고전류 벅-부스트 DC DC 컨버터의 효율성 최적화하기

배터리 구동 시스템과 같은 많은 전자 설계에는 입력 전압이 변동하더라도 안정적인 출력 전압을 유지하기 위해 강력한 DC DC 컨버터가 필요합니다. 4스위치 벅-부스트 토폴로지는 유연성과 출력 밀도의 장점으로 인해 널리 사용되지만, 고전류 응용 제품을 위해 이러한 시스템을 확장할 경우 상당한 설계 과제가 발생합니다. 설계자는 벅-부스트 조정기 내 통합과 관련하여 아키텍처 측면의 트레이드 오프를 신중하게 고려해야 합니다. 특히 인덕터와 전류 감지 메커니즘의 통합은 회로의 전반적인 크기, 복잡성 및 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이 기사에서는 전력 시스템 설계자가 직면한 과제와 트레이드 오프에 대한 간략한 개요를 제공합니다. 그런 다음 Analog Devices의 벅-부스트 조정기 제품군이 제공하는 솔루션을 소개하고, 해당 솔루션이 이러한 문제를 해결하고 설계를 최적화하는 방법을 보여 줍니다. 또한 설계자가 시제품 제작과 개발을 가속화하는 데 사용할 수 있는 평가 키트와 소프트웨어도 소개합니다.

고전류 벅-부스트 설계에서의 통합과 관련된 트레이드 오프

4스위치 벅-부스트 컨버터의 전력 스테이지에는 4개의 MOSFET, 전력 인덕터, 전류 감지 메커니즘이 필요합니다. 이러한 구성 요소를 모듈 패키지와 인쇄 회로 기판(PC 기판) 사이에 어떻게 분할하는지는 아키텍처와 관련하여 설계자가 결정해야 하는 가장 중요한 사항입니다.

인덕터 및 감지 저항기를 PC 기판 외부에 배치하면, 설계자가 원하는 부품을 자유롭게 선택할 수 있습니다. 응용 제품에 완벽하게 알맞도록 인덕터 크기, 코어 재료, 포화 전류를 제어할 수 있습니다. 그러나, 이러한 유연성에는 대가가 따릅니다. 외부 부품은 기판 공간을 차지하고, 레이아웃을 복잡하게 만들며, 전류 감지 경로의 잡음을 최소화하기 위해 신중한 라우팅이 필요합니다.

인덕터와 감지 저항기를 모듈 패키지에 통합하면, 설계와 레이아웃이 간소화되어 부품 수와 PC 기판 실장 면적이 줄어듭니다. 여기서의 트레이드 오프는 인덕터가 패키지 크기에 제약을 받아 최대 출력 전류와 열 성능이 제한될 수 있다는 점입니다.

무손실 전류 감지 방식으로 교체하면 감지 저항기를 완전히 제거할 수도 있습니다. 이렇게 하면 전력 효율이 향상되어, 벅 부스트 모듈의 집적 회로(IC) 설계가 더 복잡해집니다.

세 가지 모듈 제품군이 벅-부스트 통합 문제를 해결하는 방식

Analog Devices의 광범위한 µModule 제품 라인업에는 설계자가 이러한 통합 전략 중에서 선택할 수 있는 다양한 DC/DC 모듈이 제공됩니다. 이 기사에서는 4스위치 벅 부스트 모듈(그림 1)인 LTM4607, LTM4605, LTM4609, LTM8055, LTM8056, LTM8054 및 LTM4712에 대해 설명합니다. 각 모듈은 서로 다른 영역의 입력 전압과 출력 전류 공간을 대상으로 합니다.

그림 1: 다양한 입력 전압 및 출력 전류를 대상으로 다양한 아키텍처 접근 방식을 취하는 4스위치 벅-부스트 µModule을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices, Kenton Williston 수정).

외부 인덕터 및 감지 저항기가 있는 DC DC 컨버터

LTM4607, LTM4605 및 LTM4609는 컨트롤러와 MOSFET을 µModule 패키지 내에 통합하고 전력 인덕터와 전류 감지 저항기는 PC 기판의 외부에 배치합니다(그림 2). 이러한 아키텍처를 활용하면, 특정 응용 제품 요구 사항에 알맞게 인덕터 및 감지 저항기 값을 유연하게 선택할 수 있습니다.

그림 2: LTM4607, LTM4605, LTM4609의 패키지(왼쪽)와 외부 인덕터 및 센스 저항기를 강조한 해당 전력 스테이지 회로도(오른쪽)를 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

LTM4607, LTM4605 및 LTM4609는 핀 호환 가능한 15mm × 15mm × 2.82mm LGA 패키지로 제공됩니다. LTM4605는 입력 전압 범위가 4.5V ~ 20V이고 출력 전류가 12A(벅 모드)인 저전압 응용 제품용으로 설계되었습니다. LTM4607과 LTM4609는 10A(벅 모드)에서 입력 범위를 36V까지 확장하며, LTM4609는 세 제품 중 출력 전압 범위가 0.8V ~ 34V로 가장 넓습니다.

인덕터와 감지 저항기가 통합된 DC DC 컨버터

LTM8055, LTM8056 및 LTM8054(그림 3)는 전력 인덕터와 전류 감지 저항기를 µModule 패키지에 통합함으로써, PC 기판의 외부 부품 수를 줄여 설계 및 레이아웃을 간소화합니다.

그림 3: LTM8055, LTM8054, LTM8056 장치의 모듈(왼쪽)과 통합 인덕터 및 센스 저항기를 강조한 회로도 레이아웃(오른쪽)을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

여기에서 설명하는 세 가지 제품군 중 이 제품군의 출력 전류가 가장 낮습니다. LTM8054는 5.4A, LTM8056은 5.5A, LTM8055는 8.5A(벅 모드에서)입니다. LTM8056의 입력 범위는 5V ~ 60V로 여기서 설명하는 장치 중 가장 넓고, 출력 전압은 48V로 가장 높습니다. LTM8054는 15mm × 11.25mm의 실장 면적과 3.42mm 높이로 가장 콤팩트한 제품이며, 공간적 제약이 있는 설계에 적합합니다. LTM8055 및 LTM8056은 15mm × 15mm × 4.92mm 패키지로 제공됩니다.

인덕터와 무손실 전류 감지가 통합된 DC DC 컨버터

LTM4712(그림 4)는 전류 감지에 대해 다른 접근 방식을 취합니다. 개별 감지 저항기 대신, 모듈에 통합된 독점적인 무손실 전류 감지 방식을 사용합니다. 이렇게 하면 전용 감지 저항기와 관련된 전력 손실이 발생하지 않습니다.

그림 4: LTM4712 모듈(왼쪽)과 통합 인덕터 및 무손실 전류 감지를 강조한 회로도(오른쪽)를 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

전력 인덕터는 16mm × 16mm × 8.34mm BGA 패키지에 '패키지 내 부품 통합' 기술을 사용하여 통합되었습니다. LTM4712는 5V ~ 36V 입력을 수용하고, 벅 모드에서 12A로 1V ~ 36V 출력을 제공합니다.

DC DC 컨버터 사양 및 효율성 비교

표 1은 여기서 설명하는 7가지 µModule 장치의 주요 사양을 요약한 내용입니다.

표 1: 이 기사에서 설명하는 µModule 장치들의 주요 사양을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

LTM8055, LTM4607, LTM4712의 효율성을 비교하면(그림 5) 아키텍처 차이로 인한 실질적인 영향을 알 수 있습니다. 아래 그림에서는 세 가지 작동 조건(12V 입력(부스트 모드), 12V 입력(벅-부스트 모드), 24V 입력(벅 모드)으로, 모두 12V 출력을 제공)에 대한 비교를 보여줍니다.

그림 5: 세 입력 전압에 대한 효율 비교는 부스트, 벅-부스트 및 벅 모드에서 LTM8055, LTM4607 및 LTM4712의 성능을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

병렬 작동, 정전류 조정 및 예비 입력

이전 섹션에서는 세 가지 µModule 벅-부스트 제품군의 기본 작동에 대해 살펴보았습니다. 이러한 장치는 더 높은 전류를 위한 병렬 작동, 정전류 조정 및 예비 입력 전력 등, 고급 응용 제품에 알맞게 구성할 수도 있습니다. LTM4712는 이 세 가지 기능을 모두 보여줍니다.

병렬 설계를 고려하는 설계자는 LTM4712의 피크 전류 모드 제어 기능의 이점을 활용할 수 있습니다. 이 빠른 주기별 제어는 안정적인 보호 기능을 제공하며, 병렬 구성이 고전류 응용 제품에 사용될 때 뛰어난 전류 분배를 용이하게 합니다.

4개의 모듈을 병렬로 배치하는 시나리오에서는 90° 위상 변이가 가능하도록 구성하여 최적의 인터리빙을 제공할 수 있습니다. 또한, 한 모듈의 클록 출력을 두 번째 모듈의 SYNC 입력에 연결하여 주파수 동기화를 활성화할 수 있습니다.

EVAL-LTM4712-A2Z 평가 키트(그림 6)는 4개의 LTM4712 모듈로 이 기능에 대해 설명합니다. 이 기판은 전류 분배 실험, 열 성능 검증, 시제품 회로 구동을 위한 유용한 플랫폼입니다.

이 기판은 4개의 LTM4712 모듈을 인터리브 병렬 구성으로 작동하여 5V ~ 36V 입력으로부터 12V, 48A을 제공하며, 벅 및 벅-부스트 모드에서는 전체 48A를, 부스트 모드에서는 24A를 사용할 수 있습니다. 또한 가변 부하에 정밀하게 조정된 전류를 공급하는 정전류 기능(선택 사항)도 포함되어 있습니다.

그림 6: EVAL-LTM4712-A2Z 평가 기판은 벅 및 벅-부스트 모드에서 48A 출력을 위해 병렬로 구성된 4개의 LTM4712 모듈을 갖추고 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

정전류 모드는 개별 LTM4712 모듈에서도 제공됩니다. 이 구성에서는 부하 전류에 비례하는 전압이 외부 감지 저항기를 통해 발생합니다. 이 전압이 제어 핀으로 설정한 임계값에 도달하면 모듈은 자동으로 출력 전압을 낮춰 전류를 목표 수준으로 유지합니다. 이 기능은 정전압을 유지하는 것보다 정밀한 전류를 유지하는 것이 더 중요한 LED 구동이나 배터리 충전과 같은 응용 제품에 유용합니다.

LTM4712는 독립적인 소스로 구동되는 두 모듈이 공통 출력을 공유하는 예비 입력 구성도 지원합니다. 이는 백업 전원 공급 장치가 필요한 시스템이나 공통 부하를 지원하기 위해 별도의 입력 소스에서 전력을 끌어오는 시스템에 유용합니다. 이 시나리오에서는 두 개의 모듈이 병렬로 연결되고 모듈의 보정 핀이 함께 묶여 있습니다. 어느 한쪽의 입력이 끊어지면, 나머지 모듈이 출력 조정을 유지합니다.

DC/DC 변환 평가 기판 및 설계 도구

설계자가 작업을 시작할 수 있도록, Analog Devices는 µModule용 평가 키트를 제공합니다. 예를 들어 DC3189A(그림 7)는 전체 5V ~ 36V 입력 및 1V ~ 36V 출력에서 LTM4712를 평가하기 위한 단일 모듈 플랫폼입니다.

그림 7: DC3189A 평가 기판은 LTM4712를 평가하기 위한 단일 모듈 플랫폼을 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices).

설계 공정을 가속화할 수 있는 소프트웨어 도구도 제공됩니다. LTpowerCAD 설계 도구는 부품 선택, 효율성 추정, 루프 보정 및 부하 과도 분석을 지원합니다. 시간 도메인 시뮬레이션 및 동적 분석을 위해 설계를 LTspice로 내보낼 수 있습니다.

결론

최신 벅 부스트 조정기는 개발자에게 광범위한 고전류 응용 제품에서 DC/DC 변환을 확장할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. Analog Devices의 4스위치 µModule 컨버터는 넓은 입력 및 출력 범위와 유연한 통합 옵션을 제공합니다. 설계자는 평가 기판과 소프트웨어가 지원되는 이 모듈을 활용하여 설계 요구 사항에 가장 적합한 아키텍처를 빠르게 선택하고 구현할 수 있습니다.