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동기식 대 비동기식 벅 컨버터의 효율
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[Contributed Article]

TI 동기식 대 비동기식 벅 컨버터의 효율

 

Rich Nowakowski, Ning Tang
전원관리 제품 마케팅, SWIFT DC/DC 컨버터 DSP 시스템 엔지니어
텍사스 인스트루먼트 (Texas Instruments)

 

애플리케이션에 적절한 DC/DC 컨버터를 선정하기란 결코 쉽지 않다. 출시되어 있는 종류가 적지 않을 뿐만 아니라 설계자는 무수한 트레이드오프를 고려해야 한다. 일반적인 전원공급 문제는 크기, 효율, 비용, 온도, 정확도와 과도응답이다. 에너지 스타(ENERGY STAR®) 사양이나 그린모드(GREEN-MODE; 무부하시 절연 기능) 기준을 만족해야 할 필요성으로 인하여 에너지 효율에 대한 관심이 높아지고 있다. 설계자는 특히 1와트의 전력 소비 저감이 전체 전력 망에서 수 메가 와트를 절감할 수 있는 대량 생산 컨슈머 애플리케이션에서 비용을 증가시키지 않으면서 효율을 향상시키길 원한다. 반도체 업계는 최근 비동기식 DC/DC 컨버터보다 효율적인 동기식 정류를 채택한 저비용 DC/DC 컨버터를 개발하였다. 본고에서는 다양한 작동 환경 하의 소비자 가전 애플리케이션에 쓰이는 동기식 및 비동기식 컨버터의 효율, 크기 및 비용 트레이드오프를 비교해 보고자 한다. 동기식 벅 컨버터의 효율이 늘 더 우수하지만은 않다는 것을 알 수 있을 것이다.

일반적인 애플리케이션
두 컨버터 토폴로지 간의 미묘한 차이를 보여주기 위하여, 전형적인 POL(POINT-OF-LOAD) 애플리케이션을 선택하였다. 다수의 저비용 컨슈머 애플리케이션은 비조절식 월 어댑터(WALL ADAPTER)나 오프라인 전원장치의 전력을 수용하는 12V 레일(RAIL)을 사용한다. 출력 전압은 일반적으로 1~3.3V이며, 출력 전류는 3A 미만이다. 다양한 출력 전류 및 출력 전압 조건 하에서의 실제 효율 측정을 위하여 표 1의 TI 디바이스를 선택하였다. 각 디바이스가 제공한다고 선전하는 출력 전류 레벨인 정격 출력 전류는 데이터 시트에서 직접 취하였다. (참조문헌 1 및 2 참조).

기본 작동
그림 1은 스텝다운 (벅) 레귤레이터의 전형적인 블록 다이어그램이다. 주요 부품은 하이 사이드(HIGH-SIDE) 전력 MOSFET인 Q1, 전력 인덕터인 L1과 출력 커패시터인 C1이다. 동기식 벅 토폴로지의 경우, 로우사이드(LOW-SIDE) MOSFET (Q2)을 사용한다. 비동기식 벅 토폴로지의 경우에는, 전력 다이오드(D1)를 사용한다. TPS54325와 같은 동기식 컨버터에서는 로우사이드 전력 MOSFET이 디바이스에 집적되어 있다. 동기식 정류기의 주된 장점은 로우 사이드 MOSFET을 가로지르는 전압 강하가 비동기식 컨버터의 전력 다이오드를 가로지르는 전압 강하보다 낮다는 점이다. 전류 레벨에 변화가 없을 경우 전압 강하가 낮다는 점은 전력 소산이 낮으며 효율이 더욱 높다는 것을 의미한다.

전력 다이오드 선정
비동기식 컨버터는 외부 전력 다이오드(D1)로 작동하도록 설계되어 있다. 전력 다이오드를 선정할 때 설계자가 고려해야 할 세 가지 주요 사양은 역방향 전압(REVERSE VOLTAGE), 순방향 전압 강하(FORWARD VOLTAGE DROP) 순방향 전류이다. 첫째, 정격 역방향 전압은 스위치 노드의 최대 전압보다 최소한 2V 높아야 한다. 둘째, 보다 높은 효율을 위해 순방향 전압 강하가 작아야 한다. 셋째, 피크 전류 정격은 최대 출력 전류에 피크간 (PEAK-TO-PEAK) 인덕터 전류의 1/2을 더한 값보다 커야 한다. 듀티 사이클이 낮을 경우 (즉, 낮은 출력 전압에서) D1은 하이사이드 MOSFET 보다 많은 전류를 전달하는 캐치 다이오드(CATCH DIODE)로 작동한다. 네 번째 고려사항은 선정한 다이오드 패키지가 전력 소산을 처리할 수 있어야 한다는 점이다. TPS54331를 위해 선정된 다이오드는 B340A로서 역방향 전압 정격이 40V, 순방향 전압 강하가 0.5V이며, 순방향 전류 정격은 3A이다.

TPS54325는 70M? 로우사이드 MOSFET이 칩에 집적되어 있기 때문에 전력 다이오드가 필요치 않다. 통합 MOSFET은 공간을 절감하지만, 입력에서 접지로의 직접 경로를 초래하는 두 MOSFET의 동시 전도가 일어나지 않도록 하기 위하여 컨트롤 회로가 복잡해질 수 밖에 없다. 교차 전도(CROSS CONDUCTION)는 효율을 저하시키고 심지어 과부하를 발생시켜 시스템에 손상을 가져올 수 있다.

효율 계산
DC/DC 컨버터의 효율을 계산하려면 총 전력 소산을 산출해야 한다. CCM (CONTINUOUS CONDUCTION MODE)에서 DC/DC 컨버터의 전력 소산에 대한 주된 요인은 하이 사이드 및 로우 사이드 스위칭 손실과 IC의
대기 전류손실이다.

식1~3은 CCM에서 동기식 및 비동기식 컨버터 모두에 적용된다. 그러나, 동기식 벅 컨버터의 경우 로우사이드 MOSFET의 손실(식 4)과 비동기식 컨버터의 경우에는 로우사이드 전력 다이오드(Pdi)의 손실(식 5)을 포함시켜야 한다:

식4에서 첫 번째 요소는 로우사이드 MOSFET의 전도 손실을 나타내며, 두 번째 요소는 바디 다이오드의 전도 손실을 나타낸다. 바디 다이오드를 통하여 흐르는 전류는 로우사이드 MOSFET을 통하여 흐르는 전류보다 약 1 자리 수 작으며 2 A에서는 무시해도 좋을 정도의 미량이다.

이들 식으로 인해 드레인-소스 저항, 드레인-소스 순방향 전압, 듀티 사이클, 주파수, 전력 MOSFET 상승 및 하강 시간과 같이 전부하 효율에 영향을 미치는 요인이 다양하다는 사실을 알 수 있다. 인덕터의 AC 및 DC 손실과 출력 커패시턴스의 등가 직렬 저항은, 두 디바이스 모두에 동일한 LC 필터를 사용할 수 있기 때문에 애플리케이션에 있어 유사하다. DC/DC 컨버터의 경우 듀티 사이클은 정해져 있으며 드레인-소스 저항, 순방향 전압 강하와 스위칭 주파수 만을 선택할 수 있다. 일반적으로 MOSFET 상승 및 하강 시간은 데이터 시트에 명시되어 있지 않지만, 빠를수록 전력 소산이 적기 때문에 고려해야 할 중요한 사양이다. 트레이드오프는 너무 빨리 전력 MOSFET에 전원이 공급될 경우에 스위칭 노드에서 발생하는 잡음이 심한 링잉이다. 더 큰 드레인-소스 저항을 가진 더 작은 전력 MOSFET을 수용할 수 있는 저가의 패키지를 선정할 수 있도록 가동 시간을 줄여 열적 성능을 개선할 수 있다.

고부하 에서의 효율 결과
회로의 효율을 비교할 수 있도록, 표 2의 디바이스로 두 가지 회로를 구성하였다. 두 디바이스는 BOM에서 동일한 LC 필터를 사용하였다. 두 디바이스의 고정 스위칭 주파수가 약간 달랐음에도 불구하고 이 논증의 결론을 바꿀 만큼 회로 효율에 영향을 미치진 않았다. 선정한 입력 전압은 12 V였으며 단순히 출력 전압을 변화시켜 효율을 측정하였다.

그림 2는 입력이 12V이며 출력이 1.5V인 두 디바이스의 효율을 보여주고 있다. 그림은 TPS54325가 전부하에서 효율이 더 높다는 것을 명확히 보여준다. 듀티 사이클이 12.5%였기 때문에, TPS54325의 하이사이드 드레인-소스 저항에도 불구하고 순방향 전압 강하가 0.5V인 비동기식 솔루션의 전력 다이오드가 70M? MOSFET 보다 더 많은 에너지를 소산하였다.

그림 3은 입력이 12V이며 출력이 2.5V인 두 디바이스의 효율을 보여주고 있다. TPS54331의 효율이 현저하게 향상되었음이 명백히 보인다. 이 경우 듀티 사이클은 21%였으며 두 전부하 효율은 거의 동일하였다. 비동기식 디바이스의 전력 다이오드의 전도가 주로 적었으며, 온 저항이 낮은 하이사이드 MOSFET의 전도가 주로 많았다. 로우 사이드 전력 다이오드의 소산이 더 높은 듀티 사이클에서 더 낮았을 때 비동기식 솔루션이 한층 더 효율적이었다.

경부하 효율에 대한 고려사항
일부 애플리케이션에서는 전부하 효율보다 경부하 효율에 대한 필요성이 더 높다. 비동기식 벅 컨버터는 경부하에서 DCM(discontinuous conduction mode)으로 전환된다. 비동기식 벅 컨버터에서는 인덕터 전류가 한 방향으로만 흐른다. 동기식 벅 컨버터의 경우 전류는 양 방향으로 흐를 수 있으며 역방향 전류가 흐를 때 전력이 소산된다. 그림 4는 CCM에서 생성된 인덕터 전류 파형과 DCM에서 생성된 인덕터 전류 파형 간의 차이를 보여주고 있다.

TPS54331에는 경부하 효율을 향상시키는 에코 모드TM로 불리는 펄스 스킵 기능이 있다. 이 작동 모드는 전력 MOSFET에 대한 전원 공급 횟수를 줄여, 스위칭 손실을 줄인다. 그림 2, 3에 나와 있는 경부하 효율의 차이는 TPS54331의 에코 모드 기능과 낮은 작동 대기 전류에 따른 것이다. 에코 모드에 대한 보다 자세한 정보는 참조문헌 1을 참조하기 바란다.

비용 공간 고려사항
통합 로우사이드 MOSFET을 갖춘 동기식 컨버터는 크기가 작고, 부품 수가 적으며, 설계가 용이하다는 편익을 제공한다. 하지만 비용 절감이 주된 목적이라면 외부 전력 다이오드를 갖춘 비동기식 컨버터가 동기식 벅 컨버터에 비해 더 저렴할 수 있다.

결론
동기식 벅 컨버터는 최근에 매우 인기있으며 다양하게 이용가능하다. 그러나, 동기식 벅 컨버터가 항상 더 효율적인 것만은 아니다. 비동기식 벅 컨버터는 높은 듀티 사이클과 경부하에서 적절한 효율을 가지고 있을 수 있다. 데이터 시트 사양, 특히 드레인-소스 저항과 대기 전류에 유의하면, 설계자는 특정 설계의 목표에 기반하여 최적의 선택을 할 수 있다.

참고문헌
1. “4.5-V to 18-V, 3-A Output Synchronous Step Down Switcher with Integrated FET
(SWIFT™),” TPS54325 Data Sheet . . . . . . . . . slvs932a
2. “3A, 28V Input, Step Down SWIFT™ DC/DC Converter with Eco-mode™,” TPS54331
Data Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . slvs839b

관련 웹 사이트
POWER.TI.COM
WWW.TI.COM/SC/DEVICE/TPS54325
WWW.TI.COM/SC/DEVICE/TPS54331

표1. 디바이스 비교

표2. 디바이스 기본 특성



그림 1. 동기식 및 비동기식 벅 회로


그림 2. 입력이 12V이며 출력이 1.5V인 디바이스의 효율


그림 3. 입력이 12V이며 출력이 2.5V인 디바이스의 효율


그림 4. CCM 및 DCM에서의 인덕터 전류 파형


- 전자과학 2월