동기식 벅 컨버터에서 위상 노드 V_PH의 피크 전압은 컨버터 신뢰성을 좌우하는 중요한 사양 중 하나다. 대개 개발자들은 위상 노드 링잉을 MOSFET 데이터 시트의 절대 최대 정격의 85%~90%가 되도록 한다. 회로가 넓은 주변 온도 범위(-40~85℃)에서 안전하게 동작해야 하기 때문에 컨버터의 장기적 신뢰성을 위해서 이 정도의 마진은 필요하다.

드라이버 측에서 위상 노드 링잉에 기여하는 주된 요인은 상단 MOSFET FET_UPPER의 턴온 시의 게이트 드라이버 강도다. 각기 다른 게이트 드라이버 저항값을 사용해서 컨버터에 미치는 영향을 살펴보자.

그림 1은 상단 MOSFET 게이트 드라이버 부분을 포함한 동기식 벅 컨버터를 보여준다. FET_UPPER를 작동시키기 위해서는 전하가 필요하다. 이 전하는 부트 커패시터인 C_BOOT로부터 제공된다. 충전 경로는 C_BOOT에서 시작해서 R_BOOT, 풀업 드라이버 P-MOSFET(D_UP), FET_UPPER 입력 커패시터를 거쳐서, 다시 C_BOOT로 돌아온다.

▲ 그림 1. 동기식 벅 컨버터

비교를 쉽게 하기 위해서 편의상, R_BOOT는 단락이고 MOSFET D_UP가 FET_UPPER 턴온 시에 선형적 저항으로서 동작한다고 간주하겠다. D_UP 저항값이 높을수록 피크 링잉 전압은 낮고, 컨버터 효율은 스위칭 전력 손실이 높아지기 때문에 낮다. 이 저항값이 낮을수록 피크 링잉 전압은 높고 효율은 더 우수하다.

그림 2는 각기 다른 게이트 드라이버 강도로 위상 노드 링잉의 상승 에지를 보여준다. 이 파형은 TPS543C20 평가 보드를 사용해서 V_IN=12V, V_OUT=1V, F_SW=500 kHz, I_LOAD=40A 조건으로 얻은 것이다. 6Ω D_UP일 때의 피크 링잉 전압이 8Ω D_UP보다 약 6V 높다. TPS543C20 내의 D_UP의 저항값은 I²C 프로토콜과 같은 외부 통신 인터페이스를 통해서 프로그램 할 수 있다. 이들 파형은 서로 다른 부품들을 사용할 때의 차이를 최소화하기 위해서 동일한 디바이스와 평가 보드를 사용한 것이다.

6Ω D_UP과 8Ω D_UP을 비롯한 다른 부트 저항값들과 비교했을 때 언뜻 보기에는 6Ω D_UP에 2W 부트 저항이면 8Ω D_UP과 동일한 피크 링잉 전압일 것으로 생각될 수 있다. 그림 2에서는 또 6Ω D_UP 값에 1Ω, 3Ω, 5Ω 부트 저항을 사용할 때를 비교하고 있다. 이들 구성의 피크 링잉 전압은 8Ω D_UP 값보다 높다.

6Ω D_UP에 2Ω 부트 저항이 8Ω D_UP 값과 피크 링잉 전압 결과가 같지 않은 이유는 D_UP이 동적 MOSFET으로 동작하기 때문이다. 그러므로 R_BOOT로서 순수한 저항과 비교해서 턴온 시에 시간이 걸린다. 그러므로 6Ω D_UP과 6Ω D_UP에 부트 저항을 사용하는 위상 노드의 상승 기울기는 동일한 비율이고 8Ω D_UP 기울기보다 빠르다.

▲ 그림 2. TPS543C20 디바이스를 사용할 때의 위상 노드 링잉

그림 3은 이들 모든 구성의 효율을 보여준다. 앞서 논의된 것을 이 결과들로 확인할 수 있다. 6Ω D_UP이 효율이 가장 높고 피크 전압 링잉이 가장 높다. 또한, 8Ω D_UP은 효율이 가장 낮고 피크 전압 링잉이 가장 낮다.

▲ 그림 3. 게이트 드라이버 강도에 따른 효율 비교

신뢰성과 최대의 컨버터 효율을 달성하기 위해서는 메인 전원 스테이지 MOSFET로 게이트 드라이버 강도를 최적화해야 한다. 게이트 드라이버 강도의 아주 작은 차이만으로도 컨버터 성능은 크게 달라질 수 있다. 향후 설계를 위해 TPS543C20 정주파수 비-보정형 적층 가능 동기식 벅 컨버터에 대해서 보다 자세히 확인할 수 있다.