[해결]중간 전원 및 음전원 회로에서 MCU를 이용한 MOSFET 구동에서 부하의 턴온문제

[칸스-수원]

안녕하세요.

지난 번에 SMPS 쪽에 올린 질문은 여러 분이 조언해주셔서 수정된 회로를 한국 TI 쪽에 문의하여 확인 받고 있습니다.

한데 이 쪽도 잘 모르는 것 같습니다. 시간이 꽤 흘렀는데 아직 답이 없습니다.

전력전자인 카페 회원분들 실력이 훨 낫습니다.

회로 중 몇 가지 기능이 아직 구현되지 않아 PCB는 어차피 제작 불가이므로 큰 문제는 없습니다만, 좀 빨리 답이 왔으면 좋겠습니다.

지난 번 질문과 마찬가지로 지금 구현하고 있는 LED 구동 회로는  +12V를 기준점(GND)으로 하여 +17V를 +5V로 삼아서 컨트롤러 칩 및 MCU 동작 전원으로 사용하고 0V를 -12V로 삼아 동작하는 회로입니다.

그러다 보니 많은 것이 걸리네요. 우선 mosfet을 이용하여 외부 0~12V 에 연결되어 있는 LED의 밝기를 조절하고자 했더니 일반적으로 사용하는 회로로는 구성이 안되더군요.

고민 끝에 다음과 같은 회로를 구글에서 찾았습니다.

잘 보시면 일반적인 구성과 다릅니다. 일반적으로 n 채널 mosfet을 사용하면 드레인 쪽에 +를 걸고 부하를 연결해주고, 소스에는 - 를 걸어주지만 상기 회로는 드레인 쪽에 - 를, 소스 쪽에 +를 걸어줍니다.

그리고 게이트에는 소스 전위보다 6V 정도 높은 전압을 주도록 되어 있습니다.

이 회로가 제가 원하는 회로와 거의 같은 회로라서 이 회로를 이용하여 다음과 같이 꾸몄습니다.

이와 같이 구성하면 MCU의 동작에 따라서 mosfet 턴 온, 오프가 정상적으로 됩니다.

즉, PWM 신호가 1 이면 소스와 게이트 전압차가 약 4.9V 정도가 발생하여 턴 온되고 소스, 드레인간 저항이 3옴 정도로 떨어지는 것을 확인했고, PWM 신호가 0이면 소스와 게이트 전압차가 없어져서 턴 오프되고 소스, 드레인간 저항이 무한대로 나오는 것까지는 확인했습니다.

문제는 0~12V 사이에 전원을 주었을 때 기본적으로 LED가 켜집니다.

이 때 mosfet의 드레인 소스간 저항을 보면 무한대가 찍힙니다. 그런데 저 회로에서 0~12V 간 전압은 주어진 전압이 찍힙니다.

어떻게 이럴 수가 있을런지요. 저 회로에서 드레인 소스간이 무한대이면 전류가 흐를 수 없지 않나요? 단락이나 마찬가지인데..

제가 일반적으로 사용하던 mosfet 의 회로는 소스 쪽이 마이너스이므로 이런 경우는 누설전류에 의하여 턴온되는 것으로 보고 소스와 게이트 사이에 저항을 연결하여(위 그림에서는 100k옴 짜리) 해결했었습니다.

한데 전원의 방향이 바뀌어서 그런지 해결이 안되고 12V 전원만 인가하면 기본 턴온되버리는 군요.

심지어는 MCU 쪽에 연결된 모든 컨넥션을 끊고 12V 만 인가해도 LED가 켜집니다.

저항 값 문제인가요? 

저 10k 와 100k의 저항비는 일종의 전압 분배기라서 100k 를 낮추면 게이트 전압이 낮아져서 최대한 높게 해준 것입니다.

다 차치하고 소스와 드레인 사이 저항이 찍어보면 무한대가 나오는데 어떻게 전류가 흐를 수가 있는 것이죠?

이게 누설 전류에 의한 턴온 현상 같은데, 턴온되면 드레인 소스 간에 저항이 낮아져야 하는게 아닌가요?

테스터로 찍어보면 40M 옴 이상으로 무한대인데 LED가 켜지네요...

아... 머리 아픕니다.

어디가 문제인지 알려주시면 감사하겠습니다.

ps:

위 회로는 자운님 말씀도 있고, 아무리 봐도 아닌 것 같아서 아래와 같이 수정해 보았습니다.

옵토커플러가 없어서 아직 테스트는 못해봤습니다.

게이트 전압은 r1, r2 의 비로 맞출 예정입니다.

 혹여 문제점이나 지적 사항 있으시면 댓글 부탁드립니다.

[자운]

다른것 제쳐놓고 MOSFET 대신 다이오드를 단 상태와 같죠.LED가 켜지는것이 당연하다 보면 됩니다.
드레인과 소스를 바꿔서 해 보세요.

[칸스-수원]

네, 처음에 그렇게 구현했다가 문제가 있어서 인터넷 검색 결과 찾은게 위 회로입니다. 말씀하신대로 저 회로에서 단순히 드레인 소스 위치만 바꾸면 MCU에서 1신호(+5V)가 오기 전에 이미 +12V가 게이트에 인가되는 상태가 되어서 기본 턴 온 되어버립니다.
인터넷에서 찾은 저 위 회로도 작동을 하니까 사용했을텐데 제가 구현한 회로는 작동을 안하니, 제가 실수한 부분이 무었인지를 모르겠네요.

[자운]

irf521이 특수한 소자인지 찾아봤는데 http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/supertex/IRF521.pdf
딱히 특수해 보이지는 않고요. 저 회로로 보면 -12V가 아니라 +12V의 오기인것 같습니다.
도무지 성립이 안되거든요. -전압을 가해서는.

[자운]

포토카플러와 P채널 FET를 사용해서 스위칭 하면 아래 구조로 스위칭이 됩니다. N채널 MOS를 사용할수도 있습니다. 레벨시프트만 하면.

[칸스-수원]

허걱! 오타... ㅠㅠ
그렇다면 별수가 없는 것 같군요. 레벨시프트 하려니 관련 부품 추가도 너무 많고 회로가 복잡해져서 피해보려했더니 쉽지가 않군요.
그러면 일단 p 채널 mosfet 사용하는 회로로 머리를 좀 굴려보아야겠습니다.

[칸스-수원]

자운님, 말씀하신대로 수정해보았습니다. 작동될지 한 번 봐주시겠습니까?

[자운]

당연 스위칭 되죠. 되어야 합니다. R3는 전류를 좀더 흘려주는것이 좋아보이는데 절반 이하로 줄이면 좋겠고요.
아니면 포토카플러를 고이득 타입으로 쓰는것이 유리하죠. 스위칭 주파수가 낮다면 크게 신경 안써도 됩니다.

[칸스-수원]

지난 번 SMPS 쪽에 질문 드린 것과 함께 PCB 제작하여 테스트해보겠습니다. 물론 그 전에 만능기판에 테스트하여 결과 나오면 올리겠습니다.
자운님, 감사드립니다.

[칸스-수원]

위 회로 성공입니다. 어제 포토커플러 주문해서 오늘 받아 회로를 꾸몄고 한 방에 작동하더군요.
전자 쪽으로 제가 가진 지식이 별로라 이 카페 회원분들에게 큰 도움을 드리지는 못하지만 제가 헤메던 이런 일들이 도움이 되기를 바라겠습니다.
자운님, 감사합니다.