IQ가 극히 낮은 새로운 벅-부스트 컨버터

[테크월드=이나리 기자] DC/DC 컨버터의 입력 전압은 이상적이지 않은 전원 소스나 다중 입력 전원 소스, 트랜션트, 축전 소자의 충전 또는 방전 같은 요인들 때문에 크게 변동적일 수 있다. 이와 같은 조건을 극복하기 위해서 전원장치 디자이너가 사용할 수 있는 수단 중 특히 유용한 툴이 벅-부스트 DC/DC 컨버터이다.

단일 인덕터를 사용하는 비반전 벅-부스트 컨버터는 입력이 출력보다 높거나, 같거나, 낮거나 상관없이 입력 전압을 매끄럽게 스텝다운(벅)을 하거나 스텝업(부스트)을 해서 출력 전압을 레귤레이트할 수 있다. 벅-부스트 컨버터의 3가지 방식의 유연성에 의해서 2개 IC(각기 별도의 벅 컨버터 또는 LDO 선형 레귤레이터와 부스트 컨버터)를 대체할 수 있으며, 그럼으로써 휴대기기 시스템의 배터리 시간을 크게 향상시킬 수 있다.

또한 BOM(Bill Of Materials)을 줄일 수 있으므로 PCB 상의 공간/풋프린트를 절약할 수 있다. 또한 다중 전위 전원 소스를 사용하는 경우에는 전원 소스에 따라서 벅-부스트 컨버터를 전적으로 벅 모드나 부스트 모드로 사용할 수 있다. 반면에 축전 소자가 방전할 때 특정한 방전 전압 곡선을 나타내는 전원 백업 애플리케이션에서는 벅-부스트 컨버터가 두 동작 모드를 모두 사용할 수 있다.

시장 분야에 따른 다양한 요구

컨슈머 제품을 제외하고는 입력 및 출력 전압 범위가 애플리케이션에 따라서 크게 변동적이다. 예를 들어서 표준 산업용 전원 버스 전압은 24V이거나 12V이다. 대부분 시스템이 다중의 잘 레귤레이트된 전원 레일을 필요로 하며, 전압이 더 낮은 레일을 제공할 때는 통상적으로 벅 레귤레이터나 LDO를 사용한다.

그런데 센서나 여타 다양한 아날로그 기능(연산 증폭기, 모터, 트랜시버 등)을 구동하기 위해서는 안정적인 12V 및 24V 레일을 제공해야 한다. 이런 많은 기능은 전원 버스의 상태나 시스템 구성에 따라서 벅과 부스트 변환 둘 다를 필요로 한다. 그러므로 벅-부스트 컨버터는 다양한 입력 소스로 동작할 수 있는 유연성을 제공하며 설계 측면에서 필요로 하는 전원 컨버터 수를 최소화하고 BOM을 줄일 수 있도록 한다.

넓은 전압 범위로 동작해야 하는 자동차 배터리

자동차 애플리케이션에서는 12V 자동차 배터리가 모든 전자장치를 구동하기 위한 메인 전원이다. 그런데 공칭 12V가 콜드 크랭크 조건 시에는 최저 3V까지 떨어질 수 있고 부하 덤프 조건 시에는 40V(트랜소브에 의해서 제한되는 수준) 가까이 치솟을 수 있다. 전자장치가 동작하기에 혹독한 환경이므로 전자장치들이 이런 다양한 조건들에 걸쳐서 견고하게 동작할 수 있도록 해야 한다.

많은 내부 시스템이 24V에 이르는 이중 배터리 전압에 노출된다(예를 들어 견인차 점프 스타트 같은 때). 이와 같은 극단적인 전압 조건뿐만 아니라 후드 내부에서는 극히 높은 온도까지 올라갈 수 있으므로 전자장치의 견고성이 매우 중요한 요소가 된다. 그러므로 자동차 전자 시스템에 보편적으로 사용되는 5V~12V 레일 같은 시스템 전압을 제공하기 위해서 벅-부스트 컨버터를 사용하는 것이 유용하다.

항공전자, 군용, 항공우주 애플리케이션은 표준 전원 레일을 사용하면서 다양한 배터리 구성과 태양광 패널을 사용해서도 동작할 수 있으므로, 아주 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있는 전원장치를 필요로 한다. 또한 어떤 애플리케이션은 다중 입력 소스를 통해 동작하면서 어떤 에너지 소스라도 자동으로 시스템을 구동할 수 있게 해야 한다. 예를 들어 많은 군용 애플리케이션은 배터리, 어댑터, 태양광 패널 등을 포함한 다양한 소스를 사용해서 전원을 공급해야 한다.
산업용 및 군용/항공우주 시스템도 자동차 환경과 마찬가지로 까다로운 입력 전압 조건으로 하위 전자장치에 견고한 전원을 공급해야 한다. 뿐만 아니라 넓은 온도 범위로 동작해야 하는 것은 물론이다..

전원 변환을 위한 요구사항

과거에는 벅 모드 동작과 부스트 모드 동작을 모두 필요로 하는 설계는 다중 전원 컨버터를 사용해야 했기 때문에 PCB 면적, 크기, 높은 비용, 복잡성 가중, 신뢰성 저하, 높은 정지 전류(IQ), 낮은 변환효율 등의 문제를 해결하기 어려웠다. 대안으로 등장한 SEPIC(Single-Ended Primary Inductance Converter) 같은 토폴로지는 다중 전원 컨버터를 사용하는 것보다 간단하기는 했으나 동기 벅-부스트 컨버터에 비해 효율이 10%까지 더 낮으며 2개 인덕터와 고전류 커플링 커패시터를 필요로 함으로써 복잡성과 전위 잡음을 증가시킬 뿐만 아니라 배터리 수명을 단축시켰다.

또한 벅-부스트 컨버터라 하더라도 부스트 모드 동작 자체가 독특한 문제점을 만들어 낸다. 특히 부스트 컨버터를 턴오프하거나 전원 소스를 처음에 인가할 때를 들 수 있다. 기존의 부스트 컨버터는 VIN에서부터 인덕터와 부스트 다이오드를 거쳐서 VOUT까지 전류 경로가 직접적이다. 부스트 컨버터의 이런 측면 때문에 VIN으로 전력을 인가할 때 손상을 일으킬 가능성이 있는 높은 쇄도 전류를 발생시키고 그럼으로써 VOUT으로 부분적으로 전력을 공급하고 전원 컨버터를 셧다운 했을 때 다이오드가 VIN 아래로 떨어질 수 있다.

리니어의 많은 벅-부스트 컨버터 제품은 4스위치 아키텍처를 사용해서 출력 차단 기능을 제공한다. 그러므로 VIN으로 처음에 전력을 인가할 때 벅-부스트 컨버터의 입력 전류를 통제하며 제로에서부터 전류 한계 수준으로 점차적으로 상승시키면서 VOUT을 파워업 한다. 턴오프 때는 벅-부스트 컨버터가 VOUT을 VIN으로부터 완벽하게 차단한다. 그러므로 VOUT이 제로에 이르도록 안전하게 방전할 수 있다.

수퍼커패시터를 사용하는 백업 애플리케이션은 매우 낮은 입력 전압으로까지 동작할 수 있는 벅-부스트 컨버터를 사용하면 유리하다. 예를 들어서 커패시터 뱅크(수퍼커패시터, 전해 커패시터 등)가 특정 전압 수준으로 충전되어 있고 메인 전원이 중단됐다고 했을 때, 하위의 벅-부스트 컨버터가 커패시터에 저장돼 있는 모든 에너지를 최대한 활용해 출력 레귤레이션을 유지할 수 있다.

그러므로 애플리케이션에서 필요로 하는 커패시턴스 양을 줄일 수 있다(커패시턴스를 줄일 수 있고 그로 인해 보드 면적을 줄일 수 있다). 그런데 최근의 컨버터는 동작하기 위해서 2.xV의 입력 전압을 필요로 한다. 그러므로 2.xV 미만인 입력으로부터 전력을 끌어내기 위해서는 백피딩 같은 추가적인 조치를 사용해야만 가능하다. 그러나 많은 DC/DC 컨버터는 이런 기능을 제공하지 못한다.

리니어는 이같은 문제를 해결한 벅-부스트 컨버터 제품을 제공하고 있다. 40V 입력의 경우에는 LTC3115-1/-2나 LTC3114-1을 사용할 수 있다. 최대 15V 입력 전압의 경우에는 LTC3111, LTC3112, 극저 정지 전류 LTC3129를 사용할 수 있다. 또한 조만간 출시할 예정인 LTC311x 제품군은 입력 전압 용량을 18V로 확대하며 벅 모드로 5A의 출력 전류를 제공한다. 이 중간에 빠져 있는 제품이 12V/24V 시스템과 호환 가능하고 최대 600mA의 출력 전류를 제공하고 스타트업 후에 저전압으로 동작하고 정지 전류가 극히 낮은 벅-부스트 DC/DC 컨버터이다.

IQ가 극히 낮은 새로운 벅-부스트 컨버터

그렇다면 위에서 같은 문제들을 해결하는 벅-부스트 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성들을 충족해야 한다.

• 넓은 입력/출력 전압 범위로 동작
• 충분한 출력 전류 용량
• 극히 낮은 IQ
• 낮은 출력 잡음/리플
• 고효율 동작
• 부스트 모드로 동작할 때 출력 차단
• 필요로 하는 외부 부품 최소화, 설계 간소화
• 뛰어난 열 성능  

이런 요구를 충족하는 제품으로서 리니어는 최근에 LTC3130 및 LTC3130-1을 출시했다. 이 25V 입력 및 출력 정격 모노리식 동기 벅-부스트 컨버터는 벅 모드로 최대 600mA의 출력 전류를 제공할 수 있으며 무부하 정지 전류가 1.2µA로 극히 낮다[그림 1].

이 제품은 2.4V~25V 입력 전압 범위와 1V~25V 출력 범위로 동작하며(LTC3130은 조절 가능)[그림 2], 입력이 출력보다 높거나, 낮거나, 같거나 상관없이 레귤레이트된 출력을 제공한다. 또한 이 디바이스 제품은 일단 스타트업을 완료한 후에는 0.6V의 정격 입력 전압만을 필요로 한다. 사용자 선택 가능 부스트 모드(Burst Mode) 동작을 사용하면 정지 전류를 1.2µA로 낮출 수 있으므로 경부하 효율을 향상시키고 배터리 사용 시간을 연장할 수 있다.

또한 LTC3130/-1의 고유의 벅-부스트 토폴로지는 모든 동작 모드로 잡음이 낮고 지터를 발생시키지 않는 스위칭을 제공하므로 전원장치 잡음에 민감한 RF나 정밀 아날로그 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 더불어 이 디바이스 제품은 프로그램 가능 MPPC(Maximum Power Point Control) 기능을 제공하므로 태양광 셀 등의 이상적이지 못한 전원 소스로부터의 효율적인 전력 공급을 가능하게 한다.

LTC3130-1은 LTC3130과 모든 특성이 동일한데, 다만 사용자가 선택적으로 사용할 수 있는 4개의 고정 출력 전압(1.8V, 3.3V, 5V, 12V)을 제공한다. 그러므로 출력을 조절할 수 있는 제품과 달리 외부 저항을 필요로 하지 않는다[표 1].

LTC3130/-1은 1~6개의 직렬 리튬 배터리 입력 시스템과 높은 잡음 스파이크에 노출되는 공칭 12V 시스템을 처리할 수 있는 충분한 전압 마진을 제공할 뿐만 아니라 24V 센서를 구동할 수 있다. 최소 660mA의 인덕터 전류 한계는 부스트 모드 출력 전류 용량을 제공한다. 그러므로 3.3V 또는 5V나 배터리 같은 낮은 입력 전압으로 동작해야 하는 24V 센서에 사용하기에 유용하다.

또한 LTC3130/-1은 내부적으로 RDSON이 낮은 4개 N-채널 MOSFET을 포함함으로써 최대 95%에 이르는 효율을 제공한다. 또한 가장 낮게는 7.5µW를 제공하는 소스를 사용해서 컨버터 스타트업을 할 수 있으므로, LTC3130/3130-1은 박막 태양광 셀 같이 약한 전력소스를 사용해서 구동해야 하는 애플리케이션의 사용에 적합하다. 또한 부스트 모드(Burst Mode) 동작을 정지시킬 수 있으므로, 낮은 잡음으로 연속 스위칭을 달성할 수 있다. LTC3130/-1의 고정 1.2MHz 스위칭 주파수는 낮은 잡음과 높은 효율을 가능하게 하며 외부 소자의 크기를 최소화할 수 있다[그림 3].

또한 루프 보정과 소프트 스타트 기능을 통합함으로써 외부 부품 수를 줄이고 설계를 간소화한다. 그 밖의 특징으로는 파워 굿(power good) 지시기, 핀 선택 가능 전류 한계, 정확한 RUN 핀 임계값, 외부 VCC 입력, 열 셧다운 등이 있다. 또한 LTC3130/-1은 작은 크기의 외부 소자를 사용할 수 있고, 넓은 전압 범위로 동작할 뿐 아니라, 컴팩트한 패키징과 극히 낮은 정지 전류 등의 특징을 통해 배터리 사용 시간을 연장하도록 하는 것이 무엇보다도 중요한 요구사항인 ‘올웨이즈 온(always-on)’ 애플리케이션에 특히 적합하다.

이 제품을 사용하기에 적합한 애플리케이션으로는 장기적 수명의 배터리를 사용하는 계측기, 휴대용 군용 무선 장비, 저전력 센서, 태양광 패널 포스트 레귤레이터/차저 회로 등이 있다.
또한 LTC3130/-1은 VCC를 제공하기 위해서 2개 LDO 레귤레이터를 통합하고 있다. 하나는 VIN으로부 제공되는 것이고, 다른 하나는 EXTVCC로부터 제공되는 것이다. VCC로 충분한 전압을 유지하기만 한다면 컨버터가 어느 입력 소스로나 동작할 수 있다.

LTC3130/-1은 열 향상 20리드 3×4mm QFN 및 16리드 MSOP 패키지로 제공된다. 또한 E등급 및 I등급 제품은 –40~125℃의 넓은 온도 범위에서 동작한다.

24V 센서 애플리케이션

[그림 4]는 배터리를 사용해서 동작하는 24V 센서 전원장치를 보여준다. 이 센서의 전원은 신뢰성이 높고 수명이 긴 리튬염화티오닐 일차전지를 사용한다. 배터리 사용 시간을 극대화할 수 있도록 이 센서를 짧은 기간 동안만 작동하고 작동을 하지 않는 간격에는 거의 제로의 전력 상태로 돌아간다. 또한 LTC3130의 200mA 입력 전류 한계 옵션을 사용해(Ilim 핀 = GND) 센서가 작동할 때 고 출력 임피던스 리튬염화티오닐 일차전지로부터 취하는 피크 전류를 최소화함으로써 배터리 수명을 추가적으로 더욱 연장할 수 있다.

긴 휴지(idle) 간격에는 RUN 핀을 로우로 구동해서 LTC3130을 셧다운 함으로써 24V 출력으로 1µA만을 소모한다. 또한 이 센서를 24V 레일로부터 차단함으로써, 다른 말로 셧다운 함으로써 긴 휴지 간격 시에 24V 출력 커패시터의 방전을 최소화한다. 이같은 방식으로 24V 출력을 유지하면 24V 전원 레일이 충전되기를 기다릴 필요 없이 센서가 빠르게 파워업하고, 필요한 측정을 하고, 다시 파워다운이 가능해진다. 이 센서가 정상 모드로 동작할 때 이 DC/DC 컨버터는 최대 83%의 효율을 달성한다.

EXTVcc 기능

3V 이상(범위: 3V~25V)이면 LTC3130의 EXTVCC가 이 IC를 구동한다. EXTVCC 입력을 사용해서는 다음과 같은 것을 할 수 있다.

• VOUT으로 부트스트랩을 하면 더 낮은 VIN을 가능하게 한다.
• VOUT으로 부트스트랩을 해서 높은 VIN일 때 효율을 향상시킬 수 있다.
• 아주 낮은 VIN을 사용하는 애플리케이션의 경우에 외부 소스를 사용해 스타트업 할 수 있다[그림 5].

MPPC(최대 전력점 제어)

LTC3130/-1의 MPPC 입력과 선택적인 외부 전압 분할기를 사용함으로써 태양광 패널 같은 고 저항 소스를 사용할 때 최대의 입력 전압을 유지할 수 있도록 인덕터 전류를 동적으로 조절할 수 있다. 그럼으로써 입력 전력 전달을 극대화하고 VIN이 부하보다 너무 낮게 떨어지지 않도록 할 수 있다. 이를 달성하는 방법은, 태양광 셀 같은 이상적이지 못한 전원 소스로 동작할 때 컨버터의 입력 전압을 전력 추출을 극대화하도록 프로그램 된 수준으로 서보 제어를 하는 것이다[그림 6].

높은 유연성으로 다양한 애플리케이션에 적용

단일 인덕터를 사용하는 비반전 벅-부스트 컨버터는 유연성이 매우 뛰어난 유용한 전원 소자다. 리니어의 LTC3130/-1은 25V 입력 및 출력 정격 벅-부스트 컨버터로서, 벅 모드로 600mA 출력 전류 정격을 제공하며 정지 전류가 1.2µA로 매우 낮다.

이 제품을 사용함으로써 벅-부스트 애플리케이션의 범위를 느슨하게 레귤레이트하는 5V/12V/18V 어댑터, 다중 배터리 타입, 소형 태양광 셀, 재충전가능 소스 같이 전원장치에 대한 요구가 까다로운 다양한 애플리케이션까지 확대할 수 있게 됐다. 또한 유연성이 뛰어나고 MPPC와 EXTVCC 같은 기능을 통합함으로써 다양한 방식의 전원 시나리오를 가능하게 만들어 보다 광범위한 분야의 애플리케이션에서 요구를 충족시킬 수 있다.
 

글 : 존 바지넷(John Bazinet) 파워 부문 과학자, 데이비드 로콘토(David Loconto) 파워 부문  디자인센터 매니저, 스티브 노쓰(Steve Knoth) 파워 부문 시니어 마케팅 엔지니어
자료제공 : 리니어 테크놀로지(www.linear.com)