DC/DC 레귤레이터의 성능 기준
DC/DC 레귤레이터가 효율 수치가 뛰어나더라도 여기에 더해서 패키지의 열 임피던스를 고려해야 한다. 각기 다른 동작 조건으로 제품의 열(온도) 특성을 이해해야 한다. DC/DC 스위칭 레귤레이터는 열과 효율 수치가 예를 들어서 VIN 대 VOUT 비율에 따라서 달라질 수 있다. 주위 온도와 에어 플로우 또한 고려해야 한다. 높은 효율 변환이라 하더라도 열 관리에 문제가 있으면 우수한 솔루션이라고 할 수 없다.
글: Afshin Odabaee / 프러덕트 마케팅 매니저,
Alan Chern / 어시스턴트 애플리케이션 엔지니어
Jason Sekanina / 디자인 엔지니어
Power μModule Products, 리니어 테크놀로지 / www.linear.com
흔히들 DC/DC 스위칭 레귤레이터는 전압 변환 효율을 최종적인 성능 판단 기준으로 생각한다. 효율 수치를 측정된 값으로 데이터 시트에 표시하고, 일련의 전압 및 전류에 대해서 그래프로 나타내고, 시스템 디자이너가 여러 업체 중에서 적합한 솔루션을 선택하고자 할 때 비교할 수 있다. 높은 효율(상대적이기는 하지만 대략 85% 이상이라고 하자)을 달성하기 위해서 아날로그 실리콘 디자이너와 아날로그 애플리케이션 엔지니어들은 스위칭 주파수를 조절하고 전력 스위치에 따라서 게이트 구동의 크기를 결정하는 것과 같이 교과서에 나오는 모든 기법들을 동원한다. 그런데 생각과는 달리 실리콘이나 IC만으로는 어떤 회로로 최대의 효율을 보장할 수 없다. 외부 소자 부품의 선택이 IC의 성능에 근본적인 영향을 미친다. 인덕터, 커패시터, PCB 레이아웃, 시스템 디자이너의 숙련 정도 모두가 고효율 DC/DC 스위칭 POL(point-of-load) 레귤레이터를 설계하기 위해서 중요한 요소들이다. 그런데 열 관리 문제는 단순히 "높은 효율" 수치에서 끝나지 않는다.
POL DC/DC 레귤레이터의 열 성능을 단순히 변환 효율만으로 판단하는 것은 자동차의 속도를 엔진 크기로 따지는 것과 같은 것이다. 덤프 트럭에 12기통 람보르기니 엔진을 채택하면 속도를 자랑할 수는 있겠지만 공기역학의 법칙 때문에 이 트럭을 가지고 Formula-1 레이스에 출전할 수는 없는 것이다. 마찬가지로 3.5W 열 소산 능력의 90% 효율 DC/DC 스텝다운 레귤레이터를 j-a 열 임피던스가 22℃/W인 매력적인 소형 패키지로 집어넣으면 열 관리 문제가 발생하므로 현실적이지 않으며 이를 사용하기 위해서는 너무 비용이 높아진다. 주위 온도가 40℃라고 했을 때 3.5W × 22℃/W이면 접합부 온도가 약 117℃에 이르게 된다. 물론 패키지로부터 열을 빼내기 위해서 팬을 추가하고, PCB 구리 면적을 늘리고, 히트 싱크를 추가하는 것과 같은 여러 가지 기법을 이용할 수 있다. 그런데 이러한 조치들은 디자인의 복잡성을 가중시키고, 비용을 증가시키고, 열 제거를 위해서 더 많은 공간을 필요로 하게 된다.
전력에 대한 요구와 전력의 제어
열 소산을 제어하고 전력을 좀더 효율적으로 분배하기 위한 노력들이 치열하게 계속되어 왔다. 디지털 장비 및 인프라의 최적 작동 및 신뢰성은 FPGA, ASIC, 트랜시버, 메모리 모듈, RF 증폭기와 센서 등을 위해서 분산 DC 전력으로 이용되는 DC/DC 컨버터의 성능에 크게 좌우된다. 레귤레이션 정확도나 트랜션트 응답 같은 전기적 성능 이외에도 열 성능이 DC/DC 레귤레이터를 선택할 때 갈수록 더 중요한 요소가 되고 있다.
모듈러 DC/DC 레귤레이터 솔루션
이 72W 솔루션(그림 1)은 4개 μModule짋 레귤레이터의 정밀한 전류 공유와 낮은 열 임피던스 값을 특징으로 함으로써 조밀한 표면 면적으로 열을 골고루 소산시킴으로써 핫스팟을 방지한다. 각각의 DC/DC μModule 레귤레이터가 IC 폼팩터 패키지로 인덕터, MOSFET, DC/DC 컨트롤러 회로를 포함한 포괄적인 전원장치를 제공한다. 이들 각 레귤레이터가 4.5V~20V의 넓은 입력 범위로 12A(병렬로 연결하면 그 이상)를 공급할 수 있으므로 다양한 유형의 애플리케이션에 이용할 수 있으며 확장이 가능하다.
병렬 시스템 디자인을 위해서는 단순히 각 디바이스의 레이아웃을 반복하는 것 이상의 작업을 필요로 한다. 이들 레귤레이터는 15mm×15mm의 보드 면적만을 차지하며 높이가 2.8mm로 얇다. 우수한 효율과 함께 이 패키지는 j-a 열 임피던스가 15℃/W에 불과하다. 높이가 낮으므로 전체 회로로 공기가 매끄럽게 흐를 수 있으므로 회로로부터 열을 제거할 수 있다(그림 2부터 그림 5까지). 이 솔루션은 주변 부품들로 열적으로 거의 영향을 미치지 않으므로 전체 시스템으로 최적의 열 성능을 달성할 수 있도록 한다.
효율 이외의 요소들 고려
그림 2, 3, 4, 5는 그림 1에서 본 보드의 열 영상으로서 특정 위치의 온도와 공기 흐름 방향 및 속도를 표시하고 있다. 커서 1부터 4까지는 각 모듈의 표면 온도이다. 커서 5부터 7까지는 PCB의 표면 온도를 나타낸다. 안쪽 2개 레귤레이터인 커서 1 및 2와 바깥쪽 레귤레이터인 커서 3 및 4 사이에 온도 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 바깥쪽에 있는 μModule 레귤레이터들은 왼쪽과 오른쪽으로 면이 넓어서 히트 싱크가 이들 부품을 수 도까지 낮출 수 있다. 안쪽 두 레귤레이터는 열을 빼내기 위해서 작은 상단 및 하단 면만을 이용할 수 있으므로 바깥쪽 두 레귤레이터보다 온도가 다소 높아진다.
에어플로우는 시스템의 열 평형에 중대하게 영향을 미친다. 그림 2와 그림 3의 온도 차이를 보자. 그림 3을 보면 200LFM 에어플로우가 데모 보드의 상하로 골고루 이동함으로써 이 보드의 온도가 그림 2에서 에어 플로우를 이용하지 않았을 때와 비교해서 20℃ 떨어지는 것을 알 수 있다. 그림 4에서는 에어플로우가 오른쪽에서 왼쪽으로 이동함으로써 한 μModule 레귤레이터의 열을 다음 레귤레이터로 이동하게 함으로써 누적 효과를 일으킨다. 오른쪽에 있는 μModule 디바이스가 에어플로우 소스에 가장 가까워서 가장 온도가 낮다. 가장 왼쪽에 있는 μModule 레귤레이터가 다른 LTM4601 μModule 레귤레이터로부터 오는 열 때문에 온도가 다소 높은 것을 알 수 있다. 그림 5는 한 μModule 디바이스에서 다음 디바이스로 열 누적이 일어나는 극단적인 경우를 보여주고 있다. 4개 μModule 레귤레이터 각각에 BGA 히트 싱크를 이용하고 전체적인 보드를 주위 온도가 75℃인 체임버에서 작동하였다.
친환경적 기술에 대한 요구
또 다른 예로서 최대 15A의 높은 부하 전류를 필요로 하는 3.3Vin 시스템을 보자. LTM4611은 열 향상 LGA(land grid array) 패키지를 이용해서 소형 랜드 패턴(15mm× 15mm) 및 낮은 물리적 체적(4.32mm 높이, 1입방센티미터 차지)으로 뛰어난 효율을 제공한다. 그림 6은 다양한 입력 및 출력 전압 조건으로 LTM4611의 효율을 보여준다. 그림 4는 다양한 입력 전압 조건으로 출력 전압 대비 풀 부하 전력 손실을 보여준다. LTM4611은 효율이 우수할 뿐만 아니라 전력 소비 포락선이 특정한 입력 전압 조건에 대해서 비교적 평탄하므로 열 설계가 용이하고 (IC 다이가 축소됨에 따라서 레일 전압이 낮은 값으로 이전한다 하더라도) LTM4611을 후속 제품에 편리하게 재사용할 수 있다.
갈수록 더 많은 애플리케이션에서 경량 부하일 때 전력 손실을 낮추는 것이 중량 부하일 때 전력 손실을 낮추는 것보다 더 중요하지는 않을지 몰라도 그에 못지 않게 중요하게 되었다. 디지털 장비들이 에너지 절약을 위해서 가능할 때마다 언제든지 저전력 상태로 동작하고 간헐적으로만 피크 전력(풀 부하)을 소비하도록 설계되고 있다. 그림 6은 경량 부하 전류(<3A)일 때 PSM 및 Burst Mode 동작으로 작동할 때의 효율 이점을 보여준다.
열 향상 패키지
이 디바이스의 LGA 패키징은 상단면 및 하단면 모두로 히트 싱크가 가능하므로 금속 새시나 BGA 히트 싱크를 이용할 수 있다. 또한 이 폼팩터는 에어플로우를 이용하거나 이용하지 않고서 열 소산이 뛰어나다. 그림 3은 LTM4611의 상단면 적외선(IR) 열 영상으로서 랩 벤치로 테스트해서 5V 입력을 15A 1.5V 출력으로 변환할 때 에어플로우를 이용하지 않고 전력 손실이 3.5W인 것으로 나타났다. 가장 높은 표면 온도는 약 65℃였다.
그림 3과 비교해서 랩 벤치로 1.8V 입력을 15A 1.5V 출력으로 변환할 때는 LTM4611 상단면 IR 열 영상에서 에어 플로우를 이용하지 않고 전력 손실이 3.2W인 것으로 나타난다. 그리고 핫스팟이 그 정도가 아니라 위치가 5V 입력으로 동작할 때의 위치에서 약간 달라진 것을 알 수 있다.
열 성능에 관한 비디오 제공
리니어테크놀로지는 DC/DC μModule 레귤레이터 제품과 관련해서 효율과 출력 전력 디레이팅 곡선뿐만 아니라 열 성능에 대해서 보여주는 짧은 45초짜리 기술 교육 비디오를 제공하고 있다. 이들 교육 비디오는 이들 디바이스의 열 동작을 이해할 수 있는 매우 유용한 툴을 제공할 것이다. 그림 7은 LTM4611에 관한 비디오이다. 적외선 카메라를 이용해서 LTM4611이 작동하면서 온도가 높아짐에 따라서 표면의 온도 변화 추이를 기록하였다. 특히 주목할 점은 벡터를 이용해서 LTM4611의 표면 온도를 측정하고 있다는 것이다(1과 2로 표시). 주위 온도는 31.5℃로 측정되고 있다.
파란색이 온도가 가장 낮은 것이고 노란색이 온도가 가장 높은 것이다. 온도를 판단할 때 한 가지 주의할 점은 색 스펙트럼(파란색에서 노란색에서 하얀색으로 변화)이 온도 변화를 나타내는 것이지 절대적인 값이 아니라는 것이다. 예를 들어서 어떤 테스트에서는 노란색이 70℃에 해당되는 것이지만 다른 테스트 조건에서는 110℃를 나타낼 수 있는 것이다. 그러므로 색뿐만 아니라 온도 값에도 주의를 기울여야 한다. 색을 이용해서 표면의 뜨겁고 차가운 부분을 빠르게 식별할 수 있는 한편, 정확한 온도를 알려면 정확한 온도 값을 읽어야 한다.
그림 7의 비디오에서는 1.8Vin 및 1.5V 출력과(극히 낮은 드롭아웃 스위칭 레귤레이션) 15A의 매우 높은 부하 전류를 이용해서 테스트하고 있다. 리니어 레귤레이터는 15A로 낮은 전압 드롭아웃을 제공하지 못한다. 그리고 그렇게 할 수 있다 하더라도, 수치적인 효율이 83퍼센트(=1.5/1.8V)임에도 불구하고 쉽게 4.5W의 전력 손실을 일으킬 것이다. LTM4611은 0LFM을 이용해서 전력 손실이 3.2W에 불과하며 핫스팟이 65℃에 불과하다. 그러므로 시스템 디자이너가 열 제거에 관련된 제약을 최소화할 수 있으므로 매우 컴팩트한 회로를 구현할 수 있다. 또한 히트 싱크, 팬, 대형 PCB 구리 면적의 필요성을 줄일 수 있다. 이들 45초짜리 비디오에서 매우 유용한 정보들을 얻을 수 있을 것이다.
결론
DC/DC 레귤레이터가 효율 수치가 뛰어나더라도 여기에 더해서 패키지의 열 임피던스를 고려해야 한다. 각기 다른 동작 조건으로 제품의 열(온도) 특성을 이해해야 한다. DC/DC 스위칭 레귤레이터는 열과 효율 수치가 예를 들어서 VIN 대 VOUT 비율에 따라서 달라질 수 있다. 주위 온도와 에어 플로우 또한 고려해야 한다. 높은 효율 변환이라 하더라도 열 관리에 문제가 있으면 우수한 솔루션이라고 할 수 없다. 간단한 전력 소비 계산을 이용해서 접합부의 대략적인 온도를 계산하는 것이 좋은 방법이다. 열 영상이나 디레이팅 곡선을 비롯한 제조업체의 포괄적인 열 데이터를 이용할 수 있을 것이다. 우수한 DC/DC 레귤레이션 솔루션은 데이터, 영상, 교육 비디오 등을 통해서 자신의 성능을 증명할 수 있어야 할 것이다.
그림 1. 4개의 DC/DC μModule 레귤레이터 시스템이 각 디바이스로 2.8mm 높이 및 15mm x 15mm의 보드 면적으로 전류 공유를 통해서 48A 1.5V로 레귤레이트 할 수 있다. 각각의 μModule이 무게가 1.7그램에 불과하고 보드 어셈블리 시에 pick-and-place 장비가 편리하게 이용할 수 있는 IC 폼팩터이다.
그림 2. 그림 1의 48A 1.5V 회로의 열 영상으로서 각각의 DC/DC μModule 사이에 전력 공유가 균형을 이루고 있고 에어플로우를 이용하지 않고도 온도 상승이 낮다는 것을 알 수 있다(VIN=20V를 40A 1.5VOUT로 변환).
그림 3. 4개 병렬 LTM4601에 대해서 200LFM bottom-to-top 에어플로우를 이용했을 때의 열 영상(20VIN을 40A 1.5VOUT으로 변환).
그림 4. 4개 병렬 LTM4601에 대해서 50℃ 주위온도 체임버에서 400LFM right-to-left 에어플로우를 이용했을 때의 열 영상(12VIN을 40A 1.0VOUT으로 변환).
그림 5. 4개 병렬 LTM4601에 대해서 75℃ 주위온도 체임버에서 BGA 히트 싱크와 400LFM right-to-left 에어플로우를 이용했을 때의 열 영상(12VIN을 40A 1.0VOUT으로 변환).
그림 6. VIN이 극히 낮은 15A DC/DC μModule 레귤레이터인 LTM4611의 효율
그림 7. 교육 비디오(한 장면 캡처)- 1.8VIN, 1.5VOUT, 15A 출력 부하, 0LFM 및 65℃ 표면 온도로 3.2W 전력 손실(비디오 시청->URL: http://video.linear.com/55).
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