전원 설계 기술 정보 사이트

기술 자료 다운로드

2019.02.21 DC/DC

제어 방식 (전압 모드, 전류 모드, 히스테리시스 제어)

스위칭 레귤레이터의 기초

앞서 스위칭 레귤레이터의 피드백 (귀환) 제어 방식에는 전압 모드, 전류 모드, 히스테리시스 제어의 3종류가 있다고 설명했습니다. 리니어 레귤레이터와 마찬가지로 스위칭 레귤레이터도 귀환 루프를 통해 안정화를 실행합니다. 각 제어 방식은 장단점이 있으므로, 어떤 방식을 선택할지 밸런스를 고려하여 결정할 필요가 있습니다.

전압 모드
전압 모드 제어는 가장 기본적인 방식입니다. 귀환 루프를 통해, 출력전압만을 피드백합니다. 에러 앰프에서 기준전압과 비교한 차분의 전압을 다시금 삼각파와 비교함으로써 PWM 신호의 펄스 폭을 결정하여 출력전압을 제어합니다. 이 방식의 장점은, 전압만의 귀환 루프이므로 제어가 비교적 단순하다는 점과 ON 시간을 단축할 수 있으며, 노이즈 내성이 높다는 점입니다. 단점은 위상보상 회로가 복잡해짐에 따라, 설계가 번거로워질 가능성이 있다는 점입니다.

그림 47

전류 모드
전류 모드 제어는 전압 모드 제어를 개선한 것입니다. 전압 모드 제어에서 사용하는 삼각파 대신에, 회로의 인덕터 전류를 검출하여 사용하는 방식입니다. 인덕터 전류 대신에 트랜지스터의 전류나, 전류 센스 저항으로 전류를 검출할 수도 있습니다. 귀환 루프는 전압 루프와 전류 루프가 있어 제어는 비교적 복잡하지만, 위상보상 회로의 설계가 대폭적으로 간단해진다는 장점이 있습니다. 또한, 귀환 루프의 안정성이 높고, 부하 과도 응답이 전압 모드보다 고속이라는 점도 장점입니다. 단점으로는, 전류 검출이 민감하여 노이즈에 약하다는 점인데, 최근에는 이 부분이 IC에 내장되어 있으므로 크게 문제되지 않습니다.

그림 48

히스테리시스 제어 (리플 제어)
히스테리시스 제어 방식은 한층 더 고속의 부하 과도 응답이 필요한 부하, 예를 들어 CPU, FPGA 등의 전원 요구에 대응하여 개발된 방식입니다. 출력의 리플을 검출하여 제어하므로, 리플 제어 방식이라고도 합니다. 이 방식은 에러 앰프를 통하지 않고 콤퍼레이터로 직접 출력전압을 모니터링합니다. 설정한 임계치를 상회하거나 하회하는 경우를 검출하여, 콤퍼레이터가 직접적으로 스위치의 ON / OFF를 제어합니다. ON 시간 고정일 때 임계치를 하회하는 것을 검출하는 방식과, OFF 시간 고정일 때 임계치를 상회하는 것을 검출하는 방식이 있습니다.

그림 49

이 방식의 장점은, 콤퍼레이터를 통해 직접적인 제어를 실행함으로써, 과도 응답이 매우 고속이며 위상보상이 필요하지 않다는 점입니다. 단점은 스위칭 주파수가 변동한다는 점과, 지터 (jitter)가 크다는 점, 그리고 출력 리플을 검출하기 위해 ESR (등가 직렬 저항)이 비교적 큰 출력 콘덴서가 필요하다는 점입니다. 이러한 단점은 최근 개선되고 있어, 이 방식을 채용한 IC가 증가하고 있습니다. 예를 들어, 본래 출력에 나타나는 리플을 IC 내부로 피드백함으로써, ESR이 작은 세라믹 콘덴서를 사용할 수 있도록 하여, 출력 리플이 작아지도록 하는 개선 방법이 있습니다.

그림 50

키 포인트

・각 제어 방식의 특징, 장단점을 검토하여, 설계에 가장 적합한 방법을 선택한다.

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 기초