엔지니어 인터뷰

산업기기용 강압 DC-DC 컨버터 시리즈최첨단 동기정류 컨버터가 산업기기의 저전력화와 소형화의 열쇠

2018.04.19

－LB 제품의 장기 공급 보증과 소량 릴 판매에 대한 대응이 산업기기의 저전력화와 소형화에 기여한다고 했는데, 그러면 LB 제품의 DC-DC 컨버터에 대해 구체적으로 알려주십시오.

앞서 기술한 것과 같이, 현재 상태에서는 동기정류 강압형 파워 트랜지스터 내장 타입 16종류 정도와, 컨트롤러 대응 타입 2종류가 구비되어 있습니다. 물론 동작온도 범위 등 기본 사양은 산업기기용입니다. 하기 표를 참조하여 주십시오.

Converters

Part No.	Input Voltage Maximum Rating(V)	Output Current(A)	Input Voltage Range(V)	Output Voltage (V)	Switching Frequency(MHz)	Control Mode	Functions							Operating Junction Temperature Range(℃)	Package
Part No.	Input Voltage Maximum Rating(V)	Output Current(A)	Input Voltage Range(V)	Output Voltage (V)	Switching Frequency(MHz)	Control Mode	Power-Good	Adjustable Soft Start	Synchronous Rectifier	High Effciency Light Load Mode	Over-Current Protection	Thermal Proteciton	Over-Voltage Protection	Operating Junction Temperature Range(℃)	Package
BD9161FVM-LB	7	0.6	2.5 to 4.5	1.0 to 3.3	1	Current	–	–	✓	✓	Latch	Latch	–	-25 to +125	MSOP8
BD9106FVM-LB	7	0.8	4.5 to 5.5	3.3	1	Current	–	–	✓	✓	Latch	Latch	–	-25 to +125	MSOP8
BD9A101MUV-LB	7	0.8	4.0 to 5.5	1.0 to 2.5	1	Current	–	–	✓	✓	Latch	Latch	–	-25 to +125	MSOP8
BD9A101MUV-LB	7	1	2.7 to 5.5	0.8 to (Vin × 0.7)	1	Current	✓	✓	✓	✓	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	VQFN016V3030
☆BD9A301MUV-LB	7	3	2.7 to 5.5	0.8 to (Vin × 0.7)	1	Current	✓	✓	✓	✓	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	VQFN016V3030
☆BD9B301MUV-LB	7	3	2.7 to 5.5	0.8 to (Vin × 0.8)	1/2	Hysteresis	✓	✓	✓	Deep	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	VQFN016V3030
BD9328EFJ-LB	20	2	4.2 to 18	0.9 to (Vin × 0.7)	0.38	Current	–	✓	✓	–	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	HTSOP-J8
BD9325FJ-LB	20	2	4.75 to 18	0.9 to (Vin × 0.8)	0.38	Current	–	✓	–	–	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	SOP-J8
BD9329AEFJ-LB	20	3	4.2 to 18	0.9 to (Vin × 0.7)	0.38	Current	–	✓	✓	–	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	HTSOP-J8
BD9C301FJ-LB	20	3	4.5 to 18	Vinx0.15 to Vinxk0.7 Vinx0.15 ≥ 1.0	0.5	Current	–	–	✓	–	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	SOP-J8
BD9326EFJ-LB	20	3	4.75 to 18	0.9 to (Vin × 0.8)	0.38	Current	–	✓	–	–	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	HTSOP-J8
BD9327EFJ-LB	20	4	4.75 to 18	0.9 to (Vin × 0.8)	0.38	Current	–	✓	–	–	Feedback	Feedback	–	-40 to +125	HTSOP-J8
BD9E100FJ-LB	40	1	7.5 to 36	Vinx0.15 to Vinxk0.7 Vinx0.15 ≥ 1.0	1	Current	–	–	✓	–	Feedback	Feedback	✓	-40 to +125	SOP-J8
BD9E101FJ-LB	40	1	7.5 to 36	Vinx0.0855 to Vinxk0.7 Vinx0.0855 ≥ 1.0	0.57	Current	–	–	✓	–	Feedback	Feedback	✓	-40 to +125	SOP-J8
BD9E300EFJ-LB	40	2.5	7.5 to 36	Vinx0.15 to Vinxk0.7 Vinx0.15 ≥ 1.0	1	Current	–	–	✓	–	Feedback	Feedback	✓	-40 to +125	HTSOP-J8
BD9E301EFJ-LB	40	2.5	7.5 to 36	Vinx0.0855 to Vinxk0.7 Vinx0.0855 ≥ 1.0	0.57	Current	–	–	✓	–	Feedback	Feedback	✓	-40 to +125	HTSOP-J8

Controllers

Part No.	Input Voltage Maximum Rating(V)	Output Current(A)	Input Voltage Range(V)	Output Voltage (V)	Switching Frequency(MHz)	Control Mode	Functions							Operating Junction Temperature Range(℃)	Package
Part No.	Input Voltage Maximum Rating(V)	Output Current(A)	Input Voltage Range(V)	Output Voltage (V)	Switching Frequency(MHz)	Control Mode	Power-Good	Adjustable Soft Start	Synchronous Rectifier	High Effciency Light Load Mode	Over-Current Protection	Thermal Proteciton	Over-Voltage Protection	Operating Junction Temperature Range(℃)	Package
BD95601MUV-LB	1	28	4.5 to 25	0.75 to 2.0	0.2 to 0.5	H³Reg	✓	✓	✓	✓	Latch	Feedback	Feedback	-10 to +125	VQFN020V4040
BD95602MUV-LB	2	30	5.5 to 28	1.0 to 5.5	1.0 to 5.5	H³Reg	✓	✓	✓	✓	Latch	Feedback	Feedback	-10 to +125	VQFN032V5050

☆：Under Development

－산업기기용 DC 전원이라고 하면, 산업기기에서는 표준 BUS 전압인 12V 및 24V를 입력하여, 보드에 시스템 전압인 5V 및 3.3V를 공급한다는 이미지가 있습니다.
표의 파워 트랜지스터 내장 타입의 최대 입력전압 범위를 보면, 이러한 이미지에 해당하는 40V 제품 이외에도 7V, 20V 라인업이 있는데, 그 역할은 무엇입니까?

말씀하신 이미지의 용도로는 40V 제품이 대응합니다. 12V BUS뿐만 아니라, 24V BUS도 대응합니다. 24V를 취급하는 파워 트랜지스터 내장의 동기정류 타입은 업계에서도 그다지 많지 않으므로, 설계자에게는 반가운 소식일 것이라고 생각합니다. 20V 제품은 기본적으로 12V 입력, 경우에 따라서는 5V 입력도 가능합니다. 7V 제품은 12V / 24V에서 강압된 5V / 3.3V로부터의 강압을 상정하고 있습니다. MCU 및 FPGA 등 3.3V 이하의 전압에서 동작하는 디바이스도 증가 추세이므로, BUS 전압 강압 후의 저전압을 강압하는 세컨더리 DC-DC 컨버터라는 역할입니다. 이러한 이유에서 고내압 제품뿐만 아니라, 저전압 제품도 LB 제품이 필요한 것입니다.

하기 표는 표준적인 3.3V, 5V, 12V, 24V 입력전압에 대한 제품별 대응 범위와 출력전류가 알기 쉽게 기재되어 있으므로, 참고하여 주십시오.

－산업기기에서 특히 12V, 24V에서의 강압을 위해서는 다이오드 정류 타입의 DC-DC 컨버터가 일반적인 것 같습니다.
이 시리즈는 동기정류 타입인데, 어떠한 의도가 있는 것입니까?

산업기기의 BUS 전압의 강압을 위해서는 다이오드 정류 (비동기 정류) 타입이 많이 사용되는 것이 사실입니다. 특히 이 부분은 12V, 24V와 같은 비교적 높은 전압이며, BUS라는 관점에서는 메인에서 배선되는 관계로 노이즈를 고려한 고신뢰성의 전원이 필요합니다. 이러한 의미에서 기존의 실적을 바탕으로 다이오드 정류 타입이 선호되어 온 것이라고 생각합니다.

한편, 동기정류 타입은 랩톱 PC 등 배터리 구동 기기에 대한 채용을 시작으로, 현재는 고효율이 필수인 휴대기기에서 표준적인 전원이 되었습니다. 잘 알려진 바와 같이, 일반적으로 다이오드 정류 타입의 최대 효율은 80%를 넘는 정도인데 반해, 동기정류 타입은 90%를 넘는 고효율을 달성할 수 있습니다. 이와 같이 고효율이라는 점이 동기정류 타입의 가장 큰 메리트입니다.

최근에는 저전력화와 소형화가 필수로 요구되고 있습니다. 이는 산업기기에서도 예외가 아닙니다. 고신뢰성 특성을 위해 크기와 효율을 다소 희생해도 된다는 것은 허용할 수 없습니다. 이러한 상황에 대처하기 위해서, 전원은 고효율 달성이 가능한 동기정류 타입을 많이 이용해야 한다고 생각합니다.

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－동기정류 타입은 이미 다양한 전자기기에서 사용되고 있는데, 왜 산업기기에서는 그렇지 못한 걸까요?

어려운 질문이네요. 역시 실적 면에서 채용을 주저하는 케이스가 많은 것 같습니다. 실제로는 기존에 동기정류 타입으로도 고내압 제품이 있고, 실적이라는 면에서도 충분하다고 생각합니다. 굳이 말하자면, 민생기기 쪽에 많이 사용되기 때문에 산업기기에 적합하지 않다는 이미지도 있기 때문이 아닐까요.

이러한 상황을 모두 고려하여, LB 제품은 성능 등 실질적인 면과 장기 공급 보증, 소량 릴 판매와 같은 산업기기 특유의 요구에 대응하는 사양으로 구비한 것입니다. 이미지에서 오는 고객의 우려를 불식할 수 있었으면 합니다.

－동기정류 타입을 사용함으로써, 전원 효율이 향상되어 저전력화할 수 있다는 점은 충분히 이해했습니다.
소형화 면에서는 어떻습니까? 일반적으로 동기정류 타입이 다이오드 정류 타입에 비해 부품 수가 많아 설계도 복잡해진다고 들었습니다만….

말씀하신 내용이 틀리지는 않지만, 컨트롤러 타입의 IC를 사용한 경우에 해당한다고 생각합니다. 이 시리즈는 컨트롤러 타입이 2종류 있지만, 그 이외에는 파워 트랜지스터를 내장하여, 필요한 외장 부품은 인덕터 1개와 입출력 콘덴서, 설정 / 조정용 저항과 콘덴서 몇 개씩입니다. 이러한 경우와 일반적인 다이오드 정류 타입을 비교하면, 다이오드 정류 타입은 쇼트키 배리어 다이오드를 외장해야 하므로 주요 부품이 역으로 많아지게 됩니다. 최근의 동기정류 타입의 경우, 탑재 가능한 부품은 모두 집적하여, 컨트롤러 타입의 경우에도 파워 트랜지스터가 내장인지 외장인지에 따른 차이점만 있습니다. 다이오드 정류에는 필요한 다이오드 1개가 불필요하므로 부품 수 및 설계의 번거로움에서 보면 동기정류 쪽이 우위에 있다고 생각합니다.

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사이즈에 있어서 또 한가지 중요한 점은, 부품 수가 동일한 경우 사이즈에 영향을 미치는 것은 부품 자체의 사이즈라는 점입니다. IC 자체는 모두 작지만, 전원 회로에서 크기가 큰 것은 인덕터와 입출력 콘덴서입니다. 이들 부품은 스위칭 주파수가 높아지면, 단순히 소용량 제품을 사용할 수 있어, 자연히 사이즈도 작아집니다. 일반적으로는 손실 및 제어의 면에서 동기정류가 스위칭 주파수를 높이기 쉬우므로 MHz의 스위칭을 실행하는 동기정류 타입도 많습니다. 실제로 실장 면적에 있어서는 IC 및 부품 수보다 외장 부품의 사이즈가 지배적인 경우가 대부분입니다. 일례로 하기 사진은 40V 입력의 파워 트랜지스터 내장 타입의 BD9E300EFJ와, 동등한 능력을 지닌 다이오드 정류 타입을 비교한 것입니다. 실장 면적은 거의 50% 저감되었으며, 인덕터가 매우 작고, 다이오드가 없다는 사실을 알 수 있습니다.

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