DC-DC 컨버터의 주파수 특성을 설계 단계에서 최적화：출력의 안정성과 응답성을 확인하기 위한 주파수 특성 평가

DC-DC 컨버터 설계에 있어서, 설계한 회로가 실제 사용 조건에서 안정적으로 동작하고, 기기의 성능 및 사양을 만족하는 전원으로 완성하기 위해서는, 정적 특성과 더불어 동적 특성에 관한 평가도 요구됩니다. 그 중에서도 출력전압의 안정성과 응답성은 중요한 체크 포인트로서, 이에 대한 확인 및 조정을 위해서는 DC-DC 컨버터의 주파수 특성에 대한 이해가 필요합니다.
DC-DC 컨버터의 주파수 특성과 평가 방법에 대해 자세히 알아보고자, 로옴의 어플리케이션 엔지니어인 아타고 타카유키씨를 인터뷰하였습니다.

－먼저, DC-DC 컨버터의 주파수 특성을 평가하고 이해해야 하는 필요성에 대하여 알려주십시오.

모든 설계가 그렇지만, 탁상에서의 회로 설계 작업이 완료되면, 프로토타입을 제작하여 설계 목표에 대한 달성 여부를 평가합니다. DC-DC 컨버터에서는 출력전압 정밀도 및 최대 출력전류와 같은 전원으로서의 기본 동작 확인을 비롯하여, 출력전압의 안정성 및 부하 과도 응답 특성의 확인이 중요합니다. 안정성 및 응답성은, 기본적으로 설계한 DC-DC 컨버터의 주파수 특성에 관련된 특성이므로, 주파수 특성의 확인과 그 결과를 바탕으로 최적화할 필요가 있습니다.

－출력전압의 안정성과 과도 응답에 대해 구체적으로 설명해 주십시오.

각각의 개념을 나타낸 그림을 사용하여 설명하겠습니다.

먼저, 응답성에 대해 설명하겠습니다. 이 개략도는 12V 배터리에서 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터를 사용하여 5V로 강압하고, 마이크로 컨트롤러의 전원으로 사용합니다. 이 5V는 흔히 리셋 IC라고 불리우는 전압 감시 IC를 통해 모니터링되어, 설정치 이하의 전압인 경우 리셋 신호가 마이크로 컨트롤러로 송신되는, 일반적인 회로의 예입니다.

출력전압의 응답성이란, 부하 전류의 급격한 변화로 인해 순간적으로 변동한 출력전압을 원상태로 되돌리는 동작을 뜻합니다. 통상적으로는 가능한 전압 변동이 작을 때 응답하여, 되도록 단시간에 설정 전압으로 안정시키는 동작이 바람직합니다.

상기 그림에서는 부하 전류가 급격하게 상승하여 출력전압 5V가 순간적으로 저하되는 예와, 반대로 부하 전류가 급격하게 강하하여 출력전압이 순간적으로 5V보다 높아지는 예를 나타내고 있습니다. 부하 전류의 급증으로 인해 저하된 출력전압이 리셋 IC의 임계치를 초과하게 되면, 불필요한 리셋 신호가 발생하여 마이크로 컨트롤러를 리셋하게 됩니다. 또한, 부하 전류의 급감으로 인해 출력전압이 급격하게 상승하여 마이크로 컨트롤러의 전원전압 정격을 초과하게 되면, 마이크로 컨트롤러가 오동작을 일으키거나 경우에 따라서는 파괴에 이르게 될 우려가 있습니다. 이는 마이크로 컨트롤러 및 CPU 등 Sleep 상태에서 순간적으로 풀 가동, 또는 그 반대의 상태가 발생하는 디바이스 등의 전원에서는 필수적으로 확인해야 하는 항목입니다.

이러한 항목은 DC-DC 컨버터의 과도 응답 특성을 조정함으로써, 전압 변동이 리셋 IC의 임계치 및 후단 디바이스의 전원 정격을 넘지 않도록 최적화하여 대처합니다.

－과도 응답 특성이 최적화되지 않으면, 경우에 따라서는 치명적인 문제가 일어나는 것이군요.

그렇습니다. 그럼 이제 출력전압의 안정성에 대해 설명하겠습니다. 출력전압의 안정성이란, 출력에 과도한 링잉 (ringing)이나 발진이 발생하지 않는 것을 뜻합니다. 오른쪽 파형도는 발진의 파형 예입니다. DC-DC 컨버터의 출력전압은 스위칭으로 인한 리플 전압이 포함되어 완전한 DC 전압이 아니지만, 발진은 리플과는 다른 비정상적인 현상입니다. 이 파형도는 부하가 입력되면 발진이 현저하게 나타나는 상태의 DC-DC 컨버터 예입니다.

－발진이라면 OP Amp를 사용한 회로를 연상하게 되는데, DC-DC 컨버터도 발진하는군요.

DC-DC 컨버터가 발진하는 것은, 출력전압을 일정하게 유지하도록 제어하기 위해 귀환 회로를 사용하기 때문입니다. 따라서, 발진하는 원리나 조건은 OP Amp와 동일합니다. 참고로, LDO 등의 리니어 레귤레이터도 귀환 제어를 사용하므로 조건에 따라 발진이 발생합니다. 발진이 발생하는 원리는 주파수 특성을 이해하는데 도움이 되므로 조금 더 자세하게 설명하겠습니다.

DC-DC 컨버터 IC의 내부 회로는 개략적으로 오른쪽 회로도와 같은 구성입니다. 적색 화살표의 A 포인트와 B 포인트는 본래 연결되어 있지만, 출력 제어를 위해 귀환되는 신호 B와, 그 귀환 신호를 바탕으로 하는 제어 신호 A (출력)를 의도하여 절단된 형태로 나타내었습니다.

출력전압은 R1과 R2로 구성된 분압 저항을 통해 IC 내부의 에러 앰프 입력으로 귀환됩니다. 에러 앰프는 기준전압과 출력전압을 비교하여, 출력전압이 설정 전압보다 높은 경우에는 낮추고, 낮은 경우에는 높이는 제어를 통해 출력전압을 일정하게 유지합니다.

이러한 귀환 제어는 부귀환이므로, 귀환되는 신호 Ｂ에 대한 제어 신호 Ａ의 위상은 180도의 편차가 발생합니다. 오른쪽 그림은 위상의 관계를 나타낸 파형도입니다.

그러나, 실제로는 IC 내부에서 신호 처리가 실행되어 출력되기 까지는 시간이 필요하므로, 지연 시간이 발생하게 됩니다. 따라서 주파수가 빨라짐에 따라 지연 시간으로 인해 위상에 계속 지연이 발생합니다. 위상이 0도에 가까워짐에 따라 불안정한 상태가 되고 0도가 되면 부귀환이 정귀환으로 전환되어 비정상적인 발진이 발생합니다.

－OP Amp 회로에서 발진이 발생하는 경우, 「위상 여유가 부족하다」고 하는데, 이 경우도 동일한 것입니까?

기본적으로 동일합니다. 지금 위상 지연에 관한 설명만 했지만, 실제로는 위상 특성과 게인 특성을 바탕으로 한 「보드 선도」를 통해 안정성을 평가하게 됩니다.

－보드 선도라고 하면, 주파수 특성이 DC-DC 컨버터의 안정성 및 응답성으로 이어진다는 것이군요.

그렇습니다. 그럼, 지금까지 설명한 내용을 정리하면서 안정성, 응답성과 주파수 특성의 관계에 대해 구체적으로 설명하겠습니다.

안정성은 「출력전압이 발진 조건에 대해 어느 정도 여유가 있는가」이며, 응답성은 「출력전압이 변동한 후 설정치로 되돌아올 때까지의 응답 시간」입니다. 이러한 특성을 확인하는 파라미터로서 위상 여유도, 게인 (이득) 여유도, 크로스 오버 주파수가 사용됩니다. 이러한 항목은 해당 DC-DC 컨버터에서 취득한 보드 선도를 통해 파악할 수 있습니다. 보드 선도와 각 파라미터, 안정성과 응답성의 관계를 나타낸 하기의 그림을 참조하여 주십시오.

먼저, 각 파라미터의 계측 포인트, 안정성 · 응답성과의 관계, 수치와 특성의 경향을 표로 정리하였습니다. 이 표를 바탕으로 보드 선도를 해석해보겠습니다.

표와 그림의 청색, 적색, 녹색의 설명과 같이, 위상 여유도는 게인이 0dB일 때의 위상, 게인 여유도는 위상이 0deg (도)일 때의 게인, 크로스 오버 주파수는 게인이 0dB일 때의 주파수입니다.

위상 여유도와 게인 여유도는 안정성에 관련되며, 양쪽 모두 클수록 안정성이 높아지므로 링잉이나 발진이 발생하기 어렵습니다. 그리고, 크로스 오버 주파수는 응답성에 관련되며, 높을수록 응답성이 향상되므로 부하 응답으로 인한 출력 변동을 작게 억제할 수 있습니다.

상기 보드 선도에는, 위상 특성을 나타내는 곡선 (청색)과 3종류의 게인 특성 곡선 (게인 1 : 적색, 게인 2 : 분홍색, 게인 3 : 주황색)이 표시되어 있습니다.

게인 1은 표준적인 예입니다. 게인 1이 0dB일 때의 주파수, 즉 크로스 오버 주파수는 대략 85kHz (녹색 원형 포인트)이며, 이때의 위상 여유는 55deg 정도 (하늘색 원형 포인트 / 청색 양방향 화살표 ①)입니다. 그리고, 위상이 0deg일 때의 게인 여유는 15dB 정도 (적색 원형 포인트)입니다. 상기 그림의 설명에 각 파라미터의 기준치가 제시되어 있으므로 참고하여 주십시오.

게인 2는 게인이 낮은 경우의 예입니다. 게인 1에 비해 게인이 낮아짐에 따라 크로스 오버 주파수는 약 9kHz로 낮아지고, 위상 여유는 100deg를 넘게 됩니다 (청색 양방향 화살표 ②). 게인 여유 (게인 2 곡선 상의 적색 사각형 포인트)도 30dB 이상이며, 위상 여유와 함께 증가함으로써 안정성이 높아지는 방향입니다. 그러나, 크로스 오버 주파수가 낮아짐에 따라 응답성은 저하됩니다.

게인 3은 게인이 높은 경우의 예입니다. 게인 1에 비해 게인이 높아짐에 따라, 크로스 오버 주파수는 약 180kHz로 높아지고, 위상 여유는 20deg 정도로 감소됩니다 (청색 양방향 화살표 ③). 게인 여유 (게인 3 곡선 상의 적색 사각형 포인트)도 5dB 전후로 감소됩니다. 이 예에서는 크로스 오버 주파수가 높아짐에 따라 응답성은 향상되지만, 위상 여유와 게인 여유가 감소함에 따라 안정성이 저하됩니다.

이와 같이, 안정성과 응답성은 트레이드 오프 관계로, 한쪽을 높이면 다른 한쪽이 저하됩니다. 따라서, 설계 시에는 회로 조건에 따라 안정성과 응답성의 최적화를 실시할 필요가 있습니다.

－DC-DC 컨버터의 안정성과 응답성의 확인을 위해 주파수 특성을 평가해야 한다는 점은 이해했습니다. 그럼, DC-DC 컨버터의 주파수 특성은 어떻게 얻을 수 있을까요?

주파수 특성을 측정하기 위해서는 주파수 특성 분석기 (FRA : Frequency Response Analyzer)를 사용하는 것이 간단하고 확실한 방법입니다. 하기는 실제의 FRA와 측정 회로를 나타낸 것입니다. 앞서 설명한 보드 선도도 FRA를 사용하여 취득한 것입니다.

DC-DC 컨버터의 주파수 특성을 측정하기 위해서는, 측정 회로도와 같이 귀환 루프의 출력과 분압 저항 사이를 절단하여, 소정의 저항 (주입 저항)을 삽입하고 저항의 양끝을 FRA에 접속합니다. 그러면 거의 자동으로 위상 여유와 게인 여유를 측정하여 그래프로 표시됩니다.

－의외로 간단해 보이는데, 실제 기기에서 확인하기 위해서는 기판을 가공해야 하지 않을까요?

실제로는 그렇습니다. 말씀하신대로 FRA를 사용하면 주파수 특성을 간단히 측정할 수는 있지만, 몇 가지 과제가 있습니다. 질문해주신 내용도 과제 중 하나로, 최근에는 부품의 소형화 및 고밀도 실장화에 따라 실제 기기의 기판을 측정하기 위한 가공이 어려운 경우가 적지 않습니다. 또한, 주파수 특성을 측정했다고 하더라도, 이를 조정하여 최적화하기 위해 해당 저항이나 콘덴서의 수치를 변경하게 되면 주파수 특성을 다시 측정해야 하는 등 작업을 반복해야 할뿐만 아니라, 실제 기기의 기판 상의 작은 칩 부품을 몇 번이고 교체하는 것은 상당히 번거로운 작업이 됩니다.

－즉, 주파수 특성의 최적화를 위해서는 해당 부품의 정수 변경과 재측정을 반복하는 시행착오가 필요하고, 특히 부품의 소형화와 고밀도 실장화된 기판의 경우 간단한 문제가 아니라는 것이군요.

그렇습니다. 또한, 고가인 FRA를 구비하고 있지 않은 경우도 적지 않습니다.

－그럼, FRA를 이용할 수 없는 경우에는 어떻게 하면 좋을까요?

실제 측정을 보완하는 의미에서 시뮬레이션이 매우 유용합니다. 최근에는 주파수 특성이나 부하 응답 특성의 시뮬레이션이 가능한 시뮬레이터가 많고, IC 메이커로부터 시뮬레이션용 디바이스 모델이나 주변 회로를 포함한 모델 등이 제공되고 있습니다.

－설계 시 시뮬레이션을 이용한다는 말은 많이 들어보았습니다. 그럼 시뮬레이션에 대한 질문을 하겠습니다.

＜제2장으로 이어집니다.＞