범용 전력 회로에 적용할 수 있는 하측(low-side) 구동 및 상측(high-side) 구동 기법
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터)의 약자인 MOSFET은 현대 전자 회로에서 널리 쓰이는 반도체 소자입니다. 전력 전자 및 스위칭 제어 분야에서 MOSFET은 빠른 스위칭 속도, 높은 효율, 낮은 전도 손실이라는 장점 덕분에 광범위하게 사용되고 있습니다. 하지만 더 나은 성능을 발휘하려면 회로 내에서의 위치와 시스템 요구사항에 맞춰 MOSFET을 적절하게 구동해야 합니다.
다양한 구동 방식 중에서, 하측 및 상측 구성은 DC-DC 컨버터, LED 조광기, 배터리 구동 시스템과 같은 일반적인 전력 제어에 가장 널리 사용되고 있습니다.
하측 구동
하측 구동 구성에서는 N-MOSFET이 부하와 접지 사이에 배치됩니다 (부하가 상단에, MOSFET이 하단에 위치). 게이트는 MCU나 드라이버의 출력 전압으로 직접 제어됩니다. 이 방식은 LED 조광, 모터 기동, 스위치 제어, 전력 관리, 그리고 대부분의 PWM 제어 시나리오(예: 벅 컨버터)와 같은 응용 분야에 적합합니다.
장점
- MCU로 직접 제어할 수 있어 구동 회로가 간단.
- 빠른 스위칭 속도.
- N-MOSFET을 사용하여 낮은 비용 및 낮은 ON 저항(RDS(on)).
제약 사항
- 접지 측에 전류 서지가 발생하여 신호 품질에 영향을 줄 수 있으므로 접지 분리 및 필터링 필요.
- 상측 전력 스위칭에는 적합하지 않음.
설계 시 고려사항
하측 구동 방식을 설계할 때는 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다:
-
적절한 MOSFET 선택
완전히 도통될 수 있도록 MOSFET의 문턱 전압(Vth)은 구동 전압보다 낮아야 하며, 전력 손실과 발열을 줄이기 위해 ON 저항이 낮은 MOSFET을 선택해야 합니다. 구동 전압과 전류를 고려할 때는, MOSFET을 확실히 켤 수 있을 만큼 충분한 구동 전압을 확보해야 합니다. -
게이트 저항
MOSFET의 스위칭 속도를 제어하고, 전자파 장해(EMI)를 줄이며, 게이트 발진을 방지하기 위해 적절한 게이트 저항을 사용해야 합니다. -
풀다운 저항
오작동을 방지하기 위해 게이트에 풀다운 저항을 포함해야 합니다. 드라이버가 꺼져 있을 때, 풀다운 저항은 플로팅 전압으로 인한 의도치 않은 도통 상태를 막고 MOSFET이 확실히 꺼진 상태를 유지할 수 있도록 합니다. -
PCB 레이아웃 및 접지
전자파 장해를 줄이기 위해 루프 면적은 취소화하고 접지 전위차로 인한 문제를 방지하기 위해 드라이버와 전력 MOSFET간의 접지 연결을 견고하게 해야 합니다.
예시
TI UCC27324 고속 듀얼 MOSFET 드라이버는 고속 스위칭 회로에 사용되며, 최대 4A의 소스 및 싱크 피크 전류를 제공합니다. 출력단을 병렬로 연결하면 단일 채널 구동 능력을 높일 수 있습니다.
TI UCC27324DR의 권장 PCB 레이아웃을 통해 효과적인 레이아웃 실무를 살펴보겠습니다:
- 신호를 PCB의 양면에 배치합니다. 게이트 구동 신호(빨간색, 직렬 게이트 저항 포함)와 리턴 신호(파란색)를 양면 PCB의 서로 반대 면에 두되, 위 아래로 정확히 겹치도록 배치합니다.
- DC 바이패스 커패시터는 최대한 가까이 배치합니다. 넓은 주파수 대역에 걸쳐 낮은 임피던스를 제공하기 위해 두 개의 커패시터를 병렬로 사용합니다. 커패시터 크기가 작고 칩에 가까이 배치될 수록 주파수가 높은 과도 전류를 처리합니다.
- 두 개의 비아를 사용해 경로의 임피던스를 낮춰 리턴 루프의 기생 인덕턴스를 최소화합니다.
- 모든 경우에 신호 경로와 리턴 경로 사이의 루프 면적은 가능한 작게 유지해야 하며, 이는 고속 스위칭 환경에서 EMI를 최소화하기 위한 필수 조건입니다.
기술 팁: 루프 면적이라는 용어는 RF 설계의 안테나 이론과 밀접한 관련이 있습니다. 루프 면적이 커지면 성능 좋은 안테나처럼 작용하여 EMI를 더 많이 방출합니다. 따라서 루프 면적을 줄이는 것은 PCB 레이아웃 설계에서 방사성 방출을 억제하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다.
상측 구동
상측 구동 구성에서는 MOSFET이 전원과 부하 사이에 배치됩니다 (부하가 하단에, MOSFET이 상단에 위치). 일반적으로 P-MOSFET을 사용하거나, 드라이버(부트스트랩)가 포함된 N-MOSFET을 사용합니다. 이 방식은 배터리의 양극 단자 스위칭이나 전력 관리 같은 전원 스위치 제어뿐 아니라 H-브리지, 하프 브리지, 풀 브리지 구동 회로의 상측 제어에 적합합니다.
장점
- 전원 양극 단자 제어에 적합.
- 오프 시 부하의 전원을 차단하여 안정성 향상.
- 리튬 배터리 스위칭 및 역접속 방지 회로에 유용.
제약 사항
- P-MOSFET은 ON 저항(RDS(on))이 높고 성능이 다소 낮음.
- N-MOSFET으로 상측 구동을 하려면 부트스트랩 회로 또는 차지 펌프가 필요.
- 하측 구동에 비해 구동 회로가 더 복잡.
설계 시 고려사항
상측 구동 방식을 설계할 때는 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다:
-
구동 전압 요구사항 고려
상측 N-채널 MOSFET의 소스 전압은 부하 전압에 따라 상승하므로 MOSFET을 완전히 도통시키기 위해서는 게이트 전압이 소스 전압보다 약 10V 더 높아야 합니다. 주로 부트스트랩 회로를 사용해 필요한 상측 구동 전압을 공급합니다. -
부트스트랩 커패시터
부트스트랩 커패시터는 MOSFET이 꺼져 있는 동안 충전해야 하므로 MOSFET을 장시간 도통 상태로 유지해야 하는 경우에는 적합하지 않습니다. -
절연 구동 방식
장시간 도통 상태를 유지해야하거나 높은 신뢰성이 요구되는 응용 분야의 경우, 옵토커플러, 트랜스포머 또는 정전용량형 절연과 같은 절연 구동 방식을 통해 안정적인 상측 구동 전압을 제공할 수 있습니다. 또한, (이러한 절연 구동 방식에는) 소자 손상을 막기 위해 과전압 보호, 저전압 차단(UVLO), 단락 보호와 같은 보호 매커니즘도 포함되어 있습니다. -
PCB 레이아웃
신호 무결성을 확보하고 부적절한 레이아웃으로 인한 EMI 문제를 방지할 수 있도록 기생 인덕턴스와 기생 커패시턴스를 최소화해야 합니다.
예시
onsemi FAN73711은 3.3V 또는 5V 제어 신호로 동작할 수 있는 상측 게이트 드라이버이며, 부트스트랩 메커니즘, 저전압 차단(UVLO), 단락 보호 기능이 내장되어 있습니다.
구동 방식 비교표
| 구동 방식 | 적용 분야 | 장점 | 단점 | 대표 IC 솔루션 |
|---|---|---|---|---|
| 하측 구동 | 단일 채널 스위칭, 저전압 응용 분야(예: 벅 컨버터, LED 조광, 전원 스위치) | 간단한 게이트 구동 설계, 낮은 비용, N-MOSFET를 사용한 빠른 스위칭, 로직 레벨 호환 가능 | 양극 전원 스위칭 불가, 접지 측 전류 서지가 신호 무결성에 영향을 줄 수 있음 | TI UCCx732x, 마이크로칩 MIC4422 |
| 상측 구동 | 상측 부하 제어, 배터리 스위칭, 모터 구동 (하프 브리지 / 풀 브리지) | 양극 전원 제어 가능, 향상된 안전성 (오프 시 부하 전원 차단), 고전압 스위칭에 적합 | 부트스트랩 또는 절연 드라이버 필요, P-MOSFET은 RDS(on)이 높음, 복잡한 구동 전압 요구 사항 | Infineon IRS2007, onsemi FAN73711 |
결론
안정적이고 효율적인 전력 제어 시스템을 구현하기 위해서는 필수적으로 올바른 MOSFET 구동 방식을 선택해야 합니다. 하측 구동과 상측 구동은 수많은 중저전력 응용 분야에서 상황에 맞는 실용적인 솔루션이 될 수 있습니다. 하측 구동은 비용, 구현의 용이성, 그리고 로직 레벨 호환성이 중요한 경우에 적합합니다. 반면, 상측 구동은 양극 전원도 스위칭할 수 있어 배터리 구동 시스템이나 안전한 부하 차단이 필요한 경우에 이상적입니다.
올바른 부품 선정과 적절한 설계 방식이 뒷받침된다면, 이러한 기본 구동 방식들이 다양한 전자 시스템 설계의 견고한 기반이 될 수 있습니다.
적용 가능한 부품 번호
| 디지키 부품 번호 | 제조업체 부품 번호 |
|---|---|
| 296-31999-2-ND,296-31999-1-ND,296-31999-6-ND | UCC27324DGNR |
| 296-27156-2-ND,296-27156-1-ND,296-27156-6-ND | UCC27324DR |
| 296-23486-2-ND,296-23486-1-ND,296-23486-6-ND | UCC27324QDRQ1 |
| 296-12533-5-ND | UCC27324P |
| UCC27324DGNRG4-ND | UCC27324DGNRG4 |
| UCC27324DRG4-ND | UCC27324DRG4 |
| 296-UCC27324PE4-ND | UCC27324PE4 |
| UCC27324PG4-ND | UCC27324PG4 |
| UCC27324DG4-ND | UCC27324DG4 |
| UCC27324DGNG4-ND | UCC27324DGNG4 |
| 296-12531-5-ND | UCC27324D |
| 296-12532-5-ND | UCC27324DGN |
| MIC4422AYM-TR-ND,MIC4422AYM-CT-ND,MIC4422AYM-DKR-ND | MIC4422AYM-TR |
| 576-1194-2-ND,576-1194-1-ND,576-1194-6-ND | MIC4422YM-TR |
| 576-1195-ND | MIC4422YN |
| 576-2321-ND | MIC4422ZT |
| 576-2318-ND | MIC4422AYM |
| 576-1793-5-ND | MIC4422ZM |
| 576-2320-ND | MIC4422ZN |
| MIC4422AZM-ND | MIC4422AZM |
| MIC4422ZM-TR-ND,MIC4422ZM-CT-ND,MIC4422ZM-DKR-ND | MIC4422ZM-TR |
| 576-2319-ND | MIC4422AYN |
| MIC4422AZN-ND | MIC4422AZN |
| 576-4475-5-ND | MIC4422YM |
| MIC4422AZT-ND | MIC4422AZT |
| MIC4422CM-TR-ND | MIC4422CM-TR |
| MIC4422ACM-TR-ND | MIC4422ACM-TR |
| MIC4422CM-ND | MIC4422CM |
| MIC4422ABM-TR-ND | MIC4422ABM-TR |
| MIC4422BM-ND | MIC4422BM |
| MIC4422ACM-ND | MIC4422ACM |
| MIC4422ABM-ND | MIC4422ABM |
| MIC4422AAM-TR-ND | MIC4422AAM-TR |
| MIC4422AAM-ND | MIC4422AAM |
| MIC4422AZM-TR-ND | MIC4422AZM-TR |
| MIC4422CTL2-ND | MIC4422CTL2 |
| MIC4422CTL3-ND | MIC4422CTL3 |
| 576-1522-2-ND,576-1522-1-ND,576-1522-6-ND | MIC4422BM TR |
| MIC4422BN-ND | MIC4422BN |
| MIC4422ABN-ND | MIC4422ABN |
| MIC4422ACN-ND | MIC4422ACN |
| MIC4422ACT-ND | MIC4422ACT |
| MIC4422CN-ND | MIC4422CN |
| MIC4422CT-ND | MIC4422CT |
| IRS2007STRPBFTR-ND,IRS2007STRPBFCT-ND,IRS2007STRPBFDKR-ND | IRS2007STRPBF |
| IRS2007SPBF-ND | IRS2007SPBF |
| 448-IRS2007MTRPBFAUMA1TR-ND,448-IRS2007MTRPBFAUMA1CT-ND,448-IRS2007MTRPBFAUMA1DKR-ND | IRS2007MTRPBFAUMA1 |
| FAN73711MXTR-ND,2832-FAN73711MXTR-ND,FAN73711MXCT-ND,FAN73711MXDKR-ND | FAN73711MX |
| FAN73711M-ND | FAN73711M |
영문 원본: MOSFET Drive Topologies in Power Switching and Control