Power Path ORing 회로 – 두 전원을 자동 전환하는 구조

ORing 회로란 무엇이며 왜 필요한가?

Power Path ORing 회로는 두 개 이상의 전원을 자동으로 전환하거나 병렬로 운용할 수 있게 하는 회로를 말합니다. 일반적인 DC 회로에서는 외부 전원(어댑터)과 배터리를 동시에 연결해야 하는 경우가 많은데, 이때 두 전원이 서로 간섭하지 않고 우선순위에 따라 전류를 공급하려면 ORing 회로가 필요합니다. 예를 들어 노트북은 어댑터 연결 시 배터리를 보호하면서 외부 전원으로만 작동해야 하고, 어댑터가 제거되면 배터리로 즉시 전환돼야 합니다. 이처럼 Power Path ORing 회로는 무중단 전원 전환, 백업 전원 운용, 핫스왑 기능에 핵심이 되는 구조입니다.

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다이오드를 이용한 기본 ORing 구조

가장 기본적인 ORing 회로는 다이오드 2개를 이용한 구조입니다. 두 전원을 각기 다이오드를 통해 하나의 공통 노드로 연결하면, 전압이 더 높은 쪽만 전류를 공급하고 낮은 쪽은 차단됩니다. 이 방식은 구조가 단순하고 역전류가 자연스럽게 차단되는 장점이 있지만, 다이오드의 순방향 전압강하(Vf)로 인해 효율이 떨어지는 단점이 있습니다. 특히 전류가 클수록 전압 강하와 발열이 증가하므로, 고효율이 필요한 시스템에서는 슈트키 다이오드를 사용하거나 MOSFET 기반 ORing 방식으로 대체합니다.

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P-채널 MOSFET을 활용한 고효율 ORing

다이오드의 손실을 줄이기 위해 P-채널 MOSFET을 이용한 ORing 회로가 많이 사용됩니다. MOSFET은 도통 시 매우 낮은 Rds(on)을 가지므로, 전압 강하가 수십 mV 수준으로 낮아집니다. 기본적으로는 MOSFET의 드레인을 공통 노드에 연결하고, 소스는 각각의 전원에 연결한 뒤 게이트 전압을 컨트롤하여 더 높은 전원이 MOSFET을 턴오프시켜 다른 전원의 역전류를 차단하는 방식입니다. 이 방식은 저전력 모바일 기기부터 산업용 시스템까지 폭넓게 사용되며, 적절한 게이트 전압 조절이 핵심입니다.

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N-채널 MOSFET을 활용한 ORing과 컨트롤 IC의 필요성

N-채널 MOSFET은 P-채널보다 Rds(on)이 낮고, 더 저렴한 경우가 많아 선호되지만, 드레인보다 게이트가 더 높은 전압을 요구하기 때문에 직접적인 ORing 구성에는 제약이 있습니다. 이를 해결하기 위해 전용 ORing 컨트롤러 IC가 사용됩니다. 이 IC는 MOSFET의 게이트를 적절히 구동하며, 전압 모니터링 및 역전류 감지를 동시에 수행할 수 있습니다. 대표적으로 TI, Analog Devices, Microchip 등의 IC는 Hot-Swap 기능까지 포함되어 있어 서버, 통신 장비 같은 고가 장비에서 필수적으로 사용됩니다.

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역전류 차단과 보호 회로 구성

Power Path ORing 회로의 가장 중요한 기능 중 하나는 역전류 차단(Reverse Current Blocking)입니다. 예를 들어 어댑터 전원이 연결됐을 때 배터리에서 어댑터 쪽으로 전류가 흐르지 않도록 해야 하며, 반대로 배터리 전원 사용 중 외부 노이즈나 전압 강하가 생기더라도 회로가 보호돼야 합니다. 이를 위해 MOSFET은 방향성을 갖는 회로에 삽입되며, 역방향 전류가 감지되면 빠르게 턴오프되는 로직이 포함되어야 합니다. 일부 ORing IC는 역전류 상황에서 과전류 보호까지 함께 수행합니다.

 

 

 

전원 우선순위 설정 전략

Power Path ORing에서 또 하나 중요한 요소는 전원 우선순위를 어떻게 설정할 것인가입니다. 보통 외부 어댑터가 우선이고, 배터리는 보조 전원 역할을 하지만, 일부 시스템에서는 정반대의 전략이 필요할 수 있습니다. 이때 ORing 회로의 전압 감지 기준, 게이트 전압 컨트롤 방식, MOSFET 턴온/턴오프 타이밍을 적절히 설계해야 원하는 전원 우선순위가 구현됩니다. 전용 컨트롤러 IC는 이 기능을 내부에 포함하고 있어, 별도 로직 없이도 자동 전환이 가능하게 합니다.

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전류 용량과 발열 고려한 MOSFET 선택

ORing 회로에서 사용하는 MOSFET은 Rds(on)만 볼 것이 아니라, 최대 드레인 전류, 열저항(θJA), 패키지 발열 특성까지 함께 고려해야 합니다. 특히 수 A 이상의 전류가 흐르는 시스템에서는 수십 mΩ의 저항도 발열을 유발하며, 이로 인해 MOSFET의 온도가 빠르게 상승할 수 있습니다. 따라서 방열판 부착, 패키지 선택(DFN, PowerPAK 등), PCB 레이아웃 최적화 등을 통해 열관리를 함께 설계해야 ORing 회로가 안정적으로 작동할 수 있습니다.

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ORing 회로의 동작 예외와 보호 로직

ORing 회로는 이상적인 환경에서는 완벽히 작동하지만, 일부 특수 상황에서는 예외 동작이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 두 전원이 거의 동일한 전압일 경우, 순간적으로 경합(Race Condition)이 발생해 두 전원이 동시에 전류를 공급하려 할 수 있습니다. 이 경우 전압 강하, 전류 분배 불균형, 보호 회로 오작동이 발생할 수 있으므로, 이격 전압 설정이나 지연 회로(Delay Circuit)를 추가하여 전환 타이밍을 제어해야 합니다. 또한, 짧은 시간 내 전원 전환이 반복되는 경우에는 히스테리시스나 디지털 제어 로직이 추가로 필요합니다.

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안정적 전원 관리를 위한 핵심 회로

Power Path ORing 회로는 단순히 전류를 흐르게 하는 회로가 아니라, 전원 상태를 감지하고 자동으로 판단하여 시스템을 보호하고 유지하는 지능적 구조입니다. 다이오드 기반의 단순 구조부터, MOSFET + 컨트롤러 IC 기반의 고급 회로까지 다양한 선택지가 존재하며, 각 방식의 장단점을 이해하고 제품 환경에 맞게 설계하는 것이 중요합니다. 올바른 ORing 회로 구성은 제품의 무정전 동작, 수명 연장, 회로 신뢰성 확보에 직접적인 영향을 미치므로, 전원 설계에서 반드시 전략적으로 접근해야 할 요소입니다.