새로운 FCIC를 이용한
초저 리플 COT레귤레이터

이 글에서는 COT 벅 레귤레이터가 안정성을 위해 요구하는 최소 ESR에 의해 임계 ESR(ESRc)을 공식화하고, 이 공식을 기반으로 하여 최소한의 출력 커패시터 ESR의 제한 없이 안정성을 확보할 수 있는 FCIC(Flywheel Current Injection Control)
라는 새로운 제어 계획을 제시한다.

                    글│Lawrence LING, Issac HSU, Gladys KOON, 내셔널 세미컨덕터

COT(CONSTANT On-Time) 레귤레이터는 그림 1에서와 같이 일반 히스테릭 컨버터의 수정 버전으로, 레퍼런스 전압에서 출력 전압이 떨어질 때마다 지정된 간격으로 메인 스위치를 켜며, 이 때 출력 전압을 조절하기 위해 오프타임이 변조된다. FOT(Fixed On-Time)를 입력 전압의 역함수로 프로그래밍함으로써 레귤레이터의 동작 주파수가 연속 전도 모드에서 거의 일관적으로 유지되며, 빠른 과도 전류 응답을 제공하고 번거로운 루프 보정이 필요하지 않으므로 COT 레귤레이터가 널리 사용된다. 기존 COT 레귤레이터의 가장 큰 제한 요소는 안정적인 전압 출력 [1], [2]을 제공하기 위해 10에서 수백 mΩ의 출력 커패시터 ESR(Equivalent Series Resistance)값을 가진  출력 커패시터가 필요하다는 점이다. 따라서 ESR 값이 작은(<10mΩ) 소형 세라믹 커패시터는 적합하지 않다. 일반적으로 필요한 최소 ESR을 예측하는 일반 법칙은 존재하지 않으므로 실험을 통해 필요값 보다 더 높은 충분한 ESR 값을 선택한다. ESR이 크면 그만큼 안정성은 확보할 수 있지만 출력 리플이 증가하고 출력 제어 및 전력 효율성이 저하되는 단점이 있다.



이 글에서는 COT 벅 레귤레이터가 안정성을 위해 요구하는 최소 ESR에 의해 임계 ESR(ESRc)을 공식화하고, 이 공식을 기반으로 하여 최소한의 출력 커패시터 ESR의 제한 없이 안정성을 확보할 수 있는 FCIC(Flywheel Current Injection Control)라는 새로운 제어 계획을 제시했다. 이를 통해 COT 벅 레귤레이터에 소형 세라믹 형태의 커패시터를 포함한 모든 형태의 커패시터를 사용할 수 있는 것 이다.

COT 레귤레이터의 경우 온타임이
고정적이며 오프타임은 출력 전압 조절을 위해 네거티브 피드백 메커니즘에 의해 변조된다. 피드백 콤패레이터는 오프타임을 종료하고 새 스위칭 주기를 트리거하는 시점을 나타낸다. 이 작업은 VO 그림 1). 그림 2는 ESR과 출력 리플 전압 사이의 관계를 보여준다. VREF에 대한 전압이 정해졌다면, VC + VESR < 0 또는 VC < -VESR일 때 새로운 스위칭 주기가 트리거된다. 두 가지 다른 ESR 범위에 서로 다른 두 가지 동작 모드가 존재한다(그림3). ESR이 너무 작은 경우 FOT(Fixed On-Time)가 경과되기 직전에 VC < -VESR이 이행될 때 서브 하모닉 오실레이션이 발생하는 동작 모드가 존재한다. 이 경우 새로운 스위칭 주기가 너무 빨리 트리거되는 문제가 있다. 출력 전압은 계속 조절할 수 있지만 스위칭 주기가 아닌 서브 하모닉에 따라 주기별로 오프타임이 변조된다. ESR이 충분히 크고 스위칭 기간 내에서 VC ≥ -VESR인 경우 서브 하모닉 오실레이션이 발생할 수 없어 레귤레이터의 안전성이 보장된다.
COT 레귤레이터 안정화를 위해 충분히 필요한 임계 ESR 값(ESRc)이 존재한다. ESR이 증가하게 되어도 레귤레이터는 안정적으로 유지되지만, 출력 리플 전압이 동시에 증가하게 되며, COT 레귤레이터 효율을 줄어들게 한다. 이전에 관찰된 바와 같이, ESRc는 toff시간이 지난 후 -VESR의 기울기가 VC의 기울기 보다 더 큰 음수가 되게 하는 최소 ESR이다.
위의 분석에서 안정성의 기준이 될 수 있는 값은 이다. ESR이 ESRc보다 큰 경우 레귤레이터는 계속 안정적이지만 VESR 증가로 인해 출력 전압 리플 또한 증가한다.
위의 방정식은 안정성을 확보하기 위한 최소 ESR을 예측하며 기존의 COT 벅 레귤레이터로 확인할 수 있다. 그림 4는 특정 ton과 COUT의 스텝 부하가 200mA인 경우 서브 하모닉 오실레이션의 발생을 막기 위해 필요한 최소 ESR을 보여준다. 측정 결과는 제안된 안정성 기준과 일치한다.



COT 벅 레귤레이터의 경우 온타임은 정해져 있으며, 오프타임만 부하 조건에 따라 변조된다. VESR은 삼각형 모양의 파형으로, 온타임에서 양(+)의 기울기로 구성되는 부분과 오프타임에서 음(-)의 기울기로  구성되는 부분으로 이루어진다. 오프타임만 변조되므로 VESR의 음의 기울기 부분에는 필수 안정성 특성이 포함된다. 현재 특허 출원 중인 FCIC(Flywheel Current Injection Control)는 이러한 가정을 토대로 고안되었다. 오프타임 동안 인덕터 전류가 동기화 스위치와 인덕터를 통해 접지에서 출력으로 이동한다. RJ가 동기화 스위치의 저항인 경우 반전된 VSEN은 오프타임 도중 VESR 부분과 동일하다는 것을 발견할 수 있다. DC 레퍼런스 전압에 VSEN을 추가하고 vO 전압의 결과를 비교함으로써 ESR의 안정적인 기능을 RJ의 기능으로 대체할 수 있다. 출력 커패시터에는 외부 ESR이 필요하지 않다. RJ는 올바르게 제어된 칩내부의 저항 이거나, 동기화 스위치의 자체 저항이 될 수 있으며, 필요한 임계 ESR보다 큰 것이 보통이다. 출력 리플 전압은 동시에 영향을 받지 않으며, 임계 ESR 분석을 기본으로 하여, 일 때 안정성을 갖게된다.
FCIC COT 벅 레귤레이터는 BCD 50V기술로 제작되며, 이 레귤레이터는 통합 스위치의 동기화 정류에 적용하여 93%의 최대 효과를 얻을 수 있다. 또한 세라믹 출력 커패시터를 사용하여 출력 리플 전압을 5mV이하로 내릴 수 있으며, 이에 대한 부하 과도 전류 응답은 그림 6에서 볼 수 있다.
본 글에서는 최소 출력 리플 전압을 유지하면서 파워 디자이너가 디자인한 COT 벅 레귤레이터에 확실한 안정성을 줄 수 있도록 하는 임계 ESR(ESRc)에 대하여 언급하였다. FCIC(Flywheel Current Injection Control)는 기존 COT 벅 레귤레이터의 진보된 형태로 개발된 기술로, COT 레귤레이터의 안정성을 위하여 ESR 제한 요소를 제거함으로써 세라믹 출력 커패시터 사용을 가능하게 하며 출력 리플 전압을 최소화해 준다. 이러한 방법은 단순한 COT 벅 레귤레이터를 더욱 단순하게 만들 수 있게 도와준다.


















<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 04월호>