■ 전원공급 장치 아키텍처 설계 도구, 시스템 개발 과정서 중요 역할

전원공급 장치 아키텍처를 설계하기 위한 도구들은 계산 및 시뮬레이션 도구들에 비하면 그리 널리 사용되지 않고 있다. 하지만 이들 도구는 전기 회로용 전원공급 장치 시스템의 개발 과정에서 매우 중요한 역할을 한다. 이러한 도구는 전원공급 장치 개발 과정에서 초기 단계 역할을 하면서 최적의 전원공급 장치 아키텍처를 구축하기 위한 기반을 마련한다.

■ 머리말

현재 시중에는 전원공급 장치를 개발하는 데 있어서 개발자의 지루한 작업 부담을 덜어주는 다양한 개발 도구들이 공급되고 있다.

아나로그디바이스(Analog Devices, Inc., ADI)의 널리 알려진 시뮬레이션 도구인 LTspice®도 그 중 하나다.

이 도구는 전력 변환 회로를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있으며, 다양한 전압 및 전류 파형들을 시뮬레이션하여 회로 설계를 개선하고 특정 요구 사항들에 더 가깝게 조정할 수 있다.

ADI는 LTpowerCAD®와 같은 계산 도구도 제공하는데, 이는 LTspice와 달리 시뮬레이션이 아닌 계산을 위해 설계되었다.

입력 전압 범위, 출력 전압, 부하 전류, 출력 전압 리플 등 다양한 사양을 고려하여 회로를 계산하고 최적화한다.

이 과정에서 적절한 전력 변환기 IC와 외부 수동 부품들이 제안된다.

따라서 LTpowerCAD와 같은 도구는 LTspice를 활용하는 회로 시뮬레이션에 앞서 실행되곤 한다.

전원공급 장치 개발에서 또 다른 중요한 측면은 전원공급 장치의 아키텍처를 정의하거나 전원 트리를 만드는 것이다.

어떠한 시스템에 완전한 전원 공급을 위해서는 일반적으로 두 개 이상의 전력 변환기가 필요하다.

하나의 시스템에서 서로 다른 여러 전압들이 필요한 경우가 많기 때문이다.

이를 수행하는 방법들은 다양하다. 아키텍처들 간의 차이는 ADI의 LTpowerPlanner®와 같은 전원공급 장치 아키텍처 도구를 사용하여 계산하고 훌륭하게 표현할 수 있다.
 

그림 1은 24V 입력을 사용하는 전원공급 장치 아키텍처의 표현과 함께 LTpowerPlanner의 인터페이스를 보여준다.

이로부터 다양한 공급 전압들과 전류들이 생성된다. 서로 다른 기능 블록을 쉽게 추가하고 연결선을 통해 연결할 수 있다.

이들 블록들 중 하나를 클릭하여 각 전력 변환의 효율을 정의할 수 있다.

이런 항목들이 입력되면 LTpowerPlanner는 전체 전력변환 장치 아키텍처에 대한 전반적인 계산을 수행할 수 있다. 그림 1에 표현된 아키텍처의 전반적인 효율은 91.6%이다.
 

LTpowerPlanner와 같은 아키텍처 도구를 사용하면 사용자는 서로 다른 전력 변환 아키텍처들을 비교할 수 있다.

그림 2는 그림 1과 동일한 사양이지만 구조가 다른 솔루션을 보여준다. 이제 이 두 번째 솔루션과 첫 번째 솔루션을 비교할 수 있다. 여기서 선형 레귤레이터(LDO)는 2.8V 레일에서 1.2V 레일을 생성하는 데 사용되었다. 선형 레귤레이터가 있는 이런 솔루션은 그림 1의 컨버터 4보다 비용 효율적이다.

그림 2에 표현된 솔루션의 또 다른 변경 사항은 3.3V 전압이 컨버터 2의 24V에서가 아닌 5V DC 링크 전압에서 생성된다는 것이다.

그림 1과 2는 아키텍처뿐만 아니라 계산된 효율들도 보여준다. 그림 2의 전반적인 아키텍처 효율은 86.3%에 불과하다. 이는 그림 1의 솔루션보다 5.3% 낮다.

어떤 아키텍처가 최선일지를 결정할 때, 사용자는 각 솔루션의 비용, 전체 아키텍처의 효율 성능, 각 솔루션 크기를 비교할 수 있다. 이런 고려 사항들은 LTpowerPlanner와 같은 스케치 도구가 없다면 만들어 내기 어렵다.
 

LTpowerPlanner는 전원공급 장치 아키텍처를 만들기 위한 단독 도구로서 사용될 수 있다(그림 3).

이 도구는 ADI 웹사이트에서 무료로 다운로드 가능한 LTpowerCAD 내에서 사용할 수 있다.

파란색 바탕의 ‘시스템 설계(System Design)’ 항목에서 LTpowerPlanner에 접근할 수 있다.

LTpowerPlanner 도구는 다양한 전원공급 장치 아키텍처들에 대한 명확한 개요를 제공하기 위한 것이다.

또한 내장된 계산 기능을 활용하면 어떤 아키텍처가 효율 면에서 더 유리한지를 결정할 수 있다.

■ 전원관리 아키텍처 최적화

전원관리 툴 체인 내에서 첫 번째 단계는 전원관리 아키텍처를 최적화하는 것이다.

ADI의 LTpowerPlanner는 이를 위한 유용한 도구를 제공한다. 이 도구는 다양한 구성들로 전력 트리를 도식화하고, 그것들을 비교하는 데 사용될 수 있다.

또한 LTpowerPlanner는 각각의 가용한 아키텍처에 대한 귀중한 정보를 제공하는 효율 계산 기능도 포함하고 있어 최적의 아키텍처를 신속하게 선택할 수 있게 해준다.

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■ 저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor, NS)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.