기술기고문
자동차 및 산업용으로 적합한 고효율 동기 SEPIC
자동차 및 산업용으로 적합한 고효율 동기 SEPIC
빅터 카시예프(Victor Khasiev)
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
LT8711은 동기 벅, 부스트, SEPIC(single-ended primary-inductor converter), ZETA 토폴로지와 비동기 벅-부스트 토폴로지가 가능한 dc-dc 컨트롤러이다. 아나로그디바이스는 동기 벅 및 부스트 컨버터와 레귤레이터 제품은 다양하게 제공하나, 동기 SEPIC 토폴로지를 지원하는 제품은 그렇게 흔치 않다. SEPIC 토폴로지는 입력 전압이 출력보다 훨씬 낮게 떨어지거나 출력보다 훨씬 높게 상승하더라도 안정적인 출력 전압을 제공할 수 있다는 점에서 유용하다. 이것은 콜드 크랭크나 부하 덤프가 발생될 수 있는 자동차 애플리케이션과 공장 환경에서 긴 전원 라인을 사용하고 정전이 발생될 수 있는 산업용 애플리케이션에 특히 중요하다. 석유가스 분야에 사용되는 장비는 SEPIC 컨버터를 사용해서 신뢰성을 높일 수 있다. 다중의 전원장치를 사용해서 주요 부하로 전원을 공급하면서 어느 한 전원에서 문제가 생겼을 때 입력 전압이 다름에도 불구하고 SEPIC이 다른 전원을 사용해서 부하로 전원을 공급할 수 있기 때문이다.
회로 설명
그림 1은 파워트레인 용으로 LT8711을 채택한 동기 SEPIC 컨버터로서, 다음과 같은 부품들을 사용하고 있다:
그림 2는 14V 입력 전압일 때 이 컨버터의 효율을 보여준다. 동기 방식을 사용함으로써 피크 효율이 93.4%로서 높은 효율을 달성한다. 그림 3과 그림 4는 입력 전압이 출력보다 낮게 떨어지거나 높게 상승하더라도 안정적인 출력 레귤레이션을 유지한다는 것을 보여준다.
이 디자인을 위해서 데모 회로 DC2493A의 출력 전류를 4A에서 6A로 높이도록 수정했다. 또 MOSFET MN1 및 MP1과 인덕터 L2를 그림 1에서 보는 부품들로 대체했다.
그림 1: SEPIC 및 벅 애플리케이션으로 LT8711 배선도
그림 2: LT8711 SEPIC 효율
그림 3: 콜드 크랭크 이벤트. 레일 전압 VIN이 15V에서 6V로 떨어지더라도 VOUT이 12V로 안정적으로 유지된다.
그림 4: 부하 덤프 이벤트. 레일 전압이 10V에서 20V로 상승하더라도 VOUT이 레귤레이션을 유지한다.
수정된 DC2493A 데모 회로를 사용해서 이 디자인을 평가했다. 그림 5는 이 보드의 열 영상을 보여준다. LT8711 데모 회로는 비슷한 솔루션의 LTspice® 모델을 제공한다. 또 LT8711 데이터 시트에서는 SEPIC 파워트레인 부품을 어떻게 적절히 선택할 수 있는지 설명하고 있다.
다음은 이 토폴로지로 기본적인 기능을 이해할 수 있도록 피크 전압과 전류를 계산하는 공식을 보여준다:
IL1 = IIN + ΔIL1
IL2 = IOUT + ΔIL2
VBG = VTG = VIN + VOUT
ITG = IBG = IIN + IOUT + ΔI/2
그림 5: DC2493A 데모 회로와 SEPIC이 동작할 때의 열 영상(VIN 14V, VOUT 12V/6A).
맺음말
LT8711은 동기 벅, 부스트, SEPIC, ZETA와 비동기 벅-부스트 컨버터가 가능하도록 설계된 범용성과 유연성이 뛰어난 컨트롤러이다. 특히 동기 SEPIC을 사용함으로써 변동적인 입력 전압 범위에서도 높은 효율로 안정적인 출력을 제공할 수 있다. 이 점은 자동차와 산업용 애플리케이션에 중요하다.
저자 약력
빅터 카시예프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어입니다. ac-dc 및 dc-dc 변환 용의 전원 반도체 제품과 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있습니다. 2개 특허를 보유하고 있으며, 자동차 및 산업용으로 ADI 반도체 사용에 관한 다수의 글을 썼습니다. 여기에는 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-양, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 망라합니다. 보유한 특허는 효율적인 역률 교정 솔루션과 최신 게이트 드라이버에 관한 것입니다. ADI 제품, 전원장치 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결, 최종 시스템 테스트 등과 관련해서 ADI 고객들을 돕는 것을 기쁘게 생각합니다. 궁금한 점은 victor.khasiev@analog.com으로 문의하실 수 있습니다.
빅터 카시예프(Victor Khasiev)
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
LT8711은 동기 벅, 부스트, SEPIC(single-ended primary-inductor converter), ZETA 토폴로지와 비동기 벅-부스트 토폴로지가 가능한 dc-dc 컨트롤러이다. 아나로그디바이스는 동기 벅 및 부스트 컨버터와 레귤레이터 제품은 다양하게 제공하나, 동기 SEPIC 토폴로지를 지원하는 제품은 그렇게 흔치 않다. SEPIC 토폴로지는 입력 전압이 출력보다 훨씬 낮게 떨어지거나 출력보다 훨씬 높게 상승하더라도 안정적인 출력 전압을 제공할 수 있다는 점에서 유용하다. 이것은 콜드 크랭크나 부하 덤프가 발생될 수 있는 자동차 애플리케이션과 공장 환경에서 긴 전원 라인을 사용하고 정전이 발생될 수 있는 산업용 애플리케이션에 특히 중요하다. 석유가스 분야에 사용되는 장비는 SEPIC 컨버터를 사용해서 신뢰성을 높일 수 있다. 다중의 전원장치를 사용해서 주요 부하로 전원을 공급하면서 어느 한 전원에서 문제가 생겼을 때 입력 전압이 다름에도 불구하고 SEPIC이 다른 전원을 사용해서 부하로 전원을 공급할 수 있기 때문이다.
회로 설명
그림 1은 파워트레인 용으로 LT8711을 채택한 동기 SEPIC 컨버터로서, 다음과 같은 부품들을 사용하고 있다:
- 2개 비결합 인덕터 L1과 L2
- N-채널 MOSFET MN1, BG 핀을 사용해서 구동
- 2개 동기 P-채널 MOSFET MP1과 MP2, TG 핀을 사용해서 구동
- 디커플링 커패시터 C1, C2, C3
- 입력 및 출력 필터
그림 2는 14V 입력 전압일 때 이 컨버터의 효율을 보여준다. 동기 방식을 사용함으로써 피크 효율이 93.4%로서 높은 효율을 달성한다. 그림 3과 그림 4는 입력 전압이 출력보다 낮게 떨어지거나 높게 상승하더라도 안정적인 출력 레귤레이션을 유지한다는 것을 보여준다.
이 디자인을 위해서 데모 회로 DC2493A의 출력 전류를 4A에서 6A로 높이도록 수정했다. 또 MOSFET MN1 및 MP1과 인덕터 L2를 그림 1에서 보는 부품들로 대체했다.
그림 1: SEPIC 및 벅 애플리케이션으로 LT8711 배선도
그림 2: LT8711 SEPIC 효율
그림 3: 콜드 크랭크 이벤트. 레일 전압 VIN이 15V에서 6V로 떨어지더라도 VOUT이 12V로 안정적으로 유지된다.
그림 4: 부하 덤프 이벤트. 레일 전압이 10V에서 20V로 상승하더라도 VOUT이 레귤레이션을 유지한다.
수정된 DC2493A 데모 회로를 사용해서 이 디자인을 평가했다. 그림 5는 이 보드의 열 영상을 보여준다. LT8711 데모 회로는 비슷한 솔루션의 LTspice® 모델을 제공한다. 또 LT8711 데이터 시트에서는 SEPIC 파워트레인 부품을 어떻게 적절히 선택할 수 있는지 설명하고 있다.
다음은 이 토폴로지로 기본적인 기능을 이해할 수 있도록 피크 전압과 전류를 계산하는 공식을 보여준다:
IL1 = IIN + ΔIL1
IL2 = IOUT + ΔIL2
VBG = VTG = VIN + VOUT
ITG = IBG = IIN + IOUT + ΔI/2
그림 5: DC2493A 데모 회로와 SEPIC이 동작할 때의 열 영상(VIN 14V, VOUT 12V/6A).
맺음말
LT8711은 동기 벅, 부스트, SEPIC, ZETA와 비동기 벅-부스트 컨버터가 가능하도록 설계된 범용성과 유연성이 뛰어난 컨트롤러이다. 특히 동기 SEPIC을 사용함으로써 변동적인 입력 전압 범위에서도 높은 효율로 안정적인 출력을 제공할 수 있다. 이 점은 자동차와 산업용 애플리케이션에 중요하다.
저자 약력
빅터 카시예프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어입니다. ac-dc 및 dc-dc 변환 용의 전원 반도체 제품과 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있습니다. 2개 특허를 보유하고 있으며, 자동차 및 산업용으로 ADI 반도체 사용에 관한 다수의 글을 썼습니다. 여기에는 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-양, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 망라합니다. 보유한 특허는 효율적인 역률 교정 솔루션과 최신 게이트 드라이버에 관한 것입니다. ADI 제품, 전원장치 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결, 최종 시스템 테스트 등과 관련해서 ADI 고객들을 돕는 것을 기쁘게 생각합니다. 궁금한 점은 victor.khasiev@analog.com으로 문의하실 수 있습니다.
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