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2020.09.09 DC/DC

전원 IC의 데이터시트 구성 : 특성 그래프, 파형 해석 방법

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

「전원 IC의 데이터시트 구성」으로서 「데이터시트의 표지」, 「블록도」, 「절대 최대 정격과 권장 동작 조건」, 「전기적 특성의 요점」에 대해 설명했습니다. 이번 편에서는 「특성 그래프, 파형 해석 방법」에 대해 설명하겠습니다.

재차 언급하지만, 스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법을 이해함에 있어서, 전원 IC의 데이터시트를 파악하는 것이 매우 중요하다는 점이 기본 개념입니다.

・그래프 해석 방법

데이터시트에는 규격치표 이외에 특성 그래프가 게재되어 있습니다. 규격치표의 수치는 지정 조건에서의 수치이므로 폭이나 경향, 복수 조건에 대한 변화 등 연속적인 특성을 파악할 수 없습니다. 따라서, 이를 보완하기 위해 특성 그래프가 게재되어 있는 것입니다. 또한, 규격치로서 정해지지 않은 특성이나 회로로서의 특성을 나타내는 그래프가 많이 있습니다. 여기서 중요한 것은 규격치표의 수치뿐만 아니라, 그래프도 반드시 확인하여 경향이나 연속적인 특성을 파악한 후에 설계해야 한다는 것입니다. 설계 시 그래프의 파악은 필수라고 해도 과언이 아닙니다. 그럼, 실제의 그래프를 사용해서 구체적으로 설명하도록 하겠습니다.

하기 표는 데이터시트의 규격치표를 발췌한 것입니다. ICC, 액티브 시 회로전류를 예로 들겠습니다. ICC는 「Ta=25℃」라는 온도 조건과 몇가지의 전압과 전류 조건에 따라 최대치 500μA가 보증되어 있습니다. 표준치는 350μA이며, 최소치의 보증은 없습니다. 이 표에서 알 수 있는 것은 「ICC는 25℃일 때 350μA 정도이며, 500μA는 초과하지 않는다」는 점입니다.

여기에서, 설계하는 기기의 동작온도 범위가 0℃~60℃라고 가정하면, 설계를 위해 0℃ 및 60℃에서의 표준치나 온도에 따른 증감 등 변동의 경향을 파악해야 하지만, 상기 표만으로는 알 수 없습니다.

규격치표의 온도 조건 설정 중에는, 모든 동작온도 범위, 예를 들어 -40℃~+85℃라는 범위 조건에서의 규격치를 나타내는 경우가 있습니다. 이러한 경우에는 25℃에서의 수치와는 달리, 설계 기기의 온도 범위 0℃~60℃라면, 보증치 이내임을 알 수 있지만, 그 이상은 알 수 없습니다.

이 그래프는 동일 IC의 데이터시트에 게재되어 있는 것으로, 온도와 ICC의 관계를 나타낸 그래프입니다. 또한, 규격치표에는 없었던 VIN에 대해서도 2가지 조건이 제시되어 있습니다. 앞서 가정한 0℃~60℃라는 조건에서는 VIN이 높은 경우에도 400μA±20μV 정도임을 알 수 있습니다.

또한, 온도가 높아지면 ICC는 증가하고, VIN이 높아지면 ICC도 증가한다는 경향도 파악할 수 있습니다. 이러한 내용은 설계 시 중요한 정보가 됩니다.

주의해야 할 점은 그래프에서 파악할 수 있는 수치 및 경향은 보증치가 아니며, 표준적인 특성이라는 점입니다.

ICC는 80℃를 넘어도, 25℃의 최대치 500μA를 넘지는 않지만, 이 예에서는 「반드시 보증하는 것은 아니다」라고 해석하는 것이 올바른 해석입니다.

다음 그래프는 효율과 출력전류의 관계를 나타냅니다. 스위칭 레귤레이터 IC의 데이터시트에서 자주 볼 수 있는 그래프입니다. 대부분의 경우, 규격치표에는 효율 항목이 없으며, 최대치 / 최소치뿐만 아니라 표준치도 제시되어 있지 않습니다. 즉, 효율은 보증하지 않는 특성인 것입니다.

그러나, 보증하지 않는다고 해서 기준이 전혀 없다면, 검토 자체가 어려울 것입니다. 그러한 의미에서, 조건 및 회로, 부품 등을 지정하여 어디까지나 예시로서 (대부분 베스트 예) 특성 그래프가 제시되어 있는 것입니다.

이 그래프에서는 본인이 설계하는 회로의 부하 전류에 대해 얻어지는 효율을 이미지화할 수 있으므로, 효율 곡선은 전원 IC 선택 시의 중요한 체크 포인트이기도 합니다.

・파형 해석 방법

데이터시트에는 그래프뿐만 아니라, 동작 시의 파형 등이 제시되어 있는 경우가 있습니다. 그 개념은 기본적으로 그래프와 동일하며, 규격치표로 나타내기 어려운 특성을 제시하는 것이 목적입니다.

오른쪽 파형에서 나타내는 것은, 오실로스코프의 화면에 표시되는 파형 자체입니다. 세로축은 전압, 가로축은 시간이며, 스위칭 노드의 ON / OFF 파형과 출력 시 나타나는 리플 전압을 제시하는 것입니다.

출력전압 파형에서는 리플 전압을 파악할 수 있습니다. 자세히 보면 스위칭 파형이 High일 때 리플이 상승하고, Low일 때는 강하하는 것을 알 수 있습니다. 또한, 리플 주파수도 기본적으로는 스위칭 주파수와 동일, 즉 동기화되어 있음을 알 수 있습니다.

물론, 이 역시 표준적인 특성입니다. 표준이라는 의미로는 본인이 설계하는 회로의 동일한 노드 파형과 비교하여, 최적화를 위한 비교 대상으로서 이용할 수 있습니다.

하기에 그래프와 파형을 해석하는 방법의 포인트를 정리하였습니다.

◆그래프 및 파형이, 규격치에 없는 특성을 보충하는 경우가 있으므로 반드시 확인한다.

  • 규격치표의 원포인트 수치를 보완하는 연속적인 특성을 확인할 수 있다.
  • 온도 등 변동하는 조건에 따른 규격치의 변동을 확인할 수 있다.
  • 규격치에 없는 특성 (상기 예에서는 출력 리플과 효율)도 제시되어 있어, 최적화를 위한 비교 대상으로서 이용 가능하다.
  • 그래프의 수치는 보증치가 아니며, 표준치와 같이 취급한다.

키 포인트

・전원 설계를 위해서는 전원 IC의 데이터시트를 잘 이해해야 한다.

・그래프나 파형이 규격치에 없는 특성을 보충하는 경우가 있으므로 반드시 확인한다.

・규격치의 수치는 지정 조건에 해당하는 수치로, 연속적인 변화를 나타내는 것이 아니므로 그래프를 이용한다.

・그래프 및 파형 데이터에서 파악 가능한 수치는 기본적으로 표준치이며 보증치는 아니다.

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