기술기고문
5V ~ 24V 입력 전압으로 동작하는 양극성, 양방향, 소스 및 싱크 전류 공급용 DC/DC 컨버터
글: 빅터 카시에프(Victor Khasiev) 선임 애플리케이션 엔지니어(Senior Applications Engineer) /
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
대부분의 전자 시스템은 양(+) 또는 음(-)의 전원 전압 레일을 사용하는데, 일부 애플리케이션은 음과 양 둘 다 될 수 있는 레일을 필요로 한다. 다시 말해 동일한 단자로 양이나 음의 전원을 제공할 수 있으며 출력 전압을 극성을 가로질러서 전체 전압 범위에 걸쳐서 매끄럽게 변화시킬 수 있는 것이다. 예를 들어 몇몇 자동차나 오디오 애플리케이션은 전통적인 전압 소스에 더해서, 출력 단자로부터 부하와 싱크 전류로 동작할 수 있는 전원 공급을 필요로 한다. 자동차의 회생 제동 시스템(regenerative braking)이 그러한 예이다. 그런데 단일 단자 양극성(bipolar) 전원에 대해서는 잘 알려져 있으나, 콜드 크랭크 같이 입력 전압이 떨어질 때도 잘 작동하고 양방향 기능을 제공할 수 있는 솔루션에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 이 글에서는 입력 전압이 변화하더라도 잘 작동하고 출력에서 입력으로 역방향으로 전류 흐름이 가능한 솔루션을 소개한다.
양극성 양방향 전원 회로
그림 1은 2스테이지 전원장치를 보여주는 것으로서, 4-quadrant 컨트롤러(스테이지 2) U1을 기반으로 한다(주: 4-quadrant는 출력 전류를 소싱/싱킹하거나 출력 전압을 포지티브/네거티브로 가변 가능하다는 의미). 이 4-quadrant 컨버터는 중간 버스 컨버터 VINTER(스테이지 1)로부터 전력이 제공되며, 12V ~ 24V의 최소-최대 범위와 공칭 12V ~ 16V의 출력 전압을 제공하므로 표준 자동차 배터리 레일의 공칭 전압 범위와 일치한다. 전체적인 2스테이지 컨버터 출력은 부하에 ±10V, 3A 전류를 제공한다. 출력 전압은 컨트롤러 U1의 CTRL 핀 상의 전압 소스 CONTROL 신호에 의해 제어된다.
저역통과 필터 CF, RF는 제어 신호가 급격하게 변화하는 것을 완화한다. 파워 트레인은 2개의 MOSFET(N-채널 QN1과 P-채널 QP1)과 2개의 디스크리트(인덕터 L1과 L2), 그리고 출력 필터를 포함한다. 하나의 결합된 인덕터가 아니라 2개의 디스크리트 인덕터를 선택함으로써 자기 소자의 선택 폭을 넓힐 수 있으며 사전에 인증 받고 테스트를 거친 초크를 사용할 수 있다. 출력의 이중 극성 특성 때문에 출력 필터는 전적으로 세라믹 커패시터로 이루어졌다.
전체적인 2스테이지 컨버터의 입력 전압 범위는 5V ~ 24V이므로, 자동차 전자장치에서 콜드 크랭크 전압 강하나 산업용 애플리케이션의 브라운아웃 시에도 잘 작동할 수 있다. 컨트롤러 U2를 기반으로 한 부스트 컨버터(스테이지 1)는 중간 버스 전압을 12V 혹은 그 이상으로 유지한다. 부스트 컨버터의 파워 트레인은 인덕터 L3과 MOSFET Q1 및 Q2를 포함한다. 이러한 2스테이지 구성에 의해서 하위의 4-quadrant 컨버터가 정상적으로 동작하고 모든 동작 조건에서 부하로 ±10V를 제공할 수 있다.
양극성 전원으로 전류를 소싱할 때의 동작
그림 2의 오실로그램은 그림 1 회로의 동작을 보여준다. VIN으로 입력 전압이 인가되었을 때 입력이 12V 아래로 떨어지면 부스트 컨버터가 자신의 출력 VINTER를 12V로 레귤레이트 한다. VIN이 공칭 12V 자동차 레일의 12V 정격을 넘으면, 부스트 컨버터는 Pass-Thru™ 모드 혹은 와이어 모드가 된다. 이 모드일 때는 상측 MOSFET Q1이 100% 듀티 사이클로 높아진다. 그러므로 스위칭 동작이 일어나지 않고, 4-quadrant 컨버터로 인가되는 전압 VINTER는 VIN과 같은 수준으로 비교적 안정적으로 유지된다.
그림 1: 양극성 양방향 2단자 전원 회로도. VIN = 5V ~ 24V, VOUT = ±10V/3A
그림 2: VIN이 14V에서 5V로 떨어질 때의 파형. VIN = 5V/div, VOUT = 5V/div, 부스트 SW = 10V/div, 시간 스케일은 200µs/div.
이러한 방법으로 통상적인 2스테이지 디바이스(부스트 컨버터 다음에 벅/인버팅)에 비해서 시스템 효율을 크게 향상시킨다. 이는 시스템이 대부분의 시간을 보내는 Pass-Thru 모드일 때 효율이 거의 100%이고, 전원 시스템을 단일 스테이지 컨버터와 같게 만들기 때문이다. 콜드 크랭크 조건일 때와 같이 입력 전압이 12V 아래로 떨어지면, 부스트 컨버터가 스위칭을 재개해서 VINTER를 12V로 레귤레이트 한다. 이러한 방법을 통해, 입력 전압이 급격하게 떨어지더라도 4-quadrant 컨버터가 ±10V를 제공할 수 있다.
그림 3: 사인파 제어 신호에 따른 사인파 출력 파형. VCTRL = 0.5V/div, VOUT = 5V/div, 시간 스케일은 5ms/div.
제어 전압이 최대일 때(이 경우에 1.048V) 컨버터 출력은 +10V이고, 제어 신호가 최소일 때(100mV) 컨버터 출력은 -10V이다. 그림 3은 제어 전압에 따른 출력 전압을 보여준다. 제어 전압은 60Hz 사인파 신호 주파수이고 피크-대-피크 크기는 0.9048V이다. 결과적인 컨버터 출력 역시 60Hz 사인파이고 피크-대-피크 크기는 20V이다. 출력은 -10V에서 +10V로 매끄럽게 변화한다.
이 동작 모드일 때는 4-quadrant 컨버터가 출력 전압을 레귤레이트 한다. U1이 FB 핀 상의 저항 RFB를 통해서 출력 전압을 검출한다. 이 핀의 전압을 제어 전압과 비교하고, 이에 따라 컨버터의 듀티 사이클 다시 말해서 QN1로 게이트 신호를 조절해서 출력 전압의 레귤레이션을 유지한다. VINTER, CONTROL, VOUT이 변화하면, 그에 따라서 듀티 사이클을 조절해서 출력을 레귤레이트 한다. MOSFET QP1이 QN1과 동기하여 스위칭 해서 동기 정류를 함으로써 그림 4에서 보듯이 효율을 더욱 극대화한다.
그림 4: 부하 전류에 따른 효율
양극성 전원이 부하가 되어 싱크 전류를 공급할 때의 동작
이 2스테이지 레귤레이터는 전류를 소싱할 수도 있고 싱크할 수도 있다. 전류 싱크 모드일 때는 전류와 전력이 출력 VOUT에서 입력 VIN으로 역으로 흐른다. 자동차 전자장치나 일부 오디오 시스템에서는 이러한 특성이 중요하다. 이 모드를 설명할 때는 편의상 VOUT을 입력이라고 하고 VIN을 출력이라고 하겠다. 또한 이 글에서는 VINTER 버스 전압이 12V이거나 그 이상인 애플리케이션만 다루도록 하겠다.
역 전류 흐름일 때는, 4-quadrant 컨버터가 VOUT에서 VIN으로 흐르는 출력 전류를 레귤레이트 한다. 이 모드에서는 전압은 레귤레이트 하지 않는다. 4-quadrant 컨트롤러가 그림 1의 검출 저항 RS2에서 전압 강하로서 출력 전류를 검출하고, 이 전압 강하를 정해진 값(이 솔루션의 경우에 50mV)으로 유지하도록 듀티 사이클을 레귤레이트 한다.
4-quadrant 컨버터가 VINTER 버스로 전압을 발생시키고 이것이 지정된 최소값을 넘으면, 부스트 컨버터가 Pass-Thru 모드가 되고 상측 MOSFET Q1이 계속해서 온(on)으로 동작해서 되도록 손실을 최소화하면서 VIN(부하) 단자로 사전에 정해진 값의 출력 전류를 제공한다.
이 동작 모드를 확인하기 위해서 테스트를 실시했다. 그림 1 회로의 VOUT을 12.5V로 설정된 실험실 전원공급장치에 연결하고 VIN은 전자 부하로 연결했다. 컨버터를 통해서 흐르는 전류는 4.5A로 설정했다. 그림 5는 이 4-quadrant 컨버터의 열 화상을 보여준다.
그림 5: 부하(역 전류) 모드일 때 4-quadrant 컨버터 파워 트레인의 열 화상. VOUT에서 12.5V 소스를 사용해서 VOUT 단자에서 VIN으로 4.5A 전류가 흐르도록 했다.
그림 6은 ADI의 2개 데모 회로를 솔더링 해서 제작한 전체적인 컨버터를 보여준다. DC2846A 부스트 컨버터 데모 회로와 DC2240A 4-quadrant 컨버터 데모 회로이다.
그림 6: ADI의 2개 데모 보드를 솔더링 해서 제작한 테스트 전원장치. 왼쪽은 LTC7804(DC2846A)이고, 오른쪽은 LT8714(DC2240A)이다.
부품 선택과 파워 트레인 계산
이들 2개 컨트롤러를 선택한 것은 이들 컨트롤러가 성능, 효율, 사용 편의성이 우수하기 때문이다. Power by Linear™ LT8714는 사용하기 편리한 4-quadrant 컨트롤러로서 고효율 동기 정류가 특징이다. LTC7804 동기 부스트 컨버터는 내부에 차지 펌프를 통합함으로써 스위칭이 필요 없는 Pass-Thru 100% 듀티 사이클 동작이 가능하다.
다음은 파워 트레인 부품에 가해지는 스트레스를 분석하고 적절한 부품을 선택하기 위한 공식 계산법에 대한 설명이다. 기능에 대한 보다 자세한 정보와 이해는이들 디바이스의 LTspice® 모델에서 확인할 수 있다.
표 1: 4-quadrant 컨버터 파워 트레인 계산
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
대부분의 전자 시스템은 양(+) 또는 음(-)의 전원 전압 레일을 사용하는데, 일부 애플리케이션은 음과 양 둘 다 될 수 있는 레일을 필요로 한다. 다시 말해 동일한 단자로 양이나 음의 전원을 제공할 수 있으며 출력 전압을 극성을 가로질러서 전체 전압 범위에 걸쳐서 매끄럽게 변화시킬 수 있는 것이다. 예를 들어 몇몇 자동차나 오디오 애플리케이션은 전통적인 전압 소스에 더해서, 출력 단자로부터 부하와 싱크 전류로 동작할 수 있는 전원 공급을 필요로 한다. 자동차의 회생 제동 시스템(regenerative braking)이 그러한 예이다. 그런데 단일 단자 양극성(bipolar) 전원에 대해서는 잘 알려져 있으나, 콜드 크랭크 같이 입력 전압이 떨어질 때도 잘 작동하고 양방향 기능을 제공할 수 있는 솔루션에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 이 글에서는 입력 전압이 변화하더라도 잘 작동하고 출력에서 입력으로 역방향으로 전류 흐름이 가능한 솔루션을 소개한다.
양극성 양방향 전원 회로
그림 1은 2스테이지 전원장치를 보여주는 것으로서, 4-quadrant 컨트롤러(스테이지 2) U1을 기반으로 한다(주: 4-quadrant는 출력 전류를 소싱/싱킹하거나 출력 전압을 포지티브/네거티브로 가변 가능하다는 의미). 이 4-quadrant 컨버터는 중간 버스 컨버터 VINTER(스테이지 1)로부터 전력이 제공되며, 12V ~ 24V의 최소-최대 범위와 공칭 12V ~ 16V의 출력 전압을 제공하므로 표준 자동차 배터리 레일의 공칭 전압 범위와 일치한다. 전체적인 2스테이지 컨버터 출력은 부하에 ±10V, 3A 전류를 제공한다. 출력 전압은 컨트롤러 U1의 CTRL 핀 상의 전압 소스 CONTROL 신호에 의해 제어된다.
저역통과 필터 CF, RF는 제어 신호가 급격하게 변화하는 것을 완화한다. 파워 트레인은 2개의 MOSFET(N-채널 QN1과 P-채널 QP1)과 2개의 디스크리트(인덕터 L1과 L2), 그리고 출력 필터를 포함한다. 하나의 결합된 인덕터가 아니라 2개의 디스크리트 인덕터를 선택함으로써 자기 소자의 선택 폭을 넓힐 수 있으며 사전에 인증 받고 테스트를 거친 초크를 사용할 수 있다. 출력의 이중 극성 특성 때문에 출력 필터는 전적으로 세라믹 커패시터로 이루어졌다.
전체적인 2스테이지 컨버터의 입력 전압 범위는 5V ~ 24V이므로, 자동차 전자장치에서 콜드 크랭크 전압 강하나 산업용 애플리케이션의 브라운아웃 시에도 잘 작동할 수 있다. 컨트롤러 U2를 기반으로 한 부스트 컨버터(스테이지 1)는 중간 버스 전압을 12V 혹은 그 이상으로 유지한다. 부스트 컨버터의 파워 트레인은 인덕터 L3과 MOSFET Q1 및 Q2를 포함한다. 이러한 2스테이지 구성에 의해서 하위의 4-quadrant 컨버터가 정상적으로 동작하고 모든 동작 조건에서 부하로 ±10V를 제공할 수 있다.
양극성 전원으로 전류를 소싱할 때의 동작
그림 2의 오실로그램은 그림 1 회로의 동작을 보여준다. VIN으로 입력 전압이 인가되었을 때 입력이 12V 아래로 떨어지면 부스트 컨버터가 자신의 출력 VINTER를 12V로 레귤레이트 한다. VIN이 공칭 12V 자동차 레일의 12V 정격을 넘으면, 부스트 컨버터는 Pass-Thru™ 모드 혹은 와이어 모드가 된다. 이 모드일 때는 상측 MOSFET Q1이 100% 듀티 사이클로 높아진다. 그러므로 스위칭 동작이 일어나지 않고, 4-quadrant 컨버터로 인가되는 전압 VINTER는 VIN과 같은 수준으로 비교적 안정적으로 유지된다.
그림 1: 양극성 양방향 2단자 전원 회로도. VIN = 5V ~ 24V, VOUT = ±10V/3A
그림 2: VIN이 14V에서 5V로 떨어질 때의 파형. VIN = 5V/div, VOUT = 5V/div, 부스트 SW = 10V/div, 시간 스케일은 200µs/div.
이러한 방법으로 통상적인 2스테이지 디바이스(부스트 컨버터 다음에 벅/인버팅)에 비해서 시스템 효율을 크게 향상시킨다. 이는 시스템이 대부분의 시간을 보내는 Pass-Thru 모드일 때 효율이 거의 100%이고, 전원 시스템을 단일 스테이지 컨버터와 같게 만들기 때문이다. 콜드 크랭크 조건일 때와 같이 입력 전압이 12V 아래로 떨어지면, 부스트 컨버터가 스위칭을 재개해서 VINTER를 12V로 레귤레이트 한다. 이러한 방법을 통해, 입력 전압이 급격하게 떨어지더라도 4-quadrant 컨버터가 ±10V를 제공할 수 있다.
그림 3: 사인파 제어 신호에 따른 사인파 출력 파형. VCTRL = 0.5V/div, VOUT = 5V/div, 시간 스케일은 5ms/div.
제어 전압이 최대일 때(이 경우에 1.048V) 컨버터 출력은 +10V이고, 제어 신호가 최소일 때(100mV) 컨버터 출력은 -10V이다. 그림 3은 제어 전압에 따른 출력 전압을 보여준다. 제어 전압은 60Hz 사인파 신호 주파수이고 피크-대-피크 크기는 0.9048V이다. 결과적인 컨버터 출력 역시 60Hz 사인파이고 피크-대-피크 크기는 20V이다. 출력은 -10V에서 +10V로 매끄럽게 변화한다.
이 동작 모드일 때는 4-quadrant 컨버터가 출력 전압을 레귤레이트 한다. U1이 FB 핀 상의 저항 RFB를 통해서 출력 전압을 검출한다. 이 핀의 전압을 제어 전압과 비교하고, 이에 따라 컨버터의 듀티 사이클 다시 말해서 QN1로 게이트 신호를 조절해서 출력 전압의 레귤레이션을 유지한다. VINTER, CONTROL, VOUT이 변화하면, 그에 따라서 듀티 사이클을 조절해서 출력을 레귤레이트 한다. MOSFET QP1이 QN1과 동기하여 스위칭 해서 동기 정류를 함으로써 그림 4에서 보듯이 효율을 더욱 극대화한다.
그림 4: 부하 전류에 따른 효율
양극성 전원이 부하가 되어 싱크 전류를 공급할 때의 동작
이 2스테이지 레귤레이터는 전류를 소싱할 수도 있고 싱크할 수도 있다. 전류 싱크 모드일 때는 전류와 전력이 출력 VOUT에서 입력 VIN으로 역으로 흐른다. 자동차 전자장치나 일부 오디오 시스템에서는 이러한 특성이 중요하다. 이 모드를 설명할 때는 편의상 VOUT을 입력이라고 하고 VIN을 출력이라고 하겠다. 또한 이 글에서는 VINTER 버스 전압이 12V이거나 그 이상인 애플리케이션만 다루도록 하겠다.
역 전류 흐름일 때는, 4-quadrant 컨버터가 VOUT에서 VIN으로 흐르는 출력 전류를 레귤레이트 한다. 이 모드에서는 전압은 레귤레이트 하지 않는다. 4-quadrant 컨트롤러가 그림 1의 검출 저항 RS2에서 전압 강하로서 출력 전류를 검출하고, 이 전압 강하를 정해진 값(이 솔루션의 경우에 50mV)으로 유지하도록 듀티 사이클을 레귤레이트 한다.
4-quadrant 컨버터가 VINTER 버스로 전압을 발생시키고 이것이 지정된 최소값을 넘으면, 부스트 컨버터가 Pass-Thru 모드가 되고 상측 MOSFET Q1이 계속해서 온(on)으로 동작해서 되도록 손실을 최소화하면서 VIN(부하) 단자로 사전에 정해진 값의 출력 전류를 제공한다.
이 동작 모드를 확인하기 위해서 테스트를 실시했다. 그림 1 회로의 VOUT을 12.5V로 설정된 실험실 전원공급장치에 연결하고 VIN은 전자 부하로 연결했다. 컨버터를 통해서 흐르는 전류는 4.5A로 설정했다. 그림 5는 이 4-quadrant 컨버터의 열 화상을 보여준다.
그림 5: 부하(역 전류) 모드일 때 4-quadrant 컨버터 파워 트레인의 열 화상. VOUT에서 12.5V 소스를 사용해서 VOUT 단자에서 VIN으로 4.5A 전류가 흐르도록 했다.
그림 6은 ADI의 2개 데모 회로를 솔더링 해서 제작한 전체적인 컨버터를 보여준다. DC2846A 부스트 컨버터 데모 회로와 DC2240A 4-quadrant 컨버터 데모 회로이다.
그림 6: ADI의 2개 데모 보드를 솔더링 해서 제작한 테스트 전원장치. 왼쪽은 LTC7804(DC2846A)이고, 오른쪽은 LT8714(DC2240A)이다.
부품 선택과 파워 트레인 계산
이들 2개 컨트롤러를 선택한 것은 이들 컨트롤러가 성능, 효율, 사용 편의성이 우수하기 때문이다. Power by Linear™ LT8714는 사용하기 편리한 4-quadrant 컨트롤러로서 고효율 동기 정류가 특징이다. LTC7804 동기 부스트 컨버터는 내부에 차지 펌프를 통합함으로써 스위칭이 필요 없는 Pass-Thru 100% 듀티 사이클 동작이 가능하다.
다음은 파워 트레인 부품에 가해지는 스트레스를 분석하고 적절한 부품을 선택하기 위한 공식 계산법에 대한 설명이다. 기능에 대한 보다 자세한 정보와 이해는이들 디바이스의 LTspice® 모델에서 확인할 수 있다.
표 1: 4-quadrant 컨버터 파워 트레인 계산
| Power Train Calculations |
|
 |
Set minimum VINTER value |
 |
4-quadrant duty cycle |
 |
Average L1 current ŋ = efficiency |
 |
Peak current in L1 |
 |
Peak current in L1 |
 |
QN1 and QP1 voltage stress |
표 2: 4-quadrant 컨버터 제어 회로 계산
| Control Circuit Calculations | |
 |
Control voltage for minimum negative VOUT |
 |
Set feedback resistor RFB; select nearest standard value of RFB |
 |
Control voltage for maximum positive VOUT |
표 3: 부스트 컨버터 계산*
 |
Boost duty cycle, for VIN < VINTER |
*Q1과 Q2의 전압 스트레스는 최대값 VINTER 또는 VIN에 해당된다.
계산 예제
200kHz 스위칭 주파수로 90% 효율로 ±10V/3A를 제공하는 컨버터로 위의 공식들을 적용해서 실제로 계산하는 것을 살펴보자:
VINTER = 12V
D4Q = 0.647V
LT8714 데이터 시트의 듀티 사이클 대비 최대 전류 한계 도표에 따라서,
주어진 D4Q에서 VCSP = 57 mV
RS1 = 0.63 × VCSP/IOUT × (1 – D4Q) = 0.004Ω
RS2 = (50 mV/1.5) × IOUT = 0.01Ω
L1은 10µH로 선택하고 L2는 15µH로 선택한다.
IL1 = 6.1A, IL2 = 4.3A
VQ = 58V (24V의 최대 VIN일 때)
VCTRN = 0.1V
VCTRP = 1.048V
RFB = 147kΩ
Q1, Q2 전압 스트레스는 24V이다.
맺음말
이 글에서 소개한 컨버터는 양극성 양방향 전원을 위한 고성능 솔루션을 제공한다. 몇 가지 특징들이 전반적인 솔루션의 성능을 향상시킨다. 동기 정류는 높은 효율을 달성하고, 단순하면서 최적화된 제어 방식은 어떤 타입의 호스트 프로세서 또는 외부 제어 회로에 대해서도 손쉽게 인터페이스 할 수 있게 한다. 또한 이 솔루션은 순간적인 변화와 같은 불안정한 입력 전압 문제를 해결하고 모든 동작 조건에 대해 안정적인 출력 전압을 보장한다. 이 솔루션을 위해 채택된 디바이스들은 효율과 사용 편리성을 극대화한다. LT8714는 양극성 양방향 전원의 설계를 간소화하며, LTC7804는 자동차와 산업용 환경을 위한 중간 전원으로서 거의 100%에 달하는 효율로 동작할 수 있다.
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저자 소개
빅터 카시에프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, AC-DC 및 DC-DC 변환용 전력 반도체와 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있다. 효율적인 PFC 솔루션과 향상된 게이트 드라이버와 관련해서 2개의 특허를 보유하고 있다. 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-음, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 비롯해서 자동차와 산업용 애플리케이션에 ADI 반도체를 사용하는 것에 관한 여러 편의 글을 썼다. ADI 고객들을 지원하는 것을 보람으로 여기며, ADI 제품, 전원 회로 설계와 검증, PCB 레이아웃, 문제해결에 관한 질문에 답하고 최종 시스템 테스트에 참여하는 것을 기쁘게 생각한다. 문의: victor.khasiev@analog.com
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