반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

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

이 글에서는 동적 전압 스케일링(DVS: Dynamic Voltage Scaling)을 활용하여 정밀 전압 레귤레이션을 달성하는 방법에 대해 알아본다. DVS는 부하 트랜션트를 예상하여 출력 전압을 약간 높이거나 낮추도록 조절하는 프로세스를 말한다. 또한 이 글에서는 특정 IC를 사용해서 신뢰할 수 있는 전압 모니터링을 달성하는 방법에 대해서도 설명한다.

정밀하게 레귤레이트된 전원 전압이 필요할 때는 스위칭 레귤레이터의 데이터 시트에서 DC 전압 정확도 사양을 활용할 수 있다. 이 값은 통상적으로 ±1% 또는 ±0.5%이다. 만약 전압 컨버터가 피드백 경로에서 외부 저항 전압 분배기를 사용한다면, 전압 정확도 계산에 이들 저항의 허용오차도 포함시켜야 한다. 뿐만 아니라 DC 정확도와 별도로, 동적 전압 정확도 역시 고려해야 한다. 

부하 트랜션트가 발생하면, 다시 말해 부하가 불시에 높은 전류를 소비하면, 전압은 설정한 전압 수준으로 안정화되기 전에 설정점보다 낮게 또는 높게 발생할 수 있다. 이 동작은 제어 루프의 속도에 의해 좌우된다. 전원 전압을 정밀하게 레귤레이트해야 하는 애플리케이션은 이 같은 부하 트랜션트 시에도 정확한 전압을 요구한다. 그림 1은 시간 도메인에서 부하 트랜션트 후의 통상적인 전압 응답의 예를 보여준다. 이 사례에서는 부하가 100㎲ 이후에 차단되고 400㎲ 이후에 연결되는 것을 볼 수 있다. 

그림 1. 전원장치에서 부하 트랜션트 후의 통상적인 전압 응답 예시

DVS의 이점

DVS는 높은 정확도로 정밀 전압 레귤레이션을 가능케하는 몇 가지 이점들을 제공한다. DVS는 부하 트랜션트를 보상하고 보다 엄밀한 레귤레이션을 제공하기 위해 설정값을 중심으로 출력 전압을 조정하는 데 사용할 수 있다.

그림 1에서 보이는 것처럼, 부하 트랜션트 후의 전압 변동은 일반적으로 전원 전압의 DC 정확도 한계보다 몇 배 더 높다. 그림 1에서 점선은 1%의 정확도 한계를 나타낸다.

이와 같이 때때로 매우 높을 수 있는 전압 변동을 지정된 정확도 범위 이내로 제한하고자 할 때 DVS를 사용할 수 있다. 여기서, 부하가 낮을 때는 다음에 높은 부하 쪽으로 부하 트랜션트가 발생할 것으로 가정한다. 그러므로 높은 부하 트랜션트가 발생하기 전에 출력 전압을 약간 높일 수 있다(예를 들어 5.2V로). 그렇더라도 전압 하락 폭은 변경되지 않기 때문에 전압은 5V에서 4.75V로 하락하는 것이 아니라, 5.2V에서 4.95V로 하락한다. 반대로 부하 전류가 높다면 일반적으로 어느 시점에 부하가 다시 감소할 것으로 예상할 수 있기 때문에 전압을 약간 낮춘다. 그러면 전압 오버슈트가 그렇게 높지 않게 할 수 있다.

그림 2는 간단한 형태의 DVS를 적용한 스텝다운 스위칭 레귤레이터 회로를 보여준다. 예를 들어 마이크로컨트롤러로부터의 신호를 VSEL 핀에 인가하여 발생 전압을 약간 높일 것인지 말 것인지 정할 수 있다. 간단한 형태의 DVS 구현을 통해 시스템은 이 명령을 생성하고 스위칭 레귤레이터로 제공해야 한다. 아니면 좀더 정교한 DVS 시스템을 구현할 수도 있다. 이러한 경우에는 DVS 스위칭을 위한 개별 부하 임계를 직접적으로 프로그램할 수 있다.

그림 2. V_SEL 핀을 통해 간단한 DVS를 사용하는 스텝다운 전압 레귤레이터

경우에 따라서는, 정밀하게 레귤레이트된 전압을 필요로 하는 애플리케이션에서 발생 전압이 허용 범위 안에 있는지 확인하기 위해 모니터링 IC가 필요할 수 있다. 부하 트랜션트가 발생하지 않는 경우라면 DC 전압을 검사하는 데 간단한 감시 칩이면 충분할 것이다. 일반적으로 DC 전압이 훨씬 더 좁은 범위 이내에 머물 것이기 때문이다. 하지만 DVS 개념에 따라 DC 전압이 약간 높은 값과 낮은 값의 두 가지 서로 다른 값을 갖는 DVS 시스템에서는 해당 방법은 작동하지 않는다.

MAX20480 전원 시스템 모니터 같은 특수한 모니터링 IC는 신뢰할 수 있는 전압 모니터링을 위해 DVS 시스템에 함께 사용될 수 있다. MAX20480은 디지털 I2C 인터페이스를 제공하고, 그림 2의 스위칭 레귤레이터처럼 V_SEL 핀을 통해서 동적으로 스위칭해서 DVS 시스템을 사용할 때의 약간 높거나 낮은 DC 전압을 모니터링할 수 있다. 그림 3은 그림 2의 DVS 스위칭 레귤레이터에 DVS 가능 전압 모니터링 IC를 추가했을 때의 블록 다이어그램을 보여준다. 

그림 3. 매우 중요한 애플리케이션을 위해 DVS 가능 감시 컨트롤러를 사용한 모니터링

맺음말

높은 DC 및 동적 정확도로 정확한 전원 전압을 발생하기 위해서 흥미로운 솔루션들을 사용할 수 있다. 그러한 솔루션으로서 특히 유용한 것이 DVS이다. 그렇게 발생한 전압을 모니터링하기 위해 MAX20480 감시 IC와 같이 DVS를 지원하는 여러 특수 IC를 사용할 수 있다. 이러한 IC는 전력 변환 시스템과 관련한 성능을 높일 뿐만 아니라 비용을 낮춰준다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전력 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com