저항 분배기는 높은 전압을 저전압 회로가 과구동되거나 손상되지 않고 수용할 수 있는 수준으로 감쇠시킵니다. 전원 경로 제어 회로에서 저항 분배기는 전원 공급 장치의 저전압(UVLO) 및 과전압(OVLO) 록아웃 임계값 설정에 도움을 줍니다. 이러한 전원 공급 전압 자격 회로는 자동차 시스템, 배터리 구동 휴대용 기기, 데이터 처리 및 통신 보드에서 발견됩니다.
저전압 록아웃(UVLO)은 비정상적으로 낮은 전원 공급 전압으로 하류 전자 시스템이 작동하는 것을 방지해 시스템 오작동을 막습니다. 예를 들어 디지털 시스템은 공급 전압이 사양 미만일 때 예측 불가능하게 동작하거나 프리징될 수 있습니다. 전원 공급이 충전식 배터리일 때 UVLO는 깊은 방전으로 인한 배터리 손상을 방지합니다. 과전압 록아웃(OVLO)은 손상을 입힐 수 있는 높은 공급 전압으로부터 시스템을 보호합니다. 저전압과 과전압 임계값은 시스템의 유효 동작 범위에 의존하므로, 동일한 제어 회로로 저항 분배기를 사용해 맞춤 임계값을 설정합니다. 공급 노이즈나 저항이 존재하더라도 부드럽고 채터 없는 록아웃 기능을 얻기 위해 임계값 히스테리시스가 필요합니다. 단순한 UVLO/OVLO 회로를 논의한 후, 기본값이 불충분할 때 임계값 히스테리시스를 추가하는 간단한 방법들을 제시합니다.
저전압 및 과전압 록아웃 회로
그림 1은 저전압 록아웃 회로(현재는 히스테리시스 없음)를 보여줍니다. 음의 입력에 양의 기준 전압(VT)을 가진 비교기가 있습니다. 비교기는 전원 공급 입력과 하류 전자 시스템 사이의 경로를 여닫는 전원 스위치를 제어합니다. 비교기의 양의 입력은 입력으로부터의 저항 분배기에 연결됩니다. 전원이 켜지고 0V에서 상승하기 시작하면 비교기 출력은 초기에 낮아 전원 스위치를 끕니다. 비교기 출력은 양의 입력이 VT에 도달하면 트립합니다. 이 순간 하단 저항의 전류는 VT/RB입니다. 비교기 입력 바이어스 전류가 없다면 같은 전류가 RT를 흐릅니다. 따라서 비교기가 트립할 때의 공급 전압은 VT + RT × VT/RB = VT × (RB + RT)/RB입니다. 이것이 저항 분배기로 설정된 공급 UVLO 임계값입니다. 예를 들어 VT = 1V이고 RT = 10 × RB이면 UVLO 임계값은 11V가 됩니다. 이 임계값 아래에서는 비교기 출력이 낮아 전원 스위치를 열고, 이 UVLO 임계값 위에서는 스위치가 닫혀 공급 전류가 시스템에 흐르며 전원을 켭니다. 임계값은 RB와 RT의 비율을 변경해 쉽게 조정할 수 있습니다. 절대 저항 값은 분배기에 예산된 바이어스 전류량에 의해 설정됩니다(나중에 자세히). OVLO 임계값을 설정하려면 비교기의 두 입력을 서로 바꿉니다(예: 그림 2의 하단 비교기) 그래서 높은 입력이 비교기 출력을 낮게 강제하고 스위치를 열게 합니다.
그림 1. 저항 분배기, 비교기, 전원 스위치를 사용한 전원 공급 저전압 록아웃. (출처: Analog Devices)
이 기사의 초점은 아니지만, 스위치는 N채널 또는 P채널 파워 MOSFET으로 구현할 수 있습니다. 이전 논의는 게이트 전압이 낮을 때(예: 0V) 열리는(고저항) N채널 MOSFET 스위치를 가정합니다. N채널 MOSFET을 완전히 닫으려면(저저항) 게이트 전압이 공급 전압보다 MOSFET 임계 전압만큼 높아야 하므로 차지 펌프가 필요합니다. LTC4365, LTC4367, LTC4368 같은 보호 컨트롤러는 비교기와 차지 펌프를 통합해 N채널 MOSFET을 구동하면서도 낮은 정지 전류를 소모합니다. P채널 MOSFET은 차지 펌프가 필요 없지만 게이트 전압 극성이 반대입니다. 즉, 낮은 전압이 닫고 높은 전압이 P채널 MOSFET 스위치를 엽니다.
다시 저항 분배기로 돌아가서: 3개 저항 스트링으로 저전압과 과전압 록아웃 임계값을 모두 설정할 수 있습니다(그림 2), 두 개의 개별 2저항 스트링을 사용하는 것보다 한 분배기의 바이어스 전류를 절약합니다. UVLO 임계값은 VT × (RB + RM + RT)/(RB + RM)이고 OVLO 임계값은 VT × (RB + RM + RT)/RB입니다. AND 게이트가 두 비교기의 출력을 결합해 전원 스위치로 보냅니다. 따라서 입력 전압이 저전압과 과전압 임계값 사이일 때 전원 스위치가 닫혀 시스템에 전원을 공급하고, 그렇지 않으면 스위치가 열려 공급을 시스템에서 분리합니다. 분배기 전류 소비가 문제가 되지 않으면 별도의 저전압/과전압 분배기가 각 임계값을 서로 독립적으로 조정하는 데 더 유연성을 제공합니다.
그림 2. 단일 저항 분배기를 사용한 저전압 및 과전압 록아웃. (출처: Analog Devices)
그림 1에서 전원 공급이 천천히 상승하고 노이즈가 있거나, 공급에 고유 저항(배터리처럼)이 있어 부하 전류로 전압이 떨어지면 비교기 출력이 입력이 UVLO 임계값을 넘나들며 반복적으로 높고 낮게 전환됩니다. 이는 비교기의 양의 입력이 입력 노이즈나 공급 저항을 통한 부하 전류로 인한 강하로 인해 반복적으로 VT 임계값 위아래로 이동하기 때문입니다. 배터리 구동 회로에서는 이것이 끝없는 진동이 될 수 있습니다. 히스테리시스가 있는 비교기를 사용하면 이 채터를 제거해 스위치 전환을 더 부드럽게 만듭니다. 그림 3에 나타난 것처럼 히스테리시스 비교기는 상승 입력(예: VT + 100mV)과 하강 입력(예: VT – 100mV)에 대해 다른 임계값을 제시합니다. 비교기 레벨의 히스테리시스는 RB와 RT에 의해 200mV × (RB + RT)/RB로 공급 레벨에서 스케일업됩니다. 공급 입력에서의 노이즈나 강하가 이 히스테리시스 아래라면 채터가 제거됩니다. 비교기가 제공하는 히스테리시스가 없거나 불충분할 때 히스테리시스를 추가하거나 증가시키는 방법들이 있습니다. 이 모든 방법은 분배기 탭에서 양의 피드백을 사용합니다. 예를 들어 상승 비교기 입력이 비교기 트립 시 더 높게 점프합니다. 단순화를 위해 다음 방정식들은 비교기 자체에 고유 히스테리시스가 없다고 가정합니다.
그림 3. 분배기 탭에서 전원 스위치 출력으로 저항을 연결해 저전압 록아웃 임계값 히스테리시스 추가. (출처: Analog Devices)
분배기 탭(비교기의 양의 입력)에서 전원 스위치 출력으로 저항(RH)을 추가합니다. 공급이 0V에서 상승하기 시작하면 비교기의 양의 입력이 VT 아래에 있고 비교기 출력은 낮아 전원 스위치를 끕니다. 시스템 부하로 인해 스위치 출력이 0V에 있다고 가정합니다. 따라서 입력 임계값 계산에서 RH는 RB와 병렬입니다. 상승 입력 저전압 임계값은 VT × ((RB || RH) + RT)/(RB || RH)이며, 여기서 RB || RH = RB × RH/(RB + RH)입니다. 스위치가 이 임계값 위에서 켜지며 공급을 시스템에 연결합니다. 하강 입력 저전압 임계값을 계산하려면 스위치가 닫혀 있으므로 RH가 RT와 병렬이 되어, 하강 입력 저전압 임계값은 VT × (RB + (RT || RH))/RB이며, 여기서 RT || RH = RT × RH/(RT + RH)입니다. 비교기 자체가 히스테리시스를 가졌다면 이전 방정식에서 VT를 상승 또는 하강 비교기 임계값으로 대체하세요. 그림 1 예제를 상기하면, VT = 1V, RT = 10 × RB에서 비교기 히스테리시스나 RH가 없을 때 상승과 하강 임계값 모두 11V입니다. 그림 3처럼 RH = 100 × RB를 추가하면 상승 입력 임계값 11.1V, 하강 임계값 10.09V, 즉 1.01V의 히스테리시스가 생깁니다. 이 방법은 상승 입력이 전원 스위치를 끄게 하여 RH가 비교기 입력을 더 낮게 당기기 때문에(다시 스위치를 켜게 됨) OVLO에는 작동하지 않습니다.
히스테리시스를 추가하는 또 다른 방법은 하단 저항의 유효 값을 변경하는 저항을 스위칭하는 것입니다. 스위칭된 저항은 병렬(그림 4a) 또는 직렬(그림 4b)일 수 있습니다. 그림 4a를 고려해 보세요: VIN이 낮을 때(예: 0V) 비교기 출력(UV 또는 OV 노드)이 높고, N채널 MOSFET M1을 켜서 RH를 RB와 병렬로 연결합니다. M1의 온 저항이 RH에 비해 무시 가능하거나 RH 값에 포함된다고 가정합니다. 상승 입력 임계값은 그림 3과 같습니다: VT × ((RB || RH) + RT)/(RB || RH). VIN이 이 임계값 위에 있으면 비교기 출력이 낮아 M1을 끄고 RH를 분배기에서 분리합니다. 따라서 하강 입력 임계값은 그림 1과 같습니다: VT × (RB + RT)/RB. VT = 1V, RT = 10 × RB, RH = 100 × RB로 계속하면 상승 입력 임계값은 11.1V, 하강 임계값은 11V, 즉 RH가 100mV의 히스테리시스를 제공합니다. 이 방법과 다음 방법들은 비교기 출력이 전원 스위치를 어떻게 켜는지에 따라 목적(저전압 또는 과전압 록아웃)이 달라지므로 저전압 또는 과전압 록아웃 모두에 사용할 수 있습니다.
그림 4. 스위칭된 (a) 션트 저항 또는 전류와 (b) 직렬 저항으로 저전압 또는 과전압 록아웃 임계값 히스테리시스 추가. (출처: Analog Devices)
그림 4b 구성은 상승 입력 임계값을 VT × (RB + RT)/RB로, 하강 입력 임계값을 VT × (RB + RH + RT)/(RB + RH)로 제공합니다. 그림 4에서 RH = RB/10이면 상승 입력 임계값 11V, 하강 임계값 10.091V, 즉 909mV의 히스테리시스가 나옵니다. 이는 그림 4b 구성이 훨씬 작은 RH로 훨씬 큰 히스테리시스를 제공함을 보여줍니다.
그림 4a의 저항 RH는 전류 소스 IH로 대체될 수 있습니다. 이 방법은 LTC4417과 LTC4418 우선순위 컨트롤러에서 사용됩니다. VIN이 낮으면 비교기의 높은 출력이 IH를 활성화합니다. 상승 입력 임계값에서 비교기의 음의 입력은 VT에 있습니다. 따라서 RT의 전류는 IH + VT/RB이며, 상승 임계값은 VT + (IH + VT/RB) × RT = VT × (RB + RT)/RB + IH × RT입니다. VIN이 이 임계값 위에 있으면 IH가 비교기의 낮은 출력으로 꺼집니다. 따라서 하강 임계값은 그림 1과 같습니다: VT × (RB + RT)/RB, 입력 임계값 히스테리시스는 IH × RT입니다.
이전 방정식들은 비교기 입력의 입력 바이어스 전류가 0이라고 가정했고 예제들은 절대 값 대신 저항 비율만 고려했습니다. 비교기 입력은 입력 오프셋 전압(VOS), 기준 부정확성(VOS과 결합 가능), 입력 바이어스 또는 누설 전류(ILK)를 모두 가집니다. 그림 1의 트립 지점에서 분배기 바이어스 전류 VT/RB가 입력 누설보다 훨씬 크다면 제로 누설 가정이 성립합니다. 예를 들어 입력 누설 전류의 100배인 분배기 전류는 누설로 인한 입력 임계값 오차를 1% 미만으로 유지합니다. 다른 방법은 누설 유발 임계값 오차를 오프셋 전압 유발 오차와 비교하는 것입니다. 비교기 비이상성이 그림 1 입력 저전압 임계값 방정식을 다음과 같이 변경합니다: (VT ± VOS) × (RB + RT)/RB ± ILK × RT(이전 히스테리시스 전류 방정식과 유사), 이는 (VT ± VOS ± ILK × RB × RT/(RB + RT)) × (RB + RT)/RB로 다시 쓸 수 있습니다. 입력 누설은 비교기 임계값 전압의 오차로 나타나며, 이 오차는 적절한 저항 선택으로 오프셋 전압과 관련해 최소화할 수 있습니다. 즉, ILK × (RB || RT) < VOS.
예를 들어, LTC4367 저전압/과전압 보호 컨트롤러는 UV와 OV 핀에 최대 ±10nA 누설을 가지며 UV/OV 핀 비교기의 500mV 임계값 오프셋 전압은 ±7.5mV(500mV의 ±1.5%)입니다. ±3mV(500mV의 ±0.6%, 또는 7.5mV 오프셋의 절반 미만) 누설 유발 임계값 오차를 예산하면 RB || RT < 3mV/10nA = 300kΩ입니다. 0.5V 비교기 임계값으로 11V 입력 저전압 임계값을 설정하려면 RT = RB × 10.5V/0.5V = 21 × RB가 필요합니다. 따라서 RB || RT = 21 × RB/22 < 300kΩ, RB < 315.7kΩ이 나옵니다. RB의 가장 가까운 1% 표준값은 309kΩ으로, RT는 6.49MΩ이 됩니다. 트립 지점의 분배기 바이어스 전류는 0.5V/309kΩ = 1.62µA로, 10nA 누설 전류의 162배입니다. 비교기의 입력 누설 전류로 인한 임계값 오차 증가를 피하면서 분배기 전류를 최소화할 때 이러한 분석이 중요합니다.
저항 분배기는 동일한 비교기 기반 제어 회로로 전원 공급 장치의 저전압 및 과전압 록아웃 임계값을 쉽게 조정할 수 있게 합니다. 공급 노이즈나 저항은 공급이 임계값을 넘을 때 전원 스위치의 켜짐/꺼짐 채터링을 방지하기 위해 임계값 히스테리시스를 요구합니다. 저전압 및 과전압 록아웃 히스테리시스 구현을 위한 몇 가지 다른 방법이 제시되었습니다. 본질적인 원리는 비교기가 트립할 때 분배기 탭에 어떤 양의 피드백을 두는 것입니다. 보호 컨트롤러 IC의 히스테리시스를 추가하거나 증가시킬 때, 일부 방법은 비교기 출력이나 IC 출력 핀에서 유사한 신호의 가용성에 의존합니다. 저항 값을 선택할 때 비교기의 입력 누설이 임계값 오차의 주요 원인이 되지 않도록 주의해야 합니다. 이 글의 방정식을 포함한 포괄적인 관련 방정식 세트가 다운로드 가능한 스프레드시트에 구현되어 있습니다.
Pinkesh Sachdev는 Analog Devices의 전력 시스템 관리 시니어 애플리케이션 엔지니어입니다. 인도 뭄바이 IIT에서 전기공학 학사, Stanford University에서 전기공학 석사를 취득했습니다. pinkesh.sachdev@analog.com으로 연락 가능합니다.
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임베디드
1960년대에는 매년 14,000명의 근로자가 사망했습니다. 하루 약 38명 꼴이었고, 220만 명 이상이 부상과 질병으로 일할 수 없었습니다. 2018년 노동통계국(BLS) 보고에 따르면 이 수치는 약 5,250명, 하루 약 14명으로 감소했습니다. 같은 기간 미국 고용은 1억 4,600만 명 이상으로 2배 이상 늘었고, 1,000만 개 이상의 사업장에서 일하고 있습니다. 무엇이 달라졌을까요? OSHA 규정과 프로토콜이 전국 수백만 근로자의 안전한 작업 환경을 유지하고 있으며, 그 일부가 적절한 록아웃/태그아웃(Lockout/T
3D 프린팅 부품에 나사산 가공과 인서트 조립에 대해 알아야 할 근본적인 한 가지: 무엇을 제조할 수 있고 없는지는 부품과 인서트 양쪽의 소재 물성에 달려 있습니다. 두 번째 명심할 점: 가능하면 표준 탭과 인서트를 위해 설계하는 게 이득입니다. SLS 및 MJF 부품: 열압입 인서트 (Heat-Set Inserts) 선택적 레이저 소결(SLS) 또는 멀티 제트 퓨전(MJF) 공정으로 프린팅된 나일론 부품은 표준 크기 황동 열압입 인서트를 활용할 수 있습니다. 왜 황동일까요? 황동은 낮은 어닐링 온도의 부드러운 금속입니다. 황
