스위칭 파워 서플라이용 제어기, 그 제어기를 포함하는 시스템 및 스위칭 파워 서플라이 제어방법 document_id A220623107923

스위칭 컨버터는 입력 DC 전압을 출력 DC 전압으로 변환하는데 사용된다. 그러한 컨버터는 입력 DC 전압을 내리거나 올릴 수 있다(벅-부스트(buck-booster) 컨버터도 또한 가능하다). 종래의 파워 서플라이는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulaiton, PMW)를 이용하여 컨버터에 이용된 전력 장치를 제어한다. 스위칭 컨버터의 한 형태는 동기 벅(buck) 컨버터이다. 이 컨버터는 제어기, 드라이버, 스위치 한 쌍, 그리고 스위치 한 쌍에 결합된 LC 필터를 일반적으로 갖는다. 제어기는 제어신호를 드라이버에 제공하고, 그 다음 드라이버는 스위치의 쌍(예를 들어, 고측면 스위치(high side switch)와 저측면 스위치(low side switch))을 구동한다. 드라이버는 각 스위치의 ON와 OFF를 교대로 켜고 그것에 의해 DC/DC 컨버터의 인덕터 전류와 출력 전압을 제어한다. 그러한 제어기는 일반적으로 펄스 폭 변조된 신호를 이용하여 고측면 그리고 저측면 스위치의 상태를 제어한다. 스위칭 컨버터의 크기와 비용을 향상시키는 방법의 하나는 외부의 수동소자의 크기를 최적화하는 것이다. 이것은 스위칭 주파수와 제어 루프를 최적화함으로서 이루어진다. 깊은(deep) 서브-마이크로(sub-micro) CMOS의 출현으로, 매우 낮은 전압, 높은 허용도(tolerance) 그리고 높은 전류를 갖는 파워 서플라이가 요구된다. 결과적으로 수동 필터 소자가 매우 낮은 임피던스로 정해져야만 하고, 특히 출력 캐패시던스는 높은 질과 큰 값으로 스케일링된다. 이 캐패시터는 서브-마이크로 CMOS를 위한 스위칭 컨버터의 크기와 비용을 좌우한다. 일반적으로, 더 작은 캐패시터일수록, 더 낮은 비용이 든다. 출력 캐패시터가 줄여지는 것을 허용하는 제어 기술을 위한 요구가 있다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 일반적인 전압 모드 제어기는 펄스 폭 변조기를 제어하는 고정 보상기(compensator)를 포함한다. 고정 보상기로의 입력은 희망하는 참조 신호와 출력 전압 사이의 차이인 에러 신호이다. PID 제어기(비례 미분 및 적분 제어(proportional derivatives and integral control))를 갖는 고정 보상기의 일반적인 형태이다. 이러한 형태의 제어는 비교적 고속 실행을 허용하면서, 컨버터가 비연속적인 도전 또는 연속적인 도전에 머무르도록 제공된다. 양 동작 모드가 가능하다면, 보상기 대역폭은 안정된 보상을 보장하기 위해 낮춰져야만 한다. 출력 전압 변환 함수의 듀티 사이클(duty cycle)은 연속적인 도전과 비연속적인 도전 사이에 다르기 때문이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 문제의 하나의 해결책은 내부의 고속 전류 피드백 루프를 부가하는 것이다. 이것은 서보기구(servo mechanism)를 위한 비율 제어(rate control)와 유사하다. 내부의 전류 루프는 인덕터 전류의 제어를 선형화한다. 따라서, 출력 전압에 전류 명령은 도전 모드와 동일하며 독립적이어서, 보상기는 두 작동 모드에 대해 동일한 것일 수 있다. 그러나 이 기술은 제한된다. 가장 주요한 제한은 내부의 전류 루프가 제한된 제어 권한을 가지며, 그러한 기능에 있어서, 루프의 내부에 비율 포화(rate saturation)를 갖는다는 것으로부터 비롯된다. 이것은 인덕터에 적용될 수 있는 유한 파워 서플라이에 의해 야기된다. 이 비율 포화는 높은 대역폭에 있어서 루프 및 비안정성을 야기한다. 따라서, 전류 모드 제어기는 특히 높고 낮은 듀티 사이클에서 안정하기 위해 더 낮은 대역폭을 가져야 한다. 따라서, 어떤 종래의 방법에 있어서, 교란 또는 다른 변화에 대한 시스템의 응답은 바라는 것보다 더 늦을 수 있다. 높은 대역폭 작동을 허용하는 방법을 제어하기 위한 요구가 있다.