마이크로칩 테크놀로지의 최신 스마트 전력 변환 컨트롤러 제품군(MCP191xx)은 보다 지능적인 파워 컨버터를 제공하기 위한 새로운 기술 단계로 전용 파워 컨버터 토폴로지와 애플리케이션에 주력하고 있다. 여기서는 스마트 파워 컨트롤러 분야에서 고신뢰성, 고성능 POL 컨버터 기반을 형성하고 있는 전력 변환 컨트롤러에 대해 알아 본다.
멀티 POL(Point-Of-Load) DC/DC 컨버터는 시스템의 동작 특성을 관리하고 전기적인 파라미터를 모니터링하며 주변 서브시스템의 전력 소비를 관리하기 위해 하이브리드 제어 시스템을 형성한다.
많은 시스템에서는 마이크로컨트롤러를 이용하여 POL 컨버터를 제어한다. 그러나 가장 정교한 솔루션은 컴퓨터의 마더보드나 그래픽 카드 또는 서버의 CPU 블레이드에서 찾아볼 수 있다. 이들의 전압 레귤레이터 모듈(VRM ; Voltage Regulator Modules)은 부하와 직접 통신하여 공급 전압을 조절하거나, 심지어 일시적인 동작 조건에 맞춰 제어상의 특성을 변경하기도 한다. 이와 같은 종류의 지능형 전력 변환 관리 및 제어 기능은 총 시스템의 효율성과 성능, 신뢰성 면에서 큰 이점을 제공한다. 이 기능들은 산업, 의료, 자동차 및 컨슈머 시장 부문에서도 크게 선호되고 있다.
마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology)는 거의 10년 전부터 모든 종류의 전력 변환 애플리케이션에 더 많은 기능과 향상된 성능을 탑재하기 위해, 이른바 지능형/스마트 전력 변환(IPC/SPC) 애플리케이션에 집중해 왔다. 지금도 주력 분야 중 하나는 DSP 기반의 고성능 마이크로컨트롤러를 이용한 파워 컨버터/인버터의 완전한 디지털 제어이다. 이들은 전용 고속, 고해상 주변장치는 물론, 마이크로컨트롤러와 아날로그 기반의 제어 루프를 결합시킨 하이브리드 제어 시스템 전용 컨트롤러 제품군도 갖추고 있다.
특정 솔루션들을 좀 더 면밀히 살펴보면, 아날로그 기반의 하이브리드나 디지털 솔루션 모두 100% 아날로그 또는 디지털 방식이 아니라는 것을 알 수 있다. 따라서 대상 애플리케이션에 분명한 강점을 제공하기 위해서라도 양쪽 모두 그 한계를 극복하여 아날로그나 디지털 버전을 제공할 수 있어야 할 것이다.
이 제품군의 첫 번째 제품인 MCP19111은 아날로그 방식의 고성능 동기식 벅 컨버터 컨트롤러와 8비트 MCU를 하나의 반도체 IC로 융합시켰으며, 강화된 성능 및 뛰어난 유연성과 제어 및 모니터링 성능을 제공하고, 표준화 또는 독점적으로 사용되는 통신 기능을 통합시켜 다수의 컨버터들을 보다 상위의 전력 변환 구조 내에 결합시킬 수 있도록 한다.
기존의 다른 하이브리드 POL 컨트롤러들과는 대조적으로, MCP19111은 완전한 C 언어 레벨 프로그램이 가능하다. 이러한 이점은, 이 디바이스를 서로 다른 수많은 애플리케이션 요건에 맞추고 특정 동작 조건에 적응시키며 일반적인 모니터링 작업과 맞춤화된 기능들을 구현할 수 있는 유연성을 제공한다. 직류 4.5V∼32V의 폭 넓은 입력전압 범위와 0.5V의 낮은 출력전압을 통해, 최대 2A의 소스와 4A의 싱크를 지원하는 드라이버들과 함께 광범위한 애플리케이션을 지원할 수 있다.
디지털 기능 향상
디지털 컨트롤러를 아날로그 스위칭 레귤레이터와 동일한 다이에 통합시키면 아날로그 기능과 디지털 제어 기능이 밀접하게 결합되어 보상 회로, 스위칭 주파수, 데드타임 제어 기능, 시스템 레벨의 임계값 및 기타 수많은 기능을 직접 구현할 수 있다. 또한 MCU 자체가 아날로그 스위칭 레귤레이터 아키텍처 안에 캡슐화되어 있기 때문에 추가적인 보조 파워 서플라이나 외부 MOSFET 드라이버도 필요 없다.
그림 1. MCP19111 하이 레벨 애플리케이션의 블록 다이어그램
그림 1은 MCP19111 디지털 고성능 파워 아날로그(DEPA ; Digitally Enhanced Power Analog) 컨트롤러와 전형적인 애플리케이션 회로의 하이레벨 블록 다이어그램이다. 아날로그 스위칭 레귤레이터 부분은 MOSFET 드라이버를 포함한 아날로그 제어 루프의 모든 구성 요소들을 완전히 망라하고 있으며, MCU를 위한 보조 전원도 포함하고 있다.
디지털 부분은 8kB의 플래시와 256바이트의 RAM을 갖춘 8비트 PIC12F 미드레인지 MCU 코어로 이루어져 있다. 그리고 최대 15개의 GPIO(이 중 8개는 추가적인 아날로그 입력)와 하나의 I2C/SMbus 시리얼 통신 인터페이스, 외부 인터럽트 및 3개의 프리 타이머를 제공한다. 입력 전압이나 출력 전압 또는 인덕터 전류와 같은 여러 내부 신호들을 외부 감지 장치 없이도 칩에서 직접 모니터링할 수 있다. 디지털 구현을 통해 전류 소비율(Current Duty Ratio)도 판독할 수 있다. 이는 매우 유용한 기능이며 지금까지는 여러 기술적인 한계로 인해 디지털 방식의 컨트롤러에서만 가능했다.
효율성 극대화
반도체에 통합된 디지털 코어는 향상된 모니터링 능력 외에도, 대부분 하드웨어에 고정되어 있거나 실리콘 내에 있어 접근할 수 없는 많은 파라미터에 직접 접근할 수 있는 기능을 제공한다.
가장 주목할 만한 기능으로는 조절 가능한 데드타임, 프로그램 가능한 보상기, 내부 피드백 보정 기능, 프로그램 가능한 보호 임계값 및 실행 시에도 전류와 전압 모드 제어 기능을 서로 스위칭할 수 있는 기능 등을 들 수 있다.
조정 가능한 데드타임
동기식 벅 컨버터에서 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치 간의 데드타임 설정은 시스템의 총 효율성에 큰 영향을 미친다. 설령 아날로그 컨트롤러가 조절 가능한 데드타임 설정을 제공한다고 해도, 개발자는 최악의 경우 해당하는 시나리오를 참고하여 최적의 온도 및 부하 조건들을 고려해야 한다. 이 경우 데드타임은 대부분 최대가 되어야 하며, 콘덴서 및 저항 등을 배치하여 이 값을 하드웨어로 ‘프로그램’해야 한다. 컨버터가 이처럼 최악의 조건에 노출되는 일은 일어나지 않을 가능성이 높기 때문에, 이는 필연적으로 코어와 다이오드의 손실을 증가시키게 된다.
이에 대한 해결책으로는 데드타임을 특정 부하 및 온도 조건에 자동으로 적응시키는 것을 들 수 있다. 온-보드 제로 크로스 감지(Zero-crossing Detector) 기능을 이용하여 스위치를 항상 최적의 데드타임으로 구동할 경우 상당한 제약이 따르는데, 이는 두 가지 이유 때문이다. 첫째, 모든 종류의 아날로그 제로 크로스 감지기는 비교기를 토대로 한다. 사용 가능한 가장 빠른 아날로그 비교기의 경우 평균적인 전파 지연 시간은 15∼20ns인데, 이것은 그림 3의 결과를 고려할 때 최적의 수준에 도달하기에 너무 느린 속도이다. 둘째, 이 제로 크로스 감지기는 하프 브릿지의 스위칭 노드에서 동작해야 하는데, 여기서는 고주파 스위칭 노이즈로 인해 필터가 필요하므로 트리거 속도가 더 떨어지고 결국 이 기능을 무효화시키게 된다.
그러나 아날로그 영역에서 성능을 낼 수 없는 부분에 대한 해답은 디지털 영역에서 찾을 수 있다. 최적화를 달성하기 위한 가장 일반적인 기법은 컨버터의 외부 조건들이 안정될 때까지 이를 모니터링 및 분석하는 것이다. 그리고 정상 상태 동작이 감지되는 즉시 데드타임을 수정하며 하이-사이드 스위치의 소비율을 모니터링한다.
정전압 컨버터를 위한 이 기법의 원리는, 정상 상태 조건에서는 하이-사이드 스위치의 최단 상대적 온-타임이 최대 효율 지점을 결정한다는 것이다. 이 지점에서는 어떤 일정 출력을 제공하기 위해 버스로부터 최소한의 전력량을 끌어와야 하기 때문이다(그림 2 참조).
그림 2. 자동화된 데드타임 조절(ADTA) 기법의 기본 등식
그림 3. 정상 상태로 동작할 때 상이한 데드타임 설정에서 단일 스윕을 측정한 결과
그림 3은 정상 상태 동작 시 정의된 데드타임 설정 범위에서의 단일 스윕(Sweep) 결과를 테스트 벤치에서 측정한 모습이다. 녹색 선은 데드타임이 하이-사이드 스위치(DTR)의 상승 엣지에 적용된다는 것을 보여준다. 적색 선은 상이한 데드타임 설정에서 하이-사이드 스위치의 온-타임 추이를 보여주며, 검은색 점선은 그에 해당하는 3차 근사치이다.
데드타임 스윕에 대해 주어진 범위는 시스템 특성을 분석하고 최선의 시나리오(최단 데드타임)와 최악의 시나리오(최장 데드타임)를 정의함으로써 결정되었다. 스윕은 90%의 부하(Vin＝12V, Vout＝3.3V, Iout＝9A)에서 4ns의 최대 해상도로 수행되었다. 듀티 사이클은 차트 좌측에서 1.394마이크로초 정도의 값으로 시작되었다가 데드타임이 증가하는 즉시 급속히 떨어진다. 이 영역에서 하이-사이드와 로우-사이드 스위치가 이미 어느 정도 중첩되는 것을 볼 수 있으며, 입력으로부터 오는 전력 중 일부는 접지로 직접 단락된다.
데드타임이 25ns 정도일 때 온-타임은 최소값인 1.384 마이크로초에 도달하며, 데드타임이 더욱 증가하면 다시 상승하기 시작한다. 조절이 불가능한 설계에서는 스위치에 대해 데드타임이 최소 70ns로 설정되어 있을 것이므로, 이러한 동작 조건에서의 평균적인 온-타임은 1.395마이크로초일 것이다. 그림 2의 등식 Ⅲ에 따라, 원래의 하이-사이드 온-타임과 최적화된 하이-사이드 온-타임 간에 벌어지는 차이는 11ns이다. 언뜻 보기에 대단치 않아 보일 수도 있지만, 이러한 고주파 컨버터에서는 최대 0.9% 정도의 효율성 증가 및 최대 92∼93% 정도의 총 효율성 증가를 나타낸다.
조절 가능한 스위칭 주파수와 보상 회로
또 다른 훌륭한 기능은, 보상 회로와 스위칭 주파수를 소프트웨어로 조절할 수 있다는 것이다. 이것은 설정 작업 시 기본 조절을 용이하게 할 뿐만 아니라 실행 시에도 조절할 수 있도록 한다. 이것은 이제까지 불가능했던 디지털 컨트롤러의 핵심 영역이었다.
동기식 벅 컨버터와 같은 하드 스위칭 토폴로지에서는 대부분의 전력 손실이 주로 스위칭 손실로 인한 것이었다. 특히 가벼운 부하에서 효율성을 향상시키기 위해 스위칭 주파수를 줄이면 컨버터의 총 효율성 향상에 커다란 도움이 될 수 있다. 그러나 보상 회로가 하드웨어로 고정된 상태에서 스위칭 주파수가 줄어들 경우에는 일반적으로 게인이 감소되기 시작하며, 이는 위상 및 게인 마진의 손실을 가져올 수 있다. 이러한 효과를 보상하려면 시스템의 게인을 조절할 필요가 있다.
마이크로칩의 MCP19111은 PWM 발생기의 램프 전압, 제로 주파수(원점에서의 공진 주파수, 첫 상을 정의함), 총 게인 및 슬로프 게인은 물론 슬로프 자체까지 조절하기 위한 레지스터를 제공한다. 또한 앰프 오프셋과 전류 감지 게인을 조절하기 위한 레지스터 세트도 있다. 이 기법은 광범위한 시스템 특성 분석 프로세스를 필요로 할 수도 있지만, 효율성과 안정성 면에서 상당한 개선 가능성을 보여준다.
가벼운 부하의 효율성 최적화
비동기식 벅 컨버터에서 프리휠링 다이오드(Freewheeling Diode)의 전력 손실은 순방향 전압 강하에 전류를 곱한 값으로 결정된다.
다이오드 양단에 나타나는 커다란 순방향 전압 강하는 영구적인 것으로서 최소화할 수 없으므로, 보통은 순방향 전압 강하가 상당히 낮은 추가 스위치를 사용하여 이 다이오드를 바이패스하고 동기식 정류기를 형성한다. 이 방법은 일반적으로 1A 이상의 부하 전류가 필요할 경우 사용된다. 그러나 경부하 조건에서 로우-사이드 스위치를 통해 흐르는 전류가 매우 적을 때는 그 게이트를 구동하는 데 필요한 전력이 프리휠링 다이오드를 스위치로 바이패스 함으로써 절약되는 전력보다 커지게 된다.
MCP19111은 이와 같은 특정 조건 하에서 효율성을 더욱 향상시킬 수 있도록 이른바 다이오드 에뮬레이션 모드를 제공하는데, 이 모드가 활성화되면 로우-사이드 드라이버가 꺼진다. 드라이버가 비활성화되면 게이트는 더 이상 바이어스되지 않으며, MOSFET의 바디 다이오드는 정류기가 되어 전력 손실을 최소화한다.
마이크로칩의 새로운 파워 MOSFET 제품군인 MCP870xx는 부분적인 전력 손실을 최소화하고 총 효율성을 높이기 위한 대처 방법을 지원한다. 낮은 RDS(on)와 잘 균형 잡힌 성능지수(FOM)를 지원하는 이 고속 파워 MOSFET 제품군은 일련의 상이한 온-저항 대 총 게이트 전하(QT)의 조합을 제공하여 하프 브릿지의 총 FOM을 최적화시킨다. 로우-사이드 스위치의 QT가 높아질수록 MCP19111의 다이오드 에뮬레이션 모드를 보다 효과적으로 사용할 수 있다.
무부하 동작 최적화
MCP19111은 정상적인 동작 시 최상의 성능을 제공하기 위한 전류 모드 컨트롤러이다. 그러나 전류 모드 컨트롤러가 제대로 기능하기 위해서는 최소한 약간의 전류가 흘러야 한다. 부하가 저전력 대기 상태로 전환해도 컨버터의 출력은 여전히 표준 동작 시의 출력 전압을 제공해야 하지만, 출력은 거의 제로가 될 수 있다.
일반적으로 전류 모드 컨트롤러는 보다 높은 출력 리플을 갖는 일종의 히컵(hiccup) 모드 또는 펄스 주파수 모드(PFM) 동작으로 전환함으로써 라인 레귤레이션 공차를 위배하며 종종 심각한 EMI 문제를 야기하기도 한다. 이와 같은 전형적인 전류 모드 컨트롤러의 한계를 극복하기 위해 MCP19111은 전류 루프를 비활성화시켜 의사 전압 모드 제어로 전환할 수 있도록 되어 있으며, 이는 출력 전압과 시스템 안정성을 향상시킨다.
사용성과 툴 체인
그림 4. 그래픽 사용자 설정 인터페이스
시스템 구성 및 최적화를 위해, 향상된 MCP19111의 기능들은 많은 옵션을 제공하며, 이 MCU의 프로그램 가능성은 자유도를 한층 더 높여준다. 이와 관련, 마이크로칩에서는 그림 4에 나타난 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공하여, 이를 이용해 코드를 작성하지 않고도 특정한 조절 및 설정 작업을 할 수 있도록 해 준다. 이 GUI는 오픈소스 펌웨어에 사용할 수 있으므로 이를 수정하여 개별적이고 보다 개선된 기능들을 개발하기 위한 템플릿으로 사용할 수 있다.
마이크로칩은 컨피그레이션 인터페이스 외에도 테스트를 위한 제2의 GUI를 제공하므로, 사용자는 PMbus 프로토콜을 이용하여 디바이스와 직접 통신할 수 있다(그림 5). 이 GUI는 저가형 USB-UART/SPI/I2C 인터페이스로 동작하고 있는 디바이스를 직접 모니터링 및 디버깅하기 위해, 사용 가능한 마이크로칩의 PICkit 시리얼 애널라이저(부품 번호 DV164122)와 함께 사용할 수 있다.
그림 5. MCP19111 PMbusTM 테스트 인터페이스
대부분의 기술이 이미 알려져 있고, 기존 부품에 사용되는 일부 기능이 존재함에도 불구하고, MCP19111 제품군 디바이스는 지능형 스위칭 레귤레이터의 새로운 지표를 제시하는 제품이다. 수많은 전용 기능들과 자유로운 프로그램 가용성으로 인해, 이 제품은 기존에 비해 완전히 차별화된 성능을 갖게 되었다.
MCP19111은 스마트 파워 컨트롤러 분야에서 아날로그 제어 방식과 디지털 제어 방식을 보다 밀접하게 결합시키고, 엔지니어가 모든 기능들을 사용할 수 있도록 하여 기존의 제약을 제거함으로써 혁신적이고 효율적이며 고신뢰성, 고성능인 POL 컨버터의 기반을 형성한다.
