이미 전압이 있는 rail에 buck을 켤 때 전류를 빼앗지 않는 방법

buck을 켜기 전에 output rail에 2V가 남아 있다고 하자. soft-start 기준은 0V에서 시작하니 controller 입장에서는 output이 목표보다 높다. 이때 low-side switch로 전압을 낮추려 하면 이미 살아 있는 rail의 charge를 빼앗을 수 있다. Pre-Bias Startup은 기존 전압을 만난 기동의 동작 순서를 정의한다.

낮은 reference를 곧바로 따르게 만들면 생기는 일

동기식 buck의 low-side MOSFET는 정상 운전에서 inductor current의 경로를 만든다. 그런데 output이 이미 positive이고 low-side를 켜 switch node를 ground 근처에 두면, inductor 양단에는 정상 current 방향과 반대의 voltage가 걸린다. current가 output에서 switch node 방향으로 증가할 수 있다.

설명용으로 Vout=2V, L=10µH, 초기 inductor current 0A를 두자. low-side를 2µs 켜고 그동안 output voltage 변화와 저항을 무시하면 current slope는 −2V/10µH=−0.2A/µs다. 끝의 current는 −0.4A이고 삼각형 current의 charge 크기는 0.4µC다.

Cout=100µF라면 이 charge만으로 약 4mV가 감소한다. 짧은 interval의 근사 계산이며 반복 pulse나 실제 switching 조건까지 예측한 값은 아니다. 기존 output의 charge가 inductor 쪽으로 이동하는 역방향 current가 생긴다는 것이 핵심이다. pre-bias가 다른 supply에 의해 유지된다면 capacitor 대신 그 supply가 이 current를 내게 될 수도 있다.

기존 voltage를 따라잡을 때까지 기다린다

TPS54020은 pre-biased startup에서 high-side가 switching을 시작하기 전까지 low-side를 켜지 않는다. high-side는 SS voltage가 VSENSE를 넘은 뒤 switching을 시작한다. 즉 낮은 startup 기준을 강제로 기존 output에 적용해 방전시키지 않는 순서를 둔다. TPS54020 Rev F, 14쪽 8.3.5

가상의 5V output과 feedback 비율 β=0.12를 보자. 기존 2V output이 외부 source에 의해 일정하게 유지되면 VSENSE는 0.24V다. SS가 0V에서 0.6V까지 10ms에 선형으로 올라가는 이상적 모델에서는 SS가 0.24V에 도달하는 시간이 4ms다. 이 경계를 넘은 뒤에야 high-side switching을 시작할 조건이 생긴다.

이 시간은 SS offset과 delay를 제외한 자체 계산이며 실제 부품의 guaranteed startup delay가 아니다. 중요한 판단은 SS가 시작됐다는 관찰과 switching이 시작됐다는 관찰을 구분하는 것이다.

기다리는 동안 load는 기존 capacitor를 쓸 수 있다

pre-bias 보호가 있다고 기존 voltage가 완전히 고정되는 것은 아니다. 외부 source가 없고 capacitor만 charge를 가지고 있으면 load가 그 에너지를 사용한다.

앞 모델에서 Cout=100µF, load=1mA라고 하자. switching이 시작되기 전 output은 약 0.01V/ms씩 낮아진다. SS가 요구하는 output 목표는 0.5V/ms씩 높아진다. 교차 조건은 0.5t=2−0.01t이며 t의 단위를 ms로 두면 약 3.922ms다. 그때 output은 약 1.961V다.

외부 source가 2V를 유지할 때의 4ms와 달라진다. load가 더 크거나 startup에서 활성화되는 조건이 바뀌면 crossing도 달라진다. pre-bias startup 중 나타난 droop가 controller의 의도적 방전인지 load가 사용한 charge인지 구별해야 한다.

safe startup과 역류 차단은 다른 요구다

이 동작은 특정 startup 상황에서 low-side에 의한 방전을 피하는 정책이다. input 전원이 없을 때 output에서 input으로 가는 모든 경로를 차단한다는 보장은 아니다. MOSFET의 body diode와 다른 전원 연결, controller의 powered·unpowered 상태는 별도로 확인한다.

기존 voltage가 최종 목표보다 높은 경우에도 단순히 SS가 따라잡으면 된다고 가정할 수 없다. 내부 reference에는 상한이 있고, 과전압 상태의 처리와 discharge 정책은 부품별로 다르다. 기동을 원하는 동안 다른 rail이 output을 유지하는 구조라면 각 전원의 허용 current 방향을 먼저 맞춘다.

모든 converter의 soft-start가 pre-bias를 보존하는 것은 아니다. 실제 부품의 startup 설명과 low-side 동작을 확인하고, 잔류 voltage의 범위, input sequence와 enable 상태를 바꾸어 시험한다. measurement에서는 output만 보지 말고 switch node와 inductor current의 부호까지 함께 보면 charge를 누가 가져가는지 알 수 있다.

Pre-Bias Startup이 해결할 질문은 기존 rail을 0V에서 다시 만들 것인지가 아니다. 이미 있는 전압과 새 기준이 만나는 동안 어떤 current를 허용할 것인지다. 그 순서를 정의하면 soft-start는 기존 전원을 방전시키는 과정이 아니라, 새 regulator가 필요한 순간부터 에너지를 공급하는 과정이 될 수 있다.