정교한 설계의 저전력 DC/DC 컨버터가 제공하는 장점

한 가지 DC 전압을 전기 회로를 통해 다른 전압으로 변환하는 작업은 50년에 걸쳐 꾸준히 발전해온 역사가 담긴 일입니다. 최근 디자인의 경우 전력 밀도가 매우 높으며 효율성 면에서도 그만큼 발전을 이루어 전력 손실률이 낮습니다. RECOM의 최근 디자인에는 고용량 전력 공급 장치 에 쓰이는 설계 기법을 응용한 다양한 혁신 요소를 넣어 패키지 크기는 최소한으로 줄이면서도 저전력 컨버터의 장점은 온전히 누릴 수 있게 했습니다.

최초의 DC/DC 컨버터 솔루션은 저소음 리니어 디자인으로, 사용법은 단순했지만 두 가지 중대한 단점이 있었습니다. 첫째, 출력 전압이 항상 입력 전압보다 낮아야만 했는데 리니어 레귤레이터는 효율성이 매우 낮아 공급받은 전력의 상당 부분이 발열로 손실되었습니다. 둘째, 입력 전압과 출력 전압의 차이에 따라 리니어 레귤레이터는 효율성이 60% 이하로 낮았습니다.

스위칭 DC/DC 컨버터 가 발명되면서 이러한 문제점이 둘 다 해결되었지만, 설계 방법론이 훨씬 복잡했습니다. 스위칭 컨버터의 경우 리니어 디자인과는 반대로 유도성, 용량성 부품의 에너지를 저장하는 속성을 활용해 개별 패킷에 전력을 전달하는 방식을 취했습니다. 전력 펄스는 유도체의 자기장이나 커패시터의 전계에 저장되었습니다.

스위칭 컨트롤러가 있어 부하에 필요한 전력만 각각의 스위칭 사이클에 전달하도록 하기 때문에, 매우 효율적인 토폴로지입니다. 최선의 형태로 구현한 디자인이라면 97% 이상의 효율성을 달성할 수 있습니다. 그림 1은 스위칭 DC/DC 컨버터의 블록 다이어그램을 간단하게 나타낸 것입니다.

그림 1에서 스위치 기능은 조절식 시퀀스에 따라 고도로 효율적인 “켜짐” 및 “꺼짐” 상태를 번갈아 전환하는 파워 트랜지스터가 수행합니다. 이것은 리니어 디자인의 지속적인 작동과는 대비됩니다. 스위칭 DC/DC 컨버터의 경우 입력 전압보다 높거나 낮은 출력 전압을 도출할 수도 있고(승압 또는 감압) 입력 전압과 출력 전압을 역전할 수도 있습니다.

출력 전압은 정전압일 수도, 비정전압일 수도 있습니다. 비정격 컨버터의 출력 전압은 부하 전류나 입력 전압의 변동량에 따라 크게 달라집니다. 정격 디자인의 경우, 피드백 컨트롤 루프(점선)가 스위칭 블록에 출력 전압으로 도로 피드하는데, 이렇게 하면 스위칭 연산이 바뀌어 바람직한 값과 실제 출력 전압의 차이를 상쇄하려 합니다. 이는 차이가 발생한 이유가 입력 전압이 달라져서든(에: 공급 장치 배터리가 천천히 소진됨) 부하가 달라져서든 무관합니다.

아주 단순한 형태의 스위칭 토폴로지에는 입력과 출력이 한 개의 접지 전류 경로를 공유하므로, 유도성 소자가 유도체 역할을 하는 비절연형입니다. 절연형 컨버터의 경우 입력과 출력이 전기적으로 분리(galvanic isolation)됩니다. 트랜스포머의 상호 결합된 배선 때문에 생긴 전자기장을 통해 전력을 전달하기 때문입니다. 출력이 입력과 전기적으로 분리되기 때문에, 입력 전압이 출력 전압과 극성이 같든 반대이든 중요하지 않습니다. 리니어 디자인의 경우, 접지-반환 전류가 입력에서 출력으로 직접 흐르기 때문에 분리가 불가능하고, 핀은 세 개만 있으면 됩니다. 즉 입력 전압(Vin), 공통 접지(Common Ground), 출력 전압(Vout)의 세 개입니다.

저전력 DC/DC 컨버터의 DC/DC 컨버터 토폴로지

전력 공급 장치 디자인의 성능이 뛰어날수록 원가가 높아지고 설계가 복잡하며 차지 공간도 많다는 것은 사실상 당연한 전제입니다. 소형 DC/DC 컨버터 시용자는 작은 크기와 비용 효율성을 중시하는데, RECOM은 저전력 절연형 DC/DC 제품에 이러한 요구 사항에 부응하기 위해 어떤 방법을 동원했을까요?

Push-pull 토폴로지는 절연형 DC/DC 컨버터에 널리 쓰이는 토폴로지입니다. 트랜스포머 턴비에 따라 출력 전압의 관계가 결정되기 때문에 고전압, 저전압, 역전압 등을 저렴한 비용으로 도출할 수 있는 방법이기도 합니다. 이 토폴로지는 단순하고, 적당히 효율적이며, 전자기 방사도 비교적 적은 편입니다.

그림 2는 출력이 비정전압인 절연형 Push-pull DC/DC 컨버터의 블록 다이어그램입니다. 공간을 절약하기 위해 오실레이터와 구동 트랜지스터를 전용 Push-pull 트랜스포머 구동 장치 IC로 합쳤습니다.

정전압 출력을 도출하려면, 가장 간단한 방법은 +Vout 선의 2차 측(secondary side)에 리니어 레귤레이터를 직렬로 한 대 추가하는 것입니다(그림 3 참조). 이 방식을 취하면 바람직한 목표를 달성할 수도 있고, 최저 전력 DC/DC 디자인에도 적절합니다.

RECOM RY/P 시리즈가 좋은 예입니다. 이 제품의 경우 리니어 레귤레이터가 정격, 저소음 출력은 물론 단락 방지 역할까지 해줍니다.

이런 유형의 디자인은 효율성이 약 65~75% 수준입니다. 1W나 2W를 넘어가면 효율성을 극대화하는 것이 최우선 목표가 되어, 디자인을 한층 더 조정해야 합니다. 따라서 이 경우에는 2차 측 조절 대신 1차 측(primary-side) 조절을 사용합니다. 리니어 레귤레이터를 연결하는 대신, 2차 측에서 출력 전압을 모니터링하여 바람직한 전압과 비교해 오류 전압을 생성한 다음, 이를 1차 측 오실레이터 컨트롤러에 돌려보냅니다. 이렇게 하면 스위칭 주파수를 조절해 오류를 0에 가깝게 구동하게 됩니다. 이것은 절연형 디자인이므로 오류 신호도 분리해야 합니다. 그림 4에 RECOM의 3W 이상 정격인 정전압 컨버터에 이 방식을 어떻게 활용했는지 나타내었습니다. 이렇게 하면 약 85%의 효율성을 달성할 수 있습니다.

이보다 전력 출력이 더 높은 DC/DC 컨버터의 경우 그만큼 더 복잡한 방식으로 접근해야 합니다. 리니어 레귤레이터가 위에서 거론한 것과 같이 전력을 낭비할 뿐만 아니라, 2차 측 다이오드 두 개도 손실 원인이 되기 때문입니다. 파워 다이오드에는 보통 0.5V의 순방향 전압 강하가 발행하는데, 이는 1A에서 약 0.5W의 전력 손실에 상당합니다.

이 문제를 해결하려면 다이오드와 리니어 레귤레이터 대신 FET 두 개와 컨트롤러 하나로 구성된 동기 정류기를 사용해야 합니다.

두 가지 방식을 대조한 것이 그림 5입니다. FET가 사이클의 순방향 부분에서 전원이 켜져 정류기 역할을 하고, 사이클의 역방향 부분에서는 전원이 꺼집니다. FET는 고속 스위칭과 매우 낮은 ON 저항 R_DS(ON))(약 10mΩ) 덕분에 정류기로 이상적입니다. 단점이 있다면, 액티브 방식으로 구동해야만 한다는 점입니다.

따라서 내부 전압을 감지하고 출력 파형에 맞춰 동기식으로 FET 두 개의 전원을 올바로 끄고 켜려면 타이밍 회로와 구동 회로를 추가해야 합니다. 다이오드는 패시브 소자라서 제 기능을 하는 데 추가 회로가 필요하지 않지만, 동기 정류기로 효율성을 높이면 출력 전류 컨버터의 비용 복잡성을 상쇄하고도 남습니다.

RECOM의 20W DC/DC 컨버터 제품군인 RP20에 사용한 동기 정류기는 최대 89%에 달하는 효율성을 달성할 수 있습니다. 이 디자인에는 앞서 설명한 절연형 오류 신호도 포함합니다. 마지막으로, RP20(그림 6 참조)은 광범위한 부하에서 85~89%의 효율성을 달성할 수 있습니다.

결론

최저 전력 DC/DC 컨버터에 그보다 훨씬 큰 대형 전력 공급 장치 디자인에서 차용한 설계 기법을 응용해 효율성을 높였습니다. 전력 수준이 올라가면 고객의 우선순위가 달라지므로 적절한 부분을 수정해서 적용해야 합니다. RECOM은 비용과 크기가 균형을 이룬 최선의 조합을 보장하는 적절한 디자인을 선정하는 데 단연 뛰어난 기업입니다.