차량용 세컨더리 강압 스위칭 레귤레이터 「BD9S 시리즈」

2019년 03월호 지면기사  /  글│ROHM

스위칭 레귤레이터와 같은 스위칭 소자를 차재 전장부품으로서 사용하는 경우, 스위칭 주파수가 AM 라디오 대역에 간섭하거나, 출력 제어에 코일을 사용할 필요가 있어 기판 실장면적이 커진다는 과제가 발생한다. 또 자동차 기기용 제품에서 신뢰성의 확보도 중요하다. 이와 같은 자동차 기기의 대전력화, 고기능화에 따라 발생하는 기술적인 과제에 대한 스위칭 레귤레이터 측에 요구되는 특성에 로옴이 대응하고 있다.


최근 자동차의 전장화에 따라, 카 내비게이션, 오디오와 같은 자동차 인포테인먼트를 비롯해, 첨단 운전자 지원 시스템(Advanced Driver Assistance System, ADAS)이 자동차의 필수 옵션이 됐다. 차량용 센서 및 카메라에 의한 충돌방지, 차선유지 지원 시스템 등 자동차의 안전주행을 실현하는 전자기기의 개발은 현재 가장 주목 받고 있는 분야이며, 이러한 전자기기의 고기능화를 뒷받침하는 것이 바로 전원 IC다.

ADAS 기기 및 자동차 기기의 고기능화에 따라 SoC는 방대한 처리능력이 요구되고 있어, 소비전력도 증가하는 경향이 있다. 필연적으로, 이러한 기기에 사용되는 전원 IC에도 대전류화가 요구되고 있다. 기존에 널리 사용돼 온 리니어 레귤레이터는 전원전압 생성 시의 발열 등을 열 설계 면에서 무시할 수 없으므로, 한층 더 전력 변환 효율이 높은 스위칭 레귤레이터로의 이행이 추진되고 있다.

그러나 스위칭 레귤레이터와 같은 스위칭 소자를 차재 전장부품으로서 사용하는 경우, 스위칭 주파수가 AM 라디오 대역(526.5~1620.0 kHz)에 간섭해 노이즈화되거나, 출력 제어에 코일을 사용할 필요가 있어 기판 실장면적이 커진다는 새로운 과제가 발생한다. 또한, 기존과 마찬가지로 자동차 기기용 제품에서는 신뢰성의 확보도 중요하다.
이와 같은 자동차 기기의 고기능화에 따라 발생하는 기술적인 과제에 대해, 스위칭 레귤레이터 측에 요구되는 특성은 다음과 같다.

- AM 라디오 대역에 대한 노이즈 간섭이 없는 고주파 스위칭 동작
- 주변 애플리케이션을 포함한 실장 면적의 삭감
- 대전류 대응과 발열의 저감
- 다양한 보호 기능과 신뢰성 향상

로옴은 이러한 과제에 대응해 고효율, 고주파 전류 모드 강압 스위칭 레귤레이터 「BD9S 시리즈」를 개발하고 제품화했다



이에 ADAS 등 자동차 기기용 부품으로 요구되는 사항과 로옴의 대응책을 「BD9S 시리즈」를 통해 소개하고자 한다.


시장 요구사항과 로옴의 솔루션

전류 모드 제어에 의한 고주파 스위칭

일반적인 스위칭 레귤레이터는 스위칭 주파수의 설정 가능 범위가 1 MHz 이하 정도이므로, 자동차 기기에서 사용 시, 스위칭 주파수를 AM 라디오 대역 이하로 낮춰 사용하는 경우로 한정되었다. 그러나 이러한 경우에는 사이즈가 큰 코일이 필요해 실장면적 삭감의 관점에서 스위칭 주파수의 고주파화가 요구되고 있다.

이 제품은 이러한 요구에 대응해, 스위칭 레귤레이터의 높은 전력 변환 효율성을 유지함과 동시에 2.2 MHz의 고속 스위칭 주파수를 실현했다. 특히, 고주파 스위칭을 실현함에 있어서, 스위칭 레귤레이터의 제어방식은 전압 모드와 전류 모드, Constant on time 모드로 분류되는데, 이 제품은 하기 2가지 이유에서 전류 모드를 채용하고 있다.

첫 번째로, 출력에 세라믹 콘덴서 등의 Low ESR 제품 사용 시, 위상 특성이 우수하다는 점이다. 스위칭 주파수를 높이는 경우, 출력에 전해 콘덴서를 사용하게 되면 사이즈가 커지고, 저온 시의 용량 저하뿐만 아니라 ESR 증가에 따른 손실을 무시할 수 없게 된다. 따라서, 소형과 동시에 Low ESR의 세라믹 콘덴서를 사용할 필요가 있다. 전압 모드 제품은 ESR이 작아지면 고주파 영역에서의 위상 마진 확보가 어려워지지만, 전류 모드 제품의 경우 간단한 위상 보상으로 안정 동작이 가능하다는 점에서 메리트가 있다.

두 번째로, 스위칭 주파수의 변동이 작다는 점이다. 전류 모드 제품은 내장하는 발진 회로에 의해 생성된 일정 주기의 클록으로 스위칭 제어를 실행하므로, 스위칭 주파수를 고정할 수 있다. 이는 부하 전류의 크기에 따라 스위칭 주파수가 변동하는 Constant on time 모드 제품에 비해 발생하는 노이즈의 주파수 성분을 파악하기 쉬우므로, 대책을 세우기 쉽다는 메리트가 있다.

한편, 전류 모드 제품은 스위칭 주기마다 출력 파워 MOSFET에 흐르는 전류 정보를 취득해 PWM 제어를 실행하므로, 그 제어에 걸리는 시간을 최대한 짧게 억제할 필요가 있어, 일반적으로 고주파는 사용이 어려웠다.
이에 대해 로옴은, 출력전류의 검출 회로와 출력 파워 MOSFET 구동 회로에 걸리는 전파 지연을 개선해, 시뮬레이션 및 실제 기기에서의 평가를 통해 지연 시간이 최적화되도록 설계함으로써, 1 사이클의 펄스 제어시간을 최단 70 ns로, 기존품 대비 약 50%의 고속화에 성공했다. 고속 전류 모드 제어의 실현을 통해, AM 라디오 대역에 대한 간섭을 회피한 2.2 MHz의 고속 스위칭 시에도 안정적인 동작이 가능하다.

주변 애플리케이션 포함한 실장면적 삭감

센서 및 카메라 모듈, 무선통신 모듈 등의 ADAS 기기에 있어서는 특히 모듈의 소형화에 따라 전원 IC의 기판 실장면적이 차지하는 비율이 중요시되고 있다. 기존의 저주파 설정 스위칭 레귤레이터에서는 사용하는 코일의 인덕턴스 값이 크고, 높은 전류 능력이 필요한 경우에는 사이즈가 큰 코일을 사용할 필요가 있었다. BD9S 시리즈는 스위칭 주파수의 고주파화를 통해, 인덕턴스 값이 1 μH로 작은 소형 코일을 선정할 수 있다. 또한, 출력 콘덴서를 2012이나 3216 사이즈의 세라믹 콘덴서로 대응이 가능하고, 출력 파워 MOSFET 및 위상 보상용 부품을 2×2 mm 및 3×3 mm의 소형 패키지에 내장함으로써, 주변 애플리케이션을 포함한 실장면적을 기존품 대비 60% 삭감했다(그림 2).

이외에도, 출력전압을 고정화하고 출력전압 설정용 저항을 내장한 제품군도 개발하고 있다. 3×3 mm의 VQFN16FV3030 패키지에 대해서는 Wettable Flank에 대응해 QFN 패키지의 과제 중 하나인 solder 실장 시의 시인성이 향상되었다(그림 3).

대전류 대응과 발열 저감

본 제품은 업계 최소 수준의 ON 저항의 출력 파워 MOSFET(High side FET: 35 mΩ, Low side FET: 35 mΩ)를 내장하고 있다.
이에 따라, 2 A 이상의 큰 부하 전류 공급 시에도 높은 전력 변환 효율을 유지할 수 있어, 발열도 낮게 억제할 수 있다.



현재의 출력전류 사양으로는 2 A급이 주류이지만, 기기의 고기능화가 추진됨에 따라 3 A, 4 A급에 대한 수요가 더욱 확대될 것으로 예상된다. 이에 대응해, BD9S 시리즈는 출력전류 정격 2 A, 3 A, 4 A 제품을 Pin 호환품으로 구비하고 있다. 세트 설계 도중에 발생할 수 있는 출력전류 사양의 변경에도 용이하게 대응할 수 있어, 세트 설계자의 평가 공수 삭감을 기대할 수 있다.



다양한 보호 기능과 신뢰성 향상

BD9S 시리즈는 다양한 보호 기능을 구비하고 있다.

① 출력 쇼트 시의 이상 전압에 대한 보호(SCP / OVP)
② 이상 발열 시의 서멀 셧다운 보호 (TSD)
③ 출력 단락 등의 이상 전류에 대한 과전류 보호 기능(OCP)과 같은 각종 보호 기능을 통해, 각 단자의 쇼트, 인접 핀 쇼트 시에 디바이스의 파괴가 발생하지 않는 안정성이 높은 IC이다.

또한, IC 자체의 출력전압이 정상 범위 내에 있는지 감시하는 Power Good 기능을 탑재해, 출력전압이 설정 범위를 벗어났을 경우 오류 플래그를 마이컴으로 알릴 수 있는 등, 시스템의 안전성 향상을 서포트한다.

또한, 자동차 기기용 시리즈 제품으로서 차량용 IC의 국제표준 규격인 AEC-Q100 Grade1에 대응하고 있다. 이미 로옴은 자동차 산업용 품질 매니지먼트 시스템 IATF16949도 취득하였으며, 자동차 기기용 부품 개발에 요구되는 높은 품질 및 온도 조건을 비롯해 까다로운 환경에서의 사용에 대한 신뢰성 평가기준을 충분히 만족하고 있다. 이는 바로, 10년 이상 지속된 자동차용 납입 실적이 증명하고 있다.

앞으로도 ADAS 등 자동차 기기의 다양화 및 고기능화에 따라 사용되는 전원 IC의 대전류화 및 실장면적 삭감과 같은 요구는 한층 더 높아질 것으로 예상된다.

로옴은 이러한 시장 요구에 대응해, 배터리 전압 입력에 대응하는 고내압 스위칭 레귤레이터 및 리니어 레귤레이터인 LDO, 복합 파워 매니지먼트 IC 등 다양한 전원 솔루션을 제안할 수 있도록, 고객 입장에 서서 제품을 끊임없이 개발하고, 고품질 및 고신뢰성이 요구되는 자동차 기기용 디바이스의 라인업을 강화해 나갈 것이다.
 

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