USB 전류제한스위치작성자 : Hardik Patel( 선임애플리케이션엔지니어 ) 랩톱및 PC 에서가장널리사용되는 USB 는가정용품, 자동차용품과산업용및제어시스템등과같은모든유형의시스템으로그용도가확대되고있습니다. USB 는호스트시스템과 USB 장치간의통신에가장선호되는방식입니다. USB 장치를호스트시스템에연결하면호스트시스템이 USB 장치에전력을공급하게됩니다. 호스트시스템전원공급장치는 USB 장치의전력요구사항을기억하도록설계됩니다. USB 조직에서는 USB 호스트시스템이각 USB 커넥터에 500mA 이상의전류를공급하도록요구합니다. 따라서호스트시스템에연결된각각의 USB 장치는 50mA 이상을인출할수있습니다. USB 장치의전류요구사항이증대됨에따라시스템설계엔지니어들은커넥터당 500mA 가넘는전류를공급하도록하고있습니다. USB 장치가호스트전원공급장치가제공하는것보다큰전류를인출할수없도록 USB 장치가공급받는최대전류크기를제한해야합니다. USB 장치의전류를제한하기위해전류제한스위치가사용됩니다. 반도체 IC 제조업체는 0.5A 이상의전류용 USB 전류제한스위치를만듭니다. 이글에서는 USB 애플리케이션용전류제한스위치의사용과가장일반적으로사용되는전류제한스위치의기능에대해논의할것입니다. 두번째글인 II 부, USB 전류제한스위치의최근향상 (Recent Improvements in USB current limit switch) 에서는 KickStart 및동적부하관리 (DLM) 등과같이시장에소개된몇가지새로운기능에대해살펴봅니다. 일반적인 USB 애플리케이션 호스트시스템 ( 컴퓨터 ) USB 케이블 전원공급 전류제한스위치 (MIC2004) Vbus 5V Gnd USB 장치 D+ ( 데이터 ) D- ( 데이터 ) 그림 1: USB 시스템및 USB 장치 그림 1 은 USB 케이블을통해 USB 장치에연결된 USB 호스트시스템을나타냅니다. USB 케이블은전선 (Vbus 및 gnd) 과데이터선 (D+ 및 D-) 으로구성됩니다. 전선은호스트시스템에서 USB 장치로전력을공급하는데
사용됩니다. 전류제한스위치 ( 예 : Micrel MIC2004) 는호스트시스템전원공급장치와 USB 장치사이에놓입니다. MIC2004 는조작이간편하고 USB 장치에배분되는전력에대한제어를높입니다. MIC2004 스위치는스위치활성또는비활성화여부에따라특정부하에대해전류를허용하거나차단하는간단한기능을수행합니다. 또한이스위치의전류제한기능은스위치가활성화되었을때부하가끌어올수있는최대전류가현재전류와같게되도록합니다. 스위치의전류제한기능은전류를 USB 장치로제한하는데필수적인기능입니다. 그림 2: 일반적인전류제한스위치적용 그림 2 는전류제한스위치의일반적인적용을나타냅니다. 여기서 USB 장치는 MIC2004-0.5 의출력에연결되어있으며 MIC2004 에는 Vin 핀, Vout 핀, Enable 및 Gnd 핀이있습니다. 활성화신호가높으면 Vout=Vin-(Ron*Iout) 이며여기서 Ron 은활성화시스위치의 ON 저항입니다. 일반적으로 MIC2004 에는 70mOhm 저항이있으며최소 500mA 의고정전류제한이있습니다. 따라서 USB 장치는최대 500mA 의전류를끌어올수있게됩니다. 활성화신호가낮으면스위치가비활성화되고 Iout =0mA 입니다. 일반적으로 USB 커넥터당하나의 500mA 정격 USB 스위치가있습니다. 여러장치연결을위해 1A 정격이상인전류를사용합니다. 그림 3 은두 USB 장치에전원을공급하는전류제한스위치적용을나타냅니다. 각 USB 장치가최소 500mA 의전력을끌어오므로 MIC2004-1.2 를사용합니다. MIC2004-1.2 는부하에최소 1.2A 의전류를허용합니다. 따라서 1.2A 정격 MIC2004-1.2 를사용하여두장치에전력을공급할수있습니다. 한장치만연결한경우 ( 예 : 전력소모량이높은외장 USB 하드드라이브 ) 전체 1.2A 의전류를모두끌어올수있습니다.
그림 3: 두 USB 포트에전원을공급하는전류제한스위치 1 개 출력 Vout 가켜졌을때의비율을슬루율이라고합니다슬루율은스위치게이트의커패시터크기에따라다릅니다. 따라서스위치게이트에적합한커패시터값을설정함으로써슬루율을제어할수있습니다. MIC2000 제품군의경우게이트에내부커패시터가연결되어있으므로내장슬루율을적용가능합니다. 슬루율을조정해야할경우 MIC2000 제품군의일부스위치 ( 예 : MIC2005) 에서는슬루율을제어할수있습니다. 그림 4 의 MIC2005 에는외부커패시터를연결하여슬루를높이거나슬루율을줄일수있는 CSLEW 핀이있습니다. 그림 4: 용량성부하에전력을공급하는전류제한스위치 그림 5 는켜진상태인 MIC2005 의출력전압과전류를나타내는그래프입니다. Cload =10uF 이며외부커패시터가연결되어있지않습니다. Enable 핀이켜지면
커패시터가충전을시작합니다. 내부슬루율제어를통해출력이시작되는속도가제어되며이에따라 dv/dt 가제어됩니다. 그래프에서 Channel 1 은 Enable, Channel 2 는 Vout, Channel 4 는 Iout 입니다. 초기전류스파이크는 I=C*dV/dt 이므로 dv/dt 값에따라좌우됩니다. 이론적으로 Iout = 10uF*dV/dt = 10uF*5V/730us = 68.5mA 가됩니다. 그래프에서측정한출력전류스파이크는 50mA 가됩니다. 전류스파이크를줄여야할경우 CSLEW 핀에외장커패시터를추가해야합니다. 그림 6 은 2.7nf 의 Cslew 커패시터가있는 MIC2005 에대한그래프입니다. 상승시점은 1.6ms 이고전류스파이크가 25mA 로줄어듭니다. 따라서 Cslew 커패시터때문에슬루율 dv/dt 가줄어듭니다. 초기전류스파이크 = 50mA 그림 5: 외부 Cslew 커패시터없음, Cload = 10uF
초기전류스파이크 = 25mA 그림 6: 외부 Cslew 커패시턴스적용 (2.7nF, Cload = 10uF) 부하커패시턴스가높으면초기시작이슬루율에따라제어됩니다. 초기시작시간이후전류제한스위치의전류제어루프가활성화되어용량성부하를충전하는최대전류를제어합니다. 전류제어루프는용량성부하가끌어오는최대전류가스위치의전류제한설정을초과하지않도록합니다. 그림 7 은 Cload=940uF 이며외부 Cslew 커패시터가없는 MIC2005 의그래프입니다. 여기서는내부 Cslew 커패시터설정으로인해초기전류스파이크가제어됩니다. 초기전류스파이크이후스위치가전류제한을시작하므로출력전류를전류제한설정으로제한합니다. 그림 8 은 Cload=940uF 이며 2.7nF 외부 Cslew 커패시터가있는 MIC2005 의그래프입니다. 여기서는 Cslew 커패시터로인해 8ms 의초기시작지연이있으므로초기시작중 Cslew 커패시터가슬루율 dv/dt 를제어합니다. 전류제한시간도 2ms 에서 1.5ms 로줄어듭니다.
슬루율에의해제어되는전류써지 전류제한 그림 7: 외부 Cslew 커패시터없음, Cload = 940uF
시작지연 더적은전류제한시간 그림 8: 외부 Cslew 커패시터로인한시작지연 그림 9 에서는저항부하만있는 Cslew 핀의효과를보여줍니다. 추가적인 Cslew 커패시터는시작지연과시작상승시간을모두늘어나게합니다.
그림 9: Clsew 응답 (Rload=6.6ohm) MIC2004 및 MIC2005 에는고정전류제한이있습니다. 이는 0.5A, 0.8A 또는 1.2A 고정전류제한부로제공됩니다. 다른전류제한설정이요구되는상황에서는 MIC2007 처럼조정이가능한전류제한스위치를사용할수있습니다. 그림 10 은 MIC2007 을나타냅니다. 0.2A 에서 2A 사이로전류제한스위치를설정할수있습니다. MIC2007 전류핀을사용하여외부레지스터를연결함으로써전류제한을설정합니다. Ilimit = CLF( 전류제한인자 )/Rset( 외부 Ilimit 레지스터 ) 가적용됩니다. CLF 가부하전류 0.5A 에대해 235 로지정된경우를예로들수있습니다. 여기서는전류제한이 0.5A 이므로외부 Rset=CLF/Ilimit=235/0.5A=470ohms 가 Ilimit 에연결되어야합니다.
그림 10: 조정가능한전류제한스위치 MIC2007 MIC2005 및 MIC2009 에는 /Fault 출력기능이있습니다. 그림 4 는 MIC2005, 그림 11 은 MIC2009 의블록도표입니다. MIC2009 에는조정가능한전류제한핀과 /Fault 출력핀이있습니다.
그림 11: 조정가능한전류제한스위치와오류출력이적용된 MIC2009 /Fault 출력핀은스위치가출력전류를전류제한설정으로제한할때오류를나타냅니다. 그림 12 에서는 0.68ohm 레지스터에전력을공급하는 MIC2009 용그래프입니다. Channel 1 은 Enable, Channel 2 는 /Fault, Channel 3 은 Vout, Channel 4 는 Iout 입니다. VIn 은 3V 이며전류제한설정은 2Amps 이므로스위치가활성화되고전류제한이없으면 lout 는 3V/(Rdson + 0.68ohm) 가됩니다. 일반적으로스위치의 On 저항은데이터시트에서지정한대로 70mhom 입니다. 따라서 Iout 는 3/(0.07+0.68) = 4A 가됩니다. MIC2009 전류제한설정이 2A 이므로스위치가전류제한을수행하며출력전류가 2A 로제한됩니다. 전류제한발생시오류출력이낮게활성화됩니다 ( 그림 12).
활성 /Fault 낮은오류활성화 Vout 온도사이클링 Iout 전류제한 그림 12: 전류제한및온도사이클링적용 MIC2009 MIC2000 스위치제품군에는과열보호기능도있습니다. IC 에서의전력소모가지나치게클경우접합부온도가 145 이상이되면스위키가꺼지고 145 밑으로떨어지면다시켜집니다. 이것을온도사이클링이라합니다. 그림 12 의그래프는온도사이클링을수행하는 MIC2009 를나타냅니다. 그림 12 의경우 IC 에서사용하는총전력을다음과같이계산할수있습니다. 전력 = (Vin-Vout)*Iout = (3-Vout)*2A Vout=2A*0.68ohms=1.36V ( 그림 12 의 1.6V 에가까움 ) 따라서 IC 에서사용하는전력은 (3-1.6)*2=2.8W 입니다. SOT 23 패키지부분의온도저항이 230degC/W 이므로 Tj ( 접합부온도 ) = 25 ( 실온 ) + 230*2.8 = 669 도입니다. 이값은최대접합부온도인 150 도보다훨씬크므로스위치가온도사이클링을통해스스로를보호합니다.
MIC2000 스위치제품군에는매우낮은 70mOhm RDS(on) 가있습니다 ( 일반적인경우 ). 이제품은매우작은 SOT 23-6 패키지및 MLF 패키지로제공되며최대 2A 까지통과할수있습니다. 현재출시된스위치중에서는전력밀도가가장높으며 USB 애플리케이션의전류제한에매우유용합니다. 이글에서는전류제한스위치의가장일반적인기능을살펴보았습니다. 다음글에서는 MIC2000 전류제한스위치의부하방전, KickStart, 동적부하관리 (DLM) 등과같은최신기능과향상점에대해논의할것입니다.