항공 및 방위 애플리케이션의 전원 보호
Linear Technology는 30년 가까이 방위 산업에 이용되는 고성능 아날로그 IC 제품들을 공급하고 있으며 앞으로 계속해서 이 시장의 특수한 요구를 충족하는 제품들을 제공할 것이다. Linear Technology는 우수한 품질과 0.1 FIT의 뛰어난 신뢰성 수준으로 산업용, 자동차, 군용 온도 범위를 포함한 다양한 등급의 제품들을 제공한다.

Steve Munns / 리니어 테크놀로지스 제품 마케팅

LRU
(Line Replaceable Unit: 현장 교환 품목)는 표준적 물리 및 전기 인터페이스를 공유하는 모듈러 서브시스템이다. LRU는 군용 및 민간 항공 분야에 널리 이용되고 있으며, 이를 이용함으로써 장비를 간편하게 교체할 수 있으므로 원격지 위치에서 유지보수 작업을 간소화할 수 있다. 호환 가능하고 혹독한 환경으로 신뢰할 수 있게 동작하기 위해서는 각각의 LRU를 엄격한 기준들을 준수하도록 설계해야 한다.
본 글에서는 LRU의 전력 인터페이스에 대해서, 특히 하위 DC/DC 컨버터와 리니어 레귤레이터를 전압 스파이크, 서지, 리플 같은 전원 이상으로부터 보호하는 문제에 대해서 살펴보려고 한다.

스파이크, 서지, 리플
스파이크와 서지에 대한 정의가 표준들 간에 다소 차이가 있다. 군용 분야는 각각의 국가에서 각자 국가 표준을 개발하고 있고, 항공 분야는 항공기 제조업체들이 각자의 규격을 내놓고 있으며, RTCA(Radio Technical Commission for Aeronautics)에서 이 두 분야를 연결하기 위한 국제 표준을 개발한다. (표 1)은 3개 주요 표준과 이들 표준의 트랜션트 요구에 대해서 요약적으로 보여주고 있다.
여기서는 지면 사정상 이들 요구를 요약해서 보여주고 있으나 각각의 표준이 상세한 성능 범위 다이어그램과 테스트 조건을 정의하고 있다. MIL-STD-1275D generator only 모드의 리플 규격은 최악 상황 예로서, 정상 동작 모드일 때는 안정 상태로부터 ±2V이다. 그 밖에도 군용기에 대해서 영국의 DEFSTAN 61-5(part 6) 같은 다수의 국가 표준들이 존재한다. 영국의 이 표준은 12V 및 24V 시스템을 제외하고는 MIL-STD-1275D의 요구와 대부분 비슷하다.
시스템을 지정된 최악 상황 조건들을 견딜 수 있도록 설계해야 하나, 통상적으로는 지정된 트랜션트에 대해서 사전에 정해진 안전성 셧다운 지점에 도달할 때까지 계속해서 작동할 수 있는 회로를 개발하는 것을 목표로 한다. 때로는 억제 장치의 물리적 크기 때문에 허용된 LRU 박스 규격으로 표준을 완벽하게 준수하는 것이 불가능할 수 있는데 이럴 때는 고객과 업체가 협의해서 규격을 수정해야 한다.
이러한 변칙성 때문에 모두의 요구를 충족하는 단일 솔루션을 개발하기가 어렵고 프로젝트마다 표준의 요구가 크게 달라짐으로써 LRU의 동작 환경에 따라서 표준의 요구를 수정해야 한다. 이에 따라서 디자이너들이 보호 회로에 대해서 상황에 따른 접근법을 택하고 있다.

해결 과제
먼저 전압 스파이크부터 살펴보면, 전압 스파이크는 수백 볼트가 수십 마이크로초 동안 지속되는 것인데, 원인은 낙뢰나 부하 스텝의 인덕티브 결합 때문에 발생하는 것이다. 현재 LRU 커넥터 어셈블리에 트랜션트 전압 억제기를 이용하고 PI 필터와 페라이트 비드 구조를 결합한 솔루션이 효과적이고 공간적으로 효율적이다.
이보다 좀더 어려운 과제가 부하 덤프 때문에 수십 또는 수백 밀리초 동안 일어나는 100V 미만의 전압 서지를 방지하는 것이다. 이러한 전압 서지는 한 부하 회로가 차단되면서 제너레이터 상의 전압과 그리고 동일한 전원을 공유하는 다른 부하들로 전압이 짧은 간격 동안 급격히 상승함으로써 일어나는 것이다. 한 가지 해결책은 직렬 인덕터와 높은 값의 전해질 바이패스 커패시터로 이루어진 수동 네트워크를 이용하고 여기에 트랜션트 전압 억제기와 퓨즈를 결합하는 것이다. 이러한 솔루션은 크기가 크고 여전히 일부 높은 전압을 전달시킬 수 있으므로 하위 장치들이 그렇지 않았으면 필요하지 않았을 높은 입력 전압을 허용해야 한다.
업계 곳곳에서 개별적으로 디자이너들이 MOSFET 통과 소자를 이용해서 디스크리트 부품 기반의 능동 솔루션을 개발해 왔으나 이러한 솔루션은 센싱, 제어 루프, 통과 트랜지스터 회로를 최적화하기 위해서 상당한 작업 시간을 필요로 한다.
MOSFET 통과 소자를 과열을 일으키지 않도록 보호하고 이의 안전 동작 구역(SOA; safe operating area)을 유지하도록 하는 것이 이 디자인의 아주 까다로운 작업이다. 때로는 MOSFET을 출력 단락 회로 결함으로부터 보호하기 위해서 퓨즈를 필요로 하기도 한다. 당연히 퓨즈가 끊어져서 교체해야 할 때 항공기 운항에 달갑지 않은 차질을 빚거나 중요한 군용 장비가 중요한 작전을 수행할 때 일시적으로 사용할 수 없게 될 수 있다.
LT4356 서지 스톱퍼 IC는 전압 서지 문제를 해결할 수 있는 솔루션으로서 이 작업에 매우 적합하다. 이 디바이스가 어떻게 작동하는지는 아래에서 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.
끝으로 LRU 전원의 전압 리플이 또 다른 중요한 설계 상의 과제로서, 특히 군용기에 대한 MIL-STD-1275D 규격의 generator 모드는 이 요구가 매우 까다롭다(표 1 참조). 이에 대해서 보호 회로가 리플을 전압 레귤레이션 스테이지로 전달할 수 있도록 하거나 전압 리플이 좀더 완만한 진폭인 경우에는 보호 회로 자체에서 제거하는 것과 같은 여러 가지 기법들이 이용되고 있다. 후자의 경우에는 높은 전압 서지와 낮은 진폭으로 느리게 변화하는 리플의 상이한 특성을 잘 처리할 수 있도록 보호 회로를 최적화해야 한다.

경향
가격, 공간, 무게를 줄여야 하는 압박과 함께 복잡한 FPGA와 프로세서를 구동하기 위해서 다중의 저전압 고전류 전원 레일에 대한 요구가 높아짐에 따라서 POL(point-of-load) 전력 아키텍처의 사용이 늘어나고 있다.
다중의 출력으로 보드 차원의 최종적 전압 레일들을 제공하는 대형의 모듈러 절연형 레귤레이터의 사용은 줄어들고 LTC의 μModule 제품(그림 1 참조) 같은 분산적이고 고도로 효율적인 POL 스위칭 레귤레이터가 늘어나고 있다. 이들 레귤레이터는 통상적으로 LRU 내의 절연형 중간 전원 버스로 구동되며, LRU는 다시 항공기나 군용기 전력 시스템으로부터 28볼트 DC나 그 이상의 전력을 공급받는다.
POL 전력 아키텍처로 전환함으로써 이 결과로서 서지 보호를 중앙의 전원 보드에서 LRU 내의 개별 회로 보드들도 재차 분산시킬 수 있게 되었다. 그럼으로써 부하가 낮아짐으로써 전용의 과전압 보호 IC를 이용한 작고 효율적인 솔루션을 이용할 수 있게 되었다.

LT4356을 이용한 솔루션
LT4356 서지 스톱퍼 디바이스는 고전압 트랜션트와 과전류 결함으로부터 부하들을 보호한다. (그림 2)는 이 디바이스의 개략적인 내부 블록 다이어그램을 보여준다. 정상 동작일 때는 외부 N-채널 MOSFET이 완전 온으로 구동되고 통과 소자로 동작한다. 입력 전압이 FB 핀에서 저항 분할기를 이용해서 설정한 레귤레이션 지점보다 높게 상승하면 이 MOSFET이 리니어 레귤레이터가 되어서 부하 회로가 트랜션트 이벤트에도 불구하고 계속해서 작동할 수 있도록 한다.
과전류 이벤트가 발생하면 전류 제한 루프가 이 MOSFET의 게이트 전압을 제어해서 Vcc와 SNS 핀의 검출 전압을 50mV로 제한한다.
과전압이나 과전류 이벤트가 발생하면 전류 소스가 작동해서 TMR 핀을 충전한다. 이 충전 전류를 입력과 출력 전압 차이와 연관시킴으로써 결함이 심각할수록 이 타이머 간격이 짧아지며, 그럼으로써 MOSFET이 자신의 SOA(safe operating area) 이내로 유지되도록 한다. VTMR이 1.25V에 이르면 결함 핀이 로우로 풀링해서 결함이 검출되었다는 것을 지시한다. 결함 조건이 계속되고 VTMR이 1.35V에 이르면 MOSFET이 턴오프한다. TMR 핀을 2?A 전류로 풀다운해서 0.5V의 재시도 임계값에 도달하면 MOSFET이 다시 턴온한다.
(그림 3a)는 12V 입력을 이용한 애플리케이션 예이고, (그림 3b)는 16V 클램프 레벨을 이용해서 하위 DC-DC 컨버터를 80V 입력 서지로부터 보호하는 것을 보여준다.
LT4356은 4V~80V(100V 절대 최대)의 입력 전압 범위로 동작할 수 있으며 손상을 일으키지 않으면서 접지 전위보다 최고 60V까지 낮게 풀링할