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DC/DC 전력 조정기를 재정의하는 마이크로모듈

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글/빌 슈베버(Bill Schweber) 기고

기본 사양을 갖춘, 꽤 괜찮은 DC/DC 전력 조정기(종종 전력 변환기 또는 전원 장치라고 부른다)는 현재 시중에 있는 부품, 레퍼런스 설계, 자원을 이용하면 어렵지 않게 만들 수 있다. 사양에 부합한 컨트롤러 IC(집적 회로), MOSFET(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터), 드라이버, 일부 수동 소자를 결합하면 이론상으로는 설계가 완료된다. DC 입력 전압을 변환, 조정해서 DC 출력 전압을 제공하는 제품이 완성되는 것이다(그림 1).

[그림 1] 이론상 조정기의 역할은 단순 명료하다. 어느 정도 안정적인 DC 전압원을 가져와서 엄격하게 조정되는 DC 출력 레일을 시스템에 부하로 전달하는 것이다.

그러나 이것은 이론이고 현실은 냉혹하다. '꽤 괜찮은' 설계만으로 충분하지 않기 때문이다. 출력 정확도, 규정 등 기본 성능에 관한 매개변수를 충족시키는 데 이러한 설계가 적합할 수도 있겠지만 '기본' 매개변수는 오늘날 조정기가 전달해야 하는 것 중 극히 일부에 불과하다는 점을 인지해야 한다. 여기에 더해 동적 성능에 관해 점차 어려워지는 요구사항, 다양한 부하 범위에서 효율성, 종종 법규 및 법적 승인이 필요한 EMI/RFI(전자파 간섭/무선 주파수 간섭) 발생 같은 문제들도 고려해야 한다.
우선 전력 조정기의 요구사항 중 일부만 살펴보자. 물론 첫 번째 규격은 지정된 레일 전압에서 충분한 전류를 전달하기 위한 정적 규격으로, 보통 1~3% 공차를 가지며 더욱 엄격할 때도 있다. 다음으로는 라인과 부하의 변화에 빠르게 대응하는 동적 규격이 있으며 최소 오버슛은 허용하지만 진동이나 불안정성은 없어야 한다. 조정기는 과전류(부하 단락 포함), 과전압/저전압 조건, 열 한계 초과 등 다양한 결함으로부터 회로를 보호해야 한다.
효율과 EMI/RFI 규제에 관한 표준은 여러 이유 때문에 준수하기 가장 어려운 때가 종종 있다. 첫 번째, 표준이 매우 엄격하다. 두 번째, 국가와 지역마다 표준이 다르다는 점을 이해해야 한다. 여기에 더해 보통 전력 공급의 효율은 활성, 대기 등 여러 작동 모드에 따른 기준을 충족시켜야 한다. 적절한 연구소 또는 대행사를 통해 효율과 EMI/RFI 성능 모두 검사, 인증 받아야 한다. 부품 배치나 BOM(자재명세서) 상 부품이 조금만 변경되어도 효율과 EMI/RFI 성능이 영향을 받으므로 전체 재인증이 필요할 것이다.
이렇듯 성능에 관한 간단한 요구사항 외에도 조정기는 크기가 작고 비용은 적게 들어야 하며, BOM은 단순하게 작성되어야 한다. 커패시터, 인덕터, MOSFET 또는 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터), 방열판 등 전원 관련 부품을 생산할 때에는 특별한 결합 단계가 없거나 거의 없어야 한다. 이러한 규격 중 상충하는 항목이 많기 때문에 균형 분석과 타협은 필수이다.

전력 수준부터 시작하라

물론 모든 전력 조정기 설계가 고된 작업은 아니지만 설계의 어려움과 MIY(Make It Yourself)에 대한 노력은 전력/전류 정격과 함께 증가한다. 1~2A 정도의 낮은 전원 장치는 비교적 간단하게 설계할 수 있다. 시중에서 구매할 수 있는 LDO(로우 드롭아웃 '선형' 조정기) 또는 스위칭 조정기로 설계할 수 있기 때문이다. 부품에 대한 응력은 대단하지 않으며 대부분 '헤드룸'이라는 매개변수가 있다.
하지만 2~10A의 중간 범위에서는 전류와 부품 크기가 커지고 소형 설계에서 있던 문제, 미묘하지만 완벽하지 않았던 요소들이 함께 확대되면서 어려움이 커진다. 이러한 전류 범위에서 MIY를 시도하는 경우 판매사가 설계, 검사, 인증을 마친 레퍼런스 설계가 좋은(그러나 보장할 수는 없는) 출발점이 될 것이다.
수십 A 이상의 고전류 범위에서는 설계해서 제작하는 어려움이 기하급수적으로 커진다. 부품의 크기가 물리적으로 늘어나고 전력 손실, IR(적외선 복사) 증가폭 하락, EMI/RFI 전위 상승 같은 요인이 더해지기 때문이다. 간단히 말해 조정기를 실행하기 어렵게 만드는 요소가 훨씬 많아진다. 부품을 설치하려면 실장용 브라켓이나 나사, 더 큰 방열판, 직접적인 공기 통로가 필요할 것이다. 고전류에서는 성능 검사가 어렵다. 효율과 EMI/RFI에 대한 규정도 더욱 까다롭다.
안전 또는 성능을 기준으로 설계할 때 종종 일어나듯이 만약 전원 장치가 갈바닉 절연되어야 한다면, 고압 절연 표준뿐만 아니라 세부항목 간 규제 상승과 공간거리 의무도 준수해야 한다.
따라서 중간 범위 전류에서 고출력 조정기를 설계할 때 출시 시간 증가, 값비싼 BOM, 높은 수준의 불확실성과 위험에 종종 직면한다. 이런 모든 것은 조정기의 성능이 점차 최종 제품 설계, 수용도, 시장성에서 시각적인 부분이 되기 때문에 발생한다. 하지만 현실적으로 출발단계에서 좋은 레퍼런스 설계 없이 '백지' 조정기를 완성시키는 것은 큰 문제를 일으킬 수 있다. 레퍼런스 설계가 있더라도 MIY는 전류(그리고 출력) 수준과 함께 급격하게 증가하는 길이, 복잡성, 규제 이슈라는 짐을 부담해야 하는 과정이다.
물론 MIY에 대한 대안이 있다. 완전한 조정기를 구매하는 것이다. 보통 직접 설계와 구매 사이의 경계는 2~10A 구간이었다. 2A 미만이면 설계하고 10A 이상이면 구매했었다. 중간 범위에서는 절충해서 결정할 수 있었다. 대부분 다양한 크기와 정격값을 가지고 보통(그러나 항상은 아님) 에폭시로 압축된 모듈을 구매했다. 이러한 모듈은 기본, 필수 성능을 갖췄지만 비교적 크고 무거우며, 맞추기 어려우며 변형된 제품은 소수만 존재했다.

새로운 구매 결정은 새로운 관점을 제공한다

중간 범위의 전류에서 발생하는 많은 문제들과 점차 엄격해지는 효율 관련 기준, EMI/RFI 관련 규제, 무자비한 시장의 압박 등과 관련해 '제작'과 '구매'에 대한 대안이 있다. 지금은 ADI에 합병된 LTC의 고성능 μModule® 조정기 제품군이 바로 대안이다(그림 2). 이러한 드롭인 장치는 첨단 설계, 부품, 패키징 기술이 결합되어 모듈식 및 MIY 솔루션과 관련된 우려와 한계를 극복한다. 제작과 구매 사이에서 결정해야 하는 상황에서 2A 미만의 낮은 전류에서는 MIY가 의미가 있는 것이다.

[그림 2] μModule DC/DC 조정기는 복잡한 PC 보드를 능동 소자와 수동 디스크리트 부품, 간단하고 작은 드롭인 모듈 1개로 대체한다. (Linear Technology 제공)

현재 100종 이상, 15개 제품군으로 나뉘어지는 μModule 장치는 설치 면적 6.25 × 6.25mm에서 16 × 11.9mm, 높이 1.82~5.02mm인 소형 패키지 30개 이상으로 생산되어 인증을 모두 획득한 고성능 제품을 제공한다. μModule은 완전히 집적된 DC/DC 전력 솔루션으로 시스템 인 패키지로 생산된다. 통합 인덕터, MOSFET, DC/DC 조정기 IC, 지원 부품이 모두 통합된 것이다(그림 3). 출력 전류 범위는 2~20A, 전압 범위는 1.8~58VDC이다.

[그림 3] 개별 μModule은 필요한 인덕터, MOSFET, 조정기 IC, 모든 지원 부품을 고도로 집적되고 완전히 지정된 패키지에 결합시켰다. (Linear Technology 제공)

그러나 μModule 장치는 기본적이고 단순한 DC 입력/출력 조정기 이상의 성능을 제공한다. 시중에 공급되는 제품들은 아래와 같은 성능을 제공한다.
* 갈바닉 절연: 입력과 출력 사이. 안전과 성능 유지에 필요하다.
* 초저 잡음: 일부 애플리케이션에서 매우 엄격한 EN55022 Class B 규격을 준수한다.
* 강압에서 승압으로 매끄럽게 변동: 소스 배터리가 공칭 출력값(완전 충전) 이상에서 그 이하(방전)까지 변동하는 경우 필수 기능이다.
* 다중 출력: 단일 μModule에서 2, 3, 4, 또는 5중 출력. 출력부에서 전류 공유가 가능해서 개별 출력의 공급/전달 또는 시퀀싱과 함께 부하전류가 증가한다.
* 디지털 I/O(입출력) 인터페이스: 직렬 버스를 통해 이러한 조정기로부터 '읽기' 상태, '쓰기' 설정을 전달. 긴밀한 관찰과 제어가 반드시 필요하다.
* 원격 감지: 더 높은 전류 상황에서 조정기 출력과 부하 간 발생하는 IR 하락에 대비한다.
* 전류 공유(또는 병렬): 여러 μModule 조정기 간. 부하로 동일한 전력 배분과 함께 높은 전력을 전달한다.
* 극성 반전: 양의 입력 전압이 인가되었을 때 조정기의 출력이 음전압이어야 하는 경우
* 조정 가능한 보정: 부하 특성뿐만 아니라 출력 커패시터 유형과 수량을 기초로, 보정값을 조정해서 정밀 출력과 과도응답을 달성함으로써 조정기의 루프 응답을 수정한다.
* 초박 패키지: 가깝게 위치한 회로판들의 바닥에 조정기를 부착시키거나, FPGA(필드 프로그래밍 지원 게이트 어레이) 또는 ASIC(주문형 집적회로)와 상층부에 있는 방열판/냉각판 사이에 조정기를 삽입할 수 있다.

다양한 특징을 보여주는 μModule 2개 제품

μModule 제품군 15개에는 많은 장치들이 포함된다는 점을 생각하면 일반적인 제품 또는 가장 선호하는 제품 2개는 존재하지 않는다. 대신 제품 2개를 선택하면 많은 특징과 기능을 파악할 수 있을 것이다.
LTM8045(그림 4)는 SEPIC(단일 종단형 1차 유도용량 변환기)로 구성하거나 적합한 출력 레일을 접지해서 반전 변환기로 구성할 수 있는 DC/DC 변환기이다. SEPIC 구성에서 조정된 출력 전압은 입력 전압보다 크거나 작거나, 같을 수 있다. LTM8045는 전력 소자, 인덕터, 제어 회로, 수동 부품을 포함한다. 이러한 모든 부품들을 사용하는 데 필요한 것은 출력 전압과 스위칭 주파수를 설정하기 위한 소형 저항기와 함께 입력 및 출력 커패시터이다. 다른 부품을 사용해서 소프트 스타트와 저전압 차단을 제어할 수도 있을 것이다. 데모 보드(그림 5)는 다양한 모드를 설정하고 성능을 평가하는 과정을 단순화시킨 것이다.

[그림 4] LTM8045는 입력 범위 2.8~18V, 멀티 토폴로지 DC/DC μModule 제품으로, 최대 700mA의 출력 전류를 강압 모드, 승압 모드 또는 강압/승압 모드에서 전달한다. (Linear Technology 제공)

[그림 5] 데모 보드를 이용하면 여러 애플리케이션 모드에서 장치의 성능을 평가할 수 있다. (Linear Technology 제공)

LTM8047(그림 6)은 절연형 플라이백 μModule DC/DC 변환기로, 절연 정격은 725VDC이다. 패키지는 스위칭 컨트롤러, 전원 스위치, 절연 변압기, 모든 지원 부품을 포함한다. 입력 전압 범위 3.1~32V에서 작동하며 출력 전압 범위는 2.5~12V이며 저항기 1개로 모두 설정한다. 데모 보드(그림 7)에서 볼 수 있듯이 설계를 마치는 데 출력, 입력, 바이패스 커패시터만 필요할 뿐이다.

[그림 6] LTM8047 μModule을 사용하면 750VDC에 절연된 변환기를 빠르고 간편하게 실행하면서도 소형 패키지에서 고성능을 발휘한다. (Linear Technology 제공)

[그림 7] 데모 보드를 사용하면 절연 세부사항을 처리하지 않아도 규격을 따르는 절연형 제품을 설계할 수 있다. (Linear Technology 제공)

μModule의 장점: 일부는 분명하지만 일부는 불분명

μModule의 첫 번째 장점은 분명하다. 드롭인 솔루션으로, 설계상 골치아픈 일이 없다는 점이다. 효율을 포함해서 성능이 완전히 지정되어 고유의 값을 갖기 때문이다. 선택할 수 있는 종류가 많아서 필수 기능이나 성능에 대해 타협할 필요가 없으며 선택된 장치는 시스템 사양에 부합할 것이다. 크기, 비용, 필수 출시 시간 등 설계 시 주요 요소는 모두 알려져 있다. 게다가 모든 장치는 효율과 안전에 관련된 규정을 준수하므로 자격과 검사 시간이 필요 없다.
이러한 요인 외에도 μModule에는 사용자 매뉴얼, 데모 보드(그림 8) 등을 포함한다. 설계자는 전반적인 시스템 성능의 솔직한 시뮬레이션도 요구하므로 개별 μModule 소자에는 LTspice® 모형(그림 9, 10)과 자세한 지원 문서들이 제공된다. 마지막으로 개별 μModule은 Linear Technology의 엄격한 전기적 패키지 및 열 신뢰도 검사를 완전히 통과한 소자이다.

[그림 8] 개별 μModule에는 데모 보드, 사용자 매뉴얼, 레이아웃 지침, 기타 문서들이 제공된다. (Linear Technology 제공)

[그림 9] 시스템 일부로 조정기를 설계하는 것은 중요하다. 따라서 아래에 있는 듀얼 13A / 싱글 26A 조정기 설계처럼 LTSpice 모형과 시뮬레이션이 제공된다. (Linear Technology 제공)

[그림 10] 시뮬레이션 결과는 작동 범위 전체에서 효율과 전력 손실 분석 등 주요 특징을 보여준다. (Linear Technology 제공)

결정에 필요한 틀을 재정의하다

2A 미만을 다루는 DC/DC 조정기의 경우 MIY를 선택하는 것이 합리적이다. 시중에서 구매할 수 있는 LDO, 스위처 IC, 레퍼런스 설계를 사용하자. 그러나 2A 이상인 경우에 MIY는 위험하고 시간을 허비하는 일이며 평가하기 어렵다. 특히 효율과 EMI/RFI에 관해 엄격한 규정이 있는 경우에는 직접 설계하는 일을 피해야 한다.
그 이상의 범위에는 간단히 입증할 수 있는 더 좋은 솔루션이 있다. LTC/ADI μModule 시리즈는 15개 제품군, 100개 전원 제품, 30개 패키지 옵션이 제공되므로 할 일 목록에서 '전력 조정기 설계와 품질 인증' 항목을 삭제할 수 있다. 전체 성능이 지정되고 인증을 받은 소형 패키지에 고성능 조정기 기능을 집적시킨 이러한 장치를 1개 이상 사용한다면 설치, 인증, 제조 과정을 단순화할 수 있다. 그 결과 BOM과 출시 시간이 감소하고 위험 부담이 없어 마음이 편안해질 것이다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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