산업 전력 딜레마를 해결하는 고전압 동기식 레귤레이터

고전압, 고출력 전류 동기식 전압 레귤레이터는 전력 모듈에서 초소형, 고효율, 간편한 설계를 가능하게 한다. 현재 적합한 부품 선택은 제한되어 있지만, 가까운 미래에는 전력 출력 전체에 걸쳐 일반 시스템의 모든 DC-DC 전압 변환 요구사항을 다룰 수 있을 만큼 확장될 것이 분명하다. 새로운 세대의 동기식 레귤레이터는 산업 전력 딜레마를 해결함으로써 엔지니어가 산업 자동화 시스템 동작을 최적화하는 데 집중할 수 있게 한다.

Viral Vaidya   Maxim Integrated


산업 자동화 시스템을 설계할 경우, 다음과 같이 서로 상충되는 고유의 과제가 나타난다. 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)나 I/O 모듈과 같은 시스템 부품들을 탑재하기 위해 저가 모듈식 랙을 도입할 경우, 엔지니어는 심각한 공간 및 열 제약 문제와 부딪치게 된다. 이러한 과제는 먼지, 습도, 진동 등이 존재하는 열악한 환경에서 신뢰성 높은 동작을 보장해야 할 경우 더욱 복잡해진다.
더욱이 고객은 새로 나오는 자동화 시스템에서 전력 소모나 장치 크기, 발열, 비용 등이 상승하지 않고 기능만 향상되기를 기대한다. 이러한 기능 향상은 통상적으로 전자기기 기술의 혁신에 의해 뒷받침되지만, 더 엄격해지는 전력 허용오차와 완벽하지 않은 주 전원에서 전력을 가져오면서 안정적인 수준을 유지해야 하는 전압 레벨 확장과 같은 문제를 초래한다. 그러나 엔지니어들은, 고객의 눈에는 띄지 않으면서 종종 소중한 공간이 낭비된다고 생각하는 전원 장치 설계에 아까운 프로젝트 시간을 쓰고 싶어하지 않는다. 대신 엔지니어들은 자동화 시스템을 경쟁 시스템과 명확히 차별화시키는 작업에 집중하려고 한다.
반도체 업체들은 전원 장치의 핵심적인 기능들이 단일 디바이스에 통합된 모듈을 내놓음으로써, 산업 자동화 시스템 설계자들의 상충하는 요구에 대응해 왔다. 그러나 산업 자동화 시스템에서 12V, 24V 또는 48V DC 전원으로 동작하도록 설계된 모듈은 주 전원에 손상을 입힐 수 있는 전압 스파이크를 견디도록 하기 위해, 전압 클램프나 비동기식 스위칭 기술을 사용한다. 이 두 가지 해결책을 사용할 경우 시스템 엔지니어라면 피하고 싶은, 즉 부피가 크고 비싸면서 효율은 떨어지는 전력 시스템으로 이어진다.
그러나 최근 혁신적인 칩 설계와 최신 실리콘 제조 기법을 이용한 새로운 세대의 전력 디바이스가 출시됐다. 새로운 전원 장치는 동기식 스위칭 기술을 통합하며, 예전에는 불가능하다고 생각됐던 최대 60V 전압 스파이크를 견딜 수 있을 뿐만 아니라 최대 3.5A를 공급할 수 있다. 이러한 기능은 효율을 향상시켜 발열과 전력 소모를 감소시키고 부품의 풋프린트를 줄이면서 외부 부품 수를 제한하므로, 산업 자동화 시스템 전원 장치를 쉽게 설계하도록 한다.

산업 제어 구조

24V DC가 대부분인 산업 제어 애플리케이션에서 특히 PLC를 사용하는 경우 실질적인 전압으로 자리잡고 있다면, 12VDC 역시 배터리 백업 전압 또는 태양광(PV) 패널과 같은 대안적인 에너지원에 의해 공급되는 전원으로 많이 이용된다. 최근 도입되고 있는 PoE(Power-over-Ethernet)의 경우 산업 자동화 제조업체들이 이러한 표준에 의해 규정된 48V DC 전원으로 동작하는 장비를 설계하도록 촉진시켰다.
24V DC 전원을 사용하는 일반적인 산업 제어 시스템은 그림 1과 같다. 시스템은 센서에서 정보를 수신하거나 액추에이터로 명령을 전송하는 I/O 모듈, 멀티채널 디지털 입력, 멀티채널 아날로그 입출력, 통신 기능 및 디지털 버스에 의해 연결된 프로세서(CPU)로 구성된다. PLC는 일반적으로 컴퓨팅 엔진을 제공한다. 전력은 주 전원에서 공급되어 24V DC로 스텝 다운된 다음 백플레인을 통해 분배된다.



시스템의 전원 장치를 더 자세히 살펴보면, 다양한 시스템 부품에 의해 요구되는 서로 다른 전압과 전류 레벨로 복잡하게 구성된다는 것을 알 수 있다. 그림 2는 전원 구조의 일부를 나타낸 것이다. 120V AC/230V AC 주 전원은 처음에 산업용 전력 모듈을 사용하는 표준 12V DC 또는 24V DC 시스템 백플레인 전원으로 스텝 다운된다. 이 백플레인 전압은 시스템 레벨에서 개별 부품에 의해 요구되는 더 낮은 전압 레벨로 또 스텝 다운된다.
예를 들어 PLC는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP) 및 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)로 구성할 수 있다. 이들 디바이스에는 5V∼1V 범위의 전압이 필요하다. 그러나 PLC는 전체적으로 최대 3.5A의 전류를 필요로 한다. 마찬가지로 멀티채널 아날로그 I/O 모듈은 다양한 증폭기, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 멀티플렉서(MUX)를 위해 ±15V와 5V 전원을 다 필요로 하며 최대 500mA의 전류가 요구된다.
조금 복잡해지지만, 설계자는 주 전원에 영향을 미칠 수 있는 과도 전압 스파이크(과전압)를 고려해야 한다. 이 스파이크는 전력 분배망에 발생하는 낙뢰나 산업 자동화 시스템과 동일한 주 회로를 공유하는 높은 부하의 급격한 스위칭 등으로 발생된다. 예를 들어 전력 모듈이 주 전압을 12V DC 또는 24V DC로 스텝 다운할 때, 특히 스위치 모드 방식의 디바이스를 사용했을 경우 전압 스파이크가 전원 장치 구조 자체에서 발생할 수 있다.
이러한 과전압 발생은 매우 흔한 현상이므로, 국제전기화학 위원회(IEC)와 같은 기구에서는 엔지니어에게 이러한 과전압을 견딜 수 있게 시스템을 설계하도록 권고하고 있다. 저전압(1kV AC 및 1.5kV DC) 시스템의 절연 문제를 다루는 IEC 60664는 주 전원에서 24V DC 전원으로부터 전력을 공급받는 ‘카테고리 Ⅱ’ 장비(산업 자동화에 사용되는 장비 종류 포함)의 경우 최대 60V 과전압을 견디도록 설계되어야 한다고 규정하고 있다.

DC-DC 전압 레귤레이션의 기초

DC-DC 전압 변환(또는 레귤레이션)은 핵심적인 부분이므로, 반도체 업체들은 모든 애플리케이션을 위한 다양한 종류의 제품 개발에 활발히 투자하고 있다.
디바이스는 선형 레귤레이터라고도 불리는 저전압 강하 레귤레이터(LDO)와 스위칭 전압 레귤레이터의 두 그룹으로 나눌 수 있다.
스위칭 레귤레이터는 애플리케이션 동작 특성에 맞게 디자인됐을 때, 일반적으로 LDO에 비해 넓은 입력 전압 범위에서 더 효율적이다. 더욱이 스위칭 레귤레이터는 손쉽게 전압을 스텝 업(부스트), 스텝 다운(벅) 및 인버팅할 수 있다(산업 자동화 시스템에서 전원 장치의 일부 부품은 이러한 전압 전환을 요구한다). 이와 반대로 LDO는 전압을 스텝 다운만 할 수 있다.
스위칭 레귤레이터는 간편한 LDO에 비해 설계가 더 복잡하다는 단점을 갖는다. 고주파 스위칭 동작에 의해 발생하는 전압 및 전류 리플 감쇄와 전자기 간섭(EMI)을 줄이기 위해서는 출력 필터링이 필요하며 이로 인해 설계가 복잡해 진다. 이와 같은 단점이 있음에도 불구하고, 엔지니어들은 최근 애플리케이션에서 스위칭 레귤레이터를 선호하고 있다.
스위칭 레귤레이터 동작의 핵심은 스위칭 디바이스로 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)을 사용한다는 데 있다. MOSFET이 켜지면 전류는 에너지를 저장하는 외부 인덕터와 부하로 흐른다. MOSFET이 꺼지면 인덕터는 저장된 에너지를 부하에 공급한다.
일반적으로 펄스 폭 변조(PWM)는 출력 전압을 제어하는 데 사용된다. 주파수는 일정하게 유지되고 펄스 폭(온 타임)은 필요한 전압을 공급하도록 조정된다. 공급되는 평균 전력은 PWM 신호의 듀티 사이클에 비례한다.
전압 레귤레이터에서 고주파수 스위칭은 시스템의 손실을 제한하며 입력 범위와 부하에서 비교적 안정적인 전압 출력을 유지하도록 한다.


에너지가 인덕터에 저장된 후 MOSFET이 오프 사이클에 있는 동안 부하로 전달되어야 할 에너지는 부하로 직접 흐르는 대신 외부 쇼트키 다이오드를 통해 이동한다. 예상되는 부하에 맞춰 인덕터를 선택하면, 스위칭 레귤레이터는 연속 전도 모드(CCM Mode)에서 안정적이고 레귤레이트된 전압을 공급한다.
비동기 방식으로 알려진 스위칭 레귤레이터의 최종적인 효율은 주로 외부 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하와 디바이스의 역 누설 전류 특성에 의해 결정된다. 순방향 전압 강하는 최근의 디바이스에서 약 0.3V의 값을 갖는다. 이것은 별로 눈에 띄지 않지만, 디바이스에서 일정한 에너지 소모를 초래하고 효율을 저하시킨다.
쇼트키 다이오드를 MOSFET으로 대체하면 다이오드의 순방향 전압과 그에 따른 손실을 낮추는 첨단 제조 기법이 적용되어 트랜지스터의 온 저항(RON)이 낮아지기 때문에 효율이 증대된다. 이 회로에서 2개의 MOSFET 동작은 하나가 켜지면 다른 하나가 꺼지는 것과 같은 방식으로 동기화되어야 한다(그림 3). 이른바 동기식 레귤레이터의 두 번째 MOSFET은 모듈 안에 통합할 수 있다. 이렇게 하면 외부 쇼트키 다이오드가 필요 없을 뿐만 아니라 회로 설계가 간편해지고 BOM을 줄일 수 있다.
동기식 레귤레이터 설계의 단점은 MOSFET 2개의 스위칭 동작으로 인해 인덕터에서 양방향으로 전류가 흐른다는 것이다. 즉 인덕터 손실이 두 배가 된다. 이것은 비동기 방식의 단일 방향 흐름과 비교된다. 손실은 통상적으로 동기식 레귤레이터가 작지만, 디바이스의 효율이 같은 비동기 방식보다 낮아지는 부하 지점에서는 손실이 더 커질 수 있다.
반도체 업체들은 다양한 기술을 사용해 이와 같은 단점에 대처해 왔으며, Maxim Integrated는 고전압 동기식 전압 레귤레이터를 내놓았다. 여기에는 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PFM), 비연속 전도 모드(DCM)의 세 가지 선택 가능한 동작 모드를 제공하는 MAX17503 등이 있다.
PWM은 일반 동작에 사용되며, PFM은 역 인덕터 전류를 제거하고 펄스를 스키핑함으로써 낮은 부하에서 효율을 향상시킨다. DCM 또한 역 인덕터 전류를 제거해 낮은 부하에서 효율을 향상시키지만 펄스는 스키핑하지 않는다. 이와 같은 특성에서 DCM은 주파수에 민감한 애플리케이션에 적합하다.

새로운 종류의 동기식 레귤레이터

동기식 전압 레귤레이터는 산업 자동화 시스템 전원 장치의 설계 과제를 만족시키는 완벽한 해답으로 생각될 수 있다. 디바이스는 효율적이고 전력 소모를 제한하며 시스템 온도도 낮다. 또한 작은 공간을 차지하고 BOM 비용도 적다.
최대 28V의 동작 정격을 가진 많은 동기식 레귤레이터가 출시됐으며 일부는 최대 40V까지 가능하다. 그러나 디바이스는 동작 전압과 절대 최대 전압 간 마진이 거의 없으므로 대부분 과전압에 민감하다. 주 전원에서 전력을 공급받는 시스템에 특징적인 전압 스파이크는 이러한 부품을 바로 손상시킬 수 있다.
이에 대한 해결책 중 하나는, 전압 스파이크를 부품의 절대 최대 정격 전압 미만 레벨로 제한하는 보호 클램프를 사용하여 보호하는 것이다. 그러나 비용이 추가되고 공간을 차지하며 설계 일정을 연장시킴에 따라 동기식 레귤레이터를 사용함으로써 얻을 수 있는 많은 이점들을 상쇄시킨다. 따라서 산업 자동화 시스템 엔지니어는 딜레마에 빠지게 된다. 동기식 레귤레이터의 높은 효율이라는 이점을 이용하면서 전압 클램핑의 부담을 떠안을 것인가? 아니면 잠정적인 시스템 과전압을 처리할 수는 있지만 더 많은 전력을 소모하고 더 뜨거워지는 비동기식 레귤레이터를 선택할 것인가?
반도체 업체들은 이러한 딜레마를 해결하기 위해 연구 개발에 활발히 투자해 왔으며, 현재 최대 60V, 심지어 75V의 입력 전압을 처리할 수 있는 디바이스도 몇 종류 개발됐다. 그러나 이들 디바이스는 불과 수백mA의 출력 전류로 제한되며, 이는 산업 자동화 시스템에 사용되는 많은 장비의 요구사항, 특히 PLC에는 크게 부족하다.
그러나 이제 새로운 세대의 고전압, 고출력 전류 동기식 레귤레이터가 시장에 나왔다. 이러한 고기능 칩의 일례로 Maxim Integrated의 MAX1750x 제품군을 들 수 있다. 이들 디바이스는 2개의 MOSFET을 통합하고 있으므로 외부 쇼트키 다이오드 및 관련 외부 부품들이 필요 없다.
또한 이 동기식 레귤레이터 모듈 제품군은 최대 60V를 처리하며 500mA, 1A, 2.5A, 3.5A를 포함한 전류 출력을 제공한다. Maxim Integrated는 또한 4-20mA 루프를 사용하는 산업 자동화 시스템 센서를 위해 최저 수십mA의 출력을 가진 관련 제품을 제공하고 있다.
예를 들어 MAX17503은 최대 90%의 효율을 제공하고 경쟁 고전압 비동기식 레귤레이터보다 최대 50% 더 낮은 온도에서 동작할 수 있도록 설계됐다. 이 디바이스는 4.5V∼60V 입력 전압 범위에서 동작하고 최대 2.5A 출력 전류를 공급한다. 그림 4는 MAX17503 및 MAX17501이 산업 자동화 시스템에서 적용되는 일반적인 분야를 나타낸 것이다. 더욱이 MAX17503은 보드 공간을 최대 50% 절감하고 부품 수를 최대 75%까지 줄여준다. 그리고 200kHz∼2.2MHz의 고주파 스위칭은 외부 인덕터 크기를 줄여 더 많은 공간을 절감할 수 있도록 한다.
또한 MAX1750x는 PFM 기능을 통합하고 있다. PFM은 낮은 부하에서 역 인덕터 전류를 디스에이블하고 펄스를 스키핑함으로써 동작한다. PFM의 장점은 전원에서 더 낮은 무부하 전류(IQ)를 소비하므로 낮은 부하에서 효율이 높다는 것이다.
MAX1750x에 구현된 높은 수준의 통합에 의해 외부 부품 수와 비용을 줄일 수 있으며 설계 과제를 쉽게 해결할 수 있다. 소스에 대한 외부 커패시터, 보상 저항에 대한 값이 이미 계산되어 있어 엔지니어는 따로 계산할 필요가 없다. 그림 5는 칩의 애플리케이션 회로이다.