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문제 정의
- 본 논문에서는 PFM/PWM 기반 LLC 공진 컨버터를 위한 제어 IC의 설계를 보여주었다. 클록 생성기를 통해 주파수를 생성하여 LLC 공진 컨버터를 통해 전달되는 전류를 제어하며, ZVS 동작을 위해 데드 타임 생성기를 설계하였다.
제안 방법
- 이 때 VCP 전압이 흔들릴 경우, 회로의 안정적인 동작을 위해 D-Flip Flop을 두었다. SAW_COMP 신호를 클록 신호로 받고 SAW_OFF 신호를 리셋 신호로 받아, VCP 전압이 흔들리는 것을 보완할 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문에서 제안하는 IC는 이러한 듀얼 출력 컨버터를 제어하기 위해 PFM 방식 피드백만 사용하는 단일 모드 피드백이 아닌, PFM방식 피드백에 PWM 방식의 피드백을 더하여 1차측의 게이트 드라이버를 더욱 정밀하고 효율적으로 제어 할 수 있는 듀얼 모드 피드백 기법을 사용하였다. 게이트 드라이버 조절 시 1차적으로 PFM에 의해 게이트 드라이버의 스위칭 펄스 주파수를 조절하여 출력 이득이 발생하며, 2차적으로 주파수 변화에 따른 로드의 변화에 대해 효과적으로 출력스위칭 펄스의 듀티를 조절하여 더욱 정밀하게 스위칭 신호를 조절하여 출력을 자동적으로 제어할 수 있게 설계하였다.
- Level Shifter(LVS)는 논리 드라이버 출력 A, B를 받아서 고전압 출력으로 Level Shift 시키는 역할을 한다. 또한, 게이트 드라이버는 외부 게이트 드라이버를 고속으로 스위칭시키기 위해 Totem-pole 구조로 설계되었다.
- 보호 회로는 시스템의 안정성을 위해 출력이 과전압이 되거나, LED가 단락 또는 개방이 되었을 때를 감지하여 출력을 제한하는 기능을 하도록 설계되었다. 게이트 드라이버의 출력에서 출력이 멈추게 되면, LLC 공진 컨버터의 동작을 멈추도록 하여, 2차 측 Master/Slave stage로 넘어가는 전력은 없다.
- 본 논문에서 제안하는 IC는 이러한 듀얼 출력 컨버터를 제어하기 위해 PFM 방식 피드백만 사용하는 단일 모드 피드백이 아닌, PFM방식 피드백에 PWM 방식의 피드백을 더하여 1차측의 게이트 드라이버를 더욱 정밀하고 효율적으로 제어 할 수 있는 듀얼 모드 피드백 기법을 사용하였다. 게이트 드라이버 조절 시 1차적으로 PFM에 의해 게이트 드라이버의 스위칭 펄스 주파수를 조절하여 출력 이득이 발생하며, 2차적으로 주파수 변화에 따른 로드의 변화에 대해 효과적으로 출력스위칭 펄스의 듀티를 조절하여 더욱 정밀하게 스위칭 신호를 조절하여 출력을 자동적으로 제어할 수 있게 설계하였다.
- 본 논문에서 제안하는 PFM/PWM 기반 LLC 공진 컨버터를 위한 제어 IC는 0.35 μm BCD 공정으로 설계 되었다.
- 먼저 VSAW 전압은 VCREF를 기준으로 상승/하강 동작을 반복하여 톱니파 파형을 생성하며, VCP의 기준 전압에 따라 SAW_COMP의 펄스파가 생성된다. 이 때 VCP 전압이 흔들릴 경우, 회로의 안정적인 동작을 위해 D-Flip Flop을 두었다. SAW_COMP 신호를 클록 신호로 받고 SAW_OFF 신호를 리셋 신호로 받아, VCP 전압이 흔들리는 것을 보완할 수 있도록 설계하였다.
- 이렇게 생성된 톱니파를 펄스파로 변환해주기 위해 비교기 COMP2를 두었으며, 이 때 출력 펄스 신호의 듀티비를 조절하기 위해서 듀티 제어 회로의 VCP 전압을 사용하였다. 그리고 M1의 사이즈가 너무 크거나 작을 경우, 진폭 에러가 발생하여 출력 주파수의 정확도에 영향을 끼치기 때문에 M1의 사이즈를 적절하게 선택할 필요가 있다.
- 이번 연구를 통해 새롭게 설계된 듀티 제어 블록은 Slave stage에서 출력되는 전압을 피드백 받아 GDA/GDB의 듀티를 제어 할 수 있게 하였으며, 이를 위하여 듀티 제어 블럭 안에 최소/최대 전압의 제한을 두어, VCP가 일정 전압 범위를 넘어서지 않도록 하여 전류가 1차 측에서 2차 측으로 에너지가 전달될 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 PFM/PWM 기반 LLC 공진 컨버터를 위한 제어 IC의 설계를 보여주었다. 클록 생성기를 통해 주파수를 생성하여 LLC 공진 컨버터를 통해 전달되는 전류를 제어하며, ZVS 동작을 위해 데드 타임 생성기를 설계하였다. 기존에 보조권선을 통해 2차 측으로 전달되는 보조 전원을 보다 효율적이며 안정적으로 공급하기 위해 기존의 PFM 방식에 PWM 방식을 더한 듀얼 모드 피드백 기법이 적용되었으며, 이에 따라 게이트 드라이버 제어 펄스인 GDA/GDB 출력을 듀얼 모드 피드백을 통해 보다 효율적이며 안정적으로 제어할 수 있게 되었다.
- 하지만 본 논문에서 제안 하는 듀얼 모드 피드백 기반 LLC 공진 컨버터의 구조에서는 2차 측에 하나의 변압기가 아닌 Master Stage와 Slave Stage의 두 개의 변압기를[3] 사용하였으며, 이를 통해 두 가지의 출력을 가질 수 있게 되었다. 회로의 동작은 다음과 같다.
대상 데이터
- 설계한 IC는 15 V의 공급 전압을 통해 생성된 내부 5 V의 전압으로 동작하고, Master Stage와 Slave Stage, 두 개의 Stage에서 멀티 출력을 하며, 동작 주파수 범위는 26 ~ 450 kHz, 전체 전류 소모는 26 mA, 칩 면적은 2.3 mm x 2.2 mm이다.
성능/효과
- ERO 전압과 VCP 전압에 따라 GDA의 주파수는 97 kHz ,듀티비는 44.3%의 결과를 확인하였다.
- 전압에 따른 GDA 파형의 듀티 변화를 나타낸 것이다. VCP를 0.2V ~ 2.4V 까지 변화시켰을 때, GDA의 듀티는 6% ~ 98%까지 변화되는 것을 확인할 수 있다.
- 클록 생성기를 통해 주파수를 생성하여 LLC 공진 컨버터를 통해 전달되는 전류를 제어하며, ZVS 동작을 위해 데드 타임 생성기를 설계하였다. 기존에 보조권선을 통해 2차 측으로 전달되는 보조 전원을 보다 효율적이며 안정적으로 공급하기 위해 기존의 PFM 방식에 PWM 방식을 더한 듀얼 모드 피드백 기법이 적용되었으며, 이에 따라 게이트 드라이버 제어 펄스인 GDA/GDB 출력을 듀얼 모드 피드백을 통해 보다 효율적이며 안정적으로 제어할 수 있게 되었다.
- 기존의 2차 측 LLC 공진 컨버터[2]는 하나의 출력만을 가지는 방식이었으나 본 논문에 사용된 컨버터는 변압기를 공유하여 2개의 출력을 가짐으로써 LED에 공급하는 VMaster 전압 외에 다른 어플리케이션에서 활용 할 수 있는 보조 전원인 VSlave을 생성할 수 있게 되어 기존에 외부 회로로 보조전원을 생성해야 할때 비용 측면에서 강점을 가지게 되었다.
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