휴대기기에서 낮은 배터리 입력 전압으로 그보다 높은 출력 전압을 발생시키는 데 부스트 컨버터가 많이 사용되고 있다. 통상적인 배터리 구성은 2∼3개의 알카라인 또는 NiMH 전지이며, 갈수록 사용량이 늘어나고 있는 리튬이온 배터리를 이용하여 1.8V∼4.8V의 입력 전압을 발생시킨다.
그림 1. 1MHz 동작 주파수와 소형 인덕터가 이용되므로,
이 컨버터는 까다로운 배터리 사용 휴대기기 애플리케이션에 적합하다
그림 1에 나타난 12V 출력 컨버터는 어떠한 소형 배터리 전원으로든 동작할 수 있도록 설계되었다. 이 디자인의 경우 LTC3122 부스트 컨버터를 기반으로 하여 1.8V∼5.5V 입력으로 최대 15V에 이르는 레귤레이트 출력을 효율적으로 발생시킬 수 있다.
LTC3122는 2.5A 내부 스위치 전류 제한 기능과, 까다로운 부스트 애플리케이션을 처리하기 위한 포괄적인 기능들
(스위칭 주파수 프로그래밍, 저전압 록아웃, Burst Mode® 동작 또는 연속적인 스위칭 모드, 출력 차단 등)을 포함하고 있다.
인덕터 전류가 0에 가까워지면 내부 동기 정류기를 꺼 줌으로써 인덕터 전류가 역류하는 것을 방지하고 경부하 시의 전력 손실을 최소화한다.
고유의 출력 차단 기능은 장시간 동안 휴지(Idle) 상태로 보내는 애플리케이션에서 특히 유용하다. 휴지 상태일 때는 이 디바이스를 셧다운하고, 출력 커패시터를 최대로 충전시켜 재빨리 턴온할 수 있도록 한다. 셧다운 시에는 이 디바이스가 입력 소스에서 1㎂ 미만을 소모하게 된다.
휴대기기에 사용되는 배터리는 점점 더 소형화되고 있는 경향이므로 대부하일 때, 특히 방전 사이클의 끝에 가까워질수록 내부 임피던스가 높아진다. 하지만 다른 부스트 컨버터들이 스타트업 시 높은 소스 임피던스 때문에 애를 먹는 것과 달리, LTC3122는 스타트업 시 높은 서지 전류를 방지한다.
1.8V∼5.5V 입력 대 12V 출력 부스트 레귤레이터
그림 1의 회로는 높은 효율을 달성하면서 크기는 소형화할 수 있도록 설계되었다.
LTC3122는 1MHz로 동작함으로써 필터 커패시터와 부스트 인덕터의 크기를 최소화할 수 있으며, 그림 2에 나타난 바와 같이 버스트 방식(Burst Mode) 동작을 이용함으로써 경부하일 때도 높은 효율을 유지할 수 있다. 대부하일 때는 정주파수 모드로 동작하여 입력 및 출력 리플을 낮출 수 있다. 정주파수 동작은 EMI를 낮출 수 있으며 필터링하기가 더 수월하다.
LTC3122를 상대적으로 낮은 스위칭 주파수로 동작시키면 효율을 높일 수 있다. 그림 3은 스위칭 주파수를 1MHz에서 500kHz로 낮췄을 때이다.
그림 2. LTC3122 부스트 컨버터로 높은 효율을 달성할 수
있으므로, 휴대기기 애플리케이션의 배터리 시간을 연장시킨다
그림 3. 동작 주파수에 따라서 효율이 크게 영향을 받는다.
스위칭 주파수를 1MHz에서 500kHz로 낮추면, 100mA 부하일 때
효율을 4% 더 높일 수 있다
그림 4. 더 낮은 스위칭 주파수와 더 큰 인덕터를 이용하면 더 작은 배터리를 이용할 수 있다.
1mA∼10mA 부하 구간에서 효율을 최대 30%까지 향상시킴으로써(PWM 모드) 경부하로 동작하는
애플리케이션을 크게 개선시킬 수 있다
인덕터의 크기를 늘리면 효율을 더 높일 수 있다. 그림 4는 4mm×4mm 부스트 인덕터(XAL4030-472)를 7mm×7mm 인덕터(Würth의 744-777-910)로 바꿨을 때 효율이 어떻게 향상되는지 보여준다. 10mA일 때 90%의 효율은 그림 3에서보다 5% 높아진다.
인덕터의 크기를 결정할 경우에는 사용하는 배터리의 크기를 고려해야 한다. 비교적 소형인 인덕터를 이용하여 높은 주파수로 동작시키면, 상대적으로 더 낮은 효율로 동일한 사용 시간을 달성하기 위해서 더 높은 용량의 배터리를 필요로 하게 된다.
다시 말해, 작은 크기의 인덕터를 이용함으로써 얻는 공간적인 이점이, 용량이 큰 배터리를 필요로 하는 단점으로 상쇄될 수 있다는 것이다.
출력 차단
통상적인 부스트 컨버터는 부스트 다이오드 때문에, 입력으로부터 출력을 차단할 수 없다. 그러므로 입력에서 인덕터와 부스트 다이오드를 거쳐 항상 출력으로 전류가 흐른다. 그러므로 출력을 입력에서 단락시키거나 차단할 수 없기 때문에 많은 애플리케이션에서, 특히 셧다운 시 중대한 문제가 된다.
그러나 LTC3122는 내부 스위치를 포함하고 있어 부스트 MOSFET 바디 다이오드를 출력으로부터 차단할 수 있다. 또한 턴온 시 쇄도 전류를 제한할 수 있으므로, 입력 전원 소스에서 겪는 서지 전류를 최소화할 수 있다.
그림 5는 셧다운 시 LTC3122의 출력을 차단하는 것이다. 셧다운되면 부하가 출력 전압을 0으로 끌어내리고 LTC3122가 1㎂ 미만의 전류를 소모한다.
스타트업 쇄도 전류 제한
실제 배터리 사용 애플리케이션을 시뮬레이트하기 위해 전원 소스와 LTC3122 회로 사이에 1Ω의 등가 직렬 저항(ESR)을 연결하고, 그림 1에 나타난 회로를 테스트했다.
LTC3122를 작동시키면 스타트업을 제어하여, 입력 전원 소스가 출력 레일을 레귤레이션 수준으로 상승시킬 수 있도록 한다. 입력 전류가 서서히 상승한다.
그림 5와 같이 출력 커패시터를 충전하기 위해 필요한 입력 전류 오버슈트는 불과 200mA로 제한되며, 입력 전원 소스 전압 드룹은 0.5V로 제한된다.
그림 5. 턴온 시 쇄도 전류를 제한함으로써 입력 소스에서의 서지
전류를 최소화한다. 셧다운 시에는 출력을 입력으로부터 차단한다
LTC3122 부스트 컨버터는 낮은 정지 전류와 높은 효율을 필요로 하는 배터리 사용 애플리케이션의 요구를 충족시킨다.
그리고 다른 부스트 컨버터와 달리, 배터리 ESR이 높아지는 때인 최대 방전에 가까운 배터리로 동작할 수 있는 기능들이 포함되어 있다. 정지 전류와 셧다운 전류가 극히 낮을 뿐만 아니라 출력 차단 기능을 포함하고 있어, 장시간 휴지 상태로 보내는 애플리케이션에서 배터리 사용 시간을 연장할 수 있도록 해 준다.
또한 LTC3122는 높은 성능의 배터리 사용 애플리케이션에 요구되는 포괄적인 기능들을 제공하며 3mm×4mm의 소형화된 크기와 발열 기능 또한 향상된 패키지로 제공되고 있다.
Goran Perica / Linear Technology