전원 peak efficiency가 높아도 센서가 시끄러워지는 light-load 조건
전원의 switching frequency가 1MHz라서 센서의 수백 Hz 대역과 충분히 떨어져 있다고 생각할 수 있다. 그런데 light load에서 switching pulse가 묶음으로 나타나면, 묶음 사이의 반복 주기는 훨씬 길다. PFM Burst Noise를 볼 때는 pulse 안의 빠른 edge와 pulse가 나타나는 느린 envelope를 함께 봐야 한다.
부하가 작아지면 계속 pulse를 만들 필요가 줄어든다
가벼운 부하에서도 매 cycle switch를 구동하면 gate charge와 switching에 power가 든다. 일부 controller는 필요할 때만 에너지를 공급하고 나머지 시간은 idle로 두어 이 손실을 줄인다. PFM은 필요한 에너지에 따라 pulse의 시간 간격이 바뀌는 운전이며, 여러 pulse가 모여 burst 형태로 나타나는 경우도 있다.
모든 light-load mode의 구현이 같지는 않다. TPS54020은 자신의 동작을 Eco-mode pulse skipping으로 설명한다. COMP가 정해진 threshold 아래로 내려가면 high-side를 막고, output이 떨어져 control이 다시 요구하면 다음 clock에서 pulse를 시작한다. 이는 고정 frequency clock의 pulse 생략을 포함하는 특정 구현이다. TPS54020 Rev F, 20–21쪽 8.4.4
이 동작이 언제나 같은 pulse 수와 charge의 burst를 만든다는 보증은 없다. 아래에서는 PFM burst의 시간 구조를 분리해 보기 위해, 일정한 charge packet을 공급하는 별도의 가상 모델을 쓴다.
한 packet의 charge를 load와 맞춘다
가상의 3.3V 전원이 output에 Qp=200nC를 공급하는 packet을 4µs 동안 만든다고 하자. packet 안에는 1MHz 간격의 pulse 네 개가 있다고 정한다. 각 pulse의 실제 current 모양은 생략하고, packet 전체가 전달한 charge만 사용한다. output capacitor는 ideal 10µF, load는 일정하다.
Iload=1mA에서 steady state의 charge balance는 Qp=Iload·Tpacket이다. 따라서 Tpacket=200µs, 반복 frequency는 5kHz다. 4µs 동안 동작하고 다음 196µs는 idle이다. packet의 active 비율은 2%다.
idle 동안 capacitor가 잃는 voltage는 Iload·tidle/C라서 약 19.6mV다. packet 동안 load도 4nC를 소비하므로, capacitor에 남는 recharge는 196nC이며 voltage가 같은 19.6mV만큼 올라간다. 공급한 200nC를 전부 capacitor의 변화로 계산하면 load가 그 사이 소비한 charge를 두 번 놓치게 된다.
load가 열 배 작아도 ripple이 열 배 줄지는 않는다
load를 0.1mA로 낮추되 Qp와 packet 길이를 그대로 유지하면 반복 period는 2ms, frequency는 500Hz다. active 비율은 0.2%, idle은 1996µs다. capacitor voltage 감소는 약 19.96mV다.
load는 열 배 작지만 idle은 약 열 배 길어져, ripple은 거의 같은 크기다. 이 모델에서는 작은 load가 주로 packet의 간격을 바꾸기 때문이다. 실제 controller가 Qp 자체도 조절하면 ripple의 load 의존성은 달라질 수 있으므로 이 수치를 제품의 보편적 특성으로 일반화하지 않는다.
packet당 output energy를 약 Vout·Qp로 놓으면 0.66µJ다. 5kHz에서 평균 3.3mW, 500Hz에서 0.33mW로 각각 3.3V의 load power와 맞는다. 부가적인 switching cost가 packet당 가상 0.1µJ라면 그 평균은 0.5mW에서 0.05mW로 줄어든다. idle bias, conduction loss와 손실의 load 의존성을 제외한 에너지 예시이며 실제 efficiency 그래프가 아니다.
관심 대역에 들어오는 것은 envelope일 수 있다
센서가 20Hz–2kHz를 관측한다고 정하자. 첫 조건의 5kHz 반복 성분은 이 대역보다 높지만, 더 작은 load의 500Hz 성분은 안에 들어온다. pulse 내부가 1MHz라는 사실만으로 후자의 간섭을 제외할 수 없다.
burst waveform에는 packet 반복의 harmonic과 빠른 switching 성분도 함께 있다. packet 길이·charge가 흔들리면 단일한 선 대신 분산된 spectrum이 생길 수 있다. supply에서 관측한 ripple이 센서 output에 같은 크기로 나타나는 것도 아니다. 센서의 supply rejection, 공통 배선, filter와 sampling에 의한 alias 경로를 확인해야 한다.
TPS54020의 설명은 pulse를 줄여 switching·gate-drive·circulating-current loss를 낮추는 이유를 제시하지만, 센서의 특정 band에서 noise가 얼마나 커지는지는 보증하지 않는다. 그 부분은 실제 load별 output waveform과 spectrum, 센서로의 전달을 측정할 문제다. 20쪽 Eco-mode의 loss 설명과 동작 조건
power가 적은 idle 상황이 측정 환경에서는 더 까다로울 수 있다. 전원 mode를 선택할 때는 최대 switching frequency 하나에 더해, load가 가장 작을 때 packet의 간격과 ripple이 어디로 옮겨 가는지 확인한다. 에너지 절약과 신호 대역을 같은 시간선 위에 놓으면 이런 역전 현상을 예측할 수 있다.