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CMOS 스위치와 솔리드 스테이트 릴레이의 효과적인 성능 비교 방법

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머리말

 

소스와 드레인 사이의 오프 커패시턴스 CDS(OFF)는 소스 신호가 드레인과 결합하지 못하게 막는 오프 상태 스위치의 차단 능력을 나타내는 지표가 된다. 

 

이는 PhotoMOS, OptoMOS, 포토릴레이, MOSFET 릴레이 등으로 불리기도 하는 솔리드 스테이트 릴레이(SSR)에서 일반적으로 사용되는 규격이며, 솔리드 스테이트 릴레이 데이터 시트 상에는 ‘출력 커패시턴스(COUT)’로 표기된다. 한편 CMOS 스위치는 동일한 특성을 오프 절연으로 표현하고, 드레인과 결합하는 오프 스위치 소스 신호의 양을 가리킨다. 

 

이 글에서는 오프 절연 규격으로부터 COUT을 도출한 다음, 이를 가지고 솔리드 스테이트 릴레이와 CMOS 스위치 성능을 좀더 효과적으로 비교하는 방법에 대해 설명한다. 이러한 비교가 필요한 이유는, DC와 고속 AC 신호 스위칭 같이 솔리드 스테이트 릴레이를 사용하는 많은 애플리케이션에 적합한 CMOS 스위치로 적용할 수 있기 때문이다. 

 

오프 절연으로부터 CDS(OFF) 도출하는 방법

 

그림 1은 ADG5412의 주파수 대비 오프 절연의 통상적인 성능 플롯을 보여준다. 이 플롯을 보면 소스의 신호 주파수가 높아짐에 따라서 오프 절연이 감소한다는 것을 알 수 있다.

 

 

이는 신호 주파수가 높아질수록 소스 상에 존재하는 더 많은 신호의 양이 오프 스위치의 드레인 상에 나타난다는 뜻이다. 그림 2의 테스트 회로에서 보듯이, 오프 상태에 있는 스위치 등가 회로를 보면 왜 그런지 그 이유를 쉽게 알 수 있다. 

 

스위치가 개방 상태일 때, 소스와 드레인 사이에 기생 커패시턴스가 발생한다. 그림에서 CDS(OFF)로 표시된 것이다. 이 기생 커패시턴스에 의해서 고주파 신호가 통과할 수 있으며, 이를 특성화 하는 것이 오프 절연 플롯의 목적이다.
 


그림 2 테스트 회로에서 VS와 VOUT을 취한 다음, 아래 공식에 대입해서 오프 절연을 계산할 수 있다. 

 

 

오프 절연 플롯의 결과에 개방 스위치 등가 회로를 사용하면 CMOS 스위치에서 CDS(OFF)를 계산할 수 있다. 먼저 오프 스위치 채널과 부하부터 살펴보면, 이 회로를 그림 3에서 보는 것과 같은 고역통과 필터로 단순화할 수 있다. 

 

 

그러면 이 회로의 전달 함수를 다음과 같이 도출할 수 있다. 

 

 

다음으로는 그림 2로부터 소스 전압 VS와 임피던스를 반영한다. 소스 임피던스 RS는 50Ω인데, 이는 50Ω인 부하 임피던스 RL과 일치한다. CDS(OFF)가 단락 회로인 이상적인 경우라고 한다면 임피던스가 동일하므로 VS는 VIN의 두 배다. 이는 다시 말해서 VS에 대해 전달 함수를 계산했을 때 전반적인 전달 함수가 두 배가 된다는 뜻이다. 따라서, 이 전체 시스템의 전달 함수는 다음과 같다. 

 

 

이 전달 함수를 오프 절연 공식에 대입하면 다음과 같다. 

 

 

이 공식을 CDS(OFF)를 구하는 것으로 변환할 수 있다. 

 

 

그러므로 RL, 입력 신호 주파수 f, 오프 절연 규격 값(dB)을 알면 CDS(OFF)를 계산할 수 있다. 이들 값은 스위치 또는 멀티플렉서 제품의 데이터 시트에서 확인할 수 있다. 그러면 실제 계산 예시를 살펴보자.

 

CDS(OFF) 계산 사례

 

SPI 제어 쿼드 SPST 스위치인 ADGS1612를 예로 들어보자. ADGS1612의 오프 절연 규격은 -65dB이다. 이는 데이터 시트의 표 1에서 확인할 수 있다. 오프 절연 규격의 테스트 조건을 설명한 부분에서 RL은 50Ω이고 신호 주파수 f는 100kHz라고 표기하고 있다. 그러므로 CDS(OFF) 공식에 이 값들을 대입해서 다음과 같이 커패시턴스 값을 구할 수 있다. 

 

 

그림 4에서 보는 것처럼, 스위치와 멀티플렉서의 오프 절연 측정 회로는 스위치 채널의 소스 핀 앞쪽에 50Ω 종단을 추가로 포함할 수 있다. 이 방법으로 측정된 오프 절연 규격으로도 CDS(OFF) 공식을 적용할 수 있다. 

 

소스 핀에 50Ω 종단을 사용한 경우에는 데이터 시트의 오프 절연 규격에 6dB를 추가한 다음에 CDS(OFF) 공식을 계산하면 된다. 이는 소스에서 50Ω 종단이 전압을 절반으로 감소시키는 것을 보상하기 위한 것이다. 이것이 -6dB에 해당한다. 

 

 

CMOS 스위치 대 솔리드 스테이트 릴레이

 

표 1은 아나로그디바이스 스위치 제품들의 CDS(OFF) 값을 보여준다. ADG54xx와 ADG52xx 제품군은 최대 44V 스윙까지 신호 전압을 처리하고, ADG14xx와 ADG12xx 제품군은 최대 33V 스윙까지 신호 전압을 통과시킬 수 있다. 이는 30V 및 40V 솔리드 스테이트 릴레이에 해당된다.

 

이 표의 마지막 칸에서는 CDS(OFF)와 스위치 온 저항을 사용해 RON과 CDS(OFF)를 곱한 값을 보여준다. 이것이 솔리드 스테이트 릴레이에서 하나의 성능 지표다. RON x CDS(OFF) 값은 스위치가 온 상태일 때 신호를 얼마나 적게 감쇠시키는지, 그리고 또 오프 상태일 때 고속 신호를 얼마나 잘 차단하는지를 나타낸다.

 

이 표에서 ADG1412는 RON x COFF 계산 값이 5 미만이다. 이는 시중에 출시된 솔리드 스테이트 릴레이보다 월등히 우수한 것이다. 

 

 

최대 공급 전압 오프 절연 CDS(OFF) 온 저항 R × C
ADG5412 ±22V, +40V −78dB @ 100kHz 4pF 9.8Ω 39.2
ADG5212 ±22V, +40V −80dB @1MHz 0.32pF 160Ω 51.2
ADG1412 ±16.5V, +16.5V  -80dB @100kHz 3.2pF 1.5Ω 4.8
ADG1212 ±16.5V, +16.5V -80dB @ 1MHz 0.32pF 120Ω 38.4

▲표 1. 아나로그디바이스 SPST x 4 스위치 제품들의 CDS(OFF)

 

CMOS 스위치는 솔리드 스테이트 릴레이에 비해 다음과 같은 이점을 제공한다. 

 

• 보다 쉬운 스위치 로직 구동 : 아나로그디바이스의 대부분의 CMOS 스위치에서는 정격 디지털 입력 전류가 1nA이다. 이에 비해 솔리드 스테이트 릴레이의 다이오드에서 권장되는 순방향 전류는 5mA이다. 그러므로 CMOS 스위치는 마이크로컨트롤러의 GPIO로 곧바로 손쉽게 제어할 수 있다. 

 

• 더 빠른 스위칭 속도 : ADG1412는 정격 턴온 시간이 100ns이다. 이에 비해 솔리드 스테이트 릴레이는 턴온 시간이 수백 밀리초 대다. 

 

• 패키지당 더 많은 스위치 제공 : 한 예로, ADGS1414D는 5mm x 4mm 패키지에서 1.5Ω 온 저항과 5pF CDS(OFF)를 나타내는 8개의 스위치 채널을 제공한다. 이는 2.5mm2의 패키지 면적 당 한 개의 스위치를 제공하는 것이다. 

 

맺음말

 

스위치가 오프 상태일 때 신호를 차단하는 능력이 중요하다. 솔리드 스테이트 릴레이는 COFF 규격을 사용해 스위치 상의 커패시턴스를 나타낸다. 이 커패시턴스가 폐쇄 스위치의 입력에서 출력까지 신호가 결합할 수 있도록 한다. 

 

CMOS 스위치는 이 커패시터를 직접적으로 측정하지 않고 오프 절연 규격을 사용한다. 개방 스위치 전달 함수를 도출해 오프 절연 값(dB), 입력 신호 주파수, 부하 저항을 이용해 CDS(OFF)를 계산할 수 있다. 

 

CDS(OFF)는 CMOS 스위치를 솔리드 스테이트 릴레이의 COUT 규격과 비교하기 위해서 중요하다. 또한 CDS(OFF)를 사용해서 RON과 CDS(OFF)의 곱셈 값을 계산할 수 있다. 이는 스위치의 전반적인 오프 절연과 신호 손실 성능을 나타내는 지표가 된다. 

 

그러므로 특정 애플리케이션용으로 스위치를 선택할 때 CMOS 스위치와 솔리드 스테이트 릴레이를 직접 비교할 수 있다. CMOS 스위치는 솔리드 스테이트 릴레이에 비해 보다 쉬운 스위치 로직 구동, 더 빠른 스위칭 속도, 패키지당 더 많은 스위치 제공 가능 등의 여러 이점을 제공한다. 
 

헬로티 서재창 기자 |



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