리니어 테크놀로지, 65V, 2A 동기식 스텝다운 레귤레이터

2014년 07월호 지면기사  /  글│윤 범 진 기자 <bjyun@autoelectronics.co.kr>

자동차 배터리 버스의 전압은 각기 다른 과도전압 시나리오가 발생하는 것에 따라 3 V에서부터 65 V까지 변동적일 수 있다. 이와 같은 조건이 발생하더라도 스텝다운 스위치는 출력 전압을 정확하게 조정할 수 있어야 한다.

자동차 전기/전자 시스템의 구성부품 수가 빠르게 증가함에 따라, 이용 가능한 공간이 줄어들고 있으며 각각의 시스템 밀도가 빠르게 높아지고 있다. 이러한 모든 시스템은 전력 변환 IC를 필요로 하며 각각의 서브시스템에 다중의 전압 레일을 포함한다. 기존에는 효율과 풋프린트가 크게 중요하지 않았기에 선형 레귤레이터가 이러한 전력 변환 요구의 대부분을 커버했다. 그러나 전력 밀도가 수십 배로 높아지고 많은 애플리케이션이 비교적 높은 온도에서 동작해야 하며 에너지 효율이 강조됨에 따라 전력관리 IC에 대한 요건이 까다로워지고 있다.

전원장치는 자동차 전력 버스 상의 어느 위치에서 동작하느냐에 따라 스톱-스타트, 콜드 크랭크, 로드 덤프 조건을 경험할 수 있다. 이와 같은 조건이 발생하더라도 전원장치는 출력 전압을 정확하게 조정할 수 있어야 한다. 요즘 강조되고 있는 에너지 효율의 관점에서는 열로 낭비되는 전력을 최소화하기 위해 전력 변환 효율이 높은 스텝다운 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터를 대체하고 있다.


오늘날 자동차 설계는 스위칭 레귤레이터에 대해서 넓은 전원전압 변동에도 불구하고 매우 높은 효율, 매우 낮은 정지 전류, 고속 스위칭 주파수를 요구한다. 또한 매우 콤팩트한 풋프린트와 비용적으로 경제성이 뛰어날 것을 요구한다.

고효율은 열 설계와 관련된 고려사항을 최소화하고 하이브리드 및 전기차에서 배터리 항속 주행거리를 극대화하기 때문에 매우 중요하게 다뤄지고 있다. always-on과 관련된 보안, 내비게이션, 안전 및 환경 제어 등의 애플리케이션을 위해 최소 대기전류는 결정적으로 중요하지만 자동차가 오랫동안 주차돼 있는 경우 배터리를 많이 소모하면 안 된다.

최근까지만 해도 높은 입력 전압 특성과 낮은 정지 전류는 DC/DC 컨버터로 달성하기에 상충되는 파라미터들이었다. 이러한 요구들을 충족시키기 위해 많은 자동차 제조사들은 각각의 always-on DC/DC 컨버터에 대해서 10 μA 미만의 낮은 정지 전류 목표를 설정하고 있다. 최근까지만 해도 시스템 제조업체들은 자동차 엔진이 작동하지 않을 때 배터리로부터의 전류 인출을 낮추기 위해 낮은 정지 전류 LDO와 스텝다운 컨버터를 병렬로 연결하고, 이 둘 사이를 스위칭 하도록 주문을 받았다. 하지만 이 방법은 높은 비용과 큰 부피를 수반하며 비교적 비효율적이다.

넓은 입력 전압 범위 제공

자동차 배터리는 기본적으로 시동을 걸어주고 정차 중 전기장치에 필요한 전류를 공급하는 역할을 한다. 자동차 배터리 전압은 일반적으로 14 V이지만 콜드 크랭크 시 6 V 이하로 떨어지게 된다.

리니어 테크놀로지 코리아의 노일 이사는 “유럽의 일부 자동차 메이커들은 콜드 크랭크 시 심한 경우 3 V까지 떨어질 수 있다고 언급하고 있다. 반대로 로드 덤프 시나리오일 경우에는 최대 65 V에 이르는 과도전압 스파이크가 발생할 수 있다”고 말했다.


로드 덤프는 발전기가 배터리를 충전하고 있는 상태에서 배터리 케이블이 차단되었을 때 발생한다. 자동차가 동작하고 있는 동안에 배터리 케이블이 느슨해지거나 자동차가 주행 중에 배터리 케이블이 끊어졌을 때 이러한 조건이 발생할 수 있다.

대부분의 자동차 제조사들은 자체적으로 로드 덤프 상황이 발생했을 때 피크 전압(28, 33, 35 V)을 정의하고 있다. 노일 이사는 “트럭이나 지게차의 경우엔 12 V 배터리 2개를 직렬 연결해 24 V를 사용하므로, 트럭에서 로드 덤프 상황이 발생할 경우 피크 전압은 일반 자동차의 두 배가 된다”고 설명했다.

리니어 테크놀로지가 최근 LT8610(입력 전압 범위: 3.4 V~42 V) 후속 제품으로 발표한 동기식 스텝다운 스위칭 레귤레이터 LT8620은 스위칭 레귤레이터의 필수적인 전기 성능 기준을 충족한다. 최대 2A 일 때 0.97 V의 낮은 전압으로 설정할 수 있으며 3.4 V~65 V의 입력 전압 범위를 제공한다. 이러한 전압 범위는 단일 또는 이중 배터리를 사용하는 자동차 애플리케이션에 이상적이다.


LT8620의 동기식 정류는 95%로 높은 효율을 제공하면서 버스트 모드(Burst Mode) 동작은 무부하 대기조건 시 2.5 μA 미만을 유지한다. LT8620의 버스트 모드 동작은 배터리 동작 수명을 극대화해야 하는 always-on 시스템과 같은 애플리케이션에 이상적이다. LT8620의 독자적인 설계는 모든 조건에서 1 A 일 때 250 mV에 불과한 최소 드롭아웃 전압을 유지해, 자동차 콜드 크랭크 시나리오나 소프트 스타트 시나리오를 견뎌야 하는 애플리케이션에 적합하다.

30 ns의 최소 온-타임은 16 V 입력에서 1.5 V 출력 시 2 MHz 정주파수 스위칭을 가능하게 하므로, 이를 통해 설계자는 효율을 최적화하면서 잡음에 민감한 중요한 주파수 대역을 피할 수 있게 한다. 2 MHz 이상의 주파수 동작은 AM 라디오 같은 중요한 주파수 대역에서 잡음을 피하며 외부 부품의 크기 및 비용을 최소화시킨다.

LT8620의 24핀 3×5(mm) QFN 또는 열 성능이 강화된 MSOP-16E 패키지 및 높은 스위칭 주파수는 외부 인덕터와 커패시터를 작게 하여 콤팩트하고 열효율이 우수한 풋프린트를 제공한다.

LT8620은 필수적인 부스트 다이오드, 오실레이터, 제어 및 로직 회로가 단일 다이에 집적돼 있으면서 상단 및 하단 고효율 전력 스위치(MOSFET)를 내장하고 있다. 낮은 리플 버스트 모드 동작은 저전류 출력에서 고효율을 유지하면서 출력 리플을 10 mVPK-PK 아래로 유지시킨다. LT8620의 전류 모드 토폴로지는 고속 과도응답과 우수한 루프 안정성을 실현할 수 있다. 다른 특징으로는 내부 보정, power good 플래그, 출력 소프트-스타트/트랙킹 및 열 보호 기능을 포함한다. 

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