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2020.11.11 DC/DC

전원 IC의 데이터시트 구성 : 허용 손실

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

전원 IC를 비롯하여 모든 IC를 사용하는 경우에는 최대 정격인 Tjmax (최대 접합부 온도 / Junction 온도)를 넘지 않도록 열에 대해 검토하고, 경우에 따라서는 방열 설계를 해야 합니다. 특히 전원 IC 등 대전력을 취급하는 IC나 트랜지스터의 경우 필수 검토 사항입니다. 이번 편에서는 「전원 IC의 데이터시트 구성」의 마지막 편으로서 「허용 손실」에 대해 설명하겠습니다.

지금까지 「데이터시트의 표지」, 「블록도」, 「절대 최대 정격과 권장 동작 조건」, 「전기적 특성의 요점」, 「특성 그래프, 파형 해석 방법」, 「응용 회로 예」, 「부품 선정」, 「입력 등가 회로」에 대해 설명했습니다. 모든 항목이 데이터시트를 이해하고 설계를 문제없이 진행하기 위한 힌트가 되는 내용이므로, 전체 항목을 참조하여 주십시오.

허용 손실
IC의 허용 손실이란, 해당 IC가 성능을 유지할 수 있는 온도를 넘지 않는 최대 소비전력을 뜻합니다. 예를 들어 어떤 전원 IC의 허용 손실이 「1.2W」인 경우, 단순히 해당 조건에서의 손실 전력이 1.2W를 넘지 않으면 됩니다.

계산이 간단한 LDO 레귤레이터를 예로 들면 하기와 같습니다.

   입력이 5V, 출력이 3.3V, 입력전류 (자기 소비 + 부하)가 0.7A인 경우 : (5V-3.3V)×0.7A=1.19W

계산 결과 1.19W이므로, 「겨우 만족!」했다고 판단할 수 있습니다. 그러나, 실제로는 조금 더 꼼꼼하게 검토해야 합니다.

기본적으로 허용 손실은 그래프를 통해 제시되어 있는 경우가 많습니다. 하기는 허용 손실 그래프의 예입니다.

먼저 그래프의 ①2.66W 곡선을 보면, 25℃까지는 2.66W를 허용할 수 있지만, 그 이상의 조건에서는 직선적으로 허용 손실이 감소하여 이 IC의 최대 동작 온도인 Ta=85℃에서는 1.4W 정도를 허용할 수 있음을 알 수 있습니다.

①~④는 기판과 면적의 조건을 제시하여, 실장 조건에 따라 허용 손실이 달라짐을 나타냅니다. 또한, 해당 조건에서의 열 저항 θj-a도 제시되어 있습니다. 최근에는 대부분의 전원 IC가 표면 실장 패키지로, 실장 조건에 따라 허용 손실이 크게 달라지므로, 이러한 상세 조건의 제시는 매우 유용합니다.

이러한 조건이 제시되어 있다면, 자신의 설계에 가장 가까운 조건에서의 허용 손실을 「참고」하면 됩니다. 어디까지나 「참고」로만 사용하여 주십시오. 「참고」라는 단어를 강조하는 이유에 대해서는 마지막에 설명하겠습니다.

예를 들어, ②의 기판 조건이 자신의 설계에 가장 가깝고, 실장 기판에서의 Ta의 상한이 50℃라고 하면, 1.4W 정도의 손실은 허용 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 상기의 LDO 레귤레이터의 예에서는 0.8A 정도가 가능하게 됩니다. 스위칭 레귤레이터의 경우는 조금 계산이 번거롭지만, 효율 (출력전력 / 입력전력)을 측정할 수 있다면 1에서 효율을 뺀 값이 손실이 됩니다. 파워 트랜지스터 내장 타입이라면 이러한 식으로 구할 수 있지만, 파워 트랜지스터 외장 타입인 경우에는, 제어 IC만의 손실을 계산 (측정)할 필요가 있습니다. 물론 전원 회로로서 외장 파워 트랜지스터의 열 계산은 필수입니다.

이 그래프를 조금 더 자세히 살펴보면 하기의 의문점을 떠올릴 수 있을 것입니다.

   (1) 0℃~25℃까지는 왜 허용 손실이 같은가?   
   (2) Ta=150℃에서 허용 손실이 0W라는 의미는??

이론적으로 (1)은 이상합니다. 주위 온도가 낮아지면 계산상으로는 손실 전력을 증가시킬 수 있기 때문입니다. (2)에서는 Tjmax가 150℃라는 것을 알 수 있습니다. 손실을 전혀 허용할 수 없기 때문에 발열은 zero, 즉 Ta=Tj의 조건입니다.

Tjmax를 그래프에서 파악할 수 있고, θj-a도 제공되어 있으므로, ①의 조건을 예로 계산해보겠습니다.

   Tj=θj-a×PD+Ta에서 47.0℃/W×2.66W (@ Ta=25℃)+25℃=150℃ ←Tjmax의 조건

   150℃=47.0℃/W×?W (@ Ta=0℃)+0℃에서 3.19W ←0℃에서는 계산상 이정도의 손실을 허용할 수 있을 것입니다.

실제로 이러한 내용에는 여러 설이 있지만, 일반적으로 실온을 25℃라고 가정하면 무통전 시에도 Tj는 25℃이며, 2.66W 이상의 설정인 경우 통전된 순간에 Tjmax를 초과할 우려가 있으므로, 25℃ 이하의 허용 손실은 25℃의 수치를 적용하는 것이 안전하다는 의미일 것입니다. 물론 25℃ 이상을 넘지 않는 추운 지역도 있기는 하지만, 이는 매우 특수한 조건으로, 확증만 있다면 허용 손실을 계산치와 맞추어도 무방할 것입니다.

조금 주제에서 벗어나기는 했지만 강조하고자 하는 것은, 제공되어 있는 허용 손실 그래프를 이용하는 것에는 별다른 문제가 없지만, Tj를 구하는 기본식에 따라 반드시 확인하는 것이 중요하다는 점입니다. 또한, 계산 결과에 대해서는 실측을 통해 검증해야 합니다.

허용 손실 그래프의 수치와 계산 결과가 일치하지 않는 그래프를 본적이 있습니다. 이는 이미 디레이팅된 수치를 허용치로 한 경우일 것입니다. 반대로, 제공된 허용 손실치가 Tjmax와 일치할 경우, 해당 손실 조건에서 사용하게 되면, 신뢰성의 관점에서는 최악의 조건에서 사용하는 것과 마찬가지이므로 동작 수명이 짧아집니다. 따라서 통상적으로는 디레이팅 즉 마진을 취하게 됩니다. 이를 위해서는 제시되어 있는 정보의 근거를 어느 정도 확인할 필요가 있습니다.

마지막으로 앞서 기술한 「참고」라는 단어를 강조한 이유에 대해 설명하겠습니다. 실제로, 데이터시트에 제시되어 있는 기판의 조건이 자신의 설계와 일치하는 경우는 희박합니다. 대부분은 「거의 비슷」하다거나, 「이것보다는 좋고 저것보다는 나쁘다」는 비교 기준이 됩니다. 또한, 근접하여 파워 디바이스가 배열된다거나, 냉각 조건 (팬 등), 하우징이나 설치 장소의 관계 등에 따라, 방열, 열 저항, Ta는 상당히 불확정적인 팩터가 되므로 너무 복잡하여 계산으로는 완벽하게 검증할 수 없는 경우도 있습니다. 따라서, 제공된 정보를 바탕으로 검토와 계산을 통해 확인하고, 최종적으로는 실측을 통해 확인하는 프로세스가 매우 중요합니다. 특히 최근에는 실장의 고밀도화에 따라 방열 스페이스 및 방열기 등을 생각만큼 이용할 수 없는 경우가 있습니다. 전원 설계에 있어서 열의 검토와 열 설계는 많은 검토가 필요하다는 점을 이해해야 합니다.

키 포인트

・IC를 사용할 경우 Tjmax를 초과하지 않음을 확인한다. 특히 고전력의 전원 IC는 열 설계가 필수이다.

・허용 손실, 패키지 열 저항, 디레이팅 등 제시되는 조건에는 몇가지 종류가 있지만, 최종적으로는 자기 발열과 주위 온도의 합이 Tjmax를 넘지 않도록 한다.

・데이터시트에서 제공되는 허용 손실 및 열 저항은 특정 조건에서의 수치이며, 자신의 설계 조건과는 일치하지 않는 경우도 많으므로 참고치로서 활용하고, 반드시 실제 기기에서의 확인을 실시한다.

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