60V에서 0.8V로 강압 구성이 가능한 다중 출력 캐스케이드 벅 컨버터
2021년 08월 19일
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글 / 마이크 슈라이버(Michael Shriver) 선임 AE, 아나로그디바이스(Analog Devices)


LTC3372는 최대 60V 입력 전압으로 여러 저전압 레일을 제공해야 하는 자동차, 통신, 산업 및 기타 애플리케이션에 적합한, 통합 수준이 높은 DC-DC 컨버터 솔루션이다. LTC3372는 열 성능이 강화된 48핀, 7mm × 7mm 패키지에 고전압 및 저전압 컨버터 시스템을 모두 포함하고 있다. 고전압(HV) 벅 컨트롤러는 최대 60V의 입력 전압을 핀 프로그래밍 가능한 5V 또는 3.3V로 강압할 수 있다. 그런 다음 이 5V 또는 3.3V 출력은 LTC3372의 구성 가능한 다중 출력, 다상 저전압(LV) 모노리식 벅 레귤레이터에 전력을 공급하는데 사용된다.

LTC3372의 이 저전압 부분은 8개의 1A, 병렬 구성의 전력단으로 구성된다. 이들 전력단은 2개, 3개 또는 4개 채널을 제공하는 다양한 방식으로 배열할 수 있으며, 각 채널은 채널당 부하 요구사항에 따라 각각 1개 ~ 4개의 단으로 구성된다. 그림 1에서 보듯이 C3, C2 및 C1의 비트를 설정하여 최대 8개의 다른 구성을 만들 수 있다. 이처럼 높은 유연성을 활용하여, 설계자는 1개의 IC를 가지고 최소한의 외부 부품과 소형 풋프린트로 다양한 설계를 구현할 수 있다. 또한 각 채널의 출력은 0.8V에서 LVIN까지 설정할 수 있다. 스위칭 주파수 범위는 1MHz ~ 3MHz이다.


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그림 1. LTC3372 컨버터의 블록 다이어그램



HV 컨트롤러는 외부 N-채널 MOSFET을 구동하고 4.5V ~ 60V 입력 전압 범위에서 동작한다. 이 HV 컨버터는 부품 선택과 레이아웃에 따라 20A 이상의 부하 전류를 지원할 수 있다. 이는 HV 부하에서 동작하는 시스템 부하 외에도 LV 레귤레이터의 요구를 만족하기에 충분하다. HV 컨트롤러만 켜서 5V를 제공하는 경우, 무부하 버스트 모드(Burst Mode) IQ가 15μA이므로 경부하에서 높은 효율을 제공한다. 내부 클럭 분배기는 HV 컨버터의 스위칭 주파수를 LV 주파수의 1/6로 설정한다.


6V ~ 60V 입력으로 45W, 5출력을 제공하는 소형 컨버터

그림 1과 그림 2는 각각 LTC3372 기반 솔루션의 블록 다이어그램과 회로도를 보여준다. 이 디바이스의 LV 레귤레이터 부분은 HV 컨버터의 5V 출력(VOUT(HV))으로부터 2MHz 스위칭 주파수로 1V 3A, 3.3V 1A, 1.8V 2A 와 2.5V 2A의 출력을 제공한다. 5V HV 레일은 330kHz 스위칭 주파수로 시스템 쪽으로는 6.5A를, LV 레귤레이터의 입력 쪽으로는 3.5A를 공급한다. HV 컨버터의 입력 전압 범위는 6V ~ 60V이다. 이 컨버터는 서지 전압이 최대 60V인 12V 자동차 배터리, 48V를 사용하는 통신장비, 오프라인 전원을 포함하여 다양한 소스로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이 솔루션은 높은 통합 수준과 LV 레귤레이터의 2MHz 스위칭 주파수 덕분에 2.2in2 (≈14.2Cm2) 크기의 소형 풋프린트를 달성한다.


 

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그림 2. ABC-D-EF-GH 구성으로 설정된 LV 레귤레이터를 포함하고 있는 LTC3372 컨버터

(블록 다이어그램은 그림 1 참조)



그림 1과 그림 2에서 보듯이 이 LV 레귤레이터는 핀 C3와 C2를 로우(low)로, 핀 C1을 하이(high)로 설정하고 적절한 SW 노드를 함께 연결하여 ABC-D-EF-GH 구성으로 설정되었다. 최대 부하 요건을 만족하면서 넘지 않도록 충분한 1A 전력단을 병렬 연결하면 일반적으로 지속되는 부하가 발생하는 약 50% 부하에서 효율이 피크가 된다. 전력단을 더 추가하면 전체 부하 효율은 높아지지만, 중간 부하 효율이 낮아진다. 예를 들어 전력단을 2개가 아닌 4개를 병렬 연결하여 1.8V/2A LV 레일을 구성했다면, FCM에서 50% 이하 부하일 때 효율이 더 낮아진다(그림 3 참조). 버스트 모드 동작을 선택하면, 효율은 폭 넓은 부하 범위에서 높게 유지된다. 1.8V/2A 레일의 효율은 1mA 이상 부하 전류에서 82.2% 이상이다.


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그림 3. 그림 2에 소개된 LV 레귤레이터의 효율



LTC3372 HV의 강력한 게이트 드라이버는 HV 5V 레일에 12V 입력에서 94.6%의 전체 부하효율을 제공하고, 48V 입력에서 90.9%를 제공한다(그림 4 참조). 버스트 모드 동작을 선택할 경우, 12V 입력에서 1mA 부하의 효율은 90.1%이다.


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그림 4. 그림 2에 소개된 HV 컨버터의 효율



소형 패키지, 높은 통합 수준

LTC3372는 열 성능이 강화된 48핀, 7mm × 7mm 패키지로 제공된다. 이 외에도 LTC3372는 컨트롤러를 외부 클록에 동기화하거나 강제 연속 모드, 버스트 모드 동작 또는 불연속 모드(HV만 해당)의 경부하 동작 모드를 프로그래밍하는 PLL/MODE 핀, 워치독 입력 및 출력, 다이 온도를 모니터링하는 TEMP 핀, HV 컨버터를 위한 PGOOD 핀, LV 레귤레이터를 위한 RSTB 핀 등 다양한 특징들을 포함하고 있다.


LTC3372는 설계자에게 높은 입력 전압에서 여러 출력을 제공할 수 있는 유연하고 고도로 통합된 솔루션을 제공한다. 이 디바이스의 HV 컨버터는 최대 60V 입력 전압에서 5V 또는 3.3 V 출력을 제공할 수 있다. 이러한 중간 전압 레일로부터 모노리식 LV 레귤레이터는 최대 4개의 출력을 1A ~ 4A 범위의 최대 출력 전류와 최저 0.8V 전압으로 제공할 수 있다.


저자 소개
마이크 슈라이버(Mike Shriver)는 아나로그디바이스의 선임 애플리케이션 엔지니어이다. 리니어테크놀로지(현 ADI)에서 전력 애플리케이션과 관련하여 17년 이상 경력을 쌓았다. 리니어테크놀로지 입사 전에는 아티슨테크놀로지스 및 베스트파워테크놀로지에서 근무했다. 문의: michael.shriver@analog.com 

 

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