출력전류가 큰 어플리케이션을 검토할 때의 주의점 1

지난 편에서는 입력전압이 높아짐에 따라 손실이 증가하는 부분과 주의점 및 대응책에 대해 설명했습니다. 이번에는 출력전류가 큰 어플리케이션을 검토할 때의 주의점에 대해 설명하겠습니다.

출력전류가 큰 어플리케이션을 검토할 때의 주의점 1

지금까지 사용해온 조건에서, 출력전류가 1A에서 5A까지 확대되는 사양을 가정합니다.

출력전류가 커짐에 따라 증가하는 손실은 Low-side 및 High-side MOSFET의 ON 저항 손실, 스위칭 손실, 데드 타임 손실, 그리고 인덕터의 DCR 손실입니다.

하기는 「손실 요인」 편에서 게재한 각 손실의 계산식입니다.

＜출력전류 가 커짐에 따라 증가하는 손실 요인＞

・High-side MOSFET의 ON 저항 로 인한 전도 손실

  

・Low-side MOSFET ON 저항 로 인한 전도 손실

  

・스위칭 손실

  

・데드 타임 손실

  

・인덕터 (코일)의 DCR 로 인한 도통 손실

  

식에서 알 수 있듯이, 특히 MOSFET의 ON 저항과 인덕터의 DCR로 인한 손실이 커지게 됩니다. Io가 제곱이 되므로 1A일 때는 1이지만, 5A일 때는 25가 되어 다른 손실에 비해 계수로서는 5배가 됩니다. 하기는 Io가 1A~5A로 변화하는 경우의 각 손실을 나타낸 그래프입니다.

고찰 및 대응책

MOSFET의 ON 저항으로 인한 도통 손실이 큰 손실 증가 요인이 되므로, 스위치인 MOSFET를 외장하는 컨트롤러 IC로 구성하는 경우에는 ON 저항이 낮은 MOSFET를 선택합니다. MOSFET 내장 타입 IC인 경우에는 동일한 관점에서 내장 MOSFET의 ON 저항이 작은 IC를 선택해야 하지만, 개별 MOSFET와 같이 선택지가 넓지 않으므로 전체적인 손실을 비교하여 선정해야 합니다.

인덕터의 DCR 손실도 크므로, DCR이 작은 인덕터를 선택해야 합니다. IC 베이스의 전원 회로인 경우, 기본적으로 인덕터는 외장이므로 MOSFET 외장 타입과 내장 타입 모두 개념은 동일합니다.

스위칭 손실에 관해서는 tRISE와 tFALL이 빠른, 즉 MOSFET의 스위칭이 빠른 제품이 유효합니다. 기본적으로는 Qg가 낮은 MOSFET를 선택합니다. 또한, 컨트롤러 IC의 게이트 구동 능력이 높은 제품도 유효하지만, 본 설계 사례에서는 IC 자체가 조건이 됩니다. MOSFET 내장 타입 IC 중에는 고속 스위칭을 특징으로 하는 제품도 있습니다.

이번 조건 설정에서는 스위칭 주파수에 변동이 없는 것이 전제이지만, 손실을 저감하기 위해 스위칭 주파수를 낮추는 방법도 있습니다. 단, 이는 인덕터의 사이즈와 트레이드 오프 관계가 있으므로 주의해야 합니다. 「스위칭 주파수를 높여 소형화를 검토할 때의 주의점」 편을 참조하여 주십시오.

데드 타임 손실은, 데드 타임 중에 Low-side MOSFET의 바디 다이오드 순방향 전압 VF와 Io에서 발생하는 손실이므로, 이론적으로는 데드 타임을 짧게 하고, 바디 다이오드의 VF가 작은 MOSFET를 사용하게 됩니다. 그러나, 데드 타임은 대부분의 경우 컨트롤러 IC에서 최적화된 값으로 설정되어 있어 조정이 불가능하므로, 데드 타임에 따라 제어 IC를 선택하는 것은 현실적이지 않습니다. 또한, MOSFET에 있어서도 바디 다이오드의 VF가 작은 제품을 현실적으로 찾을 수 없습니다. 데드 타임 손실을 허용할 수 없는 경우에는 Low-side MOSFET의 드레인－소스 사이에 VF가 작은 다이오드, 예를 들면 쇼트키 다이오드를 추가하여 VF를 낮추는 방법이 있습니다. 그리고, 이번 조건에서는 벗어나지만, 스위칭 주파수를 낮추는 방법도 있습니다.

결과적으로 ON 저항이 낮은 MOSFET를 사용하여 스위칭 속도를 높이고, DCR이 낮은 인덕터를 선택해야 합니다. 단, MOSFET 선택 시에는 그 이외에도 검토해야 하는 사항이 더 있습니다. 자세한 내용은 다음 편에서 설명하겠습니다.