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특집 : 자동차용 전자 부품 기술
세계 최초 DC/DC 컨버터 코어 회로 기술로 유럽 HV 시장 전개 확대

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1. 서론

최근 에너지 절약에 대한 의식이 높아짐에 따라 모든 분야에서 전력 변환 손실을 저감하기 위한 대책이 추진되고 있다. 자동차 분야에서도 마찬가지로, 가솔린 자동차에서 Li (리튬) 이온 배터리로 구동하는 HEV (하이브리드 자동차) 및 EV (전기 자동차)로의 이행이 시작되었다. 그 중에서도 기존의 12V 전원 시스템에 비해 연비 개선 효율이 높고, 안전성이 고려된 48V 전원 시스템을 탑재한 마일드 HEV 시스템이 주목을 받고 있다. 한편, 자동차의 다기능화에 따라 전자 회로에서는 에너지 소비 저감을 목적으로 ECU (Electronic Control Unit)를 구동하는 전압을 낮추고 있다. 따라서, 배터리에서 ECU 사이에 위치하여 전압을 변환하는 전원 IC에는 "48V에서 저출력 전압" 동작이 필요하다. 또한, 라디오 대역으로의 노이즈 영향 방지, 주변 부품 소형화를 위해, 2MHz 이상의 고주파 동작도 필요하다.
이러한 "높은 입력전압, 낮은 출력전압, 고주파 동작"을 실현한 로옴의 강압 스위칭 레귤레이터 BD51180TL의 기술에 대해 소개하고자 한다.

BD51180TL의 특징으로는 하기 5가지를 열거할 수 있다.

  • 2MHz 동작 시, 48V 입력에서 3.3V 출력 가능
  • 최소 펄스 ON 시간 20ns
  • 절대 최대 정격 80V
  • 전류 모드 제어
  • 방열성이 높은 VQFN 패키지

최소 펄스 ON 시간 20ns라는 단시간으로 제어하는 로옴의 독자적인 기술을 개발함으로써 강압비를 대폭 향상시켜, 세컨더리 전원 IC가 필요 없다. 이에 따라, 각종 어플리케이션의 고효율화 및 소형화, 설계 부하 경감에 크게 기여할 수 있다.

2. 유럽에서 보급되는 마일드 HEV 시스템

HEV를 실현하는 하나의 방식으로서, 마일드 HEV 시스템이 있다. 마일드 HEV 시스템의 특징 중 하나로, 기존의 12V 전원 시스템에 비해 CO2 삭감 효과가 크므로, 스트롱 HEV 시스템 대비 낮은 비용으로 실현 가능하다는 메리트가 있다. 이 방식은 자동차 정지 시, 출발 시 등 엔진을 구동할 때 소형 배터리와 모터로 보조하는 시스템으로, 유럽에서 솔선하여 도입을 추진하고 있다. 그 배경에는 엄격한 CO2 규제가 있다. 유럽은 2020년에 CO2 배출량을 95g/km로 제한할 필요가 있으며, 이는 미국에 비해 약 30% CO2를 삭감해야 하는 수치이다 (그림 1). 따라서, 자동차의 연비 개선이 시급한 문제로 떠올라, 유럽의 자동차 메이커를 중심으로 실용화가 가속화되고 있다. 그 결과로서, 2020년에는 생산대수가 약 200만대까지 증가할 것으로 예상되고 있다.

각국의 CO2 배출량 규제 추이와 48V 마일드 HEV 탑재 자동차 대수
그림 1 : 각국의 CO2 배출량 규제 추이와 48V 마일드 HEV 탑재 자동차 대수

3. 마일드 HEV 시장에 제안하는 새로운 전원 구성

마일드 HEV 시스템과 스트롱 HEV 시스템의 커다란 차이점은 모터와 모터를 구동하는 Li 이온 배터리의 크기이다. 마일드 HEV 시스템은 스트롱 HEV 시스템에 비해 모터와 배터리를 각각 소형화하고, 기능을 삭감함으로써 연비 개선을 도모하는 시스템이다. 따라서 모터를 구동하는 배터리 전압은 스트롱 HEV 시스템의 약 1/5로, 48V정도이다. 그 결과, 스트롱 HEV 시스템에서 필요한 전압 변환기가 필요 없게 되어 배터리에서 직접 ECU로 전력을 공급할 수 있다는 메리트가 있다. 그러나, ECU의 구동 전압 저하에 따라 그 중간에 위치하는 전원 IC에는 매우 높은 강압비의 스위칭 레귤레이터가 요구된다 (그림 2). 따라서, 기존의 해결 방법으로는 하기의 2가지 방법이 일반적이다.

스트롱 HEV 시스템과 48V화 마일드 HEV 시스템의 비교 예
그림 2 : 스트롱 HEV 시스템과 48V화 마일드 HEV 시스템의 비교 예
  1. 전원 IC를 2chip으로 구성하여, 다단계적으로 전압을 강하
  2. 동작 주파수를 수백 kHz 정도로 설정

그러나, 1번 방법의 경우에는 IC와 주변 부품이 2배가 되어 실장 면적이 커진다. 한편 2번 방법의 경우, 동작 주파수가 느려 코일 등의 주변 부품이 커지고, AM 라디오 주파수에 영향을 미친다는 과제가 있다. 로옴은 AM 라디오 주파수를 넘는 2MHz의 고주파 동작 시, 48V 입력에서 3.3V 출력을 1chip으로 강압할 수 있는 스위칭 레귤레이터의 기술을 개발했다. 그 결과, 주변 부품을 포함하여 기존 대비 50% 이상의 실장 면적 삭감이 가능해졌다 (그림 3).

현재의 구성과 새로운 구성 비교
그림 3 : 현재의 구성과 새로운 구성 비교

4. 새로운 구성을 가능하게 하는 요소 기술

강압 스위칭 레귤레이터는 구형파를 코일, 콘덴서로 평활화하여 출력전압을 생성한다. 그 구형파의 폭 (이하, SW 펄스 폭)은 입력전압, 출력전압, 주파수의 함수로서,
VIN∙tON∙f=VOUT (VIN : 입력전압, VOUT : 출력전압, f : 동작 주파수, tON : SW 펄스 폭)
의 관계식으로 나타낼 수 있다. 따라서, "높은 입력전압, 낮은 출력전압, 고주파 동작"의 경우에는 SW펄스 폭을 좁게 하는 기술이 필요하다.
또한, 외장 부품 삭감, 설계 용이화의 면에서 제어 방식으로서 전류 모드 제어가 일반적이지만, 전류 모드 제어는 코일에 발생하는 전류를 IC로 피드백하여 제어하므로, 좁은 펄스 제어는 매우 어렵다. 그 이유는 2가지가 있다. 첫째, 노이즈이다. 구체적으로는 전류 모드의 검출 방법은 일반적으로 SW 단자에서 발생하는 순방향 강압 전압에서 S1 전류를 검출하지만, SW 파형의 turn-on 시 ringing이 발생하므로, 이 노이즈로 인해 검출 회로에는 마스크 시간이 필요하게 된다 (그림 4).

노이즈로 인한 회로 지연
그림 4 : 노이즈로 인한 회로 지연

전류 검출은 그 마스크 시간 후에 실행되므로, SW 펄스 폭을 좁게 하는 것은 어렵다. 둘째, 회로 지연이다. 전류 검출 후, S1을 OFF하기 위해서는 많은 아날로그 회로를 동작시켜야 한다. 이때 반드시 지연 시간이 발생하기 때문에, 그만큼 SW 펄스 폭이 넓어진다. 이러한 2가지 이유에서 기존품에서는 120ns 정도의 SW 펄스 폭이 한계였다. 또한, 전류 모드 제어는 입력전압, 출력전류를 변화시켜도 전원 IC의 전달 특성에 변화가 없다는 특징이 있다. 그러나, 기존품의 경우에는 SW 펄스 폭이 좁아지면 전류가 검출되지 않아 전달 특성이 변하기 때문에, 외장 부품의 증가로 이어지는 경우가 있었다.
48V 마일드 HEV 시장에서 Li 배터리의 최대 동작전압은 60V에 달할 가능성이 있다. 3.3V 출력, 주파수 2MHz의 동작 가정 시, SW 펄스 폭 30ns 미만의 고속 제어가 필요하여 극적인 SW 펄스 폭의 단축이 필요했다. 로옴은 독자적인 전류 검출 회로를 통해 자사의 80V BCD 프로세스를 채용함으로써 이러한 문제를 해결하여, 기존 대비 1/6의 SW 펄스 폭 20ns의 제어를 실현했다. 그 결과, 입력 동작 최대 전압은 기존의 12V에서 약 5배 높은 65V까지 가능해졌다 (그림 5).

BD51180TL의 특징
그림 5 : BD51180TL의 특징

또한, 좁은 SW 펄스 폭에서도 전류 검출이 가능한 방식을 사용함으로써, 외장 부품 2개만으로 폭넓은 입력전압, 출력전류에 대응하는 전달 특성 실현이 가능해졌다 (그림 6).

전류 모드에 의한 위상보상 간략화
그림 6 : 전류 모드에 의한 위상보상 간략화

5. 산업기기 분야 및 기존의 자동차기기 분야에도 전개

입력전압이 높고, 출력전압이 낮은 어플리케이션은 자동차기기 분야에 특화된 것은 아니다. 건설기기 및 기지국으로 대표되는 산업기기 분야에서도 입력전압 24V or 36V or 48V, 출력전압 3.3V or 5V의 구성이 다수 존재하므로, 본 기술의 전개가 가능하다. 2MHz의 고주파 동작을 실현함으로써 주변 부품의 소형화에 기여할 수 있으며, 자동차기기 분야에서와 동일한 메리트를 기대할 수 있다. 또한, 가솔린 자동차의 12V 배터리 시스템으로 대표되는 것처럼 기존의 자동차기기 시장에서도 본 기술을 전개할 수 있다. 48V 배터리 시스템과 같이 자동차의 다기능화에 따라 화상 처리 등을 제어하는 DDR의 동작전압은 저하하여 1V 정도가 된다. 따라서, 입력전압 12V, 출력전압 1V, 동작 주파수 2MHz의 경우, SW 펄스 폭을 40ns 정도까지 좁힐 필요가 있어, 현재로서는 강압비가 커지기 때문에 2단 구성을 취하는 경우가 많다. 그러나, 본 기술을 사용하면 1단으로 12V에서 1V를 출력할 수 있다.

6. 결론

이번에 개발한 BD51180TL은
① 2MHz 동작 시, 48V 입력에서 3.3V 출력 가능
② 최소 SW ON 시간 20ns
③ 절대 최대 정격 80V
④ 전류 모드 제어
⑤ 방열성이 높은 VQFN 패키지
와 같은 특징으로, 자동차기기 시장에서 산업기기 시장까지 폭넓은 전개가 가능한 전원 IC이다. 특히 48V 배터리 시스템의 도입이 추진되는 유럽의 오토모티브 시장에서는 높은 공헌도가 기대되고 있으며, 유럽에서의 자동차 부품 사업을 확대시키는 전략 상품으로서 시장 투입해 나갈 예정이다. 또한, BD51180TL에 사용되고 있는 DC/DC 컨버터 코어 회로 기술은 본 제품 한 개에 그치지 않고, 로옴의 키 테크놀로지가 될 것으로 기대하고 있다. 앞으로도 아날로그 파워 기술을 구사한 고효율 및 고성능 전원 기술의 개발을 가속화하여, 사회의 에너지 절약화에 기여해나갈 것이다.

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