디지털 기술의 초기 사용자들은 전체 디지털 제어의 장점들을 바로 활용할 수 있는 하이엔드 애플리케이션 스펙트럼에서 이루어지길 기대한다. 약간의 디지털 지능으로 전원공급장치의 성능을 향상시킬 수 있는 간단한 방법들이많이 존재한다. 이러한 방법들로, 전원공급장치 설계자들은 시간과 비용은 적게 들이는 동시에 효율을 증가시킬 수 있다.
글│루치오 디 자시오(Lucio Di Jasio), 마이크로칩 애플리케이션 부문 매니저

SMPS(Switch-Mode Power Supply)는 통상 기본적인 아날로그 제어 루프를 사용해 구현된다. 최근 DSC(Digital Signal Controller)의 기술 발전은 완전한 디지털 제어의 실용적이고 경제적인 설계를 가능케 했다. 디지털 기술의 초기 사용자들은 전체 디지털 제어의 장점들을 바로 활용할 수 있는 하이엔드 애플리케이션 스펙트럼에서 이루어지길 기대한다.

그러나 기본적인 아날로그 설계를 비롯해 심지어 경제적인 초소형의 마이크로컨트롤러를 추가함으로써 실현되는 구성 가능성과 지능형과 같은 장점들은 수많은 애플리케이션에 상당한 혜택을 제공한다.

디지털 제어 채택

실제로, 전원 공급장치 시스템에서 디지털 제어 채택을 위해 적어도 온/오프 제어, 비례 제어, 구성 제어, 디지털 피드백, 혹은 풀 디지털 제어와 같은 4단계가 적용된다. 이 글은 이 중 첫 번째 단계인 온/오프 제어에 초점을 맞추고 있다. 이 단계에 중점을 맞추면, 경쟁력 있는 애플리케이션이 실현 가능하다.

예를 들어, 더 오래된 스위칭 전원 공급장치의 셧다운 입력(MOSFET 드라이버 출력을 디스에이블하기 위해 사용됨)을 간단히 토글(Toggle)함으로써, PWM (Pulse-Width-Modulation) 기법들은 전원 공급장치가 동작될 수 있는 시간의 양을 제어하기 위해 적용될 수 있으며, 0%~100%까지 동작을 천천히 증가시킨다(그림 1). 이것은 스위칭 전원 공급장치의 스타트업과 관련된 많은 양의 유입 전류를 방지 할 수 있는 유연한 󰡐소프트-스타트󰡑를 제공한다.

마이크로컨트롤러 사용하기

초소형 마이크로컨트롤러는 적어도 4개의 I/O와 애플리케이션의 요구조건을 능가하는 연산력을 갖추고 있다. 따라서 이 개념은 2개 또는 그 이상의 출력으로 곧바로 확장될 수 있다. 이것은 다중 스위칭 레귤레이터의 동시 제어가 가능하며, 출력을 규칙적인 순서로 나열시킨다.

게다가, 사용된 마이크로컨트롤러가 온-보드 비교기와 전압 레퍼런스를 제공하는 경우, 이 효율적인 과전압 록아웃을 구현하거나 동일한 속도에서 2개의 출력을 상승시키는 것을 보장하기 위해 트랙킹을 실행하기 위해 사용될 수 있다.

내부 오실레이터

전원 공급장치에 지능형 기능을 추가하는 상대적으로 간단한 방법의 또 다른 예는 마이크로컨트롤러(4MHz)의 내부 오실레이터를 사용하는 것이다. 이 오실레이터는 그림 2에서 보는 것처럼 스위칭-레귤레이터 PWM 제너레이터 회로를 위한 클럭 소스로 사용될 수 있다.

이 예에서, 클럭 신호는 마이크로컨트롤러의 클럭 출력 핀(일반적으로 4개로 나뉘어지고, 그 결과 1MHz 레퍼런스 발생)에서 직접 연결된다. 다른 방법으로 가능하다면, 마이크로컨트롤러에 탑재된 PWM 주변기기는 스위칭- 레귤레이터 PWM을 위한 소스 역할을 수행할 수 있으며, 듀티 사이클 및 주파수에서 향상된 제어를 제공한다.

마이크로컨트롤러의 내부 오실레이터는 일반적으로 온도 보정형 RC 회로이며, 이 오실레이터들은 초기 공장에서 기본적으로 교정되어 제공된다. 그러나, OSCAL(Microcontroller󰡑S Oscillator Calibration Register)을 사용하면, 사용자는 소프트웨어를 통해 오실레이터 주파수를 조정할 수 있다.

이 같은 기능은 연방통신위원회(FCC; Federal Communications Commission)와 다른 규제 기관들이 요구하는 방출 조건을 충족시키는 데 유리할 수 있다. 실제로, 고정 주파수에서 스위칭 될 때, 일반적인 SMPS 회로는 예리한 형태의 피크 에너지를 생성한다.

의사 랜덤 시퀀스

OSCCAL 셋팅을 변경시키기 위해 단순한 의사 랜덤(Pseudo-Random) 시퀀스를 사용함으로써, 전원 공급장치는 약 600KHz에서 1.2MHz까지의 주파수 범위로 퍼질 수 있다. 랜덤 넘버 제너레이터는 리니어 피드백 시프트 레지스터(Linear Feedback Shift Register)를 활용함으로써 적은 양의 코드 라인으로 쉽게 구현된다.

리니어 피드백 시프트 레지스터는 8비트 마이크로컨트롤러를 사용해 최소한의 코드를 구현하는 기법으로 잘 알려있다. 내부 오실레이터의 튜닝을 제거함으로써, 전원 공급장치의 에너지는 더욱 폭넓은 범위로 분산될 수 있으며, 각 개별 주파수에서 발산된 에너지의 크기는 그림 3에서 보는 것처럼 20dB 정도로 감소된다.

요약하면, 약간의 디지털 지능으로 전원공급장치의 성능을 향상시킬 수 있는 간단한 방법들이 많이 존재한다. 이러한 방법들로, 전원공급장치 설계자들은 시간과 비용은 적게 들이는 동시에 효율을 증가시킬 수 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 04월호>