새로운 세대의 고전류, 고성능 스텝다운 및 스텝업 벅-부스트 μModule 레귤레이터

글: 링 지앙(Ling Jiang) 제품 애플리케이션 담당 선임 매니저
웨슬리 발라(Wesley Ballar) 제품 애플리케이션 담당 선임 엔지니어
안잔 파니그라히(Anjan Panigrahy) 제품 애플리케이션 엔지니어
헨리 장(Henry Zhang) 펠로우, 제품 애플리케이션 담당 선임 디렉터

요약

이 글에서는 새로운 고성능 스텝업 및 스텝다운 벅-부스트(Buck-Boost) μModule® 레귤레이터를 소개한다. 이 레귤레이터는 이전 세대의 고전류 벅-부스트 μModule 레귤레이터에 비해 최고의 전력 효율과 우수한 열 성능을 제공한다. 이와 함께 고출력 애플리케이션을 위한 병렬 구성, 정전류 레귤레이션(옵션) 및 이중화 입력 설정을 포함한 추가적인 몇몇 우수 기능들도 소개한다.

머리말

배터리 전원 시스템과 같이, 폭 넓은 입력 및/또는 출력 전압 범위를 갖는 애플리케이션들이 많이 있다. 전원공급장치는 입력 전압이 출력 전압보다 높거나 낮을 수 있기 때문에 전원공급장치의 출력 전압을 조절할 필요가 있다. 4-스위치 벅-부스트 토폴로지는 접지 절연이 필요하지 않은 애플리케이션에 대해 최고의 효율과 전력 밀도를 제공한다. 또한, 벅-부스트 전력 레귤레이터는 매우 유연하며, 벅 전용(스텝다운) 전원공급장치 또는 부스트 전용(단락 보호 기능을 지원하는 스텝업) 전원공급장치로 사용될 수 있다.

아나로그디바이스(Analog Devices)의 μModule 그룹은 다양한 벅-부스트 레귤레이터를 개발해왔다. 그림 1은 저전류 애플리케이션을 위한 LTM8045, LTM8049, LTM8083, LTM4693 제품들을 보여준다. 고전류 애플리케이션(최대 12A)은 LTM4607제품군과 LTM8055제품군 그리고 새로 출시된 LTM4712 벅-부스트 모듈에 의해 지원된다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, LTM4607/LTM4605/LTM4609제품군은 내부에 컨트롤러와 MOSFET을 통합하고 있으며, 완전한 전력 솔루션을 구성하기 위해서는 PCB 상에 외부 전력 인덕터와 감지 저항(R_SENSE)이 필요하다.

반면, LTM8054, LTM8055및 LTM8056은 그림 3과 같이 μModule 패키지에 전력 인버터와 감지 저항(Rsense)을 통합하고 있어 고객의 설계 및 레이아웃 작업을 간소화한다. LTM8055 제품군은 LTM4607 제품군에 비해 작은 솔루션 크기를 제공하지만, 통합된 인덕터 크기가 작은 만큼 출력 전류가 제한적이기 때문에 열 성능 및 효율이 제한된다.

2023년에는 새로운 고전류, 4스위치 벅-부스트 레귤레이터인 LTM4712가 출시되었다. 이 제품은 36 V_IN(최대), 12A 전력 모듈로서, 16mm x 16mm x 8.34mm 크기의 고밀도 BGA 패키지로 제공된다. 이 제품은 ADI 고유의 첨단 CoP(component-on-package) 패키징 기술을 사용하여 패키지 내부에 고성능 파워 인덕터를 통합하고 있다. 그림 4는 모듈 내에 통합되어 있는 ADI 고유의 전류 감지 방식을 보여준다. 이는 공간을 절약할 뿐만 아니라 추가적인 전력 손실을 최소화한다. 첨단 벅-부스트 컨트롤러와 선도적인 ADI 패키지 기술을 활용한 이 디바이스는 광범위한 입출력 전압에서 최고의 전력 수준, 전력 밀도, 효율 및 우수한 열 성능을 달성한다.

LTM4712의 신속한 주기별 전류 모드 제어는 신뢰할 수 있는 보호와 매끄러운 모드 전환을 가능하게 한다. 이 제품은 고전류 애플리케이션을 위해 병렬 구성으로 사용될 때 탁월한 전류 공유 성능을 제공한다. 뿐만 아니라 이 새로운 디바이스는 배터리 충전 애플리케이션을 위해 옵션으로 정출력(constant output) 전류 모드를 지원하고 이중 입력을 허용하여 이중 전원공급장치로서의 다기능성을 향상시킨다.

표1은 LTM4712, LTM4607 제품군 및 LTM8055 제품군 간의 포괄적인 모듈 비교를 나타낸 것이다.LTM4712는 높은 전류와 전력 효율 그리고 사용자 친화적인 설계가 특징으로, 8.34mm 높이가 허용되는 애플리케이션에 이상적이다.

LTM4712에 의한 획기적인 효율 이득 및 열 개선 효과

그림 5는 출력 12 Vout 조건에서 입력이 각각 6 V_IN, 12 V_IN, 24 V_IN 일 때의 LTM4607, LTM8055 그리고 최근 출시된 LTM4712의 효율을 비교한 것이다. 평가는 온라인에서 제공되는 표준 평가 보드를 사용하여 수행되었다. 테스트 결과를 통해, LTM4712는 다른 두 제품에 비해 효율이 현저히 높을 뿐만 아니라 전류 성능이 향상된 것을 알 수 있다.

그림 6은 어떠한 강제 냉각도 없는 실온 조건에서 수행한 열 성능 비교 결과다. 주목할 점은, LTM4712는 12 V_IN 및 12 _OUT 조건에서 LTM8055와는 달리 온도를 30°C 낮게 유지하면서 출력은 두 배 더 높다는 것이다. 12A 전류가 필요한 애플리케이션의 경우에는, 냉각 시스템에 따라 2 ~ 3개의 LTM8055 디바이스를 병렬로 사용해야 한다. 이에 반해, LTM4712는 1개의 디바이스만으로도 충분해, PCB의 풋프린트를 획기적으로 줄일 수 있고 회로 설계 또한 간소화할 수 있다.

표 2는 25°C의 주변 온도와 강제 냉각이 없는 환경일 때 LTM4712, LTM4607, LTM8055 제품에 대한 여러 동작 조건에서의 효율과 열 성능을 비교한 것이다. 그림 7은 이들 솔루션의 풋프린트 대비 전류 밀도를 나타낸 것이다. 모든 테스트 및 비교는 온라인에서 사용할 수 있는 표준 평가 보드를 기반으로 수행되었다.

병렬 구성 시 우수한 전류 공유 성능

LTM4712는 간단한 설정을 통해 더 높은 출력 전력을 달성하도록 병렬 구성이 가능하다. 전류 모드 제어 기능 덕분에, LTM4712는 탁월한 전류 공유 성능을 제공한다. EVAL-LTM4712-A2Z평가 키트는 4개의 모듈이 병렬로 작동하여 총 48A의 출력 전류를 제공하는 것을 보여준다.

이 디바이스와 병렬 구성을 구현할 때는 평가 보드의 설계 및 구성을 참조하는 것이 필수적이다. 효과적인 전류 공유를 위해서는 각 모듈의 COMP 핀들과 FB 핀들을 각각 서로 연결하여 모듈들을 병렬로 구성한다. PHMODE 핀은 위상 편이를 설정하는 데 활용될 수 있다. 4개의 모듈이 병렬로 연결되는 상황에서는 PHMODE 핀을 INTV_CC에 연결하면 90° 위상 편이가 발생하여 최적의 인터리빙을 제공한다. 추가적으로, 주파수 동기화를 위해 첫 번째 모듈의 CLOCKOUT 신호를 두 번째 모듈의 SYNC 핀에 연결한다.

그림 8은 강제 냉각 없이 수행한 열 성능 결과를 보여주는 것으로, 각각의 LTM4712 디바이스들이 일관되게 비슷한 온도를 유지하는 것을 보여주는데, 이는 전류 공유 성능이 우수하다는 것을 의미한다. 그림 9에는 48A 부하 조건에서 각 디바이스의 IMON 전압이 표시되어 있다. 각 IMON 핀의 평균값은 약 0.7V로, 각 채널에서 12A 부하가 발생했음을 알려준다. 이러한 테스트들은 평가 보드 상에서 수행됐다.

정전류 레귤레이션(옵션)

LTM4712는 정출력 전류 공급원으로 사용될 수 있으며, 배터리 충전기나 LED 드라이버와 같은 애플리케이션에 적합하다. 그림 10은 일정한 10A 부하 전류를 제공하도록 설계된 예제 회로를 보여준다.

부하 전류를 설정하기 위해서는 ISET 핀과 출력 근처의 외부 출력 전류 감지 저항이 사용된다. 공식 V_SENSE = I_OUT × R_{SENSE_IOUT} 은 평균 출력 전류를 나타내는 전압을 정의한다. 최대 V_SENSE 전압은 0.2V ~ 1.2V 범위를 가진 ISET 핀의 전압에 의해 결정되며, 이는 선형적으로 0mV ~ 50mV에 해당한다. ISET 핀 전압( V_ISET)은 15μA 내부 전류원과, ISET 핀과 접지 사이에 연결된 저항 R_ISET에 의해 설정되며, 이는V_ISET = 15 μA × R_ISET으로 나타낼 수 있다. 출력 전류는I_OUT = (V_ISET – 0.2 V)/(20 × R_{SENSE_IOUT})로 계산된다. 이 공식에 의하면, 5 mΩ R_{SENSE_IOUT}을 기반으로 하는 서로 다른 V_ISET을 가진 출력 전류가 그림 11에서 파란색 곡선으로 표시된다. 그림 11에 표시된 보라색 곡선은 통제된 시험실 안에서 실시한 시험결과다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 측정 결과는 이상적인 곡선과 잘 일치하여, 정전류 제어의 양호한 정확도 수준을 보여준다.

ISET 핀이 들떠 있거나 ISET 핀 전압이 1.2V를 넘을 때는 최대 V_SENSE가 내부적으로 50mV로 제한된다는 점을 유의해야 한다. 출력단의 리플 전류 때문에, 정확한 평균 전류 감지를 위해서는 RC 필터를 ISP 및 ISP 핀에 적용해야 한다. 또한 FB 핀과 접지 사이에 피드백 저항을 선택할 때는 목표한 V_OUT 보다 높은 출력 전압이 생성되도록해야 한다.

이중화 전원공급장치

LTM4712는 이중 입력이 필요한 애플리케이션을 지원한다. 이 디바이스는 백업 전원공급장치가 필요한 시스템이나 공통 부하를 지원하기 위해 서로 다른 입력 소스를 사용하는 시스템에 활용할 수 있다. 그림 12는 서로 다른 입력(V_IN1 및 V_IN2)으로 구동되는 두 개의 모듈이 24A 부하로 12V 출력을 일괄적으로 제공하는 회로를 예시한 것이다. 주목할 점은 입력 중 하나가 감소해도 출력 조정에는 영향을 미치지 않으며, 피크 인덕터 전류 공유가 COMP 핀 연결을 통해 효과적으로 유지된다는 것이다.

그림 13에는 서로 다른 두 가지 조건에서 벤치 테스트된 파형이 제시되어 있다. 그림 13a는 위상 1과 위상 2가 모두 벅-부스트 모드에서 동작하는 시나리오를 보여준다. 처음에는 위상 1이 4A 부하 전류를 처리하고, 점차적으로 활성화 시 부하 전류의 절반을 위상 2와 공유한다. IMON 파형은 두 가지 위상이 모두 작동 중일 때 두 위상 간에 동일한 부하 전류가 공유되고 있음을 확인시켜 준다.

그림 13b는 동일한 부하 조건에서 다른 입력을 사용한 경우를 보여준다 여기서 위상 1은 부스트 모드에서 작동하고, 위상 2는 벅 모드에서 작동한다. COMP 핀이 연결되어 있기 때문에 두 위상 모두 동일한 피크 인덕터 전류를 나타낸다. 따라서 위상 1(부스트)의 출력 전류는 위상 2(벅)의 출력 전류보다 낮다. 각 위상의 특정 부하 전류는 인덕턴스, 스위칭 주파수, V_IN, V_OUT 그리고 총 부하 전류와 같은 매개변수를 기반으로 계산할 수 있다. 이 예제에서는 위상 1이 1.4A를 제공하고 위상 2가 2.6A를 제공한다.

설계 및 시뮬레이션 도구

사용자의 설계 작업을 더욱 간소화하기 위해 LTM4712는 전원 구성 요소, 효율, 루프 보상 및 부하 과도 설계 최적화를 지원하는 LTpowerCAD^® 툴과 시간 도메인 동적 시뮬레이션을 위한 LTspice^®소프트웨어에 의해 지원된다.

결론

LTM4712는 뛰어난 효율, 높은 전력 밀도, 우수한 열 성능을 자랑하는 완전 통합형 벅-부스트 μModule 레귤레이터로 주목받고 있다. 이 디바이스는 고전력 애플리케이션을 위해 쉽게 병렬화가 가능하며, 병렬 구성 시 우수한 전류 공유 기능을 제공한다. 이 제품은 정전류 출력을 제공하도록 능숙하게 구성할 수 있어서 배터리 충전 시스템이나 LED 애플리케이션에 적합하다. 또한, 이중화 입력 설정과의 호환성은 이 디바이스의 적응성을 더욱 향상시킨다.

디바이스 구현을 위한 포괄적인 지침은 데이터시트와 관련 평가 키트 설계를 참조할 것을 권장한다. 이러한 자료는 다양한 애플리케이션에서 성능 최적화에 반드시 필요한 가치 있는 통찰력과 구체적인 규격들을 제공한다.

저자 소개

링 지앙(Ling Jiang)은 2018년에 테네시 대학교(University of Tennessee)에서 전기 공학 박사 학위를 받았다. 그녀는 졸업 후 캘리포니아 베이 에어리어(California Bay Area)에 위치한 아나로그디바이스(Analog Devices)의 전력 제품 그룹(Power Products Group)에 합류했으며, 현재 멀티마켓 애플리케이션용 μModule 제품을 담당하는 제품 애플리케이션 담당 선임 매니저로 재직중이다.

웨슬리 발라(Wesley Ballar)는 ADI의 멀티마켓 애플리케이션 그룹 μModule 제품 애플리케이션 담당 선임 엔지니어다. 2016년에 ADI 입사 후 여러 직책을 맡으며 μModule 팀을 지원해 왔다. 2015년 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학교(California Polytechnic State University)에서 전기 공학 학사 학위를 받았다.

안잔 파니그라히(Anjan Panigrahy)는 2023년에 텍사스 대학교(University of Texas at Austin)에서 전력 전자기기에 주력하여 전기 및 컴퓨터 공학 학위를 받았다. 현재 ADI 멀티마켓 애플리케이션 그룹에서 제품 애플리케이션 엔지니어로 재직하면서 μModule 레귤레이터를 담당하고 있다.

헨리 장(Henry Zhang)은 ADI의 기술 펠로우이자 제품 애플리케이션 담당 선임 디렉터이다. 그는 1994년 중국 저장대학교(Zhejiang University)에서 전기 공학을 전공하고, 1998년 및 2001년에는 미국 버지니아 폴리테크닉 주립대학교(Virginia Polytechnic Institute)에서 전기 공학 석사 및 박사 학위를 받았다. 2001년부터 리니어 테크놀로지(Linear Technology, 현재 ADI의 일부)에 재직 중이다.