자동차용 USB 타입C 전원 솔루션

[테크월드=양대규 기자] USB 타입C(Type-C)는 컴퓨터와 휴대용 전자기기에 사용되는 비교적으로 새로운 고전력 USB 주변장치 표준이다. USB 타입C 표준에서는 달라진 USB 전력 공급 규격을 볼 수 있다. 오래 사용되던 기존의 5V USB 표준에서 버스 전압은 최대 20V까지 증가했으며, 전류 공급 능력도 최대 5A로 늘어났다. 연결된 USB-C 기기는 서로 인식할 수 있고, 디폴트 5V USB 출력에서부터 몇 단계의 더 높은 프리셋 전압까지 버스 전압을 협상할 수 있어 보다 빨리 배터리를 충전하고, 필요한 경우 최대 100W까지 높은 전력을 공급할 수 있다.

단지 500mA~2A에서 USB 5V를 필요로 하는 배터리 충전기에 사용되던 단순하고 작은 벅 레귤레이터나 선형 레귤레이터는 타입C USB 전원의 전체 범위를 지원하기에는 부족하다. 타입C USB 전력 공급의 전압 범위는 5V에서 20V까지 늘어나, 9V~36V(또는 60V) 자동차 배터리 또는 다른 충전 소스에서 단순한 스텝다운 전압 변환 이상을 필요로 한다. 즉, 입력에서 출력 전압을 스텝업 또는 스텝다운 할 수 있는 조정 가능한 벅-부스트 컨버터가 필요하다.

또한, 고전력 자동차용 USB 충전기의 경우 벅-부스트 컨버터는 10A 이상의 피크 스위치 전류 정격을 지원하고 낮은 EMI 성능을 제공해야 한다. 스위칭 주파수를 AM 라디오 대역 밖으로 설정하고 소형 솔루션 크기를 유지하는 것이 바람직하다. 고전압 모노리식 컨버터(온보드 스위치 내장)는 타 버리지 않고 이와 같은 높은 피크 스위치 전류를 유지할 수 없다.

LT8390A는 고유한 2MHz, 동기식 4스위치 벅-부스트 컨트롤러이다. 2MHz 스위칭 주파수에서 LT8390A는 5V~15V 사이의(3A에서 최대 45W) 출력 전압을 제공해 연결된 USB-C 기기에 자동차 배터리로부터 전력을 공급할 수 있다. 이런 높은 컨트롤러 스위칭 주파수로 작은 솔루션 크기와 높은 대역폭을 구현하고, EMI를 AM 라디오 대역 밖으로 유지한다. 확산 스펙트럼 주파수 변조와 낮은 EMI 전류 감지 아키텍처는 LT8390A 애플리케이션이 엄격한 CISPR 25 클래스 5 자동차 EMI 표준을 통과할 수 있도록 도와준다.

높은 전력 밀도 변환: 크기(또는 전력), 효율, 발열

자동차 또는 휴대용 전자장치 환경에서 동작하는 전압 레귤레이터 시스템의 설계는 회로에 필요한 공간뿐 아니라 동작하는 동안 발생하는 열에 의해 제한된다. 이들 두 가지 요소는 주어진 설계 제약 안에서 동작하는 동안 달성 가능한 전력 레벨의 상한을 결정한다.

설계의 스위칭 주파수를 증가시키면 더 작은 인덕터를 사용할 수 있다. 인덕터는 넓은 입력 전압 4스위치 벅-부스트 전압 레귤레이터 설계에서 종종 가장 큰 풋프린트를 차지하는 부품이다. LT8390A는 2MHz 스위칭 주파수 성능으로 150kHz 또는 400kHz 설계보다 훨씬 작은 인덕터 크기를 사용할 수 있다. 완전한 설계는 [그림 1]에서 볼 수 있다. 이 솔루션은 더 작은 인덕터와 함께 세라믹 출력 커패시터만 사용하며, 부피가 큰 전해 커패시터가 필요 없다. 설계에 필요한 모든 부품은 IC를 포함해 작은 1in² 풋프린트 안에 들어간다.

[그림 2]는 AEC 인증 부품을 사용하는 45W LT8390A 솔루션을 보여준다. 이 설계는 주변 온도로부터 65°C의 최대 온도 상승을 보여준다[그림 3]. 소형 솔루션 크기이지만, LT8390A 시스템은 45W 출력을 제공하면서 94%의 피크 효율을 자랑하며, 생성되는 각 출력 전압에 대해 입력 범위에서 10% 미만 효율 편차를 갖는다[그림 4].

자동차 애플리케이션을 위한 낮은 EMI

LT8390A는 고전력 변환과 저잡음 성능을 제공하는 여러 가지 고유한 EMI 완화 기능을 내장해 자동차 시스템에서 EMI 저감 구현을 간소화한다. LT8390A와 다른 4스위치 컨트롤러와의 중요한 차이는 인덕터 전류 감지 저항의 배치이다. 대부분의 4스위치 벅-부스트 컨트롤러는 접지 기준 전류 감지 구조를 사용해 스위치 전류 정보를 얻지만, LT8390A는 전류 감지 저항을 인덕터와 일렬로 배치한다. 감지 저항을 인덕터와 일렬로 배치해 EMI를 벅 또는 부스트 핫 루프로부터 모두 효과적으로 제거함으로써 루프 크기를 작게 하고 EMI 성능을 향상시킨다.

인덕터 감지 저항 배치의 구조 이점과 함께 LT8390A는 확산 스펙트럼 주파수 변조를 내장해 컨트롤러에서 발생하는 EMI를 추가로 감소시킨다. 뿐만 아니라 단 몇 개의 디스크리트 부품을 사용해 벅 또는 부스트 파워 스위치에서 모두 스위칭 에지 속도를 제어해 MOSFET의 턴온을 늦출 수 있어 파워 스위치에서 고주파수 EMI 감소와 온도 상승 간의 적절한 균형을 보장한다. 이런 EMI 저감 기능으로, 대형 페라이트 케이스와 부피가 큰 LC 필터 대신, 입력과 출력에 작은 페라이트 필터만으로 CISPR 25 준수를 만족하는 데 필요한 필터링을 처리할 수 있다. [그림 1]의 솔루션은 AEC-Q100 부품만 사용해 설계됐다.

매끄러운 출력 전압 전환

로직 레벨 신호로 MOSFET을 구동해 저항 분배 회로를 조절함으로써 LT8390A의 출력 전압을 바꿀 수 있다. 이는 컨버터를 껐다가 다시 켜지 않아도 출력 전압의 전환이 가능함을 의미한다. GPIO 핀이 있는 USB PD 소스 컨트롤러 디바이스를 LT8390A 시스템과 함께 사용하면 호스트와 USB 연결 기기 간 협상 과정을 용이하게 하고 원하는 버스 전압을 설정할 수 있다.

[그림 5]는 LT8390A 시스템의 출력이 하나의 출력 전압에서 다른 출력 전압으로 얼마나 원활하게 전환하는지 보여준다. 12V 입력 소스에서 전력을 공급받을 경우 디지털 제어 신호의 상승 에지로부터 측정할 때, 증가된 출력 전압으로 각각 전환하는 데 길어야 150µs면 안정화된다. 출력 전압에서 이런 변화가 일어나는 동안 벅-부스트 컨트롤러는 입력과 출력 전압의 관계에 따라 벅, 부스트, 벅-부스트 동작 간에 모드 전환을 거친다. 이런 모드 전환은 제어되는 방식으로 수행되므로 출력 전압의 과도한 오버슛이나 새그(sag)를 방지한다.

45W 이상 확장

출력 전력 레벨을 45W 이상으로 확장하려면 더 낮은 스위칭 주파수에서 동작해 스위칭 손실을 낮춰야 한다. 이렇게 하지 않으면 이 전력 레벨에서 MOSFET에 발열이 많이 날 수 있다. LT8390A에 대한 대안으로 LT8390은 150kHz ~ 600kHz 사이에서 동작하고 LT8390A와 동일한 기능 세트를 가지며 낮은 EMI, 고전력 벅-부스트 설계를 구현한다. 400kHz LT8390 시스템은 더 큰 인덕터와 출력 커패시터를 사용해 수용 가능한 온도 상승으로 자동차 배터리 입력으로부터 쉽게 100W 출력 전력을 달성할 수 있다. 그림 6은 다양한 배터리 구동 입력에서 LT8390A, LT8390 제품 라인의 전력 성능을 보여준다.

연결된 기기에 전력을 공급하는 전압 레귤레이터를 위한 새로운 USB 표준은 레귤레이터가 공급할 수 있는 출력 전압 범위와 전류 공급을 증가시킴으로써 더 높은 전력을 전송할 수 있게 한다. 휴대용, 자동차 배터리로 구동하는 USB-C 충전기 디바이스는 입력 전압보다 높거나 낮은 버스 전압을 공급하려면 넓은 VIN/VOUT 벅-부스트 레귤레이터가 필요하다. LT8390A는 2MHz 스위칭 주파수에 의해 구현되는 소형 풋프린트로 최대 45W 출력 전력을 제공한다. 45W를 초과하는 전력 레벨의 경우 LT8390을 사용해 약간 더 큰 솔루션 크기와 좀더 낮은 스위칭 주파수로 제공할 수 있다.

글: 카일 로렌스(Kyle Lawrence) ADI 애플리케이션 엔지니어

자료제공: 아나로그디바이스