THine Value 변환 효율과 방열 특성이 높은 소형 DC-DC 컨버터 모듈, 고성능 디지털 LSI의 POL 컨버터를 지향하다
2019.09.12
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DC-DC 컨버터 IC나 인덕터, 콘덴서, 저항기 등을 1개의 패키지에 담은 DC-DC 컨버터 모듈(전원 모듈). 프로세서나 FPGA, GPU, SoC, ASIC과 같은 고성능 디지털 LSI에 전력을 공급하는 POL(Point of Load) 컨버터로서 컴퓨터나 통신기기, 산업기기, 의료기기 등에서 채용 사례가 급증하고 있다. 자인 일렉트로닉스도 DC-DC 컨버터 모듈을 제품화한 업체 중 하나다. 2016년 12월에 첫번째 제품을 발매하고, 2019년 9월에 만반의 준비를 하여 두번째로 3제품을 동시에 시장에 투입했다. 이번에는, 두번째 제품들의 특징이나 기술적인 신규성, 타켓으로 하는 시장 등에 대해서 해설한다.
모듈화로의 움직임 가속
컴퓨터나 통신기기, 산업기기, 의료기기 등에서 「두뇌」의 역할을 하는 프로세서나 FPGA, SoC, ASIC, GPU, DSP 등의 디지털 LSI. 이러한 고성능 디지털 LSI에 전력을 공급하는 DC-DC 컨버터를 일반적으로 「POL(Point of Load) 컨버터」라고 부른다.
이 POL 컨버터에서는 현재 「모듈화」를 향한 움직임이 가속화되고 있다. 모듈화란, DC-DC 컨버터 IC나 인덕터, 콘덴서, 저항기 등을 1개의 패키지에 담는 것. DC-DC 컨버터 회로를 구성하는 부품의 대부분을 1개의 모듈에 담기 때문에, 전자기기 업체는 전원 회로 설계 작업이 불필요하게 되고, 기판에 실장하는 것만으로 끝나게 된다.
모듈화가 진행되고 있는 배경에는 2개의 큰 트렌드가 있다. 하나는 아날로그 기술자가 줄어들고 있는 것. 또 하나는 기기 개발의 리드 타임이 짧아지고 있는 것이다. 사람도 없고, 시간도 없다. 디스크리트 부품을 모아 DC-DC 컨버터 회로를 설계해서는 제품 개발의 스케줄을 준수할 수 없다. 그래서 부품 비용은 다소 비싸지지만 인재 부족의 대응이나 시간 단축을 목적으로 DC-DC 컨버터 모듈을 채용하는 사례가 늘어나고 있다.
이 POL 컨버터에서는 현재 「모듈화」를 향한 움직임이 가속화되고 있다. 모듈화란, DC-DC 컨버터 IC나 인덕터, 콘덴서, 저항기 등을 1개의 패키지에 담는 것. DC-DC 컨버터 회로를 구성하는 부품의 대부분을 1개의 모듈에 담기 때문에, 전자기기 업체는 전원 회로 설계 작업이 불필요하게 되고, 기판에 실장하는 것만으로 끝나게 된다.
모듈화가 진행되고 있는 배경에는 2개의 큰 트렌드가 있다. 하나는 아날로그 기술자가 줄어들고 있는 것. 또 하나는 기기 개발의 리드 타임이 짧아지고 있는 것이다. 사람도 없고, 시간도 없다. 디스크리트 부품을 모아 DC-DC 컨버터 회로를 설계해서는 제품 개발의 스케줄을 준수할 수 없다. 그래서 부품 비용은 다소 비싸지지만 인재 부족의 대응이나 시간 단축을 목적으로 DC-DC 컨버터 모듈을 채용하는 사례가 늘어나고 있다.
효율과 방열을 중시
자인 일렉트로닉스에서는 이런 트렌드에 대응하려고, 2016년 12월에 강압 DC-DC 컨버터 모듈 시장에 뛰어들었다. 첫번째 제품으로 투입한 것은 「THV81800」이다. 입력 전압 범위는 7.5～28V로 출력 전압은 0.85～4.0V 범위로 설정할 수 있다. 최대 출력 전류는 8A. 외형 치수가 15mm×15mm×2.82mm인 LGA 패키지에 담았다.
첫번째 제품에서 중시한 것은 부하 과도응답 특성이다. 일반적으로 프로세서나 FPGA 등의 고성능 디지털 LSI에서는 동작 모드 등이 변화하면, 그에 따라 부하 전류도 크게 변화한다. POL 컨버터는 그 변화에 추종하여 안정된 전압을 계속 공급해야 한다. 이를 가능하게 하는 것이 고속 부하 과도응답 특성이다. 첫번째 제품에서는 당사의 독자적인 DC-DC 컨버터 제어 기술 「Transphase」를 채용함으로써 업계 최고 수준의 부하 과도응답 특성을 달성했다.
한편 두번째 제품들에서는 가장 중시하는 특성을 바꿨다. 이번에 중시한 것은 변환 효율과 방열 특성이다. 어떻게 변환 효율과 방열 특성을 높였는가. 일반적으로 DC-DC 컨버터의 변환 효율에 대해서는, 최신의 회로 기술을 활용해 스위칭 손실이나 데드 타임 손실을 저감, 혹은 MOSFET 등의 스위칭 소자와 인덕터에서 발생하는 손실을 저감시키는 것이 효과적이다. 무엇보다 MOSFET의 손실에 대해서는, 기술적으로 꽤 극한까지 도달하고 있어 MOSFET에서의 손실을 지금까지 이상으로 대폭 줄이는 것은 어렵다. 물론, 새로운 스위칭 소자인 GaN(질화갈륨) FET를 사용하면 줄일 수 있는 여지는 있지만, 현시점에서는 GaN FET 그 자체의 비용이 비싸다.
그래서 인덕터에 주목했다. 인덕터의 손실을 줄이려면 코일의 직류저항(DCR)을 줄이는 것이 중요하지만, DCR이 작은 인덕터를 선택하면 인덕터의 사이즈가 커져 버린다. 범용품을 채용한 것으로는 좀처럼 시장 요구 사이즈에 담기 어렵다. 그래서 이번에는, DC-DC 컨버터 모듈에 최적인 맞춤형 인덕터를 신규 채용했다.
첫번째 제품에서 중시한 것은 부하 과도응답 특성이다. 일반적으로 프로세서나 FPGA 등의 고성능 디지털 LSI에서는 동작 모드 등이 변화하면, 그에 따라 부하 전류도 크게 변화한다. POL 컨버터는 그 변화에 추종하여 안정된 전압을 계속 공급해야 한다. 이를 가능하게 하는 것이 고속 부하 과도응답 특성이다. 첫번째 제품에서는 당사의 독자적인 DC-DC 컨버터 제어 기술 「Transphase」를 채용함으로써 업계 최고 수준의 부하 과도응답 특성을 달성했다.
한편 두번째 제품들에서는 가장 중시하는 특성을 바꿨다. 이번에 중시한 것은 변환 효율과 방열 특성이다. 어떻게 변환 효율과 방열 특성을 높였는가. 일반적으로 DC-DC 컨버터의 변환 효율에 대해서는, 최신의 회로 기술을 활용해 스위칭 손실이나 데드 타임 손실을 저감, 혹은 MOSFET 등의 스위칭 소자와 인덕터에서 발생하는 손실을 저감시키는 것이 효과적이다. 무엇보다 MOSFET의 손실에 대해서는, 기술적으로 꽤 극한까지 도달하고 있어 MOSFET에서의 손실을 지금까지 이상으로 대폭 줄이는 것은 어렵다. 물론, 새로운 스위칭 소자인 GaN(질화갈륨) FET를 사용하면 줄일 수 있는 여지는 있지만, 현시점에서는 GaN FET 그 자체의 비용이 비싸다.
그래서 인덕터에 주목했다. 인덕터의 손실을 줄이려면 코일의 직류저항(DCR)을 줄이는 것이 중요하지만, DCR이 작은 인덕터를 선택하면 인덕터의 사이즈가 커져 버린다. 범용품을 채용한 것으로는 좀처럼 시장 요구 사이즈에 담기 어렵다. 그래서 이번에는, DC-DC 컨버터 모듈에 최적인 맞춤형 인덕터를 신규 채용했다.
전용 인덕터를 신규 채용
맞춤형 인덕터는 형상에 특징이 있다. 인덕터 전체의 형상은 케이스 모양으로 가공된 얇은 직육면체이며, 그 일부에 코일이 내장되어있다. 거기에 직육면체의 일부에 캐비티(Cavity)를 설치했으며, 그 바로 밑에는 기판에 실장된 DC-DC 컨버터 IC나 콘덴서, 저항 등이 배치된다. 이러게하여 강압형 DC-DC 컨버터 모듈을 완성한다(그림1).
이 형상에 도달한 이유는 2가지이다. 하나는 굵은 코일을 사용할 수 있는 것이다. 채용된 인덕터의 코일은 평각선으로, 통상의 Round Wire 보다도 단면적이 높아지기 때문에 DCR은 낮아진다. 이 때문에, 일정한 인덕턴스를 확보하면서 DCR을 저감하는 것에 성공했다.
또 하나는 방열 특성을 높일 수 있는 것이다. 인덕터 전체는 코어재로 형성되어 있다. 이 코어가 자성 재료로서 인덕터의 특성을 높임과 동시에 방열판의 역할을 겸한다. 게다가, DC-DC 컨버터 IC와 코어를 밀착시키기 위해서, 열전도율이 높은 접착제로 빈틈을 메웠다. 이렇게 함으로써, 1곳만 온도가 높아지는 핫스팟의 발생을 피할 수 있다(그림2). 전력 손실로 발생하는 국소 발열이 인덕터로 균일화되기 때문에, 온도 디레이팅이 필요한 경우가 적어진다.
이러한 신개발 인덕터를 채용하는 것으로, 에폭시 수지로 몰딩하는 기존의 구성과 비교하면 교환 효율을 2％ 이상 개선할 수 있다.
그림1 전용 인덕터를 채용한 강압형 DC-DC 컨버터 모듈의 구조
이 형상에 도달한 이유는 2가지이다. 하나는 굵은 코일을 사용할 수 있는 것이다. 채용된 인덕터의 코일은 평각선으로, 통상의 Round Wire 보다도 단면적이 높아지기 때문에 DCR은 낮아진다. 이 때문에, 일정한 인덕턴스를 확보하면서 DCR을 저감하는 것에 성공했다.
또 하나는 방열 특성을 높일 수 있는 것이다. 인덕터 전체는 코어재로 형성되어 있다. 이 코어가 자성 재료로서 인덕터의 특성을 높임과 동시에 방열판의 역할을 겸한다. 게다가, DC-DC 컨버터 IC와 코어를 밀착시키기 위해서, 열전도율이 높은 접착제로 빈틈을 메웠다. 이렇게 함으로써, 1곳만 온도가 높아지는 핫스팟의 발생을 피할 수 있다(그림2). 전력 손실로 발생하는 국소 발열이 인덕터로 균일화되기 때문에, 온도 디레이팅이 필요한 경우가 적어진다.
그림2 높은 방열 특성을 실현
이러한 신개발 인덕터를 채용하는 것으로, 에폭시 수지로 몰딩하는 기존의 구성과 비교하면 교환 효율을 2％ 이상 개선할 수 있다.
고전력 밀도의 POL 컨버터가 실현 가능
이번에는, 최대 출력 전류가 다른 3제품을 준비했다(표1). 6A 출력품 「THPM4301A」와 8A 출력품 「THPM4401A」, 12A 출력품 「THPM4601A」이다. 6A 출력품의 입력 전압 범위는 2.95～6V. 입력 전력원으로서 5V의 중간 버스 전압을 상정한다. 8A 출력품의 입력 전압 범위는 4～28V. 12A 출력품은 4～16V이다. 모두 12V의 중간 버스 전압을 입력 전력원으로 상정한다. 외형 치수는 6A 출력품이 9.1mm×11mm×2.8mm, 8A 출력품은 9.2mm×15.2mm×3mm, 12A 출력품은 15.2mm×15.2mm×3.2mm로 모두 작다. 스위칭 주파수는 6A 출력품과 8A 출력품이 약 750kHz, 12A 출력품은 약 1MHz이다.
전용 인덕터를 채용한 것의 장점은 높은 변환 효율과 방열 특성을 얻을 수 있는 것 외에도 2가지가 있다. １번째로, 방사 전자 잡음(EMI)을 낮게 억제할 수 있는 것이다. DC-DC 컨버터 IC 등을 실장한 기판을 자성 재료로 이루어진 인덕터로 완전히 덮음으로써 외부에 방사되는 EMI를 봉쇄하고 있기 때문이다. 타사 경쟁품에 비하면 대략 10dB정도 저감할 수 있다.
2번째로, 방열 특성이 높기 때문에, 모듈의 외형 치수는 작지만 더 많은 전류를 디지털 LSI에 공급할 수 있다. 다시 말해, 전력 밀도가 높은 POL 컨버터를 실현할 수 있게 된다.
이번에 특히 중시한 특성인 변환 효율이나 방열 특성에 대해서는 타사 경쟁품을 크게 상회한다. 일반적인 프로세서나 FPGA, SoC, ASIC 등을 위한 POL 컨버터에 적용하면, 변환 효율이나 방열 특성, 전력 밀도가 높은 점 등이 전자기기 계측에 크게 공헌하는 것은 틀림없다.
구체적인 어플리케이션으로 의료용 전자기기나 반도체 테스터, 반도체 검사장치, 계측기, 분석기기, 통신기기, 방송/영상기기, FA기기, 산업용 로봇 등을 상정하고 있다.
표１ 발매 개시한 3제품의 사양
전용 인덕터를 채용한 것의 장점은 높은 변환 효율과 방열 특성을 얻을 수 있는 것 외에도 2가지가 있다. １번째로, 방사 전자 잡음(EMI)을 낮게 억제할 수 있는 것이다. DC-DC 컨버터 IC 등을 실장한 기판을 자성 재료로 이루어진 인덕터로 완전히 덮음으로써 외부에 방사되는 EMI를 봉쇄하고 있기 때문이다. 타사 경쟁품에 비하면 대략 10dB정도 저감할 수 있다.
2번째로, 방열 특성이 높기 때문에, 모듈의 외형 치수는 작지만 더 많은 전류를 디지털 LSI에 공급할 수 있다. 다시 말해, 전력 밀도가 높은 POL 컨버터를 실현할 수 있게 된다.
이번에 특히 중시한 특성인 변환 효율이나 방열 특성에 대해서는 타사 경쟁품을 크게 상회한다. 일반적인 프로세서나 FPGA, SoC, ASIC 등을 위한 POL 컨버터에 적용하면, 변환 효율이나 방열 특성, 전력 밀도가 높은 점 등이 전자기기 계측에 크게 공헌하는 것은 틀림없다.
구체적인 어플리케이션으로 의료용 전자기기나 반도체 테스터, 반도체 검사장치, 계측기, 분석기기, 통신기기, 방송/영상기기, FA기기, 산업용 로봇 등을 상정하고 있다.