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IQ가 낮은 60V와 100V 부스트·SEPIC·반전 컨버터 IC

기사승인 2018.10.18  10:27:52

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- 컴팩트하고, 효율이 우수하고, EMI가 낮은 전원장치에 대한 요구 충족

[EPNC=양대규 기자] 자동차와 산업용 분야에는 좁은 공간에 들어갈 수 있고 낮은 EMI에 대한 요건을 충족하면서 낮은 온도로 동작하는 전원장치를 요구한다. LT8362, LT8364, LT8361 스위칭 레귤레이터 IC 제품은 부스트, SEPIC, 반전 토폴로지로 이와 같은 요구를 충족한다. 이들 모든 제품이 2.8V~60V의 넓은 입력 범위로 동작하므로 산업용과 자동차 환경에 적합하고, IQ가 낮은 버스트 모드(Burst Mode) 동작을 지원하고, 선택적인 SSFM(Spread Spectrum Frequency Modulation) 기능을 사용해서 EMI를 낮출 수 있다. 또한, 내부적으로 60V/2A, 60V/4A, 100V/2A의 견고한 전력 스위치를 포함하고 최대 2MHz 스위칭 주파수에서 효율적으로 동작하므로 작은 크기로도 높은 전력을 제공할 수 있으며 엄격한 온도과 EMI 요건을 충족한다.

자동차 입력 트랜션트와 사전 부스트

오늘날 자동차는 전자장치의 비중이 빠르게 증가하고 있다. 이에 따라서 전원장치 숫자도 빠르게 늘어나고 있으며 많은 경우에 넓은 범위의 배터리 전압을 사용 가능한 출력으로 변환해야 한다. LT836x 제품군의 모든 제품은 가장 낮게는 2.8V 입력 전압으로 동작할 수 있으므로 콜드 크랭크나 스톱 스타트 조건으로도 동작할 수 있으며, 가장 높게는 60V 입력 전압으로 동작할 수 있으므로 부하 덤프 같은 높은 입력 전압 트랜션트를 처리할 수 있다.

이처럼 넓은 입력 전압 범위로 동작할 수 있으므로 LT836x 제품군은 자동차 사전 부스트(Preboost) 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 자동차용 벅 레귤레이터는 배터리 입력 전압이 벅 출력 전압보다 낮게 떨어질 수 있는 애플리케이션에서 사전 부스트 스테이지를 필요로 한다. LT8361, LT8362, LT8364는 배터리 전압이 낮을 때는 필요한 부스트 기능을 제공하고, 정상적인 배터리 전압이나 부하 덤프 조건일 때는 이 기능을 꺼서 전력 소모를 최소화한다.

[그림 1] LT836x 컨버터 제품은 피크 스위치 전류 한계로 적절히 동작하기 위해서 필요한 최대 기울기 보정을 제공한다. 그러므로 듀티 사이클에 따라서 피크 스위치 전류 한계가 감소하지 않는다.

견고한 전력 스위치

스위칭 레귤레이터의 중요한 요구사항은 특정 애플리케이션으로 전체적인 입력 전압 범위에 걸쳐서 충분한 전력을 제공하고 그러면서도 신뢰성을 보장하는 것이다. 이들 제품은 60V/2A(LT8362), 60V/4A(LT8364), 100V/2A(LT8361)의 전압/피크 전류를 제공할 수 있는 견고한 전력 스위치를 통합함으로써 다양한 애플리케이션에 부합한다. LT836x 제품군의 높은 전력 스위치 전압 정격은 가능한 출력 전압 범위를 확장하며 SEPIC과 반전 컨버터로는 입력 전압 범위도 확장한다.

전력 제공 극대화: 듀티 사이클에 대해서 평탄한 전류 한계

전체적인 입력 전압 범위에 걸쳐서 전력 제공을 극대화하기 위해서 LT836x 제품군의 전력 스위치는 전체적인 듀티 사이클 범위에 걸쳐서 피크 스위치 전류 한계를 유지한다. 그러므로 제공한다고 선전하는 스위치 전류를 그대로 제공한다. 이것은 높은 듀티 사이클일 때 피크 스위치 전류 한계가 30% 혹은 그 이상까지 떨어질 수 있는 다른 컨버터 제품들에 비하면 굉장한 이점이 아닐 수 없다.

전류 모드 DC-DC 컨버터는 피크 스위치 전류 한계에 도달했을 때 부고조파 발진을 피하기 위해서 대개 피크 스위치 전류 한계에 기울기 보정을 추가한다. 그런데 문제는 듀티 사이클이 높아짐에 따라서(다시 말해서 입력 전압이 낮아짐에 따라서) 피크 스위치 전류 한계가 감소한다는 것이다. LT836x 제품군은 피크 스위치 전류 한계로 적절히 동작하기 위해서 필요한 최대 기울기 보정을 제공한다. 그러므로 듀티 사이클에 따라서 피크 스위치 전류 한계가 감소하지 않는다.

2MHz 동작: AM 대역 위로 동작하는 컴팩트한 전원장치

컴팩트한 전원장치에 대한 요구를 충족하기 위해서 DC-DC 컨버터는 높은 스위칭 주파수를 사용한다. 그래야 부품 크기와 비용을 최소화할 수 있기 때문이다. 또한 자동차 애플리케이션에서 AM 대역 위로 동작하기 위해서도 2MHz로 동작하는 것이 필요하다.

전통적으로 높은 스위칭 주파수는 스위칭 손실을 증가시키고 듀티 사이클 범위를 제한한다. LT836x 제품군은 고속 전력 스위치 드라이버를 사용해 스위칭 손실을 최소화하고 낮은 최소 온(on)·오프(off) 시간으로 2MHz로도 넓은 변환 범위를 자랑한다. 예를 들어서 LT836x 제품군은 기존에 효율을 극대화하고자 400kHz로 실행되는 많은 애플리케이션과 비교해서, 더 낮은 손실과 더 높은 듀티 사이클 범위를 달성할 수 있다. [그림 2]는 각각의 컨버터 토폴로지(반전, 부스트, SEPIC)에서의 열성능을 보여준다.

[그림 2] LT8362 Cuk 반전, LT8364 부스트, LT8361 SEPIC 솔루션의 열 성능

버스트 모드 동작: 경부하로 높은 효율

자동차 환경에서 배터리 수명을 연장하기 위해서는 경부하에서도 높은 효율을 달성하는 것이 중요한 요구사항이다. LT836x 제품군은 선택적인 버스트 모드 동작을 사용함으로써 경부하에서도 높은 효율을 달성할 수 있다. 이 기능은 SYNC·MODE 핀을 사용해서 선택할 수 있다. 버스트 모드 동작은 낮은 스위칭 주파수일 때 일정한 간격으로 단일 스위치 펄스를 사용해서 스위칭 손실을 낮출 수 있으며 출력 전압 리플을 최소화할 수 있다. LT836x 제품군은 딥 슬립 상태나 사전 부스트 애플리케이션에서 통과 모드일 때 입력 핀으로부터 9µA밖에 소모하지 않는다.

SSFM 모드: 3가지 토폴로지로 CISPR 25 클래스 5 충족

LT836x 제품군은 SSFM 모드를 사용하고 적절한 보드 레이아웃에 약간의 필터링을 사용함으로써 CISPR 25 클래스 5 요건을 수월하게 충족할 수 있다.

디자이너들은 통상적으로 EMI에 민감한 환경에서는 스위칭 레귤레이터를 사용하는 것을 기피해 왔다. 스위처의 대형 커패시터와 까다로운 핫 루프 때문에 우수한 EMI 성능과 작은 솔루션 크기를 달성하려면 PCB 레이아웃을 신중하게 해야 한다. 그러므로 보드 설계와 제조로 부담을 가중시킨다. LT8362, LT8364, LT8361 용으로 제공되는 데모 회로는 필수적인 입력·출력 필터를 포함하며 SSFM 모드를 사용해서 CISPR 25 클래스 5 요건을 충족하는 예시적인 PCB 레이아웃을 보여준다. EMI와 관련해서 컨버터는 신경 쓸 필요가 없게 만들게 되므로 애플리케이션 개발 시간을 단축하고 비용을 절감할 수 있다. [그림 4]는 부스트 솔루션의 EMI 테스트 결과를 보여준다.

[그림 3] 컴팩트하면서 EMI 요건을 충족하는 컨버터 솔루션
[그림 4] LT8364 부스트 솔루션의 EMI 테스트 결과

장점의 결합: 버스트 모드 동작과 SSFM

최근까지만 해도 EMI를 낮추기 위해서 SSFM 모드를 선택하면 경부하에서 효율이 떨어지는 펄스 스킵핑 모드를 사용해야 했다. 하지만 LT836x 제품군은 이런 절충을 하지 않아도 된다. LT836x 제품군은 SYNC·MODE 핀에서 접지로 100kΩ 저항을 추가하기만 하면([그림 2] 참조) 경부하일 때 SSFM 모드에서 버스트 모드 동작으로 매끄럽게 전환한다. 그러므로 모든 부하로 낮은 EMI와 높은 효율을 달성할 수 있다.

[그림 5] LT8362 부스트 솔루션(24V 입력, 48V 출력)으로 펄스 스킵핑과 버스트 모드 동작 비교

패키지, 핀 호환성, 온도 등급

리드형 패키지를 선호하는 고객들을 위해서 모든 제품이 핀 호환하는 16(12)리드 MSE TSSOP 패키지를 제공한다(고전압 핀 간격을 위해서 4개 핀 제거). 솔루션 크기를 더 소형화 할 수 있도록, LT8362와 LT8364는 DFN 패키지도 제공한다. 또 LT8362의 (3mm x 3mm) 10리드 DFN 패키지는 (4mm x 3mm) LT8364 12리드 DFN 패키지로 레이아웃한 PCB 자리에 집어넣어 사용할 수 있도록 디자인돼 LT8364와 핀 호환한다([그림 6], LT8364의 1번 핀과 12번 핀을 제외하면 레이아웃이 동일하다). 모든 패키지가 열 향상 노출 접지 패드를 포함하며, E, I, H 온도 등급으로 제공된다.

[그림 6] LT8361, LT8362, LT8364의 패키지 핀 호환성

부스트·SEPIC·반전: FBX 핀을 사용한 양 또는 음 출력 제공

단일 FBX 핀을 사용해서 양 또는 음 출력 전압을 제공할 수 있으므로, 모든 토폴로지에 적용할 수 있다. 부스트나 SEPIC과 마찬가지로 반전 애플리케이션도 쉽게 적용해 설계 시간과 노력을 줄일 수 있다.

부스트 컨버터

LT836x 제품군은 입력보다 높은 출력 전압을 필요로 하는 다양한 부스트 컨버터 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 2.8V~60V 입력이 가능하고 다양한 전력 스위치 정격을 제공하기 때문이다. 변환 비율이 높은 디자인의 경우에는 불연속 전도 모드(DCM)로 동작하는 것이 좋다. 연속 전도 모드(CCM)는 더 높은 출력 전력을 제공할 수 있다.

[그림 7]의 컨버터는 LT8364를 사용해서 IQ가 낮고, EMI가 낮고, 2MHz로 동작하고, 24V 출력인 부스트 컨버터로서 SSFM 모드를 선택해서 CISPR 25 클래스 5 복사와 전도 EMI 요건을 충족한다[그림 4]. 이 애플리케이션은 12V 입력으로 손쉽게 94%의 피크 효율을 달성한다.

[그림 7] LT8364를 사용한 2MHz 24V 출력 부스트 컨버터가 CISPR 25 클래스 5 EMI 요건을 충족한다([그림 4] 참조).

SEPIC 컨버터

자동차와 산업용 애플리케이션은 흔히 출력 전압보다 높거나 낮은 입력 전압으로 동작한다. DC-DC 컨버터가 입력을 스텝업(승압)도 하고 스텝다운(강압)도 해야 하는 애플리케이션에는 SEPIC 토폴로지가 주로 사용된다. SEPIC은 출력 차단을 필요로 하는 애플리케이션을 지원할 수 있다. 그러므로 셧다운 시에 출력 전압을 차단할 수 있으며 출력 단락 회로 결함을 견딜 수 있다. 입력에서 출력으로 DC 경로가 없기 때문이다. 60V/100V 스위치 정격과 낮은 최소 온·오프 시간을 활용함으로써 넓은 입력 전압 범위를 가진다. LT836x 제품군은 선택적인 BIAS 핀을 제공한다. 이 핀을 INTVCC 레귤레이터를 위한 이차적인 입력 전원으로 사용함으로써 효율을 향상시킬 수 있다.

[그림 8]의 SEPIC 컨버터는 LT8361을 사용해서 100V 정격 스위치의 범용성을 보여준다. 스위치 전압 정격은 최대 입출력 전압을 더한 것보다 높아야 한다. 48V 입력에 24V 출력이면 이 스위치가 필요한 72V를 손쉽게 처리할 수 있다. 입력이 출력보다 높은 경우에는 BIAS 핀을 VOUT으로 연결함으로써 향상된 효율을 달성할 수 있다. 이 애플리케이션은 SSFM을 사용함으로써 CISPR 25 클래스 5 복사와 전도 EMI 요건을 충족한다[그림 9]. 12V 입력으로 피크 효율은 88%이다.

[그림 8] LT8361을 사용한 400kHz 24V 출력 SEPIC 컨버터로서, CISPR 25 클래스 5 EMI 요건을 충족한다.
[그림 9] LT8361 SEPIC 솔루션의 EMI 테스트 결과

반전 컨버터

오늘날 전자장치에는 음 전원이 흔히 사용된다. 그런데 많은 애플리케이션이 양의 입력 전압으로만 동작한다. LT836x 제품을 반전 토폴로지로 구성하면 음 출력 전압 크기보다 높거나 낮은 양 입력 전압을 사용해서 레귤레이션을 할 수 있다. SEPIC 토폴로지와 마찬가지로 높은 60V/100V 스위치 정격과 낮은 최소 온·오프 시간을 활용함으로써 넓은 입력 전압 범위에 작동한다.

2MHz로 동작하는 LT8362는 양의 입력 전원으로부터 손쉽게 음 전압을 생성할 수 있다. [그림 10]은 IQ가 낮고, EMI가 낮고, 2MHz로 동작하고, -12V 출력인 반전 컨버터로서 SSFM을 사용하고 있다.  견고한 60V 스위치를 사용함으로써 이 애플리케이션으로 최대 42V 입력으로 동작할 수 있다(|VOUT| + VIN < 60V). 12V VIN으로 85% 피크 효율을 달성한다. SSFM을 사용해서 동작함으로써 CISPR 25 클래스 5 복사와 전도 EMI 요건을 충족한다[그림 11].

[그림 10] LT8362를 사용한 2MHz -12V 출력 반전 컨버터로서, CISPR 25 클래스 5 EMI 요건을 충족한다.
[그림 11] LT8362 반전 솔루션의 EMI 테스트 결과

자동차와 산업용으로 컴팩트하고, 효율이 우수하고, EMI가 낮은 전원장치를 필요로 하는 요구를 충족하도록 LT836x 제품군은 부스트, SEPIC, 반전 토폴로지 용으로 LT8362(60V/2A), LT8364(60V/4A), LT8361(100V/2A) 스위칭 레귤레이터를 제공한다. 이들 제품은 낮은 IQ 버스트 모드 동작, 듀티 사이클에 따른 평탄한 스위치 전류 한계, 2MHz 동작에서도 손실이 낮은 스위칭, 넓은 2.8V~60V 입력 범위를 특징으로 함으로써 경쟁 제품들에 비해서 훨씬 더 향상된 성능을 제공한다.

적절한 보드 레이아웃과 필터 디자인에 SSFM 모드를 사용함으로써 낮은 EMI 성능을 달성하고 CISPR 25 클래스 5 EMI 요건을 충족할 수 있다.

모든 제품은 16(12)리드 MSE 핀에 호환하며 LT8362(3mm x 3mm DFN(10))와 LT8364(4mm x 3mm DFN(12)) 간에 풋프린트 호환으로 개발 작업을 할 때 유용하다. 또한, LT836x 제품군의 모든 제품이 E, I, H 온도 등급으로 제공된다.

글: Joey Yurgelon, Jesus Rosales, Mark Marosek

자료제공: 아나로그디바이스

양대규 기자 yangdae@epnc.co.kr

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