스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란? : 인덕터편인덕터 및 전체 마무리

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

－지금까지 「스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?」이라는 테마로, 콘덴서와 인덕터에 관해 설명해주셨습니다. 그럼 마지막으로 인덕터편 전체를 정리하여 설명해주십시오.

콘덴서편

• 제1장：대용량화가 진행되는 적층 세라믹 콘덴서
• 제2장：전기적 사양뿐만 아니라, 재료와 케이스를 포함한 특성도 중요
• 제3장：입력 콘덴서 선택 시 리플 전류, ESR, ESL에 주목
• 제4장：출력 리플의 평가에서는 출력 콘덴서의 ESL에 주의!
• 제5장：출력 콘덴서의 ESR은 부하 감소 시 출력 변동에 크게 영향을 미친다
• 제6장：실장에 대한 과제 –크랙-
• 제7장：실장에 대한 과제 –링잉-
• 제8장：마무리

인덕터편

• 제1장：인덕터의 사양과 등가 회로의 이해
• 제2장：각종 파워 인덕터의 특징
• 제3장：전원 회로에서의 검토 사항
• 제4장：전원의 변천과 메탈 인덕터

－먼저 인덕터에 대해 정리해주십시오. 인덕터는 총 4장에 걸쳐 설명해주셨는데, 키 포인트를 순서대로 다시 한번 짚어 주십시오.

「제1장 : 인덕터의 사양과 등가 회로의 이해」에서는, 인덕터의 사양과 규격치의 이해를 목적으로, 표기되어 있지 않은 「함축된 의미」에 대해서도 설명하였습니다. 예를 들어, 직류 중첩 허용 전류라는 파라미터의 의미에 대해 이해하는 것이 기본이지만, 사양 항목의 명칭이 동일하다고 해도 제품 및 메이커에 따라 규정 조건이 동일하다고 할 수 없으므로, 인덕터 선택 시에는 주의하여 비교 검토할 필요가 있습니다.

또 하나 중요한 사항으로서, 사양을 이해하는 것 외에 인덕터의 기본 특성을 이해하기 위해, 등가 회로와 인덕터의 기생 성분에 대해 알아두어야 할 점을 하기 그림을 통해 설명하였습니다. 이는, 사양 항목과도 밀접한 관계가 있습니다.

－「제2장 : 각종 파워 인덕터의 특징」에서는, 스위칭 전원에 사용되는 인덕터의 종류와 특징에 대해 알아보았습니다.

최근, 권선 폐자로 (閉磁路) 타입과 적층 타입이 스위칭 전원 회로에서 주로 사용되고 있습니다. 권선 폐자로 타입은, 드럼 슬리브 구조와 슬리브리스 구조의 2종류가 있으며, 소형화와 포화 특성이 완만하다는 점에서 슬리브리스 구조의 인덕터가 많이 사용되는 경향이 있습니다. 적층 타입은 이전에는 스위칭 전원에는 사용되지 않았지만, 포화 특성과 인덕턴스의 증가 (수 µF 정도)에 따라 최근 MHz 대의 발진 주파수를 사용하는 스위칭 전원에 사용하게 되었습니다. 권선 타입보다 사이즈의 소형화가 가능하여 모바일기기의 전원에 적합합니다.

확인 사항으로서 말씀드리고 싶은 것은, 슬리브리스 타입은 그 구조로 인해 기계적 강도에 관한 과제가 있다는 점입니다. 당사에서는 기존의 수지를 보다 고경도의 수지로 변경함으로써, 강도를 높이는 대책을 마련하고 있지만, 현재 각 메이커에 따라 대책이 제각각이므로, 응력 및 온도에 대한 스트레스 시험 데이터를 입수하여 확인하는 것이 중요합니다.

－「제3장 : 전원 회로에서의 검토 사항」에서는, 인덕터의 특성이 스위칭 전원 회로에 미치는 영향에 대해 설명해주셨습니다.

여기에서는, 중요 검토 사항인 직류 중첩 허용 전류와 온도 상승 허용 전류가 강압 컨버터의 출력전류와 어떤 관계가 있는지 설명하였습니다. 또한, 인덕터 손실의 개념에 대해서도 설명하였습니다. 이러한 내용을 하기 5가지 항목으로 간단히 정리하였습니다.

• 직류 중첩 허용 전류의 최대치를 초과하면, 인덕터가 포화되어 인덕터의 피크 전류가 비정상적으로 커지게 되며, 그로 인해 효율의 저하 및 이상 동작이 발생한다. 최악의 경우, 전원 IC가 파괴될 가능성이 있다.
• 온도 상승 허용 전류보다 큰 전류를 흘리면 발열이 커져, 인덕터뿐만 아니라 주변 부품의 신뢰성도 저하될 가능성이 있다. 또한, 발열이 허용 범위를 초과하면 소손 (焼損)될 가능성도 있다.
• 인덕터의 손실 전력은 DC 손실 전력 ＋ AC 손실 전력이며, 경부하 시에는 AC 손실이, 중부하 시에는 DC 손실이 지배적이다.
• 스마트폰과 같이 대기 상태가 긴 기기는 AC 손실이 지배적인 상태가 되어, Rac가 큰 경우, 배터리 소모가 가속화될 가능성이 있으므로 주의가 필요하다.
• Rac는 규격치 표에 기재되어 있지 않은 경우가 대부분이므로, Rac의 정보가 필요한 경우에는 각 메이커에 문의하는 것이 좋다.

－마지막으로, 최근 주목받고 있는 메탈 인덕터에 대해 알아보았습니다.

「제4장 : 전원의 변천과 메탈 인덕터」에서는 최근의 IC 전원전압의 「저전압 대전류화」라는 추세에 따른 메탈 인덕터의 우위성에 대해 설명하였습니다. 메탈 인덕터가 저전압 대전류화와 소형화 요구에 적합한 이유는 하기와 같은 배경과, 시장 요구를 파악하여 성능을 향상시켰기 때문입니다.

• 대전류를 공급하기 위해서는 인덕턴스는 작아야 한다.
• 이를 위해서는 스위칭 전원의 스위칭을 고속화해야 한다.
• 인덕턴스가 작으면 인덕터의 사이즈도 작아진다.
• 메탈 인덕터는 직류 중첩 허용 전류가 높고 포화도 매우 완만하여, 동일한 직류 중첩 허용 전류 시 페라이트보다 사이즈의 소형화가 가능하다.
• 메탈 인덕터의 메탈 재료는 투자율 (透磁率)이 낮고 인덕턴스를 크게 하기 어렵지만, 실제로는 4.7µH 정도를 실현했다.

메탈 인덕터를 사용함에 있어서 확인해야 할 사항이 있습니다. 매우 소형이며 포화 특성도 우수한 메탈 인덕터이지만, 고온에서 절연이 열화된다는 과제가 있습니다. 일반적인 메탈 인덕터는 메탈 합성 타입이라고 하며, 유기물 수지에 의해 철 성분 간의 절연을 형성합니다. 이 수지가 고온으로 인해 열화됨에 따라 절연 열화가 발생하여 Q가 대폭 저하되므로, 전원으로서의 효율이 대폭 저하됩니다. 이에 따라 발열이 더욱 증가한다는 악순환에 빠질 가능성이 있습니다.

당사의 경우, 금속의 분체 (粉体)가 각각의 절연 산화막을 지닌 독자적인 재료를 개발함으로써 절연에 대한 문제를 해결하였습니다. 동시에, 메탈 합성보다 높은 투자율 = 높은 인덕턴스를 달성한 「MCOIL™」 라인업을 제공하고 있습니다.

마지막으로, 메탈 인덕터와 페라이트 인덕터의 사용에 따른 분류에 대해 설명하겠습니다. 인덕턴스가 5µH 정도까지라면, 메탈 인덕터의 우수한 특성을 이용함과 동시에 사이즈 면에서도 유리합니다. 그 이상의 인덕턴스에서는 페라이트 쪽이 선택지가 됩니다. 이러한 의미에서 MCOIL은 현재 4.7µH까지의 라인업을 구비하고 있습니다.

－콘덴서와 마찬가지로, 자료 및 홈페이지에서는 얻을 수 없는 정보 및 요점을 많이 접할 수 있어 매우 유익했습니다. 그럼, 콘덴서를 포함하여 전체적으로 마무리를 부탁드립니다.

유익했다니 다행입니다. 엔지니어로서 말씀드리고 싶은 것은, 데이터시트의 사양 및 규격치를 확실히 파악할 필요가 있다는 것은 물론이거니와, 그 바탕이 되는 전압 / 전류 및 온도에 대한 기본 특성과 등가 회로를 사용하여 설명한 기생 성분을 제대로 이해하고 직접 확인한다면, 설계 시의 디버그나 트러블에 대처할 수 있을 것으로 생각됩니다. 당사는 다양한 기술 서포트를 제공하고 있으므로, 문의 사항에 대해서는 별도로 상담하여 주십시오.

※본 기사는 2016년 10월 시점의 내용입니다.