DC-DC 컨버터의 주파수 특성을 설계 단계에서 최적화위상보상 설계 방법과 시뮬레이션의 활용

－FRA를 이용할 수 없는 경우에는 시뮬레이션으로 대체할 수 있다고 하셨는데, 자세하게 설명을 부탁드립니다.

그러면, 실제로 시뮬레이션을 실시하여, 실측치와 비교해보겠습니다. 파형 등을 확인할 때 이해가 쉽도록, 몇가지 전제 조건과 이론적인 내용에 대해 먼저 설명하겠습니다.

먼저 검증에 사용하는 전원 IC로는, 대표적인 다이오드 정류 타입의 DC-DC 컨버터 BD90640EFJ를 사용하겠습니다. 하기에 표준적인 회로 구성과 내부 블록도, 특징을 기재하였습니다.

주요 특징

・최대 입력전압 : 42V

・입력전압 범위 : 3.5~36V

・출력전류 : 4A (Pch MOSFET 내장)

・스위칭 주파수 : 50k~600kHz,
 ±10% 정밀도
・낮은 스탠바이 전류 : 0µA

・가변 출력전압

・레퍼런스 전압 정밀도 : 0.8V±2%

・100% 듀티 사이클 가능

・과전류 보호, 서멀 셧다운 탑재

・HTSOP-J8 패키지

다음으로 하기 회로도는 BD90640EFJ의 평가 보드의 회로로, 각 특성의 실측은 이 보드를 사용하여 실시합니다. BD90640EFJ의 시뮬레이션 모델도 FRA 접속용 R100을 제외하고, 이 회로와 동일한 사양입니다.

BD90640EFJ-C 평가 보드 회로와 사양

BD90640EFJ에는 VC 단자가 있습니다. 내부 블록도를 보면, 이 단자는 내부 에러 앰프의 출력에 직접 접속되어 있습니다. 이 단자에 외장하는 위상보상 저항 R3과 콘덴서 C1로 귀환 루프의 위상보상, 즉 주파수 특성을 조정합니다. 이번 검증에서는 C1을 고정한채로 R3의 저항치를 변경하여, 주파수 특성이 어떻게 변화하는지 확인하겠습니다.

하기 그림은 위상보상 회로의 동작과 위상보상 저항 R3과의 관계를 설명한 것입니다.

위상보상은 VC 단자에 접속되는 R3과 C1을 통해, IC 내부에서 발생하는 위상의 지연 (Pole)을 캔슬하기 위한 위상 진행 (Zero)을 삽입함으로써 실행합니다. Pole fp1과 Zero fz2는 우측 상단의 식으로 나타낼 수 있습니다.

이 그림의 청색 테두리 안의 각 항목과 보드 선도에 주목하여 주십시오. R3＝20kΩ이 평가 회로의 표준치로, 중앙에 있는 보드 선도가 이에 해당하며, 청색 라인이 위상 특성, 적색 라인이 게인 특성입니다. 왼쪽 그림은 R3을 3kΩ으로 작게 한 경우의 보드 선도로, 두꺼운 라인은 비교를 위한 R3＝20kΩ 일 때의 표준 특성이며, 이 조건에서의 각 특성을 동일한 색의 얇은 라인으로 나타내고 있습니다. 그리고, R3을 크게 한 보드 선도가 오른쪽 그림이며, 마찬가지로 얇은 라인이 이 조건에서의 특성입니다.

R3을 작게 하면, 제로점 fz2가 고대역으로 시프트됩니다. R3＝3kΩ에서는 20kΩ일 때의 1.7kHz에서 11.3kHz로 시프트되었습니다. 따라서, 게인이 더 높은 대역까지 계속 저하됩니다. 제로 크로스 (Fc)는 33.1kHz에서 8.7kHz로, 더 낮은 대역에서 발생합니다. 그 결과, 위상 여유는 증가하지만, 응답은 늦어집니다.

R3을 크게 하면, 제로점 fz2가 저대역으로 시프트됩니다. 따라서, 게인은 저대역에서 회복 · 전환되며, 제로 크로스는 더 높은 대역에서 발생합니다. 그 결과, 위상 여유는 저하되지만, 응답은 빨라집니다.

－즉, R3의 저항치에 따라 제로점의 주파수가 변하게 되고 이에 따라 위상 여유와 응답성이 변화한다는 원리군요. R3을 낮추면 위상 여유는 증가하지만 응답이 늦어지고, R3을 높이면 위상 여유가 저하되지만 응답은 빨라진다는 내용이네요.

그렇습니다. 저항치의 증감과 주파수 특성 변화의 관계는, 조정 시의 근거가 되므로 중요합니다.

서론이 길었습니다. 그럼, 이제 실제로 시뮬레이션을 해보도록 하겠습니다. 시뮬레이션에는, 올해 2월에 로옴 홈페이지에 공개한 「ROHM Solution Simulator」를 사용하겠습니다. ROHM Solution Simulator는 MyROHM 회원 등록만으로 바로 이용할 수 있습니다. 이미 등록되어 계신 분은 로그인이 필요합니다.

로옴 홈페이지 우측 하단「설계 지원 툴」의 「ROHM Solution Simulator」 (캡쳐 이미지 ①)을 클릭하면, ②의 페이지가 표시됩니다. 페이지 중간 부분의 「IC’s Solution Circuit」에서 「Switching Regulators」를 클릭하면 ③과 같이 스위칭 레귤레이터 일람이 표시됩니다. 이 일람에서 「BD90640EFJ」의 「Simulation」 버튼을 클릭하면, ROHM Solution Simulator가 기동함과 동시에 BD90640EFJ의 시뮬레이션 회로가 표시됩니다. Simulation에는 「Frequency Domain」과 「Time Domain」의 2종류가 있습니다. 이번에는 먼저 주파수 특성을 시뮬레이션하는 것이므로, Frequency Domain의 Simulation 버튼을 클릭하여 주십시오. Time Domain에 대해서는 나중에 설명하겠습니다.

시뮬레이션이 기동하면, ④와 같은 회로도가 기재된 「SCHEMATIC INFORMATION」 화면이 표시됩니다. IC의 형명 등에 문제가 없는지 확인한 후, 회로도 또는 중앙 부근의 Run 마크 (▶)를 클릭하면 ⑤의 화면으로 전환되어, 시뮬레이션과 부품 정수 등을 변경할 수 있습니다. 각 외장 부품의 정수는 평가 회로와 동일합니다. 위상보상 저항 R3은 적색 동그라미로 표시한 부분입니다. 평가 회로에는 FRA 접속용으로 R100이 삽입되어 있지만, 이 회로에서는 해당 부분에 위상 · 게인 측정용 「AC Open-loop Transfer Function Measurement Loop Insert Model」이 삽입되어 있으며, 이미 이 모델로 취득한 보드 선도가 제시되어 있습니다. 시뮬레이션은 ⑤ 화면의 상부, 적색 동그라미로 표시한 ▶ 마크를 클릭하면 시작됩니다.

원하는 R3으로 변경한 경우의 주파수 특성을 취득하기 위해서는, R3을 더블 클릭하면 ⑥과 같은 R3의 Property Editor가 표시되므로, RESISTANCE_VALUE를 디폴트의 20k에서 3k와 62k로 변경하여, 각각 시뮬레이션을 실행합니다. 몇 초 만에 결과가 출력됩니다.

－컴퓨터의 실제 조작 화면을 보니, 정말 간단하네요. 특히, 회사나 본인의 컴퓨터에 별도의 프로그램을 인스톨하지 않고도 바로 시뮬레이션 할 수 있다는 점이 좋은 것 같습니다. 게다가 시뮬레이션 결과가 단 몇 초 만에 출력된다는 점이 놀랍습니다.

감사합니다. 인터넷에 접속되기만 하면 바로 사용할 수 있으므로, 우선 사용해보시길 권해드립니다. 특히, 주파수 특성을 시뮬레이션하기 위해 구비하고 있는 Frequency Domain 회로는 순간적으로 결과를 출력할 수 있도록 독자적인 모델링을 실행하고 있습니다.

이번에는, 주파수 특성의 시뮬레이션 결과와 실측한 특성을 비교 검토하겠습니다. 이를 위해서는 보드 선도 이외에 출력의 부하 과도 응답 파형에 따라 위상보상이 적정한지의 여부를 판단해야 하므로, 과도 응답 파형이 필요합니다. 앞서 언급한 Time Domain의 시뮬레이션 회로 모델을 사용하면, 부하 과도 응답의 파형을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한, 그 밖에도 회로의 각 노드 전압과 전류의 파형 등도 시뮬레이션할 수 있습니다.

먼저, Time Domain의 시뮬레이션 모델을 기동합니다. ③의 Switching Regulators 일람으로 되돌아가 ⑦과 같이 BD90640EFJ의 Time Domain 항목의 Simulation 버튼을 클릭합니다. ④와 같이 SCHEMATIC INFORMATION 화면이 표시되고, 회로도 또는 중앙 부근의 Run 마크 ()를 클릭하면, 시뮬레이션 화면으로 전환됩니다 (⑧). ⑧의 시뮬레이션 회로는 기본 회로와 동일하지만, 입력전압 투입 시의 스위칭 노드 전압과 출력전압의 기동 파형을 모니터링할 수 있는 시뮬레이션입니다. DC-DC 컨버터의 기본 동작 및 기동 시간 등의 확인에 도움이 되는 회로이지만, 부하 과도 응답의 시뮬레이션을 위해서는 약간의 수정이 필요합니다.

ROHM Solution Simulator 상에서는 정수의 파라미터만 변경할 수 있으며, 회로의 변경이나 소자의 추가는 불가능하므로, 수정을 위해서는 ROHM Solution Simulator의 플랫폼인 「SystemVision^® Cloud」로 이행해야 합니다. 이행은 간단합니다. 시뮬레이션 화면 오른쪽 아래의 적색 테두리로 표시한 「Edit in systemvision.com」 버튼을 클릭하면, ⑨와 같은 화면으로 전환됩니다. 왼쪽 사이드 메뉴에 부품 선택지가 표시되므로, 필요한 부품을 선택하여 화면상에 반영함으로써 회로도를 수정합니다.

⑨는 과도 응답 특성의 시뮬레이션에 필요한 펄스 전류원 (Current Source – Pulsed)과 전류 모니터 (Current Monitor)의 부품을 회로도 상에 드래그하여 반영한 이미지입니다. ⑩은 펄스 전류원이 부하가 되도록 결선하여, 전류 모니터를 출력 라인에 삽입하고, 프로브를 출력전압 (청색)과 출력전류 (적색)에 접속한 회로도입니다. 이것으로 펄스 전류원의 파라미터를 응답 확인 조건으로 별도 설정하고, 주파수 특성의 시뮬레이션과 동일하게 위상보상 저항 R3의 값을 변경하여 시뮬레이션 데이터를 취득합니다.

－기본이 되는 시뮬레이션 모델을 사용해서 회로를 수정하면, 여러가지 시뮬레이션이 가능해지는 것이군요. 게다가 수정 방법도 정말 간단하네요.

그렇습니다. 기본 조작만 기억하면, 사용은 특별히 어렵지 않습니다. 그럼, 시뮬레이션 결과와 실측의 특성을 비교해보겠습니다.

먼저, 보드 선도입니다. 위상, 게인 모두 곡선의 특징은 거의 유사하다고 할 수 있지만, 제로 크로스 주파수 (Fc)는 각각에 편차가 보여집니다. 이는 시뮬레이션의 경우, 부품 정수는 허용차가 없는 값으로 설정되어 평가 기판의 부품과는 다소 차이가 있다는 점과, 실제 기판에 존재하는 기생 성분이 모두 반영되지 않았다는 점, 이상적인 동작이라는 점 등, 다양한 요인이 있습니다. 단, R3의 증감에 따른 경향에 대해서는 기준으로서 충분히 도움이 되는 시뮬레이션 데이터를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 세라믹 콘덴서의 DC 바이어스 특성을 고려한 값을 대입하는 등, 입력하는 파라미터의 정밀도를 높임으로써 결과의 정밀도도 높일 수 있습니다.

－앞서 확인한 R3의 저항치에 따라 제로점의 주파수가 변하고, 위상 여유와 응답성이 변한다는 원리로, R3을 낮추면 위상 여유는 증가하지만 응답이 늦어지고, R3을 높이면 위상 여유는 저감되지만 응답은 빨라진다는 특성 변화에 대한 내용이군요.

그렇습니다. 부하 과도 응답의 파형에서 이러한 원리를 확인할 수 있습니다. 동일한 이유에서 파형은 실측과 완벽하게 동일하지는 않지만, 보시는 바와 같이, 특징에 대해서는 알기 쉬운 시뮬레이션 결과가 얻어진다고 생각합니다. 모든 파형에서, R3이 작아지면 응답이 저하되고 부하의 변화에 대해서도 출력전압이 크게 변동하는 경향이 나타나고 있습니다. 그리고, R3이 커지면 응답이 향상되고 출력전압의 변동이 작아지는 경향이 나타나고 있습니다.

－R3＝62kΩ일 때의 실측 파형의 변동 부분이 확대되어 있는 이유는 무엇입니까?

이는 부하 과도 응답 시에 링잉 (ringing)이 발생하는 것을 보여주기 위함입니다. 부하 응답이 향상된 반면 위상 여유가 감소하여 안정성이 저하된 결과입니다.

－DC-DC 컨버터의 주파수 특성과 부하 과도 응답의 시뮬레이션 데이터와 실측 데이터를 비교한 결과에 대해 정리하여 주십시오.

먼저, DC-DC 컨버터의 평가 항목 중에 안정성과 응답성은 매우 중요한 특성입니다. 그리고, 이러한 항목의 평가를 위해서는 FRA를 사용하여 주파수 특성을 측정하고, 전원 IC의 위상 조정용 단자를 사용하여 최적화할 필요가 있습니다. 이번 예에서는 BD90640EFJ의 VC 단자의 위상보상 저항 값을 표준치에서 증감시키면서 특성 변화를 확인했습니다. 이러한 평가를, 평가 보드 및 실제 기기 등 실물에서 실시하기 위해서는 FRA를 접속하기 위한 기판의 가공, 저항 및 콘덴서 등의 대체 작업 등을 시행 착오를 거쳐 반복해야 하므로 작업이 번거로울뿐만 아니라, 최근의 고밀도 실장 추세에서는 이러한 작업이 불가능한 경우도 있습니다. 그리고, 기본적으로 FRA를 이용할 수 없는 경우도 적지 않습니다.

이러한 경우에 시뮬레이션을 이용하면, 매우 간단히 부품 정수를 변경하여 특성을 확인할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과는 기본적으로 실측과의 편차는 있지만, 부품 정수의 변화에 따른 변동의 경향을 파악할 수 있으므로, 이를 바탕으로 적정한 부품 정수의 목표로 삼을 수 있습니다. 시뮬레이션을 이용함으로써 DC-DC 컨버터의 주파수 특성에 대한 최적화 작업이 상당히 경감되어, 설계의 속도 역시 향상됩니다.

－그러면, ROHM Solution Simulator 이용에 도움이 되는 자료가 있을까요?

ROHM Solution Simulator 특설 페이지에 접속하면, 유저 매뉴얼과 화이트 페이퍼를 다운로드할 수 있도록 링크가 게재되어 있습니다. 또한, 개요 및 도입 방법에 대해 설명한 동영상도 게재되어 있습니다. 기본적으로는 특설 페이지에서 ROHM Solution Simulator에 관한 모든 정보를 입수할 수 있습니다.

－이번에 이용한 시뮬레이션 회로는 지속적으로 추가된다고 들었습니다.

네, 그렇습니다. 현재는, 크게 Power Device Solution Circuit과 ICs Solution Circuit이 구비되어 있으며, 두가지 모두 파워 관련 아이템입니다. 파워 디바이스의 어플리케이션은 고전압 · 대전력이므로 평가가 매우 어렵기 때문에 시뮬레이션을 적극적으로 이용하는 것이 좋습니다. IC의 경우, 이번 예와 같이 설계 및 평가의 보조 수단으로서 활용하여 주십시오. 두가지 모두 개발을 지속적으로 추진하여 대응 아이템 수를 추가하고 있습니다.

제품 정보

• ROHM Solution Simulator