휴대기기에 전력을 공급하는 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC의 고주파화가 급속히 진행되고 있다.
스위칭 주파수를 높이면 전원공급장치의 주변 부품을 훨씬 작고 얇게 만들어 궁극적으로 휴대기기의 소형화와 박형화를 도모할 수 있기 때문이다. 하지만 부작용도 있다. 설계자들은 이처럼 높은 스위칭 주파수를 갖는 DC-DC 컨버터의 장단점을 충분히 검토한 후에 채택할지 여부를 결정해야 할 것이다.
전원공급 IC 업계에서는 오래 전부터 꿈꿔온 목표가 하나 있다. 스위칭 디바이스를 집적한 전원공급 IC와 주변 부품으로 구성된 전체 전원공급 회로를 한 개의 초소형 모듈에 집적하여 제공하는 것이다. 궁극적으로는 시스템 LSI와 마이크로컨트롤러 등의 반도체 칩 속에 전원회로를 내장하는 것을 추구하는 전원 관련 엔지니어도 있다.
스위칭 주파수의 고주파화는 이러한 목표를 달성하는데 필수적인 기술이다. 스위칭 주파수가 높으면 높을수록 주변 부품인 콘덴서와 인덕터의 소형화와 박형화가 가능하다.주 1) 그 결과, 전체 전원회로 실장 면적과 두께를 줄일 수 있기 때문에 아주 작은 패키지 안에도 이러한 회로들을 담을 수 있게 되는 것이다(그림 1, 2). 이는 결국 기기의 소형 및 박형화에 크게 기여하게 된다.
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주 1） 스위칭 주파수를 높일수록 콘덴서와 인덕터의 소형 및 박형화가 용이한 이유는 용량성 임피던스와 유도성 임피던스가 모두 주파수 f의 함수라는 점에 있다. 용량성 임피던스는 ZC＝1/（jωC）, 유도성 임피던스는 ZL＝jωL로 기술할 수 있다. 또한, ω는 각속도로 ω＝2πf이다. 따라서, 어떤 용량성 임피던스나 유도성 임피던스를 얻는 경우, 주파수 f를 높이면 콘덴서와 인덕터 모두 소형과 박형 부품을 사용할 수 있게 된다.
6MHz, 8MHz 제품의 등장
이러한 목표를 향해 스위칭 주파수의 고주파화가 점점 더 진전되면서 휴대기기를 중심으로 변혁을 위한 토대가 서서히 마련되어 가고 있다(그림 3). 1셀의 리튬이온 2차전지, 혹은 3셀의 알칼리건전지 등의 입력 전원을 ＋0.7~3.3V의 전압으로 변환하여 출력하는 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC의 스위칭 주파수를 6MHz와 8MHz로 대폭적으로 높인 제품이 본격적으로 출시되고 있기 때문이다.주 2) 이들의 최대 출력전류는 400mA~1A. 이들은 대규모 LSI의 입출력 인터페이스부, 혹은 소규모 LSI인 경우에는 코어 로직부에도 대응할 수 있는 구동 능력을 갖추고 있다.
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주 2） DC-DC 컨버터 IC에는 스텝다운(벅형)과 스텝업(부스트형), 스텝업앤다운(벅부스트형), 또는 인버터형이 있다. 그 중에서도 고주파화가 가장 많이 진행된 것은 스텝다운 제품이고 그 다음은 스텝업 제품이다. 현재 스텝업 제품은 2.2MHz와 2MHz 제품이 주로 상용화 되어 있다.
미국의 마이크렐(Micrel)이 이 분야에서 앞서 있다. 예전에는 가장 높은 스위칭 주파수가 4MHz 정도였으나 마이크렐은 단번에 8MHz까지 높인 "MIC2285A"를 2006년 2월에 선보여 휴대기기 업계를 놀라게 했다. 기존의 4MHz 제품에서 8MHz 제품으로 전환하면 스텝다운 DC-DC 컨버터 회로의 실장 면적과 두께를 30~50％까지 크게 줄일 수 있기 때문이다.
2008년 하반기부터는 이처럼 스위칭 주파수를 크게 높인 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC가 잇달아 시장에 발표되기 시작했다. 2008년 9월과 11월, 미국의 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)와 아날로그 디바이스(Analog Devices)는 6MHz의 스위칭 주파수를 갖는 "TPS62600/TPS62601"과 "ADP2121"을 각각 출시했다.
2009년 1월 말 현재로서는 이 3개 업체가 판매하는 스텝다운 DC-DC 컨버터에 대한 정보만을 구할 수 있었지만(표 1)주 3, 4), 앞으로는 이러한 제품을 내놓는 기업들이 늘어날 것이다. 미국의 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)도 이미 6MHz 제품 개발을 마쳤으며, 2009년 3월 중에 양산을 시작할 계획이다. 또한, 미국의 맥심 인테그레이티드 프로덕트도 6MHz 제품을 개발 중이다. 구체적인 출시 시기는 밝혀지지 않은 상태이지만 가까운 시일 안에 제품화될 것으로 보인다.
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주 3） 이들 제품은 모두 변환 효율을 높이기 위해 동기 정류방식을 채택하고 있다. 이는 환류 다이오드(FWD, Free Wheeling Diode) 대신 파워 MOSFET을 사용하는 방식이다.
주 4） 이밖에 미국의 페어차일드 세미컨덕터도 2009년 2월 초순에 6MHz 제품 "FAN5361"을 발표했다.
스위칭 주파수가 8MHz에 그치지 않고 이보다 더욱 높아질 것이라 상상하기는 그리 어렵지 않다. 앞서 말했던 그 목표를 향해 업계가 총력을 다해 개발을 가속화하고 있기 때문이다. 실제로 6MHz, 8MHz 제품 중에는 10MHz 이상으로 동작할 수 있는 가능성을 내재한 기술을 채택한 IC도 있다.
인덕터의 진화가 계기
스위칭 주파수의 고주파화가 급속히 진행될 수 있었던 것은 인덕터의 진화 덕분이다. TI 재팬 영업기술본부 사업개발부에서 전력관리를 담당하는 히데아키 야타(Hideaki Yata) 주임 엔지니어는 "6MHz, 8MHz의 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC의 실용화가 이루어진 것은 인덕터 제조업체들의 공이 크다"고 말했다. 즉, 양호한 직류중첩특성★을 유지하면서 높은 인덕턴스 값을 제공하는 소형 및 박형 전원공급 인덕터를 활용할 수 있게 됨에 따라 6MHz와 8MHz의 제품화가 가능해졌다는 것이다.
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★직류중첩특성 일반적으로 인버터에 직류 바이어스 전류를 흘리면 인덕턴스 값이 떨어진다. 이 인덕턴스 값의 저하 현상이 일어나기 시작하는 직류 바이어스 전류치를 직류중첩특성이라고 한다. 즉, 전류중첩특성이 높으면, 큰 직류 바이어스 전류를 흘려도 인덕턴스 값을 확보할 수 있다.
이러한 인덕터가 시장에 등장하기 시작한 것은 2007년의 일이다. 최적의 인덕터를 사용해야만 6MHz, 8MHz 제품의 소형 및 박형화의 장점을 충분히 살릴 수 있다. 이것이 마이크렐이 2006년에 8MHz 제품을 내놓은 이후 후속 메이커가 출현하기까지 약 2년의 세월이 걸릴 수밖에 없었던 이유이기도 하다. 실제로 한 아날로그 반도체 제조업체의 엔지니어는 "초소형 전원공급 인덕터의 출시를 확인한 해외의 휴대폰 메이커가 스텝다운 DC-DC 컨버터 개발을 전세계 아날로그 반도체 제조업체들에 요청했다. 그것이 6MHz 제품 개발의 계기가 되었다"고 증언한다.
2007년에 FDK와 다이요유덴, 무라타제작소 등과 같은 전자부품 제조업체들이 6MHz, 8MHz 동작이 가능한 전원공급장치용 인덕터를 제품화했다. FDK는 두께가 0.50mm로 얇고 인덕턴스 값이 0.47μH로 높은 적층 인덕터 "MIP_SU2520 시리즈"를 출시했다. 실장면적은 2.5×2.0mm이다. 무라타제작소는 실장면적이 2.0×1.25mm로 작고, 두께가 0.55mm로 얇은 0.47μH의 적층 인덕터 "LQM21P_C0"을 상용화했다. 다이요유덴은 일반적으로 소형화에 불리한 것으로 평가되고 있는 권선형 인덕터임에도 불구하고 외형의 크기가 1.6×0.8×0.8mm로 작고, 인덕턴스 값이 0.47μH인 "BRC1608"을 제품화했다. 그때까지 전원용 인덕터는 소형 및 박형인 경우에도 실장면적이 2.0×1.6mm, 두께가 1.0mm인 것이 주류였다.
6MHz와 8MHz의 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC에 이러한 전원공급용 인덕터를 결합하면 실장면적이 5~13mm2로 작고 두께는 0.6mm로 얇은 전원회로를 만들 수 있다. 따라서 소형화, 박형화를 특히 강조하는 휴대폰에는 최적의 IC라 할 수 있다. 그 밖의 용도로는 초소형 노트북, 무선LAN 등의 무선통신 모듈을 들 수 있다(그림 4).
오히려 악화된 특성들
하지만 모든 휴대기기가 소형화와 박형화를 지향하는 것은 아니다. 소형, 박형화보다 배터리의 구동시간 연장과 비용절감, 개발기간의 단축 등을 더 중시하는 휴대기기도 있다. 현재로서는 이러한 휴대기기에도 6MHz와 8MHz의 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC가 최적이라고 하기는 어렵다. 그 이유는 스위칭 주파수를 높인 대가로 악화되는 특성이 많기 때문이다. 대표적으로 출력 리플 전압, EMI, 변환 효율 등 3가지 특성이 나빠지게 된다.
첫 번째, 출력 리플 전압이 악화되는 이유는 경부하 시에는 변환 효율을 높이기 위해 스위칭 디바이스의 제어 방식을 일반적으로 동작할 때 적용하는 PWM（Pulse Width Modulation）에서 PFM（Pulse Frequency Modulation）으로 전환하는 시스템을 채택하기 때문이다.
PFM 제어 방식을 활용하면 스위칭 회수가 큰 폭으로 줄어 손실을 줄일 수 있다. 이 때문에 경부하 시의 변환 효율의 저하를 방지할 수 있다. 그러나, PFM 제어에는 부작용이 따른다. 스위칭 회수가 줄고 출력전압제어를 실행하는 간격이 길어지기 때문에 출력 리플 전압이 커지는 것이다(그림 5). 사용하는 인덕터의 인덕턴스 값에 따라 달라지기는 하지만, 소형 및 박형화를 우선하여 0.47μH의 인덕턴스 값을 갖는 제품을 채택한 경우에는 출력 리플 전압이 최대 40mVpp에 달한다.
TI 재팬의 야타 주임 엔지니어는 "부하로 작용하는 LSI의 로직 수준을 어떻게 설정하느냐에 따라 오작동이 일어날 위험이 있다. 특히 로우 사이드의 로직 수준을 설정할 때에는 주의해야 한다"고 경고했다.
두 번째, EMI는 스위칭 주파수가 높아진 만큼이 특성 악화로 직결된다. 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC는 직류전압을 잘게 쪼개 인덕터와 콘덴서로 구성한 필터를 통과시켜 원하는 출력전압을 얻는 식이다. 잘게 쪼개는 빈도에 대응하여 스위칭 주파수를 높이면 필터를 통과하기 전의 전압에 높은 에너지 주파수 성분이 많이 포함된다. 이것이 공중에 방사되어 휴대기기 내부의 다른 기능에 나쁜 영향을 미치는 것이다.
한 휴대기기 제조업체의 설계자는 "지금도 휴대기기 설계 현장에서는 내부 DC-DC 컨버터 회로에서 방사되는 EMI에 의한 자가중독(전자간섭) 때문에 고민이 많다.주 5) 그렇기 때문에 스위칭 주파수를 더 높이는 데에는 반발이 많다"고 밝혔다.
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주 5） 전자기기에 탑재된 LSI와 DC-DC 컨버터 회로 등에서 발생하는 잡음이 그 기기 내부의 기능에 악영향을 끼치는 현상을 자가중독(전자간섭)이라 한다. 이는 휴대폰과 휴대형 게임기 등에서 큰 문제가 되고 있다. "인트라 EMC"라고도 부른다.
특히 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC와 인덕터를 연결하는 배선이 문제가 된다(그림 6). 이 배선이 필요 이상으로 길어지면 매우 높은 강도의 EMI가 방사된다.
세 번째, 변환 효율이 저하되는 이유는 고주파화가 진행되면 스위칭 동작 빈도가 늘어나기 때문에 그 동작에 따른 스위칭 손실이 늘어나기 때문이다. 현재, 각 제조업체들이 출시한 스텝다운 DC-DC 컨버터들은 모두 입력 전압차가 작고 출력전류는 거의 최대인 이상적인 상태에서 변환 효율이 약 90％이다(그림 7). 이 수치는 "스위칭 주파수가 1MHz인 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC의 변환 효율은 약 97％"라고 맥심 재팬의 인포파워 비즈니스 유닛의 타이치 호시노(Taichi Hoshino) 시니어 애플리케이션 엔지니어가 밝힌 것보다 떨어진다.
위의 세가지 특성 악화는 절대 피할 수 없는 문제들이다. 그렇다고 6MHz 제품과 8MHz 제품을 취급하는 아날로그 반도체 제조업체들이 이러한 특성 악화를 방치할 수만은 없는 일이다.
LDO로 리플 저감
특성 악화를 가능한 최소화하기 위해 각각의 업체들은 저마다 독자적인 대응 방안을 내놓고 있다. 우선, 출력 리플 전압에 대해 마이크렐은 다양한 대응책을 마련했다. 8MHz 제품의 초기 모델에서는 LDO(Low Dropout) 레귤레이터를 집적하여 경부하 시의 전압 변환회로로 이용함으로써 리플 성분을 75μVPP로 낮게 억제했다. 마이크렐 세미컨덕터 재팬의 토루 오누키(Toru Onuki) 시니어 FAE는 이에 대해 "아날로그 기능의 전원공급원으로 사용할 수 있을 정도로 낮은 리플 전압"이라고 설명했다.
하지만 이러한 방식은 LDO 레귤레이터를 집적하기 때문에 칩 면적이 커지게 되고, 이는 다시 비용 증가로 이어진다. 게다가 입출력 차이가 큰 경우에는 변환 효율이 크게 떨어진다는 문제점도 발생한다. 이에 마이크렐은 2008년 9월에 개량 버전인 "MIC23030"을 발표했다. 개량 버전에서는 LDO 레귤레이터 대신에 "하이퍼라이트 로드(HyperLight Load)"라 불리는 동작 모드를 제공한다. 이 동작 모드는 기본적으로 PFM 제어를 채택하고 있음에도 불구하고 PFM 제어의 과제인 리플 전압을 14mVPP의 낮은 값으로 억제할 수 있는 것이 특징이다. 마이크렐은 그 기술적인 배경에 대해 아직 밝히지 않고 있다. 이 동작 모드는 출력전류가 1mA인 경부하 시에도 88％로 비교적 높은 변환 효율을 얻을 수 있다.
EMI 문제는 모듈화로 대응
EMI에 대해서는 관련 제조업체들 모두가 EMI를 최소화할 수 있는 데이트시트 상에 추천할 만한 기판 레이아웃을 제공하고 있으며, 마이크렐 재팬의 오누키 시니어 FAE가 말한 "데이터시트대로만 설계하면 문제는 일어나지 않을 것"이라는 의견에 동의를 나타내고 있다. 그러나, 실제로는 그대로 설계할 수 없는 경우가 생긴다. 일반적으로 전원회로를 실장하는 위치는 설계 공정의 마지막에 결정되기 때문이다. 따라서 이들의 바람처럼 항상 충분한 넓이의 실장 공간이 확보된다고는 할 수 없다. 충분한 실장 공간을 확보할 수 없는 경우에는 EMI 대책에 많은 비용과 수고가 드는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 마이크렐은 스텝다운 DC-DC 컨버터와 함께 인덕터를 하나의 패키지로 구성한 모듈 "MIC3385"를 마련했다.주 6) IC, 적층 인덕터와 함께 이들을 서로 연결하는 배선부를 모듈 내부에 배치했기 때문에 사용자는 EMI를 크게 신경 쓰지 않고도 비교적 쉽게 모듈을 기판에 실장할 수 있다. ADI도 모듈 제품의 제품화를 검토 중이다.주 7) ADI 재팬의 순페이 미치바 (Shunpei Michiba) FAE 매니저는 "2009년 연내에 제품을 출시할 계획"이라고 말했다.
이처럼 리플 전압과 EMI에 대한 대응책은 마련되어 있는데 반해, 변환 효율에 대해서는 아직까지 근본적인 대응책이 없는 실정이다.
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주 6） MIC3385는 2006년 11월에 제품화되었다. 출력 전류는 최대 500mA이며, 3.0×3.5×0.9mm의 MLP 패키지로 제공된다. 스텝다운 DC-DC 컨버터 IC 외에 인덕터를 내장하고 있다. 그러나 입출력 콘덴서는 내장하고 있지 않다. 1천개 구입 시 단가는 1.75달러부터이다.
주 7） 현재 ADI는 반도체 칩 상부에 절연막을 매개로 코일(인덕터)을 만드는 기술인 "아이커플러(iCoupler)"를 사용하여 절연형 전원공급 IC와 아이솔레이터 IC를 제품화했다. ADI는 "아이커플러 기술을 사용하여 스텝다운 DC-DC 컨버터 모듈에 내장하는 인덕터를 제조하는 방안도 검토 중"이라고 말했다.
제조 기술의 혁신을 기대
고주파화에 따른 변환 효율 저하가 원인인 스위칭 손실을 줄이기 위해서는 집적되는 파워 MOSFET의 온저항을 낮추면 된다. 그러나 온저항을 낮추기 위해서는 파워 MOSFET의 게이트 면적을 넓힐 필요가 있는데, 이렇게 할 경우 게이트 용량이 증가한다. 즉, 스위칭 손실을 줄이는 대가로 파워 MOSFET의 게이트를 구동할 때의 전력 손실이 증가해 버리는 것이다. 이래서는 변환 효율 저하를 막을 수 없다.
물론, 단위면적당 온저항을 큰 폭으로 줄일 수 있는 혁신적인 반도체 제조 기술이 개발되면 상황은 크게 달라질 것이다. 그러나 현재의 제조 기술 범위 내에서는 변환 효율의 대폭적인 개선은 기대할 수 없다. TI는 2009년 중반에 발매 예정인 6MHz 제품의 차기 버전에서 변환 효율을 개선할 예정이다. 그러나 반도체 제조기술은 변경하지 않고 회로의 최적화만으로 대응하기 때문에 "효율 개선 수준은 2％ 정도"에 불과하다는 게 TI 재팬의 야타 주임 엔지니어의 설명이다. 더 이상의 변환 효율 개선은 IC의 제조기술이 일대 혁신된 이후에나 기대할 수 있을 것으로 보인다.
카츠미 야마시타(Katsumi Yamashita)
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