반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

대부분의 전력 컨버터 구현은 효율과 전력 밀도 사이에 어쩔 수 없는 절충이 요구된다. 더불어 새롭게 등장하는 애플리케이션들은 전력 솔루션에 새로운 요구사항들을 제기한다. 이러한 이유로 많은 개발자들은 성능과 유연성을 겸비한 벅 컨트롤러를 기반으로 한 검증된 전력 솔루션을 채택하고 있다. 산업용과 통신 애플리케이션의 경우 성능 측면에서 다음의 두 가지를 중요하게 고려해야 한다:

• 높은 스텝다운 비율, 높은 신뢰성, 저비용의 솔루션을 위한 광범위한 입력 전압(VIN) 범위

• 제품 개발 및 출시 시간을 단축하기 위해 유연하면서도 사용이 편리한 설계 툴 지원

광범위한 VIN 범위
VIN가 넓고 최소 온 타임(TON-min)이 낮은 컨트롤러를 사용하면 높은 입력-대-출력 전압 차동이 용이하고 공칭 24V, 28V, 48V, 60V 버스에서 저전압 출력으로 곧바로 스텝다운 변환을 할 수 있으므로 시스템 복잡성을 줄이고 솔루션 비용을 낮출 수 있다. 그림 1은 동기식 벅 컨트롤러 회로이다.

그림 1: 300kHz에서 12V/5A 출력을 제공하는 넓은 VIN의 동기식 벅 컨트롤러 솔루션

높은 VIN 소스나 고전압 과도 현상을 겪는 입력 레일을 레귤레이트하도록 설계된 넓은 VIN 컨트롤러는 외부 서지 억제 부품의 필요성을 최소화하므로 신뢰성을 잃지 않으면서 솔루션 크기와 비용을 모두 줄일 수 있다. 이처럼 높은 전압 정격으로서 더 높은 동작 마진과 과도 현상 내성을 제공하기에, 특히 통신, 산업용, 의료용, 모터 구동 시스템과 같이 긴 제품 수명을 요구하는 애플리케이션에서 빛을 발한다.

그림 2는 그림 1의 레귤레이터의 효율 곡선을 보여준다. 이 측정은 LM5145의 VCC를 VOUT으로부터 구동함으로써 바이어스 전력 소모를 줄이고 경부하 효율을 높인다. 또한, 통합된 7.5V 게이트 드라이버는 MOSFET 데드 타임과 바디 다이오드 역 복구 손실을 줄이므로 과부하 시 효율을 높인다.

그림 2: 출력 부하 바이어스 전력 및 경부 하에서 불연속 전도 모드 (DCM)가 가능한 동기식 벅 레귤레이터 효율

사용 편의성
TI는 사용의 편의성과 고성능 전력 변환 사이의 차이를 줄이기 위해 WEBENCH®, SPICE 시뮬레이션 모델 및 TI Designs 레퍼런스 디자인 라이브러리를 비롯한 일련의 전력 설계 툴을 제공한다. 또한 고성능 솔루션은 구성 요소 상호의존성과 절충안이 불가피하다는 점을 감안하여 또 다른 편리한 툴인 IC 별도 퀵 스타트 계산기를 제공한다. 덕분에 설계 작업을 빠르게 간소화한다. 예를 들어, 그림 3은 이 엑셀 기반 컨트롤러 설계 툴의 화면 캡처로서, LM25145 500kHz 벅 레귤레이터 솔루션을 5V 20A 출력으로 설계할 때의 설계 흐름을 단계적으로 보여준다. LM25145 퀵 스타트 계산기는 무료로 다운로드 할 수 있습니다.

그림 3: 벅 컨트롤러 퀵 스타트 계산기 – 입력하고 계산된 부품 값에 따라서 회로가 자동으로 배치된다.

그림 3의 1단계에서는 사용자가 입력 전압 범위, 출력 전압, 최대 부하 전류 및 스위칭 주파수에 대한 사양을 입력할 수 있다. 2단계에서는 벅 인덕터 선택을 고려하고, 3단계에서는 과전류 보호에 대해서 다룬다. 그림 4의 후속 설계 단계들에서는 입/출력 커패시턴스, 소프트 스타트, 저전압 차단 및 루프 보정 부품 선택을 지원한다.

그림 4: 보드 플롯, 효율성 및 부품 전력 손실 분석 기능이 내장된 LM25145 퀵 스타트 계산기

그림 4에서는 전력 MOSFET과 수동 부품에 입력된 파라미터를 기반으로 한 계산을 통해 예측된 보드 플롯과 레귤레이터 효율 곡선을 보여준다. LM25145 데이터 시트의 애플리케이션 예제 1은 고밀도와 낮은 전자기 간섭(EMI)을 달성하기 위한 권장 전력 스테이지 부품, 동작 파형 및 PCB 레이아웃 가이드라인을 비롯하여 이 설계와 관련된 보다 자세한 정보를 제공한다.

요약
높은 변환 효율과 낮은 BOM(bill of materials) 비용은 점점 더 많이 요구되고 있다. 넓은 VIN 동기식 벅 컨트롤러는 산업용 제어 및 통신 인프라 애플리케이션의 다양한 전력 스테이지 회로에 사용이 적합하다. LM5145와 LM25145 제품군의 풋 프린트 및 기능 세트 호환성은 광범위한 레귤레이터 설계 툴을 통해 출력 전류가 5A ~ 25A인 설계에서 우수한 성능과 유연성을 제공한다.

추가 정보
• LM5145 퀵 스타트 계산기 다운로드
• LM5145 동기식 벅 컨트롤러 평가모듈 주문하기
• 애플리케이션 노트: 유도 기생을 최소화하여 벅 컨버터의 EMI 및 전압 스트레스 줄이기
• 백서:
– 가격에 민감하고 까다로운 애플리케이션을 위한 넓은 VIN, 낮은 EMI의 동기식 벅 회로
– 설계를 간소화하고 BOM 비용을 줄이며 신뢰성을 향상 시키는 넓은 VIN 전원 관리 IC