[논문]VHDL과 FPGA를 이용한 Digital Power IC 설계

김민호; 구본하; 양오

VHDL과 FPGA를 이용한 Digital Power IC 설계
Digital Power IC design using VHDL and FPGA 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.12 no.4, 2013년, pp.27 - 32

김민호 (청주대학교 반도체공학과) , 구본하 (청주대학교 반도체공학과) , 양오 (청주대학교 반도체공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the boost converter was implemented by digital control in many applications of the step-up. The PWM(pulse width modulation) control module of boost converter was digitized at power converter using the FPGA device and VHDL. The boost converter was designed to output a fixed voltage through the PI control algorithm of the PWM control module even if input voltage and output load are variable. The boost converter was digitized can be simplified by reducing the size of the module and the external control components. Thus, the digital power IC has advantageous for weight reduction and miniaturization of electronic products because it can be controlled remotely by setting the desired output voltage and PWM control module. The boost converter using the digital power IC was confirmed through experiments and the good performances were showed from experiment results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

디지털적으로 제어되는 승압형 컨버터(Boost converter)의 제어 특성을 파악하기 위해 실험을 하였다. 이를 위해 설계조건에 맞게 출력 기준 전압(VOREF)를 20V로 정해놓고, 승압형 컨버터의 입력 전압과 출력 부하를 가변 할 때와 또한, 출력 되는 전압의 파형을 실험을 통해 측정하였다.
본 논문에서는 현재 많은 제품에서 승압의 용도로 사용되고 있는 Boost Converter를 Digital 화 시킬 수 있는 IC를 설계하였다. 이를 위해 입력 전압이 변하거나 Boost Converter의 부하가 변하여도 PI 제어기를 통해 출력전압을 일정 크기로 제어하는 Digital Power IC를 설계하였다.

가설 설정

또한 출력 부하의 가변은 전자 기기의 부하에 변화를 가정하여 설정하였다.
0 A로 가변 하여도 출력전압이 DC 20V로 고정될 수 있는 Boost Converter를 설계하고자 한다. 이 실험 조건에서 입력 전압의 가변은 Boost Converter에 인가되는 전압의 크기가 불안정하여 일정한 전압이 인가되지 않는 것을 가정한 것이다.

제안 방법

FPGA의 내부 구성도를 보면, A/D Converter에서 Digital 값으로 변환한 출력값을 7 세그먼트(Seven Segment)를 통해 출력하여 모니터 할 수 있고, PI 제어기를 사용하여, 출력값을 제어할 수 있게 설계를 하였다. 따라서 FPGA에서는 A/D Converter가 정상 작동을 할 수 있도록 MCLK과 SCLK을 만들고, A/DConverter에서 SDO를 입력받아 Digital 값으로 변경된 Boost Converter의 출력 전압을 FPGA에서 읽을 수 있다.
Fig. 1에서 Vin에 인가되는 전압이 DC 9 V~15 V로 가변 하거나 Vo의 부하가 0.1 A에서 2.0 A로 가변 하여도 출력전압이 DC 20V로 고정될 수 있는 Boost Converter를 설계하고자 한다. 이 실험 조건에서 입력 전압의 가변은 Boost Converter에 인가되는 전압의 크기가 불안정하여 일정한 전압이 인가되지 않는 것을 가정한 것이다.
기존의 Analog PWM 제어 모듈과 제안한 Digital PWM 제어 모듈을 만들어 그 성능을 비교하여 보았다. Fig.
따라서 Switching Boost 회로의 출력 전압을 보다 효과 적으로 제어할 수 있다. 다음은 실험을 통하여 제시한 Boost Converter이 의도한 특성을 정상적으로 출력하고 있는지 확인하였다.
때문에 앞으로 연구가 되어야할 Boost Converter는 Analog 방식의 Boost Converter가 아닌 Digital 방식의 Boost Converter의 연구가 필요하다고 판단된다. 따라서 스위칭 소자를 이용한 Boost Converter와 HDL중 VHDL를 이용하여 IC 설계가 가능한 FPGA를 사용하며, Digital PWM 제어모듈을 사용한 Digital Power IC를 제안하려 한다. 이 Digital Power IC는 불안정한 입력전압과 부하의 변동에도 정상적인 전압의 출력이 가능 하도록 제어방식 중 가장 많이 사용되고 있는 PI제어를 사용 하였다.
또한 24bit의 AD Converter를 사용하여 정밀도를 높였고 Boost Converter의 출력 전압을 FPGA에서 읽을 수 있도록 설계하였다. Table 1은 제시한 모델의 설계 사양을 작성한 것이고, 설계 사양에 맞게 Fig.
7을 보면 A/D Converter의 출력을 Sum_cnt가 0에서 기존의 합을 초기화한 후, 8번의 합에 대한 평균을 내서 A/D Converter의 정밀도를 증가시켰음을 확인할 수 있다. 이 Digital 값은 Segment를 통해서 결과값을 모니터 할 수 있도록 하였고, PI 제어기를 통해 PWM의 Duty의 값을 PI제어기의 출력에 따라 자동적으로 제어되도록 하였다.
디지털적으로 제어되는 승압형 컨버터(Boost converter)의 제어 특성을 파악하기 위해 실험을 하였다. 이를 위해 설계조건에 맞게 출력 기준 전압(VOREF)를 20V로 정해놓고, 승압형 컨버터의 입력 전압과 출력 부하를 가변 할 때와 또한, 출력 되는 전압의 파형을 실험을 통해 측정하였다.
본 논문에서는 현재 많은 제품에서 승압의 용도로 사용되고 있는 Boost Converter를 Digital 화 시킬 수 있는 IC를 설계하였다. 이를 위해 입력 전압이 변하거나 Boost Converter의 부하가 변하여도 PI 제어기를 통해 출력전압을 일정 크기로 제어하는 Digital Power IC를 설계하였다. 현재 많이 사용되고 있는 Analog PWM 제어모듈을 이용한 출력전압의 제어 실험과 Digital IC를 사용하여 PWM 제어모듈을 만들어 Boost Converter의 출력전압을 제어한 실험을 통해 두 결과를 관찰, 비교하였다.
Analog PWM 제어 모듈은 구형파 발생기, 미분 회로, 삼각파 발생 회로, 비교기, 오차 증폭기, 스위치 구동 회로로 이루어진다. 제안한 Boost Converter는 VHDL을 이용하여 FPGA에 설계하였다.
이를 위해 입력 전압이 변하거나 Boost Converter의 부하가 변하여도 PI 제어기를 통해 출력전압을 일정 크기로 제어하는 Digital Power IC를 설계하였다. 현재 많이 사용되고 있는 Analog PWM 제어모듈을 이용한 출력전압의 제어 실험과 Digital IC를 사용하여 PWM 제어모듈을 만들어 Boost Converter의 출력전압을 제어한 실험을 통해 두 결과를 관찰, 비교하였다. 위의 실험을 통하여 얻은 Table 3, Table 4를 비교하였을 때, Analog PWM 제어 모듈을 사용했을 때와 Digital PWM 제어 모듈을 사용했을 때의 결과가 유사함을 확인할 수 있었다.

이론/모형

본 논문에서는 FET 스위칭 소자의 평균 스위칭 기법에 의한 인덕터와 커패시터의 병렬연결형 DC-DC Boost Converter회로로 사용하였다[4,5].

성능/효과

그뿐만 아니라, Digital PWM 제어 모듈을 사용할 때는 FPGA에서 Boost의 출력 전압을 읽어, PWM의 Duty를 자동 제어하는 것도 확인할 수 있었다. 그러나 Digital PWM 제어 모듈을 사용하였을 때 오차는 +1.85% Analog PWM 제어 모듈을 사용했을 때는 +1.20%로 Digital PWM 제어 모듈을 사용하였을 때, 0.65% 증가함을 볼 수 있었다. 이는 PI 제어기의 계수 값을 조정함으로써 개선할 수 있다.
위의 실험을 통하여 얻은 Table 3, Table 4를 비교하였을 때, Analog PWM 제어 모듈을 사용했을 때와 Digital PWM 제어 모듈을 사용했을 때의 결과가 유사함을 확인할 수 있었다. 그뿐만 아니라, Digital PWM 제어 모듈을 사용할 때는 FPGA에서 Boost의 출력 전압을 읽어, PWM의 Duty를 자동 제어하는 것도 확인할 수 있었다. 그러나 Digital PWM 제어 모듈을 사용하였을 때 오차는 +1.
76 ms가 걸렸으며, Table 4는 입력 전압을 가변했을 때의 출력 전압을 측정하였다. 두 폐회로의 출력 전압의 오차를 비교해보면 Analog Boost 회로는 +1.2%, Digital Boost 회로는+1.85%를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이때 자동 제어는 PI 제어기를 사용하여, 공급되는 입력 전압의 크기와 출력 단의 부하의 변화에 관계없이 일정하게 유지할 수 있었다. 부하 변화 시 PI 제어를 통해 정상 출력을 유지하는 시간은 38.92ms, 67.76ms로 짧은 시간에 이루어짐을 보였다. 이 Digital Power는 입력 전압이 불안정한 장소나 출력 부하의 변동이 심한 제품에서 사용되기에 유용한 Power가 될 것이다.
현재 많이 사용되고 있는 Analog PWM 제어모듈을 이용한 출력전압의 제어 실험과 Digital IC를 사용하여 PWM 제어모듈을 만들어 Boost Converter의 출력전압을 제어한 실험을 통해 두 결과를 관찰, 비교하였다. 위의 실험을 통하여 얻은 Table 3, Table 4를 비교하였을 때, Analog PWM 제어 모듈을 사용했을 때와 Digital PWM 제어 모듈을 사용했을 때의 결과가 유사함을 확인할 수 있었다. 그뿐만 아니라, Digital PWM 제어 모듈을 사용할 때는 FPGA에서 Boost의 출력 전압을 읽어, PWM의 Duty를 자동 제어하는 것도 확인할 수 있었다.
이는 PI 제어기의 계수 값을 조정함으로써 개선할 수 있다. 이때 자동 제어는 PI 제어기를 사용하여, 공급되는 입력 전압의 크기와 출력 단의 부하의 변화에 관계없이 일정하게 유지할 수 있었다. 부하 변화 시 PI 제어를 통해 정상 출력을 유지하는 시간은 38.
제안한 Digital Converter에서는 Soft Start를 사용하였는데, Soft Start는 갑자기 많은 전압이 Boost converter에 인가되어 회로가 오작동을 일으키거나 파손되는 것을 방지하기 위해, 낮은 전압부터 원하는 출력에 전압까지 서서히 증가시키는 것을 의미한다. Fig.

후속연구

이와 같은 이유로 HDL(Hardware Description Language)를 사용하여, 디바이스를 설계하는 시스템이 각광 받고 있으며, 기존의 Analog 회로에 대한 Digital 회로로서의 대체가 불가피해지고 있는 시점이다. 때문에 앞으로 연구가 되어야할 Boost Converter는 Analog 방식의 Boost Converter가 아닌 Digital 방식의 Boost Converter의 연구가 필요하다고 판단된다. 따라서 스위칭 소자를 이용한 Boost Converter와 HDL중 VHDL를 이용하여 IC 설계가 가능한 FPGA를 사용하며, Digital PWM 제어모듈을 사용한 Digital Power IC를 제안하려 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Soft Start는 어떠한 것을 의미하는가?	제안한 Digital Converter에서는 Soft Start를 사용하였는데, Soft Start는 갑자기 많은 전압이 Boost converter에 인가되어 회로가 오작동을 일으키거나 파손되는 것을 방지하기 위해, 낮은 전압부터 원하는 출력에 전압까지 서서히 증가 시키는 것을 의미한다. Fig.
	Digital 방식의 Boost Converter의 연구가 필요해지는 이유는 무엇인가?	또한 현재 사용되는 제품들 중 대표적으로 스마트폰 이나 테블릿 PC와 같은 전자 제품들을 보면 앞으로의 전자 제품의 추세는 경량화, 소형화가 될 것을 예측 할 수 있다. 이러한 현재 상황에서 제품 전체에 동작 가능한 전력을 공급해주는 기존의 Analog로 이루어진 Power들은 전자 제품의 경량화 및 소형화의 걸림돌이 될 수밖에 없다. 또한, VLSI기술이 발전되고 IC 칩의 복잡도가 증가되고 있기 때문에 IC에 대한 설계의 환경이 복잡해졌다. 이러한 상황에서 디지털시스템을 게이트나 플립플롭 등으로 설계한다는 것은 효율성이 떨어진다. 이와 같은 이유로 HDL(Hardware Description Language)를 사용하여, 디바이스를 설계하는 시스템이 각광 받고 있으며, 기존의 Analog 회로에 대한 Digital 회로로서의 대체가 불가피해지고 있는 시점이다.
	PI 제어기란?	PI 제어기는 비례 적분 제어기로 기준의 신호와 현재 신호 사이의 오차의 비례상수 이득을 곱해서 제어 하는 비례제어기(Proportional Controller)와 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만들어내는 적분 제어기 (Integral Controller)를 병렬로 연결하여 사용하는 제어 기법을 말한다[6]. 이러한 PI제어는 적분제어의 정상상태오차 감소기능과 비례제어의 과도응답 성능개선 기능의 장점을 지닌다.

참고문헌 (9)

B. W. Kim, S. J. Park, K. H. Kim, S. M. Heon, S. E. Cho, C. U. Kim, "Buck and Boost Photovoltaic Converter Driving Schemes under Low power level", KIPE, Power Electronics Annual Conference, pp. 669-672, 2005.7.
J. B. Kim, Y. J. Lee, S. T. Jung, C. S. Kim, S. J. Park, K. H. Kim, " Soft Switching DC/DC Converter Using Boost", KIPE, Power Electronics Annual Conference, pp. 436-437, 2011.7.
J. M. Park, D. H. Yoo, H. N. Lee, G. Y. Jung, "DCDC Boost Converter with High Voltage-transfer Ratio " , KAIS, Academia-Industrial Cooperation Society Annual Conference 2010, pp. 345-348, 2010.
K. W. Lee, "Design and Implementation of a Current Controller for Boost Converters Using a DSP", KIPE, Power Electronics Annual Conference 17(3), pp. 259-265, 2012.6.
I. D. Kim, "Analysis and Modeling of Two-Phase Boost DC-DC Converter", KIEE, The Transactions of The Korean institute of Electrical Engineers 46(9), pp. 1356-1364, 1997.9.
I. H. Kim, K. J. Jeong, Y. I. Son, "Design of controller for DC/DC boost converter using PI observer", KIEE, Electrical Machinery & Energy Conversion System Society Annual Conference, pp. 1650-1651, 2009.7.
G. M. Lee, G. D. Lee, D. C. Lee "Anti-Windup of PI Controller for DC Motor Drives", KIEE, KIEE Summer Conference pp. 498-500, 1996.7.
W. E. Yun, J. W. Choi, H. G. Kim, "A New Antiwindup Strategy for PI Speed Controllers", KIEE, Electrical Machinery & Energy Conversion System Society Annual Spring Conference, pp 140-142, 2005.4.
ERA, "Design Master of Power Circuit - Rectifier Circuit to Switching Regulator", pp. 4-68, 2008.8.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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