스위칭 주파수를 높여 소형화를 검토할 때의 주의점

지난 편에서는 여러 조건에 따른 손실 요인에 대해 설명했습니다. 이제, 어플리케이션의 요구 사양에 대응하기 위해, 동작 등을 검토할 때 주의해야 할 손실 요인과 그 대응책에 대해 설명하겠습니다.

스위칭 주파수를 높여 어플리케이션의 소형화를 검토할 때의 주의점

스위칭 방식의 DC-DC 컨버터 회로에 있어서, 스위칭 주파수를 높이면 외장 인덕터 및 콘덴서의 값을 작게 할 수 있습니다. 결과적으로 더 작은 형상, 패키지의 인덕터 및 콘덴서를 사용할 수 있으므로, 회로가 필요로 하는 실장 면적이 작아져 기기의 소형화가 가능해집니다. 이러한 방법은 소형 휴대기기에서 자주 검토되는 방법입니다.
 

지난 편에서 설명한 바와 같이, 스위칭 주파수 f_SW에 영향을 받는 손실 요인으로서 ①게이트 차지 손실, ②스위칭 손실, ③데드 타임 손실이 있습니다.

그럼 스위칭 주파수를 높이면, 실제로 얼마나 손실이 증가하는지 계산해보겠습니다. 조건은 「전원 IC의 전력 손실 계산 예」에서 사용한 오른쪽 조건을 사용하겠습니다. 스위칭 주파수는 0.1MHz에서 2MHz로 높입니다.

하기에 각 계산식과 실제 계산치를 정리하였습니다. 게이트 차지 손실은 H와 L을 합한 값입니다.

＜주파수 가 높아짐에 따라 커지는 손실 요인＞

①게이트 차지 손실

②스위칭 손실

③데드 타임 손실

스위칭 주파수 f_SW가 0.1MHz에서 2MHz로 20배 빨라졌으므로, 계산식과 같이 세가지 손실 전력 모두 단순히 20배가 됩니다. 그러나, 전체의 손실 전력에서 각각의 비율을 고려하면, ②스위칭 손실과 ③데드 타임 손실이 지배적으로 영향을 미치는 것을 알 수 있습니다. 하기는 스위칭 주파수에 대한 각각의 손실을 그래프로 나타낸 것입니다.

전체 손실을 구체적인 수치로 나타내면, 스위칭 주파수가 0.1MHz일 때는 0.632W, 1MHz일 때는 1.208W, 2MHz일 때는 1.848W로, 스위칭 주파수가 높아짐에 따라 증가하는 것을 알 수 있습니다.

효율을 계산하면, 출력전력은 10W (5V/2A), 입력전력은 출력전력 ＋ 손실 전력이므로, 0.1MHz일 때는 94.1%, 1MHz일 때는 약 89.2%, 2MHz일 때는 84.4%로, 실제로도 있을 법한 1MHz에서 2MHz로의 변경 시에는 4.8%의 효율 저하가 발생하게 됩니다.

고찰 및 대응책

스위칭 주파수를 높이면 작은 사이즈의 외장 인덕터와 콘덴서를 사용할 수 있으므로, 전원 및 어플리케이션의 소형화를 실현할 수 있습니다. 그러나, 스위칭 주파수의 고속화로 인해, 스위칭 손실과 데드 타임 손실이 증가하여 효율이 저하됩니다. 즉, 스위칭 주파수의 고속화에 따른 소형화와 손실 증가 (효율 저하)는 트레이드 오프 관계라고 할 수 있습니다.

이에 대한 대응책으로는, 어플리케이션의 요구를 바탕으로 허용 가능한 손실 (효율)과 사이즈에 맞추어 스위칭 주파수를 설정하는 것입니다. 사이즈를 최우선으로 하는 경우에는 가장 빠른 스위칭 주파수, 효율을 최우선으로 한다면 가장 느린 스위칭 주파수를 선택하면 되지만, 대부분의 경우 사이즈와 효율의 밸런스를 맞춘 타협안으로 대응하게 됩니다.