요약

 

이 글에서는 처리 장치의 전원공급장치를 제작하는 데 필요한 고전류, 빠른 과도 응답 요구사항을 해결하는 다상 모놀리식 벅 솔루션에 대해 살펴본다. 새로운 낮은 출력 잡음 기술인 사일런트 스위처3 아키텍처를 소개하고, 사일런트 스위처3의 빠른 과도 응답 특징을 다상 동작에 활용한다.

 

이 솔루션은 높은 제어 대역폭 덕분에 다른 솔루션보다 더 적은 수의 출력 커패시터를 사용하며, 과도 응답 시 전원공급장치가 빠른 시간 안에 회복되게 한다. 이와 함께 엔지니어의 향후 설계에 도움이 되는 자세한 설계 팁과 고려사항도 소개한다.

 

머리말

 

오늘날 컴퓨팅 환경에서 CPU, FPGA, ASIC의 전력 소모가 증가하고 있다. 5G 트랜시버, 빔포머, 기타 고속 RF 애플리케이션과 같은 몇몇 애플리케이션에서는 대역폭과 RF 잡음 수준과 관련하여 전력 요구사항이 더 엄격하다.

 

RF 애플리케이션에서 광범위하게 사용되는 기존의 2단(벅 + LDO) 솔루션은 높은 출력 전류로 인해 부피가 크고 비효율적이며 많은 히트싱크를 필요로 한다. 출력 전류 성능에 대한 요구사항이 늘어남에 따라, 단일 벅 레귤레이터를 사용하여 요구가 높은 부하에 전력을 공급하는 것은 비경제적이다. 

 

이 분야에서는 확장성과 리플 인터리빙 이점을 활용하는 높은 성능의 전류 공급 기능 덕분에 다상 벅 레귤레이터가 널리 사용된다. 그러나 빠른 과도 응답과 초저 RF 잡음 요구사항을 달성하면서 고속 RF ASIC에 전력을 공급하는 목적을 이행하려면 다상 벅 레귤레이터는 많은 출력 커패시터와 여러 단의 LC 필터가 필요하다.

 

추가되는 부품들은 보드 공간에서 상당 부분을 차지하며, 솔루션 비용을 늘릴 수도 있다. 이 글에서는 다상 벅 애플리케이션에서 초저 잡음과 초고속 과도 응답을 제공하는 고성능 사일런트 스위처 3 아키텍처의 활용 이점에 대해 설명한다. 또한 다양한 ASIC 부하 요구사항을 다양한 설계 고려사항과 함께 다룬다.

 

사일런트 스위처 3 아키텍처는 초저 잡음 설계(통상 10Hz~100kHz에서 4μVrms), 초저 EMI 방사 및 고이득 오차 증폭기를 이용한 빠른 과도 응답을 특징으로 한다. 이 신제품 중에서 LT8627SP는 가장 높은 16A 전류 정격을 제공하므로 모든 고전류, 잡음에 민감한 애플리케이션에서 다상 벅 구성에 완벽한 제품이다.

 

모든 ASIC 부하의 낮은 공급 전압 특성(<1V)과 광범위하게 사용되는 12V 전원 분배 시스템으로 인해, 다상 벅은 최소 온-타임에 민감하다. 사일런트 스위처 3 기술의 혁신적인 아키텍처는 가장 작은 온-타임(15ns)을 제공하는데, 이는 LT8627SP가 리플, 크기, 잡음, 대역폭에서 이점이 있는 1MHz 이상의 스위칭 주파수에서 쉽게 동작하게 한다. 

 

50A 전류 RF 디지털 부하에 대한 과도 회복 시간 최소화

 

전원공급장치 성능의 중요한 특성은 회복 시간이다. 회복 시간은 부하 과도 응답이 발생했을 때 출력 전압이 조절된 값으로 되돌아가는 데 걸리는 시간을 말한다. 모든 전원공급장치는 얼마나 빨리 회복할 수 있는지에 한계가 있는데, 이는 제어 루프 대역폭과 관련된다.

 

제어 루프 대역폭이 높을수록 인덕터 전류가 과도 응답 시 더 빠르게 상승 및 강하해 출력 커패시터의 전하 변화를 보상함으로써 더 짧은 시간에 회복할 수 있다는 것을 의미한다. 4상 LT8627SP를 사용하는 하나의 예는 최대 부하 전류가 50A인 1.8VOUT RF 디지털 부하에 전력을 공급하는 것이다(그림 1). 

 

이 전원공급장치는 2MHz의 스위칭 주파수에서 1.8V를 출력하도록 설계됐다. 과도 응답 동안 전하 보상 시간을 줄이려면 낮은 ESR 세라믹 커패시터를 사용하고, 높은 ESR 폴리머 커패시터와 전해 커패시터 사용은 가급적 설계에서 피하는 것이 좋다. 인터리빙 PWM 기술(위상당 90°)을 적용해 등가 리플 주파수를 증가시키면 제어 대역폭을 더 높일 수 있다.
 
 

 

보상 네트워크는 대역폭을 가능한 높게 올리면서 최소 45° 위상 마진과 8dB보다 큰 이득 마진을 달성하는 것을 목표로 조정된다. 그 결과, 그림 2 보드 플롯에서 보듯이 제어 루프는 45° 위상 마진과 9dB 이득 마진을 갖는 280kHz의 최고 대역폭으로 조정됐다. 비교를 위해 위상당 등가 출력 커패시턴스(2 × 100µF + 1 × 1µF + 1 × 0.1µF)를 갖는 단상 LT8627SP를 1.8V, 12A 출력에서 테스트했다. 이 보드 플롯 역시 그림 2에 나와 있으며 동일한 안정성 기준을 사용했다.
 
 

 

회복 시간을 비교 테스트하기 위해 위상당 6A/µs의 슬루율로 4상 및 단상 LT8627SP에 대해 모두 50% 부하 과도 응답을 수행했다. 결과는 그림 3에 나와 있으며, 과도 응답의 상승 에지에서 약 2.5μs의 회복 시간을 기록했다. 이는 그림 4에 보이는 단상 LT8627SP의 회복 시간에서 거의 10배 단축된 것이다.

 

 

고전류 무선 애플리케이션을 위한 과도 VPP 최소화

 

많은 고객들이 전원공급장치 설계에 사일런트 스위처 3 아키텍처의 다상 동작을 사용하고 있다. 그림 5는 무선 분야 고객이 0.8VOUT 및 1µs의 22~50A 부하 과도 응답으로 고속 고전류 과도 SoC에 전력을 공급하는 데 LT8627SP가 어떻게 도움이 되는지를 보여준 사례다.

 

과도 응답으로 인해 SoC 성능이 저하되는 것을 막으려면 5%(40mV) 미만의 VPP가 바람직하다. 앞에서 우리는 4상 LT8627SP 인터리빙의 경우 약 300kHz의 상당히 높은 제어 대역폭을 기대할 수 있다는 것을 확인했다. 그리고 시간 영역에서 다음과 같이 부하 과도 응답 시 전압 편차와 제어 대역폭 간의 관계를 개략적으로 모델링할 수 있다.

 

따라서 리플 전압이 10mV이면 1583µF의 최소 출력 커패시턴스를 얻을 수 있다. 설계에서는 이 값보다 높은 커패시턴스를 사용해야 하며, 앞에서 소개한 것과 달리 과도 응답 시 충분한 억제를 제공하기 위해 더 많은 폴리머 커패시터를 사용한다. 출력 커패시턴스는 루프 대역폭과 안정성에도 영향을 미치므로 최종 출력 커패시턴스는 시행착오를 거쳐 결정한다.
 
 

 

4상 LT8627SP는 1MHz 스위칭 주파수에서 결합된 4MHz 리플 주파수로 인터리빙된다. 출력 커패시턴스의 최소값을 결정한 후 28A/µs 슬루율로 22A에서 50A로, 다시 22A로 돌아오는 부하 과도 응답에서 35mV(4.4%) VPP가 달성됐다. 과도 응답 파형은 그림 6에서 볼 수 있다. 제어 루프의 안정성을 검증하기 위해 50A 부하를 사용하여 보드 플롯 측정을 수행하였으며, 결과는 그림 7에 나와 있다. 50A에서 제어 루프는 50° 위상 마진으로 322kHz 대역폭을 갖는다.
 

 

 

추가적인 성능 테스트를 위해 효율 및 전체 부하 열 성능을 측정했다. 효율은 그림 8과 같이 12VIN 및 0.8VOUT에서 최대 60A 부하까지 테스트되었다. 보조 손실을 포함하여, 25A 부하에서 컨버터의 피크 효율은 89%였으며, 60A 부하에서 이 컨버터 효율은 84%였다.
 
 

 

이 4상 설계의 열 성능은 그림 9에서 열화상으로 확인할 수 있다. 60A 부하에서 온도가 가장 높은 IC는 66°C이고 가장 낮은 IC는 61.6°C이다. 따라서 4개의 IC 간 최대 온도 편차는 약 5°C이며, 이는 위상 간 전류 공유가 우수함을 나타낸다. 
 

 

다상 LT8627SP의 설계 고려사항 및 지침

 

LT8627SP는 피크 전류 모드 제어 IC로서 다상 동작으로 쉽게 구성한다. 특별한 주의가 필요한 몇 가지 설계 고려사항은 다음과 같다. 먼저, 적절한 전류 공유를 위해 그림 1의 회로도와 같이 각 IC의 VC 핀을 함께 연결해야 한다. 다음으로는 4상 LT8627SP를 균등하게 인터리빙하기 위해 각 IC의 CLKOUT을 90° 위상 천이되도록 구성하고 다음 IC의 SYNC 핀에 공급한다.

 

이 구성에서 각 IC의 스위치 노드 파형은 그림 10에 나와 있다. 인터리빙은 다상 벅이 제공하는 가장 큰 이점의 하나다. 균등하게 인터리빙된 위상이 출력 전압 리플 주파수를 증가시키므로 출력 커패시턴스를 크게 줄인다. 또한, 인터리빙된 리플 주파수가 높을수록 제어 루프가 더 높은 대역폭에서 리플 잡음에 영향을 받지 않을 수 있다. 

 

LT8627SP는 180°, 120°, 90°의 세 가지 다른 위상 천이 클럭 구성으로 최대 4MHz 스위칭 주파수까지 동작한다. 즉 추가 디바이스 없이 최대 12개의 인터리빙을 구현한다. 적절한 전압 감지를 위해 각 IC의 OUTS 핀들은 함께 연결해야 한다. 모든 오차 증폭기(EA)가 제어 루프에 관여하므로 보드 플롯 주입에 모든 EA를 포함해야 한다는 점에 유의한다.

 

따라서 각 EA에 균등한 섭동이 관찰되도록 감지 지점(출력 전압)과 OUTS 핀 측을 함께 연결한다. RT 핀은 주파수를 설정하기 위해 저항이 필요하다. 마스터 IC는 원하는 스위칭 주파수를 설정하는 저항 값을 가져야 하며, 슬레이브 IC는 주 IC보다 20% 낮은 주파수를 설정하는 저항 값을 가져야 한다. 

 

 

결론

5G 통신 애플리케이션을 위한 전원공급장치를 제작하는 것은 까다로운 작업일 수 있다. 5G 통신 애플리케이션은 최소 피크-투-피크 출력 전압 또는 부하 과도 응답 시 최소 회복 시간을 달성하기 위해 빠른 고전류 과도 응답을 필요로 한다. 이러한 과제에 대한 한 가지 간단한 해결책은 LT8627SP와 같은 사일런트 스위처 3 아키텍처의 여러 전력 컨버터를 단일 인터리빙 시스템에 병렬 연결하는 것이다. 이렇게 하면 전원공급장치의 대역폭과 부하 성능을 증가시킬 수 있으므로 빠른 고전류 과도 응답을 달성할 수 있다. 

 

 

헬로티 서재창 기자 |