더 작으면서도 효율이 높은 DC-DC 컨버터 설계 방법

April 13, 2023

글/폴 골라타(Paul Golata), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

전자 설계에 있어서 모든 부품은 설계 목표를 달성하기 위해 다양한 빌딩 블록을 조화시키는 것과 같다. 또한 전자 설계 엔지니어는 항상 부품을 더욱 소형화하고, 기능을 향상시키며, 신뢰성을 높이는 방법을 찾기 마련이다.

DC-DC 컨버터

DC-DC 컨버터는 전자 전원 관리 회로에 사용되는 기본적인 빌딩 블록이다. 이는 하나의 직류 전압(DC)을 더 큰 전압(승압, 부스트) 또는 더 낮은 전압(강압, 벅)으로 변환한다. 무라타(Murata)는 전력 효율, 과도(transient) 성능 및 전자기 간섭(EMI)의 대폭적인 개선으로 설치 면적을 2배 가까이 줄이고 높이를 1/3 감소시킨 벅 레귤레이터 제품군을 성공적으로 출시했다. 이러한 개선은 BK™(Block)라는 고유 아키텍처를 사용하여 이루어졌다. BK™는 무라타의 혁신적인 빌딩 블록으로, 더 작으면서도 효율이 높은 DC-DC 컨버터 설계를 가능하게 한다. 이 글에서는 이 혁신 제품에 대해 자세히 살펴볼 것이다.

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UltraBK™ (Ultra Block): 더 작으면서도 효율이 높은 DC-DC 컨버터 설계를 위한 빌딩 블록 (출처: tavi/Shutterstock.com)

1단계 벅 레귤레이터의 과제

금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)는 일반적으로 전자 스위치로서 사용된다. 벅 레귤레이터는 종종 내부 전력 FET을 사용한다. 크기를 줄이고 벅 레귤레이터를 단순화하기 위한 목적으로, 특히 출력 전류가 20A 이하의 수준으로 낮을 때, 많은 부품들이 컨트롤러, 통합 FET과 함께 하나의 패키지로 제공된다. FET을 통합한 컨트롤러는 광범위한 애플리케이션에 있어서 통합된 FET의 정격 전압이 특정 애플리케이션에 필요한 정격보다 훨씬 높을 수 있기 때문에 효율성이 떨어질 수 있으며, 이로 인해 스위칭 손실이 증가하게 된다. 또한, FET의 정격 전압을 맞추는 것은 특정 듀티 사이클에 대한 거의 확실한 차선책이 될 것이다. 후자의 경우는 특히 듀티 사이클이 낮은 애플리케이션에서 상당한 절충점이 될 수 있다.

패키징 기술은 크기를 줄이고 파워트레인에서 발생할 수 있는 모든 기생 손실을 최소화하여 효율성을 향상시키기 위해 사용된다. FET, 출력 인덕터, 입/출력 필터와 제어를 통합한 완전한 파워트레인 통합은 물리적 부피가 크면서도 여전히 필요한 인덕터가 과제로 남는다.

2단계 벅 아키텍처 솔루션

무라타의 BK™ 전력 아키텍처는 이러한 과제를 상당수 해결할 수 있다. 이 아키텍처는 1~2MHz 범위에서 스위칭 주파수를 유지하는 동시에 필요한 인덕턴스 양을 줄여 전체적인 전력 변환 효율성을 높일 수 있다.

무라타의 이 획기적인 기술은 스위치드 커패시터 컨버터인 차지 펌프와 SMPS(switched-mode power supply)로 구성되는 2단계 아키텍처를 사용한다. 무라타의 전용 차지 펌프 설계는 기존에 차지 펌프와 관련된 근본적인 문제, 즉 낮은 효율과 높은 EMI 문제를 해결한다.

무라타의 시스템에 사용되는 전류 소스는 사실상 벅 단계의 인덕터이다. 이 인덕터는 전류 소스에 가까운 근사치이며, 스위치에서 일반적으로 발생하는 모든 전하 재분배 손실을 흡수하는 데 사용된다. 이 전류 소스 인덕터는 출력 단계에 있을 수 있기 때문에 에너지 손실 없이 유용한 에너지로 부하에 재활용될 수 있다. 이 재활용 에너지를 사용하면 돌입 전류(inrush current)가 더 이상 문제되지 않기 때문에 차지 펌프 스위치(및 관련 기생 임피던스)의 직렬 저항을 아주 작게 만들 수 있으며, 회로에서 해당 부분의 전하 재분배 손실을 최소화할 수 있다. 효율성 측면에서 무라타의 차지 펌프는 97% ~ 99% 더 효율적이다(그림 1).

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[그림 1] 차지 펌프와 스위칭 레귤레이터를 결합한 2단계 벅 컨버터 (출처: 무라타)

차지 펌프 자체도 2단계 인터리빙되며 입력에 거의 100%에 가까운 듀티 사이클을 제공한다. 듀티 사이클이 10% 정도에 불과한 기존의 벅 레귤레이터와 비교하면 이는 입력 전류 리플과 필요한 입력 필터링의 양에 큰 차이를 만든다. 여러 번의 실험을 통해 무라타 제품은 동급의 1단계 벅 설계보다 입력 전류 리플이 최소 5배 낮은 것으로 측정됐다(그림 2).

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[그림 2] 1단계 벅 설계와 무라타의 2단계 설계의 입력 전류 리플 비교 (자료: 무라타)

줄어든 EMI

무라타의 2단계 아키텍처는 전체 전압 전환을 여러 입력/출력 단계에서 실행되는 여러 가지의 작은 전압 단계로 나눈다. 1단계 벅 설계와 비교할 때, 무라타 아키텍처는 전도 및 방사 EMI에 있어서 훨씬 낮은 EMI를 제공한다. 1단계 벅 설계에서 EMI의 주 소스는 인덕터 (V(t) = L * (di/dt))이다. 무라타는 시스템에서 인덕턴스를 훨씬 적게 사용하기 때문에 EMI 소스의 대부분은 자연스럽게 제거된다.

제품 예시

무라타 MY 시리즈 UltraBK™ 4A/6A DC-DC 컨버터 모듈은 “울트라 블록(Ultra Block)”이라고 하는 초소형 UltraBK이다. 이 제품은 4A 또는 6A DC-DC 컨버터를 여러 소자들과 결합한 초박형 고효율 통합 전력 솔루션이다. 이 통합 모듈은 최대 90% 또는 90.5%의 효율을 제공하고 크기가 10.5mm x 9.0mm x 2.1mm인 소형의 얇은 LGA 패키지로 제공된다. 사용하기 쉬운 이 모듈 단자 제품은 라우팅 기생 저항을 최소화하여 간단한 전원 레이아웃과 최대한의 효율을 실현한다. 이 밖에 전력 양호 출력, 과전류 및 과열 보호, 원격 온/오프 제어 및 출력 전압 감지 기능도 제공한다.

응용 분야

무라타 MY 시리즈 UltraBK 4A/6A DC-DC 컨버터 모듈은 PCIe/서버 애플리케이션, FPGA(field-programmable gate array) 및 DSP(digital signal processing), 데이터 통신/전기통신 시스템, DBA(distributed bus architecture), 프로그래밍 가능 로직 및 혼합 전압 시스템에 사용하기에 매우 적합하다. 해당 버전은 최대 1MHz에서 작동하는 I2C 6.0 호환 직렬 인터페이스에도 사용할 수 있다.

맺음말

지금까지 복잡한 구조의 파워트레인에 대해 많은 저전압 FET를 사용하는 독특하고 다소 직관적이지 않은 무라타의 2단계 아키텍처를 어떻게 활용하는지 살펴보았다. 이 아키텍처는 훨씬 더 작은 설치 면적(넓이)과 프로파일(높이)에서 동급 최고의 효율을 자랑한다.

이 2단계 벅은 매우 성숙한 CMOS 반도체 공정에서 표준 기성품 FET를 사용하는 혁신적인 아키텍처이다. 인덕터가 더 이상 BOM에서 비중을 크게 차지하지 않기 때문에, 전력 변환은 효율에 영향을 주지 않으면서 시스템 회로 면적의 30~40%를 차지하던 비율을 절반으로 감소시킨다. 더욱이 인덕터는 대개 시스템에서 가장 높이가 높은 부품에 속하기 때문에, 이 아키텍처는 더 얇은 솔루션을 가능하게 하고, 패킹 밀도를 향상시키며, 모바일 제품을 더 얇게 만들 수 있게 해준다.

망설일 필요 없다(그림 3). 무라타의 BK™(블록) 2단계 아키텍처는 더 작고 효율이 높은 DC-DC 컨버터 설계를 가능하게 하는 빌딩 블록이다. 세라믹 수동 소자, 무선 연결 모듈, 전력 변환 기술의 설계 및 제조 부문에서 세계적인 선도 기업 무라타는 전력 관리 설계를 위한 솔루션을 찾는 사람들에게 큰 도움이 될 것이다.

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[그림 3]망설일 필요 없다. 이제 무라타에서 빌딩 블록을 더 작고 높은 효율의 DC-DC 컨버터 설계로 바꿀 시간이다. (출처: Photobank gallery/Shutterstock.com)