IC 폼 팩터에서 구현되는 고성능 POL DC/DC μModule

소형 풋프린트에서 소실되는 전력의 양을 제한하기 위해서는 전원 레귤레이터가 매우 높은 효율로 보다 많은 전력을 제공해야 한다. 시스템 개발자는 손쉬운 조립을 위해 크기가 작고 프로파일도 낮으며, 성능은 훨씬 높은 POL 레귤레이터를 원한다. 초소형 레귤레이터는 시스템 보드 밑면의 보드 공간이 로우프로파일 및 고집적 DC/DC 솔루션으로 사용될 수 있다.

글 | 에디베빌(Eddie Beville), 아프신 오다바이(Afshin Odabaee),리니어 테크놀러지

POL(Point-Of-Load) 파워 서플라이와 같은 기존의 POL DC/DC 모듈 레귤레이터는 시스템보드에 스루홀을 통한 장착이나 표면실장으로 인쇄회로기판(PCB)에 조립된다. Advanced-TCA 또는 CompactPCI와 같이 밀도가 높은 보드가 탑재된 대부분의 고사양 시스템 구조의 경우, 이러한 파워 서플라이는 프로파일이 너무 높고 공간을 너무 많이 차지하며, 15,000달러나 하는 24cm x 35cm 시스템 보드에서 파워 서플라이에 지불하는 비용은 적지 않다. 소형 폼 팩터 시스템은 제한된 크기의 보드 공간에서 보다 높은 전력 요건을 필요로 한다.

이는 소형 풋프린트에서 소실되는 전력의 양을 제한하기 위해서는 전원 레귤레이터가 매우 높은 효율로 보다 많은 전력을 제공해야 한다는 것을 의미한다. 또한 설계의 전체적인 솔루션 크기를 제한할 수 있도록 POL 레귤레이터는 매우 신속한 과도 응답을 갖는 고주파 스위칭 레귤레이터이어야 한다. 이에 따라, 시스템 개발자는 손쉬운조립을 위해 크기가 작고 프로파일도 낮으며, 성능은 훨씬 높은 POL 레귤레이터를 원했다. 이와 같은 초소형 레귤레이터는 시스템 보드 밑면의 보드 공간이 로우프로파일 및 고집적 DC/DC솔루션으로 사용될 수 있다.

LTM4600 DC/DC μModule

LTM4600 μModule은 보드 공간이 매우 제한된 다양한 POL 레귤레이터 설계에 적용될 수 있는 솔루션이다. μModule은 15mm x 15mm x 2.8mm LGA 표면 실장 패키지로 제공된다. 패키지는소자의 상단 및 하단에 히트싱크(Heat-Sink) 사용이 가능하도록 설계 되었다. 정전류(Constant On TimeCurrent) 모드 구조는 전력 분배를 위해 매우 신속한 과도 응답과 정밀한 전류 제한 제어를 제공한다. μModule은 싱크로너스 토폴로지로 800kHz에서 스위칭하므로 소형 폼팩터에서도 매우높은 효율을 제공한다. LTM4600EV μModule은 4.5V~20V의 입력 전원 범위에서 동작하며,LTM4600HVEV μModule은 4.5V~28V에서 동작한다. 출력 전압은 0.6V~5V 범위에서 조정할 수 있지만, 데이터 시트에 입력 대 출력 전압 차에 대한 일부 제약 사항이 규정되어 있다. 출력전류는 최대 14A의 최대 전류와 10A 연속 전류를 제공할 수 있다. 오류 보호 기능으로는 과전압 보호, 과전류 보호기능이 있다. 그림 1은 LTM4600 μ Module과 25센트짜리 동전의 크기를 비교한 것이다. 이 제품은 소형 솔루션을 제공하므로 시스템 보드의 뒷면에 탑재할 수도 있다.

일반적인 설계

그림 2는 2.5V POL 레귤레이터에 사용되는 일반적인 LTM4600EV 설계를 보여준다. 설계는 데이터 시트에 설명된 정격 RMS 리플 전류를 위해 외부 입력 커패시터가 필요하다. 2개의 낮은 ESR 10μF 25V 세라믹 커패시터가 입력에 사용된다. 입력 전력은 일반적으로 낮은 인덕턴스 경로를 통해 모듈의 입력에 연결된다. 이러한 요건은 입력에서 발생하는 모든 공진 LC 링잉(Ringing)을 제거하며, 따라서 고입력 전압 범위에서 발생할 수 있는 모든 과전압을 제거한다. 하네스(Harness)를 사용하여 모듈 입력에 전력을 제공할 경우, 소형 알루미늄전해질 커패시터를 세라믹 커패시터와 병렬로 사용하면 낮은 ESR 세라믹 커패시터와 하네스 인덕턴스로부터 비롯 되는 모든 진동을 현저히 낮출 수 있다. 출력 전압은 외부 저항을 사용하여VOSET 핀으로부터 접지로 설정된다. 내부 기준전압은 0.6V이며, 출력 전압설정 방정식은 VOUT = 0.6V ⅹ ((100k+R2)/R2)이다. 낮은 ESR이 과도 스텝에서 출력 전압의 초기 전압 강하를 약ΔVOUT = (Istep ⅹ Rth-ESR)로 유지하도록 하기 위해 출력 커패시터가 선택된다. 여기에서, Istep은 로드 스텝전류이고 Rth-ESR은 모든 출력 커패시터의 병렬 등가 ESR이다.

제어 루프 복구 동안 특정 범위의 출력 전압을 유지하기 위해서는 출력 벌크 커패시턴스 요건이 필요하다. 이 값은 약 ΔVOUT = (Istep ⅹ 루프 응답 시간)/Cout와 대략 같다. 데이터 시트의대부분의 과도 응답 파형은 제어 루프가 클럭 대기가 전혀 없이 응답한다는 것을 보여준다.

이러한 신속한 응답은 LTM4600의 밸리 모델 제어 구조의 고유한 특징이다. 일반적으로 출력 전압은 4~6 밀리초에서 응답하고, 20~50 밀리초 타임 프레임 안에 완전 원위치 된다. 일례로470μF pos cap 및 3개의 22μF 세라믹 커패시터를 사용하고 6 밀리초의 응답시간을 갖는 5A 스텝은 ~55mV의 계산이 나온다. 이것은 근사값이므로 실제 회로에서 검증되어야 한다. 그림 5는 2.5V 설계의 과도 파형을 보여준다. Run/SS 핀은 출력 전압의 소프트스타트와 레귤레이터의 턴 온을 제어하는데 사용할 수 있는 이중 기능을 갖는다. 데이터 시트에는 LTM4600 소자의 내장 소프트스타트(Soft-Start)의 시간에 대해 나와 있다. Comp 핀은 모듈을병렬로 연결하여 전류를 증가시키는데 사용할 수 있다. EXTVCC 핀은 내부 5V LDO 레귤레이터로 인한 내부 전력손실을 감소시키므로 고입력 전압에서 효율 향상에 사용할 수 있다.

최소 50mA의 외부 5V 전원을 사용할 수 있는 경우, 이 전원을 EXTVCC핀에 인가하면 게이트 구동 전류를 모듈에 제공할 수 있으므로 모듈의 내부전력 소실을 줄일 수 있게 된다. 이는특히 12V 이상의 입력 전압에 해당된다. FADJ 핀은 필요 시 주파수 조정경로로 커패시터에 의해 디커플링 하는데 사용된다. 주파수는 내부에서 설정된다. FCB 핀을 VOUT 핀에 연결하면 배터리 동작 제품에 적합한 경부하 시디스컨티뉴(Discontinue) 절전 모드로이 모듈을 동작시킬 수 있다. 출력 전압은 데이터 시트에 규정된 FCB 임계전압보다 커야 한다. 데이터 시트의 그래프는 FCB 핀의 기능에 따른 경부하의 효율 차를 보여준다.

성능 그래프와 파형

그림 3, 그림 4 및 그림 5는 위 설계의 효율, 리플 노이즈 및 부하 과도현상(Load Transient)을 보여준다.

20A 출력을 제공하는 2개의 LTM4600 병렬 구성

2개의 LTM4600 μModule을 병렬로 구성하면 고전력 레귤레이터 애플리케이션에서 출력 전류를 두 배로 증가시킬 수 있다. 그림 6은 2개의 모듈을 병렬로 사용한 경우 2.5V @ 20A 설계의 회로도를 보여준다. 모듈 구조는 전류 모드 제어이기 때문에 두 모듈은 애플리케이션에서 전류를 공유한다. 그림 7은 두 병렬 모듈 간의 전형적인 전류 공유를 보여준다.

고전압 24V 입력 애플리케이션

그림 8은 24V 입력 5V 출력 애플리케이션을 보여준다. 설계는 28V 최대 입력으로 정격 지정되는 LTM4600-HVEV 소자를 사용하므로, 따라서 매우 정밀하게 조정되는 24V 전원이 필요하다. 5V 출력은 다시 EXTVCC 핀으로 연결되어 출력으로부터 내부 게이트 구동부를 동작시킨다. 이렇게 하면 24V 입력으로부터 게이트 구동 전류가 제거되어 효율이 향상된다. 7A 출력 전류를 얻기 위해서는 회로도에 지정된 외부 히트싱크가 권장된다. 그림 9의 그래프에서 전력 손실 커브를 확인할 수 있다.

총 출력 전력은7A의 부하 전류에서 35W이며, 손실은 5W이다. LTM4600 소자는 2온스 구리내층 및 1온스 구리 외층 구조를 갖는3.75 x 2.75 인치, 4층 평가 보드에서 약 14°C/W의 ΘJA를 갖는다. 외부 히트싱크는 ΘJA를 약 9C/W로 낮춘다.

이에 따라, 히트싱크가 없는 경우 주위 온도보다 70°C 온도 상승을 보이며, 히트싱크가 있는 경우 주위 온도보다 45°C 온도 상승을 보이는 상관관계를 갖는다. 주위 온도를 초과하는 온도상승은 ΘJA에 전력 손실을 곱한 값과 같다. 따라서 히트싱크는 모든 환경 온도에서 이러한 출력 전력을 얻기 위한 절대적인 요건이다. 고온의 환경 온도에서 소자의 전체 온도 상승을 100°C 미만으로 유지하기 위해서는 출력 전류의 추가적인 감쇠가 필요하다. 전체 온도 상승은 주위 온도에 전력 손실로 인한 소자 온도를 더한 값과 같다. 외부히트싱크가 있을 경우 공기 흐름은 출력 전력을 향상시킬 수 있다. 그림 10 및 그림 11은 5V 출력 리플 및 5V 과도 응답 파형을 보여준다.

LTM4600은 공간이 제약된 전력 설계에 이상적인 솔루션이다. μModule은 고성능 파워 서플라이에 필요한 모든부품을 소형 폼팩터에 집적시킨 새로운 전력 소자이다. μModule은 다른 모든표면 실장 집적 회로와 같이 솔더링할 수 있으며, 극히 적은 수의 외부 부품만 필요로 한다. μModule은 병렬로 연결할 경우 전력 출력을 두 배로 증가시킬수 있다. 제품 설계 사이클 감소뿐만 아니라 LTM4600은 손쉽게 적용이 가능해 최종 제품의 시장 진출 시기를 크게앞당길 수 있다.