자동차 전자 장치의 전력 시스템은 오늘날의 차량에서 중요한 역할을 차지하고 있습니다. 특히, 스타트-스톱 시스템이 장착된 현대의 자동차에서는 이 시스템이 차량의 연료 효율성을 높이고 배기가스를 줄이는 데 큰 기여를 하고 있습니다. 스타트-스톱 시스템은 차량이 정차할 때 엔진을 자동으로 끄고, 다시 출발할 때 엔진을 켜는 기능을 통해 불필요한 연료 소비를 줄여줍니다. 하지만 이 과정에서 발생하는 고전류 피크는 12V 전압을 급격히 떨어뜨려, 차량 내의 전자 장치들에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
예를 들어, 차량의 라디오, 내비게이션 시스템, 냉장 시스템, 환기 시스템 등 다양한 전자 기기들이 전압 불안정으로 인해 오작동을 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제는 운전자의 편의를 크게 저하시킬 뿐만 아니라, 전자 부품이 손상될 수 있는 위험도 내포하고 있습니다. 이러한 이유로, 차량의 전력 시스템을 안정화시키는 것이 매우 중요한 문제가 되고 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 고전력 DC-DC 컨버터가 사용됩니다. DC-DC 컨버터는 엔진 재시동 시 발생하는 전압 불안정을 안정화시키고, 12V 전원을 일정하게 유지할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 합니다. 이를 통해 차량 내의 전자 장치들이 정상적으로 작동할 수 있게 되어 운전 중 불편함을 최소화하고, 전자 부품의 손상을 방지할 수 있습니다.
또한, 자동차 산업에서는 하이브리드 전기차(HEV)와 같은 차세대 차량들에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 차량에서는 DC-DC 컨버터가 전기 모터와 내연기관 간의 전력 흐름을 최적화하는 데 필수적인 역할을 하며, 다양한 전력 시스템을 효율적으로 관리하는 데 중요한 기술로 자리 잡고 있습니다. 이와 같이, DC-DC 컨버터는 자동차뿐만 아니라 하이브리드 및 전기차와 같은 최신 차량 기술에서도 필수적인 부품으로, 전력 시스템을 안정적이고 효율적으로 운영할 수 있도록 돕고 있습니다.
DC-DC 컨버터의 효율성
DC-DC 컨버터는 다양한 전자 시스템에서 중요한 역할을 하며, 특히 전력을 변환하고 안정적인 전원 공급을 유지하는 데 필수적인 부품입니다. 그러나 이러한 컨버터가 제공하는 효율성은 시스템의 전체 성능과 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. 효율성은 단순히 에너지를 얼마나 효율적으로 변환할 수 있는지뿐만 아니라, 시스템의 신뢰성과 수명에도 중요한 영향을 미칩니다. 따라서 DC-DC 컨버터의 효율성을 평가할 때는 여러 가지 요소를 종합적으로 고려해야 합니다.
DC-DC 컨버터에서 발생하는 시스템 손실은 효율성 저하의 주된 원인입니다. 시스템 손실에는 주로 두 가지 유형이 존재하는데, 첫 번째는 인덕터의 피크 전류로 인한 손실입니다. 이는 스위칭 FET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)의 드레인-소스 저항과 인덕터의 DC 저항에서 발생하는 누설 요소와 관련이 있습니다. 이러한 누설은 전류가 흐를 때 발생하는 저항으로 인해 에너지가 손실되는 원인입니다. 두 번째로 발생하는 손실은 컨버터 회로의 충전 및 방전 과정에서 발생하는 스위칭 손실입니다. 이는 전자 회로에서 전류를 빠르게 스위칭하면서 발생하는 손실로, 동적 손실이라고도 합니다. 스위칭 손실은 주로 회로의 용량성 효과로 인해 발생하는데, 특히 FET와 다이오드의 드레인-소스 기생 스위칭 용량이 주요한 원인입니다.
또한, 인덕터 코어에서 발생하는 에너지 손실도 큰 영향을 미칩니다. 이 손실은 스위칭 주파수에 비례하는데, 주파수가 높아질수록 인덕터 코어에서 발생하는 손실이 증가하는 경향이 있습니다. 이는 코어의 재질과 크기에 따라 달라지며, 특정 주파수에서 코어가 효율적으로 작동하도록 설계하는 것이 중요합니다. 이러한 다양한 손실 요소들이 복합적으로 작용하여 DC-DC 컨버터의 효율성을 결정하게 됩니다.
이러한 시스템 손실을 최소화하고 효율성을 높이기 위한 최적화 방법은 여러 가지가 있습니다. 첫째, 기생 요소를 줄이는 것이 중요한 최적화 전략 중 하나입니다. 기생 요소는 회로 내부에서 불필요하게 에너지를 소모하는 원인인데, 이를 줄이기 위해서는 부품의 선택과 회로 설계에서 세심한 주의가 필요합니다. 예를 들어, 전력 소모가 적은 능동 부품을 선택하고, 인덕터의 저항성 손실을 줄이는 방법으로 전류가 흐를 때의 저항을 최소화할 수 있습니다. 또한, 인쇄 회로 기판(PCB)을 정교하게 설계하여 불필요한 손실을 방지하는 것도 중요한 전략입니다.
ADAS 시스템에서의 DC-DC 컨버터 사용
많은 ADAS(첨단 운전자 지원 시스템) 시스템은 아날로그 및 디지털 부품에 전력을 공급하기 위해 5V 및 3.3V 라인을 사용합니다. 이 시스템에서는 고효율의 DC-DC 컨버터가 필수적입니다. ADAS 시스템 제조업체들은 단일 및 듀얼 배터리 구성에서 사용할 수 있는 단일 DC-DC 컨버터를 선호합니다. 이는 시스템의 복잡성을 줄이고, 효율적인 전력 관리를 가능하게 하기 때문입니다. 이러한 시스템에서 DC-DC 컨버터는 주로 높은 전압에서 낮은 전압으로 안정적으로 전력을 변환하는 역할을 하며, 이를 위해 고주파 스위칭을 사용하는 경우가 많습니다.
오늘날의 ADAS 시스템에서는 전환 가능한 스위칭 주파수가 중요합니다. 기존의 500kHz 이하의 표준 스위칭 주파수 대신 2MHz 이상의 주파수로 전환할 수 있는 스위칭 레귤레이터가 필수적입니다. 이러한 주파수의 변화는 주로 AM 대역 주파수 이상의 작은 솔루션을 요구하는 필요에 의해 이루어집니다. 그 이유는 작은 솔루션을 사용할 때 간섭을 방지할 수 있기 때문입니다. 따라서 ADAS 시스템에서는 높은 주파수로 작동하는 DC-DC 컨버터를 통해 전력 효율성을 극대화하고, 시스템 안정성을 높이는 동시에 전자기 간섭(EMI)을 최소화할 수 있습니다.
최신 DC-DC 컨버터 IC 솔루션
DC-DC 컨버터의 효율성 향상을 위한 최신 IC 솔루션은 점차 고성능과 소형화를 동시에 달성하고 있습니다. 예를 들어, LT8645S는 EMI 방출 수준이 낮고 고입력 전압을 위한 동기식 단일 칩 벅 컨버터입니다. 이 컨버터는 3.4V에서 65V까지의 입력 전압 범위를 지원하며, ADAS 시스템을 포함한 자동차 응용 분야에서 이상적인 선택이 됩니다. 이러한 시스템에서는 냉간 시동 및 스타트-스톱 시나리오에서 3.4V 이상의 입력 전압과 60V 이상의 부하 덤프 과도 전압을 유지해야 하므로, LT8645S와 같은 고성능 컨버터는 이 조건을 완벽하게 충족시킵니다.
또한, ROHM의 BD9S 시리즈(BD9S400MUF-C, BD9S300MUF-C, BD9S200MUF-C 등)는 자동차 산업을 위한 2차 측 DC-DC 벅 컨버터 시리즈로, 뛰어난 신뢰성과 낮은 전력 소비를 자랑합니다. 이 시리즈는 매우 컴팩트한 전력 회로로 구성되어 있으며, 시동 시간을 조절하기 위한 활성화 기능과 시스템의 기능적 안전성을 최적화하기 위한 PGOOD 출력 표시기를 포함하고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 ROHM의 컨버터는 자동차 전자 시스템에서 효율성을 높이고, 안정적인 전력 공급을 보장하는 데 기여하고 있습니다.
Cypress의 S6BP20x 시리즈(S6BP201A, S6BP202A, S6BP203A)도 매우 낮은 대기 전류를 제공하며, 넓은 입력 전압 범위에서 안정적인 전력 공급을 보장하는 단일 채널 벅-부스트 DC-DC 컨버터입니다. 이 PMIC(Power Management IC)는 입력 필터링을 위한 번거롭고 비싼 전해 커패시터를 제거함으로써 더 작고 경제적인 에너지 절약 솔루션을 설계할 수 있게 해 줍니다. Cypress의 독창적인 벅-부스트 기술을 사용하면, 더 효율적이고 비용 효과적인 전력 관리가 가능해집니다.
양방향 DC-DC 컨버터의 중요성
최근에는 양방향 DC-DC 컨버터가 자동차 산업에서 큰 주목을 받고 있습니다. 특히, 하이브리드 및 전기차의 혁신적인 발전 이후, 기존의 12V 배터리 외에도 여러 배터리로 구성된 전기 전력 시스템이 필요하게 되었습니다. 연료 소비를 줄이기 위한 다양한 시스템, 예를 들어 스타트-스톱 시스템의 도입은 두 개의 배터리 전력 시스템을 요구합니다. 전통적인 12V 납산 배터리와 엔진 시동을 위한 48V 리튬 배터리가 함께 사용됩니다. 이 시스템에서 양방향 DC-DC 컨버터는 두 배터리 간의 전력 흐름을 효율적으로 관리하고, 각 배터리의 상태를 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다.
Renesas의 ISL78226 장치는 최대 3.75kW의 전력을 공급할 수 있으며, 95% 이상의 변환 효율을 제공합니다. 이 장치는 모듈식 마스터/슬레이브 아키텍처로 설계되어, 더 높은 전력을 제공하며 48V 하이브리드 전력 전송 시스템의 빠른 채택을 지원합니다. 이러한 혁신적인 설계는 전기차와 하이브리드 전기차의 성능 향상에 기여하며, 배기가스 배출 및 연료 소비를 줄이는 데 중요한 역할을 합니다.
DC-DC 컨버터 기술은 에너지 효율성과 성능을 극대화하는 데 중요한 역할을 하며, 각종 응용 분야에서의 효율성을 개선하고 지속 가능한 에너지 소비를 가능하게 합니다. 최신 기술의 도입으로 더 높은 효율성, 소형화 및 안전성을 동시에 충족하는 컨버터들이 개발되고 있으며, 이는 자동차, 산업 기기 및 소비자 전자 제품 모두에서 중요한 영향을 미칠 것입니다.
결론
하이브리드 및 전기차의 증가하는 보급은 듀얼 배터리 전력 시스템의 사용을 요구합니다. 또한 최근 몇 년간 내연 기관을 장착한 기존 차량에서도 증가하는 전력 수요가 전자 장치 및 액세서리의 증가로 인해 필요해졌습니다.