스위칭 레귤레이터에서 전류 모드 제어가 중요한 이유
 
글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 전원 관리 전문가 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 
스위칭 레귤레이터는 수천 가지 종류의 제품들이 시중에 나와 있으므로 사용자는 입력 전압 범위, 가능한 출력 전압, 최대 출력 전류 같은 사양들을 고려해서 적합한 제품을 선택할 수 있다. 이 글에서는 데이터 시트에서 흔히 거론하는 차별화 기능으로서 전류 모드(current mode) 제어에 대해 설명한다.

 
그림 1: 전류 모드 레귤레이터의 기본적인 동작 원리

 

전류 모드 레귤레이터

그림 1은 전류 모드 레귤레이터의 기본적인 동작 원리를 보여준다. 이 그림을 보면, 피드백 전압을 내부 전압 레퍼런스와 비교할 뿐만 아니라 톱니 전압 램프와도 비교해서 전원 스위치에 필요한 PWM 신호를 생성한다. 전압 모드 레귤레이터는 이 램프의 기울기가 고정적인 데 반해, 전류 모드 레귤레이터는 이 기울기가 인덕터 전류에 따라서 결정되며, 그림 1에서 스위칭 노드에서 전류 측정에 의해서 생성된다. 이것이 전류 모드 레귤레이터가 전압 모드 레귤레이터와 다른 점이다.
전류 모드 레귤레이터의 장점은 다양하다. 첫 번째 장점은, 인덕터 전류가 입력 전압(그림 1에서 V_IN)이 변화되는 것에 따라서 즉시 적응한다는 것이다. 그러므로 출력 전압(그림 1에서 V_OUT)이 입력 전압의 변화를 따라가기 전에 벌써 입력 전압이 변화되었다는 정보를 제어 루프로 곧바로 알려줄 수 있다.
전류 모드 제어의 장점이 확실하기 때문에 현재 출시된 대부분의 스위칭 레귤레이터 IC가 이러한 전류 모드 제어 원리를 적용하고 있다.

그림 2: 이 보드 플롯을 보면 전류 모드 제어를 통해서 제어 루프 보상을 간소화할 수 있다는 것을 알 수 있다. 전원 스테이지에 하나의 극점만을 생성한다.
 
또 다른 중요한 장점은 제어 루프 보상을 간소화한다는 것이다. 전압 모드 레귤레이터의 보드 플롯은 이중 극점을 나타내는데, 전류 모드 레귤레이터는 전원 스테이지에 하나의 극점만을 생성한다. 따라서 위상 편이가 이중 극점일 때의 180°가 아니라 90°이다. 그러므로 전류 모드 레귤레이터는 훨씬 더 수월하게 보상이 가능하며, 이는 안정화로 이어진다. 그림 2는 통상적인 전류 모드 레귤레이터의 전원 스테이지 전달 함수를 보여준다.
 

그림 3: 스위치 노드 전압:– 전류 모드 레귤레이터를 사용할 때의 부고조파 발진
 
하지만 위에서 언급한 장점들과 함께, 몇 가지 단점 또한 갖고 있다. 전류 모드 레귤레이터는 스위칭 전이 후에 필요한 전류 측정을 즉각적으로 수행하지 못한다. 이 시점에서 측정에 잡음이 강하게 결합되기 때문이다. 스위칭으로 인해서 발생된 잡음이 가라앉기까지 몇 나노초(ns)가 걸린다. 이를 ‘블랭킹 시간(blanking time)’이라고 한다. 이 때문에 전압 모드 레귤레이터에 비해서 최소 온 시간(minimum on-time) 사양이 약간 더 길어진다.
전류 모드 레귤레이터의 또 다른 단점은 부고조파 발진이 발생할 수 있다는 것이다(그림 3). 50% 이상의 듀티 사이클이 필요하다면 전류 모드 레귤레이터가 짧은 펄스와 긴 펄스를 교대로 실행할 것이다. 이것은 많은 애플리케이션에서 불안정성으로 비쳐질 것이다. 이것을 극복하기 위해서 그림 1에서 생성된 전류 램프에 특정한 램프 보상을 추가할 수 있다. 임계 듀티 사이클을 50%보다 훨씬 높게 함으로써 높은 듀티 사이클로도 부고조파 발진이 발생하지 않도록 할 수 있다.
블랭킹 시간과 결과적인 듀티 사이클 제한으로 인한 이러한 한계점들 역시 IC 설계를 통해서 극복할 수 있다. 그러한 한 가지 방법으로서, 하측 전류 검출을 도입해서 온(on) 시간이 아니라 오프(off) 시간에 인덕터 전류를 측정하는 것을 들 수 있다.
 

맺음말

스위칭 레귤레이터의 전류 모드 제어는 거의 대부분의 애플리케이션에서 단점보다 장점이 훨씬 더 크다. 게다가 단점들 또한 다양한 회로 기법을 통해서 극복할 수 있다. 그러므로 오늘날 대부분의 스위칭 레귤레이터 IC에서 전류 모드 제어가 사용된다.
 

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 분야에서 20년 넘게 종사해 왔다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현에 있어서 풍부한 경험을 쌓았으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치를 담당했다. 2009년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 이후로 제품 라인 및 유럽 고객 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com