오늘은 MOSFET를 이용한 Load Switch, Soft Switch의 응용에 대한 고찰을 해 보겠습니다.
요즘은 Power Management가 그 어느 때보다 중요합니다.
휴대용 시스템은 배터리 사용시간을 늘리기 위해, 더 높은 성능에 대한요구를 충족시키기 위해 기술적인 Know-How가 많이 필요합니다.
본 내용은 전자제품이 현재 사용 중인 주변 장치에 따라 적절한 전원 관리 결정을 내릴 수 있는 간단하고 저렴한 방법을 소개드립니다.
Load Switch는 노트북, 휴대폰, 휴대용 게임 시스템 및기타 많은 휴대용 장치에서 찾아볼 수 있습니다, 또한 시스템에 의해 제어되며 전압을 특정 부하에 연결하거나 분리합니다, 사용하지 않는 회로를 끄면 시스템 전체가 더 효율적으로 작동할 수 있습니다.
이러한 Load Switch는 부하가 필요할 때 부하에 전력을 공급하는 간단한 기능을 제공하고 시스템의 성능을 극대화할 수 있도록 합니다.
Pass용 Switch는 Switch가 On 되어있을 때, Vin전원을 공급해야 하는 지정된 부하로 전달하는 가장 일반적으로 MOSFET (N채널 또는 P채널)를 사용합니다.
Load Switch는 아래 그림과 같이 Load Switch용 MOSFET와 On/Off 제어 블록의 두 가지 주요 요소로 구성됩니다.
1. Nch MOSFET를 Load Switch로 사용할 때는 아래와 같이 내용으로 이해할 수 있습니다.
아래 그림은 Nch MOSFET 회로입니다.
Nch MOSFET를 On 시키려면, Vg(gate-to-source voltage)이 Vth(threshold voltage) 보다 커야 합니다.
VG > Vout+Vth
아래 그림은 회로 예입니다.
En Pin이 Low이면, Q1이 Off입니다, Load Switch에 Vgate 전압이 공급되어 On 됩니다.
En Pin이 High이면, Q1이 On 되며, Load Switch에 Vgate 전압이 공급 안되어 Off 됩니다.
Q1을 On으로 유지하려면, Vgate에 VG > Vout + Vth와 같은 공식의 전압을 걸어줘야 합니다,
Q1이 On 되어있으려면, mA정도의 전류가 R1을 통해 흐르도록 1 Kohm~10 Kohm의 저항값으로 R1에 존재해야 합니다.
따라서, 추가로 Vg값을 높이는회로가 들어가야 합니다, Pch MOSFET사용보다는 회로가 복잡하며, 전체 회로 가격이 올라갑니다.
뿐만 아니라,
En Pin이 High이면, Q1은 On되고, Load Switch는 Off입니다,
En Pin이 Low이면, Q1은 Off되고, Load Switch는 On입니다,
이렇게 En과 Load Switch가 반대로 동작하는 것도 문제가 될 수 있습니다.
2. Pch MOSFET를 Load Switch로 사용할 때는 아래와 같이 내용으로 이해해야 합니다.
아래 그림은 Pch MOSFET 회로입니다.
일반적으로 Load Switch Circuit에서 Pch MOSFET를 사용하려면, 아래 공식처럼, Vin(source-to-gate voltage)이 Vth(threshold voltage) 보다 커야 합니다, 그래서 이경우는 아래 회로와 같이 Vin과 출력 Load를 간단히 직접 연결해도 됩니다.
VIN > VG+Vth
아래 그림은 Load Switch 제어회로 예입니다.
Nch MOSFET Load Switch 예제와 마찬가지로 시스템 전원 관리 제어회로의 Nch Q1을 통해 Load Switch를 On/off 합니다.
En Pin이 High이면, Q1이 On이고, Load Switch는 On입니다,
En Pin이 low이면, Q1이 Off이고, Load Switch는 Off입니다.
이렇게 En과 Load Switch가 같은 동작하는 것 입니다.
Vin, 입력 전압이 Pch MOSFET의 임계 전압보다 높으면, 추가 전압 없어도 High일 때 On이 됩니다.
Nch MOSFET 제어회로와 마찬가지로 Q1이 On 될 때, R1을 통해 전류가 흐르도록 저항 R1값을 1 Kohm ~ 10 Kohm정도로 선택하면 됩니다.
3. Load Switch 회로를 사용할 때는 돌입전류(Inrush Current)를 고려해야 합니다.
Load Switch가 On 될 때 즉, Load Switch가 처음 On 되고, 출력의 용량성 부하(Battery, 또는 DC/DC Converter 회로)에 연결할 때, 돌입전류(Inrush Current)가 발생합니다.
돌입전류는 전체 시스템의 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 Vin 전압의 강하(Undershoot)를 유발합니다.
마찬가지로 돌입전류 Spike Noise는 잠재적으로 부하 스위치 회로 구성요소를 손상시키거나 구성 요소의 수명을 단축시킬 수 있습니다.
부하 스위치의 턴온 속도를 제어하기 위해 아래 그림과 같이 외부 저항(R1)과 외부 커패시터(C1)가 부하 스위치 회로에 추가합니다.
4. Inrush Current 3A로 규정하여, 예로 R1, R2 및 C1값을 결정해 보겠습니다.
R1, R2 및 C1의 선택은 Load Switch 회로의 성능에 매우 중요합니다.
Vsg가 부품의 최대 정격을 초과하지 않도록 하기 위해 Vsg-max값을 사용합니다.
Vsg-max는 아래 그림과 같이 부품의 Spec sheet에서 찾을 수 있습니다.
R2는 앞에서 설명한 Pull up 저항이며 1 Kohm ~ 10 Kohm정도를 권장합니다.
아래 표는회로에 있는 값이고, 오른쪽은 Pch MOSFET Spec Sheet 내용입니다.
R1과 C1은 Load Switch 부품의 Turn On 속도를 결정합니다.
R1과 R2는 Load Switch의 게이트에서 보이는 전압을 결정하는 전압 분배기 회로를 형성합니다.
먼저 R1과 R2를 선택해야 하는데, R2를 1 Kohm이라고 선택하면, R1을 아래 공식으로 풀면, 250 ohm이 됩니다.
C1은 Pch MOSFET의 Cgd값보다 훨씬 커야 합니다.
부하 커패시턴스 CLOAD는 다음 방정식을 사용하여 추정할 수 있습니다.
C1은 아래공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
여기서 돌입전류를(Inruch Current)는 Load Switch 회로에 대해 필요한 최대 돌입 전류로서, 임의로 3A로 제한합니다.
VPL공식을 C1공식에 대입하면 C1은 아래와 같습니다.
C1 공식에 Table 2값을 대입하면, C1=10.8nF입니다, 단, 돌입전류를(Inruch Current) 3A로 제한하는 조건입니다.
따라서, R1=250 ohm, R2=1K ohm, C1=10nF=0.01uF을 사용하시면 됩니다. (참고로 1,000nF=1uF입니다.)
상기 내용의 출처 - AND9093/D of On Semiconductor.
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