전원 공급 장치 레일에 대한 니즈에 의해 전원 시스템은 몇 년 동안 계속 복잡해져 왔다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 다수의 스위칭 공급 장치가 채택되는 경우가 많다. 스위칭 주파수를 동기화할 것인지, 각각의 전원 공급 장치가 독립적으로 전환하도록 내버려 둘 것인지는 중요한 결정 사항 중 하나이다. 동기화하지 않으면 회로가 줄어들지만, 동기화하면 필터링 비용을 줄일 수 있고 전자기간섭(EMI)을 낮추는 데에도 도움이 된다.
비동기식 동작의 영향을 설명하기 위해 그림 1의 회로를 P-SPICE로 시뮬레이션했다. 전류 소스는 해당 공급 장치의 입력 전류이다. 그림 1에는 2개의 전원 공급 장치 전류 파형과 커패시터의 리플 전압이 나타나 있다.
그림 1. 2개의 비동기식 전원 공급 장치에 미치는 비팅 효과가 입력 리플 전압을 증가시킨다
리플 전압은 2개의 컨버터가 다른 위상일 때 최소가 되고, 같은 위상일 때 최대가 된다. 이 경우, 출력 리플 전압의 차이는 거의 2 대 1이다. 이것이 전원 공급 장치 동기화에 대한 강력한 논거 중 하나이다. 다양한 전원 공급 장치의 위상을 신중하게 선택한다면 입력 전압 리플을 줄일 수 있다. 그뿐 아니라 리플 전류 또한 줄일 수 있다. 이 경우, 공급 장치들의 위상이 다를 때 각각의 위상에서 0.25 DF(Duty Factor)이고 유효 DF가 0.5라면, 리플 전류는 다음과 같다.
전류 소스는 180kHz와 200kHz에서 동작했으며, 여기에는 스위칭 주파수들의 기본파와 고조파만 존재한다. 합 및 차의 결과물을 내기 위해서는 곱셈이 필요한데, 이것은 주로 스위칭 다이오드나 트랜지스터와 같은 비선형 디바이스에서 이루어진다 [sin(u)sin(v)＝1/2(cos(u－v)－cos(u＋v))를 기억하는가?].
그러나 그림 1에서 각각의 사이클 동안 전원 공급 장치가 끌어내는 평균 전압을 검토해 보면, 주파수 차이와 관련해 변화가 있다는 것을 알 수 있다. 이 주파수는 전원 공급 장치에서 불량 오디오 배제를 통해 전원 공급 장치의 출력으로 가는 길을 만들 수 있는 주파수다. 이것은 무효 전압 피드 포워드나 히스테리시스 제어, 무효 전류 모드 제어로 유발될 수 있으며, 대부분 2차 효과이다.
그림 2. 이 입력 전압 시뮬레이션의 FFT는 어떤 합의 컴포넌트와 차의 컴포넌트도 없다는 것을 보여준다
그림 3. 전원 공급 장치 스위칭은 부품의 차이를 야기시킨다
이러한 비팅 현상이 전원 공급 장치의 출력으로 가는 길을 만들 수 있는 또 다른 방법은, 불량 설계된 그라운딩 시스템을 통하는 것이다. 그라운드 전류의 흐름은, 그림 2와 같이 인접 스위처들에서 전압을 발생시킬 수 있다. 이 점을 증명하기 위해 우리가 가진 전원 시스템으로 한 가지 실험을 실시했다. 우리는 대용량 입력 커패시터를 증가시켰고 아무런 효과가 없다는 것을 알게 되었다. 그래서 스위처로 가는 전원 피드에 작은 인덕터들을 추가했다. 다른 전원 공급 장치의 리플 전류가 희생 공급 장치의 그라운드에 영향을 받지 않게 함으로써 상호작용이 최소화된다는 것을 알 수 있었다.
그림 3에는 이러한 현상이 잘 나타나 있다. 보라색 리플 전압과 녹색 스위치 노드 파형을 보면, 스위치 노드가 낮은 상태에 있을 때 리플 전압에 단절이 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 두 번째 스위처의 전류가 어느 정도 첫 번째에 추가되었고, 그것이 입력 전압의 변조가 아님을 나타내는 것이다.
전원 공급 장치를 동기화해야 하는 마지막 근거는 전원 공급 장치의 위상을 제어할 수 있고, 따라서 나머지 전원 공급 장치에 대해 그들의 스위칭도 제어할 수 있다는 데 있다. 전원 공급 장치가 동기화되지 않으면, 다수의 전원 스위치들이 동시에 전환될 수 있다. 각각의 전환은 상당한 잡음을 발생시키며 다른 결정을 방해하여 동작의 혼란을 야기할 수 있다.
요약하자면, 전원 공급 장치의 동기화에는 여러 가지 장점이 있다. 입력 필터 커패시터에서 리플 전류를 줄일 수 있고, 낮은 리플 전류 레이팅을 이용해 전원 공급 장치의 리플 전압 및 비용을 줄일 수도 있다. 이것은 주파수 부품 차이가 전원 시스템의 출력이나 입력 리플에 나타날 가능성을 없애준다.
전원 공급 장치에서 상태 변경을 언제 결정하는지 제어할 수 있으므로, 전원 공급 장치의 동작이 혼란스러워질 가능성도 줄일 수 있다. 그리고 동기화가 있거나 없는 여러 가지 출력 전원 설계들을 PowerLab에서 이용할 수 있다. TI는 PowerLab에서 사용자의 용도에 따라 제작하고 테스트하여 문서화된 1,400개의 레퍼런스 디자인들이 적합한지 검토하고 있다. TI PowerLab 노트를 보면 전원 공급 장치 설계에 대한 설계자의 견해를 확인할 수 있다(다양한 전원 솔루션은 http://www.ti.com/power-ca 참조).
Robert Kollman / Texas Instruments
