가벼운 load에서 converter phase를 끄는 것이 유리한 이유
큰 load를 공급하려고 buck phase를 여러 개 켰는데 가벼운 부하에서는 효율이 더 낮아질 수 있다. Phase Shedding은 필요 없는 phase의 switching과 bias 부담을 줄이는 방법이다. 다만 남은 phase에 current가 집중되므로, 줄일수록 항상 유리한 기능으로 이해하면 안 된다.
나눠 줄어드는 loss와 phase마다 생기는 loss
각 phase의 저항성 경로를 R로 근사하고 total load current I를 N개가 균등하게 나눈다고 하자. ripple를 생략하면 phase 하나의 conduction loss는 (I/N)²×R이고, 합은 I²R/N이다. phase를 늘리면 이 항은 작아진다.
반면 switching과 gate drive, 활성 회로의 일부 소비는 phase마다 생긴다. 이를 비교용 constant P0로 근사하면 해당 loss는 NP0다. 두 항을 합한 자체 모델은 다음과 같다.
Pmodel(N) = N×P0 + I²R/N
전체 converter의 모든 loss를 담은 식은 아니다. frequency, input voltage와 current에 따른 switching loss, ripple RMS, core loss, 공유 bias 회로와 thermal effects는 생략했다. phase별 고정 부담과 current를 나누는 이득이 경쟁하는 구조를 보는 모델이다.
같은 네 phase도 load에 따라 답이 달라진다
P0=80mW, R=40mΩ인 가상의 네 phase를 비교하자. 사용 가능한 active phase 수를 1·2·3·4로 두고, enabled phase에 current가 균등하게 나뉜다고 정한다. 이 P0와 R은 특정 PMIC의 실제 loss나 RDS(on) 값이 아니다.
load가 1A이면 1-phase는 0.08+0.04=0.12W다. 2-phase는 0.18W, 3-phase는 약 0.253W, 4-phase는 0.33W다. 작은 current의 conduction loss를 나누는 이득보다 phase를 켜 두는 부담이 크다.
3A에서는 1·2·3·4 phase의 model loss가 각각 0.44W, 0.34W, 0.36W, 0.41W다. 두 phase가 가장 작다. 5A에서는 각각 1.08W, 0.66W, 약 0.573W, 0.57W다. 네 phase가 근소하게 가장 낮지만 세 phase와의 차이가 매우 작다.
이 값으로 실제 efficiency나 device temperature를 단정하지 않는다. 생략한 항이나 공차가 3mW보다 크면 5A에서의 세 phase·네 phase 순위도 바뀔 수 있다. 회로가 감당할 수 있는 per-phase current와 thermal 조건이 먼저 충족되어야 한다.
threshold에는 전환 비용과 hysteresis도 들어간다
같은 모델에서 1-phase와 2-phase의 loss가 같은 load는 0.08+0.04I²=0.16+0.02I²를 풀어 2A다. 그러나 실제 controller가 정확히 2A 한 점에서 늘리고 줄이면 noise나 load variation으로 phase 수가 반복해서 바뀔 수 있다.
설명용 정책으로 current가 증가할 때는 2.2A에서 두 번째 phase를 추가하고, 감소할 때는 1.8A에서 제거한다고 정할 수 있다. 두 값 사이에서는 직전 phase 수를 유지한다. 이는 자체 hysteresis 예이며 실제 부품의 threshold를 제안한 것이 아니다.
TPS6594-Q1도 phase adding과 shedding에 서로 다른 level을 정의하며, load에 따라 active phase 수를 자동으로 바꿀 수 있다. forced multi-phase를 설정하면 모든 해당 phase가 forced PWM으로 동작한다. TPS6594-Q1 Rev B, 25쪽 phase level 표와 50–51쪽 8.3.2.1.2
실제 threshold는 평균 efficiency 곡선만으로 정하지 않는다. phase를 추가하는 동안 current가 얼마나 빨리 나뉘는지, 제거되는 inductor의 energy가 어디로 가는지, 부하의 상승 속도를 감당할 여유가 있는지 확인한다.
작은 steady loss가 모든 운전 목표를 만족시키지는 않는다
한 phase만 남기면 작은 load에서 loss가 줄 수 있지만 ripple 상쇄와 effective ripple frequency도 바뀐다. 남은 phase의 current ripple, peak current와 hotspot이 증가할 수 있다. noise를 중요하게 보는 rail에서는 더 많은 phase를 유지하는 정책이 필요할 수 있다.
TPS6594-Q1은 자동 phase 수 제어와 forced multi-phase 옵션을 구분하고, light load의 PFM/PWM mode 전환도 별도로 설명한다. phase shedding과 switching mode 변화는 같이 나타날 수 있어 측정에서 구분해야 한다. 같은 원문, 49–51쪽 buck mode 설명
검증에서는 오래 유지하는 load별 loss뿐 아니라 load step 중 output deviation과 phase current를 본다. 정상 효율이 좋은 설정이라도 필요한 step을 따라가지 못하면 사용 목적에 맞지 않는다. 반복되는 add·shed가 있는지도 확인한다.
Phase Shedding은 phase를 덜 쓰는 기능이라기보다 현재 load에서 이득과 비용을 다시 맞추는 제어다. 고정 부담과 I²R 손실의 교점을 계산하고, 전환 hysteresis·ripple·transient·온도를 함께 확인하면 어느 구간에서 phase를 줄이고 언제 다시 추가해야 하는지 판단할 수 있다.