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2020.11.11 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 평가 : 출력전압

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법이라는 테마로, 지금까지 설명한 「스위칭 레귤레이터의 기본」, 「전원 IC의 데이터시트 구성」 편에서는 실제로 스위칭 레귤레이터를 평가하기 위해 필요한 기본 지식에 대해 설명했습니다. 이제 「스위칭 레귤레이터의 평가」 편으로, 실제의 회로 동작 및 특성에 있어서 「어떤 부분을 어떻게 평가해야 하는지」에 대해 설명하겠습니다.

하기는 본 테마의 구성 항목입니다. 기존 항목도 「스위칭 레귤레이터의 평가」에 관련된 내용이므로, 참조하여 주십시오.

그럼, 「스위칭 레귤레이터의 평가」 편 첫번째 항목인 「출력전압」에 대해 설명하겠습니다.

<스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법>

  1. 스위칭 레귤레이터의 기본
  2. 전원 IC의 데이터시트 구성
  3. 스위칭 레귤레이터의 평가
    • 출력전압
    • 로드 레귤레이션
    • 부하 응답의 검토, 측정 방법
    • 인덕터 전류의 측정
    • 효율 측정

출력전압

스위칭 레귤레이터의 역할은 안정화된 출력전압을 발생시킴으로써, 이를 부하 (다른 디바이스)의 전원으로 하는 것입니다. 따라서, 출력 특성의 평가가 주요 사항이 됩니다. 주요 출력 특성으로서, 전압, 전류, 과도 응답, 노이즈 등이 있으며, 이러한 특성은 상호 관계가 있습니다. 본 편에서는 먼저 출력전압에 대해 설명하겠습니다.

일반적으로 출력전압의 평가 포인트는 하기와 같습니다.

 ・평가 항목 
 -전압 정밀도 : 리플 전압을 포함한 최소치, 최대치
 -리플 전압의 크기 : 전압 폭, 파형
 -고조파 노이즈, 스파이크 등

 ・평가 방법
 -오실로스코프로 출력전압을 관찰
 -(스펙트럼 애널라이저)

 ・조건 설정
 -출력 부하 전류 : 가변 타입 부하 장치 필요
 -입력전압 : 가변 타입 DC 전원 필요
 -온도 : 간단하게는 스폿 가열 / 냉각도 가능

구체적으로는 조건을 변경하면서 오실로스코프로 출력전압을 관찰합니다. 상황에 따라서는 스펙트럼 애널라이저가 유용한 경우도 있지만, 오실로스코프만으로도 대부분의 확인이 가능합니다. 여기에서 중요한 것은 오실로스코프로 관찰한다는 점입니다. 본래 오실로스코프는 정확한 전압 측정을 위한 것이 아니지만, 스위칭 레귤레이터의 출력전압에는 리플이나 노이즈 등 다양한 성분이 포함되어 있으며, 이러한 성분은 측정치를 평균화하여 나타내는 전압계 등으로는 확인할 수 없습니다.

전압 정밀도는, 리플 전압의 최저치와 최대치가, 부하 디바이스가 요구하는 정밀도에 해당되는지를 확인합니다. FPGA 등 최근의 고성능 디바이스는 ±2% 이하라는 매우 까다로운 전원전압 정밀도를 요구합니다. 또한, 전원전압이 1V대로 낮은 제품이 많아, 실제의 허용 전압은 매우 작습니다. 이를 평균치가 아닌 리플 전압의 피크 폭을 포함하여 만족해야 합니다.

리플 전압은, 설계 시에 하기 식을 통해 설정한 전압과 일치하는지의 여부와 리플 파형의 이상 유무를 확인합니다.

물론, 리플 전압이 설계치와 일치한다고 해도, 결과적으로 부하 디바이스의 정밀도 요구를 만족하지 못하면 재검토가 필요합니다. 마찬가지로 출력에 비정상적인 스파이크 및 고조파가 포함되어 있지 않은지 관찰합니다.

이러한 특성은 부하 및 온도에 따라 상태가 변하므로, 반드시 변동 요건을 고려하여 관찰해야 합니다.

평가를 위해서는, 출력전압 및 파형의 이상적인 견본이 필요합니다. 대부분의 경우, 해당 전원 IC의 데이터시트에 이상적인 표준 파형이 게재되어 있습니다 (하기 파형 참조). 이 내용에 대해서는 「전원 IC의 데이터시트 구성」에서도 설명했습니다.

또한, IC 메이커가 평가 보드를 제공하는 경우에는, 평가 보드와의 비교가 가능합니다. 동일한 측정기 및 환경에서 평가가 가능하므로 현실적으로 유용한 방법입니다.

오실로스코프를 사용하여 관찰할 때에는, 고속 파형을 취급한다는 관점에서 약간의 주의가 필요합니다. 하기 사진과 그래프는, 동일한 기판이라도 프로브의 접촉 방법에 따라 정확한 파형을 관찰할 수 없다는 예를 나타낸 것입니다.

왼쪽 사진과 파형 그래프는 오실로스코프의 프로브를 테스트 단자에 접속하고 클립을 사용하여 GND에 접지한 것으로, 출력 파형에 다수의 고주파 스파이크가 나타납니다. 반면에 오른쪽 사진과 그래프는 전용 커넥터를 사용하여 프로브를 접속한 것으로, 파형에 스파이크는 나타나지 않습니다. 본래의 출력전압은 오른쪽 파형으로, 왼쪽 파형은 프로브의 GND 와이어 등으로 인한 영향을 받아 원래는 존재하지 않는 스파이크를 발생시킨 예입니다.

이와 같이 스위칭 전원의 평가 시에는 고주파를 취급하는 관점에서, 측정을 위한 스킬이 필요합니다.

키 포인트

・스위칭 레귤레이터의 특성 평가 시에는, 측정 포인트에 대한 이해와 측정 스킬도 필요하다.

・출력전압의 평가 시에는, 여러 조건을 변경하면서 오실로스코프를 통해 리플 및 노이즈 등을 관찰한다.

・비교 기준으로는 데이터시트의 그래프 및 평가 보드를 이용한다.

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