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스위칭 레귤레이터에서 전류 모드 제어가 중요한 이유



스위칭 레귤레이터에서 전류 모드 제어가 중요한 이유
 
글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 전원 관리 전문가 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 
스위칭 레귤레이터는 수천 가지 종류의 제품들이 시중에 나와 있으므로 사용자는 입력 전압 범위, 가능한 출력 전압, 최대 출력 전류 같은 사양들을 고려해서 적합한 제품을 선택할 수 있다. 이 글에서는 데이터 시트에서 흔히 거론하는 차별화 기능으로서 전류 모드(current mode) 제어에 대해 설명한다.

 
그림 1: 전류 모드 레귤레이터의 기본적인 동작 원리

 

전류 모드 레귤레이터

그림 1은 전류 모드 레귤레이터의 기본적인 동작 원리를 보여준다. 이 그림을 보면, 피드백 전압을 내부 전압 레퍼런스와 비교할 뿐만 아니라 톱니 전압 램프와도 비교해서 전원 스위치에 필요한 PWM 신호를 생성한다. 전압 모드 레귤레이터는 이 램프의 기울기가 고정적인 데 반해, 전류 모드 레귤레이터는 이 기울기가 인덕터 전류에 따라서 결정되며, 그림 1에서 스위칭 노드에서 전류 측정에 의해서 생성된다. 이것이 전류 모드 레귤레이터가 전압 모드 레귤레이터와 다른 점이다.
전류 모드 레귤레이터의 장점은 다양하다. 첫 번째 장점은, 인덕터 전류가 입력 전압(그림 1에서 VIN)이 변화되는 것에 따라서 즉시 적응한다는 것이다. 그러므로 출력 전압(그림 1에서 VOUT)이 입력 전압의 변화를 따라가기 전에 벌써 입력 전압이 변화되었다는 정보를 제어 루프로 곧바로 알려줄 수 있다.
전류 모드 제어의 장점이 확실하기 때문에 현재 출시된 대부분의 스위칭 레귤레이터 IC가 이러한 전류 모드 제어 원리를 적용하고 있다.

그림 2: 보드 플롯을 보면 전류 모드 제어를 통해서 제어 루프 보상을 간소화할 있다는 것을 있다. 전원 스테이지에 하나의 극점만을 생성한다.
 
또 다른 중요한 장점은 제어 루프 보상을 간소화한다는 것이다. 전압 모드 레귤레이터의 보드 플롯은 이중 극점을 나타내는데, 전류 모드 레귤레이터는 전원 스테이지에 하나의 극점만을 생성한다. 따라서 위상 편이가 이중 극점일 때의 180°가 아니라 90°이다. 그러므로 전류 모드 레귤레이터는 훨씬 더 수월하게 보상이 가능하며, 이는 안정화로 이어진다. 그림 2는 통상적인 전류 모드 레귤레이터의 전원 스테이지 전달 함수를 보여준다.
 

그림 3: 스위치 노드 전압:– 전류 모드 레귤레이터를 사용할 때의 부고조파 발진
 
하지만 위에서 언급한 장점들과 함께, 몇 가지 단점 또한 갖고 있다. 전류 모드 레귤레이터는 스위칭 전이 후에 필요한 전류 측정을 즉각적으로 수행하지 못한다. 이 시점에서 측정에 잡음이 강하게 결합되기 때문이다. 스위칭으로 인해서 발생된 잡음이 가라앉기까지 몇 나노초(ns)가 걸린다. 이를 ‘블랭킹 시간(blanking time)’이라고 한다. 이 때문에 전압 모드 레귤레이터에 비해서 최소 온 시간(minimum on-time) 사양이 약간 더 길어진다.
전류 모드 레귤레이터의 또 다른 단점은 부고조파 발진이 발생할 수 있다는 것이다(그림 3). 50% 이상의 듀티 사이클이 필요하다면 전류 모드 레귤레이터가 짧은 펄스와 긴 펄스를 교대로 실행할 것이다. 이것은 많은 애플리케이션에서 불안정성으로 비쳐질 것이다. 이것을 극복하기 위해서 그림 1에서 생성된 전류 램프에 특정한 램프 보상을 추가할 수 있다. 임계 듀티 사이클을 50%보다 훨씬 높게 함으로써 높은 듀티 사이클로도 부고조파 발진이 발생하지 않도록 할 수 있다.
블랭킹 시간과 결과적인 듀티 사이클 제한으로 인한 이러한 한계점들 역시 IC 설계를 통해서 극복할 수 있다. 그러한 한 가지 방법으로서, 하측 전류 검출을 도입해서 온(on) 시간이 아니라 오프(off) 시간에 인덕터 전류를 측정하는 것을 들 수 있다.
 

맺음말

스위칭 레귤레이터의 전류 모드 제어는 거의 대부분의 애플리케이션에서 단점보다 장점이 훨씬 더 크다. 게다가 단점들 또한 다양한 회로 기법을 통해서 극복할 수 있다. 그러므로 오늘날 대부분의 스위칭 레귤레이터 IC에서 전류 모드 제어가 사용된다.
 

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 분야에서 20년 넘게 종사해 왔다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현에 있어서 풍부한 경험을 쌓았으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치를 담당했다. 2009년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 이후로 제품 라인 및 유럽 고객 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com