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전원 시스템 설계를 향상시키는 모놀리식 드라이버 + MOSFET(DrMOS) 기술

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글/크리스티안 크루즈(Christian Cruz) 선임 애플리케이션 개발 엔지니어, 조셉 롬멜 비에르네스(Joseph Rommel Viernes) 전원 애플리케이션 스태프 엔지니어, 카림 아투(Kareem Atout) 선임 시스템 엔지니어, 게리 사피아(Gary Sapia) 팀 리더, 마빈 닐 카부에냐스(Marvin Neil Cabuenas) 선임 펌웨어 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

이 글에서는 최신 드라이버 + MOSFET(DrMOS) 기술과 전압 레귤레이터 모듈(VRM) 애플리케이션에서 DrMOS 기술이 제공하는 이점을 설명한다. 모놀리식 DrMOS 디바이스는 전력 밀도, 효율 및 열 성능 면에서 전원 시스템을 크게 향상시켜 최종 애플리케이션의 전체 성능을 향상시킨다.

머리말

기술의 발전으로 멀티코어 아키텍처가 출현하면서 마이크로프로세서는 수평적으로 더 조밀해지고 빨라졌다. 이에 따라 이러한 디바이스들이 필요로 하는 해당 전력이 크게 증가했다. 마이크로프로세서에 공급되는 전력은 전압 레귤레이터 모듈(VRM)에 의해 제공된다.

이 분야에서 전압 레귤레이터의 개발을 촉진하는 두 가지 주요 파라미터가 있다. 첫 번째는 전압 레귤레이터의 전력 밀도(단위 체적에 대한 전력)로서, 공간의 제한된 체적에서 시스템의 높은 전력 요건을 충족하도록 급격하게 증가시켜야 한다. 다른 파라미터는 전력 손실을 줄이고 보다 우수한 열 관리를 위한 전력 변환 효율이다. 

개발 과제가 끊임없이 진화함에 따라 업계에서는 그에 따른 요구사항을 충족하는 방법을 찾고 있다. 한 가지 솔루션은 향상된 패키징과 함께 단일 모놀리식 전압 레귤레이터의 주요 빌딩 블록인 첨단 스위칭 MOSFET과 해당 드라이버를 통합함으로써 작고 효율적인 전력 변환을 구현하는 것이다. 이 DrMOS 전력단은 고속 전력 변환을 최적화한다.

스마트 전력단이라고 하는 이러한 전력단에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 전력 스위칭 기술이 지속적으로 발전함에 따라 아나로그디바이스(ADI)는 DrMOS 스마트 전력 모듈 버전을 내놓았다. LTC705x DrMOS 시리즈는 ADI의 특허 받은 사일런트 스위처2(Silent Switcher® 2) 아키텍처를 사용하고 부트스트랩 회로를 통합하고 있어, DrMOS 모듈이 전력 손실과 스위치 노드 전압 오버슈트를 줄이고 초고속으로 스위칭할 수 있게 함으로써 성능을 향상시킨다.  또한 LTC705x DrMOS 디바이스는 과열 보호(OTP), 입력 과전압 보호(VIN OVP) 및 저전압 록아웃(UVLO) 보호와 같은 안전 기능을 제공한다.

LTC7051 SilentMOS 스마트 전력단

LTC705x DrMOS 제품군의 LTC7051은 고속 드라이버와 높은 성능 지수(FOM)의 상단 및 하단 파워 MOSFET, 포괄적인 모니터링 및 보호 회로를 전기적, 열적으로 최적화된 하나의 패키지에 성공적으로 결합한 140A 모놀리식 스마트 전력 모듈이다. 적정 PWM 컨트롤러와 함께 결합하여, 이 스마트 전력단은 업계 최고 효율, 최저 잡음 및 최고 밀도의 전력 변환을 제공한다. 이러한 결합에는 고전류 전압 레귤레이터 모듈에 효율 및 과도 응답에 대한 최신 기술도 포함되어 있다. LTC7051의 일반적인 애플리케이션은 그림 1에 나와 있다. 이 디바이스는 정확한 전류 공유로 LTC3861 듀얼, 다상 스텝다운 전압 모드 DC-DC 컨트롤러와 함께 벅(스텝다운) 컨버터의 주 스위칭 회로로 작동한다.

[그림 1] 이중 위상 POL 컨버터

LTC7051의 주요 기능을 시연하기 위해 ADI는 LTC7051의 성능을 경쟁 제품과 비교하여 보여주는 평가 보드를 제작했다. 이 데모 플랫폼은 LTC7051 DrMOS의 효율, 전력 손실, 원격 측정 정확도, 열 및 전기적 성능과 같은 주요 파라미터를 경쟁 제품의 파라미터와 비교하는 편견 없는 정확한 방법을 쉽게 제공할 수 있다. 비교의 목적은 결과의 타당성에 대한 의혹을 없애는 것이며, 언급된 데모 플랫폼은 제조사에 관계없이 업계 최고의 DrMOS 성능 지표를 보여주는 데 사용되었다. 

DrMOS 분석 평가 하드웨어

분석 데모 하드웨어의 주요 특징은 다음과 같다:

• 넓은 범위의 입력 및 출력 전압과 스위칭 주파수에서 동작할 수 있는 PWM 컨트롤러. 이 애플리케이션에서 컨트롤러는 LTC7883 쿼드 출력 다상 스텝다운 DC-DC 전압 모드 컨트롤러이다(그림 2 참조).

[그림 2] 분석 데모 보드 블록 다이어그램

• LTC7051과 경쟁 디바이스에 모두 동일한 전력단 설계 사용

• LTC7883이 제공하는 시스템 성능에 대한 포괄적인 원격 측정을 위한 LTpowerPlay® 전력 시스템 관리 환경 탑재

• 보드는 ADI와 경쟁사 디바이스 모두의 지정된 동작 온도 범위에 따라 넓은 주변 온도를 견딜 수 있음

• 보드는 열 캡처 및 측정이 용이하도록 설계

DrMOS 분석 데모 보드는 그림 3에 나와 있다. 이 보드는 앞서 언급한 주요 특징을 포함하도록 신중하게 설계되었다. 부품은 각 전원 레일에 대칭적, 체계적으로 배치되었으며 전원 레일 간 불일치를 제한하기 위해 동일한 PCB 크기와 면적을 갖는다. 레이아웃 라우팅과 레이어 적층 역시 대칭적으로 수행되었다.

[그림 3] DrMOS 평가 보드의 상단 및 하단 모습. PCB 치수: 203mm × 152mm × 1.67mm(L × H × W),구리 두께는 2온스

DrMOS 분석 테스트 방법과 소프트웨어

데모 보드 그 자체 외에도, 편견 없는 데이터와 결과를 위해 테스트 구성과 테스트 방법 역시 똑같이 중요하다. 이를 위해 실험팀은 테스트와 데이터 수집에 대한 보다 사용자 친화적인 접근법을 제공할 수 있도록 그림 4에 보이는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하는 보완적인 평가 소프트웨어를 제작했다. 사용자가 입출력 파라미터를 지정하면 소프트웨어가 자동화된 테스트를 처리한다. 소프트웨어는 자동으로 DC 전원, 전자 부하기, 다중화된 데이터 수집 장치(DAQ)와 같은 해당 테스트 및 측정 장비를 제어하고 온도, 전류 및 전압 수치를 데모 보드에서 바로 측정한 다음 이들 측정치를 GUI에 표시한다. 온보드 디바이스에서 생성되는 중요한 원격 측정 데이터 또한 PMBus/I2C 프로토콜을 통해 소프트웨어에 의해 수집된다. 이 모든 정보들은 시스템 효율과 전력 손실을 비교하는 데 있어서 중요하다.

[그림 4] 구성 및 열 분석 탭을 보여주는 DrMOS 평가 소프트웨어

데이터와 결과

다음의 테스트 결과는 정상 상태 성능 측정, 기능 성능 파형, 열 측정 및 출력 잡음 측정을 포괄한다. 데모 보드는 다음과 같은 구성으로 테스트되었다.

• 입력 전압: 12V

• 출력 전압: 1V

• 출력 부하: 0A ~ 60A

• 스위칭 주파수: 500kHz 및 1MHz

성능 데이터

*효율 및 전력 손실

그림 5의 테스트 결과는 500kHz의 스위칭 주파수에서 LTC7051이 경쟁 제품에 비해 더 높은 효율(0.70% 더 우수)을 달성했음을 보여준다. 또한 스위칭 주파수를 500kHz에서 1MHz로 증가시키면 LTC7051은 더 우수한 효율(0.95% 더 높음)을 제공했다.

[그림 5] 스위칭 주파수가 각각 500kHz 및 1MHz일 때 0A ~ 60A 부하 및 1V에서 효율과 전력 손실

*효율 성능

여기서 주목할 점은 LTC7051이 높은 출력 부하 전류와 상승된 스위칭 주파수에서 경쟁 제품보다 더 높은 효율 성능을 보여주었다는 점이다. 이는 ADI의 특허 받은 사일런트 스위처(Silent Switcher) 기술의 이점으로, 이 기술은 스위칭 에지 속도를 향상시킬 뿐 아니라 데드 타임을 단축시켜 전체 전력 손실을 줄여준다. 따라서 전체 효율에 많은 영향을 미치지 않으면서 더 작은 솔루션 크기로 더 높은 스위칭 주파수 동작을 할 수 있다. 전체 전력 손실이 낮으면 더 낮은 온도 동작으로 더 높은 전류 출력이 가능해 전력 밀도가 크게 증가한다.

*열 성능

LTC7051이 가져다주는 효율과 전력 손실의 이점은 보다 우수한 열 성능으로 해석할 수 있다. 그림 6에서 보듯이 LTC7051과 경쟁 제품 간에 약 3℃ ~ 10℃의 온도 차가 관찰되었으며, LTC7051이 경쟁 제품보다 더 발열이 적은 것을 확인할 수 있다. LTC7051의 이처럼 더 우수한 성능은 뛰어난 설계의 열 성능 강화된 패키지로 인한 것이다.

주변 온도를 25℃에서 80℃로 높이면 LTC7051과 경쟁 제품 간에 관찰되는 온도 차가 약 15℃로 더 벌어졌으며, 역시 LTC7051이 온도가 더 낮은 것으로 확인됐다.

[그림 6]스위칭 주파수가 각각 500kHz 및 1.0MHz일 때 1V 출력, 60A 부하에서 측정된 열 성능

*디바이스 스위치 노드 성능

그림 7에서 LTC7051 드레인-소스 전압(VDS) 피크가 경쟁사 제품보다 낮은 것을 볼 수 있다. 또한 부하를 60A로 증가시키면 경쟁사 제품에서 측정된 VDS가 피크에 도달하면서 발진이 길어진 것을 관찰할 수 있다. 반면 LTC7051은 이번에도 사일런트 스위처 2 아키텍처와 LTC705x DrMOS 제품군 내에 통합된 부트스트랩 커패시터로 인해 스파이크와 발진이 감소된 것을 알 수 있었다. 이는 스위치 노드에서 더 낮은 오버슈트로 나타나면서 스위치 노드 과전압 스트레스가 감소함에 따라 EMI는 물론 방사 및 전도 잡음을 낮추고 신뢰성을 높여준다는 것을 의미한다.

[그림 7] 각각 0A 및 60A 부하에서 측정된 1V에서의 스위치 노드 파형

*디바이스 출력 리플 성능

또 다른 파라미터는 그림 8에 보이는 출력 전압 리플이다. LTC7051에서 나타나는 잡음이 경쟁사 제품의 잡음보다 낮은 것을 볼 수 있다. 감소된 잡음은 스위칭 노드에서 더 낮은 VDS 스파이크와 최소 발진이 발생하기 때문이며, 이는 사일런트 스위처 기술을 적용한 결과이다. 스위치 노드 스파이크가 발생하지 않으면 출력에 전도 잡음이 발생하지 않는다.

[그림 8] 각각 0A 및 60A 부하에서 측정된 1V에서의 출력 리플 파형

마찬가지로 LTC7051과 경쟁사 디바이스에 대해 그림 9와 같이 출력 잡음 확산 스펙트럼 측정을 실시했다. LTC7051은 다른 DrMOS 디바이스보다 뛰어난 성능을 보였으며, 스위칭 주파수에서 발생하는 잡음이 경쟁사 제품보다 낮은 것으로 나타났다. 잡음 차는 약 1mVrms이었다.

[그림 9] 1MHz 스위칭 주파수에서 실행한 60A 부하, 1V에서의 출력 잡음 스펙트럼 반응

결론

LTC7051 DrMOS 데모 플랫폼은 경쟁 제품 간에 편견 없는 비교를 제공하는 데 사용할 수 있다. 높은 스위칭 주파수로 동작하는 LTC7051은 SilentMOS™ 아키텍처와 부트스트랩 커패시터를 열 성능이 강화된 단일 패키지에 통합함으로써 전력 변환 효율과 열 성능을 크게 향상시킨다. 또한 LTC7051은 링잉(ringing) 및 스파이크 에너지를 감소시킬 수 있다. 이는 스위치 노드에서 볼 수 있을 뿐 아니라 출력으로도 이어진다. 실제 애플리케이션에서 출력 부하는 엄격한 허용오차를 필요로 하며, 이중 하나는 공칭 DC이다. 그러나 높은 스파이크 에너지와 리플로 인한 잡음은 출력에서도 나타나 전체 예산을 소모한다. 전력 소비가 많은 데이터 센터는 필터 설계 및 구성 요소 배치를 적절히 관찰하면서 열 관리 및 EMI를 대폭 줄이거나 궁극적으로 제거할 수 있는 추가적인 이점을 누릴 수 있다는 것 외에도, 상당한 에너지와 비용을 절약할 수 있다. LTC7051은 앞서 언급한 이 모든 특징을 갖춤으로써 VRM 설계 및 애플리케이션 요구에 신뢰할 수 있는 전력단이자 반드시 갖춰야 할 DrMOS 디바이스임에 틀림없다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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