옴의법칙을기반으로

높은신뢰도시스템에적합한첨단전류감지기능

열 및 전자기 감지 기술은 전류 모니터링과 측정에 사용될 수 있지만 가장 간단한 방법은 옴의 법칙을 이용하는 것이다. 옴의 법칙에 기반을 둔 전류센서는 전원 보호, 배터리 잔량 측정, 동적 전원 제어와 같은 다양한 애플리케이션에 간단하지만 효과적인 회로이다

글: 캔 양(Ken Yang),Maxim Intergrated Produckts Inc

열및 전자기 감지 기술은 전류 모니터링과 측정에 사용될 수 있지만 가장 간단한 방법은 옴의 법칙을 이용하는 것이다. 전류가 저항을 통해 흐르면 전류에 정비례 관계에 있는 전압이 상승한다. 이토록 단순한 전류 감지 기술은 전류 모니터링, 핫 스왑 컨트롤러,잔량 측정 및 오류 방지와 같은 실용적인 응용 분야에 널리 쓰인다. 이 기술은 다음 논의에서 다루는 몇 가지 실제 설계 문제를 야기하기도 한다.

기본적인 하이 사이드 전류 감지 증폭기

저항을 기초로 한 전류 감지는 간단하고 사용하기 쉽고 저렴하고 극히 선형적인데다 캘리브레이션도 필요 없다. 저항에 걸리는 전압은 저항을 통과 하는 전류에 정비례한다는 것이 흔히 옴의 법칙 V = IR로 알려져 있는 것이다. 한 가지 알려두자면, 모든 저항은 저항을 통해 전류가 흐를 때 전력을 소비한다. 전력이 소비되면 열이 발생하게 되고 열이 발생하면 저항에 영향을 미치게 되므로, 감지 저항에서 전력 방출에 대해서는 신중하게 평가해봐야 한다. 감지 저항 값이 커지면 정확성도 좋아지지만 전력을 더 많이 소비하게 된다.

<그림 1> 이 하이 사이드 전류 센서는 전류 측정에 옴의 법칙을 이용한것이다.

P = I2R 이고 여기서 I는 측정 전류, R은 감지 저항이다. 측정 전류의 크기는 설계 파라미터가 아니라 애플리케이션에 특정한 것이므로 감지 저항 값은 ‘줄 발열량(Joule Heating)’을 최소화 하기 위해 가능한한 낮아야 한다. 작은 감지 저항값을 선택하면 저항 전체의 감지전압 레벨이 낮아져서 비교기, 아날로그-디지털 컨버터 또는 기타 외부회로에 대한 인터페이스에 적합한 수준으로 전압을 증폭하기 위한 증폭기가 필요하다. 낮은 감지 전압은 증폭기 고유의 바이어스 전류와 입력 오프셋 전압으로 인한 측정 오류에 취약하다. 예를 들어 실용적인 풀 스케일 감지 전압의 범위는 50mV에서 200mV 사이이다. 증폭기의 최대 입력 오프셋 전압이 ±5mV인 경우 측정 오류는 50mV(풀 스케일)에서 ±10%이고 더 낮은 전류에서는 훨씬 더 나빠진다. 전류 감지 증폭기의 입력 오프셋 전압과 입력 바이어스 전류는 반드시 낮아야 한다. 전용 하이 사이드 전류 감지 증폭기(그림 1)에서는 전류 감지 저항이 전원(예: 배터리)과 부하 사이에 놓인다. 그렇게 배치하면 접지면에서 무관한 저항을 피할 수 있으므로 PC 레이아웃이 대폭 간소해지고 대체적으로 전체 회로 성능이 개선된다. 감지 저항(RSENSE)을 통과하는 전류로 인해 전압 강하가 발생하고 이것을 OP 앰프가 감지하며 MOSFET 트랜지스터를 구동하여 R을 통해 전류를 흘려준다. R을 거치면서 발생하는 전압 강하는 감지 저항을 거칠 때의 전압과 같다

KISENSERSENSE = IOR,

∴IO = KISENSE(RSENSE/R)

따라서 VO = KISENSE(RSENSE/R)RO이다. 센서 출력 전류는 부하 전류에 비례한다. 일반적으로 K 계수만큼 출력 전류를 증가시키기 위해 전류 미러가 포함된다. 전압 출력이 필요한 경우에는 전류 출력과 접지 사이에 출력 저항(RO)을 두어 전류를 전압으로 변환한다. 저항 R과 RO는 공장 출하 시 조정하여 전류 감지 정확도 1%보다 좋은 수준을 쉽게 달성할 수 있다.

<그림 2a> IC가 과부하 오류를 검출할 때 회로 단락 보호 회로가 p채널 MOSFET을 끄고 부하 연결을 끊는다.

전류 모니터 및 보호

고 신뢰성의 전원 회로에는 종종 단락 회로 또는 과부하 방지 기능이 내장 되어 있다(그림 2a). 그림에 표시된 IC(MAX4373 전류 센서)에는 기준 전압, 비교기, 래치가 포함되어 있다. R1과 R2가 트립 전류를 설정한다. 비교기는 기준 전압과 전류 센서 출력 전압을 비교한다. 부하 전류가 최대 허용치에 이르면 비교기 출력이 하이 로직으로 래칭하여 p채널 MOSFET 스위치를 끈다. 그래서 부하로는 전류가 전혀 흐르지 않는다. p-MOSFET은 리셋이 되거나 전원이 바뀌기 전까지는 꺼진 채로 있다. 배터리 충전기와 다른 애플리케이션은 회로 단락으로 인한 과전류와 회로단선으로 인한 저전류 상태가 발생하지 않도록 보호해야 한다. 이런 목적으로 그림 2b의 전류 범위 검출기는 그림 2a 회로와 유사하지만 부족 전류 모니터링을 위한 보조 비교기를 포함한다. 두 비교기 출력은 오픈 드레인이므로 함께‘OR 연결’하거나 별도의 출력으로 남을 수 있다. 모니터링된 전류가범위 밖으로 떨어지면 IC에서 오류 상태 발생이라고 시스템에 경고한다.

<그림 2b> 전류 범위 회로(R1-R4, 비교기, 기준 전압으로 구성)는 회로 단선과 단락 오류를 검출한다.

핫 스왑 컨트롤러

한 가지 예로, MAX5933A 핫 스왑컨트롤러 제품군을 이용하면 백플레인전원 레일에 글리치를 일으키지 않고 작동 상태의 백플레인에서 회로 카드를 안전하게 삽입하고 분리할 수 있다. 시동 중에는 컨트롤러가 전류 레귤레이터 역할을 하여 외부 감지 저항과 MOSFET을 사용하여 부하에 의해 인입되는 전류의 양을 제한한다. 내장 회로는 모니터링되는 전류를 서서히 증가함으로써 큰 돌입 전류의 발생을 피한다. 감지 저항 역시 전류 한계를 설정한다. FB 입력이 회로 단락을 감지하면 IC가 3.9의 계수로 전류 한계를 줄인다(폴드 백). 예를 들어 25mΪ의 감지 저항을 사용하여 정상 작동 전류 한계를 1.88A로 설정하지만 회로 단락이 발생하면 갑자기 그 한계가 480mA로 감소한다. 핫 스왑 컨트롤러에는 전류 한계가 지정된 시간 주기 내에 감소하지 않을 때 MOSFET을 종료하여 전원 버스를 보호하는 타이머가 포함되는 경우가 종종 있다. 다른 핫 스왑 기능으로는 부족 전압, 과전압, 과열 방지 기능이있다.

<그림 4> 잔량 측정 소자는 배터리 팩을 드나드는 전하량을 모니터링함으로써 충전/방전 전류를 추적한다.

잔량 게이지와 배터리 관리 그림 1에 표시된 전류 감지 증폭기는 비교적 간단한 범용 소자이다. 한편, 잔량 측정 및 배터리 관리와 같은 특정 애플리케이션에서는 칩에 추가 기능과 특징을 집적해야 한다(그림 4). 잔량측정은 시스템 성능을 최적화하고 배터리 수명을 늘리기 위해 배터리 용량을 정밀하게 모니터링하는 배터리 애플리케이션에 중요하다. 예를 들어 랩탑 컴퓨터의 배터리 팩에는 충전과 방전을 모니터링하고 감시하기 위한 스마트 잔량 게이지가 내장된 경우가 많이 있다. 이런 측정 장치에는 보통 누적된 충전 및 방전 과정을 추적하는 디지털 쿨롱 카운터가 있다. 따라서 지정된 배터리가 정해진 양(단위: 쿨롱)의 전하를 받아들이면 완전 충전된다. 마찬가지로, 정해진 양의 전하가 배터리에서 빠져나가면 그 배터리는 방전되어 비게 된다.1A의 전류는 1C/s와 같다.따라서 전류를 시간에 대해 적분하면 총 전하량이 나오게 된다.

 전류 감지 증폭기는 배터리 전류를 측정하고 쿨롱 카운터는 충전 또는 방전 사이클동안의 총 전하 흐름을 계산하는 시간 적분기 역할을 한다. 잔량 측정 애플리케이션용 전류 센서에는 양방향 전류 측정 기능이 필요하다. 배터리 팩을 충전할 때 최대 충전량은 사용자가 설정한다. 쿨롱 카운터가 설정 값에 이르면 배터리가 완전 전된 것이기 때문에 마이크로컨트롤러에게 충전을 중단하라는 경고를 보낸다. 마찬가지로, 정상적인 배터리 사용으로 방전되는 중에 게이지는 잔량 게이지 역할을 하여 배터리 용량이 얼마나 남았는지 사용자에게 알려준다. 쿨롱 카운터가 설정된 최소 한계에 이르면 마이크로컨트롤러에 배터리가 비었음을 경고하여 과방전을 예방한다. 따라서 쿨롱 카운터는 과도한 충전이나 방전을 방지하여 배터리 수명을 늘린다. 전류 센서 역시 전류 흐름을 지속적으로 모니터링하여 과부하와 회로 단락을 방지한다. 회로 단락의 경우 전류감지 증폭기는 MOSFET을 종료하여 배터리 연결을 끊음으로써 회로 단락이 발생하지 않도록 회로를 보호한다.

동적 전원 컨트롤러

<그림 5> 이 전류 컨트롤러(MAX4473)는 전원 전류를 동적으로 조정하여 소비전력을 최소화하는동시에 신호 무결성을 양호한 상태로 유지한다	핸드셋 애플리케이션에 사용되는 전력 증폭기(PA)의 경우 PA 전원 전류를 정확하게 제어하면 배터리 사용량과 통화 시간을 극대화할 수 있다. 핸드셋이 기지국 근처에 있어 높은 전송 전력이 필요하지 않으면 PA 전원 전류를줄이면서도 여전히 양호한 전송 신호를 유지할 수 있다.반면, 핸드셋이 기지국에서 멀리 떨어져 있거나 너무 많은 간섭이 존재하면 트랜스미터는 높은 출력 전력과 높은 출력 전류가 필요하게 된다.

따라서 PA 전원 전류를 동적으로 조정하면 소비전력은 최소화하면서도 통화 시간은 극대화할 수 있다. 그림 1의 전류 센서와 유사하지만 PA 전류 컨트롤러(그림 5)에는 오류증폭기가 있고 폐루프에서 작동한다. 그 작동은 전류 소스의 작동과 유사하다. 오류 증폭기(A3)는 RSENSE와 RG1을 거치는 동안의 IR 드롭 사이의 전압차를 비교하여 적분하고 전력 증폭기의 이득 제어(GC) 입력에 그 출력을 공급한다. A3는 이득과 PA 출력 전력을 증가시키고 결과적으로 두 IR 드롭이 같아질 때까지 전원 전류를 증가시킨다. A2, Q1 및 RG3로 구성되는 전압-전류 컨버터는 RG1을 거칠 때의 전압 강하를 제어하고 사용자는 PC 입력을 통해PA 전원 전류를 외부적으로 제어한다.

첨단 전력 감지

배터리가 방전됨에 따라 단자 전압이 바뀌는 노트북 컴퓨터에 장착되는 배터리의 경우 전력 모니터링이 전류 모니터링보다 안전하고 전력 모니터링을 사용하는 것이 더 좋다. 부하로 전달되는 전력은 부하 전압에 부하 전류를 곱한 값으로 정의된다. 따라서 전력 모니터링 집적 회로에는 전압 출력과 아날로그 곱셈기(Multiplier)가 있는 전류 감지 회로가 포함 되어야 한다. 하이 사이드 전류 센서는 부하 전류에 비례하는 출력 전압을 제공하고 그 전압에 부하 전류의 일부를 곱하여 부하 전력에 비례하는 출력 전압을 얻는다. 예를 들어 MAX4210 전력 모니터 IC는 노트북 컴퓨터의 배터리를 모니터링하도록 설계되었다. MAX4210의 공통 모드 전압 범위(4V~28V)는 다양한 배터리 전압을 수용한다. 전류를 측정하려면 전원(배터리)과 부하 사이의 경로에 감지 저항을 삽입한다.

<그림 6> 이 고상(Solid-State)의 전력 감지 회로 차단기는 과전력 오류 발생 시 부하로 흐르는 전류를 차단한다. 수동 리셋(Manual Reset) 버튼을 누르거나 CIN2-에 하이 로직을 적용하면 회로차단기가 리셋된다. 파워 업 중에 과도 전압이 발생하면 INHIBIT 입력이 비교기 COUT1을 일시적으로 중단하여 잘못된 과전력 알람을 방지한다.

그러면 전류 감지 증폭기가 부하 전류에 비례 하는 전압을 아날로그 곱셈기의 한 입력으로 공급한다. 다른 곱셈기 입력은 부하에 연결된 전압 분배기로 연결된다.(곱셈기의 최대 입력 전압은 1.1V에 불과하므로 부하 전압은 반드시 분배기로 감소시켜야 한다.) 이 두 전압을 곱하면 부하 전력에 비례하는 출력 전압이 생성된다. 전류 센서와 같이, 이 아날로그 곱셈기는 높은 정확성을 달성하도록 공장에서 조정된다. 배터리에 회로 단락과 과전력 오류가 발생하지 않도록 막는 데 유용한 정적(Solid-State) 전력 감지 회로 차단기(그림 6)는 과전력 오류를 검출하면 부하로 흐르는 전류를 차단한다. 차단기가 오류를 검출하면 p채널 MOSFET(M1)가 꺼지고 수동 재설정 버튼을 누르거나 CIN2- 입력에 하이 로직을 적용할 때까지는 꺼진 채로 있다. 또한 입력 전력을 사이클링함으로써 회로 차단기를 리셋할 수도 있으며, 이렇게 하면 LE 핀이 로우 상태가 되고 비교기 출력 OUT1의 래치가 해제된다. 비교기(R3-R4-C1)에 연결된 RC 네트워크는 파워 업 과도 전압이 발생하는 중 천이 오류를 방지한다. 따라서 옴의 법칙에 기반을 둔 전류센서는 전원 보호, 배터리 잔량 측정,동적 전원 제어와 같은 다양한 애플리케이션에 간단하지만 효과적인 회로이다. 요즘 생산되는 첨단 IC에는 단가는 저렴하지만 성능은 높은 100% 실리콘전류 감지 시스템을 구현하는 데 필요한 대부분의 소자가 집적되어 있다. 공장 출하 시 정확도가 1%보다 좋은 수준으로 조정된 이런 IC는 시스템 성능,신뢰도, 안전성을 개선한다.

<자료제공: 반도체네트워그 2006년 01월호>