동적 전압 스케일링(DVS)은 어떤 용도로 사용될까?

2022년 01월 18일

글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

전압 레귤레이터는 일반적으로 일정하게 제어된 출력 전압을 생성하기 위해 사용된다. 제어 루프를 통해, 조절되지 않은 입력 전압으로부터 안정적이고 정밀한 전원이 생성된다. 그렇다면 동적 전압 스케일링(DVS)은 어떤 용도로 사용될까?

동적 전압 스케일링이란 동작 중에 전원 공급장치의 출력 전압을 조정할 수 있다는 것을 뜻한다. 이러한 조정은 다양한 이유에 의해 수행될 수 있다.

경부하 동작에서 PFC 단의 변환 효율 증가

무효 전력 보상을 위한 역률 보정(PFC) 단은 그리드 전압의 AC 전압을 가져와 이를 DC 중간 회로 전압으로 증가시킨다. 240V AC 시스템에서 이 중간 회로 전압은 통상적으로 380V이다(그림 1 참조). ADP1047 PFC 컨트롤러는 DVS를 사용하여 설정된 380V에서 출력 전압 부하를 이에 맞춰 더 낮출 수 있다(예를 들어 360V). 이렇게 하면 부분 부하로 동작하는 동안 전원 공급장치의 변환 효율을 높일 수 있다.

그림 1. ADP1047 PFC 단과 다운스트림 ADP1046 DC-DC 컨버터

다양한 동작 상태에서 마이크로컨트롤러의 효율적 동작

DVS 사용의 또 다른 예는 그림 2에서 볼 수 있다. 여기서 ADP2147 스텝다운 스위칭 레귤레이터는 디지털 신호 프로세서(DSP)에 전력을 공급한다. 많은 애플리케이션에서 프로세서가 대기 모드일 때 코어 전압을 낮춤으로써 마이크로컨트롤러, DSP 또는 FPGA를 사용하는 시스템의 효율을 높일 수 있다. 아나로그디바이스의 ADSP-BF527을 포함하여 많은 DSP는 VDD_INT 전압(코어 전압)을 낮추면(예를 들어 DSP가 낮은 작업 부하 조건에서 동작하는 동안 1.2V에서 1.0V로) 더 효율적으로 동작할 수 있다. 프로세서가 소비하는 전력은 대부분 클럭 주파수 대 동작 전압 제곱 값의 함수이다. ADSP-BF527의 공급 전압을 25% 낮추면 동적 전력 소모를 40% 이상 줄일 수 있다. 아나로그디바이스(ADI)의 DSP는 대부분 유사한 방식으로 동작한다.

그림 2. ADSP-BF527의 효율적인 동작을 제공하는 DVS 기능이 있는 ADP2147 스위칭 레귤레이터

부하 과도 상태 후 회복 속도 향상

앞의 두 가지 예에서 보듯이 DVS를 사용하는 일반적인 이유는 효율을 높이거나 손실을 줄이기 위한 것이다. 그러나 또 다른 흥미로운 애플리케이션도 있다. 많은 시스템들이 매우 정밀하게 조절된 공급 전압을 요구한다. 그림 3은 1.2V 코어 전압의 허용되는 전압 범위를 보여준다. 이 범위는 1.2V ± 10%가 될 수 있다. 이 예에서 전압은 정적 부하 경우뿐 아니라 부하가 동적으로 변하는 경우에도 유지되어야 한다. 만약 피드백 제어를 허용 범위의 중간으로 설정한다면, 범위의 절반을 정적 오류 소스와 부하 과도 상태 후의 동적 전압 변화에도 사용할 수 있다. 비결은 경부하에서는 출력 전압을 약간 높이고, 높은 부하에서는 약간 낮추는 것이다. 이렇게 하면 높은 부하의 경우 일반적으로 시간이 지나면 어느 지점에서 작은 전압 슈트로 더 낮은 부하가 적용된다고 예상할 수 있다. 출력 전압은 그림 3과 같이 높은 부하에 대한 설정값 전압을 약간 낮춤으로써 허용 범위 내로 유지된다. 높은 부하는 왼쪽에, 낮은 부하는 오른쪽에 제공된다.

그림 3. 부하 전류에 따른 공급 전압의 동적 조정

반대의 경우에도 당연히 잘 작동한다. 부하가 낮은 경우, 시간이 지나면 어느 시점에서 상승한다고 예상할 수 있다. 그러면 전압 언더슈트가 동적으로 발생할 수 있다. 전압은 낮은 부하에서 약간 증가하므로 허용 범위 내로 유지된다. 이러한 기능을 가리키는 일반적인 용어가 자동 전압 포지셔닝이다.

여기에 제시된 예시 외에도 동적으로 변화하는 전압이 유용한 많은 애플리케이션이 있다. 몇 가지 예를 들면 DC 모터 제어, 액추에이터 작동 또는 온도 조절을 위한 펠티에(Peltier) 소자 구동 등이 있다. 동적 전압 스케일링, 즉 발생된 전압을 동적으로 조정하는 기능은 많은 애플리케이션에서 유용하거나 필요하다. 특히 디지털로 제어하는 전원 공급장치에서 DVS는 일반적이며 구현하기도 쉽다.

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 현재는 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.