어떠한 스위치 모드 전원공급장치(switch-mode power supply, SMPS)도 완벽하게 정확하지 않다. 출력 전압 조정의 정밀도에는 여러 가지 허용 오차가 영향을 미친다. 이 글에서는 SMPS에서 부정확성이 발생하는 다양한 원인을 소개하고 전체 허용 오차 범위가 어떻게 결정되는지를 설명한다.



머리말

스위치 모드 전원공급장치(SMPS)는 출력 전압을 설정할 수 있는 피드백 핀을 가지고 있다. 이 전압은 전원공급 회로에 의해 조정된다. 하지만 실제로 얼마나 정밀하게 조정되는지는 궁금증을 자아낸다. 그림 1은 스텝다운 원리를 따르는 SMPS를 보여준다. 일반적으로 조정되지 않은 기존의 공급 전압(입력 전압)을 사용하여 가능한 한 정확하게 조정된 출력 전압을 생성한다.
 

출력 전압의 정확도는 다양한 영향과 허용 오차에 의해 결정된다.

DC 허용 오차

직류 조정 편차에는 전압 변환기에 포함된 레퍼런스 전압의 정확도가 포함된다(그림 1). 이는 IC 설계 엔지니어가 공급 전압 범위, IC의 제조 공정 허용 오차, 동작 온도에서 오차를 최소화하도록 설계한 것이다. 기존 허용 오차는 전압 변환기 IC의 데이터시트에 포함되어 있으며, 이 값은 여러 방식으로 명시될 수 있다. 레퍼런스 전압 라인 조정, 출력 전압 부하 조정, 조정된 피드백 전압 등으로 표시될 수 있다. 순수 레퍼런스 전압의 정확도 외에도, 조정된 피드백 전압의 경우에는 피드백 핀에서 나타나는 IC 고유의 다른 직류 허용 오차도 포함된다.

또한 직류 허용 오차에는 조정된 출력 전압과 피드백 핀(그림 1에서 Rfb1과 Rfb2) 사이의 저항 분배기의 저항 값 편차도 포함된다. 이들 저항은 서로 다른 허용 오차 범위를 갖는 제품들을 구매할 수 있으며, 일반적으로 저항은 최대 허용 오차에 근접한 값을 갖는 경우가 많다. 더 작은 허용 오차를 갖는 더 나은 저항 제품들은 제조 과정에서 선별되며, 통상적으로 더 정확한 저항 제품으로 판매된다. 

출력 전압 리플

SMPS에서 조정된 출력 전압은 항상 일정한 전압 리플을 가진다. 이 리플은 벅 레귤레이터의 인덕터 전류 상승과 하강, 출력 커패시터의 값과 그 등가 직렬 저항(equivalent series resistance, ESR)에 의해 결정된다. 인덕턴스 값이 큰 코일과 ESR이 낮은 대용량 출력 커패시터를 사용하면 전압 리플을 줄일 수 있지만, SMPS에서 출력 전압 리플을 완전히 제거할 수는 없다.

부하 과도 응답 

생성된 전압의 정확도에 영향을 미치는 세 번째 요인은 부하 과도 응답 시의 동작이다. 부하 전류가 달라지면 생성된 전압이 위쪽이나 아래쪽으로 편차를 보일 수 있다. 부하 과도 응답의 진폭이 클수록, 그리고 그 변화가 빠를수록 출력 전압은 설정값보다 더 크게 일시적으로 벗어난다.

생성된 전압의 오차에 대한 영향을 최소화하기 위해서는 제어 루프 속도가 빨라야 한다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 LTpowerCAD®와 같은 도구는 전력 변환기 회로의 루프를 최적화하는 데 유용하다. 그림 2는 LT8642S의 부하 과도 응답을 보여준다. 부하 전류가 500ns 이내에 100mA에서 5A로 증가한 뒤 250µs 후에는 다시 낮아졌다. 전압이 약 27.5mV까지 상승하고, 약 26.4mV까지 하락했다.

부하 과도 현상의 측정은 아나로그디바이스(ADI)의 LTpowerAnalyzer가 사용되었다. 이 하드웨어를 활용해 전류 레벨과 전환 시간이 다양한 조건에서 부하 과도 현상을 쉽게 측정할 수 있다. 그림 3은 SMPS의 허용 오차에 영향을 미치는 요소들을 나타낸다.

 

결론

전원공급 회로를 선택할 때는 사용 환경에서 요구되는 전압 정확도를 파악하는 것이 중요하다. 이는 DC 정확도를 위한 전력 변환 IC와 저항 분배기, 그리고 출력 리플과 부하 과도 응답에 영향을 미치는 코일과 출력 커패시터 같은 다양한 부품들을 올바르게 선택하기 위해 필요하다. 마지막으로 회로의 제어 루프는 부하 과도 응답을 최대한 잘 처리할 수 있도록 최적화되며, 예를 들어 최소한의 전압 오프셋을 달성할 수 있도록 조정된다.


저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학교에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(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 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.
문의: frederik.dostal@analog.com