글│미셸 스크로치<Michele Sclocchi>좌, 프레드릭 도스탈<Frederik Dostal>우
    애플리케이션 엔지니어
    내셔널 세미컨덕터

콜드 크랭크 개선을 위한 두 가지 솔루션에는 기존에 많이 사용하고 있는 SEPIC 토폴로지 방식과 최신 솔루션인 이중 스위치 벅-부스트 토폴로지 방식이 있다. 이 글은 각 솔루션의 장단점과 함께 전통적인 SEPIC 토폴로지와 비교한 이중 스위치 벅-부스트 토폴로지의 장점을 집중 조명한다. 아울러 내셔널 세미컨덕터의 최신 에뮬레이션 방식 전류 모드(ECM) 벅-부스트 컨트롤러 LM5118을 소개한다.

콜드 크랭크 상태

자동차에서 시동 상태(cranking condi-tion)란, 내연기관이 전기 스타터 모터로 시동이 걸리는 때이다. 스타터 모터는 자동차 배터리에서 공급되는 상당량의 전력을 소모한다. 이러한 과중한 부하로 인하여 배터리 전압이 순간적으로 내려간다. 가장 악조건의 상태가 ‘콜드 크랭크(cold crank)’다.
이 상태는 극히 낮은 온도에 해당하며 상태를 더욱 악화시킨다. 내연기관의 마찰은 이러한 저온 조건에서 최고조에 달해 시동을 거는 데 필요한 기계적 동력이 상승한다. 전기 스타터 모터가 소모하는 피크 전류도 상온에서 내연기관에 시동을 걸 때보다 높다. ‘콜드 크랭크’에 영향을 미치는 2차적 요인은 저온에서 자동차 배터리의 전압이 감소한다는 점으로, 오래된 배터리에서 특히 문제가 된다.
저온에서 이러한 두 가지 영향이 때로는 매우 낮은 온도에서 자동차의 공급 전압을 최소치로 떨어뜨린다. ISO7637 표준은 기본적인 콜드 크랭크 전압 파형을 정의한다. 그림 1은 시동 상태에서 이러한 전압 양상을 보여준다. 보통 두 가지 수준으로 정의되는데, 전기 스타터 모터가 작동을 시작하고 초기 기계적 마찰을 극복해야 할 때의 최저 전압 수준과 차후에 기계적 시스템이 작동하는 동안 상승한 전압 수준이다. 마지막으로 전기 스타터 모터가 꺼진 후 시스템 전압이 원래 값으로 환원된다.
Vlow와 Vrecovery 값은 제조업체마다 차이가 크며, 대개 ISO7637을 기준으로 하여 개별 제조업체의 표준에 정의되어 있다. 심지어 한 자동차 제조업체 안에도 다양한 ‘콜드 크랭크’ 기준을 정의하고 있다. 자동차의 일부 전자 시스템은 최저 전압 수준으로 낮춰 작동하지 않아도 된다. 그 외의 시스템, 특히 엔진 관리 전자 제어기는 콜드 크랭크에서 유발될 가능성이 높은 최저 전압으로 작동해야 한다.
자동차 라디오, 내비게이션 시스템, 내장 핸즈프리 등의 자동차 서브시스템은 대개 콜드 크랭크 상태에서 동작 상태를 유지할 수 있어야 한다.
이와 같은 광범위한 입력 전압에서, 전원공급장치의 출력 전압은 입력 전압이 출력 전압보다 커질 때마다, 혹은 작아질 때마다 안정적인 조절을 유지해야 한다. 이러한 전형적인 스텝-다운 및 스텝-업 기능이 벅-부스트 토폴로지를 통해 구현된다.

단일 인덕터
이중 스위치 벅-부스트 모드

벅 컨버터와 부스트 컨버터의 직렬 조합으로 벅-부스트 구성을 완성할 수 있다. 그림 2의 위쪽 회로에서 벅 스테이지의 출력 커패시터를 생략하고 벅 스테이지의 출력 인덕터를 부스트 스테이지의 입력 인덕터와 결합함으로써 그림 2의 아래쪽 회로와 같은 단일 인덕터 이중 스위치 벅-부스트 솔루션을 구현할 수 있다.
광범위한 입력 전압에 걸쳐 정확한 출력 전압 조절 기능을 제공하기 위해서는 2개의 스위칭 MOSFET을 적절한 제어 방식으로 구동하여 벅 모드에서 벅-부스트 모드로의 원활한 전환을 제공해야 한다.
입력-출력 조건에 따라 컨트롤러는 다음 세 가지 모드로 작동한다.

- 벅 작동 Vin＞Vout: 충분한 여유를 두고 Vin이 Vout보다 클 때, 레귤레이터는 기존의 벅 레귤레이터로 작동한다. 벅 전환 함수는 Vout/Vin = D이며, 여기서 D는 Q1의 듀티 사이클이다. 진정한 벅 작동 모드가 최상의 효율과 조절 성능을 보장한다.
 Vin이 Vout과 비교하여 듀티 사이클이 70%에 도달할 때의 지점으로 감소하면, 부스트 스위치가 최소 듀티 사이클로 활성화되고 레귤레이터는 소프트 벅-부스트 모드로 들어간다(그림 3a).
쪾 벅-부스트 작동 Vin쩁Vout: Vin이 Vout 쪽으로 더욱 감소함에 따라 벅 스위치의 듀티 사이클 비는 감소하고 동시에 부스트 스위치의 듀티 사이클 비는 증가하면서 벅 작동 모드에서 부스트 작동 모드로의 원활한 전환이 일어난다.
쪾 벅-부스트 작동 Vin＜Vout: Vin이 Vout 미만으로 더욱 감소하면, 벅과 부스트 스위치의 듀티 사이클이 동일해지면서 컨버터가 완전한 벅-부스트 모드로 들어간다. 벅-부스트 전환 함수는 Vout/Vin = D/(1-D)이며, 여기서 D는 MOSFET Q1과 Q2에서 두 스위칭의 듀티 사이클이다(그림 3b).
이 동작 모드에서 Vin이 Vout에 접근할 때 출력 전압은 안정적인 상태를 유지하는데, 그 이유는 벅 모드와 벅-부스트 모드 사이에 급격한 변동 없이 점진적 전환이 일어나기 때문이다.