여러 채널의 부하를 하나의 IC로 구동해야 할 때, 대표적으로 사용되는 소자가 ULN2003과 같은 달링턴 어레이(Darlington Array)와 TPL7407L과 같은 NMOS 어레이다. 두 소자 모두 릴레이, 모터, LED, 솔레노이드와 같은 유도성 부하를 저전압 로직 신호로 구동할 수 있지만, 내부 구조가 BJT 기반인지 MOSFET 기반인지에 따라 전기적 특성과 손실이 크게 달라진다. 특히 전원 회로의 보조 구동단이나 시퀀스 제어에서는 이러한 어레이 소자의 선택이 신뢰성과 효율에 직접적인 영향을 준다.

달링턴 어레이의 구조와 동작 — ULN2003을 중심으로

ULN2003은 7채널의 NPN 달링턴 페어를 하나의 패키지에 집적한 소자로, 각 채널은 2개의 NPN 트랜지스터와 입력 저항 \( R_{B} \) , 베이스-이미터 저항 \( R_{BE} \) , 그리고 출력단의 플라이백 다이오드(flyback diode)로 구성된다. 입력 신호가 2.4V 이상 인가되면 달링턴 페어가 도통하여 출력이 GND 방향으로 전류를 싱크(sink)하는 오픈컬렉터 구조다.

달링턴 구성의 특성상 입력단 \( Q_{1} \) 과 출력단 \( Q_{2} \) 의 베이스-이미터 전압이 직렬로 연결되므로, 출력 포화 전압 \( V_{CE(sat)} \) 은 약 0.9V~1.1V로 비교적 높다. 예를 들어 \( I_{C} = 350mA \) 로 구동할 때, ULN2003의 \( V_{CE(sat)} \) 은 약 1.1V로 채널당 약 0.39W의 손실이 발생한다. 전체 7채널을 동시 구동하면 2.7W 이상의 열이 발생하므로 방열 설계가 필수적이다.

ULN2003은 제조사에 따라 ULN2003A(LV), ULQ2003 등 다양한 변형이 있지만, 모든 채널이 동시에 최대 정격으로 동작하는 것은 보장되지 않는다. 데이터시트에는 채널당 최대 500mA의 싱크 전류를 표시하고 있으나, 이는 1채널만 구동할 때의 값이며 7채널 동시 구동 시에는 발열 제한으로 인해 채널당 100~150mA로 디레이팅해야 한다. 또 입력 전압이 TTL 레벨(5V)을 기준으로 설계되어 있어, 3.3V 마이크로컨트롤러로 직접 구동할 때는 \( V_{BE} \) 마진 부족으로 동작이 불안정해질 수 있다.

그럼에도 ULN2003은 수십 년간 검증된 신뢰성과 광범위한 호환성을 가진다. 내장된 플라이백 다이오드 덕분에 릴레이나 솔레노이드 같은 유도성 부하를 외부 다이오드 없이 바로 구동할 수 있으며, 단가가 낮고 입수가 쉬워 산업용 제어 회로에서 여전히 널리 사용된다.

NMOS 어레이의 구조와 동작 — TPL7407L을 중심으로

TPL7407L은 7채널의 N채널 MOSFET을 하나의 패키지에 집적한 소자로, TI에서 ULN2003의 대체품으로 출시하였다. 각 채널은 N-MOSFET, 게이트 구동 회로, 풀다운 저항으로 구성되며, ULN2003과 마찬가지로 오픈드레인(open-drain) 싱크 구조를 가진다.

출력단에는 플라이백 다이오드가 내장되어 있지 않으므로, 유도성 부하 구동 시에는 외부에 다이오드를 추가하거나 공통 핀(COM)을 부하 전원에 연결해야 한다.

MOSFET 기반이므로 BJT의 \( V_{CE(sat)} \) 와 달리, 도통 시 저항 \( R_{DS(on)} \) 으로 손실을 모델링한다. \( I_{D} \) 의 전류가 흐를 때의 전압 강하는 \( V_{DS} = I_{D} \times R_{DS(on)} \) 이며, TPL7407L은 \( V_{GS} = 3.3V \) , \( I_{D} = 350mA \) 에서 \( R_{DS(on)} \) 이 약 1.2Ω 이하이므로 \( V_{DS} \approx 0.42V \) , 손실은 약 0.15W에 불과하다. 동일 조건의 ULN2003(약 0.39W) 대비 손실이 60% 이상 적다.

입력 전압 특성도 가장 큰 차별점이다. TPL7407L은 \( V_{IH(min)} = 1.5V \) 로, 1.8V나 3.3V 로직에서도 충분한 게이트 구동 전압을 확보할 수 있다. 따라서 레벨 시프터 없이 저전압 마이크로컨트롤러로 직접 구동할 수 있어, 최신 MCU 기반 설계에서 부품 수를 줄일 수 있다. 또 입력 임피던스가 높아 마이크로컨트롤러 GPIO의 구동 전류 부담이 거의 없다.

스위칭 속도 면에서도 MOSFET은 소수 캐리어 축적 효과가 없기 때문에, TPL7407L의 턴-온/턴-오프 시간은 수십 ns 수준으로 kHz 이상의 PWM 구동에도 적합하다. 반면 ULN2003은 \( t_{off} \) 가 수 μs 이상으로, 고속 스위칭 시 손실이 급격히 증가한다.

단점으로는 플라이백 다이오드가 내장되지 않아 유도성 부하에 대해 추가 부품이 필요하고, 정전기(ESD)에 민감한 MOSFET 특성상 취급 및 보호 회로 설계에 더 많은 주의가 필요하다. 또한 ULN2003에 비해 단가가 약간 높고, 핀 배열이 완전히 동일하지 않아 기존 ULN2003 설계에 드롭인(drop-in) 대체가 되지 않는 경우가 많다.

주요 특성 비교: ULN2003 vs TPL7407L

두 소자의 주요 전기적 특성을 정리하면 다음과 같다. 가장 큰 차이는 출력단 소자의 종류에서 비롯된 전압 강하와 입력 임계값에 있다.

표에서 보듯이, 두 소자의 본질적인 차이는 출력 전압 강하에서 비롯되는 전력 손실이다. ULN2003은 \( V_{CE(sat)} \) 이 전류에 따라 크게 변하지 않는 반면, TPL7407L은 \( R_{DS(on)} \) 이 부성 온도 계수를 가지므로 온도 상승 시 저항이 증가하여 손실이 다소 늘어날 수 있다. 그러나 실사용 영역에서는 TPL7407L의 손실이 ULN2003보다 항상 작다. 또 입력 특성에서 CMOS 레벨(1.8V)과 TTL 레벨(5V)의 차이가 현저하여, 저전압 시스템 설계에서는 TPL7407L이 사실상 유일한 선택지가 된다.

설계 시 선택 기준

실제 설계에서는 다음과 같은 조건에 따라 소자를 선택한다.

구동 전류가 작고 채널 수가 적은 경우에는 단가가 낮고 검증된 ULN2003이 충분히 적합하다. 릴레이 2~3개를 구동하는 단순한 시퀀스 제어 회로에서는 \( V_{CE(sat)} \) 에 의한 손실이 문제 되지 않으며, 내장 플라이백 다이오드로 부품 수를 줄일 수 있어 ULN2003이 유리하다.

저전압 마이크로컨트롤러(1.8V/3.3V)로 직접 구동해야 하는 경우에는 TPL7407L을 선택한다. ULN2003은 3.3V 로직에서 \( V_{BE} pprox 1.3V \) 를 빼면 베이스 전류 마진이 부족하여 온도 변화나 소자 편차에 따라 동작이 불안정해질 수 있다. 레벨 시프터를 추가할 수 있지만, 부품 수와 기판 면적이 증가하므로 TPL7407L 한 개로 해결하는 것이 효율적이다.

다채널 동시 구동이 많거나 전력 효율이 중요한 경우에도 TPL7407L이 적합하다. 예를 들어 SMPS의 보조 전원 시퀀서에서 4채널 이상의 릴레이를 동시에 구동한다면, ULN2003의 발열이 문제가 될 수 있다. TPL7407L은 동일 조건에서 열 손실이 절반 이하이므로 방열판을 생략하거나 기판 사이즈를 줄일 수 있다.

PWM 구동으로 전류 제어가 필요한 경우에는 스위칭 속도가 빠른 TPL7407L을 사용한다. ULN2003은 수백 Hz~1kHz 정도의 저속 PWM만 가능하지만, TPL7407L은 수십 kHz의 PWM 구동이 가능하여 LED 디밍이나 DC 모터 속도 제어에 적합하다.

고전압/고전류 유도성 부하 구동 시에는 플라이백 다이오드가 내장된 ULN2003이 편리하다. TPL7407L은 외부에 쇼트키 다이오드를 추가해야 하므로 부품 수가 늘어나지만, 외부 쇼트키 다이오드의 \( V_{F} \) 가 ULN2003 내장 다이오드의 \( V_{F} \) 보다 낮아 역기전력 억제 성능이 더 우수할 수도 있다.

실장 호환성과 대체 시 주의사항

ULN2003과 TPL7407L은 모두 16핀 SOIC/DIP 패키지로 제공되며, 핀 배열도 유사하게 설계되어 있으나 완전히 동일하지는 않다. ULN2003의 9번 핀은 플라이백 다이오드의 캐소드 공통 단자(COM)이나, TPL7407L의 9번 핀은 부하 전원에 직접 연결해야 하는 전원 핀으로 기능이 다르다. 따라서 기존 ULN2003 설계를 TPL7407L로 단순 교체할 수 없으며, 회로 수정이 필요하다.

반대로 TPL7407L을 사용 중인 설계에서 ULN2003으로 대체할 경우, 입력 신호 레벨이 3.3V 이하라면 충분한 베이스 전류를 확보할 수 없어 동작하지 않을 수 있으므로 반드시 확인해야 한다.

핀 배열 비교 (16-SOIC/DIP)

핵심 차이는 9번 핀에 있다. ULN2003의 9번 핀(COM)은 내장 플라이백 다이오드의 공통 캐소드 단자로, 유도성 부하의 역기전력을 전원으로 클램핑하는 역할을 한다. 반면 TPL7407L의 9번 핀은 부하 전원(VDD) 입력 핀이므로, 유도성 부하 구동 시 반드시 외부에 쇼트키 다이오드를 추가해야 한다. 이 차이로 인해 두 소자는 단순 핀-투-핀 대체(drop-in replacement)가 불가능하다.

최근에는 ULN2003의 단점을 보완하면서도 유사한 핀 배열과 내장 다이오드를 갖춘 소자들이 등장하고 있으며, TI의 TPL7407L뿐 아니라 Toshiba의 TBD62083A(DMOS), Infineon의 ISO1H811G(절연형) 등 다양한 대체 소자가 있으므로 설계 요구사항에 맞추어 최신 소자를 검토하는 것이 바람직하다.