초소형 QFN 패키지, 42V 고전력 밀도 벅 레귤레이터
2017년 02월 26일
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글/ 잉 쳉(Ying Cheng), 전력 제품 사업부 수석 애플리케이션 엔지니어,
리니어 테크놀로지(Linear Technology Corp.)

전력 소모는 높은 전류 요건을 갖지만 공간이 제한된 산업용 및 자동차 애플리케이션을 위한 DC/DC 컨버터 설계자가 당면하는 중요한 문제이다. 고성능 디스크리트 부품을 이용해 높은 효율의 레귤레이터를 생산하는 것은 가능하지만, 이러한 방법은 비용과 솔루션 풋프린트로 인해 적용하기 어렵다.
LT8612/LT8613 고효율 벅 레귤레이터는 필요한 모든 부품을 단일 IC에 통합함으로써 높은 스텝다운 비가 요구되는 경우에도 DC/DC 컨버터 크기를 크게 줄일 수 있다. 또 이들 디바이스는 병렬로 구성할 수도 있어 출력 전류 성능을 높이고 부하와 발열을 분산시킬 수 있다.
또한 LT8612/LT8613 레귤레이터는 극히 낮은 무부하 전류로 배터리 수명을 극대화하고, 높은 스위칭 주파수로 솔루션 크기를 최소화하면서 잡음에 민감한 주파수 대역을 피할 수 있다는 장점이 있다.

3mm × 6mm 패키지의 고효율 42V, 6A 레귤레이터
LT8612/LT8613은 단일칩 방식의 42V, 6A 스텝다운 레귤레이터이다. 내장된 고효율 전력 스위치는 낮은 전력 소모로 과열을 발생시키지 않으면서 이 스위치와 함께 부스트 다이오드, 내부 보상 및 모든 필요한 회로를 초소형 3mm × 6mm QFN 패키지에 통합할 수 있다.
그림 1은 정격 5V/30W LT8612 컨버터를 보여준다. 컨버터의 효율과 전력 손실은 그림 2에 나와 있다. 24V의 입력 전압에서도 LT8612는 30W 출력을 생성할 수 있으며 온도 상승이 50°C를 넘지 않는다. 부하 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 LT8612/LT8613은 낮은 리플의 버스트모드(Burst Mode®) 동작을 이용해 매우 낮은 부하 조건에서 효율을 향상시킨다.

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LT8612/LT8613의 최소 온(on) 시간은 40ns 정도로 낮으므로 높은 스위칭 주파수에서도 높은 VIN/VOUT 비를 구현할 수 있다. 최대 2.2MHz의 높은 스위칭 주파수는 전력 인덕터와 출력 커패시터의 크기와 값을 최소화한다. 뿐만 아니라 인덕터는 출력 부하 요구사항에 맞추어 정확하게 크기를 조정할 수 있으므로 설계 오버헤드를 제공하기 위한 더 큰 인덕터를 사용할 필요가 없어 디바이스의 고속 피크 전류 모드 아키텍처와 견고한 스위칭 설계를 가능하게 한다.

다위상 설계로 출력 전류 성능 향상
6A가 넘는 부하는 자동차 및 산업용 애플리케이션에서 드물지 않게 볼 수 있다. 이와 같이 비교적 높은 전류 조건에서 다위상 설계는 LT8612/LT8613 레귤레이터의 출력 성능을 확장할 수 있게 한다.
LT8613은 모니터 및 제어 핀을 갖는 레일-투-레일 전류 감지 증폭기가 내장돼 정밀한 입력 또는 출력 평균 전류 레귤레이션을 달성할 수 있다. 이 전류 루프는 ISP/ISN 핀의 전압이 ICTRL 핀에 의해 설정된 전압을 초과하지 않도록 내부 스위치 전류 제한을 조절한다. 또 다른 IMON 핀은 LT8612/LT8613의 최소 온(on) 시간은 40ns 정도로 낮으므로 높은 스위칭 주파수에서도 높은 VIN/VOUT 비를 구현할 수 있다. 최대 2.2MHz의 높은 스위칭 주파수는 전력 인덕터와 출력 커패시터의 크기와 값을 최소화한다. 뿐만 아니라 인덕터는 출력 부하 요구사항에 맞추어 정확하게 크기를 조정할 수 있으므로 설계 오버헤드를 제공하기 위한 더 큰 인덕터를 사용할 필요가 없어 디바이스의 고속 피크 전류 모드 아키텍처와 견고한 스위칭 설계를 가능하게 한다.

다위상 설계로 출력 전류 성능 향상
6A가 넘는 부하는 자동차 및 산업용 애플리케이션에서 드물지 않게 볼 수 있다. 이와 같이 비교적 높은 전류 조건에서 다위상 설계는 LT8612/LT8613 레귤레이터의 출력 성능을 확장할 수 있게 한다.
LT8613은 모니터 및 제어 핀을 갖는 레일-투-레일 전류 감지 증폭기가 내장돼 정밀한 입력 또는 출력 평균 전류 레귤레이션을 달성할 수 있다. 이 전류 루프는 ISP/ISN 핀의 전압이 ICTRL 핀에 의해 설정된 전압을 초과하지 않도록 내부 스위치 전류 제한을 조절한다. 또 다른 IMON 핀은 ISP/ISN 핀을 통해 측정되는 평균 전류를 모니터링하는 데 사용된다. 이 전류 제어 기능은 추가적인 제어 회로 없이도 여러 개의 LT8613 간에 정밀한 전류 공유를 가능하게 한다.
그림 3은 최대 16A 출력을 제공하는 병렬 연결된 3개의 LT8613을 보여준다. 맨 위의 LT8613은 마스터 레귤레이터이며 출력 전압이 4V로 설정된다. 다른 2개의 LT8613은 슬레이브 레귤레이터이며 출력 전압이 4V보다 약간 높게 설정된다.

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3개의 LT8613 레귤레이터 간에 전류를 공유하기 위해 마스터 LT8613의 IMON 핀이 슬레이브 LT8613의 ICTRL 핀에 연결된다. 3개의 LT8613 레귤레이터는 LTC6909 발진기에서 발생하는 3상 700kHz 클록 신호(120° 위상차)로 동기화된다. 그림 4는 이 3상 LT8613 설계의 열 영상을 보여준다. LT8613 온도의 유사성이 3개 위상 간에 균등한 전류 공유가 이루어지고 있다는 것을 나타낸다. 이 설계의 효율은 그림 5에서 볼 수 있다.
위상 간 전류 공유에 가중치를 부여할 필요가 있는 경우(이렇게 하면 전류 공유가 불균등해진다), 간단히 ISP 및 ISN 핀의 감지 저항 값을 조정하면 된다.

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결론
LT8612 및 LT8613은 완전 통합형 고전력 밀도 단일칩 방식 스텝다운 레귤레이터로서 까다로운 자동차 및 산업용 요구사항을 만족한다. 이들 디바이스는 효율적인 고전류 애플리케이션 및 초소형 솔루션 풋프린트를 위해 손쉽게 병렬 구성할 수 있다.
그래픽 / 영상
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