저전력 DC/DC 컨버터에 최첨단 기술 도입

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).

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). 일반적인 와이어 크기는 0.18mm이고 코어 직경은 외경이 6mm, 내경이 3mm입니다. 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.

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.