분산형 전력구조(Distributed Power Architecture)는 텔레콤 랙, 서버 룸과 같은 대형 시스템들이 통합되면서 전력공급이라는 어려운 과제를 해결하기 위해 등장했다. 대부분 두 종류의 토폴로지가 이용되었지만 높은 변환효율, 적은 부품 수와 부품비용, 소형 온-보드 풋프린트 및 손쉬운 설계 등 대부분 설계자의 요구를 완전하게 만족시켜주지 못하고 있다. 새로 개발된 IBA (Intermediate Bus Architecture)는 이에 대한 해답을 제시한다. 이 구조는 설계자가 단순한 전원 블록처럼 사용하며 저비용으로 효율적인 솔루션을 빠르게 구성할 수 있다.기존 방식에서 진일보대표적인 두 종류의 DPA 기술 중 하나는 DC 입력 전압을 시스템의 일반적인 부품에서 필요로 하는 수준인 3.3V로 변환하는 것이다. 이 레일은 다른 시스템 전압을 발생시키는 추가적인 POL(point of load) 컨버터뿐만 아니라 3.3V 부품에 직접 전력을 공급하는데 사용된다.그러나 36~75VDC로부터 3.3V와 같은 로직 전원 수준으로 직접 변환하는 경우 효율이 떨어진다. 이러한 현상은 저전압 로직이 2.5V 전원 아래로 이동함에 따라 더욱 악화되며 3.3V 부하를 보호하기 위해 많은 양의 필터링이 필요하고 필수적으로 요구되는 FET 시퀀싱은 추가적인 Rds(on) 손실을 초래한다.다른 방법은 DC 입력을 POL 컨버터 어레이를 제공하는 12V 레일로 변환한 후 여기서 개별적으로 요구되는 시스템 전압을 발생시키는 것이다. 대부분 제공되는 12V 출력 모듈은 실제로 완전한 기능을 갖춘 브릭이다. 이러한 브릭은 상대적으로 비효율적이며 완전히 레귤레이트된 12V 출력을 제공한다. 오늘날의 POL 컨버터는 입력 전압 범위가 넓기 때문에 불필요한 비용과 복잡성을 추가하는 셈이다. 또한 브릭은 높은 RMS 전류를 가지며 2차측 FET를 40~100V에 달하는 상대적으로 높은 정격 전압을 사용해야한다. 일반적으로 이러한 브릭은 평균 출력 전압이 낮게 사용될 때 보다 더 높은 Rds(on)을 갖는다.하지만 2단 변환은 내재적인 장점을 갖는다. 레귤레이트되지 않은 중간 버스(intermediate bus)는 효율이 높고 비용이 저렴하다. 3.3V DPA에 비해 8V의 중간 버스 전압을 사용할 경우 주어진 동일한 전력 수준에서 전류가 더 낮아 분배 손실이 훨씬 적다. 또한 POL 컨버터에서 시퀀싱을 수행할 수 있어 여러 개의 FET 시퀀싱에서 오는 전도 손실이 없다.12V DPA에 비해 8V 범위에서 버스 전압을 사용할 경우 스위칭 손실이 입력 전압에 따라 달라져 다운스트림 POL에서 스위칭 손실이 감소된다. 2단 DPA의 설계 시 전체적인 처리 효율이 핵심적 요소이다. 이와 같은 방식으로 DC 버스 컨버터를 사용할 경우 가장 최적화된 완벽한 전력 구조를 구현할 수 있다.DC 버스 컨버터라고 하는 새로운 유형의 모듈을 사용하면 이러한 1차단을 레귤레이트되지 않은 6VDC~8VDC로 변환할 수 있다. 버스 전압은 트랜스포머 권선 비에 맞춘 간단한 변경으로 쉽게 조정할 수 있다. 200W 이상의 고전력 시스템에서 레귤레이트되지 않은 12V 공칭 버스 전압으로 설계하는 것이 합리적이며 저전력 시스템에서는 6V~8V 버스 전압이 합리적이다. DC 버스 컨버터 50% 고정 듀티 사이클에서 실행되는 절연된 컨버터를 사용하므로 단순한 자체 구동 방식의 2차 동기 정류 방식이 적절하다. 따라서 높은 전력 변환효율이 가능하고 입출력 필터링의 필요가 줄어들고 신뢰성이 향상된다. 2차단을 위해서는 보드 실장 방식의 비절연 POL을 사용할 수 있다. 이 POL은 단지 몇 개의 외부 수동부품만 필요로 한다. 그 결과 개별적인 모듈 방식에 비해 보드 공간과 설계 복잡성이 줄어든다.DC 버스 컨버터 설계이러한 새로운 토폴로지의 장점을 극대화하기 위해서 DC 버스 컨버터에 최적화된 전원 MOSFET 기술 및 새로운 하프 브리지, 풀 브리지 컨트롤러가 필요하다.이러한 유형의 새로운 컨트롤러의 하나인 International Rectifier IR2085S는 단일 SO-8 패키지에 100V 1A 하프 브리지 드라이버 IC를 내장한 50% 듀티 사이클 발진기를 통합하고 있다. 또 다양한 애플리케이션 요구사항에 맞추어 외부에서 조정할 수 있는 주파수와 데드 타임을 갖추고 있다. 내부 소프트 스타트 기능은 맨 처음 약 2000펄스의 게이트 구동 신호 동안 듀티 사이클을 서서히 증가시켜 시동 시 돌입 전류를 제한한다. 풀 브리지 DC 버스 컨버터에도 비슷한 방법을 적용할 수 있다. 신제품 IR2086S를 사용할 경우 유사한 폼 팩터에서 최대 240W를 제공하고 최대한 부하 전류 시 96.4% 효율을 달성한다.그림 1은 넓은 범위의 36~75Vin, 220W DC 버스 컨버터 회로에서 사용할 수 있는 48VDC 입력 회로도를 보여준다. 1차측에서 IR2085S 컨트롤러 및 드라이버 IC가 100V n채널 전원 MOSFET인 두 개의 IRF6644 저충전 DirectFET 전력 MOSFET를 구동한다. 1차측 바이어스는 기동 시 선형 레귤레이터로부터 바이어스 전압을 얻고 트랜스포머는 정상 상태에 도달한다. 이러한 기능을 위해 SO-8 패키지의 듀얼 80V n채널 전원 MOSFET IRF7380이 사용된다. 2차측에서는 신제품 30V n채널 IRF6612와 IRF6618 DirectFET 전원 MOSFET이 자체 구동 동기정류 토폴로지에 사용된다. 12V 출력 애플리케이션은 신제품 40V n채널 IRF6613을 동기정류 MOSFET로 사용할 수 있다. 소자는 1/8 미만의 브릭 외형에서 96% 이상의 효율을 달성한다.이것은 기존에 완전히 레귤레이트되는 보드 실장 전원 컨버터보다 3~5% 높은 효율과 50% 더 적은 크기이다.DC 버스 컨버터에서 DirectFET와 표준 SO-8 제품의 성능을 비교하면 몇 가지 인상적인 결과를 볼 수 있다. SO-8 제품은 열 성능으로 인해 전력을 약 150W로 제한한다. 이러한 제한을 넘어서기 위해 언제나 병렬구동 SO-8이 필요하다.비교를 위해 하프-브리지 버스 컨버터의 1차측에서 100V SO-8 제품과 100V DirectFET의 사용효과를 비교하면 DirectFET(IRF6644)가 220W에서 95.7%(27.5A @ 8Vout)을 나타냄으로써 1% 더 높은 효율을 달성한다. 컨버터가 이러한 전력 수준인 약 95~96% 사이에서 동작한다는 것을 고려할 때 컨버터 효율성 이득이 크게 증가되었다는 것을 보여준다. 다른 결과로 DirectFET는 우수한 열 장점을 제공하므로 SO-8에 비해 1차측 FET에서 접합점 온도가 40% 더 낮다. 이것은 FET 비율이 접합점 온도와 연관을 갖는 시스템 신뢰성 면에서 잠재적으로 우수한 향상을 의미한다.버스 컨버터의 1차측에서 DirectFET를 사용 시 2차측 FET에 비해 온도 균형을 달성할 수 있고 표준 제품에서 보이는 1차측에서 생성된 핫 스팟이 제거된다.이 밖에도 1차측에서 DirectFET와 병렬 구동 SO-8을 비교했다. DirectFET가 여전히 약 0.4% 높은 효율을 보인다는 것이 입증되어 DirectFET가 병렬구동 표준 소자를 충분히 대체할 수 있다고 볼 수 있다.DirectFET 반도체 패키징은 실질적으로 전체 on 상태 저항으로부터 MOSFET 패키징 효과를 제거하므로 회로 효율을 최대화한다. DirectFET 패키징은 PCB에 대해서 ~1C/W를 소자의 윗면(top-side)을 통해 ~1.4C/W의 매우 우수한 열 저항을 제공한다. IRF9956 듀얼 30V SO-8 MOSFET의 경우 IRF6612와 IRF6618 게이트 구동 전압은 최적 값인 7.5V로 클램핑된다. 잠재적 220W DC 버스 컨버터 크기는 2.05인치 x 0.85인치로 2.30인치 x 0.90인치 크기의 산업 표준 1/8 브릭 폼 팩터보다 25% 더 작다. 오늘날 제공되는 완전한 기능을 갖춘 일부 솔루션은 표준 크기의 2.30인치 x 1.45인치 1/4 브릭 폼 팩터로 출고되므로 DC 버스 컨버터 설계 방법을 사용할 경우 잠재적으로 53%까지 공간을 절감할 수 있다.스위칭 주파수의 선택도 컨버터의 효율, 크기 및 비용에 영향을 미친다. 스위칭 주파수를 증가시키면 출력 전압 리플 및 자기 자속 밀도가 감소되므로 자기 부품 수를 줄일 수 있다. 트랜스포머 코어도 크기를 더 줄이고 손실을 더 낮출 수 있다.반면 더 높은 1차측 및 2차측 스위칭 손실은 전체 회로 효율을 떨어뜨린다. 그림 1의 컨버터는 약 220kHz의 1차측 스위칭 주파수에서 최적의 성능을 보여준다. 하이 사이드와 로우 사이드간의 펄스 폭 차는 25ns 미만으로 자기 자속 불균형을 방지한다. 이것은 브리지 토폴로지에서 중요한 고려사항이다. 하프 브리지 회로에 대한 로우 사이드와 하이 사이드 펄스간의 주파수 및 데드 타임은 다양한 애플리케이션과 전력 수준, 스위칭 소자에 맞추어 외부 타이밍 커패시터에서 조정할 수 있다.2차단 POLPOL에서 2위상 듀얼 출력 동기 벅 컨버터는 몇 개의 수동 부품과 출력 인덕터·커패시터 및 입력 커패시터만 필요하므로 IBA 설계를 손쉽게 구현하고 같은 유형의 개별적인 솔루션에 비해 50%까지 풋프린트를 절감할 수 있다. 또한 높은 리플 주파수는 다른 경우에 비해 부품 수를 더욱 줄일 수 있도록 허용한다.이와 같은 ‘전원 빌딩 블록’의 선도 제품 중에서 International Rectifier iP1202는 IR의 iPOWIRTM 패키징 기술을 사용하여 불과 9.25mm×15.5mm×2.6mm 크기의 단일 패키지에 PWM 컨트롤러 및 드라이버 기능과 관련된 제어 및 동기 MOSFET 스위치, 쇼트키 다이오드 및 입력 바이어스 커패시터를 통합하고 있다. 소자는 DC 버스 컨버터로부터 직접 전력을 제공받을 수 있어 외부 바이어스 회로가 필요치 않아 설계 시간을 단축시킬 수 있을 뿐 아니라 풋프린트를 더욱 감소시킬 수 있다.또한 소자는 다른 POL과 외부에서 동기화할 수 있으므로 입력 EMI 필터링을 더 단순하게 한다.통합화새로운 중간 버스 구조의 성능을 테스트하기 위해 처음부터 IBA를 최적화할 수 있도록 설계된 모듈을 사용하여 구현한 다음 그림 1의 DC 버스 컨버터를 두 개의 iP1202 POL과 결합하여 그림 2에 보이는 3출력 시연 장치를 생성했다. 그림 3은 IBA가 최대 84.5%의 총 전기적 효율을 달성하는 것을 보여주며 이를 통해 IBA가 저전압 로직, 프로세서 및 ASIC를 통합하는 현대 시스템의 요구를 만족시키는 대안이 될 수 있다는 것을 알 수 있다.
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