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산업용 벅 컨버터를 빠르게 구현하는 방법

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글/Jeff Shepard, Jeta Power Systems

벅 DC/DC 컨버터는 5G 기지국, 공장 자동화(FA) 장비, 사물 인터넷(IoT) 장치와 같은 많은 전자 시스템에서 고전압을 효과적으로 강압하기 위해 널리 사용된다. 예를 들어 디지털 IC, 아날로그 센서, 무선 주파수(RF) 섹션 및 인터페이스 장치를 구동하기 위해 배터리 또는 전력 분배 버스의 전압(예: 12V 직류(VDC) 또는 48VDC)을 강압해야 한다.

설계자는 이산 소자 벅 컨버터를 구현한 후 성능 특성과 기판 레이아웃의 측면에서 특정 설계에 맞게 최적화할 수 있지만, 이 접근 방식의 경우 적절한 전력 MOSFET 선택, 피드백 및 제어 네트워크 설계, 인덕터 설계, 비동기식 토폴로지 또는 동기식 토폴로지 선택 등에서 어려움이 있다. 또한 설계에서 다양한 보호 기능을 포함하고 최대 효율을 제공하고, 솔루션 크기를 작게 줄여야 한다. 이와 동시에 설계자는 설계 시간을 단축하고 비용을 절감해야 하는 부담으로 인해 보다 적합한 전력 컨버터 대안을 찾아야 한다.

이산 소자 라우트 대신, 설계자는 MOSFET을 고효율 벅 컨버터에 이미 최적화된 필수 피드백 및 제어 회로망과 결합하는 통합 전원 공급 장치 IC로 전환할 수 있다.

이 기사에서는 비동기식 벅 DC/DC 컨버터와 동기식 벅 DC/DC 컨버터 사이의 성능 트레이드 오프를 검토하고 두 벅 컨버터가 특정 응용 분야의 요구 사항에 어떻게 매핑되는지를 알아본다. 그런 다음 ROHM Semiconductor의 통합 비동기식 벅 IC 및 동기식 벅 컨버터 IC 솔루션의 예시를 소개하고, 출력 인덕터 및 커패시터 선택, pc 기판 레이아웃을 비롯한 구현 고려 사항을 설명한다. 설계자가 시작하는 데 도움이 되도록 평가 기판을 설명에 포함했다.

벅 컨버터를 사용하는 이유

수 암페어(A)의 전류가 필요한 응용 분야에서 벅 컨버터는 선형 조정기를 보다 효과적으로 대체한다. 선형 조정기는 효율이 약 60%이지만 비동기식 벅 컨버터는 85% 이상이다.

기본 비동기식 벅 컨버터는 MOSFET 스위치, 쇼트키 다이오드, 커패시터, 인덕터, MOSFET을 켜고 끄기 위한 컨트롤러/구동기 회로망(표시되지 않음)으로 구성된다(그림 1). 벅 컨버터는 DC 입력 전압(VIN)을 사용하여 다이오드를 통해 정류되는 펄스 AC 전류로 전환한다. 펄스 AC 전류는 인덕터와 커패시터에 의해 필터링되어 정격 DC 출력 전압(VO)을 생성한다. 이 토폴로지의 이름은 인덕터를 통과한 전압이 입력 전압에 역행하거나 ‘저항(벅)’한다는 사실에서 유래했다.

[그림 1] 비동기식 벅 컨버터 토폴로지(MOSFET 컨트롤로/구동기 회로망 제외) (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

컨트롤러/구동기 회로는 출력 전압을 감지하고 MOSFET을 주기적으로 켜고 꺼서 출력 전압을 원하는 수준으로 유지한다. 부하가 변경되면 컨트롤러/구동기는 MOSFET을 켜거나 끄는 간격을 변경하여 출력부에 공급되는 전류를 늘리거나 줄임으로써 출력 전압을 유지(조정)한다. 전체 켜기/끄기 주기 중 MOSFET이 켜지는 시간의 비율을 듀티 사이클이라고 한다. 따라서 듀티 사이클이 클수록 더 높은 부하 전류를 지원한다.

동기식 벅

비동기식 벅에서 가능한 것보다 더 높은 효율성이 필요한 응용 분야에서 설계자는 쇼트키 다이오드를 동기식 MOSFET 정류로 대체하는 동기식 벅 컨버터로 전환할 수 있다(그림 2). 동기식 MOSFET(S2)은 온스테이트 저항이 쇼트키 저항보다 훨씬 낮아서 손실이 적고 효율성이 더 높지만 비용이 더 많이 든다.

[그림 2] 쇼트키 다이오드를 동기식 정류 MOSFET(S2)으로 대체한 동기식 벅 컨버터 토폴로지 (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

이제 두 MOSFET을 켜고 끄는 시간을 조율해야 한다는 한 가지 문제점이 있다. 두 MOSFET을 동시에 켜면 입력 전압을 접지에 직접 연결하는 단락이 생성되어 컨버터가 손상되거나 파괴된다. 단락이 발생하지 않도록 보호하려면 제어 회로의 복잡성이 커지므로 비동기식 설계에 비해 비용과 설계 시간이 증가한다.

비동기식 벅의 이 제어 회로는 동시 전도를 방지하기 위해 스위칭 전환 중에 매우 짧은 시간 동안 두 스위치를 동시에 끄는 ‘부동 시간’을 통합한다. 설계자에게는 다행스럽게도, 벅 컨버터를 생성하는 데 필요한 MOSFET 및 제어 회로망을 통합하는 전원 공급 장치 IC를 사용할 수 있다.

통합 벅 컨버터 IC

고집적 벅 컨버터 IC의 예로는 각각 HTSOP-J8 및 VMMP16LX3030 패키지로 제공되는 ROHM의 BD9G500EFJ-LA(비동기식) 및 BD9F500QUZ(동기식) 장치가 있다(그림 3). BD9G500EFJ-LA는 5G 기지국, 서버 및 유사한 응용 분야에서 발견되는 48V 전력 버스에서 사용하기 위한 것이며 내성 전압이 80V이다. 또한 전기 자전거, 전동 공구, FA, IoT 장치와 같은 60V 전력 버스가 탑재된 시스템에 적합하다. 이 장치는 최대 5A의 출력 전류를 공급할 수 있으며 2A ~ 5A 출력 전류 범위에서 변환 효율이 85%이다. 그리고 소프트 스타트, 과전압, 과전류, 과열 시 전원 차단 및 부족전압 차단 보호 기능이 내장되어 있다.

[그림 3] BD9G500EFJ-LA 비동기식 벅 컨버터 IC는 HTSOP-J8 패키지로 제공되고 BD9F500QUZ 동기식 벅 IC는 VMMP16LX3030 패키지로 제공된다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

BD9F500QUZ 동기식 벅 전원 공급 장치 IC는 항복 전압이 39V이므로, 24V 전력 버스 탑재 시스템 설계자는 이 IC를 활용하여 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC) 및 인버터와 같은 FA 시스템에서 실장 면적과 부품 수를 줄임으로써 시스템 비용을 절감할 수 있다. BD9F500QUZ는 솔루션 크기를 약 60% 줄이고, 2.2MHz 최대 스위칭 주파수에서 소형 1.5μH 인덕터를 사용할 수 있다. 이 동기식 벅은 3A 출력 전류에서 최대 90% 효율로 작동한다.

높은 효율과 열 효율적인 패키지를 조합하여 작동 온도가 약 60℃이고 방열판이 필요하지 않으므로, 공간을 절약하고, 신뢰성을 개선하고, 비용을 절감할 수 있다. 출력 커패시터 방전, 과전압, 과전류, 단락, 과열 시 전원 차단 및 부족전압 차단 보호 기능이 내장되어 있다.

인덕터 및 커패시터 선택

BD9G500EFJ-LA 및 BD9F500QUZ에는 전력 MOSFET이 통합되어 있지만 설계자는 상호 관련된 최적의 출력 인덕터와 커패시터를 여전히 선택해야 한다. 예를 들어 인덕터와 출력 커패시터의 결합된 크기를 최소화하고 출력 전압 리플을 충분히 낮추려면 최적 유도 용량 값이 중요한다. 과도 요구 사항도 중요하며 시스템마다 다릅니다. 부하 과도 진폭, 전압 편차 제한 및 커패시터 임피던스는 모두 과도 성능과 커패시터 선택에 영향을 미친다.

설계자는 비용 및 성능 트레이드 오프가 각각 다른 다양한 커패시터 기술을 이용할 수 있다. 일반적으로 다층 세라믹 커패시터(MLCC)가 벅 컨버터의 출력 정전 용량에 사용되지만, 일부 설계에서는 알루미늄 전해 커패시터 또는 전도성 고분자 혼합형 전해 커패시터를 사용하는 것이 좋을 수 있다.

설계 공정을 가속화하는 평가 기판

설계 공정을 가속화하기 위해 ROHM은 각각 BD9G500EFJ -LA 및 BD9F500QUZ를 위한 BD9G500EFJ-EVK-001 및 BD9F500QUZ-EVK-001 평가 기판을 제공한다(그림 4).

[그림 4] 설계자는 각각 BD9G500EFJ-LA 및 BD9F500QUZ 벅 컨버터 IC를 위한 BD9G500EFJ-EVK-001(왼쪽) 및 BD9F500QUZ-EVK-001(오른쪽) 평가 기판을 활용하여 장치가 요구 사항을 충족하는지 빠르게 확인할 수 있다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001은 48VDC 입력에서 5VDC 출력을 생성한다. BD9G500EFJ-LA의 입력 전압 범위는 7VDC ~ 76VDC이고, 출력 전압은 외부 저항기를 통해 1VDC ~ 0.97 x VIN 사이에서 구성할 수 있다. 또한 외부 저항기를 사용하여 100kHz ~ 650kHz 사이의 작동 주파수를 설정할 수 있다.

BD9F500QUZ-EVK-001 평가 기판은 12VDC 입력에서 1VDC 출력을 생성한다. BD9F500QUZ의 입력 전압 범위는 4.5VDC ~ 36VDC이고, 출력 전압은 외부 저항기를 통해 0.6VDC ~ 14VDC 사이에서 구성할 수 있다. 이 전원 공급 장치 IC에서 선택 가능한 스위칭 주파수는 600kHz, 1MHz, 2.2MHz의 세 가지이다.

기판 레이아웃 고려 사항

BD9G500EFJ-LA 및 BD9F500QUZ를 사용할 때의 일반 pc 기판 레이아웃 고려 사항:

① 프리휠링 다이오드 및 입력 커패시터를 IC 단자와 동일한 pc 기판 레이어에 IC와 최대한 가깝게 배치해야 한다.

② 열 방출을 개선하기 위해 가능하면 열 바이어스를 포함해야 한다.

③ 인덕터와 출력 커패시터를 IC에 최대한 가깝게 배치한다.

④ 귀로 회로 트레이스를 잡음 출처(예: 인덕터 및 다이오드)에서 멀리 유지한다.

레이아웃에 대한 자세한 내용은 해당 장치에 대한 규격서와 ROHM의 응용 참고 사항에서 확인할 수 있다.

결론

위에서 살펴본 바와 같이 비동기식 벅 컨버터와 동기식 벅 컨버터를 사용하면 다양한 FA, IoT 및 5G 응용 분야에서 선형 조정기에 비해 높은 변환 효율을 제공할 수 있다. 주어진 설계에 적합한 맞춤형 벅 컨버터를 설계할 수 있지만 복잡하고 시간이 오래 소요되는 작업이다.

대신 설계자는 전력 MOSFET을 제어 및 구동 회로망과 통합하는 전원 공급 장치 IC를 선택하여 콤팩트하고 비용 효율적인 솔루션을 구축할 수 있다. 또한 커패시터 선택 및 pc 기판 레이아웃에 관한 응용 참고 사항, 상세 예시 응용 회로, 평가 기판을 비롯한 다양한 도구를 사용하여 출시 시간을 단축할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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