새로운 제어 모드인 ERM(에뮬레이션된 리플 모드)은 전력 설계를 간소화할 수 있도록 Simple Switcher 스텝 다운 레귤레이터 제품 계열에 새롭게 추가된 기능이다. 이 모드를 통해 설계자가 설계 안정성 문제나 제어 루프의 보상 방법, 낮은 출력 리플 전압을 구현하는 문제에 대해 염려할 필요가 없어질 것으로 기대된다.
ERM - 사용이 편리한 스텝 다운 변환
글│Frederik Dostal(프레데릭 도스탈)
, 애플리케이션 엔지니어
, 내셔널 세미컨덕터
약 20년 전 사용하기 편리한 통합 스위칭 레귤레이터가 출시됨으로써 전력 관리 부문에는 급격한 변화가 일어났다. 이후 많은 애플리케이션에서는 리니어 레귤레이터가 전압 공급장치로 사용되거나, 보다 많은 전문 기술을 요하는 복잡한 스위치 모든 전력 공급장치가 사용되기 시작하였다.
현재 내셔널 세미컨덕터에서 야심차게 선보인 Simple Switcher 제품 군과 같은 단순 DC-DC 레귤레이터는 높은 인기와 함께 수많은 애플케이션에서 널리 사용되고 있다.
Simple Switcher 전력 공급장치의 루프 안정성은 출력단의 인덕터와 커패시터 선택의 자유를 제한하는 고정된 내부 보상을 통해서, 또는 설계자가 보다 자유롭게 전력 단계 구성 부품을 선택할 수 있도록 더 많은 유연성을 제공하는 외부 보상을 통해 구현된다. 후자의 경우 설계 과정에서 더 많은 문제가 발생하게 된다.
새로운 제어 모드인 ERM(에뮬레이션된 리플 모드)은 전력 설계를 간소화할 수 있도록 Simple Switcher 스텝 다운 레귤레이터 제품 계열에 새롭게 추가된 기능이다. 이 모드를 통해 설계자가 설계 안정성 문제나 제어 루프의 보상 방법, 낮은 출력 리플 전압을 구현하는 문제에 대해 염려할 필요가 없어질 것으로 기대된다.
히스테리시스 모드 컨버터 개선 방법
전압 모드 제어와 전류 모드 제어 아키텍처에 비해 히스테리시스 모드 제어 방식에서는 보상을 위한 부품을 사용할 필요가 없다. 사실, 정의상으로는 히스테리시스 모드 컨버터의 제어 루프는 불안정한 상태라고 말할 수 있다.
그러한 레귤레이터에서 출력 전압은 2개의 히스테리시스 임계값 내에서 유지된다. 출력 전압이 하한값 미만으로 떨어지면 스위치의 새로운 온-사이클(on-cycle)이 시작되고, 히스테리시스 비교기의 상한값에 도달하면 사이클이 종료된다. 이러한 제어 유형의 작동 방식은 매우 간단하다.
오실레이터나 제어 루프 관리가 전혀 필요하지 않다. 그러나 이러한 설계에는 한 가지 단점이 있다. 즉, 올바른 동작을 위해서는 약간의 피드백 전압 리플이 반드시 수반되어야 한다.
세라믹 커패시터와 같이 ESR(Equivalent Series Resis-tance)이 매우 낮은 커패시터에서 출력 전압이 필터링된 경우 출력 리플 역시 매우 낮아져, 히스테리시스 임계값에 정확히 도달하지 않게 된다.
실제로 ESR이 매우 낮은 커패시터의 경우 스위칭 노드 사이클의 실제 온/오프타임에 따라 위상 변동이 일어나는 전압 리플을 관찰할 수 있다. 히스테리시스 모드 제어에서는 피드백 전압이 온타임 시 증가하고 오프타임 중에는 감소해야 한다.
이러한 조건이 구현된 경우에 한해 히스테리시스 비교기에서 다음 사이클을 위한 올바른 명령 신호를 확보할 수 있다. ESR이 매우 낮은 출력 커패시터는 출력 리플 전압을 감소시키고 히스테리시스 비교기에 필요한 리플 전압을 저해한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ERM 제어 방식이 도입된 것이다.
ERM 제어
ERM 컨버터는 오프타임 동안 인덕터 전류를 감지하여 해당 리플의 일부를 AC 전압 형태로 에러 증폭기(Error Ampli-fier)의 입력 전압에 전달한다.
이 AC 리플 요소는 히스테리시스 모드 제어 시 온/오프타임 생성에 필요한 올바른 위상을 제공한다. 히스테리시스 비교기 입력 중 AC 파트는 컨버터의 실제 출력 전압이 아닌 히스테리시스 비교기에서 필요한 위치에서만 확인할 수 있다.
이러한 특성으로 히스테리시스 모드 설계에서 ESR이 매우 낮은 세라믹 출력 커패시터 사용이 가능하다. 내셔널 세미컨덕터의 LM3100, LM3102 및 LM3103 Simple Switcher 레귤레이터는 이 기능을 처음으로 지원하는 제품이다.
그림 1은 스텝 다운 레귤레이터 회로에서 ERM을 설정하는 방법을 보여주고 있다. 여기서 다이오드 노드와 에러증폭기의 레퍼런스 전압 사이에 커패시터를 배치하면 ERM이 구현된다.
그림 1. ERM을 사용한 스텝 다운 히스테리시스 레귤레이터
출력 전압 리플 측정 방법
낮은 출력 전압 리플을 위해 전력 공급장치를 설계할 때 실제로 출력 리플 전압이 무엇인지를 이해하는 것이 무엇보다도 중요하다.
오실리스코프 프로브를 사용해서 전력 공급장치의 출력 전압을 측정하는 경우 실제로 2개의 AC 요소를 관찰할 수 있다.
일반적으로 ‘리플’로 간주되는 요소는 출력 커패시터의 ESR에 의한 출력 전압 변동량에 해당하거나 커패시턴스 자체에서 생성된 리플이며, 이 리플의 ESR 요소는 보통 커패시턴스 요소보다 더 크게 나타난다.
반면, 세라믹 출력 커패시터를 사용하는 경우 ESR 요소가 커패시턴스 요소보다 더 작다. 그림 2는 전해질 커패시터를 출력에 사용한 벅 레귤레이터의 출력 리플 전압을 나타내며, 여기서 ESR에 의한 리플은 커패시턴스에 의한 리플보다 크다.
그림 2. 높은 ESR의 출력 커패시터를 사용한 경우 출력 리플 파형
그림 3은 ESR이 매우 낮은 세라믹 출력 커패시터만 사용한 경우 회로의 출력 리플 전압을 보여준다. 여기서 리플 전압은 대부분 ESR이 아닌 커패시턴스에 의해 정의된다.
리플 파형은 그림 2의 ESR에 의한 전압 변환이 아닌 사인파에 가까운 파형이다. 두 플롯에서 모두 채널 1은 스위치 노드 전압을, 채널 2는 AC 모드에서 측정된 출력 전압에 해당한다.
그림 3. ESR이 매우 낮은 출력 커패시터를 사용한 경우 출력 리플 파형
그림 4는 정확한 측정 방법을 고려하지 않은 상태에서 얻은 임의의 측정값을 보여준다. 여기서는 스위칭 전환 중 매우 큰 전압 스파이크가 발생한다는 것을 알 수 있다. 이 스파이크는 실제 리플 진폭을 훨씬 상회하지만 일반적으로 리플 전압으로 간주되지는 않는다. 이 예에서 스파이크의 피크 간 전압은 1볼트 이상으로 나타난다.
이러한 스파이크는 측정 설정 단계에서 대부분 포착되는 노이즈 스파이크로, 주파수가 매우 높고 전력 FET의 전환 과정 중에 생성된다. 전체 전력 공급장치 보드에는 스위칭 전환 시 불과 몇 나노초만에 설계 스위칭의 전체 출력 전류에서 제로(0) 전류까지의 대규모 di/dt 트레이스가 나타난다.
그림 4. 측정 중 포착된 스위칭 노이즈가 포함된 출력 리플 전압 플롯
그림 5는 출력 전압에 오실리스코프 프로브 팁을 고정하고 보드의 접지 연결부에 5인치 길이의 고임피던스 접지 와이어를 연결한 상태에서 LM3102 평가 보드에서 수행한 측정법을 보여준다. 상대적으로 긴 접지 와이어는 안테나와 같이 작동하여 보드의 di/dt 노이즈를 포착한다.
그림 5. 긴 프로브 접지 연결을 사용한 임의 측정 설정 방법
이 긴 접지 연결 안테나를 제거하고 오실리스코프 프로브 팁의 접지 주위를 버스 와이어로 감싸 출력 전압에 매우 근접한 접지부에 연결해서 동일한 측정을 수행하면 출력 전압 스파이크가 크게 감소하게 된다. 접지 루프를 가능한 한 작게 유지하기 위해서는 설계상에서 출력 커패시터를 가로질러 직접 측정하는 것이 좋다.
그림 6은 오실리스코프 프로브 접지 연결부를 팽팽하게 한 상태에서의 측정법을 보여주고 있으며, 이 경우 측정시 대부분의 스위칭 노이즈가 무시된다. 그림 2 및 그림 3에서는 이와 같은 측정 방식이 사용되었다.
그림 6. 매우 짧은 측정 접지 루프 연결
출력 전압 리플 플롯에서 스위칭 스파이크를 줄일 수 있는 쉬운 방법은 오실리스코프에서 대역폭 제한 기능을 설정하는 것이다. 위의 단락에서 설명한 것과 같이 측정을 수행한 후 관찰된 신호 대부분이 출력 전압에서 실제 전압 스파이크가 아닌 측정값과 관련이 있기 때문에 대역폭 제한 기능을 설정해도 무방하다는 확신을 가질 수 있었다. 그림 2 에서부터 그림 4까지의 경우 오실리스코프의 대역폭 제한 기능이 해제된 상태이다.
낮은 출력 리플 전압을 손쉽게 구현 가능
ERM을 채택하여 낮은 출력 전압 리플 히스테리시스 모드 레귤레이터를 설계하는 방식은 매우 간단하다. 왜냐하면, 설계자는 루프 보상을 고려할 필요가 없을뿐 아니라, 낮은 출력 리플 전압을 위하여 세라믹 커패시터를 출력에 사용해도 무방하기 때문이다.
AC 출력 전압을 고려할 때 리플과 노이즈 간의 차이를 명확하게 구분하는 것이 중요하다. 또한 결과를 해석하는 데 있어 사용된 측정 기법이 필수적이다. 첨부된 두 가지 비디오 파일에는 올바른 출력 리플 전압을 측정하는 방법과 최신 히스테리시스 모드 컨버터에서 입력 전압 변화에 따라 스위칭 주파수의 변동폭을 줄일 수 있는 방법이 소개되어 있다.