글│앨도 노벨리(Aldo Novelli), STMicroelectronics
STMicroelectronics는 CV (Constant Voltage)와 CC(Constant Current)를 실행하기 위해 듀얼 컨트롤 루프가 필요한 배터리 충전 및 어댑터를 위해 특별히 설계된 2차 제어 IC 제품들을 확장했다. 작동은 그림 1에서 보는 것처럼 그래프 특성으로 설명될 수 있다.
새로운 2차측 디바이스는 TSM1052이며. 칩 속에 포합된 전압 레퍼런스가 0.5% 정확도로 균형을 잡게 할 수 있는 혁신적인 트리밍 기법 덕분에 정확한 전압과 전류 조절을 제공한다. 전압 레퍼런스 이외에, 이 칩은 2개의 연산 증폭기(OR-ed 개방형 드레인 출력을 갖춤)와 저측면 전류 센싱 회로도 포함하고 있다.
IC의 내부 블록 다이어그램과 일반적인 저전력 애플리케이션 회로를 보여주는 그림 2처럼, 전압 레퍼런스는 하나의 연산 증폭기(Op-Amp)와 함께 전압 제어 루프, 전류 센싱 회로 및 전류 제어 루프와 가깝게 있는 다른 연산 증폭기의 핵심이다.
2개의 루프 제어로 완성되기 위해 필요한 외장 부품은 다음과 같다.
- 전원 공급장치의 출력을 감지하고 전압 조절 셋트포인트(Setpoint)를 고정시키는 레지스터 디바이더
- 전류 센싱 회로에 DC 출력 전류에 비례하는 전압을 제공하는 센스 레지스터. 레지스터 값은 전류 조절 셋트포인트를 결정하며 전력 소비 관점에서 적절하게 평가되어야 한다.
- 최적의 보정 부품 (레지스터 및 커패시터)
이용 가능한 최소형 패키지(SOT23 -6L)에 실장된 TSM1052는 시스템 설계를 단순화하고 실질적으로 PC 보드 공간을 감소시킬 수 있어 이상적이다.
시장에 이미 출시된 유사한 다른 디바이스와 비교해 새로운 IC의 주요 장점들은 다음과 같다.
① 1.7V~18V에 이르는 폭넓은 입력 전압 범위에서 작동하는 성능 보유, 1.7V의 최소 작동 전압을 고려할 경우, 정전류 제어를 유지하는 출력 전압 범위를 확장하는 것이 가능하다.
② 매우 낮은 소비(300μA 미만). 휴대폰을 위한 일반적인 5.2V 출력 배터리 충전기에서 TSM1052는 1.5mW보다 더 적게 소비하며, 국제적인 에너지 절약 조건을 충족시킨다.
전압 제어
전압 제어 루프는 첫 번째 트랜스컨덕턴스 연산 증폭기를 통해 제어된다. 이것은 출력 포지티브 라인과 2차 접지 레퍼런스에 연결된 외장형 레지스터 디바이더(R1 R2)를 통해 출력 전압을 읽고, 출력 싱킹 포토트랜지스터의 전류에 연결된 옵토커플러를 구동시킨다. 전압 제어 상태에서, 다른 연산 증폭기는 완전히 균형을 잃으며 출력 단계는 개방된다. 부하가 정전류 조절 값보다 더 낮은 전류를 소비한다면 이 장치가 공급하게 될 명목상 레귤레이트된 출력 전압은 다음과 같이 주어진다.
Vout는 R2/R1 비율에 의해 고정된다. R1과 R2에 의해 나타나는 더미 부하(Dummy Load)를 최소화하고, 배터리 충전기의 경우, 충전기가 플러그에 꽂혀 있지 않을 때 배터리 방전을 막기 위해, 각각의 값들은 매우 커야 한다. 100kΩ 혹은 그 이상의 전체 값은 적절할 것이다. 더욱 더 높은 값은 전압 셋 포인트에서 도입되는 상당한 오류 없이도 가능하다. 그 이유는 입력 바이어스 전류가 100분의 nA 범위에 있기 때문이다.
전류 제어
전류 제어 루프는 2차 트랜스컨덕턴스 연산 증폭기와 동일한 옵토커플러를 통해 제어된다. 이 증폭기가 제어될 때, 다른 것은 전체적으로 균형이 맞지 않게 되어 출력 단계는 개방된다.
센스 레지스터는 (-) 출력 라인에 연속으로 위치된다. Vsense 임계값은 전압 레퍼런스 VrefCV 에 결합된 레지스터 디바이더에 의해 내부적으로 얻게 된다. 디바이더의 중간 지점은 연산 증폭기의 (+) 입력에 결합되며 이것의 최하위 부분은 외장형 센스 레지스터의 중요한 끝 부분에 연결된다. 디바이더의 레지스터는 2% Vsense 정확도를 제공하기 위해 결합된다.
부하가 더 큰 전류를 끌어오기 위해 결합된다면 이 장치가 제공할 명목상 레귤레이트된 출력 전류 Iout는 다음과 같다.
외장형 레지스터 Rsense는 총 부하 작동 기간 동안 최대 소비 제한 Pdmax을 위해 정격 되어야 한다.
Vsense(=0.2V)의 값을 고려하면, 소비는 출력 전류의 A당 0.2W가 될 것이다. 효율성 목적과 열 소비 성능을 지속적으로 갖춘, 이 값은 고전력 애플리케이션에서 TSM1052의 사용에 실질적인 제한을 둘 것이다.
공급 부분은 2.5V 레귤레이터를 위해 전압 레퍼런스로 사용되는 밴드갭(Bandgap) 구조를 위한 바이어스 회로를 포함한다. 이것은 정전압 연산 증폭기에 적합한 모든 내부 회로와 레퍼런스를 공급한다. 새로운 트리밍 기법을 사용한 밴드갭은 0.5% 정확도로 트림될 수 있다.
바이어스 회로의 특별한 특징은 매우 낮은 전류 소비(150uA)로 1.7V~ 18V에 이르는 보장된 전압 작동 범위를 가능하게 한다.
정전류 연산 증폭기의 레퍼런스를 위한 레지스터 디바이더는 정확도를 맞추는 최상의 기법을 고려할 수 있도록 설계되었으며, 또한 확산형의 높은 저항 pBody 레지스터는 밴드갭 구조에서 낮은 전류 소비(10uA)를 가능하게 한다.
2가지 모두의 연산 증폭기에 대한 주요 특징은 매우 낮은 입력 오프셋의 차동화 입력 단계, 200mV와 트랜스컨덕턴스의 3.5S(싱킹 전류)의 저전압 포화상태를 보장하는 고전압 20V LDMOS를 실현시킨 출력 단계이다.
결론
TSM1052는 정전압과 전류 조절을 실행하기 위해 듀얼 제어 루프를 필요로 하는 SMPS 애플리케이션용 고집적 솔루션이다. TSM1052는 제한된 칩 크기에서 뛰어난 성능을 실현시키는 BCD6 축소 기술로 제조된다. 이 디바이스는 SOT23-6L 패키지로 공급된다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 10월호>