2022년 8월 16일 화요일

T 기술기고문

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LTC7803을 사용한 고성능 전원장치 설계 간소화 방법

글: 빅터 카시에프(Victor Khasiev) 선임 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

머리말
아나로그디바이스(ADI)의 동기식 스텝다운 컨트롤러 LTC7803을 사용해서 고성능 전원장치를 간편하게 설계할 수 있다. 이 컨트롤러는 N-채널 MOSFET을 스위칭할 수 있는 낮은 임피던스의 게이트 드라이버를 통합함으로써 전반적인 컨버터 비용은 낮추고 효율은 높이며, 대기 전류가 극히 낮고(5mA), 40V에 이르는 넓은 입력/출력 전압 범위로 동작하는 것이 특징이다. 아울러 100kHz ~ 3MHz의 넓은 범위로 스위칭 주파수를 설정할 수 있고, 검출 저항이나 DCR 검출을 사용해서 추가적인 효율 향상을 달성할 수 있으며, 100% 듀티 사이클을 제공한다. 이 밖에도 스프레드 스펙트럼 동작이 가능하며, 스위칭 주파수를 ±15% 범위로 조정함으로써 EMI 적합성을 달성하는 것을 수월하게 하고 EMI 필터 비용을 낮출 수 있다.

회로도와 기능
그림 1은 이 스텝다운 컨버터의 회로도를 나타낸다. 이 컨버터는 5V ~ 38V 입력으로 3.3V, 20A를 제공한다. 이 파워 트레인은 MOSFET Q1 ~ Q4, 인덕터 L1, 입력/출력 필터 커패시터를 포함한다. MODE 핀과 점퍼 JP1을 사용해서 강제 연속 전도(FCM), 펄스 스킵, 버스트 모드(Burst Mode®) 동작을 설정할 수 있다. 각 동작 모드마다 장단점이 있다. FCM은 전체 출력 전류 범위에 걸쳐서 출력 리플이 낮은 대신 경부하일 때 효율이 떨어진다. 버스트 모드 동작은 경부하나 무부하일 때 효율이 우수한 반면, 경부하에서 출력 전압 리플이 높다.
 
LTC7803의 또 다른 장점은, 외부 클럭으로 동기화할 수 있으므로 호스트 시스템에서 서로 다른 주파수의 상호작용으로 인한 간섭 문제를 피할 수 있다는 것이다. 주파수 설정을 위한 점퍼 JP2를 사용하면 고정 주파수, 외부 클럭으로 동기화, 또는 스프레드 스펙트럼 동작을 선택할 수 있다. 버스트 모드를 선택하고(MODE 핀을 GND로 연결) 동기화를 활성화하면(PLLIN/Spread 핀으로 클럭 펄스 제공) 컨트롤러가 FCM 모드로 동작한다. 그런데 실제로는 펄스 스킵 모드를 이용하는 것이 더 좋을 수 있다. 펄스 스킵 모드(MODE 핀을 100kΩ 저항을 통해 INTVCC로 연결)가 FCM에 비해서 경부하에서 훨씬 더 우수한 효율을 제공하기 때문이다.
 
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그림 1: LTC7803 기반의 컨버터 회로도, VIN = 5V~38V, VOUT = 3.3V 20A

효율과 스프레드 스펙트럼 동작
그림 2는 버스트 모드일 때 서로 다른 입력 전압에 대한 컨버터 효율을 보여준다.
 
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그림 2: 펄스 스킵 모드와 버스트 모드 동작의 컨버터 효율
 
그림 3은 LTC7803의 평가 작업에 사용된 DC2834A 데모 보드를 보여준다. 그림 4는 풀 부하일 때 DC2834A의 열화상 장면이다.
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그림 3: DC2834A 데모 보드
 
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그림 4: VIN 12V VOUT 3.3V 20A  컨버터 열화상에어 플로우 없이 자연 대류 냉각 사용.
 
LTC7803의 가장 큰 장점은 스프레드 스펙트럼 동작이 가능하다는 것이다. 이는 컨버터의 복사 잡음과 전도 잡음을 크게 낮추고, EMI 표준에 대한 전체 시스템 차원의 적합성을 손쉽게 달성할 수 있게 해준다. 그림 5는 CISPR 25 Class 5 한계 요건에 대해서 스프레드 스펙트럼 동작을 사용할 때와 사용하지 않을 때의 두 가지 전도 EMI 성능을 비교해서 나타낸 것이다.
 
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그림 5: CISPR 25 Class 5 요건에 대해서 스프레드 스펙트럼 동작을 사용할 때와 사용하지 않을 (고정 주파수) 전도 EMI 성능

맺음말
LTC7803은 IQ가 낮은 동기식 스텝다운 컨트롤러 제품으로서, 고도로 효율적인 전원 컨버터를 간편하게 설계할 수 있게 해준다. 넓은 입력/출력 전압 범위에서 동작하며, 최적의 과도 응답 특성을 달성한다. 버스트 모드와 스프레드 스펙트럼 동작 같은 기능들을 사용해서 효율을 높이고 EMI 적합성을 손쉽게 달성할 수 있다.

저자 소개
빅터 카시에프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, AC-DC 및 DC-DC 변환용 전력 반도체와 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있다. 효율적인 PFC 솔루션과 향상된 게이트 드라이버와 관련해서 2개의 특허를 보유하고 있다. 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-음, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 비롯해서 자동차와 산업용 애플리케이션에 ADI 반도체를 사용하는 것에 관한 여러 편의 글을 썼다. ADI 고객들을 지원하는 것을 보람으로 여기며, 전원 공급장치 회로 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결 및 최종 시스템 테스트에 참여하고 있다. 문의: victor.khasiev@analog.com