낮은 입력 공급으로 높은 DC 출력 전압 생성

휴대용 및 웨어러블 응용 제품으로 인해 여러 설계에서 3.6V 이하의 공급 전압을 사용하는 추세를 나타납니다. 그러나, 휴대용 장치의 대부분에는 더 높은 전압을 요구하는 특정 기능이 포함되어 있으므로 설계자는 DC-DC 부스트 컨버터를 최적으로 구현하여 가능한 효율적으로 원하는 레벨까지 상향 변환시켜야 합니다.

이 기사에서는 부스트 DC-DC 조정기의 목적을 검토하고 해당 토폴로지를 설명합니다. 그런 다음 예제 장치를 소개하고, 휴대용 또는 웨어러블 응용 제품에 최적화된 설계를 개발하는 데 필요한 설계 기술과 트레이드오프를 논의합니다.

DC-DC 부스트 컨버터의 역할

일반적인 웨어러블 또는 기타 휴대용 장치는 공칭 출력 3.6V DC의 리튬 이온 전지를 사용합니다. 대부분의 배터리 구동식 응용 제품은 직렬로 연결된 하나 또는 여러 개의 리튬 이온 전지를 기본 공급 전압으로 사용합니다. 이 정도면 대부분의 응용 분야에 충분하지만 랩톱, 태블릿 및 기타 모바일 장치에는 아주 높은 전압을 필요로 하는 특정한 기능이 있습니다.

예를 들면, 광학 수신기에 있는 APD(애벌런치 광 다이오드)의 바이어스 회로, 정밀 아날로그 회로, RF 트랜시버 및 흰색 LED(전기 발광 다이오드) 백라이트용 드라이버가 있습니다. 승압 또는 부스트 DC-DC 조정기는 낮은 입력 전압을 높은 출력 전압으로 변환하여 이러한 응용 분야 요구 사항을 충족합니다.

일반적인 부스트 컨버터 토폴로지

부스트 조정기의 주요 부품으로는 인덕터, 반도체 스위치, 주로 사용하는 전력 MOSFET, 정류기 다이오드, IC(집적 회로) 제어 블록, 입력 및 출력 커패시터(그림 1)가 있습니다.

그림 1: 스위치를 열고 닫을 때 전류 흐름 방향을 보여주는 기본 부스트 조정기 구성(이미지 소스: DigiKey, Texas Instruments의 관련 자료를 기반으로 함)

V_IN이 인가되고 전원 스위치가 닫힌 상태에서, 전류는 인덕터를 통해 파란색 경로를 따라 접지로 흐릅니다. 인덕터는 해당 자기장에 에너지를 저장합니다. 다이오드가 역방향 바이어스되며 출력 커패시터의 전압은 저장된 에너지가 부하를 공급할 때 떨어집니다.

반대로, 전원 스위치가 열려 있는 경우 축소 자기장이 양전압을 생성하고 전방향 바이어스된 다이오드를 통해 인덕터 에너지를 전송하여 출력 커패시터를 충전하고 부하를 공급할 때 전류는 빨간색 경로를 따라 흐릅니다.

전원 스위치의 듀티 사이클을 다르게 하여 입력 전압의 변화와 부하의 변경에 대한 응답으로 제어 블록이 일정한 출력 전압을 유지합니다. 출력에서의 저항 분배기는 듀티 사이클을 조정하고 원하는 출력 전압값을 유지하기 위해 제어 블록에 전압 궤환을 제공할 수 있습니다.

이러한 기본 기능 외에도, 통합 설계에는 과온, 출력 단락 보호, 열려 있는 부하 조건, 입력 과전류 등이 발생하지 않도록 보호하기 위한 엄선된 보호 기능이 포함되어 있습니다.

기본 회로에 대한 개선 사항은 다른 MOSFET가 다이오드를 대체한 것입니다. 두 번째 MOSFET은 동기식 정류기 역할을 하여 전원 스위치가 꺼지면 켜집니다. 낮은 전압 강하는 내전력을 감소시켜 조정기의 소비 전력을 늘립니다.

동기식 설계는 높은 효율성으로 배터리 수명을 늘리는 배터리 구동식 장치에서 이점으로 작용합니다. 또한 휴대용 장치와 웨어러블 장치는 일반적으로 공간 제약이 있으므로 이러한 응용 분야의 부스트 컨버터가 종종 높은 수준의 통합 기능을 제공합니다. 패키지에 전력 구성품을 포함시키면 전달할 수 있는 전류가 제한되지만, 배터리 구동식 설계의 경우에는 허용 가능합니다. 이러한 많은 응용 제품은 차단 모드에 오랜 시간이 걸리므로 초저 정동작 전류 소비가 중요합니다.

Texas Instruments의 TPS610993YFFT는 저전력 부스트 조정기(그림 2)의 예입니다. 이는 정동작 전류의 1µA(마이크로암페어)만 사용하는 동기식 장치이지만, 최대 800mA(밀리암페어)까지 전달할 수 있고 입력 전압 0.7V로 출력 전압 3.0V를 생성할 수 있습니다. 이 장치는 경부하에서 작동 효율성을 최대화하도록 설계되었습니다. 알카라인 배터리나 NiMH 또는 리튬 이온과 같은 충전식 유형으로 작동할 수 있습니다.

그림 2: TPS61099x 제품군은 입력 전압 0.7V에서 최대 5.5V를 전달할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

TPS610993은 전원 스위치와 동기식 정류기를 1.23mm x 0.88mm에 불과한 6볼 웨이퍼 칩 스케일 패키지(WCSP)에 통합했습니다. 작은 크기 덕분에 광학 심박계, 메모리 액정 표시 장치(LCD) 바이어스 구동기뿐만 아니라 공간이 제한된 응용 제품에도 적합합니다. 이 장치는 출력 전압 범위가 1.8V ~ 5.5V인 TPS61099x 제품군의 구성품입니다.

스마트폰 카메라 플래시 회로나 배터리 구동식 LED 조명을 위한 더 높은 전압을 생성하기 위해 Microchip Technology의 MCP1665는 다양한 접근 방법을 사용했습니다. 36V, 100mΩ(밀리옴) NMOS 전원 스위치를 통합했지만 비동기식 토폴로지에 외부 다이오드를 사용합니다.

그림 3: Microchip의 MCP1665는 리튬 이온, NiMH 또는 니켈 카드뮴 배터리에서 최대 32V를 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

이 장치는 5V 공급 장치에서 최대 1000㎃를 전달할 수 있고, 제어된 시작 전압, 작동 모드 선택 및 500kHz의 스위칭 주파수와 같은 기능을 포함합니다. 피크 전류 모드 아키텍처는 광범위한 부하 범위에서 높은 효율성을 달성합니다.

일부 부스트 응용 분야의 경우, 출력 전압을 설정된 값으로 유지하는 것은 주요 설계 목표가 아닙니다. LED 백라이트 구동기에서 원하는 LED 휘도는 LED 스트링을 통한 전류의 기능이므로, 션트 저항기를 통한 전류 흐름은 컨트롤러로 피드백 전압을 형성하고 부스트 전압을 결정합니다. Diodes Incorporated의 AP3019AKTR-G1은 백라이트 응용 제품의 최대 8개 LED 스트링을 구동하도록 최적화된 부스트 컨버트의 예입니다(그림 4).

그림 4: 1.2MHz의 일반 스위칭 주파수에서 작동하는 AP3019A 구동기에는 LED 백라이트 스트링의 휘도를 제어하는 특수한 기능이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

공간이 제한된 응용 분야용으로 최적화된 이 장치에는 전원 스위치와 다이오드가 모두 내부적으로 포함되어 있으며, 1.2MHz의 스위칭 주파수를 통해 소형의 외부 부품을 사용할 수 있습니다. AP3019A는 SOT-23-6 패키지로 최대 550mA를 공급할 수 있습니다.

CTRL 핀은 특수한 차단 및 조광 입력 장치로, 핀을 1.8V 이상으로 연결하면 장치가 활성화되고, 0.5V 이하로 연결하면 장치가 비활성화됩니다. PWM(펄스 폭 변조) 신호를 적용하면 LED 휘도 제어를 구현할 수 있습니다.

이러한 설계 팁에 따라 효율성 최적화하기

이미 논의된 일부 장치의 경우, 제조업체가 이미 일부 파라미터를 내부적으로 수정했지만, 일반적으로 설계자는 변환 효율을 최적화할 수 있는 여러 트레이드오프를 사용할 수 있습니다. 또한, 다음에 나오는 지침에 따라 올바른 외부 부품을 선택할 때 주의해야 합니다.

스위칭 주파수: 스위칭 주파수는 출력 전압에 직접적으로 영향을 주지 않지만, 전원 공급 장치 설계에는 중요한 영향을 미칩니다. 일반적으로 스위칭 주파수가 높을수록 설계자가 해당 응용 제품에 더 작은 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있습니다. 인덕터 크기는 주로 허용 가능한 리플 전류의 양에 따라 결정됩니다. 제공된 유도 용량의 경우 스위칭 주파수가 늘어나면 리플 전류가 감소합니다. 여러 장치 중 선택할 수 있는 경우 설계자가 작은 인덕터에 대해 늘어난 스위칭 주파수를 트레이드오프하면서 같은 양의 리플 전류를 유지할 수 있습니다.

고주파 작동일수록 스위칭 조정기에 더 큰 대역폭을 제공하여 과도 응답 시간을 줄입니다. 또한 인덕터가 작을수록 전원 공급 장치의 크기와 비용이 줄어듭니다.

인덕터 선택: 부스트 조정기의 주요 부품인 인덕터는 전원 스위치의 온타임 동안 에너지를 저장하고 오프타임 동안 해당 에너지를 출력 정류기 다이오드를 통해 출력으로 전송합니다.

설계자는 낮은 인덕터 전류 리플과 높은 효율 간에 균형을 유지해야 합니다. 인덕터 값이 낮을수록 지정된 물리적 크기에 대해 포화 전류가 높고 직렬 저항이 낮아지지만, 유도 용량이 낮을수록 피크 전류가 높아져 효율 감소, 리플 상승 및 잡음 증가가 나타날 수 있습니다.

적합한 인덕터를 선택할 때 인덕터의 정격 포화 전류가 피크 인덕터 전류보다 커야 하며, 인덕터의 RMS 정격 전류가 조정기에 대한 최대 DC 입력 전류보다 커야 합니다.

대부분의 부스트 조정기 규격서에는 다른 부하 전류 및 전압에 대한 인덕터 권장 사항이 포함되어 있습니다. 뒷부분에서 설명하는 Microchip의 MCP1665에 대한 규격서에는 15V 이하의 출력 전압에 Panasonic Electronic Components ELL-8TP4R7NB 4.7µH(마이크로헨리) 인덕터를 권장하지만, Wurth Electronics 7447714100은 더 높은 출력 전압에 10µH 인덕터를 권장합니다.

다이오드 선택

비동기식 설계에서 쇼트키 다이오드는 순방향 전압이 낮기 때문에 손실을 줄이는 데 사용해야 합니다. 다이오드의 평균 순방향 정격 전류는 최대 출력 전류보다 크거나 같아야 합니다. 다이오드의 피크 반복 순방향 정격 전류는 인덕터 피크 전류보다 크거나 같아야 하고, 다이오드의 역방향 항복 전압은 내부 전원 스위치 정격 전압보다 커야 합니다.

예를 들면, MCP1665에는 36V 내부 스위치가 있으며 최대 1Å까지 전달할 수 있습니다. 따라서 Microchip은 40V 역방향 항복 전압과 2Å 순방향 전류를 제공하는 장치인 STMicroelectronics의STPS2L40VU 쇼트키 다이오드를 권장합니다.

고온에서 다이오드의 누설 전류가 컨버터의 운영 효율에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 고전류와 주변의 고온에서는 우수한 열 특성이 있는 다이오드를 사용합니다.

입력 및 출력 커패시터: 부스트 토폴로지에서 인덕터는 조정기 회로를 공급하는 전원 회로에 배치된 일시적 요구를 해결하여 필요한 입력 필터링을 줄이는 역할을 합니다. 정격 X5R의 세라믹 커패시터는 +85°C의 작동 온도에 충분하지만, +125°C 작동 온도에는 낮은 ESR X7R 커패시터가 필요할 수 있습니다.

전원 임피던스가 너무 높아서 입력 전압을 높은 부하 단계에서 저전압 차단 임계값보다 높게 유지할 수 없는 경우 추가 전해 또는 탄탈룸 커패시터가 필요할 수도 있습니다.

부하 측면에서 출력 커패시터가 부하 리플을 줄여서 부하 과도 중에 안정적인 출력 전압을 제공할 수 있도록 지원합니다. 세라믹 X7R 커패시터는 출력 커패시터에 권장되며, 다른 유형에 컨버터 효율을 줄이는 높은 ESR이 있을 수 있습니다.

세라믹 커패시터가 최대 전압에 가깝게 작동하면 효율성을 잃게 되므로 커패시터의 정격 DC는 최대 출력 전압 V_OUT보다 높아야 합니다. 커패시터 선택에 대한 권장 사항은 규격서를 참조하세요.

부스트 조정기 레이아웃 고려 사항: 고속 스위칭 특징 때문에 부스트 조정기 성능은 PCB 레이아웃에 매우 민감합니다. 기생 유도 용량 및 정전 용량으로 인해 출력 리플이 높아지고, 출력 규정이 빈약하고, EMI(전자파 장애)가 높아져 결국에는 고전압 스파이크로 인한 장애가 발생할 수 있습니다.

따라서 설계자가 다음 팁에 따라 PCB 레이아웃에 주의해야 합니다.

1. 출력 커패시터는 전압 링잉과 스파이크를 발생시킬 수 있는 기생 유도 용량을 최소화하기 위해 장치에 가까이 있어야 하고, 짧고 넓은 트레이서로 연결해야 합니다. 여러 바이어스를 사용하면 기생 정전 용량을 줄이는 데 도움이 됩니다.
2. 출력 커패시터를 배치한 후 복사 EMI를 줄이기 위해 인덕터를 IC에 가깝게 설치합니다. SW 노드(그림 2, 3, 4 참조)는 전기적으로 잡음이 많으므로 피드백(FB) 신호와 기타 중요한 트레이스를 이 노드에서 멀리 배치합니다.
3. 루프 영역을 최소화하기 위해 입력 커패시터의 접지 노드도 IC 전원 접지에 가까이 있어야 합니다.
4. 최상의 열 성능을 위해 레이아웃에는 장치 열 패드부터(해당하는 경우) 접지면에 이르기까지 열 바이어스를 포함해야 합니다. 이렇게 하면 열 방출을 향상시키고 과열 시 전원 차단의 위험을 줄일 수 있습니다.
5. 전원 접지, 신호 접지 및 열 패드는 하나의 낮은 임피던스 접지 포인트에 함께 연결해야 합니다.

온라인 설계 도구를 통한 빠른 설계 공정

효율적인 전원 공급 장치를 설계하려면 구성품 평가 및 선택, 전자기, 보정 회로 설계, 최적화, 열 분석, 레이아웃 등을 포함하여 여러 분야의 전문성이 필요합니다.

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Texas Instruments는 여러 도구를 제공합니다. 예를 들면, Power Stage Designer™는 가장 많이 사용되는 스위칭 전원 공급 장치의 설계에 도움이 됩니다. 부스트 컨버터의 경우 부스트, 벅 부스트, SEPIC 토폴로지를 선택할 수 있습니다. 제안된 토폴로지를 선택하면, 프로그램을 통해 설계자는 프로그램을 통해 다른 전력 FET의 성능을 비교하고, 벌크 커패시터를 선택하고, 보정 네트워크를 결정하고, 다른 설계 작업을 수행하는 데 도움을 받을 수 있습니다.

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결론

높은 전압 회로 기능의 사용을 가능하게 함으로써, 부스트 조정기는 배터리 구동식 휴대용 및 웨어러블 설계에서 중요한 역할을 합니다. 하지만 설계자는 요구되는 부스트 응용 제품에 맞는 장치를 선택하고 여러 주요 설계 트레이드오프 및 모범 사례에 주의를 기울여야 합니다.