short-circuit 보호가 정상 큰 capacitor startup을 fault로 보는 경우
출력에 capacitor를 더 달았더니 short는 없는데 전원이 일정한 간격으로 켜졌다 꺼진다. 다시 시도하는 보호 기능이 있으니 언젠가 켜질 것이라고 기다려도 결과가 같을 수 있다. Hiccup Recovery가 유용한지는 재시도 횟수보다 한 번의 시도가 capacitor를 충분히 충전하는지에 달려 있다.
충전에 필요한 current는 load와 나눠 쓴다
current limit 상태에서 source가 제공하는 current를 Ilimit라고 하자. 그중 load가 Iload를 쓰면 capacitor에 남는 current는 Ilimit−Iload다. 이 값이 양수이며 일정하다는 단순 모델에서는 다음 식을 얻는다.
tcharge = C×ΔV/(Ilimit−Iload)
source current 전체를 capacitor 충전에 쓰는 계산은 이미 켜져 있는 load를 빠뜨린다. 부하가 출력 상승 중 활성화되거나 constant-power처럼 전압에 따라 current가 변하면 구간별로 적분해야 한다. Ilimit보다 큰 load가 계속 붙어 있다면 이 식으로 목표 전압에 도달할 수 없다.
매번 4V에서 끝나는 기동
동작 원리를 볼 가상의 보호 회로를 만들자. 목표 output은 12V, capacitor는 1000µF, charging current limit는 0.5A다. load는 낮은 전압 구간까지 0.1A를 소비하는 계산용 정전류 sink로 모델링한다. current limit 상태가 10ms 계속되면 controller가 출력을 차단하고, 100ms 쉬었다가 다시 켠다고 가정한다.
net charging current는 0.4A다. 필요한 charge time은 1000µF×12V/0.4A=30ms다. 하지만 한 번의 시도는 10ms에서 끝나므로 output은 4V까지만 올라간다.
off-time에도 이 load가 capacitor에서 0.1A를 가져가며, 0V에 도달하면 더 방전시키지 않는다고 정하자. 4V에서 0V까지 걸리는 시간은 1000µF×4V/0.1A=40ms다. 100ms 뒤의 재시도는 다시 0V에서 시작한다. 첫 시도와 같은 waveform이 반복되므로 short가 없어도 startup이 완료되지 않는다.
같은 가상 회로에서 C를 220µF로 줄이면 charge time은 6.6ms다. timer가 만료되기 전에 목표에 도달한다. 반대로 C를 유지하고 허용 on-time을 40ms로 늘려도 이 충전 모델에서는 성공한다. 다만 허용 시간이 길어진 만큼 fault에서 소모하는 energy와 thermal stress는 다시 검토해야 한다.
실제 hiccup이 무엇을 세는지 확인한다
위의 10ms·100ms는 설명용 timer이고 특정 부품의 사양이 아니다. TPS54020의 hiccup 구성은 COMP로 판정하는 overload가 128 switching cycles보다 오래 지속되면 정지하고, 16384 cycles 뒤 재시작하는 구조다. clock 기반이라 switching frequency와 실제 fault 판정이 중요하다. HICCUP pin 구성에 따라 cycle-by-cycle 보호를 선택할 수도 있다. TPS54020 Rev F, 13쪽 Table 8-2와 20쪽 8.3.15.2
eFuse의 auto-retry도 이름만으로 같은 timer 모델을 붙이면 안 된다. TPS25947은 startup에서 current limit를 ITIMER 지연 없이 적용한다. 그 상태의 power가 junction을 thermal shutdown까지 올리면, auto-retry variant는 충분히 냉각된 뒤 추가 tRST를 기다린다. 충전 중 허용 on-time이 언제나 고정된 전류 fault timer로 정해지는 것은 아니다. TPS25947 Rev C, 33쪽 Note 3와 37쪽 7.3.8
따라서 어떤 부품에서는 fault count와 clock을, 다른 부품에서는 pass FET의 dissipation과 transient thermal response를 확인해야 한다. current foldback이 있으면 낮은 output에서 실제 charging current도 낮아질 수 있다.
재시도 사이의 잔류 전압이 답을 바꾼다
매번 실패한다는 결론에는 capacitor가 off-time에 0V로 돌아온다는 조건이 들어 있다. load가 매우 작거나 output이 다른 전원에 의해 유지되면 charge가 다음 시도에 남는다. 그 경우 여러 번의 재시도 후 목표에 도달할 수도 있다. 잔류 전압은 성공을 도울 수 있지만 prebias에 대한 controller의 startup 정책과도 맞아야 한다.
기동을 조사할 때는 peak current 한 장보다 output voltage와 fault signal을 여러 retry에 걸쳐 함께 보는 편이 유용하다. 각 시도의 시작 전압, 충전 slope, 차단 시점, off-time 방전을 구분하면 어느 부분이 부족한지 드러난다.
Hiccup Recovery는 fault에서 평균 dissipation을 낮추는 수단이다. 정상 load의 자동 기동을 보장하려면 충전과 방전을 포함한 한 주기의 전하 수지를 맞춰야 한다. 큰 capacitor와 보호 timer가 서로 맞지 않으면, 반복 자체가 복구를 만들어 주지는 않는다.