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2020.12.09 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 평가 : 부하 과도 응답의 검토, 측정 방법

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

「스위칭 레귤레이터의 평가」의 세번째 항목으로, 「부하 과도 응답의 검토, 측정 방법」에 대해 설명하겠습니다.

부하 과도 응답이란?

부하 과도 응답이란, 급격한 부하 변동에 대한 출력의 응답 특성, 즉 강하 또는 상승한 출력전압이 설정치로 되돌아올 때까지의 시간 및 파형을 뜻합니다. 로드 레귤레이션과는 달리, 명칭 그대로 과도 상태의 특성입니다. 영어로는 Transient response라고 합니다. 하기 파형도를 통해 구체적인 현상을 설명하겠습니다.

왼쪽 그래프의 파형에서는, 부하 전류 (아래쪽 파형)가 상승 시간 (tr) 1μsec라는 빠른 속도로 zero에서 상승하였습니다. 반면에 출력전압 (위쪽 파형)은 순간적으로 전압이 강하하고, 그 후 급격하게 상승하여 원래의 정상 시 전압을 조금 넘은 후, 다시 강하하여 안정 상태로 되돌아옵니다. 부하 전류가 급격하게 강하하는 경우에는 그 반대의 반응이 발생하는 것을 알 수 있습니다.

조금 더 쉽게 설명하자면, 부하 상승 시에는 급격하게 전류가 필요하게 되므로, 출력은 전류 공급이 부족하여 전압이 강하하게 됩니다. 강하한 전압을 설정치로 되돌리기 위해 출력은 몇 사이클 정도 최대 전류를 공급합니다. 그러나, 다소 공급이 과도해져 전압이 약간 상승하므로, 다음으로는 공급 전류를 낮추어 설정치에 맞추는 동작을 실행합니다. 이러한 현상은 정상적인 부하 과도 응답에 대한 내용이라고 인식하여 주십시오. 다른 요인이나 비정상적인 요소가 있는 경우에는, 이러한 현상과 더불어 또 다른 현상이 발생하게 됩니다.

이상적인 부하 과도 응답이란, 부하 전류의 변동에 대해 적은 스위칭 사이클 (짧은 시간)로 응답하고, 출력전압의 강하 (상승)를 최저한으로 억제함과 동시에, 최저한의 시간안에 회복시켜 안정시키는 것입니다. 즉 그래프의 스파이크와 같은 과도 전압이 최대한 작고 짧게 발생하는 것입니다.

중간의 그래프는 부하 전류의 상승 / 강하 시간이 10μsec, 오른쪽 그래프는 100μsec입니다. 부하 전류의 변동이 완만해지면 응답 특성이 향상되어, 출력전압의 변동이 적어지는 예입니다. 단, 실제로는 회로에서 부하 전류의 과도를 조정하는 것은 어렵습니다.

이와 같은 전원의 과도 응답 특성은, OP Amp의 주파수 특성 (위상 여유와 크로스오버 주파수)과 기본적으로 동일하다고 생각할 수 있습니다. 전원의 제어 루프의 주파수 특성이 적절하게 안정적이면, 출력전압의 과도 변동을 최소한으로 억제할 수 있습니다.

과도 응답 특성의 평가 포인트

전원의 부하 과도 응답 평가 시의 포인트를 하기와 같이 정리하였습니다.

전원의 부하 과도 응답 평가 시의 포인트

  • 대기 상태에서 Wake-up 등, 급격한 부하 전류의 변동에 대한 출력의 안정성, 응답 속도를 체크한다.
  • 주파수 응답 특성의 조정이 필요한 경우는 ITH 단자로 조정한다.
  • 관찰된 파형에서 위상 여유 및 크로스오버 주파수를 추측할 수 있지만, 주파수 특성 해석기 (FRA)를 사용하면 편리하다.
  • 정상 동작에서의 응답인지 여부와, 인덕터의 포화, 전류 제한 기능 발동 등의 비정상적 현상인지도 검토한다.
  • 필요한 응답 특성이 얻어지지 않는 경우에는 별도의 제어 방식 및 주파수, 외장 정수를 검토해야 한다.

과도 응답 특성의 평가 방법
구체적인 평가 방법에 대해 설명하겠습니다. 실험 시에는, 평가하는 전원 회로의 출력에 부하 전류를 순간적으로 전환할 수 있는 회로 또는 장치를 접속하여, 오실로스코프로 출력전압과 출력전류를 관찰합니다. 실제 기기에서의 확인 시에는, 예를 들어 CPU 등이 스탠바이 상태에서 풀 가동으로 전환되는 상태를 만들어, 동일한 방법으로 출력을 관찰합니다.

상기의 평가 포인트와 같이, 관찰 파형에서 위상 여유 및 크로스오버 주파수를 추측할 수는 있지만, 매우 번거로운 작업입니다. 최근에는 주파수 특성 해석기 (FRA)와 같은 측정기가 일반적으로 사용되어, 매우 간단하게 전원 회로의 위상 여유 및 주파수 특성을 측정할 수 있으므로, FRA의 이용은 매우 유효합니다.

실제로 실험에서 순간적으로 대전류를 ON / OFF할 수 있는 적당한 부하 장치가 없는 경우에는, 간단하게 오른쪽 사진과 같이 MOSFET를 스위치로 하는 회로를 사용할 수 있습니다. 물론 tr, tf는 확인이 필요합니다.

부하 과도 응답의 실제와 조정 예
스위칭 레귤레이터 IC에는 응답 특성을 조정하는 단자를 구비한 제품이 있으며, 이 단자를 ITH라고 호칭하는 경우가 많습니다. IC의 데이터시트에 제시되어 있는 응용 회로에서는, 해당 조건을 거의 만족하는, ITH 단자 접속용 콘덴서 및 저항의 정수와 구성이 제시되어 있습니다. 기본적으로는 이것을 스타트 라인으로 하여, 실제 작성한 회로가 요구를 만족하도록 조정하게 됩니다. 먼저, 콘덴서를 고정하고, 저항치를 변경해 나가는 것이 좋습니다.

하기는, 이번 예에서 사용하고 있는 「BD9A300MUV」에서, ITH 단자의 콘덴서 용량은 고정하고 저항치를 조정하여, 부하 과도 응답 특성이 어떻게 변화하는지를 오실로스코프의 파형과 FRA의 주파수 특성 해석 그래프로 나타낸 것입니다.

① R3=9.1kΩ, C6=2700pF (권장 정수에서 거의 적정한 응답과 주파수 특성)

② R3=3kΩ, C6=2700pF
16D_graf05

※R3의 저항치를 낮춤으로써 대역이 좁아져, 부하 응답이 악화된다.
동작 자체에는 문제가 없지만, 위상 마진을 너무 많이 설정하였다.

③ R3=27kΩ, C6=2700pF

※R3 저항을 높임으로써 대역이 넓어져, 부하 응답이 향상되었지만,
전압 변동 시에 링잉이 발생했다. (파형 확대 부분)
위상 마진이 적어, 편차에 따라서는 비정상적인 발진이 발생할 가능성이 있다.

④ R3=43kΩ, C6=2700pF

※R3의 저항치를 더 높이면, 비정상적인 발진이 발생한다.

지금까지 ITH 단자에서의 응답 특성 조정 예에 대해 설명했습니다. 기본적으로 출력전압에 발생하는 전압 과도를 없앨 수는 없으므로, 응답 특성이 급전하는 회로 동작에 대해 문제가 되지 않도록 조정해야 합니다.

키 포인트

・과도 부하는 회로에 따라 다양하며, 전원 응답도 다양하므로, 조건에 따른 조정이 필요하다.

・주로 IC의 과도 응답 특성을 조정하는 방법을 사용하는데, 부하 과도를 완화시키는 방법으로도 대응 가능하다.

・루프 안정성이 낮으면 발진 등의 비정상적인 현상이 발생하므로, 출력전압 파형의 관찰은 반드시 필요하다.

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