다. 그림 1은 에어백을 위한 일반적인 전원 모듈이다.
이 애플리케이션 노트에서는 MAX15006/MAX15007 선형 레귤레이터를 사용하여 자동차 에어백 애플리케이션의 무부하 전류를 감소시키는 회로에 대해 설명한다. 이들 소자는 매우 낮은 무부하 전류를 제공하는 외에도 최대 45V까지 부하 덤프를 견딜 수 있어 자동차 환경의 열악한 동작 조건에 적합하다. 또한 이 소자는 저전압강하, 넓은 입력 전압 범위, 열 및 단락 회로 보호 기능, 인에이블 입력 등을 제공하므로, 특히 자동차 에어백의 전원 모듈에 적합하다.
그림 1. 에어백을 위한 일반적인 전원 모듈
SRS (Supplemental Restraint Systems) 동작
에어백 시스템 또는 보조 제어 시스템인 SRS(Supplemental Restraint System)는 안전 벨트와 함께 앞 좌석의 운전자와 탑승자를 위한 추가적인 보호를 제공하도록 설계되었다. 전자식 제어와 기계식 동작 시스템인 SRS는 다음과 같이 동작한다. 에어백 시스템은 사고 시 작동 전까지는 보이지 않게 내장되어 있으며, 시스템의 동작 여부는 충돌과 차량에 장착되는 안전 센서에 의해 결정된다. 충분한 힘의 충격이 발생하면 이들 센서에 의해 접촉점이 닫히고 전기 회로가 이어지면서 에어백이 팽창한다. 미작동 시에는 시스템이 에어백 진단 모니터에 의해 모니터링되며 시스템 상태가 계기판 램프로 표시된다.
진단 모니터는 상시 동작하므로 전력 공급에 사용되는 소자는 매우 낮은 무부하 전류를 가져야 한다. 또한 충격 시 교류기의 단자가 배터리의 단자로부터 떨어질 수 있는데, 이는 부하 덤프 조건을 초래한다. 전원 편차는 일반 조건에서도 매우 높을 수 있다.
MAX15006/MAX15007은 매우 낮은 무부하 전류, 넓은 입력 전압 범위, 최대 45V의 부하 덤프 보호와 같은 다양한 기능을 갖추고 있어 자동차 에어백의 전원 모듈용으로 특히 적합하다. 이들 소자는 최대 50mA의 전류를 필요로 하는 대부분의 애플리케이션에 별도의 외부 부품 없이 그대로 사용할 수 있다. 그러나 에어백을 위한 전체 모니터링 시스템은 100mA 이상의 전류를 필요로 하며, 에어백 점화장치의 상태 검사에는 200mA 정도의 전류가 필요하다. 따라서 MAX15006/MAX15007의 출력 전류를 증가시킬 필요가 있으며, 이는 외부 통과 트랜지스터를 이용하여 수행할 수 있다.
레귤레이터의 출력 전류 성능 증가시키기
에어백 점화 회로에서 점화를 발생시키는 데 필요한 최소 전류는 1.2A이다. 에어백 점화 회로에 요구되는 전력은 스위칭 레귤레이터(벅 및 부스트 컨버터)와 선형 레귤레이터에 의해 제공된다. 그러나 모니터링 시스템(센서, ADC, 점화장치 상태 모니터링 등)에 대한 전류 요구사항은 약 150mA이며, 이는 선형 레귤레이터(MAX15006/MAX15007)에서 공급할 수 있는 최대 전류보다 높다.
선형 레귤레이터의 전류 성능은 외부 통과 트랜지스터를 사용하여 증가시킬 수 있다. 선형 레귤레이터의 출력 전류를 증가시키려면 아래의 회로도에서 보듯이 입력과 출력 사이에 통과 트랜지스터를 연결시킨다(그림 2).¹ 이 회로는 출력 전류를 150mA로 증가시킨다.
그림 2. 이 회로는 MAX15007에 외부 통과 트랜지스터를 추가하여 에어백 모니터링 시스템을 구동하는 데 충분한 출력 전류(150mA)를 제공한다.
전력 소비를 최소로 유지하기 위해 1Ω의 R1과 2.2Ω의 R3을 사용한다. R1 값을 1Ω 미만으로 낮출 경우 PNP 트랜지스터의 열 폭주 (thermal runaway) 가능성을 증가시킬 수 있다. 초기에 출력 전류가 존재하지 않을 때 외부 통과 트랜지스터는 전류를 전도하지 않는다. 전류가 서서히 증가하면 통과 트랜지스터는 다이오드에서 약 0.6V 강하를 발생시켜 다이오드가 전도하기 시작한다. 이 전도는 베이스-이미터 접합부에 충분한 전압 강하를 제공하여 PNP 트랜지스터에서도 전도가 발생하면서 부하에 필요한 여분의 전류를 공급한다. R2의 목적은 낮은 전류 설정에서 다이오드의 높은 동적 임피던스를 보상하는 것이다. 부하 전류가 25mA 미만일 때에는 외부 통과 트랜지스터가 꺼진다. 저항 값을 변경하여 이 회로에 의해 공급되는 전류의 양을 증가시킬 수 있다.
안전성을 위한 출력 커패시터 선택
회로에 외부 트랜지스터를 연결할 경우 출력 전압은 데이터 시트에 지정된 2.2µF의 출력 커패시턴스로는 안정적인 동작을 할 수 없다. 이는 레귤레이터의 gM이 증가하여 단위 이득 주파수가 증가하기 때문이다. 이는 다음과 같은 원인으로 인해 발생한다.
단위 이득 주파수 ∝ gM
안정적인 동작을 했던 때와 동일한 값으로 단위 이득 주파수를 유지하려면 gM에서 증가한 동일한 양만큼 출력 커패시터를 증가시켜야 한다. 이러한 gM의 증가는 추가 회로로부터 발생하는 전류 이득을 구하여 얻을 수 있다.
외부 회로로 인한 전류 이득은 회로의 소신호 근사치를 사용하여 대략적인 값을 계산할 수 있다(그림 3).
그림 3. 필요한 출력 커패시턴스를 결정하려면 외부 회로의 전류 이득을 계산해야 한다.
외부 통과 트랜지스터를 연결하지 않을 때 레귤레이터를 통과하는 부하 전류에 ΔI의 변화가 존재한다고 가정하자. 이제 외부 통과 트랜지스터를 연결하고 PNP 통과 트랜지스터를 통과하는 K ΔI의 전류 변화가 존재한다고 하면, 외부 통과 트랜지스터에 의한 부하 전류의 전체 변화는 ΔI + K ΔI, 즉 (1 + K) ΔI가 된다. 따라서 gM은 (1 + K)배 증가하며, 동일한 단위 이득 주파수를 유지하기 위해서는 출력 커패시턴스도 (1 + K)배 증가시켜야 한다.
이 회로에서 K 값은 다음 수식으로 구할 수 있다.
기생소자로 인한 실제적인 문제를 고려하면 필요한 커패시턴스 값은 데이터 시트에 지정된 최소 값의 5.45배이다. 따라서 이 외부 통과 트랜지스터로 시스템을 안정화할 수 있도록 12.2µF의 커패시턴스를 출력에 연결한다.
아래의 그림 4와 5는 각각 150mA의 안정된 부하 전류와 150mA의 과도 부하 전류를 위해 외부 통과 트랜지스터에 의해 공급되는 전류를 나타낸다. 채널 1은 출력 전압을 나타내며, 채널 4는 외부 통과 트랜지스터에 의해 공급되는 전류를 나타낸다. 채널 2에서 표시되는 파라미터는 부하와 직렬로 연결된 1Ω 저항을 통과하는 전압이므로, 이는 전체 부하 전류로 간주할 수 있다. 따라서 150mA의 전체 부하 전류에서 109mA가 외부 통과 트랜지스터에 의해 공급되고 나머지 41mA는 레귤레이터 IC에 의해 공급된다.
그림 4. 150mA의 안정된 부하 전류를 갖는 그림 3 회로의 성능
채널 1: 출력 전압
채널 2: 부하와 직렬 연결된 1Ω 저항을 통과하는 전압에 비례하는 부하 전류
채널 4: 외부 통과 트랜지스터에 의해 공급되는 전류
그림 5. 150mA의 과도 부하 전류를 갖는 그림 3 회로의 성능
채널 1: 출력 전압
채널 2: 부하와 직렬 연결된 1Ω 저항을 통과하는 전압에 비례하는 부하 전류
채널 4: 외부 통과 트랜지스터에 의해 공급되는 전류
결론
MAX15006/MAX15007은 자동차 애플리케이션에 필요한 여러 기능들을 단일 IC에 통합하여 많은 최신 자동차 애플리케이션의 요구에 적합하므로 자동차 엔지니어의 작업을 보다 간소화한다. 이 애플리케이션 노트에서는 이들 IC가 최소한의 외부 회로를 사용하여 보다 높은 부하 전류 요구사항을 충족시킴으로써 애플리케이션 범위를 넓힐 수 있음을 보여주었다.
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