고밀도 스위칭 레귤레이터의 주요 과제 중 하나는 전자파간섭(Electro-Magnetic Interference, EMI) 입력 필터를 작고 효율적으로 설계하는 것이다. 예를 들어 고전력 애플리케이션인 전기차 온보드차저(On-Board Charger, OBC)와 서버랙 전원공급장치는 특히 빠른 스위칭 특성을 가진 와이드 밴드갭(GaN 및 SiC 기반) 전력 반도체의 등장으로 공통 모드(common-mode, CM) 방출이 증가할 가능성이 있는 까다로운 폼팩터에 솔루션을 맞추기 위해 EMI 필터 부품의 부피를 줄이는 것이 중요하다.
OBC 2단계 접근방식 – 배터리 전압(VBATT)과 배터리 전류(IBATT) 조정을 위해 PFC 프런트-엔드와 절연 DC/DC를 갖추고 있으며,
상당한 EMI 필터링이 필요하다.
실제 설계에서, 고밀도 애플리케이션의 공통 모드 필터는 접촉 전류(touch-current) 안전 규정으로 인해 Y-커패시턴스를 제한해야 하는 경우가 많다. 이를 보완하기 위해서 대형 공통 모드 초크를 사용해 원하는 목표 코너 주파수(corner frequency) 또는 필터 감쇠 특성을 달성한다.
TI는 실제 필터 구현이 전원 솔루션의 총 부피의 최대 30%를 차지할 수 있다고 지적했다. 결과적으로 전체 필터 크기를 지배하는 부피가 크고 무겁고 값비싼 공통 모드 초크가 포함된 수동 필터 설계가 탄생했다.
이에, TI는 자기 부품 및 전체 필터 크기를 줄임으로써 공간 제약이 있는 차세대 전력 변환 시스템을 위한 더 작고 효율적인 EMI 필터 설계를 가능하게 하는 독립식 능동 EMI 필터(Active EMI Filter, AEF) IC를 새롭게 선보였다.
AEF IC는 공통 모드 초크 사이에 배치되어 공통 모드 전류에 대해 더 낮은 임피던스 션트 경로를 제공한다. 따라서 능동 솔루션의 커먼 모드 초크 LCM1과 LCM2는 수동 필터의 동일한 부품에 비해 훨씬 낮은 인덕턴스를 제공한다.
능동 솔루션의 커먼 모드 초크 LCM1과 LCM2는 수동 필터의 동일한 부품에 비해 훨씬 낮은 인덕턴스를 제공한다
TI의 R&D 연구소인 킬비 랩스(Kilby Labs)가 개발한 AEF IC 포트폴리오는 단상 및 3상 AC/DC 전력 서브시스템에서 100 kHz~3 MHz 사이의 주파수에서 최대 30 dB까지 공통 모드 EMI를 감지하고 제거한다.
TI 코리아의 안병남 오토모티브 기술지원 팀장은 “이번에 선보인 독립식 능동 EMI 필터 IC 솔루션은 순수 수동 필터 솔루션 대비 초크 크기를 최대 50%까지 줄이면서도 전원공급장치 EMI 필터에서 생성되는 열을 효율적으로 낮춤으로써 필터 커패시터의 수명 연장과 시스템의 신뢰성을 향상시킨다.”라고 말했다.
TI는 12 mH 초크 2개가 있는 초크 수동 필터 버전과 1 mH 1개와 4 mH 1개가 있는 AEF 버전의 두 설계를 비교하여 AEF 접근방식의 이점을 소개했다. TI에 따르면, AEF 접근방식은 완전한 수동 EMI 필터(PEF) 솔루션 대비 부피 52%, 풋프린트 41%, 무게 62%, 비용 40%을 줄일 수 있다.
TI의 AEF IC는 “용량성 증폭(capacitive amplification)”이라는 기술을 통해 엔지니어가 공통 모드 초크의 인덕턴스 값을 최대 80%까지 줄일 수 있어서 비용 효율적으로 신뢰성을 향상시키고 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다고 한다.
이번에 발표한 AEF IC 제품군은 단상 및 3상 상업용 애플리케이션을 위한 TPSF12C1과 TPSF12C3, 차량용 애플리케이션을 위한 TPSF12C1-Q1과 TPSF12C3-Q1으로 구성돼 있다. SOT-23 14핀 패키지로 제공되는 이들 IC에는 감지, 필터링, 이득(gain), 인젝션(injection) 단계가 통합돼 있다. 특히 보상 및 보호 회로를 통합해 구현 복잡성을 줄이고 외부 부품 수를 최소화한다.
엄격한 EMI 표준 충족
TPSF12C1, TPSF12C3, TPSF12C1-Q1, TPSF12C3-Q1은 EMI 설계 과제를 해결하고 CISPR 11, CISPR 32, CISPR 25 EMI 요구사항을 충족할 수 있도록 지원한다. 또한, IEC 61000-4-5 서지 내성(surge immunity) 요건을 충족하므로 과도전압억제(Transient Voltage Suppression, TVS) 다이오드 같은 외부 보호 부품의 필요성을 최소화한다. 엔지니어들은 TI 시뮬레이션 모델용 PSpice
® 및 퀵스타트(quick-start) 계산기와 같은 지원 툴을 통해 시스템에 맞는 최적의 부품을 선택하여 구현할 수 있다.
자동차 등급인 TPSF12C1-Q1 및 TPSF12C3-Q1의 시제품 버전은 4.2mm × 2mm SOT-23 14핀 패키지로 제공된다. TPSF12C1QEVM 및 TPSF12C3QEVM 평가 모듈도 현재 구입 가능하다.
TI는 2023년 2분기에 모든 디바이스의 대량 생산이 가능할 것으로 예상하며, 2023년 후반에는 독립식 AEF IC를 추가로 출시할 계획이다.
이번에 TI는 IoT를 위한 Wi-Fi를 더욱 견실하고 합리적인 가격에 구현하는 새로운 SimpleLink™ Wi-Fi 6 컴패니언 IC (CC3300 및 CC3301)를 함께 선보였다. 이 제품군은 고밀도 또는 최대 105 ℃의 고온 등 혹독한 환경에서 작동하는 애플리케이션을 위해 합리적인 가격에 안정적이고 안전하며 효율적으로 와이파이 연결을 구현할 수 있도록 지원한다.
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