THine Value 전원모듈의 발열이 극도의 고온으로! 강제공랭 및 히트싱크없이 열을 낮추는 방법이란?
2022.01.06
- 기사
- 사례
FA기기 메이커인 M사는 주력제품을 버전업하는 프로젝트를 개시시켰다. 그런데, 얼마전까지 전원설계를 담당했던 베테랑 엔지니어가 정년퇴직. 후임으로 선출된 사람은 중견의 하드웨어 엔지니어였다.
과제
베테랑 엔지니어의 정년퇴직
FA기기 중견메이커인 M사는 3년에 한번정도의 주력제품 버전업을 실시해왔습니다. 이번 버전업은, 약 1년전에 Kick off하고 마케팅 및 제품기획등에 관한 회의를 수차례 진행한후, 이달부터 설계작업에 들어갈수 있었습니다. 항상 그렇지만 개발스케쥴은 상당부분 늦어지게 되었습니다.
중견 엔지니어 O씨는 하드웨어 설계자입니다. 이번에 FPGA의 설계를 담당하는 동시에 생각지도 못했던 업무가 맡겨지고 말았습니다. 다름아닌 FPGA에 전력을 공급하는 전원회로의 설계입니다. 사실, 이전까지는 베테랑 엔지니어 A씨의 담당이었는데 1년반전에 정년퇴직을 하고 말았습니다. A씨 수준의 스킬을 갖고 있는 후임은 없다보니, 하드웨어 설계자로서 수준급인 O씨에 맡겨진것입니다.
전원회로는 아나로그 기술의 집약체입니다. 스킬이 없고, 경험이 적은 엔지니어가 간단하게 소화할수 있는 일이 아닙니다. 실제 O씨의 주변사람들은 불안한 심정으로 업무를 바라보게 되었습니다. 하지만 O씨에게는 승산이 있었습니다.
중견 엔지니어 O씨는 하드웨어 설계자입니다. 이번에 FPGA의 설계를 담당하는 동시에 생각지도 못했던 업무가 맡겨지고 말았습니다. 다름아닌 FPGA에 전력을 공급하는 전원회로의 설계입니다. 사실, 이전까지는 베테랑 엔지니어 A씨의 담당이었는데 1년반전에 정년퇴직을 하고 말았습니다. A씨 수준의 스킬을 갖고 있는 후임은 없다보니, 하드웨어 설계자로서 수준급인 O씨에 맡겨진것입니다.
전원회로는 아나로그 기술의 집약체입니다. 스킬이 없고, 경험이 적은 엔지니어가 간단하게 소화할수 있는 일이 아닙니다. 실제 O씨의 주변사람들은 불안한 심정으로 업무를 바라보게 되었습니다. 하지만 O씨에게는 승산이 있었습니다.
업계 트랜드는 전원모듈
O씨는 소위 일렉트로닉스의 [전문가]라고 불리던 사람입니다. 새로운 공구들은 대부분 구입을 하였고, 일렉트로닉스의 신기술에 관한 관심도 높다. 일렉트로닉스 기술의 뉴스나 사이트는 국내는 물론, 해외기사도 빠짐없이 체크하고 있었습니다.
그러한 경험으로 전원(DC-DC컨버터)은 각종 부품으로 구성하는 시대에서 모듈을 채용하는 시대로 변화하고 있다는 업계트랜드를 알게되었습니다. 하물며 FPGA구동용 전원회로입니다. [부품으로 구성하는것은 예전의 방식, 전원모듈을 사용하는것이 당연하다] O씨는 그렇게 생각하였습니다.
전원모듈이란, PWM 제어IC와, 파워 MOSFET, 인덕터, 콘덴서등을 하나의 패키지로 만든것으로, 전원회로의 주요부품이 모두 패키지 내부에 있습니다. FA기기 메이커에서 설계하지 않으면 안되는 부분은 거의 없습니다. [구입해서 기판에 실장] 하는것만으로 전원회로는 완성입니다.
O씨가 선택한것은 해외 메이커의 전원모듈입니다. 채용한 FPGA는, 비교적 새로운 프로세스 기술이 적용되어 제조된것으로, 상당히 고성능이었습니다. 전원회로에 대한 요구가 상당히 타이트 하여, 전원모듈 시장을 선도하는 해외 메이커의 제품을 채용하게 되었습니다.
FPGA설계가 일단락되고, 전원전압, 허용 전압범위, 기동시퀜스등의 확인, 그리고 Tool을 이용한 소비전력 검토를 한후에 전원회로의 설계에 착수하였습니다. 앞서 언급한대로, 별도로 설계가 필요한곳은 거의 없습니다. 추천하는 입출력 콘덴서 확인과 출력전압 설정저항의 정수를 정하거나, 추천에 맞는 기판 레이아웃 설계작업을 소화하는것만으로 설계는 완료되었습니다.
그러한 경험으로 전원(DC-DC컨버터)은 각종 부품으로 구성하는 시대에서 모듈을 채용하는 시대로 변화하고 있다는 업계트랜드를 알게되었습니다. 하물며 FPGA구동용 전원회로입니다. [부품으로 구성하는것은 예전의 방식, 전원모듈을 사용하는것이 당연하다] O씨는 그렇게 생각하였습니다.
전원모듈이란, PWM 제어IC와, 파워 MOSFET, 인덕터, 콘덴서등을 하나의 패키지로 만든것으로, 전원회로의 주요부품이 모두 패키지 내부에 있습니다. FA기기 메이커에서 설계하지 않으면 안되는 부분은 거의 없습니다. [구입해서 기판에 실장] 하는것만으로 전원회로는 완성입니다.
O씨가 선택한것은 해외 메이커의 전원모듈입니다. 채용한 FPGA는, 비교적 새로운 프로세스 기술이 적용되어 제조된것으로, 상당히 고성능이었습니다. 전원회로에 대한 요구가 상당히 타이트 하여, 전원모듈 시장을 선도하는 해외 메이커의 제품을 채용하게 되었습니다.
FPGA설계가 일단락되고, 전원전압, 허용 전압범위, 기동시퀜스등의 확인, 그리고 Tool을 이용한 소비전력 검토를 한후에 전원회로의 설계에 착수하였습니다. 앞서 언급한대로, 별도로 설계가 필요한곳은 거의 없습니다. 추천하는 입출력 콘덴서 확인과 출력전압 설정저항의 정수를 정하거나, 추천에 맞는 기판 레이아웃 설계작업을 소화하는것만으로 설계는 완료되었습니다.
전원모듈의 발열이 극도의 고온으로
몇주후, 시제품 보드가 O씨에게 전달되었습니다. 다양한 평가를 하나씩 진행하였고, 평가는 순조롭게 진행되는것 같았습니다.
테스트작업이 중반으로 진행되었을 즈음, 전원모듈을 손으로 만져보았더니, 너무 뜨거운것을 발견하게 되었습니다. 혹시나 해서 적외선 온도계로 측정을 해보니, 표면온도가 110도를 넘어, Derating이 필요한 온도를 넘고 있었습니다. (그림1)
이대로 라면, 높은 주변온도의 동작조건에 있어 FA기기의 목표성능을 달성할수는 없습니다. 순조롭게 진행되고 있다고 생각했던 O씨의 설계작업은 암초에 부딪치고 말았습니다. 서둘러서 방열대책을 고민하게 되었습니다.
테스트작업이 중반으로 진행되었을 즈음, 전원모듈을 손으로 만져보았더니, 너무 뜨거운것을 발견하게 되었습니다. 혹시나 해서 적외선 온도계로 측정을 해보니, 표면온도가 110도를 넘어, Derating이 필요한 온도를 넘고 있었습니다. (그림1)
이대로 라면, 높은 주변온도의 동작조건에 있어 FA기기의 목표성능을 달성할수는 없습니다. 순조롭게 진행되고 있다고 생각했던 O씨의 설계작업은 암초에 부딪치고 말았습니다. 서둘러서 방열대책을 고민하게 되었습니다.
과제의 포인트
① 베테랑의 전원회로 엔지니어가 정년퇴직
② 고성능 FPGA가 요구하는 전원사양을 클리어 해야 한다.
③ 전원모듈을 채용했지만, 자기발열량이 많아, 표면온도가 너무 높다.
② 고성능 FPGA가 요구하는 전원사양을 클리어 해야 한다.
③ 전원모듈을 채용했지만, 자기발열량이 많아, 표면온도가 너무 높다.