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극히 빠른 동적 응답을 달성하는 유연한 TLVR 구조의 트랜스포머 기반 전압 레귤레이터

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글/싱쉬안 황(Xingxuan Huang) 선임 애플리케이션 엔지니어, 신유 량(Xinyu Liang), 제품 애플리케이션 담당 선임 매니저, 추안 시(Chuan Shi) 스태프 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

수천 암페어에 이르는 높은 전류를 요구하는 애플리케이션에 사용되는 전압 레귤레이터(VR)에 있어서, 극히 빠른 동적 응답은 매우 중요한 특성이다. 이 글에서는 부하 과도 시에 극히 빠른 동적 응답을 달성할 수 있도록 설계된, TLVR(trans-inductor voltage regulator) 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR 제품에 대해 설명한다. 기존 TLVR 구조의 단점을 극복하기 위해, TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR은 뛰어난 설계 유연성과 극히 빠른 과도 응답이 특징으로서, 출력 커패시턴스를 낮추고 솔루션 크기를 줄이며 시스템 비용을 줄일 수 있게 한다. 실험 결과와 사례 분석을 통해서 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR의 이점에 대해 소개한다.

머리말

CPU, GPU, ASIC 같은 다양한 마이크로프로세서를 구동하기 위해 다위상 VR이 사용되면서, 이들 제품의 역할이 점점 더 중요해지고 있다. 최근 몇 년 사이 이러한 마이크로 프로세서들의 전력 요구량이 가파르게 증가하고 있다. 특히 텔레콤 애플리케이션이나 암호화폐 채굴, 자율 주행 시스템 같은 첨단 애플리케이션에서 그렇다. 그로 인해 마이크로 프로세서들은 더 높은 슬루율과 더 높은 전류를 필요로 한다. 따라서 출력 전압 리플 요구 조건을 만족하기 위해, VR은 부하 과도 시 매우 빠른 동적 응답 특성을 갖춰야 한다. 시스템 크기의 관점에서, 극히 빠른 동적 응답은 필요한 출력 커패시턴스를 낮추고 출력 커패시터의 크기를 줄이는 데에도 매우 유리하다. 출력 커패시턴스를 낮추고 출력 커패시터의 수를 줄일 수 있다면 시스템 비용도 낮출 수 있다. 이 글에서는 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR 솔루션을 사용해서 극히 빠른 부하 과도 응답을 달성하고 출력 커패시터의 크기와 비용을 크게 줄일 수 있다는 것을 설명한다. 트랜스포머 기반 VR 솔루션에 TLVR 구조를 적용함으로써 기존 TLVR 구조가 가진 단점들을 손쉽게 극복할 수 있다.

이 글에서는 이 솔루션을 어떻게 설계하고 구현할지 설명하고, 실제 애플리케이션에 관한 사례 분석을 통해 어떤 점에서 이점이 있는지 설명한다. 참고로 이 글에서 설명하는 세부적인 설계와 구현은 현재 특허 출원 중이다.

TLVR 구조는 부하 과도 시 다위상 VR의 동적 응답을 빠르게 할 수 있는 효과적인 방법이다.[1,2,3] 그림 1에서 알 수 있듯이 TLVR 구조는 기존 다위상 VR의 출력 인덕터를 TLVR 인덕터로 대체한다. TLVR 인덕터는 일차 권선과 이차 권선으로 이루어진 1:1 트랜스포머로 볼 수 있다. 모든 TLVR 인덕터들의 결합은 모든 TLVR 인덕터들의 이차 권선을 연결함으로써 이루어진다. TLVR 인덕터들의 이차측 전류(ILC)는 모든 서로 다른 위상들의 제어 신호에 의해서 결정된다. 결합 효과에 의해서, 부하 과도에 대응하기 위해 VR의 한 개 위상의 듀티 사이클이 달라지면 모든 위상의 출력 전류가 동시에 상승 또는 하강할 수 있다. 바로 이것이 TLVR 구조가 극히 뛰어난 부하 과도 성능을 달성할 수 있는 이유이다.

[그림 1] TLVR 구조를 적용하지 않은 기존의 다위상 VR 회로 다이어그램(a)과 TLVR 구조를 적용한 다위상 VR의 회로 다이어그램(b)

트랜스포머 기반 VR

트랜스포머 기반 VR은 다양한 마이크로프로세서에서 경쟁력 있는 전원 솔루션으로 사용되어 왔다. 스텝다운 트랜스포머를 사용한 트랜스포머 기반 VR은 높은 스텝다운 비, 단순하면서 컴팩트한 구조, 높은 효율이 가능하다. 트랜스포머가 없는(transformerless) 다위상 VR과 비교할 때, 트랜스포머 기반 VR은 훨씬 더 높은 입력 전압이 가능해, VR 설계를 간소화하고 더 높은 효율을 달성할 수 있는 완전히 새로운 방법을 제시한다.

그림 2는 트랜스포머 기반 VR의 회로 다이어그램을 보여준다. 이 VR 회로는 이차 측에 두 개의 이차 권선과 전류 더블러 구조를 사용한 스텝다운 트랜스포머가 특징이다. 더 많은 이차 권선을 추가함으로써 더 높은 출력 전류와 전력 밀도를 달성할 수 있으며, 이차 측에는 어떠한 추가적인 제어 신호도 필요치 않다. 적절한 제어 회로 및 전략을 사용하면, 그림 2의 VR 회로 여러 개를 손쉽게 병렬로 연결함으로써 다양한 고성능 마이크로프로세서가 필요로 하는 전류를 제공할 수 있다. 이 글 전체에 걸쳐서 그림 2의 VR 회로를 예로 들어서 설명한다.

트랜스포머 기반 VR에 TLVR 구조를 적용할 때의 이점

TLVR 구조는 어떠한 스텝다운 트랜스포머도 필요 없이 부하 과도 시에 VR의 동적 응답을 빠르게 할 수 있는 것으로 잘 알려져 있다. 하지만 이러한 뛰어난 동적 성능은 몇 가지 과제들을 수반한다.1,2,3 스텝다운 트랜스포머를 사용하지 않는 이러한 트랜스포머리스 VR은 통상적으로 낮은 듀티 사이클로 동작하며, TLVR 인덕터의 일차 측과 이차 측 모두에 높은 전압이 인가된다. TLVR 인덕터의 이차 측에서 높은 전압-초(voltage-second)는 TLVR 인덕터의 이차 측에 높은 순환 전류를 발생시키고, 정상 상태(steady-state) 동작이 이루어지는 동안 추가적인 전력 손실을 야기한다. 따라서 그림 1b에서 보듯이, TLVR 인덕터의 이차 권선들에서 순환 전류를 제한하기 위해 인덕터(Lc)를 추가로 사용해야 한다.[1] 이 추가적인 인덕터가 시스템 손실과 비용을 증가시킨다.

트랜스포머 기반 VR에 TLVR 구조를 적용함으로써 TLVR 구조의 단점을 매끄럽게 극복할 수 있다. TLVR 구조와 스텝다운 트랜스포머를 결합하면 메인 트랜스포머의 높은 스텝다운 비로 인해 TLVR 구조의 단점들을 훨씬 약화할 수 있다. 그러면서도 극히 빠른 동적 응답을 달성할 수 있다. 결합 효과에 의해서 부하 과도 시 모든 위상들의 전류가 동시에 응답하도록 하기 때문이다. 또한 스텝다운 트랜스포머로 인해, TLVR 인덕터에 인가되는 전압이 훨씬 낮아지므로 인덕터 손실도 줄어든다. 또한 TLVR 인덕터들의 이차 측에서 필요로 하는 추가적인 인덕터의 인덕턴스를 훨씬 더 낮출 수 있다. 실제로는 기생 인덕턴스를 활용함으로써 이 추가적인 인덕터를 제거할 수도 있으며, 그러면 이 인덕터에 따른 추가적인 손실과 비용을 없앨 수 있다. 뿐만 아니라 TLVR 인덕터들과 추가적인 인덕터에 따른 절연 문제도 더 이상 염려하지 않아도 된다.

유연한 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR

TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR은 회로 상의 모든 출력 인덕터들을 TLVR 인덕터로 대체한다. 또한 트랜스포머 기반 VR에 TLVR 구조를 적용할 때 두 가지 구현 방식이 가능해, 설계 유연성도 높일 수 있다. 그림 3은 그림 2의 VR 모듈 2개를 병렬로 연결할 때 두 가지 구현 방식의 회로 다이어그램을 보여준다. 그림 3a의 구현 방식은 TLVR 인덕터들의 모든 이차 권선을 직렬로 연결하기 때문에 ‘직렬 연결’이라고 한다. 그림 3b에서 보여주는 또 다른 구현 방식은 ‘직-병렬 연결’이라고 한다. 모듈 1에서, L11과 L12의 이차 권선들을 직렬로 연결하고 L13과 L14의 이차 권선들을 직렬로 연결한 다음, 이 둘을 병렬로 연결한다. 마지막으로, 모듈 1에서 TLVR 인덕터들의 이차 권선들을 이렇게 연결한 것들을, 모듈 2에서 마찬가지로 연결한 것들과 직렬로 연결한다(그림 3b). 마찬가지로 두 개 이상의 트랜스포머 기반 VR 모듈을 병렬로 연결하면 그림 3의 TLVR 구조를 적용한 두 가지 구현 방법을 실현할 수 있다.

이 방법은 설계와 구현의 유연성은 높이되 제어 복잡성은 높이지 않는다. TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR의 두 가지 구현 방식에 동일한 제어 체계를 적용할 수 있다. 일례로, 3개 모듈을 병렬로 연결한 트랜스포머 기반 VR의 제어 체계를 살펴보자. 이를 위해 서로 다른 VR 모듈들의 제어 신호들 사이에 위상 편이를 삽입한다. 모듈 1과 모듈 2 사이에 60°의 위상 편이를 삽입하고, 모듈 2와 모듈 3 사이에도 60°의 위상 편이를 삽입한다. 만약 N개의 모듈을 병렬로 연결한다면, 인접한 두 모듈들 사이에 삽입되는 위상 편이는 180°/N이다.

이 같은 제어 체계에 근거해서 모든 TLVR 인덕터에 인가되는 전압을 도출할 수 있다. 그림 4는 두 개의 모듈을 병렬로 연결한 트랜스포머 기반 VR에서 모든 TLVR 인덕터의 전압 파형을 요약해서 보여준다. 그림 3에서 두 가지 유형의 구현 방식이 동일한 제어 신호를 사용하므로, 인덕터 전압 파형 역시 동일하다. 또한 L11과 L13이 동일한 전압 파형을 가지고 있고, L12와 L14가 동일한 전압 파형이라는 것을 알 수 있다. 이러한 인덕터 전압 파형은 그림 3b의 직-병렬 연결이 왜 타당한지를 잘 설명해준다. TLVR 인덕터 이차측 전류(Isec)는 메인 스텝다운 트랜스포머의 일차측 MOSFET 스위칭 주파수보다 4배 더 높은 주파수 리플을 갖는다. N(N > 2)개의 모듈을 병렬로 연결하면 Isec의 전류 리플은 더 높은 주파수(2N x 스위칭 주파수)가 되고, Isec의 크기는 더 낮출 수 있다. 그러므로 위상 편이를 사용하는 이 같은 제어 체계는 출력 전압 리플을 낮출 뿐 아니라, Isec의 리플을 효과적으로 억제하여, 그 결과 TLVR 인덕터의 이차 측에서 전도 손실을 낮춘다.

또한 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR은 추가적인 인덕터를 필요로 하지 않는다. 이는 시스템 효율과 비용 측면에서 유리하다. 높은 트랜스포머 스텝다운 비(소문자 n)에 의해서, TLVR 인덕터의 전압은 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머리스 VR에 비해 크게 낮출 수 있다. 그러므로 전류 리플을 억제하기 위해 TLVR 인덕터의 이차 측에 추가적인 보상 인덕터 Lc를 사용할 필요가 없다. 그림 4에서 TLVR 인덕터 전압에 관한 세부 정보를 확인할 수 있다. 이 사례에서는, 회로 상의 기생 인덕턴스와 TLVR 인덕터들의 누설 인덕턴스가 TLVR 인덕터들의 이차측 전류(Isec)를 형성하는 데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 부하 과도 시에 동적 성능을 더욱 향상시키기 위해서는, TLVR 인덕터들의 이차 측에서 누설 인덕턴스와 기생 인덕턴스를 낮추는 것이 중요하다.

[그림 4] TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR 모듈에서 TLVR 인덕터들의 전압 파형과 이차측 전류 파형 (두 개 모듈을 병렬로 연결)

프로토타입과 실험 결과

TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR 모듈을 두 가지 구현 방식, 즉 직렬 연결 버전과 직-병렬 연결 버전으로 설계하고 빌드했다. 그림 5a는 통상적인 TLVR 인덕터의 3D 모델을 보여준다. 그림 5b는 이렇게 빌드한 모듈 프로토타입을 보여준다. 두 가지 버전 모두 TLVR 구조를 적용하지 않은 것과 크기는 동일하다. 이는 TLVR 구조를 구현하기 위해 TLVR 인덕터들을 사용하더라도 VR 모듈의 크기는 증가하지 않는다는 뜻이다. 직렬 연결 구현과 직-병렬 연결 구현 모두 마찬가지다.

이렇게 빌드된 프로토타입을 사용해서 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR이 극히 빠른 부하 과도 성능을 달성한다는 것을 성공적으로 확인할 수 있었다. 실험 셋업은 그림 5b에서 보듯이 두 개의 VR 모듈이 병렬로 동작하도록 이루어졌다. TLVR 인덕터들의 이차 측에는 추가적인 인덕터를 사용하지 않았다. 부하 과도는 20A에서 170A로 변화하며 슬루율은 125A/µs이다. 그림 6에서 비교한 것을 보면, TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR이 부하 과도 응답이 확실히 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 여기서는 직-병렬 연결 버전을 예로 들었다. 공정한 비교를 위해, TLVR 인덕터들의 이차 측에서 연결을 끊어서 TLVR 구조를 적용하지 않은 사례를 구현했다. 부하 전류가 20A에서 170A로 상승할 때 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR이 훨씬 더 낮은 피크-대-피크 전압 리플로 출력 전압을 더 빠르게 레귤레이트한다.

추가적인 향상을 통해, TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR에서 극히 빠른 부하 과도 응답을 달성할 수 있다. 그림 7에서 세부적인 과도 파형을 볼 수 있다. TLVR 구조에 의해 가능해진 극히 빠른 응답 덕분에, 20A에서 170A로 변화되는 동일한 과도 조건 하에서 피크-대-피크 출력 전압 리플은 23.7mV에 불과하다. TLVR 구조를 적용함으로써 동적 응답을 훨씬 더 빠르게 할 수 있으며, 그로 인해 피크-대-피크 출력 전압 리플을 62%까지 낮출 수 있다. 115kHz로 측정된 높은 제어 대역폭 역시, TLVR 구조를 적용함으로써 극히 빠른 부하 과도 응답이 가능하다는 것을 확인시켜준다. 표 1은 자세한 비교 내역을 정리한 것이다.

[그림 7] TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR이 극히 빠른 부하 과도 응답을 달성한다는 것을 알 수 있다.

[표 1] TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR과 TLVR 구조를 적용하지 않은 VR의 동적 응답 비교

사례 연구

트랜스포머 기반 VR과 TLVR 구조를 결합했을 때의 이점을 좀더 명확히 보여주기 위해, 실제 애플리케이션에 근거하여 트랜스포머 기반 VR 사례를 분석했다. TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR 솔루션과 TLVR 구조를 적용하지 않은 VR 솔루션을 구현하고, 0.825V/540A 레일을 공급하여 테스트를 진행했다. 표 2에서 상세한 사양과 테스트 결과를 확인할 수 있다. 

비슷한 위상 마진과 이득 마진일 때 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR 솔루션이 TLVR 구조를 적용하지 않은 VR 솔루션에 비해서 61% 더 높은 제어 대역폭을 달성했다. 역시 여기서도 그림 8에서 보듯이 TLVR 구조를 적용함으로써 극히 빠른 과도 응답이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 피크-대-피크 출력 전압 리플은 불과 40.92mV로서, 0.825V 출력 전압의 5% 미만이다.

또한 TLVR 구조를 적용한 VR 솔루션은 TLVR 구조를 적용하지 않은 VR 솔루션에 비해 출력 커패시턴스를 39% 낮추면서도 훨씬 더 낮은 피크-대-피크 전압 리플을 달성한다. 그러므로 출력 커패시터의 수를 27% 줄임으로써 시스템 솔루션 크기를 크게 줄일 수 있게 한다. 출력 커패시터의 비용 역시 43% 낮출 수 있다. 이 모든 것들이 TLVR 구조를 사용해서 극히 빠른 과도 응답이 가능해졌기 때문이다.

TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR은 극히 빠른 동적 응답으로 인해 출력 커패시턴스를 효과적으로 낮추도록 할 뿐만 아니라, 빠른 부하 과도 시에 출력 전압 리플을 낮게 유지한다. 또한 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR은 추가적인 인덕터가 필요치 않아 전체 솔루션 크기를 크게 줄이고 솔루션 비용 역시 낮춘다. 특히 출력 커패시터의 비용을 크게 낮출 수 있다. 또한 두 가지 구현 방식을 사용할 수 있어 설계 유연성을 높일 수 있지만, 제어 복잡성은 높아지지 않는다.

맺음말

마이크로프로세서가 다양한 애플리케이션에서 점점 더 높은 슬루율로 점점 더 높은 전류를 소모함에 따라, 보다 빠른 동적 응답 특성이 마이크로프로세서용 VR 솔루션에 요구되고 있다. 이 글에서는 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR을 사용해서 마이크로프로세서의 부하 과도 시에 극히 빠른 동적 응답을 달성할 수 있다는 것을 설명했다. 트랜스포머 기반 VR에 TLVR 구조를 결합하면 메인 트랜스포머의 높은 스텝다운 비에 힘입어 기존 TLVR 구조의 단점들을 쉽게 극복할 수 있다. TLVR 인덕터들의 과도한 손실을 크게 줄일 수 있으며, 추가적인 보상 인덕터가 필요치 않아 시스템 손실과 비용도 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 트랜스포머 기반 VR에 TLVR 구조를 구현할 때 두 가지 구현 방식을 사용할 수 있으므로 설계와 구현 시에 유연성을 높일 수 있다. 두 가지 구현 방식이 동일한 제어 체계를 사용하기 때문에 여러 VR 모듈을 병렬로 연결할 수 있다. 실험 결과를 통해, 두 가지 구현 방식 모두 TLVR 구조를 적용하지 않은 VR 솔루션에 비해 2.56배의 제어 대역폭과 62% 낮은 피크-대-피크 전압 리플로 극히 빠른 부하 과도 응답을 달성한다는 것을 확인했다. 상세한 사례 분석을 통해서도 TLVR 구조를 적용한 트랜스포머 기반 VR이 솔루션 크기와 비용에 있어서 전반적으로 더 유리하다는 것을 알 수 있었다. 

[참고문헌]

[1] “Fast Multi-phase Trans-Inductor Voltage Regulator.” Technical Disclosure Commons, May 2019.

[2] Ming Xu, Yucheng Ying, Qiang Li, and Fred C. Lee. “Novel Coupled-Inductor Multi-Phase VRs.” IEEE APEC, February 2007.

[3] Shreyankh Krishnamurthy, David Wiest, and Yosef Zhou. “Trans-Inductor Voltage Regulator (TLVR): Circuit Operation, Power Magnetic Construction, Efficiency and Cost Trade-Offs.” PCIM Europe, May 2022.

leekh@seminet.co.kr
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