DC/DC 컨버터의 전기적 특성

▣ 강압형 스위칭 레귤레이터의 동작 원리

감압형 스위칭 레귤레이터는 일정 스위칭 주파수로 반복하여 필요한 전력만 입력측으로 공급하므로 고효율이다.

강압형 스위칭 레귤레이터 회로

① 출력전압과 기준전압 비교

② 설정 전압보다 낮은 경우 : 상측 스위치 ON / 하측 스위치 OFF (-> 입력에서 출력으로 전력 공급, 전류방향 참고)

③ 이때, 인덕터에 자기 에너지 축적

④ 출력전압이 설정 전압보다 높아지면 : 상측 스위치 OFF / 하측 스위치 ON

⑤ 인덕터에 축적된 전류 (자기 에너지)가 출력 부하로 공급

⑥ 인덕터의 자기 에너지가 소모되어, 출력전압이 낮아지면, 다스 상측 스위치 ON

스위치 on/off에 따른 인덕터 전류 파형 (I_L은 인덕터의 리플전류라고 하며 삼각파형이 나타남)

 

▣ 로드 레귤레이션(Load Regulation)의 평가

부하 변동에 대한 출력전압의 변동을 체크 (%와 같은 비율이나 10mV와 같은 변동치로 나타낸다)

- 라인 저항으로 인해 전원의 출력 측과 부하의 입력 측에서는 전압이 달라진다.

- 부하 전류가 큰 경우에는 이러한 차이가 현저하게 나타난다.

 

▣ 피드백 전압 측정 지점의 중요성

부하 입력 측에서 Load Line에 의한 전압 강하	1mΩ 및 0.1Ω 별 전압강하 표
Vout Line 저항이 1mΩ 일 때	Vout Line 저항이 0.1Ω 일 때

[Solution]

- 전원과 부하를 가깝게 배치

- 배선 임피던스로 인한 출력 저하를 고려하여, 조금 높은 전압으로 설정 (승압)

- 피드백을 부하의 입력 측에서 실행 (노이즈에 약하므로 Active Line과 분리 또는 패턴 GND로 가드 필요)

Point of Load	조금 높은 전압으로 설정	리모트 센스

 

▣ 인덕터 전류의 측정과 검토 사항

- 인덕터는 스위칭 전원에 있어서 중요한 부품 - 정수는 데이터 시트를 바탕으로 결정하지만, 실측도 중요 - 전류 파형이 적정한지, 포화되지 않았는지 확인 - 인덕터 전류가 선정한 인덕터의 정격 범위에 포함되는지 확인

	L : 1.5uH, Vin=5V, Vout=1.8V, Iout=500mA 인덕터 전류는 평균과 피크치를 모두 고려한다. 평균 500mA (부하전류)에 대해, 피크 전류 900mA  => 직류 중첩 허용 전류 : 피크 전류로 생각       온도 상승 허용 전류 : 평균 전류로 생각

[직류 중첩 허용 전류] : 인덕터에 직류가 흐를 때, 인덕턴스 값이 초기값에서 규정된 비율만큼 저하되었을 때의 전류 규격치 (그림의 예에서는, 30% 저하가 규정치)	[온도 상승 허용 전류] : 인덕터에 직류가 흐를 때, 인덕터의 온도 상승이 규정된 값에 도달할 때의 전류 규격치 (그림의 예이서는, 40℃가 규정치)

만약에 직류 정격 전류를 초과한다면 어떤 현상이 일어날까?

정격 범위 사용	자기 포화 전류 파형
허용 범위 이하의 전류가 흐를 때는 안정적이다.	전류가 많이 흐르게 되면 인덕턴스의 값이 작아져 리플전류가 나타나고 위의 뾰족한 파형인 첨두파형이 나타난다. 이 때, 인덕터의 발열과 효율 저하로 이어진다.

☞ 인덕터 선정 시 설계 리플 전류치에 충분한 직류 중첩 허용 전류를 가진 인덕터를 선정해야 한다.

▣ 출력 전압 측정 방법의 중요성

☞ 커넥터를 이용하여 측정했을 때 보다 더 정확한 측정이 되는 것을 오실로스코프 파형을 통해 알 수 있다.

 

▣ 전용 커넥터가 없는 경우 출력 전압 측정법

 

▣ 오실로스코프를 통한 출력전압 관찰

부하 및 온도 조건을 변경하면서 출력 파형, 리플 전압을 관찰 -> SOC, FPGA 등 디바이스 코어 전압 정밀도는 ±2% 이하로 정밀한 전원전압을 요구	리플전압은 위의 식에 부합하는지 체크 필요 리플 파형에 비정상적인 부분이 없는지, 스파이크 노이즈를 발생하지 않았는지 등 체크 필요

☞ 부하 및 온도에 따라 상태가 변화하므로, 반드시 변동 요인을 반영하여 측정을 실시해야 한다.

 

▣ 실측을 통한 전원 효율 산출

☞ 72%의 효율은 반대로 28%의 열손실이라고 볼 수 있는데 열손실로 인하여 신뢰성 저하 및 발열 사고로 이어질 수 있으니 설계 손실 확인은 필요하다.

 

▣ 동기정류 강압 컨버터 손실

ⓐ MOSFET의 ON 저항으로 인한 도통 손실

High-side MOSFET 및 Low-side MOSFET ON으로 도통시 전류의 방향은 각각 위와 같이 흐른다.
LX 노드의 전압 파형	인덕터에 흐르는 전류 파형
High-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형	Low-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형
High-side 측 MOSFET의 ON 저항으로 인한 도통 손실	Low-side 측 MOSFET의 ON 저항으로 인한 도통 손실

☞ ON저항이 낮은 MOSFET IC를 선정하는 것이 좋다.

 

ⓑ 스위칭 손실

LX 노드의 전압 파형 (삼각형 부분이 전력손실)	인덕터에 흐르는 전류 파형
High-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형	Low-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형

☞ 스위칭 손실을 줄이기 위해서는 상승 및 강하 시간을 줄이던지, 스위칭 주파수를 줄여야 한다. 다만, 상승 및 강하 시간은 ON 저항과 트레이드 오프(Trade-off) 관계로 주의해야 한다.

☞ 스위칭 손실을 줄이기 위해 상승 및 강하 시간이 빠른 MOSFET를 내장한 전원 IC를 사용하면 ON 저항이 커지므로 도통 손실이 커지고, 도통 손실을 줄이기 위해 ON 저항이 작은 IC를 사용하면 반대로 상승 및 강하 시간이 증가해 스위칭 손실이 증가한다. (스위칭 주파수가 낮아지면 부하응답 성능 악화 및 리플 전압이 커진다는 단점이 있다.)

 

ⓒ 게이트 충전 손실

LX 노드의 전압 파형	인덕터에 흐르는 전류 파형
High-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형	Low-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형

☞ 전원 IC Gate-Driver가 MOSFET 기생 캐패시터에 충전하기 때문에 손실이 발생한다. 또한, Qg의 값이 동일하다면 스위칭 주파수에 따라 전력 손실이 달라진다. (Qg와 ON저항은 Trade-off 관계)

 

ⓓ 데드 타임 손실

High-side MOSFET 및 Low-side MOSFET ON 시 전류 방향	동시 ON 할 때, 관통 전류가 흘러 Load에 전류가 도달 X
관통전류를 방지하기 위해 양쪽 MOSFET을 OFF하는 구간	MOSFET 내에 Body Diode라는 기생 다이오드가 있어 전류가 미세하게 흘러 전력 손실이 발생
LX 노드의 전압 파형	인덕터에 흐르는 전류 파형
High-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형	Low-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형

 

ⓔ 제어 IC의 제어회로로 인한 자기 소비전력 손실

LX 노드의 전압 파형	인덕터에 흐르는 전류 파형
High-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형	Low-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형

 

ⓕ 인덕터의 DCR로 인한 도통 손실

LX 노드의 전압 파형	인덕터에 흐르는 전류 파형
High-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형	Low-side MOSFET ON 시 흐르는 전류의 파형

☞ 도통 손실을 줄이기 위해서 인덕터의 DCR을 작게하면 된다. 그러나, DCR이 작은 인덕터의 경우 부품가격이 비싸거나 부품의 크기가 커진다는 단점이 있다.

 

▣ 전원 효율

IC의 전력 손실 비율
Io=0.5A시의 손실 비율 (총 손실 : 0.14W)	Io=3A시의 손실 비율 (총 손실 : 1.31W)
IC 특성의 편차를 고려하여, 파라미터의 Max치로 계산이 필요하다. 위의 표는 데이터 시트에 나오지 않는 파라미터를 위의 값으로 치환하여 계산하면 대략적인 전력 손실의 값을 구할 수 있다.

☞ Io가 0.5A의 경우 손실을 줄이고자 하면 비율이 제일 높은 PSWH(도통 손실)을 줄이기 위해 ON 저항이 낮은 부품을 사용하면 된다. 하지만, ON 저항이 낮기 때문에 상승 및 강하 시간이 커지기 때문에 Io가 3A의 경우에 손실이 많이 난다.

☞ Io가 3A의 경우 손실을 줄이고자 하면 비율이 제일 높은 PONH 및 PONL인 상승 및 강하 시간이 빠르거나 스위칭 주파수가 큰 부품을 사용하면 된다. 반대로 상승 및 강하 시간이 빠르면 ON저항이 커지므로 Io가 0.5A가 되면 손실이 크게 된다.

 

※ ROHM 강의에서 발췌한 내용입니다.