자동차의 전자 서브시스템 확산으로 오토모티브 환경에서 발생하는 까다로운 조건에서도 동작하는 저렴하면서도 믿을만한 소형 전력 컨버터가 인기를 얻고 있다^{[1], [2], [3]}.

오토모티브 12V 배터리의 보통상태(Steady-State) 전압의 범위는 충전 상태에 따라 주위 온도, 교류발전기 동작 조건에 따라 9V에서 16V까지 다양하다.

하지만 이것은 스타트-스톱, 콜드-크랭크, 로드-덤프 트랜션트 프로파일들을 포함해 다양한 동역학적인 교란에 처하게 된다. 자동차 제조사들 각자는 ISO 7637과 ISO 16750 같은 산업표준들이 제공하는 표준화된 펄스 파형들과 더불어 고유의 광범위한 전도 내성 테스트세트를 보유하고 있다^{[4], [5]}. 〈표 1〉은 여러 가지 미달전압(UV) 및 과전압(OV) 자동차 배터리 트랜션트들을 구분한다.

보다 광범위하게 BMW, 다임러, 폭스바겐 등과 같은 자동차 제조업체들이 작성한 LV124 템플릿^[6]은 다양한 전기 트랜션트 테스트들(E-01부터 E-22까지)과 요구사항에 대해 설명한다.

DC 라인에 중첩된 교류발전기의 사인곡선 프로필 노이즈는, 무엇보다 차량의 인포테인먼트와 조명시스템에 유해한 효과를 가져온다^[1]. 대부분의 자동차에서는 로우패스 LC 필터와 TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드로 구성된 중앙 패시브 회로 보호 네트워크가 과도 교란 제거를 위한 첫 번째 방어막으로 쓰인다.

보호 네트워크의 다운스트림에 위치한 자동차 전자장치들은 손상 없이 최대 40V 트랜션트를 견딜 수 있는 것으로 평가된다. 그렇지만 낮은 주파수에서 교란을 약화시키는데 필요한 LC 필터의 차단 주파수는 필터 인덕터에 필요한 풋프린트 및 프로파일과 전해 커패시터를 불편하게 만든다.

본 글은 네 개 스위치 동기식 벅-부스트 DC-DC 레귤레이터와 고밀도의 비용효과적인 솔루션을 제공하는 높은 PSRR(Power Supply Rejection Ratio)을 이용해 액티브 필터 구현을 설명하고 있다(그림 1). 이 회로 구현은 자동차 검증을 받은 디바이스인 텍사스 인스트루먼트의 LM5175-Q1 컨트롤러에 기반하고 있다. 이 방식에서는 부피가 큰 패시브 필터 컴포넌트들이 필요 없고, 배터리 전압 조절 및 전압 트랜션트의 거부를 동시에 제공한다.

4 스위치 동기식 벅-부스트 레귤레이터 

DC-DC 컨버터를 이용해 자동차 배터리 소스를 조절하는 작업은 그 컨버터의 비조절 입력 전압이 조절 출력 전압 설정값(Setpoint)의 위와 그 설정값, 그리고 그 설정값 아래에서 지속적으로 변화하며 벅-부스트 변환요구가 예상되는 경우 좀 더 까다로워진다. 기존의 벅 컨버터나 부스트 컨버터는 이 경우 부적합하다. 왜냐하면 스텝다운 변환이나 스텝업 변환만 가능하기 때문이다.

〈그림 2〉는 4 스위치 동기식 벅-부스트 레귤레이터의 전체 회로도다. 이 레귤레이터는 촘촘하게 조정된 12V 레일을 출력하도록 설계돼 있다. 이 솔루션은 EMU(Engine Management Units)에 이상적이며, 드라이브 트레인, 연료시스템, 바디, 그리고 가장 심각한 배터리 전압 트랜션트에서도 결함 없이 로드가 전원공급 상태를 유지해야 하는 안전 서브시스템 등 그 밖의 중요한 자동차 기능들에도 이상적이다.

이 ‘현대식’ 벅-부스트 파워 스테이지의 주요 장점은 간단한 벅 또는 부스트 동작 모드들을 이용해 매우 높은 변환 효율을 제공한다는 것이다. 이것은 ‘고전적인’ 싱글-스위치(인버팅) 벅-부스트에 비해 포지티브 출력 전압을 생산한다. 그리고 단순한 마그네틱 컴포넌트 덕분에 SEPIC, 플라이백, 제타, 단계적 부스트벅 토폴로지들에 비해 파워 손실이 낮고 파워 밀도는 높다^[7].

또한 4 스위치 벅-부스트 컨버터는 그 장점으로 직관적인 토폴로지 방식, 콤팩트한 솔루션 크기, 부스트 모드에서 제어된 스타트업과 단락 보호, 셧다운에서의 출력 분리, 단순한 제어와 보상, 일정한 스위칭 주파수 등이 있다. 그래서 이것은 자동차 배터리 전압 조절에 안성맞춤이다.

〈그림 2〉의 회로도는 파워 스테이지 및 컨트롤러에 쓰이는 부품들을 지정한다. 여기에 집적 게이트 드라이버, 바이어스 서플라이, 전류 센싱, 출력 전압 피드백, 루프 보정, 프로그래머블 미달전압 록아웃(UnderVoltage LockOut, UVLO), 노이즈 시그니처를 낮추기 위한 디더 옵션 등을 포함한다. 400 kHz의 스위칭 주파수는 솔루션 풋프린트를 최소화하며 AM 브로드캐스트 대역 내에서 간섭을 줄인다.

네 개의 파워 MOSFET이 H-브릿지 구성에서 벅 부스트 레그로 배열되며, 스위치 노드 SW1과 SW2는 인덕터 지정 LF를 통해 연결된다. 입력 전압이 출력 전압 위나 아래에서 적절히 있게 되는 경우 기존의 동기식 벅 또는 부스트가 동작하고, 반대쪽 논스위칭 레그의 하이사이드 MOSFET은 패스 디바이스로 동작한다.

그렇지만 이 특별한 벅-부스트 구현에서 가장 매력적인 기능은 입력이 출력 전압 설정값에 근접할 때 벅-부스트(B-B) 이행 영역에서 독특하게 구성된다는 점이다. 그러면 벅과 부스트 레그 둘 다 위상 변화된 인터리브 방식으로 스위칭 주파수의 절반에서 각각 전환을 하는데, 이것은 특히 효율적이다^{[7], [8]}. 부스트의 피크 전류 모드 컨트롤과 벅의 밸리 전류 모드 컨트롤을 결합한 제어 아키텍처는 모드 전환을 매끄럽게 만들어주며, 단 하나의 로우사이드 구성 션트 저항기만으로 전류 센싱이 가능하다.

〈그림 3〉은 라인 및 로드를 비교한 효율성과 컴포넌트 전력소실에 관한 도표다. 이러한 효율 결과가 기록된 레귤레이터 디자인은 〈그림 2〉의 회로도에 기반한다. 필수적인 회로 컴포넌트들은 〈표 2〉에 나와 있다. 전체적인 손실을 감안할 때, 12-V 조절 출력을 가진 컨버터는 넓은 범위의 출력 전류 및 입력 전압에서 제법 쉽게 95% 이상의 효율을 제공한다.

교류발전기-유도 사인곡선 리플 전압

오디오 주파수 범위 내에서 전도된 트랜션트 면역이 꼭 필요한 곳이 자동차의 교류발전기다. 이것은 그 출력에서 잔여 교류를 일으켜 교류발전기를 ‘울게’하고 서플라이 변조 문제를 일으킨다. 교류발전기의 고정자 와인딩은 기본적으로 삼상 사인곡선 전류 소스고, 높은 임피던스 출력이 다이오드 풀-웨이브 정류기에 공급된다. 이 정류로 중첩 전류 펄스들이 생성되고, 그 3상들에서 리플이 결정된다.

〈표 1〉에 나와 있듯이, ISO 16750-2 section 4.4는 테스트 펄스 중요도에 따라 1V, 2V, 4V의 피크-투-피크 진폭 VPP을 가진 50 Hz~25 kHz의 주파수 범위 내에서 교류발전기 출력의 리플 전압을 설명하고 있다(그림 4). LV124 표준 테스트 번호 E-06은 비슷한 리플 전압 파형을 설명한다.

 

PSRR 극대화

DC-DC 컨버터의 PSRR은 그 컨트롤 루프 대역폭과 관련이 있고 이에 영향을 받는데, 부스트 모드에서 깊게 동작할 때 RHPZ(Right-Half-Plane Zero) 주파수에 따라 대체로 스위칭 주파수의 20% 이하로 한정된다. TI의 LM5175-Q1 같은 컨트롤러에서, PSRR 성능은 VIN 과 로드 변화에 크게 좌우되는데, 이것은 V_IN과 V_OUT의 차이에 기반해 슬로프가 보정되는 전류-모드 제어 구성 때문이다. 이것은 PSRR을 극대화하고 라인 트랜션트를 거부하도록 설계됐다^[7]. 

〈그림 2〉에서 커패시터 지정 CSLOPE에 의해 확립된 슬로프 보정 진폭은 밸리(피크) 전류-모드 벅(부스트) 모드에서 고전적인 일회성 인덕터 업슬로프(다운슬로프)에 슬로프 보정 램프를 설정함으로써 이상화된 데드비트 응답(Deadbeat Response)을 목적으로 선택된다. 적용 가능한 인덕터 슬로프의 절반을 설정하면 최적의 라인 거부가 가능하지만, 이것은 루프 안정을 위한 최소한의 슬로프 보정이다. 〈그림 5〉의 구성은 시뮬레이션을 통해 9V와 16V의 입력 전압에서 컨버터의 오픈-루프 게인과 위상 플롯을 설명하고 있다. 〈그림 6〉은 해당 PSRR 성과에 관한 것이다.

벤치 측정

〈그림 7a〉는 9V DC 입력이 1V의 피크-투-피크 진폭의 중첩된 1 kHz 사인곡선 리플을 가질 때 동기식 벅-부스트 레귤레이터의 출력 전압 파형을 보여준다. 모든 전압은 스위칭 주파수 노이즈가 제거된 AC 커플링 프로브로 측정된다. 소스 팔로어로서 연결된 직렬 n채널 MOSFET을 이용해 입력 전압 변조가 제공된다. 입력 리플은 시뮬레이션이 예측하듯이, 대략 40 dB까지 감쇠된다.

〈그림 7b〉는 자동차 콜드-크랭크 시뮬레이터를 이용해 20 ms 동안 3V까지의 콜드-크랭크 트랜션트 과정의 출력 전압을 보여준다. 4 스위치 벅-부스트 컨버터는 콜드-크랭크 프로파일을 통해 매끄럽게 조절된다. 또한 파워 MOSFET은 낮은 입력 전압에서 충분한 게이트-드라이브 진폭을 갖는다. 조절된 VOUT 레일이 그 컨트롤러의 BIAS 핀 입력을 구동하기 때문이다.

적절한 EMI 필터^[8]와 권장 인쇄회로기판(PCB)^[9], 컴포넌트 선택 가이드라인을 이용해 CISPR 25 자동차 EMI 표준을 충족하도록 레귤레이터를 설계할 수 있다.

요약 

높은 PSRR과 트랜션트 면역, 높은 효율, 낮은 총 BOM을 갖춘 4 스위치 동기식 벅-부스트 레귤레이터는 자동차 애플리케이션에서 조밀한 전압 조절과 트랜션트 교란 거부를 위한 콤팩트 하고 비용효과적인 솔루션이다. 이 글에서 다룬 LM5175-Q1 벅-부스트 컨트롤러는 AEC-Q100 등급 1의 자동차 검증을 받았기 때문에 차량의 12V 싱글 배터리 및 24V 듀얼 배터리 시스템에 쉽게 통합될 수 있다. ES