하향 변환 효율 극대화를 위해 동기식 벅 DC/DC 컨버터를 사용해야 하는 이유 및 방법

IC와 기타 부하를 구동하기 위해 높은 버스 전압을 낮은 전압으로 강압하는 것과 관련된 요구는 자동차, 산업 자동화, 전기 통신, 컴퓨팅, 백색 가전 및 소비자 가전 등 다양한 시스템에 걸쳐 증가하고 있습니다. 설계자가 당면한 과제는 극도의 효율성, 최소한의 열 부하, 저렴한 비용 및 가능한 가장 작은 솔루션 크기로 이 하향 변환을 실행하는 것입니다.

기존의 비동기식 벅 컨버터는 저렴한 비용의 솔루션이 될 수는 있지만, 또한 낮은 변환 효율을 지니고 있기 때문에 많은 전자 시스템의 요구를 충족하지 못합니다. 이를 대체하는 동기식 DC/DC 컨버터 및 동기식 DC/DC 컨트롤러를 사용하면 고효율을 제공하는 초소형 솔루션을 개발할 수 있습니다.

이 기사에서는 고효율 DC/DC 변환을 위한 전자 시스템의 성능 요구 사항을 간략하게 설명하고, 비동기식과 동기식 DC/DC 컨버터 간의 차이점을 알아봅니다. 그런 다음 Diodes, Inc., STMicroelectronics 및 ON Semiconductor의 여러 동기식 DC/DC 컨버터 설계 옵션(평가 기판 포함)과 고효율 솔루션 개발을 즉시 시작할 수 있는 설계 가이드를 소개합니다.

동기식 DC/DC 컨버터가 필요한 이유

모든 유형의 전자 시스템에서 더 높은 효율성에 대한 요구가 늘어남과 동시에 시스템 복잡성이 증대됨에 따라, 전력 시스템 아키텍처 및 전력 변환 토폴로지도 이에 발맞추어 진화하고 있습니다. 늘어나는 기능을 지원하기 위한 독립 전압 도메인의 수가 증가함에 따라, 점차로 더 많은 전자 시스템에서 분배 전력 아키텍처(DPA)가 활용되고 있습니다.

다양한 부하의 구동을 위해 여러 개의 분리형 공급 장치를 사용하는 대신, DPA에는 하나의 분리형 AC/DC 전원 공급 장치가 있어 비교적 높은 분배 전압을 생산하고, 여러 개의 더 작은 벅 컨버터를 통해 각 개별 부하가 요구하는대로 분배 전압을 더 낮은 전압으로 하향 변환합니다. 여러 개의 벅 컨버터를 사용하는 것은 더 작은 크기, 더 높은 효율 및 개선된 성능이라는 이점을 제공합니다.

그림 1: 주요 분리형 AC/DC 전원 공급 장치(프런트 엔드) 및 낮은 전압 부하를 구동하는 여러 비분리형 DC/DC 컨버터를 보여주는 분배 전력 아키텍처 (이미지 출처: DigiKey)

비동기식과 동기식 벅 컨버터 중 어떤 것을 선택해야 할지는 비용 및 효율성 간의 절충점을 기반으로 정해집니다. 저렴한 솔루션 비용을 원한다면 비동기식 벅 솔루션이 더 유용할 수 있으며, 이 경우 더 낮은 효율 및 더 높은 열 부하를 감수해야 합니다. 반면에 효율성이 가장 우선 순위이고 열 부하가 낮은 솔루션을 원한다면 일반적으로 고비용의 동기식 벅 컨버터를 선택하는 것이 가장 좋습니다.

동기식 대 비동기식 벅 컨버터

일반적인 비동기식 벅 컨버터 응용 제품이 그림 2에 표시되어 있습니다. ON Semiconductor의 LM2595는 주 전원 스위치와 제어 회로망을 포함하는 모놀리식 통합 회로입니다. 외부 부품의 수를 줄이고 전원 공급 장치 설계를 단순화하기 위해 내부적으로 보정됩니다. 비동기식 벅 컨버터는 81%의 통상 변환 효율을 제공하고 전력의 19%를 열로 소모하는 반면, 동기식 벅 솔루션은 90%의 통상 변환 효율을 제공하고 전력의 10%에 해당하는 열만 소모합니다. 이는 비동기식 벅 컨버터에서의 열 손실이 동기식 벅 컨버터에서의 열 손실에 비해 거의 2배에 이른다는 의미입니다. 따라서 동기식 벅 컨버터의 사용은 열 발생량을 줄이므로 열 관리와 관련된 과제가 크게 단순화됩니다.

그림 2: 일반적인 비동기식 벅 컨버터 응용 제품의 출력 정류기(D1), 출력 필터(L1 및 Cout) 및 피드백 네트워크(Cff, R1 및 R2). (이미지 출처: ON Semiconductor)

STMicroelectronics의 ST1PS01과 같은 동기식 벅 컨버터에서는 출력 정류기가 동기식 MOSFET 정류로 대체됩니다(그림 3). 동기식 MOSFET의 더 낮은 온스테이트 저항은 비동기식 벅 컨버터의 출력 정류기와 비교하여 손실을 줄이며 획기적으로 높은 변환 효율을 제공합니다. 동기식 MOSFET이 IC에 내장되므로 외부 정류기 다이오드가 필요 없습니다.

그림 3: 동기식 벅 응용 제품 회로로, 외부 출력 정류기 다이오드가 없음. 출력 필터링 및 피드백 부품은 여전히 필요합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

동기식 벅 컨버터를 통해 높은 효율과 낮은 열 부하를 달성하려면 그만한 비용을 감수해야 합니다. 단일 전력 스위칭 MOSFET과 정류용 다이오드가 포함된 비동기식 벅 컨버터 컨트롤러는 훨씬 더 간단합니다(크기도 더 작음). 교차 전도 또는 "슛스루"의 가능성을 고려할 필요가 없고 제어해야 할 동기식 FET이 없기 때문입니다. 동기식 벅 토폴로지는 두 개의 스위치를 제어하기 위해 더 복잡한 구동기 및 교차 방지 전도 회로망을 필요로 합니다(그림 4). 두 MOSFET이 동시에 켜지지 않도록 하고 직접적인 단락을 생성하려면 더 많은 복잡성이 요구되어, IC의 크기가 더 크고 가격이 더 비싸집니다.

그림 4: 동기식 벅 컨버터 IC 블록 구성도로, 두 개의 통합 MOSFET(‘SW’로 표시된 접점 옆) 및 구동기/교차 방지 전도 회로망이 표시됨. (이미지 출처: STMicroelectronics)

중간 또는 최대 부하 조건에서는 펄스 폭 변조로 제어되는 동기식 벅 컨버터가 더 효율적인 반면, 경부하 조건에서는 보통 비동기식 벅 컨버터가 더 높은 변환 효율을 제공합니다. 하지만 최근의 동기식 벅 컨버터는 설계자가 낮은 부하 효율을 최적화할 수 있는 여러 작동 모드를 포함하도록 구현되고 있어, 이러한 경향은 점차로 줄어들고 있습니다.

5V 및 12V 전력 분배용 동기식 벅

Diodes, Inc.는 소비자 가전 및 백색 가전에서 5V 및 12V 전력 분배를 사용하는 설계자에게 4.5V ~ 18V의 넓은 입력 범위를 갖춘 6A 동기식 벅 컨버터인 AP62600을 제공합니다. 이 장치는 36mΩ 하이사이드 전력 MOSFET과 14mΩ 로우사이드 전력 MOSFET을 통합하여 고효율 강압 DC/DC 변환을 제공합니다.

AP62600은 연속 온타임(COT) 제어로 인해 최소한의 외부 부품만 필요합니다. 또한 빠른 과도 응답, 간편한 루프 안정화 및 낮은 출력 전압 리플을 제공합니다. AP62600 설계는 전자파 장해(EMI) 감소에 최적화되어 있습니다. 이 장치는 MOSFET 턴온 및 턴오프 시간 저하 없이 스위칭 노드 링잉에 견딜 수 있는 독점적인 게이트 구동기 방식을 갖추고 있으며 이로써 MOSFET 스위칭으로 인한 고주파 방사 EMI 잡음을 줄일 수 있습니다. 이 장치는 V-QFN2030-12(A형) 패키지로 제공됩니다.

전력 양호 표시기가 포함되어 장애 조건 발생 시 사용자에게 알림을 제공합니다. 프로그래밍 가능 소프트 시동 모드는 전력 구동 시 유입 전류를 제어하여, 설계자가 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 응용 분야별 IC(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP) 및 마이크로 프로세서 장치(MPU)와 같은 대규모 통합 장치를 지원하기 위해 여러 AP62600을 사용하여 전력 시퀀싱을 구현할 수 있도록 합니다.

AP62600를 사용하면 설계자가 개별 응용 제품의 요구에 따라 3가지 작동 모드 중 하나를 선택할 수 있습니다(그림 5). 펄스 주파수 변조(PFM) 작동으로 모든 부하에 걸쳐 고효율이 달성됩니다. 다른 이용 가능한 모드로는 최고의 리플 성능을 위한 펄스 폭 변조(PWM)와 경부하에서 가청 노이즈를 방지하는 초음파 모드(USM)가 있습니다.

그림 5: AP62600를 사용하면 설계자가 개별 응용 제품의 요구에 따라 PFM, USM 및 PWM의 3가지 작동 모드 중 하나를 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: Diodes, Inc.)

설계자의 AP62600 사용 시작을 지원하기 위해 Diodes, Inc.는 AP62600SJ-EVM 평가 기판을 제공합니다(그림 6). AP62600SJ-EVM은 레이아웃이 단순하며, 테스트 포인트를 통해 적절한 신호에 액세스할 수 있도록 합니다.

그림 6: AP62600SJ-EVM 평가 기판은 AP62600을 위한 단순하고 편리한 평가 환경을 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

24V 버스용 동기식 벅

STMicroelectronics의 L6983CQTR은 3.5V ~ 38V 입력 범위가 특징이며 최대 3A의 출력 전류를 제공합니다. 설계자는 24V 산업용 전력 시스템, 24V 배터리 구동형 장비, 분산 지능형 노드, 센서, 상시 작동 및 저잡음 응용 제품 등 광범위한 응용 제품에서 L6983을 사용할 수 있습니다.

L6983은 내부 보정이 포함된 피크 전류 모드 아키텍처를 기반으로 하며, 3mm x 3mm QFN16 패키지로 제공되어 설계 복잡성 및 크기를 최소화합니다. L6983은 저소비 전력 모드(LCM) 및 저잡음 모드(LNM) 버전으로 제공됩니다. LCM은 제어된 출력 전압 리플을 통해 경부하에서 효율성을 극대화하므로, 배터리 구동형 응용 제품에 적합합니다. LNM은 스위칭 주파수를 일정하게 하고 경부하 작동을 위해 출력 전압 리플을 최소화하므로, 잡음에 민감한 응용 제품의 사양을 충족합니다. L6983을 사용하면 스위칭 주파수를 200kHz ~ 2.3MHz 범위에서 지정할 수 있으며, 선택적으로 개선된 EMC를 위해 확산 대역을 선택할 수도 있습니다.

STMicroelectronics는 설계자가 L6983 동기식 모놀리식 강압 조정기의 성능을 경험하고 설계를 즉시 시작할 수 있도록 STEVAL-ISA209V1 평가 기판을 제공합니다.

컴퓨팅 및 전기 통신용 동기식 벅 컨트롤러

ON Semiconductor의 NCP1034DR2G는 최대 100V의 입력 전압을 지닌 고성능 동기식 벅 DC/DC 응용 제품용으로 설계된 고전압 PWM 컨트롤러입니다. 이 장치는 내장형 통신, 네트워킹 및 컴퓨팅 응용 제품에서 48V 비분리 전력 변환에 사용하도록 설계되었습니다. 그림 7에 표시된 바와 같이 NCP1034는 한 쌍의 외부 N채널 MOSFET을 구동합니다.

그림 7: NCP1036 동기식 벅 컨트롤러 IC의 일반적인 응용 제품 회로이며, 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET(각각 Q1 및 Q2)이 표시됨. (이미지 출처: ON Semiconductor)

NCP1036은 25kHz ~ 500kHz의 프로그래밍 가능 스위칭 주파수 및 스위칭 주파수를 외부에서 제어하도록 하는 동기화 핀을 특징으로 합니다. 이러한 주파수 제어가 모두 제공되므로, 설계자는 각 응용 제품별로 최적의 값을 선택하고 다수의 NCP1034 컨트롤러의 작동을 동기화할 수 있습니다. 또한 이 장치는 사용자 프로그래밍 가능 저전압 잠금 및 히컵 전류 제한 보호도 제공합니다. 저전압 설계의 경우, 내부적으로 트리밍된 1.25V 기준 전압을 사용하면 더욱 정밀한 출력 전압 조정이 가능해집니다.

장치 및 시스템 모두를 보호하기 위해 4개의 저전압 차단 회로가 포함됩니다. 그 중 3개는 특정 기능을 지원하는데, 두 개는 외부 하이사이드 및 로우사이드 구동기를 보호하고 하나는 VCC가 설정된 임계값 미만이 되기 전에 IC가 너무 빨리 시작되지 않도록 보호합니다. 네 번째 저전압 차단 회로는 외부 저항 분배기를 사용하여 설계자가 프로그래밍할 수 있습니다. VCC가 사용자 설정 임계값 미만인 경우 컨트롤러는 꺼진 상태로 유지됩니다.

ON Semiconductor는 설계자가 NCP1034의 사용을 시작할 수 있도록 NCP1034BCK5VGEVB 평가 기판(그림 8)을 제공합니다. 이 평가 기판은 다양한 시스템 필요를 지원하기 위해 여러 옵션으로 설계됩니다. IC에 전원을 공급하는 선형 조정기가 있으며, 설계자는 이를 위해 적절한 저항기를 선택함으로써 제너 다이오드 또는 고전압 트랜지스터 중 어느 것을 사용할지 선택할 수 있습니다. 또한 설계자는 두 번째 유형(전압 모드)의 보정 또는 세 번째 유형(전류 모드)의 보정, 선택 가능한 세라믹 또는 전해 출력 커패시터 및 다양한 입력 정전 용량 값도 선택할 수 있습니다. 두 개의 헤더 접점을 갖추어 하나는 외부 동기화 펄스 소스에 쉽게 연결하여 기판을 다른 NCP1034 데모 기판에 직접 연결할 수 있도록 하고, 다른 하나는 접지에 연결하여 컨트롤러를 종료하는 데 사용할 수 있는 SS/SD 접점에 연결합니다.

그림 8: NCP1034BCK5VGEVB 평가 기판은 설계자가 신속하게 새로운 설계를 시작할 수 있도록 다양한 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

결론

IC와 기타 부하를 구동하기 위해 높은 버스 전압을 낮은 전압으로 강압하는 것과 관련된 요구는 자동차, 산업 자동화, 전기 통신, 컴퓨팅, 백색 가전 및 소비자 가전 등 다양한 시스템에 걸쳐 증가하고 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 동기식 벅 전력 컨버터를 사용하여 고효율, 최소한의 열 부하, 낮은 가격 및 가능한 가장 작은 솔루션 크기로 이러한 하향 변환을 구현할 수 있습니다.

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