로옴, 마일드 하이브리드 위한 새 전원 구성 제안

혁신적인 원칩 강압 스위칭 레귤레이터 개발

글│ROHM
2017년 01월호 지면기사

마일드 하이브리드 시스템의 전개, 차량의 다기능화에 따른 전자회로에서의 에너지 소비 저감을 위한 ECU 구동 전압 저감.

이에 따라 배터리에서 ECU 사이에 위치해 전압을 변환하는 전원 IC에 ‘48 V에서 저출력 전압’ 동작이 필요해졌다. 또 라디오 대역으로의 노이즈 영향 방지, 주변 부품 소형화를 위해 2 MHz 이상의 고주파 동작이 요구되고 있다. 로옴은 이러한 ‘높은 입력전압, 낮은 출력전압, 고주파 동작’을 실현한 강압 스위칭 레귤레이터를 소개하고 있다.

 

 

 

 

최근 에너지 절약에 대한 의식이 높아짐에 따라 모든 분야에서 전력변환 손실을 저감하기 위한 대책이 추진되고 있다. 자동차 분야에서도 마찬가지로 가솔린 자동차에서 리튬이온 배터리로 구동하는 하이브리드 카(HEV)와 전기차(EV)로의 이행이 시작됐다. 그 중에서도 기존의 12 V 전원 시스템에 비해 연비 개선 효율이 높고, 안전성이 고려된 48 V 전원 시스템을 탑재한 마일드 하이브리드 시스템이 주목을 받고 있다.

한편 자동차의 다기능화에 따라 전자회로에서는 에너지 소비 저감을 목적으로 ECU(Electronic Control Unit)를 구동하는 전압을 낮추고 있다. 따라서 배터리에서 ECU 사이에 위치해 전압을 변환하는 전원 IC에는 ‘48 V에서 저출력 전압’ 동작이 필요하다. 또한, 라디오 대역으로의 노이즈 영향 방지, 주변 부품 소형화를 위해, 2 MHz 이상의 고주파 동작도 필요하다.

로옴은 이러한 ‘높은 입력전압, 낮은 출력전압, 고주파 동작’을 실현한 강압 스위칭 레귤레이터 BD51180TL를 소개한다. BD51180TL의 특징으로는 ▶최소 펄스 ON 시간 20 ns ▶절대 최대 정격 80 V ▶전류 모드 제어 ▶방열성이 높은 VQFN 패키지 ▶2 MHz 동작 시, 48 V 입력에서 3.3 V 출력 가능 등 5가지를 들 수 있다.

최소 펄스 ON 시간 20 ns라는 단시간으로 제어하는 로옴의 독자적인 기술을 개발함으로써 강압비를 대폭 향상시켜, 세컨더리 전원 IC가 필요 없다. 이에 따라, 각종 애플리케이션의 고효율화 및 소형화, 설계 부하 경감에 크게 기여할 수 있다.

 


마일드 하이브리드 시스템

HEV를 실현하는 하나의 방식으로는 마일드 하이브리드가 있다. 이 시스템의 큰 특징은 기존의 12 V 전원 시스템에 비해 CO₂ 삭감 효과가 크고, 스트롱 HEV 시스템 대비 낮은 비용으로 실현 가능하다는 것이다. 정지, 출발 등 엔진 구동에 소형 배터리와 모터로 출력을 보조한다. 이 시스템은 특히 유럽에서 적극 추진되고 있다. 그 배경은 엄격한 CO₂ 규제다. 유럽은 2020년에 CO₂ 배출량을 95 g/km로 제한할 필요가 있으며, 이는 미국에 비해 약 30% CO₂를 삭감해야 하는 수준이다(그림 1). 따라서 자동차의 연비개선이 시급한 문제로 떠올라, 유럽의 자동차 메이커를 중심으로 상용화가 가속화되고 있다. 그 결과 2020년에는 생산대수가 약 200만 대까지 증가할 것으로 예상되고 있다.




마일드 하이브리드 위한 새 전원 구성

마일드 하이브리드 시스템과 스트롱 HEV 시스템의 커다란 차이점은 모터와 모터를 구동하는 리튬이온 배터리의 크기다. 마일드 하이브리드는 스트롱 HEV 시스템에 비해 모터와 배터리를 소형화하고, 기능을 삭감함으로써 연비개선을 도모하는 시스템이다. 따라서 모터를 구동하는 배터리 전압은 스트롱 HEV 시스템의 약 1/5 정도인 48 V 정도다. 그 결과, 스트롱 HEV 시스템에서 필요한 전압 변환기가 필요 없게 돼 배터리에서 직접 ECU로 전력을 공급할 수 있는 메릿이 있다. 그러나 ECU의 구동 전압 저하에 따라 그 중간에 위치하는 전원 IC에는 매우 높은 강압비의 스위칭 레귤레이터가 요구된다(그림 2).



따라서, 기존의 해결 방법으로는 ▶전원 IC를 2칩으로 구성해, 다단계적으로 전압을 강하 ▶동작 주파수를 수백 kHz 정도로 설정하는 2가지 방법이 일반적이다.

그러나 첫 번째 방법의 경우에는 IC와 주변 부품이 2배가 돼 실장 면적이 커진다. 반면 두 번째 방법의 경우엔 동작 주파수가 느려, 코일 등의 주변 부품이 커지고, AM 라디오 주파수에 영향을 미친다는 문제가 있다.

로옴은 AM 라디오 주파수를 넘는 2 MHz의 고주파 동작 시, 48 V 입력에서 3.3 V 출력을 한 개 칩으로 강압할 수 있는 스위칭 레귤레이터의 기술을 개발했다. 그 결과, 주변 부품을 포함해 기존 대비 50% 이상 실장 면적 삭감이 가능해졌다(그림 3).




새 구성 실현하는 요소기술

강압 스위칭 레귤레이터는 구형파를 코일, 콘덴서로 평활화해 출력 전압을 생성한다. 그 구형파의 폭(이하, SW 펄스 폭)은 입력전압, 출력전압, 주파수의 함수로서, VIN·ton·f = Vout(VIN: 입력전압, Vout: 출력전압, f: 동작 주파수, ton: SW 펄스 폭)의 관계식으로 나타낼 수 있다. 따라서, 입력전압이 높고 출력전압이 낮으며, 주파수가 높은 경우에는 SW 펄스 폭을 좁게 하는 기술이 필요하다.

또, 외장 부품 삭감, 설계 용이화의 면에서 제어방식으로서 전류 모드 제어가 일반적이지만, 전류 모드 제어는 코일에 발생하는 전류를 IC로 피드백해 제어하기 때문에 좁은 펄스 제어는 매우 어렵다. 그 이유는 2가지이다. 첫째는 노이즈이다. 구체적으로는 전류 모드의 검출 방법은 일반적으로 SW 단자에서 발생하는 순방향 강압 전압에서 S1 전류를 검출하지만, SW 파형의 turn-on 시 ringing이 발생해 이 노이즈로 인해 검출 회로에는 마스크 시간이 필요하게 된다(그림 4).



전류 검출은 그 마스크 시간 후에 실행되므로, SW 펄스 폭을 좁게 하는 것은 어렵다. 둘째, 회로지연이다. 전류 검출 후, S1을 OFF하기 위해서는 많은 아날로그 회로를 동작시켜야 한다. 이때 반드시 지연시간이 발생하기 때문에 그만큼 SW 펄스 폭이 넓어진다.

이러한 2가지 이유에서 기존품에서는 120 ns 정도의 SW 펄스 폭이 한계였다. 또한, 전류 모드 제어는 입력전압, 출력전류를 변화시켜도 전원 IC의 전달 특성에 변화가 없다는 특징이 있었다. 그러나, 기존품의 경우에는 SW 펄스 폭이 좁아지면 전류가 검출 되지 않아 전달 특성이 변하기 때문에 외장 부품의 증가로 이어지는 경우가 있었다.

48V 마일드 하이브리드 시장에서 리튬이온 배터리의 최대 동작전압은 60 V에 달할 가능성이 있다. 3.3 V 출력, 주파수 2 MHz의 동작 가정 시, SW 펄스 폭 30 ns 미만의 고속 제어가 필요해 극적인 SW 펄스 폭의 단축이 필요했다. 로옴은 독자적인 전류 검출 회로를 통해 자사의 80VBCD 프로세스를 채용함으로써 이러한 문제를 해결, 기존 대비 1/6의 SW 펄스 폭 20 ns의 제어를 실현했다. 그 결과 입력 동작 최대 전압은 기존의 12 V에서 약 5배 높은 65 V까지 가능해졌다(그림 5).



또한, 좁은 SW 펄스 폭에서도 전류 검출이 가능한 방식을 사용함으로써 외장 부품 2개만으로 폭넓은 입력전압, 출력전류에 대응하는 전달 특성 실현이 가능해졌다(그림 6).

 




산업기기 및 기존 차량기기에 전개

입력전압이 높고, 출력전압이 낮은 애플리케이션은 자동차기기 분야에 특화된 것은 아니다. 건설기기 및 기지국으로 대표되는 산업기기 분야에서도 입력전압 24 V, 36 V, 48 V, 출력전압 3.3 V, 5 V의 구성이 다수 존재해 이 기술의 전개가 가능하다. 2 MHz의 고주파 동작을 실현함으로써 주변 부품의 소형화에 기여할 수 있으며, 자동차기기 분야에서와 동일한 메릿을 기대할 수 있다. 또한 가솔린 자동차의 12 V 배터리 시스템으로 대표되는 것처럼 기존의 자동차기기 시장에서도 이 기술을 전개할 수 있다.


48 V 배터리 시스템과 같이 자동차의 다기능화에 따라 화상처리 등을 제어하는 DDR의 동작전압을 저하해 1V 정도가 된다. 따라서 입력전압 12 V, 출력전압 1 V, 동작 주파수 2 MHz의 경우, SW 펄스 폭을 40 ns 정도까지 좁힐 필요가 있어 현재로서는 강압비가 커지기 때문에 2단 구성을 취하는 경우가 많다. 그러나 이 기술을 사용하면 1단으로 12 V에서 1 V를 출력할 수 있다.


로옴의 BD51180TL는 ▶2 MHz 동작 시 48 V 입력에서 3.3 V 출력 가능 ▶최소 펄스 ON 시간 20 ns ▶절대 최대 정격 80 V ▶전류 모드 제어 ▶방열성이 높은 VQFN 패키지라는 특징으로 자동차기기 시장에서 산업기기 시장까지 폭넓은 전개가 가능한 전원 IC이다.

특히 48 V 배터리 시스템의 도입이 추진되는 유럽의 자동차 시장에서는 높은 공헌도가 기대되고 있으며, 유럽에서의 자동차 부품사업을 확대시키는 전략 상품으로서 시장에 투입될 예정이다. 또 BD51180TL에 사용되고 있는 DC/DC 컨버터 코어 회로기술은 본 제품 한 개에 그치지 않고, 로옴의 키 테크놀로지가 될 것으로 기대된다.  

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