전류 모드 제어는 기존의 전압 모드 제어에 비해 여러 가지 장점을 제공한다. 여기에는 더 빠른 동적 응답, 보다 단순한 제어 루프 설계, 그리고 사이클별로 빠르고 정확한 전류 제한 기능이 포함된다. 전류 모드 제어를 사용하는 전압 레귤레이터에 능동 전압 포지셔닝(AVP)을 통합하면 부하 과도 응답을 더욱 향상시키면서 출력 커패시턴스와 관련 솔루션의 크기 및 비용을 줄일 수 있다. AVP는 부하 전류 변화에 따라 목표 출력 전압을 능동적으로 조정하는 것을 의미한다. 이 글에서는 AVP에 대해 자세히 알아보고, 범용 벅 레귤레이터에 구현되는 AVP 회로의 정확한 유도 과정을 설명한다.
머리말
LTM4650-2(15VIN/듀얼 25A 또는 단일 50A) 시리즈 전원 모듈은 벌크 입력 및 출력 커패시터를 제외한 모든 전원 부품을 하나의 패키지에 통합하여, 시스템 설계자에게 뛰어난 성능과 높은 집적도, 그리고 사용하기 편한 솔루션을 제공한다. 또한 이 모듈은 피크 전류 모드 제어 알고리즘을 구현하고 있어, 병렬 구성을 통해 전류 용량을 손쉽게 늘릴 수 있다. 그림 1a는 LTM4650-2 애플리케이션에서 일반적으로 관찰되는 부하 과도 응답 파형을 보여준다.
컴퓨팅 코어의 정상 동작을 보장하기 위해, 출력 전압을 허용 범위 이내로 유지하는 것이 중요하며, 특히 부하 과도 응답 동안에는 더욱 그렇다. 예를 들어, 인텔 알테라 아리아II(Intel ALTERA Arria II)는 다양한 기능에 대해 ±3% ~ ±5%까지의 전압 범위를 규정하고 있다.1 일반적으로 위상 고정 루프(PLL) 및 코어 동작을 위한 공급 전압은 ±3% 제한을 가지며, I/O용 공급 전압은 ±5% 제한을 가진다. 컴퓨팅 작업 중 발생하는 빠른 부하 과도 응답 속도를 고려할 때, 높은 제어 대역폭이나 큰 출력 커패시턴스를 갖는 전압 레귤레이터가 필요하다. 출력 커패시턴스를 늘릴 경우, 솔루션의 크기와 비용을 증가시킬 수 있다.
그림 1. 12VIN, 1VOUT 애플리케이션에서 1μs 이내 10A 부하 과도 응답 시 Vo p-p: (a) 능동 전압 포지셔닝(AVP) 미적용; (b) AVP 적용.
LTM4650 시리즈 제품의 과도 응답 성능을 더욱 향상하는 데 있어서, 그림 1b의 사례와 같이 AVP 기법은 유망한 접근법을 제시한다. 이 글은 전류 모드 제어 환경에서 AVP의 기본 원리를 설명하고, AVP 회로 설계를 위한 가이드라인을 제공하는 것을 목표로 한다.
부하 과도 응답에서의 AVP 개선 또는 커패시턴스 감소
전통적으로 전압 레귤레이터는 입력 전압이나 부하 조건의 변화와 관계없이 출력 전압을 목표 값으로 유지한다.2 그러나 AVP를 사용하는 전압 레귤레이터는 부하 전류가 증가할 때 출력 전압을 능동적으로 낮추는, 기존과는 다른 접근 방식을 취한다. 그림 2는 AVP를 사용하는 전압 레귤레이터에서 출력 전압과 부하 전류 간의 이러한 관계를 보여준다.
기존의 고정 출력 전압 방식과는 다른 이 같은 변화는 CPU VRD(Voltage Regulator-Down) 표준에서 제시하는 가이드라인과도 일치하는데, 이 표준에서는 부하 전류가 증가할 때 코어 전압이 감소하는 것이 허용된다고 명시하고 있다.3 이러한 동적 조정은 전력 자원을 효율적으로 활용할 수 있게 함으로써, 다양한 부하 조건에서 시스템 성능을 최적화하는 데 기여한다.
그림 2. AVP를 적용한 전압 레귤레이터에서 출력 전압과 부하 전류 간의 관계
AVP 기능에서는 정격 공칭 출력 전압을 절반 부하(최대 출력 전류 Io(max)의 50%) 조건에서 설계해야 한다. 이러한 설정에서, 출력 전압은 무부하 조건에서 정격 전압 Vo + ?V/2에서 시작하여, 정격 전압 Vo - ?V/2까지 변한다. 그림 3은 AVP를 적용한 전압 레귤레이터의 출력 전압 파형을 예시한 것이다. 기존 전압 레귤레이터와 비교하면, AVP가 적용된 출력 전압은 원래 값으로 완전히 복귀하지 않는다.
그 결과, 부하 과도 응답 동안 피크-투-피크 전압이 크게 감소할 수 있는데, 이는 더 낮은 출력 커패시턴스를 요구하는 효과를 가져온다. 이러한 커패시턴스 감소는 활용할 수 있는 보드 공간을 넓히고 시스템 설계 비용을 줄이는 데 기여한다. 이론상으로, 정격 부하의 최대 50%에 해당하는 부하 스텝(full load step)까지는 AVP 적용을 통해 커패시턴스를 줄일 수 있다. 또는 출력 커패시턴스를 동일하게 유지하는 경우라면, Vo p-p 전압을 절반으로 줄일 수 있다.
그림 3. 일반적인 보상 방식과 비교할 때, AVP를 사용함으로써 절감되는 커패시턴스
AVP 회로 설계
일반적으로, 프로세서 VR 애플리케이션용 전용 전력 컨트롤러는 정확한 AVP(또는 능동 부하 라인)를 구현하기 위해 내장 회로를 포함하고 있다. 그러나 범용 전류 모드 제어 전원 레귤레이터에서도 AVP를 구현할 수 있는 여러 가지 방법이 있다.3 예를 들어, LTM4650-2에 적용할 수 있는 가장 간단한 방법은 그림 4와 같다. 기존 설계를 변경하지 않고 디바이스의 COMP 핀에 두 개의 저항을 추가함으로써 AVP 기능을 구현할 수 있는 것이다. 그림 4a에서는 추가된 저항이 피드백 저항 선택에 영향을 미치지 않는다. 한편, AVP의 정확도는 오차 증폭기의 트랜스컨덕턴스(gm) 정밀도에 크게 의존한다.4
그림 4b는 또 다른 구현 방식인 AVP-R을 보여주는데, 이 방법에서는 저항 R1, R2, Rlo, Rhi를 함께 고려해야 한다. 이 방식은 설계가 좀더 복잡하지만, 오차 증폭기의 트랜스컨덕턴스(gm)의 영향을 제거할 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, LTM4650-2 설계에서는 코어 애플리케이션에 대해 보다 신뢰성 있고 정확한 전압 레귤레이션을 보장하기 위해 AVP-R 방식이 선호된다.
그림 4. (a) COMP 핀 상에서 구현하는 방식; (b) FB 핀과 COMP 핀 상에서 구현하는 방식(AVP-R).4
사용자가 LTM4650 시리즈 제품을 활용하여 가장 간단한 방식으로 AVP 기능에 접근할 수 있도록 LTpowerCAD®에서 엑셀 스프레드시트가 제공되는데, 이는 그림 5에 표시된 두 곳에서 확인할 수 있다.
그림 5. AVP 계산 스프레드시트가 제공되는 위치
이 스프레드시트에는 동작 조건을 상세하게 입력해야 한다. 권장되는 Rlo, Rhi 값과 실제 회로 구성을 입력하면, 오른쪽에 보이는 AVP 기능의 예상 결과를 확인할 수 있다.
그림 6. 스프레드시트 인터페이스.
실험 결과
1. AVP 기능 검증
LTM4650-2 애플리케이션에서 AVP 기능의 설계 방법을 검증하기 위한 실험을 실행했다. 실험에서는 DC 저항(DCR) 또는 센싱 저항의 열 영향은 고려하지 않았다. LTM4650-2는 500kHz의 스위칭 주파수로 설정되었으며, 최대 부하 전류는 25A였다. 부품 간 편차를 고려하여 동일한 보드 2개를 실험에 사용했다. 그림 7은 LTM4650-2의 일반적인 조건을 나타내는 12V VIN과 1V VOUT, 100mV 전압 강하가 적용된 조건에서 수행된 테스트 결과를 보여준다.
그림 7. 12V VIN, 1V VOUT, 100mV 전압 강하 조건의 예
2. 출력 커패시턴스 감소
부하 과도 시 피크-투-피크 전압 감소와 출력 커패시턴스 감소를 포함하여, 코어 관련 애플리케이션에서 AVP 기능 적용의 장점을 추가로 입증하기 위해 LTM4650-2를 사용한 실험을 수행했다. 기본 출력 커패시터 구성은 470μF 폴리머 커패시터 2개와 100μF 세라믹 커패시터 5개로 이루어졌다. 정격 부하 스텝에서의 AC 전압 파형은 179mV로 측정되었다.
이후 동일한 하드웨어 구성에 AVP를 적용한 결과, 부하 과도 시 출력 전압의 피크-투-피크 값은 97.6mV로 감소하였으며, 이는 약 50% 수준의 감소를 의미한다. 또는 동일한 Vo p-p 값을 유지하기 위해 출력 커패시터를 절반으로 줄일 수 있으며, 이는 표 1에 나타나 있다. 이러한 실험 결과는 전압 레귤레이터 설계에서 AVP 기능을 적용함으로써 피크-투-피크 전압 변동을 줄이고 출력 커패시턴스 요구를 최소화할 수 있음을 추가로 입증한다. 출력 커패시턴스 감소는 필요한 커패시터 수를 줄일 수 있기 때문에 전체 솔루션 비용 절감으로 이어진다.
한편, AVP 구현은 LTM4650 시리즈 제품에만 국한되지 않는다. 동일한 방법을 피크 전류 모드 제어를 사용하는 대부분의 모듈에 적용할 수 있으며, 엑셀 스프레드시트 역시 다양한 모듈에 맞게 재구성할 수 있다.
표 1. 부하 과도 응답 시 서로 다른 피크-투-피크 출력 전압
결론
이 글에서는 범용 전류 모드 제어 벅 레귤레이터에 AVP 기능을 구현하기 위한 상세한 설계 방법을 제안하고, 제안된 방법을 예시 및 검증하기 위한 사례로 LTM4650-2를 사용했다. 제안된 AVP 설계는 전원 부품의 비선형성으로 인해 발생하는 문제를 해결하고 LTM4650-2의 고유한 특성을 활용함으로써, 까다로운 데이터센터 환경에서 전압 레귤레이션을 위한 효율적이고 신뢰성 있는 솔루션을 제공한다.
이 글은 전압 레귤레이터 설계에 AVP 기능을 적용하려는 엔지니어들에게 유용한 통찰과 실질적인 가이드를 제공하며, 궁극적으로 코어 관련 애플리케이션에서 시스템 성능을 향상시키고 비용 절감에 기여한다.
참고 문헌
1 Henry Zhang. “Application Note 149: Modeling and Loop Compensation Design of Switching Mode Power Supplies.” Linear Technology, January 2015.
2 Arria® II Device Handbook, Volume 3: Device Datasheet and Addendum. Intel, December 2013.
3 Robert Sheehan. “Design Note 224: Active Voltage Positioning Reduces Output Capacitors.” Linear Technology, 1999.
4 Voltage Regulator Module (VRM) and Enterprise Voltage Regulator-Down (EVRD) 11.1. Intel, September 2009.
저자 소개
유 얀(Yu Yan)은 미국 테네시대학교에서 전기공학 박사 학위를 취득하고 2022년 아나로그디바이스(Analog Devices)에 애플리케이션 엔지니어로 합류했다. 그의 전문 분야는 DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터, 디지털 제어 기술이며, 대학에서는 전기차 충전기 설계 연구를 수행했고 아나로그디바이스에서는 전력 모듈 개발에 참여하고 있다.
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