이상적인 정류기 브리지

소개

지난 몇 십 년 동안, 에너지 효율성 향상은 전자기기 설계에서 중요한 도전 과제가 되었으며, 특히 배터리로 작동하는 장치와 전원 공급 장치에서 중요한 문제로 떠올랐습니다. 전통적인 전압 정류 방법과 역극성 보호 방법은 일반적으로 사용되지만, 이들 방법은 상당한 전력 손실로 인해 열 요구 사항이 증가하고 설계 제약을 초래하므로 이상적인 방법은 아닙니다.

이 문서는 이 문제에 대한 혁신적인 접근 방식에 중점을 둡니다. 즉, MOSFET을 정류 다이오드 대신 사용하는 방법입니다. 이상적인 다이오드로 사용되는 이러한 트랜지스터는 전력 손실을 크게 줄여주며 복잡하고 비용이 많이 드는 냉각 시스템의 필요성을 없앱니다. 첫 번째 부분에서는 역극성으로부터 시스템을 보호하는 입력 회로에서 다이오드 대신 MOSFET을 사용하는 방법에 대해 다룰 것입니다. 두 번째 부분에서는 MOSFET 제어 기술의 발전이 어떻게 전원 공급 장치 설계를 혁신하고, 더 높은 에너지 효율성과 더 작은 크기의 시스템으로 이어질 수 있는지 분석할 것입니다.

역극성 보호를 위한 전통적인 접근법

모바일 배터리 장치 개발 초기부터, 설계자들에게는 전력 손실을 최소화하면서 효과적인 역극성 보호를 보장하는 것이 큰 과제가 되어왔습니다. 역극성 보호를 위한 전통적인 접근법은 전원 공급 장치와 직렬로 정류 다이오드를 사용하는 방법입니다(그림 1 참조). 이 다이오드는 전원 공급 회로에 배치되어 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하여, 역극성으로 인한 장치 손상을 방지합니다. 효율성을 약 50% 향상시키는 최적화의 첫 번째 단계는 정류 다이오드를 쇼트키 다이오드로 교체하는 것이었으며, 이는 전압 강하를 0.6-0.7V에서 약 0.3-0.4V로 줄였습니다. 이 방법은 일반적으로 사용되지만, 전압 강하와 전력 손실 등의 단점이 있습니다. 배터리 응용 프로그램을 위한 전압 강하가 250-300mV인 특수 다이오드가 개발되었음에도 불구하고, 전통적인 해결 방법은 여전히 최적은 아닙니다.

그림 1: 전통적인 역극성 보호

그림 1에서 제시된 방법은 에너지 효율이 중요한 배터리 장치에서 오랫동안 허용 가능한 방법이었으며, 전력 손실은 어느 정도 "비용에 반영"되었습니다. 그러나 이 방법은 더 많은 전력을 소비하는 장치에는 전혀 적합하지 않았습니다. 이러한 장치의 예로는 CB 라디오, 자동차 오디오 시스템, 멀티미디어 시스템 등 자가 설치를 위한 다양한 자동차 장비가 있습니다. 이러한 경우, 그림 2와 같이 전원 공급 수신기와 병렬로 입력 다이오드를 사용하는 것이 일반적이었습니다. 그러나 이 구성은 잘못된 극성이 발생했을 때 회로 손상에 대해 100% 보호를 제공하지 않았습니다.

그림 2: 고전류 장치에서 사용되는 역극성 보호

MOSFET 트랜지스터를 사용한 역극성 보호

MOSFET 트랜지스터의 대중화와 보급으로, 그림 3과 같이 다이오드 구성으로 사용된 MOSFET이 효과적인 해결책으로 등장했습니다.

그림 3: MOSFET을 이용한 역극성 보호:

A) P채널 MOSFET 사용 B) N채널 MOSFET 사용

이상적인 다이오드 구성은 트랜지스터의 RDS(ON) 값과 부하 전류에 의해 결정되는 낮은 전압 강하를 제공합니다. 예를 들어, 전류가 1A이고 RDS(ON)=10mΩ일 경우, 트랜지스터를 통한 전압 강하는 10mV에 불과합니다. 이는 일반 다이오드(600mV)나 쇼트키 다이오드(350mV)의 전압 강하에 비해 무시할 수 있는 수준입니다.

그림 3에서 보이는 MOSFET 트랜지스터를 사용하는 구성에는 역극성 보호 장치의 관점에서 큰 문제는 없지만, 위 구성을 이상적인 다이오드라고 부를 수 없게 만드는 단점이 있습니다. 만약 부하 측에서 MOSFET을 열 수 있는 전압이 발생하면, 입력 측에서도 전압이 발생하게 됩니다. 따라서 배터리나 큰 용량의 부하 측(그림 4와 같이)을 사용할 경우, 추가 회로나 시장에서 제공되는 전용 드라이버가 필요합니다.

그림 4: 부하 측에서 큰 용량이나 트랜지스터를 열 수 있는 전압이 발생할 때 회로가 작동하지 않음

시장에서는 이상적인 다이오드의 컨트롤러 역할을 하는 많은 완제품 솔루션을 찾을 수 있습니다. 예를 들어:

• DZDH0401DW는 Diodes Incorporated에서 제공하며, 약 34mV의 입력과 부하 간 전압 차이에서 MOSFET을 차단합니다.
• MAX16171는 Maxim Integrated에서 제공하며, 역전류 보호 기능을 갖춘 고급 이상적인 다이오드 컨트롤러입니다.
• LM66100는 Texas Instruments에서 제공하며, 5V 공급 장치로 작동하는 시스템에 적합한 통합 MOSFET이 있는 이상적인 다이오드 솔루션입니다.

결론

전통적인 역극성 보호 방법은 그 목적을 잘 수행해왔지만, MOSFET을 사용하는 방법은 더 효율적이고 효과적인 대안을 제시하며, 전원 공급 장치 설계 및 에너지 효율성 향상에 기여할 수 있는 길을 열어줍니다. 배터리로 작동하는 장치나 외부 전원 공급 장치로 작동하는 장치에서의 전통적인 역극성 보호에는 단일 MOSFET 트랜지스터를 사용하는 간단한 회로만으로 충분합니다. 그러나 다이오드의 특성을 유지하면서 신뢰성을 높이기 위해서는 시장에서 제공되는 고급 회로를 사용하는 것이 필요합니다.