MOSFET를 내장한 고효율 AC-DC 컨버터 IC BM2Pxxx 시리즈：독자적인 Super Junction MOSFET가 열쇠

－앞에서 BM2Pxxx 시리즈에 「Super Junction MOSFET (이하, SJ MOSFET)」를 내장함에 따라 고효율, 저소비전력, 낮은 대기전력, 소형이라는 4가지 과제의 해결에 기여했다는 언급이 있었습니다. 그럼 SJ MOSFET가 해결에 기여하는 과제에 대해 다시 한번 정리해 주십시오.

첫번째는 효율 개선이고, 두번째는 소형화입니다.

－그럼 먼저 SJ MOSFET를 사용하면 효율이 개선되는 이유는 무엇인가요?

먼저 SJ MOSFET에 대해 간략히 설명하겠습니다. 기존형 MOSFET는 Planar 구조라는 평면적인 구조이지만, SJ MOSFET는 구조가 다릅니다. 물론 불순물 농도 등 세세한 차이점도 있지만, 이러한 구조적 차이점으로 인해, SJ MOSFET 쪽이 ON 저항 R_DS(ON)과 게이트 전하량 Qg를 대폭 저감할 수 있습니다.

물론 타사에도 SJ MOSFET가 있지만, BM2Pxxx 시리즈에 내장한 SJ MOSFET는 로옴의 독자적인 개발을 통해, 650V의 고내압을 실현함과 동시에 저 ON 저항과 낮은 게이트 전하를 실현하고, 스위칭도 매우 고속인 제품입니다. 이는 스위치, 즉 MOSFET의 도통 손실과 스위칭 손실을 모두 크게 개선합니다. 이 두가지 손실을 저감함으로써 효율이 개선되는 것입니다. 또한, 손실이 적으면 발열이 적으므로, 이용 가능한 IC 패키지의 종류 및 사이즈에도 관련이 있습니다.

－그렇다면, 두번째의 소형화로도 이어지는 것이군요.

일반적으로 MOSFET의 ON 저항은 소자 사이즈에 크게 의존합니다. 이는 Planar MOSFET, SJ MOSFET 모두 동일합니다. 즉, ON 저항을 낮추고자 할 경우, 소자 사이즈를 크게 하면 해결됩니다. 그렇지만 현재의 상황에서 소자를 크게 하는 것이 해결책이 될 수는 없습니다.

SJ MOSFET는 ON 저항이 작다고 했는데, 정확히 말하자면 면적 당 ON 저항이 작은 것이므로, “Planar MOSFET와 동일한 면적일 경우 ON 저항이 작다” 또는 “동일한 ON 저항일 경우 면적이 작다”고 할 수 있습니다. 전력 면에서 말하자면, 동일 면적일 경우 큰 전력을 사용할 수 있으며, 동일한 전력일 경우 작은 사이즈의 패키지를 채용할 수 있습니다. 이를 요구나 목적에 따라 분류하여 사용합니다.

－앞에서 사용 전력에 따라 한층 더 작은 패키지를 사용할 수 있다고 설명하셨는데요.

네. 맞습니다. 로옴의 SJ MOSFET는 소자 사이즈에 대한 ON 저항이 매우 작으므로, 소형 SOP8 패키지에 탑재 가능한 칩 사이즈로, 4Ω이라는 매우 작은 ON 저항을 실현하였습니다. 이에 따라, SOP8로 업계 최초의 8W라는 고전압 밀도를 달성할 수 있는 것입니다.

8W까지 커버하는 타사의 IC는 DIP7이나 DIP8 패키지이므로, 25W를 커버하는 패키지와 동일합니다. 일반적으로 8W 이하의 어플리케이션은 25W의 어플리케이션보다 소형인 경우가 많습니다. 소전력 어플리케이션의 경우, 소형 패키지의 IC를 사용하고자 하는 엔지니어의 욕구는 당연하다고 생각합니다. 이에 대한 대응으로서, SJ MOSFET가 크게 기여하고 있는 것입니다.

－그런데, AC-DC 컨버터는 다른 부품들도 꽤 크지 않나요?

그 부분에 대해서는 앞에서도 조금 언급한 바와 같이, SJ MOSFET의 고속 스위칭 성능이 효과를 발휘합니다.

기본적으로 스위칭 주파수를 높이면, 작은 용량의 인덕터 / 트랜스 및 출력 콘덴서를 사용할 수 있습니다. 값이 작아지면 일반적으로 물리적 사이즈도 작아집니다. 즉, 스위칭 주파수를 높이면, 외장 부품은 반비례하여 작아집니다. 실제로 DC-DC 컨버터에서는 10MHz에 달하는 고속 스위칭 IC가 있으며, 매우 작은 부품 구성으로 소형 휴대기기의 전원으로서 이용되고 있습니다.

－그럼, BM2Pxxx 시리즈도 MHz대의 고속 스위칭이면 해결되는 것 아닌가요?

말씀하신 대로 확실히 작아지기는 하겠지만, 스위칭 속도를 높이면, 효율이 저하된다는 단점이 있습니다. 앞서 예로 든 DC-DC 컨버터의 경우는 취급 전력도 매우 작고, 다소 효율을 희생하더라도 소형이 가장 중시되는 어플리케이션이기 때문에 가능한 것입니다. 흔히 말하는 트레이드 오프 관계라고 할 수 있습니다.

효율 저하는 스위칭 손실이 원인입니다. 그러나 내장된 SJ MOSFET는 고속 스위칭이 가능하다기 보다는, 스위칭 손실이 작으므로 고속에서 사용이 가능한 것입니다. 따라서, 대전력을 취급하면서 필요한 효율을 유지하여 과도한 스위칭 속도에서 작은 외장 부품을 사용할 수 있게 됩니다. 이 IC는 65kHz에서 최적화되어 있습니다.

－하기 사진의 평가 보드는 사이즈가 꽤 큰 부품으로 구성되어 있는데요…

이것은 BM2P094FEVK-001이라는 평가 보드로, BM2P094F라는 SO-8 패키지의 기종을 사용하고 있습니다. 출력은 5V / 1A로 5W입니다. 표면의 왼쪽 중앙 부분에 실장되어 있는 SO-8 패키지가 BM2P094F입니다. 실제로, 유니버셜 입력의 5W 출력 제품으로는 상당히 작은 사이즈입니다. 물론, 외장 부품은 수백V의 내압이 필요하므로, 이와 같은 사이즈가 되는 것입니다. DC-DC 컨버터와 비교하는 것은 조금 무리가 있다고 생각합니다.

－소형화에 대해서는 잘 알겠습니다. 효율에 대해 조금 더 구체적인 설명을 듣고 싶습니다.

효율에 대해서는 Energy Star의 규격에 대응 가능하다는 점이 BM2Pxxx 시리즈의 특징이기도 하므로 Energy Star의 업데이트도 함께 설명하겠습니다.

▶ BM2Pxxx 시리즈 설계 구입 서포트