TI 독자적인 IsoShield™ 패키징 기술 적용한 절연 전원 모듈
EV 성능에 대한 요구가 계속 높아지면서 엔지니어는 차량 무게를 줄이고 효율을 높이는 동시에, 극한의 온도와 진동, EMI(전자기 간섭) 환경에서도 시스템을 안정적으로 보호해야 한다. 또한 높은 배터리 전압과 더 빠른 스위칭 FET를 지원하면서 과도 현상과 잡음으로부터 회로를 보호할 수 있는 절연 설계도 필수적이다.
그림 1. 5.85mm x 7.50mm × 2.65mm 패키지에 IsoShield 기술을 적용한 UCC34141-Q1
한편 AI 컴퓨팅 수요가 증가하면서 데이터센터 역시 더 높은 전력 밀도를 요구받고 있다. 설계자는 수 kW급 PSU, BBU(백업 배터리 장치), 서버 랙 환경에서 제한된 공간 내 전력 집적도를 높여야 하며, 동시에 절연 설계 문제도 함께 해결해야 한다.
기존 인덕터-인덕터-커패시터 공진 컨버터나 플라이백 구조는 변압기가 필수적이며, 이는 보드 면적과 높이를 증가시키는 요인이 된다. 또한 개별 변압기 기반 설계는 잡음 내성을 저하시킬 수 있는 전기적 영향을 유발하고 설계 복잡도를 높인다.
TI의 독자적인 IsoShield™ 패키징 기술을 적용한 절연 전원 모듈은 이러한 설계 제약을 해결한다. 변압기, 스위칭 소자, 수동 부품을 하나의 패키지에 통합해 절연 요구 사항을 충족하면서도 기존 대비 최대 70% 작은 솔루션 구현이 가능하다. 그림 1은 IsoShield 기술이 적용된 UCC34141-Q1 전원 모듈을 보여준다.
그림 2 절연 바이어스 전원 솔루션의 발전을 보여주는 평면도
전력 밀도를 높이면서 솔루션 크기를 줄이는 방법
기존 절연 전원 설계에서는 전력 공급 성능과 보드 공간 사이에서 트레이드오프가 발생한다. 변압기는 제한된 공간 내에 구현돼야 하며, 동시에 800V 배터리 시스템과 12V 또는 3V 제어 회로 간 절연을 제공해야 한다. EV와 데이터센터 설계 모두에서 엔지니어는 공간과 무게를 최소화하면서 전력 밀도를 극대화해야 한다.
IsoShield 기술이 적용된 전원 모듈은 PCB에서 가장 큰 부품인 변압기를 패키지 내부에 통합한다. 일반적인 설계는 동일 성능을 위해 추가 외부 회로가 필요하지만, IsoShield 기반 설계는 초소형 패키지에서도 충분한 전력을 제공한다. 예를 들어 중전압 UCC34141-Q1과 저전압 UCC33420-Q1 DC/DC 모듈은 각각 5.85mm × 7.50mm × 2.65mm, 4mm × 5mm × 1mm 패키지에서 1.5W 절연 출력을 제공한다.
UCC34141-Q1은 개별 플라이백 솔루션 대비 면적을 최대 70%, 기존 통합 변압기 솔루션 대비 35% 이상 줄일 수 있다. 이에 따라 전력 밀도는 각각 최대 333% 및 150% 향상된다. 그림 2는 이러한 면적 감소 효과를 보여준다.
또한 높이 감소도 중요한 요소다. 변압기 통합을 통해 보드에서 가장 높은 부품을 제거할 수 있으며, 전체 높이를 기존 대비 1/4 수준까지 줄일 수 있다. UCC34141-Q1의 높이는 2.65mm, UCC33420-Q1은 1mm에 불과하다.
소형화는 일반적으로 열 성능이나 EMI 측면의 우려를 동반하지만, IsoShield 기반 DC/DC 모듈은 이러한 문제도 함께 해결한다. 기존 모듈 대비 최대 30% 향상된 열 성능을 제공하며, 더 작은 패키지에서도 안정적으로 동작한다. 또한 CISPR 32 Class B 및 CISPR 25 Class 5 규격을 충족하기 위해 소형·저비용 EMI 필터만으로 충분하다.
향상된 시스템 내구성과 안정성
혹독한 환경에서 안정적인 전원 공급을 유지하기 위해서는 높은 수준의 내성이 필요하다. IsoShield 기술이 적용된 장치는 다음 네 가지 측면에서 높은 내성을 제공한다.
그림 3 250V/ns 이상의 전압 스트라이크 시의 UCC33421-Q1 출력 파형
-CMTI(공통 모드 과도 내성)
1차 및 2차 권선 간 3pF 미만의 기생 커패시턴스를 통해 최대 250V/ns CMTI 지원
-방사 내성
10MHz~1GHz 범위에서 100V/m 이상의 잡음 환경에서도 안정 동작CISPR 25 및 IEC 61000-4-3 기준 충족
-자기 내성
100mT 이상의 강한 자기장 환경에서도 안정적인 동작
-진동 내성
소형·저프로파일 구조로 솔더 조인트 및 PCB 응력 90% 이상 감소
이러한 특성은 EV 및 산업 환경에서 발생하는 극한 조건에서도 높은 신뢰성을 유지할 수 있도록 한다.
그림 4 절연 바이어스 전원 솔루션의 발전을 보여주는 측면도
설계 사이클 단축
변압기는 설계와 소싱이 가장 까다로운 부품으로, 커스터마이즈 설계 시 권선 구조, 코어 재질, 인덕턴스 특성, 패키징 등 다양한 요소를 고려해야 한다.
IsoShield 기반 전원 모듈은 변압기와 스위칭 FET, 수동 부품을 통합함으로써 이러한 설계 부담을 크게 줄인다. 결과적으로 부품 선택과 설계 검증 과정이 단순화되며, 전체 개발 기간 단축이 가능하다. 특히 빠른 구축이 요구되는 데이터센터 환경에서 PSU, BBU, 서버 랙 설계를 신속하게 진행할 수 있다는 점에서 큰 장점이 있다.
IsoShield 기술이 적용된 전원 모듈은 전력 밀도, 성능, 안정성 간의 기존 트레이드오프를 효과적으로 해소한다. 기존 대비 최대 70%의 공간을 절감할 수 있어, 추가 기능 구현이나 시스템 확장, 고밀도 설계에 활용할 수 있다.
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