디바이스의 정동작 전류(IQ)는 중요한 요소임에도 불구하고 저전류, 고효율 설계에서 종종 잘못 사용되는 매개변수 중 하나다. 여러 배터리 구동 애플리케이션에서 경부하나 무부하와 함께 대기 상태에 있는 배터리에서 사용하는 전류는 시스템의 전체 가동 시간을 결정한다. 통합 스위치 컨버터에서 이 IQ는 배터리 전류의 유일한 부분이다. 본고는 IQ와 IQ 측정 방법을 정의하고 IQ와 무관한 것들과 IQ를 사용해서는 안 되는 경우에 대해 설명하며 일반적인 측정 오류를 방지하면서 IQ를 사용하는 방법에 대한 설계 고려사항을 제공한다.

IQ에 해당하는 경우

부품에 대한 데이터시트에 별도의 언급이 없는 한, IQ는 무부하 및 논스위칭 조건과 동시에 활성화 상태에 있는 IC가 사용하는 전류로 정의된다.
‘무부하’란 IC에서 출력까지 전류가 흐르지 않음을 의미한다. 일반적으로, 무부하는 벅 컨버터의 SW 핀이나 부스트 컨버터의 VOUT 핀을 통해 흐르는 전류이다. 모든 IQ는 IC 내부에서 접지로 이동한다. ‘논스위칭’이란 IC의 전원 스위치가 켜져 있지 않음(폐쇄)을 의미한다.
이러한 스위치에는 동기화 정류기뿐만 아니라 메인 스위치나 제어 스위치가 포함된다(두 스위치 모두 IC에 통합되는 경우). 즉, IC는 출력에서 완전히 분리된 전력 단자를 가진 고저항 상태에 있다(단, 끌 수 없는 일부 디바이스의 통합 MOSFET 바디 다이오드는 제외).
‘활성화’란 IC가 EN 핀을 통해 켜지며 UVLO나 다른 차단 상태에 있지 않음을 의미한다. IQ는 차단 전류가 아닌 동작 전류를 측정하기 때문에 디바이스는 항상 켜져 있어야 한다. 마지막으로, IQ는 절전 모드에서만 유용하다. 따라서 절전 모드가 옵션인 특정 디바이스의 경우, 이 모드를 활성화해야 한다. 디바이스가 펄스폭변조(PWM) 모드로 작동하는 경우, 전력 단자까지의 입력 전류와 스위칭 손실은 디바이스 작동에 필요한 극소량 전류인 IQ를 더 작게 만든다.


[그림1] TPS61220/21/22 데이터시트의 IQ 규격


IQ는 기본적으로 2개의 입력원인 VIN과 VOUT에서 발생한다. 데이터시트는 IQ가 핀 하나에서 발생하는지 핀 모두에서 발생하는지를 보여준다. (그림 1)은 VIN과 VOUT에서 해당 IQ를 사용하는 부스트 컨버터인 TI TPS61220/21/22,1에 대한 데이터시트에서 IQ 규격을 보여준다. 일반적으로, 벅 컨버터는 해당 입력원으로부터 IQ만을 사용하는 반면, 부스트 컨버터나 벅-부스트 컨버터는 입력 및 출력 모두로부터 IQ를 사용한다.
IQ는 디바이스의 기본 기능을 구동하는 데 사용되는 전류를 측정하며 여기에는 내부 정밀 기준 전압, 오실리에이터, 열 차단 또는 UVLO 회로, 디바이스의 상태 머신이나 기타 논리 게이트 등이 포함된다.

IQ는 이러한 전류가 0이 되는 논스위칭 조건에서 측정되기 때문에 전력 단자나 게이트 드라이버로의 입력 전류를 포함하지 않는다. 이 조건에서 IQ를 측정하는 이유는 IC에 전적으로 의존한다. 반면 전력 단자 입력 전류와 게이트 드라이브 전류는 선택된 외부 구성품에 의존한다. 대부분의 경우 이는 절전 모드에서 얼마나 자주 IC를 스위칭해야 하는지를 지시한다. 따라서, IQ는 IC 측정인 반면 다른 두 전류를 포함할 경우 시스템 측정이 된다.
TI는 그러한 시스템 측정을 제어하지 않으며 보장할 수도 없지만 IC 측정은 제어 가능하며 지정할 수도 있다. 사실상, TI는 IQ 규격을 보장하며 데이터시트가 IQ에 대한 최댓값을 지정하는 디바이스인 경우 각각의 모든 디바이스에서 이를 테스트한다. 이 테스트는 디바이스를 활성화하고 데이터시트에 지정된 테스트 조건으로 설정한 후 IC가 스위칭되지 않을 정도로 높게 출력 전압과 FB 핀 그리고 기타 핀 전압을 올려 이뤄진다. 무부하와 절전 모드가 활성화된 상태에서(가능한 경우), IC로의 입력 전압은 IQ가 된다.

IQ에 해당하지 않는 경우

IQ는 무부하 입력 전류가 아니다. 앞에서 언급했듯이, IQ는 IC의 기본 기능을 구동하기 위해 필요한 ‘가공’ 전류일 뿐이다. 여기에 전력 단자로의 입력 전류(출력으로 실제 전달되는 전류)나 게이트 드라이버를 구동하기 위해 필요한 전류는 포함되지 않는다.
무부하 상태에서조차, 디바이스는 출력을 지속적으로 조절하도록 스위칭한다. 출력에는 출력 전압을 설정하기 위해 사용되는 전압 디바이더에서의 손실, 부하 또는 출력 커패스티를 지날 때의 누설 전류, 풀업 레지스터 등과 같은 일부 손실은 출력에서 항상 존재한다. 이러한 손실로 인해 출력 커패시터에서 전압 감쇄가 발생하기 때문에 IC는 전력 손실을 보충하기 위해 빈번하게 스위칭해야 한다.



따라서, 무부하 입력 전류 측정은 IC가 논스위칭 조건이어야 하며 어떠한 전류도 IC를 떠나 VOUT를 충전할 수 없다는 요구조건을 위반한다. 한 예로, (그림 2)는 1.2V의 입력 전압과 3.3V의 출력 전압을 가진 TPS61220 부스트 컨버터에 대한 무부하 동작을 보여준다. IC는 약 1.75ms마다 스위칭하여 출력 전압을 조절한다.
이 기간은 VIN, VOUT 및 외부 구성품에 따라 다르며 얼마나 많은 평균 입력 전압이 사용되는지에 영향을 미친다. 페이즈 #1 동안, IC가 스위칭되며 높은 측 MOSFET나 동기 정류 MOSFET 중 하나가 켜진다. 입력 전류는 전력 단자로의 전류로 지배되며 이는 평균 70mA(인덕터의 피크전류 절반)에 해당한다.



(그림 3)은 페이즈 1을 확대한 그림이다. 출력 전압이 한계점 아래로 떨어지면, TPS61220는 제어 MOSFET를 켜서 스위칭 펄스를 시작한다. SW 핀이 아래로 이동하면 인덕터 전류는 증가한다. 이후에 제어 MOSFET가 꺼지고 정류 MOSFET가 켜지면서 전류가 출력으로 흐르게 된다. 출력 전압은 이 에너지가 출력 커패시터로 전송될 때 증가한다.
인덕터 전류가 0에 도달하면, 모든 에너지는 출력으로 전달되기 때문에 정류 MOSFET가 꺼지고 IC는 절전 모드로 전환된다. 이 시점에서 두 MOSFET가 꺼지고(개방) SW 핀은 고저항 상태에 있게 된다. 이 핀의 인덕터와 기생용량이 입력 전압과 동일한 DC 값에 도달할 때까지 울린다.
페이즈 2 동안, IC는 고저항 상태에 있으며 출력 전압은 출력에서의 누설로 인해 떨어진다. IC는 스위칭하지 않기 때문에 이 기간 동안 IC 소모한 전류가 IC가 된다. 페이즈 1과 2는 평균 입력 전류가 계산되는 동안 스위칭 기간을 정의한다. 스위칭 시간(페이즈 1) 동안 높은 입력 전류로 인해, 이 기간 동안의 평균 입력 전류는 IC의 IQ보다 높아야 한다. 그러나, 페이즈 1의 기간이 매우 짧기 때문에, 평균 입력 전류는 일반적으로 IQ로 될 입력 전류보다 약 간 더 크다.
이러한 IQ와 무부하 입력 전류 사이의 차이를 해결하기 위해, 일부 IC의 데이터시트는 전기 특성표에 무부하 입력 전류에 대한 일반 규격을 포함한다. 이외에도 특정 회로에 대한 무부하 입력 전류를 보여주는 그래프도 포함된다.
(그림 4)는 TPS61220/21/22 데이터시트의 그러한 그래프를 보여준다. 또한 (그림 5)는 전기적 특성표의 IQ 규격을 보여준다. 이 표는 고효율 벅 컨버터인 TI TPS62120/22,2에 대한 데이터시트로부터 발췌했다. 13μA의 일반적인 규격은 특정 테스트 조건에만 유효하다. TPS61220와 TPS62120의 경우, 무부하 입력 전류가 IC의 IQ보다 높다는 점에 주의해야 한다.


[그림5] TPS62120/22 데이터시트의 무부하 입력 전류 규격

(그림 4)는 TPS61221 부스트 컨버터로의 무부하 입력 전류가 VIN 1.2V, VOUT 3.3V을 포함하여 20μA임을 보여준다. 이 수치는 동일한 테스트 조건에서 VOUT에 5μA, VIN에 0.5μA인 (그림 1)의 IQ보다 훨씬 크다. 이 차이는 ‘설계 고려사항’의 항목 3 아래에서 다뤄진다.

IQ 사용 방법

IQ에 대한 지식을 통해 설계자는 다른 IC의 저전류 성능을 비교할 수 있다. 그러나, IC의 IQ는 시스템 입력 전류의 일부이기 때문에 이는 세 가지, 즉 각각의 IC 내부 설계(해당 IQ), 각각의 IC 주변에 있는 외부 구성품, 전체 시스템 구성에 의해 영향을 받는다. 입력 전류는 이러한 세 가지 항목의 조합이기 때문에 IQ 손실은 특정 시스템에 대한 지배적 손실이 되거나 그렇지 않을 수 있으며 배터리 작동 시간에서 결정적인 요인이거나 그렇지 않을 수도 있다.
최종 애플리케이션이 출력 무부하 상태에서 IC를 사용하는 경우, 낮은 IQ를 가진 IC는 일반적으로 낮은 무부하 입력 전류를 가지며 이로 인해 배터리 수명이 더 길어진다. 이는 두 IC가 절전 모드를 가지고 있으며 이 모드가 활성화되었음을 전제로 한다. 그러나 절전 모드는 여러 IC 사이에서 다르게 작용하기 때문에 상당히 다른 무부하 입력 전류가 발생할 수 있다.
애플리케이션이 무부하에서 작동하지 않지만 대신 프로세서나 다른 무하가 여전이 일부 전류를 사용하는 ‘대기’ 모드에서 작동하는 경우, IQ의 유용성은 급격히 감소한다. 이를 입증하기 위해 TPS62120 구동 TI의 MSP430™ 와 2 V에서 100 μA를 소비하는 기타 회로를 예로 들어보자. 8V 입력을 갖는 TPS62120는 60% 효율성에서 작동하여(그림 6 참조) 다음의 입력 전류를 발생시킨다.
이러한 입력 전류에는 IQ (11 μA)가 포함되며 전체 입력 전류(약 26%)의 상당한 부분을 차지한다. 그러나 대기 부하가 1 mA까지 증가하는 경우, 8V에서의 입력 전류는 다음과 같다.
이제 IQ의 11 μA는 전혀 중요하지 않다(약 3.5%). 시스템의 대기 모드 상태에서 입력 전류를 정확하게 측정하려면 사용된 부하 전류를 알아야 한다. 이러한 경부하 입력 전류 대신 IQ만을 사용하면 사용된 배터리 전류를 정확하게 측정할 수 없다.
데이터시트의 모든 효율성 그래프는 전체 회로 효율성을 나타내며 IQ 손실을 포함한다. 따라서, IQ 손실을 그래프에서 제공된 손실에 추가해서는 안 된다.

설계 고려사항
IQ 값을 측정하거나 데이터시트에서 얻을 때 여러 오류가 발생할 수 있다. 다음의 5가지 고려사항을 통해 설계자는 이러한 오류를 방지할 수 있다.

1. IC의 IQ는 변경할 수 없다.
IQ에 영향을 미치는 IC 외부로부터 어떠한 것도 수행할 수 없다. IQ는 입력 전압과 온도에 따라 다르지만 IC의 내부 회로 작용은 이러한 변화를 설정한다. IC를 강제 PWM 모드에서 작동하거나 부하가 출력에 부착되는 경우, IQ는 더 이상 회로에 적용되지 않으며 대신 입력 전류가 적용된다. 입력 전류에 영향을 미치는 여러 가지 것들이 애플리케이션에서 이뤄질 수 있지만 IQ에서는 그렇지 않다.

2. 지정된 동작 조건을 고려해야 한다.
IQ는 IC가 권장하는 동작 조건과 특정 테스트 조건, 특히 입력 전압과 출력 전압에 대해서만 지정된다. 모든 IC에서 입력 전압이 권장되는 최대값(절대 최대값 미만)을 초과하거나 입력 전압이 권장 최소값 미만(UVLO 레벨 초과)인 경우 지정된 IQ는 보장되지 않는다. 벅 컨버터의 경우, IQ는 입력 전압이 출력 전압보다 크고 디바이스가 드롭아웃 상태에 있지 않은 경우(100% 모드)에만 유효하다. 부스트 컨버터의 경우, IC가 다운모드에 있지 않도록 입력 전압은 출력 전압보다 낮아야 한다.

3. 입력 전류는 종종 출력과 연결된다.
동기 부스트를 위한 대부분의 IQ는 일반적으로 출력 전압에서 발생한다. 이 전력은 궁극적으로 입력에서 나와야 하며 부스트 컨버터에 대한 입력 전류는 출력 전류보다 더 높아야 하기 때문에 무부하 상태에서의 입력 전류는 IQ보다 상당히 높다. 1.2V에서 3.3V로 부스트되는 TPS61220를 예로 들어보자. VOUT에서 5μA, VIN에서 0.5μA인 IQ와 100% 전환 효율성을 가정하면 IQ에서의 입력 전류는 다음과 같다.
이 회로는 스위칭 손실과 게이트 드라이브 손실과 같은 비 IQ 손실로 인해 실제로 무부하 상태에서 약 20μA의 입력 전류를 사용한다(그림 4와 같이). TPS61220은 출력 전압에서 대부분의 IQ를 사용하는 부스트 컨버터이기 때문에 이 20μA의 입력 전류가 IC의 5.5μA IQ 보다 훨씬 더 크다는 점이 중요하다.

4. 가능한 모든 입력-전류 경로를 찾아라.
평가 모듈(EVM)이나 기타 보드에서 IQ를 측정할 때 설계자는 보드로의 입력 전류가 전체적으로 IC로 들어가며 보드의 다른 곳으로 들어가지 않는다는 점을 보장해야 한다. 디바이스를 사용하지 않을 때조차 적은 IQ값으로 인해 커패시터나 다른 디바이스에서의 누설은 상당할 수도 있으며 보드로의 입력 전류에 영향을 미칠 수 있다.
또한, 일부 EVM과 가장 끝에 있는 장비 보드에서, 입력 전압이나 출력 전압은 풀업 레지스터, 표시디바이스 LED 또는 일부 조건에서 전류를 싱크할 수 있는 기타 디바이스로 연결된다. 분명 이 전류의 사용은 IC의 IQ의 일부는 아니다. 마지막으로 IC의 IQ는 시스템 매개변수로써 중요하지 않다. 왜냐하면 전체 입력 전류는 실제로 필요한 것이며 필요한 테스트 조건에서 쉽게 측정된다.

5. 측정 기술에 따라 큰 차이가 발생할 수 있다.
저전력 입력 전류나 절전 모드에서의 효율성을 정확하게 측정하려면, ‘www.ti.com/sc/device/TPS62120’의 테스트 설정을 따라야 한다. 
 

결론

IQ는 최신 저전력 DC/DC 컨버터에서 중요한 IC 설계 매개변수이며 경부하 조건에서 배터리에서 사용된 전류를 부분적으로 정의한다. IC는 무부하, 활성화, 논스위칭 상태에서만 IQ전류를 소모하기 때문에 IQ는 IC의 무부하 입력 전류가 아니다. 출력에서의 누설로 인해, IC는 출력 전압을 지속적으로 조절하도록 스위칭해야 한다. IC의 IQ를 배터리 전류 사용의 예상치로 사용하는 대신, 설계자는 시스템에 대한 무부하 입력 전류를 측정하고 사용해야 한다.
배터리 전류 사용을 측정하기 위한 더 좋은 방법은 시스템이 저전력 모드 상태일 때 시스템의 부하를 정하여 이 작동 시점에서 배터리의 실제 전류 사용을 측정하는 것이다. 이렇게 함으로써 IQ를 사용하지 않아도 배터리 실행 시간을 정확하게 예측할 수 있다.