[디지키 테크포럼] 전력 스위칭 및 제어 위한 MOSFET 구동 방식

MOSFET는 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor의 약칭이다. 이 소자는 현대 전자 회로에 널리 쓰이는 반도체 소자다.

MOSFET는 전력 전자·스위칭 제어 분야에서 빠른 스위칭 속도, 높은 효율, 낮은 전도 손실의 장점을 갖는다. 이 같은 특성으로 해당 분야에서 활용된다.

다만 MOSFET의 성능을 구현하려면 회로 내 위치·시스템 요구 사항에 맞는 구동이 필요하다. 구동 방식은 이러한 조건에 맞춰 정해진다.

여러 구동 방식 가운데 로우사이드·하이사이드 방식은 DC-DC 컨버터, LED 밝기 조절 장치, 배터리 구동 시스템 등 일반 전력 제어에 활용된다. 이들 방식은 범용 전력 제어에서 쓰인다.

이 가운데 로우사이드 구동은 N채널 MOSFET(N-MOSFET)의 배치 위치가 부하와 접지 사이인 구성을 이룬다. 위치 관계로 보면 부하가 상단에 있고 MOSFET가 하단에 놓인다.

로우사이드 구동에서는 게이트를 마이크로컨트롤러(MCU) 또는 드라이버 출력 전압으로 직접 제어한다. 이를 통해 로우사이드 구동의 제어 구조가 구성된다.

이 방식은 LED 밝기 조절과 모터 기동, 스위치 제어, 전력 관리에 적용될 수 있다. 또한 벅 컨버터와 같은 PWM 제어에도 적합하다.

장점으로는 MCU가 직접 제어할 수 있다는 점과 구동 회로가 단순하다는 점이 꼽힌다. 여기에 스위칭 속도가 빠르고, N-MOSFET의 비용이 낮으며, N-MOSFET의 온저항(RDS(on))이 낮다는 점도 강점으로 제시된다.

반면 이 방식은 접지 측에서 전류 스파이크가 발생할 수 있다는 제약이 있다. 이에 따라 신호 품질이 저하될 가능성이 있다.

이 같은 문제에 대응하려면 접지를 분리할 필요가 있고 필터링도 필요하다. 아울러 이 방식은 하이사이드 전력 스위칭에는 부적합하다.

따라서 설계에서는 적절한 MOSFET 선택이 필요하다. 선정 기준으로는 게이트 문턱 전압(Vth)이 구동 전압보다 낮은 MOSFET와 전력 손실·발열 저감을 위한 낮은 온저항 MOSFET이 제시된다. 또한 구동 전압·전류를 반영해야 하며, MOSFET가 완전 턴온할 수 있는 충분한 구동 전압도 확보해야 한다.

MOSFET 구동 시에는 안정성과 노이즈 억제를 위해 적절한 게이트 저항을 사용할 필요가 있다. 게이트 저항을 통해 MOSFET 스위칭 속도를 조절할 수 있고, EMI를 저감할 수 있으며, 게이트 전압의 불필요한 진동도 억제할 수 있다.

게이트 풀다운 저항의 연결도 필요하다. 드라이버가 오프일 때는 풀다운 저항으로 MOSFET의 오프 상태를 유지해야 하며, 게이트 플로팅 상태를 방지하고 MOSFET의 의도치 않은 턴온을 막을 필요가 있다.

PCB 레이아웃과 접지 설계의 최적화도 필요하다. EMI 저감을 위해 루프 면적을 최소화해야 하며, 드라이버와 전력 MOSFET의 접지를 안정적으로 연결해 접지 간 전압 차이로 인한 문제를 방지할 필요가 있다.

이와 함께 TI UCC27324 고속 듀얼 MOSFET 드라이버는 고속 스위칭이 필요한 회로에 사용된다. TI UCC27324는 최대 4 A 피크 소스·싱크 전류를 제공하며, 출력단을 병렬로 연결하면 단일 채널의 구동 능력을 향상시킬 수 있다.

TI UCC27324DR의 권장 PCB 레이아웃을 예로 들면, 루프 면적을 줄이기 위한 구체적 배치 방법을 확인할 수 있다. 공통 원칙은 신호 경로와 리턴 경로 사이의 루프 면적을 최대한 축소하는 데 있다.

게이트 구동 패턴과 리턴 패턴은 2층 PCB의 반대 면에 배치하고, 상하 중첩 설계를 적용한다. 게이트 구동 패턴은 빨간색으로 구성되며 직렬 게이트 저항을 포함하고, 리턴 패턴은 파란색으로 표기된다.

DC 바이패스 커패시터는 2개를 병렬로 사용한다. 2개 커패시터를 사용하는 목적은 넓은 주파수 범위에서 낮은 임피던스를 유지하는 데 있으며, 이 가운데 작고 더 가까운 커패시터는 고주파 과도 현상에 대응하는 역할을 한다.

비아는 2개를 사용한다. 2개 비아의 목적은 저임피던스 경로를 확보하는 데 있고, 이에 따라 리턴 루프의 기생 인덕턴스를 최소화하는 효과를 낸다.

이처럼 패턴 중첩, 바이패스 커패시터의 근접 병렬 배치, 2개 비아의 활용은 모두 신호 경로와 리턴 경로의 루프를 줄이는 방향으로 연결된다. 루프 면적 축소는 고속 스위칭 환경에서 EMI를 저감하는 핵심 설계 요소로 의미를 갖는다.

기술팁으로는 루프 면적이 무선 주파수(RF) 설계의 안테나 이론과 밀접하게 관련된다는 점이 제시된다. 루프 면적이 증가하면 안테나처럼 작용해 EMI 방출이 증가하며, 따라서 PCB 레이아웃에서 루프 면적을 축소하는 것은 복사 방출을 억제하는 효과적 방법 중 하나다.

하이사이드 구동 방식에서는 MOSFET이 전원과 부하 사이에 배치된다. 위치 관계로는 MOSFET이 상단에 놓이고 부하가 하단에 놓이는 구조다. 일반적으로는 P채널 MOSFET(P-MOSFET)이 선택된다. 대안 구성으로는 부트스트랩 드라이버와 N-MOSFET 조합이 쓰인다.

이 방식은 배터리 양극 스위칭에 적용된다. 또한 전력 관리 계열 전원 스위치 제어에도 적용된다. 전원 스위치 제어의 한 형태로 활용되는 셈이다.

브리지 회로에서도 활용 범위가 넓다. H-브리지 하이사이드 제어에 적용되며, 하프브리지 하이사이드 제어에도 적용된다. 풀브리지 하이사이드 제어에도 쓰인다.

하이사이드 구동의 장점은 전원 양극측 제어가 가능하다는 점이다. 차단 시에는 부하 전원 공급이 중지돼 안전성이 향상된다. 또한 리튬 배터리 스위칭에 적합하고, 역극성 보호에도 적합하다.

다만 일반적으로 쓰이는 P채널 MOSFET(P-MOSFET)에는 제약이 있다. P-MOSFET은 온저항이 높다. P-MOSFET의 성능도 다소 낮다.

N-MOSFET을 하이사이드 구동에 적용할 때에는 추가 회로가 필요할 수 있다. 부트스트랩 회로가 필요할 가능성이 있고, 차지 펌프가 필요할 가능성도 있다. 이 때문에 하이사이드 구동은 로우사이드 구동 대비 구동 회로가 복잡하다.

하이사이드 구동 회로를 설계할 때는 구동 전압 요구 사항을 우선 확인할 필요가 있다. 하이사이드 N-MOSFET의 소스 전압은 부하 전압에 따라 상승하므로, 설계의 출발점은 충분한 게이트-소스 전압을 만들 수 있는 구동 전압을 확보하는 데 있다.

MOSFET이 완전 턴온되기 위한 조건은 게이트 전압이 소스 전압보다 약 10 V 높은 것이다. 이러한 필요한 하이사이드 구동 전압을 확보하는 수단으로는 주로 부트스트랩 회로가 사용된다.

다만 부트스트랩 커패시터는 MOSFET이 오프인 동안 충전될 필요가 있다. 이 때문에 부트스트랩 방식은 MOSFET의 장시간 연속 온 구동 용도에는 부적합하다.

따라서 장시간 구동이 필요하거나 높은 신뢰성이 요구될 때는 절연 구동 방식을 고려할 필요가 있다. 절연 구동 수단의 예시로는 옵토커플러·트랜스포머·정전용량 절연이 있으며, 절연 구동 방식은 안정적인 하이사이드 구동 전압 확보가 가능하다. 또한 소자 손상 방지용 보호 기능도 적용할 수 있으며, 과전압 보호·저전압 차단(UVLO)·단락 보호가 이에 해당한다.

PCB 레이아웃에서는 최적화가 필요하다. 설계 과정에서는 기생 인덕턴스를 최소화할 필요가 있고, 기생 커패시턴스를 최소화할 필요도 있다. 이는 신호 무결성을 유지하기 위한 목적과 레이아웃 기인 EMI를 방지하기 위한 목적에 따른 것이다.

이와 함께 하이사이드 게이트 드라이버인 온세미 FAN73711이 제시된다. 온세미 FAN73711은 3.3V 제어 신호로 동작 가능하며, 5V 제어 신호로도 동작 가능하다.

온세미 FAN73711은 부트스트랩 기능을 내장하고 있다. 또한 UVLO를 제공하며, 단락 보호 기능도 제공한다.

MOSFET 구동 방식 가운데 로우사이드 구동은 단일 채널 스위칭에 적용되며, 저전압 회로에도 적용된다. 적용 예로는 벅 컨버터, LED 밝기 조절, 전원 스위치가 있다.

로우사이드 구동의 장점으로는 게이트 구동 회로가 단순하다는 점과 비용이 낮다는 점이 제시된다. 또한 N-MOSFET 사용을 기반으로 빠른 스위칭이 가능하며, 로직 레벨 신호와도 호환된다.

반면 로우사이드 구동은 전원 양극 측 스위칭이 불가하다는 제약이 있다. 접지 측 전류 스파이크가 발생할 가능성이 있으며, 이 접지 측 전류 스파이크는 신호 무결성에 영향을 줄 가능성도 있다. 대표 IC 솔루션으로는 TI UCCx732x와 마이크로칩 MIC4422가 있다.

하이사이드 구동은 하이사이드 부하 제어와 배터리 스위칭, 모터 구동(하프브리지/풀브리지) 용도로 쓰인다. 하이사이드 구동의 장점은 전원 양극 측 제어가 가능하다는 점이다. 또한 꺼짐 상태에서 부하 전원을 차단해 안전성을 향상할 수 있고, 고전압 스위칭에도 적합하다.

반면 하이사이드 구동은 부트스트랩 회로나 절연 드라이버가 필요하다는 단점이 있다. P-MOSFET의 온저항이 높고, 구동 전압 설계도 복잡하다. 하이사이드 구동의 예시 제품으로는 인피니언 IRS2007과 온세미 FAN73711이 있다.

적절한 MOSFET 구동 방식의 선택은 안정적·효율적 전력 제어 시스템 구현에 중요하다. 로우사이드·하이사이드 구동은 저전력 및 중전력 응용 분야의 실용적 선택지다.

비용이 중요하고 구현 편의성이 중요하며 로직 레벨 호환성이 중요하면 로우사이드 구동이 적합하다. 반면 양(+) 전원선 스위칭이 필요하면 하이사이드 구동이 적합하다.

하이사이드 구동은 배터리 구동 시스템에도 적합하다. 또한 안전한 부하 차단이 필요할 때에도 하이사이드 구동이 적합하다.

적절한 부품과 설계 방식을 적용하면, 해당 기본 구동 방식은 다양한 전자 시스템 설계의 기반으로 활용될 수 있다.

이 같은 내용은 DigiKey의 TechForum/Article를 참조하면 된다.

출처: 테크월드뉴스 · 이광재 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406704

참고자료

• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406704