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2020.12.23 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 평가:효율 측정

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

「스위칭 레귤레이터의 평가」를 테마로, 「출력전압」, 「로드 레귤레이션」, 「부하 응답의 검토 및 측정 방법」, 「인덕터 전류의 측정」에 대해 설명했습니다. 이번에는 다섯번째로 「효율의 측정」에 대해 설명하겠습니다.

스위칭 레귤레이터의 효율이란?

먼저, 스위칭 레귤레이터 효율의 정의 및 개념에 대해 복습하겠습니다.

스위칭 레귤레이터의 효율은 % (퍼센트)로 나타내는 것이 일반적입니다. 소수점으로 나타내도 무방하지만, 여기에서는 %로 설명하겠습니다. 효율은 하기 식으로 구할 수 있습니다.

보시는 바와 같이 단순하게 「입력된 전압」에 대해 「출력된 전력」의 비율입니다. 예를 들어, 「효율 90%」는 입력된 전력의 90%가 출력으로 이용 가능하다는 의미이며, 10%는 손실이 되어 주로 열로 변환된 후 소멸됩니다. 스위칭 레귤레이터 즉 DC/DC 컨버터 및 AC/DC 컨버터는 전력 변환을 하므로 이해하기 쉬울 것입니다. 물론, 전압 변환을 하는 LDO 레귤레이터와 같은 리니어 레귤레이터의 효율도 동일한 계산 식을 통해 전력으로 산출합니다.

입력전력은 입력전압×입력전류, 출력전력은 출력전압×출력전류입니다. 따라서, 어떤 항목을 측정하면 효율이 판명되는지는 명백하게 알 수 있습니다.

측정 및 검토

측정 자체는 비교적 간단합니다. 원칙적으로 평균 전력을 측정하여 평균 전력으로 계산합니다. 스위칭 레귤레이터의 출력에는 기본적으로 리플이 존재하여, 출력전압과 출력전류는 리플에 따라 변동합니다. 입력에 있어서도 리플이 존재하는 케이스가 있지만, 결과적으로 리플을 동반하는 피크치가 아닌 평균치를 측정합니다. 평균 전력의 측정은 특별히 어렵지는 않습니다. 오실로스코프를 사용하지 않고도, 전압계나 전류계를 사용하여 측정한 수치가 자동적으로 평균치가 됩니다.

그 이외에 출력 부하가 필요합니다. 정상적인 평균 전류를 측정하므로, 전자 부하나 저항을 이용할 수 있습니다.

측정은 전압계와 전류계를 이용하면 되지만, 출력 부하의 경우 급전하는 회로의 최저치, 표준치, 최대치 등 몇가지 항목을 측정하고, 경우에 따라서는 그래프 작성도 필요합니다. 입력전압 역시 예상되는 범위의 변동을 반영하며, 주위 온도도 변화시키면서 측정합니다.

측정 시에는 입출력을 오실로스코프로 모니터링하면서 실시하면, 부하 및 접속된 계측기의 영향으로 인한 비정상적인 현상의 발생 여부를 파악할 수 있습니다. 발진 등이 발생한 경우, 전압계 및 전류계로 측정한 평균치는 평가 가능한 데이터라고는 할 수 없습니다. 또한, 최대 부하에서는 IC나 기타 부품에 비정상적인 발열이 발생하지는 않았는지 확인해야 합니다. 고온에서의 측정은, 상온에서 충분한 효율이 얻어지는 것을 확인한 후, 어느 정도 정밀도를 지닌 온도 관리 환경에서 실시합니다. Tj의 최대 정격을 초과하게 되면, 회로 및 동작에 문제가 없더라도 비정상적인 현상이 발생하고, 최악의 경우에는 파손되기도 하므로, 충분한 주의가 필요합니다.

측정한 효율의 검토 시에는, 먼저 데이터시트에 게재되어 있는 효율 그래프를 참조하는 것이 좋습니다. 회로나 부품은 데이터시트의 표준 예를 바탕으로 하는 경우가 많으므로, 효율 곡선도 기본적으로는 유사한 경향을 나타냅니다. 비교의 의미로는 데이터시트의 그래프 조건과 동일한 조건에서 측정해보는 방법도 있습니다. 또한, 메이커에서 제공하는 평가 보드와의 비교도 좋은 방법입니다. 이러한 경우에는 외장 부품 등이 다르다면 동일한 것으로 대체하여 측정해야 합니다.

하기에 포인트를 정리하였습니다.

  • 효율은 평균 전력으로 계산한다. (리플의 피크치는 사용하지 않는다.)
  • 전압계 / 전류계를 이용함으로써 평균치를 얻을 수 있다.
  • 상정되는 입력 범위, 부하 (출력) 전류, 주위 온도와 같은 변동 요인을 반영하여 측정한다.
  • 오실로스코프로 모니터링하면서 측정하는 방법도 유용하다.
  • 최대 부하에서의 측정 시에는, 비정상적인 동작이나 발열에 주의한다.
  • 평가 시에는 데이터시트의 효율 그래프를 참조한다.

예상보다 효율이 낮은 경우

검토 결과, 「비정상적인 동작은 하지 않지만, 생각보다 효율이 낮다」는 결론에 도달한 경우, 어떤 부분이 효율을 낮추는지를 파악하여 조정해야 합니다. 이를 위해서는, 경험을 바탕으로 손실이 발생하는 부분이나 부품을 파악해두면, 유효하고 신속한 대응이 가능해집니다.

손실은 회로 내부의 전력을 소비하는 모든 부분에서 발생하지만, 주요 손실 원인으로는 I2R 손실, 스위칭 손실 및 자기 소비전류 손실, 전환 손실 등이 있습니다.

I2R 손실은 내장 파워 트랜지스터의 ON 저항과 외장 인덕터의 직렬 저항에 의존하여 발생합니다. 따라서, 파워 트랜지스터의 ON 저항과 인덕터의 직렬 저항이 충분히 낮은지를 확인합니다.

스위칭 손실 및 자기 소비전류 손실은 IC 내부의 파워 트랜지스터의 게이트 드라이브 전류와 제어 회로가 필요로 하는 전류입니다. 파워 트랜지스터 내장 타입 IC의 경우에는 파워 MOSFET를 게이트 전하에 따라 선택할 수는 없으므로, 기본적으로 IC로서의 소비전류가 작은 것을 선택하거나 소비전류를 증가시키지 않는 부품 정수를 선택해야 합니다.

전환 손실은 High-side 파워 MOSFET가 전환 중에 단시간 포화되기 때문에 발생합니다. 또한, 데드 타임 구간의 도통 손실도 잘 알려진 손실입니다. 이러한 손실은, IC 내부에서 고정되어 있으므로, 대부분의 경우 조정이 불가능합니다. 조정 가능한 기타 손실로는 인덕터의 코어 손실, 기판 배선 저항 등이 있지만, 손실 전체로 보면 미미한 수치입니다.

이와 같이 개선을 위한 포인트는 있지만, 전원 IC에 의존하는 비율이 높아집니다. 특히, 파워 트랜지스터 내장 타입의 경우, 외장 부품의 확인 이외에는 할 수 있는 개선책이 거의 없습니다. 물론, 전원 IC는 고도의 제어를 통해 최적화되어 있으므로, 기본적으로 베스트 특성이 얻어지게 됩니다.

반대로 표현하자면, 타겟 효율을 얻을 수 있는 IC를 선택하는 것이 매우 중요합니다.

그렇지만, 방법이 아예 없는 것은 아닙니다. BD9A300MUV를 예로 들어보겠습니다.

<BD9A300MUV 사용 회로의 효율이 기대보다 낮은 원인의 예>

경부하 시 (10mA 이하)

  • PGD (Power Good) 및 EN (Enable)을 입력전압으로 풀업하고 있다.
  • 피드백 저항에 작은 정수 (100Ω 이하)를 사용하여 무효 전류가 발생하고 있다.

중부하 시 (1A 이상)

  • DCR이 큰 인덕터를 사용하고 있다.
  • ESR이 큰 콘덴서를 사용하고 있다.
  • 주위 온도 상승, IC 및 인덕터 자체의 발열로 인해 DCR의 증가, 출력 트랜지스터의 ON 저항 증가, 인덕터의 인덕턴스 감소, 특성의 악화가 발생하고 있다.

효율 측정에 관한 설명을 마지막으로 「스위칭 레귤레이터의 평가」 편을 마치도록 하겠습니다.

키 포인트

・스위칭 레귤레이터의 효율은 입력전력에 대한 출력전력의 비율 (%)이다.

・평균 전력으로 계산한다.

・파워 트랜지스터 내장 타입 IC의 경우, 손실의 대부분이 IC로 인한 손실이며, 외장 부품 등의 손실은 무시할 수 있는 레벨이다.

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