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엔지니어 인터뷰

차량용 세컨더리 전원으로 개발된 동기정류 강압 DC/DC 컨버터

LDO와 동등한 부품수 및 실장 면적으로,
효율과 공급 전력 대폭 향상

BD9S 시리즈 –제2장–

주목 키워드
  • 신뢰성
  • 효율
  • 외장 부품
  • 실장 면적
  • 소형
  • 간단한 설계

-그럼, BD9S 시리즈의 특징에 대해 알려주십시오.

단적으로 말하자면, 고효율, 소형, 적은 외장 부품, 간단한 설계라고 할 수 있습니다. 물론, 오토모티브 대응이라는 점도 빼놓을 수 없습니다. 그럼, 조금 더 자세히 설명하겠습니다.

먼저 말씀드리고 싶은 것은 외장 부품이 놀라울 정도로 적다는 점입니다. 전압 설정 저항, 파워 트랜지스터, 위상보상 회로를 IC에 내장함으로써, 필요한 외장 부품은 입력 콘덴서, 인덕터, 출력 콘덴서로 단 3개뿐입니다. 또한, 2.25MHz라는 고속 스위칭이므로, 입출력 콘덴서는 10μF~47μF의 소용량 및 소형 제품을 사용할 수 있습니다.
인덕터 역시 1.5μH로, 매우 작은 제품을 사용할 수 있습니다. 「소형」이라는 특징과도 연결되지만, IC 자체의 패키지도 기존품 대비 체적을 약 80% 삭감한 HTSOP-J8 패키지를 채용하였습니다.
사이즈는 6.0mm×4.9mm, 높이는 최대 1.0mm입니다. 여기에 외장 부품을 추가한 실장 면적은 약 225mm2이므로, 예를 들어 15mm×15mm의 면적에 실장이 가능합니다.

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-사이즈에 대한 비교 예를 들어주시면, 이해가 더 쉬울 것 같습니다.

기존의 동등 DC/DC 컨버터의 경우 외장 부품이 15개 정도 필요했지만, 본 제품은 단 3개만으로 대응이 가능합니다. 이러한 사실만으로 부품수가 매우 적다는 점을 알 수 있습니다. 실장 면적의 경우 400mm2 정도 필요했지만, 50% 정도로 저감됩니다.

좀더 알기 쉬운 예를 들어보겠습니다. 실제로 세컨더리 전원으로는 LDO, 즉 저손실 리니어 레귤레이터가 아직 많이 사용되고 있습니다.
일반적인 LDO의 경우, 외장 부품은 입출력 콘덴서의 2개로, 표준 실장 면적은 225mm2 정도입니다. 따라서 앞서 설명한 바와 같이 BD9S 시리즈는 LDO와 거의 동일한 면적에 실장이 가능한 것입니다. LDO를 대체하여 사용하는 경우, 인덕터가 1개 추가되기는 하지만 실장 면적에는 변화가 없습니다.

또 하나 중요한 점으로, 이 정도의 사이즈로 공급 가능한 LDO의 출력전류는 최대 1A정도입니다. 이는 발열의 문제가 있기 때문입니다. BD9S 시리즈는 효율이 높으므로, 동일 사이즈로 3A의 출력전류를 공급할 수 있습니다.

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-어느 정도의 효율을 기대할 수 있을까요?

먼저, BD9S 시리즈는 동기정류 방식의 DC/DC 변환을 채용하고 있습니다. 일반적으로 선택 가능한 DC/DC 변환 방식에서 가장 높은 효율을 얻을 수 있는 방식입니다.

BD9S 시리즈의 실제 효율에 대해서는 그래프를 통해 설명하겠습니다. 이 그래프는 1.5V / 3A 출력의 BD90535EFJ-C의 부하전류에 대한 효율로, 입력전압 3.3V와 5V의 조건에서 Light Load MODE (경부하 모드)와 PWM MODE (PWM 고정 모드)의 비교입니다.

이 조건에서의 최대 효율은 그래프에서 Light Load MODE 시에는 93% 전후, PWM MODE 시에는 88% 전후로, 양쪽 모두 부하전류는 450mA 정도일 때입니다. 굳이 LDO의 효율을 언급하자면, 1.5V 출력이므로, 5V 입력 시에는 30%, 3.3V 입력 시에는 45%입니다.

-Light Load MODE와 PWM MODE에서, 경부하 시의 효율이 많이 다른가요?

제어 방법과 목적이 모두 다릅니다. Light Load MODE는 부하전류에 큰 변동, 예를 들어 풀 부하와 대기 상태가 있는 경우, 모든 영역에서 최고의 효율을 제공합니다. 단, 이를 위해서는 경부하 시 간헐 스위칭 동작이 필요합니다.

-구체적으로 설명해 주십시오.

부하가 클 때는 고정 주파수의 PWM 동작을 하고, 부하가 작아지면 간헐 동작으로 전환합니다.
큰 부하전류를 필요로 하지 않는 경우에는, 간헐 동작을 통해 필요한 만큼의 전력만을 공급합니다. 이는 저부하 시에도 고효율을 유지하므로, 특히 대기 시간이 긴 어플리케이션에 효과적입니다.
그러나, 저부하 시에는 스위칭 주파수가 변화됨에 따라 발생되는 스위칭 노이즈의 주파수가 일정하지 않게 되므로, 노이즈에 민감한 어플리케이션에서는 S/N에 악영향을 미치는 요인이 됩니다.

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-그래서 PWM 고정 동작이 있는 건가요?

그렇습니다. PWM 고정 동작을 선택하면, 경부하 시에도 간헐 동작하지 않습니다. 즉, 동일한 간격으로 계속 동작하게 됩니다. 따라서, 동작하지 않아도 되는 경부하 시에도 계속 동작하므로 효율이 악화되는 반면, 발생하는 스위칭 노이즈는 동일한 주파수 성분이므로, 노이즈 처리가 비교적 용이해집니다.
즉, 어플리케이션의 요구가 “효율”이라면 Light Load MODE를, “노이즈 저감”이 중요하다면 다소 효율을 희생하더라도 PWM MODE를 선택하여 사용하는 것이 좋습니다.

-지금까지 설명해주신 내용을 종합해보면, BD9S 시리즈는 실장 면적이 LDO와 거의 동일하며, 부품수의 경우 인덕터가 1개 추가될 뿐이고, 효율도 확실이 높기 때문에 보다 큰 전력 공급이 가능하다는 거군요.
그렇지만, 스위칭 레귤레이터의 경우, 설계가 까다롭지 않은가요?

말씀하신대로, 기존의 스위칭 레귤레이터는 외장 부품이 많다는 점에서 정수 계산 등 다소 설계가 까다로운 것이 사실입니다.
그러나, BD9S 시리즈는 외장 부품이 단 3개만 필요합니다. 그리고, 권장 부품과 기판 레이아웃을 제공하고 있으므로, 설계가 용이합니다. 정말 LDO와 동일한 감각으로 설계가 가능할 정도로 간단합니다.

-그 이외에 키 포인트가 있으면 알려주십시오.

앞서, 오토모티브라는 관점에서, AEC-Q100 대응 및 동작온도, 관리 체제, 그리고 세컨더리 전원의 유효성에 대해 설명했습니다. 한가지 덧붙이자면, 신뢰성이라는 의미에서 추가로 설명하고 싶습니다.

기기의 신뢰성은 부품의 고장률 및 MTBF의 총합이라고 할 수 있습니다. 간단히 말하자면, 부품의 신뢰성이 동일할 경우, 부품이 적을수록 신뢰성이 높아집니다. 실장 면적, 비용, 설계의 용이성을 전면에 내세워 설명했지만, 자동차라는 신뢰성이 매우 중요시되는 어플리케이션에 대해서는, 성능을 향상시키면서 부품수를 줄이는 것이 신뢰성 향상에 기여한다는 점을 기억해 주십시오.

※본 기사는 2018년 10월 시점의 내용입니다.

차량용 세컨더리 전원으로 개발된 동기정류 강압 DC/DC 컨버터

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