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2020.08.19 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 기본 : 중요 특성 – 전원 특성

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

지금까지 스위칭 레귤레이터의 기본으로서, 스위칭 레귤레이터의 중요 특성에 대해 설명했습니다. 본 편에서는 지난 「IC의 규격」 편에 이어 「전원」으로서의 중요 특성에 대해 설명하겠습니다.

최근의 스위칭 레귤레이터 설계는 사용하는 전원용 IC에 크게 의존합니다. 따라서, 먼저 전원으로서 필요한 사양을 만족할 수 있는 IC를 선택해야 합니다. 여기서 검토해야 하는 것은 IC와 전원 사양 사이에 약간의 트레이드 오프 관계가 발생할 수 있다는 점입니다.

예를 들어, 전원으로서 과전류 보호 기능이 필수라고 가정하고, IC를 선정하는 경우 과전류 보호 이외에도 과전압 보호 및 온도 보호도 탑재하고 있는 경우가 있습니다. IC에 따라서는 기능을 무효화하는 선택이 가능한 제품도 있지만, 선택할 수 없는 제품도 많습니다. 이러한 경우, 원하지 않는 기능이 있어도 별 문제가 없다면, 해당 기능을 추가한 전원 사양으로 변경하는 것이 좋은 선택일 수도 있습니다. 반대로 과전류 보호가 없는 IC를 선택하고, 회로를 외장하여 과전류 보호 기능을 탑재하는 방법도 있습니다. 그러나, 회로 설계, 추가 부품, 동작의 검증 등을 생각하면 시간, 비용, 실장 스페이스 면에서 단점이 많아질 가능성이 큽니다. 기능적인 문제나 비용 증가 등이 없다면, 전원으로서 메리트가 높아지는 트레이드 오프는 허용할 수 있으리라 생각합니다.

전원의 중요 특성으로서, 최소한으로 이해하고 검토해야 하는 특성을 하기와 같이 정리하였습니다.

라인 레귤레이션
라인 레귤레이션은 입력 DC 전압의 변동에 따른 출력전압의 변동입니다. 비율 (%) 및 정해진 입력 범위에서의 구체적인 변동치, 예를 들어 12mV와 같이 나타내는 경우도 있습니다. 라인 레귤레이션은, 전원 IC 특히 리니어 레귤레이터에서 대부분의 경우 동일한 명칭의 규격치가 존재하며, 의미 역시 동일합니다. 입력 범위 조건은 전원의 입력으로서 상정되는 전압을 기준으로 설정하지만, 라인 레귤레이션은 어디까지나 연속적인 입력전압의 변동, 즉 과도적이지 않은 변동에 대한 특성입니다.

최근 IC의 라인 레귤레이션은 매우 우수합니다. 그러나, 회로적으로는 IC의 성능에만 의존하지 말고, 충분히 입력전압이 안정되도록 입력 콘덴서를 검토해야 합니다.

로드 레귤레이션
로드 레귤레이션은 부하 전류의 변동에 따른 출력전압의 변동입니다. 라인 레귤레이션과 마찬가지로 비율 (%) 및 정해진 부하 변동 시간의 변동치로 나타냅니다. 라인 레귤레이션과 마찬가지로 IC 자체에 이러한 사양이 있지만, 전원으로서는 출력 배선의 저항 성분으로 인해 전원의 출력 부분과 부하의 입력 부분에서는 전압 강하로 인해 전압이 다르다는 점에 주목해야 합니다. 전원의 출력 부분에서는 부하 전류가 변동하면 전원 회로 자체의 로드 레귤레이션에 의존하여 변동하지만, 부하의 입력 부분에서는 배선의 저항 성분으로 인한 전압 강하가 발생되어, 대전류를 필요로 하는 부하의 전원 핀의 전압이 생각했던 것보다 저하되는 케이스가 많이 있으므로 주의해야 합니다. 이 부분에 대해서는 「스위칭 레귤레이터의 평가」 편에서 자세하게 설명하겠습니다.

부하 변동의 일종으로 과도적인 변동이 있지만, 라인 레귤레이션과 마찬가지로 로드 레귤레이션은 과도 현상에 대한 특성이 아닙니다. 부하 과도에 대해서는 부하 과도 응답이라는 별도의 특성으로 취급합니다.

효율
효율은 입력전압에 대한 출력전력의 비율 (%)로 정의됩니다. 단순하게는 입력에 공급되는 전력 (전류 × 전압)과 출력에서 얻어지는 전력을 측정함으로써 얻어지는 수치입니다. 효율의 중요성은 말할 필요도 없으며, 손실 억제는 발열 저감으로 이어집니다. 발열은 얻어지는 출력전력을 제한할 뿐만 아니라, 방열 및 냉각을 위한 스페이스 및 디바이스를 필요로 하고, 나아가서는 전원 회로 및 부가 (외부) 회로의 신뢰성을 저하시키는 원인이 되므로 중요한 검토 사항입니다.

입력 / 출력 리플 전압
리플 전압은 맥류를 뜻하며, 입력과 출력 양쪽에 발생합니다. 스위칭 레귤레이터이므로 출력에는 반드시 스위칭으로 인한 리플 전압이 존재합니다. 스위칭 노이즈라는 표현을 사용하는 경우도 있지만, 스위칭 노이즈에는 고조파 및 스파이크 등을 포함하는 경우가 많습니다.

리플 특성으로는, 맥류의 높이를 뜻하는 리플 전압치와 주파수가 검토 사항입니다. FPGA와 같은 1V 이하의 낮은 전원전압을 사용하는 디바이스의 경우, 리플 전압으로 인해 요구되는 전원전압 정밀도를 만족할 수 없게 되는 경우가 있습니다. 또한, 고조파 및 스파이크와 함께 시스템의 S/N 비를 저하시키는 원인이 됩니다.

출력 리플은 출력 필터를 통해 저감시킬 수 있지만, PFM과 같이 주파수가 변동하는 경우에는 충분히 검토해야 합니다.

입력 리플은 스위칭 트랜지스터가 대전류를 스위칭하여 입력으로 공급함으로써 발생합니다. 이러한 전류의 스위칭 (ON / OFF)과 입력의 기생 인덕턴스로 인해 스파이크가 발생하는 경우가 있으므로, 회로 레이아웃 설계 시 주의가 필요합니다. 단적으로 입력 콘덴서는 가능한 IC의 입력 핀 바로 옆에 접속하여 기생 인덕턴스를 배제하는 등의 대책이 필요합니다.

부하 과도 응답
부하 과도 응답 특성은, 출력 부하 전류가 급격하게 변동하는 경우에, 출력전압이 설정치로 되돌아올 때까지의 응답 속도입니다. 출력 용량 (콘덴서) 및 ESR (등가 직렬 저항) 이외에도 IC 자체의 응답 성능도 중요한 요인이 됩니다. 전류 모드의 전원 IC는 위상 특성의 조정을 통해 최적화할 수 있습니다. 히스테리시스 (리플) 제어는 부하 응답 특성이 매우 우수한 방식입니다.

허용 손실
직접적으로는 전원 회로에 사용하는 소자 (IC 및 트랜지스터 등)가 허용 가능한 손실입니다. Tjmax (접합 온도의 최대 정격)와 패키지의 열저항으로부터 산출되는 허용 가능한 손실 전력으로, 파워 소자 (스위칭 트랜지스터), 내장형일 경우는 IC 자체의 허용 손실입니다. 회로 전체로 생각해보면, 오늘날의 파워 소자는 기판에 표면 실장함으로써, 기판을 방열판으로 이용하는 경우가 많으므로 (물론 대전력 회로에서는 개별적으로 방열판을 설치), 패턴 레이아웃도 크게 관련됩니다. 어쨌든 방열과 허용 손실의 검토는 필수이므로, 열 계산을 확실하게 하는 것이 매우 중요합니다.

하기 표에 요점을 정리하였습니다.

전원으로서의 중요 특성과 의미 포인트
라인 레귤레이션
입력 DC 전압의 변동에 따른 출력전압의 변동. 비율 (%)이나 정해진 입력 범위에서의 구체적인 변동치로 나타낸다.
  • 입력전압의 상정 변동 범위에서 안정적인 출력을 얻을 수 있어야 한다.
  • 과도한 입력 변동은 별도로 고려해야 한다.
로드 레귤레이션
부하 전류의 변동에 따른 출력전압의 변동. 비율 (%)이나 정해진 부하 변동 범위에서의 변동치로 나타낸다.
  • 필요한 출력전압 정밀도를 유지할 수 있는 부하 공급 능력이 있어야 한다.
  • 배선의 저항 성분으로 인해 전원의 출력 부분과 부하의 입력 부분의 전압이 달라지므로, 특히 대전류 부하의 경우에는 주의가 필요하다.
효율
입력전력에 대한 출력전력의 비율 (%).
  • 손실 억제는 발열 저감으로 이어진다.
  • 발열은 출력전력을 제한하며, 방열 및 냉각을 위한 스페이스 및 디바이스를 필요로 한다. 또한, 나아가서는 전원 회로 및 부가 회로의 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다.
입력 / 출력 리플 전압
맥류를 뜻하며, 입력과 출력의 양쪽에 모두 발생한다.
  • 출력에는 스위칭으로 인한 리플 전압이 반드시 존재한다.
  • 출력전압 정밀도는 리플을 포함한다.
  • 입력의 기생 인덕턴스로 인한 스파이크는 주의해야 한다.
부하 과도 응답
출력 부하 전류가 급격하게 변동하는 경우에, 출력전압이 설정치로 되돌아올 때까지의 응답 속도.
  • 출력 부하 전류가 급격하게 변동하는 경우에는, 로드 레귤레이션과는 별도로 단시간의 출력 변동이 발생한다.
  • 응답성이 우수한 전류 모드 및 히스테리시스 (리플) 제어를 채용한 전원 IC를 이용하여 대응 가능하다.
허용 손실
패키지의 열저항으로부터 산출되는 허용 가능한 손실 전력.
  • 파워 디바이스의 열 계산은 필수이다.
  • 레이아웃 설계도 방열면에서 중요하다.
  • 원칙적으로 Ta+자기 발열이 Tjmax를 초과해서는 안 된다.
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