출력 전압은 양이거나 음일 수 있고 전류 흐름도 어느 방향이나 될 수 있다. 이 글은 4사분면 동작을 발생할 수 있는 새로운 DC/DC 스위칭 아키텍처를 소개한다.

머리말

많은 전자 시스템에서 특정 부하로 바이폴라(양의 및 음의) 전압 또는 전류가 필요하다. 바이폴라 전압/전류를 필요로 하는 부하 유형은 FPGA 바디 바이어싱 애플리케이션, 써모일렉트릭 쿨러(thermoelectric cooler), DC 모터, 그 외의 다양한 애플리케이션을 포함한다.

부하측에 바이폴라 전압/전류를 공급하기 위한 전통적인 여러 가지 방법이 있다. H-브리지 디자인은 널리 사용되고 있는 방법이지만, 부하 단자 중의 어느 쪽이든 접지로 직접 연결하지 못한다. 부하의 2개 단자 각각이 양의 전원 레일과 접지 사이를 스윙해야 하며 통상적으로 이처럼 쵸핑된 파형을 필터링하기 위해서 부하와 직렬로 인덕터를 연결한다. 이같이 부하를 접지로 직접 연결하지 못한다는 점으로 인해 전체 시스템의 기계적 및 전기적 디자인을 복잡하게 할 수 있다.

또한 H-브리지 기법은 4개의 스위칭 소자와 좀 더 복잡한 제어 체계가 필요하다. 어떤 부하는 음의 단자를 접지와 비교해서 상대적으로 높게 바이어싱할 수 없다. FPGA 역 바이어싱 애플리케이션이 바로 그 같은 경우이다. 또 다른 전통적인 방법은 양의 전원 레일과 음의 전원 레일의 2개 전원 레일을 구축하는 것이다. 이 방법은 접지보다 낮아질 수 있는 바이폴라 전압 동작을 달성하기 위해 레귤레이션을 이용하면서 양의 또는 음의 레일로 전환하기 위해 다양한 회로를 이용한다. 그럼으로써 결과적으로 매우 복잡한 시스템을 발생시키고 통상적으로 효율이 떨어지며 출력 전압이 접지 전위를 통과할 때 비선형적 응답을 발생한다.

4사분면 DC/DC 컨버터

그림 1은 이 4사분면 컨버터의 기본적인 회로 및 구성요소들을 보여준다. MFET, MN, PFET, MP가 상호 다른 위상(out of phase) 및 고정 스위칭 주파수로 동작한다. 전류 모드 제어(이 그림에서는 표시하지 않음)를 이용해서 필요에 따라서 MN의 듀티 사이클을 변경할 수 있다.

고정 주파수 동작이라고 할 때 MN의 온(ON) 시간 듀티 사이클은 다음과 같이 계산할 수 있다:

이 공식을 보면 양의 VIN전압에서 출력 전압 VOUT이 양(최대 VIN)일 수도 있고 음(실제적인 DC 고려사항에 의해서만 제한됨)일 수도 있고 0 V가 될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 실제로 0 V 출력 레벨이 특별할 것이 없다. 이 동작 지점일 때 컨버터의 DC가 50%이기 때문이다.

이 컨버터의 출력은 출력 전압의 극성에 상관없이 전류를 싱크하거나 소싱할 수 있어 진정한 4사분면 동작 토폴로지를 달성한다. MN 및 MP에 대해서 최대 드레인 대 소스 전압 스트레스는 2VIN-VOUT이다. 예를 들어 VIN이 +12 V이고 VOUT이 -12 V이면 이들 FET의 BVDSS 정격은 36 V 이상이어야 한다.

LT8710을 이용한 4사분면 토폴로지

리니어가 최근에 출시한 컨트롤러 제품인 LT8710은 4사분면 토폴로지로 이용할 수 있다. 그림 2는 이 토폴로지로 구성되었으며 완벽하게 테스트를 거친 전체적인 회로를 보여준다. 이 회로에서 입력 전압 범위는 정격 12 V이나 11 V에서 13 V까지의 범위가 가능하다. 출력을 +5 V부터 -5 V까지로 조절할 수 있으며 출력 전류 용량은 ±3 A이다. 아날로그 제어 신호 VCNTL을 이용해서 출력 전압을 조절할 수 있다. LT8710은 80 V가 가능한 컨트롤러이므로 이보다 더 높거나 낮은 전압 및 전류 용량을 제공하는 다양한 유형의 4사분면 컨버터를 구현할 수 있다.

그림 3은 이 컨버터의 4사분면 동작에 대해서 보여준다. 여기서는 사인파 제어 신호를 이용해서 0 V를 중심으로 하는 사인파 출력 전압을 발생시키고 있다. 인덕터 전류는 출력 전압을 지정된 레벨로 만드는 데 필요한 대로 양이 될 수도 있고 음이 될 수도 있다. 이들 동작 파형을 보면 접지 전위를 통과 시 깨끗하고 매끄러운 동작이 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다. 사인파 제어 신호를 선택할지는 재량에 달렸으며 DC 신호, 사각파 신호, 여타의 신호를 이용할 수도 있다.



애플리케이션

이 4사분면 DC/DC 컨버터를 활용할 수 있는 애플리케이션 유형은 다양하다. FPGA 같은 고성능 디지털 회로에서는 바디 역 바이어싱을 이용함으로써 동적 성능을 그대로 유지하거나 향상하면서 정적 전력 소모를 크게 낮출 수 있다. PMOS 및 NMOS 소자의 바디 전압을 개별적으로 제어할 수 있다. FPGA의 전력 요구량이 낮을 때는 이들 임계값을 더 높게 조절함으로써 디지털 블록에서의 누설 전류를 크게 낮출 수 있다. 전력 요구량이 높을 때는 이들 임계값을 낮춤으로써 FPGA의 속도를 높여 성능을 높일 수 있다. 그림 4는 이 애플리케이션의 다이어그램을 보여준다. NMOS 바디 바이어스의 경우에는 이들 전압이 통상적으로 0 V ±300 mV이며 4사분면 토폴로지가 잘 맞는다.

4사분면 토폴로지를 활용할 수 있는 또 다른 애플리케이션은 DC 모터 드라이브이다. 많은 경우에 DC 모터는 속도 조절과 역회전 기능을 필요로 한다. LT8710을 4사분면 컨버터로 사용하면 두 가지 기능 모두들 구현할 수 있다. 그림 5는 이러한 애플리케이션을 보여준다. DC 모터의 음의 단자를 단순히 접지로 연결하고 양의 단자는 양의 10 V와 음의 10 V 사이에서 조절할 수 있다. DC 모터 드라이브 애플리케이션 이외에도 TEC(thermoelectric cooler), 오디오 스피커, 그 밖의 다양한 애플리케이션에 4사분면 토폴로지를 이용할 수 있다.

결론

LT8710을 이용한 4사분면 DC/DC 컨버터 토폴로지는 양의 및 음의 출력 전압과 또한 양의 및 음의 출력 전류를 발생시킬 수 있는 강력한 회로를 제공한다. 출력과 직렬로 연결된 인덕터(그림 2에서 L2)가 출력 전압 리플을 낮추도록 한다. 또한 이 경우에는 듀티 사이클이 50퍼센트에 가까우므로 접지에 가까운 출력 전압을 발생시키는 것을 간소화한다. FPGA 바디 바이어싱, DC 모터 드라이브, 써모일렉트릭 쿨러(thermoelectric cooler), 오디오 드라이버, 그 외의 다양한 애플리케이션에 이 회로를 활용할 수 있다.