풀(Full) 아날로그 제어로 출력 레귤레이션을 구현하는 벅 및 부스트 컨버터 설계 방법
글. 미흐네아 로수(Mihnea Rosu), 마이크로칩(Microchip Technology Inc)
100퍼센트 아날로그 제어로 출력 레귤레이션을 구현하는 동기식 벅 컨버터나 부스트 컨버터를 동일한 마이크로컨트롤러를 사용하여 설계할 수 있다. 이 경우 벅 컨버터나 부스트 컨버터 모두 프로세서 성능을 필요로 하지 않으므로 프로세서 코어로 좀 더 복잡한 펌웨어를 실행할 수 있다. 또한 아날로그 루프는 부하 스텝과 입력 전압 변동에 대해 응답 시간이 훨씬 더 빠르기 때문에 많은 애플리케이션에서 유용하다.
마이크로칩의 PIC16F753은 바로 여기에 적합한 마이크로컨트롤러이다. 벅 컨버터와 부스트 컨버터 모두 상보형 출력 발생기, 비교기, 연산 증폭기, 9비트 아날로그-디지털 컨버터, 고정 전압 레퍼런스, 슬로프 보상 모듈, PWM 캡처 및 컴페어 모듈(CCP) 등의 동일한 주변장치 세트를 필요로 한다. 이들 주변장치들은 펌웨어를 통해 내부로 연결할 수 있으므로 필요한 외부 핀 수를 줄일 수 있다.
회로 다이어그램
아래에서 설명하는 벅 컨버터의 입력 동작 범위는 8V~16V DC이고 출력은 5V DC/2A, 10W이다. 코드 크기는 105워드이고, RAM 크기는 0바이트이다. 가용 코드 크기는 1943워드이고, 가용 RAM 크기는 128바이트이다. 효율은 2A일 때 94퍼센트이다.
그림 1은 동기식 벅 컨버터의 블록 다이어그램을 보여준다. 피크(peak) 전류 모드 제어를 사용해서 출력 전압을 레귤레이트하고, 오차 연산 증폭기(OPA)가 이것을 레퍼런스 전압과 비교한다. 그런 다음 이 결과값을 피크 전류 비교기로 전달한다. 피크 전류 비교기에 앞서 내부 슬로프 보상 모듈이 에러 증폭기 출력으로부터 소프트웨어 프로그래머블 경사를 감산한다. CCP(capture and compare PWM) 모듈은 고정-주파수 고정-듀티(duty) 사이클 제어 신호를 제공하며, 상보형 출력 발생기(COG) 하강 에지를 위한 이차 소스로는 피크 전류 비교기 출력이 선택되었다.
부스트 컨버터 역시 같은 방식으로 작동하며, 그림 2는 부스트 컨버터의 블록 다이어그램이다. 다만 사양에서 몇 가지 다른 점이 있는데 이 부스트 컨버터의 입력 전압 범위는 3V~5V DC이다. 출력과 RAM 크기는 같다. 코드 크기는 99워드이고, 가용 코드 크기는 1949워드이다. 효율은 2A일 때 87퍼센트이다.
동작 원리
주변장치를 구성하고 연결한 뒤에는 프로세서 시간 없이도 제어 루프가 스스로 실행된다. 피크 전류 제어 기법은 발진을 방지하기 위해서 50퍼센트 이상의 듀티 사이클에 대해서 슬로프 보상을 필요로 한다. 이보다 낮은 듀티 사이클의 경우에는 전류 션트(shunt)가 작다면 슬로프 보상을 하는 것이 제어 루프를 안정화하는 데 유리할 수 있다. PIC16F753은 내부 슬로프 보상 모듈을 갖추고 있으므로, 프로그래머블 경사가 피크 전류 비교기로 전달되기 전에 오차 증폭기 출력으로부터 이를 감산할 수 있다.
동기식 스위칭 파워 서블라이는 전류 슛스루(shoot-through)를 방지하기 위해 트랜지스터 제어 신호로서 낮은 데드 타임을 요구한다. COG는 오실레이터 주파수나 아날로그 지연 체인을 근거로 하여 이 신호를 발생시킬 수 있다. 지연 체인을 사용하면 사용자가 5ns 분해능으로 데드 타임을 설정할 수 있으며, 이는 작은 트렌지스터에 더 적합하다. 이 애플리케이션은 데드 타임을 30ns로 설정하고 있다.
벅 토폴로지에서는 인덕터 전류가 부하 전류와 같다. 로우사이드 션트를 사용하여 피크 인덕터 전류를 측정하기 위해서는 어느 정도 변경이 필요했다. 통상적으로 피크 전류 제어 기법에 의해 사용되어지지 않는 필터링된 출력 전류로 간주한다. 션트를 통해 그라운드에 출력 커패시터를 연결함으로써 ESR은 더 높아지지만 그 결과 파형은 인덕터 전류 파형과 유사하게 일치한다. 이 방법은 효율이 다소 떨어진다는 단점이 있지만, 하이사이드 션트를 사용할 경우 보통 추가 회로(전류 미러나 특수 IC)를 필요로 하므로 비용이 증가한다.
부스트 토폴로지는 인덕터 전류가 입력 전류와 동일하다. 트랜지스터 소스와 그라운드 사이에 연결된 저항에서 피크 인덕터 전류를 직접 측정하였다.
입력 및 출력
이 제어 루프는 출력 전류 제한 기능을 포함하지 않으므로, 이를 위해 이차 비교기를 사용하고 COG를 위한 자동 셧다운 소스로 작동하도록 해야 한다. 오차 증폭기 출력은 인덕터 피크 전류 한계이므로, 저항 디바이더를 사용해서 이 값을 낮게 유지함으로써 돌입 전류 문제와 재난적인 단락 회로 상태를 방지할 수 있다. 이 방법의 단점은 시스템 게인이 낮아지고 트랜션트에 더 느리게 응답한다는 것이다. 연산 증폭기 출력 핀이 슬로프 보상 모듈 입력 핀과 같으므로, 추가 외부 연결 없이도 두 주변장치 기능을 연결할 수 있다. 저항 디바이더를 사용해서 연산 증폭기 출력 전압을 제한하려면 외부적으로 고정 전압 레퍼런스(FVR) 버퍼 입력 핀으로 배선해야 한다.
부스트 컨버터 상의 입력 전압은 소형 다이오드(diode)를 사용해서 마이크로컨트롤러로 연결하고 출력으로 부트스트랩(bootstrap)해야 한다. 따라서 출력 전압이 상승하면 이는 마이크로컨트롤러와 MOSFET 드라이버를 구동한다. 대다수 전력 트랜지스터에서 더 높은 VGS는 RDS(ON)을 향상시키고 4.5V 미만의 인터벌은 문제가 될 수 있으므로, 이는 더 효율적인 방법이다. 또한 이 때문에 FVR은 유일하게 사용할 수 있는 안정적인 레퍼런스이며, 루프 레퍼런스 전압이 항상 전원 또는 출력 전압과 독립적으로 유지되기 위해서는 몇 가지 사항을 변경해야 한다. 제어 루프 레퍼런스 전압은 DAC로부터 도출되므로 이 주변장치 역시 안정적인 레퍼런스를 필요로 한다. DAC 레퍼런스로는 1.2V의 FVR을 선택하였고, 이러한 모든 요구를 충족시킨다.
부스트 토폴로지는 전원 소스에서부터 인덕터와 정류기 다이오드를 거쳐서 출력에 이르는 깨끗한 DC 경로를 사용하고 있다. 다만 스위칭 트랜지스터는 차단된다. 전류 제한 루프는 스위칭 주파수가 0이 될 때까지만 과전류를 방지할 수 있다. 이 시점부터는 추가적인 보호 스위치를 사용하지 않으면 재난적인 단락 회로 이벤트가 발생할 수 있다. 출력 로우사이드에 이차 트랜지스터를 배치하면 단락 회로 발생 시 부하를 차단할 수 있다.
비교기 기반 단락 회로 보호를 위해서는 레퍼런스가 전체적인 전압 동작 범위에 걸쳐서 안정적이어야 한다. 대개 출력 전류 션트 전압은 1.2V FVR을 직접적으로 사용하기에는 너무 낮으므로, 비교기로 원하는 레퍼런스 전압을 달성하기 위해서는 외부적으로 FVR 버퍼로 배선하고 그런 다음 저항 디바이더로 배선해야 한다. 이런 식으로 FVR 버퍼를 사용하므로 추가 디바이도 없이도 연산 증폭기 출력을 슬로프 보상 모듈에 곧바로 사용할 수 있다. 이 방법은 프로세서 시간을 사용하지 않으나 좀더 많은 핀과 주변장치를 사용한다. ADC 기반 단락 회로 보호의 경우 펌웨어에서 전류 션트 전압과 FVR을 읽는다. VDD를 계산하기 위해서는 FVR 전압이 필요하며(5V 미만일 경우), 이 경우에는 ADC 레퍼런스 전압이다. 이 방법은 추가적인 비교기, I/O 핀, 외부 저항을 사용하지 않지만 어느 정도의 프로그램 공간과 프로세서 시간을 필요로 한다.
특정 부하에 따라서 컨버터를 보상해야 하고, 전체적인 동작 범위에 걸쳐서 안정성을 검증하는 것이 필요하다.
특화된 PWM 컨트롤러 칩을 사용할 때와 비교해 보면, PIC 마이크로컨트롤러는 비슷한 성능을 보이면서도 유연성을 더하고 있다. 또한 아날로그 제어 루프가 스스로 실행되므로 마이크로컨트롤러 코어로 사용자 알고리즘을 실행하거나, 전원 파라미터를 측정하거나, 관련 정보를 전송하는 등 자유롭게 사용할 수 있다.
응용 애플리케이션
아날로그 제어 루프는 동적인 부하 및 입력 전압 변동에 대해서 응답이 빠르다. LED나 열전 소자 같은 전류 제어 부하는 전압 피드백을 평균 전류 피드백으로 대체할 수 있다. 이러한 전원장치는 CC 및 CV 배터리 충전기 같이 전압 및 전류 제어 둘 다 필요로 하는 애플리케이션에도 사용할 수 있다. PIC16F753의 DAC는 9비트 분해능을 가지며, 이는 벅 컨버터로 하프 출력 디바이더 사용 시 20mV 그리고 부스트 컨버터로 1/5 출력 디바이더를 사용할 때는 50mV의 최소 전압 스텝에 해당된다. 이 애플리케이션은 각 한 개씩의 연산 증폭기, 비교기, DAC를 필요로 한다. DAC 출력을 연산 증폭기로 내부적으로 연결할 수 있으므로 하나의 핀을 절약할 수 있다. CCP 모듈은 COG를 위해서 고정-주파수 고정-듀티 사이클 신호를 생성한다. OPA 출력 제한에 관한 사용자 선택에 따라서 저항 디바이더를 외부적으로 FVR 버퍼 입력에 연결한다. 저항 디바이더를 사용하지 않으면 2개가 아니라 1개의 핀만 쓰인다. 이 경우 슬로프 보상 모듈 입력과 동일한 연산 증폭기 출력이 아날로그 핀으로 구성되며, 다른 용도로는 사용하면 안 된다. 입력 전용 디지털 핀은 버튼이나 유사한 기능에 사용할 수 있다. 런타임 도중 프로그래밍 데이터 I/O 핀과 2개의 다른 핀은 사용자 지정 기능에 따라 자유롭게 사용 가능하다.
또 다른 부스트 컨버터
PIC12F1501을 사용하면 디지털 제어 부스트 컨버터를 설계할 수 있다. 이 컨버터는 경부하 시에 효율이 우수하고, 하드웨어 과부하 보호 기능을 제공하며, 적은 수의 부품을 필요로 한다. 필요한 주변장치는 2개 10비트 ADC 채널, FVR, 비교기, 수치 제어 오실레이터, 상보형 파형 발생기이다. 이들 주변장치를 펌웨어를 통해서 내부적으로 연결할 수 있으므로 외부 핀 수를 3개로 줄일 수 있다. 그림 3은 이 컨버터의 블록 다이어그램을 보여준다.
출력 전압과 전류를 비율식(proportional) 제어 루프를 사용해서 레귤레이트한다. 2개의 ADC 채널을 사용해서 출력 값을 읽고, 그에 따라 제어 신호를 조절한다. 수치 제어 오실레이터는 가변 주파수가 내장된 고정 온-타임 펄스를 사용해서 듀티 사이클 펄스 주파수 변조를 조절한다.
맺음말
이 글에서는 어떻게 마이크로칩 마이크로컨트롤러를 사용해서 벅 컨버터와 부스트 컨버터를 설계할 수 있는지 살펴보았다. 이 컨버터들은 프로세싱 성능을 필요로 하지 않으므로, 그만큼 남는 성능을 다른 작업에 사용할 수 있다. 앞서 설명한 세 경우 모두 최소한의 주변장치만을 사용해서 각자의 설계 목표를 달성하고 있다.
