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엔지니어 인터뷰

48V에서 3.3V로 직접 강압 가능한 DC/DC 컨버터 IC Part 1

48V에서 3.3V로 직접 강압은 불가능?

주목 키워드
  • 최소 ON 시간
  • 9ns
  • 48V 하이브리드 시스템
  • BD9V100MUF-C
  • 듀티 사이클
  • 강압비가 높다
  • AM 대역
  • 2MHz
  • 안전 마진

로옴은 자동차 및 산업기기 등에서 수요가 높아지고 있는 48V 등의 높은 입력전압에서 3.3V와 같은 저전압으로 직접 강압할 수 있는 DC/DC 컨버터 IC 「BD9V100MUF-C」를 개발하여, 제공하고 있습니다. 기존의 고내압 DC/DC 컨버터 IC의 경우, 48V를 넘는 고전압을 입력할 수는 있지만 그 대부분이 강압비의 제한을 받아, 3.3V는 물론 5V로 강압하는 것도 어려웠습니다. BD9V100MUF-C는 강압비를 제한하는 파워 스위치의 최소 ON 시간을 업계 최소인 9ns까지 단축함으로써, 이러한 과제를 해결하였습니다. BD9V100MUF-C의 개발 배경과 특징에 대해 알아보기 위해, 로옴 주식회사 어플리케이션 엔지니어인 시바코 다카노부씨를 인터뷰하였습니다.

-「48V에서 3.3V로 직접 강압 가능한 DC/DC 컨버터 IC」를 캐치프레이즈로 내세우는 「BD9V100MUF-C」가 주목을 받고 있는 것 같습니다.

네, 2017년 4월에 발표한 후, 많은 문의가 있었습니다.

-우선 「48V」라는 전압치는, 어떤 배경이 있어서 전면에 내세우고 있는 것인가요?

48V 전용이라는 오해의 소지가 있으므로, 서두에 확실히 해두고자 합니다. BD9V100MUF-C의 입력전압은 최대정격이 +70V이며, 권장 동작전압은 +60V입니다. 그리고, 최소 ON 시간이 업계 최소인 9ns라는 것이 키 포인트입니다. 사양면에서만 캐치프레이즈를 만든다면 「60V 입력」이라고 표현해야 하겠지만, BD9V100MUF-C의 개발 배경 중 하나로서, 자동차 분야에서 48V 전원 시스템의 하이브리드 카에 주목하고 있기 때문에 「48V」를 내세우고 있는 것입니다.

-개인적으로는 텔레콤 48V를 연상했는데, 자동차기기였군요.

물론, 텔레콤 48V에도 대응이 가능하며, 타겟 어플리케이션에도 포함되어 있습니다. 그러나, 자동차 어플리케이션은 로옴의 주력 분야 중 하나이며, 자동차의 에너지 절약화에는 특히 높은 관심을 가지고 있습니다.

-그럼, 고내압 DC/DC 컨버터로서, 자동차의 48V 하이브리드 시스템과의 관련성에 대해 설명해 주십시오.

48V 하이브리드 시스템이 주목을 받는 것은, 기존의 12V 시스템에 비해 연비 개선 효과가 높기 때문입니다. 이 시스템에서는 48V가 자동차기기에 대한 근본적인 공급 전원이 됩니다. 잘 아시겠지만, 자동차기기의 전자 회로 전원은 5V나 3.3V 등의 저전압이므로, 기존의 12V 시스템에서는 일반적으로 12V에서 5V나 3.3V로 강압하여 사용하고 있습니다. DC/DC 컨버터에는 자동차기기에 대응하는 내압 40V 전후의 강압 DC/DC 컨버터가 사용되는 경우가 많을 것이라고 생각합니다만, 48V 시스템에서는 48V에서 5V나 3.3V로 강압하여 사용하게 됩니다.

-그렇다면, 지금까지 사용해온 내압이 40V 전후인 DC/DC 컨버터를 사용할 수 없게 되겠군요. 그런데, 종류가 그다지 많지 않아도 내압이 60V 이상인 강압 컨버터도 있는 것으로 알고 있습니다. 로옴에서도 이전에 80V 내압의 강압 컨버터를 발표했었던 것으로 기억합니다만…

BD9G341AEFJ를 말씀하시는 것이군요. 말씀하신대로, 입력 내압만으로 생각한다면, 48V 입력이 가능한 강압 컨버터 IC는 존재합니다. 그러나, 48V에서 특히 3.3V로 강압할 수 있는지의 여부를 생각하면, 이러한 IC가 대응 가능한 강압비의 관계에 따라, 기본적으로 기존의 DC/DC 컨버터 IC는 2MHz 발진 주파수일 때, 48V에서 직접 3.3V로 강압할 수 없습니다.

-「대응 가능한 강압비」라는 의미에 대해 자세히 설명해 주십시오.

강압 DC/DC 컨버터는 스위칭 1주기 동안에, 스위치가 ON되어 있는 시간에만 입력을 출력으로 전송함으로써 강압을 실행합니다. 간단히 말하자면, 10V 입력을 50%의 듀티 사이클, 즉 ON 시간 50%, OFF 시간 50%로 스위칭하면, 출력은 절반인 5V가 됩니다. 여기까지 이해가 되십니까?

-네, 이해됩니다.

그러면, 10V를 3.3V로 출력하기 위해서는 ON 시간이 33%인 듀티 사이클로 스위칭하면 된다는 것도 이해되십니까? 이러한 입력전압에 대한 출력전압의 비율을 강압비라고 하며, 강압분의 전압이 커질수록 「강압비가 높다」고 표현합니다. 반대로 말하면, 출력전압이 작을수록 강압비가 높다고 할 수 있습니다. 그럼 48V에서 3.3V로의 강압은 듀티 사이클로 나타내면 3.3V÷48V≒6.9%이므로, 약 93%의 강압이 되어 일반적으로는 매우 높은 강압비라고 말할 수 있습니다.

-그럼, 기존의 강압 컨버터 IC는 그 강압비, 즉 그 듀티 사이클로 동작할 수 없다는 것인가요?

결론부터 말하자면, 그렇습니다. 일반적으로 입력에 대해 강압 가능한 최소 전압은 식으로 나타낼 수 있습니다.

최소 듀티 사이클=스위칭 주파수×최소 ON 시간
강압 가능한 최소 출력전압=입력전압×최소 듀티 사이클

상기 「최소 ON 시간」이란, 강압 컨버터 IC가 제어할 수 있는 가장 짧은 ON 시간입니다. 파워 스위치는 트랜지스터이므로, ON / OFF 동작에는 시간이 필요합니다. 또한, 스위칭 듀티 사이클을 결정하는 내부의 귀환 및 제어회로에도 지연 및 노이즈 등으로 인한 제어의 한계가 있습니다. 이러한 요인에 따라, 실제의 최소 ON 시간, 즉 최소 ON 시간의 실력이 결정됩니다. 다시 말하자면, 강압 컨버터 IC의 최소 ON 시간은 IC의 성능 중 하나이므로, 데이터시트에 제시되는 경우가 많습니다.

예를 들어, 식에 숫자를 대입해 보겠습니다. 스위칭 주파수를 600kHz, 최소 ON 시간을 200ns라고 하면,

최소 듀티 사이클=600kHz×200ns=0.12 (12%)
강압 가능한 최소 출력전압=48V×0.12=5.76V

이러한 성능의 컨버터라면, 48V 입력 시 약 5.8V의 강압이 한계입니다. 참고로 12V 입력 시 1.44V가 되므로, 이 사양으로도 대부분의 출력전압 요건에 대응 가능합니다.

-BD9V100MUF-C의 또 하나의 키워드인 「최소 ON 시간 9ns」는, 최소 듀티 사이클을 작게 할 수 있으므로 높은 강압에 대응 가능하다는 점을 어필하고 있는 것이군요.

그럼, 앞에서 게재한 식에 9ns를 대입해 보겠습니다.

최소 듀티 사이클=600kHz×9ns=0.0054 (0.54%)
강압 가능한 최소 출력전압=48V×0.0054=0.2592V

계산으로는 상기와 같습니다. 그러나 실제로는 컨버터 IC의 내부 기준전압, 예를 들어 0.8V를 밑도는 출력전압은 생성할 수 없지만, 컨버터 IC의 최소 출력전압까지 강압할 수 있습니다.

-예를 들어 스위칭 주파수를 300kHz로 낮추면, 이 조건에서도 3.3V 출력이 가능하지 않을까요?

최소 듀티 사이클=300kHz×200ns=0.06 (6%)
강압 가능한 최소 출력전압=48V×0.06=2.88V

그렇습니다. 말씀하신대로 주파수를 낮추는 것은 강압비가 높을 경우의 대처 방법 중 하나입니다.

-그럼, 주파수를 낮추는 방법을 사용하면 되지 않나요?

여기에서는 「자동차기기」라는 환경 조건이 중요한 포인트입니다. 자동차는 라디오를 탑재하고 있으며, AM 대역은 1.84MHz까지의 주파수를 사용합니다. 스위칭 전원의 발진 주파수가 그 이하라면, AM 대역에 간섭하게 되므로, 2MHz 이상의 스위칭 주파수가 요구됩니다. 처음에 말씀드린대로, BD9V100MUF-C는 자동차기기 분야를 큰 타겟으로 하고 있으므로, 달성하고자 하는 목표는 「스위칭 주파수 2MHz 이상일 때, 48V에서 3.3V로 직접 강압」할 수 있는 것입니다.

실제로 계산해 보면 다음과 같습니다.

최소 듀티 사이클=2MHz×9ns=0.018 (1.8%)
강압 가능한 최소 출력전압=48V×0.018=0.864V

또한, 48V는 공칭전압이므로 당연히 마진이 필요합니다. 48V 하이브리드 시장에서는 최대 입력전압으로서 60V가 요구되므로, 식에 대입하면 다음과 같습니다.

강압 가능한 최소 출력전압=60V×0.018=1.08V

또한, 3.3V 출력의 경우, 입력이 몇V까지 가능한지 역산하면, 3.3V÷0.018=183V가 됩니다. 단, BD9V100MUF-C의 입력 정격은 70V, 권장 동작전압은 최대 60V이므로, 실제로는 60V가 됩니다.

-실제로 기존 컨버터 IC의 최소 ON 시간은 어느 정도입니까?

하기 데이터를 참조하여 주십시오. 최소 ON 시간 이외는 비슷한 강압형 DC/DC 컨버터 IC의 비교 데이터입니다.

  로옴 BD9V100MUF-C A사 B사 C사
최소 ON 시간 9ns 30ns 80ns 80ns
최소 듀티 사이클 @fsw=2MHz 0.018 (1.8%) 0.06 (6%) 0.16 (16%) 0.16 (16%)
강압 가능한 최소 출력전압 @Vin=60V 1.08V 3.6V 9.6V 9.6V
최대 입력전압 @Vout=3.3V
시장 요구 : 60V
60V
(최대 동작 전압)
55V 20.6V 20.6V

이 조사 결과를 보면, 타사의 최소 ON 시간이 가장 작은 제품은 30ns로, 계산상 시장 요구에 약간 미치지 못했습니다. 억지로라도 사용할 수는 있겠지만, 안전 마진을 고려하면 리스크가 커집니다. 반면에 BD9V100MUF-C의 성능은 충분히 여유롭게 요구치를 만족합니다.

※본 기사는 2017년 4월 시점의 내용입니다.

48V에서 3.3V로 직접 강압 가능한 DC/DC 컨버터 IC

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