더 많은 조정기로 소중한 공간 절약

시스템이나 기판의 전력 분배 네트워크 또는 전력 트리의 설계는 중앙 집중식과 분산식 간에 바뀌는 경우가 많습니다. 이는 기술과 부품의 발전 및 설계 요구 사항의 변화로 인한 것입니다. 다른 기능을 위해 공간을 절약하는 것이 중점 사항인 경우 설계자는 다른 이점이 제공되는 소형 DC-DC 컨버터로 전환할 수 있습니다.

이러한 소형 DC-DC 장치의 추가적인 이점으로는 전체적인 공간 절약과 함께, 전력 트리 토폴로지 및 제한 사항이 더 적은 기판 레이아웃에 미치는 영향을 재평가할 수 있는 유연성 그리고 성능과 효율성의 향상이 포함됩니다.

이 기사에서는 초소형 DC-DC 컨버터의 역할을 살펴본 다음 샘플 장치와 이러한 장치를 최적으로 적용하는 방법을 소개합니다.

초소형 컨버터로 전환하는 이유

소형 강압(벅 모드) DC-DC 전력 컨버터의 출현은 큰 IBC(중간 버스 컨버터)에서 상대적으로 큰 POL(부하점) 컨버터로 전환하고 그 다음 여러 IC로 구성된 상대적으로 큰 서브 시스템으로 전환하는 추세를 반영합니다.

이제 설계자는 하나의 IC와 지원 부품일 수 있으며, 부하 바로 옆에 배치 가능한 고도로 분산된 초소형 컨버터를 사용할 수 있습니다.

이러한 고도로 분산된 DC-DC 컨버터를 사용하는 이유로는 두 가지가 있습니다. 먼저 새로운 마이크로 부품, 더 높은 작동 주파수(MHz 범위), 고급 제조 기술 및 패키징 향상을 통해 성능이 우수하고 사용하기 쉬운 DC-DC 장치가 확보됩니다. 두 번째로 이 방법으로 전력 레일을 제공하면 회로 설계, 전체 기판 레이아웃 및 최종 제품에 다양한 이점이 제공됩니다.

또한 직관에 반할 수도 있지만, 여러 개의 더 작은 컨버터를 사용하면 실제로 총 전력 서브 시스템 실장 면적이 감소하고, PC 기판 공간이 절약되며, 기능을 추가할 기회가 늘어납니다.

구체적 사항 검토

이러한 컨버터에 관련된 성능 및 크기 사양을 살펴보겠습니다. 예를 들어 Texas Instruments LMZ10501 "나노" 모듈은 최대 1A 부하까지 구동 가능한 강압 DC-DC 컨버터입니다(그림 1).

그림 1: Texas Instruments LMZ10501 DC-DC 컨버터는 최대 95%의 효율로 최대 1A를 공급할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이러한 출력 정격에도 불구하고 “나노”라는 명칭처럼 이 장치는 인덕터를 포함하여 8핀, 3.00mm × 2.60mm SIP 패키지로 공급됩니다.

그림 2: LMZ10501 DC-DC 조정기는 인덕터를 포함하여 3.00mm × 2.60mm SIP 패키지로 제공됩니다. 하단뷰 접점이 보이며(왼쪽) 상단뷰에는 인덕터가 주로 자리를 차지합니다(오른쪽). (이미지 출처: Texas Instruments)

LMZ10501은 내부 전류 제한에 기반한 소프트 스타트 기능과 전류 과부하 보호 및 과열 시 전원 차단 기능을 포함하므로 베어본 장치는 아닙니다. 기본 작동을 하는 일반적인 응용 제품에는 입력 커패시터, 출력 커패시터, 소형 V_CON 필터 커패시터 및 두 개의 저항기만 있으면 됩니다(그림 3). 통합 인덕터는 DC 전류 정격이 1.2A_DC이며 최대 2A의 "소프트" 포화 프로파일로 지원됩니다.

그림 3: LMZ10501은 세 개의 소형 커패시터와 두 개의 저항기만 있으면 작동하며, 비교적 큰 인덕터는 IC 자체의 일부입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

외부 커패시터를 선택할 때는 신중하게 고려해야 합니다. 크기, 비용, 신뢰성 및 성능의 적절한 균형을 제공하기 위해 입력 및 출력 필터는 저 ESR MLCC 부품이어야 합니다. 정격 6.3V 또는 10V의 단일 10μF 커패시터(0603 또는 0805 크기)가 일반적으로 V_IN의 바이패스에 적절하며 여러 개의 4.7μF 또는 2.2μF 커패시터를 사용할 수도 있습니다.

너무 작은 값의 커패시터를 선택하면 루프 위상 마진이 낮아서 불안정해질 수 있습니다. 이와 반대로 출력 커패시터가 너무 크면 출력 전압이 시동 시퀀스 끝에 필요한 0.375V 수준에 도달하지 못할 수 있습니다. 권장값보다 큰 값을 사용한다고 해서 큰 이점이 있는 것은 아닙니다.

크기 고려 사항

실장 면적이 작기 때문에 설계자는 생각을 전환하여 다양한 IC 및 기타 부품에 전력을 공급할 새로운 방법을 고려할 수 있습니다. PC 기판의 모서리처럼 거리가 떨어진 곳에 큰 공급 장치를 배치하는 대신, 이러한 SIP를 사용하면 최종 단계 조정을 부하 바로 옆에서 수행할 수 있습니다. 추가적인 이점으로 이러한 장치는 표준 자동 기계 및 납땜 스테이션과 완벽하게 호환됩니다.

더 작은 장치 여러 개를 사용할 때 공간이 얼마나 절약될까요? 공간은 명확하게 절약되기도 하지만 불명확하게 절약되기도 합니다.

• 대부분의 조정이 부하에 가까운 위치에서 수행되므로 업스트림 공급에 크기가 크고 값이 높은 커패시터를 배치할 필요성을 줄여줍니다.
• 최종 DC 레일을 업스트림 DC-DC 또는 AC/DC 전력 장치의 부하 사양에 맞출 수 있습니다.
• 이러한 DC 레일은 부하에 가깝게 배치되므로 레일에 작은 바이패스 커패시터를 배치할 필요성이 감소합니다. 실제로 부하 측의 초소형 DC-DC 컨버터는 필요한 전력을 공급할 뿐만 아니라 바이패스 커패시터 일부 또는 전체의 역할을 할 수도 있습니다.
• 가까운 위치 때문에 과도 응답이 향상됩니다.
• 컨버터는 최적 부하 및 효율성 범위 내에서 작동하도록 개별적으로 크기를 조정할 수 있습니다. 이에 따라 전체적인 효율이 향상되고, 소산이 더 넓은 영역으로 분산되며, 팬이나 방열판의 필요성이 제거될 수 있습니다.
• 장치가 매우 얇기 때문에 기판이 좁은 간격의 랙이나 얇은 인클로저에 있을 때에도 PC 기판의 바닥에 배치할 수 있습니다. 이에 따라 레이아웃 유연성이 향상되고 공간 절약 설계가 가능해집니다.
• 잡음 발생이 높은 IC와 민감한 IC 간의 누화 및 잡음이 크게 감소합니다.
• 이러한 컨버터는 전기적으로 절연되지 않더라도 작은 절연 컨버터가 필요한 경우 절연 기능에 맞는 크기를 선택하면 됩니다.
• 마지막으로 DC 레일에서 부하 측 순간 성능에 영향을 미치는 IR 드롭 및 파라시틱을 줄이기 위해 더 넓은 회로 기판 트레이스를 사용할 필요가 없습니다.

이러한 소형 DC-DC 컨버터는 1A 미만의 부하로 제한되지 않습니다. 예를 들어 Texas Instruments의 TPS82130 MicroSiP™ 전력 모듈은 3V ~ 17V 입력에서 3A 출력을 제공하며, 동기식 강압 컨버터와 인덕터를 통합하며, 0.9V와 6V 사이의 조정 가능한 출력 전압을 제공합니다(그림 4).

그림 4: Texas Instruments의 TPS82130 DC-DC 모듈은 필요한 외부 수동 부품의 수가 적고, 3V ~ 7V의 DC 입력으로부터 0.9V ~ 6V(사용자 조정 가능), 3A까지 공급할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 장치의 크기는 3.0mm × 2.8mm × 1.5mm에 불과하므로 "모듈"이라는 명칭 때문에 크기를 혼동하지 않아야 합니다. 적절한 성능 곡선을 보면 전체적인 고효율 피크가 1A보다 조금 높으며, 전체 3A 정격까지 높게 유지됨을 알 수 있습니다(그림 5).

그림 5: TPS82130 DC-DC는 1A 이상의 높은 부하 및 피크에서 작동하는 경우 효율이 약 60% 이상이므로 부하에 가장 적합하게 크기를 조정할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

상대적 타이밍 문제 해결

시스템에 레일이 여러 개인 경우 상호 켜기/끄기 타이밍에 관련된 문제가 발생하기도 합니다. 타이밍에는 순차, 비례 및 동시의 세 가지 기본 유형이 있으며 각각 여러 변형이 있습니다. TPS82130의 Enable(EN) 핀과 Soft Start/Tracking(SS/TR) 핀 그리고 일부 저항기 및/또는 커패시터를 사용하여 이러한 모든 유형을 구현할 수 있습니다(편의상, 두 개의 레일만 가정함).

순차 타이밍에서는 첫 번째 장치가 조정에 도달해야

두 번째 장치가 켜집니다(그림 6).

그림 6: 여러 TPS82130 장치를 순차 타이밍으로 구성하여 왼쪽 조정기가 오른쪽 조정기보다 먼저 켜지도록 할 수 있습니다. 참고: 이 그림의 IC는 레이블이 TPS62130입니다. TPS82130은 사양이 향상되었지만 기능과 핀아웃은 동일합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

비례 타이밍에서는 두 출력 전압이 동시에 시작되어 동시에 조정에 도달합니다(그림 7). 두 전압이 일반적으로 서로 달라서 dV/dt 기울기도 다르지만 상수 계수로 서로 관련이 있기 때문에 ‘비례’라고 합니다.

그림 7: 비례 타이밍의 구성(왼쪽)에서는 두 번째 전압 상승은 상호 고정된 비율로 첫 번째(오른쪽)와 동일한 시간에 시작 및 종료됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

마지막으로 동시 시작에서는 두 출력 전압의 기울기가 동일하여 전압이 서로 다른 시간에 조정에 도달합니다(그림 8).

그림 8: 동시 모드에서는 두 전압이 동일한 시간에 상승을 시작하지만 서로 다른 시간에 조정에 도달합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

상대적 시작 순차 이외에도 ‘소프트 스타트’(전원을 켤 때 전압이 상승하는 속도)과 상호 실제 레일 전압의 상대적 추적과 관련하여 우려 사항이 있을 수 있습니다. TPS82130은 SS/TR 연결을 통해 이에 대비합니다.

새롭게 확보된 공간의 활용

새롭게 확보된 공간의 활용 방법은 여러 가지가 있을 수 있지만 응용 분야 우선 순위에 따라 적절하게 선택해야 합니다. 여러 설계에 있어 첫 번째로 고려한 것은 공간이 좁을 경우 축소하는 경향이 있는 전기적 및 전자적 견고성을 향상시키는 것입니다.

즉, 항상 부족한 I/O 라인에 전원 공급 클램프 및 크로우바, 과도 전압 억제기, 역극성 보호를 추가할 수 있습니다. 기계적 측면에서 추가적인 PC 기판 지지대와 장착 나사, 고정 장치, 배터리 클램프 또는 기타 구조적 향상 기능의 추가가 적절한 공간 활용 방법일 수 있습니다.

다음으로 유용할 수 있는 추가 기능의 추가에 대해 살펴보겠습니다. 이제 약간 더 큰 배터리 또는 약간 더 큰 디스플레이 및 IC, 더 많은 표시 LED 또는 사용자 푸시 버튼 등을 더 추가할 공간이 생겼습니다. 더 큰 IC 패키지가 필요하기는 하지만 더 큰 메모리 옵션도 가능합니다. 특히 이제 기판 레이아웃의 유연성이 높아졌으므로 이러한 작은 DC-DC 컨버터의 사용으로 얻어지는 공간을 더 많은 용도로 활용할 수 있습니다.

결론

경우에 따라 작은 것이 더 좋을 수 있습니다. 초소형 DC-DC 벅 컨버터를 사용하면 부하 근처에 조정을 배치할 수 있으며 이 경우 전기 성능에 리플 영향을 미치고, 기판 레이아웃, 업스트림 전력 장치의 크기와 유형 및 열 발산에 영향을 미칠 수 있습니다.

초소형 컨버터를 사용할 때의 파생 효과는 설계의 고정된 공간 내에서 더 많은 기판 공간이 확보되며 이에 따라 다른 전기적 및 기계적 향상이 가능하고 새로운 기능을 추가할 수 있다는 점입니다.

참고 자료

1. Texas Instruments, SLVA470A, “Sequencing and Tracking with the TPS621-Family and TPS821-Family”