대부분의 IC, DC로 동작해 DC/DC 컨버터 중요
DC/DC 컨버터, 인덕터·콘덴서·저항과 함께 동작
부품 선택 후 PCB 레이아웃 작성에도 신경 써야


소비자는 새로 나오는 전자제품에 더 많은 기능을 바란다. 거기다 각국 정부는 지구 온난화를 저지하기 위해 화석연료 사용 최소화와 전력 소비량 감소를 목적으로 전력규제를 강화하고 있다.

이에 따라 전자제품은 과거보다 고성능, 저전력, 고효율을 추구하게 됐다. 전자제품이 고성능화, 저전력화, 고효율화를 이룩하려면 효율적인 전원 설계가 뒷받침되어야 한다.

전자제품 전원 설계 시 가장 중요한 부품 중 하나로 컨버터를 꼽을 수 있다. 가령 콘센트 전원으로 동작하는 전자제품은 AC 220V를 DC로 변환하는 AC/DC 컨버터가 필요하다. IC 대부분이 DC로만 동작하기 때문이다. DC/DC 컨버터 또한 중요하다.

로옴 테크니컬 센터의 강대호 선임연구원은 “전자제품에 사용되는 수많은 IC는 저마다 동작 전압, 전압 정밀도 요구가 다르다”라며, “전압이 불안정한 전원은 IC의 오동작과 특성 열화 등의 문제를 일으킨다”라고 말했다.

이때 DC/DC 컨버터가 전자제품 내부의 수많은 IC가 필요로 하는 전압으로 변환하거나 안정화하기 위해 사용된다. 개발자는 DC/DC 컨버터를 구현하기 위해 두 전압 레귤레이터 중 하나를 선택해야 한다.

첫 번째는 리니어 레귤레이터다. 입력과 출력의 관계가 선형 동작하는 리니어 레귤레이터는 제어소자가 입력과 출력의 사이에 들어 있어 시리즈 레귤레이터라고도 불린다.

두 번째는 스위칭 레귤레이터다. 스위칭 레귤레이터는 출력 전압이 필요한 전압이 될 때까지 스위치 소자(MOSFET)를 ON하고, 입력에서 출력으로 전력을 공급한다. 출력 전압이 원하는 값에 도달하면 스위치 소자가 OFF 되어 입력 전압을 소비하지 않게 된다. 스위칭 레귤레이터는 이 동작을 고속으로 반복하여 출력 전압을 조절한다.

강 선임은 “리니어 레귤레이터는 스위칭 레귤레이터와 다르게 강압 동작만 가능하며, 승압이나 승강압 동작은 하지 않는다”라며, “입력전압 대비 출력 전압 차이가 큰 경우 효율이 낮아진다”라고 설명했다. 그러면서 “회로 구성이 단순하며 스위칭하지 않기 때문에 노이즈가 작다는 장점이 있다”라고 덧붙였다.

◇ DC/DC 컨버터만큼 중요한 주변 부품의 선택

DC/DC 컨버터 구현은 레귤레이터 선택만으로 끝나지 않는다. 강 선임은 “DC/DC 컨버터는 IC만으로 동작할 수 없다”라며, “출력 인덕터, 입출력 콘덴서, 전압 조정 저항 등 주변 부품과 함께 동작한다”라고 설명했다.

그러면서 콘덴서는 노이즈 및 리플 저감 등에 사용되며, 인덕터는 스위칭 시 에너지 저장 및 방출, 스위칭 펄스 평탄화에 사용된다고 예시를 들었다. 이렇듯 DC/DC 컨버터 주변 부품은 출력 전압 특성에 영향을 미치기 때문에 중요한 사항이라고 할 수 있다.

부품 선정이 끝났다면 사용할 PCB의 레이아웃 패턴 작성도 중요하다. 강 선임은 “노이즈 대책 및 배선 임피던스에 의해 DC/DC 컨버터의 성능이 영향을 받기 때문에 레이아웃에서의 배선 및 부품 배치에 주의가 필요하다”라고 밝혔다.

소자의 소재 또한 고려해볼 수 있다. 최근 실리콘(Si) 소재의 근본적인 한계를 뛰어넘고자 다양한 소재가 개발되고 상용화됐다. 대표적으로 실리콘 카바이드(SiC)를 들 수 있다.

강 선임은 “SiC는 Si보다 절연 파괴 전계 강도가 약 10배 높으며, 수천 V까지의 고내압이 가능하다”라며, “단위 면적 당 ON 저항이 작아 전력 손실 부분에서 우수하다”라고 말했다.

또한, “Si에서는 고내압화에 따른 ON 저항의 증대를 개선하기 위해 600V 이상의 전압에선 MOSFET 대신 IGBT가 주로 사용되나 스위칭 손실이 크다는 문제가 있다”면서 “반면에 SiC 기반 MOSFET은 고속 스위칭 성능이 우수하다”라고 설명했다.

◇ 전원설계, 기초 지식과 툴 활용도가 중요

5G, AI, IoT, 빅데이터, 클라우드 등 신기술들의 알고리즘은 복잡하고 전력 소모가 많다. 최근의 전자제품은 전력 공급이 안정적이지 못한 곳에서도 이를 구현해야 한다는 과제에 직면해있다.

개발자가 이러한 시장의 요구에 부응하기 위해서는 전원 설계에 관한 탄탄한 기초 지식을 갖춰야 하며, 다양한 툴로 원하는 바를 빠르게 달성하는 역량이 필요하다. 하지만 혼자서 위에서 언급한 부분들을 유의하며 DC/DC 컨버터 주변 회로를 설계하기는 쉽지 않다.

강 선임은 “DC/DC 컨버터 주변 회로 설계를 위해 로옴은 자사 IC의 데이터 시트에 추천하는 소자 정숫값을 표기하고 있다”라며, “전력 부품과 구동 IC를 일괄하여 검증할 수 있는 시뮬레이션 툴을 홈페이지에서 제공하고 있다”라고 밝혔다.

마지막으로 강 선임은 “로옴은 전원 설계 기술 정보 사이트인 ‘테크웹(TechWeb)’을 통해 기초적인 동작 원리 및 회로 설계 등에 관한 다양한 자료를 공개하고 있다”라며, “그 외에도 다양한 툴을 전개하고 있다”고 강조했다.