TI, 최초 능동 EMI 필터 통합 DC/DC 컨트롤러 

텍사스 인스트루먼트가 전원 솔루션의 EMI를 낮추는 동시에 크기를 축소하는 혁신적인 동기형 DC/DC 벅 컨트롤러를 출시했다. LM25149-Q1과 LM25149는 능동 EMI 필터, 듀얼 랜덤 분산 스펙트럼 기술을 통해 EMI 필터 면적을 절반으로 줄이면서 다중 주파수 대역에 걸쳐 전원 솔루션의 전도 EMI를 무려 55 dBmV까지 낮춘다. 세실리아 스미스 부사장과 가네시 스리니바산 매니저가 그들의 혁신적인 전원 솔루션에 대해 설명한다. 



“TI는 차량 시스템의 전원관리 디자인에 있어 낮은 EMI 구현, 높은 전력 밀도, 낮은 IQ, 저소음 및 정밀성, 절연이란 5가지 과제 해결을 위해 노력 중입니다. 최근의 혁신인 LM25149-Q1과 LM25149 벅 컨트롤러는 업계 최초의 ‘능동 EMI 필터(AEF)’ 기술과 듀얼 랜덤 분산 스펙트럼(DRSS)을 이용해 EMI 필터 면적을 절반으로 줄이면서 다중 주파수 대역에 걸쳐 전원 솔루션의 전도 EMI를 55 dBmV까지 낮추도록 합니다.”  

본격 브리핑에 앞서 TI의 부스트 및 다중채널 DC/DC 사업부 세실리아 스미스(Cecelia Smith) 부사장이 핵심을 요약했다. 
 

차량 전원관리 시스템에서 TI의 혁신 방향은 ▶낮은 EMI로 타 시스템 구성요소에 대한 간섭의 최소화 및 설계, 검증 프로세스의 간소화 ▶더 높은 전력 밀도를 통한 절감된 비용으로 더 많은 시스템 기능의 제공 ▶배터리 등 수명을 늘려 더 많은 기능, 수명, 시스템 비용 절감 ▶소음 낮추거나 이동시켜 아날로그 애플리케이션의 신뢰성 향상 ▶고전압 및 안전 크리티컬한 애플리케이션에서 최고의 작동 전압 및 신뢰성 지원 등이다. 이중, LM25149-Q1과 LM25149 등 소개된 TI의 차량용 전력관리 솔루션들은 특히 낮은 EMI 구현을 통해 전원관리 설계의 다양한 당면과제를 해결하고 있다.   

“자동차 고객사의 이야기를 들어보면, 전력관리 디자인에 있어 EMI 표준을 만족하면서 더욱 크기를 줄이는 것이 매우 큰 관심사였습니다. 전자 컴포넌트가 늘어나고 DC-DC 컨버터의 스위칭 속도가 늘면서 다양한 과제들이 떠올랐는데, TI는 반도체와 패키징 혁신 및 새로운 모델링 기술을 개발해 저주파 및 고주파 EMI 문제를 해결하는 여러 솔루션을 제공하고 있습니다.”   

EMI에 대한 TI의 접근법은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫째는 부품 크기, 필터 크기 감소를 통해 EMI가 미치는 영향을 완화하면서 비용을 절감하는 것이다. 둘째는 바이패스 커패시터 통합, AEF 통합, 극히 낮은 패키지 기생성분 등의 신기술과 함께 설계시간 및 복잡성을 줄이면서 근원적으로 EMI를 낮추는 것이다. 

EMI 문제 해결하는 TI 기술

“뿐만 아니라, TI는 웹벤치 파워 디자이너 등 EMI 시뮬레이션 툴, 포괄적인 EMI 관련 자료, 디자인 과정 전체에 사용될 수 있는 테스팅 역량의 온사이트 제공과 같은 견고한 TI의 EMI 에코시스템으로 고객을 지원하고 있습니다.” 스미스 부사장이 말했다.

LM25149-Q1과 LM25149

“우리는 업계 최초로 능동 EMI 필터 기술이 적용된 제품을 소개합니다.” 벅 스위칭 레귤레이터 제품군 가네시 스리니바산(Ganesh Srinivasan) 매니저가 하이라이트인 LM25149-Q1과 LM25149에 대해 설명했다.  

LM25149-Q1과 LM25149는 전원 솔루션의 크기를 축소하고 EMI를 낮출 수 있는 새로운 동기형 DC/DC 벅 컨트롤러다. AEF와 DRSS 기술을 통합해 외부 EMI 필터가 차지하는 면적을 반으로 줄이고, 다중 주파수 대역에 걸쳐 전원 솔루션의 전도 EMI를 55 dBmV까지 낮춘다.

EMI 분야 설계 엔지니어들은 대개 두 가지 중요 과제에 직면한다. 솔루션 크기를 축소하는 동시에 설계에서 EMI를 줄여야 하는 과제다. 본래 스위칭 전원 공급에서 생성된 전도 EMI를 완화하는 프론트 엔드 수동 필터링은 전도된 EMI 표준을 준수하도록 할 수 있지만, 높은 스위칭 속도의 EMI에 미치는 영향을 고려해야 한다. 이 방법은 저 EMI 설계의 전력 밀도를 높여야 하는 필요성과 상충된다. 특히, 수동 필터는 부피가 커 전체 부피에서 높게는 30%를 차지한다. 여기서 AEF 기술은 EMI를 낮추는 동시에 필터 크기와 비용을 줄일 수 있도록 한다.

“이에 TI의 기존 혁신 기술을 이용한, 스펙트럼 방출을 여러 주파수 대역으로 분산하도록 특별히 설계된 디지털 알고리즘 기술인 DRSS가 더해집니다. 그 결과 엔지니어들은 경쟁 솔루션 대비 440 kHz에서 낮은 EMI를 가져가면서 필터 면적의 50%, 부피 75%를 줄일 수 있습니다.”

LM25149-Q1과 LM25149의 특징

EMI와 관련된 가장 엄격한 표준 요건은 CISPR 25 Class 5 차량 EMI 요건이다. LM25149-Q1과 LM25149 벅 컨트롤러는 다중의 주파수 대역에 걸쳐 전도 EMI를 낮추므로 엔지니어들이 이러한 요건을 수월하게 충족할 수 있도록 한다. AEF가 150 kHz~10 MHz의 저주파 대역에서 전도 EMI를 감지하고 낮춰, AEF를 사용하지 않는 솔루션에 비해 440 kHz의 스위칭 주파수에서 EMI를 최대 50 dBmV까지 낮출 수 있어 통상적인 수동 필터를 사용하는 솔루션에 비해서는 20 dBmV까지 낮출 수 있다. 또 DRSS 기술을 사용하면 저주파 및 고주파 대역에서 EMI를 5 dBmV 더 낮출 수 있다. 

LM25149-Q1과 LM25149 컨트롤러는 인터리브 듀얼 위상 동작이 가능하고 부트스트랩, 다이오드, 루프 보정 회로, 출력 전압 피드백 소자들을 통합함으로써 전력 밀도를 추가적으로 높일 뿐만 아니라, 설계 복잡성과 비용도 낮춘다. 또, 선택적으로 외부 피드백 소자와 루프 보정 회로를 사용해 설계를 최적화할 수 있다.


TI의 EMI 혁신들       

스미스 부사장은 TI의 다른 혁신 전원 솔루션을 소개했다.

TPS25850-Q1은 듀얼 포트 3 A DC/DC 충전 포트 컨트롤러다. 2.2 MHz 이상 동작의 업계에서 가장 우수한 스위칭 성능을 제공한다. 이 제품은 원거리 전기통신, 무선통신에서 특정 대역폭에 발생한 신호를 천천히 주파수 영역에 퍼져 더 넓은 대역폭의 신호로 나타내는 분산 스펙트럼 주파수 디더링 기술을 통해 EMI를 감소시킨다. 2.2 MHz 이상을 사용하기 때문에 AM 라디오밴드를 사용하지 않아도 된다. USB 타입C와 배터리 충전 1.2포트를 인식하고 제어하는 경쟁 제품 대비 솔루션 크기를 37% 축소한 솔루션이다.

스미스 부사장은 “TI는 현재 400 kHz와 2.2 MHz의 레퍼런스 디자인을 제공하는데, 이를 통해 고객은 EMI 검증 테스트를 더 빠르게 진행하고 외부 인덕터 크기를 감소시킬 수 있습니다. 특히 스마트한 열 관리로 커넥티드 디바이스의 과열 셧다운 위험성을 낮춰 사용자 경험을 향상시킵니다”라고 설명했다.  

TPS25850-Q1

양산 직전 단계의 LM5157-Q1은 넓은 VIN에서 동작하는 6.5 A 2.2 MHz 비동기형 부스트 컨버터다. 듀얼 랜덤 분산 시스템, 외부적 클럭 동기화, 2.2 MHz 스위칭을 비롯해 업계에서 가장 다양한 종류의 EMI 완화 기법을 제공한다.

2.2 MHz이기 때문에 AM 밴드 사용이 필요 없고 크기를 줄일 수 있다. 1.5 V 최소 입력 전압의 까다로운 콜드 크랭크 조건을 지원해 부스트, SEPIC, 플라이백 컨버터 등 다양한 차량용 애플리케이션의 구성으로 사용 가능하다. 

LM5157-Q1