72V 하이브리드 DC/DC를 사용함으로써 중간 버스 컨버터(IBC) 크기 50% 감소

2018-03-06
박종배 기자, jbpark@elec4.co.kr
글 | 브루스 하우그(Bruce Haug), 프로덕트 마케팅 매니저, Linear Products & Analog Devices, Inc.

스위치드 커패시터 회로와 동기 스텝다운 컨버터를 결합함으로써(하이브리드 컨버터) 기존 벅 컨버터와 비교해서 DC/DC 컨버터 솔루션 크기를 최대 50%까지 줄일 수 있다.


머리말

대부분 IBC(intermediate bus converter)는 입력에서 출력으로 절연을 위해서 부피가 큰 전력 트랜스포머를 사용한다. 또 보통은 출력 필터링을 위해서 인덕터를 필요로 한다. 데이콤, 텔레콤, 의료용 전원 분배 아키텍처에 이러한 컨버터가 흔히 사용된다. 이러한 IBC는 다수의 업체들에게 제공되고 있으며, 일반적으로 산업표준 1/16, 1/8, 1/4 브릭 형태이다.

통상적인 IBC는 48V 또는 54V 공칭 입력 전압으로 5~12V의 중간 전압을 발생시키고 수백 와트부터 수 킬로와트에 이르는 출력 전력을 제공할 수 있다. 이러한 중간 버스 전압은 FPGA, 마이크로프로세서, ASIC, I/O, 여타 저전압 장치들을 구동하기 위한 POL(point-of-load) 레귤레이터 입력으로 사용된다.

그런데 “48V 디렉트”라고 하는 많은 새로운 애플리케이션에서는 IBC로 절연을 필요로 하지 않는다. 48V 또는 54V 입력이 위험한 AC 메인으로부터 이미 절연되어 있기 때문이다. 많은 애플리케이션에서 비절연 IBC를 사용하기 위해서는 핫스왑 프론트엔드 디바이스를 필요로 한다. 비절연 IBC를 사용함으로써 솔루션 크기와 비용을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 동작 효율을 높이고 설계 유연성을 높일 수 있다. 그림 1은 이러한 전원 분배 아키텍처 예를 보여준다.



일부 전원 분배 아키텍처로 비절연 변환이 가능해짐에 따라서, 이러한 애플리케이션으로 단일 스테이지 벅 컨버터를 사용하는 것도 고려할 수 있다. 그러려면 36~72V 입력 범위로 동작하면서 5~12V 출력 전압을 제공할 수 있어야 한다. Analog Devices의 LTC3891이 바로 그러한 제품으로서, 150kHz의 비교적 낮은 스위칭 주파수로 약 97%의 효율을 달성한다. 하지만 LTC3891을 이보다 높은 주파수로 동작하면 효율이 감소된다. 이것은 비교적 높은 48V 입력 전압과 관련해서 발생되는 MOSFET 스위칭 손실 때문이다.



새로운 혁신 기법


새로운 혁신 기법은 스위치드 커패시터 컨버터와 동기 벅을 결합하는 것이다. 스위치드 커패시터 회로가 입력 전압을 절반으로 낮춘 다음, 이것을 동기 벅으로 전달한다. 입력 전압을 절반으로 낮춘 다음에 원하는 출력 전압으로 강압(벅)하는 이 방법은 더 높은 효율을 달성하거나, 아니면 훨씬 더 높은 스위칭 주파수로 동작함으로써 솔루션 크기를 상당히 줄일 수 있다.

뿐만 아니라 스위치드 커패시터 프론트엔드 컨버터의 고유의 소프트 스위칭 특성에 힘입어서 스위칭 손실을 줄이고 MOSFET 전압 스트레스를 낮출 수 있다. 그러므로 EMI를 낮출 수 있다. 그림 2는 이 둘을 결합해서 하이브리드 스텝다운 동기 컨트롤러를 구현한 것을 보여준다.

새로운 고효율 컨버터

LTC7821은 스위치드 커패시터 회로와 동기 스텝다운 컨버터를 하나로 통합함으로써 기존 벅 컨버터를 사용하는 방법과 비교해서 DC/DC 컨버터 솔루션 크기를 최고 50%까지 줄일 수 있다. 이것은 효율은 그대로이면서 3배 더 높은 스위칭 주파수로 동작할 수 있기 때문이다. 만약 기존과 동일한 주파수로 동작하면, LTC7821을 기반으로 한 솔루션으로 최대 3%까지 더 높은 효율을 달성할 수 있다.

뿐만 아니라 소프트 스위치드 프론트엔드에 의해서 EMI 방사가 낮으므로 전원 분배, 데이콤, 텔레콤, 부상하는 48V 자동차 시스템 같은 차세대 비절연 중간 버스 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

LTC7821은 10~72V(80V 절대 최대) 입력 전압 범위로 동작하고, 외부 소자 선택에 따라서 수십 암페어 대의 출력 전류를 제공할 수 있다. 고정 주파수로 동작하는 외부 MOSFET 스위치를 200kHz부터 1.5MHz까지로 프로그램 할 수 있다. 48V 대 12V/20A의 통상적인 애플리케이션일 경우 LTC7821을 500kHz로 스위칭 했을 때 97% 효율을 달성할 수 있다. 기존의 동기 스텝다운 컨버터로 이와 동일한 효율을 달성하려면 1/3의 동작 주파수로 스위칭 해야 하므로 훨씬 더 큰 자기 소자 및 출력 필터 소자들을 사용해야 한다.

LTC7821의 강력한 1ΩN-채널 MOSFET 게이트 드라이버는 효율을 극대화하며 더 높은 전력을 필요로 하는 애플리케이션의 경우에는 다중의 MOSFET을 병렬로 구동할 수 있다. 전류 모드 제어 아키텍처이기 때문에 다중의 LTC7821을 병렬 다중위상 구성으로 동작할 수 있으며, 전류 공유가 우수하고 출력 전압 리플이 낮으므로 핫스팟을 일으키지 않으면서 더 높은 전력을 필요로 하는 애플리케이션을 지원할 수 있다.

또한 LTC7821은 다양한 애플리케이션으로 견고한 동작을 달성하도록 다수의 보호 기능을 포함한다. LTC7821을 채택한 디자인은 스타트업 시에 커패시터들을 사전에 밸런싱 함으로써 스위치드 커패시터 회로에 통상적으로 따르는 쇄도 전류를 방지한다. 또한 LTC7821은 시스템 전압, 전류, 온도를 모니터링하고 결함을 감지하며 검출 저항을 사용해서 과전류 보호를 한다. 결함 조건이 발생되면 스위칭을 중지하고 /FAULT 핀을 로우(low)로 전환한다.



그리고 온보드 타이머를 적정한 재시작/재시도 시간으로 설정할 수 있다. EXTVCC 핀은 LTC7821을 전압이 더 낮은 컨버터 출력이나 또는 최대 40V에 이르는 또 다른 이용 가능한 전원을 사용해서 구동할 수 있으므로 전력 소모를 줄이고 효율을 높일 수 있다. 그 밖에도 온도에 대해서 ±1% 출력 전압 정확도, 다중위상 동작을 위한 클록 출력, Power Good 출력 신호, 단락 회로 보호, 매끄러운 출력 전압 스타트업, 선택적인 외부 레퍼런스, 저전압 록아웃, 내부적 전하 평형 회로를 특징으로 한다. 그림 3은 LTC7821을 사용해서 36~72V 입력을 12V/20A 출력으로 변환하는 회로를 보여준다.



그림 4에서는 48V 입력을 12V/20A 출력으로 변환하는 애플리케이션으로 다음과 같은 3가지 컨버터의 효율 곡선을 비교하고 있다:
1. 단일 스테이지 벅을 6V 게이트 구동으로 125kHz로 동작(파란색)
2. 단일 스테이지 벅을 9V 게이트 구동으로 200kHz로 동작(빨간색)
3. LTC7821 하이브리드를 6V 게이트 구동으로 500kHz로 동작(녹색)

LTC7821 기반 회로가 다른 컨버터들과 비교해서 3배에 이르는 동작 주파수로 실행되면서 다른 솔루션들과 동일한 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 이처럼 더 높은 주파수로 동작할 수 있으므로 인덕터 크기를 56% 줄이고 총 솔루션 크기를 최대 50%까지 줄일 수 있다.

커패시터 사전 밸런싱

스위치드 커패시터 컨버터는 통상적으로 입력 전압이 인가되거나 컨버터가 켜질 때 매우 높은 쇄도 전류를 발생시킨다. 그럼으로써 손상을 일으킬 수 있다. LTC7821은 독자적인 방식으로 컨버터 PWM 신호가 실행되기 전에 모든 스위칭 커패시터를 사전에 충전시킨다. 그러므로 파워업 시에 쇄도 전류를 최소화한다. 또한 LTC7821은 결함 보호 범위를 프로그램 할 수 있으므로 전원 컨버터를 더 신뢰하게 작동할 수 있다. 그러므로 기존의 어느 전류 모드 벅 컨버터와 마찬가지로 매끄러운 스타트업을 할 수 있다. 이에 관한 더 자세한 내용은 LTC7821 데이터시트에서 볼 수 있다.

메인 제어 루프

커패시터 밸런싱이 끝나면 정상적인 동작이 시작된다. MOSFET M1과 M3은 클록이 RS 래치를 설정하면 턴온 되고, 메인 전류 비교기 ICMP가 RF 래치를 리셋 하면 턴오프 된다. 그러면 MOSFET M2와 M4가 턴온 된다. ICMP가 RS 래치를 리셋 하는 피크 인덕터 전류는 ITH 핀 전압에 의해서 제어된다. 이 전압은 오차 증폭기 EA의 출력이다.

VFB 핀이 전압 피드백 신호를 받으면, EA가 내부 레퍼런스 전압과 비교한다. 부하 전류가 증가하면 0.8V 레퍼런스에 대해서 VFB가 다소 감소하고, 이것은 다시 ITH 전압을 상승하도록 해서, 마침내 평균 인덕터 전류가 새로운 부하 전류와 같아진다. MOSFET M1과 M3이 턴오프 한 후에는 다음 사이클 때까지 MOSFET M2와 M4가 턴온 된다.

M1/M3과 M2/M4 스위칭 때 커패시터 CFLY가 CMID로 번갈아가면서 직렬과 병렬로 연결된다. MID 전압은 대략 VIN/2이다. 그러므로 이 컨버터는 기존 전류 모드 컨버터와 똑같이 동작하면서 빠르고 정확한 사이클-대-사이클 전류 제한과 전류 공유를 할 수 있다.

맺음말

스위치드 커패시터 회로와 동기 스텝다운 컨버터를 결합함으로써(하이브리드 컨버터) 기존 벅 컨버터와 비교해서 DC/DC 컨버터 솔루션 크기를 최대 50%까지 줄일 수 있다. 이것은 효율을 떨어트리지 않고서 3배 더 높은 스위칭 주파수로 동작할 수 있기 때문이다. 또 아니면 기존 솔루션과 같은 풋프린트이면서 3% 더 높은 효율을 달성할 수 있다.

또한 이 새로운 하이브리드 컨버터 아키텍처는 소프트 스위칭을 특징으로 함으로써 EMI와 MOSFET 스트레스를 낮춘다. 또한 더 높은 전력이 필요할 때는 다중의 컨버터를 손쉽게 병렬로 연결할 수 있으며 동적으로 정확한 전류 공유를 할 수 있다.
 

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