SMPS에서의 연속 도통 모드: 그것이 무엇이며 왜 중요한가

스위칭 모드 전원 공급 장치는 설계하고 분석하기에 충분히 간단해 보입니다: 벽면 전원을 연결하면 안정된 직류 전압이 나오는 것처럼 보이죠, 맞나요? 전원 공급 장치 설계가 그렇게 간단했으면 좋겠지만, 실제로는 그렇지 않습니다. 토폴로지, 부품 선택, 레이아웃 결정, 절연 및 접지는 모두 공급 장치의 출력 응답에서 노이즈, 안정성 및 전이를 영향을 줍니다. 스위칭 전원 공급 장치에서 항상 고려되지 않는 한 가지 요소는 전도 모드, 즉 에너지 저장 부분과 구성 요소가 출력 단자에 전력을 전달하기 위해 에너지를 방출하는 방법입니다.

연속 전도 모드는 전원 공급 장치를 설계할 때 기본적으로 원하는 모드이지만, 스위칭 전원 공급 장치에서 접근할 수 있는 불연속 전도 모드도 있습니다. 이것이 의미하는 바를 요약하자면, 전원 공급 장치의 코일에 저장된 에너지는 불연속 전도 모드에서 0으로 떨어지고, 연속 전도 모드에서는 절대 0으로 떨어지지 않습니다. 전력 전달과 측정할 수 있는 것과 관련하여, 불연속 모드에서는 스위칭으로 인해 코일의 전류가 0 A를 교차하게 되지만, 연속 모드에서는 0 A를 교차하지 않습니다.

왜 이것이 중요하며, 전원 공급 장치에서 어떤 모드를 시도해야 할까요? 우리는 연속 모드를 선호하지만, 불연속 모드에 빠질 수 있는 이유와 관련된 트레이드오프를 이해하는 것이 중요합니다. 규제 설계에서 연속 전도 모드를 선택해야 하는 몇 가지 이유와 불연속 모드에 도달했는지 어떻게 알 수 있는지 살펴보겠습니다.

연속 전도 모드가 중요한 이유

위에서 언급했듯이, 전원 공급 장치에서 연속 전도 모드는 충전/방전 코일의 전류가 결코 0 A로 떨어지거나 넘어가지 않을 때 도달합니다. 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 파형을 보면 시스템이 연속 모드인지 불연속 모드인지 쉽게 알 수 있습니다. 인덕터의 전류가 항상 입력 전류와 같은 방향을 가리키는 한, 연속 전도 모드에서 작동하고 있는 것입니다.

아래 그래프는 불연속 모드에서 발생할 수 있는 예를 보여줍니다. 여기서, 저는 50% 듀티 사이클 @100 kHz와 매우 작은 인덕터(단지 500 nH)가 매우 작은(10 옴) 부하에 연결된 간단한 벅 토폴로지를 시뮬레이션했습니다. 여기서, 우리는 스위치가 켜져 있을 때 인덕터 전류가 과도 파형의 언더슈트로 인해 잠시 -40 mA로 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 스위치가 꺼져 있을 때, 우리는 OFF-state 회로가 과도한 RLC 오실레이터임을 보게 되는데, 여기서 인덕터 전류는 다음 PWM 사이클 전에 0 A 주변에서 진동합니다. 과도 응답의 피크가 이 진동 동안 대략 -200 mA에 도달하며 상당한 링잉을 발생시키는 것을 주목하세요. 이는 상당히 바람직하지 않은 인덕터 전류입니다.

위 그래프를 고려할 때, 연속 전도 모드에 대해 왜 우리가 신경 써야 하는지 묻는 것은 타당한 질문입니다. 여러 가지 이유가 있습니다:

1. 불연속 전도 모드에서, 출력 전압은 듀티 사이클, 인덕터 크기, PWM 주파수, 그리고 입력 전압 값에 따라 달라집니다. 연속 전도 모드에서, 출력 전압은 오직 PWM 듀티 사이클에만 의존합니다.
2. 이는 입력 전압의 변화를 보상하기 위해 듀티 사이클을 단순히 조정하는 것이 불연속 모드에서는 더 이상 유용한 제어 전략이 아니라는 것을 의미합니다.
3. 위에서 볼 수 있듯이, 불연속 도통 모드에서는 인덕터 전류에 원치 않는 일시적 반응이 발생하여 출력 전압에 전파될 수 있습니다.
4. 인덕터 전류의 일시적 반응은 PWM 스위칭 중에 과도하게 감쇠되지 않은 진동을 일으킬 수 있으며, 이는 고전류에서 EMI 방출로 이어질 수 있습니다.

위의 1번에서, 저는 스위칭 MOSFET의 비선형 효과를 무시했지만, 이러한 점들은 여전히 유효합니다. 특정 PWM 주파수와 듀티 사이클에서 작동하도록 전력 변환기를 설계하고 있고, 피드백 감지나 PWM 조정이 없다면, 연속 도통 모드에 대해 걱정할 필요가 없을 것입니다. 원하는 전력을 얻을 수 있고 EMI가 너무 심하지 않다면, 걱정하지 마십시오. 출력 전압의 변화를 보상하기 위해 단 하나의 레버만 필요로 하는 연속 도통 모드 설계를 선택해야 하는 실제 시스템은 정밀한 제어와 낮은 EMI가 필요합니다.

연속 도통 모드 설계

시스템의 부하가 너무 낮으면, SMPS는 불연속 도통 모드로 진입합니다. 연속 도통 모드로 설계하는 과정은 특정 과정을 따릅니다: 원하는 출력 전압을 선택하고, 코일 인덕턴스와 출력 커패시터 값을 계산하며, PWM 드라이버 파라미터를 선택합니다. 이러한 작업은 목표 부하 저항 값에 대해 수행될 수 있습니다.

불연속 모드에서 발생하는 일

불연속 도통 모드에서 작동할 때, 출력 전압은 인덕터 값, PWM 주파수, 그리고 듀티 사이클에 따라 달라집니다. 단일 PWM 소스와 MOSFET을 가진 간단한 토폴로지에서는, 출력 전압은 다음 방정식에 의해 주어집니다:

위의 방정식들은 잘 알려져 있습니다. 저는 자주 위키피디아를 참조하지 않지만, 그들의 벅 컨버터와 부스트 컨버터에 대한 기사는 이러한 방정식의 유도를 포함하고 있습니다. 더 복잡한 컨버터 토폴로지에 대한 표현식을 유도하고 출력 전압, 인덕터 전류, 그리고 불연속과 연속 도통 사이의 경계를 결정하고 싶다면 그들의 단계를 따르세요.

연속 도통 모드를 위한 올바른 인덕터 선택하기

위의 방정식과 DC-DC 컨버터에서 인덕터의 기본 기능에서 주목해야 할 몇 가지 다른 점이 있습니다:

• 인덕터는 리플 전류를 감쇠시키기 위해 일반적으로 커야 합니다. 그 결과, 연속 도통 모드 작동을 보장하는 최소 인덕터 값도 있습니다. 위에서 볼 수 있듯이, L → 무한대로 갈수록 불연속 모드에서의 정확성은 사라집니다.
• 출력 커패시터도 커야 합니다. 이는 리플을 억제하고 인덕터가 에너지를 방출할 때 느린 방전을 보장하기 위함입니다. 주어진 리플 전류와 부하에 대해 연속 도통 모드에서 설계 작업을 보장하는 최소 출력 커패시턴스 값이 있습니다.

기본 벅/부스트 설계에 대한 많은 응용 노트에서 최소 커패시턴스와 인덕턴스에 대한 방정식을 찾을 수 있지만, 더 복잡한 토폴로지는 분석하기 어렵고, SPICE 시뮬레이션을 사용하여 연속 도통 모드에서 컨버터가 작동하도록 보장하는 최소 부하 저항을 결정할 수 있습니다.

설계에서 평가해야 할 사항

물론, 인덕터 전류는 연속 도통 모드 작동을 확인할 때 SPICE 시뮬레이션에서 평가되어야 합니다. 인덕터 전류가 스위칭 중에 0으로 떨어지지 않도록 보장하는 설계 전략은 출력 커패시턴스와 부하 저항 값과 같은 다른 회로 요소에 대한 값을 반복하여 조정하는 것입니다. 다양한 부하 및 커패시터 값으로 실행하여 선택한 PWM 매개변수에 대해 인덕터 전류가 양수로 유지되는 영역을 찾습니다.

MOSFET에서의 비선형 효과는 인덕터 전류의 상승/하강 시간에도 영향을 미칠 것이므로, PWM 구동 전압과 입력 값의 범위도 불연속 작동을 피하기 위한 설계 후보가 될 수 있습니다. MOSFET에 대한 유효한 시뮬레이션 모델을 확보하고 DC 스윕을 사용하여 PWM 파라미터를 선택할 때 컨버터의 선형 범위를 찾아보십시오.

설계에서 사용하고자 하는 스위칭 레귤레이터 토폴로지가 무엇이든, Altium Designer®에서 제공하는 최고의 CAD 도구 및 회로 시뮬레이션 기능을 사용하는 것이 중요합니다. 설계를 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때는 Altium 365™ 플랫폼이 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 해줍니다. Altium Designer와 Altium 365에서 할 수 있는 것의 표면만 긁어본 것입니다. 더 깊이 있는 기능 설명이나 On-Demand Webinars 중 하나를 보려면 제품 페이지를 확인하세요.