사물 인터넷(IoT)을 구현하기 위한 무선 센서가 급속히 늘어남에 따라 무선 저전력 장치에 적합하면서도 작고 효율이 높은 전력 컨버터가 요구되고 있다. 이글은 리니어의 LTC3129와 LTC3129-1을 통해 이러한 요구를 충족하는 것에 대해 알아본다.

LTC3129와 LTC3129-1은 입력 전압 범위가 2.45 V ~ 15 V인 모노리식 벅-부스트 DC/DC 컨버터이다. LTC3129는 출력 전압 범위가 1.4 V ~ 15.75 V이고, LTC3129-1은 1.8 V부터 15 V까지 핀을 통해 선택할 수 있는 8개의 고정적 출력 전압을 제공한다. 두 제품 모두 벅 모드로 200 mA의 최소 출력 전류를 공급할 수 있다.

저전력 센서에서 LTC3129와 LTC3129-1이 정지 상태일 때는 제로 전류이고(VIN과 VOUT둘 다) 절전 Burst Modeⓡ 동작을 선택하면 VIN 동작 전류가 불과 1.3 mA이므로 극도의 낮은 부하일 때 높은 효율을 중요하게 요구하는 마이크로 단위의 전력 애플리케이션이나 에너지 포집(태양광/진동/열을 모아 전력을 만드는 기술) 같은 애플리케이션에 이용하기에 적합하다.

그뿐만 아니라 벅-부스트 아키텍처이므로 다양한 유형의 전원 소스에 이용할 수 있다. 그밖에 LTC3129와 LTC3129-1의 주요 특징은 고정적 1.2 MHz 동작 주파수, 전류 모드 제어, 루프 보정회로 내장, 자동 Burst Mode 동작 또는 저잡음 PWM 모드, UVLO 임계 레벨을 프로그램할 수 있는 정밀한 RUN 핀 임계값, Power Good 출력, 태양광전지 셀 입력으로 동작할 때 전력 전달을 최적화하는 MPPC (maximum power point control) 기능을 들 수 있다.



또한 LTC3129/ LTC3129-1은 소형화된 3 mm x 3 mm QFN 패키지에 높은 기술력을 응집하여 공간 제약적 애플리케이션에 편리하게 사용할 수 있다. 전체적인 전원장치 디자인을 달성하기 위해 소수의 외부 소자와 2 mm x 3 mm에 이르는 소형 크기의 인덕터만을 필요로 한다. 또한 루프 보정 회로가 내장되어 설계 작업을 더욱더 간소화한다.

실내 불빛 입력만으로 동작하는 3.3 V 컨버터를 조그만 태양광 전지 셀로 구현하다. 그림 1의 회로는 LTC3129와 LTC3129-1이 가진 고유의 특성을 활용해서 7.5 uW 정도의 약한 입력 전원 소스로 스타트업하고 동작할 수 있음을 보여준다. 그러므로 소형(1 inch X 1 inch 미만)의 저가 광전지 셀을 이용해서 200룩스 미만의 실내 빛 수준에서도 동작할 수 있다.

따라서 실내 빛으로 작동하는 무선 센서 같은 애플리케이션을 가능하게 한다. 이러한 애플리케이션을 위해서는 DC/DC 컨버터가 극히 낮은 수준의 전력이 들어왔을 때 낮은 듀티 사이클 동작에 따른 극히 낮은 평균 전력 요구를 지원할 수 있어야 하며 되도록 적은 전력을 소모해야 한다.

LTC3129와 LTC3129-1은 이 같은 저전류 스타트업을 가능하게 하려면 다음 세 가지 조건이 충족될 때까지 단 2마이크로암페어의 전류만을(셧다운 시에는 이보다 더 적게) 소모한다.

?RUN 핀이 1.22 V(정격)보다 높아질 때
?VIN 핀이 1.9 V(정격)보다 높아질 때
?VCC(VIN으로부터 내부적으로 발생시키거나 외부적으로 제공할 수 있음)가 2.25 V(정격)보다 높아질 때

이 세 조건이 모두 충족될 때까지는 이 IC가 ‘소프트 셧다운’이나 대기 상태로 머물면서 2 μA만을 소모한다.

이렇게 함으로써 전압이 이 세 조건을 모두 충족하도록 높아질 때까지 약한 입력 소스가 입력단의 커패시터를 충전할 수 있다. 이 세 조건이 모두 충족되는 지점에 도달하면 LTC3129/ LTC3129-1이 스위칭을 시작하고 VOUT이 지정된 전압 수준으로 상승한다. 이 IC가 UVLO를 벗어나는 입력 전압은 RUN 핀 외부에 저항을 달아 2.4 V에서 15 V 사이의 어느 지점으로나 설정할 수 있다. RUN 핀 전류는 정격적으로 1 nA 미만으로써, VIN에서 전류 소모를 소화하기 위해서 높은 값의 저항을 사용할 수 있다.

그림 1의 애플리케이션 예에서는 일단 컨버터가 동작하면 CIN에 저장된 에너지를 이용해서 VOUT을 지정된 전압까지 상승시키는 것을 보여준다. VOUT으로 나가는 평균 전력이 광전지 셀 입력에서 들어오는 전력보다 낮으면 LTC3129/LTC3129-1이 Burst Mode 동작으로 유지되고 VOUT은 지정된 전압을 유지한다.

그러다가 평균 출력 전력이 가용 입력 전력보다 높아지면 UVLO에 도달할 때까지 VIN이 하락하고 이 지점에 도달하면 컨버터가 다시 소프트 셧다운 모드가 된다. 그러면 VIN이 다시 충전을 시작하고, 이 사이클을 반복한다. 이러한 ‘hiccup’ 모드 동작으로 VIN이 히스터리시스 기능에 의해서 UVLO 지점 부근으로 유지된다. 이 예에서는 VIN 리플이 약 290 mV이다. 이 리플은 RUN 핀의 100 mV 히스터리시스 기능을 이용해서 설정할 수 있으며 UVLO 저항 비율에 따라 조절할 수 있다.

컨버터의 UVLO 전압을 선택한 광전지 셀의 MPP(maximum power point) 전압(통상적으로 개방 회로 전압의 70 ~ 80퍼센트 사이)으로 설정하면 광전지 셀이 언제나 자신의 최대 전력 전달 전압에 가깝게 동작한다(다만 평균 출력 전력이 광전지 셀의 전력 출력보다 낮지 않은 경우이다. 이런 경우에는 VIN이 상승해서 UVLO 전압보다 높게 유지된다.).

효율을 높이면서 최적화하고 VOUT으로 새어 나가는 전류의 부담을 제거하기 위해서, Burst Mode 동작을 선택하면 LTC3129/LTC3129-1이 소프트 스타트 때뿐만 아니라 부하가 없을 때에도 VOUT으로 전류가 나가지 않는다. 이 모드를 선택하면 컨버터가 소프트 스타트 시에 VOUT을 방전하지 못하므로 출력 커패시터의 전하를 보존할 수 있다. 실제로 LTC3129가 슬립 모드일 때는 VOUT에서 전혀 전류 소모가 일어나지 않는다. LTC3129-1의 경우에는 내부 피드백 저항이 높게 설정되어 VOUT 전류 소모량이 μA 미만 수준이다.



배터리 백업 추가

많은 광전지 구동 애플리케이션에서는 광 전력이 충분하지 않을 때 백업 배터리를 이용해서 전력을 제공한다. 그림 2는 위에서 살펴본 컨버터에 리튬 코인 전지와 소수의 외부 소자들을 추가해서 광원 입력 소스가 VOUT을 유지하기에 필요한 전력을 제공하지 못하게 됐을 때 백업 전력을 출력하도록 만든 애플리케이션이다. 이 예에서는 LTC3129를 이용함으로써 VOUT을 코인 전지 전압에 맞게 3.2 V로 프로그램할 수 있다.

이 예에서는 배터리를 컨버터의 출력 측에 사용하고 있으며 VOUT을 배터리 전압보다 약간 높게 설정하고 있다. 이렇게 함으로써 광전지 입력으로 VOUT을 구동할 수 있을 때는 배터리에서 출력으로 전력소모가 일어나지 않도록 한다. 부하를 구동하기에 빛이 불충분하게 되어 VOUT이 하락하면 LTC3129의 PGOOD 출력이 로우로 전환함으로써 부하를 컨버터 출력에서 배터리로 전환하고 VOUT을 배터리 전압으로 유지한다.

이 동안에 컨버터의 입력 및 출력 커패시터가 재충전할 수 있으므로(어느 정도 빛을 이용할 수 있다고 했을 때) PGOOD 신호에 따라서 부하를 배터리에서 다시 컨버터로 전환할 수 있다. 이 같은 방식으로 부하를 될 수 있으면 광전지 입력으로 구동하도록 하고 배터리는 필요할 때만 이용되도록 함으로써 배터리 수명을 연장할 수 있다.

PGOOD에서 VCC로 연결된 다이오드는 스타트업 시에 VCC와 PGOOD이 유효하게 될 때까지 PGOOD을 로우로 유지하는 역할을 하게 된다.

백업 배터리의 위치 선택

그림 2의 예에서는 백업 배터리를 출력 측에 배치하고 있다. 경부하 애플리케이션에서는 상대적으로 높은 컨버터 스타트업 전류가 버스트로 들어오게 되는데 이 부분이 배터리(내부 저항이 높은 저용량 배터리일 경우 가장 악조건임)에 직접적인 영향 주는 것을 막아줄 수 있다는 이점이 있다. 만약 이 부분이 배터리에 노출된다면 상당한 배터리 하락과 내부 전력 소모를 발생시킴으로써 배터리 수명을 단축할 것이다.

배터리 백업을 컨버터의 출력 쪽에 배치했을 때 단점은 배터리 전압을 원하는 출력 전압과 맞게 해야 하고 VOUT으로 적당한 전압을 유지하도록 방전 곡선이 비교적 평탄해야 한다는 것이다. 3 V 리튬 셀은 이 두 요구를 모두 충족한다.

백업 배터리를 컨버터 입력 쪽에 배치하면 배터리 전압을 원하는 출력 전압과 다르게 할 수 있으나 스타트업이나 부하가 급격하게 변화할 때 컨버터가 당겨가는 높은 전류를 견딜 수 있어야 한다. 입력 쪽에 이용할 때는 리튬 염화 티오닐(lithium-thionyl chloride) 배터리를 선택하는 것이 긴 수명을 보장해야 하는 애플리케이션에 대체로 나은 방법이다. 그림 2에서와 마찬가지로 광전지 셀과 Oring 다이오드로 연결하거나 MOSFET 스위치를 이용해서 연결 및 차단할 수 있다.

여러 유형의 입력 소스로 매끄럽게 동작하는 5 V 컨버터

그림 3에서는 LTC3129-1이 소수의 외부 부품을 이용해서 넓은 입/출력 전압 범위에 걸쳐서 높은 효율로 동작할 수 있다는 것을 보여준다. 이 예에서는 출력(VS1-VS3 핀들을 이용해서 5 V로 프로그램)을 5 V USB 입력이나, 다양한 유형의 배터리나, 3 V ~ 15 V 월 어댑터를 이용해서 구동할 수 있다. 여러 유형의 전원 소스로 매끄럽게 동작할 수 있는 유연성은 군용 무선 장비 같은 필드 애플리케이션에서 매우 유용한 특징이라고 할 수 있다.

LTC3129-1은 슬립 모드일 때 IQ가 불과 1.3 μA로 낮을 뿐만 아니라 내부 피드백 부분에 높은 값의 저항을 적용함으로써 그림 4에서 보는 것과 같이 넓은 출력 범위에 걸쳐서 높은 효율을 유지한다. 100 μA에 불과한 출력 전류일 때 효율이 거의 전체적인 VIN 범위에 걸쳐서 80퍼센트에 이른다. 이 점은 많은 시간을 저전력 상태로 보내는 애플리케이션에서 배터리 수명을 연장하고자 할 때 매우 중요한 점이다.

그림 5는 VIN이 5 V에서 12 V로 급상승했을 때 라인 스텝 응답을 보여준다. 대부하 조건과 경부하 조건에 대해서 VOUT을 측정했다. 부하가 200 mA일 때는 이 IC가 PWM 모드로 동작하고 있을 때로 VOUT 오버슈트가 150 mV(3%)에 불과하다. 부하가 10 mA일 때는 이 IC가 Burst Mode로 동작하고 있을 때로 버스트 리플이 100 mVPK-PK(2%)이고 라인 스텝으로 인한 VOUT 오버슈트는 100 mV 미만이다.

VCC 핀은 이 IC를 구동하기 위해서 VIN에서 3.9 V를 생성하는 내부 LDO의 출력이다. Vcc 핀에 외부입력을 넣어줄 경우 최대 5 V로 구동할 수 있도록 LDO가 설계됐다. 이 예에서는 VOUT에서 VCC로 부트스트랩 다이오드를 연결하여 선택적으로 사용할 수 있다.

이 외부적 부트스트랩 다이오드를 연결함으로써 두 가지 이점이 있다. 첫째, 내부 스위치들로 더 높은 게이트 구동 전압을 제공해 이들의 RDS(ON)를 낮춤으로써 VIN이 낮고 부하 전류가 높을 때 효율을 향상시킨다는 것이다. 또한 VIN이 높고 부하가 낮을 때는 VCC를 발생시키기 위해서 이용되는 내부 LDO에서 손실되는 전력을 낮춤으로써 효율을 향상한다(VCC핀은 6 V 이상으로 상승시키지 않아야 하므로 이보다 높은 출력 전압으로 다이오드 연결을 할 수 없다.)

두 번째 이점은 부트스트랩 다이오드를 추가하면 낮은 VIN으로 동작할 수 있다는 것이다. 스타트업 후에 VCC가 자신의 최솟값인 2.2 V보다 높게 유지되면(이 예에서는 출력 전압에 의해서) 고정적 내부 VINUVLO 임계값에 도달하는 지점인 최저 1.75 V에 이르기까지 컨버터가 낮은 입력 전압으로 동작할 수 있다. 이렇게 함으로써 2개의 고갈된 알카라인 배터리로 동작할 수 있을 만큼 이용 가능한 전압 범위를 확대할 수 있다. 배터리 전압이 2.4 V 아래로 떨어지고 컨버터가 셧다운하면(또는 VOUT이 단락 되면) 이 IC가 재시작할 수 없다.

MPPC를 적용한 야외 광전지 컨버터/차저

LTC3129와 LTC3129-1은 MPPC (maximum power point control) 기능을 포함함으로써 컨버터가 VIN을 부하에 따라서 프로그램된 최소 전압으로 서보 제어할 수 있다. VIN을 최적화시킴으로써 고전류 광전지 셀이나 내부 저항이 높은 여타 소스를 이용하는 애플리케이션에서 최적의 전력 전달을 유지할 수 있다. 이 기능을 이용함으로써 컨버터가 전류 제한적 소스로 동작할 때 입력 전압이 흔들리는 것을 방지할 수 있다.

MPPC 제어 루프는 컨버터가 요구하는 평균 인덕터 전류를 낮춰서 부하에 따라 프로그램된 최소 VIN 전압을 유지하도록 하는 식으로 동작한다. 이 전압은 그림 6의 수퍼커패시터 충전 예에서 같이 VIN과 MPPC 핀으로 외부 저항을 이용해서 설정할 수 있다. MPPC 제어 루프는 최소 22 μF의 입력 커패시턴스를 이용해야 안정적이게 설계됐다.

MPPC에 의해서 인덕터 전류를 낮추는 통상적인 부하라고 한다면 출력 전압이 떨어지게 될 것이다. 따라서 MPPC를 채택한 대부분 애플리케이션은 광전지 셀로 대형 축전 커패시터를 충전한다(아니면 배터리 미세 충전). MPPC 기능은 커패시터나 배터리를 가능한 높은 전류로 충전하고 한편으로 광전지 셀을 이의 MPP(maximum power point) 전압으로 작동한다.

한 가지 유의할 점은 LTC3129/ LTC3129-1이 MPPC 제어를 할 때는 Burst Mode 동작을 할 수 없고, 이 IC가 연속적으로 1.2 MHz로 스위칭하기 때문에 VIN 정지 전류가 수 밀리암페어에 이른다는 것이다. 따라서 MPPC 기능은 최소한 약 10 mA를 공급할 수 없는 전원 소스에는 이용하기에 적합하지 않다. 매우 약한 입력 소스를 이용하면서 MPPC와 같은 기능을 필요로 하는 애플리케이션인 경우에는 그림 1에서 설명한 것과 같이 정밀한 RUN 핀을 이용해서 UVLO 임계값을 프로그램해야 한다.

MPPC를 이용한 안전성 달성

또 다른 애플리케이션으로서 MPPC 기능은 근본적인 안전성을 달성하기 위한 애플리케이션에 이용할 수 있다. 이때는 입력 소스가 자신과 DC/DC 컨버터 사이에 직렬 전류 제한 저항을 이용한다. 이 경우에는 MPPC 루프를 이용해 LTC3129/LTC3129-1이 특히 스타트업 때 출력 커패시터를 충전하고 있는 동안에 과도한 전류를 당겨 감으로써 전압이 흔들리는 것을 방지할 수 있다. 그림 7은 바로 이와 같은 예로서, 이 예에서는 입력 전압을 MPPC 분할기가 설정한 것에 따라 최소 3 V로 유지하고 있다.

이 예에서는 안전성을 위해서 입력 커패시터 값을 10 μF로 제한하고 있어(MPPC를 이용할 때 권장되는 최솟값 22 μF보다 낮은) MPPC 핀으로 추가적인 RC 보정(RC Compensation) 네트워크를 추가해 MPPC 루프의 위상 마진(Phase Margin)을 높이고 있다.

MPPC를 이용한 입력 전류 제한

또한 MPPC 기능을 이용해서 최대 입력 전류를 특정한 값으로 설정할 수 있다. 직렬 입력 저항값을 선택하고 MPPC 전압을 고정적 입력 소스 전압보다 낮게 설정함으로써 최대 입력 전류를 다음 공식과 같이 제한할 수 있다:

IIN=(VSOURCE - VMPPC)/RSERIES

 결론

리니어의 LTC3129와 LTC3129-1 모노리식 벅-부스트 DC/DC 컨버터 제품은 무선 센서와 휴대 전자 장비에 요구되는 뛰어난 저전력 성능과 전원 소스 유연성을 제공한다. 1.3 μA의 극히 낮은 동작 전류와 높은 변환 효율은 에너지 포집(Energy Harvest)과 함께 이용했을 때 배터리 수명을 무한정 연장할 수 있다.

MPPC(maximum power point control) 기능을 이용하면 넓은 전원 소스 범위에 걸쳐서 전력을 최적화할 수 있다. 무선 모니터링 애플리케이션이 갈수록 더 늘어나고 있어 사용하기 편리하고, 효율이 뛰어나며 유연성이 뛰어난 DC/DC 전력 컨버터 솔루션이 요구된다. LTC3129와 LTC3129-1은 바로 그와 같은 요구를 충족하는 제품들이다.