보드 플롯, PSU 동적 제어 동작 특성 파악 도구
제어 루프 속도와 레귤레이션 안정도 인지 가능
ADI의 ‘LTpowerCAD’ 및 ‘LTspice’ 툴 대표적


설계한 전원공급장치(PSU)가 동적인 제어 동작에 대한 요구를 만족하는지 빠르게 평가하는 도구 중의 하나로 ‘보드 플롯(Bode plot)’이 있다.

전원공급장치는 일반적으로 제어 루프를 통해 고정된 출력 전압을 유지한다. 이러한 제어 루프는 안정적이거나 불안정할 수 있다. 또한 제어 루프는 빠르거나 느리게 조절할 수 있다. 제어 루프는 대부분 보드 플롯을 사용해 설명할 수 있다.

보드 플롯을 사용하면 제어 루프가 얼마나 빠르거나 느린지, 그리고 특히 제어 루프의 레귤레이션이 얼마나 안정적인지 즉시 알 수 있다.

위의 레귤레이터는 높은 입력 전압을 낮은 출력 전압으로 변환한다. 목표는 출력 전압 VOUT을 가능한 한 정밀하게 조절하는 것이다. 이를 위해 제어 루프는 피드백(FB) 핀을 통해 회로에 통합되며, VOUT에서 전압 변화를 검출한다.

제어 루프는 VOUT이 항상 최대한 정확하게 재조절되도록 빠르게 응답해야 한다. 입력 전압이나 부하 전류가 변화할 때마다 출력 전압은 재조정돼야 한다.

위는 보드 플롯에서 제어 루프의 이득 곡선이다. 이 곡선은 두 가지 중요한 정보를 제공한다. 이득이 1인, 즉 0dB 주파수를 읽을 수 있다.

위 그림의 제어 루프에서 이른바 이 교차 주파수는 약 80kHz에서 발생한다. 이 주파수는 스위치 모드 전원공급장치에 설정된 스위칭 주파수의 1/10을 넘지 않아야 한다. 이를 위반하면 불안정한 동작이 발생할 수 있다.

두 번째 정보는 이득 곡선 아래의 영역, 즉 함수의 적분이다. DC 이득과 교차 주파수가 높을수록 제어 루프가 출력 전압을 일정한 수준으로 더 잘 유지한다.

위는 보드 플롯의 위상 곡선이다. 이 플롯에서 읽을 수 있는 가장 중요한 값은 위상 마진이다. 위상 마진은 제어 루프의 안정성을 나타내는 값이다. 위상 마진은 이득 플롯에서 얻은 교차 주파수에서 읽을 수 있다. [그림 2]를 참고하자.

이 예시에서는 교차 지점이 80kHz에 있다. 따라서 [그림 3]의 위상 마진은 약 60°이다. 약 40° 미만의 위상 마진은 불안정한 것으로 간주된다.

위상 마진이 40°~70° 사이면 제어 루프가 최적으로 설정된다. 이 범위에서 빠른 레귤레이션과 우수한 안정성 사이의 적절한 절충점이 존재한다. 위상 마진이 70° 이상이면 시스템은 매우 안정적이지만 레귤레이션이 극히 느려지는 경향이 있다.

일반적으로 보드 플롯은 스위칭 레귤레이터의 데이터 시트에서는 제공되지 않는다. 보드 플롯이 회로 설계에 너무 크게 의존하기 때문이다. 사용되는 스위칭 주파수, 인덕터와 출력 커패시터 같은 외부 부품 선택뿐 아니라 입력 전압, 출력 전압, 부하 전류와 같은 각각의 동작 조건이 상당한 영향을 미칠 수 있다.

이러한 이유로 보드 플롯을 종종 ‘LTpowerCAD®’ 같은 계산 툴이나 ‘LTspice®’ 같은 시뮬레이션 툴을 사용해 생성한다. 이들 툴을 사용하면 계획된 회로가 동적인 제어 동작에 대한 요구사항을 만족하는지를 빠르게 확인할 수 있다.



이 기사는 아나로그디바이스(ADI) 독일 뮌헨 지사에서 근무하는 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE가 저술한 ‘전원공급장치 설계 시 보드 플롯 활용의 이점(Power Supply Design: How Bode Plots Can Help You Meet the Requirements for Dynamic Control Behavior)’라는 제목의 글을 정리한 것입니다.