점대점 직렬 통신 또는 AFE(아날로그 프런트 엔드)가 결합되어 있는 고급 프로세서 및 SoC(시스템 온 칩)에는 신호 무결성을 유지하고 성능을 개선하기 위해 낮은 출력 전압 리플을 갖춘 전원 공급 장치가 필요합니다. 프로세서 POL(Point-of-Load) 전원 공급 장치의 출력 전압 리플 요구 사항은 일반적인 설계 리플의 약 10분의 1에 해당되는 2mV 미만이 될 수 있기 때문에 동기식 벅 컨버터에 상당한 설계 제약이 가해집니다. 프로세서의 출력 전류 요구 사항이 선형 포스트 레귤레이터의 능력 범위를 초과하기 때문에 2차 단계 필터를 사용하면 더 높은 스위칭 주파수와 추가 출력 정전 용량으로 POL의 리플이 크게 줄어듭니다. 동기식 벅 컨버터는 여러 다양한 제어 아키텍처와 함께 사용할 수 있으며, 각 아키텍처별로 저리플 전압용으로 설계할 때 안정성을 보장하는 고유한 방법을 가지고 있습니다. 이 글에서는 외부 보상 전압 모드, 정전류 및 선택 가능한 보상 전류 모드의 세 가지 제어 아키텍처를 비교하여 동일한 전기 사양을 사용하고 출력 전압 리플, 솔루션 크기, 부하 과도현상 및 효율성 비교를 사용하여 테스트 데이터를 통해 완벽한 1mV 출력 전압 리플을 달성합니다.

유사한 작동 조건에서 각 제어 모드의 성능을 입증하기 위해 세 가지 다른 전원 공급 장치를 설계 및 제작했습니다. 각 설계에서, 입력 전압은 12V, 출력 전압은 1V이며, 각 장치의 출력 전류는 15A입니다. 이러한 요구 사항은 낮은 출력 전압 리플을 요구하는 민감한 아날로그 회로를 통합하는 고성능 SoC에 전원을 공급하는 데 있어 일반적인 것입니다.

필터 설계 및 성능 기대치를 제한하기 위해, 허용 가능한 리플 전압은 ±0.15퍼센트, 또는 출력 전압의 ±1.5mV(3mVpp)입니다. 이 비교에서는 15A D-CAP3™ 벅 컨버터(TPS548A28), 내부 보상 20A ACM(고급 전류 모드) 벅 컨버터(TPS543B22), 그리고 15A 전압 모드 벅 컨버터(TPS56121) 등 TI DC/DC 컨버터 3대를 사용합니다. 유사한 두 번째 단계 필터 구성 요소를 지원하는 컨버터 기능 내에서 출력 전압과 출력 전류, 작동 주파수를 최대한 서로 가깝게 선택했습니다.

낮은 ESR(등가 직렬 저항) 세라믹 출력 커패시터를 사용하더라도 벅 컨버터의 인덕터 및 커패시터(LC) 출력 필터를 사용하여 낮은 출력 전압 리플을 달성하는 것은 실용적이지 않습니다. 설계자는 5mV 미만의 출력 리플을 달성하기 위해 2차 단계 LC 필터를 사용해야 할 가능성이 높습니다. 2차 단계 필터 설계 또는 리플 측정 기법에 관한 자세한 내용은 참고 자료 섹션을 참조하십시오. 2차 단계 필터의 인덕터 값은 방정식 1을(를) 사용해 계산하고 L2에 대해 풀 수 있습니다. 인덕터 L2는 2차 단계 인덕터, C1은 벅 컨버터의 1차 단계 출력 커패시터이며, C2는 2차 단계 커패시터 네트워크입니다. 세 가지 설계에서 모두 동일한 2차 단계 필터가 사용되어(표 1 참조) 92mm^{2 의 회로 기판 면적을 차지합니다}(그림 1참조).

그림 1 2차 단계 필터가 회로 기판에서 차지하는 면적 92mm².

2차 단계 인덕터 값(L2)을 선택하고 부품 조립이 완료되면, 다음 단계는 안정성을 보장하기 위해 2차 단계 인덕턴스 및 커패시턴스를 추가하여 DC/DC 컨버터의 제어 루프를 재보상하는 것입니다. 중요한 것은 각 제어 아키텍처별로, 필요에 따라 2차 단계 필터를 추가한 후에 제어 루프를 재보상하는 고유한 기법이 있다는 점입니다. 각 제어 아키텍처별로 출력 전압 리플, 효율성 페널티 및 안정성을 평가하고 결과를 요약했습니다.