시스템에서 요구되는 전압이 현재 사용 가능한 전압보다 높을 경우, 부스트 컨버터를 사용하는 것이 좋은 방법이다. 이때, 전통적인 표준 부스트 토폴로지만이 유일한 선택지는 아니다. 더 나은 대안으로 위상 천이 방식의 다중위상 부스트 컨버터가 있다. 이 방식은 높은 부하 조건에서 더 높은 효율을 제공하며, 출력 및 입력 커패시터의 요구 사항도 줄여준다.



머리말

부스트 원리에 기반한 스위칭 모드 전원공급장치(SMPS)는 낮은 전압을 더 높은 전압으로 변환할 수 있다. 이를 위해 일반적으로 그림 1과 같은 표준 부스트 토폴로지를 사용한다. 

이 토폴로지에서는 인덕터로부터 출력 측에 펄스 형태의 전류가 전달된다. 하지만 전압 컨버터에서는 일정한 출력 전압이 필요하기 때문에 출력 커패시터(C2)가 중요한 역할을 한다. 이 커패시터는 펄스 전류를 평균화하여 일정한 출력 전압을 유지해야 한다. 

이 역할을 제대로 수행하기 위해서는 부스트 컨버터에 사용되는 출력 커패시터가 일반적으로 큰 정전용량을 가져야 하며, 가능한 한 낮은 ESR(등가 직렬 저항)과 낮은 ESL(등가 직렬 인덕턴스), 즉 낮은 기생 저항 및 기생 인덕턴스를 가져야 한다.

이러한 출력 커패시터의 높은 요구사항을 완화하기 위해, 다중위상 부스트 컨버터를 설계하는 것이 바람직하다. 이 방식은 두 개의 부스트 컨버터가 병렬로 작동하며 동일한 출력 커패시터에 연결된다. 두 채널은 180°의 위상차를 두고 동작하도록 제어된다. 회로도는 그림 2에 나와 있다. 

이 구조에서는 출력 커패시터(C2)가 1 사이클 동안 L1과 L2로부터 각각 한 번씩, 총 두 번 에너지를 공급받는다. 따라서 그림 1의 회로와 유사한 전압 리플을 얻는 데에는 C2 커패시터 용량을 절반 정도만 사용해도 충분하다.
 
다중위상 부스트 컨버터는 출력 커패시터뿐만 아니라 입력 커패시터 측면에서도 장점이 있다. 입력 측에서는 인덕터가 전류의 증가와 감소를 제한하기 때문에, 일반적인 부스트 컨버터에서는 펄스 전류가 발생하지 않는다.

하지만 그림 2와 같이 위상이 서로 어긋난 두 개의 인덕터를 사용하면 입력 전류의 변동 폭을 더욱 줄일 수 있다. 이로 인해 입력 커패시터(C1)의 용량도 줄일 수 있게 해준다.
 

다중위상 부스트 컨버터는 전력 변환 효율 또한 향상시킬 수 있다. 전력을 여러 경로로 나누어 전달함으로써 각 부품당 피크 전류가 감소하고, 그 결과 전체적인 효율이 향상된다.

그림 3은 LT8349라는 집적회로를 활용하여 실제로 구현한 예시를 보여준다. 이 제품은 2상 동기식 부스트 컨버터이며, 배터리 전압을 상승시키거나 안정화하는 용도로 설계되었다. 

배터리로부터 짧은 시간 동안 높은 전류를 끌어 쓰게 되면 배터리 전압이 일시적으로 떨어지는데, 이러한 상황에서 2상 부스트 컨버터가 적합하다. 위상이 어긋난 방식으로 작동하기 때문에, 배터리로부터 보다 연속적인 전류를 안정적으로 끌어올 수 있다.

LT8349 기반 솔루션의 또 다른 특징은, 부하 전류가 낮은 경우에도 매우 높은 효율을 달성할 수 있다는 점이다. 이러한 동작 모드에서 효율을 높이기 위해, 두 개의 위상 중 하나는 부하가 낮을 때 자동으로 꺼지도록 설계되어 있다. 

부하 전류가 낮을 때는 배터리에 큰 부담이 없기 때문에, 회로는 단일 위상으로만 동작한다. 만약 수 암페어에 이르는 높은 부하 전류가 요구되면, 두 번째 위상이 자동으로 켜지면서 2상 동작의 장점을 제공한다. 이러한 방식으로 낮은 부하 조건에서 한 개의 위상을 정지시키는 기능을 ‘위상 쉐딩(phase shedding)’이라고 부른다.
 

그림 3에 예시된 회로는 2.5V의 입력 전압을 6V 출력 전압으로 변환한다. 부하 전류가 3A일 때 변환 효율은 92%에 달하며, 부하 전류가 2mA 정도로 매우 낮을 경우에도 90%의 효율을 유지한다.

결론

부스트 컨버터를 작동시키기 위한 특별한 방식이 있다. 2상 방식은 효율 측면에서 이점이 있으며, 이는 높은 부하 조건에서만이 아니라 낮은 부하 조건에서도 마찬가지이다. 특화된 IC를 활용하면 이처럼 독특한 기능을 매우 쉽게 구현할 수 있다.


 저자 소개 

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전력 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원디바이스(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.
문의: frederik.dostal@analog.com