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2020.10.07 AC/DC

주요 부품 선정 : 출력 콘덴서 C5

비절연형 벅 컨버터의 설계 사례

출력 콘덴서는 인덕터와 함께 출력전압을 평활화하는 LC 필터의 역할과, 부하 전류를 공급하는 역할을 합니다. 또한, 출력 리플 전압의 크기는 콘덴서의 임피던스에 크게 의존합니다.

출력 콘덴서 C5

오른쪽 회로도는 출력 주변을 발췌한 것입니다. 출력 콘덴서 C5는 출력에서 GND로 접속되어 있으며, 인덕터와 함께 LC 필터를 구성하고 있습니다.

IC에 내장되어 있는 MOSFET가 ON일 때, 출력 다이오드 D4는 OFF되고, 출력 콘덴서는 충전과 동시에 부하 전류를 공급합니다.

MOSFET가 OFF일 때는 출력 다이오드가 ON되고, 출력 콘덴서는 부하 전류를 공급합니다.

A4_7_ckt

출력 콘덴서의 정수 산출

출력 콘덴서는 출력의 피크 리플 전압 (ΔVpp)이, 설계 목표인 출력 리플 전압 이내가 되도록 선택합니다. 출력 리플 전압은 피크 인덕터 전류의 실효치인 리플 전류와 콘덴서의 임피던스에 따라 결정됩니다. 따라서, 목표로 하는 리플 전압을 기점으로 계산합니다. C5의 임피던스 Z는 하기 식으로 계산할 수 있습니다.

ΔVpp=100mV라고 하면, A4_7_fom1

산출된 Z는 이 회로의 최소 스위칭 주파수인 60kHz일 때의 값입니다. 일반적인 스위칭 전원용 전해 콘덴서 (낮은 임피던스 제품)의 임피던스 규정 조건은 100kHz입니다. 콘덴서의 임피던스는 공진점까지 주파수에 대해 거의 직선적으로 저하되므로, 하기 식을 통해 100kHz일 때의 Z를 구할 수 있습니다.

    A4_7_fom2

다음으로 리플 전류 Is (rms)를 구합니다.

    A4_7_fom3

이로써, 콘덴서의 임피던스와 리플 전류가 산출되었습니다.

다음으로, 내압은 경험을 바탕으로 출력전압의 2배 정도가 되도록 하는 것이 일반적입니다.

    VOUT×2 = 20V×2 = 40V → 35V 이상으로 한다.

이렇게 산출한 수치를 바탕으로, 임피던스 0.08Ω 이하, 리플 전류 정격 0.4A 이상, 내압 35V 이상을 만족하는 전해 콘덴서를 선정합니다. 이 회로에서는 스위칭 전원용의 낮은 임피던스 타입으로 35V 내압, 470µF의 전해 콘덴서를 선택하였습니다.

출력 콘덴서에만 한정되는 것은 아니지만 실제의 리플 전압, 리플 전류는 반드시 실제 기기에서 확인하여 주십시오.

또한, 전해 콘덴서는 수명이 한정된 부품이므로, 리플 전류가 많이 흐르게 되면 수명이 단축됩니다. 수명에 관해서는 콘덴서 메이커에서 산출 방법 및 규정을 제시하고 있으므로, 각 콘덴서 메이커에 확인하여 주십시오.

키 포인트

・출력 콘덴서는 설계 목표의 출력 리플 전압을 만족하도록, 리플 전류와 콘덴서의 임피던스를 바탕으로 선택한다.

・알루미늄 전해 콘덴서는 수명이 한정된 부품이므로, 리플 전류가 크면 수명이 단축된다.

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