인덕터리스 DC/DC 컨버터라고도 알려진 차지 펌프는 커패시터를 에너지 저장장치로 사용하는 특수한 종류의 스위칭 DC/DC 컨버터이다. 에너지 저장장치로 인덕터를 사용하는 ‘유도성’ 스위칭 DC/DC 컨버터에 비해 차지 펌프는 최종 사용자 애플리케이션에 효과적인 고유의 특성을 제공한다. 이 글에서는 레귤레이트 된 차지 펌프의 구조 및 동작과 인덕터 기반 DC/DC 컨버터를 비교하고자 한다.

 

 

레귤레이트 된 차지 펌프와 인덕터 기반 DC/DC 컨버터의 비교

 

 

글│아날로그 인터페이스 제품 사업부, 마이크로칩 테크놀로지

 

 

 인덕터리스 DC/DC 컨버터라고도 알려진 차지 펌프는 커패시터를 에너지 저장장치로 사용하는 특수한 종류의 스위칭 DC/DC 컨버터이다. 에너지 저장장치로 인덕터를 사용하는 ‘유도성’ 스위칭 DC/DC 컨버터에 비해 차지 펌프는 최종 사용자 애플리케이션에 효과적인 고유의 특성을 제공한다. 이 글에서는 레귤레이트 된 차지 펌프의 구조 및 동작과 인덕터 기반 DC/DC 컨버터를 비교하고자 한다.

 

 

레귤레이트 된 차지 펌프

 

 

가장 단순하고 많이 사용되는 차지 펌프 구조 중 하나는 이중 차지 펌프이다. 이중 차지 펌프 구조는 스위치 4개, 보통 ‘플라잉 커패시터’라고 부르는 에너지를 저장하고 전달하는 외부 커패시터 1개 및 흔히 ‘축전 커패시터’라고 부르는 외부 출력 커패시터 1개로 구성된다.

 그림 1은 이중 차지 펌프 구조를 보여준다. 이 구조의 동작은 충전(에너지 저장)과 방전(에너지 전달)의 두 단계로 구성된다.

 

그림 1. 레귤레이트 되지 않은 이중 차지 펌프

 

 충전 단계에서 스위치 S1/S3은 닫히고(스위치 온) S2/S4는 열린다(스위치 오프). 플라잉 커패시터 C_F는 입력 전압 V_IN까지 충전되고 에너지를 저장하며, 이렇게 저장된 에너지는 다음 방전 단계에서 전달된다. 앞의 방전 단계에서 C_F로부터 전달된 에너지로 2V_IN까지 충전된 축전 커패시터 C_R은 부하 전류를 공급한다.

 방전 단계에서 스위치 S1/S3은 열리고 스위치 S2/S4는 닫힌다. 이제 C_F는 V_IN에 의해 레벨 시프트 되며, 이미 C_F가 앞의 충전 단계에서 V_IN까지 충전되었으므로 CR을 흐르는 전체 전압은 이제 2V_IN가 된다(이런 이유로 ‘이중’ 차지 펌프라고 부른다). 다음으로 C_F는 방전되면서 충전 단계에서 저장된 에너지를 C_R로 전달하며 동시에 부하 전류를 공급한다.

 충전/방전 사이클의 주파수는 클록 주파수에 의해 결정된다. 일반적인 방법으로 높은 주파수 클록을 사용하여 커패시턴스를 낮추며, 이렇게 하면 플라잉 커패시터나 축전 커패시터의 크기를 모두 줄일 수 있다.

 그림 1의 간단한 이중 차지 펌프의 출력 전압은 입력 전압과 부하에 따라 충전되기 때문에 레귤레이트 되지 않는다. 이러한 방식의 차지 펌프는 레귤레이트 된 출력 전압을 갖는 소스를 필요로 하는 애플리케이션에는 적합하지 않다. 그러나 간단한 피드백 루프를 추가하면 이러한 문제는 간단히 해결할 수 있다. 그림 2는 흔히 ‘레귤레이트 된 차지 펌프’라고 부르는 레귤레이트 된 출력을 갖는 매우 단순한 이중 차지 펌프를 보여준다.

 

그림 2. 레귤레이트 된 차지 펌프

 

 그림 2에서 스위치 S5는 스위치 S2/S4에 대한 추가적 제어를 제공하기 위해 추가되었다. 비교기 - 비교기의 출력은 저항 분배기 R1과 R2를 통해 V_OUT의 부분 간 차동 전압에 의해 결정 - 및 매우 정확한 기준 전압이 S5의 상태를 제어한다. 보통 비교기에는 발진을 방지하기 위해 히스테리시스가 내장된다. 비교기, 저항 분배기, 기준 전압, S5 스위치가 피드백 루프를 완성한다. 피드백 루프는 방전 단계에서 스위치 S5와 S2/S4의 온/오프 상태를 제어하여 차지 펌프의 출력 전압을 레귤레이트 한다.

 방전 단계에서 V_OUT가 사전 설정된 레귤레이트 된 출력 전압보다 낮으면 비교기가 S5를 닫고, 이에 따라 S2와 S4가 닫힌다. 이것은 C_F가 C_R과 부하에 에너지를 전달하여 사전 설정된 최대 레귤레이트 된 전압까지 V_OUT를 높일 수 있게 한다. V_OUT가 사전 설정된 레귤레이트 된 전압까지 올라가면 비교기는 S5를 열고, 이에 따라 S2와 S4가 열려지고 에너지 전달이 종료된다. 이러한 방전 단계 동안 V_OUT가 사전 설정된 레귤레이트 된 전압까지 올라가지 않으면 S5, S2 및 S4는 이 단계의 끝까지 닫혀진 상태를 유지한다.

 반면 V_OUT가 사전 설정된 레귤레이트 된 전압 이상으로 상승하면 비교기가 S5를 열며, 이에 따라 S2와 S4가 열린다. 이렇게 되면 C_F로부터 C_R 및 부하로 흐르는 에너지 전달이 종료되고 V_OUT가 사전 설정된 레귤레이트 된 전압까지 내려간다. 이러한 방전 단계 동안 V_OUT가 사전 설정된 레귤레이트 된 전압까지 내려가지 않으면 S5와 S2/S4는 열려진 상태를 유지한다.

 레귤레이트 된 차지 펌프는 분배기의 저항(R1 및 R2) 값을 조정하여 접지와 2V_IN 사이의 값으로 레귤레이트 된 전압을 출력할 수 있다. 이것은 레귤레이트 된 출력 전압을 입력 전압보다 높이거나 낮출 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 이것은 벅(스텝 다운) 및 부스트(스텝 업) 레귤레이터와 같은 에너지 저장장치로 인덕터를 사용하는 가장 흔히 사용되는 DC/DC 변환 토폴로지에는 해당되지 않는다.

 

 

벅 및 부스트 컨버터

 

 최근 대부분의 인덕터 기반 DC/DC 컨버터는 클록의 주파수에 의해 제어되는 T 주기를 갖는 주기적 동작을 수행한다. 이 글에서는 분석을 단순화하기 위해 연속 전류 모드에서 동작하는 고정 주파수 인덕터 기반 DC/DC 컨버터만 살펴보기로 한다. 인덕터 기반 DC/DC 컨버터 동작은 스위치 온(닫힘)과 스위치 오프(열림)의 2단계로 이루어진다.
스위치 온 시간 t_ON은 피드백 루프에 의해 제어되고 사전 설정된 레귤레이트 된 출력 전압으로부터 발생되는 V_OUT의 편차의 크기에 의해 결정된다. 따라서 스위치 오프 시간은 T_t_ON으로 나타낼 수 있다(그림 3참조).

 

그림 3. 고정 주파수, 연속 모드, 인덕터 기반 DC/DC 컨버터 타이밍

 

 일반적으로 벅 레귤레이터의 동작은 잘 알려져 있다. 레귤레이터 된 출력 전압은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

V_OUT = V_IN (t_ON/T)                                                         방정식 (1a)

 방정식 1a는 다음 식으로도 나타낼 수 있다. 

V_OUT = V_IND                                                                  방정식 (1b)

 여기서 D는 듀티 사이클이며 t_ON/T와 같다.

 

 방정식 1a와 1b에서 듀티 사이클 D가 항상 1보다 작기 때문에 벅 컨버터의 출력 전압이 언제나 입력 전압보다 낮다는 것을 쉽게 알 수 있다. 그림 4는 벅 레귤레이터의 구조를 보여준다. 부스트 레귤레이터의 동작에 대해서도 잘 알려져 있다. 이 레귤레이트 된 출력 전압은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 

 

그림 4. 벅 컨버터

V_OUT = V_IN T/(T-t_ON)                                                방정식 (2a)

 방정식 2a는 다음 식으로도 나타낼 수 있다.

V_OUT = V_IN/(1_D)                                                     방정식 (2b)

 여기서 D는 듀티 사이클이며 t_ON/T와 같다.

 

 따라서 부스트 컨버터의 출력 전압은 1/(1_D)이 항상 1보다 크기 때문에 언제나 입력 전압보다 높다. 그림 5는 부스트 레귤레이터의 구조를 보여준다. 결과적으로 입력 전압보다 크거나 낮은 레귤레이트된 출력 전압을 필요로 하는 애플리케이션에서는 벅 레귤레이터도 부스트 레귤레이터도 모두 적합하지 않다.

 

그림 5. 부스트 컨버터

 

 

SEPIC(Single Ended Primary Inductive Converter)

 

 입력 전압보다 높거나 낮은 레귤레이트 된 전압을 출력할 수 있으면서 그 이용이 증가하고 있는 인덕터 기반 DC/DC 컨버터의 하나로 SEPIC 토폴로지가 있다.

 그림 6에서 보듯이 SEPIC 토폴로지는 벅 및 부스트 컨버터와 달리 2개의 외부 인덕터(L1 및 L2)와 2개의 외부 커패시터(C_P 및 C_OUT)로 동작한다는 점에서 고유하다. SEPIC 토폴로지의 동작도 2 단계로 이루어지지만, 이 토폴로지의 동작은 매우 복잡하며 최근에서야 이용이 증가하기 시작했기 때문에 많이 알려져 있지 않다.

 

그림 6. SEPIC 레귤레이터

 

 여기에서도 분석을 단순화하기 위해 L1 및 L2에 대해 모두 연속 전류 모드에서 동작하는 고정 주파수 SEPIC 레귤레이터만 다루기로 한다.

 SEPIC 레귤레이터의 동작을 이해하기 위해서는 먼저 스위치가 오프 상태가 되는 평형 상태로부터 시작할 필요가 있다. 이때 C_P에 흐르는 DC 전류는 없다. C_P에 흐르는 전압(왼쪽에서 오른쪽으로)은 V_IN이며, 이때 왼쪽 편은 L1을 통해 V_IN에 연결되고 오른쪽 편은 L2를 통해 접지에 연결된다. 스위치 온 단계에서 L1의 오른쪽 편은 접지로 스위치 되며 여기에 흐르는 전압이 V_IN이다. C_P의 왼쪽 편은 접지로 레벨 시프트 되며, 앞에서 설명했듯이 왼쪽에서 오른쪽으로 C_P를 흐르는 전압이 V_IN이므로 C_P의 오른쪽 전압은 _V_IN이 된다. 아래쪽은 접지되고 L2는 C_P와 병렬로 위치하며 위쪽의 전압 역시 _V_IN이 된다. 다이오드 D1은 이제 역 바이어스 되며 여기에 흐르는 전류는 없다.

 이 단계에서 L1은 V_IN에 의해 충전되며 L2는 C_P에 의해 충전된다. D1은 역 바이어스 되고 부하 전류가 C_OUT에 의해서만 공급되기 때문에 인덕터는 C_OUT를 충전하지도 부하를 공급하지도 않는다. 이와 같이 두 인덕터 전류는 모두 각각 iL1 및 iL2의 초기 값으로 스위치 온 단계부터 시작하여 iH1 및 iH2의 종료 값으로 스위치 온 단계의 끝까지 선형 방식으로 상승한다(그림 6참조).

 인덕터를 흐르는 전압과 전류 간의 관계는 다음과 같이 나타낸다.

V = L (di/dt)                                                                   방정식 (3)

 방정식 3으로부터 스위치 온 단계에서 인덕터 L1과 L2의 전압-전류 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

i_H1 - i_L1 = (V_IN - 0) t_ON/L1 = V_INt_ON/L1                             방정식 (4a)

i_H2 - i_L2 = (0 - (-V_IN)) t_ON/L2 = V_INt_ON/L2                         방정식 (4b) 

 

 스위치 오프 단계에서 L1을 흐르는 전류는 즉시 변화되지 않으므로 동일한 전류가 L1의 오른쪽 편에서 나오게 되는데, 이에 따라 L1의 오른쪽 편은 접지로부터 V_IN 위로 스윙하지 않으면 안 된다. 이것은 또한 효과적으로 C_P의 왼쪽 편을 V_IN 위로 레벨 시프트 하게하므로 전류가 C_P의 오른쪽 편에서부터 나오게 되어 D1을 순방향 바이어스로 놓이게 한다. 이것은 C_P의 오른쪽(L2의 위쪽이기도 함)에 존재하는 전압이 이제 V_OUT와 같아진다는 것을 의미한다(작은 다이오드 드롭은 무시). 이 밖에도 왼쪽에서 오른쪽으로 C_P를 흐르는 전압이 V_IN이므로 C_P와 L1 간 노드에 존재하는 전압이 이제 V_IN V_OUT라는 것을 알 수 있다.

 이제 L1과 L2에서 나오는 인덕터 전류는 부하에 전류를 공급할 뿐 아니라 C_IN를 충전한다. 두 인덕터 전류는 각각 i_H1 및 i_H2의 초기 값으로 스위치 오프 단계부터 시작하여 i_L1 및 i_L2의 종료 값으로 스위치 오프 단계의 끝까지 선형 방식으로 하강한다(그림 6참조).

 스위치 오프 단계에서 인덕터 L1과 L2의 전압-전류 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

i_L1 - i_H1 = (V_IN - (V_IN V_OUT)) (T - t_ON)/ L1 = -V_OUT (T - t_ON)/L1          방정식 (5a)

i_L2 - i_H2 = (0 - V_OUT) (T - t_ON)/L2 = -V_OUT (T - t_ON)/L2                        방정식 (5b) 

 

 방정식 4a와 5a 또는 방정식 4b와 5b로부터 V_OUT는 다음과 같이 유추할 수 있다.

V_OUT = V_IN t_ON/(T - t_ON)                                                        방정식 (6a)

 방정식 6a는 다음 식으로도 나타낼 수 있다.

V_OUT = V_IN D/(1_D)                                                               방정식 (6b)

 여기서 D는 듀티 사이클이며 D는 t_ON/T와 같다.

 

 방정식 6a와 6b로부터 SEPIC 레귤레이터의 출력 전압은 D/(1_D)를 1보다 크거나 작게 할 수 있기 때문에 입력 전압보다 높이거나 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다.

 

 

비교

 

 레귤레이트 된 차지 펌프와 SEPIC은 둘 다 입력 전압보다 높거나 낮은 레귤레이트 된 전압을 출력할 수 있다. 설계 간소화와 경제성을 요구하는 최종 사용자 애플리케이션에서는 레귤레이트 된 차지 펌프가 SEPIC 레귤레이터보다 바람직하다.

 레귤레이트 된 차지 펌프 기반 솔루션은 동작을 위한 인덕터가 필요하지 않기 때문에 SEPIC 기반 솔루션보다 더 단순하다. 따라서 레귤레이트 된 차지 펌프 솔루션은 SEPIC 레귤레이터에 비해 설계가 간단하며, 소형 풋프린트와 저렴한 가격을 제공한다.

 반면 SEPIC 레귤레이터는 모든 부하 전압과 전류 조건에서 고효율이 요구되는 경우에 적합하다. 또한 SEPIC 레귤레이터는 인덕터 기반 DC/DC 토폴로지로 레귤레이트 된 차지 펌프보다 높은 전류를 출력할 수 있다.

 

표 1. 비교

	레귤레이트된 차지 펌프	벅 컨버터	부스트 컨버터	SEPIC 레귤레이터
복잡성	낮음	중간	중간	높음
풋프린트	소형	중형	중형	대형
비용	낮음	중간	중간	높음
효율	중간	높음	높음	중간-높음
출력	낮음	높음	중간	중간-높음

 

 

결론

 

 지금까지 레귤레이트 된 차지 펌프와 벅, 부스트 및 특별히 SEPIC 레귤레이터와 같은 인덕터 기반 DC/DC 컨버터를 비교하여 보았으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

 우선 레귤레이트 된 차지 펌프 기반 솔루션은 일반적으로 설계가 간단하며 소형 풋프린트, 저렴한 가격을 제공한다. 그리고 SEPIC 레귤레이터는 많은 경우 효율이 높고, 더 높은 전류를 출력할 수 있다. 시스템 요구사항을 바탕으로 최적화된 토폴로지를 선택하는 것은 설계 엔지니어의 몫이다.