오늘날 많은 통신, 데이터 통신, 전자 데이터 프로세싱 및 무선 네트워크 시스템은 매우 정교한 매개 변수로 전원 공급기를 감시 및 제어할 수 있는 전력관리 솔루션을 필요로 한다. 설계자들은 내부적으로 전력관리 능력을 숙달시키는데 투자를 하거나, 혹은 외부 설계 회사의 전문지식에 의존하는 방안 중 하나를 선택한다. 최근에는 포인트 오브 로드(Point Of Load) DC-DC 전력 모듈이 설계자들에게 세 번째 방안으로 급부상하고 있다.

오늘날 많은 통신, 데이터 통신, 전자 데이터 프로세싱 및 무선 네트워크 시스템은 분배형 전력 아키텍처로 전원을 공급받는다. 이러한 복잡한 시스템은 매우 정교한 매개 변수로 전원 공급기를 감시 및 제어할 수 있는 전력관리 솔루션을 필요로 한다. 높은 수준의 성능을 얻기 위해 대부분의 설계에는 FPGA, 마이크로프로세서, 마이크로 컨트롤러 또는 메모리 블록을 사용한다.



전력관리 모듈 설계

설계에서 요구되는 매우 높은 수준의 정교함은 유선뿐만 아니라 무선 시스템과 동작할 때 애플리케이션 설계자들에게 큰 부담이 된다. 때문에 설계자들은 내부적으로 전력관리 능력을 숙달시키는데 투자를 하거나 혹은 외부 설계 회사의 전문지식에 의존하는 방안 중 하나를 선택한다.
그리고 최근에는 포인트 오브 로드(Point Of Load) DC-DC 전력 모듈이 설계자들에게 세 번째 방안으로 급부상하고 있다. 이 모듈은 최대 40%의 부품을 교체할 수 있는 플러그 앤 플레이 솔루션을 제공하기 위해 모든 혹은 대부분의 부품을 서로 결합시킨다. 이러한 통합은 전력관리 풋프린트를 줄이면서 설계를 단순화 및 가속화시킨다.
이와 같은 모듈에서 비용과 공간 요구 사항을 유지시키면서도 필요한 성능을 얻을 수 있는 핵심은 사용할 수 있는 서로 다른 기술들을 확실하게 파악하는 것이다.
가장 전통적이면서 일반적인 비절연 DC-DC 전력 모듈은 (그림 1)에서 볼 수 있는 SIP(Single In-line Package)이다. 이 오픈 프레임 솔루션은 확실히 설계 복잡성을 최소화하는데 큰 진전을 이루었다.
하지만 대부분은 간단하게 PCB(Printed Circuit Board)에 표준 패키지 부품을 채용했을 뿐이다. 일반적으로 이런 부품들은 주파수 설계(약 300kHz)가 낮으며 전력 밀도도 그리 뛰어나지 않다. 따라서 부품의 크기는 수많은 공간 제약적인 애플리케이션에 좋은 선택이 되지 못한다. 때문에 차세대 전력 모듈은 설계 유연성 향상을 위해 폼 팩터(form factor)를 줄이는 것을 필요로 한다.
설계자가 필요로 하는 높은 전력 밀도를 얻기 위해서 전력관리 공급기는 에너지 저장 장치 요소의 크기를 줄이기 위해 스위칭 주파수를 밀어 올려야 한다. 하지만 표준 부품으로 스위칭 주파수를 높이게 되면 주로 MOSFET 스위칭 손실을 가져와 효율성이 낮아진다. 이로 인해 업계에서는 DC-DC 모듈 내 MOSFET의 구동 및 전력 경로에 존재하는 기생 임피던스를 가격 효율적으로 줄이는 방법들을 연구해 왔으며, 그 결과 단일 집적회로 크기의 몰드형 모듈을 만들어냈다.
특정한 애플리케이션에 맞는 솔루션을 평가할 때는 크기와 가격이 주요 고려 사항이 된다. 하지만 최종 애플리케이션에서는 다른 요소들이 크기와 가격만큼 중요하거나 혹은 더 중요한 고려사항이 될 수 있다. 아래에서는 크기와 가격을 제외한 주요 고려 사항들을 확인해 볼 것이다.



안정성

모든 시스템 설계자들이 다루어야 할 한가지 주요 문제는 안정성이다. 광범위한 전력 구조 애플리케이션은 정지 시간이 거의 없이 오랫동안 완벽하게 작동할 필요가 있다. 안정성은 총 시스템 소유 비용에서 매우 중요한 역할을 한다. 안정성 문제는 함께 패키징된 부품의 개수와 높은 전력 밀도로 인한 열-피로 현상, 마지막으로 부착 메커니즘 오류의 이유로 전력 모듈로 함께 작동할 때 매우 중요한 이슈가 된다.
전기 시스템 및 부품의 고장률은 (그림 2)와 같이 욕조 곡선(bathtub curve) 의 형태를 띤다. 곡선의 한 상태에서 다른 상태로의 전환 부분이 가파른 것은 사용된 부품, 부품의 정격, 모듈 내 나머지 부품들과의 호환성에 의존한다. 예를 들어, 드라이버, 쇼트키 다이오드(Schottky diode), 스너버(Snubber) 회로 선택에 별다른 문제가 없는 한 20V 입력이 가능한 DC-DC 모듈에서 30V MOSFET를 사용할 수 있다.
전력 모듈 내 열 피로 현상은 전력 변환의 비효율성과 열 소산에 필요한 공간 제약으로 인해 발생한다. 이는 최종적으로 온도 상승률을 높이는 결과를 가져와 제품의 수명을 단축시킨다. MTBF(Mean Time Before Failure)의 온도 효과를 최소화시키기 위해서 시스템 설계자는 방열판, 사용 가능한 기류 및 (그림 3)에 나와 있는 모듈의 전력 손실에 따른 경감 곡선을 고려해야만 한다.
치명적인 고장을 야기하는 또 다른 현상은 납땜 부위에 금이 가며 발생하는 온도 런웨이(runway) 현상이다. 만일 모듈이 기계적인 진동 또는 몇 번의 온도 주기 충격을 겪게 되면 납땜 접합부의 크랙이 커져 결국에는 기판에서 부품이 분리될 수 있다. 이는 전기 저항을 증가시켜 열 스트레스를 높이게 된다. 이러한 일들은 주기가 케이블이 끊기는 현상인 와이어-시어(wire-shear) 모드에 도달하기 전까지 계속 반복되며 큰 고장을 야기하게 된다.

전기 및 열 성능

시스템 설계자들이 최적의 모듈을 선택할 때 직면하게 되는 주요한 문제들 중 하나는 성능과 안정성, 가격 간에 미묘한 균형을 찾는 일이다. 이 작업의 어려움은 표준화된 시험 환경과 측정 결과의 부족으로 확대되며, 특히 전력 기능, 효율도, 과도 응답 같이 데이터시트에 나와 있는 일부 주요 매개 변수에서는 더욱 그러하다.
효율도를 비교할 때는 효율도가 비교되는 지점에서의 입력 전압과 출력 전압, 전류 레벨이 고려되어야 한다. 과도 응답은 유효한 비교를 얻기 위해 분석을 필요로 하는 매개 변수이다. 이는 입력과 출력 전압을 동일하게 해야 하며, 출력 커패시터들은 동일한 값과 유사한 매개 변수(ESR, ELS 등)를 가져야 한다. 또한 마지막으로 적용된 과도 전류 스텝이 같은 크기와 속도를 지니도록 해야 한다.
많은 애플리케이션에서 전력 모듈은 거친 환경에서의 작동을 위해 반드시 필요하다. 모듈의 전력 기능을 비교할 때 25℃에서 전기 기능을 살펴볼 뿐 아니라 시스템 주위 온도, 공기 흐름, 모듈의 열 제거 방법도 고려해야 한다.
예를 들어 인터실 ISL820xM 시리즈의 QFN 패키지는 PCB를 통한 최적의 열 전달을 제공하도록 설계되었으며, 모듈의 대형 구리판은 전체 전력 성능을 향상시킨다.

결론적으로 새로운 고전력 밀도 옵션이 비-절연 포인트 오프 로드(POL) DC-DC 변환기에 등장하고 있다. 인터실의 ISL8201M 모듈은 PWM 제어기, MOSFET, 인덕터를 포함하는 완벽한 DC-DC 변환기에 필요한 대부분의 부품들을 통합하였다.
이 제품의 입력 전압 범위는 3~20V이며 10A의 전류를 처리할 수 있다. 이 제품은 MOSFET 패키지를 제거하고 부품들을 소형의 15x15x3.5mm QFN 패키지(그림 2 참고)에 함께 패키징하여 뛰어난 효율성 및 열성능과 함께 기존의 SIP DC-DC 모듈보다 훨씬 높은 스위칭 주파수를 달성한다. ISL8201M은 해당 제품군의 첫 번째 제품으로 추가적인 크기 감소와 성능 향상을 진행 중에 있다.
ISL8201M은 효율성 관점에서 매우 뛰어난 성능을 달성하였다. 더욱이 QFN 패키지의 뛰어난 열 성능은 방열판이 필요 없는 초소형 설계를 가능하게 한다. 이로 인해 ISL8201M은 약 200W/in3의 전력 밀도를 제공하는데 이는 일반적인 오픈 프레임 모듈의 약 4배에 달하는 값이다.