전압 레귤레이터 크기를 줄이는 것은 쉽지 않은 과제다. 그럼에도 불구하고 제한적인 공간에서 가능할까 싶을 만큼 수많은 부품들을 어떻게든 집적하려는 요구는 점점 증가하고 있는 추세다. 비록 무어의 법칙(Moore’s Law)에 따른 고집적도에 일부 디바이스들이 효과적으로 크기를 줄일 수 있었지만, 직류(DC/DC) 컨버터의 크기는 큰 효과를 보지 못했던 것도 사실이다.
지금까지 전원 컨버터는 전체 시스템 크기의 30~50 %의 비중을 차지하고 있다. 과연 이러한 공간 제한적인 문제를 어떻게 극복할 수 있을까?
대부분의 POL(point-of-load) 전압 레귤레이터는 벅(스텝다운) 토폴로지를 사용한 스위칭 컨버터로, 스위칭 주파수를 높이면 레귤레이터의 설계 사양에 따라 요구되는 인덕턴스 및 커패시턴스를 줄일 수 있다. 인덕터와 커패시터는 〈그림 1〉의 (a)에서 확인하듯 DC/DC 컨버터에서 대부분의 공간을 차지하므로, 이 방법이 상당히 효과적일 수 있다. 하지만 그리 간단하지만은 않다.
 
 
 
무턱대고 주파수를 높였다가는 전력 손실이 증가할 수 있다. 스위칭 동작이 일어날 때마다 에너지가 손실되기 때문이다. 결과적으로 주파수에 따라 스위칭 손실이 비례해 증가한다. 이 경우, 변환 효율이 저하되고 열 발생이 중대한 문제가 될 수 있다. 그러므로 오늘날 대부분의 컨버터에서는 주파수가 수백 킬로헤르츠대로 제한적이다. 1 MHz 이상으로 동작하는 기기들은 일반적으로 저전압(5 V 이하) 및 저전류(1 A 미만)이다.
기존 컨버터보다 7배 작아져
이제는 기존의 벅 토폴로지에서 탈피해야 할 때가 됐다. 벅 컨버터는 지난 수십 년에 걸쳐 산업의 동력으로 사용돼 왔다. 텍사스 인스트루먼트(Texas Instrument, 이하 TI)는 6월 1일 기자간담회에서 이러한 근본적인 한계점들을 극복한, 50 A/cm³ 이상의 전류 밀도를 제공하는 업계 최초의 12 V, 10 A, 10 MHz 직렬 커패시터 벅 컨버터 IC를 출시한다고 밝혔다.
이날 TI의 차영길 이사는 “최근 전력 변환의 트렌드는 에너지 효율성, 집적도, 높은 전압, 전력 밀도로, 결국 사이즈를 줄이면서 전력을 어떻게 높일 것인지가 관건”이라며, “이러한 측면에서 이번에 새로 출시한 TPS54A20은 입력 전압이 12 V의 동일한 조건 하에서 타사 대비 4배 정도의 높은 성능을 제공한다”고 말했다.
TPS54A20 SWIFT™ 동기식 DC/DC 컨버터 제품은 고유한 토폴로지(Topology)를 적용해 8 V~14 V 입력 및 10 A 출력 애플리케이션에 요구되는 특수한 자기 소자나 복합 반도체를 사용하지 않고서 위상당 최대 5 MHz에 이르는 고속 스위칭 동작이 가능하다. 또한 TI의 WEBENCH^® 파워 디자인 툴을 통해 이 스텝다운 컨버터를 사용함으로써 공간 및 높이가 제약적인 POL통신 및 네트워킹 전원장치 설계에 적합하며 개발 시간 단축이 가능하다.
TPS54A20은 스위치드 커패시터 회로와 멀티위상 벅 컨버터를 통합한 고유의 직렬 커패시터 DC/DC 벅 토폴로지를 탑재하고 있다. 이러한 커패시티브 변환 기술을 적용함으로써 효율적인 고주파 동작이 가능하며 기존 컨버터보다 무려 7배 작아졌다.
차영길 이사는 “TPS54A20 SWIFT™ 동기식 DC/DC 컨버터 제품은 높이가 2 mm 미만이므로 크기, 무게 및 BOM(bill of materials)을 절감할 수 있고, 소형 10 A 전압의 레귤레이터를 PCB(printed circuit board) 후면에 탑재 가능하기 때문에 개발자들은 서버, 텔레콤, 의료, 계측 등 공간 제한적인 애플리케이션에서 TPS54A20의 소형 크기의 이점을 활용할 수 있다”고 말했다.