저전력 DC/DC 컨버터에 최첨단 기술 도입

저전력 기판 실장형 DC/DC 컨버터 제조에 사용되는 기술은 다른 전자 장치와 비교할 때 더 천천히 개별적으로 개발되었습니다. 일반적인 컨버터는 스루홀 캡슐화 모듈 또는 개방형 프레임 표면 실장 ‘도터보드’로 수십 년 동안 명맥을 잇고 있으며, 1980년대 이후 표준이 된 핀아웃과 폼 팩터를 갖춘 신제품이 여전히 출시되고 있습니다. 그러나 다른 곳에서는 인터페이스, A/D 및 D/A 컨버터 등과 같은 기타 기능 블록이 개별 솔루션에서 훨씬 더 작은 ‘칩’(높이가 1mm보다 작고 설치 공간이 내부 다이의 크기보다 약간 더 커서 이제는 그 자체로 나노 미터 크기의 흔적 형상을 가질 수 있는 표면 실장 IC)으로 지속적으로 발전해 왔습니다.

DC/DC가 크기 축소 추세를 따르지 않는 이유

DC/DC는 능동 부품과 수동 부품의 모음일 뿐인데 왜 ‘또 다른’ 집적회로가 되어 같은 방식으로 축소되지 않았을까요? 한 가지 이유는 DC/DC는 실행하면 전력 손실이 상당한 경우가 많아서 손실이 발생할 표면적이 필요하지만 새로운 변환 기술로 효율성이 향상됨에 따라 이 문제가 줄어들고 있습니다. 주된 이유는 수십 년 동안 동일한 제조 기술과 거의 동일한 크기를 고집스럽게 유지해 온 대부분의 컨버터에 필요한 자기 부품 때문입니다. 이와 비교하여 1988년 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)는 3µm 형상의 IC를 제공했으며, 현재 수치는 3nm일 때 1,000분의 1로 작습니다[1].

동일 기간에, 기계 공간에 실용적인 일반 개별적인 표면 실장 수동 부품도 1206에서 01005 크기로 줄어들어 설치 면적이 50배 이상 감소했습니다. 반면에, DC/DC 컨버터 변압기와 초크의 자기 코어 크기는 80년대 이후 거의 변하지 않았으며, 재료의 고유한 최대 자속 밀도와 작동 주파수에 의해 설정되며 이것으로 최소 권선 횟수가 정해집니다. 전력 엔지니어 세대에게 공평하게 말하면 새로운 변환 토폴로지, 더 나은 부품, 첨단 열 설계로 인한 손실 감소로 전력 밀도가 향상되었습니다. 그 결과, 비조절형 레귤레이터에 대해서는 SIP7 형식의 경우 딱 3배만큼 해당 DC/DC 모듈 크기에서 더 많은 출력 전력이 나왔습니다(그림 1).

자기를 최적화하는 옵션

스위칭 주파수를 증가시켜 전력 변환 자기 장치의 크기를 줄이는 옵션이 항상 있어 왔으며, 이는 보통 코어 크기, 권선 회전수 또는 일부 조합에서는 둘 모두를 줄입니다. 그러나 스위칭 속도가 높을수록 반도체 효율이 떨어지고 코어 손실이 증가하므로, 내부 온도가 상승하지 않으면 전체 케이스 크기가 반드시 감소하지는 않습니다. 고효율을 위해 설계된 보다 복잡한 컨버터가 솔루션이지만 엄청나게 비싸다고 생각되었습니다.

또한 자기 부품은 만들어서 일반적인 컨버터에 장착하는 데 상대적으로 비용이 많이 듭니다. 그래서 옛날 사람에게도 익숙하다고 여겨질 만큼 조립 기술에는 거의 변화가 없었습니다. 코어 주위에 절연 와이어를 감은 다음 기판에 ‘플라잉’ 와이어를 납땜했습니다(그림 2). 보빈은 일반적으로 너무 많은 공간과 기술을 차지하여, 인쇄 권선을 사용하면 최소 저전력 제품의 경우 필요한 회전 및 권선 수와 다층 기판의 용납할 수 없는 비용으로 인해 실현 불가능했습니다.

제조업체들은 부품 비용 절감을 위해 단순함을 선택했다

대부분의 저전력 DC/DC 컨버터 제조업체가 선택한 경로는 예를 들어 기존의 ‘Royer’ 회로를 사용하여 회로를 가능한 한 단순하게, 저렴하게 만드는 것입니다(그림 3). 그렇게 해서 이루어낸 비용 절감은 취약한 종단을 보호하기 위해 캡슐화 또는 오버 몰딩을 사용하여 단순한 토로이드 코어를 감고 와이어를 양면 PCB에 납땜하는 높은 인건비를 상쇄합니다. 회로와 조립 기술은 그동안 개선되어 단순한 비조절형 컨버터는 약 10개의 개별 부품만 사용할 수 있고 조절형 버전은 15개를 사용합니다. 저비용 지역에서 변압기를 제조하고 모듈을 조립한 완제품은 꽤 효율적이며 절연과 넓은 작동 온도 범위, 고정 레벨 간의 매우 정확한 전압 변환을 제공합니다. 수작업 조립 방식의 장점은, 입력/출력 전압과 정격 전력이 다를 경우 제조 공정에서 더 많이 감으라거나 더 적게 회전하라는 간단한 작업자 지침으로 비교적 쉽게 제품 변형을 달성할 수 있다는 것입니다.

이 접근 방식에는 필연적인 단점이 있습니다. 그러나 수작업 조립은 샘플 간에 편차를 만들고 단순한 회로에서 포괄적인 결함 보호를 제공하기 어렵고 안전 인증 수준까지의 절연은 복잡성을 높이고 비용을 늘리고 케이스 크기를 늘리지 않고는 실현 불가능합니다. 기본 Royer 컨버터에는 라인 또는 부하 조정이 없으며 출력 전압은 부하가 매우 낮거나 부하가 없을 때 크게 상승할 수 있습니다. 또한 인건비는 시간이 지남에 따라 증가하는 반면 최종 고객은 가격 인하를 기대하고 노동 요소는 생산량에 따라 감소하지도 않습니다. 동시에 기능과 효율성을 높이고 전력 변환기의 크기를 줄여 공간 제약적인 분야에 맞추라는 시장의 압력이 있습니다.

이상을 향한 노력

이러한 틀을 깨기 위해 전력 설계자들은 이상을 꿈꿨습니다. 즉, 옵션으로 내장된 능동 조절 및 포괄적인 보호 기능과 함께 고주파수/고효율 작동을 비롯한 다양한 기능을 갖춘 제어 IC를 통합하는 것입니다. 변압기는 다층 기판에 기계 배치된 평면 코어 및 인쇄 권선과 같은 기술을 사용해야 합니다. 필요한 관련 지원 부품이 있는 IC 솔루션과 내장형 변압기는 단순한 Royer 회로보다 부품 비용이 훨씬 높지만, 유연한 조립 자동화와 규모의 경제 덕분에 앞으로 더 높은 전력 밀도와 함께 더 나은 성능과 일관성에 대한 시장 요구를 비용 불이익 없이 충족할 수 있는 방법입니다.

이 접근 방식은 이와 같은 ‘최첨단’ 기술을 ‘K’ 시리즈로 지정된 저전력 DC/DC 컨버터에 통합하기 시작한 오스트리아 기반의 제조업체 RECOM[2]이 취하고 있습니다. 회사는 자동화에 많은 투자를 하여 인건비를 크게 줄이는 동시에 부품 비용을 최소화하기 위해 다량의 기판과 부품을 투입했습니다. 동시에 혁신적인 설계 기술을 통해 대개 요구되는 다양한 제품 변형에 대해 유연한 제조 공정에서 제품을 쉽게 구성할 수 있습니다.

시장에 출시된 신제품의 예

새로운 기술이 적용된 제품의 예로는 통합 컨트롤러와 평면 변압기를 구현하여 성능을 개선하고 조립을 완전히 자동화한 RECOM RKK 시리즈가 있습니다. 이 회사는 호환성을 위해 SIP7 형식을 유지하고, 현재 디레이팅 없이 최대 105°C인 작동 온도 범위를 확장하기 위해 얻은 향상된 효율성을 사용하여 부품을 1W로 평가하기로 결정했습니다. 1W 정격은 일반적으로 절연 통신 인터페이스 또는 고압측 게이트 드라이버에 전원을 공급하는 많은 응용 분야에 널리 사용됩니다. 확장된 온도 범위는 높은 사양의 산업과 자동차 같이 더 넓은 시장을 열어줍니다. 초기 제품과 비교하여 RKK 시리즈의 차이점과 성능 향상에 대한 요약이 표 1에 나와 있습니다. 이익은 대량 판매 가격을 낮추면 현저하게 달성됩니다. 새 제품은 명목상 비조절형이지만 입력 전압 변화에 대한 보상 정도가 있습니다(예: +/-10% 입력 전압 변동 시 +/-5% 미만의 출력 변화). 추가적인 특징은 부품을 캡슐화할 필요가 없어 무게와 비용이 절감된다는 것입니다. 이 시리즈 버전에는 높은 정확도가 필요할 때 사후 조절형 출력이 포함되어 있습니다.

기타 새로운 발전 사항

새로운 RECOM 기술의 원리는 인기 있는 R-78 시리즈로의 업그레이드와 선형 레귤레이터의 드롭인 교체와 함께 비절연 DC/DC에도 통합되었습니다. R-78K로 지정된 신제품에서는 효율이 최대 96% 향상되었으며 입력 범위가 36V로 확장되었습니다. 이제 작동 온도는 디레이팅 없이 90°C입니다.

비용 증가 없이 단순한 기존 설계를 고급 회로 기술 및 제조 기술로 교체하는 추세를 따라 기존 RECOM 제품에 대한 추가 ‘K’ 업그레이드가 한창 진행 중입니다. 새로운 ‘Razor’ 제품이 출시되면 살펴보고 ‘최첨단’을 활용하십시오.

참고 문헌

[1] https://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/logic/l_3nm