트럭, 자동차, 중장비는 어떤 타입의 전원 변환 디바이스에나 매우 까다로운 환경이다. 넓은 전압 범위로 동작하는데다가 높은 트랜션트와 큰 폭의 온도 변화를 견뎌야 해 신뢰할 수 있으며 견고한 전자 시스템 디자인을 달성하기가 까다롭다. 어떤 애플리케이션은 전원 변환 디바이스를 후드 내부에 설치해야 함으로써 150℃로 동작할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 사용되는 전자 부품 수는 늘어나고 공간은 줄어듦에 따라서 고효율을 달성하고 높은 입력 서지 전압을 견딜 수 있게 하는 것이 갈수록 더 중요해지고 있다.

부하 덤프가 되었든, 콜드 크랭크가 되었든, 후드 안의 높은 온도가 되었든, 자동차용 전원장치는 이러한 모든 조건에서도 신뢰하게 동작할 수 있어야 한다. “정상 상태(steady state)” 조건이라면, 12 V 배터리 시스템은 9~18 V로 변화하고, 24 V 시스템은 21~36 V로 변화할 것이다. 그런데 부하 덤프 트랜션트 시에는 수백 밀리 초 동안 120V가 넘는 전압이 발생될 수 있다.

부하 덤프는, 교류기가 자동차 배터리를 충전하고 있을 때 전기적 개방 회로로 인해서 순간적으로 배터리가 교류기로부터 차단될 때 발생된다. 이 문제는 자동차에서 매우 흔하게 발생되는 것이다. 그러면 전압 레귤레이터가 이에 대처할 수 있게 될 때까지 최대의 교류기 충전 전류가 자동차 전원 버스로 직접 인가됨으로써 전압이 위험한 수준으로까지 높아질 수 있다.

이러한 트랜션트는 물리적 접속 끊김 때문일 수도 있고, 배터리 케이블의 접속 불량이나 배터리 단자 부식 때문일 수도 있다.
자동차 디자인의 다른 물리적 요인 또한 문제가 될 수 있다. 특히 엔진의 전원 분배 박스에서 자동차 구석구석으로 전력을 공급하기 위해 사용되는 긴 전원 라인이 문제가 될 수 있다. 오늘날 평균적인 자동차는 약 1마일(1.6킬로미터)의 구리 와이어를 사용한다. 이에 비해서 1948년에는 150피트(45.72미터)만을 사용했다. 긴 와이어의 인덕티브 특성 때문에 부하 덤프 시에 발생되는 것보다 더 높은 트랜션트가 발생될 수 있다.

자동차 미등에 대한 법정 규격은 100 V 이상의 트랜션트를 견딜 수 있어야 한다는 것이다. LED 미등 레귤레이터 같은 IC 기반 장치에서는 이것을 달성하기가 까다로울 수 있다.

또한 어떤 전자 시스템들은 자동차 모터가 작동하지 않을 때라도 계속적인 전력을 필요로 할 수 있다. 예를 들면 키리스 엔트리(keyless entry), GPS, 보안 시스템 같은 것들이다. 이러한 “always-on” 시스템에는 정지전류가 낮은 DC/DC 컨버터를 사용해야 한
다. 그래야 슬립 모드로 배터리 사용 시간을 극대화할 수 있다.  

이러한 시스템에서 레귤레이터는 출력 전류가 30 mA에서 50 mA 사이의 사전에 지정된 임계값 아래로 떨어질 때까지 정상적인 연속적 스위칭 모드로 동작한다. 그러다가 이 레벨 아래로 떨어지면 스위칭 레귤레이터를 더 낮은 정지 전류 동작으로 전환해야 한다. 그래야 전류 소모를 줄이고, 그럼으로써 배터리로부터 소모되는 전력을 줄이고 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다.

또한 기능적으로 중요한 시스템은 이러한 트랜션트가 발생되더라도 중단 없이 매끄럽게 계속해서 작동해야 한다. 지금까지는 대부분 자동차들이 전원 버스의 피크전압 변동을 클램핑하기 위해서 저역통과 LC 필터와 트랜션트 전압 억제 어레이로 이뤄진 수동 보호 네트워크를 사용했다. 하지만 최근에 출시된 고입력 전압 DC/DC 스텝다운 컨트롤러를 사용하면 추가적인 서지억제 디바이스를 사용할 필요 없이 이러한 고전압 서지를 견디면서 계속해서 매끄럽게 동작하고 하위 장치들을 보호할 수 있다.

새로운 IC 솔루션

LTC3895는 비절연형 동기 스텝다운 스위칭 레귤레이터 컨트롤러로서, 모든 N-채널 MOSFET 전원 스테이지를 구동할 수 있다. 4~140 V(150 V abs max) 입력 전압 범위로 동작해 높은 입력 전압 소스나 전압 서지가 높은 입력으로 동작할 수 있어 외부에 서지 억제 디바이스를 필요로 하지 않는다. 또한 LTC3895는 입력 전압이 4 V로 떨어지더라도 최대 100% 듀티 사이클로 계속해서 동작할 수 있어 자동차, 트럭, 중장비 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

출력 전압은 0.8~60 V로 설정할 수 있으며 출력 전류는 최대 20암페어 및 효율은 최고 96%에 이를 수 있다. 또한 이 디바이스는 출력 전압이 레귤레이션을 유지하고 있을 때 슬립 모드로 40 μA만을 소모해 “always-on” 시스템에 사용하기에 적합하다. 또한 내부 차지 펌프는 드롭아웃 상태일 때 100% 듀티 사이클 동작이 가능하게 해 서지 억제 애플리케이션에 사용하기에 유용하며 배터리로 동작할 때도 유용하다.

LTC3895의 강력한 1Ω N-채널 MOSFET게이트 드라이버는 5~10 V로 조절할 수 있어 로직 레벨 또는 표준 레벨 MOSFET을 사용할 수 있어 효율을 극대화할 수 있다. 또한 LTC3895는 높은 입력 전압 애플리케이션에서 높은 온칩 전력 소모를 방지하기 위해 NDRV 핀을 포함함으로써, 선택적인 외부 N-채널 MOSFET 게이트를 구동해서 LDO선형 레귤레이터로 동작하게 해 IC 전력을 공급할 수 있다. 또한 EXTVCC 핀을 사용하면 LTC3895를 스위칭 레귤레이터 출력이나 여타 이용 가능한 소스로 구동할 수 있으므로 전력 소모를 줄이고 효율을 높일 수 있다.

LTC3895는 50~900 kHz의 선택 가능한 정주파수로 동작하며, 75~850 kHz의 외부 클록으로 동기화할 수 있다. 사용자는 경부하 시에 강제 연속 동작, 펄스 스킵핑 동작, 저-리플 Burst Mode 동작을 선택할 수 있다.

또한 전류 모드 아키텍처는 용이한 루프 보정, 빠른 트랜션트 응답, 뛰어난 라인 레귤레이션을 달성한다. 전류 검출을 출력 인덕터 상의 전압 강하(DCR)를 측정해서 하므로 효율을 극대화할 수 있으며, 선택적으로 외부에 검출저항을 사용해 전류를 검출할 수 있다. 80 ns의 낮은 최소 온(on) 시간은 높은 스위칭 주파수로 높은 스텝다운 비율을 가능하게 한다. 전류 폴드백 기능은 과부하 시에 MOSFET 열 발생을 제한한다. 그 밖의 특징으로는 고정 5 V또는 3.3 V 출력 옵션, 부트스트랩 다이오드통합, Power Good 출력 신호, 입력 과전압 록아웃 조절 가능, 소프트 스타트를 포함한다.

LTC3895는 TSSOP-38 열 향상 패키지로 제공되며, 고전압에 필요한 간격을 위해서 다수핀을 제거했다. 또한 두 가지 접합부 온도 등급으로 이용할 수 있다. -40~125℃의 산업용온도 범위와 -40~150℃의 고온 자동차용 온도 범위로 제공된다.



그림 1의 회로는 7~140 V 입력 전압범위로 12 V 출력을 제공한다. 입력 전압이 12 V보다 낮으면 출력 전압이 입력 전압을 따라간다. 상단 MOSFET이 계속해서 온이면서 100% 듀티 사이클로 동작하기 때문이다. 이것은 LTC3895의 온보드 차지 펌프를 사용해서 가능한 것이다.

Burst Mode 동작

LTC3895는 부하 전류가 낮을 때 고효율 Burst Mode 동작이나 정주파수 펄스 스킵핑 동작, 강제 연속 전도 모드로 전환할 수 있다. 경부하 시에 Burst Mode 동작으로 구성하면 이 컨버터가 몇 개의 펄스를 버스트해서 출력 커패시터로 충전 전압을 유지한다. 그런 다음 컨버터를 턴오프하고 슬립 모드가 되어서 대부분 내부 회로들을 셧다운시킨다. 출력 커패시터가 부하 전류를 공급하고, 출력 커패시터 상의 전압이 프로그램된 수준으로 떨어지면 컨버터가 다시 깨어나 전류를 더 공급해서 충전 전압을 보충한다.

이처럼 대부분 내부 회로를 셧다운시킴으로써 정지 전류를 크게 줄일 수 있다. 그러므로 ‘always-on’ 시스템에서 대기 모드 시에 배터리 사용 시간을 연장할 수 있다.

스위칭 서지 스톱퍼

LTC3895는 고전압 서지를 견딜 수 있는 고전압 스텝다운 DC/DC 컨트롤러로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 고효율 스위칭 서지 스톱퍼로도 사용할 수 있다. 예를 들어서 입력 전압이 자동차의 12 V 납축전지로부터 제공될 때는 출력 전압을 12 V로 설정할 수 있다. 이러한 구성일 때 정상 동작은 상단 MOSFET이 계속해서 온이면서 ‘드롭아웃’ 상태에 있다.

그러면 LTC3895가 스타트업 시나 또는 입력 과전압이나 출력 단락 회로 조건에 대한 대응으로서만 스위칭을 한다. 스위칭을 하는 시간이 OVLO 핀에 의해서 프로그램된 시간을 넘으면 LTC3895가 셧다운을 해서 과열이 발생되지 않도록 한다. 스위칭하는 시간을 수 밀리 초에서부터 수 초까지로 프로그램할 수 있다.

MOSFET 드라이버 및 효율

LTC3895는 강력한 1.1Ω 온보드 N-채널 MOSFET 게이트 드라이버를 통합함으로써 전이 시간과 스위칭 손실을 최소화한다.
게이트 구동 전압을 5 V에서 10 V 사이로 프로그램할 수 있어 로직 레벨 또는 표준 레벨 N-채널 MOSFET을 사용할 수 있어 효율을 극대화할 수 있다. 또한 높은 구동 전류를 사용할 수 있어 다중의 MOSFET을 병렬로 구동함으로써 더 높은 전류를 제공할 수 있다.



그림 2의 LTC3895 효율 곡선은 그림 1의 회로에 대한 것이다. 24 V 또는 48V 입력 전압을 사용할 때이다. 그림에서 보듯이 8.5 V 출력으로 최대 98%에 이르는 매우 높은 효율을 달성한다. 3.3 V 역시도 90% 이상의 효율을 달성한다. 또한 이 디자인은 Burst Mode 동작을 사용함으로써 어느 출력으로든 1 mA 부하에서 75% 이상의 효율을 달성한다.

빠른 트랜션트 응답

LTC3895는 출력 전압 피드백에 빠른 25 MHz 대역폭 연산 증폭기를 사용한다. 이 증폭기의 높은 대역폭과 높은 스위칭 주파수 및 낮은 값의 인덕터를 결합함으로써 매우 높은 이득 크로스오버 주파수를 가능하게 한다. 그러므로 보정 네트워크를 최적화하고 아주 빠른 부하 트랜션트 응답을 달성할 수 있다. 그림 3은 12 V 출력으로 2 A 스텝 부하에 대한 트랜션트 응답을 보여준다. 공칭 전압으로부터 100 mV 미만의 이탈과 200 μs의 복구 시간이라는 것을 알 수 있다.

?

LTC3895는 자동차 DC/DC 컨버터에서 흔히 발생되는 것과 같은 까다로운 고전압 트랜션트 환경에서도 안전하고 효율적으로 동작할 수 있도록 한 차원 향상된 성능을 제공한다. 조절 가능한 강력한 게이트 구동 전압은 로직 레벨 또는 표준 레벨 MOSFET을 구동할 수 있는 유연성을 제공한다. 낮은 정지 전류는 슬립 모드 시에 배터리 에너지를 절약하므로 배터리 사용 시간을 연장한다.

이 점은 특히 ‘always-on’ 시스템에서 유용하다. 또한 LTC3895는 150 V 최대 입력 전압 정격, 빠른 트랜션트 응답, 높은 온도 범위를 특징으로 하므로 고전압 트랜션트가 흔하게 발생될 수 있는 트럭, 중장비, 열차, 자동차 애플리케이션에 사용할 수 있는 뛰어난 솔루션을 제공한다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine