아날로그 제어의 한계를 뛰어넘는
디지털 루프 제어로 SMPS의 과도 응답 개선
디지털 제어는 전력 시스템의 제어 성능을 향상시킬 것으로 기대되며 고성능, 저비용, 신속한 시장 출시를 가능하게 한다. 또한 모든 시스템 조건에 적합하도록 변경할 수 있으며, 제 때에 순간적으로 전원 공급장치 성능을 최적화 시킨다. 그 결과 아날로그에서 도달할 수 없었던 수준의 시스템 성능을 발휘한다.
글│키스 코피(Keith Coffey), 실리콘 래버러토리스
최근 전자 제품은 점점 더 많은 전력을 소비하는 새로운 기능들을 통합하고 있다. 전자 제품들은 전원 전압에 점점 더 민감해지고 있으며, 이 때문에 최신 저전압 반도체 기술이 이러한 전자 제품에서 사용되고 있다. 이것은 전원 설계자들이 출력 전압 사양을 준수해야 한다는 것을 의미한다.
출력 전압 사양은 새로운 제품 종류에서 더욱 엄격하게 다루어지고 있다. 전원 공급장치 설계자들은 완성 시스템의 판매 가격을 낮추기 위해 시스템 폼 팩터(예: 열 분산 문제)를 줄여야 하고 증가되는 출력 과도 요구조건과 같은 커다란 설계 문제도 해결해야 한다. 이러한 추세는 솔루션들이 기존의 아날로그 제어 접근방식을 뛰어 넘을 경우에 두드러진다.
아날로그 제어 vs 디지털 제어
일반 아날로그 제어는 비교기, 오류 증폭기, 아날로그 변조기와 같은 부품을 사용해 전원의 출력 전압을 조절한다. 이처럼 익숙하게 보이는 회로 구성은 지난 몇 십 년 동안 사용되어 왔으며 "신뢰성이 증명된" 솔루션이다. 그러나, 이러한 아키텍처는 다음과 같은 한계가 있다.
- 아날로그 제어 회로는 수많은 부품을 사용하며 그 결과 풋프린트가 크다.
- 아날로그 제어의 제어 반응 특징은 디스크리트 부품 값을 통해 고정된다. 따라서 이것은 주어진 라인 혹은 부하 지점에서 제어 반응을 최적화할 수 없다.
- 아날로그 부품 값은 수명, 온도 및 기타 환경적 조건에 따라 변동하며, 이와는 반대로 시스템 신뢰성과 반응에 영향을 미친다.
- 아날로그 기반의 시스템은 테스트하기가 매우 어려우며, 수정하는 것은 더욱 더 어렵다.
디지털 제어형 SMPS(Switch Mode Power Supplies)는 유연성 덕분에 아날로그 대안으로 선택할 수 있으며, 상당한 향상성을 제공한다. 아날로그 제어와 유사한 디지털 제어는 폐쇄형 피드백 제어 이론을 이용해 전원의 출력 전압을 조절한다.
그러나, 아날로그 전원과 다르게 디지털 제어형 전원은 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 사용해 아날로그 파라미터(입력 및 출력 전압, 전류 등)를 디지털 영역으로 변환시키며, 그 다음에 필요에 따라 디지털 영역에서 이러한 파라미터를 처리한다. 그림 1에서 보여준 것처럼, 출력 전압은 바로 디지털화 되며, 그 결과는 디지털 컨트롤러로 전송된다. 디지털 컨트롤러는 이 정보를 사용해 업데이트된 제어 출력을 계산한다.
디지털 영역에서 제어 계산은 아날로그 컨트롤러에 비해 다양한 장점을 제공한다.
- 디지털 알고리즘 특성은 더욱 복잡한 제어 알고리즘을 실현시킨다. 예를 들어, 제어 반응 특성은 실시간으로 변경될 수 있어 모든 주어진 라인이나 부하 지점에서 전원 작동을 최적화 시킨다.
- 디지털 전원 공급장치는 완전히 프로그램가능하며 따라서 쉽게 수정된다.
- 외장형 임계값-설정과 타이밍 부품이 필요 없으며, 비용 및 보드 공간을 줄일 수 있다. 제조법 변동, 온도 변화, 수동 디스크리트 부품과 관련된 부품 허용오차(Tolerance)들 또한 고려되지 않는다.
- 저가형의 확장된 최종 시장 및 더 높은 사용자 IP 컨텐츠를 포함해 경제적 장점이 현실화된다.
- 하드웨어 플랫폼은 재사용될 수 있으며, 시장 출시 기간을 앞당기고 개발 비용 및 위험을 낮출 수 있다. 펌웨어 버전으로 차별화된 최종 시스템을 갖춘 하나의 하드웨어 플랫폼을 이용해 전원장치를 설계할 수 있다는 것을 상상해 보자. 이 유연성은 시장 출시 기간을 가속화하고 재고품을 감소시킨다. 그 이유는 다른 전원 변수가 펌웨어를 단순하게 변화시킴으로써 구현될 수 있기 때문이다.
위에서 언급했듯이, 디지털 제어는 모든 시스템 조건에 적합하도록 변경할 수 있으며, 제 때에 순간적으로 전원 공급장치 성능을 최적화 시킨다. 그 결과 아날로그에서 도달할 수 없었던 수준의 시스템 성능을 발휘한다. 예를 들면, 디지털 제어는 자전거를 탄 사람의 성과와 코스를 최적화할 수 있는 속도가 10인 자전거와 같으며, 반면에 아날로그 솔루션은 유연성이 없는 속도 1인 자전거와 유사하다.
최신 전원장치는 연결성(Connecti-vity)도 필요하다. 따라서 전원 공급장치는 시스템에서 작동 조건을 변경할 수 있으며 정보를 이용해 PMBusTM 표준에 따라 작동을 사전에 최적화 시킬 수 있다. PMBus는 전력 시스템의 디지털 제어를 위한 최초의 완벽한 개방형 통신 표준이다. 일부 아날로그 제어형의 전원장치는 마이크로프로세서를 사용해 이러한 연결성의 요구를 제공하고 있다. 대부분의 완벽한 디지털 컨트롤러는 표준 기능으로 PMBus를 지원한다.
디지털 비선형 제어를 통한
과도응답 개선
부하 요구조건을 수용하기 위해 더욱 더 정교한 전원 공급장치 제어 기법이 구현될 필요가 있다. 비선형 제어는 디지털 제어의 수많은 이점 중의 하나이다. 비선형 제어를 통해 시스템은 루프 보상 파라미터를 피드백 루프 온더플라이(Feedback Loop On-The-Fly)에서 변경할 수 있다. 그 결과 출력 전류 과도 상태에 대한 더욱 빠른 응답을 얻을 수 있다.
디지털 제어를 위해 2가지의 가장 쉽게 이용할 수 있는 솔루션은 디지털 신호 처리기(DSP)와 하드웨어 기반형 솔루션이다. 하드웨어 기반형 솔루션은 고속 응답을 제공하지만 유연성이 결여되어 있다.
일반적으로, DSP 기반형 솔루션은 가격, 루프 업데이트 속도, 학습 곡선의 희생을 치르면서도 유연성을 제공한다. 실리콘 래버러토리스의 Si8250은 전용 DSP 기반형 제어 루프 프로세서가 플래시 기반형 시스템 관리 프로세서에 결합된 제품이다.
이 아키텍처는 초고속 제어 반응을 위해 제어 루프가 사용자 소프트웨어 크기 및 복잡도에 관계없이 10MHz에서 업데이트 되는 것을 보장한다. 사용자 소프트웨어는 루프 게인, 보상, 신속한 타이밍의 모든 제어 파라미터를 변경할 수 있으며, 시스템이 로딩 및 언로딩 과도상태와 같은 작동 조건을 변화시키는데 빠르고 지능적으로 조절할 수 있게 한다.
그림 2는 Si8250로 제어된 시스템에서 과도 응답을 개선하기 위해 비선형 제어를 이용한 장점을 보여주고 있다. 루프 필터 반응을 변경시킴으로써, 컨트롤러는 101mV~73mV까지 최대 전압 편차를 향상시킨다. 이것은 대략 30%의 향상을 의미한다. 이 디바이스는 64ms에서 15ms까지 복구 시간도 향상시킨다. 이것은 4배가 향상된 것이다. 디지털 제어가 아날로그에 비해 상당한 장점을 제공하는 것은 분명하다. 최대 유연성과 성능을 가진 디지털 전원 공급장치 컨트롤러를 선택하는 작업은 효율적인 시스템을 설계하는 열쇠이다.
디지털 제어는 전력 시스템의 제어 성능을 향상시킬 것으로 기대되며 고성능, 저비용, 신속한 시장 출시를 가능하게 한다. 실리콘 래버러토리스의 Si8250은 충전을 소형의 높은 유연성을 갖춘 제어 솔루션으로 이끌어 아날로그 제어 소매 가격에서 디지털 제어의 기능을 실현시킨다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 08월호>