모듈 전력과 이산 소자 전력

오늘날의 엔지니어는 더 적은 시간에 더 많은 일을 하고, 여러 분야의 전문가가 되고, 자원을 더욱 효율적으로 사용하여 이익을 극대화해야 하는 압력을 받고 있습니다. 이러한 환경 때문에 엔지니어가 자신들에게 가장 큰 압력이 되는 문제를 해결하는 방법을 찾는 방식도 변화하고 있으며 이는 특히 전력 공급이라는 필수적인 부분에 있어서 더욱 두드러집니다.

현재 대부분의 조직에는 개별 프로젝트의 요구에 적합한 전원 공급 장치를 전담해서 개발하는 내부 팀을 운영할 재정적, 공학적 자원이 없습니다. 그보다는 프로젝트 엔지니어 중 한 사람이 응용 분야의 필요에 적합한 전원 공급 장치를 찾을 책임을 떠안는 경우가 많습니다. 이런 상황에서 엔지니어는 보통 이산 소자 부품으로 전원 공급 장치를 개발하는 데 시간을 할애할 것인지 아니면 미리 설계된 외부 제조업체의 모듈을 활용하는 데 시간을 할애할 것인지 선택해야 합니다. 엔지니어에게 이는 익숙한 종류의 선택이지만, 설계 주기가 빨라지고 모든 산업 응용 분야에서 더 적은 공간으로 더 많은 전력을 공급할 것을 요구함에 따라 익숙한 질문의 대답도 계속해서 변화하고 있습니다.

출력 밀도

이산 소자 전력 솔루션과 미리 설계된 모듈 간에 가장 두드러지는 차이점은 소비하는 공간과 제공하는 출력 밀도입니다. 출력 밀도는 사용 공간당 변환되는 전력(와트)을 측정한 수치이며, 일반적으로 입방인치당 와트(W/in3) 단위로 명시됩니다. 오늘날 대부분의 산업에서는 지속적으로 더 큰 컴퓨팅 능력과 감지 기능, 기능 세트를 갖춘 장비를 요구하고 있습니다. 그러나 이러한 작업을 수행하는 데 할당되는 공간은 늘어나지 않고 오히려 차지하는 공간을 줄여야 하는 경우도 많습니다. 이로 인해 더 높은 밀도와 더 많은 통합 솔루션에 대한 필요가 증가하고 있으며 전력 공급 시스템도 예외가 아닙니다.

기성 전력 모듈은 크기가 최적화된 경우가 많으며 최소한의 공간에서 최대의 전력을 제공할 수 있습니다. 한 예로, 아래의 그림 1은 섀시 실장 패키지로 최대 18W/in³의 출력 밀도를 제공하는 CUI의 VMS-365 계열 AC DC 전원 공급 장치를 보여 줍니다.

그림 1: CUI의 VMS-365는 최대 18W/in³를 제공하는 오픈 프레임 AC DC 전원 공급 장치입니다.

스펙트럼의 반대편 끝에는 이산 소자 부품을 사용하여 시스템 PCB에 직접 설계해 넣은 전원 공급 장치가 있습니다. 이러한 솔루션에서는 전력 솔루션과 나머지 시스템 PCB 기능 간에 요구 공간을 두고 경쟁하는 일도 많습니다. 전원 공급 장치에 부피가 큰 대형 부품을 사용해야 하기 때문에 기판 수준 솔루션에서 모든 부품을 중앙에 위치하도록 하기가 어렵고 따라서 출력 밀도도 훨씬 낮아지게 됩니다. 응용 제품이 의도적으로 부품을 PCB의 한 쪽에만 채우도록 설계된 경우 이러한 문제는 특히 두드러집니다. 시스템 PCB의 반대편을 활용할 수 없는 상황에서는 이산 소자 전력 솔루션이 넓게 분산되어 귀중한 PCB 공간을 차지하게 됩니다.

시스템 PCB의 한 면에만 부품을 채울 수 있도록 제한된 상황에서 미리 설계된 모듈을 사용하면 공간이 많이 절약됩니다. 응용 제품에 시스템 PCB의 표면에서 수직 방향인 Z축 영역을 활용할 수 있는 세로 공간이 있는 경우 특히 절약 효과가 큽니다. 이는 최적화된 크기로 플러그 앤 플레이 솔루션을 제공하는 기성 모듈의 가치를 높여줍니다. 아래의 그림 2에서는 단면 이산 소자 전원 공급 솔루션에서 양면 이산 소자 전원 공급 솔루션으로 전환하고, 최종적으로 PCB 위쪽의 Z축 공간을 활용하도록 미리 설계된 전력 모듈로 설계를 전환하여 줄어든 PCB 공간을 보여 줍니다.

그림 2: 이산 소자 전력 솔루션과 모듈식 전력 솔루션이 차지하는 기판 공간의 예.

설계 최적화

매년 이산 소자 전원 공급 장치를 여러 개 설계하는 엔지니어는 아마도 이해하기 쉽고 신뢰할 수 있는 '최적의' 부품 세트를 구축할 것입니다. 그러나 대부분의 엔지니어에게 이산 소자 전원 공급 장치를 설계하는 일은 부담스러우며 적시에 구현하기가 어렵습니다. 그래서 많은 엔지니어가 다양한 전력 부품 공급업체의 참조 설계를 활용하여 설계 공정의 속도를 높이려 합니다. 전력 부품 공급업체는 부품 명세서(BOM), 권장 레이아웃, 최고의 설계 관행을 정립하도록 돕기 위해 최선을 다하고 있지만, 응용 제품이 각기 다르기 때문에 엔지니어가 응용 제품의 성능, 공간 제약, 열적 요구 사항, EMI 요구 사항을 충족하려면 참조 설계에서 벗어나야 하는 경우도 많습니다. 그 과정에서 비용, 시간, 성능의 문제가 복잡해질 위험이 있습니다.

한 예로, 새로운 응용 제품에 구리 1온스가 사용된 2층 PCB만 있으면 되는데 이산 소자 전력 솔루션의 참조 설계에서 구리 2온스가 사용된 4층 구조를 권장하는 경우가 있습니다. PCB 계층과 응용 제품 기판 전체의 구리 무게를 두 배로 늘릴 수도 있지만, 그러면 설계에 따르는 비용이 상당히 커집니다. 전력 판의 레이아웃을 정하고 컨트롤러 공급업체의 권장 사항에 맞게 이산 소자 부품의 트레이스를 최적화하는 데 드는 시간 부담도 아직 남아 있습니다.

반면 기성 전력 모듈을 사용하면 엔지니어가 두 세계의 좋은 점만을 취할 수 있습니다. 최소한의 레이아웃과 구리 소비로 시스템 PCB를 설계하면서 전력 모듈을 활용하여 전력 변환 요구 사항을 간소화하고 최적화할 수 있습니다. 엔지니어는 이산 소자 부품 공급업체를 모두 파악하고, 전력 판의 레이아웃을 구상하고, 조용하고 간결한 피드백 루프를 유지하고, 스위치 노드를 민감한 아날로그 회로망에서 먼 곳에 배치하느라 막대한 시간을 보낼 필요 없이, 적절한 크기의 미리 설계된 모듈을 선택하고 설계와 관련된 다른 작업에 노력을 집중하면 됩니다.

그와 같은 적절한 제품은 아래에 나와 있는 CUI의 PBO-5 계열 5와트 AC DC 컨버터입니다. 이 콤팩트 모듈은 다양한 전기 회로에서 AC 라인 전력을 DC 레일로 변환할 수 있는 직관적인 기판 실장 솔루션을 제공합니다(사용 가능한 출력 전압 3.3VDC ~ 24VDC). 이 PBO 모듈은 UL 및 CE 인증을 받았으며 3kVAC 분리 전압을 제공하고, 편리한 울트라 콤팩트 SIP 패키지에서 단락 및 과전류 보호 기능을 모두 제공합니다.

그림 3: CUI의 5W PBO SIP AC DC 계열은 Z축을 활용하여 기판 공간을 크게 절약하도록 최적화되었습니다.

설계 검사

전원 공급 장치의 품질 테스트 및 설계 검사도 엔지니어가 이산 소자 솔루션과 모듈 솔루션 간에 선택할 때 추가로 고려해야 할 요인입니다. 이산 소자 설계에 필요한 검사 테스트를 모두 수행하려면 적지 않은 시간과 노력이 듭니다. 엔지니어가 설계와 디버깅에 여러 주를 보내야 할 수도 있으며, 기판을 다시 돌릴 때마다 프로젝트 비용과 기간이 늘어납니다. 반면 기성 모듈은 미리 테스트와 검사를 마쳤으며 전력 시스템에 요구되는 안전 및 EMI 표준 사전 인증도 이미 받은 경우가 많습니다. 사전에 인증된 기성 전력 모듈을 선택하면 최종 응용 제품의 인증 속도를 높일 수 있습니다.

이산 소자 솔루션을 설계할 때 고려해야 할 다른 사항은, 거의 모든 경우에 이전까지의 신뢰성 및 성능 데이터를 수율과 실패율 등의 지표를 분석하는 데 사용할 수 없다는 것입니다. 그런 점 때문에 설계 공정에 위험이 한층 더 생깁니다. 반대로 모듈은 전원 공급 장치 공급업체에서 사용 가능한 추적 가능 품질 기록을 제공하는 것이 일반적이므로, 엔지니어가 응용 제품을 설계하기 전에 미리 설계된 전력 솔루션을 적절하게 진단해 볼 수 있습니다.

요약

공정을 기하기 위해 밝히자면, 부품 명세서를 기준으로 볼 때 미리 설계된 모듈은 거의 항상 이산 소자 구현에 비해 비용이 많이 듭니다. 응용 제품을 대량으로 개발하는 조직이 설계 팀에서 이산 소자 솔루션을 개발하도록 압력을 넣는 경향이 큰 것도 그 때문입니다. 목표 BOM 비용, 응용 제품 요구 사항, 사내 역량에 따라서는 이산 소자 솔루션이 이상적일 수도 있습니다. 그러나 설계 비용을 분석할 때에는 BOM 비용만이 아니라 설계 시간, 시뮬레이션 시간 및 도구, 레이아웃 시간, 호스트 PCB 요구 사항, 평가 시간, 주요 장치 비용과 같은 관련 자원도 모두 고려해야 합니다. 이 정도로 높은 수준에서 프로젝트를 분석하면 기성 전력 모듈을 사용할 경우에 제품 완성 시간을 단축하고, 위험 부담을 줄이고, 문제를 줄이고, 전반적인 프로젝트 비용을 낮출 수 있는 회사들이 많습니다. 전력 모듈이 정답이라고 할 수는 없지만, 위에서 설명한 이유 때문에 갈수록 많은 설계에서 인기를 얻는 추세입니다.