DC-DC 스위칭 조정기에서의 PWM 신호 생성을 위한 전압 모드 및 전류 모드 제어

스위칭 DC-DC 전압 컨버터('조정기')는 컨트롤러와 전력 스테이지의 두 개 소자로 구성됩니다. 전력 스테이지는 스위칭 소자를 통합하며 입력 전압을 원하는 출력으로 변환합니다. 컨트롤러는 스위칭 작동을 감시하여 출력 전압을 조정합니다. 이 두 개 소자는 실제 출력 전압과 원하는 출력을 비교하여 오차 전압을 도출하는 피드백 루프로 링크되어 있습니다.

컨트롤러는 전원 공급 장치의 안정성과 정밀도에 있어 핵심이며 거의 모든 설계에서 조정에 펄스 폭 변조(PWM) 기술을 사용합니다. PWM 신호를 생성하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 바로 전압 모드 제어와 전류 모드 제어입니다. 전압 모드 제어가 먼저 고려되었지만 입력 전압에 따라 달라지는 루프 이득과 부하 변동에 대한 응답이 늦는 등의 단점으로 인해 대안적인 전류 기반 방법이 개발되었습니다.

오늘날, 엔지니어는 이 두 가지 제어 기술 중 하나를 사용하는 다양한 전력 모듈 중에서 선택할 수 있습니다. 이러한 제품은 이전 세대의 주요 장애를 극복할 수 있는 기술을 통합합니다.

이 기사에서는 스위칭 전압 조정기에서의 PWM 신호 생성을 위한 전압/전류 모드 제어 기술을 설명하고 적합한 각 응용 제품에 대해 알아봅니다.

전압 모드 제어

전원 공급 장치 구축이라는 과제를 맡은 설계자는 이산 부품(TechZone 기사 'DC/DC 전압 조정기: 이산 설계와 모듈식 설계 중 선택하는 방법' 참조), 개별 컨트롤러 및 전력 부품에서 장치를 구축하거나 단일 칩에 두 소자를 통합하는 전원 공급 장치 모듈에서 장치를 구축할 수 있습니다.

그러나 어떤 설계 기술이 채택되어도, 조정 시 일반적으로 고정 주파수(전원 공급 장치에서 생성되는 전자파 장해(EMI)를 제한하는 정 스위칭 주파수가 적합함)의 PWM 기술을 사용할 가능성이 높습니다.

전압 모드 제어 조정기에서는, 한 비교기 입력에 제어 전압(V_C)을 인가하고 다른 비교기 입력에 클록에서 생성되는 고정 주파수의 톱니파 전압(V_ramp)(또는 'PWM 램프')을 인가하여 PWM 신호가 생성됩니다(그림 1).


그림 1: 스위칭 전압 조정기를 위한 PWM 생성기(Texas Instruments 제공).

PWM 신호의 듀티 사이클은 제어 전압에 비례하며 스위칭 소자가 전도되는 시간 비율과 결과적 출력 전압을 결정합니다(TechZone 기사 'PFM을 사용하여 저부하 시 스위칭 DC/DC 조정기 효율 향상' 참조). 제어 전압은 실제 출력 전압과 원하는 출력 전압(또는 레퍼런스 전압) 간 차이에서 파생됩니다.

변조기 이득 Fm은 듀티 사이클을 0%에서 100%로 만드는 제어 전압의 변화로 정의됩니다(F_m = d/V_C = 1/V_ramp).¹

그림 2는 일반적인 스위칭 조정기의 주요 요소를 보여줍니다. 전력 스테이지는 스위치, 다이오드, 인덕터, 변압기(분리된 설계용) 및 입력/출력 커패시터로 구성됩니다. 이 스테이지는 입력 전압(VIN)을 출력 전압(VO)으로 변환합니다. 전압 조정기의 제어 부분은 오차 증폭기로 구성되는데 한 입력에는 레퍼런스 전압(원하는 출력과 동일)이 인가되고 다른 입력에는 전압 분배기의 출력이 인가됩니다. 전압 분배기에는 출력의 피드백 트레이스가 공급됩니다. 오차 증폭기의 출력은 PWM 비교기에 대한 한 개 입력을 형성하는 제어 전압(V_C 또는 '오차 전압')을 제공합니다.²


그림 2: 전압 모드 제어 스위칭 조정기의 제어 부분 및 전력 스테이지(Microsemi 제공)

전압 모드 제어의 이점은 다음과 같습니다. 단일 피드백 루프로 설계 및 회로 분석이 용이함, 대형 진폭 램프 파형으로 안정적 변조 공정을 위한 우수한 잡음 마진 제공, 저임피던스 전력 출력으로 다중 출력 공급 장치를 위한 향상된 교차 조정 제공.

그러나 이 기술 또한 몇 가지 문제점이 있습니다. 예를 들어, 먼저 부하 변화를 출력 변화로서 감지한 후 피드백 루프로 수정해야 합니다(결과적으로 응답이 느림). 출력 필터는 회로 보정을 더 복잡하게 하는데 루프 이득이 입력 전압에 따라 달라지기 때문에 더 어려울 수 있습니다.

전류 모드 제어

1980년대 초, 엔지니어는 전압 모드 제어 방법의 장애를 처리하는 대안 스위칭 전압 조정기 기술을 찾아냈습니다. 전류 모드 제어라고 하는 이 기술은 인덕터 전류를 피드백하는 2차 루프를 추가하여 PWM을 파생합니다. 이 피드백 신호는 AC 리플 전류와 인덕터 전류의 DC 또는 평균값으로 구성됩니다. 신호의 증폭 형태가 PWM 비교기의 한 입력으로 라우팅되고 오차 전압이 다른 입력을 형성합니다. 전압 모드 제어 방법과 마찬가지로 시스템 클록에 따라 PWM 신호 주파수가 결정됩니다(그림 3).


그림 3: 전류 모드 제어 스위칭 조정기. 다음은 출력 인덕터 전류에서 파생된 신호에서 생성되는 PWM 램프입니다(Texas Instruments 제공).

전류 모드 제어는 전압 모드 제어의 늦은 응답을 해결하는데, 인덕터 전류가 입력 전압과 출력 전압의 차이로 결정되는 경사만큼 상승하므로 라인 전압 또는 부하 전압 변경에 대해 즉시 응답하기 때문입니다. 전류 모드 제어의 추가적 장점으로는, 전압 모드 제어 방법의 입력 전압 문제점으로 인한 루프 이득 변동 제거를 들 수 있습니다.

또한 전류 모드 제어 회로에서는 오차 증폭기가 전압 대신 출력 전류를 지시하기 때문에 회로 응답에 대한 출력 인덕터의 효과가 최소화되고 보정이 더 쉬워집니다. 이 회로는 또한 전압 모드 제어 장치와 비교하여 더 높은 이득 대역폭을 나타냅니다.

이외에도, 오차 증폭기에서의 명령 클램핑을 통한 고유한 펄스별 전류 제한과, 여러 전력 장치를 병렬로 사용할 경우 간소화된 부하 공유라는 추가적 이점이 있습니다.

얼마 동안은, 전류 모드 제어가 전압 제어 모드를 완전히 대체할 것으로 기대했습니다. 그러나, 드러나기까지 조금 시간이 걸리기는 했지만 엔지니어들은 전류 모드 제어 조정기가 고유한 설계 문제를 일으킬 수 있음을 알게 되었습니다.

주된 문제는 조정기의 토폴로지에 두 개의 피드백 루프가 포함되므로 회로 분석이 어렵다는 것입니다. 두 번째 문제는 듀티 사이클이 50%보다 높은 경우 '내부' 제어 루프(인덕터 전류 신호 전달)의 불안정성입니다. 세 번째 문제는 제어 루프가 인덕터 출력 전류에서 파생되기 때문에 전력 스테이지의 공진으로 인해 이 내부 제어 루프에 잡음이 발생할 수 있다는 것입니다.³

전류 모드 제어 조정기의 듀티 사이클을 50% 미만으로 제한하면 장치의 입력 전압에 심각한 제한이 부과됩니다. 다행히도, 불안정 문제는 내부 루프에 소량의 경사 보정을 '주입'하여 해결할 수 있습니다. 이 기법을 통해 PWM 듀티 사이클의 모든 값에 대해 안정적 작동을 보장할 수 있습니다.

경사 보정은 오차 증폭기의 출력에서 톱니 전압 파형(클록 주파수에서 작동)을 제하여 달성됩니다. 그렇지 않으면, 보정 경사 전압이 인덕터 전류 신호에 직접 추가될 수 있습니다(그림 4).


그림 4: 경사 보정을 갖춘 전류 모드 제어 조정기(Texas Instruments 제공)

수학적 분석을 통해, 전류 루프 안정성을 보장하려면 보정 램프의 경사가 전류 파형의 하강 경사의 1/2 이상이어야 함을 알 수 있습니다.⁴

상업적으로 사용 가능한 여러 전류 모드 제어 조정기가 있습니다. 예를 들어,Microsemi는 전류 모드 제어를 갖춘 NX7102 동기식 강압('벅') 조정기를 제공합니다. 이 칩은 4.75V ~ 18V의 입력 범위와 최소 0.925V의 조정 가능 출력을 수용합니다. 최대 출력 전류는 3A이며 피크 효율은 입력 전압에 따라 90% ~ 95% 사이입니다.

이 부분에 대해, Texas Instruments는 다양한 전류 모드 제어 조정기를 제공합니다. 한 예로, 2.5V ~ 12V의 공급에서 2.5V ~ 8V(최대 1A)의 출력을 제공하는 동기식 벅/승압('부스트') 2.4MHz 조정기인 TPS63060을 들 수 있습니다. 이 장치는 최대 93%의 효율을 제공하며 휴대용 컴퓨터 및 산업 계측 장비 같은 모바일 응용 제품을 대상으로 합니다.

STMicroelectronics도 STBB2를 비롯한 다양한 전류 모드 제어 장치를 공급합니다. 이 장치는 2.4V ~ 5.5V 입력에서 2.9V 또는 3.4V의 출력을 제공하는 동기식 벅/부스트 2.5MHz 조정기로서, 90% 효율로 최대 800mA를 공급할 수 있으며 BGA(볼 그리드 어레이) 패키지로 제공됩니다.

전압 모드의 부활

몇몇 실리콘 벤더 카탈로그를 살펴보면 전압 모드 제어 조정기가 아직 사라지지 않았음을 알 수 있습니다. 전압 피드포워드라는 기법을 사용하여 이전 세대 장치의 주요 약점이 해결되었기 때문입니다.

전압 피드포워드는 입력 전압에 비례하는 전압으로 PWM 램프 파형의 경사를 수정하여 실현됩니다. 전압 피드포워드는 피드백 루프에 독립적으로 듀티 사이클 변조를 일치시키고 수정합니다.

이 기술은 입력 필터의 존재에 대한 감도를 제거하고 라인 및 부하 과도 현상에 대한 회로 응답을 향상시킵니다. 전압 피드포워드는 또한 루프 이득을 안정화하므로 루프 이득이 더 이상 입력 전압에 의해 변경되지 않습니다. 입력 전압을 감지하는 데 센서가 필요하기 때문에 회로 복잡성이 일부 추가된다는 사소한 결점이 있습니다.

엔지니어는 주요 제조업체에서 제공하는 다양한 전압 모드 제어 조정기 중에서 선택할 수 있습니다. 예를 들어, Maxim은 MAX5073을 비롯한 해당 포트폴리오로 여러 전압 모드 제어 장치를 제공합니다. 이 스위칭 조정기는 5.5V ~ 23V 공급에서 작동하는 벅/부스트 2.2MHz 장치로 0.8V ~ 28V의 출력을 생성합니다. 벅 모드의 경우 조정기는 최대 2A를 전달할 수 있습니다.

이와 유사하게, Intersil은 전압 모드 제어를 갖춘 2.5MHz 스위칭 조정기 ISL9110A를 제공합니다. 이 장치는 1.8V ~ 5.5V의 입력 전압 범위에서 작동하며 1.2A 및 95% 효율에서 3.3V 출력을 제공합니다.

이 부분에 대해, International Rectifier는 1V ~ 21V의 넓은 입력 범위와 0.5V ~ 18.06V의 출력 범위를 갖는 전압 모드 제어 벅 조정기인 IR3891을 제공합니다. 이 칩은 300KHz ~ 1.5MHz의 스위칭 주파수 범위를 갖으며 최대 4A를 공급할 수 있습니다. IR3891은 두 개 출력을 포함합니다.

기술 선택

거의 모든 스위칭 전압 조정기에서 스위칭 소자에 대해 PWM 제어를 사용하고 있습니다. PWM 신호는 전압 모드 조정기의 경우 클록 주파수에서 작동하는 톱니 파형과 통합된 제어 전압(레퍼런스 전압에서 출력 전압을 제하여 파생됨)에서 생성되거나, 전류 모드 유형의 경우 인덕터 전류를 피드백하는 2차 루프를 추가하여 생성됩니다. 최신 장치는 전압 피드포워드(전압 제어 설계) 및 경사 보정(전류 모드 장치) 같은 기술을 사용하여 이전 설계의 주요 문제점을 대부분 극복했습니다.

이러한 혁신의 결과로 엔지니어는 두 유형의 토폴로지 모두에 대한 다양한 옵션을 갖게 되었습니다. 광범위한 입력 라인 또는 출력 부하 변동이 가능한 경우, 경부하 시(안정적 PWM 작동을 수행하는 데 전류 모드 제어 램프 경사가 지나치게 낮은 경우), 잡음이 심한 응용 제품(전력 스테이지의 잡음으로 인해 전류 모드 제어 피드백 루프에 영향을 줄 수 있는 경우) 및 우수한 교차 조정을 갖춘 다중 출력 전압이 필요한 경우 전압 모드 제어 스위칭 조정기가 권장됩니다.

공급 출력이 고전류이거나 매우 높은 전압이고, 특정 주파수에서 가장 빠른 동적 응답이 필요하며, 입력 전압 변동이 제약되는 응용 제품의 경우와 비용 및 부품 수를 최소화해야 하는 응용 제품에서는 전류 모드 제어 장치가 권장됩니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 정보 페이지에 액세스하십시오.

참고 자료:

1. '전류 모드 제어 이론의 이해 및 적용 - 고정 주파수, 연속 전도 모드 작동을 위한 유용한 설계 안내서(Understanding and Applying Current-Mode Control Theory - Practical Design Guide for Fixed-Frequency, Continuous Conduction-Mode Operation),' Robert Sheehan, National Semiconductor, October 2007.
2. '전압 모드, 전류 모드(및 히스테리시스 제어)(Voltage-Mode, Current-Mode (and Hysteretic Control)),' Sanjaya Maniktala, Microsemi, TN-203, 2012.
3. '스위칭 전원 공급 장치 토폴로지 전압 모드 및 전류 모드(Switching Power Supply Topology Voltage Mode vs. Current Mode),' Robert Mammano, Unitrode, DN-62, June 1994.
4. '전류 모드 컨버터의 모델링, 분석 및 보정(Modelling, Analysis and Compensation of the Current-Mode Converter),' Texas Instruments, U-97, 1999.