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문제 정의
- 본 논문에서는 통상적인 PWM 제어 방식의 벅 컨버터에 고정 스위칭 주파수 발진기 대신에 PLL 기반의 발진기를 사용함으로써 부하의 변화에 따라 스위칭 주파수가 가변되는 PWM과 PFM 제어 방식이 통합된 벅 컨버터를 제안했다.
제안 방법
- 그림 3처럼 기존 발진기에서 phase frequency detector (PFD)와 차지 펌프 그리고 루프 필터의 전압을 전류로 바꿔주기 위한 전압 전류 컨버터가 추가되었고 고정 전류원을 전압 전류 컨버터의 출력 전류로 대체함으로써 PLL을 구성했다. PFD에서 두 입력 펄스폭 차이만큼의 펄스를 발생시키면 차지펌프가 발생된 펄스폭의 시간만큼 충방전해서 루프 필터의 전압을 가변하면서 가변 스위칭 주파수의 발진기로써 동작한다.
- 본 논문에서는 기존의 PWM 제어 회로에서 사용되는 발진기를 PMOS의 on-time 파형과 기준 on-time 파형을 입력으로 하는 phase locked loop (PLL)로 대체함으로써 통합된 PWM/PFM 제어 방식의 제어 회로를 제안하였다. 제안한 제어 방식의 회로는 PLL 회로에서 voltage controled oscillator (VCO)를 제외한 부분이 추가되나 그 회로의 면적은 크지 않기 때문에 기존의 듀얼 모드에 비해서 칩 면적은 작다.
- 스위칭 주파수는 300kHz∼2MHz 범위에서 동작했고 boundary conduction mode (BCM) 조건은 ILoad = 45 mA로 설계했다.
- [5] 그림 2는 제안한 벅 컨버터의 회로도이다. 제안한 벅 컨버터는 그림 1의 기존 PWM 벅 컨버터와는 다르게 고정 스위칭 주파수의 발진기 대신에 PLL 기반의 가변 스위칭 주파수 발진기를 사용했다.
- 본 논문에서는 기존의 PWM 제어 회로에서 사용되는 발진기를 PMOS의 on-time 파형과 기준 on-time 파형을 입력으로 하는 phase locked loop (PLL)로 대체함으로써 통합된 PWM/PFM 제어 방식의 제어 회로를 제안하였다. 제안한 제어 방식의 회로는 PLL 회로에서 voltage controled oscillator (VCO)를 제외한 부분이 추가되나 그 회로의 면적은 크지 않기 때문에 기존의 듀얼 모드에 비해서 칩 면적은 작다. 또한 PWM과 PFM이 통합된 하나의 제어방식임으로 듀얼 모드 컨버터처럼 제어 방식의 변경 범위가 존재하지 않기 때문에 최적화된 효율을 얻을 수 있다.
- 제안한 벅 컨버터는 대체된 PLL 기반의 발진기로 인해서 PWM/PFM 통합 제어가 가능하고 모델링을 통해 검증한 것과 같이 컨버터의 루프이득을 증가시켜 과도 응답 특성을 향상시켰다. 제안한 컨버터의 설계는 정상상태에서 PMOS의 on-time이 정확한 부하전류의 정보를 포함하기 때문에 안정적인 PFM 동작을 위해서 PLL 루프의 대역폭은 컨버터의 PWM 루프의 대역폭보다 작게 설계했다. PSIM을 이용한 시뮬레이션 결과에서 수식의 근사화와 회로의 지연시간 때문에 약간의 오차가 발생했지만 1%이하의 오차범위에 있었고 Cadence의 Spectre를 이용한 시뮬레이션에서는 중부하에서 최대 94.
성능/효과
- 그림 6 (a)는 모델의 시뮬레이션 결과로 부하전류가 20mA에서 40mA로 변함에 따라 스위칭 주파수가 0.901MHz에서 1.806MHz로 가변되는 것을 확인할 수 있다. 그림 6 (b)와 (c) 역시 부하전류가 20mA에서 40mA로 변함에 따라 스위칭 주파수가 0.
- 제안한 컨버터의 설계는 정상상태에서 PMOS의 on-time이 정확한 부하전류의 정보를 포함하기 때문에 안정적인 PFM 동작을 위해서 PLL 루프의 대역폭은 컨버터의 PWM 루프의 대역폭보다 작게 설계했다. PSIM을 이용한 시뮬레이션 결과에서 수식의 근사화와 회로의 지연시간 때문에 약간의 오차가 발생했지만 1%이하의 오차범위에 있었고 Cadence의 Spectre를 이용한 시뮬레이션에서는 중부하에서 최대 94.7%의 효율을 보였고 10mA의 경부하에서도 85.4%의 높은 효율을 확인할 수 있었다. 컨버터의 자세한 성능은 표 2에 제시하였다.
- 또 중부하에서는 추가된 루프 이득 때문에 기존의 PWM 제어 방식보다 과도 응답 특성이 향상된다. PSIM을 이용해 제안한 컨버터의 동작특성을 검증하였고 설계한 PWM/PFM 통합 제어방식의 벅 컨버터 회로를 cadence spectre를 통한 시뮬레이션 결과 넓은 범위의 부하조건에서 높은 효율을 확인했다.
- 결과적으로 DCM에서는 부하전류에 따라 PFM 동작까지 가능하지만 CCM에서는 순간적으로 PWM 제어의 과도 응답 특성을 향상시킬 뿐 일정한 스위칭 주파수로 동작한다.[7]
- 결과적으로 그림 7에서 볼 수 있는 바와 같이 약 5mA∼300mA 범위의 넓은 중부하와 경부하조건 모두에서 약 80%∼95%의 높은 효율을 나타냈고 발진기의 최저주파수 때문에 더 이상 PFM 동작을 하지 못하는 5mA이하의 부하조건에서는 기존의 PWM 벅 컨버터와 같이 효율이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 그래서 벅 컨버터 칩 내부에 각 제어 방식의 회로와 각 제어 회로를 선택하는 회로가 추가되고 컨버터 전체 루프의 안정성을 고려해서 각 제어 방식이 변경되는 부하조건을 설정하는 것도 까다롭다. 결과적으로는 DC-DC 컨버터 칩의 면적이 증가하고 제어 방식이 변경되는 부하조건 부근에서는 효율이 감소한다.
- 그러한 이유로 경부하에서 상대적인 전력 손실의 증가로 나타나고 PWM 제어 방식의 벅 컨버터는 부하전류가 감소할수록 효율이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.[3～4]
- 제안한 제어 방식의 회로는 PLL 회로에서 voltage controled oscillator (VCO)를 제외한 부분이 추가되나 그 회로의 면적은 크지 않기 때문에 기존의 듀얼 모드에 비해서 칩 면적은 작다. 또한 PWM과 PFM이 통합된 하나의 제어방식임으로 듀얼 모드 컨버터처럼 제어 방식의 변경 범위가 존재하지 않기 때문에 최적화된 효율을 얻을 수 있다. 또 중부하에서는 추가된 루프 이득 때문에 기존의 PWM 제어 방식보다 과도 응답 특성이 향상된다.
- 제안한 벅 컨버터는 대체된 PLL 기반의 발진기로 인해서 PWM/PFM 통합 제어가 가능하고 모델링을 통해 검증한 것과 같이 컨버터의 루프이득을 증가시켜 과도 응답 특성을 향상시켰다. 제안한 컨버터의 설계는 정상상태에서 PMOS의 on-time이 정확한 부하전류의 정보를 포함하기 때문에 안정적인 PFM 동작을 위해서 PLL 루프의 대역폭은 컨버터의 PWM 루프의 대역폭보다 작게 설계했다.
후속연구
- 앞으로 제안한 벅 컨버터의 최적화된 설계를 위해서는 PLL루프와 PWM 루프 사이의 연관성을 분석하고 검증해야 할 것이다. 또 추가된 PFD, 차지펌프 그리고 전압 전류 컨버터 회로의 전력소모를 줄일 수 있는 방법을 찾아야 할 것이다.
- 앞으로 제안한 벅 컨버터의 최적화된 설계를 위해서는 PLL루프와 PWM 루프 사이의 연관성을 분석하고 검증해야 할 것이다. 또 추가된 PFD, 차지펌프 그리고 전압 전류 컨버터 회로의 전력소모를 줄일 수 있는 방법을 찾아야 할 것이다.
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