트럭, 자동차 및 중장비는 모든 종류의 전력변환 장치에 매우 까다로운 환경이다. 넓은 동작 전압 범위와 결합된 큰 과도 응답, 넓은 온도 이탈은 신뢰성 높은 전자 시스템 설계를 어렵게 만든다. 일부 애플리케이션은 전력변환 장치를 후드 내부에 설치하도록 요구하고 있어 설계 고려사항을 더욱 복잡하게 한다. 동시에 전자부품의 수가 증가함에 따라 공간 요구사항도 점점 축소되고 있으며, 그로 인한 공간 제한으로 효율성 높은 변환이 필수적으로 요구되고 있다. 리니어 테크놀로지의 LTC3892는 60 V 입력 지원 스텝다운 스위칭 레귤레이터 컨트롤러 제품군의 최신 제품으로, 자동차 및 트럭 애플리케이션에서 요구하는 많은 주요 문제를 해결한다.

트럭, 자동차 및 중장비는 모든 종류의 전력변환 장치에 매우 까다로운 환경이다. 넓은 동작 전압 범위와 결합된 큰 과도 응답, 넓은 온도 이탈은 신뢰성 높은 전자 시스템 설계를 어렵게 만든다. 일부 애플리케이션은 전력변환 장치를 후드 내부에 설치하도록 요구하고 있어 설계 고려사항을 더욱 복잡하게 한다. 동시에 전자부품의 수가 증가함에 따라 공간 요구사항도 점점 축소되고 있으며, 그로 인한 공간 제한으로 효율성 높은 변환이 필수적으로 요구되고 있다.

때문에 신뢰할 수 있는 트럭 스위칭 DC/DC 레귤레이터는 넓은 입력 전압 범위에서 동작해야 할 필요가 있다. 60 V 입력 정격은 통상 36~40 V 범위에서 클램핑되는 공칭 12 V 시스템에 충분한 마진을 제공한다. 보통 트럭과 중장비 환경에 사용되는 더블 배터리 애플리케이션은 공칭 24 V 배터리 전압으로 인해 이보다 높은 동작 전압을 요구한다. 이러한 애플리케이션은 대부분 58 V로 클램핑돼 통상 60 V 정격은 충분하다. 그러나 언클램프 상태가 되면 훨씬 높은 과도 전압을 발생시킬 수 있는, 스타터 모터로부터 유도되는 킥백 전압에 의한 최대 과도 전압을 유지하려면 온보드 자동차 및 트럭 과전압 클램프가 필요하다.

리모트 키리스 엔트리(RKE), GPS, 보안 시스템과 같은 일부 전자 시스템은 차량의 모터가 가동하지 않을 때에도 지속적인 전력을 필요로 한다. 이러한 유형의 상시 동작(always-on) 시스템은 슬립 모드에서 배터리 지속 시간을 극대화하기 위해 낮은 무부하 전류를 갖는 DC/DC 컨버터를 반드시 갖춰야 한다. 이러한 환경에서 레귤레이터는 출력 전류가 사전 설정된 약 30~50 mA의 임계값 미만으로 내려갈 때까지 정상적인 연속 스위칭 모드로 동작한다. 이 레벨 미만으로 떨어지면 스위칭 레귤레이터는 전류 소모를 수십 마이크로암페어로 낮추기 위해 더 낮은 무부하 전류동작으로 들어가고, 이렇게 함으로써 배터리에서 소모되는 전력을 더욱 낮춰 배터리 지속 시간을 연장시킨다.

전력 공급 부족 시 높은 스텝다운 비를 갖고 60 V 입력이 가능한 DC/DC 컨버터를 통해 설계자는 최대 60 V까지 동작할 수 있도록 트랜스포머 기반 토폴로지나 외부 하이 사이드 드라이버를 이용해야 한다.



또는 중간 버스 컨버터를 사용할 수 있는데, 이는 추가적인 전력 단을 필요로 한다. 이 두 가지 방법 모두 설계 복잡성을 증가시키고 대부분 전체 효율을 저하시킨다. 그러나 리니어 테크놀로지의 LTC3892는 60 V 입력 지원 스텝다운 스위칭 레귤레이터 컨트롤러 제품군의 최신 제품으로, 앞에서 언급한 자동차 및 트럭 애플리케이션에서 요구하는 많은 주요 문제들을 해결한다. 그림 1은 4.5~60 V 입력을 3.5 V/5 A 및 8.5 V/3 A 출력으로 변환하는 애플리케이션에서 동작하는 LTC3892를 보여준다.

LTC3892/-1은 고전압 듀얼 출력 동기 스텝다운 DC/DC 컨트롤러이다. 1개 출력이 동작할 때 단 29 μA만 소비하며 두 출력이 모두 인에이블되고 레귤레이션 상태일때 34 μA를 소비한다. 4.5~60 V 입력전원 범위는 높은 과도 전압으로부터 보호하도록 설계돼 자동차 콜드 크랭크, 로드 덤프 발생시 지속적인 동작을 보장하고 광범위한 입력 소스와 다양한 종류의 배터리 입력을 받아들일 수 있다. 각 출력은 96%의 높은 효율로 20 A 이상의 출력 전류에서 0.8 V에서부터 VIN의 99%까지 설정할 수 있어 12 V 또는 24 V 자동차, 트럭 및 중장비 애플리케이션에 적합하다.

LTC3892/-1은 50~900 kHz 사이에서 선택 가능한 고정 주파수로 동작하며, 75~850 kHz의 외부 클록에 동기화할 수 있다. 사용자는 낮은 부하에서 연속 동작, 펄스 스키핑 및 낮은 리플 버스트 모드 동작을 선택할 수 있다. LTC3892/-1의 2상 동작은 입력 필터링과 커패시턴스 요구사항을 낮춘다. 디바이스의 전류 모드 아키텍처는 간편한 루프 보상, 빠른 과도 응답, 고정 주파수동작, 뛰어난 라인 레귤레이션뿐 아니라 병렬 연결된 위상과 손쉽게 전류 공유가 가능해 더 높은 전류를 제공할 수 있다. 출력 전류 감지는 최고 효율을 원하는 경우 출력 인덕터(DCR)의 전압 강하를 측정하거나, 높은 정확도를 원하는 경우 옵션인 감지 저항을 사용해 수행할 수 있다.

LTC3892는 전체 기능이 포함된 버전으로, LTC3892-1과 달리 2개의 PG(power good) 신호, 가변 전류 제한 및 3.3 V 또는 5 V 고정 출력 전압 옵션을 제공한다.

LTC3892는 5×5 mm QFN-32 패키지로 제공된다. LTC3892-1은 TSSOP-28 패키지로 제공되며 -40~25°C에서 동작하는 넓은 온도 범위 및 산업 등급(Industrial Grade), -40~150°C의 높은 자동차 온도 범위(High Temp Grade), 그리고 -55~150°C의 동작을 보장하는 군용 등급(Military Grade) 등 4가지 온도 등급이 지원된다.

버스트 모드 동작

LTC3892/-1은 낮은 부하 전류에서 고효율 버스트 모드 동작, 정주파수 펄스 스키핑 또는 강제 연속 스위칭 모드에 들어가도록 할 수 있다. 버스트 모드 동작으로 구성되고 낮은 부하 조건에 있는 동안 컨버터는 수 펄스를 버스트 아웃해 출력 커패시터의 충전 전압을 유지한다. 그런 다음 컨버터를 턴오프 하고 대부분의 내부 회로가 셧다운 상태가 되는 슬립 모드로 들어간다.



출력 커패시터는 부하 전류를 공급하며, 출력 커패시터의 전압이 프로그래밍된 레벨로 떨어지면 컨버터가 다시 더 많은 전류를 공급하기 시작하면서 충전 전압을 보충한다. 대부분의 내부 회로를 셧다운 및 턴오프하는 동작은 무부하 전류를 크게 감소시켜, 상시 동작 시스템에서, 시스템이 가동하지 않을 때 배터리 지속 시간을 연장하는 데 도움을 준다. 그림 2는 이러한 작동을 보여주는 개념적인 타이밍 다이어그램이다.

버스트 모드 출력 리플은 부하의 영향을 받지 않으므로, 슬립 간격의 길이만 변한다. 슬립 모드에서 신속하게 반응하는 데 필요한 주요 회로만 제외하고 대부분의 내부회로는 턴오프되므로 무부하 전류를 더욱 낮춰준다. 출력 전압이 떨어져 충분히 낮을 경우 슬립 신호가 로우로 구동돼 컨트롤러가 상단 외부 MOSFET을 턴온해 정상 버스트 모드 동작을 재개한다. 또는 사용자가 낮은 부하 전류에서 강제 연속 또는 정주파수 펄스 스키핑 모드로 동작하기를 원할 수 있다. 두 모드 모두 간편하게 구성할 수 있지만, 더 높은 무부하 전류와 낮은 피크-투-피크 출력 리플을 갖는다.

뿐만 아니라 강제 연속 동작 시 또는 외부 클록 소스에 클로킹하는 경우 인덕터 전류가 낮은 부하나 큰 과도 상태에서 반대가 될 수 있다. 연속 동작은 보다 낮은 출력 전압 리플을 갖는 장점이 있지만 무부하 전류가 더 높아진다.

주요 특징

각 채널은 과전압 비교기를 내장하고 있어 과도 오버슛 뿐 아니라 출력에 과전압을 초래할 수 있는 보다 심각한 기타 상태로 부터 보호한다. VFB1, 2 핀이 레귤레이션 포인트 0.800 V보다 10% 이상 높게 상승하면 상단 MOSFET이 턴오프되고 과전압 상태가 제거될 때까지 하단 MOSFET이 턴온된다. 빠르고 정확한 과전류 제한 보호는 고전압 전원장치에 반드시 필요하다. 출력 전압이 공칭 레벨의 70% 미만으로 떨어지면 폴드백 전류 제한이 활성화돼 과전류 또는 단락 회로 상태의 심각한 정도와 비례해 피크전류 제한을 점차적으로 낮춘다.

MOSFET 드라이버 및 효율

LTC3892/-1은 천이 시간과 스위칭 손실을 최소화하는 강력한 1.1 Ω 온보드 N-채널 MOSFET 게이트 드라이버를 포함하고 있다. 게이트 드라이브 전압은 5~10 V 사이에서 프로그래밍할 수 있으므로 효율을 극대화하기 위해 로직 또는 표준 레벨 N-채널 MOSFET을 사용할 수 있다. 높은 드라이브 전류를 이용할 수 있기 때문에 고전류 애플리케이션을 위해 여러 개의 MOSFET을 병렬로 구동할 수 있다.



그림 3의 LTC3892 효율 곡선은 12 V 입력 전압을 갖는 그림 1 회로도를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 8.5 V 출력은 최대 98%까지 매우 높은 효율을 생성한다. 3.3 V는 또한 90% 이상의 효율을 갖는다. 이 밖에 이 설계는 1 mA 부하를 갖는 각 출력에 대해 여전히 75% 이상 효율을 제공한다. 이는 버스트 모드 동작으로 인한 것이다.

빠른 과도응답

LTC3892는 전압 피드백을 위해 고속 25 MHz 대역폭 동작을 사용한다. 증폭기의 높은 대역폭, 높은 스위칭 주파수 및 낮은 값의 인덕터는 매우 높은 이득 크로스오버 주파수를 허용한다. 이는 매우 빠른 부하 과도 응답을 위해 보상 네트워크를 최적화할 수 있게 한다. 그림 4는 공칭으로부터 100mV 미만 편차를 갖는 3.3 V 출력에서 4 A 스텝 부하의 과도 응답을 보여준다.

LTC3892/-1은 까다로운 고전압 과도 환경에서 안전하고 효율적인 동작이 요구되는 곳에 새로운 차원의 성능을 제공한다. 강력한 가변 게이트 드라이브 전압은 로직 또는 표준 레벨 MOSFET을 구동할 수 있는 유연성을 제공한다. 디바이스의 낮은 무부하 전류는 슬립 모드에서 배터리 에너지를 보존해 배터리 지속 시간을 증가시킨다.

이는 상시 동작 버스 시스템에 매우 유용한 특성이다. 60 V 최대 입력 전압, 빠른 과도 응답, 높은 온도 등급 등의 특성을 갖춘 LTC3892/-1은 트럭, 중장비, 자동차 애플리케이션에 탁월한 선택이다. 따라서 시스템 설계자는 이제 DC/DC 변환 요구에 최적의 선택을 할 수 있게 됐다.

AEM_Automotive Electronics Magazine