글: 크리스티안 크루즈(Christian Cruz) 선임 애플리케이션 개발 엔지니어, 조셉 롬멜 비에르네스(Joseph Rommel Viernes) 전원 애플리케이션 스태프 엔지니어, 카림 아투(Kareem Atout) 선임 시스템 엔지니어, 게리 사피아(Gary Sapia) 팀 리더, 마빈 닐 카부에냐스(Marvin Neil Cabuenas) 선임 펌웨어 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 

개요

이 글에서는 최신 드라이버 + MOSFET(DrMOS) 기술과 전압 레귤레이터 모듈(VRM) 애플리케이션에서 DrMOS 기술이 제공하는 이점을 설명한다. 모놀리식 DrMOS 디바이스는 전력 밀도, 효율 및 열 성능 면에서 전원 시스템을 크게 향상시켜 최종 애플리케이션의 전체 성능을 향상시킨다.
 

머리말

기술의 발전으로 멀티코어 아키텍처가 출현하면서 마이크로프로세서는 수평적으로 더 조밀해지고 빨라졌다. 이에 따라 이러한 디바이스들이 필요로 하는 해당 전력이 크게 증가했다. 마이크로프로세서에 공급되는 전력은 전압 레귤레이터 모듈(VRM)에 의해 제공된다.
이 분야에서 전압 레귤레이터의 개발을 촉진하는 두 가지 주요 파라미터가 있다. 첫 번째는 전압 레귤레이터의 전력 밀도(단위 체적에 대한 전력)로서, 공간의 제한된 체적에서 시스템의 높은 전력 요건을 충족하도록 급격하게 증가시켜야 한다. 다른 파라미터는 전력 손실을 줄이고 보다 우수한 열 관리를 위한 전력 변환 효율이다.
개발 과제가 끊임없이 진화함에 따라 업계에서는 그에 따른 요구사항을 충족하는 방법을 찾고 있다. 한 가지 솔루션은 향상된 패키징과 함께 단일 모놀리식 전압 레귤레이터의 주요 빌딩 블록인 첨단 스위칭 MOSFET과 해당 드라이버를 통합함으로써 작고 효율적인 전력 변환을 구현하는 것이다. 이 DrMOS 전력단은 고속 전력 변환을 최적화한다.
스마트 전력단이라고 하는 이러한 전력단에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 전력 스위칭 기술이 지속적으로 발전함에 따라 아나로그디바이스(ADI)는 DrMOS 스마트 전력 모듈 버전을 내놓았다. LTC705x DrMOS 시리즈는 ADI의 특허 받은 사일런트 스위처2(Silent Switcher® 2) 아키텍처를 사용하고 부트스트랩 회로를 통합하고 있어, DrMOS 모듈이 전력 손실과 스위치 노드 전압 오버슈트를 줄이고 초고속으로 스위칭할 수 있게 함으로써 성능을 향상시킨다.  또한 LTC705x DrMOS 디바이스는 과열 보호(OTP), 입력 과전압 보호(VIN OVP) 및 저전압 록아웃(UVLO) 보호와 같은 안전 기능을 제공한다.
 

LTC7051 SilentMOS 스마트 전력단

LTC705x DrMOS 제품군의 LTC7051은 고속 드라이버와 높은 성능 지수(FOM)의 상단 및 하단 파워 MOSFET, 포괄적인 모니터링 및 보호 회로를 전기적, 열적으로 최적화된 하나의 패키지에 성공적으로 결합한 140A 모놀리식 스마트 전력 모듈이다. 적정 PWM 컨트롤러와 함께 결합하여, 이 스마트 전력단은 업계 최고 효율, 최저 잡음 및 최고 밀도의 전력 변환을 제공한다. 이러한 결합에는 고전류 전압 레귤레이터 모듈에 효율 및 과도 응답에 대한 최신 기술도 포함되어 있다. LTC7051의 일반적인 애플리케이션은 그림 1에 나와 있다. 이 디바이스는 정확한 전류 공유로 LTC3861 듀얼, 다상 스텝다운 전압 모드 DC-DC 컨트롤러와 함께 벅(스텝다운) 컨버터의 주 스위칭 회로로 작동한다.
LTC7051의 주요 기능을 시연하기 위해 ADI는 LTC7051의 성능을 경쟁 제품과 비교하여 보여주는 평가 보드를 제작했다. 이 데모 플랫폼은 LTC7051 DrMOS의 효율, 전력 손실, 원격 측정 정확도, 열 및 전기적 성능과 같은 주요 파라미터를 경쟁 제품의 파라미터와 비교하는 편견 없는 정확한 방법을 쉽게 제공할 수 있다. 비교의 목적은 결과의 타당성에 대한 의혹을 없애는 것이며, 언급된 데모 플랫폼은 제조사에 관계없이 업계 최고의 DrMOS 성능 지표를 보여주는 데 사용되었다.

그림 1. 이중 위상 POL 컨버터

 

DrMOS 분석 평가 하드웨어

분석 데모 하드웨어의 주요 특징은 다음과 같다:

• 넓은 범위의 입력 및 출력 전압과 스위칭 주파수에서 동작할 수 있는 PWM 컨트롤러. 이 애플리케이션에서 컨트롤러는 LTC7883 쿼드 출력 다상 스텝다운 DC-DC 전압 모드 컨트롤러이다(그림 2 참조).
• LTC7051과 경쟁 디바이스에 모두 동일한 전력단 설계 사용
• LTC7883이 제공하는 시스템 성능에 대한 포괄적인 원격 측정을 위한 LTpowerPlay^® 전력 시스템 관리 환경 탑재
• 보드는 ADI와 경쟁사 디바이스 모두의 지정된 동작 온도 범위에 따라 넓은 주변 온도를 견딜 수 있음
• 보드는 열 캡처 및 측정이 용이하도록 설계

그림 2. 분석 데모 보드 블록 다이어그램              
 
DrMOS 분석 데모 보드는 그림 3에 나와 있다. 이 보드는 앞서 언급한 주요 특징을 포함하도록 신중하게 설계되었다. 부품은 각 전원 레일에 대칭적, 체계적으로 배치되었으며 전원 레일 간 불일치를 제한하기 위해 동일한 PCB 크기와 면적을 갖는다. 레이아웃 라우팅과 레이어 적층 역시 대칭적으로 수행되었다.