최근의 최첨단 전자 장치들은 3.3V 이하의 전압은 물론 1V 이하의 전압으로 작동하는 추세이다. 기존의 벅컨버터와 비교해 동기식 벅컨버터는 높은 전류와 낮은 전압을 필요로 하는 출력에서 고효율을 달성할 수 있는데, 이는 벅컨버터의 캐치 다이오드를 MOSFET로 대체했기 때문이다. 그 결과 동작이 꺼진 시간 동안 전력 소모를 대폭 줄일 수 있게 되었다.

동기식 벅 컨버터 구현 시 고려 사항

글│TK Man, 제품 애플리케이션 매니저/LK Wong

, 수석 애플리케이션 엔지니어

, 내셔널  세미컨덕터

 최근의 최첨단 전자 장치들은 3.3V 이하의 전압은 물론 1V 이하의 전압으로 작동하는 추세이다. 기존의 벅 컨버터와 비교해 동기식 벅 컨버터는 높은 전류와 낮은 전압을 필요로 하는 출력에서 고효율을 달성할 수 있는데, 이는 벅컨버터의 캐치 다이오드를 MOSFET로 대체했기 때문이다. 그 결과 동작이 꺼진 시간 동안 전력 소모를 대폭 줄일 수 있게 되었다. 이처럼, 동기식 벅 컨버터의 효율은 향상되었지만, 두 개의 MOSFET 사용으로 인해 제어와 구성 부품의 최적화에 어려움이 생긴다. 캐치 다이오드를 MOSFET으로 대체한 결과, 컨버터의 불연속 전도 모드(DCM, Discon-tinuous Conduction Mode)에 영향을 주어 경부하에서 효율이 떨어질 수 있다. 이 기사에서는 이러한 문제를 논의하고, 해결하는 방법을 소개한다.

하드웨어 구현 시 고려 사항

 동기식 벅 컨버터는 두 개의 MOSFET로 구성되므로, 슛 스루(Shoot through) 전류를 배제하기 위해 세심한 제어가 필요하다. 슛 스루 전류는 두 개의 MOSFET를 통과해 전력 공급 장치를 단락시키는 원인이 된다. 이는 상당한 스위칭 손실을 초래하며, 심한 경우에는 MOSFET이나 전력 공급 장치가 과열로 탈 수도 있다.

 이러한 현상을 줄이는 방법은 스위칭 사이에 무응답 시간이라고 하는 지연 시간을 적당량 삽입하는 것이다. 반면 출력 전압과 입력 전압 간 차이가 커 변환률이 높은 경우에는, 두 MOSFET간의 전도 시간이 서로 다르며, 그 차이가 10배를 넘을 수도 있다. 예를 들어 입력과 출력이 각각 24V와 1.8V인 컨버터는 7.5%의 듀티 비율(Duty Ratio)을 필요로 하므로 전도 시간 비율은 약 0.075:0.925로, 약 12배의 차이를 보인다. 따라서 구성 부품의 비용 측면에서 설계를 최적화하기 위해서는 두 MOSFET의 정격 전력을 다르게 해야 한다.

 위에 설명한 문제들 때문에 개별 부품을 사용하여 동기식 벅 컨버터를 구성하는 일이 더 까다로워진다. 각각의 MOSFET의 On/Off 시간은 서로 다르므로, 무응답 시간 및 관련 회로의 설계에는 상당한 엔지니어링 기술력과 시간이 필요하다. 또한 선택할 수 있는 MOSFET이 제한되므로, 적합한 정격 전력으로 MOSFET을 최적화하는 데 실패할 수도 있다.

대기 효율에 대한 고려 사항

 동기식 벅 컨버터에서 캐치 다이오드캐치 다이오드 대신 MOSFET을 사용하면 전도 손실이 감소됨은 물론이고, 인덕터에서 양방향의 전류 흐름도 가능하다. 결과적으로 동기식 벅컨버터는 극히 낮은 출력 전류(즉, 경부하)에서도 DCM이 아닌 연속 전도 모드(CCM, Continuous Conduc-tion Mode)를 유지할 수 있다. 그림 1a와 그림 1b는 벅 컨버터와 동기식 벅 컨버터에서 높은 출력 전류와 낮은 출력 전류 시의 인덕터 전류를 각각 보여준다.

그림 1a. 벅 컨버터의 인덕터 전류

그림 1b. 동기식 컨버터의 인덕터 전류

 높은 출력 전류에서는 두 컨버터 모두 CCM 작동을 유지하나, 경부하에서는 다이오드의 사용으로 인해 벅 컨버터가 DCM 작동으로 전환되면서 인덕터의 모든 역방향 전류가 차단된다. 동기식 벅 컨버터의 경우는 역방향 전류가 MOSFET을 통과할 수 있기 때문에 CCM 작동이 유지된다.

대기 모드에서의 효율성이 중요한 경우에는, 동기식 벅 컨버터가 경부하(출력 전력가 약함)에서 CCM 모드로 작동하는 것이 바람직하지 않다. 그 이유는 MOSFET에서 거의 항상 전도 손실이 발생하여 총 전력 소모가 상당히 증가하기 때문이다. DCM 작동에서는 인덕터 전류가 0일 때 MOSFET과 캐치 다이오드 모두에서 전도 손실이 없다. 또한 전류가 0일때 스위칭을 할 수 있다면 스위칭 손실을 줄이는 데 도움이 된다. 결과적으로 동기식 벅컨버터는 높은 출력 전류에서는 효율이 우수하지만, 낮은 출력 전력에서는 저효율로 작동한다. 이러한 특성은 작동시 대부분의 시간을 차지하나 전력 소모가 작은 대기모드에서 낮은 전력 손실이 요구되는 응용에서는 매우 중요하다.

 이에 대한 개선책으로 MOSFET의 전류를 검출하고 전류가 0일 때 MOSFET를 Off하여 역방향의 인덕터 전류를 차단하는 추가 제어 회로를 삽입하는 방법이 있다. 그러면 MOSFET는 다이오드로 동작하여, 동기식 벅 컨버터가 DCM 모드로 동작하게 하며, 이 경우 전압 강하는 아주 작게 된다. 이 회로는 높은 출력 전류에서 동기식 벅컨버터의 성능에 영향을 주지 않으면서도, 반대로 낮은 출력 전력에서의 효율을 대폭 향상시킨다.

싱글칩 솔루션

 최고의 동기식 벅 컨버터를 구현하는 가장 효과적인 방법은 싱글칩으로 구현하는 것이다. 최상의 비율에 도달할 수 있도록 MOSFET의 크기를 최적화 할 수 있으며, MOSFET이 칩 내부에 구현되기 때문에 무응답 시간 제어 및 구동 회로를 설계를 통해 최적화할 수 있다. 더 나아가 MOSFET들의 통합으로, 전류를 검출하여 MOSFET을 Off하고 DCM 작동을 유지하는 것이 쉬워졌다.

 내셔널 세미컨덕터의 PowerWise 제품군 중 위에 설명된 특성을 포함하는 LM310x(LM3100, LM3102, LM3103)로 알려진 동기식 벅 컨버터 신제품 계열이 최근에 출시되었다. 신제품에는 고성능 동기식 벅 컨버터 구현에 필요한 모든 회로와 MOSFET이 내장되어 있다. 특히, 제로(0) 코일 전류 검출 회로가 있어 DCM 작동이 가능하다. 그림 2는 일반적 애플리케이션을 위한 LM3102 회로도이다.

그림 2. 3.3V 출력 전압에 대한 LM3102 회로도

그림 3은 1.8V의 출력 전압에서 LM3102와 벅 컨버터(비동기식) 에 대한 효율 곡선을 보여준다. 동일한 입력 전압에서, LM3102의 효율은 일반적으로 벅 컨버터를 사용할 때보다 10~15% 높음을 알 수 있다. 그 이유는 벅 컨버터에서 캐치 다이오드로 인한 전력 손실의 많은 부분이 LM3102에 사용된 MOSFET에 의해 상당 부분 감소하기 때문이며, 따라서 낮은 출력 전압에서도 효율이 높다.

그림 3. LM3102와 비동기식 벅 컨버터의 효율 비교

그림 4는 입력 전압과 출력 전압이 각각 12V와 1V일 때, 기존의 동기식 벅 컨버터와 LM3100의 효율을 비교한 것이다. 높은 출력 전류에서 두 컨버터 모두 70% 이상의 높은 효율을 보여주고 있으나, 경부하에서는 기존의 동기식 벅 컨버터의 효율이 CCM 작동으로 인해 저하된다. 그러나 LM3102는 DCM으로 전환될 수 있기 때문에 낮은 출력 전류에서 효율을 높게 유지할 수 있으며, 이는 대기 모드에서 높은 효율을 필요로 하는 응용에서는 매우 중요한 특성이다.

그림 4. LM3100과 기존의 동기식 벅 컨버터의 효율 비교