전원 공급 장치 설계에서의 PWM

스위치 모드 전원 공급 장치의 이름에서 알 수 있듯이, 스위치 모드 전원 공급 장치는 반도체 스위치(일반적으로 MOSFET)를 사용하여 자기 부품(일반적으로 변압기 또는 인덕터)을 구동합니다. 스위치된 전력 회로의 출력은 그 후에 정류되고 조절되어 DC 출력을 제공합니다. 스위치 모드 전원 공급 장치는 선형 조절기와 같은 비스위치 대안보다 훨씬 높은 효율성 때문에 인기가 있습니다. 이 글에서는 PWM 제어가 무엇인지와 그 사용 방법에 대해 다룰 것입니다.

PWM이란 무엇인가

펄스 폭 변조(PWM), 또는 펄스 지속 시간 변조(PDM)라고도 하는 것은 교류(AC) 신호에서 평균 전력을 줄이기 위한 기술입니다. PWM의 의미는 신호의 기본 주파수를 변경하지 않고 평균 전압을 줄이기 위해 파형의 일부를 효과적으로 잘라내는 것입니다. 전압이 '꺼져 있는' 기간을 늘리면 평균 전압이 줄어들어, 따라서 전력이 줄어듭니다.

전원 공급 장치나 전력 조절기에 적용될 때, PWM은 다음을 유지하기 위해 적용됩니다:

• 변동하는 전압으로 일정한 전류 출력(전류 모드 제어)
• 변동하는 전류로 일정한 전압(전압 모드 제어)

이에 대한 자세한 내용은 아래에서 논의됩니다. PWM 신호의 시간 영역 파형을 살펴보면, 다음 이미지와 같은 파형을 볼 수 있습니다.

이미지 출처: ElectronicsHub

PWM 출력 제어 사용

스위치 모드 전원 공급 장치는 출력 PWM 전압 제어를 변경하는 부하 조건 하에서 요구되는 한계 내에서 유지하기 위해 피드백 제어 루프를 구현해야 합니다. 전원 공급 장치의 출력 전압은 오류 증폭기를 통해 되돌아와 제어 신호를 제공합니다. 가장 일반적인 제어 방법은 PWM의 사용입니다. 전원 공급 장치 입력에서 AC 신호의 펄스 폭을 조정하여 전기 에너지를 증가시키거나 감소시키는데, 이는 차례로 전원 공급 장치의 출력 전압 변화로 이어집니다. 예를 들어, 입력 펄스 폭을 증가시키면 출력 전압이 상승하고, 펄스 폭을 감소시키면 출력 PWM 전압 제어를 줄입니다. 이 메커니즘은 출력 전압의 폐루프 피드백 제어를 제공합니다.

고려해야 할 한 가지 문제는 전형적인 AC 파형이 양호한 상승 및 하강 에지를 가지는 경향이 있다는 것입니다. PWM 전원 공급 제어가 적용될 때, 특히 작은 듀티 사이클에서 상승 및 하강 에지가 더욱 급격해질 수 있습니다. 갑작스러운 전압 변화는 과도 현상을 발생시켜 전자기 잡음을 유발하고 PWM 회로 내에서 큰 돌입 전류를 발생시킬 수 있습니다. 또한, 제어 회로의 사소한 오류가 중대한 출력 오류로 확대될 수 있어, 잠재적으로 불안정한 출력 전압을 초래할 수 있습니다. 표준 해결책은 입력 파형의 급격한 켜짐-꺼짐 스위칭을 피하고 대신 경사 보상 기술을 사용하여 변화율을 제한하는 것입니다.

피크 전류 모드 제어(PCMC) 기술은 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 컨버터가 전압 모드 제어를 요구하는 것을 제외하고는 펄스 폭 변조(PWM) 전원 공급 회로에 대한 간단한 해결책을 제공합니다. 듀티 사이클이 최대값에 근접할 때 PWM 전원 제어는 항상 도전적일 것입니다. 이 상황을 피하기 위해 PWM 회로를 설계하는 것이 출력 불안정성을 방지하기 위해 경사 보상을 적용하기 위한 추가 제어 회로를 추가하는 것보다 항상 바람직합니다.

설계 고려 사항

과도 시작 전류

스위치 모드 전원 공급 장치의 단점 중 하나는, 특히 절연 전원 공급 장치에서 사용될 때, 스위치를 켤 때 전원 공급 장치의 인덕티브 요소가 에너자이징됨으로써 상당한 과도 전류가 발생할 수 있다는 것입니다. 또한, 초기 전류는 예측할 수 없으며, 인덕티브 요소가 처음 에너자이징될 때 AC 주기의 정확한 지점에 따라 달라집니다.

과도 응답은 SPICE 시뮬레이션에서 쉽게 예측할 수 있습니다. 레귤레이터의 정확한 모델이 항상 필요한 것은 아니며, FET를 제어하고 장치의 실제 PWM 신호의 상승/하강 시간을 모방하는 PWM 신호만 있으면 됩니다. 이는 H-브리지와 같이 외부 FET를 제어하는 데 사용되는 게이트 드라이버에 대해 합리적으로 정확한 결과를 제공합니다. 아래 예시는 벅 컨버터의 패시브 요소가 충분한 ESR을 갖지 않아, 켜진 첫 500ms 동안 LC 회로의 특징적인 과도 응답이 발생하는 경우를 보여줍니다.

PWM 기반 제어 회로는 초기 전원 켜짐 단계를 제어하여 PWM 회로에 공급되는 에너지를 제한하고 전원 공급이 안정된 상태에 도달할 때까지 여자 전류를 제한할 수 있는 소프트 스타트 기능을 구현할 수 있습니다. 본질적으로, 이는 위의 진동이 발생하지 않도록 감쇠된 켜짐을 생성할 것입니다. 초기 서지 전류를 제한함으로써 구성 요소를 보호하고 과도 전류 흐름과 관련된 방출을 줄일 수 있습니다.

많은 전력 조절 IC는 이 기능을 포함하며, 이는 장치의 핀을 통해 접근할 수 있습니다. 예를 들어, Analog Devices의 LTM8052는 SS 핀에 커패시터를 연결함으로써 소프트 스타트 시간을 프로그래밍할 수 있습니다.

과전류 보호

PWM 제어의 이점은 출력 전류가 정의된 한계를 초과하면 PWM을 끄는 것으로 전원 공급을 비활성화할 수 있는 전류 감지 로직을 사용할 수 있다는 것입니다. 이는 전류가 그 경계 내로 돌아오면 자동으로 재설정되는 간단하게 구현할 수 있는 과전류 보호 메커니즘을 제공합니다.

펄스 주파수 변조를 사용한 저부하 관리

스위치 모드 PWM 전원 공급 장치 회로도의 주요 단점 중 하나는 매우 낮은 부하에서의 본질적인 비효율성입니다. 무부하 상태에서 전원 공급 장치는 전원 공급 제어 회로 때문에 손실을 계속 겪게 됩니다. 이는 대기 모드에서 오랜 기간 동안 작동하는 배터리 전원 장치에서 전원 공급 장치의 효율성이 배터리 수명을 결정하기 때문에 문제가 될 수 있습니다.

이 상황에 대한 해결책은 PWM 전원 공급 장치 회로도 대신 펄스 주파수 변조(PFM)를 사용하는 것입니다. 여기서, AC 파형의 듀티 사이클은 변경되지 않으며, 전원 공급 장치 출력의 제어는 AC 입력의 주파수 변경을 통해 이루어집니다.

PFM의 주요 문제는 훨씬 더 넓은 주파수 범위에서 노이즈가 발생하기 때문에 노이즈 필터링 설계가 훨씬 더 어려워진다는 것입니다.

다른 문제점으로는 PFM 제어가 PWM 제어보다 상당히 더 큰 출력 전압 리플을 생성하고, 과도 응답 시간이 훨씬 더 길어질 수 있다는 것입니다. 이러한 문제들은 전압 변동에 민감한 구성 요소, 특히 집적 회로를 구동하는 전원 공급 장치의 설계자의 작업을 더 어렵게 만듭니다.

전원 공급 장치 칩은 이제 출력 부하에 따라 자동으로 전환되는 내장 이중 모드 PWM 회로와 PFM 제어를 갖추고 있습니다. 따라서, PFM 제어를 저부하 조건에만 제한하는 것은 정의상 방출되는 소음과 전압 리플과 같은 부정적인 영향을 최소화할 것입니다.

저부하 관리를 위한 펄스 스킵 변조

저부하 조건을 관리하는 또 다른 기술은 PWM 파형을 짧은 기간 동안 끄고 이 기간 동안 전원 공급 장치의 출력 커패시터가 출력 전압을 유지하도록 하는 것입니다. 이 PWM 파형을 비활성화하는 과정을 펄스 스킵 또는 펄스 스킵 변조(PSM)라고 합니다. 무부하 조건에서는 전원 공급 장치 자체의 손실로 인해 출력 커패시터가 방전되는 것을 보상하기 위해 PWM 파형을 짧은 기간 동안 간헐적으로 활성화하기만 하면 됩니다.

PSM이 가능한 전원 조절기에서 파형을 보여주는 예는 아래에 있습니다. PSM 기능은 컨트롤러의 내부 회로에서 정의된 조건 하에서 FET 게이트로의 PWM 펄스를 제거합니다. 아래 예는 텍사스 인스트루먼트의 TPS61175에서 나온 것입니다.

결론

PWM 회로를 사용하는 주요 장점은 매우 높은 효율 덕분에 매우 낮은 전력 손실이라는 점입니다. 이는 최적의 회로 설계를 위해 매우 높은 주파수를 활용합니다. 또한, 전원 공급 설계를 위한 비교 가능한 기술에 비해 구현 비용이 상대적으로 저렴하며, 높은 부하를 처리할 수 있는 능력이 있습니다. 주요 단점은 낮은 부하를 관리하기 위해 필요한 추가적인 복잡성입니다. 그러나 PWM 제어와 자동 낮은 부하 관리를 결합한 통합 장치의 사용 가능성이 전원 공급 설계자의 이 작업을 단순화했습니다.

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