[테크 리포트] 차량용 전력 설계의 새로운 기준 '제로-딜레이 PWM 컨트롤...

[테크월드=이광재 기자] 자동차의 전장 시스템이 고도화되면서 전력 설계 엔지니어들은 과거와는 다른 수준의 요구사항에 직면하고 있다.

ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)와 디지털 콕핏은 고성능 SoC(시스템 온 칩)를 중심으로 구성되는데 이 SoC들은 순간적으로 부하가 크게 변동하는 특성을 지닌다.

문제는 이러한 급격한 부하 변동에 전원 공급 회로가 얼마나 빠르고 정확하게 SoC의 전원 변동 요구사항을 만족해야 하는가에 있다. 이를 위해 기존의 제어 방식은 요구상을 만족하기 위해 더 많은 커패시터를 사용해야 하며 이는 가격 상승 및 설계 면적을 확대로 이어져 효율적인 디자인에 어려움을 초래한다.

기존에 널리 사용되던 피크 전류 모드 제어는 안정적인 제어 특성을 갖추고 있지만 빠른 과도 응답 측면에서는 한계가 있다. 반면 빠른 응답으로 주목받던 상시 온-타임(COT, Constant-On-Time) 제어는 요구 전력이 급격히 변화하는 순간 스위칭 주파수가 가변 되는 특성 때문에 엄격한 EMI 규제가 적용되는 차량용 환경에는 적합하지 않다.

결국 엔지니어들은 ‘빠른 응답’과 ‘고정 주파수 동작’을 동시에 만족시키는 제어 방식이 고성능 SoC가 주를 이루는 자동차 시장에서는 꼭 필요한 사항이 됐다.

ZDP의 핵심 아이디어, 빠른 경로와 느린 경로의 분리

MPS가 독자적으로 개발한 ZDP(Zero-Delay Pulse-Width Modulation, PWM) 컨트롤 기술은 고정 주파수 전원 공급 제어 방식이면서도 일반적인 고정 주파수 제어 방식에 비해 과도 응답 특성을 향상시킨다.

특히 COT와 피크 전류 모드 제어의 장점을 결합하면서 각각의 단점을 보완한 독자적인 고정 주파수 제어 방식이다. 이는 훌륭한 EMC 성능을 유지하면서도 고성능 SoC의 요구사항을 추가 공간 및 소자 없이 만족시킬 수 있는 최고의 제어 방식이다.

ZDP 아키텍처의 핵심은 2개의 병렬 경로로 이해할 수 있다.

[그림1] 제로-딜레이 PWM 컨트롤 기법 [제공=MPS]

첫 번째는 ‘고속’ 경로다. 피드백 노드를 오차 증폭기를 거치지 않고 PWM 비교기에 직접 연결한다. 덕분에 출력 전압(VOUT)이 변동하는 순간 보상 루프를 거치는 지연 없이 즉각적으로 듀티 사이클을 조정할 수 있다.

예를 들어 갑작스러운 부하 증가로 VOUT이 낮아지면 다음 사이클에서 바로 듀티 사이클이 올라가 출력 커패시터에 추가 전력을 공급한다. 이때 스위칭 주파수(fSW)는 고정 주파수 클록으로 PWM 래치를 리셋하는 방식으로 일정하게 유지된다.

두 번째는 ‘저속’ 경로다. 피크 전류 모드 제어의 오차 증폭기 구조를 기반으로 피드백 전압과 기준 전압의 차이(VFB-VREF)로부터 오차 신호를 생성해 정밀한 전압 조정을 담당한다. 이 오차 신호는 AC 결합 전류 신호 및 기울기 보상 램프와 합산돼 PWM 비교기로 입력된다.

또 ZDP는 밸리 전류 감지 방식을 채택해 기존 피크 전류 감지 방식의 전류 감지 무효 시간(Blanking Time) 제약에서 벗어났다. 이를 통해 최소 온-타임(tON_MIN)을 대폭 줄일 수 있으며 낮은 듀티 사이클과 높은 스위칭 주파수의 조합이 가능해진다.

이는 12V 차량용 배터리 전압을 1.8V 수준의 SoC 공급 전압으로 강압해야 하는 변환 비율 요구사항을 충족하는 데 있어 핵심적인 조건이다.

루프 안정화에는 타입2 보상만으로 충분하므로 타입3 보상이 필요한 기존 방식 대비 설계 기간도 단축된다.

시뮬레이션으로 확인한 ZDP의 동작 원리

ZDP의 동작을 더 구체적으로 이해하려면 시뮬레이션 결과를 살펴보는 것이 도움이 된다.

VIN=12V, VOUT=3.3V 조건에서 0A에서 4A 부하 스텝(5A/㎲)을 인가한 시뮬레이션에서 ZDP의 특징적인 거동이 잘 드러난다.

[그림2] ZDP 시뮬레이션 부하 과도 응답 [제공=MPS]

부하가 스텝 상승하면 VOUT이 순간적으로 낮아지고 이에 따라 PWM 비교기의 PWM-입력도 낮아진다. 그러면 PWM+가 PWM-를 초과하는 시간이 평상시보다 길어지면서 듀티 사이클이 즉각 증가한다.

불과 몇 개의 스위칭 사이클 내에 듀티 사이클은 27%에서 35%로 상승하고 VOUT은 빠르게 3.3V로 복귀한다. 이 과정에서 스위칭 주파수는 2.2MHz를 그대로 유지하며 ZDP의 고정 주파수 동작이 실제로 구현됨을 확인할 수 있다.

[그림3] ZDP 부하 과도 응답 시 듀티 사이클 [제공=MPS]

실제 하드웨어에서의 성능 검증

시뮬레이션 결과는 실제 하드웨어에서도 그대로 재현된다. MPS 솔루션을 활용한 실험에서 동일한 인덕터, 출력 커패시터 수량, 스위칭 주파수 조건 하에 ZDP 방식과 일반 차량용 피크 전류 모드 제어 방식을 직접 비교한 결과가 이를 뒷받침한다.

[그림4] MPS 솔루션 사용시 부하 과도 응답 [제공=MPS]

0A에서 3.5A 부하 스텝(2A/㎲) 인가시 피크 전류 모드 제어 방식의 VOUT 변동폭은 523mVPK-PK였던 반면 ZDP 방식의 MPS 솔루션은 170mVPK-PK에 불과했다. 동일한 부품 구성에서 약 3배에 달하는 과도 응답 성능 차이가 확인된 것이다.

[그림5] 피크 전류 모드 제어와 ZDP 부하 과도 응답 [제공=MPS]

이 차이는 단순히 성능 수치의 개선에 그치지 않는다. 우수한 과도 응답 덕분에 동일한 성능 기준을 달성하는 데 필요한 출력 커패시터 수를 줄일 수 있어 전체 솔루션의 BOM 비용 절감으로도 직결된다.

최소 온-타임 측면에서도 차이는 뚜렷하다. MPS ZDP 솔루션의 tON_MIN은 일반적으로 20ns(최대 35ns)인 반면 피크 전류 모드 방식은 일반적으로 80ns 수준이다.

이 낮은 tON_MIN 덕분에 MPS 솔루션은 최대 18V의 배터리 입력 전압을 1.8V 수준의 SoC 공급 전압까지 강압하면서도 2.2MHz 이상의 고정 주파수 동작을 유지할 수 있다. 이는 AM 대역을 피한 주파수 설정을 가능하게 해 EMI 대응에도 유리하다.

EMI 성능 역시 실측 데이터로 검증됐다. ZDP를 탑재한 MPS 솔루션은 주파수 확산 스펙트럼(FSS, Frequency Spread Spectrum) 기능과 함께 표준 입출력 EMI 필터만으로 자동차 EMC 규격을 통과함을 전도 및 복사 EMI 시험 결과를 통해 확인할 수 있다.

[그림6] MPS 솔루션 별 전도성 노이즈 방출 EM I결과 [제공=MPS]

차량용 전원 설계의 현실적 선택지

ZDP는 이론적 가능성을 넘어 실제 차량용 전원 설계에서 요구되는 모든 조건을 동시에 충족하는 제어 방식이다.

첫째, 빠른 과도 응답으로 ADAS 및 디지털 콕핏 SoC의 동적 부하 특성에 대응한다. 둘째, 고정 주파수 동작으로 엄격한 차량용 EMC 환경에 적합하다. 셋째, 낮은 tON_MIN을 통해 높은 변환 비율과 고주파 동작을 동시에 실현한다. 넷째, 출력 커패시터 절감과 컴팩트한 사이즈로 고전류 고전력 전력 변환 디자인이 가능해전체 솔루션 비용을 낮출 수 있다.

차량용 전원 설계에서 성능, EMI, 비용이라는 3가지 요소 사이의 트레이드오프는 엔지니어들에게 끊임없는 과제였다.

ZDP를 기반으로 한 MPS 솔루션은 이 3가지를 동시에 만족시키는 현실적인 선택지로 차세대 차량용 전력 설계의 기준을 새롭게 제시하고 있다.

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