기술기고문
디지털 제어를 활용한 동적 루프 응답 개선 방법
글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
DC/DC 컨버터는 가변적인 입력 전압을 피드백 제어 시스템을 통해서 (통상적으로) 고정된 출력 전압으로 제어한다. 발진이 일어나거나, 심한 경우에 레귤레이트되지 않은 출력 전압을 발생시키는 것을 피하려면 이 피드백 제어 시스템이 되도록 안정적이어야 한다. 또한 이 제어 시스템은 되도록 응답이 빨라야 한다. 그래야 입력이 빠르게 변화하는 것이나 출력에 부하 트랜션트 현상이 발생하는 것과 같은 역동적인 변화에 신속하게 대응하고, 레귤레이트된 출력 전압에서 변동을 최소화할 수 있다. 제어 루프의 동작을 나타내기 위해서 보드 플롯(Bode plot)을 사용해서 주파수에 따른 루프의 위상 편이와 이득을 나타낼 수 있다. 이러한 제어 루프는 아날로그 또는 디지털 기술을 사용해서 구현할 수 있다.
그림 1: 풀 브리지 애플리케이션에 사용된 ADP1055 디지털 스위칭 레귤레이터
일부 디지털 전원장치는 제어 루프 최적화를 제공하므로, 동적 변화에 매우 빠르게 응답할 수 있다. 그림 1은 ADP1055 컨트롤러 IC를 사용한 회로를 예시한 것으로서, 디지털 제어 루프 최적화가 가능하다. 디지털 컨트롤러를 사용하면 설계자가 다양한 제어를 할 수 있으며, 역동적인 제어도 가능하다. 다시 말해 동작을 하는 중에 제어가 가능한 것이다. 그림 2는 ADP1055 평가 소프트웨어를 사용해서 ADP1055의 다양한 기능을 제어할 수 있다는 것을 보여준다.
그림 2: 디지털 전원장치를 사용하면 설계자가 GUI를 통해서 전원 파라미터들을 손쉽게 제어할 수 있다.
제어 루프와 관련해서 특히 흥미로운 설정 옵션이 비선형 이득/응답(Nonlinear Gain/Response) 설정이다. 이 설정은 필터 버튼을 통해서 접근할 수 있다. 비선형 이득/응답 설정을 사용하면 예컨대 부하 트랜션트가 발생했을 때 즉시 제어 루프를 동적으로 조절할 수 있다. 전원장치에 높은 부하 트랜션트가 발생하면 출력 전압이 이상적인 레귤레이트 값보다 높거나 낮게 변동적일 수 있다. 전적으로 아날로그 제어 루프에서는 제어 루프와 전원공급 전력단의 부품들이 예상되는 대부분의 조건에서 이러한 변동을 최소화하도록 선택된다. ADP1055가 제공하는 것과 같은 디지털 제어 루프의 이점은 루프 응답을 역동적으로 조절해서 큰 폭의 변화를 교정할 수 있다는 것이다.
그림 3: 출력 전압 상태에 따른 제어 루프 이득 설정
그림 3은 이 기능을 제어하기 위한 인터페이스를 보여준다. 이 그림에서 파란색 선은 높은 수준에서 낮은 수준으로 부하 트랜션트 시에 출력 전압 동작을 보여준다. 이에 대한 전압 응답으로서 레귤레이터 출력에서 흔히 오버슈트가 발생한다. 출력 전압이 특정 임계값을 넘을 때 제어 루프 이득을 순간적으로 높임으로써 오버슈트를 최소화할 수 있다.
그림 3에서, 설정된 출력 전압은 공칭 12V이다. 출력 전압에 따라서 제어 루프 이득을 특정한 값들로 설정할 수 있다. 예를 들어서 오차 증폭기 이득이 증가해서 전압이 12.12V보다 높게 상승하면, 해당 메뉴에서 그에 따라서 적절하게 제어 루프를 설정할 수 있다. 12.12V보다 높은 3개의 전압 임계값에 대해서도 마찬가지로 각각의 이득을 설정할 수 있다. 이러한 이득 설정은 레귤레이션 루프를 설계할 때 설정하는 극점 및 영점과 완벽하게 독립적이다.
전압에 따라서 이득을 설정할 수 있으므로 전압 오버슈트에 대해서 응답 시간을 단축하는 제어 루프 설정을 찾을 수 있다. 이 같은 방법으로 출력 전압 피드백 제어를 최적화할 수 있다. 정상적인 동작에 대해서 최적화된 제어 루프 특성은 영향을 받지 않는다. ADP1055와 같은 디지털 컨트롤러를 사용함으로써 부하 트랜션트 같은 경우에 제어 루프를 동적으로 조절할 수 있다. 이는 기존의 아날로그 제어 루프로는 구현하기 어려운 것이다.
저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.
DC/DC 컨버터는 가변적인 입력 전압을 피드백 제어 시스템을 통해서 (통상적으로) 고정된 출력 전압으로 제어한다. 발진이 일어나거나, 심한 경우에 레귤레이트되지 않은 출력 전압을 발생시키는 것을 피하려면 이 피드백 제어 시스템이 되도록 안정적이어야 한다. 또한 이 제어 시스템은 되도록 응답이 빨라야 한다. 그래야 입력이 빠르게 변화하는 것이나 출력에 부하 트랜션트 현상이 발생하는 것과 같은 역동적인 변화에 신속하게 대응하고, 레귤레이트된 출력 전압에서 변동을 최소화할 수 있다. 제어 루프의 동작을 나타내기 위해서 보드 플롯(Bode plot)을 사용해서 주파수에 따른 루프의 위상 편이와 이득을 나타낼 수 있다. 이러한 제어 루프는 아날로그 또는 디지털 기술을 사용해서 구현할 수 있다.
그림 1: 풀 브리지 애플리케이션에 사용된 ADP1055 디지털 스위칭 레귤레이터
일부 디지털 전원장치는 제어 루프 최적화를 제공하므로, 동적 변화에 매우 빠르게 응답할 수 있다. 그림 1은 ADP1055 컨트롤러 IC를 사용한 회로를 예시한 것으로서, 디지털 제어 루프 최적화가 가능하다. 디지털 컨트롤러를 사용하면 설계자가 다양한 제어를 할 수 있으며, 역동적인 제어도 가능하다. 다시 말해 동작을 하는 중에 제어가 가능한 것이다. 그림 2는 ADP1055 평가 소프트웨어를 사용해서 ADP1055의 다양한 기능을 제어할 수 있다는 것을 보여준다.
그림 2: 디지털 전원장치를 사용하면 설계자가 GUI를 통해서 전원 파라미터들을 손쉽게 제어할 수 있다.
제어 루프와 관련해서 특히 흥미로운 설정 옵션이 비선형 이득/응답(Nonlinear Gain/Response) 설정이다. 이 설정은 필터 버튼을 통해서 접근할 수 있다. 비선형 이득/응답 설정을 사용하면 예컨대 부하 트랜션트가 발생했을 때 즉시 제어 루프를 동적으로 조절할 수 있다. 전원장치에 높은 부하 트랜션트가 발생하면 출력 전압이 이상적인 레귤레이트 값보다 높거나 낮게 변동적일 수 있다. 전적으로 아날로그 제어 루프에서는 제어 루프와 전원공급 전력단의 부품들이 예상되는 대부분의 조건에서 이러한 변동을 최소화하도록 선택된다. ADP1055가 제공하는 것과 같은 디지털 제어 루프의 이점은 루프 응답을 역동적으로 조절해서 큰 폭의 변화를 교정할 수 있다는 것이다.
그림 3: 출력 전압 상태에 따른 제어 루프 이득 설정
그림 3은 이 기능을 제어하기 위한 인터페이스를 보여준다. 이 그림에서 파란색 선은 높은 수준에서 낮은 수준으로 부하 트랜션트 시에 출력 전압 동작을 보여준다. 이에 대한 전압 응답으로서 레귤레이터 출력에서 흔히 오버슈트가 발생한다. 출력 전압이 특정 임계값을 넘을 때 제어 루프 이득을 순간적으로 높임으로써 오버슈트를 최소화할 수 있다.
그림 3에서, 설정된 출력 전압은 공칭 12V이다. 출력 전압에 따라서 제어 루프 이득을 특정한 값들로 설정할 수 있다. 예를 들어서 오차 증폭기 이득이 증가해서 전압이 12.12V보다 높게 상승하면, 해당 메뉴에서 그에 따라서 적절하게 제어 루프를 설정할 수 있다. 12.12V보다 높은 3개의 전압 임계값에 대해서도 마찬가지로 각각의 이득을 설정할 수 있다. 이러한 이득 설정은 레귤레이션 루프를 설계할 때 설정하는 극점 및 영점과 완벽하게 독립적이다.
전압에 따라서 이득을 설정할 수 있으므로 전압 오버슈트에 대해서 응답 시간을 단축하는 제어 루프 설정을 찾을 수 있다. 이 같은 방법으로 출력 전압 피드백 제어를 최적화할 수 있다. 정상적인 동작에 대해서 최적화된 제어 루프 특성은 영향을 받지 않는다. ADP1055와 같은 디지털 컨트롤러를 사용함으로써 부하 트랜션트 같은 경우에 제어 루프를 동적으로 조절할 수 있다. 이는 기존의 아날로그 제어 루프로는 구현하기 어려운 것이다.
저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.
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