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글 / 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

이 글에서는 회로의 입력 전압이 부하에 전력을 공급하기에 너무 높거나 낮을 때 패스쓰루(PassThru) 모드를 지원하는 특별한 컨버터가 얼마나 유용하게 사용될 수 있는지 설명한다. 또한 패스쓰루 모드를 벅-부스트 레귤레이터 및 부스트 레귤레이터와 함께 사용하여 전원 공급장치 효율을 높이고 EMC 특성을 향상하는 사례도 소개한다.

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어떤 애플리케이션에서는 기존의 전원 전압이 전압 컨버터를 추가로 사용하지 않고도 부하를 직접 구동할 수 있다. 예외적인 동작 상태가 발생하는 특정한 경우, 전원 전압이 부하에 직접 전력을 공급하기에 너무 높거나 낮을 수 있다. 이 경우, 이러한 유형의 동작에 최적화된 특별한 전압 컨버터를 사용할 수 있다. 산업용 24V 시스템이 그러한 애플리케이션 사례 중 하나이다. 부하에 24V 전원 전압이 필요하지만 사용 가능한 24V 전압 레일이 때때로 38V까지 올라가거나 15V로 떨어질 수 있다고 가정할 때, 이 전압은 부하의 허용되는 전원 전압 범위를 벗어난다. 이러한 애플리케이션의 경우, 전통적인 부스트 레귤레이터 또는 벅-부스트 레귤레이터를 사용할 수 있다.

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그림 1은 이러한 애플리케이션의 시스템 다이어그램을 나타낸다. 휴대용 무선 기기는 배터리로 전압을 공급받는다. 부하는 10V ~ 14V를 처리할 수 있지만, 전압 소스의 가능한 출력 범위는 8V ~ 16V이다. 따라서 삽입된 벅-부스트 레귤레이터는 출력에서 전압을 12V로 변환할 수 있다. 전원 전압이 12V보다 다소 낮으면 컨버터가 부스트 모드로 동작하고, 12V보다 높으면 벅 모드로 동작한다.

그림 1. 부하의 허용되는 전압 범위가 에너지원의 가능한 전압 범위보다 좁은 시스템

패스쓰루 모드의 적용 효과

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그림 1과 같은 시스템은 작동하는 데 무리가 없지만, 이보다 더 향상할 수 있는 방법이 있다. 전압 소스가 대부분의 시간 동안 부하에 직접 전력을 공급할 수 있는 전압 범위에 있는 경우, 벅-부스트 레귤레이터를 패스쓰루 모드에 사용할 수 있다. 여기서, 회로 설계자는 입력 전압이 벅-부스트 레귤레이터의 출력으로 직접 전달되는 입력 전압 범위를 정의한다. 이렇게 하면 스위칭 손실이 없고 회로 효율이 매우 높다는 장점이 있다. 또한 이러한 동작 모드에서는 전류 펄스가 없기 때문에 회로가 극히 낮은 전자기 방출로 동작한다.

그림 2. 표준 동작에서 전압을 전달하는 패스쓰루 모드가 있는 LT8210 벅-부스트 레귤레이터

그림 2는 패스쓰루 모드를 지원하는 LT8210 벅-부스트 컨트롤러 회로의 전력 단을 나타낸 것이다. 이 모드에서 H-브리지의 하이 사이드 스위치 2개는 영구적으로 켜지고, 로우 사이드 스위치 2개는 영구적으로 꺼진다. 이를 통해 전류와 전압에 따라 100%에 가까운 효율이 가능하다.

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벅-부스트 솔루션(LT8210) 외에, 부스트 레귤레이터도 패스쓰루 모드를 사용할 수 있다. 아나로그디바이스의 LT8337 사일런트 스위처(Silent Switcher) 부스트 레귤레이터는 패스쓰루 모드를 통합하고 있다. 그림 3은 LT8337 부스트 컨버터의 컨셉트를 보여준다. 패스쓰루 모드가 활성화되면 하이 사이드 스위치가 영구적으로 켜지고 로우 사이드 스위치가 영구적으로 꺼진다.

그림 3. 사일런트 스위처 기술을 탑재한 LT8337 부스트 레귤레이터도 패스쓰루 모드를 제공한다.

부스트 레귤레이터에서 하이 사이드 스위치는 일반적으로 플라이백 다이오드로 실행된다. 이를 통해, 설정된 출력 전압보다 높게 증가된 레귤레이터 전원 전압이 자동으로 인덕터와 플라이백 다이오드를 통과한다. 그러나 전용 패스쓰루 모드는 하이 사이드 MOSFET을 능동적으로 켜기 때문에 다이오드의 전압 강하 손실을 줄이는데 많은 도움이 된다. 또한 패스쓰루 모드는 LT8337의 모든 불필요한 기능을 끈다. 그 결과, IC 자체의 전류 소비는 단 15µA에 불과하다. 이는 특히 배터리로 동작하는 애플리케이션에 매우 유용하다.

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패스쓰루 모드는 전원 공급장치의 효율을 높이고 EMC 특성을 향상시킨다. 이러한 장점은 사용 가능한 전원 전압이 일반적으로 부하의 허용되는 전압 범위 내에 있는 애플리케이션에서 특히 명확하게 나타난다. 하지만 패스쓰루 모드에서는 출력 전압의 조절이 정의된 전압 임계값 내에서 발생하지 않는다는 점을 사용자가 명확하게 알고 있어야 한다. 많은 애플리케이션에서는 반드시 그럴 필요가 없기는 하다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 관련 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 현재는 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com