[회로설계] PNP BJT 스위칭 출력 이슈

1. 보드 설계 이슈 ( 디지털 출력 미동작)

최근 보드 설계를 진행하였는데, 디지털 출력 기능이 동작하지 않는 현상이 발견됬다.

스위칭 출력 용도를 위해 PNP BJT를 사용하였는데, 생각지도 못한 실수를 저지르고 말았다.

2. NPN과 PNP 구조 다시 확인하기....ㅠ

NPN 과 PNP 소자 특징

• NPN은 베이스(B) 전압이 이미터(E) 전압보다 0.7V (문턱전압) 커야 한다. (VB - VE > 0.7V)
• PNP는 이미터(E) 전압이 베이스(B) 전압보다 0.7V (문턱전압) 커야한다. (VE - VB > 0.7V)
• 회로도를 보면 SS8550 (PNP) 트랜지스터의 이미터(E) 전압과 베이스(B) 전압이 같은것을 확인 할 수 있겠다 
• 즉, PNP 스위칭 동작이 수행되기 위한 VE - VB > 0.7V  조건을 만족하지 못한것이다. (VE - VB > 0V)
• 회로 설계자로 써는 너무나도 터무니 없는 실수이다.

3. SS8550 (PNP) 데이터시트 분석 및 BJT 활성영역

• 컬렉터와 베이스 사이의 최대 전압은 -40V
• 컬렉터와 이미터 사이의 최대 전압은 -25V
• 해당 PNP 트랜지스터를 사용하기 위해서는 베이스 전압을 이미터 전압보다 최소 0.7V ~ 20V (5V 마진) 차이를 두어 설계해야겠다. ( 0.7V < VB-VE < 20 )

• 현재 위의 그림의 회로는 V BE 가 0.7V 미만이므로 차단영역에 속한다.
• 차단영역에서는 베이스와 이미터 사이에는 전류가 흐르지 않고 따라서 컬렉터에서 이미터로도 전류가 흐르지 않는다.

4. NPN은 로우사이드 출력, PNP는 하이사이드 출력

부하가 스위칭 소자보다 위에 있으면 하이사이드, 부하가 스위칭 소자보다 아래 있으면 로우사이드

• NPN 트랜지스터로 하이 사이드 (High Side) 스위치 설계를 하게 되면, 전류의 크기에 따라 부하에 걸리는 전압, 즉, 이미터(E) 전압이 커지게 되면서 베이스(B) 전압보다 커질 수 있다. (Vb >= Ve + 0.7V 조건을 만족할 수 없게되고 OFF 되는 현상이 발생)
• 이런 이유로 NPN 트랜지스터는 대부분 로우 사이드 스위치로 구현이 되고 하이 사이드 (High Side) 스위치는 PNP 트랜지스터를 사용하게 된다.

• 사실 나는 본 회로를 설계시에 로우 사이드 스위치를 생각하면서... 설계하였다.
• 그러나 나는 PNP 특성을 간과하였고 실수하고 말았다. 경험으로 생각하면서 다음에는 설계시에 실수하지 않도록 해야겠다.