DC-DC｜평가편

정리

2021.07.28

10회에 걸친 DC-DC 컨버터 평가편 「손실의 검토」는, 본 편에서 최종 정리하고 마무리하겠습니다. 지금까지, 동기정류 방식 강압 컨버터의 손실 부분을 구분하여 각각의 손실을 계산하고, 각 손실의 합계를 통해 총 손실을 산출하는 방법에 대해 설명했습니다. 또한, 패키지 선택을 위한 열 계산, 그리고 스위칭 주파수, 입력전압, 출력전류 변동 시 주의해야 할 손실 요인 등, 실질적인 손실 검토의 방법도 제시했습니다. 전원에는 고효율, 즉 저손실이 필수 요건이므로, 설계 시 본 테마의 내용을 활용하여 주십시오.

손실의 검토

서론

키 포인트:

・손실은 그 자체가 발열로 변환되므로, 부품 및 기기의 신뢰성을 저하시킨다.

・기기의 안전성과 신뢰성을 높이기 위해서는 열 설계가 매우 중요하다.

・전원 회로의 손실 발생 부분, 원인, 대응 방법에 대해 검토한다.

정의와 발열

키 포인트:

・손실은 입력전력과 출력전력의 차이, 또는 효율의 역수이다.

・Junction 온도는 주위 온도+발열, 발열은 손실×열 저항 (θj-a)이다.

・손실은 열로 변환되므로 중요한 검토 사항이다.

동기정류 강압 컨버터의 손실

키 포인트:

・동기정류 강압 컨버터의 손실은, 각 부분에서 발생하는 손실의 합계이다.

동기정류 강압 컨버터의 도통 손실

키 포인트:

・동기정류 강압 컨버터에서 MOSFET의 도통 손실은, ON 저항과 ON 시의 전류 및 ON 구간을 바탕으로 산출한다.

동기정류 강압 컨버터의 스위칭 손실

키 포인트:

・동기정류 강압 컨버터의 스위칭 손실은, 스위칭의 전환 시간과 해당 구간에서의 전력 및 스위칭 주파수를 바탕으로 산출한다.

동기정류 강압 컨버터의 데드 타임 손실

키 포인트:

・데드 타임 손실이란, 데드 타임 중에 Low-side 스위치 (MOSFET)의 보디 다이오드의 순방향 전압과 부하 전류에서 발생하는 손실이다.

・데드 타임은 동기 스위치의 관통 전류를 방지하기 위해 의도적으로 설정한다.

동기정류 강압 컨버터의 제어 IC 소비전력 손실

키 포인트:

・제어 IC의 자기 소비전력으로 인한 손실은 경부하 시의 효율에 큰 영향을 미친다.

・손실 계산은 전원전류와 전원전압의 곱셈으로 매우 간단하다.

・측정 조건은 해당 IC의 데이터시트를 참조한다.

동기정류 강압 컨버터의 게이트 차지 손실

키 포인트:

・게이트 차지 손실은 MOSFET의 Qg (게이트 총 전하량)로 인한 손실이다.

・MOSFET의 Qg가 동일한 경우, 손실은 주로 스위칭 주파수에 의존한다.

인덕터의 DCR로 인한 도통 손실

키 포인트:

・인덕터의 DCR (직류 저항)과 출력전류로 인한 도통 손실이 발생한다.

전원 IC의 전력 손실 계산 예

키 포인트:

・전원 IC의 전력 손실은 개별 부분 손실의 합계이다.

・계산 시, 어떤 값을 사용할지에 대해서는 다양한 관점이 있지만, 확인을 위해 최악의 조건일 때의 손실을 계산해 두어야 한다.

손실의 간이 계산 방법

키 포인트:

・전원 IC의 데이터시트에 효율 곡선이 제공되어 있는 경우, 대략적인 손실을 계산할 수 있다.

패키지 선정 시의 열 계산 예 1

키 포인트:

・손실 산출은 열 설계를 실시하기 위함이다.

・Tj가 절대 최대 정격을 초과하지 않도록 방열 대책을 실시한다.

패키지 선정 시의 열 계산 예 2

키 포인트:

・손실 산출은 열 설계를 실시하기 위함이다.

・Tj가 절대 최대 정격을 초과하지 않도록 방열 대책을 실시한다.

손실 요인

키 포인트:

・동작 조건에 따라 전체적인 손실을 구성하는 특정 부분에서의 손실이 커진다.

・손실 계산식을 통해 그 요인을 이해함으로써, 사양 및 조건 변경 시의 주의점을 알 수 있다.

스위칭 주파수를 높여 소형화를 검토할 때의 주의점

키 포인트:

・스위칭 주파수를 높이면 전원 및 어플리케이션의 소형화가 가능하지만, 손실이 증가하여 효율이 저하된다.

・증가하는 손실 중, 스위칭 손실과 데드 타임 손실의 영향이 크다.

・스위칭 주파수의 고속화에 따른 소형화와 손실 증가 (효율 저하)는 트레이드 오프 관계이다.

・대부분의 경우, 사이즈와 효율의 밸런스를 맞춘 타협안으로 대응한다.

입력전압이 높은 어플리케이션을 검토할 때의 주의점

키 포인트:

・입력전압이 높아지는 경우, 스위칭 손실의 증가가 커진다.

・스위칭 손실이 증가하므로, MOSFET의 정격 전압, 허용 손실을 개선할 필요가 있다.

・tr과 tf가 더 빠르고, ON 저항과 Qg가 낮은 MOSFET를 검토한다.

・전원 사양에 있어서 스위칭 주파수를 낮출 수 있다면 낮춘다. fSW를 반으로 낮추면, 손실이 반으로 줄어든다.

・스위칭 트랜지스터 내장 타입 IC의 경우, IC 자체를 재검토해야 한다.

출력전류가 큰 어플리케이션을 검토할 때의 주의점 1

키 포인트:

・출력전류를 높이는 경우에는 MOSFET의 ON 저항, 스위칭, 데드 타임, 인덕터의 DCR 손실이 증가한다.

・ON 저항이 낮은 MOSFET를 선택하여 스위칭 속도를 높이고, DCR이 작은 인덕터를 사용한다.

・컨트롤러 IC의 데드 타임은 대부분 조정이 불가능하다.

・MOSFET 선정 시에는 ON 저항 이외에도 검토해야 하는 사항이 있다. (2편 참조)

출력전류가 큰 어플리케이션을 검토할 때의 주의점 2

키 포인트:

・출력전류를 높이는 경우에는 ON 저항이 낮은 MOSFET를 선택하여 스위칭 속도를 높이고, DCR이 작은 인덕터를 사용한다.

・고내압 저 ON 저항 MOSFET는 Qg가 커지는 경향이 있으므로, Qg의 증가에 따른 게이트 차지 손실의 증가를 회피하기 위해, ON 저항과 Qg가 낮은 MOSFET를 선택한다.

・Qg가 낮은 MOSFET는 스위칭 속도가 빨라지는 경향이 있으므로, 스위칭 노이즈 증가에 주의해야 한다.

【자료 다운로드】 강압 DC-DC 컨버터 손실의 검토

동기정류 방식 강압 DC-DC 컨버터의 손실을 이해하기 위한 핸드북입니다. 손실의 정의, 발열과의 관계, 회로 각 부분에서의 손실 산출 계산식, 열 계산 예, 어플리케이션과 손실의 관계 등을 정리한 자료입니다.

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