기술기고문
자동차 및 산업용 전원장치에서 고효율과 빠른 과도 응답 특성을 구현하는 패스쓰루 부스트 컨트롤러
글: 빅터 카시예프(Victor Khasiev) 선임 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)
머리말
자동차와 산업용 애플리케이션에서 부스트 전원 토폴로지의 인기가 점점 더 높아지고 있다. 많은 시스템들이 전위 전원 레일 전압이 크게 변동적이더라도 안정적인 입력 레일을 필요로 한다. 부스트 컨버터를 사용하면 애플리케이션의 범용성을 크게 높일 수 있다. 부스트 컨버터를 사용함으로써 프런트엔드 설계를 변경하거나, 다양한 상황을 지원하기 위해서 여러 종류의 컨버터를 사용할 필요 없이 새로운 전자 장비를 어떠한 전원 레일로든 매끄럽게 연결할 수 있다. 부스트 레귤레이터는 입력 전압 강하에 대처해야 하는 전자 장비에 사용하기에 유용하다. 예컨대 콜드크랭크 상황 같이 전원 레일 전압이 크게 떨어질 수 있는 자동차 전자장치가 그러한 사례이다.
LTC7804는 주요 특성들을 희생할 필요 없이 부스트 컨버터를 간편하게 설계할 수 있게 해준다. LTC7804의 특징으로는 정지 전류가 낮고, 단일 출력 동기 정류가 가능하며, 40V에 이르는 넓은 입력 전압 범위와 최대 36V 출력을 지원한다는 점과 함께, 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM) 기능을 제공하고, 차지 펌프를 내장하고 있으며, 높은 효율과 낮은 EMI를 달성하는 패스스루(PassThru™) 동작이 가능하다는 점을 들 수 있다.
12V 입력, 24V 출력 부스트 컨버터
부스트 컨버터의 이점 중 하나는, 자동차 시동 시에 배터리 레일 같은 전위 전압 강하에 대해서 시스템을 견고하게 만들 수 있고 안정적인 중간 출력 레일을 제공할 수 있다는 점이다. 그림 1은 핀 수가 적은 컨트롤러인 LTC7804, 하측 FET Q1, 상측 FET Q2, 초크 L1, 입력/출력 필터로 이루어진 부스트 컨버터 회로를 보여준다. 이 회로는 부품 수를 적게 필요로 하는 솔루션으로서, 12V 레일을 24V로 승압하고 6A의 출력 전류를 제공할 수 있다. 입력 전압이 낮으면 입력 전류를 17.5A 아래로 유지하도록 출력 전류를 디레이팅 해야 한다.
이 솔루션은 MODE 핀을 GND로 연결해서 버스트 모드(Burst Mode®) 동작을 선택하고 있다. 이로써 경부하에서 고효율을 유지할 수 있다. PLLIN/SPREAD 핀은 INTVCC로 연결해서 스위칭 주파수를 SSFM 동작으로 설정하고 있다. 그럼으로써 EMI 요건을 수월하게 충족할 수 있다. 이 설계는 전용의 전류 검출 저항을 사용해서 테스트를 실시했으나, 전류 검출 저항 대신 옵션으로 DCR 검출을 사용할 수도 있다. 그림 2는 이 솔루션의 효율을 보여준다.
그림 1: LTC7804를 채택해서 VIN 6V~20V와 VOUT 24V 6A로 동작하는 부스트 컨버터 회로
그림 2: 이 부스트 컨버터의 효율 곡선
입력 전압 강하에 대한 견고성과 패스쓰루 모드 동작
LTC7804를 활용할 수 있는 흥미로운 애플리케이션이 자동차 오디오 증폭기와 전치증폭기이다. 이 애플리케이션의 목적은 크게 두 가지이다. 첫째, LTC7804를 사용해서 예컨대 콜드 크랭크 시에 입력 전압이 갑자기 떨어지는 것에 대처할 수 있다. 둘째, 부하 덤프 같은 때에 입력 전압이 출력보다 높게 상승할 때 입력을 출력에 단락시킴으로써 효율을 극대화할 수 있다. 전치증폭기 전원의 전압 출력은 정격 12V 자동차 전압 레일보다 약간 낮은 약 10V 값으로 설정한다. 입력 전압이 이렇게 설정된 값과 같거나 그보다 높으면 입력을 그대로 출력으로 통과시킨다. 입력 전압이 원하는 중간 전압보다 낮게 떨어지면, 부스트 컨버터가 출력을 설정된 값으로 유지한다. 패스쓰루(PassThru)라는 용어는 이처럼 입력에서 출력으로 그대로 통과하는 동작을 지칭하는 것이다.
그림 3은 또 다른 부스트 솔루션을 보여준다. 이 솔루션은 그림 1에서 본 것과 비슷하지만, 제어 신호 연결이 약간 다르다. 이 솔루션은 MODE 핀을 100kW 저항을 거쳐서 INTVCC로 연결함으로써 펄스 스킵 동작을 선택하고 있다. 이 애플리케이션은 버스트 모드 동작을 지원하지 않는다. 패스쓰루 동작을 위해서는 상측 MOSFET 게이트 차지 펌프를 실행시키는데, 버스트 모드에서는 이 차지 펌프를 정지시킨다. PLLIN/SPREAD 핀은 GND로 연결해서 SSFM 기능을 정지시킨다. 일부 오디오 시스템용 전원장치는 정주파수로 동작하는 것이 중요할 수 있다. 주파수가 중요한 경우에는, PLLIN/SPREAD 핀을 통해서 외부 클럭에 동기화할 것을 권장한다. 아니면 MODE 핀을 곧바로 INTVCC로 연결해서 FREQ 핀에서 설정된 동작 주파수로 강제 연속 전도 모드(CCM)를 선택할 수도 있다.
그림 3: 이 부스트 컨버터는 VIN 5V~16V와 VOUT 10V 5A일 때 패스쓰루(PassThru) 모드로 동작한다.
그림 4는 이 솔루션의 동작 파형을 보여준다. 입력 전압은 14V에서 시작한다. 이것은 10V로 설정된 컨버터 출력보다 높은 것이다. 상측 MOSFET Q1의 게이트가 하이(high)가 되고 Q1이 턴온한다. LTC7804의 내부 차지 펌프는 컨버터를 무한정하게 이 상태로 유지할 수 있다. 이것이 바로 패스쓰루 모드로서, 스위칭 동작이 일어나지 않고 입력 전압이 14V 그대로 출력으로 전달된다. 이 파형에서 보듯이, 입력이 원하는 출력보다 높거나 같다면 패스쓰루 모드가 가능하다. 그러다가 입력이 5V로 떨어지더라도 출력 전압은 10V를 유지한다. 입력이 설정된 값 이하로 낮게 떨어지면 스위칭 동작이 시작되어서 출력을 정확히 이 값으로 유지한다. GQ1-VOUT 파형은 Q1 소스(VOUT)에 대한 Q1 게이트(GQ1 노드) 상의 차동 전압이다.
그림 4: VIN > VOUT일 때 패스쓰루 동작. VOUT은 5V/div이고, 시간 스케일은 1ms/div이며, GQ1-VOUT은 2.5V/div인 오실로스코프 수학 함수이다.
두 컨버터 모두 스위칭 주파수는 효율과 크기를 절충하기 위해 약 500kHz로 설정됐다. 하지만 인덕터(L1) 크기를 최소화하고자 하는 경우에는 3MHz로 높일 수 있다. 이들 솔루션은 DC2846A를 사용해서 검증 및 테스트했다.
맺음말
LTC7804 컨트롤러를 사용함으로써 매우 효율적인 부스트 컨버터를 간편하게 설계할 수 있다. 동일한 회로도에서 외부 소자들을 변경하는 것으로 출력 전력을 손쉽게 조절할 수 있다. 스위칭 주파수를 높이면 인덕터 크기를 크게 줄일 수 있다. 내장된 차지 펌프와 동기 정류는 입력 전압이 출력보다 훨씬 낮거나 높더라도 최대의 효율을 보장하므로, LTC7804는 자동차 전자장치에 사용하기에 매우 이상적인 컨트롤러이다. 낮은 정지 전류 역시 자동차와 ‘상시 전원(always-on)’ 시스템에서 배터리 시간을 절약한다.
저자 소개
빅터 카시에프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, AC-DC 및 DC-DC 변환용 전력 반도체와 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있다. 효율적인 PFC 솔루션과 향상된 게이트 드라이버와 관련해서 2개의 특허를 보유하고 있다. 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-음, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 비롯해서 자동차와 산업용 애플리케이션에 ADI 반도체를 사용하는 것에 관한 여러 편의 글을 썼다. ADI 고객들을 지원하는 것을 보람으로 여기며, 전원 공급장치 회로 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결 및 최종 시스템 테스트에 참여하고 있다. 문의: victor.khasiev@analog.com
머리말
자동차와 산업용 애플리케이션에서 부스트 전원 토폴로지의 인기가 점점 더 높아지고 있다. 많은 시스템들이 전위 전원 레일 전압이 크게 변동적이더라도 안정적인 입력 레일을 필요로 한다. 부스트 컨버터를 사용하면 애플리케이션의 범용성을 크게 높일 수 있다. 부스트 컨버터를 사용함으로써 프런트엔드 설계를 변경하거나, 다양한 상황을 지원하기 위해서 여러 종류의 컨버터를 사용할 필요 없이 새로운 전자 장비를 어떠한 전원 레일로든 매끄럽게 연결할 수 있다. 부스트 레귤레이터는 입력 전압 강하에 대처해야 하는 전자 장비에 사용하기에 유용하다. 예컨대 콜드크랭크 상황 같이 전원 레일 전압이 크게 떨어질 수 있는 자동차 전자장치가 그러한 사례이다.
LTC7804는 주요 특성들을 희생할 필요 없이 부스트 컨버터를 간편하게 설계할 수 있게 해준다. LTC7804의 특징으로는 정지 전류가 낮고, 단일 출력 동기 정류가 가능하며, 40V에 이르는 넓은 입력 전압 범위와 최대 36V 출력을 지원한다는 점과 함께, 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM) 기능을 제공하고, 차지 펌프를 내장하고 있으며, 높은 효율과 낮은 EMI를 달성하는 패스스루(PassThru™) 동작이 가능하다는 점을 들 수 있다.
12V 입력, 24V 출력 부스트 컨버터
부스트 컨버터의 이점 중 하나는, 자동차 시동 시에 배터리 레일 같은 전위 전압 강하에 대해서 시스템을 견고하게 만들 수 있고 안정적인 중간 출력 레일을 제공할 수 있다는 점이다. 그림 1은 핀 수가 적은 컨트롤러인 LTC7804, 하측 FET Q1, 상측 FET Q2, 초크 L1, 입력/출력 필터로 이루어진 부스트 컨버터 회로를 보여준다. 이 회로는 부품 수를 적게 필요로 하는 솔루션으로서, 12V 레일을 24V로 승압하고 6A의 출력 전류를 제공할 수 있다. 입력 전압이 낮으면 입력 전류를 17.5A 아래로 유지하도록 출력 전류를 디레이팅 해야 한다.
이 솔루션은 MODE 핀을 GND로 연결해서 버스트 모드(Burst Mode®) 동작을 선택하고 있다. 이로써 경부하에서 고효율을 유지할 수 있다. PLLIN/SPREAD 핀은 INTVCC로 연결해서 스위칭 주파수를 SSFM 동작으로 설정하고 있다. 그럼으로써 EMI 요건을 수월하게 충족할 수 있다. 이 설계는 전용의 전류 검출 저항을 사용해서 테스트를 실시했으나, 전류 검출 저항 대신 옵션으로 DCR 검출을 사용할 수도 있다. 그림 2는 이 솔루션의 효율을 보여준다.
그림 1: LTC7804를 채택해서 VIN 6V~20V와 VOUT 24V 6A로 동작하는 부스트 컨버터 회로
그림 2: 이 부스트 컨버터의 효율 곡선
입력 전압 강하에 대한 견고성과 패스쓰루 모드 동작
LTC7804를 활용할 수 있는 흥미로운 애플리케이션이 자동차 오디오 증폭기와 전치증폭기이다. 이 애플리케이션의 목적은 크게 두 가지이다. 첫째, LTC7804를 사용해서 예컨대 콜드 크랭크 시에 입력 전압이 갑자기 떨어지는 것에 대처할 수 있다. 둘째, 부하 덤프 같은 때에 입력 전압이 출력보다 높게 상승할 때 입력을 출력에 단락시킴으로써 효율을 극대화할 수 있다. 전치증폭기 전원의 전압 출력은 정격 12V 자동차 전압 레일보다 약간 낮은 약 10V 값으로 설정한다. 입력 전압이 이렇게 설정된 값과 같거나 그보다 높으면 입력을 그대로 출력으로 통과시킨다. 입력 전압이 원하는 중간 전압보다 낮게 떨어지면, 부스트 컨버터가 출력을 설정된 값으로 유지한다. 패스쓰루(PassThru)라는 용어는 이처럼 입력에서 출력으로 그대로 통과하는 동작을 지칭하는 것이다.
그림 3은 또 다른 부스트 솔루션을 보여준다. 이 솔루션은 그림 1에서 본 것과 비슷하지만, 제어 신호 연결이 약간 다르다. 이 솔루션은 MODE 핀을 100kW 저항을 거쳐서 INTVCC로 연결함으로써 펄스 스킵 동작을 선택하고 있다. 이 애플리케이션은 버스트 모드 동작을 지원하지 않는다. 패스쓰루 동작을 위해서는 상측 MOSFET 게이트 차지 펌프를 실행시키는데, 버스트 모드에서는 이 차지 펌프를 정지시킨다. PLLIN/SPREAD 핀은 GND로 연결해서 SSFM 기능을 정지시킨다. 일부 오디오 시스템용 전원장치는 정주파수로 동작하는 것이 중요할 수 있다. 주파수가 중요한 경우에는, PLLIN/SPREAD 핀을 통해서 외부 클럭에 동기화할 것을 권장한다. 아니면 MODE 핀을 곧바로 INTVCC로 연결해서 FREQ 핀에서 설정된 동작 주파수로 강제 연속 전도 모드(CCM)를 선택할 수도 있다.
그림 3: 이 부스트 컨버터는 VIN 5V~16V와 VOUT 10V 5A일 때 패스쓰루(PassThru) 모드로 동작한다.
그림 4는 이 솔루션의 동작 파형을 보여준다. 입력 전압은 14V에서 시작한다. 이것은 10V로 설정된 컨버터 출력보다 높은 것이다. 상측 MOSFET Q1의 게이트가 하이(high)가 되고 Q1이 턴온한다. LTC7804의 내부 차지 펌프는 컨버터를 무한정하게 이 상태로 유지할 수 있다. 이것이 바로 패스쓰루 모드로서, 스위칭 동작이 일어나지 않고 입력 전압이 14V 그대로 출력으로 전달된다. 이 파형에서 보듯이, 입력이 원하는 출력보다 높거나 같다면 패스쓰루 모드가 가능하다. 그러다가 입력이 5V로 떨어지더라도 출력 전압은 10V를 유지한다. 입력이 설정된 값 이하로 낮게 떨어지면 스위칭 동작이 시작되어서 출력을 정확히 이 값으로 유지한다. GQ1-VOUT 파형은 Q1 소스(VOUT)에 대한 Q1 게이트(GQ1 노드) 상의 차동 전압이다.
그림 4: VIN > VOUT일 때 패스쓰루 동작. VOUT은 5V/div이고, 시간 스케일은 1ms/div이며, GQ1-VOUT은 2.5V/div인 오실로스코프 수학 함수이다.
두 컨버터 모두 스위칭 주파수는 효율과 크기를 절충하기 위해 약 500kHz로 설정됐다. 하지만 인덕터(L1) 크기를 최소화하고자 하는 경우에는 3MHz로 높일 수 있다. 이들 솔루션은 DC2846A를 사용해서 검증 및 테스트했다.
맺음말
LTC7804 컨트롤러를 사용함으로써 매우 효율적인 부스트 컨버터를 간편하게 설계할 수 있다. 동일한 회로도에서 외부 소자들을 변경하는 것으로 출력 전력을 손쉽게 조절할 수 있다. 스위칭 주파수를 높이면 인덕터 크기를 크게 줄일 수 있다. 내장된 차지 펌프와 동기 정류는 입력 전압이 출력보다 훨씬 낮거나 높더라도 최대의 효율을 보장하므로, LTC7804는 자동차 전자장치에 사용하기에 매우 이상적인 컨트롤러이다. 낮은 정지 전류 역시 자동차와 ‘상시 전원(always-on)’ 시스템에서 배터리 시간을 절약한다.
저자 소개
빅터 카시에프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, AC-DC 및 DC-DC 변환용 전력 반도체와 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있다. 효율적인 PFC 솔루션과 향상된 게이트 드라이버와 관련해서 2개의 특허를 보유하고 있다. 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-음, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 비롯해서 자동차와 산업용 애플리케이션에 ADI 반도체를 사용하는 것에 관한 여러 편의 글을 썼다. ADI 고객들을 지원하는 것을 보람으로 여기며, 전원 공급장치 회로 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결 및 최종 시스템 테스트에 참여하고 있다. 문의: victor.khasiev@analog.com
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