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2019.01.24 DC/DC

동기정류 방식의 경부하 시 효율 개선 기능

스위칭 레귤레이터의 기초

앞에서 동기정류 방식은 경부하 시에 역전류 때문에 효율이 저하된다는 설명을 했습니다. 동기정류 방식은 고효율 방식이므로, 경부하 시에도 고효율을 유지하길 기대하게 될 것입니다. 무엇보다 최근에는 대기 시 전력의 삭감이 큰 테마로 떠오르고 있습니다. 가장 경부하일 때는, 전력을 공급하는 회로가 셧다운 상태가 되는 때입니다. 전원도 셧다운 상태가 되면 좋겠지만, 미세한 전력을 계속 공급해야 하므로, 이 때 효율이 저하되는 것은 매우 큰 문제입니다.

불연속 모드의 추가
동기정류 방식에서 경부하 시의 효율 개선을 위한 방법 중 하나로, 경부하 시에는 불연속 모드로 동작하는 기능을 추가하는 방법이 있습니다. 매우 심플한 방법으로, 인덕터 전류가 zero 부근까지 저하되는 것을 검출하여, 하측의 트랜지스터를 OFF함으로써, 역류가 발생하지 않도록 하는 방법입니다. (그림 43)


그림 43

단, 이 방법은 완벽하다고 할 수 없습니다. 이 때, 인덕터의 트랜지스터 측 노드는 개방과 동일한 상태가 되므로, 출력 콘덴서의 방전은 부하 전류에 의존하게 되어, 경부하 시이므로 전압이 강하하는 시간이 길어지게 됩니다. 그 결과, 스위칭 속도가 늦어지므로, 리플 전압이 증가하는 경우가 있습니다.

또한, 상측 트랜지스터는 출력전압이 저하될 때까지 ON되지 않으므로, 스위칭 주기가 달라집니다. 노이즈의 필터링을 고려할 경우, 노이즈의 주파수가 변동하는 것은 문제가 됩니다. 이 역시 효율과 트레이드 오프 관계가 됩니다.

PWM 모드에서 PFM 모드로 전환
다른 한가지 방법에 대해 설명하겠습니다. 지금까지 PWM을 전제로 설명하였지만, 이번 방법은 PWM과 PFM을 구별하여 사용하는 방법입니다. 부하가 많은 경우에는 PWM 동작, 부하가 적은 경우에는 효율이 좋은 PFM으로 제어를 전환합니다. PWM은 가장 일반적인 전압 제어 방법이며, 주파수가 일정하므로 중부하, 경부하 시 모두 ON / OFF의 시간비가 달라도 스위칭하는 횟수는 동일합니다. 따라서, 자기 소비전력은 변하지 않으므로, 경부하 시에는 스위칭 손실로 인해 효율이 저하됩니다. 이것이 PWM 모드에서 일반적으로 저부하 시의 효율이 급격히 저하되는 이유입니다.

그림 44

그림 44

PFM은 ON 시간이 일정하고 OFF 시간이 변하거나, OFF 시간이 일정하고 ON 시간이 변합니다 (그림 44는 ON 시간이 일정한 예). 다시 말하자면, 다음으로 ON할 때까지의 시간이 변합니다. 경부하 시에는 전력의 추가 공급이 적어도 무방하기 때문에, ON되는 주기가 길어짐에 따라 단위 시간 당 스위칭 횟수가 줄고, 스위칭 손실은 감소하여 효율이 유지됩니다. (그림 46 참조)

그림 46

그림 46

그림 45

그림 45

그러면, 단순히 PFM 방식을 사용하면 된다고 생각할 수도 있지만, ON되는 주기, 즉 주파수가 변하면 스위칭으로 기인하는 노이즈가 비정기적이 되어 주파수를 특정할 수 없으므로 노이즈의 필터링이 어려워집니다. 즉 노이즈를 제거하기가 어려워집니다. 또한, 주파수가 가청대인 20kHz에 들어가면, 소음이 발생하거나, 오디오 기기에서는 S/N에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 노이즈에 대해서는 PWM 쪽이 취급하기 쉬운 면이 있다고 할 수 있습니다. 따라서, 여기에서도 트레이드 오프가 필요해집니다.

키 포인트

・저부하 시, 대기 시의 효율은 자기 소비전력이 지배적이므로, 자기 소비를 줄이는 동작으로 이행하는 접근 방법.

・IC 자체에 이러한 기능이 탑재되어 있으므로, 추가 회로 및 부품은 기본적으로 필요 없다.

・노이즈에 관해서는 효율을 희생하게 되더라도 억제해야 하는 경우가 적지 않다.

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 기초