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2020.12.09 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 평가 : 로드 레귤레이션

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

「스위칭 레귤레이터 평가」의 두번째 항목으로, 「로드 레귤레이션」의 개념, 측정 및 평가 방법에 대해 설명하겠습니다.

・로드 레귤레이션의 개념

로드 레귤레이션은, 전원을 비롯하여 전원 IC에도 파라미터로서 존재하는 항목입니다. 부하 전류 (출력전류)의 변동에 대해 전원의 출력전압이 어느 정도 변동하는지를 의미하며, %와 같은 비율이나 10mV와 같은 실제의 변동치로 나타냅니다. 이상적으로 생각하면, 전원 출력전압이 안정화되어 있으므로, 부하 전류가 변동해도 전압은 일정하게 유지됩니다. 그러나, 출력 임피던스 및 라인 (배선) 저항이 존재하는 이상, 반드시 변화가 발생하게 됩니다.

로드 레귤레이션의 경우, 전원의 출력 단자에서 측정하는 것과, 전원 출력에 접속하는 부하 즉 전력을 공급받는 IC와 같은 전원 단자에서 측정하는 것과는 개념이 달라집니다. 전원의 출력 단자에서 측정하는 로드 레귤레이션은 해당 전원 자체의 로드 레귤레이션으로, 전원 특성이라고 할 수 있습니다. 한편, 부하 디바이스의 전원 단자에서 측정하는 로드 레귤레이션은 전원 특성에, 전원 출력 단자에서 부하 전원 단자까지의 라인 저항으로 인한 전압 강하가 더해진 것입니다.

15D_graf

상기 그림과 같이, 부하 디바이스의 전원 단자에서의 전압은 단순히 옴의 법칙에 입각한 것입니다. 예를 들어, 라인 저항이 0.1Ω인 경우, 1A의 부하 전류가 입력되면 라인 저항분의 전압 강하는 0.1V가 되어, 통상적인 5V / 3.3V 전원에서 요구되는 5% 정밀도인 경우에는 문제가 없지만, FPGA 등 1V대의 저전압 전원으로 2%의 높은 정밀도가 요구되는 경우에는 NG입니다. 또한, 전류가 증가하면 5V / 3.3V인 경우에도 NG가 됩니다. 따라서, 로드 레귤레이션 체크 시에는 부하 디바이스의 전원 단자 전압이 요구 정밀도를 만족하는지의 여부를 확인하는 것이 중요합니다.

이러한 경우, 라인 저항을 작게 하는 방법을 떠올릴 수 있습니다. 그러나, 라인 저항을 작게 할 수는 있어도, zero가 될 수는 없습니다. 즉, 라인 저항으로 인한 전압 강하는 원칙적으로 발생하게 되어, 부하 전류가 증가하면 계산대로 NG 상태가 됩니다. 그러나, 이를 회피하기 위해 「리모트 센스 (Remote Sense)」라는 방법을 사용할 수 있습니다.

안정화 전원은, 출력전압을 귀환 루프 제어함으로써 부하 전류가 변동하더라도 출력전압을 일정하게 유지합니다. 전원 IC의 경우에는 FB 단자, 전원 모듈에서는 센싱 단자에 출력을 피드백합니다. 여기에서 중요한 것은, 어떤 포인트의 전압을 센싱 (귀환 / 피드백)해야 하는가입니다. 하기 그림은 1.8V 출력의 전원으로, 전원 출력 단자의 전압을 센싱한 경우와, 부하 디바이스의 전원 단자를 센싱한 경우의 부하 전류에 대한 부하 디바이스 전원 단자의 전압을 나타낸 예입니다. 라인 저항은 0.1Ω입니다.

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전원 출력 단자의 전압을 센싱한 경우 (적색 화살표)에는 라인 저항이 거의 없는 조건이므로 전원 출력 단자에서는 1.8V를 유지하지만, 부하 디바이스의 전원 단자에서는 부하 전류×라인 저항분의 전압 강하가 발생합니다. 이는 문제가 발생한 것이 아니라, 원리적으로 그렇게 되는 것입니다.

부하 디바이스 전원 단자의 전압을 센싱한 경우 (청색 화살표)에는 부하 디바이스 전원 단자의 전압을 1.8V로 유지하도록 제어되므로, 부하 전류에 관계없이 설정치인 1.8V로 유지됩니다. 이러한 경우, 전원 출력 단자의 전압은 1.8V가 아니라, 1.8V+(부하 전류×라인 저항), 즉 전압 강하분이 추가된 전압치가 됩니다. 이 부하단에서의 전원 출력전압의 센싱을 리모트 센스라고 합니다. 특히, 대전류, 저전압의 조건에서는 리모트 센스가 필요합니다.

・로드 레귤레이션과 부하 과도 응답

하기 2개의 파형 그래프는, 부하 전류를 급격하게 변화시킨 경우의 출력전압 변화를 나타낸 것입니다. 여기에서 주의할 점은, 이와 같은 평가 방법으로는 로드 레귤레이션과 부하 과도 응답을 모두 평가한다는 것입니다. 본 편의 주제인 로드 레귤레이션은, 파형의 정전압 부분에 해당하는 전압치입니다. 이는 분리하여 생각해야 하며, 각각에 대한 대책도 달라집니다.

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왼쪽 파형은 리모트 센스를 사용하지 않은 경우로, 위쪽이 출력전압, 아래쪽이 출력전류입니다. 부하 전류가 거의 zero에서 순간적으로 증가하면, 대응이 어렵기 때문에 순간적으로 전압이 저하되지만 단시간안에 회복되어 일정 전압이 됩니다. 이것이 부하 과도 응답 특성입니다. 로드 레귤레이션은 일정해진 전압을 평가하며, 이 경우에는 전압 강하가 발생한 것을 알 수 있습니다. 오른쪽 파형은 리모트 센스를 사용한 경우입니다. 정전압 부분에는 차이가 거의 없습니다.

하기에 로드 레귤레이션의 평가 포인트를 정리하였습니다.

로드 레귤레이션의 평가 포인트

  • 평가 항목
    -부하 전류의 변동에 대한 출력전압의 변동 → 변동한 전압이 요구 정밀도를 만족하는가.
       ※부하 전류 변동에 대한 리플 전압의 변화, 파형의 이상 여부도 확인한다.
  • 평가 방법
    -전압계로 출력전압을 측정 → 부하 디바이스의 전원전압이 충분한지, 부하 디바이스 전원 단자의 전압을 측정한다.
    -오실로스코프로 출력전압, 파형을 관찰한다.
  • 조건 설정
    -부하 전류 : 가변 타입의 부하 장치가 필요하다.
    -온도 : 간단하게는 스폿 가열 / 냉각도 가능

키 포인트

・로드 레귤레이션은 부하 전류의 변동에 대한 출력전압의 변동 비율, 또는 전압치로 나타낸다.

・전원 회로의 출력 단자에서 측정하는 방법과, 부하 디바이스의 전원 단자에서 측정하는 방법이 있으며, 결과에는 차이가 발생한다.

・부하 디바이스 전원 단자의 전압이 변동하는 것은 바람직하지 않으므로, 리모트 센스를 사용한다.

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