프로그래밍 가능 전력 모듈을 사용하여 DC/DC 조정기 설계 가속화

스위칭 DC-DC 전압 조정기는 전원 공급 장치에 높은 효율성을 제공합니다. 품질이 우수하고 매우 다양한 모놀리식 조정기가 출시되어 있으며, 각 조정기는 엔지니어의 고유한 설계 사양보다 광범위한 응용 분야의 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다. 또한 전원 공급 장치를 특정 응용 분야에 맞게 최적화하려면 설계를 반복하는 데 많은 시간과 비용이 듭니다.

설계자는 필요한 성능 파라미터로 전원 공급 장치 설계를 구성하여 결정되면 대량으로 선적할 수 있도록 전원 공급 장치 벤더를 연결해주는 웹 기반 인터페이스가 필요합니다.

이 기사에서는 구성 가능한 전력 모듈을 사용하는 경우의 설계 공정을 설명합니다. 특히, MPS의 평가 키트(EK)와 웹 기반 소프트웨어를 사용하여 단순 버전 또는 고급 버전의 DC-DC 컨버터 설계에 대한 설계 공정을 가속화할 수 있는 방법을 살펴봅니다.

DC-DC 컨버터 설계 시작하기

상대적으로 적은 부품을 사용하여 강압(벅) 스위칭 전압 조정기를 처음부터 완전히 설계할 수 있습니다. 예를 들어 기본 설계는 스위치 역할을 하는 트랜지스터 1개, 다이오드 1개, 인덕터 1개, 출력을 포괄하는 커패시터 1개, 입력을 포괄하는 커패시터 1개로 구성되어 있습니다. 하지만 실제 솔루션의 경우 전압 레퍼런스, 오류 증폭기, 비교기, 발진기, 스위치 구동기를 비롯하여 다양한 추가 부품이 필요할 수 있습니다. 그러나 다양한 검증되고 경제적인 고집적 모놀리식 DC-DC 전압 조정기가 출시되어 있으므로 일부 설계자는 이산 소자 부품으로 설계 단계를 줄이려고 합니다.

입력 및 출력 전압, 최대 부하 전류, 최대 전압 리플과 같은 사양 요구 사항과 효율성, 과도 응답, 주파수 응답과 같은 고급 설계에 중요한 요소를 기반으로 기성 제조업체의 조정기를 선택하는 것이 간편할 때가 있습니다. 칩 제조업체에서는 대부분의 사양을 충족하는 매우 광범위한 솔루션을 제공하지만, 모든 경우에 완벽하게 부합하는 장치를 공급할 수는 없습니다. 그러기 위해서는 설계자가 몇 가지 작업을 수행해야 합니다.

작업량은 모놀리식 솔루션의 통합 정도에 따라 다르지만, 저전류(10A 이하) 설계의 일반적인 시작점은 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러, 스위칭 소자(MOSFET 전력 트랜지스터) 및 바이패스 다이오드를 통합하는 칩이며, 설계자는 입력 및 출력 필터 회로에 필요한 외부 인덕터, 바이패스 커패시터 및 기타 수동 소자 부품을 지정할 수 있습니다.

제조업체와 기타 소스(아래 추천 자료 목록 포함)의 모놀리식 조정기를 기반으로 하는 전원 공급 장치를 설계하는 방법에 대한 많은 정보가 있지만, 여전히 이 작업은 이론적인 회로가 실제로 어떻게 작동하는지 알아본 다음 사양에 맞게 세부적으로 조정하기 위한 다양한 주기의 하드웨어 시제품 제작과 계산 과정을 포함하는 까다롭고 번거로운 공정입니다.

MPS는 많은 시간이 소요되는 이 전원 공급 장치 설계 공정에 대한 대안으로 구성 가능한 전력 모듈을 제공합니다.

구성 가능한 전력 모듈 소개

MPS mEZDPD3603A 구성 가능한 전력 모듈의 중심에는 I²C 제어 인터페이스, 다중 페이지 일회성 프로그래밍 가능(OTP) ROM 메모리 및 3A 연속 출력 전류 기능을 갖춘 고주파 동기식 정류 벅 컨버터가 있습니다. 이 컨버터는 하이사이드 및 로우사이드 전력 MOSFET, 보정 네트워크 및 피드백 분배기를 통합합니다. 출력 전압 레벨, 전압 슬루율, 스위칭 주파수, 활성화 및 절전 모드는 I²C 인터페이스를 통해 프로그래밍 가능하며, 설계자가 특정 설계에 맞게 각 출력을 최적화할 수 있습니다.

전류 모드 작동은 고속, 과도 응답을 제공하고 루프 안정화를 용이하게 합니다. 전체 보호 기능에는 저전압 차단(UVLO), 과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP) 및 과온 방지(OTP)가 포함됩니다.

mEZDPD3603A 모듈은 작업 설계에 필요한 거의 모든 주변 소자를 이 벅 컨버터에 추가합니다(그림 1).

그림 1: MPS의 mEZDPD3603A 모듈 내부 회로도 설계자는 입력(C_IN) 및 출력(C_OUT) 커패시터 값만 지정하면 됩니다. (이미지 출처: MPS)

완벽하게 작동하는 DC-DC 벅 조정기 전원 공급 장치 설계를 완료하기 위해 설계자는 입력(C_IN) 커패시터와 출력(C_OUT) 커패시터만 추가하면 됩니다. 처음부터 설계할 경우 이 커패시터 값을 계산하는 것이 간단하지 않고 출력 전압, 부하, 듀티 사이클 및 전압 리플의 영향을 받습니다(DigiKey 기술 문서 "Capacitor Selection is Key to Good Voltage Regulator Design(우수한 전압 조정기를 설계하는 데 핵심적인 커패시터 선택)" 참조). 하지만 MPS 모듈의 경우 제조업체에서 설계자를 대신하여 값을 계산합니다. 따라서 출력 전압에 따라 최종적으로 선택하면 됩니다(그림 2 및 표 1).

그림 2: MPS mEZDPD3603A 일반적인 응용 회로에서 R2는 시스템에서 여러 모듈을 식별할 수 있도록 I²C 주소를 설정하는 데 사용됩니다. (이미지 출처: MPS)

표 1: 다양한 출력 전압에 대한 그림 2의 응용 회로에 권장되는 커패시터 값이 나와 있습니다. (이미지 출처: MPS)

엄격한 전자파 장해(EMI) 규정의 적용을 받는 전원 공급 장치를 채택할 경우 입력 커패시터를 커패시터 3개와 인덕터 하나로 구성된 L-C 필터 회로로 대체할 수 있습니다. 입력 및 출력 필터 회로 설계에 대한 자세한 내용은 DigiKey 기술 자료 "낮은 EMI 스위칭 조정기를 사용하여 고효율 전력 설계 최적화"를 참조하십시오. 다시 한 번 말하지만 이러한 부품 값은 출력 전압에 따라 달라지며 제조업체에서 해당 값을 제공합니다. (그림 3 및 표 2)

그림 3: EN55022 B급 표준을 위한 EMI 필터링을 지원하는 MPS mEZDPD3603A 응용 회로 (이미지 출처: MPS)

표 2: 다양한 출력 전압에 대한 위 응용 회로에 권장되는 부품 값 (이미지 출처: MPS)

이 모듈은 0.6V ~ 12V 출력에서 4.5V ~ 36V 입력 전압 범위를 제공합니다. 전압 정확도는 ±1%이고 라인 및 부하 조정(V_IN = 24V, V_OUT = 5V)은 ±1%입니다. 최대 전류는 최대 3A이고 출력 전압 리플(V_IN = 24V, V_OUT = 5V, 최대 부하)은 30mV입니다. 표 3에서는 모듈의 성능 및 효율성 수치를 요약하여 보여주고, 그림 4에서는 다양한 효율과 부하 전류 값에 대한 V_OUT을 보여줍니다.

표 3: MPS mEZDPD3603A 성능 파라미터 (이미지 출처: MPS)

그림 4: V_IN = 24V 및 V_OUT = 3.3V, 5V 및 12V에 대한 MPS mEZDPD3603A 효율성 수치 (이미지 출처: MPS)

구성 가능한 전력 모듈 평가 키트

MPS 모듈에는 디지털 논리 회로망이 포함되어 있으므로 소프트웨어 파라미터를 변경하여 작동 성능을 수정할 수 있습니다. 모듈의 I²C 인터페이스를 통해 파라미터에 액세스한 후 장치의 RAM 설정을 조사하고 변경할 수 있습니다. 원하는 최적 설정에 도달한 경우 설정에서 OTP ROM 메모리를 영구히 저장할 수 있습니다.

MPS는 구성 가능한 전력 모듈을 통한 설계를 지원하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어 도구를 제공합니다. 기본 도구는 PKT-MEZDPD3603A 하드웨어 EK입니다. EK는 치수가 64mm x 64mm이고 입력 및 출력 커패시터(및 EMI 필터(필요 시 선택 가능))와 구성 가능한 전력 모듈을 연결하는 커넥터를 포함합니다. 모듈이 연결된 경우 원하는 입력 전압(4.5V ~ 36V 사이)을 제공하는 전원 공급 장치와 적절한 부하를 EK에 연결해야 합니다(그림 5).

그림 5: 구성 가능한 전력 모듈 평가 키트에는 모듈용 소켓이 포함되어 있으며 외부 전원 공급 장치와 부하가 필요합니다. (이미지 출처: MPS)

또한 EK를 사용하려면 MPS의 Virtual Bench V3.0 소프트웨어에서 구성하기 위해 PC에 연결해야 합니다. MPS는 이러한 용도의 USB(PC 측)-I²C(EK 측) 동글을 제공합니다. USB 케이블은 동글을 PC에 연결하고 10핀 리본 케이블은 반대쪽에서 작업을 수행합니다. EK의 I²C 인터페이스는 모듈의 I²C 핀에 직접 연결한 후 PC에서 구성할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 구성 가능한 전력 모듈 EK는 전원 공급 장치와 부하가 필요하며 USB-I²C 동글을 통해 PC에 연결해야 합니다. (이미지 출처: MPS)

전력 모듈 프로그래밍

개발자가 Windows XP, 7 이상을 실행 중인 PC에 하드웨어를 연결하고 Virtual Bench V3.0을 컴퓨터에 설치한 후 시작하면 "시뮬레이션 및 프로그램"(EK 하드웨어 대신 소프트웨어 시뮬레이터에서 실행하도록 구성 가능) 및 "직접 프로그래밍 모드"라는 두 가지 옵션이 제공됩니다. EK 하드웨어의 핵심인 모듈을 개발자가 직접 구성할 수 있으므로 여기서는 직접 프로그래밍 옵션을 중심으로 살펴보겠습니다.

Virtual Bench V3.0에서 두 가지 유형의 구성(기본 및 고급)을 사용할 수 있습니다. 기본 구성에서 개발자는 출력 전압(V), 인덕터 값(µH), 스위칭 주파수(kHz) 및 작동 모드(예: 피크 전류 모드)에 대한 기존 설정을 확인할 수 있습니다. 그런 다음 설정을 변경하고, 수정된 수치로 모듈의 RAM을 프로그래밍하고, 모듈을 켜서 변경 사항이 성능에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다.

마찬가지로 고급 탭에서 설계자는 아래와 같이 그룹화된 세부 성능 파라미터에 대한 설정을 조사하고 변경할 수 있습니다.

• 경부하 모드: 사용 가능한 모드는 고급 비동기 변조(AAM) 및 강제 연속 전류 모드(CCM)입니다. AAM은 경부하 또는 무부하 조건에서 컨버터 효율성을 최적화하고, 강제 CCM은 작은 출력 리플로 스위칭 주파수를 일정하게 유지합니다(경부하 상태의 AAM보다 비효율적임).
• 보정: 이러한 설정은 장치의 과도 응답, 정밀도 및 안정성을 결정하는 조정기의 주파수 응답을 변경합니다. 즉, 입력 전압, 부하 및 듀티 사이클의 변화에 따라 설정된 전압 출력이 유지되는 정도가 달라집니다. 올바른 보정은 폭넓은 주파수 범위에서 전원 공급 장치를 안정적으로 유지하지만 초과 보정될 경우 동적 응답 성능이 저하됩니다.
• 스위칭: 이 설정은 상승 및 하강 전압 슬루율을 조정기 스위치, 주파수 디더링 시간 및 진폭으로 변경합니다. 슬루율과 디더링은 모두 EMI를 최소화하는 데 중요합니다.
• VIN/EN 임계값: 이 설정은 입력 전압 UVLO 및 EN 작동의 임계값 제한(및 히스테리시스)을 결정합니다.
• 전력 양호: 이 설정은 "전력 양호"의 상한 및 하한 상승 임계값과 히스테리시스를 결정합니다.
• SS 시간: 소프트 스타트 설정입니다. 소프트 스타트는 출력을 켤 때 조정기에서 입력 과부하가 발생하는 것을 방지합니다.
• 보호: 이 설정을 사용하면 설계자가 피크 전류, OVP, OTP와 같은 보호 모드와 임계값을 구현할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: MPS의 Virtual Bench GUI에는 설계자의 사양을 충족하도록 성능을 최적화하기 위한 고급 구성 가능한 모듈 프로그래밍이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: MPS)

설계자가 응용 분야에 가장 적합한 설정을 선택한 경우 모듈의 내장된 RAM에 해당 정보가 기록됩니다. 그러면 개발자는 다양한 부화 조건에서 EK를 실행하여 성능을 확인할 수 있습니다. 전원 공급 장치의 성능을 최적화하기 위해 설정을 수정한 후 RAM에 다시 기록하는 것은 간단합니다.

RAM은 휘발성이므로 모듈을 끄면 설정이 손실됩니다. 다시 시작하면 모듈은 출하 시 기본 설정으로 시작됩니다. 향후에 참조할 수 있도록 전력을 차단하기 이전에 RAM의 정보를 Virtual Bench로 내보낼 수 있습니다.

최적의 설정을 확인한 후 설계자는 해당 설정을 OTP ROM에 프로그래밍할 수 있습니다. 그러면 전력을 차단해도 설정이 유지되고 다음에 모듈을 시작할 때 해당 설정이 사용됩니다. EK는 I²C 인터페이스 및 RAM을 통해 설정을 실험할 수 있지만, ROM을 처음 사용한 이후에 더 이상 설정을 저장할 수 없습니다.

결론

광범위한 우수한 모놀리식 전압 조정기가 출시되어 있지만, 특정 응용 분야에 맞게 성능을 최적화하는 주변 회로를 설계하여 테스트하기 위해 설계자가 할 일이 아직 많습니다. 모듈의 전체 하드웨어 설계를 프로그래밍 가능한 디지털 논리와 결합하여 MPS의 구성 가능한 프로그래밍 가능 모듈은 이 설계 루프를 용이하게 하고 가속화합니다.

위에서 살펴본 바와 같이 EK를 PC 기반 GUI와 결합하면 구성이 간소화되고, 설계자가 출력 전압 또는 전류와 같은 기본 설정을 지정하고 나머지 설정은 출하 시 기본값으로 유지하거나 고급 스위칭 컨버터 설계에 참여하여 EMI 및 과도 응답을 최소화하면서 안정성과 효율성을 최대화할 수 있습니다.

설계가 고정된 경우 고객이 시제품 데이터로 구성하도록 모듈을 프로그래밍되지 않은 상태로 대량으로 선적할 수 있으며, 구성 정보가 MPS에 공급된 경우 공장에서 모듈을 프로그래밍한 다음 즉시 사용 가능한 상태로 공급할 수 있습니다.

추천 자료

1. Capacitor Selection is Key to Good Voltage Regulator Design(우수한 전압 조정기를 설계하는 데 핵심적인 커패시터 선택)
2. 낮은 EMI 스위칭 조정기를 사용하여 고효율 전력 설계 최적화
3. Understanding Switching Regulator Control Loop Response(스위칭 조정기 제어 루프 응답에 대한 이해)
4. Designing Compensator Networks to Improve Switching Regulator Frequency Response(스위칭 조정기 주파수 응답을 개선하는 보정기 네트워크 설계)
5. The Difference Between Switching Regulator Continuous and Discontinuous Modes and Why It's Important(스위칭 조정기 연속 모드와 불연속 모드의 차이점과 이것이 중요한 이유)