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글/ 마이클 우(Michael Wu) 스태프 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices)

이 글에서는 저전압, 고전력 애플리케이션을 위해 설계된 모놀리식, 2상, 단일 출력 스텝업 컨버터를 소개한다. 이 IC에는 성능과 기능을 향상시키는 다양한 특성들이 통합되어 있다.

모놀리식 부스트 컨버터는 콤팩트한 솔루션 크기에서 낮은 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 변환할 수 있다. 그러나 요구되는 출력 전력이 커질수록 전류 수준과 발열도 증가하게 되며, 내부 스위치의 한계로 인해 출력 요구사항을 만족시키기 어려운 경우도 있다. 이런 상황에서는 2상(dual phase) 부스트 컨버터가 더 적합할 수 있다.

컨버터의 스위칭 동작을 두 개의 위상으로 나누어 상호 보완토록 하면, 스위칭 전류 리플이 절반으로 줄어들어 효과적이다. 그러면 더 작은 커패시터와 인덕터를 사용할 수 있을 뿐 아니라 열 성능도 향상된다.

LT8349는 두 개의 내부 N채널 MOSFET 스테이지가 위상차를 두고 스위칭하는 모놀리식 동기식 부스트 컨버터다. 이 전원 스위치들은 8V, 6A에서 동작하며, 300kHz ~ 4MHz 범위의 고정 스위칭 주파수로 설정하거나 또는 외부 클럭에 동기화할 수 있다.

동기 정류는 폭 넓은 부하 범위에 걸쳐 효율을 높이고 전력 손실 및 열 발생을 줄여주며, 스테이지 쉐딩(Stage Shedding) 기능과 옵션으로 제공되는 버스트 모드(Burst Mode)는 부하 전류가 작은 조건에서도 효율을 높이는 데 도움을 준다. 전자파 간섭(EMI) 억제가 중요한 애플리케이션이라면, 옵션 기능인 대역 확산 주파수 변조(spread spectrum frequency modulation, SSFM)를 활용하여 노이즈를 최소화할 수 있다.

이 IC는 2.5V ~ 5.5V의 입력 전압 범위를 지원하여 배터리 구동 애플리케이션에 적합하고, 출력 전압은 최대 8V까지 설정할 수 있다. 이 2상 컨버터는 1.9mm × 2.6mm 크기의 WLCSP 패키지로 제공되어, 설계 보드 면적을 최소화하는 데 도움이 된다.

다중위상 동작

LT8349는 고정 주파수, 전류 모드 제어 방식을 사용하여 뛰어난 전압 및 부하 조절 성능을 제공한다. 2상 구조는 2개의 인덕터를 필요로 하지만, 이 IC는 두 개의 위상 간 전류를 균등하게 분배하고 180° 위상 차이로 스위칭 타이밍을 배치한다. 이로 인해 인덕터의 피크 전류가 크게 낮아지고, 출력 리플도 감소하게 된다. 인덕터의 피크 전류는 아래 공식1로 구할 수 있다.

여기서 l_OUT은 평균 부하 전류, D는 PWM 듀티 사이클, △I_L은 인덕터 리플 전류이다. 

고성능 6V, 5A 전원공급장치

그림 1은 2.5V ~ 4.5V 입력 소스로부터 6V 전압을 출력하는 스텝업 컨버터의 애플리케이션을 보여준다. 이는 입력 전압이 4.5V일 때, 최대 5A의 부하 전류를 공급할 수 있으며, 스위칭 주파수는 RT 핀에 54.9kΩ 저항을 사용하여 2MHz로 설정된다.

그림 1. 2.5V ~ 4.5V 입력, 6V 출력 부스트 컨버터

스테이지 쉐딩

부하가 큰 경우, LT8349는 2상 부스트 컨버터로서 동작한다. 부하 전류가 낮아질수록 각 위상의 피크 인덕터 전류도 감소한다. 피크 전류가 약 1.7A의 쉐딩 임계값(I_SHED, DUAL)으로 감소하면 스테이지 쉐딩이 활성화되며, 디바이스는 2상이 아닌 단상(1상) 부스트 컨버터로 동작하게 된다. 이 작동 모드에서는 두 번째 위상이 꺼지고 첫 번째 위상의 피크 인덕터 전류 한계가 I_{SHED, SINGLE}로 증가하는데, 이는 공식 2에 의해 정의된다.

부하가 더 줄어들면, 이 IC는 SYNC/MODE 핀 셋팅을 통해 낮은 I_Q 전류 특성을 가지는 버스트 모드, 또는 낮은 출력 리플 특성을 가지는 고정 주파수 강제 연속 모드(FCM) 중 하나로 설정할 수 있다. 스테이지 쉐딩 기능은 그림 2에 자세히 설명되어 있으며, 이를 통해 버스트 모드와 FCM 모드에서 각 위상의 인덕터 전류 동작을 확인할 수 있다.

그림 2. 부하 전류가 높은 전류에서 매우 낮은 전류로 감소할 때 LT8349 동작을 간소하게 나타낸 그림 

SYNC/MODE 핀이 신호 접지(SGND)에 연결되면 IC는 버스트 모드로 작동하며, 이 모드에서는 스위칭 주파수를 줄임으로써 출력 전압을 유지한다. 이 IC는 I_SET 핀을 사용하여 설정된 피크 전류(I_BURST)를 이용해 단일 펄스의 전류를 전달한다. 펄스가 전달되면 곧바로 슬립 모드로 들어가는데, 출력에 부하가 없을 때 대기 전류(quiescent current) 소모는 단 15μA에 불과하다.

SYNC/MODE 핀이 플로팅(floating)되어 있을 때, IC는 부하 전류가 낮은 조건에서 FCM 모드로 동작하게 된다. 이 모드에서는 인덕터 전류가 음의 방향으로도 흐를 수 있어, IC는 전체 부하 범위에서 고정된 주파수로 스위칭할 수 있다. 이는 일관되고 예측 가능한 스위칭 고조파 및 EMI 성능을 제공하지만, 대신 부하 전류가 낮은 조건에서 효율은 떨어질 수 있다. 그림 3은 버스트 모드와 FCM 모드 간의 효율을 비교한 것이다.

그림 3. 버스트 모드와 FCM 모드의 효율 및 전력 손실 대 출력 전류 비교

대역 확산 주파수 변조(SSFM)

EMI 억제가 중요하게 요구되는 애플리케이션의 경우, LT8349는 노이즈를 더 줄일 수 있는 추가 기능을 제공한다. SSFM은 SYNC/MODE 핀을 설정함으로써 선택할 수 있으며, 버스트 모드와 FCM 모드 양쪽 모두에서 가능하다. 

SSFM이 선택되면, 내부 오실레이터 주파수는 외부 RT 저항에 의해 설정된 값과, 그 값보다 약 25% 높은 주파수 사이에서 조절된다. 그림 4와 그림 5는 각각 CISPR 32 Class B 표준 규격에 따른 전도성(conducted) EMI와 방사성(radiated) EMI 결과를 보여준다.

그림 4. CISPR 32 기준의 전도성 EMI 결과

그림 5. CISPR 32 기준의 방사성 EMI 결과

결론

LT8349는 전통적인 단상 부스트 컨버터에 비해 여러 이점들을 제공한다. 먼저, 2상 아키텍처와 동기화 정류 기술을 사용하여 더 높은 출력을 달성할 수 있다. 이 두 가지 기능은 두 개의 인덕터가 필요함에도 불구하고, 전체 보드 면적을 작게 유지하면서 효율을 높이고 전력 손실을 줄이며 열 성능을 향상시키는 데 도움이 된다.

스테이지 쉐딩과 버스트 모드 동작은 부하 전류가 매우 낮아질 수 있도록 효율을 더욱 높이며, SSFM 기능은 EMI를 감소시키는 데 도움이 된다. 이 외에도 LT8349는 출력 소프트 스타트와 출력 과전압 보호 기능을 제공하여, 다운스트림 회로를 과도한 고전압으로부터 보호한다. 이러한 다양한 기능을 갖춘 이 IC는 소형 휴대기기나 산업용 전원공급장치 등 많은 분야에서 매우 유용하게 사용할 수 있다.

저자 소개

마이클 우(Michael Wu)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 제품 애플리케이션 엔지니어이다, 그는 고성능 전원 그룹(HPP) 소속으로, 모놀리식 벅, 부스트, 벅-부스트 토폴로지 분야에 주력하고 있다. 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학교 산루이스 오비스포 캠퍼스에서 전기공학 학사 및 석사를 취득했다.