자동 효율 강화로 더 낮은 출력 전압에서 벅 컨버터 효율을 높게 유지

원래 강압 DC/DC 컨버터에서는 출력 전압이 더 낮은 값으로 구성되므로 이런 컨버터의 전력 변환 효율은 감소됩니다. 예를 들어, 12V 입력 ~ 3.3V 출력 강압 DC/DC 컨버터는 전체 부하에서 90% 이상의 효율을 제공합니다. 유사한 입력 특성을 갖고 1.8V로 출력 전압이 설정된 동일한 컨버터는 전체 부하에서 84% 이하의 효율을 제공할 수 있습니다. 그 성능은 출력 전압이 같은 입력 매개변수에 대해 더 낮은 값으로 구성되므로 계속 저하됩니다. 이 결과, 낭비된 전력 때문에 생성된 열로 온도가 더 높이 상승하므로 더 높은 손실을 주어 패키지 내에서 더 큰 전력 손실을 가져옵니다. 이 현상은 바람직하지 않으며, 노트북, 태블릿, 반도체 드라이브(SSD)와 같이 작동 온도가 높아지면 제품의 성능이 저하될 수 있는 배터리 구동 제품에서 특히 타격이 큽니다.

이 문제를 해결하기 위해 Texas Instruments 엔지니어들은 자동 효율 향상(AEE)이라는 새 전력 변환 방법을 개발했습니다. 이 독점 기술을 사용하면 출력 전압이 더 낮은 값으로 설정된 경우에도 강압 DC/DC 컨버터가 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 즉, 구성 출력 전압에 관계없이 전력 변환 효율이 높게 유지됩니다.

효율 저하

AEE를 알아보기 전에 이러한 효율 감소의 원인을 확인해 보겠습니다. TI의 응용 분야 엔지니어인 Chris Glaser는 ‘AEE를 통해 낮은 출력 전압에서 강압 컨버터 효율 상승’¹이라는 기사에서 이러한 효율 저하에 대해 설명했습니다. Glaser에 따르면 낮게 설정된 출력 전압에서 강압 컨버터에 발생하는 효율 저하는 전력 손실이 감소하지 않은 상태에서의 출력 전력 감소와 직접적인 관련이 있습니다.

일반적으로 스위치 모드 전원 공급 장치에서 손실은 스위칭 손실과 전도 손실로 이루어집니다. 스위칭 손실이 입력 전압, 출력 전류, 스위칭 주파수와 관련되어 있고, 전도 손실이 출력 전류와 MOSFET 온스테이트 저항과 관련되어 있다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 따라서 출력 전압은 컨버터의 전체적인 손실에 기여하지 않습니다. 그러나 입력 전압이 같은 상태에서 출력 전압이 떨어지면 출력 전압과 출력 전류를 곱한 값인 출력 전력도 확실히 떨어집니다. 효율 = (출력 전력)/(출력 전력 + 손실)이므로 컨버터가 더 낮은 출력 전압으로 설정되는 경우 전력 손실이 같으면 당연히 효율이 떨어집니다.

TI 문서의 설명에 따르면 효율을 높이기 위해 컨버터를 낮은 전압으로 설정하면 스위칭 주파수를 낮춰서 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다. 하지만 그렇게 하기 위해서는 출력 필터와 루프 보정 회로망을 다시 설계해야 합니다. Glaser는 “설계에 노력과 시간이 더 필요하고, 시스템의 출력 전압 회로에도 다른 부품을 사용해야 할 가능성이 크기 때문에 자재 명세서(BOM) 금액도 커진다.”라고 주장합니다.

스위칭 주파수의 동적 조정

스위칭 주파수의 딜레마는 AEE로 해결되었습니다. TI에 따르면 AEE는 스위칭 주파수를 자동으로 조정하여 출력 필터와 루프 보정 회로망을 방해하지 않으면서 변환 효율을 높여 줍니다. Glaser는, 입력 및 출력 전압을 기반으로 하여 제어 루프의 안정성과 출력 필터를 유지하면서 효율을 향상시키도록 스위칭 주파수가 자동으로 조정된다고 설명합니다.

요약하면, AEE는 전체 듀티 사이클(V_OUT/V_IN) 범위에서 높은 효율을 유지하기 위해 인덕터 리플 전류를 낮은 값으로 유지하면서 스위칭 주파수를 조정합니다. 참고 자료 1에서는 다음과 같이 인덕터 리플 전류(ΔI_L), 스위칭 주파수(F_SW), 듀티 사이클(D = V_OUT/V_IN) 사이의 관계를 보여 줍니다.

그러므로, 등식 1을 기반으로 하여 AEE는 주어진 입력 전압에서 가변적인 출력 전압에 대해 인덕터 리플 전류의 변동을 최소한으로 유지한다는 사실을 알 수 있습니다. 이 방법은 출력 전압이 더 낮게 구성되어 스위칭 주파수를 줄이는 방식으로 구현됩니다.

TI의 2상 강압 컨버터 TPS62180/TPS62182는 AEE를 통합하여 0.9V ~ 6V의 가변 출력 범위에서 출력 전류 최대 6A와 입력 전압 범위 4V ~ 15V로 높은 효율을 제공합니다. 그림 1에서는 AEE와 가변 출력 전압을 갖춘 TPS62180의 기능별 제품 구성도를 보여 줍니다. TPS62180과 달리 TPS62182는 AEE와 3.3V 고정 출력 전압 옵션을 가지고 있는 고정 출력 벅 컨버터입니다.

그림 1: TPS62180에는 낮은 출력 전압 설정으로 강압 DC/DC 컨버터의 효율을 높게 유지하는 자동 효율 향상 기능이 포함되어 있음 (Texas Instruments 제공).

AEE의 작동 방식을 보여 주기 위해 TI에서는 TPS62180을 사용하여 측정된 결과 몇 개를 제공했습니다. 예를 들어 그림 2에서는 주어진 입력 전압에 대해 출력 전압 설정이 3.3V에서 0.9V로 내려가는 동안 TPS62180의 스위칭 주파수 조정을 보여 줍니다. 마찬가지로 입력 전압을 변경해도 스위칭 주파수가 변경됩니다.

그림 2: 효율을 높게 유지하기 위해 2상 강압 DC/DC 컨버터 TPS62180은 자동 효율 향상을 사용하여 출력 및 입력 전압에 따라 스위칭 주파수를 조정 (Texas Instruments 제공).

마찬가지로, AEE가 TPS62180의 효율 성능에 미치는 영향을 보여 주기 위해, TI는 다양한 입력 전압에서 여러 출력 전압에 대해 측정한 효율 정보를 제공했습니다. 서로 다른 두 출력 전압(3.3V 및 1.8V)에 대해 측정된 효율 성능 대비 입력 전압이 그림 3과 4에 표시됩니다. 그림을 자세히 보면 AEE를 사용할 경우 더 낮은 출력 전압인 1.8V에서의 효율이 입력 전압 12V의 최대 부하에서 88% 정도인 것을 알 수 있습니다. 같은 입력 전압에서 출력 전압이 3.3V인 경우의 효율은 92% 정도로, AEE를 사용할 경우 두 출력 사이의 효율 간격이 훨씬 좁아집니다. TI의 설명에 따르면 AEE를 사용하지 않을 경우 이 간격이 훨씬 커질 수 있습니다.

그림 3: AEE가 통합된 2상 강압 DC/DC 컨버터 TPS62180의 효율과 입력 전압 비교. 컨버터의 출력 전압은 3.3V입니다(Texas Instruments 제공).

그림 4: AEE가 통합된 2상 강압 DC/DC 컨버터 TPS62180의 효율과 입력 전압 비교. 컨버터의 출력 전압은 1.8V입니다.

요약하면, AEE는 TPS62180과 같은 강압 컨버터가, 고정 주파수 토폴로지를 사용하는 경우에 비해 주어진 컨버터에 대해 더 낮은 출력 전압 설정에 서 더 높은 전력 변환 효율을 제공하도록 도와줍니다.

이 기사에서 설명한 제품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하세요.

참고 자료

1. ‘AEE를 통해 낮은 출력 전압에서 강압 컨버터의 효율 상승’ - Chris Glaser, 응용 분야 엔지니어, Texas Instruments Inc.