글: 야 리우(Ya Liu),지안 리(Jian Li),산화 치(San-Hwa Chee),마빈 마카이안(Marvin Macairan)
/아나로그디바이스(Analog Devices), Power by LinearTM 애플리케이션 그룹

데이터 센터와 텔레콤 시스템의 전원 디자인으로 큰 변화가 일어나고 있다. 주요 업체들이 복잡하고 비싼 절연형 48V/54V 스텝다운 컨버터를 좀더 효율적인 비절연형 고밀도 스텝다운 레귤레이터로 교체하고 있다(그림 1). 48V 또는 54V 입력을 위험한 ac 메인으로부터 이미 절연하고 있기 때문에 레귤레이터의 버스 컨버터로 절연이 필요하지 않다.

그림 1: 절연형 버스 컨버터를 사용한 기존의 텔레콤 보드 전원 시스템 아키텍처. 48V가 ac 메인에 대해서 이미 절연되어 있는 시스템은 절연형 버스 컨버터가 필요하지 않다. 절연형 컨버터를 비절연형 하이브리드 컨버터로 교체함으로써 복잡성, 비용, 보드 공간 요구를 크게 낮출 수 있다.

 

높은 입력/출력 전압 애플리케이션(48V 대 12V)에는 기존의  벅 컨버터가  이상적인 솔루션이 아니다. 부품 크기가 커지기 때문이다. 다시 말해 높은 입력/출력 전압으로 높은 효율을 달성하기 위해서는 벅 컨버터를 낮은 스위칭 주파수(100kHz~200kHz)로 동작해야만 한다. 벅 컨버터의 전력 밀도는 수동 부품의 크기에 의해서 제한된다. 특히 부피가 큰 인덕터를 들 수 있다. 스위칭 주파수를 높이면 인덕터 크기를 줄일 수 있다. 하지만 이렇게 하면 스위칭에 따른 손실 때문에 버터 효율이 저조해지며 이것은 심각한 발열로 이어질 수 있다.
 

LTC7821을 기반으로 한 하이브리드 컨버터는 통상적인 벅 컨버터와 차지 펌프의 장점을 결합할 수 있다. 다시 말해서 출력 전압 레귤레이션, 확장성, 높은 효율, 높은 밀도가 모두 가능한 것이다. 하이브리드 컨버터는 벅 컨버터와 마찬가지로 폐쇄 루프 제어를 사용해서 출력 전압을 레귤레이트 할 수 있다. 또한 피크 전류 모드 제어를 사용해서 하이브리드 컨버터를 더 높은 전류를 제공하도록 손쉽게 확장할 수 있다(예를 들어서 단일 위상 디자인으로 48V 대 12V/25A를 4위상 디자인으로 48V 대 12V/100A로 확장 가능).
 
또한 하이브리드 컨버터는 정상 상태(steady state) 동작으로 모든 스위치가 입력 전압의 절반을 취급하므로 저전압 정격 MOSFET을 사용해서 우수한 효율을 달성할 수 있다. 하이브리드 컨버터는 또 스위칭 관련 손실이 기존 벅 컨버터보다 낮으므로 고주파수 스위칭이 가능하다.

LTC7821을 500kHz로 스위칭 함으로써 통상적인 48V 대 12V/25A 애플리케이션으로 최대 부하에서 97% 이상의 효율을 달성할 수 있다. 기존의 벅 컨트롤러를 사용해서 동일한 효율을 달성하려면 LTC7821가 사용한 500KHz의 1/3 주파수(125KHz~200KHz)로 작동해야 한다. 그러면 솔루션 크기가 훨씬 커진다. 더 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있으면 더 작은 인덕턴스를 사용할 수 있고, 그러면 더 빠르게 트랜션트 응답을 할 수 있고 솔루션 크기를 줄일 수 있다(그림 2).
 

그림 2: 비절연형 벅 컨버터와 동급의 48V 대 12V/20A 하이브리드 컨버터의 크기 비교

LTC7821은 피크 전류 모드 하이브리드 컨버터 컨트롤러로서, 데이터 센터와 텔레콤 시스템의 중간 버스 컨버터 용으로 비절연형 고효율 고밀도 스텝다운 컨버터에 필요로 하는 모든 기능을 포함한다. LTC7821의 주요 특징으로는 다음을 들 수 있다:


 
▶넓은 VIN 범위: 10V~72V (80V 절대 최대)
▶위상 동기 정주파수: 200kHz~1.5MHz
▶4개의 ~5V N-채널 MOSFET 드라이버 통합
▶RSENSE 또는 DCR 전류 검출
▶CCM, DCM, Burst Mode 동작 프로그램 가능
▶다위상 동작을 위한 CLKOUT 핀
▶단락 회로 보호
▶EXTVCC 입력을 사용한 효율 향상
▶매끄러운 출력 전압 스타트업
▶32리드(5mm x 5mm) QFN 패키지
 

48V 대 12V/25A 하이브리드 컨버터로 640W/in3 전력 밀도 달성

그림 3은 LTC7821에 기반한 300W 하이브리드 컨버터를 400kHz로 스위칭 하는 것을 보여준다. 입력 전압 범위는 40V~60V이고, 출력은 12V로 최대 25A 부하이다. 각각의 플라잉 커패시터 CFLY와 CMID로 12개의 10mF(1210 사이즈) 세라믹 커패시터를 사용한다. 높은 스위칭 주파수로 동작하고 스위칭 노드에서 인덕터가 VIN의 절반만을 취급하기 때문에(낮은 볼트-초) 비교적 작은 크기의 2mH 인덕터(SER2011-202ML, 0.75인치 x 0.73인치)를 사용할 수 있다. 그림 4에서 보듯이, 대략적인 솔루션 크기는 1.45인치 x 0.77인치이다. 그러므로 전력 밀도는 약 640W/in3이다.




그림 3: LTC7821을 사용한 48V 대 12V/25A 하이브리드 컨버터


그림 4: 전체적인 버스 컨버터 레이아웃 예. 보드 상단면과 하단면을 사용하고 있으며, 보드 상단면으로 7.2cm²만을 차지한다.

아래 세 스위치가 항상 입력 전압의 절반만을 취급하므로 40V 정격 FET을 사용할 수 있다. 맨 위 스위치는 80V 정격 FET을 사용한다. 이것은 스타트업 때 CFLY와 CMID를 충전하기 위해서 입력 전압을 온전히 처리해야 하기 때문이다. 정상 상태 동작일 때는 모든 4개 스위치가 입력 전압의 절반을 취급한다. 그러므로 하이브리드 컨버터는 모든 스위치가 온전한 입력 전압을 취급하는 벅 컨버터에 비해서 스위칭 손실이 훨씬 작다. 그림 5는 이 디자인의 효율을 보여준다. 피크 효율은 97.6%이고, 최대 부하일 때 효율은 97.2%이다. 또한 그림 6의 열 영상에서 보듯이, 높은 효율(낮은 전력 손실)은 우수한 열 성능으로 이어진다. 주변 온도 23°C일 때 강제 에어플로우를 사용하지 않고서 핫스팟이 92°C이다.



그림 5: 48V 입력, 12V 출력, 400kHz f_SW일 때 효율

 

LTC7821은 고유의 CFLY 및 CMID 사전 밸런싱 기법을 사용해서 스타트업 시에 입력 쇄도 전류를 방지한다. 파워업을 하면 플라잉 커패시터 CFLY와 CMID의 전압을 측정한다. 이들 전압이 VIN/2가 아니면 TIMER 커패시터가 충전된다. TIMER 커패시터 전압이 0.5V에 도달하면 내부 전류 소스가 턴온 해서 CFLY 전압을 VIN/2에 도달하도록 한다. CFLY 전압이 VIN/2에 도달한 후에는, CMID가 VIN/2로 충전된다. 이 동안에는 TRACK/SS 핀을 로우(low)로 풀링하고, 모든 외부 MOSFET은 꺼져 있는다. TIMER 커패시터 전압이 1.2V가 되기 전에 CFLY와 CMID 전압이 VIN/2에 도달하면 TRACK/SS가 해제되고 정상적인 소프트 스타트가 시작된다. 그림 7은 이러한 사전 밸런싱을 보여주며, 그림 8은 48V 입력 대 12V/25A 출력으로 VOUT 소프트 스타트를 보여준다.



그림 6: 그림 2 하이브리드 컨버터 솔루션의 열 영상


그림 7: LTC7821은 스타트업 때 사전 밸런싱을 함으로써 높은 쇄도 전류를 방지한다.


그림 8: 48V 입력, 12V/25A 출력으로 LTC7821 스타트업 (높은 쇄도 전류 방지)



그림 9: 2위상 디자인 용으로 LTC7821의 주요 신호 연결


1.2kW 다위상 하이브리드 컨버터

LTC7821은 특히 확장이 용이하다는 점에서 텔레콤과 데이터 센터에 사용되는 것과 같은 고전류 애플리케이션에 적합하다. 그림 9는 다중의 LTC7821을 사용한 2위상 하이브리드 컨버터의 주요 신호를 어떻게 연결하는지 보여준다. 한 LTC7821의 PLLIN 핀을 다른 LTC7821의 CLKOUT 핀으로 연결해서 PWM 신호를 동기화한다.
 
2개 이상의 위상을 사용하는 디자인은 PLLIN 핀과 CLKOUT 핀을 데이지 체인으로 연결한다. CLKOUT 핀의 클록 출력은 LTC7821의 메인 클록과 180° 이위상(out of phase)이기 때문에, 짝수 개 위상은 서로 간에 동위상이고 홀수 개 위상은 짝수 개 위상의 반대위상이다.
 
그림 10은 4위상 1.2kW 하이브리드 컨버터를 보여준다. 각 위상의 전원 스테이지는 그림 3의 단일 위상 디자인과 동일하다. 입력 전압 범위는 40V~60V이고, 출력은 12V로 최대 100A 부하이다. 그림 11에서 보듯이, 피크 효율은 97.5%이고, 최대 부하일 때 효율은 97.1%이다. 그림 12는 열 성능을 보여준다. 주변 온도 23°C로 200 LFM 강제 에어플로우를 사용해서 핫스팟이 81°C이다. 이 디자인에는 인덕터 DCR 검출을 사용하고 있다. 그림 13에서 보듯이 4개 위상 간에 전류 공유가 거의 평형을 이룬다는 것을 알 수 있다.
 

그림 10: 4개 LTC7821을 사용한 4위상 1.2kW 하이브리드 컨버터



그림 11: 4위상 1.2kW 디자인의 효율


그림 12: 그림 9 다위상 컨버터의 열 영상


그림 13: 그림 9 다위상 컨버터의 전류 공유


 

맺음말

LTC7821은 피크 전류 모드 하이브리드 컨버터 컨트롤러로서, 데이터 센터와 텔레콤 시스템으로 중간 버스 컨버터 구현을 대폭적으로 간소화할 수 있다. 하이브리드 컨버터의 모든 스위치가 입력 전압의 절반만 취급하므로 높은 입력/출력 전압 애플리케이션으로 스위칭에 따른 손실을 크게 줄일 수 있다. 그러므로 하이브리드 컨버터는 효율을 희생하지 않으면서 벅 컨버터보다 2~3배 더 높은 스위칭 주파수로 실행할 수 있다. 또한 하이브리드 컨버터는 고전류 애플리케이션 용으로 손쉽게 확장할 수 있다. 기존의 절연형 버스 컨버터에 대해서 하이브리드 컨버터의 가장 중요한 차별화는 전반적인 비용을 낮추고 손쉽게 확장할 수 있다는 것이다.

저자 약력

야 리우(Ya Liu)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 전원 제품 애플리케이션 그룹(캘리포니아주 밀피타스)의 선임 애플리케이션 엔지니어입니다. 현재 주로 스위치 커패시터 컨버터와 하이브리드 컨버터에 대한 애플리케이션 지원을 맡고 있습니다. PSM 컨트롤러와 아날로그 벅 컨트롤러에 대한 지원 업무도 합니다. 중국 항저우의 저장 대학에서 전기공학 학사학위 및 미국 버지니아 공대에서 전기공학 석사학위를 취득했습니다. 2건의 중국 특허와 3건의 미국 특허를 보유하고 있습니다. 궁금한 점은 ya.liu@analog.com으로 문의.
 
지안 리(Jian Li)는 2004년에 중국 칭화 대학으로부터 제어 이론 및 제어 공학 석사학위와 2009년에 버지니아 공대로부터 전력 전자공학 박사학위를 취득했습니다. 현재 아나로그디바이스에서 전원 제품 애플리케이션 엔지니어링 책임자를 맡고 있습니다. 9건의 미국 특허를 보유하고 있으며, 20건 이상의 학회 및 컨퍼런스 논문을 발표했습니다. 궁금한 점은 jian.li@analog.com으로 문의.
 
산화 치(San-Haw Chee)는 전원 제품 그룹의 상근 연구원입니다. 리니어테크놀로지(Linear Technology)(현 ADI)에서 다수의 제품을 설계하고 출시하는 업무를 맡았습니다. 이 과정에서 다수의 특허를 취득했습니다. 궁금한 점은 san-hwa.chee@analog.com으로 문의.
 
마빈 마카이안(Marvin Macairan)은 아나로그디바이스의 Power by Linear™ 애플리케이션 그룹의 애플리케이션 엔지니어입니다. 애플리케이션 지원 업무와 ADI 전원 제품을 채택한 데모 보드 최적화를 맡고 있습니다. 캘리포니아 주립 공과대학으로부터 전기공학 석사학위를 취득했습니다. 궁금한 점은 marvin.macairan@analog.com으로 문의.