고급 DC/DC 컨버터를 통해 산업, 의료 및 교통 전력 시스템 설계 간소화

산업, 교통, 의료 응용 분야에서 전자 장치 사용이 증가하면서 지원용 전력 서브 시스템 설계자는 엄격한 규정 및 안전 요구 사항을 준수하면서도 물리적/전기적으로 까다로운 환경에서 우수한 성능을 보장해야 합니다. 동시에 빠듯한 예산 내에서 설계 일정을 맞춰야 합니다.

DC/DC 컨버터는 시간이 지나면서 대부분의 요구 사항을 충족하도록 획기적으로 진화했습니다. 크기를 줄여서 출력 밀도를 높이고, 공간을 절약하면서, 폭넓은 입력 범위를 제공하여 재고를 단순화하고 부품 명세서(BOM)를 간소화했습니다. 설계자의 작업을 용이하게 해주는 다른 개선 사항으로 저잡음 출력, 엄격한 부하 조정, 강력한 보호 및 안전 기능을 비롯해 열 관리에 대한 주목할 만한 관심이 있습니다. 하지만 설계자가 예상하듯 DC/DC 컨버터가 모두 동일한 것은 아니므로, 설계 및 응용 성공을 보장하려면 구분하여 선택해야 합니다.

이 기사에서는 소형 크기이고, 낮은 리플 잡음을 보장하며, 단일 출력 전압과 이중 출력 전압을 충족하는 Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor 및 XP Power의 DC/DC 컨버터를 소개합니다. 또한 특징 및 개선 사항을 강조하여 설명하고 설계자가 전력 조정 기능을 강화하고, 잡음을 줄이며, 자가 보호를 보장하고, 효율적인 열 관리를 제공할 수 있는 방법을 살펴봅니다.

DC/DC 컨버터 작동 방법

이름에서 알 수 있듯이 DC/DC 컨버터는 DC 전원에서 입력된 전압을 다른 DC 전압의 출력으로 변환합니다. 출력은 입력 전압보다 낮거나(벅 컨버터) 높을 수 있습니다(부스트 컨버터). DC/DC 컨버터는 분리형이거나 비분리형입니다. 분리형 DC/DC 컨버터는 변압기를 사용하여 입력과 출력 사이의 DC 경로를 제거합니다(그림 1).

그림 1: 입력 단계와 출력 단계 사이의 변압기에서 알 수 있듯이 이 DC/DC 컨버터는 분리형입니다. (이미지 출처: XP Power)

반면에 전압 변화가 작을 때 주로 사용되는 비분리형 DC/DC 컨버터는 입력과 출력 사이에 DC 경로가 있습니다.

주요 성능 및 설계 고려 사항

DC/DC 컨버터의 주요 성능 특성에는 효율, 정격 전류, 리플 전압, 조정, 과도 응답, 정격 전압, 크기, 무게 등이 있습니다. 자세한 내용은 "Introduction to DC/DC converters"를 참조하십시오. 또한 설계자는 컨버터에서 폭넓은 공칭 입력 전압을 지원할 수 있는지를 고려해야 합니다. 그러면 컨버터가 예상되는 부하에 필요한 출력 전압과 정격 전류를 제공할 수 있다고 가정할 때 하나의 컨버터로 많은 응용 제품을 지원하여 재고와 물류를 줄일 수 있습니다.

또한 응용 제품 및 전원의 특성에 따라 과전압, 부족 전압, 역극성, 단락 및 과온 조건을 방지해야 합니다. 마찬가지로 양호한 전자파 적합성(EMC) 및 전자파 장해(EMI) 규정 준수가 필수적입니다. DC/DC 컨버터에서 사용되는 스위칭 전원 공급 장치에서 부하로 인해 잡음이 발생하고, 주위 회로의 안정성과 정확성에 영향을 미치는 RF 잡음이 발생할 수 있다는 것을 고려하면 이는 특히 중요합니다.

마지막으로 설계자는 필요에 따라 환기 및 기타 열 관리 기술을 적절히 적용할 수 있도록 응용 분야의 설계 및 작동 조건의 맥락에서 컨버터의 열 특성을 신중히 검토해야 합니다.

작을수록 좋은 DC/DC 컨버터

일부 응용 분야에서는 공간을 절약하고 설치를 간소화하기 위해 DC/DC 컨버터를 소형 폼 팩터에 내장해야 합니다. 그런 응용 분야를 위해 Bellnix는 개발 시점에 사용 가능한 모듈에 비해 필요한 실장 면적을 약 60% 줄인 OHV 계열의 1.5W 중전압 ~ 고전압 DC/DC 컨버터를 특별히 제작했습니다. 샘플 장치에는 44mm x 16mm x 30mm 크기와 1000V 출력(1.5mA 기준)을 제공하는 시스템 인 패키지(SiP) OHV12-1.0K1500P가 있습니다(그림 2). 또한 Bellnix는 이 계열의 피크 간(_P-P) 리플 잡음을 5mV로 낮게 유지하도록 설계했습니다.

그림 2: Bellnix의 초소형 OHV12-1.0K500P 컨버터는 44mm x 16mm x 30mm 크기이며 1.5mA에서 1000V를 출력합니다. (이미지 출처: Bellnix)

이 계열은 11V ~ 13V(0.28A 기준)에서 작동합니다. 모델에 따라 0V ~ +/-1000V(0mA ~ 1.5mA), 0V ~ +/-1500V(0mA ~ 1.0mA), 0V ~ +/-2000V(0mA ~ 0.7mA)를 출력할 수 있습니다.

장치의 낮은 리플 잡음(5mV_P-P)은 고전압 전원 공급 장치의 불안정성이 잡음을 발생하고 장비의 정확성에 영향을 줄 수 있는 응용 분야(예: 계측)에 중요합니다. Bellnix는 잡음을 최소한으로 유지하고 외부 부품 없이 장치를 자급적으로 작동하며 설계자가 부품을 추가하여 잡음과 입력 임피던스를 줄일 수 있는 자체 회로 기술을 개발했습니다(그림 3).

그림 3: 공급 장치와 컨버터 사이의 리드 길이로 인한 입력 임피던스를 줄이기 위해 설계자는 단자 측에 커패시터 C1을 추가할 수 있습니다. 잡음을 더욱 줄이기 위해 부하 전반에 C2를 추가할 수 있습니다. (이미지 출처: Bellnix)

예를 들어 컨버터와 전원 공급 장치 사이의 확장된 거리로 인해 발생하는 입력 임피던스를 줄이기 위해 입력 측에 커패시터 C1을 추가할 수 있습니다. 리드 유도 용량을 줄이려면 이 커패시터를 컨버터의 단자 측에 배치해야 합니다. 잡음을 줄이기 위해 연면거리와 공간거리에 특히 주의하면서 커패시터(C2)를 부하 근처에 신중하게 배치하여 입/출력 배선을 최소화할 수 있습니다.

제품군에 포함되는 모든 장치에는 단락 및 과전류 보호 기능이 내장되어 있으며, 추가 차폐를 사용하여 과열 및 과도한 온도로부터 장치를 보호하는 5면 금속 케이스를 통해 전원 공급 장치의 신뢰성을 강화합니다. OHV 계열의 출력 전압은 외부 전압 또는 외부 가변 저항기로 0V ~ 2000V 사이에서 제어할 수 있습니다.

배터리 구동 장치 설계자의 경우 HVM Technology의 nHV 계열은 11.4mm x 8.9mm x 9.4mm 패키지에서 최대 1kV에서 100mW의 정밀한 정격 출력을 제공합니다. 특히, 무부하에서 최대 부하까지 부하 조정이 0.2%(통상) 미만입니다.

nHV 계열은 5V 입력(4.5V ± 0.5V)을 사용합니다. 모델에 따라 출력 전압 범위는 -1200V(NHV0512N) ~ 1200V(NHV0512)(83µA 기준)부터 -100V(NHV0501N) ~ 100V(NHV0501)(1mA 기준)입니다.

이 계열은 고임피던스 프로그래밍 입력(100kΩ)을 채택하므로 장치를 설치하기가 쉽고 저임피던스 조정 가능 전원 전압이 필요하지 않습니다. 출력 전압은 입력 전압과 상관없이 프로그래밍 전압에 비례하여 강력한 선형성을 보장합니다.

넓은 입력 범위

nHV 계열과 마찬가지로 XP Power의 DTJ15 및 DTJ20 계열 15W 및 20W DC/DC 컨버터도 손쉬운 설치와 전력 효율적인 작동을 위해 소형화되었으며(비틀림 적용), 섀시 또는 DIN 레일에 설치하고 나사 단자를 통해 연결할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: DTJ15 및 DTJ20 계열 DC/DC 컨버터는 작은 크기에 최적화되었으며, DIN 레일을 사용하여 쉽게 설치할 수 있고, 폭넓은 입력 전압 범위를 제공합니다. (이미지 출처: XP Power)

손쉬운 설치 외에도 9V ~ 36V 및 18V ~ 75V를 포괄하는 폭넓은 DC 전압 입력 범위는 이러한 전력 컨버터의 중요한 기능입니다. 여러 공칭 배터리 전압 및 차량 공급 장치를 비롯한 다양한 입력 소스를 활용하여 컨버터에서 광범위한 산업, 상업 및 통신 응용 분야를 지원할 수 있습니다.

또한 DTJ15 및 DTJ20 계열 DC/DC 컨트롤러는 단일 출력 장치에서 3.3V, 5.0V, 12.0V 및 15.0V를 제공하고, 이중 출력 장치에서 각각 ±5.0V, ±12.0V 및 ±15.0V를 제공하여 총 14가지 변형을 제공합니다(그림 5).

그림 5: DTJ15 및 DTJ20 계열 DC/DC 컨버터는 폭넓은 입력 전압 범위와 총 14가지 변형의 출력 범위로 유명합니다. 이미지는 15W 컨버터인 DTJ15를 보여줍니다. (이미지 출처: XP Power)

소프트웨어에서 원격 켜기/끄기 기능을 통해 DC/DC 컨버터를 제어하여 전체 전력 소비를 제어함으로써 원격 설치를 효율적으로 작동할 수 있습니다.

DTJ15 및 DTJ20 계열 DC/DC 컨버터의 다른 중요한 기능에는 내부 오류 증폭기 레퍼런스를 변조하여 출력 전압을 높이는 소프트 스타트가 있습니다. 그러면 출력 전압이 구간 선형 램프를 근사화하여 전압이 공칭 출력 전압에 도달하면 종료됩니다. DTJ15 및 DTJ20 계열 컨트롤러에서 제공하는 다른 보호 기능에는 단락 보호 및 입력 역극성 보호 기능이 있습니다.

보호 기능 포트폴리오

철도, 산업 및 교통 응용 분야를 위한 전력 시스템 설계에서는 과도 단계 부하에 대한 빠른 정착 시간이 필요합니다. 입력 및 출력 전압의 발진과 같은 다른 과도 이벤트는 DC/DC 컨버터의 안전하고 안정적인 작동에 필요한 자가 보호 기능을 구축합니다.

전류 제한(전력 제한이라고도 함) 내에서 출력 전류가 정격 전류의 약 130%로 증가하는 즉시 DC/DC 컨버터가 전류 제한 모드로 전환됩니다. 일정한 내전력을 유지하기 위해 출력 전압이 비례해서 감소하기 시작합니다.

환경 조건에 따라 DC/DC 컨버터의 온도가 지정된 작동 온도보다 높게 증가할 경우 정밀 온도 센서가 장치를 끕니다. 내부 온도가 온도 센서의 임계값 아래로 내려가면 DC/DC 컨버터가 자동으로 시작됩니다.

Murata의 IRE-Q12 계열 분리형 DC/DC 컨버터는 높은 정전 용량 부하로 인한 역효과가 발생하지 않도록 자가 보호 기능을 제공합니다(그림 6). 예를 들어, IRE-12/10-Q12PF-C는 전압 저하 및 과도 조건 중에 공칭 배터리 전압을 촉진하기 위한 EN50155 요구 사항을 충족하면서 모든 관련 자가 보호 기능을 통합합니다.

그림 6: IRE-Q12 계열 컨버터는 포괄적인 테스트를 통과하여 철도 및 산업 응용 분야에서 일반적으로 발견되는 열악한 환경을 견딜 수 있는 것으로 확인되었습니다. (이미지 출처: Murata)

IRE-Q12 계열 컨버터는 표준 1/8브릭 패키지 및 실장 면적과 9V ~ 36V 입력 전압 범위에서 단일의 120W 분리 출력을 제공합니다. 또한 최소 기판 공간 소비를 위한 바닥판과 방열판에 기계적 고정을 위한 슬롯형 플랜지라는 두 가지 바닥판 옵션을 제공합니다.

이 DC/DC 컨버터의 출력은 +/-10%로 트리밍되어 과도 단계 부하에 대한 빠른 정착 시간을 보장할 수 있습니다. 또한 입력 반사 리플 전류, 입력 단자 리플 전류 및 출력 잡음에 대해 모든 컨버터를 테스트하여 구체화했습니다.

독립형 및 어레이 전력 모드

Vicor의 DCM2322는 9V ~ 50V의 비정격 DC 입력 범위에서 작동하여 분리된 28V 출력을 생성하는 분리형 DC/DC 컨버터 계열입니다(그림 7). 이 컨버터는 자사의 이중 클램핑 제로 전압 스위칭(DC-ZVS) 토폴로지를 기반으로 하여 전체 입력 전압 범위에서 93%의 높은 효율을 제공할 수 있도록 도와줍니다.

그림 7: DCM2322 컨버터는 DC-ZVS 토폴로지를 사용하여 최대 93% 효율을 실현할 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

DC/DC 컨버터 모듈(DCM) 장치(예: DCM2322T50T3160T60)는 Vicor의 ChiP 패키징 기술의 열 및 이점을 활용하여 내부에서 발생하는 열을 패키지 표면에 고르게 분산시킵니다. DCM 컨버터는 또한 ChiP 패키징 기술을 활용하여 상한 및 하한 열 임피던스가 매우 낮은 유연한 열 관리 옵션을 제공할 수 있습니다.

효율적인 열 분산을 통해 DCM 장치는 다양한 비정격 전원을 부하 지점에 연결할 수 있습니다. 결함이 감지될 경우 컨버터를 끄는 입/출력 과전압 결함 보호 기능과 기타 결함 처리 메커니즘을 모두 제공합니다(그림 8).

그림 8: DCM 컨버터는 전류 제한과 소프트 스타트 제어를 포함하는 안전 기능과 결함 모니터링 처리 기능을 촉진합니다. (이미지 출처: Vicor)

이러한 기능을 사용하여 DCM 컨버터에서 정의된 공칭 부하 라인 및 온도 계수에 근사한 정격 출력 전압을 제공할 수 있습니다. 컨버터의 내부 온도가 한도를 초과할 경우 온도 결함이 등록되고 동력 전달 장치가 즉시 스위칭을 중단합니다. 컨버터는 내부 온도가 지정된 임계값으로 복귀될 때까지 기다렸다가 다시 시작됩니다.

또한 이러한 DC/DC 컨버터는 기존 브릭 아키텍처의 기본적인 설계 이점을 유지하면서 통합된 EMI 필터링, 엄격한 출력 전압 조정 및 2차 레퍼런스 제어 인터페이스를 제공합니다.

데이터 센터, 통신 장비와 같이 단일 DC/DC 컨버터에서 제공할 수 있는 전력보다 더 많은 전력이 필요한 응용 분야에서는 여러 장치를 병렬로 사용할 수 있습니다. 부하 분배를 통해 더 높은 전력 용량을 얻기 위해 어레이 모드에서 여러 DCM 컨버터를 병렬로 연결할 수 있습니다. 이는 컨버터가 서로 다른 입력 전압 공급 장치에 의해 작동되는 경우에도 마찬가지입니다. Vicor는 480W 용량에 대해 어레이를 최대 8개 DC/DC 컨버터로 제한했습니다.

결론

산업, 의료, 교통 및 계측 응용 분야에서 전자 시스템을 지원하는 전원 공급 장치 설계자의 경우 폭넓은 입력 전압 범위, 열 관리, 부하 분배 등 복잡성 및 관련 비용이 많이 듭니다. 하지만 위에서 살펴본 바와 같이 DC/DC 컨버터는 이러한 복잡성을 대부분 제거한 작고 설치하기 쉬운 자급형 전원 공급 장치로 진화했습니다.

하지만 보다 나은 성능을 원하는 설계자의 경우 부품을 더 추가할 수 있습니다. 또한 더 높은 유연성이 필요한 경우 원격 프로그래밍 가능 기능을 사용하여 임피던스 보정을 수행하고 다양한 보호 기능을 촉진하여 소진을 방지하고, 과도 조건에 대응하며, 전체 시스템 전력 소비를 줄일 수 있습니다.

추가 자료

1. Introduction to DC/DC converters