다양한 반도체가 제공됨에 따라 오토모티브 애플리케이션을 위한 스텝-다운(step-down) 또는 벅 모드 컨버터 설계를 할 경우 다양한 토폴로지를 활용할 수 있게 되었다. 이 글에서는 다양한 토폴로지에 관해 보다 높은 수준의 개요를 제공하고자 한다.

스위치 모드 전원공급장치(SMPS) - 스텝-다운 컨버터 토폴로지

글│Michael Weitz, Mixed Signal Automotive, Field Application Engineer,
       텍사스 인스트루먼트 (Texas Instruments)

다양한 반도체가 제공됨에 따라 오토모티브 애플리케이션을 위한 스텝-다운(step-down) 또는 벅 모드 컨버터 설계를 할 경우 다양한 토폴로지를 활용할 수 있게 되었다(그림 1). 이 글에서는 다양한 토폴로지에 관해 보다 높은 수준의 개요를 제공하고자 한다.

그림 1. 스텝-다운 컨버터 토폴로지의 분류

외부 스위치 vs 통합 스위치

스텝-다운/벅 컨버터 솔루션은 통합 스위치 또는 외부 스위치와 함께 제공되며, 대부분의 경우 후자를 스텝-다운 또는 벅 컨트롤러라고 칭한다. 양 솔루션은 각각 장단점을 가지고 있으며, 양 사이에서 선택을 해야 하는 경우에 이러한 점들을 고려해야 한다.

내부 스위치는 상대적으로 적은 부품 수가 장점으로 저전류 애플리케이션에 적합하도록 소형화가 가능하며, 통합되어 있기 때문에 양호한 EMI 성능을 제공하는 동안 고온이나 그 외의 잠재적인 외부 영향으로부터 보호가 가능하다. 단점으로는 전류 및 온도 제한이 있다. 반면에 외부 스위치는 외부 FET의 선택으로만 제한되는 전류 처리 성능과 함께 보다 우수한 유연성을 제공한다. 외부 스위치의 단점은 보다 많은 부품이 필요하고, 잠재적인 손상들로부터 보호되어야 한다.

보다 높은 전류를 처리하기 위해서 스위치 역시 커져야 하기 때문에, 실리콘 상에서 많은 공간을 차지하여 통합을 위한 비용이 올라가고, 더 큰 패키지가 필요하게 될 것이다. 전력 소모 역시 문제가 된다. 따라서 일반적으로 5A 이상의 높은 출력 전류에 대해서 외부 스위치가 선호되는 이유를 추론할 수 있다.

동기식 정류 vs 비동기식 정류

비동기식 정류기 스텝-다운 컨버터는 하나의 스위치만을 가지며, 아래 영역 경로에 환류(free-wheeling) 다이오드를 필요로 한다. 반면 동기식 정류기 스텝-다운 컨버터는 2개의 스위치를 가지고 있으며 보조 스위치가 환류 다이오드를 대체한다(그림 2). 비동기식 정류기가 동기식 정류기보다 낮은 비용의 솔루션을 제공한다는 이점을 가지고 있지만 효율성은 상대적으로 떨어진다.

그림 2. SMPS - 비동기식 및 동기식 정류

가장 높은 효율성은 아래 영역 스위치에 병렬로 외부 쇼트키(Scho-ttky) 다이오드를 추가한 동기식 정류기 토폴로지를 통해 달성될 것이다. 아래 영역 스위치에 대해 추가된 복잡성은 쇼트키 다이오드에 비해 ON 조건에서 전압 저하 특성이 상대적으로 낮기 때문에 효율성을 증대시킨다. 양 스위치가 OFF 상태로 전환되는 부동 시간(dead time)에는 외부 쇼트키가 FET 내부 백 게이트(back gate) 다이오드보다 상대적으로 낮은 전압 저하 특성을 제공한다.

외부 보상 vs 내부 보상

일반적으로 외부 스위치를 사용하는 벅 컨트롤러는 외부 보상을 제공하기 때문에 이러한 솔루션을 최적으로 사용할 수 있는 다양한 애플리케이션이 존재한다. 외부 보상은 컨트롤 루프를 FET, 인덕터 및 출력 커패시터 등과 같은 다양한 외부 부품에 적응시킬 수 있도록 한다. 통합 스위치를 가지고 있는 컨버터의 경우, 외부 및 내부 보상 모두가 공통으로 적용된다. 통합 보상을 통해 매우 신속한 디자인-인 사이클(design-in cycle)과 PCB 상에서 매우 작은 솔루션 크기를 달성할 수 있다.

내부 보상의 장점은 출력 필터만 구성되면 되기 때문에 사용 편의성, 신속한 설계, 보다 적은 부품, 저전류 애플리케이션을 위한 보다 소형화된 솔루션 등으로 요약될 수 있다. 단점으로는 출력 필터가 내부 보상과 일치해야 하기 때문에 유연성이 상대적으로 낮다는 것이다. 하지만, 외부 보상은 보다 많은 유연성을 제공하며, 선호되는 출력 필터에 따라 적응될 수 있고, 보다 높은 전류에 대해서 상대적으로 작은 솔루션의 크기를 제공한다. 그러나 적용하기는 상대적으로 더 어렵다.

전류 모드 컨트롤 vs 전압 모드 컨트롤

그림 1에 설명한 토폴로지 내에서도 추가적으로 구분할 수 있는 요소들이 남아 있다. 예를 들어, 레귤레이션 루프의 토폴로지와 사용된 스위치의 형태를 변화시킬 수 있다.

레귤레이터 자체를 전압 또는 전류 모드로 컨트롤할 수 있다. 전압 모드 컨트롤의 경우, 출력 전압이 컨트롤 루프를 위한 주요 피드백을 제공하며, 대부분의 경우 과도전류 응답 동작을 강화하기 위해서 보조 컨트롤 루프로 입력 전압을 사용하여 피드포워드(feedforward) 보상을 구현한다. 전류 모드 컨트롤의 경우, 전류가 컨트롤 루프를 위한 주요 피드팩을 제공한다. 컨트롤 루프에 따라 이것은 입력 전류, 인덕터 전류, 출력 전류 등이 될 수 있다. 보조 컨트롤 루프는 출력 전압이다.

전류 모드 컨트롤은 신속한 피드백 루프 응답을 제공한다는 장점을 가지고 있지만, 슬로프(slope) 보상 및 전류 측정을 위한 스위칭 잡음 필터링이 필요하며, 전류 감지 션트로 인한 전력 손실이 나타난다. 전압 모드 컨트롤은 과도전류 응답을 강화하는 것이 권고되고 보다 높은 대역폭에 대해 에러 증폭을 필요로 할 수도 있지만, 슬로프 보상이 필요하지 않으며, 피드포워드 보상을 통한 신속한 피드백 루프 응답을 제공한다.

전류 및 전압 모드 컨트롤 토폴로지는 대부분의 애플리케이션에 적합하다. 많은 사례에서 전류 모드 컨트롤 토폴로지는 추가적인 전류 측정 션트 레지스터를 필요로 한다. 통합 피드포워드 보상 기능을 가진 전압 모드 컨트롤 토폴로지는 전류 루프 감지 레지스터에 대한 요구 없이 거의 동일한 피드백 루프 응답을 달성한다. 그리고 피드포워드 보상 기능은 보상 기능의 설계를 단순화시킨다. 많은 최신 개발 제품들이 전압 모드 컨트롤 토폴로지를 통해 구현되고 있다.

스위치, NMOS-FET vs PMOS-FET

현재 공통적으로 사용되는 스위치는 강화형 MOSFET이며, NMOS-FET 및 PMOS-FET 드라이버를 가진 스텝-다운/벅 컨버터 및 컨트롤러가 제공되고 있다. NMOS-FET은 일반적으로 PMOS-FET보다 다소 나은 가격을 제공하며, 디바이스 상의 드라이버 회로가 보다 복잡하다. NMOS-FET을 스위칭하기 위해서 게이트 전압이 디바이스의 입력 전압보다 높아야 한다. 부트스트랩(bootstrap) 또는 충전 펌프(charge pump) 등과 같은 기술이 통합되어야 한다. 통합은 비용을 추가하기 때문에 NMOS-FET의 초기 비용 장점이 저하된다.

애플리케이션의 예

TI의 2개의 최신 벅 컨버터 및 컨트롤러 제품군 - TPS40200 비동기식 벅 컨트롤러, TPS5410/20/30 비동기식 벅 컨버터 - 은 오토모티브 산업의 엄격한 요건에 적합하도록 개발되었고, AEC Q100 사양에 맞게 인증되었다. 인터넷(www.power.ti.com)에서 다운로드 할 수 있는 평가 모듈과 함께 제공된다.

TPS40200은 하나의 외부 PMOS-FET을 위한 통합 드라이버를 제공하여 매우 비용 효율적인 솔루션을 제공한다. 비동기식 정류기, 외부 보상, 그리고 피드포워드 보상 기능을 갖춘 전력 모드 컨트롤 기능 등을 가지고 있다. 이 토폴로지는 외부 PMOS-FET의 선택에 따라 출력 전류 성능을 조정할 수 있고, 통합 전류 제한 기능으로 외부 PMOS-FET을 과도전류 조건으로부터 보호할 수 있다. 외부 보상 기능은 인덕터와 출력 커패시터에 관해 보다 광범위한 설정에 적응할 수 있도록 한다. 이로써 추가적 비용 또는 효율성을 최적화할 수 있다.

애플리케이션 1은 TPS40200 벅 레귤레이터를 위한 설계로 3.3V에서 2A를 제공하고, 3.3V에서 90%의 효율을 달성한다(5.0V에서 94%) 오토모티브 환경에서 이 부품이 제공하는 주요 특성으로는 폭넓은 입력 전압 범위(4V~52V), 폭넓은 동작 온도 범위(TJ -40℃~ 150℃), 외부 주파수에 대해 동기화가 가능한 기능, 프로그램 가능한 단락 회로 보호 기능 등이다.

애플리케이션 1. 벅 레귤레이터, 5~50V 입력, 3.3V/2A 출력 

TPS5410/20/30 비동기식 벅 컨버터는 통합 NMOS-FET 스위치, 비동기식 정류기를 가지고 있으며 통합 보상 기능, 그리고 피드포워드 보상 기능을 가진 전압 모드 컨트롤 기능을 제공한다.

출력 필터 이외에 요구되는 외부 부품으로는 아래 영역의 경로 상에 환류 쇼트키 다이오드뿐이다. 통합 보상 기능과 통합 NMOS-FET은 TPS5410의 경우에는 최대 1A까지, TPS5420는 최대 2A까지, TPS5430는 최대 3A까지의 연속 출력 전류에 적합하도록 조정된다. 통합 보상과 적은 부품 수로 인해 이 디바이스는 매우 짧은 설계-인 사이클과 PCB 상에서 매우 작은 솔루션을 달성할 수 있도록 한다.

TPS40200과 마찬가지로 TPS5410/ 20/30는 중요한 오토모티브 환경 특성을 제공한다. 이 디바이스는 폭넓은 입력 전압 범위(5V~36V), 폭넓은 동작 온도 범위(TJ -40℃~ 150℃), 단락회로 보호 기능, 그리고 통합 보상 기능 및 전력 스위치로 인한 적은 부품 수의 특성을 가지고 있다.