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광범위한 VIN 성능과 유연성을 결합한 동기 벅 컨트롤러 솔루션
정환용 기자 | 승인 2017.08.17 10:10

[EPNC=정환용 기자] 대부분의 전력 컨버터 구현은 효율과 전력 밀도 사이에 어쩔 수 없는 절충이 요구된다. 더불어 새롭게 등장하는 애플리케이션들은 전력 솔루션에 새로운 요구사항들을 제기한다. 이런 이유로 많은 개발자들은 성능과 유연성을 겸비한 벅 컨트롤러를 기반으로 한 검증된 전력 솔루션을 채택하고 있다. 산업용과 통신 애플리케이션의 경우 성능 측면에서 다음의 두 가지를 중요하게 고려해야 한다

▲높은 스텝다운 비율, 높은 신뢰성, 저비용의 솔루션을 위한 광범위한 입력 전압(VIN) 범위
▲제품 개발 및 출시 시간을 단축하기 위해 유연하면서도 사용이 편리한 설계 툴 지원

VIN가 넓고 최소 온 타임(TON-min)이 낮은 컨트롤러를 사용하면 높은 입력-대-출력 전압 차동이 용이하다. 또한, 공칭 24V, 28V, 48V, 60V 버스에서 저전압 출력으로 곧바로 스텝다운 변환을 할 수 있어 시스템 복잡성을 줄이고 솔루션 비용을 낮출 수 있다.

그림 1. 300kHz에서 12V/5A 출력을 제공하는 넓은 VIN의 동기식 벅 컨트롤러 솔루션.

높은 VIN 소스나 고전압 과도 현상을 겪는 입력 레일을 레귤레이트하도록 설계된 넓은 VIN 컨트롤러는, 외부 서지 억제 부품의 필요성을 최소화하므로 신뢰성을 잃지 않으면서 솔루션 크기와 비용을 모두 줄일 수 있다. 이처럼 높은 전압 정격으로서 더 높은 동작 마진과 과도 현상 내성을 제공하기에, 특히 통신, 산업용, 의료용, 모터 구동 시스템과 같이 긴 제품 수명을 요구하는 애플리케이션에서 빛을 발한다.
 
그림 2는 그림 1의 레귤레이터 효율 곡선을 보여준다. 이 측정은 LM5145의 VCC를 VOUT으로부터 구동함으로써 바이어스 전력 소모를 줄이고 경부하 효율을 높인다. 또한, 통합된 7.5V 게이트 드라이버는 MOSFET 데드 타임과 바디 다이오드 역 복구 손실을 줄이므로 과부하 시 효율을 높인다.

그림 2: 출력 부하 바이어스 전력과 경부 하에서 불연속 전도 모드 (DCM)가 가능한 동기식 벅 레귤레이터 효율.

TI는 사용의 편의성과 고성능 전력 변환 사이의 차이를 줄이기 위해 WEBENCH, SPICE 시뮬레이션 모델, TI Designs 레퍼런스 디자인 라이브러리를 비롯한 일련의 전력 설계 툴을 제공한다. 고성능 솔루션은 구성 요소 상호의존성과 절충안이 불가피하다는 점을 감안해, 또 다른 편리한 툴인 IC 별도 퀵 스타트 계산기를 제공한다. 덕분에 설계 작업을 빠르게 간소화한다. 예를 들어 그림 3은 이 엑셀 기반 컨트롤러 설계 툴의 화면 캡처로, LM25145 500kHz 벅 레귤레이터 솔루션을 5V 20A 출력으로 설계할 때의 설계 흐름을 단계적으로 보여준다. LM25145 퀵 스타트 계산기는 무료로 다운로드할 수 있다.

그림 3. 벅 컨트롤러 퀵 스타트 계산기. 입력하고 계산된 부품 값에 따라서 회로가 자동으로 배치된다.

그림 3의 1단계에서는 사용자가 입력 전압 범위, 출력 전압, 최대 부하 전류, 스위칭 주파수에 대한 사양을 입력할 수 있다. 2단계에서는 벅 인덕터 선택을 고려하고, 3단계에서는 과전류 보호에 대해서 다룬다. 그림 4의 후속 설계 단계들에서는 입/출력 커패시턴스, 소프트 스타트, 저전압 차단, 루프 보정 부품 선택을 지원한다.

그림 4. 보드 플롯, 효율성과 부품 전력 손실 분석 기능이 내장된 LM25145 퀵 스타트 계산기.

그림 4에서는 전력 MOSFET과 수동 부품에 입력된 파라미터를 기반으로 한 계산을 통해 예측된 보드 플롯과 레귤레이터 효율 곡선을 보여준다. LM25145 데이터 시트의 애플리케이션 예제 1은 고밀도와 낮은 전자기 간섭(EMI)을 달성하기 위한 권장 전력 스테이지 부품, 동작 파형 및 PCB 레이아웃 가이드라인을 비롯하여 이 설계와 관련된 보다 자세한 정보를 제공한다.

LM25145 데이터 시트의 애플리케이션 예제 1.

작성: Timothy Hegarty, Texas Instrument

#TI#컨버터#컨트롤러#VIN

정환용 기자  hyjeong@epnc.co.kr

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