글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 
크기를 소형화 하는 것은 전자 업계의 영원한 화두다. 전원공급 장치도 예외는 아니다. 전원공급 장치의 품질은 체적당 전력으로 나타낼 수 있다. 전원공급 장치를 설계할 때 크기를 줄일 수 있는 방법들을 소개한다.
 

그림 1: 반도체와 수동 부품들을 사용하는 통상의 스위칭 레귤레이터

 

외부 부품의 수 최소화

전원공급 장치는 최소한 한 개의 반도체와 인덕터, 커패시터, 몇 개의 저항과 같은 외부 수동 부품들로 이루어진다. 전반적인 전원공급 장치 크기를 줄이기 위한 첫 번째 단계는 그림 1에서 보는 것과 같이 외부 부품 수를 줄이는 것이다.
출력 전압을 조절할 수 있게 하거나 소프트 스타트 시간을 조절할 수 있게 하는 것과 같은 기능이 필요할 때는 수동 부품의 수가 늘어날 것이고, 그 결과 전반적인 솔루션이 차지하는 공간이 늘어날 것이다. 그림 1의 회로는 최소한의 수동 부품을 사용한 스위치 모드 벅 컨버터를 보여준다.
 

외부 부품의 크기 최소화

출력 커패시터와 인덕터 크기를 되도록 작게 하려면 스위칭 레귤레이터 IC가 되도록 높은 스위칭 주파수를 사용해야 한다. 출력 전압의 전압 리플은 외부 부품의 값과 그에 따른 크기에 따라 선형적으로 동작한다. 예를 들어 스위칭 주파수를 두 배로 높이면 동일한 출력 전압 리플에 대해 필요한 인덕턴스 값을 절반으로 낮출 수 있다. 그럼으로써 설계를 보다 소형화 할 수 있다. 그림 2는 LTC3307A 스위칭 레귤레이터가 필요로 하는 면적을 보여준다. 스위칭 주파수가 3MHz로 높기 때문에 작은 인덕터를 사용할 수 있다.
 

그림 2: 3A 출력 전류용 스위치 모드 전압 컨버터에 필요한 면적

 

스위칭 레귤레이터 IC의 크기 최소화

아나로그디바이스(Analog Devices)의 LTC33xx 플랫폼은 다양한 애플리케이션에 사용하도록 최대 5MHz에 이르는 높은 스위칭 주파수로 동작하는 스위치 모드 스텝다운 전압 컨버터 제품들을 포함한다. LTC3315A는 공간이 제한된 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 1.64mm x 1.64mm 크기의 WLCSP(wafer-level chip scale package) 패키지로 제공되는 2채널 듀얼 컨버터로서 각 채널마다 2A의 출력 전류를 제공할 수 있다. MAX77324 역시 주목할 만한 제품이다. MAX77324는 단일 채널 스텝다운 스위칭 레귤레이터로서, 1.22mm x 0.85mm 크기로 최대 1.5A 출력 전류를 제공한다. 그림 3은 MAX77324의 패키지 풋프린트를 보여준다.
 

그림 3: MAX77324 스위칭 레귤레이터의 초소형 패키지

 
그림 4: 1.64mm x 1.64mm 크기의 듀얼 벅 레귤레이터 IC 패키지 아웃라인

 

인덕터를 통합함으로써 크기 소형화

전원공급 장치 회로의 크기를 줄일 수 있는 또 다른 방법은 인덕터와 스위칭 레귤레이터 IC를 통합하는 것이다. 이렇게 통합한 것을 모듈이라고 한다. 인덕터를 반도체 IC 위에 얹음으로써 솔루션 길이를 줄일 수 있다. 모듈로 통합된 인덕터를 열 전도체와 히트 싱크로 사용함으로써 소형화를 달성할 수 있다. 모듈 내에서 인덕터를 실리콘에 적절히 연결함으로써 반도체로부터 열을 매우 훌륭하게 빼낼 수 있다. 특히나 소형 스위칭 레귤레이터 IC에서는 높은 출력 전류를 제공할 때 열 소산이 갈수록 큰 문제가 되고 있다. 실리콘은 허용 가능한 최대 동작 온도 이상으로 동작할 수 없기 때문이다.
이 밖에도 다양한 혁신적인 방법으로 전원공급 장치의 크기를 줄일 수 있는데 이 글에서는 단지 몇 가지 방법들만 살펴보았다. 크기 소형화는 또 다른 간접적인 이점들도 제공한다. 보드 공간을 더 적게 차지하므로 비용을 줄일 수 있고, 디바이스의 기능성을 높일 수 있으며, 전자 장비의 크기와 무게를 줄임으로써 운송 비용을 낮출 수 있게 한다.
 

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공했다. 2001년에 전원 관리 분야에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원장치와 관련한 업무를 맡은 것을 비롯해서 다양한 애플리케이션 경험을 쌓았다. 2009년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 현재는 ADI 뮌헨 지사에서 전원 관리 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)를 맡고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com