디지털 제어 루프를 통해 효율 향상

전력 컨버터 설계의 경우 효율 향상에 대한 요구가 지속되고 있습니다. 또한 연산 처리에서 고도의 에너지 효율을 지원해야 하는 필요성으로 인해, 작업 부하에 따라 프로세서와 주변 기기를 활성화 및 비활성화하는, 매우 역동적으로 동작하는 부하가 탄생되었습니다. 이로 인해 전력 컨버터 아키텍처가 아날로그에서 디지털 구현으로 변화하고 있습니다.

스위치 모드 전력 컨버터의 작동은 컨버터의 한쪽에서 다른 쪽으로 별개의 충전 패킷을 전송하므로 사실상 디지털인 것처럼 보입니다. 이 기술은 불연속적 시점에서의 출력 상태를 샘플링한 자료를 기반으로 하여, 전하를 제공하는 스위치를 켠 상태로 유지해야 하는 시간을 결정합니다. 그러나 이 피상적 디지털 구조에도 불구하고 대부분의 구현에서는 아날로그 제어 회로망을 기반으로 합니다.

대부분의 스위치 모드 전원 공급 장치에 사용되는 펄스 폭 변조(PWM) 방식에서는 컨버터가 먼저 병렬 FET 2개 중 하나를 켜서 출력 레일에 충전 패킷을 공급합니다. 하이사이드 FET는 PWM 컨트롤러에서 결정된 특정 시간 동안 활성화됩니다. 이 온타임 동안에는 출력 전압이 입력 전압을 향해 상승합니다. 전류는 전하의 임시 저장소로 사용되는 인덕터로 흘러갑니다. 인덕터의 전류는 (Vin - Vout)/L 공식의 기울기에 따라 선형적으로 상승합니다.

컨트롤러가 하이사이드 FET를 끄면 로우사이드 스위치가 잠시 동안 꺼진 상태로 유지됩니다. 이로써 두 FET에서 원치 않는 낭비적 전력 슛스루를 방지할 수 있습니다. 그런 다음 로우사이드 FET가 활성화되고 잠시 후 스위치를 켤 수 있게 됩니다. 그러면 인덕터 전류가 -Vout/L의 기울기로 떨어지기 시작하고, 로우사이드 FET가 꺼지면 다시 주기가 시작됩니다. 결과적으로 출력부의 전류가 평균 수준의 위 아래로 진동하는 경향이 나타납니다. 인덕터와 출력 커패시터에서 필터링을 하면 부하에 전달되는 전류와 전압을 매끄럽게 하는 데 도움이 됩니다.

각 주기 동안 FET의 온타임을 결정하기 위해, 컨버터 내부의 PWM 컨트롤러는 출력 전압을 기준 전압과 비교하고 오차 전압을 생성합니다. 오차 신호는 0에 매우 가깝게 유지되어야 하지만 부하 요구의 변화에 따라 오르내릴 수 있습니다. 이 간단한 구조로 인해 아날로그적으로 회로망을 구현할 수 있습니다.

전력 컨버터에서 핵심적인 문제는 부하 요구 변화 간의 차이와, 불연속적 특성으로 인해 PWM 컨트롤러에서 수행하는 결과 보상입니다. 제어 루프 설계에는 트레이드오프가 내재되어 있습니다. 안정성을 보장하기 위해, 평준화를 사용하여 출력 전압에서 원치 않는 링잉 현상과 이로 인한 조정 실패를 방지합니다. 일반적으로, 응답이 느려지면 시스템의 안정성은 향상됩니다. 그러나 전력 요구의 변화에 응답하는 시간이 지연되면 PWM 기반 제어 루프가 이를 맞추려고 시도하므로 조정 성능이 떨어질 수 있습니다. 이 양 극단 사이에서 절충하기 위한 접근 방식은 오차 전압의 크기에 비례하는 이득 수정을 적용하는 것입니다. 그러면 잠재적인 불안정성의 위험을 감수하면서 응답성을 높일 수 있습니다.

디지털 제어 전략으로 전환하면 제어 전략을 더 유연하게 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 대표적인 비례, 통합, 파생(PID) 제어 아키텍처에서 디지털 또는 소프트웨어 기반 구현을 사용하면 알고리즘의 여러 부분에 대한 계수를 더 쉽게 조정하고 추가 피드백 경로를 포함하여 응답성을 개선할 수 있습니다. PID 컨트롤러는 오차 입력에 사용하도록 설계되었으며 여러 전략을 적용하는 처리 블록의 출력을 결합합니다.

비례항은 오차 신호에 따른 직접적인 영향을 받습니다. 오차가 크면 이 항의 출력값도 커집니다. 적분항은 컨트롤러의 장기적인 작동을 고려합니다. 해당 출력값은 여러 샘플에 대해 오차 전압이 크게 유지되는 경우에만 커집니다. 미분항은 오차 신호의 변화 속도를 분석하여 미래를 예측하려고 시도합니다. 오차가 빠르게 변하면 이 항의 출력값도 이에 따라 커집니다. 컨트롤러 사용자는 이 세 항에 대한 계수를 변경함으로써 알고리즘의 응답성과 안정성을 쉽게 변경할 수 있습니다.

또한 디지털 전략을 통해 다중 속도 샘플링을 활용할 수도 있습니다. 일정한 주파수에서 샘플링하는 대신 다중 속도 샘플링을 사용하면 급격하게 달라지는 부하 조건에 따라 전략을 조정할 수 있습니다. 하나의 샘플링 입력값으로 이 효과를 얻을 수 있는 한 가지 방법은 가변 주파수 스위칭을 사용하는 것입니다. 출력 전압이 더 빠르게 변화하기 시작하면 컨트롤러는 그에 맞게 PWM 주파수를 높입니다. 그러나, 가변 주파수 스위칭을 사용하면 전자기 호환성(EMC) 문제가 발생합니다. 광범위한 주파수 범위를 다루는 것보다 고정 주파수를 필터링하는 것이 더 쉽습니다.

그림 1: Intersil ZL8800의 제품 구성도.

Intersil은 부정적 효과 없이 다중 속도 샘플링의 이점을 활용할 수 있는 방법을 제공하는 ChargeMode 기술을 개발했습니다. ZL8800 이중 채널/2상 DC/DC 컨트롤러에 사용된 이 기술은 컨트롤러에서 PWM 파형에 있는 두 경계 모두의 타이밍을 조정할 수 있도록 오차 전압을 샘플링하고 스위칭 기간 동안 변조 신호를 두 번 이상 계산합니다. 이 기술은 그룹 지연을 상당히 줄이기 때문에 매우 높은 대역폭에서의 작동을 지원합니다.

ChargeMode 접근 방식은 프로그래밍이 가능하기 때문에 내부 계수를 변경하여 높은 루프 이득을 조절할 수 있습니다. 이 컨트롤러는 단지 높은 루프 이득만 사용하는 경우에 발생할 수 있는 불안정성을 극복하기 위해 PWM 타이밍이 빠르게 변화하는 효과를 몇 번의 주기에 국지화하는 새로운 전략을 사용합니다. 듀티 사이클의 갑작스러운 변화로 인한 효과는 ASCR 블록에 의해 다음 몇 주기에 걸쳐 보상됩니다.

그림 2: ASCR 제어 루프의 구조.

보상기는 PID 컨트롤러에 사용된 것과 비슷한 피드백 기반 알고리즘을 사용하지만, 보상기에는 정량화된 오차 전압을 처리할 수 있는 2개의 병렬 경로가 있다는 큰 차이점이 있습니다. 고속 경로는 저속 경로보다 높은 속도에서 작동하며, 저속 경로와 달리 적분기 블록을 포함하지 않습니다. 고속 경로는 주로 듀티 사이클 변화의 단기적인 효과를 보상하는 데 사용됩니다. 수학적으로, 보상기는 2극, 2제로 필터로 단순화됩니다. 이러한 구조는 예측 가능하고 안정적인 성능을 제공합니다.

ASCR 디지털 보상기가 포함된 ChargeMode 제어는 오차 샘플링 인스턴스와 듀티 사이클 결정 사이의 지연을 줄여 줍니다. 이를 통해 높은 주파수에서 위상이 자연적으로 부스트되므로 안정성이 높아지고 고대역폭 설계가 가능하게 됩니다. ASCR 보상기는 대역폭에 대해서만 조정되면 됩니다. ASCR 블록에 대한 두 개의 입력이 있습니다(이득 설정 및 잔류). 그러나 광범위한 출력 필터 구성에서 ASCR 이득만 변경하면 원하는 폐쇄 루프 대역폭 작동을 실현할 수 있습니다. 이득은 전반적인 과도 응답 속도에 영향을 미치고, 잔류는 둔화 요소로서 기본적으로 루프의 응답 속도를 설정합니다. 따라서 과도 현상에 매우 민감한 설계에서 성능을 향상시킬 수 있지만 대부분의 시스템에는 기본값이 적절합니다.

그림 3: 임펄스 응답에 대해 여러 소프트웨어 파라미터가 미치는 영향.

일반 다중 속도 샘플링 기술에서 나타날 수 있는 단점 중 하나는 오차 전압의 초과 샘플링으로 인해 피드백 루프에 스위칭 주파수 고조파가 주입되는 것입니다. ZL8800과 같은 장치는 고속 경로에 저지연 리플 필터를 사용하여 이 문제를 해결합니다. 리플의 반복 요소는 제거됩니다.

소프트웨어를 통해 구성할 수 있는 디지털 제어 루프의 추가적인 장점은 저항기 및 커패시터와 같은 수동 부품을 추가하지 않고도 PCB 조림 이후에 장치 작동을 프로그래밍할 수 있다는 것입니다. 그 덕분에 제조 과정에서 시제품 제작과 시스템 조정이 모두 쉬워집니다. Intersil에서 ChargeMode 기술 장치를 위해 구축한 PowerNavigator 소프트웨어를 사용하면 전력 컨트롤러를 간단히 구성하고 이득 및 기타 파라미터에 적합한 설정을 찾을 수 있습니다.

디지털 제어 및 소프트웨어 프로그래밍 가능성의 결합 덕분에, ZL8800은 전력 컨버터의 수준을 한 단계 더 높여 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다.