시스템 열 성능에 있어서 첨단 패키징의 이점
전력 요구가 증가함에 따라 PCB의 열 디자인이 갈수록 더 중요해지고 있다. 여기에서는 MOSFET 패키지가 어떻게 원하는 한계 이내로 전반적인 보드 온도를 개선 시킬 수 있는지 알아본다. 또한 제어 및 동기 FET 소켓에 각기 다른 MOSFET을 이용한 동기 벅 컨버터와 전력 레벨이 최대 220W인 DC 버스 컨버터에 대해 살펴본다.
글│Yi Tang, Carl Blake, Carl Smith, International Rectifier
지난 수년에 걸쳐서 전력 요구가 증가함에 따라 PCB의 열 디자인이 갈수록 더 중요해지고 있다. 이 글에서는 MOSFET 패키지가 어떻게 원하는 한계 이내로 전반적인 보드 온도를 개선 시킬 수 있는지 설명한다. 또한 제어 및 동기 FET 소켓에 각기 다른 MOSFET을 이용한 동기 벅 컨버터와 전력 레벨이 최대 220W인 DC 버스 컨버터에 대해 살펴본다.
다양한 디바이스를 평가해서 관련 성능을 비교했다. 동기 벅 컨버터와 DC 버스 컨버터를 테스트함으로써 MOS-FET을 병렬화하는 것이 원하는 대로 보드 온도를 낮추지 않는 것으로 나타났다. DC 버스 컨버터를 최적화해서 더 나은 결과가 달성됨으로써 각 소켓에 RDS(on) 및 열 성능이 우수한 단일 디바이스를 이용함으로써 최적의 성능을 달성할 수 있음을 알 수 있다.
PCB 열 디자인
전력 변환 시스템의 PCB 열 디자인은 회로 설계자들에게 언제나 까다로운 작업이다. 통신이나 컴퓨팅 같은 애플리케이션에서 전력 요구가 급격히 높아짐에 따라서 PCB가 적절한 온도를 유지하고 전력 변환 시스템이 높은 효율을 달성하는 것이 중요해졌다.
동기 벅 컨버터는 컴퓨터 시스템에서 가장 널리 이용되는 비절연형 컨버터이다. 작은 크기와 높은 효율은 동기 벅 컨버터의 여러 가지 장점 중의 일부이다. 보드에 요구되는 전류 레벨이 급격히 높아지면서 열 디자인이 갈수록 중요해지고 있다. 통신 시스템에서 DC 버스 컨버터는 보드 크기를 줄이고 출력에서 더 높은 전력을 제공할 수 있도록 한다. 크기의 감소는 전력 MOSFET의 전류 처리 능력에 대한 요구를 높인다. DC 버스 컨버터의 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 컨버터의 일차 및 이차측에 최적화된 이산 전력 MOSFET을 이용해야 한다.
동기 벅 컨버터 테스트
동기 벅 구성으로 각기 다른 패키지의 몇 개 디바이스를 살펴보자. 이들 디바이스는 LFPAK, PowerPAK, SO-8, DirectFET 패키지를 이용했다. 이들 디바이스를 19Vin, 1.35Vout, 300KHz의 2상 동기 벅 데모 보드를 이용해 평가했다. 이들 어느 보드에도 에어플로우를 이용하지 않았다.
표 1은 35A 및 40A 출력 전류로 테스트했을 때 이들 디바이스의 이차측 온도를 비교한 것이다. 35A에서 40A로 전환했을 때 SO-8의 케이스 온도가 10℃까지 다른 패키지보다 높았으며 2개 SO-8을 병렬했을 때는 온도가 더 높아졌다. 이는 SO-8의 높은 저항 때문이다. 그러므로 전류 레벨이 높아짐에 따라서 다른 첨단 패키지에 비해 전력 소비가 더 빠르게 증가한다. SO-8의 높은 열 임피던스로 인하여 금속 또는 다이를 PCB 및 대기에 노출시킨 다른 첨단 패키지처럼 열을 잘 소산시키지 못한다.
대부분의 경우에 동기 FET의 온도가 제어 FET보다 높다. 35A 및 40A 전류 레벨일 때 동일 업체의 동일 패키지의 2개 디바이스 한쌍을 이용했을 때 이 2개 FET의 온도가 가장 잘 조화를 이룬다.
DC 버스 컨버터 최적화
DC 버스 컨버터가 48V 입력을 중간 버스 전압으로 변환하기 위한 새로운 기법이며, 그런 다음 이 전압이 POL 컨버터로 보내져서 IC에 요구되는 레벨로 드롭다운 된다. 표 2는 표준 절연형 DC-DC 컨버터와 2개 DC 버스 컨버터(각각 SO-8 및 DirectFET MOSFET)의 단위 면적 당 공급 전력을 비교한 것이다. DC 버스 컨버터가 단위 면적 전력 공급 능력이 두 배 이상 높다. 여기서는 일차측에 SO-8 및 DirectFET 패키지의 DC 버스 컨버터를 이용해서 효율 및 열 성능을 비교했다.
그림 1에서와 같이 1/8 브릭보다 작은 크기로 최대 96%의 효율을 달성하며 8V 출력 전압으로 220W (27.5A@8Vout)를 제공하도록 48V DC 버스 데모 보드를 설계했다. 이 DC 버스 컨버터 회로는 IR-2085S 일차측 컨트롤러 및 드라이버 IC를 이용한다. 일차측에서 100V n-채널 전력 MOSFET을 비교했다. 100V 정격 MOSFET이 36V-75Vin에 달하는 애플리케이션을 충족할 수 있다. 자가 구동 동기 정류 토폴로지를 이용해 이차측에 2개 30V n-채널 전력 MOSFET을 이용해 8V 출력을 제공할 수 있으며, 12Vout을 제공하도록 설계할 때는 40V n-채널 전력 MOSFET을 이용할 수 있다.
이전 버전의 DC 버스 컨버터는 SO-8 패키지 디바이스를 이용했다. 열 디자인이 갈수록 중요해짐에 따라서 DC 버스 컨버터의 전력 요구량이 늘어나고 있다. 전통적으로 다중의 SO-8 디바이스를 병렬화하는 것이 열 문제를 해결하는 방법이었다. 하지만 실험에 의해서 2개 디바이스의 스위칭 손실이 증가하므로 2개 디바이스를 병렬화하는 것이 보드 온도를 높이는 것으로 나타났다. 또한 온도 측정에 의해서 일차측에서 이차측으로 열을 전달해서 두 스테이지의 전반적인 보드 온도를 높이는 것으로 나타났다.
표 3은 2개 및 4개 IRF7495 100V FET를 이용했을 때의 보드 온도를 비교한 것이다. 일차 사이드에서 FET를 병렬화하고 관찰했을 때 손실이 높아지는 결과로서 이차 사이드 보드 온도가 높아지는 것으로 나타났다. 요컨대 FET를 병렬화함으로써 2개 스테이지가 온도 측면에서 더 조화를 이루지만 그림 2에서처럼 효율을 높인다 하더라도 보드 온도가 여전히 비교적 높다.
DC 버스 컨버터를 추가적으로 최적화하려면 열 향상 패키지를 이용하고 RDS(on)이 우수하고 게이트 전하가 낮은 MOSFET을 선택하는 것이 바람직하다. 열 향상 패키지의 하나가 Direct-FET이다. DC 버스 컨버터에 DirectFET를 이용함으로써 효율, 전력 처리 용량, 열 성능이 향상된다. DirectFET의 패키지 저항이 낮으므로 PCB에 대해서 1℃/W 미만 및 디바이스 상단에 대해서 약 1.4℃/W로 열 저항이 향상된다. 그러므로 일차측 MOSFET이 일차측과 이차측의 조화로운 온도를 가능하게 한다. 이와 달리 이전과 같다면 전력 밀도를 높이려고 할 때 일차측에서 높은 열을 발생시킬 것이다(이차측에 SO-8 디바이스를 이용한 하프 브리지 회로를 이용했을 때 열적인 이유 때문에 일반적으로 이 토폴로지의 사용은 150W로 제한된다.)
그림 2는 일차측에 단일 및 병렬 100V 정격 SO-8(IRF7495)와 단일 100V 정격 열 향상 패키지(IRF6644)를 이용했을 때의 효율 곡선을 비교한 것이다. 각 솔루션이 이차측에 자가 구동 동기 정류 토폴로지로 동일한 30V 정격 MOSFET을 이용한다. 효율 곡선을 보면 단일 DirectFET MOSFET이 단일 SO-8보다 최대 1%까지 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 회로가 95~96% 효율로 작동되는 것을 감안했을 때 상당한 성능 향상이다. 이러한 결과로서 또한 단일의 향상된 열 패키지가 2개의 병렬 SO-8을 대체할 수 있음을 알 수 있다.
표 3은 각 솔루션의 일차 및 이차측의 온도 차이다. 일차 사이드에 SO-8을 이용함으로써 일차 및 이차측에 온도 차이가 20℃에 달함으로써 보드의 전력 용량을 제한한다. 전력 출력을 높이는 유일한 방법이 일차 사이드 FET를 병렬화해서 핫스팟을 제거하는 것이다. DirectFET 전력 MOSFET 같은 열 향상 디바이스를 이용함으로써 일차 FET 온도가 SO-8 시스템보다 40℃까지 낮다.
또한 온도 차이가 줄어든다. 열 향상 패키지가 열을 회로 보드로 전달하는 것이 아니라 보드에서 대기 중으로 소산할 수 있도록 함으로써 보드와의 온도 차이를 줄인다. 이들 보드를 테스트할 때 발견한 가장 중대한 사실이 MOSFET 패키지가 MOSFET 접합부 온도 냉각을 향상시킬 뿐만 아니라 보드에서 대기 중으로의 열 전달을 향상시킨다는 것이다. 이러한 온도 감소는 신뢰성 등의 전체적인 시스템 성능에 상당한 영향을 미친다. 접합부 온도를 낮추는 것이 FIT 비율 계산에 있어서 매우 중요하다. 10℃를 낮춤으로써 계산되는 결함 발생 비율을 50%까지 낮출 수 있다.
결론
지난 몇 년에 걸쳐 DC-DC 컨버터의 전력 밀도가 증가함에 따라서 열 디자인 요구 조건이 기존 디바이스의 용량을 초과하게 되었다. 동기 벅 및 DC 벅 컨버터에서 각기 다른 패키지로 디바이스들을 평가했다. 열 측정을 통해서 시스템 전력 레벨이 계속해서 높아짐에 따라서 디바이스 패키지의 열 성능이 갈수록 더 중요해지고 있음을 알 수 있다.
DirectFET MOSFET 패키징 같은 열 향상 패키지를 이용한 새로운 제품은 더 우수한 효율 및 전력 처리 능력을 나타낸다. 병렬 디바이스가 복잡성을 추가하는 것과 달리 더 단순한 디자인을 이용해 성능을 향상시킨다. 열 성능이 향상되면 더 높은 전류 밀도로 PCB 크기 및 이용되는 구리 양을 유지할 수 있으므로 열 디자인이 간소화된다. 첨단 네트워크 및 통신 시스템들은 최근의 첨단 패키징 기술이 제공하는 전기 저항, 열 저항, 기생 인덕턴스 특성이 낮은 패키지로 전환될 것이다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 10월호>