편의성, 안전성, 전체 효율성 개선을 위해 자동차에 사용되는 전자부품의 수가 늘어남에 따라 이러한 부품들의 전력관리가 점점 더 중요해지고 있다. 이제 자동차 전자 시스템의 전압 공급장치로 리니어 레귤레이터(linear regulator)를 사용하던 시대는 막을 내리고 있다. 스위치 모드 전원공급장치(Switch Mode Power Supplies, SMPS)는 효율이 높기는 하지만 여러 가지 측면에서 복잡성 또한 증가하고 있다. 자동차 분야에서는 더욱 그러하다.
특히 까다로운 한 가지 요구사항은 끊임없이 증가하는 이러한 전자 시스템들의 대기전력을 절감하는 것이다.

시시각각으로 일어나는 방전 현상
원칙적으로는 자동차가 주차돼 있을 때 모든 전력 소비 부품들은 완전히 꺼져 자동차를 다시 운전할 때까지 배터리가 충전된 상태를 유지하게 된다. 이러한 상황에서 발생하는 유일한 에너지 손실은 납축전지 자체의 방전뿐이며 한 달에 5~20% 정도로 그 손실량이 비교적 적다.
하지만 대기 요건 때문에 완전히 꺼지면 안 되는 에너지 소비 자동차 부품들이 점차 증가하고 있다. 여기에는 자동잠금장치, 도난방지장치와 같은 일반적인 전력 소비 장치뿐 아니라 내비게이션 시스템, 카메라 시스템, 계기판 외에 많은 첨단 시스템이 포함된다. 첨단 시스템에서는 일부 메모리 값과 기타 로직 상태를 활성으로 유지하기 위해 소량의 전류를 지속적으로 필요로 한다. 이러한 시스템이 더 많이 장착된 자동차는 주행하지 않을 때에도 배터리의 에너지 사용량이 증가하게 된다.
자동차 메이커들은 자동차가 주차돼 있는 동안 시스템에 대한 전류 소모량 등급을 매겼다. 많은 시스템에서 최대 100 uA의 전류만을 허용한다. 이 전류 값은 장시간(예컨대 24시간) 동안의 평균값이다. 즉, 전류 소모량이 많을 때도 있고 상대적으로 적을 때도 있다. 메모리, 클록, 센서 등의 부품에 충분한 전류가 공급되려면 12 V의 자동차 공급 전압을 5V, 3.3V 또는 그 이하로 변환하여 자동차 메이커가 제한하는 범위 내에서 최대한 효율적으로 유지해야 한다.
전력 소모량의 절감
자동차 산업의 이러한 과제에 대한 해결책으로 극히 낮은 출력 전력을 위한 특별 모드인 절전 모드가 내장된 레귤레이터로 전환하는 것이다. 이 모드에서는 SMPS의 많은 부품들이 꺼진다. 출력 전압 조절은 최대한 효율적인 방식으로 재개된다. 이와 같은 스텝다운 전압 레귤레이터 중 하나가 내셔널 세미컨덕터의 LM26003인데, 파워 FET가 내장되어 사용하기에 간편하다. 부하가 몇 밀리암페어(mA) 수준인 PWM 레귤레이터는 버스트 모드에서 스위칭한다. 이 모드에서는 조절 루프가 회로의 출력 커패시터를 다시 충전할 때까지 몇 주기 동안 내장 N-FET의 스위칭 여부와 출력 전압의 감소 여부를 감지한다. 그런 다음 스위칭이 중지되고, 부하 전류가 출력 커패시터를 부분적으로 다시 충전할 때까지 전력 소모량이 극히 낮아진다.

고려사항
그림 1은 LM26003 내장 전원공급장치를 보여준다. 저부하 작동 중에 전류 소모량이 극히 낮도록 설계할 때는 LM26003과 같이 특수한 IC를 선택해야 한다. 이러한 용도로 설계된 제품이 아닌 다른 전력 레귤레이터는 비교적 높은 대기전류를 가진다. 심지어 회로가 제대로 작동하기 위해 필요한 부하가 최소값인 레귤레이터도 있다. 이러한 방식은 분명히 낮은 부하에서 낮은 전력 소모량이라는 목표를 달성하는 데 큰 방해가 된다. 전력 레귤레이터 외에 전류 소모량에 상당한 영향을 미치는 요소가 있는데, 피드백 레지스터 분할기(divider) R1과 R2, 그리고 프리-휠링 다이오드 D1이다. 이러한 부품의 전류는 조절된 출력 전압으로부터 공급된다.
레지스터 분할기는 출력 전류의 일부를 소비한다. 분할기의 임피던스가 클수록 전류 소모량은 적다. 하지만 너무 큰 임피던스 값은 전력 레귤레이터의 피드백 핀에서 노이즈 민감도의 원인이 된다. 피드백 핀이 매우 높은 임피던스 노드이면, 스위칭 노이즈와 같은 시스템 노이즈가 조절 루프에 커플링 되며 출력 전압이 제대로 조절되지 않는다. 많은 자동차 제조업체에서 이러한 노드에 가능한 임피던스 값에 대한 지침을 마련하고 있다. 일반적인 저항 제한은 100 kΩ ~ 200 kΩ 범위이다.
다이오드 D1은 보통 쇼트키 다이오드로 선택되며 스위칭 효율, 낮은 전자파장애(EMI)뿐 아니라 전원공급장치 IC의 스위치 핀 보호에도 필요하다. 쇼트키 다이오드에는 리버스 리커버리 효과(reverse recovery effect)가 거의 없고, 스위치 노드 링이 대폭 감소한다. 하지만 대기전류가 낮은 분야에서는 쇼트키 다이오드가 아주 소량의 누설전류를 보인다. 이 전류는 출력 전압 노드에서 비롯되며 낮은 출력 부하 효율을 떨어뜨린다. 누설전류는 쇼트키 다이오드 제조사마다 다르며 작동 온도와 역방향 전압(reverse voltage)에 따라 변동이 심하다. 다이오드 접합 온도와 역방향 전압이 높을수록 누설전류가 증가한다.
대기전력이 극히 낮은 시스템을 설계하고 쇼트키 다이오드를 선택할 때는 누설전류를 염두에 두어야 한다. 다행히 많은 자동차 제조업체에서 비교적 낮은 온도에서 24시간 동안의 평균 전력 소모량을 지정하고 있기 때문에 고온에서 극도의 누설전류는 관련이 없다. 표 1은 실온에서 다양한 역방향 전압을 갖는 일반적인 40 V, 5 A 쇼트키 다이오드의 누설전류를 보여준다. 대개 12 V 값을 사용할 수 있는데, 이중(double) 배터리와 같은 상황과 함께 로드 덤프(load dump) 상황은 장기간 전력 소비량 요구조건과 무관하기 때문이다.

총 전류 소모량의 측정 방법
저부하 고효율 시스템을 평가하는 일은 그리 간단치 않다. LM26003과 같은 레귤레이터는 입력 전류를 측정할 때 최대한 효율적으로 작동하기 위해 버스트 모드를 사용하기 때문에 평균값 측정이 필요하다. 일부 입력 커패시터가 평균값을 계산할 수 있도록 도움을 줄 수도 있지만, 정제된(clean) DC 입력 전류를 생성할 정도로 충분한 양은 아니다. 이러한 측정에서는 마이크로 암페어(μA) 범위로 매우 정확히 값을 판독하는 전류계를 사용해야 하며, 많은 샘플을 대상으로 양호한 평균값을 산출할 필요가 있다. 가용한 디지털 멀티미터 매뉴얼을 조사하는 것 외에, 값을 알고 있는 부하에 대한 측정을 수행하여 성능이 뛰어난 계측기를 확인하는 것도 좋은 방법이다. 확인된 저항에 부착된 신호 생성기 전압을 값을 알고 있는 부하로 사용할 수 있다. 계측기에 따라 측정 결과가 크게 달라지기도 한다. 연구와 평가를 수행함으로써 신뢰하고 측정할 수 있는 계측기가 파악된다.

자동차 배터리는 편리한 도구
특별히 고효율 저부하의 자동차 애플리케이션용 통합형 레귤레이터가 공급될 때까지 설계자는 수없이 많은 개별 부품으로 구성된 회로를 제작해야 한다. 오랜 세월 이어온 방식 중 하나는 전원공급장치 2개를 병렬로 구현하는 것이었다. 하나는 리니어 레귤레이터와 같은 낮은 부하에서 매우 효율적이고 활성이며, 다른 하나는 증가된 전류가 필요할 때 바로 전환된다. 이제 LM26003과 같은 통합 솔루션이 설계 난이도를 대폭 줄여줄 수 있다. 자동차에 전자장치를 더 많이 사용할수록 설계 엔지니어가 활용할 수 있는 통합 솔루션의 장점이 증가하고, 더불어 IC 제조업체들의 기술력도 쌓이게 될 것이다.