이 글은 전원 관리에 대한 팁으로서, 벅-부스트(Buck-Boost) 토폴로지에 대해 간단히 설명하고, 아나로그디바이스(ADI)의 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 기술을 지원하는 최신 레귤레이터 신제품을 소개한다. 벅-부스트(buck-boost) 구조와 사일런트 스위처 기술을 결합하면, 매우 낮은 전자기 간섭(EMI)와 함께 최고의 전력 변환 효율을 달성할 수 있다.

■ 광범위한 입력 처리 전원 공급 장치 필요

애플리케이션에 따라 전압을 높이거나 낮춰야 하는 경우가 많이 있다.

예를 들어 입력 전압 범위가 6V에서 24V일 때, 이로부터 12V 출력을 생성해야 한다면, 광범위한 입력을 처리할 수 있는 전원 공급 장치가 필요하다.

이러한 상하향 전압 변환을 처리할 수 있는 다양한 전압 변환 아키텍처가 존재한다.

대표적인 게 플라이백(flyback) 레귤레이터와 같은 트랜스포머 기반 토폴로지, SEPIC(single-ended primary inductor converter) 토폴로지, 그리고 4-스위치 벅-부스트(buck-boost) 토폴로지다.

그 중에서도 4-스위치 벅-부스트는 매우 세련된 방식이다. 여기에는 4개의 스위치가 필요하지만, 인덕터는 단 하나만 사용된다. 그림 1은 이 회로 구조를 보여준다. 코일은 4개의 스위치에 의해 제어되어, 하향 변환을 수행하는 벅 스위칭 레귤레이터 또는 상향 변환을 수행하는 부스트 스위칭 레귤레이터로 동작한다. 이 아키텍처는 전력 변환 효율이 높고, 회로의 애플리케이션도 매우 간단하다.
 

스위칭 모드 벅-부스트 컨버터는 특정 스위칭 주파수로 동작하며, 전압 컨버터의 내부 회로에서 펄스 전류를 생성한다.

이 펄스 전류는 입력 전압이 출력 전압보다 높은 벅 모드에서는 입력 측에, 입력 전압이 출력 전압보다 낮은 부스트 모드에서는 출력 측에 발생한다.

이 펄스 전류는 펄스 자기장을 유발하며, 이는 전자기 간섭(EMI)을 발생시킨다.

아나로그디바이스(Analog Devices)의 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 기술은 전자기 적합성(electromagnetic compatibility, EMC)이 우수한 스위칭 모드 전원 컨버터 설계를 가능하게 해준다.

이 기술은 펄스 전류를 두 개의 전도 경로로 분산시키며, 각각의 경로는 높은 대칭성을 갖는다.

그 결과 펄스 전류의 진폭은 절반으로 줄어들고, 생성되는 자기장의 대부분은 대칭성에 의해 상쇄된다.

그림 2는 이 기술이 벅-부스트 컨트롤러에 적용된 사례를 나타낸 것이다. 빨간색으로 표시된 선은 펄스 전류의 경로이며, 이들이 생성하는 자기장은 대칭 구조에 의해 상쇄된다.
 

그림 2에는 총 8개의 스위칭 트랜지스터가 나타나 있다. 사일런트 스위처 기술을 기반으로 하는 벅-부스트 회로는 기존의 벅-부스트 토폴로지와 마찬가지로 실제로는 4개의 스위치만 필요하지만, 이 그림에서는 대칭적인 펄스 전류 경로를 쉽게 알아볼 수 있게 하기 위해 4개의 스위치들을 추가로 표시한 것이다.

벅-부스트 레귤레이터와 사일런트 스위처 기술의 결합을 통해, 이제 EMC 성능이 매우 우수한 스텝 업/다운 컨버터 개발이 가능해졌다.

최상의 EMC 성능을 구현하려면, 디커플링 커패시터가 통합된 사일런트 스위처 2 레귤레이터를 사용하는 것이 효과적이다.

그림 2에 표시된 이 커패시터들은 LT8350S와 같은 디바이스에 이미 통합되어 있다.

이러한 통합은 외부 디커플링 커패시터를 사용하는 기존 제품과 비교할 때 펄스 전류 경로에서 발생하는 기생 효과를 줄여 방사 노이즈를 더욱 낮춰준다.

외부 디커플링 커패시터를 사용하는 버전으로는 LT8350이 있다.

그림 3은 LT8350S 벅-부스트 스위칭 레귤레이터를 활용하는 회로를 보여준다.

이 디바이스는 최대 6A의 스위치 전류를 처리할 수 있으며, 입력 전압 범위는 3V에서 40V까지이다. 생성되는 EMI를 더욱 줄이기 위해, 선택적으로 대역 확산 주파수 변조(spread spectrum frequency modulation, SSFM) 기능도 사용할 수 있다.

그림 3의 회로는 ADI 웹사이트를 통해 무료로 활용할 수 있는 LTspice® 시뮬레이션 모델과 외부 회로 구성을 보여준다.
 

■ 벅-부스트 스위칭 레귤레이터, 전압 변환 회로 적합

벅-부스트 스위칭 레귤레이터는 출력 전압을 입력 전압보다 높은 전압과 낮은 전압으로 모두 변환해야 하는 전압 변환 회로에 적합하다. 아나로그디바이스(ADI)의 LT8350S와 같은 최신 IC 제품을 활용하면, 사일런트 스위처 기술을 활용해 매우 우수한 EMC 성능을 달성하는 스위치모드 전압 컨버터를 설계할 수 있다.

※ 저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학교에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(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 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.