중전류 DC/DC 조정기 모듈을 사용할 때 피해야 할 일반적인 실수

설계자는 기본 성능 목표와 효율성 및 규제 요구를 충족하는 1A ~ 10A 전류 범위의 저전압 DC 출력 레일을 제공하기 위해 즉시 사용 가능한 드롭인 부품을 찾습니다. 현재 많은 판매업체에서 이러한 요구를 해결할 소형 DC/DC 컨버터/조정기를 판매하지만, 이러한 부품을 안심하고 사용할 수 있는 '드롭인' 부품이라고 섣불리 단정할 수는 없습니다.

왜 그럴까요? 조정기는 매우 단순하긴 하지만 부하에 적절한 수준의 전류를 공급하는 전원입니다. 설계자는 몇 가지 외부 비임계적 수동 소자를 모듈로 추가하기만 하면 됩니다. 하지만 이러한 사용 편의성에 안주하여 설계자가 모든 전원과 레일에 영향을 주는 기본 사항을 망각할 수 있습니다.

이 기사에서는 이러한 필수 기본 사항을 식별하고 살펴봅니다. 그런 다음 모듈식 전력 솔루션을 소개하고 이러한 핵심 원칙을 적용하여 최대한 활용하는 방법을 알아봅니다.

전력 설계의 '문제점' 식별

먼저, 몇 가지 좋은 점이 있습니다. 이러한 장치의 운영 효율성은 특정 모델 및 작동 지점에 따라 80% ~ 95%로 상대적으로 높습니다. 출력 전류는 적절하지만, 설계자는 열과 방출을 분석하여 장치가 온도 등급 내에서 유지되고 시스템 냉각 부담이 과도하게 증가하지 않는지 확인해야 합니다.

1) IR 강하, 2) 분리, 3) 출력 조정 기능, 4) 스위칭 잡음, 5) 낮은 임피던스 귀로 등 5가지 기본 영역을 고려해야 합니다. 먼저 특정 DC/DC 조정기를 선택하기 이전에 설계자는 비정격 DC 전원이 충분한 전류를 제공할 수 있는지 확인해야 합니다. 이때 이 전원을 사용하는 다른 DC/DC 장치가 있다는 사실을 고려해야 합니다. 특히, 이러한 조정기에는 대용량 벌크 출력 커패시터가 없으므로 전원의 작동 성능이 고전류 과도 부하 수요를 처리하는 데 적절한지 확인해야 합니다.

IR 강하: 부하가 과도하게 높나요?

설계자는 부품, I/O 포트 및 가능한 열원을 설치할 때 서로 상충되는 다양한 PC 기판 레이아웃 요구 사항에 직면합니다. 이러한 점에서 전력 조정기는 까다로운 장치입니다. 전류 흐름을 위한 크고 공간을 많이 차지하는 PC 기판 트랙의 필요성, 잡음 유입 및 IR 강하를 최소화하려면 전력 조정기를 부하에 가깝게 배치하는 것이 가장 좋습니다.

IR 강하는 간과하기 쉽지만 계산하기도 가장 쉽습니다. DC/DC 조정기 출력과 부하 사이에 몇 밀리옴의 저항만 존재하더라도 장치 공급 전류에서 10mV 이상의 강하가 발생할 수 있습니다. 소량으로 보일 수도 있지만 공칭 DC 레일이 몇 볼트에 불과할 경우 심각한 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 PC 기판 트랙의 크기를 적절히 조정하거나 별도의 PC 기판에 마운트해야 합니다. 박형 모선을 고려해야 합니다. 모선은 구식 솔루션처럼 보일 수도 있지만 두 가지 이유로 매우 효과적입니다. 첫째, IR 강하를 획기적으로 줄입니다. 둘째, BOM 비용을 약간만 추가하면 이중 층 모선을 사용하여 탁월한 DC 전류 접지 귀로를 구축할 수 있습니다.

이는 IR 강하를 최소화하고, 더 효율적이고 낮은 저항 시스템 접지를 설정하고, 접지 구조에서 고주파수 성능에 영향을 줄 수 있는 기생 임피던스와 비 DC 임피던스를 최소화하는 등에 있어서 하이사이드 DC 레일만큼 중요합니다. 물론 물리적 DC 레일과 접지에 상관없이, 임피던스가 낮고 값이 작은 바이패스 커패시터를 IC 전압 공급 핀 또는 리드에 최대한 가깝게 배치하고 공급 레일에서 잡음 관련 문제를 최소화하는 것 또한 중요합니다.

일부 경우 IR 강하가 허용되지 않으므로 원격 감지 기능이 포함된 특수 조정기 아키텍처가 유용합니다. 이 조정기에는 전류 공급과 귀환을 위한 기존 단자 2개와 부하 지점의 실제 전압 측정을 위해 부하 지점까지 확장되는 감지 단자 2개가 있습니다. 조정기에서는 이 감지된 값을 피드백으로 사용하여 출력 전압을 조정함으로써 전압 강하를 보정합니다(그림 1).

그림 1: 원격 감지를 사용하면 DC 전원에서 부하 지점의 실제 레일 전압을 직접 측정하고, 필요에 따라 IR 강하 또는 기타 변동을 동적으로 보정할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

예를 들어, Linear Technology Corp/Analog Devices의 LTM4601 Module^®은 4.5V ~ 20V DC 입력에서 0.6V ~ 5.0V 사이에 최대 12A의 높은 전류를 제공할 수 있습니다. 이러한 높은 전류에서 IR 손실은 시스템 성능을 저하시키고 일관된 동작을 손상시킬 수 있습니다. 모듈에서는 원격 감지를 사용하여 V_OUT 및 V_LOAD 사이와 접지 귀로에서 PC 기판 IR 전압 강하 손실을 교정할 수 있습니다. 따라서 LTM4601은 라인, 부하, 온도 변화에도 불구하고 ±2.0% 이상의 전압 정밀도를 보장합니다.

하지만 원격 감지 기능이 만병통치약은 아닙니다. 사실상, 전원과 부하 사이에 큰 피드백 루프가 생깁니다. 전력 조정기가 전력 연산 증폭기의 일종임을 생각해보면 이 피드백 루프는 전원을 잡음 및 EMI/RFI에 노출하여 폐쇄형 루프 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 이 루프로 인해 조정기가 불안정해지고 진동이 발생할 수 있습니다. 따라서 원격 감지는 레이아웃을 신중하게 고려하여 구현해야 합니다.

IR 효과를 최소화하는 다른 접근 방식으로는 단일의 중앙 위치에 큰 장치 하나를 설치하는 대신 해당 부하에 가까운 위치에 작은 조정기를 여러 개 배치할 수 있습니다. 그러면 크고 비싼 장치 하나를 사용할 때와 작고 저렴한 장치를 두 개 이상 사용할 때의 실질적인 '비용'이 비슷합니다. 이 BOM 비용 차이는 수량화할 수 있지만, 큰 장치 하나를 선택할 때와 작은 장치를 여러 개 선택할 때의 기술적인 영향은 평가하기가 어려우므로 분석을 수행하고 판단력과 경험이 뒷받침되어야 합니다.

예를 들어, Texas Instruments의 LMZM33602 전력 모듈은 상대적으로 작고 높이가 낮은 패키지에서 강압 컨버터를 전력 MOSFET, 차폐 인덕터 및 수동 소자와 결합하여 최대 2A에서 1V ~ 18V의 전압을 제공할 수 있습니다(그림 1). 4 ~ 5개의 비임계 외부 수동 소자 부품이 필요하며 조정기 설계의 루프 보정 및 자기 측면을 제거합니다.

그림 2: Texas Instruments의 LMZM33602와 같은 소형 저전류 조정기를 여러 개 사용하면 BOM이 증가할 수 있지만 레이아웃을 단순화하여 IR 강하 및 잡음과 관련한 성능을 향상시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

9mm × 7mm × 4mm 치수의 QFN 패키지에서 LMZM33602를 부하 부품 또는 서브 회로에 가깝게 손쉽게 배치할 수 있습니다. 그러면 두 가지 방식으로 IR 강하가 최소화됩니다.

첫째, 부하 지점에 가깝게 배치되므로 레일 저항과 잡음 유입이 줄어듭니다. 둘째, 출력 전류가 몇 암페어에 불과하므로 IR 강하가 줄어듭니다. 따라서 장치를 여러 개 배포하면 단일 대형 10A 장치를 사용할 때에 비해 레이아웃 유연성이 강화되고, IR 강하와 잡음 유입이 감소되며, 열 방출이 분산되고, 기타 시스템 수준의 이점이 제공됩니다.

분리: 경우에 따라 선택적이지만 대체적으로 필수적임

두 회로 부품 사이에 저항 경로가 존재하지 않는 전기적 분리는 유용하거나 필수적입니다. '부동'(비접지) 트랜스듀서에 인터페이스로 연결하거나 고전압 회로망과 의료용 계측 기기 사용자 사이의 안전을 보장해야 하므로 시스템 접지 루프를 제거하는 것이 좋습니다. 많은 설계자가 이러한 분리에 대해 알지 못하거나 분리가 필요하다는 것을 이해하지 못합니다.

이론적 근거에 상관없이 분리형 서브 회로에는 상대적으로 낮은 전류 레벨에서도 분리된 전력이 필요하다는 사실이 간과되곤 합니다. 이전에는 분리된 전력이 필요한 경우 낮은 전류에서조차 넓은 실장 면적이 필요하고 BOM 비용이 다른 기능에 비해 상대적으로 높았습니다. 설계 또는 조립 측면에서 분리형 설계는 간단하지 않으므로 '구입'이 아닌 '구축'은 일반적으로 실현 가능한 옵션이 아닙니다. 대부분의 응용 제품에서 분리형 설계와 물리적 구현은 테스트를 거쳐 산업 및 규제 표준을 준수하는지 인증을 받아야 하며 이는 비용이 많이 들고 복잡한 프로세스입니다.

그러나, 작은 크기로 규정을 완벽히 준수하는 승인된 분리형 DC/DC 모듈(예: Analog Devices의 LTM8047)을 사용할 수 있게 됨에 따라 이러한 문제는 대부분 극복할 수 있습니다(그림 3). 이 모듈은 분리형 플라이백 토폴로지를 사용하여 725V_DC 분리를 제공합니다.

그림 3: 부품, 토폴로지 및 패키징 기술의 발전을 통해 Analog Devices의 LTM8047 조정기 모듈은 전압 등급에 대한 모든 관련 규제 표준을 준수하면서 전기적 분리를 제공할 수 있습니다. 사용자에게는 이 모듈이 일반적인 비분리형 장치처럼 보일 수도 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

11.25mm × 9mm × 4.92mm 치수의 작은 BGA 패키지 내에 스위칭 컨트롤러, 전력 스위치 및 모든 지원 부품과 분리 변압기의 핵심 부품이 포함되어 있습니다(그림 4). 이 모듈은 3.1V ~ 32V(항상 벅 모드)의 폭넓은 입력 전압 범위에서 2.5V ~ 12V의 출력을 제공할 수 있습니다. 공급할 수 있는 전류의 양은 2.5V DC에서 440mA로 일반적인 수준이지만, 분리된 여러 서브 회로와 트랜스듀서 프런트 엔드에 전력을 공급하는 데 충분합니다.

그림 4: 물리학 법칙과 관련된 규정으로 인해 분리를 위해서는 입력과 출력 사이를 실제로 분리하는 간격이 필요합니다. Analog Devices의 LTM8047의 크기는 대부분의 응용 분야에 충분한 최대 750V 분리를 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

조정 기능: 유용하지만 주의가 필요함

쉽게 사용 가능한 DC/DC 조정기에서 사전 설정된 정전압을 제공하는 경우는 드뭅니다. 대신 사용자는 전압 분배기 구성에서 저항기 쌍을 사용하여 전압을 설정할 수 있습니다. 그러면 다양한 이점이 제공됩니다. 즉, 동일한 조정기를 여러 위치에서 사용하여 BOM을 간소화할 수 있고, 출력 전압을 '최대' 몇 mV로 조정하여 IR 강하를 보정할 수 있으며(대부분의 경우 권장되는 방법이 아니지만 많이 사용됨), 아날로그 회로에서 원하는 설정 특히, RF(지정된 성능과 손실 간의 절충이 있음)에 맞게 출력 전압을 상향 조정할 수 있습니다(전압이 높을수록 더 나은 SNR와 더 넓은 대역폭을 제공하지만 손실 비용이 증가함).

하지만 사용자는 조정기의 공칭 DC 출력 전압을 계산할 때 전압 설정 저항기의 안정성과 온도 계수(tempco)를 과열 작동 환경과 함께 고려해야 합니다. 온도가 높을수록 DC 레일이 부하 사양을 벗어나게 됩니다. 따라서 다른 비임계 기능에 적절한 풀업을 제공하는 범용 장치 대신 이 기능에 대해 낮은 tempco를 제공하는 전압 설정 저항기를 선택해야 합니다.

일부 DC/DC 조정기에서 제공되는 다른 설정으로는 스위칭 주파수 선택이 있습니다. 모든 조정기에서는 스위칭 토폴로지를 사용하며, 효율성과 크기의 이유로 인해 저드롭아웃 조정기(LDO)는 없습니다. 예를 들어, Maxim Integrated의 MAX17536을 100KHz ~ 2.2MHz의 폭넓은 범위 내에서 작동하도록 단일 저항기를 통해 설정할 수 있습니다(그림 5). 그러면 스위칭 잡음이 주파수가 겹치는 주변 회로망(예: 550kHz ~ 1600kHz의 AM 무선 통신 대역)에 미치는 영향을 제거하거나 관련 신호를 포함하는 특정 좁은 대역을 방지할 수 있습니다.

그림 5: 단일 저항기에서 Maxim MAX17536 조정기의 스위칭 주파수를 100kHz ~ 2.2MHz의 넓은 대역으로 설정하여 회로 또는 단일 전파 방해를 최소화할 수 있는 유연성을 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

저항기와 스위칭 주파수 사이의 관계는 비선형적이고 다소 부정확합니다. 이러한 이유로 인해 MAX17536을 저항기에 설정된 주파수에서 작동하지 않고 외부 전원과 동기화하도록 설정할 수 있습니다. 그러면 시스템 내 다른 클록 소스와의 원치 않는 주파수 혼합 및 그 결과로 발생하는 비트 주파수(미묘한 수준으로도 문제 진단을 어렵게 함)를 방지할 수 있습니다.

결론

작지만 완벽한 이 DC/DC 컨버터는 1A 이하 ~ 10A 사이의 전류를 제공하는 저전압 중전류 전원을 설계할 때 발생하는 많은 위험 및 문제를 제거합니다. 하지만 다른 부품과 마찬가지로 성공적으로 설치하고 '문제'를 방지하며 잠재력을 극대화하기 위해서는 이해하고 따라야 할 몇 가지 기본적인 규칙이 있습니다.