Torex HiSAT-COT™ 제어 아키텍처 튜토리얼

이 기사에서는 스위치 모드 전원 공급 장치의 일반적인 피드백 제어 아키텍처 일부를 검토합니다. 또한 각 아키텍처의 장단점을 설명하고 Torex의 HiSAT-COT™ 제어 아키텍처에 대해 자세히 살펴봅니다. HiSAT-COT는 고정 주파수에서 초고속 과도 응답과 작동이 필요한 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 이러한 응용 분야에는 네트워크 및 통신 장비, 전원 공급 장치 모듈 및 기타 내장형 제품이 포함됩니다.

스위치 모드 전력 컨버터는 일반적으로 휴대용 시스템에서 배터리 수명을 최대화하기 위해 사용됩니다. 이 컨버터를 사용하여 배터리 전압을 효과적으로 강압(벅)하거나 더 높은 레벨로 승압(부스트)할 수 있습니다. 스위치 모드 전원 공급 장치는 전압 모드, 전류 모드 및 고정 온타임 피드백 제어 아키텍처에서 사용할 수 있습니다(그림 1). 출력 전압을 제어하기 위한 작동 모드에는 펄스 폭 변조(PWM) 및 펄스 주파수 변조(PFM)가 있습니다. PWM에서는 고정 스위칭 주파수에서 켜기/끄기 시간 비율을 조정하는 방식을 사용하고, PFM에서는 고정 켜기/끄기 시간 비율과 가변 주파수를 사용합니다.

그림 1: PWM DC 공급 장치는 전압 모드 또는 전류 모드이며, PFM DC 공급 장치는 고정 온타임 장치입니다. (이미지 출처: Torex)

PWM과 PFM의 차이점

PWM 컨버터는 고정 주파수 발진기를 사용하여 전력 스위치를 구동하고 입력에서 출력으로 에너지를 전달하는 DC/DC 전력 컨버터 아키텍처입니다. 사용되는 구동 신호는 주파수가 일정하고 듀티 사이클(총 스위칭 기간에 대한 FET 켜짐 시간 비율)은 다릅니다. 클록 주파수는 고정되며 듀티 사이클은 작동 조건에 따라 조절됩니다.

가변 주파수를 사용하여 DC-DC 전력 컨버터에서 전력 스위치를 구동하는 아키텍처를 PFM 또는 “펄스 주파수 변조”라고 합니다. 구동 신호의 주파수를 직접 제어하여 출력 전압을 조정할 수 있습니다. 고정 온타임 또는 고정 오프타임 제어를 지원하는 DC/DC 컨버터는 PFM 아키텍처의 일반적인 예입니다.

전압 모드 제어

그림 2는 전압 모드 제어를 지원하는 강압 전력 컨버터를 보여줍니다. 이 아키텍처에서는 단일 전압 피드백 경로를 사용합니다. 오차 전압은 PWM 비교기에 의해 램프와 비교됩니다. PWM 비교기는 하이사이드 스위치를 제어하는 PWM 신호를 생성하기 위해 제어 블록을 구동합니다.

그림 2: 전압 모드 제어를 지원하는 강압 전력 컨버터 (이미지 출처: Torex)

전압 모드 제어의 장점에는 다음이 포함됩니다.

• 유사한 전류 모드 제어에 비해 잡음에 덜 민감함
• 단일 피드백 루프를 통해 더 쉽게 분석 가능
• 광범위한 입력 전압 및 듀티 사이클에서 작동 가능

전압 모드 제어의 단점에는 다음이 포함됩니다.

• 루프 이득이 VIN에 비례함
• 복잡한 보정이 필요함
• 느린 응답 - 입력 전압 변경이 출력에서 감지됨
• 전류 제한을 별도로 수행해야 함

그림 3은 전류 모드 제어를 지원하는 강압 전력 컨버터를 보여줍니다. 이 아키텍처에서는 두 피드백 경로를 사용하여 출력 전압과 인덕터 전류를 감지합니다.

그림 3: 전류 모드 제어를 지원하는 강압 전력 컨버터 (이미지 출처: Torex)

전류 모드 제어의 장점에는 다음이 포함됩니다.

• 회선 및 부하 변화에 대한 빠른 반응
• 손쉬운 보정
• 전류 제한
• 간편한 부하 분배

전류 모드 제어의 단점에는 다음이 포함됩니다.

• 두 개의 루프로 인해 회로 분석이 더 어려움
• 전력 스테이지의 공진으로 인해 내부 제어 루프¹에서 잡음 발생 가능
• 기울기 보정 필요

그림 4는 고정 온타임(COT) 제어를 지원하는 강압 전력 컨버터를 보여줍니다. COT 제어 아키텍처에는 클록이 없으며 주파수가 변경될 수 있습니다.

그림 4: 고정 온타임 제어를 지원하는 강압 전력 컨버터 (이미지 출처: Torex)

COT 모드 제어의 장점에는 다음이 포함됩니다.

• 최소한의 외부 부품이 필요함
• 고속 과도 응답
• 보정 필요 없음
• 광범위한 부하 조건에서 우수한 효율

전류 모드 제어의 단점에는 다음이 포함됩니다.

• 주파수 변화
• 출력 리플을 억제해야 함
• 출력 잡음에 민감함
• 과전류 보호 필요

COT 아키텍처의 가장 큰 단점은 주파수가 변경되어 조정기 근처에 있는 민감한 회로에서 전자파 장해(EMI)가 발생할 수 있다는 점입니다. Torex는 독점 HiSAT-COT 제어 아키텍처를 사용하여 이 문제를 해결합니다. HiSAT-COT는 High Speed Circuit Architecture for Constant On Time(고정 온타임 고속 회로 아키텍처)의 약어입니다. 그림 5는 COT와 Torex의 HiSAT-COT 제어 아키텍처를 비교하여 보여줍니다.

그림 5: Torex의 HiSAT-COT 장치와 일반 COT 컨버터 비교 (이미지 출처: Torex)

Torex의 2세대 HiSAT-COT 제어 아키텍처는 고정 주파수 작동을 제공하며 출력 정확도를 개선합니다. 그림 6은 일반 HiSAT-COT 주파수 변화와 부하 전류 곡선을 비교하여 보여줍니다.

그림 6: Torex 1세대 및 2세대 HiSAT-COT 장치의 주파수 변화와 부하 전류 비교 (이미지 출처: Torex)

출시된 기존 DC-DC 제품에 비해 HiSAT-COT 제어 장치는 초고속 과도 응답을 생성하며(그림 7 참조) 외부 보정이 필요하지 않습니다. 부하를 인가할 경우 약 6배 향상되고, 부하 조건을 제거할 경우 약 9배 향상됩니다.

그림 7: Torex 2세대 HiSAT-COT와 표준 PWM 제어 컨버터 간 부하 과도 응답 비교 (이미지 출처: Torex)

또한 2세대 HiSAT-COT 제어 아키텍처는 DC 출력 전압의 정확도를 개선합니다. 이는 온도에 대한 +/-1% FB(주파수 대역폭) 전압 정확도를 나타낼 수 있는 탁월한 온도 보정 전압 레퍼런스 회로를 통해 실현됩니다(그림 8). 대부분의 MPU(마이크로 프로세서 장치) 부하에서 엄격한 입력 전압 허용 오차 범위가 필요하므로 낮은 전압에서 높은 전압 정확도를 유지해야 합니다.

그림 8: Torex 1세대 및 2세대 HiSAT-COT 장치의 주파수에 대한 통상 출력 전압 정확도 (이미지 출처: Torex)

Torex는 최근에 새로운 HiSAT-COT 제어 계열의 초소형 600mA 강압 DC-DC 컨버터인 XC9281/XC9282를 발표했습니다. 이 장치는 2.5V ~ 5.5V의 입력 전압에서 작동하고, 0.7V ~ 3.6V 내에서 출력 전압을 조정 가능하며, 11µA에 불과한 정동작 전류를 소비합니다. 6MHz 스위칭 주파수에서 작동하여 1.0mm x 0.5mm 크기의 0.47µH 인덕터를 사용할 수 있습니다. 0.6mm x 0.3mm 세라믹 커패시터를 입력 정전 용량(CIN)과 출력 정전 용량(CL)에 사용할 수 있습니다. 이러한 부품을 사용하여 주변 부품을 포함한 실장 영역이 6.6mm²에 불과합니다. (그림 9)

그림 9: 주변 부품을 포함한 Torex XC9281/XC9282 장치의 실장 영역 (이미지 출처: Torex)

표 1은 Torex의 2세대 HiSAT-COT 제품을 보여줍니다.

표 1: Torex의 2세대 HiSAT-COT 제품 (이미지 출처: Torex)

요약

부하 지점(POL) 전력 회로를 설계하려는 설계자는 이제 Torex 제품군을 선택할 수 있습니다. 이러한 장치는 폭넓은 작동 조건에서 효율을 개선합니다. 높은 스위칭 주파수에서 작동하고 초고속 과도 응답을 제공하는 HiSAT-COT 제품군은 인덕터와 출력 커패시터의 크기를 줄여서 전체 솔루션 크기를 축소합니다.

참고 자료

1. “Switching Power Supply Topology Voltage Mode vs. Current Mode,” Robert Mammano, Unitrode, DN-62, June 1994.