soft-start 시간을 길게 잡으면 startup peak가 언제 줄어드는가

soft-start capacitor를 두 배로 늘렸는데 output rise time이 기대만큼 바뀌지 않는다. Soft-Start Tracking에서 SS 전압은 regulator가 따라가도록 주는 목표다. 실제 output을 올리는 데 필요한 current가 부족하면 목표의 시간선과 output의 시간선은 갈라질 수 있다.

SS는 작은 전압으로 큰 output 목표를 만든다

일반적인 soft-start는 error amplifier의 기준을 낮은 값에서 정상 reference까지 올린다. feedback divider의 비율을 β라고 하면, 이상적인 regulation에서 feedback voltage는 β×Vout이다. SS가 기준을 정하는 동안 output 목표는 대략 Vout,target=VSS/β다. offset과 dynamics는 별도로 고려한다.

TPS54020은 SS voltage와 내부 reference 중 낮은 것을 error amplifier의 기준으로 사용한다. LM5146도 SS/TRK capacitor를 current source로 충전하며 output 기동 시간을 조정한다. TPS54020 Rev F, 14쪽 8.3.6와 16–17쪽 8.3.10, LM5146 Rev A, 21쪽 8.3.7

SS pin에 흘리는 작은 current는 output capacitor를 직접 충전하지 않는다. 기준의 slope를 만들고, power stage가 그 목표를 따라갈 만큼 current를 제공하는 구조다. 두 capacitor의 current를 혼동하면 charging margin이 크게 달라진다.

8ms 목표를 따라가려면 얼마가 필요한가

계산용 controller를 reference 0.8V, SS charging current 10µA, CSS=100nF로 정하자. offset을 생략한 이상적 SS ramp가 0V에서 reference에 도달하는 시간은 CSS×0.8V/10µA=8ms다. 이 값은 nominal ramp를 설명하는 모델이며 실제 rise-time 측정 구간은 사용하는 부품의 정의를 따른다.

output 목표가 5V이고 β=0.16이면 output target의 slope는 5V/8ms=0.625V/ms다. Cout가 470µF이면 capacitor 충전에 평균 0.29375A가 필요하다. ramp 중 load를 0.8A의 계산용 정전류 부하로 두면 power stage는 평균 1.09375A를 제공해야 한다.

그런데 이 가상 회로의 허용 output charging current가 최대 1A라면 load 이후에 남는 값은 0.2A다. capacitor가 0V에서 5V까지 올라가는 최소 시간은 470µF×5V/0.2A=11.75ms다. 따라서 8ms 목표를 그대로 따라갈 수 없다. current 제한 뒤의 제어와 보호 정책에 따라 output이 늦게 올라가거나 기동이 다시 시작될 수도 있다.

CSS를 200nF로 바꾸면 이상적 reference ramp는 16ms다. capacitor current는 0.146875A로 줄고 load를 더해 0.946875A가 된다. 평균 current budget 안에 들어온다. 다만 이 조건이 필요한 peak ripple current, input supply, loop tracking까지 모두 통과했다는 뜻은 아니다.

외부 rail을 따라가면 내부 ramp가 주도하지 않을 수 있다

SS/TRK를 다른 power rail의 divider로 구동하면 그 rail이 기준의 slope를 정할 수 있다. LM5146은 외부 source로 SS/TRK를 구동할 때 capacitor로 정하는 자체 soft-start 기능이 사실상 비활성화되는 점과, system designer가 startup current limit 및 input ramp를 고려해야 한다는 점을 설명한다. LM5146 원문, 21–22쪽 8.3.7.1 Tracking

같은 속도로 output들을 올리는 coincident tracking과 일정 비율로 올리는 ratiometric tracking은 목표가 다르다. 자체 이상적 예에서 master가 3.3V에 도달할 때 slave가 5V에 도달하게 하려면 tracking reference와 slave feedback 비율을 그 관계에 맞춰 정한다. 두 pin을 같은 전압에 연결했다고 output voltage까지 같은 비율로 움직이는 것은 아니다.

외부 divider는 내부 charging current와 input offset의 영향을 받을 수 있다. 정상 상태에서 SS/TRK가 내부 reference에 지나치게 가까워 정확도를 방해하지 않는 조건도 확인한다. 단순 resistor ratio 계산과 실제 pin 동작을 함께 맞춰야 한다.

따라가야 할 것과 따라갈 수 있는 것을 비교한다

실제 검증에서는 SS voltage, output voltage, inductor current와 input voltage를 같은 시간축에서 본다. 기준은 계속 올라가는데 output이 뒤처지면 current 제한, load 활성화나 input droop가 겹쳤는지 찾는다. 필요하다면 load current를 Vout의 함수로 나누어 charging 요구를 계산한다.

느린 ramp는 charging current를 줄이지만 downstream reset과 undervoltage 구간을 길게 만든다. 빠른 tracking source를 사용하면서 CSS만 키워 충분히 느려졌다고 생각하면 외부 source의 영향도 놓친다.

Soft-Start Tracking의 설계는 SS 시간 하나를 고르는 일에서 끝나지 않는다. reference가 만드는 output 목표와 power stage의 실제 current budget을 비교하고, 외부 rail이 그 목표를 바꿀 때도 확인한다. 둘의 시간선을 맞추면 capacitor를 바꿔도 rise time이 기대를 따르지 않는 이유가 드러난다.