<글 : 에디 웰스(Eddy Wells) 리니어테크놀리지 파워관리 제품 디자인섹션 리더(Design Section Leader, Power Management Products)>

다양한 배터리 소재, 월 어댑터, USB 같은 DC 전압 레일을 비롯해 다중의 입력 소스로 동작해야 하는 애플리케이션이 갈수록 일반화되고 있다. 그럼으로써 각 입력의 전압 범위와 원하는 출력 전압에 따라서 스텝업 또는 스텝다운 변환을 할 수 있는 능력이 요구된다.

자료:: 리니어

다중의 입력 소스를 사용해서 동작하는 것은 개념적으로는 간단한 것 같지만 실제로 구현하기는 복잡할 수 있다. 전원 경로상의 손실, 입력 소스들의 우선순위, 인덕티브 케이블 삽입으로 인한 전압 스파이크 같은 문제들이 시스템으로 비용과 복잡성을 높이기 때문이다.

LTC3118은 [그림1]에서 보는 것과 같이 듀얼 저손실 파워패스(PowerPath) 컨트롤러와 고효율 벅-부스트 컨버터를 통합함으로써 그와 같은 문제들을 해결한다. 이러한 고유의 아키텍처로서 VIN1과 VIN2의 어느 쪽 입력 소스로나 레귤레이트 출력 전압 VOUT으로 변환할 수 있다.

VOUT은 양쪽의 어느 쪽 입력으로든 입력보다 높을 수도 있고 낮을 수도 있다. 또한 최대 18V로 동작할 수 있으므로 12V 공칭 전원을 사용할 때 충분한 전압 마진을 가능하게 한다. 또한 컨버터가 부하로 2A 이상의 전류를 공급할 수 있으므로 전력 소모적인 디자인에 사용하기에 적합하다.

이와 함께 LTC3118은 전류 모드 제어 아키텍처를 사용해서 라인 또는 부하의 급격한 변화에 재빨리 응답할 수 있으므로 출력으로 엄밀한 레귤레이션을 유지한다. 배터리 사용 애플리케이션의 경우에는 버스트 모드(Burst Mode) 동작을 사용해 배터리의 사용 시간을 연장할 수 있다.

LTC3118을 사용함으로써 유연성, 전력 효율, 소형화 달성 = 다중 입력 디자인은 흔히 외부 다이오드 OR 회로를 사용해서 구현한다. 하지만 이 회로는 비용이 저렴하고 간단하기는 하지만 능동 다이오드의 포워드 강하와 온도 상승 시에 블로킹 다이오드의 역 누설 전류 때문에 효율이 떨어진다는 것이 단점이다.

또는 리니어테크놀로지의 아이디얼 다이오드 IC 제품을 사용함으로써 효율을 향상시키고 누설을 최소화할 수 있다. 하지만 이 방법은 다중의 입력 소스 중에서 더 높은 쪽으로 동작해야 한다는 한계점이 있다. 일차 입력 소스가 에너지가 더 풍부한데 이차 소스가 일차 소스보다 전압이 높을 때는 더 높은 쪽의 VIN으로 동작하는 방식은 바람직하지 않을 것이다.

LTC3118은 ‘우선순위’ 모드로 동작할 수 있으므로 VIN2의 전압에 상관없이 VIN1로부터 VOUT을 구동하도록 할 수 있다(VIN1이 연결되어 있고 유효한 범위에 있다고 가정할 때).

리니어 LTC3118

다이오드 OR 동작 역시도 ‘아이디얼 다이오드’ 모드로 여전히 이용할 수 있으며 히스터리시스를 추가함으로써 입력들이 동일할 때의 채터(chatter)를 방지할 수 있다. 또한 아이디얼 다이오드 IC를 사용할 때와 마찬가지로 LTC3118의 완전 N-채널 MOSFET 디자인을 사용해서 포워드 다이오드 강하를 제거할 수 있다. 또한 유연성을 향상시키는 점으로서 각각의 입력 소스가 각기 개별적인 UVLO 임계값을 설정할 수 있으므로 각 입력의 최소 동작 전압을 설정할 수 있다. 또한 추가적인 핀들을 사용해서 시스템으로 VIN 및 VOUT 상태를 제공하므로 향상된 모니터링과 제어를 가능하게 한다.

LTC3118은 4㎜×5㎜ QFN 또는 28핀 TSSOP 패키지로 지능적 파워패스 컨트롤러와 단일 인덕터 벅-부스트 컨버터를 통합하고 있다. 그럼으로써 단순성, 유연성, 보드 면적 절약에 있어서 아이디얼 다이오드 또는 통상적인 다이오드 OR 전원 경로에 이어 별도의 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 사용하는 기법으로는 이 솔루션을 따라올 수가 없다.

LTC3118은 고정적인 1.2㎒ 주파수로 동작함으로써 스위칭 손실과 외부 소자 크기를 절충적으로 최적화하고 있다. [그림2]는 전체적인 LTC3118 기반 시스템을 보여주는 것으로서 400㎟ 풋프린트로 24W 이상의 전력을 제공할 수 있다.

[그림2] LTC3118 데모 보드

2셀 리튬이온 및 월 어댑터 대 12V 출력으로 향상된 전환 성능 달성 = [그림3]은 VIN1로는 2셀 리튬이온 배터리를 연결하고 VIN2로는 12V 월 어댑터를 연결하는 애플리케이션을 보여준다.

이 예에서는 아이디얼 다이오드 모드를 사용해 12V 어댑터가 연결되어 있을 때는 12V 어댑터로 동작하도록 하고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 양쪽의 어느 입력 소스로든 넓은 부하 범위에 걸쳐서 높은 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다.

이 애플리케이션에서는 VIN1로 배터리를 연결하고 있는데 이것은 VIN1이 RDS(ON)이 낮은 MOSFET을 사용하고 있고 VIN이 낮을 때 스텝업 모드로 좀 더 높은 부하 전류를 공급할 수 있기 때문이다.

최대 부하 전류는 배터리 전압 범위의 낮은 쪽인 6V로 동작할 때의 800㎃로 제한된다. 필요하다면 파워 굿(power good) 지시자인 V2GD를 모니터링 함으로써 12V 어댑터가 연결돼 있을 때 더 높은 부하 전류가 가능하게 할 수 있다.
 

[그림3] (a) LTC3118 애플리케이션 예, (b) 효율 곡선

다중의 입력 소스를 사용하는 디자인은 흔히 월 어댑터 같은 전원 소스를 ‘핫플러그’로 연결해야 함으로써 입력 상으로 잡음과 인덕티브 링잉을 일으킬 수 있다. 케이블 인덕턴스를 낮추거나 입력 단자에서 커패시턴스 및/또는 저항을 높임으로써 이러한 급격한 전압 변화를 완화할 수 있는데 이 방법이 어떤 시스템에서는 현실적으로 불가능할 수 있다.

LTC3118 기반 디자인은 여러 가지 방법으로 이러한 급격한 전압 변화를 잘 관리할 수 있다. 2.5V~18V의 넓은 입력 전압 범위는 양 및 음의 방향 모두로 인덕티브 케이블 링잉을 허용할 수 있다. 개별적인 RUN1 및 RUN2 핀은 [그림3]에서와 같이 각 입력에 대해서 맞춤화된 UVLO 레벨을 설정할 수 있다.

[그림 4a]는 아이디얼 다이오드 모드로 VIN2로 인덕티브 케이블을 삽입했을 때의 핫플러그 이벤트를 보여준다. 그림에서 보듯이 긴 케이블의 인덕턴스 때문에 12V 월 어댑터가 17V로 오버슈트를 일으킨다.

[그림4b]에서는 케이블을 분리시켰을 때 응답을 보여준다. 그림에서 보듯이 LTC3118은 VIN2의 UVLO가 9V 부근이 될 때까지 VIN2로 동작하다가 이 지점에 이르면 다시 VIN1로 동작을 재개한다. 양쪽 경우 모두 평균 전류 루프가 필요한 인덕터 전류를 재빨리 명령함으로써 출력에서 100 F 커패시터를 사용해서 급격한 변화를 최소화한다.
 

[그림4] (a) 월 어댑터 삽입, (b) 월 어댑터 제거

우선순위 모드로 USB·시스템 전원 및 3개 리튬이온 셀 사용, 버스트 모드로 배터리 시간 연장 = [그림5]는 LTC3118을 사용한 또 다른 애플리케이션을 보여준다. 이 예에서는 VIN2로 3셀 리튬이온 배터리 스택을 연결하고 VIN1은 USB 입력으로 사용하고 있다.

USB 입력이 연결돼 있을 때는 전압이 더 낮더라도 USB 입력으로 동작하도록 하고자 하므로 LTC3118을 VIN1 우선순위 모드로 설정하고 있다. USB로 동작할 때는 VIN1과 VOUT이 전압이 비슷할 것이다. 그러므로 스텝업 모드와 스텝다운 모드 사이의 경계에서 LTC3118의 내부 PWM 회로가 매끄럽게 전환함으로써 인덕터 및 출력 전압 지터를 최소화한다.

버스트 모드 동작은 [그림5b]에서 보듯이 양쪽 입력 소스로 경량 부하 시에 효율을 향상시킨다. 경량 부하 효율은 배터리 입력에는 확실하게 중요한 것이고 USB 입력 역시도 또 다른 휴대기기로 구동되고 있을 때는 이 동작이 유리할 수 있다.

LTC3118의 평균 전류 모드 제어는 버스트 모드 동작으로도 뛰어난 부하 스텝 응답을 제공한다.

[그림6a]에서는 버스트 모드로 동작할 때 100㎃ 부하에서 LTC3118이 재빨리 PWM 모드로 전환해서 600㎃ 부하 스텝으로 전환할 때 VOUT 의 급격한 변화를 최소화하는 것을 보여준다. USB 3.0 표준에서는 충전할 때는 최대 1.5A가 가능하지만 데이터 전송 시에는 900㎃로 제한하고 있다. USB 3.1 표준안에서는 최대 2A가 가능하다.

LTC3118은 고정적 인덕터 전류 한계가 3A(최소)이므로 스텝업 모드로 지원할 수 있는 부하 전류의 최대 양이 [그림6b]에서 보듯이 5V와 12V 출력 모두 VIN에 따라서 낮아진다. 그러므로 이 점은 필요한 출력 전압 및 부하의 전력 예산과 상관이 있기 때문에 입력 소스 전압을 계산할 때 이 점을 고려해야 한다.

LTC3118의 VCC 전원을 [그림5a]에서 보듯이 5V 출력으로부터 백피드(backfeed)하면 [그림6b]에서 보듯이 낮은 입력 전압일 때의 최대 부하 전류를 향상시킬 수 있다.
 

[그림6] (a) 버스트 모드 동작시 부하 스텝 응답, (b) 5V 및 12V 출력의 최대 부하 전류

백업 시스템 = [그림7]은 백업 전원 시스템으로서 VIN1의 일차 전원을 12V 시스템 레일이나 납축전지로 제공한다. VIN2의 10mF 커패시터는 별도의 전원(이 그림에는 표시되지 않음)을 사용해서 최대 18V로 충전할 수 있다. 우선적인 VIN1 전원이 중단되었을 때는 V1GD 지시자가 하이로 전환해서 시스템으로 이를 통보하고 LTC3118은 VIN2로 동작을 함으로써 VOUT 레귤레이션을 유지한다.

[그림7] 백업 시스템이 1초 넘게 시스템을 유지함으로써 데이터를 안정적으로 저장할 수 있다.

[그림7]은 백업 이벤트의 스코프 화면을 보여주는 것으로서 1초 이상 동안 200㎃ 부하를 제공함으로써 통제된 방식으로 셧다운이 일어나도록 한다. 입력에서 이용할 수 있는 에너지는 다음과 같다‘

이 경우에는 VIN 커패시터가 1.35초만에 고갈될 때까지 LTC3118로부터 일정한 200㎃ 부하를 소모하고 있다. 출력 에너지는 1.35줄(joule)이므로 수퍼커패시터 손실을 포함해서 평균 변환 효율이 84%다.

VCC를 VOUT으로부터 백피드 하면 이 이벤트 시에 VIN2가 최저 2.2V로 동작할 수 있다. 이 예에서는 RUN2 핀을 VIN2와 VOUT 사이에 연결하고 있으므로 VIN1의 시스템 전원이 초기에 VOUT을 스타트업 하고 그림에서처럼 백업 이벤트 시에 VIN2가 약해짐에 따라서 매끄럽게 셧다운 동작이 일어나게 해야 한다. VIN2의 저장 커패시턴스와 전압은 시스템 요구에 따라서 손쉽게 조절할 수 있다.

맺음말 = LTC3118은 지능적 파워패스 컨트롤러와 단일 인덕터 벅-부스트 컨버터를 통합함으로써 다중 입력 디자인에 사용하도록 컴팩트한 플랫폼을 제공한다. 넓은 입·출력 전압 범위로 동작하고 스텝다운 모드로 2A의 부하 전류를 공급할 수 있으므로 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 견고한 솔루션을 제공한다.

또한 LTC3118의 고유한 스위치 아키텍처는 전압이 더 높은 입력으로든 또는 전압이 더 낮은 입력으로든 동작해서 레귤레이트 출력 전압을 제공할 수 있고 이 IC는 제어 및 지시 핀들을 제공함으로써 디자이너를 위해서 최대의 시스템 유연성을 가능하게 한다.

평균 전류 모드 제어는 스위치오버(전환) 시에 출력 부하 스텝이나 입력 라인 스텝에 재빨리 응답할 수 있다. 또한 리니어의 최신 세대 벅-부스트 코어와 버스트 모드 동작을 사용함으로써 낮은 잡음과 높은 효율을 동시에 달성할 수 있다.

이 기사를 공유합니다
저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지