고전압 디지털 전력 시스템 관리의 진화

  • 글| 헬무트 비테(Hellmuth Witte), 설계 엔지니어, 전력관리제품, 리니어 테크놀로지
  • 2016-06-21 오전 10:10:45

LTC3886의 레귤레이션 및 감시 정확도는 다운스트림 IC의 엄격한 출력 전압 요구사항을 만족하면서 더 적은 출력 커패시터로 전체 시스템 비용을 줄여준다.

새로운 스텝다운 컨트롤러는 최대 60 V 입력에서 2개의 0.5 V ~ 13.8 V 출력을 생성하므로 중간 또는 POL(point-of-load) 전원으로 산업용, 서버 및 자동차 환경에 용이하게 적용할 수 있다. 이와 유사한 인상적인 입/출력 범위를 갖는 다른 컨트롤러는 LTC3886의 디지털 관리 기능을 따라올 수 없다.

LTC3886은 I2C에 기반을 둔 PMBus-준수 시리얼 인터페이스를 탑재하고 있어 전원 설계자는 PC 기반 그래픽 LTpowerPlayⓡ를 통해 기능을 구성하고 모니터링, 제어 및 확장한 다음 LTC3886의 온보드 EEPROM에 최적의 생산 설정을 저장할 수 있다. 기능과 최적화 설정(보상 포함)을 모두 소프트웨어를 통해 변경할 수 있으므로 보드 변경은 필요하지 않다.

이 2채널 PolyPhaseⓡ DC/DC 동기 스텝다운 스위칭 레귤레이터 컨트롤러는 정주파수, 전류 모드 아키텍처를 채택하며, 고정밀 입력 및 출력 전류 감지와 프로그래밍 가능 루프 보상을 제공하고, 52-리드(7 mm × 8 mm) QFN 패키지로 제공된다. LTC3886은 고정밀 전압 및 전류 감지, 조정 가능한 보상, 전용 PGOOD 핀을 갖추고 있어 범용 전력 시스템 설계, 제어, 모니터링, 프로그래밍 및 정확도를 요구하는 산업용 애플리케이션에 이상적이다.


유연한 기능 세트

그림 1은 LTC3886의 일반적인 회로도를 보여준다. 100 kHz ~ 750 kHz PWM 스위칭 주파수 범위, 낮은 RDS(ON)의 통합 N-채널 MOSFET 게이트 드라이버는 다수의 외부 부품을 지원하고 전력 기능과 시스템 비용을 최적화할 수 있게 한다. LTC3886은 유연한 프로그래밍 가능 기능 세트를 통해 특정 애플리케이션에 맞춰 조정할 수 있어 다양한 종류의 산업용, 의료용, POL 애플리케이션에 적용할 수 있다.


프로그래밍 기능을 통한 편리한 구성

다음과 같은 LTC3886 파라미터를 I2C/SMBus 인터페이스를 통해 구성하고 온보드 EEPROM에 저장할 수 있다.

- 출력 전압, 과전압, 저전압 및 과전류 제한
- 입력 ON/OFF 전압, 입력 과전압 및 입력과전류 경고
- 디지털 소프트 스타트/스톱, 시퀀싱, 마지닝
- 제어 루프 보상
- PWM 스위칭 주파수 및 위상 조정
- FAULT 핀을 통한 오류 응답 및 오류 전파
- 디바이스 어드레스

또 스위칭 주파수, 디바이스 위상 조정, 출력 전압은 외부 구성 저항을 사용하여 프로그래밍할 수 있다. 이 밖에 128개의 가능한 모든 어드레스를 저항으로 선택할 수 있다.

Power Good, 시퀀싱 및 프로그래밍 가능 오류 응답

각 채널의 전용 PGOOD 핀은 다중 LTC3886과 다른 전력 시스템 관리 IC에서 이벤트 기반 시퀀싱 구현을 간소화한다. 또한 LTC3886은 시간 기반 시퀀싱을 지원한다. RUN 핀이 하이로 구동되고 PMBus 턴온 명령 또는 VIN 핀 전압이 사전 프로그래밍된 전압보다 높게 상승하면 TON_DELAY 시간을 기다린 후 출력이 활성화된다.

시간 기반 Power Off 시퀀싱도 유사한 방식으로 처리된다. 적절한 시간 기반 시퀀싱을 보장하려면 모든 SHARE_CLK 핀을 함께 연결하고, 모든 전력 시스템 관리 IC의 RUN 핀을 함께 연결하기만 하면 된다. LTC3886 FAULT핀은 UV, OC, OT, 타이밍 오류, 피크 전류 오류를 포함해 다양한 오류를 나타내도록 구성할 수 있다. 이 밖에 FAULT 핀을 외부 소스에 의해 로우로 구동하면 시스템의 다른 부분에서 발생한 오류를 나타낼 수 있다. LTC3886의 오류 응답은 구성 가능하며 다음과 같은 옵션을 제공한다.

- 무시
- 즉시 셧다운-래치 오프
- 즉시 셧다운-MFR_RETRY_DELAY에서 지정한 시간 간격으로 무한 재시도

오류 로깅 및 텔레메트리

LTC3886은 지속적으로 업데이트되는 RAM 버퍼에 텔레메트리와 오류 상태 데이터를 저장하는 오류 로깅을 지원한다. 오류 이벤트가 발생하면, 버퍼는 RAM에서 EEPROM으로 복사되고, 이후에 오류의 원인을 결정하기 위해 다시 읽을 수 있는 영구적인 오류 로그가 된다.

최대 효율을 구현하는 EXTVCC 핀

디바이스에 제공되는 EXTVCC 핀은 애플리케이션 전력 손실을 최소화하며 5 V ~ 14 V의 전압을 지원한다.
이 핀은 최적의 회로 효율과 최소 다이 온도로 설계를 구현할 수 있게 하고, LTC3886이 출력 전압으로부터 자체 바이어스 전력을 효율적으로 공급할 수 있게 한다.


높은 정확도와 정밀도

최근의 애플리케이션은 엄격한 허용오차를 갖는 전원 전압 레귤레이션과 감시 기능을 필요로 한다. 이러한 요구사항은 고속 아날로그 제어 루프와 통합 16비트 ADC 및 12비트 DAC를 통해 달성된다. LTC3886의 출력 전압 정확도는 전체 동작 온도에서 ±0.5%를 보장한다. 또 출력 전압 과전압 및 저전압 비교기는 온도에서 ±2% 미만 오차를 갖는다. LTC3886의 레귤레이션 및 감시 정확도는 다운스트림 IC의 엄격한 출력 전압 요구사항을 만족하면서 더 적은 출력 커패시터로 전체 시스템 비용을 줄여준다.

고유의 하이 사이드 60 V 입력 전류감지 증폭기는 온도에서 ±1.2% 미만오차로 입력 전류를 측정한다. 출력 전류는 온도에서 ±1.5%까지 정확도를 보장한다. LTC3886의 내부 다이 온도 측정은 0.25 ℃까지 정확도가 보장되며, 외부 온도 텔레메트리는 ±1 ℃ 미만 오차를 갖는다.

확장

첨단 전력 관리 시스템은 증가하는 전력과 제어를 필요로 하지만, 갈수록 줄어드는 보드 공간에 맞춰야 한다. 병렬 다중위상 레일은 높은 전력 밀도와 효율적인 확장성을 제공하므로 고전력 요구사항에 최적의 솔루션이다. LTC3886은 여러 개의 LTC3886 간에 최대 6개 위상에 대해 정확한 PolyPhase 전류 공유를 지원한다.

따라서 시스템 설계자는 필요한 만큼 전력 단을 추가할 수 있다. 또한 듀얼 위상 LTC3870 PolyPhase 확장 IC는 LTC3886과 매끄럽게 결합해 저렴한 가격으로 6상 PolyPhase 레일을 생성할 수 있다. 그림 3은 4상 솔루션을 보여준다. 그림 4는 위상 간 동적 전류 공유를 보여준다.

 

 

LTC3870은 추가적인 I2C 어드레스가 필요 없으며, 오류 보호뿐 아니라 모든 프로그래밍 가능한 기능을 지원한다. 다중 LTC3886/LTC3870으로 PolyPhase 레일을 구성하는 경우 사용자는 레일에 연결된 모든 채널의 SYNC, ITH, SHARE_CLK, FAULTn, PGOODn, ALERT 핀을 간단히 공유한다. 모든 채널의 상대적 위상 조정은 동등한 간격을 갖도록 설정되어야 한다. 이러한 위상 인터리빙은 피크 입력 전류와 출력 전압 리플을 최소화하고 입력 및 출력 커패시터 요구사항을 낮춘다.

시스템 개발자는 종종 기능적인 요구와 보드 공간 요구사항을 만족하기 위해 전력 시스템을 분할한다. LTC3886/LTC3870 PolyPhase 레일은 전력 및 제어 구성요소를 나누어 분할을 간소화하므로 사용 가능한 공간에 쉽게 배치할 수 있다. 분할은 또한 전력 시스템의 발열을 PCB에서 확산시켜 전체 열 방출을 간소화하고 발열부를 감소시킨다.

향상된 지원

그림 2는 LTC3886을 완벽하게 지원하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 갖는 강력한 윈도우 기반 소프트웨어 개발 툴인 LTpowerPlay의 한 화면을 보여준다. LTpowerPlay는 데모 보드와 연결하고 애플리케이션 하드웨어에 직접 연결할 경우 평가를 향상시킨다. LTpowerPlay는 새로운 차원의 개발, 진단, 디버그 기능을 제공한다.

텔레메트리, 시스템 오류 상태 및 PMBus 명령 값은 모두 GUI를 통해 쉽게 접근할 수 있다. LTC3886과 기타 전력 시스템 관리 IC는 LTpowerPlay를 사용하여 쉽게 독자적으로 구성할 수 있다. 자세한 내용은 http://www.linear.com/ltpowerplay에서 확인할 수 있다.


조정 가능한 보상

LTC3886은 프로그래밍 가능한 루프 보상을 제공하므로 외부 부품을 변경하지 않아도 루프안정성을 보장하고 컨트롤러의 과도 응답을 최적화할 수 있다. 이상적인 보상을 달성하기 위해 수많은 부품을 납땜하고 또 떼어내야 하는 고통스런 시절은 지나갔다. LTpowerPlay를 사용하면 단 몇 번의 마우스 클릭으로 LTC3886은 최적의 보상을 달성할 수 있다. 어떤 종류의 부품을 대체하거나 사용했든 제어 루프는 빠르고 쉽게 미세하게 조정할 수 있다. 이 강력한 툴은 설계자가 불필요한 출력 커패시터를 제거하고 보드 공간과 비용을 절감하면서 시스템으로부터 최대 성능을 끌어낼 수 있게 한다.

 

루프 보상 프로그래밍 과정은 그림5, 6, 7에 요약돼 있다. 에러 증폭기의 gm(그림 5)은 MFR_PWM_COMP 명령의 비트[7:5]를 사용하여 1.0 mmho ~ 5.73 mmho 사이에서 프로그래밍할 수 있으며, LTC3886 내의 보상 저항 RTH는 MFR_PWM_COMP 명령의 비트[4:0]를 사용하여 0 kΩ ~ 62 kΩ 사이에서 프로그래밍할 수 있다. 설계는 단 2개의 외부 보상 커패시터 CTH와 CTHP만 필요로 하며, CTH와 CTHP의 전형적인 비는 통상 10의 값으로 설정된다.

LTC3886은 gm과 RTH만 조정함으로써 넓은 범위의 출력 커패시터에서 루프를 최적화하고 보상 구성요소 허용오차에 대한 프로그래밍 가능한 유형 Ⅱ 보상 네트워크를 제공한다. 에러 증폭기의 gm을 조정하면 극과 제로 위치는 이동하지 않으면서 전체 주파수 범위에 걸쳐 보상 루프의 이득이 이와 비례해 변화한다(그림 6 참조).

 

RTH 저항을 조정하면 극과 제로 위치가 변한다(그림 7참조). LTC3886의 전압과 전류 범위가 결정되면 출력 전압이나 전류 제한에 대한 변경은 루프 이득에 영향을 미치지 않는다. 전압 명령을 변경하거나 마지닝에 의해 출력 전압을 수정할 경우 회로의 과도 응답은 그대로 유지된다.

중간 버스로 시스템 효율을 최적화하는 높은 정확도의 텔레메트리 LTC3886은 4.5 V ~ 60 V의 넓은 입력 전압 범위와 0.5 V ~ 13.8 V의 출력전압 범위를 갖는다. 따라서 LTC3886은 고전압 입력 전원 전압을 중간 버스 전압으로 효율적으로 레귤레이트하는 탁월한 선택이다. 중간 버스 전압은 다운스트림 POL 컨버터에 전력을 공급한다.

중간 버스 컨버터로 사용하여 다운스트림 전력 시스템 관리 POL에 전력을 공급할 경우 LTC3886은 사용자가 중간버스 전압을 최적화하여 최대 효율을 달성할 수 있게 한다. LTC3886 및 전력시스템 관리 IC에 의해 제공되는 전압 및 전류 텔레메트리는 정확도가 매우 높아 실시간으로 정확한 시스템 효율 측정을 생성할 수 있다.

이에 따라 마이크로컨트롤러가 다양한 조건에 대해 최적의 중간버스 전압을 결정할 수 있는 최적화 프로그램을 생성할 수 있다.

 

이를 시연하기 위해 9V~13 V LTC3886 출력 중간 전원을 사용하여 POL 컨버터로 구성된 LTM4676 8상 시연 회로의 입력에 전력을 공급했다(그림 8 참조). 리니어테크놀로지의 LinduinoⓡOne 시연 보드(www.linear.com/solutions/linduino)는 PMBus를 통해 LTC3886 및 LTM4676로부터 정확한 전압과 전류 텔레메트리를 읽어 시스템의 전체효율을 측정하고 계산했다. Linduino 애플리케이션은 다중 중간 버스 전압에서 전체 시스템 효율을 측정했으며, 최저 입력 전력에 대해 중간 버스 전압을 수정함으로써 사용자의 개입 없이 최고 시스템 효율을 달성했다.

 

LTC3886 효율과 중간 버스 전압은 그림 9에서 볼 수 있다. 전체 시스템 효율과 중간 버스 전압은 그림 10에서 볼수 있다. 그래프는 10 A, 20 A, 40 A, 80 A 및 100 A의 부하 지점 전류를 나타내며, 각 부하 전류에서 피크 효율이 달라진다. 피크 효율에서 동작하기 위해서는 부하 전류가 높을수록 높은 중간 버스를 필요로 한다. 중간 버스 전압을 너무 높은 고정 전압으로 설정하면 낮은 부하 전류에서 시스템의 전체 효율이 나빠진다.

 

LTC3886을 사용하여 중간 버스 전압을 최적화하면 표준 고정 12 V 중간 버스 전압에 비해 10 A, 20 A, 40 A 부하 전류에서 각각 효율이 6.2%, 3.5%, 1% 향상된다. 이러한 기법은 시스템의 전체 작업 부하에서 효율을 최적화할 수 있게 한다.

요약

LTC3886은 리니어 테크놀로지의 전력 시스템 관리 컨트롤러 포트폴리오를 고전압 영역으로 확장한다. 0.5 V ~ 13.8 V의 넓은 출력 전압 범위와 정확한 전압 및 전류 설정, 조정 가능한 보상, 그리고 전용 PGOOD 핀은 LTC3886 사용자에게 최대의 설계 유연성과 성능을 제공한다. LTC3886은 범용 전력 시스템 설계, 제어, 모니터링, 프로그래밍 및 정확도를 요구하는 산업용 애플리케이션에 이상적이다.  

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