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글 / 찰리 자오(Charlie Zhao) 수석 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices)

낮은 잡음 특성은 많은 전원 애플리케이션에서 중요한 요소다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 혁신적인 사일런트 스위처(Silent Switcher) 기술은 혁신적인 회로 설계 및 패키징 기술을 통해 마이크로모듈(μModule) 레귤레이터의 개발을 가능하게 하였으며, 우수한 효율을 제공하면서 전자기 간섭(EMI)을 줄였다. 이 독창적인 접근법은 이들 레귤레이터가 PCB 레이아웃 변화에 덜 취약하게 만들고, 그 결과 설계를 간소화하고 성능을 향상시킨다. 3V ~ 16V 입력 전압으로 최대 8A의 출력 전류를 공급할 수 있는 ADI의 스텝다운 DC-DC 마이크로모듈 레귤레이터는 고전류 애플리케이션과 잡음에 민감한 애플리케이션에 이상적인 콤팩트한 솔루션을 제공한다. 

저잡음 특성은 고정밀 데이터 변환기, 의료 장비, RF 시스템 등과 같은 수많은 전원 공급 애플리케이션에서 점점 더 증가하고 있는 공통적 요구 사항이다. 전통적으로 스위치 모드 DC-DC 컨버터는 고유한 잡음을 내재하고 있는 것으로 알려져 있어서, 잡음에 민감한 애플리케이션에는 적합하지 않다. ADI의 혁신적인 사일런트 스위처(Silent Switcher) 기술은 저잡음 애플리케이션에 탁월한 성능을 제공하는 마이크로모듈 레귤레이터를 개발할 수 있게 해준다.

LTM4702는 3V ~ 16V의 입력 전압으로 최대 8A의 출력 전류를 공급할 수 있는 스텝다운 DC-DC 마이크로모듈 레귤레이터이다. 이 디바이스는 내부에 핫 루프 바이패스 커패시터를 포함하는 사일런트 스위처 아키텍처를 사용함으로써 낮은 전자기 간섭(EMI)과 우수한 효율을 모두 달성한다. 이 모듈에는 전류 모드 컨트롤러, 전원 스위칭 구성요소, 파워 인덕터, 적당량의 입력 및 출력 커패시턴스가 포함되어 있다

출력 전압은 0.3V에서 5.7V까지 조절이 가능하다. 이 IC는 접합부 정상 작동 온도 범위가 –40°C ~ +125°C인 6.25mm x 6.25mm x 5.07mm 크기의 소형 BGA 패키지로 제공된다. 

대표적 활용 사례 

그림 1은 통상의 애플리케이션 회로도를 나타낸 것이다. 이 회로는 약 800kHz의 스위칭 주파수로 동작하며, 스위칭 주파수는 저항(RT 핀 저항에서 AGND로)을 이용해 쉽게 조정할 수 있다. SET 핀은 SET 핀과 GND 사이에 연결된 외부 저항을 통해 흐르는 100㎂ 정밀 전류를 공급한다. 레귤레이터 출력 전압은 I_SET × R_SET의 공식으로 계산된 SET 핀 전압을 엄격히 따른다. SET 핀 바이패스 커패시터를 사용하면 SET 핀 상에서 전압 스파이크의 기생 결합에 대한 민감도를 줄일 수 있다. 또한 SET 핀 바이패스 커패시터는 출력을 부드럽게 시작하게 하며 돌입 전류를 제한한다. 효율 대비 부하 전류 곡선 그래프는 그림 2와 같다.

그림 1. LTM4702 1V, 8A 스텝다운 사일런트 스위처 마이크로모듈 레귤레이터

그림 2. 효율 대 부하 전류 (V_IN = 12V)

이 예제 회로에서 SYNC 핀은 펄스 스키핑 모드(pulse-skipping mode) 작동을 위해 GND에 연결되며, 경부하에서 효율을 향상시킨다. 또한 이 디바이스는 빠른 과도 응답과 폭넓은 부하 범위에 대한 완전한 주파수 작동을 위해 강제 연속 모드(forced continuous mode, FCM)로도 작동할 수 있다. FCM을 활성화하려면 SYNC 핀을 INTVcc 또는 3V 이상으로 설정하거나, SYNC 핀을 플로팅 상태로 두면 된다. 

클럭 소스로 SYNC 핀을 구동하면 이 레귤레이터를 외부 클럭에 동기화할 수 있는데, 동기화는 300kHz ~ 3MHz 범위 내에서 가능하다. 이 레귤레이터는 외부 클럭에 동기화된 상태에서 FCM 모드로 작동한다.

LTM4702는 V_OUT 핀과 PGSET 핀에 연결된 단일 저항을 사용하여 프로그래밍 가능한 PG(power good) 출력을 제공하는 것이 특징이다. 출력 전압이 ±7.5% 레귤레이션 범위를 벗어날 경우, PG 출력 상태는 낮음 신호를 나타낸다. 또한 이 IC는 인에이블/셧다운 제어, 내부 루프 보상 또는 외부 루프 보상의 선택, 그리고 내부 온도 모니터링 등 다양한 사용자 친화적인 기능들도 포함하고 있다.

초저잡음 특성의 사일런트 스위처 기술

ADI의 사일런트 스위처 제품군은 EMI를 줄이면서 우수한 효율을 제공하는 혁신적인 설계 및 패키징 기술로 설계되었다. ADI의 이 독창적인 접근법은 이들 레귤레이터가 PCB 레이아웃 변화에 덜 취약하게 만들고, 그 결과 설계를 단순화하고 성능을 향상시킨다.

LTM4702는 저주파(<100kHz)에서 출력 잡음을 매우 낮게 유지할 수 있는 초저잡음 아키텍처를 적용하고 있다. 1개의 저항을 이용해 출력 전압을 설정하고 출력 범위 전반에 걸쳐 단위 이득 작동(unity gain operation)을 제공함으로써, 이 디바이스는 사실상 출력 전압과 관계없이 일정한 출력 잡음을 유지한다. 

그림 3은 LTM4702의 방사 EMI 성능을 나타낸 것이다.

그림 3. LTM4702의 방사 EMI 성능

더 높은 출력 전류를 제공하기 위한 다상 병렬 작동

2개 이상의 디바이스를 병렬로 연결하면 더 높은 전류를 공급할 수 있다. 그림 4는 2개의 마이크로모듈 레귤레이터를 병렬로 연결하여 16A 부하 전류를 생성하는 사례를 나타낸 것이다. 이 예제에서 CLKOUT 신호는 해당 병렬 시스템의 주파수와 위상 두 가지 모두를 정렬하기 위해 예시 회로도상에 나와 있는 그 다음 IC의 SYNC 핀에 연결된다. 병렬 연결된 이 두 개의 레귤레이터는 180° 위상 차이로 작동하며, PHMODE 핀은 GND에 연결된다. 전류 모드 제어 아키텍처를 통해 보상 핀들이 서로 연결됨으로써 우수한 전류 공유가 이루어진다. 병렬 연결된 이들 디바이스의 SET 핀들은 단 1개의 SET 저항을 통해 서로 연결된다.

그림 4. LTM4702 2상, 1V, 16A 스텝다운 전원공급장치.

LTM4702는 완전한 8A 스텝다운 사일런트 스위처 마이크로모듈 레귤레이터이다. 이 제품은 단 1개의 외부 저항을 통해 0.3V에서 5.7V까지 정밀하게 조절된 출력 전압을 제공할 수 있다. 낮은 EMI와 저잡음 특성 덕분에, LTM4702는 텔레콤/데이터 통신 시스템, RF 전원공급장치, 고속/고정밀 데이터 변환기 애플리케이션과 같이 높은 전류와 낮은 잡음 수준이 요구되는 애플리케이션에 이상적이다. 이 마이크로모듈 레귤레이터는 크기가 작고 효율이 우수하며 필요한 외부 부품 수가 적기 때문에, 사용자는 PCB 공간과 설계 시간을 대폭 줄일 수 있다.

저자 소개

찰리 자오(Charlie Zhao)는 아나로그디바이스(ADI) MMP 모듈 사업부의 수석 엔지니어이다. 그는 2001년에 리니어 테크놀로지(Linear Technology, 현재 ADI의 일부)에 합류했다. 찰리 수석 엔지니어는 전력 전자 분야에서 폭넓은 경험을 보유하고 있으며, 중국 저장대학교에서 학사 및 석사 학위를, 미국 버지니아 공과대학교에서 석사 학위를 취득했다.