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2021.08.18 DC/DC

Vin이 Vout보다 낮아지는 경우의 현상

스위칭 레귤레이터의 기초

강압 스위칭 레귤레이터는 입력전압 (Vin)보다 낮은 출력전압 (Vout)으로 변환합니다. 그러나, Vin의 변동으로 인해 설정한 Vout보다 Vin이 낮아지는 경우가 있습니다. 이러한 조건에서 발생할 가능성이 있는 현상에 대해 설명하겠습니다.

강압 컨버터의 Vin이 Vout보다 낮아지는 경우의 현상

강압 스위칭 레귤레이터에서는 「Vin>Vout」가 정상적인 관계입니다. 엄밀히 말하자면, Vout에 입출력간 전압 강하를 더한 전압이 정상 동작하는 Vin 전압이 됩니다. 예를 들어, 3.3Vout에 대해 최소 동작전압이 3.8Vin이라는 이미지입니다.

그러나, Vin이 단시간에 Vout 이하의 전압으로 낮아지는 경우가 있습니다. 예를 들어, 동일한 Vin을 공유하는 또 다른 디바이스에 대전류를 급격하게 공급할 때 전압이 순간적으로 낮아지게 됩니다.

통상적으로 Vin이 Vout보다 낮아지면, Vout은 설정한 전압을 유지할 수 없어 저하됩니다. 일반적으로 어느 정도까지는, 낮아진 Vin에서 주로 스위치 (트랜지스터)의 전압 강하분을 뺀 전압이 Vout으로 출력되지만, Vin이 더 낮아지게 되면 동작에 이상을 초래하여, Vout은 불확정적인 상태가 될 가능성이 있습니다. 이러한 상태는 급전중인 디바이스나 시스템의 동작을 불안정하게 하고, 경우에 따라서는 데미지가 발생하게 됩니다. 이를 방지하기 위해서 최근 대부분의 강압 스위칭 레귤레이터 IC는 UVLO (Under Voltage Look Out)라는 입력전압 저하 시의 보호 기능을 구비하여, 일반적으로 Vin이 설정되어 있는 UVLO의 임계치보다 낮아지는 경우에는 IC를 셧다운하고, Vin이 복귀되면 재기동하는 동작을 통해 시스템을 보호합니다.

본 편에서 설명하고자 하는 것은, UVLO가 동작하지 않는 레벨에서 Vin이 Vout 이하로 낮아지고, Vin이 복귀할 때 발생할 가능성이 있는 현상에 대한 내용입니다. 그림을 사용하여 설명하겠습니다.

오른쪽 그림은, 동기정류 강압 컨버터의 출력 안정화를 담당하는 귀환 회로와, Vin 저하 시 Vout의 동작을 나타낸 모식도입니다.

출력 안정화는 회로도의 Vo에 접속되어 있는 분압 저항으로부터의 귀환 전압을 Error Amp에서 기준전압과 비교하여 스위치를 제어합니다. 출력전압이 설정치보다 낮은 경우에는 Error Amp의 출력 Error out은 High가 되어, 스위칭 컨트롤 회로를 통해 High-side 스위치 (트랜지스터)를 ON, Low-side를 OFF합니다. 이에 따라 Vin에서 전력이 공급되어 Vo가 상승하고, 설정 전압이 되면 반대의 동작을 하여, Vo가 설정전압을 유지하도록 귀환 제어를 실행합니다.

하기 왼쪽 파형은 입력전압 Vin이 출력전압 Vout (회로도에서는 Vo) 이하로 낮아지지 않는 범위에서만 저하되는 경우의 현상입니다. 일반적으로는 Vin이 변동해도 Vout은 거의 영향을 받지 않습니다.

중앙의 파형은, 본 편의 주제인 「Vin이 Vout 설정치 이하로 낮아지는 경우」에 발생할 가능성이 있는 현상입니다. 조건으로는 Vin이 Vout의 설정치보다 낮아지지만 UVLO가 동작하는 레벨 (적색 라인)까지는 저하되지 않는 경우입니다. Vin이 Vout 설정치보다 낮아지는 경우의 Vout의 현상은 앞서 설명한 바와 같이, 대략 Vin-스위치의 전압 강하 레벨이 됩니다. 이 상태는 귀환 회로에서 보면, Vout이 설정치보다 낮아진 상태이며, Error Amp는 이를 검출하여 출력 Error out이 High가 되고, High-side 스위치는 ON, Low-side는 OFF가 되어 출력에 전력을 공급하는 상태가 됩니다.

이러한 상태에서 Vin이 급격하게 공급되면, High-side 스위치에서의 전력 공급이 급격하게 증가하여 Vout도 급격하게 상승하고, 순간적으로 설정치를 크게 초과할 가능성이 있습니다. 이때, Error Amp가 이러한 현상을 검출하여 High-side 스위치를 OFF함으로써 Vout을 낮추어 설정치로 복귀시킵니다. 이러한 현상은 Vin 복귀 속도나 Error Amp의 응답 속도 등에 관련되는 것입니다. Vout의 상승이 급전중인 디바이스 등의 정격을 초과하게 되면 데미지가 발생할 가능성이 있으므로, 실제 사용 조건에서 데미지 발생 유무에 대해 확인해야합니다. 데미지 발생이 예상된다면 Vin이나 전원 IC의 응답 특성을 개선할 필요가 있습니다.

참고로, 오른쪽 파형은 Vin이 UVLO의 임계치보다 낮아지는 경우로, UVLO의 동작에 의해 전원 IC는 셧다운되고, Vin이 복귀하면 Vout은 소프트 스타트 기능을 동반하여 재기동합니다.

키 포인트

・강압 스위칭 레귤레이터에서 Vin이 Vout의 설정치 이하로 낮아지는 경우, Vin 복귀 타이밍에 Vout이 크게 상승할 가능성이 있다.

・데미지 발생이 예상된다면, Vin 조건이나 전원 IC의 응답 특성을 개선할 필요가 있다.

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