설계자의 '제작 또는 구매' 선택을 단순화하는 소형 강압 전력 모듈

사물 인터넷(IoT), 의료용 임상 장치 및 웨어러블부터 스마트 빌딩, 지능형 센서, 다양한 소비자 가전에 이르기까지 전자 장치는 어디에나 사용되고 내장되어 있습니다. 주 전원이 라인 구동 AC-DC 컨버터인지 배터리인지 상관없이, 문제는 이들 장치에 올바르게 조정되고 제대로 작동하는 하나 이상의 저전압 DC 전력 레일을 제공하는 것입니다. 폭넓은 입력 전압 범위에서 작동하면서 올바르게 조정되는 기본 기능 외에도 강압 DC-DC 서브 시스템은 작고 효과적이고 전기적으로 조용하며, 엄격한 규정 요구 사항을 충족해야 합니다.

설계자는 이 DC 전력을 공급할 수 있는 두 가지 확실한 옵션 중에서 선택할 수 있습니다. DC-DC 서브 시스템을 직접 설계하여 구축("제작")하거나, 즉시 사용할 수 있도록 완성된 기성 모듈을 구매하는 것입니다. "제작"을 선택할 경우 맞춤 설정의 측면에서 이점이 있지만 전원 공급 장치 설계에는 기술, 기교, 예술 및 약간의 운이 모두 필요하므로 비용과 지연 시간이 증가할 수 있습니다. 최근까지, 기술과 비용을 기준으로 "제작 대 구매"를 결정했습니다. 즉, 고급(>100W) 및 중간급 공급 장치(>~10W ~ <~ 100W)는 구매하고, 하위 공급 장치(<~10W)는 주로 "제작"하는 식이었습니다. 설계자는 저드롭아웃(LDO) 또는 스위칭 조정기 IC와 몇 가지 외부 수동 소자 부품을 사용하여 강압 장치를 직접 제작할 수 있었습니다.

하지만 이제 점점 더 까다로워지는 출시 시간 요구 사항과 작고 완벽한 모듈을 지향하는 혁신으로 인해 저전력 레벨에서도 구매를 결정하는 것이 훨씬 더 매력적이고 현명합니다.

이 기사에서는 Maxim Integrated의 Himalaya uSLIC 강압 DC-DC 전력 모듈 제품군을 예로 들어 DC-DC 전력 공급을 줄이는 것과 관련한 주요 파라미터, 성능 요구 사항 및 솔루션을 살펴봅니다.

시작에 불과한 기본 성능

다른 전원들과 마찬가지로 저전력 강압 DC-DC 조정기는 처음에는 입력 전압 범위, 출력 전압 설정(고정 또는 조정 가능), 최대 출력 전류 등 몇 가지 기본 파라미터로 특성화됩니다. 이는 시작 파라미터일 뿐입니다. 다양한 부하 조건에서의 조정 및 안정성, 리플 전류, 과도 성능 등 품질과 관련한 추가 인자가 있습니다. 또한 부족 전압 차단(UVLO), 단락 보호 및 열 차단, 과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP)와 같은 중요한 특징이 있습니다.

중요 파라미터 목록에는 작동 효율도 포함됩니다. "친환경" 규정 준수를 위해 높은 효율이 필요한 경우도 있지만, 낮은 전원에 대해서는 중간 이상 전원의 경우만큼 규정이 엄격하지 않습니다. 또한 높은 효율은 배터리 구동 응용 분야에서 실행 시간을 연장할 수 있도록 도와주며, 공칭 부하 및 저부하 조건과 정동작 모드에서 중요합니다. AC 라인이 주 전원이고 실행 시간이 효율에 의해 결정되지 않는 경우에도 에너지 발산과 열 부하를 최소화하는 것이 중요합니다.

전자파 장해(EMI)의 경우 다음 두 가지 방식으로 조정기 구동 인자를 고려합니다.

• 첫째, DC-DC 조정기는 "들어오는" EMI와 잡음에 민감하지 않아야 합니다. 이는 구동 중인 대상에 상관없이 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
• 복사 및 유도 EMI의 발생원이 아니고 최종 응용 분야(예: 소비자 가전, 자동차, 산업, 의료 등)에 따라 EMI 한도가 허용 가능해야 합니다.

다양한 EMI 규정에 대해 제품을 인증받으려면 설계와 테스트 모두에 대한 전문성을 필요로 하는 복잡하고 시간이 오래 걸리는 공정이 요구됩니다.

크기 및 비용의 두 가지 인자를 제외하고는 전력 조정기 기능에 대한 수요를 논의할 수 없습니다. 일반적으로, 작을수록 더 좋고 대개 더 작은 크기가 요구되지만 대형 폼 팩터를 탑재한 제품의 경우 작은 크기가 최우선 순위는 아닙니다. 당연히 비용이 적게 들수록 좋지만 응용 분야의 요구 사항에 따라 상대적 중요성이 결정됩니다.

새로운 평가 기준을 고려하는 '제작 대 구매" 결정

기본 인자의 상대적 가중치를 포함하여 제작 결정과 구매 결정 간에는 분명한 트레이드 오프가 존재합니다. 예를 들어 얼마나 작은 솔루션이 얼마나 중요합니까? 한 축을 따라 성능을 향상시키는 데 비용이 얼마나 많이 듭니까? 예를 들어, 2MHz 스위칭 조정기는 비교적 기본 사양을 포함하는 1MHz 버전보다 작지만, 높은 주파수에서 작동할 때 손실이 증가하여 효율성이 떨어집니다.

저전력 레벨에서 사용 가능한 많은 간편한 고성능 DC-DC 조정기 IC를 감안할 때 "제조"를 결정하는 것은 민감한 사안입니다. 하지만 실제로는 점점 달라지고 있습니다. 이는 생산 환경으로 전환, 관련 수동 소자 장치 소싱 문제, 엄격한 테스트/인증 요구를 비롯하여 "제작"과 관련된 위험과 회로 성능에 대한 다양한 수요를 포함하는 누적된 인자 때문입니다.

상황을 명확하게 이해하는 데 도움이 되는 인덕터

스위칭 조정기는 온칩 제조가 불가능한 에너지 저장을 위한 소형 인덕터가 필요합니다. 원칙적으로 인덕터는 사소한 부품이며 초기 모델은 단순히 유도 용량과 DC 저항으로 특성화됩니다. 설계자가 이 두 인자에 대한 값을 알고 있는 경우 이론적으로 DC-DC 조정기에 대한 모델링과 설계를 진행할 수 있습니다.

실제로는 그렇게 간단하지 않으며, 간소화된 "개선" 인덕터 모델이라도 주파수에 따라 자가 정전 용량을 통합합니다(그림 1).

그림 1: 간단한 인덕터의 정동작 회로도 다소 복잡하고 인덕터의 작동 주파수에 따라 모델이 변경됩니다. (이미지 출처: Springer Nature Switzerland AG)

하나의 "만능" 모델이란 존재하지 않으며 고도로 세분화된 고급 모델은 평가하기 어려운 추가 기생 소자를 포함합니다(그림 2).

그림 2: 인덕터가 사용되는 빈도가 증가하면 등가 회로에서 더 많은 세부 사항이 발생되며 그중 일부는 인덕터의 배치, 인접 부품, pc 기판과 관계가 있습니다. (이미지 출처: Sonnet Software, Inc.)

인덕터의 물리적 크기와 배치는 해당 모델을 복잡하게 만들며, 위치 또는 방향을 약간만 변경하더라도 모델의 정확도가 달라지고 성능, EMI 및 효율에 영향을 줍니다. 스위칭 주파수가 메가헤르츠 범위로 확장되면 모델이 점차적으로 이러한 추가 인자를 파악해야 합니다.

또한 숙련된 엔지니어가 입증할 수 있는 문제가 있습니다. 때때로 구매 부서나 생산 시설에서 엔지니어가 부품 명세서(BOM)에 명시한 특정 벤더 및 모델을 유사한 부품으로 대체하는 경우가 있습니다. 다른 장치의 최상위 사양이 동일하므로 "순진하게" 대체해도 문제가 되지 않을 것처럼 보입니다. 하지만 부품의 더 민감한 차상위 사양이 달라서 DC-DC 조정기 성능이 제작 후 테스트를 거쳐 승인된 것과 달라지기 때문에 원래 테스트 후 출시된 대로 작동하지 않을 수 있습니다.

따라서 사용 가능한 여러 조정기 IC 중 하나와 일부 수동 소자 부품을 사용하여 DIY "제작"을 선택할 경우 성능, 규정 준수, 출시 시간 등에 점차적인 위험을 초래합니다. 또한 실행 가능한 대안을 사용하여 "구매"하는 것이 매우 매력적인 것처럼 보입니다.

'구매'쪽으로 상당히 기울어진 균형

이 저전력 범위의 구매 환경은 지난 몇 년 동안 급격하게 변화했습니다. 이제 설계자는 Maxim Integrated의 Himalaya uSLIC 강압 DC-DC 전력 모듈 제품군에서 광범위한 장치를 선택할 수 있습니다. 이러한 모듈은 성능 및 크기에 대한 트레이드 오프 또는 손상이 없고 "제작" 결정의 위험이 없습니다.

Himalaya uSLIC 제품군에는 두 고정 출력 장치 MAXM17630(3.3V 출력) 및 MAXM17631(5V 출력)과 조정 가능한 MAXM17632(0.9V ~ 12V 출력) 저항기 세트를 포함하며 모두 전류 용량은 1A입니다. 각 동기식 강압 DC-DC 모듈에는 통합 컨트롤러, MOSFET, 보정 부품 및 인덕터가 포함되어 있습니다. 출력 전압 범위에 걸친 내장형 보정으로 인해 외부 보정 부품이 필요 없습니다. 외부 보정 부품은 조정기의 작동 모드와 일치해야 하므로 대개 선택하기가 어렵습니다.

이 모듈은 4.5V ~ 36V의 폭넓은 출력 범위에서 작동하고, 다른 uSLIC 모듈은 60V 입력으로 작동할 수 있으므로 산업용 설계에 유용합니다. 모듈 제품군의 피드백 전압 조정 정확도는 ±1.2%입니다. 이 모듈은 과열 보호 기능을 포함하며 -40°C ~ +125°C 주위 작동 온도에 대해 지정되었습니다.

이 모듈은 단 몇 개의 비임계 외부 저항기와 저비용 세라믹 커패시터만 있으면 작동하고 작동 특성을 설정할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: MAXM17631은 쉽게 구성하여 사용할 수 있는 Maxim Himalaya의 DC-DC 강압 전력 모듈 uSLIC 제품군에 포함됩니다. 가시 인덕터가 없음을 확인할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이는 소프트웨어 시작 또는 설정 포트를 생각하지 않아도 되는 "하드웨어 전용"입니다. IC는 아니지만 IC와 비슷해 보입니다. 내부 인덕터는 작고 높이가 낮은 16핀 3mm × 3mm × 1.75mm 패키지 내에 캡슐화되었으며 하단 열 패드가 통합되어 있습니다(그림 4).

그림 4: Maxim Himalaya uSLIC 제품군은 16핀 3mm × 3mm × 1.75mm 크기에 불과하며 밑면에 열 패드가 부착되어 있어 방열을 간소화합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

작은 크기에도 불구하고 Himalaya uSLIC 모듈은 우수한 성능, 사용 편의성, 구성 유연성을 제공합니다. 이 모듈은 400kHz ~ 2.2MHz의 조정 가능한 주파수 작동을 지원하며 외부 클록 동기화 옵션을 제공합니다. 또한 CISPR 22(EN 55022) B급 전도성 방출 및 복사성 방출 요구 사항을 준수하므로 전력 모듈이 엄격한 EMI 규정을 준수하는지 걱정할 필요가 없습니다(그림 5 및 그림 6).

그림 5: Maxim Himalaya uSLIC 제품군은 CISPR 22(EN 55022) B급 전도성 방출 한도 허용치를 손쉽게 충족합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

그림 6: Maxim Himalaya uSLIC 제품군은 CISPR 22(EN 55022) B급 복사성 방출 허용치 이하로도 떨어집니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

또한 JESD22-B103, B104 및 B111 패스 드롭, 충격 및 진동 표준을 준수합니다. "제작" 설계에서 이러한 표준을 충족하려면 전기 성능 요구 사항을 충족하는 것보다 더 부담이 큽니다.

LDO를 대신 사용하지 않는 이유?

저드롭아웃 조정기(LDO)는 매년 무수한 환경에서 널리 사용되며 많은 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다. 손쉽게 적용할 수 있으며 출력 잡음이 거의 없습니다. 하지만 공급되는 전류가 증가하고 공급 레일과 출력 사이의 전압 차이가 증가함에 따라 효율이 감소합니다. 많은 저전력 응용 분야에서 LDO는 효율성 저하에도 불구하고 조정된 출력을 제공하는 데 매우 매력적인 솔루션인 것처럼 보일 수도 있습니다.

하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 예를 들어 공칭 24V DC 공급(즉, 19.2V DC ~ 30V DC)에서 80mA에서 5V가 필요한 공간 제약이 있는 광학 근접 센서를 고려해 보겠습니다(그림 7).

그림 7: 소형 uSLIC 모듈을 사용하여 이 예제의 콤팩트한 광학 기반 근접 센서 설계에 필요한 전압(80mA에서 5V)을 효과적으로 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

표준 LDO 대 MAXM17532 uSLIC 전력 모듈(0.9V ~ 5.5V 출력, 100mA 장치)의 비교 분석 요약에서는 큰 차이를 보여줍니다(표 1).

표 1: 전체 전력 소비 차이가 LDO 솔루션 사용 시 소비량의 약 5%에 불과하므로, uSLIC를 사용할 경우 LDO에 비해 많은 전력이 절약됩니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

uSLIC 전력 솔루션은 LDO보다 4배 더 효율적이고 공칭 24V 입력에서 LDO 솔루션의 1/19(약 5%로 감소)로 소비 전력을 줄입니다. DC 입력이 30V 값을 기준으로 할 경우 차이는 훨씬 더 커집니다. 이 분석에 대한 자세한 내용과 기타 예제는 참고 자료 1을 참조하십시오.

완제품이지만 계속적으로 지원되는 구성 가능성

uSLIC 장치는 피크 전류 모드 제어 아키텍처를 구현하는 "밀봉된" 모듈이지만, 사용자는 세 가지 작동 모드 중 하나를 선택할 수 있습니다. 따라서 응용 제품의 우선 순위와 트레이드 오프에 가장 일치하는 성능 속성을 선택할 수 있으며, 반드시 부품을 주문할 때 선택하지 않아도 됩니다. 필요한 경우 설계자가 적절한 패키지 핀을 연결하여 선택할 수 있습니다. 따라서 여러 제품이나 동일한 제품 내에서 동일한 장치를 다양한 모드로 사용할 수 있으므로 BOM을 간소화하고 설계 주기에서 나중에 변경할 수 있습니다.

세 가지 모드는 다음과 같습니다.

• 펄스 폭 변조(PWM) 모드: 내부 인덕터 전류가 음전류로 전환될 수 있습니다. 이 작동 모드는 주파수에 민감한 응용 분야에 유용하며 모든 부하에서 고정 스위칭 주파수 작동을 제공합니다. 하지만 다른 두 모드에 비해 낮은 주파수에서 효율성이 낮습니다.

• 펄스 주파수 변조(PFM) 모드: 이 모드는 인덕터에서 음의 출력 전류를 비활성화하며, 공급 장치에서 소비되는 낮은 정동작 전류로 인해 낮은 부하에서 높은 효율성을 제공합니다. 단점은 다른 작동 모드에 비해 출력 전압 리플이 높고, 낮은 부하에서 스위칭 주파수가 일정하지 않다는 것입니다.

• 불연속 전도 모드(DCM): 이 모드는 낮은 부하 조건에서도 높은 효율성을 지원하고 낮은 부하에서 음의 인덕터 전류를 비활성화하여 PFM 모드보다 낮은 부하에서도 정주파수 작동을 포함합니다. PWM 모드와 PFM 모드 사이의 효율성을 제공하고 DCM 모드의 출력 전압 리플은 PWM 모드와 비슷하고 PFM 모드에 비해 상대적으로 낮습니다.

이러한 uSLIC 모듈에 대해 사용자는 선택적 외부 커패시터를 사용하여 시작 시간과 같은 인자를 설정할 수도 있습니다. 이 기능은 전력 시퀀스와 상승 속도가 중요한 다중 레일 설계에서 유용합니다.

특성화 부담을 덜어주는 모듈

"제작" 옵션을 선택하는 엔지니어가 수행해야 하는 많은 작업 중 하나는 다양한 정적 및 동적 작동 조건에서 다양한 파라미터에 걸쳐 최종 제품을 적절히 평가하는 것입니다. 이 작업은 시간이 많이 걸리고 의도치 않게 많은 실수를 할 수 있습니다. 많은 요구 사항 중에서 부하를 신중하고 능동적으로 제어해야 합니다.

반면에 Maxim Himalaya uSLIC 모듈을 사용할 경우 설계 팀에서 이 단계를 건너뛸 수 있습니다. 장치가 완전하므로 입력 핀에서 출력 레일까지 전체 특성이 규격서에 규정되어 있습니다. 전기 특성 표 외에도, 항상 중요한 온도를 비롯한 폭넓은 작동 조건에서 효율성과 부하 전류 비교, 출력 전압과 부하 전류 비교, 출력 전압 리플, 부하 과도 응답, 시작 및 종료 성능, 보데 플롯과 같은 인자를 포괄하는 100가지 이상의 성능 정의 그래프가 있습니다. 또한 강력한 설계 및 시뮬레이션 도구를 사용하여 모듈 동작을 대규모 시스템 차원 시뮬레이션에 쉽게 통합할 수 있습니다.

빠른 실습

Maxim uSLIC 모듈은 적용하기 쉽고, 완전 특성화된 성능과 시뮬레이션 모델을 함께 제공하지만 설계자가 기능에 대한 일부 "실습" 감각을 익히고 소형 장치에 편리한 인자를 개발해야 합니다. uSLIC는 매우 작으므로 Maxim은 평가를 가속화하기 위해 MAXM17630EVKIT# 평가 기판을 제공합니다(그림 8). 이 기판에는 각각 MAXM17630, MAXM17631, MAXM17632 모듈을 위한 세 개의 인접한 독립 섹션이 있습니다.

그림 8: Maxim MAXM17630EVKIT# 평가 기판은 세 개의 인접한 독립 섹션을 통해 MAXM17630, MAXM17631, MAXM17632 모듈에 대한 구성과 평가를 직접 지원합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

사용자가 기본 작동 모드(PWM, PFM, DCM) 중 하나에서 uSLIC 작동을 연습 및 평가하고, 원하는 경우 외부 클록과 동기화하고, 모듈을 활성화/비활성화하고, UVLO 설정을 변경할 수 있습니다. 초기 설정 시, 이 평가 기판은 4.5V ~ 36V 입력 범위의 900kHz 스위칭 주파수에서 작동하도록 MAXM17630 모듈(3.3V @ 1A)을 구성하고, 7V ~ 36V 입력 범위의 1.250MHz 스위칭 주파수에서 작동하도록 MAXM17631 모듈(5V @ 1A)을 구성하며, 20V ~ 36V 입력 주파수의 2.150MHz 스위칭 주파수에서 작동하도록 MAXM17632 가변 모듈(13V @ 1A)을 구성합니다.

평가 기판 회로도가 상단 및 하단 평가 레이아웃 및 마스크와 함께 규격서에 자세히 나와 있습니다. 평가 기판을 사용하려면 단일 0V ~ 36V DC @ 1A 전원 공급 장치, 디지털 다중 계측기, 3.3V, 5V 및 12V에서 최대 1A로 싱크 가능한 부하 저항기만 있으면 됩니다. 또한 키트의 pc 기판 레이아웃은 전력 컨버터의 스위칭 노드에서 복사성 방출을 제한하여 복사성 방출을 CISPR22 B급 제한 아래로 유지하도록 설계되어 있습니다.

또한 이 기판은 평가 배열이 최종 설계 구성과 같지 않을 경우 이를 인식합니다. 따라서 핫플러그 인에서 발생하거나 평가 설정에 일부로 포함되지만 실제로는 제공되지 않은 긴 입력 케이블로 인해 발생할 수 있는 입력 전압 피크와 발진을 줄여주는 선택적 전해 커패시터를 제공합니다. 이러한 케이블은 입력 전원과 키트의 회로 사이에 연결되며 유도 용량으로 인한 입력 전압 발진을 유도할 수 있습니다. 전해 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)을 활용하면 케이블로 인한 발진을 줄일 수 있습니다.

결론

Maxim Himalaya uSLIC 모듈은 "제작 대 구매"의 균형이 이제는 상대적으로 낮은 DC-DC 감압 컨버터 전력 레벨에서도 구매를 강력하게 선호하게 되었음을 보여줍니다. 작은 크기의 완벽하게 특성화된 성능, EMI 및 효율성 규정 준수, 최종 제품 BOM 간소화로 인해 이 모듈을 선택하는 것은 논리적인 결정입니다.

참고 사항:

1. “Meeting the Efficiency and Power Dissipation Needs of Space-Constrained Applications”
2. “How to Efficiently Power Tiny Industrial Sensors”
3. Application Note 6417, “Assembly Guidelines for uSLIC Packages”