DC/DC 스위칭 전압 컨버터용 펄스 주파수 변조의 장점

DC/DC 스위칭 전압 컨버터의 대중성은 주로 선형 조정에 비해 광범위한 전압 입력 및 출력 전류에 걸쳐 효율적인 조정에서 기인합니다. 하지만 보다 낮은 부하에서는 컨버터 IC의 정동작 전류 자체가 시스템 손실의 중요한 요인이 됨에 따라 효율성은 감소합니다.

선도적인 전력 부품 제조업체는 낮은 부하에서 효율성을 향상시키기 위해 이제 사전 조정된 전류 임계값에서 자동적으로 대중적인 펄스 폭 변조(PWM) 방법으로부터 펄스 주파수 변조(PFM) 기술로 변이되는 다양한 '이중 모드' 스위칭 컨버터를 제공합니다.

이 기사는 PFM의 작동 방식과 그 장점 및 일부 단점을 살펴보고 어떻게 일부 실리콘 판매업체가 자신의 통합 전력 칩에 이 기술을 구현하는지 고려합니다.

PWM과 PFM 비교

PWM이 스위칭 컨버터의 출력을 조정하는 유일한 기술은 아닙니다. 고정 주파수 방형파의 듀티 사이클을 조정하여 전원 공급 장치의 출력을 조정하는 대신 고정 듀티 사이클을 이용한 다음 방형파의 주파수(PFM)를 변조하여 조정할 수도 있습니다. 고정 온타임 또는 고정 오프타임 제어를 장착한 DC/DC 전압 컨버터는 PFM 아키텍처의 일반적인 예입니다.

PFM 아키텍처의 두 번째 예는 소위 히스테리시스 전압 컨버터로서 컨버터가 감지하는 출력 전압 변화에 따라 MOSFET의 전원이 켜고 꺼지는 단순한 조정 방법을 사용합니다. 이 아키텍처는 때때로 '리플 조정기' 또는 '뱅뱅 컨트롤러'라고 불리는데 이는 출력 전압을 설정값의 바로 위아래에서 계속 왕복하기 때문입니다. 히스테리시스는 작동을 예측 가능하게 유지시키고 스위치 채터를 방지하기 위해 사용됩니다. 히스테리시스 아키텍처가 회로의 작동 조건에 따라 MOSFET에 전달하는 구동 신호를 달리하기 때문에 스위칭 주파수도 달라집니다.

PFM 아키텍처는 DC/DC 변환을 위해 보다 높은 저전력 변환 효율성, 낮은 토탈 솔루션 비용 및 제어 루프 보정 네트워크가 필요 없는 단순한 컨버터 토폴로지를 포함한 일부 장점을 제공하지만 일부 눈에 띄는 단점으로 인해 PWM 장치에 비해 대중성이 떨어집니다.

그 첫 번째는 EMI의 제어입니다. 고정 주파수 스위칭 컨버터를 위한 회로를 필터링하는 것은 광범위한 주파수에 걸쳐 작동하는 장치에 비해 설계하기가 훨씬 쉽습니다. 두 번째로, PFM 아키텍처는 출력에서 제공된 민감한 실리콘에 문제를 일으킬 수 있는 큰 전압 리플을 발생시키는 경향이 있습니다. 세 번째로, 낮은 또는 제로 주파수에서의 PFM 작동은 스위칭 컨버터의 과도 응답 시간을 증가시켜 일부 휴대용 응용 제품에서 응답이 지연되거나 고객 만족도가 저하될 수 있습니다.

그러나 모놀리식 '이중 모드' 스위칭 컨버터에 PWM 아키텍처의 장점과 PFM 장치의 장점을 결합함으로써 제조업체는 작동 범위 전체에서 높은 효율을 보이는 솔루션을 제공할 수 있습니다. PFM와 연관된 EMI 문제가 크게 해소되는데, 이는 그러한 방해의 근본 원인은 고전류 및 고전압에서의 빠른 스위칭인 반면 이중 모드 칩에서는 저전류 및 저전압 작동에서만 가변 주파수 작동이 사용되기 때문입니다.

스위칭 전압 조정기에서의 에너지 손실

스위칭 장치의 전압을 조정하는 가장 공통적인 기술은 발진기와 PWM 컨트롤러를 사용하여 통상 수백 MHz 범위 내에 있는 설정된 주파수에서 장치의 내부 MOSFET(또는 동기식 장치의 여러 MOSFET)를 토글하는 직사각형 펄스 파장을 만드는 것입니다. 주파수가 높을수록 더 작은 자기 부품을 사용할 수 있는 대신 더 큰 전자파 장해(EMI) 문제가 초래됩니다. 조정기의 출력 전압은 PWM 파형의 듀티 사이클에 비례합니다.

일반적으로 이 기술은 잘 작동하지만 낮은 부하에서는 효율성이 감소하게 됩니다. 그 이유를 알아보려면 어디서 손실, 즉 출력 부하로 전송되지 않고 전압 조정기의 입력에서 소모된 에너지가 발생하는지 살펴봐야 합니다.

스위칭 조정기에서의 손실 요인은 크게 네 가지가 있습니다. 첫 번째는 MOSFET 게이트 정전 용량을 충전 및 방전하기 위해 사용되는 에너지로부터 발생하는 동적 손실인데, 이는 트랜지스터가 고주파에서 작동할 때 가장 큽니다. 이러한 스위칭 손실은 전류가 드레인 소스 간 채널에 상당한 차동 전압 없이 흐를 때 발생합니다. 기타 MOSFET 손실은 전력 스위칭 소자의 비제로 채널 저항에 고전류를 흘릴 때 발생합니다. (이것이 전력 부품 제조업체가 자신의 제품의 ‘온스테이트 저항’을 줄이기 위해 힘겹게 노력하는 이유입니다.)

스위칭 부품과 더불어 스위칭 조정기의 회로망에 있는 수동 소자 장치에서도 비효율이 발생하기 쉽습니다. 인덕터의 경우 권선에서의 전도와 자기 코어로부터 손실이 발생합니다. 커패시터의 경우 손실은 보통 부품의 등가 직렬 저항(ESR)과 연계되어 있고 장치의 정전 용량, 작동 주파수 및 부하 전류에 의해 결정됩니다.

스위칭 조정기를 구현하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 엔지니어는 이산 부품을 사용하여 처음부터 장치를 구성하거나, Texas Instruments, Linear Technology 및 Fairchild Semiconductor 등 주요 반도체 판매업체에서 제공하는 여러 컨버터 IC 중 하나로부터 제공하는 전원 공급 장치를 기반으로 장치를 구성할 수 있습니다. 모듈의 장점은 설계 과정이 단순화된다는 것입니다. (TechZone ‘DC/DC 전압 조정기: 이산 및 모듈 설계 간 선택하는 방법’ 기사 참조)

그러나 컨버터 IC 그 자체가 스위칭 조정기의 전반적인 손실에 기여합니다. 예를 들어 증폭기, 비교기 및 레퍼런스에 내장 바이어스 전류를 제공하기 위해 일부 에너지가 필요하지만, IC의 주된 손실은 PWM 컨트롤러를 위한 내장 발진기 및 구동 회로와 연계되어 있습니다. 이러한 손실은 스위칭 조정기가 고부하에 있을 때는 상대적으로 크지 않지만, 부하가 감소할수록 스위칭 및 외장 수동 소자 장치와 연관된 손실은 줄어들고 컨버터 IC와 연관된 손실은 일정하게 유지됩니다.

이는 휴대용 제품 설계자에게는 딜레마가 됩니다. 엔지니어는 배터리 예산을 관리해야 하는 압박을 받기 때문에 효율적인 스위칭 조정기는 예를 들어 선형 조정기에 비교해 볼 때 당연한 선택으로 보입니다. (TechZone '리튬 이온 배터리 수명 연장을 위한 설계 기술' 기사 참조) 그러나 휴대용 제품은 저전력 '대기' 또는 '절전' 모드에서 상당한 기간을 소비하며, 스위칭 컨버터에 대한 수요는 크지 않고 상대적으로 비효율적으로 작동됩니다.

통상 핸드헬드 장치는 완전 작동 시 1A 정도를 소모하지만 대기 또는 절전 모드에서는 1mA 미만을 소모합니다. 컨버터 IC가 단순히 그 작동 상태를 유지하기 위해 그 자체로 수 mA를 소모할 수 있다는 점을 감안할 때, 조정기의 정동작 전류는 전체 부하의 상당한 부분에 해당하기 때문에 낮은 부하 조건에서 변환 효율성이 낮다는 것은 그리 놀랄 일이 아닙니다.

효율성 향상

주된 손실, 즉 PWM 컨트롤러를 위한 내장 발진기 및 구동 회로와 연관된 손실을 다루기 위해 설계자는 시중의 여러 이중 모드 스위칭 컨버터 중 하나를 선택하면 됩니다. 이 장치는 통상 PWM에서 작동할 때의 정상 고정 주파수보다 일반적으로 훨씬 낮은 가변 주파수를 특징으로 하는 PFM 기술과 정상 PWM 작동을 결합합니다.

이중 모드 스위칭 컨버터가 중간 또는 높은 전류에서 작동할 때 이 컨버터는 인덕터의 전류가 제로로 떨어지지 않는 연속 전도 모드에서 작동합니다. 부하 전류가 감소함에 따라 인덕터의 전류가 경부하에 의해 제로로 떨어지면 컨버터는 비연속 모드로 스위치할 수 있습니다. 매우 낮은 부하에서 컨버터는 PFM(제조업체에서 ‘전력 절전 모드’(PSM)로 부르기도 함)으로 전환됩니다. 기타 판매업체는 발진기를 전부 멈춤으로써(종종 ‘펄스 생략’으로 불림) 극단적인 가변 주파수를 작동합니다.

낮은 부하에서의 PFM 사용이 곧 스위칭 컨버터가 PFM 아키텍처를 사용한다는 것을 의미하는 것은 아니고, 필요에 따라 PFM 작동을 활용할 수 있는 PWM 아키텍처를 사용함을 의미합니다.

경부하 조건에서 스위칭 컨버터의 출력 커패시터는 스위칭 펄스 간 일정 시간 동안 출력 전압을 유지할 수 있습니다. 이상적으로는 무부하 조건에서 발진기는 완전히 꺼지고 출력 전압은 출력 커패시터의 충전 상태로 인해 일정하게 유지될 것입니다. 하지만 기생 손실은 커패시터를 드레인시키고 회로는 조정에서 정격 출력 전압을 유지하기 위해 최소한 전원 스위치의 간헐적인 펄스를 필요로 합니다.

PFM 작동 중 출력 전력은 펄스 장치의 평균 주파수에 비례하고 컨버터는 피드백 제어 루프에 의해 측정된 출력 전압이 설정된 출력 전압 아래로 떨어질 때 컨버터가 작동합니다. 그러면 컨버터의 주파수는 출력 전압이 설정된 출력 전압과 그보다 0.8%에서 1.5% 높은 전압의 통상값에 이를 때까지 증가합니다(그림 1 기술 참조).


그림 1: PFM은 고정 듀티 사이클의 직사각형 펄스 장치의 주파수를 변동시켜 부하 수요를 충족합니다.

PFM 작동의 부작용

스위칭 컨버터가 PFM 모드로 전환될 때 전압 출력 리플의 증가가 관찰되며, 이는 전원 스위치가 다시 켜져야 할 필요가 있을 때를 감지하기 위해 고정값이 아닌 허용 오차 범위를 필요로 하기 때문입니다. 더 좁은 허용 오차 범위가 사용되면 컨버터는 더 자주 스위치되어 전력 절약을 감소시킵니다. 엔지니어는 저부하 효율성과 전압 출력 리플의 증가 간 가장 좋은 균형점을 결정해야 합니다. 그림 2a 및 2b는 각각 PWM 및 PFM 모드에서 작동하는 스위칭 컨버터의 전압 리플 차이를 나타냅니다.


그림 2: PWM 모드 (a) 및 PFM 작동 (b) 시 전압 리플(Analog Devices 제공).

부하 과도 중 모든 스위칭 컨버터는 고부하-저부하 과도 중 일정 부분 오버슈트 또는 저부하-고부하 과도 중 일정 부분 언더슈트를 나타낼 것입니다. PSM에서 작동하는 컨버터의 경우 부하 레벨은 이미 낮기 때문에 다음 과도는 통상 절전에서 활성 모드로의 전환에 해당하는 저전류-고전류가 될 것입니다. 조정기 출력에서의 증가된 부하로 인해 컨버터 루프가 반응할 시간을 가질 때까지 종종 '출력 전압 처짐'이 나타날 것입니다.

일부 스위칭 컨버터는 이러한 전압 처짐을 최소화하기 위한 대비책을 포함하고 있습니다. TI의 TPS62400은 '동적 전압 변위'를 사용합니다. PSM 작동 중 출력 전압 설정값은 부하가 갑자기 높이 뛰었을 때 발생하는 순간적인 전압 처짐에 대비하기 위해 다소 증가됩니다(예: 1%). 이는 초기 부하 과도 중 출력 전압이 원하는 조정 범위 아래로 떨어지는 것을 막습니다.

일부 장치는 좋은 과도 응답(PWM 모드에서 최고)과 저전력 소비(PSM에서 최고) 간 균형을 맞추기 위해 사용될 수 있는 확장도 제공합니다. 이 확장은 완충 모드로서 엔지니어가 I²C 명령을 사용하여 PSM보다 과도 응답은 낫지만 PWM보다 효율적인 컨버터 IC에 사용할 수 있습니다. 완충 모드는 고부하로부터 매우 가벼운 부하(예: 절전 모드)에까지 이르는 시스템을 위해 좋은 옵션입니다.

상업용 칩에서의 PFM

낮은 부하에서의 PFM 작동은 IC의 정동작 전류를 수 mA에서부터 수 μA에 이르기까지 줄일 수 있습니다. 그림 3은 TPS62400 스위칭 컨버터가 PWM 모드에서 작동 시 경부하 레벨에서의 PSM 대비 전력 변환 효율을 보여줍니다.


그림 3: TI TPS62400을 위한 PSM 구현 시의 효율성 향상.

그림 3으로부터 PWM 모드는 100mA를 상회하는 좋은 효율성을 유지하지만 PSM을 사용함으로써 1mA 미만의 부하 전류에서 효율성을 80% ~ 90% 증가시킴을 확인할 수 있습니다. 이러한 경부하에서 컨버터가 PWM 모드로 작동했다면 그 작동 전류는 부하 전류에 비해 매우 높아서 좋지 않은 변환 효율성(30% 미만)을 초래할 것입니다.

Analog Devices는 여러 PSM 스위칭 컨버터를 제공합니다. 이 모드로 전환 시 PWM 조정 레벨에서 유도된 오프셋으로 인해 출력 전압은 상승하게 되고 PWM 조정 레벨보다 약 1.5% 높아지게 되면 PWM 작동은 꺼지게 되어 양 전원이 모두 꺼지고 유휴 모드로 진입합니다. 출력 커패시터는 V_OUT이 PWM 조정 전압까지 떨어질 때까지 방전될 수 있습니다. 그러면 이 장치는 인덕터를 구동하게 되어 V_OUT은 상한 임계값까지 상승합니다. 이 과정은 부하 전류가 PSM 전류 임계값 미만인 동안 반복됩니다.

이 회사의 ADP2108 전압 조정기는 PSM을 사용하여 입력 전압 2.3V 및 출력 전류 10mA에서 효율성을 40% ~ 75% 향상시킵니다. 이 칩은 최대 600 mA에서 2.3V ~ 5.5V 입력으로부터 3.3V 출력을 제공하는 3MHz 강압(‘벅’) 컨버터입니다. 그림 4는 PWM에서 PSM으로의 전환이 이루어지는 지점을 나타냅니다.


그림 4: Analog Devices의 ADP2108 PWM-PSM 전환 임계값.

기타 전력 부품 제조업체도 이중 모드 스위칭 컨버터를 제공합니다. Linear Technology는 저부하에서 효율성을 향상시키기 위해 '버스트 모드' 및 펄스 생략 작동을 갖춘 LTC3412A를 제공합니다. 이 칩은 최대 3A에서 0.8V ~ 5V 출력 범위를 제공하는 2.25V ~ 5.5V의 입력 범위에 걸쳐 작동할 수 있는 벅 컨버터입니다.

버스트 모드는 위에서 설명한 완충 PFM 기술의 예로 효율성을 향상시키면서 적절한 과도 반응을 유지합니다. 예를 들어 버스트 모드를 구현함으로써 10mA 출력 전류(V_IN 3.3V, V_OUT 2.5V)에서의 효율성은 30% ~ 90% 향상됩니다. LTC3412A는 종래의 펄스 생략 작동 모드를 포함하여 저부하에서 스위칭 손실을 추가적으로 감소시킵니다.

배터리 수명 연장

PWM 제어 스위칭 컨버터는 설계 엔지니어가 휴대용 제품의 배터리 수명을 연장할 필요가 있을 때 잘 선택됩니다. 그러나 여러 휴대용 제품은 컨버터가 가장 비효율적인 작동 지점인 저전력 절전 모드에서 많은 시간을 보낸다는 점을 유의해야 합니다. 배터리에 대한 수요는 크지 않지만 장기적으로 전류가 축적되어 배터리 수명은 줄어듭니다.

PWM 아키텍처를 사용하지만 특정 부하 임계값 아래에서 PFM 또는 기타 PSM 기술의 장점을 활용한 컨버터를 사용함으로써 설계자는 정상 작동 시 PWM의 장점을 누리면서 여러 휴대 장치가 휴면 중인 확장 기간 중에 배터리 용량을 보존할 수 있습니다.