고신뢰성 전원 시스템 설계

고신뢰성 시스템을 설계하기 위해서는 결함 허용 설계 기법을 적용하고, 예상되는 환경 조건으로 동작할 수 있는 적합한 부품을 선택하며 요구되는 표준 규격을 준수해야 한다. 여기서는 고신뢰성 전원 시스템을 구현할 때 적용할 수 있는 반도체 솔루션과, 설계를 간소화하고 부품 신뢰성을 향상시키는 새로운 제품들에 대해 살펴본다.

Steve Munns   Linear Technology Corporation


고신뢰성 전원 시스템의 요구사항
 


이상적인 고신뢰성(High-Reliability) 시스템은 어떤 결함도 일으키지 않아야 하며 결함이 발생하더라도 어느 정도 성능 저하를 감수하고 시스템을 계속 가동할 수 있는 방식으로 결함을 차단할 수 있어야 한다. 또 그러한 결함이 하위 장치나 상위 장치로 전달되지 않도록 한정시킬 수 있어야 한다.
부하를 역동적으로 공유하거나 결함이 발생할 때를 대비하여 대기하는 병렬 회로의 형태로서, 내부적으로 중복성(Redundancy)을 통합하는 것이 한 가지 해결책이다. 이러한 경우 결함 검출과 관리를 위해 추가적인 오버헤드 회로가 필요하므로 전반적인 복잡성이 가중되고 비용이 증가한다. 또 어떤 시스템의 경우에는 상이성을 높이고, 공통적인 결함 메커니즘에 의한 위험성을 회피하기 위해 서로 상이한 병렬 회로를 채택하기도 한다. 일례로 항공기 비행 제어 시스템을 들 수 있다.
복잡성이 높은 시스템에서는 전원장치 성능과 높은 변환 효율, 우수한 열 관리가 중요하게 요구된다. 접합부 온도가 10℃ 상승할 때마다 IC의 수명이 절반으로 감소하기 때문이다. 새롭게 출시된 풍부한 기능성의 전원장치 IC와 전용적인 전원 관리 기능들을 이용함으로써 IC 자체와 주변 시스템을 더 우수하게 보호할 수 있게 되었다.

전원 레귤레이터의 안전성 기능 - 출력 전류 제한

이 기능은 전에 없던 새로운 기능은 아니지만, 보다 정확하고 정교하게 구현할 수 있게 되었으며 사용자 프로그래머블 기능들을 추가함으로써 더 유연해졌다. 이러한 제품으로 그림 1에 나타난 LT3667이 있는데, 이 제품은 40V 400mA 스텝다운 스위칭 레귤레이터에 2개의 결함 보호 LDO(Low-Drop Out) 선형 레귤레이터를 결합한 것이다. 내부적 보호 회로로 역 배터리 보호, 전류 제한, 온도 제한, 역 전류 보호를 포함한다.
이 IC의 스위칭 레귤레이터 부분은 스위치 전류 제한과 캐치 다이오드 전류 제한 둘 다 포함하여 결함 조건 시 출력 전류를 단락 출력처럼 제어한다. 또한 2개의 선형 레귤레이터는 각각 개별적인 사용자 프로그래머블 전류 제한을 적용한다. 그림 1의 애플리케이션 예에서는 R7과 R8을 이용해서 이를 100mA로 설정하고 있다.
이러한 기능들은 결함이 발생했을 때 디바이스 자신뿐만 아니라 하위 장치까지 보호하도록 한다.

입력 전류 제한

이 기능은 태양광 전지로부터 에너지를 포집하는 것과 같은 회로에서 널리 이용되고 있다. 이 경우에는 높은 임피던스 소스로 인한 소스 전압 붕괴(Source Voltage Collapsing)를 방지하기 위해 전류를 신중하게 제어해야 한다.  이 기법은 상위 장치들을 과부하로부터 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 그림 2와 같이 백업 전원에서 대형 커패시터를 보호하고 안전하게 충전해야 하는 경우에 안전성 기능으로 이용할 수도 있다.
LTC3128은 프로그래머블 ±2% 정확도의 평균 입력 전류 제한을 포함한다. 이 애플리케이션에서는 3A의 입력 전류 한계를 설정하고 있으며, 수퍼커패시터 백업 회로가 벅-부스트 컨버터를 통해 메인 부하에 소모되지 않는 “여분”의 전류만 가져다 쓴다.

온도 보호

온도 보호(Thermal Protection)는 전력 트랜지스터를 내부적으로 통합한 전원 레귤레이터 IC에 통상적으로 채택되고 있다.
앞에서 설명한 LTC3128의 경우에는 약 165°℃에 이를 경우 온도 셧다운이 트리거 되고, 이 온도가 155℃ 정도로 떨어질 때까지는 작동하지 못한다.
그런데 이 제품은 높은 전류에서 대형 커패시터를 충전할 때 온도 셧다운으로 전환하는 것을 피할 수 있도록 온도 레귤레이터를 포함한다. 이 기능은 다이 온도가 135℃를 넘으면 평균 전류 제한을 점차적으로 낮추는 방식으로 작동한다.
8출력 벅 레귤레이터인 LT3375와 같은 제품은 다이 온도 출력을 제공하며, 사용자가 다이 온도 임계값 3개 중 하나를 설정할 수 있다.

다중 입력 소스 제어

메인 전원과 중복적 백업, 그리고 외부적 보조 전원을 포함하는 전원장치 시스템은 어느 전원이 우선순위를 가질 것인지 중재하고, 각각의 상태를 모니터링 하기 위한 시스템을 필요로 한다.
또한 시스템이 소스 스위칭 시 상호 전도나 역류(Back-Feeding)를 일으키지 않도록 해야 한다. LTC4417과 같은 단일칩 IC는 단일 솔루션이며, 각각의 입력에 대해 사용자가 지정한 전원 범위 유효성을 기반으로 소스를 자동 선택할 수 있다.
또 다른 방법은 동시에 동작하는 2개의 입력 소스 사이에서 부하를 공유하도록 하는 것이다. 각각의 소스에 대한 부담을 낮추고 동시에 이들 소스 각각이 전체적인 부하 요구를 지원하는 데 적당한 크기로 되어 있을 때, 한 소스에서 발생한 결함에 대해 보호를 제공하여 신뢰성을 높일 수 있다. 기존에는 간단하지만 효율은 떨어지는 다이오드-OR 구성을 이용했으나, 이 방법은 밸런싱을 위해 각각의 전원을 동적으로 제어해야 했다.
그림 3에 나타난 것은 단일 칩 솔루션을 이용해서 이 기법을 수행하는 것이다. LTC4370은 역류 차단 기능이 있는 전류 공유 컨트롤러이며, 한 전원에서 일어난 결함으로 인해 전체 전원 시스템이 중단되는 것을 방지한다.

트랜션트 보호

군용 및 항공기 전자장비 시스템은 MIL-STD-1275(차량)와 MIL-STD-704/DO-160(항공기) 같은 트랜션트 보호 규격을 준수해야 한다. 하지만 전압 서지, 스파이크, 리플에 대한 보호는 어느 고신뢰성 시스템에서나 바람직하며, 이 기능을 전문적으로 이용하기 위한 제품들이 나와 있다. 실리콘 프로세스 기술이 발전함에 따라 이제 레귤레이터 IC가 100V 이상 입력 전압으로 동작할 수 있게 되었으며, 전문적인 트랜션트 보호 IC는 더 많은 기능과 제어를 제공한다.
그림 4에서 LTC4364는 출력을 27V(사용자 프로그램 가능)로 클램핑함으로써 하위 레귤레이터들을 트랜션트에서 보호하고 입력 단락 회로나 차단·리셋 조건 시 출력을 유지하도록 한다.

디지털 전원 시스템 관리

새로운 제품들은 아날로그 전원 레귤레이션의 이점과 2와이어 PMBus I2C기반 디지털 인터페이스 프로토콜을 통해 전원 시스템의 원격 관리를 가능하게 하는 디지털 제어의 이점을 결합하고 있다. 텔레메트리 및 진단 데이터를 이용해서 부하 조건을 모니터링하고, 결함 기록을 확인하며 ±0.25% 정확도로 트리밍 및 마지닝을 가능하게 함으로써 시스템 효율과 신뢰성을 극대화할 수 있다.
이러한 시스템은 시간 기반의 유지보수 일정에서 조건 기반의 유지보수로 전환할 수 있는 가능성을 제공하며, 시스템 결함 조건이 실제로 발생하기 전에 성능 저하를 일으킬 수 있는 잠재적인 문제를 알려줄 수 있다.

절연형 시스템

고신뢰성 항공기 전원 시스템은 통상적으로 수백 또는 수천 와트 정격에 이르는 하위 LRU(Line Replaceable Unit) 장비에서 일어나는 결함으로부터 항공기 전원 버스를 보호하기 위한 절연 벽을 포함하고 있다. 또한 센서와 엑추에이터의 숫자가 증가함에 따라 접지 루프와 동상 모드 간섭으로 인한 잡음 유발 문제를 줄이기 위해, 갈수록 더 소형화되고 국부적으로 절연을 이루고 있는 전원장치 및 데이터 인터페이스를 필요로 한다. 이제 포괄적인 갈바니 절연 BGA 모듈 솔루션을 이용할 수 있어 설계를 간소화하고 신뢰성을 높일 수 있게 되었다.
무선 전력 전송 분야에서는 LTC4120을 이용함으로써 2W 배터리 충전 시스템이 가능해졌다. LTC4120은 PowerbyProxi와 공동 개발한 것으로, 이 회사의 특허기술인 DHC(Dynamic Harmonization Control) 기법을 적용해 무선 전원 시스템에서 통상적으로 수반되는 열 또는 과전압 문제를 일으키지 않으면서도, 최대의 TX 대 RX 코일 거리 및 부정 정렬로 고효율 비접촉 충전이 가능하다.

부품 선택

이제까지 고신뢰성 전원 시스템의 설계를 간소화하는 새로운 기능들과 결함 조건 및 부주의하게 취급했을 때 디바이스를 보호하기 위한 제품 기능에 대해 살펴보았다. 하지만 부품의 품질과 예상 환경 조건에 대한 적합한 부품 선택 또한 중요하다는 것을 간과하지 않아야 한다.
예를 들어 리니어 테크놀로지의 군용 플라스틱 등급 제품은 －55℃∼＋125℃에 걸친 100% 테스트를 통과함에 따라 보장된 성능을 제공한다. 따라서 혹독한 조건에서 작동해야 하는 애플리케이션 회로에서 적합한 부품을 선별하거나 특성을 분석하기 위해 추가적인 비용을 들일 필요가 없다.

사용자 프로그래머블 기능들과 더욱 정교해진 온칩 보호 메커니즘을 이용함으로써 고신뢰성 전원 시스템의 설계를 크게 간소화할 수 있다. 디지털 전원 시스템 관리는 전원 시스템을 원격적으로 모니터링 및 제어할 수 있으며, 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 신뢰할 수 있는 업체로부터 적합한 등급의 부품을 선택해 품질과 신뢰성 측면에서 발생될 수 있는 문제를 방지할 수 있다.