엔지니어 인터뷰

MOSFET를 내장한 고효율 AC-DC 컨버터 IC BM2Pxxx 시리즈：과제 해결을 위해 개발된 IC

2018.06.21

－그러면, 기존 AC-DC 컨버터의 과제인 효율 개선과 소형화를 해결하기 위한 목적으로 개발된 BM2Pxxx 시리즈는 어떤 IC인지 알려주세요.

BM2Pxxx 시리즈는 기본적으로 25W까지의 절연형 플라이백 AC-DC 컨버터를 구축할 수 있는 IC이며, 비절연형에도 대응합니다. 오른쪽 그림은 IC 내부의 블록도와 주변 회로 예입니다. 제어는 전류 모드의 PWM 제어입니다. 큰 특징으로는 출력 파워 트랜지스터를 내장하고, 전원 회로로서 필요한 대부분의 보호 기능을 집적했다는 점입니다. 상세 내용 설명을 위해 특징과 메리트를 하기 표에 정리하였으므로 참조하여 주십시오. BM2Pxxx 시리즈의 특징을 거의 망라한 내용입니다.

BM2Pxxx 시리즈의 특징과 메리트

・로옴의 독자적인 650V Super Junction MOSFET 내장	→	고효율과 소형화
・전류 모드 PWM 제어, 사이클 별 과전류 제한 기능	→	부하 과도 응답의 고속화
・스위칭 주파수 65kHz	→	스위칭 손실과 주변 부품 사이즈의 양호한 밸런스
・낮은 동작전류 500～950μA (typ. 기종에 따라 달라짐)	→	저소비전력
・Burst 동작전류 400μA (typ. 공통)	→	경부하 시, 대기 시의 효율 저하 방지
・경부하 시 burst 동작	→	경부하 시, 대기 시의 효율 저하 방지
・650V 기동 회로 내장	→	경부하 시, 대기 시 전력 저감, 고속 기동
・VCC 단자 저전압 보호 및 과전압 보호	→	출력전압의 과전압 보호, 기타 외장 부품 오픈 보호
・소스 단자 오픈 보호 및 쇼트 보호	→	내장 MOSFET의 파괴 방지. 쇼트 보호는 로옴 유일
・브라운아웃 (BR) 기능	→	AC 전압 저하 보호
・2차측 과전류 보호회로	→	과부하 보호
・소프트 스타트	→	고효율과 소형화
・DIP7 패키지와 더불어 소형 표면 실장 SOP8 패키지 구비	→	소형화, 저전력 제품은 더욱 소형화
・총 24기종 라인업	→	설계 자유도 향상

이러한 기능 및 특징은 1) 고효율일 것, 2) 저소비전력일 것, 3) 대기 시 전력이 작을 것, 4) 소형화에 기여할 것을 목적으로 합니다.

－말씀하신 4가지 목적은 AC-DC 컨버터의 과제와 직결되는 것 같은데, 순서대로 키 포인트를 설명해 주십시오.

먼저 고효율의 경우, 내장된 출력 트랜지스터가 로옴의 독자적인 Super Junction MOSFET (이하, SJ MOSFET)인 것이 키 포인트입니다. 효율 면에서는 범용 MOSFET에 비해 ON 저항이 대폭 낮고, 고속 스위칭이 가능하여 도통 손실과 스위칭 손실이 모두 크게 개선되었습니다. 스위칭 주파수는 스위칭 손실에 관련되며, 고속일 경우 소형 주변 부품을 사용할 수 있지만, 효율이 악화되기 때문에 양쪽의 균형이 맞도록 설정하였습니다.

실제로 SJ MOSFET의 채용은 소형화에도 관련되는 핵심 포인트이므로, 추후에 자세하게 설명하도록 하겠습니다.

－두번째로 저소비전력에 대해 설명해 주십시오.

그럼 세번째의 대기 시 전력도 같이 설명하겠습니다. BM2Pxxx 시리즈의 동작 시의 자기 소비전류는 기종에 따라 달라지지만, 500μA~950μA (typ.)이며, 출력 트랜지스터 내장형 AC-DC 컨버터용 IC로서는 상당히 낮게 억제되어 있습니다.

－라인업은 24기종이라고 하셨는데, 동작전류의 차이는 무엇에 관계됩니까?

이것은 자기 소비분이므로, 물론 효율에 관계됩니다. Burst 시 (경부하 시 및 대기 시의 동작 모드), 동작전류는 기종에 관계없이 400μA (typ.)입니다. 부하 전류가 큰 경우의 효율은 출력 트랜지스터의 손실에 크게 영향을 받지만, 대기 시를 포함한 경부하 시에는 자기 소비분이 효율에 지배적인 영향을 미칩니다.

다시 말하자면, 저소비전력이란 부하의 모든 영역에 걸쳐 고효율, 즉 저손실 동작의 가능 여부, 그리고 그 중에서도 대기 시, 경부하 시에는 통상적인 동작전류일 경우 효율이 뚜렷이 저하되므로 경부하 시의 동작전류를 낮출 수 있는 방법을 취할 필요가 있습니다.

－구체적으로는 어떤 기능입니까?

경부하 시 burst 동작이라는 항목에 해당됩니다. 간단히 말하자면, burst 동작은 경부하 시에 동작을 정지하고 부하 전류가 필요할 때만 동작함으로써, 동작전류를 삭감합니다.

－마지막으로 소형화에 대해 설명해 주십시오.

소형화에는 2가지 면에서 대응하고 있습니다. 첫번째는 IC 자체를 작게 하는 것, 두번째는 주변 부품을 포함한 회로 전체의 면적을 소형화하는 방법입니다.

－IC 패키지에서, DIP7이 25W를 커버합니다. 이 DIP7 패키지도 충분히 작다고 생각합니다만, 더욱 작은 표면 실장의 SOP8 패키지가 구비되어 있군요.

그렇습니다. SOP8이 커버하는 것은 8W까지이지만, 타사 제품은 이 출력전력의 경우에도 DIP7 또는 DIP8 패키지입니다. 이유는 여러가지가 있겠지만, 8W를 커버할 수 있는 출력 트랜지스터와 제어, 보호회로를 포함한 칩을 SOP8 패키지에 다 탑재할 수 없을 가능성이 있습니다. BM2Pxxx 시리즈는 로옴의 독자적인 SJ MOSFET를 탑재하였습니다. 사이즈 당 ON 저항이 작아, 동일 전력에 대응하는 칩 사이즈를 작게 할 수 있습니다. 이러한 우위성을 이용하여, SOP8 패키지 라인업을 구비할 수 있었습니다.

－실제로 SOP8의 경우 어느 정도 소형화되는 건가요?

IC가 필요로 하는 실장 면적의 경우 절반에 가까운 47%를 삭감할 수 있습니다.

－그럼 주변 부품을 포함한 회로 전체의 소형화는 어떻습니까?

회로 전체의 소형화는, IC의 집적률을 높임으로써 외장 부품 수를 줄이는 것과, 제어 특히 스위칭 주파수를 높임으로써 소형 외장 부품을 사용할 수 있도록 하였습니다.

우선, 출력 트랜지스터를 내장하고 있기 때문에, 그에 해당하는 부품이 1개 줄어듭니다. 그리고, 전원으로서 필요한 대부분의 보호 기능을 탑재하고 있으므로, 보호를 위한 회로 및 부품이 거의 필요하지 않습니다. 만약, BM2Pxxx 시리즈에 탑재된 보호 기능을 모두 외장 부품으로 구성한다면 저항, 콘덴서, OP Amp, 콤퍼레이터 등 상당히 많은 부품 수와 면적이 필요하며, 기능에 따라서는 실장이 어려운 것도 있을 것입니다. 무엇보다 설계의 공수와 소요 시간을 생각하면 매우 번거로울 것입니다.

스위칭 주파수에 관해서는 스위칭 손실이 작고 고속 스위칭이 가능한 SJ MOSFET를 채용함에 따라, 효율을 유지함과 동시에 비교적 빠른 스위칭 주파수를 설정할 수 있습니다. 이에 따라 트랜스 및 출력 콘덴서를 다소 작은 제품으로 사용할 수 있게 됩니다.

－그러면, SJ MOSFET 내장이 과제 해결에 크게 기여했다고 할 수 있겠네요.

그렇습니다. 물론 그것뿐만은 아니고, 전체로서 고전압을 취급하는 것 이외에는 최신 DC-DC 컨버터와 동등한 저소비전력과 보호회로 탑재, 그리고 고속 과도 응답 특성을 지닌 점도 AC-DC 컨버터로서는 커다란 진보라고 할 수 있습니다.

▶ BM2Pxxx 시리즈 설계 구입 서포트