기술기고문
포지티브 및 네거티브 출력 DC-DC 컨버터 모두에 동일한 적격 부품을 사용할 때의 비용 절감 효과
글: 빅터 카시예프(Victor Khasiev) 수석 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
전자기기 제조회사가 부품 비용을 줄일 수 있는 비교적 쉬운 방법은 서로 다른 애플리케이션에 동일한 설계나 부품을 사용하는 것이다. 비용 절감 효과는 동일 부품의 대량 구매뿐 아니라 요구되는 검증 과정의 수를 최소화하는 데서도 확연히 나타난다. 품질 검증은 운송 산업, 특히 자동차 제조사에 있어서 매우 중요하다. 일반적으로 품질 검증은 장치의 내구성, 신뢰성 및 수명에 대한 테스트를 포함해 비용이 많이 드는 과정이다.이 글에서는 동일한 부품(IC 컨트롤러와 파워트레인)을 두 가지 매우 다른 토폴로지, 즉 일반적인 벅 컨버터와 인버팅 벅-부스트 컨버터에 사용하는 방법을 설명한다. 특히 인버팅 벅-부스트 출력에 나타나는 역 전압 변동과 이 토폴로지에서 가장 적은 비용이 드는 극성 커패시터를 사용하는 방법을 검토하여 인버팅 벅-부스트 컨버터에서의 부품 요구사항에 대해 알아본다. 이를 통해 동일한 IC를 사용하여 포지티브 벅 및 네거티브 벅-부스트 컨버터를 설계하는 간단하고 비용 효과적인 솔루션을 제시한다.
그림 1. 5V ~ 38V의 VIN과 15A에서 5V의 VOUT을 나타내는 스텝다운 벅 컨버터의 전기 회로도
저항 RS는 피크 전류 모드 컨트롤러를 사용하는 경우, 전류 감지 소자로 사용하거나 전압 모드 제어에서 단락 회로 보호 회로의 일부로 사용할 수 있다. 입력 커패시터 CIN1과 CIN2는 GND로 종단되지만, 옵션인 CIN3와 CIN4는 출력으로 종단되고 네거티브 벅-부스트 솔루션에 사용된다.
벅 컨버터의 기능은 다양한 곳에서 다루고 있으므로 쉽게 확인할 수 있다. 이 글에서는 파워트레인 부품에 대한 전압과 전류 응력을 간단히 살펴본다. 이는 새로운 설계에 사용할 부품의 예비 선택과 기존 솔루션에 대한 개략적인 평가와 관련된다. 연속 전도 모드(CCM) 동작을 가정할 때 다음의 식을 사용할 수 있다.
네거티브 출력, 네거티브 벅-부스트 컨버터
그림 2. 2V ~ 33V의 VIN과 15A에서 –5V의 VOUT, 그리고 기동 시 입력 전류가 +5V인 인버팅 벅-부스트 컨버터의 전기 회로도
벅 컨버터에서와 달리 커패시터 CIN3와 CIN4는 이 솔루션에서 옵션이 아니다. 이들은 입력 필터 기능을 담당한다. 커패시터 CIN1과 CIN2는 VIN과 –VOUT 레일 사이에서 ac를 필터링한다. CCM 동작을 가정할 때 다음의 공식을 사용하여 파워트레인 부품에 대한 응력을 추정할 수 있다.
이들 두 가지 컨버터 유형의 기본 기능과 첨단 기능을 다룬 글들은 많이 있다.1 이 글의 나머지 부분에서는 다른 자료들에서 거의 다루지 않은 요소들을 살펴보기로 한다.
그림 3. 기동 시 파형을 보여주는 인버팅 벅-부스트 컨버터. 채널 2의 VIN은 5V/div이지만, 채널 3의 VOUT은 2ms/div 시간 간격으로 0.5V/div이다.
그림 1과 그림 2에 보이는 컨버터는 엄격히 테스트되고 평가되었다. 이들 컨버터 효율은 그림 4에서 볼 수 있다. 적은 핀 수와 넓은 입력 전압 범위로 설계를 단순화하여 다양한 솔루션에 적용할 수 있도록 LTC7803 첨단 컨트롤러를 두 경우 모두에 사용했다. 평가 보드 DC2834A를 기본으로 사용하여(일부 수정) 두 가지 애플리케이션을 검증했다. EMI를 낮추기 위해 이 컨트롤러의 스프레드 스펙트럼 기능을 사용할 수 있다. 그림 5는 인버팅 벅-부스트로 변환된 벅 DC2834A 사진을 보여준다.
그림 4. 그림 1과 그림 2의 컨버터 효율(VIN 12V, 자연 대류 냉각, 공기 흐름 없음)
그림 5. 원래의 상용 스텝다운 컨버터에서 인버팅 벅-부스트로 변환된 DC2834A
맺음말
지금까지 포지티브 스텝다운 컨버터와 네거티브 벅-부스트 컨버터에 동일한 컨트롤러와 여러 가지 동일 부품을 사용하는 방법을 살펴보았다. 이러한 방법으로 부품 검증 비용을 줄일 수 있다. 필요한 파워트레인 부품 수가 최소이고 동기식 정류를 지원하는 컨트롤러를 사용하면 효율이 높고 EMI는 낮으면서 넓은 입력 전압 범위를 갖는 솔루션을 구현할 수 있고, 비용도 더욱 줄일 수 있다.
저자 소개
빅터 카시예프(Victor Khasiev)는 ADI의 수석 애플리케이션 엔지니어이며 ac-dc 및 dc-dc 전력 변환 장치와 관련한 풍부한 경험을 갖고 있다. 2개의 특허를 보유하고 있으며 자동차 및 산업용 애플리케이션에 ADI의 반도체를 활용하는 것과 관련한 다수의 글을 발표했다. 원고의 주제는 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 포지티브-네거티브, 네거티브-포지티브, 플라이백, 포워드 컨버터 및 양방향 백업 전원을 포괄한다. 보유한 특허는 효율적인 역률 보정 솔루션 및 첨단 게이트 드라이버를 포함한다. 또한 ADI 제품 관련 ADI 고객 지원, 전원 공급장치 회로 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결 및 최종 시스템 테스트에 참여하고 있다.
머리말
전자기기 제조회사가 부품 비용을 줄일 수 있는 비교적 쉬운 방법은 서로 다른 애플리케이션에 동일한 설계나 부품을 사용하는 것이다. 비용 절감 효과는 동일 부품의 대량 구매뿐 아니라 요구되는 검증 과정의 수를 최소화하는 데서도 확연히 나타난다. 품질 검증은 운송 산업, 특히 자동차 제조사에 있어서 매우 중요하다. 일반적으로 품질 검증은 장치의 내구성, 신뢰성 및 수명에 대한 테스트를 포함해 비용이 많이 드는 과정이다.
이 글에서는 동일한 부품(IC 컨트롤러와 파워트레인)을 두 가지 매우 다른 토폴로지, 즉 일반적인 벅 컨버터와 인버팅 벅-부스트 컨버터에 사용하는 방법을 설명한다. 특히 인버팅 벅-부스트 출력에 나타나는 역 전압 변동과 이 토폴로지에서 가장 적은 비용이 드는 극성 커패시터를 사용하는 방법을 검토하여 인버팅 벅-부스트 컨버터에서의 부품 요구사항에 대해 알아본다. 이를 통해 동일한 IC를 사용하여 포지티브 벅 및 네거티브 벅-부스트 컨버터를 설계하는 간단하고 비용 효과적인 솔루션을 제시한다.
포지티브 출력, 벅 컨버터
그림 1은 포지티브 출력, 벅 컨버터의 전기 회로도를 나타낸다. 이 컨버터는 5V ~ 38V의 입력 전압(VIN) 범위로부터 15A에서 안정적인 5V의 VOUT을 발생한다. 파워트레인은 변조(하이사이드) MOSFET Q1과 Q2, 정류(로우사이드) MOSFET Q3와 Q4, 인덕터 L1, 전해 및 세라믹 입력 필터 커패시터 CIN1과 CIN2의 조합, 그리고 출력 필터와 컨트롤러를 위한 유사한 커패시터 조합을 포함한다.
그림 1. 5V ~ 38V의 VIN과 15A에서 5V의 VOUT을 나타내는 스텝다운 벅 컨버터의 전기 회로도
저항 RS는 피크 전류 모드 컨트롤러를 사용하는 경우, 전류 감지 소자로 사용하거나 전압 모드 제어에서 단락 회로 보호 회로의 일부로 사용할 수 있다. 입력 커패시터 CIN1과 CIN2는 GND로 종단되지만, 옵션인 CIN3와 CIN4는 출력으로 종단되고 네거티브 벅-부스트 솔루션에 사용된다.
벅 컨버터의 기능은 다양한 곳에서 다루고 있으므로 쉽게 확인할 수 있다. 이 글에서는 파워트레인 부품에 대한 전압과 전류 응력을 간단히 살펴본다. 이는 새로운 설계에 사용할 부품의 예비 선택과 기존 솔루션에 대한 개략적인 평가와 관련된다. 연속 전도 모드(CCM) 동작을 가정할 때 다음의 식을 사용할 수 있다.
네거티브 출력, 네거티브 벅-부스트 컨버터
그림 2에 보이는 네거티브 벅-부스트 컨버터의 회로도는 그림 1의 벅 컨버터 회로도와 유사하다. 주목할 점은 두 경우 모두 파워트레인, 인터커넥션, 컨트롤러에 동일한 부품을 사용한다는 점이다. 차이는 컨트롤러, 스위칭 MOSFET, 그리고 입/출력 필터의 접지에서 발생한다. 이러한 인버팅 컨버터 부품의 접지는 –VOUT이다. 인덕터 L1은 시스템(입력) 접지에 종단된다.
그림 2. 2V ~ 33V의 VIN과 15A에서 –5V의 VOUT, 그리고 기동 시 입력 전류가 +5V인 인버팅 벅-부스트 컨버터의 전기 회로도벅 컨버터에서와 달리 커패시터 CIN3와 CIN4는 이 솔루션에서 옵션이 아니다. 이들은 입력 필터 기능을 담당한다. 커패시터 CIN1과 CIN2는 VIN과 –VOUT 레일 사이에서 ac를 필터링한다. CCM 동작을 가정할 때 다음의 공식을 사용하여 파워트레인 부품에 대한 응력을 추정할 수 있다.
컨버터 기능과 테스트
이들 두 가지 컨버터 유형의 기본 기능과 첨단 기능을 다룬 글들은 많이 있다.1 이 글의 나머지 부분에서는 다른 자료들에서 거의 다루지 않은 요소들을 살펴보기로 한다.
첫째, 벅 토폴로지와 벅-부스트 토폴로지 간 출력 필터의 기능에는 근본적인 차이가 있다. 벅 구성에서 인덕터는 출력 필터에 물리적 선으로 연결되어 CCM으로 연속 출력 전류를 제공한다. 벅 구성과 달리, 벅-부스트 토폴로지는 인덕터를 출력에만 연결하지 않는 것이 아니라 Q1/Q2 온-타임 동안 인덕터 L1은 출력 필터로부터 분리되어, 출력 필터 커패시터가 부하에 대한 유일한 전원이 된다. 따라서 불연속 출력 커패시터 전류를 흡수하고 지정된 출력 전압 리플을 지원하려면 충분한 출력 커패시턴스를 갖는 것이 중요하다.
네거티브 벅-부스트에는 단점이 있다. 사실, 대부분의 인버팅 토폴로지들이 그렇다. 그림 3에서 보듯이 기동 시 1개 다이오드 전압 강하보다 크지 않은 진폭으로 출력 필터에서 역 전압 스윙이 존재한다. 이 짧은 역 전압은 컨트롤러의 동작 전류가 순방향 바이어스 다이오드를 통해 시스템 접지로 흐르기 때문이다. 극성 커패시터에 역 전압의 존재는 언뜻 용납할 수 없는 것처럼 보인다. 이에 일부 설계자는 출력 필터에서 극성 커패시터를 제거하고 세라믹 커패시터에만 의존한다. 그러나 이 방법은 세라믹 커패시터의 크기, 비용, dc 바이어스와 관련된 다른 문제를 야기한다. 그럼에도 인버팅 벅-부스트 애플리케이션에 극성 커패시터를 사용하는 것이, 일부 제한이 있기는 하지만, 가능하기는 하다. 가이드라인은 공급회사마다 다른데, 일부 권장사항의 예시를 “폴리머, 탄탈륨 및 산화니오븀 커패시터: 애플리케이션 가이드라인2”에서 볼 수 있다.
그림 3. 기동 시 파형을 보여주는 인버팅 벅-부스트 컨버터. 채널 2의 VIN은 5V/div이지만, 채널 3의 VOUT은 2ms/div 시간 간격으로 0.5V/div이다.
그림 1과 그림 2에 보이는 컨버터는 엄격히 테스트되고 평가되었다. 이들 컨버터 효율은 그림 4에서 볼 수 있다. 적은 핀 수와 넓은 입력 전압 범위로 설계를 단순화하여 다양한 솔루션에 적용할 수 있도록 LTC7803 첨단 컨트롤러를 두 경우 모두에 사용했다. 평가 보드 DC2834A를 기본으로 사용하여(일부 수정) 두 가지 애플리케이션을 검증했다. EMI를 낮추기 위해 이 컨트롤러의 스프레드 스펙트럼 기능을 사용할 수 있다. 그림 5는 인버팅 벅-부스트로 변환된 벅 DC2834A 사진을 보여준다.
그림 4. 그림 1과 그림 2의 컨버터 효율(VIN 12V, 자연 대류 냉각, 공기 흐름 없음)
그림 5. 원래의 상용 스텝다운 컨버터에서 인버팅 벅-부스트로 변환된 DC2834A
맺음말
지금까지 포지티브 스텝다운 컨버터와 네거티브 벅-부스트 컨버터에 동일한 컨트롤러와 여러 가지 동일 부품을 사용하는 방법을 살펴보았다. 이러한 방법으로 부품 검증 비용을 줄일 수 있다. 필요한 파워트레인 부품 수가 최소이고 동기식 정류를 지원하는 컨트롤러를 사용하면 효율이 높고 EMI는 낮으면서 넓은 입력 전압 범위를 갖는 솔루션을 구현할 수 있고, 비용도 더욱 줄일 수 있다.
저자 소개
빅터 카시예프(Victor Khasiev)는 ADI의 수석 애플리케이션 엔지니어이며 ac-dc 및 dc-dc 전력 변환 장치와 관련한 풍부한 경험을 갖고 있다. 2개의 특허를 보유하고 있으며 자동차 및 산업용 애플리케이션에 ADI의 반도체를 활용하는 것과 관련한 다수의 글을 발표했다. 원고의 주제는 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 포지티브-네거티브, 네거티브-포지티브, 플라이백, 포워드 컨버터 및 양방향 백업 전원을 포괄한다. 보유한 특허는 효율적인 역률 보정 솔루션 및 첨단 게이트 드라이버를 포함한다. 또한 ADI 제품 관련 ADI 고객 지원, 전원 공급장치 회로 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결 및 최종 시스템 테스트에 참여하고 있다.
제품스펙