기술기고문
스위칭 주파수와 관련하여 고려해야 할 사항들
글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal), 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE) / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)는 고정, 가변 또는 외부 클럭에 동기화되는 주파수로 스위칭 한다. 스위칭 주파수 값에 따라 디바이스의 물리적 크기가 달라지고, 그에 따라 전원장치의 커패시터와 인덕터 비용도 달라진다. 최근에는 보다 컴팩트하고 경제적인 회로 설계를 위해 더 높은 값의 스위칭 주파수로 옮겨가는 추세다.
스위칭 레귤레이터 IC에 내장된 발진기는 보통 데이터시트에서 매우 넓은 주파수 범위로 지정된다. 예를 들어 모놀리식 ADP2386 벅 컨버터 IC는 설정된 스위칭 주파수의 ±10%를 보장한다. 다른 일반적인 스위칭 레귤레이터 IC는 ±20% 또는 심지어 더 넓은 범위로 지정된다. RT로 600kHz의 스위칭 주파수로 설정된 ADP2386은 540kHz에서 스위칭 할 수 있으며, ADP2386의 스위칭 주파수 부품 편차가 ±10%임을 고려할 때 극단적인 경우 660kHz에서도 스위칭이 가능하다.
그림 1. 스위칭 주파수를 저항 RT로 설정하는 ADP2386 벅 컨버터
인덕터의 피크 전류는 실제 스위칭 주파수에 따라 다르기 때문에, 회로를 설계할 때에는 이러한 총 20%의 가능한 스위칭 주파수 편차를 감안해야 한다. 그 결과, 인덕터 전류 리플은 출력 전압 리플에 직접적인 영향을 미친다.
그림 2. 스위칭 주파수 편차의 영향을 받는 코일 전류 리플 피크-투-피크
그림 2는 스위칭 주파수가 인덕터 전류 리플에 미치는 영향을 보여준다. 600kHz 공칭 스위치 주파수는 파란색으로, 최소(540kHz) 스위칭 주파수는 보라색, 최대(660kHz) 주파수는 초록색으로 표시된다. 600kHz 공칭 설정에서 레귤레이터가 540kHz에서 스위칭 할 때 1.27A의 피크-투-피크 전류 리플을 볼 수 있다. 그러나 600kHz의 동일한 주파수 설정에서 스위칭 레귤레이터는 660kHz에서도 스위칭 할 수 있는데, 이때 전류 리플은 1.05A이다. 이 예에서 회로의 부품 간 스위칭 주파수 차이로 인해 전체 허용 온도 범위에서 220mA의 코일 전류 리플 차가 발생할 수 있다.
스위칭 레귤레이터의 전류 제한 설정은 이러한 영향과 함께 조정해야 한다. 정상 동작 중에 기존 과전류 보호가 활성화되지 않도록 보장하려면 피크 전류가 충분히 낮아야 한다.
여기서 유의할 점은 인덕터 및 커패시터 값의 편차 같은 다양한 편차 가능성은 이 예에서 고려되지 않았다는 점이다.
출력 전압 리플의 경우, 전류 리플에서 대응한 변화는 그림 3에서 값을 볼 수 있다. 이 회로는 600kHz의 스위칭 주파수에서 4.41mV의 전압 리플이 발생하도록 설계되었다. 540kHz 스위칭 주파수의 경우, 전압 리플은 5.45mV이고, 660kHz에서는 3.66mV의 전압 리플을 볼 수 있다.
그림 3. 스위치 모드 레귤레이터 IC에서 스위칭 주파수 편차로 인한 출력 전압 리플의 변화
이 사례에서 고려된 유일한 부품 편차는 허용 온도 범위에서의 스위칭 주파수 편차뿐이다. 실제로는 인덕터 및 커패시터 실제 값의 편차와 같은 많은 변수들이 존재하며, 이들 변수는 동작 온도의 영향을 받는다. 하지만 대부분의 경우 스위칭 주파수의 실제 편차는 ±10%의 제한 값에 도달하지 못할 것이라는 가정 또한 할 수 있다. 일반적으로 이러한 특성은 지정된 범위의 중간에서 대표값을 중심으로 나타난다. 전원 공급장치의 모든 동적 변수들을 체계적으로 고려하기 위해 몬테 카를로 분석(Monte Carlo analysis)이 동원된다. 여기에서 다른 부품과 가변 파라미터의 편차는 발생 확률에 따라 가중되고 서로 연결된다. 이 몬테 카를로 분석은 아나로그디바이스가 무상으로 제공하는 LTspice® 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있다.
LTspice 시뮬레이션에서 파라미터를 다양화하는 방법에 대한 자세한 내용은 가비노 알론소(Gabino Alonso)와 조셉 스펜서(Joseph Spencer)의 “최소 시뮬레이션 실행을 이용한 최악 조건 회로 분석” 참조.
# # #
저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 공부했다. 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 엔지니어로 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.
스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)는 고정, 가변 또는 외부 클럭에 동기화되는 주파수로 스위칭 한다. 스위칭 주파수 값에 따라 디바이스의 물리적 크기가 달라지고, 그에 따라 전원장치의 커패시터와 인덕터 비용도 달라진다. 최근에는 보다 컴팩트하고 경제적인 회로 설계를 위해 더 높은 값의 스위칭 주파수로 옮겨가는 추세다.
스위칭 레귤레이터 IC에 내장된 발진기는 보통 데이터시트에서 매우 넓은 주파수 범위로 지정된다. 예를 들어 모놀리식 ADP2386 벅 컨버터 IC는 설정된 스위칭 주파수의 ±10%를 보장한다. 다른 일반적인 스위칭 레귤레이터 IC는 ±20% 또는 심지어 더 넓은 범위로 지정된다. RT로 600kHz의 스위칭 주파수로 설정된 ADP2386은 540kHz에서 스위칭 할 수 있으며, ADP2386의 스위칭 주파수 부품 편차가 ±10%임을 고려할 때 극단적인 경우 660kHz에서도 스위칭이 가능하다.
그림 1. 스위칭 주파수를 저항 RT로 설정하는 ADP2386 벅 컨버터
인덕터의 피크 전류는 실제 스위칭 주파수에 따라 다르기 때문에, 회로를 설계할 때에는 이러한 총 20%의 가능한 스위칭 주파수 편차를 감안해야 한다. 그 결과, 인덕터 전류 리플은 출력 전압 리플에 직접적인 영향을 미친다.
그림 2. 스위칭 주파수 편차의 영향을 받는 코일 전류 리플 피크-투-피크
그림 2는 스위칭 주파수가 인덕터 전류 리플에 미치는 영향을 보여준다. 600kHz 공칭 스위치 주파수는 파란색으로, 최소(540kHz) 스위칭 주파수는 보라색, 최대(660kHz) 주파수는 초록색으로 표시된다. 600kHz 공칭 설정에서 레귤레이터가 540kHz에서 스위칭 할 때 1.27A의 피크-투-피크 전류 리플을 볼 수 있다. 그러나 600kHz의 동일한 주파수 설정에서 스위칭 레귤레이터는 660kHz에서도 스위칭 할 수 있는데, 이때 전류 리플은 1.05A이다. 이 예에서 회로의 부품 간 스위칭 주파수 차이로 인해 전체 허용 온도 범위에서 220mA의 코일 전류 리플 차가 발생할 수 있다.
스위칭 레귤레이터의 전류 제한 설정은 이러한 영향과 함께 조정해야 한다. 정상 동작 중에 기존 과전류 보호가 활성화되지 않도록 보장하려면 피크 전류가 충분히 낮아야 한다.
여기서 유의할 점은 인덕터 및 커패시터 값의 편차 같은 다양한 편차 가능성은 이 예에서 고려되지 않았다는 점이다.
출력 전압 리플의 경우, 전류 리플에서 대응한 변화는 그림 3에서 값을 볼 수 있다. 이 회로는 600kHz의 스위칭 주파수에서 4.41mV의 전압 리플이 발생하도록 설계되었다. 540kHz 스위칭 주파수의 경우, 전압 리플은 5.45mV이고, 660kHz에서는 3.66mV의 전압 리플을 볼 수 있다.
그림 3. 스위치 모드 레귤레이터 IC에서 스위칭 주파수 편차로 인한 출력 전압 리플의 변화
이 사례에서 고려된 유일한 부품 편차는 허용 온도 범위에서의 스위칭 주파수 편차뿐이다. 실제로는 인덕터 및 커패시터 실제 값의 편차와 같은 많은 변수들이 존재하며, 이들 변수는 동작 온도의 영향을 받는다. 하지만 대부분의 경우 스위칭 주파수의 실제 편차는 ±10%의 제한 값에 도달하지 못할 것이라는 가정 또한 할 수 있다. 일반적으로 이러한 특성은 지정된 범위의 중간에서 대표값을 중심으로 나타난다. 전원 공급장치의 모든 동적 변수들을 체계적으로 고려하기 위해 몬테 카를로 분석(Monte Carlo analysis)이 동원된다. 여기에서 다른 부품과 가변 파라미터의 편차는 발생 확률에 따라 가중되고 서로 연결된다. 이 몬테 카를로 분석은 아나로그디바이스가 무상으로 제공하는 LTspice® 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있다.
LTspice 시뮬레이션에서 파라미터를 다양화하는 방법에 대한 자세한 내용은 가비노 알론소(Gabino Alonso)와 조셉 스펜서(Joseph Spencer)의 “최소 시뮬레이션 실행을 이용한 최악 조건 회로 분석” 참조.
# # #
저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 공부했다. 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 엔지니어로 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.
제품스펙