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결코 사소하지 않은 문제: 전압 레귤레이터의 크기를 줄이는 방법

나의 아내는 꽃을 사랑한다. 이렇게 작고 소박한 선물이 어떻게 그녀를 그렇게 환하게 미소 짓게 만들 수 있는지 놀라울 정도이다. 꽃은 우리의 가정을 환하게 밝히고 우리의 영혼까지도 밝게 빛나게 한다.

전압 레귤레이터의 크기를 줄이는 것도 이처럼 쉬운 일이라면 얼마나 좋을까? 제한적인 공간에서 가능할까 싶을 만큼 수많은 부품들을 어떻게든 집적해야만 하는 경우가 수시로 발생된다. 갈수록 공간은 더 제한적이고 더 많은 기능들이 요구되고 있다. 무어의 법칙(Moore’s law)에 따른 고집적도에 따라 일부 디바이스들은 효과적으로 크기를 줄일 수 있게 되었지만, 직류(DC/DC) 컨버터의 크기는 큰 효과를 못 보고 있다. 이 경우, 전원 컨버터는 어려움 없이 전체 시스템 크기의 30~50% 비중을 차지한다. 그렇다면 이러한 공간 제한적인 문제를 어떻게 극복할 수 있을까?

한 가지 확실한 방법은 동작 주파수를 높이는 것이다. 대부분의 POL(point-of-load) 전압 레귤레이터는 벅(스텝다운) 토폴로지를 사용한 스위칭 컨버터이므로, 스위칭 주파수를 높이면 레귤레이터의 설계 사양에 따라 요구되는 인덕턴스 및 커패시턴스를 줄일 수 있다. 인덕터와 커패시터는 [그림 1] (a)에서 확인하듯이 DC/DC 컨버터에서 대부분의 공간을 차지하므로, 이 방법이 상당히 효과적일 수 있다. 하지만 그리 간단하지만은 않다. 무엇이 문제인가?

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(a)                                  (b)
[그림 1] 500kHz로 동작하는 12VIN 10AOUT 벅 컨버터(a)와
위상당 2MHz로 동작하는 직렬 커패시터 벅 컨버터(b)의 크기 비교

무턱대고 주파수를 높였다가는 전력 손실이 증가할 수 있다. 스위칭 동작이 일어날 때마다 에너지가 손실되기 때문이다. 결과적으로 주파수에 따라 스위칭 손실이 비례하게 증가하게 된다. 그러면 변환 효율이 저하되고 열 발생이 중대한 문제가 될 수 있다. 그러므로 오늘날 대부분의 컨버터에서는 주파수가 수백 킬로헤르츠대로 제한적이다. 1MHz 이상으로 동작하는 기기들은 일반적으로 저전압(5V 이하) 및 저전류(1A 미만)이다.

이제는 벅 토폴로지에서 탈피하여 따져봐야 할 때가 되었다. 벅 컨버터는 지난 수십 년에 걸쳐서 산업의 동력으로 사용되어 왔다. 하지만 근본적인 한계점들을 가지고 있어 TI는 고전압 변환율 POL(point-of-load) 애플리케이션을 위해 최적화된 새로운 DC/DC 컨버터 토폴로지를 선보이게 되었다. 이 직렬 커패시터 벅 컨버터는 효율을 그대로 유지하면서 메가헤르츠대 동작이 가능하다. [그림 1] (b)에서 총 솔루션 크기가 얼마나 작아졌는지를 확인할 수 있다. [그림 1] (a)의 벅 컨버터와 동일한 입력 및 출력 조건으로 TPS54A20 기반의 직렬 커패시터 벅 컨버터 크기는 8배 더 작다. (전체 크기 1,270mm3 vs 157mm3)

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(a)                              (b)
[그림 2] 500kHz로 동작하는 12VIN 10AOUT 벅 컨버터(a)와
위상당 2MHz로 동작하는 직렬 커패시터 벅 컨버터(b)의 높이 비교

전압 레귤레이터의 크기를 줄임으로써 새로운 가능성이 열린다. [그림 2]에서의 높이 비교를 살펴 보자. [그림 2] (a)의 기존의 벅 컨버터는 높이가 4.8mm이다. 이것은 많은 시스템들이 후면 탑재가 가능하기 위해서 제한하는 높이보다 훨씬 더 높은 것이다. 이와 비교해서 직렬 커패시터 벅 컨버터는 높이가 낮기때문에(1.2mm) 전압 레귤레이터를 회로 보드 후면에 탑재할 수 있어 소중한 상단면 공간을 절약할 수 있게 된다. 지금까지는 전체적인 10A 컨버터를 보드 후면에 탑재한다는 것이 현실적으로 불가능했다. 수동 부품들이 너무 컸기 때문이다. TPS54A20을 사용함으로써 이젠 보드 후면에 컨버터를 탑재할 수 있게 된 것이다.

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