POL DC/DC 컨버터, 전원 시스템 설계상의 문제점 해결
2023. 12. 22
전원 공급장치의 가장 기본적인 역할은 유입되는 AC 전압을 가장 효율적인 방식으로 하나 이상의 저전압 및 고전류 DC 전압으로 변환하는 것입니다. 전선 저항을 낮춰 그와 동일한 결과를 달성하고자 한다면 도체의 단면 부위를 4배로 늘려야 하는데, 이렇게 하면 무게와 비용이 높아지죠. RECOM이 공개한 경제적인 고효율 신규 DC/DC 레귤레이터 시리즈 2종은 "부하 지점(POL)" 솔루션으로서 전원 레일에 적합합니다.
원 공급장치의 가장 기본적인 역할은 유입되는 AC 전압을 가장 효율적인 방식으로 하나 이상의 저전압 및 고전류 DC 전압으로 변환하는 것입니다. 일반적인 설계의 첫 단계는 역률 보상회로(power factor correction, PFC) 등 대규모 AC/DC 변환 차단장치를 이용하여, AC 주전원 장치로부터 공급받을 수 있는 전력을 극대화하고 다양한 역률 규제 요건을 충족하는 것입니다.
DC/DC 단면을 설계하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 다만 전원 공급장치의 효율, 크기, 속도, 비용 개선을 추진하는 과정에서 전원 공급장치의 아키텍처가 비효율적인 대규모 중앙집중식 전원 아키텍처(centralized power architecture, CPA)에서 고효율의 소형 분산식 전원 아키텍처(distributed power architecture, DPA) 및 중간급 버스 아키텍처(intermediate bus architecture, IBA)로 발전한 것이죠.
그림 2: 중앙집중식 전원 아키텍처와 분산식 전원 아키텍처(출처: RECOM)
그림 2는 3가지 유형의 설계를 보여 줍니다. CPA 아키텍처는 하나의 중앙 지점에서 모든 시스템 전압을 생성한 다음, 분산 버스를 이용하여 필요한 DC 전압(예: 12V, 5V, 3.3V)을 각각의 PCB 및 기기로 공급합니다.
반면에 DPA와 IBA는 더 높은 DC 시스템 전압(24V 또는 48V)을 필요로 합니다. 이후 부하 지점(POL) DC/DC 컨버터가 전압을 필요한 수치까지 하향 변환합니다. POL DC/DC 컨버터는 그 이름이 말해 주듯이 부하에 최대한 가까워질 수 있습니다.
이 두 아키텍처의 목적은 전력 손실을 최소화하는 것입니다. 저항성 연결(매체가 전선이든, 모선이든, 혹은 PCB 추적선이든 관계없음)을 통해 전원의 전력을 부하로 전송하면 열 형태의 전력 손실이 발생하는데, 이러한 손실을 배전 손실(distribution loss)이라고 합니다. 한 전류의 배전 손실은 해당 전류의 제곱에 비례하며, 배전 손실의 값은 P = I2R 공식으로 구할 수 있습니다. 여기서 R은 전선이나 모선의 저항(resistance)을 말합니다. 배전 손실을 줄이려면 전류 또는 전선의 저항 중 하나를 줄여야 합니다.
전류를 줄이는 동시에 동일한 총 전력을 부하로 전송하려면 전압을 높여야 합니다(P = VI). 예를 들어 전압을 24V에서 48V로 2배 높이면 전류가 50% 감소하고, 결과적으로 배전 손실이 75% 감소합니다. 전선 저항을 낮춰 그와 동일한 결과를 달성하고자 한다면 도체의 단면 부위를 4배로 늘려야 하는데, 이렇게 하면 무게와 비용이 높아지죠.
분산식 전원 아키텍처로 전환해야 하는 또 하나의 이유는 바로 열 관리 개선입니다. 분산식 설계를 적용하면 발열 소자가 장비의 전체 표면적으로 고루 확산되어서 고온점이 최소화됩니다. 열은 곧 전자 부품의 적입니다. 작동 온도가 높아지면 고장률도 높아진다는 것은 잘 알려진 사실이죠. 일부 응용 분야(예: 스포츠 경기장 또는 라스베가스에서 쓰는 대형 LED 디스플레이)에서는 과도한 발열의 여파가 현저하게 나타납니다. 접합 온도가 높아지면 LED의 광출력이 감소하는데요. 국소적으로 고온점이 생기면 LED가 더욱 빠르게 고장나며, LED의 작동 수명 내내 감광이 발생하기도 합니다.
그러나 4G 및 5G 이동통신 설비, 데이터 센터의 고성능 블레이드 서버 랙, 클라우드 컴퓨팅, 기업급 IT 시스템 등 기타 여러 응용 분야에서는 1.8V나 훨씬 더 낮은 전압에서 구동되는 소규모 구조 설계를 갖춘 디지털 기기(예: MPU, GPU, ASIC)가 주로 필요합니다. 이러한 기기에는 수백 대의 증폭기, 그리고 전원에서 발생하는 초고속 과도현상 부하 반응이 필요하죠. 트랜지스터를 변환하는 DC/DC 컨버터의 사용 주기가 지나치게 적어질 경우 과도현상 반응이 저하되므로, 한 단계에서 48V를 1.8V로 내리는 것은 비효율적입니다.
이 경우에는 IBA를 사용하는 것이 좋습니다. 중간급 DC/DC 컨버터 단계에서는 48V가 3.3V 또는 5V 등의 전압으로 하향 변환되며, 최종 POL DC/DC 컨버터는 3.3V를 1.8V로 하향 변환하는 단계를 수행합니다. 뿐만 아니라 입력과 출력의 비율이 낮아질수록 반응 시간이 더더욱 빨라지기도 합니다.
RPMGQ-20과 RPMGS-20은 개방형 프레임 스루홀 구조로 되어 있으며 출력 정격이 20A인 비절연형 DC/DC 버크 컨버터 입니다. RPMGQ-20이 업계 표준의 쿼터 브릭 포맷인 데 반해, RPMGS-20은 표준 16번 브릭 핀아웃을 갖춘 36.83mm x 34.04mm 크기의 새로운 표준 패키지입니다. 두 제품의 최고 높이는 장착면 기준 15mm입니다. 이들 부품은 18V~75V 입력에서 작동하고 선택 가능한 공칭 출력이 5V 또는 12V로, 해당 출력은 폭넓은 범위(각각 3.3V~8V 및 8V~24V) 내에서 변경 가능합니다.
RPMGQ-20과 RPMGS-20의 효율은 굉장히 높아 12V 출력 버전의 경우 98%, 5V 출력 버전의 경우 94%에 달합니다. 부하가 약 10%에 이르면 효율 감소 곡선이 거의 평평해지죠. 낮은 손실률과 더욱 향상된 발열 설계 덕분에, 정격이 120°C까지 감소하는 모든 모델에 대해 주변 온도가 90°C를 초과하는 기류에서도 전부하를 사용할 수 있습니다.
본 제품들은 입력 저전압, 출력 과전류, 단락 및 과열에 대한 종합 보호장치로서의 역할을 합니다. 또한 원격 감지 기능과 입력 제어 기능도 제공합니다.
DC/DC 단면을 설계하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 다만 전원 공급장치의 효율, 크기, 속도, 비용 개선을 추진하는 과정에서 전원 공급장치의 아키텍처가 비효율적인 대규모 중앙집중식 전원 아키텍처(centralized power architecture, CPA)에서 고효율의 소형 분산식 전원 아키텍처(distributed power architecture, DPA) 및 중간급 버스 아키텍처(intermediate bus architecture, IBA)로 발전한 것이죠.
그림 2: 중앙집중식 전원 아키텍처와 분산식 전원 아키텍처(출처: RECOM)
반면에 DPA와 IBA는 더 높은 DC 시스템 전압(24V 또는 48V)을 필요로 합니다. 이후 부하 지점(POL) DC/DC 컨버터가 전압을 필요한 수치까지 하향 변환합니다. POL DC/DC 컨버터는 그 이름이 말해 주듯이 부하에 최대한 가까워질 수 있습니다.
이 두 아키텍처의 목적은 전력 손실을 최소화하는 것입니다. 저항성 연결(매체가 전선이든, 모선이든, 혹은 PCB 추적선이든 관계없음)을 통해 전원의 전력을 부하로 전송하면 열 형태의 전력 손실이 발생하는데, 이러한 손실을 배전 손실(distribution loss)이라고 합니다. 한 전류의 배전 손실은 해당 전류의 제곱에 비례하며, 배전 손실의 값은 P = I2R 공식으로 구할 수 있습니다. 여기서 R은 전선이나 모선의 저항(resistance)을 말합니다. 배전 손실을 줄이려면 전류 또는 전선의 저항 중 하나를 줄여야 합니다.
전류를 줄이는 동시에 동일한 총 전력을 부하로 전송하려면 전압을 높여야 합니다(P = VI). 예를 들어 전압을 24V에서 48V로 2배 높이면 전류가 50% 감소하고, 결과적으로 배전 손실이 75% 감소합니다. 전선 저항을 낮춰 그와 동일한 결과를 달성하고자 한다면 도체의 단면 부위를 4배로 늘려야 하는데, 이렇게 하면 무게와 비용이 높아지죠.
분산식 전원 아키텍처로 전환해야 하는 또 하나의 이유는 바로 열 관리 개선입니다. 분산식 설계를 적용하면 발열 소자가 장비의 전체 표면적으로 고루 확산되어서 고온점이 최소화됩니다. 열은 곧 전자 부품의 적입니다. 작동 온도가 높아지면 고장률도 높아진다는 것은 잘 알려진 사실이죠. 일부 응용 분야(예: 스포츠 경기장 또는 라스베가스에서 쓰는 대형 LED 디스플레이)에서는 과도한 발열의 여파가 현저하게 나타납니다. 접합 온도가 높아지면 LED의 광출력이 감소하는데요. 국소적으로 고온점이 생기면 LED가 더욱 빠르게 고장나며, LED의 작동 수명 내내 감광이 발생하기도 합니다.
DPA와 IBA 중 하나로 정하는 방법?
많은산업 응용 분야 및 공장 자동화 응용 분야에서는 디지털 기기의 시스템 전압으로 5V 또는 3.3V를 사용하고 있습니다. 이들 응용 분야에는 48V 레일을 더 낮은 전압으로 내리기 위해 부하마다 POL DC/DC 컨버터를 1대씩 사용하는 DPA가 적합합니다.그러나 4G 및 5G 이동통신 설비, 데이터 센터의 고성능 블레이드 서버 랙, 클라우드 컴퓨팅, 기업급 IT 시스템 등 기타 여러 응용 분야에서는 1.8V나 훨씬 더 낮은 전압에서 구동되는 소규모 구조 설계를 갖춘 디지털 기기(예: MPU, GPU, ASIC)가 주로 필요합니다. 이러한 기기에는 수백 대의 증폭기, 그리고 전원에서 발생하는 초고속 과도현상 부하 반응이 필요하죠. 트랜지스터를 변환하는 DC/DC 컨버터의 사용 주기가 지나치게 적어질 경우 과도현상 반응이 저하되므로, 한 단계에서 48V를 1.8V로 내리는 것은 비효율적입니다.
이 경우에는 IBA를 사용하는 것이 좋습니다. 중간급 DC/DC 컨버터 단계에서는 48V가 3.3V 또는 5V 등의 전압으로 하향 변환되며, 최종 POL DC/DC 컨버터는 3.3V를 1.8V로 하향 변환하는 단계를 수행합니다. 뿐만 아니라 입력과 출력의 비율이 낮아질수록 반응 시간이 더더욱 빨라지기도 합니다.
RECOM POL 응용 분야용 DC/DC 컨버터
RECOM이 공개한 경제적인 고효율 신규 DC/DC 레귤레이터 시리즈 2종, RPMGS-20 과 RPMGS-20은 DPA로 이루어진 POL 솔루션으로서 특히 24V, 28V, 48V 전원 레일에 적합합니다.RPMGQ-20과 RPMGS-20은 개방형 프레임 스루홀 구조로 되어 있으며 출력 정격이 20A인 비절연형 DC/DC 버크 컨버터 입니다. RPMGQ-20이 업계 표준의 쿼터 브릭 포맷인 데 반해, RPMGS-20은 표준 16번 브릭 핀아웃을 갖춘 36.83mm x 34.04mm 크기의 새로운 표준 패키지입니다. 두 제품의 최고 높이는 장착면 기준 15mm입니다. 이들 부품은 18V~75V 입력에서 작동하고 선택 가능한 공칭 출력이 5V 또는 12V로, 해당 출력은 폭넓은 범위(각각 3.3V~8V 및 8V~24V) 내에서 변경 가능합니다.
RPMGQ-20과 RPMGS-20의 효율은 굉장히 높아 12V 출력 버전의 경우 98%, 5V 출력 버전의 경우 94%에 달합니다. 부하가 약 10%에 이르면 효율 감소 곡선이 거의 평평해지죠. 낮은 손실률과 더욱 향상된 발열 설계 덕분에, 정격이 120°C까지 감소하는 모든 모델에 대해 주변 온도가 90°C를 초과하는 기류에서도 전부하를 사용할 수 있습니다.
본 제품들은 입력 저전압, 출력 과전류, 단락 및 과열에 대한 종합 보호장치로서의 역할을 합니다. 또한 원격 감지 기능과 입력 제어 기능도 제공합니다.
결론
전원 공급장치 아키텍처 설계는 더 높은 효율, 더 나은 열 관리, 더 우수한 과도현상 성능의 시급한 필요성이 끊임없이 커지는 추세에 따라 발전해 왔습니다. 고효율의 POL 및 중간급 버스 DC/DC 컨버터는 이처럼 새로운 구조의 핵심 부품입니다. 따라서 RECOM의 새로운RPMGQ 개방형 프레임 설계야말로 분산식 전원 응용 분야에 가장 적합한 설계라 할 수 있습니다.용도
