엔지니어 인터뷰

업계 최고 수준의 80V 고내압과 고효율을 실현한 DC-DC 컨버터：고내압만으로는 유저의 과제를 해결할 수 없다

2018.08.23

－그럼, BD9G341AEFJ에 대해 구체적으로 물어보겠습니다. 우선, 개요에 대해 설명해 주십시오.

BD9G341AEFJ가 내장된 MOSFET는, Nch로 정격이 80V/3.5A입니다. 변환 방식은, 다이오드 정류 또는 비동기정류라는 강압 방식입니다. 저항과 콘덴서, 쇼트키 배리어 다이오드, 그리고 인덕터라는 적은 외장 부품으로, 간단히 고성능의 고내압 DC-DC 컨버터를 구축할 수 있습니다.

전류 모드 제어이므로, 위상보상이 간단하고 고속 과도 응답을 얻을 수 있습니다. 스위칭 주파수는 50kHz~750kHz 범위에서 설정 가능하며, 사이즈와 효율의 최적화가 가능합니다. 또한, 최근 DC-DC 컨버터에 탑재되는 대부분의 보호 기능을 구비하고 있습니다.

하기의 특징 및 사양, 응용 회로 예를 참고하여 주십시오.

・정격 80V/3.5A, Ron 150mΩ의
Nch MOSFET 내장
・최대 출력전류 : 3A
・입력전압 범위 : 12V~76V
・출력전압 범위 : 1.0V~입력전압
・스위칭 주파수 (가변) : 50kHz~750kHz
・기준전압 : 1.0V±1.5% (25℃)
±2% (모든 온도 범위)

・고정밀도의 EN threshold ±3%
・소프트 스타트 기능
・스탠바이 기능
・과전류 보호 (OCP),
저전압 입력 오동작 방지 (UVLO),
온도 보호회로 (TSD),
과전압 보호 (OVP) 탑재
・동작온도 범위 : -40℃~+85℃
・패키지 : HTSOP-J8 (4.9×6.0×1.0mm）

－고내압 제품이라서 뭔가 특별한 점이 있다고 생각했는데, 매우 단순한 구성이군요.

일반적으로 고내압 DC-DC 컨버터는, 고내압 MOSFET를 외장한 회로 구성을 채택함으로써 고내압을 실현하는 경우가 많지만, BD9G341AEFJ는 MOSFET를 내장함으로써, MOSFET의 선택 작업 등을 생략할 수 있습니다. 실장 면적은, 외장 MOSFET가 없는 만큼, 작아집니다. 고내압뿐만 아니라, 최신 DC-DC 컨버터 IC로서 필요한 요소를 포함시킨 IC입니다.

－고내압 이외에도 어떤 요소가 있나요?

BD9G341AEFJ는 4가지의 키워드를 바탕으로 개발되었습니다.

1. 업계 최고 수준의 80V 고내압을 실현한다.

2. 80V 수준의 DC-DC 컨버터로 업계 최고 효율을 달성한다.

3. 파괴를 방지하여 안전성을 높인, 보호 기능을 통해 기기의 신뢰성을 향상시킨다.

4. 소형 패키지와 외장 부품 삭감을 통해 실장 면적의 절약화와 설계 간소화에 기여한다.

－MOSFET 내장 80V 내압의 실현은 어려운 것인가요?

초반에 조금 설명드렸습니다만, 80V 고내압은 로옴이 가진 세계 최첨단 파워계 프로세스인 0.6µm의 고내압 BiCDMOS를 통해 실현하였습니다. 이러한 고도의 제조 프로세스를 보유하고 있지 않으면 제조할 수 없습니다. 실제로, 시장의 고내압 제품이 80V에 미치지 못하는 점을 보아도 알 수 있습니다. 텔레콤 및 산업기기 분야에서의 48V계 입력전압까지 제대로 대응하기 위해서는 80V 내압이 필요합니다. 80V 내압이라면, 돌발적인 서지 등에 대해서도 큰 마진을 얻을 수 있으므로, 전원 조건이 까다롭고, 높은 가용성이 요구되는 어플리케이션의 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

－효율 측면에서 볼 때, 높은 입력전압에서 저전압으로 강압하는 조건에서는 효율이 나빠진다고 들었습니다만.

일반적으로, 고내압 대응 DC-DC 컨버터의 경우 소자 특성 및 회로 구성 등의 관계로부터, 저전압용보다 효율이 떨어지는 경우가 많습니다. 또한, 48V에서 5V와 같은 강압비가 높은 조건에서는, 12V에서 5V와 같은 조건에 비해 효율이 저하됩니다. BD9G341AEFJ는 유사한 IC와 비교해 봤을 때, 최대 19%, 정상 상태에서 1.5%의 효율 개선이 가능합니다. 오른쪽 그래프는, 발진 주파수 300kHz, 입력전압 48V, 출력전압 5V에서의 그래프입니다.

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－파괴 방지, 안전성 향상은 고전압에 대응하는 경우에도 중요하군요.

고전압 대응이 전제이므로, 보다 안전한 보호 기능을 지닐 필요가 있다고 판단하여, 출력 단락 보호에 독자적인 hiccup 방식을 탑재하였습니다. 통상적인 출력 단락 보호는, 보호 기능이 동작하지만, 과열 상태가 되어 최종적으로는 파괴에 이르는 경우가 있습니다. BD9G341AEFJ의 보호 기능은, 셧다운과 복귀를 주기적으로 실행하여, 발열을 억제하면서 장해가 배제되면 자동으로 복귀됩니다. 이러한 방법을 통해, 전원의 파괴를 방지하여, 어플리케이션의 신뢰성 향상이 가능한 것입니다.

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－네번째는 최근 필수 과제인 소형화와 설계의 간소화에 대한 내용입니다.

80V의 고내압 MOSFET를 비롯하여, 게이트 드라이브용 승압 다이오드 등, 일반적으로는 외장 부품이었던 것을 가능한한 내장함으로써, 외장 부품은 최소한으로 사용합니다. 유사품은 외장 부품이 17개 정도이지만, BD9G341AEFJ는 12개입니다. 또한, 고집적도를 실현하면서 소형 8 pin HTSOP-J8 (4.9×6.0×1.0mm) 패키지에 칩을 내장할 수 있습니다. 결과적으로, 실장 면적의 삭감과 동시에, 설계 및 평가도 매우 간단해집니다. 특히 MOSFET가 내장됨으로써, MOSFET의 선택 및 평가 작업이 대폭적으로 줄어, 제품의 시장 투입까지의 시간이 단축됩니다.

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－마지막으로 정리하여 주십시오.

텔레콤 및 산업기기 시장의 요구에 대해, 기존의 고내압 DC-DC 컨버터 IC로는, 안전한 마진을 가진 전원 구축이 어려웠습니다. 그에 반해, 로옴은 80V라는 업계 최고 수준의 내압을 달성한 IC를 개발하여, 고내압 DC-DC 컨버터 IC 시장에 진입하였습니다. 이는, 유저가 고내압 DC-DC 컨버터 IC를 선택함에 있어서, 선택지가 늘어났다고 할 수 있겠습니다.

단, 최근의 소형 · 저전력에 대한 요구와 제품을 시장에 투입시키기까지의 시간을 단축하는 것에는 반드시 대응할 필요가 있습니다. 단순히 「80V 고내압」만으로는, 유저의 불만과 과제를 해결하지 못한다는 생각으로 BD9G341AEFJ를 개발하였습니다.

현재, 고내압 DC-DC 컨버터 라인업을 확충하는 파생품 개발을 전개하고 있으므로, 향후 많은 기대 부탁드립니다.

※본 기사는 2016년 5월 시점의 내용입니다.