신호 처리장치와 시스템 온칩(SoC) 장치들은 일반적으로 급격하게 변화하는 부하 과도 특성을 갖습니다. 이 같은 부하 과도는 무선 주파수(RF) 분야에서 매우 중요한 공급 전압에 교란을 일으킵니다. 시계 주파수가 공급 전압의 변화로 인한 영향을 크게 받기 때문입니다. 이 문서에서는 Silent Switcher® 전력 솔루션이 무선 분야, 특히 RF 분야에서 초고속 전력 공급 과도 응답을 달성하는 것을 어떻게 도울 수 있는지 알아봅니다.
RF 분야용 고속 과도 Silent Switcher 3 제품군
고속 과도 전력 레일을 달성하는 가장 직접적인 방법 중 하나는 빠른 과도 성능을 제공하는 레귤레이터를 선택하는 것입니다. IC의 Silent Switcher 3 제품군은 초저주파 출력 소음과 빠른 과도 응답, 낮은 EMI 방출, 그리고 높은 효율성을 제공합니다. 보상이 과도하더라도 매우 높은 안정성을 제공할 수 있는 초고성능 오차 증폭기를 갖추고 있습니다. 4MHz의 최대 전환 주파수는 IC가 고정 주파수 최고 전류 제어 모드에서 제어 루프 광역폭을 약 150kHz 범위로 확대할 수 있게 해줍니다. 설계자가 고속 과도 성능을 달성하기 위해 선택할 수 있는 Silent Switcher 3 IC들은 표 1과 같습니다.
표 1. Silent Switcher 3 제품군 파라미터.
그림 1은 고속 과도 응답과 낮은 리플/소음 레벨을 동시에 필요로 하는 5G RFSoC용 LT8625SP를 기반으로 한 일반적인 1V 출력 전력 공급을 보여줍니다. 1V 부하는 송신/수신 관련 회로들과 국부 진동자(LO) 및 전압 제어 진동자(VCO)로 구성되어 있습니다. 송신/수신 부하는 주파수 분할 이중화(FDD) 작동 시 부하 전류가 급격하게 변화합니다. 이와 동시에 LO/VCO는 부하가 일정하지만 매우 높은 정확도와 저소음을 요구합니다. LT8625SP는 광역폭이 커서 2차 인덕터(L2)로 동적 부하와 정적 부하를 분리함으로써 설계자로 하여금 하나의 IC에서 2개의 중요 1V 부하 그룹에 전력을 공급할 수 있게 해줍니다.
그림 2는 4A~6A 동적 부하 과도에서의 출력 전압 응답을 보여줍니다. 동적 부하가 5µs 이내에 0.8% 미만의 피크 대 피크 전압으로 회복되어, 정적 부하 측에 미치는 영향이 0.1% 미만의 피크 대 피크 전압으로 최소화됩니다. 저주파 범위에서 소음이 매우 적고 전압 리플이 낮으며 과도 응답이 매우 빠르기 때문에 이 회로는 LDO 레귤레이터 단계 없이 RFSoC 부하를 직접 공급할 수 있는 0.8V와 1.8V 같은 또 다른 출력 조합을 수용하도록 개조가 가능합니다.
그림 1. 동적/정적 분리 RF 부하에 사용되는 LT8625SP용 일반 응용 회로.
그림 2. 부하 과도 응답이 최소 VOUT 편차로 빨라서 정적 부하에 영향을 주지 않습니다.
시간 분할 이중화(TDD) 모드에서는 소음에 민감한 LO/VCO가 송신/수신 모드의 변화에 따라 함께 로드되고 언로드됩니다. 따라서 모든 부하가 동적 부하로 간주되기 때문에 그림 3과 같은 간소화된 회로를 사용할 수 있는 한편, LO/VCO의 낮은 리플/저소음 특성을 유지하기 위해 더 엄격한 포스트 필터링이 필요합니다. 부하 과도를 위해 빠른 광역폭을 유지해주는 최소화된 동등한 L로 충분한 포스트 필터링을 달성하기 위해 피드 스루 모드에서 3단자 커패시터를 사용할 수 있습니다. 피드 스루 커패시터와 원격 측 출력 커패시터가 함께 LC 필터 단계를 2개 더 생성하는 한편, 모든 L이 3단자 커패시터의 ESL에서 발생하여 매우 작고 부하 과도에 해를 덜 줍니다.
그림 3도 Silent Switcher 3 제품군의 간편한 원격 감지 연결 구조를 보여줍니다. 고유의 기준 생성 및 피드백 기술이 적용되어 있어서 SET 핀 커패시터의 (C1) 접지와 OUTS 핀을 원하는 원격 피드백 포인트에 Kelvin 연결하기만 하면 됩니다. 이 연결에는 레벨 시프팅 회로가 필요 없습니다.
그림 4는 복구 시간이 <5 μs이고 출력 전압 리플이 < 1mV일 때의 1A 부하 과도 응답 파형을 보여줍니다.
그림 3. 동적/정적 조합 RF 부하에 사용되는 LT8625SP용 일반 응용 회로.
그림 4. 피드 스루 커패시터는 과도 응답을 급증시킴과 동시에 출력 전압 리플을 최소로 유지해줍니다.
고속 과도 응답용 Silent Switcher 3 제품군을 구동하는 프리차지 신호
어떤 경우에는 GPIO가 충분해서 신호 처리장치가 강력하고, 과도 이벤트를 미리 알 수 있어서 신호 처리 일정이 잘 세워지기도 합니다. 보통 프리차지 신호를 생성하여 공급 과도 응답에 전력을 공급하는 데 도움을 줄 수 있는 일부 FPGA 전력 공급 구조가 이런 경우에 해당됩니다.
그림 5는 실제 부하 전이가 발생하기 전에 바이어스를 제공해서 LT8625SP가 너무 많은 VOUT 편차와 복구 시간을 들이지 않고 시간적으로 여유 있게 부하 교란을 수용할 수 있도록 하기 위해 FPGA에서 생성한 프리차지 신호를 이용하는 일반적인 응용 회로를 보여줍니다. 프리차지 신호가 피드백에 교란을 일으키기 때문에 FPGA의 GPIO에서 인버터의 입력부까지 이어지는 동조 회로는 생략되었습니다. 레벨이 35mV가 되도록 조절됩니다. 또한, 안정 상태에서 프리차지 신호 효과를 피하기 위해 프리차지 신호와 OUTS 사이에 하이패스 필터가 적용되었습니다.
그림 6은 1.7A~4.2A 부하 과도 응답 파형을 보여줍니다. 프리차지 신호는 실제 부하 과도보다 앞서서 피드백(OUTS)에 적용되는 반면, 5µs 미만의 복구 시간이 달성됩니다.
그림 5. 고속 과도 응답을 위해 OUTS 핀에 프리차지 신호가 공급된 T8625SP.
그림 6. LT8625SP 피드백에 프리차지 신호와 부하 과도가 모두 적용되어 복구 시간이 단축된 경우.
초고속 복구 과도를 위한 회로의 활성 수하
빔포머의 경우, 다양한 전력 레벨을 수용하기 위해 공급 전압이 계속 바뀝니다. 그래서 공급 전압의 정확도 요건이 보통 5%~10%입니다. 이 경우에는 부하 과도 시 복구 시간을 최소화할 경우 데이터 처리 효율성이 극대화될 것이므로 전압 정확도보다 안정성이 더 중요합니다. 수하 전압이 복구 시간을 줄여주거나 아예 없애줄 것이기 때문에 이런 응용 분야에는 수하 회로가 안성맞춤입니다. 그림 7은 LT8627SP용 활성 수하 회로의 개략도입니다. 과도 발생 시 피드백 제어 루프에 안정 상태 오차를 유지하기 위해 오차 증폭기의 음극 입력부(OUTS)와 출력부(VC) 사이에 수하 저항기가 추가되었습니다. 수하 전압은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
그림 7. 고속 과도 복구 시간을 달성하기 위해 OUTS와 VC 사이에 활성 수하 저항기가 추가된 LT8627SP.
∆VOUT은 부하 과도에 의한 최초 전압 변동값이고 ∆IOUT은 부하 과도 전류이며 g는 전류 게인을 전환해주는 VC 입니다. 그림 7에 표시된 수하 회로를 설계할 때, 특히 다음 사항을 고려해야 합니다.
- 수하 전류가 VC 핀 전류 한계를 초과하면 안 됩니다. LT8627SP의 오차 증폭기 출력의 경우, 포화 현상을 피하기 위해 이 전류를 200µA 미만으로 제한하는 것이 좋은데, 이를 위해서는 R7 값과 R8 값을 바꾸면 됩니다.
- 과도 시 복구 시간이 최소화되도록 수하 전압이 출력 용량을 수용하여 과도 시 전압 편차가 수하 전압과 비슷한 수준이 되게 해야 합니다.
그림 8은 1A~16A~1A 부하 과도 시 위에서 설명한 회로의 일반적인 파형을 보여줍니다. 이제 16A~1A 부하 과도 속도가 더 이상 광역폭으로 인해 병목화되지 않고 레귤레이터의 시간이 최소화된 것을 확인할 수 있습니다.
그림 8. 수하 과도 응답을 달성하여 LT8627SP의 과도 복구 시간을 최소화할 수 있습니다.
결론
고속 신호 처리에서는 시간이 매우 중요하기 때문에 무선 RF 분야는 점점 더 계산에 의존하게 되고 과도 응답 시간에 민감해지고 있습니다. 시스템 설계 엔지니어들은 블랭킹 시간이 최소화될 수 있도록 전력 공급 과도 응답 속도를 늘려야 한다는 과제에 직면해 있습니다. Silent Switcher 3 제품군은 무선, 산업, 방위 및 헬스케어 분야에 활용되고 소음에 민감한 집중 동적 부하 과도 솔루션에 최적화되어 있는 차세대 모놀리식 레귤레이터입니다. 부하 조건에 따라, 전문적인 기술과 회로를 적용하여 과도 응답을 한층 더 개선할 수 있습니다.