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2020.07.22 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 기본 : 출력 피드백 제어 방식

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

스위칭 레귤레이터의 출력전압은 기본적으로 안정화되어 있습니다. 즉, 설정한 전압치를 일정하게 유지하는 기능을 구비하고 있습니다. 이러한 안정화를 위해, 스위칭 레귤레이터는 출력을 제어 회로에 피드백 (귀환)합니다.

제어 회로는 크게 분류하면 전압 모드 제어, 전류 모드 제어, 히스테리시스 제어의 3가지 방식이 있습니다.

・전압 모드 제어 (PWM의 예)

전압 모드 제어는 가장 기본적인 방식입니다. 피드백 루프를 통해, 출력전압만을 피드백합니다. 그리고, 에러 앰프에서 기준전압과 비교한 차분의 전압을 삼각파와 비교함으로써, PWM 신호의 펄스 폭을 결정하여 출력전압을 제어합니다.

이 방식의 장점은 전압에만 해당하는 피드백 루프이므로 제어가 비교적 간단하고, ON 시간을 단축시킬 수 있다는 점, 그리고 노이즈, EMI 내성이 높다는 점입니다. 단점은 위상보상 회로가 복합해진다는 점입니다. 위상보상 회로는 외장이므로, 설계가 번거로워질 가능성이 있습니다.

전압 모드 제어

  • 전압에만 해당하는 피드백 루프이므로 제어가 단순하다.
  • ON 시간을 단축시킬 수 있다.
  • 노이즈 내성이 높다.
  • 위상보상 회로가 복잡하다.

・전류 모드 제어

전류 모드 제어는 전압 모드 제어를 개량한 것입니다. 전압 모드의 제어 루프에서 사용하는 삼각파 대신에 회로의 인덕터 전류를 검출하여 사용합니다. 인덕터 전류 대신에 출력 트랜지스터에 흐르는 전류 및 전류 센스 저항을 삽입하여 전류를 검출할 수도 있습니다.

피드백 루프는 전압 루프와 전류 루프가 있으므로 제어는 비교적 복잡해지지만, 위상보상 회로의 설계가 대폭적으로 간단해진다는 장점이 있습니다.

또한, 피드백 루프의 안정성이 높다는 점과, 부하 과도 응답이 전압 모드보다 고속이라는 점도 장점입니다. 단점으로는 전류 검출이 민감하므로, 노이즈가 많으면 PWM 제어에 영향을 미치게 됩니다.

전류 모드 제어

  • 전압 모드 제어를 개량한 것이다.
  • 삼각파 대신 회로의 인덕터 전류를 검출하여 사용한다.
  • 피드백 루프의 안정성이 높다.
  • 위상보상 회로의 설계가 대폭 간단해진다.
  • 부하 과도 응답이 전압 모드보다 고속이다.
  • 전류 검출 피드백 루프의 노이즈에 주의해야 한다.

・히스테리시스 제어 (리플 제어)

히스테리시스 제어 방식은 한층 더 고속의 부하 과도 응답이 필요한 부하, 예를 들어 CPU 및 FPGA 등의 전원 요구에 대응하여 개발된 방식입니다. 출력 리플을 검출하여 제어하므로, 리플 제어 방식이라고도 합니다.

이 방식은 에러 앰프를 통하지 않고, 콤퍼레이터를 통해 출력전압을 모니터링합니다. 설정한 임계치를 초과하거나, 임계치에 미치지 못한 경우를 검출하여, 콤퍼레이터가 직접적으로 스위치의 ON / OFF 제어를 실행합니다. ON 시간을 고정하여 임계치에 미치지 못하는 경우를 검출하는 방식, OFF 시간을 고정하여 임계치를 초과하는 경우를 검출하는 방식, 상하 양쪽의 임계치의 범위를 이용하는 방식이 있습니다.

장점으로는 콤퍼레이터에 의한 직접적인 제어를 통해, 과도 응답이 매우 고속이라는 점과, 위상보상이 필요하지 않다는 점입니다. 단점으로는 스위칭 주파수가 변동한다는 점과, jitter가 크다는 점, 출력 리플 검출을 위해 ESR (등가 직렬 저항)이 비교적 큰 출력 콘덴서가 필요하다는 점입니다. 최근에는 이러한 단점을 개선하여 이 방식을 채용하는 IC가 증가하고 있습니다.

히스테리시스 (리플) 제어

  • 콤퍼레이터를 통해 출력을 직접 모니터링한다.
  • 부하 과도 응답 속도가 매우 빠르다.
  • 피드백 루프의 안정성이 높다.
  • 위상보상이 필요없다.
  • 스위칭 주파수가 변동한다.
  • Jitter가 큰 편이다.
  • 리플 검출이므로 ESR이 큰 콘덴서가 필요하다.

키 포인트

・스위칭 레귤레이터의 안정화는 피드백 제어를 통해 이루어진다.

・피드백 제어에는 크게 3종류가 있으며, 고속 과도 응답을 위해서는 히스테리시스 제어가 사용된다.

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