개요
인덕터 DC 저항(DCR) 전류 검출 기법을 적용한 새로운 세대의 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러를 활용하면 매우 높은 효율과 전력 밀도를 달성하는 전원 시스템 설계가 가능하다. 이 글에서는 기존 솔루션과 비교할 때 인덕터 DCR 전류 검출 솔루션의 이점에 대해 알아본다.
머리말
4-스위치 벅-부스트 컨버터는 입력 전압보다 높거나 낮거나, 혹은 같을 수도 있는 출력 전압을 발생하고자 할 때 인기 있고 잘 알려진 방법이다. 이 컨버터는 입력 단락 회로나 출력 단락 회로 같은 극단적인 결함 조건일 때 입력/출력(I/O)을 차단한다. 4-스위치 벅-부스트 컨버터는 배터리로 구동되는 기기나 차량용 시스템, 그리고 범용 산업 애플리케이션에서 과전류 및 과전압 보호와 함께 널리 사용된다.
새로운 DCR 인덕터 전류 검출 기술
이전의 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러는 전류 검출을 위해 외부 전류 검출 저항을 사용하는 데 반해, LTC7878은 인덕터 전류 검출을 위해 인덕터 DCR을 사용하도록 설계된 최초의 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러이다. 이 디바이스는 새로운 피크 전류 모드 제어 방식을 사용해서, 레귤레이터가 벅 동작이든 부스트 동작이든 혹은 벅-부스트 동작이든 상관없이 사이클-대-사이클로 피크 전류 제한이 가능하다. 5V ~ 70V의 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐 출력을 1% 정확도로 1V ~ 70V까지 레귤레이트할 수 있다. 이 새로운 벅-부스트 컨버터는 전류 검출 저항을 사용할 필요가 없어 전력 손실을 없애고 솔루션 크기를 줄일 수 있다. 비싼 고전력 전류 검출 저항들이 필요치 않기 때문에 시스템 비용도 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 인덕터 DCR 전류 검출이 지속적으로 인덕터 전류 정보를 제공함으로써 다위상 다중 IC 구성으로 통일된 피크 전류 모드 제어와 손쉬운 병렬 동작을 가능하게 한다.
인덕터 전류 검출을 적용한 4-스위치 벅-부스트 컨버터
많은 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러들이 폐루프 작동을 위한 I/O 전류와 인덕터 전류를 검출하기 위해 2개 혹은 그 이상의 전류 검출 저항을 필요로 한다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 전류 모드 제어 루프에 사용되는 전류를 검출하는 데 한 개의 전류 검출 저항만을 필요로 하는 독창적인 벅-부스트 컨트롤러 제품들을 제공한다. 그림 1은 기존의 많은 제품에 사용되는 접지 레퍼런스 전류 검출 기법을 보여준다. 이 기법은 간단하며 IC 내부에 손쉽게 구현할 수 있다. 하지만 이 기법은 스위치 B나 스위치 C가 턴온할 때만 인덕터 전류를 검출할 수 있다. 이것은 각각 벅 구간일 때의 인덕터 밸리 전류이거나 부스트 구간일 때의 피크 전류이다. 두 MOSFET(B와 C)이 모두 전류 검출 저항에 연결되고 두 MOSFET을 서로 가깝게 배치해야 하기 때문에 PCB 레이아웃 옵션이 제한적이다.
그림 2는 스위칭 노드 레퍼런스 전류 검출 기법을 적용한 또 다른 벅-부스트 컨트롤러를 보여준다. 전류 검출 저항이 인덕터와 직렬로 놓이기 때문에, 이 저항이 인덕터 전류를 지속적으로 검출할 수 있다. 하지만 스위치 A와 스위치 B가 턴온/턴오프할 때 스위칭 노드에서 이 검출 저항의 전압이 입력 전압과 접지 사이에서 위아래로 스윙한다. 따라서 공통 모드 잡음을 최소화하기 위해서는 전류 검출 회로가 공통 모드 제거비(common-mode rejection ratio, CMRR)가 매우 높아야 한다. 수십 볼트에 달하는 공통 모드 전압과 비교할 때, 검출되는 인덕터 전류 신호는 50mV ~ 100mV 대에 불과하므로 전원 스테이지 스위칭 동안 이 신호가 쉽게 왜곡될 수 있다. 이 잡음을 피하기 위해, 그림 2처럼 전류 비교기들을 차단하고 이들의 입력을 턴오프한다. 검출되는 신호가 연속적임에도 불구하고, 짧은 블랭킹 시간으로 인해서 짧은 시간 동안 인덕터 전류 정보를 이용하지 못한다.
그림 3은 LTC7878에 적용된 인덕터 DCR 전류 검출 기법을 보여준다. RC 검출 네트워크의 시간 상수를 인덕턴스 및 DCR과 매칭함으로써(L/DCR = Rs x Cs), 인덕터 전류가 검출 네트워크(Cs) 상에서 전압 신호로 변환되며, 이득은 인덕터의 DCR이다. BST1/SW1 회로 아래 쪽에 전류 비교기가 설계되어 있는데, 이는 작동하는 동안 VIN-GND 스위칭 노드에 따라서 스윙한다. 전류 비교기와 스위칭 노드 상의 동일한 공통 모드 전압 때문에, SW1이 스위칭할 때 전류 비교기 입력을 DCR 검출 신호로부터 차단하지 않아도 된다. 이와 같은 방법으로 인덕터 전류를 사이클-대-사이클로 레귤레이트하고 지속적으로 제한한다. 스위칭 노드 레퍼런스 전류 검출 기법과 비교하면, BST1/SW1 아래에 단 한 개의 비교기만 요구된다. 뿐만 아니라 다양한 DCR 값을 지원하고 다양한 인덕터를 사용하는 것이 가능하다. DCR이 낮은 인덕터 같은 경우에는 ISNSD 핀을 설정해서 신호를 증폭하고 신호대 잡음비(SNR)를 보통의 DCR 검출 기법보다 4배 더 높게 향상시킬 수 있다. 이 같이 높은 SNR 설계는 시스템 신뢰성을 크게 향상시키고 다양한 듀티 사이클에 걸쳐서 안정적인 스위칭 동작을 달성한다.
다위상 병렬 동작
인덕터 DCR 전류 검출과 함께 연속적인 인덕터 전류 정보를 이용할 수 있기 때문에 통일된 피크 전류 모드 제어 회로를 LTC7878에 구현할 수 있다. 이는 많은 피크 전류 모드 벅 또는 부스트 DC-DC 컨트롤러와 마찬가지로, 다위상 동작을 가능하게 한다. 모든 ITH 핀들을 공유하고 모든 CLKOUT 핀들을 데이지 체인으로 연결하는 방법으로, 여러 LTC7878 디바이스를 병렬로 연결해서 부하에 더 많은 전류를 제공할 수 있다. 모든 채널들에 걸쳐서 부하 전류를 고르게 분배하고, 인덕터들 간에 전류를 공유함으로써, 열 평형과 높은 효율을 보장한다. ADI 고유의 사이클-대-사이클 인덕터 전류 공유가 스타트업과 부하 트랜션트 시 인덕터들의 과전류 스트레스를 낮춤으로써 시스템 신뢰성을 높인다.
그 밖의 특징
스위칭 주파수를 100kHz ~ 600kHz로 프로그램할 수 있으며 또는 외부 클럭에 동기화할 수도 있다. 내장된 7V NMOS 게이트 드라이버는 로직 레벨 또는 비-로직 레벨 MOSFET을 구동할 수 있다. 그 밖에 다른 특징으로는 지능적인 외부 VCC바이어스 핀, PGOOD 지시기 핀, 그리고 서로 다른 전류 한계 설정을 통해 선택 가능한 불연속 전도 모드/연속 전도 모드(DCM/CCM) 동작을 들 수 있다. LTC7878은 최대 70V의 입력에 사용될 수 있고, 출력은 1V ~ 70V로 프로그램할 수 있으며, 5 x 5mm QFN 패키지로 제공된다.
맺음말
LTC7878은 인덕터 DCR 전류 검출을 적용한 고성능 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러이다. 벅, 부스트, 벅-부스트 구간에서 피크 전류 모드 제어를 사용하고, 항상 사이클-대-사이클 피크 전류 제한과 보호를 제공한다. 인덕터 DCR 전류 검출을 사용해서 높은 효율을 달성하고 부품 비용을 줄이도록 한다. 더 높은 전력을 제공하기 위해 다위상 아키텍처로 여러 디바이스를 손쉽게 병렬로 연결할 수 있다.
저자 소개
슈 장(Xu Zhang)은 중국 베이징의 칭화 대학에서 2000년과 2003년에 각각 전기공학 학사학위와 석사학위를 취득했다. 2009년에는 미국 콜로라도주 볼더에 위치한 콜로라도 대학 – 볼더 캠퍼스에서 전기공학 박사학위를 취득했다. 2010년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사해서 고전압 고전력 차지 펌프 컨트롤러, 스위치드 커패시터를 적용한 혁신적인 하이브리드 벅 컨트롤러, 양방향 벅 컨트롤러, 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러를 비롯한 다수의 업계 최초 전원 컨트롤러 IC를 설계했다. 현재는 전원 컨트롤러 그룹을 이끌고 있으며, 고성능 실리콘 기반 전원 레귤레이터 및 컨트롤러 개발을 책임지고 있다.