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2020.07.22 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 기본 : PWM (펄스 폭 변조) · PFM (펄스 주파수 변조) 제어란?

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

스위칭 레귤레이터의 기본으로서, 전압 제어 방법에 대해 설명하겠습니다. 스위칭 레귤레이터뿐만 아니라, 전압 레귤레이터 기능은 안정화된 출력전압을 생성하는 것입니다. 이를 위해서 출력전압을 제어 회로에 피드백하여 루프 제어를 실행한다는 것은 「피드백 제어 방식」 편에서 설명했습니다. 본 편에서는 예를 들어 입력전압을 5V로 조정하기 위해서 어떻게 제어해야 하는지, 전압 제어 방식에 대해 설명하겠습니다.

스위칭 레귤레이터는 명칭 그대로, 입력전압을 스위칭 (ON / OFF)함으로써 원하는 출력전압으로 변환합니다. 이는 「동작 원리」 편에서 설명한 바와 같으며, 간단히 표현하자면 입력의 전압을 설정한 출력전압에 적합하도록 나누어 평균화합니다. 이러한 입력전압의 평균화에는 주로 2가지 방법이 있습니다.

・PWM 제어 (펄스 폭 변조)

PWM은 가장 일반적인 전압 제어 방법입니다. 일정한 주기에서, 출력이 필요로 하는 만큼의 전력을 스위치 ON하여 입력으로부터 공급받습니다. 따라서, 필요한 출력전력에 따라 ON / OFF의 비율, 듀티 사이클 (duty cycle)이 달라집니다.

주파수가 일정하므로 발생하는 스위칭 노이즈를 예측할 수 있어, 필터링 처리가 용이하다는 장점이 있습니다. 단점으로는 주파수가 일정하므로 중부하 시나 경부하 시에도 스위칭 횟수가 동일하여 자기 소비전류가 변하지 않기 때문에, 경부하 시에는 이러한 스위칭 손실로 인해 효율이 저하됩니다.

●주파수가 일정하고, 듀티 사이클을 통해 출력전압을 조정

  • 주파수가 일정하므로, 노이즈 필터링이 용이하다.
  • 주파수가 일정하므로, 경부하 시에는 스위칭 손실로 인한 효율 악화가 현저하다.

・PFM 제어 (펄스 주파수 변조)
PFM은 고정 ON 시간 타입과 고정 OFF 시간 타입이 있습니다. 고정 ON 시간 타입을 예로 들면 (하기 그림 참조), ON 시간은 일정하고 OFF 시간이 변합니다. 다시 말하자면, 다시 ON되기까지의 시간이 달라지는 것입니다. 부하가 커지면, 시간 내의 ON 횟수를 늘려 부하에 대응합니다. 즉, 중부하 시에는 주파수가 높아지고, 경부하 시에는 주파수가 낮아집니다.

장점으로는 경부하 시에는 전력의 추가가 그다지 필요하지 않으므로, 스위칭 주파수가 낮아지고 스위칭 횟수가 줄어 스위칭 손실이 감소하기 때문에, 경부하 시에도 고효율을 유지할 수 있습니다. 단점으로는 주파수가 변하므로 스위칭에 관련된 노이즈가 일정하지 않아 필터링이 어려워집니다. 즉 노이즈 제거가 어려워집니다. 또한, 주파수의 경우 20kHz가 되면 가청대역이 되므로, 링잉이 발생하거나 오디오 기기에서는 S/N에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 이러한 의미에서는 PWM이 더 취급하기 쉽다고 할 수 있습니다.

●ON (또는 OFF) 시간을 일정하게 하여, OFF (또는 ON) 시간을 조정

  • 경부하 시에는 주파수를 낮추어 동작하므로, 스위칭 손실이 감소하여 효율을 유지한다.
  • 주파수가 일정하지 않으므로, 노이즈의 필터링이 어려워 가청대역이 될 가능성이 있다.

어떤 방법을 이용할지는 각 특성을 이해한 후 트레이드 오프 관계를 고려하여 결정합니다. 두가지 방법의 장점만을 이용할 수 있도록, 정상 동작 시에는 PWM 동작으로, 경부하 시에는 PFM으로 전환하여 효율을 유지하는 방식을 채용한 IC도 있습니다.

●PWM과 PFM의 효율 특성

  • PWM은 경부하 시에도 일정한 주기로 스위칭하므로, 효율이 저하된다.
  • PFM의 경우, 경부하 시에는 주파수를 낮추어 동작하므로, 스위칭 손실이 감소하여 효율을 유지한다.
  • 정상 시에는 PWM, 경부하 시에는 PFM으로 전환함으로써, 노이즈를 줄여 경부하 시의 효율 저하를 개선한 타입의 IC도 있다.

키 포인트

・PWM (펄스 폭 변조)은 주파수가 일정하고 ON / OFF 시간비 (듀티 사이클)를 통해 제어한다.

・PFM (펄스 주파수 변조)은 펄스의 ON (또는 OFF) 시간을 일정하게 하고 OFF (또는 ON) 시간을 변화시킴으로써 제어한다.

・장점과 단점을 잘 이해하여, 적합한 방식을 사용한다.

・두가지 제어를 전환하거나, 더욱 세밀한 제어 모드를 채용한 IC가 증가하고 있다.

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