DC/DC 파워 서플라이어의 온도 관리

by 칼 슈람, 신뢰성 테스트 연구소장 / RECOM Development & Trading GmbH & Co KG.

소형, 초소형이라는 단어는 DC/DC 모듈 생산업자 사이에서는 주로 사용되는 말입니다. 제품의 설계에 있어서 발생되는 열을 어떻게 관리할 것인가 하는 것은 매우 중요한 문제가 되기 때문입니다.

성취하기 위해서는 무었이 필요할까요? 우선 논의에서 제외할 것은 에너지 변환에 있어서 100%란 있을 수 없다는 것입니다. 즉 에너지 변환 과정에서 필수적으로 열이 발생되며 결국은 이 발생된 열은 어떠한 방식으로건 제거를 할 수 있어야 한다는 것입니다. 온도역학에 따르면 열은 차가운 곳으로 이동하게 되어 있습니다. 그러므로 DC/DC 컨버터 내부에서 발생된 열은 외부로 방출되어야 하며 결국 주변온도( Ambient temperature) 는 반드시 최대 허용가능한 내부 온도보다 낮아야 합니다. 이 차이가 적을수록 컨버터의 온도가 오르게 되며 에너지 방출이 적어질 것입니다.

DC/DC 모듈의 케이스(표면) 온도는 통상적으로 +100°C 또는 +105°C 입니다. 이 값은 매우 높아 보입니다. 그러나 이 값은 모듈의 내부에서 발열되는 것과 주변 온도 상승까지를 포함한 것입니다. 기억하실 것은: 케이스 표면온도와 주변온와의 차이가 적을수록 컨버터에서는 적은량의 열이 외부로 방출된다는 것입니다. 만일 컨버터가 더 높은 내부 손실이 있는 경우 이것은 컨버터 낮은 내부 손실 보다는 적은 온도 차이에 의한 것에 영향을 많이 받게됩니다. 내부 손실은 트랜지스터에서의 스위칭 손실, 정류 손실, 트랜스포머에서의 주요 손실 그리고 권선과 트랙에서의 저항에 의하여 주로 발생된다. 최대 허용가능 내부 온도는 트랜스포머 코어 물질의 큐리온도, 스위칭 트랜지스터들, 정류 다이오드의 최대 접합부 온도 그리고 커패시터의 최대 동작온도에 의하여 결정되어 진다. 최적의 온도 환경을 성취하기 위해서 RECOM 의 컨버터들은 온도 전달이 잘되는 에폭시로 완전히 밀봉해서 집중된 열원을 컨버터 외부로 균등하게 빠져 나가게 했습니다. 에폭시는 케이스의 외부로 내부에서 발생된 열이 효과적으로 나갈 수 있도록 낮은 온도 전달 계수인 400mWmK-1 의 제품을 사용합니다. 물론 주변온도에 대한 온도 저항을 낮추기 위해서 히트싱크를 사용하는 것도 가능합니다.

RECOM 에서는 개별 제품군 마다 최고 및 최소의 주변 온도(Ambient temperature)를 주로 표기해서 최종 사용자 분들이 쉽게 측정하고 모니터할 수 있도록 했습니다. 정확한 주변온도의 표기는 이론적이 아닌 실제 적용 상황에서 제품을 안정적으로 사용할 수 있도록 하기 위함이며, 실제로 제품 설계시 환기의 필요성을 검토하는 주요 자료가 되기 때문입니다. 추가적으로, 최대 주변 온도 하에서 컨보터가 최대 케이스 온도를 넘어가지 않도록, 적절한 히트싱크의 사이즈를 계산하는데 도움을 주게 됩니다.
그럼에도 불구하고, 내부 손실과 온도 저항은 수식으로 유추될 수 있습니다. 계산 수식에서, Ohm's Law of R=V/I 은 R은 온도저항, V는 온도 그리고 I는 온도 소산이 되도록 수정되어질 수 있습니다:

상기의 공식을 통해서 일정한 동작 조건 내에서의 최대 허용 가능한 주변온도 산출이 가능하다. 그러나 효율이란 출력부하 및 입력전압(그래프 참조)에 의존적이라는 것을 기억해야합니다. 이 공식은 케이스 온도는 동작온도와 동일하지 않다는 것을 보여줍니다.

만일 온도손실 계산 결과가, DC/DC 컨버터가 희망 주변동작온도에서 과열되는 것으로 나타나면, 해결책에 도달하기까지 아직 몇가지 옵션 사항들이 있는 경우입니다. 한가지 용량을 내려 사용하는 것입니다.

즉, 사용할 컨버터 보다 큰 용량의 컨버터를 사용하는 것입니다. 데이터쉬트에 있는 디레이팅 도표는 주로 동작온도범위 내의 어떤 온도하에서의 최대 출력을 규정한 것입니다. 이 디레이팅 커브는 실제로 리니어하게 나타나지는 않습니다. 그러나 신뢰할만한 제조사의 경우 항상 이 안전한 범위까지의 수치를 제공해주게됩니다.

플라스틱 케이스에 들어있는 컨버터의 경우 다음으로 큰 사이즈의 컨버터를 선택해야 적절한 표면적 확보가 가능할 것입니다.

만일 컨버터가 메탈 케이스에 들어 있는 경우에는 히트싱크를 부착하는 것이나 쿨링팬을 설치하는 것이 가장 손쉬운 방법이 될것입니다. 만일 히트싱크가 팬과 함께 사용된다면 온도 등식은 다음과 같을 것입니다:

RTHHS-ambient 값은 히트싱크의 온도저항과 케이스에 온도 전달이 잘되도록 사용된 온도의 전도가 잘되는 페이스트나 실리콘패드의 온도 저항이 섞이게 됩니다. 만일 이러한 도움이 없다면, 히트싱크에만 대략 0.2 K/W 의 온도 저항이 더해져야 합니다. RTHHS-ambient 를 설정하는 경우 히트싱크의 핀들에 얼마만큼의 바람이 불어오는가 하는 것을 아는 것도 중요합니다. 이러한 값은 lfm (linear feet per minute)으로 주어지고 팬 제조회사에서 제공되어집니다. m/s 로의 변환은100lfm = 0.5 m/s 입니다.

이러한 기본적인 관찰은 온도관리 문제가 제기되는 모든 경우에 해당됩니다. 그러나 주요한 내용은 이미 고찰을 해보았습니다. 그럼에도 불구하고 귀하의 계산 내용이나 측정 결과가 아직 확실한 범위내에 있지 못한 경우 더 상세히 검토해볼 필요가 있습니다. 예를들어 수식으로 세우는 제품과 수평으로 눞이는 제품간의 온도성능 차이가 있을 것이며 공기의 흐름이 정지된 경우와 자유롭게 공기의 흐름이 있는 경우 그리고 공기압력이 낮은 상태에 있는 경우에 따라 조금씩 편차가 있을 수 있습니다. 이러한 모든 환경을 고려하는 것은 간단히 설명하기 어려운 문제이므로 필요하시면 RECOM 의 엔지니어에게 연락을 취해 주시기를 바랍니다. RECOM 기술 지원센터는 언제나 고객들에게 문이 개방되어 있습니다. info@recom-development.at.