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2020.12.23 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 평가:인덕터 전류의 측정

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

「스위칭 레귤레이터 평가」의 네번째 항목은 「인덕터 전류의 측정」으로, 인덕터 전류의 측정 방법과 평가 포인트에 대해 설명하겠습니다.


・인덕터에 대하여

먼저 인덕터에 대해 설명하겠습니다. 여기에서는 DC/DC 컨버터의 출력에 사용되는 오른쪽 그림의 L을 「인덕터」라는 호칭으로 통일하였습니다. 최근에는 인덕터로 호칭하는 경우가 많지만, 코일이나 초크 코일과 같은 호칭도 많이 사용되고 있습니다. 또한, 리액터라는 호칭도 사용됩니다.

DC/DC 컨버터에서, 코일은 선을 감은 것의 총칭으로 인덕터와 동일한 의미로 사용되고 있습니다. 초크 코일은 고주파 전류를 통과시키지 않는 용도의 코일입니다. 단, 업계 내에서도 엄밀하게 정해져 있지 않으므로, 각자에게 친숙한 호칭으로 다양하게 사용되고 있는 것 같습니다. 정확하진 않지만, IEC 등 국제 규격에서는 inductor가 사용되고 있다고 들은 적이 있습니다. 그래서 최근에는 인덕터를 사용하는 케이스가 많아지고 있는 것 같습니다.

이제 본론으로 돌아가, 먼저 인덕터가 어떤 역할을 하는지 확인하겠습니다. 간단하게 말하자면, 저항기는 AC든 DC든 주파수에 관계없이 일정하게 전류를 제한하지만, 인덕터는 전압이 동일한 경우 주파수가 높아지면 전류가 흐르기 어려워지므로, DC에서는 저항 성분이 없다고 생각할 수 있습니다. 콘덴서와 비교하면, 콘덴서의 경우 DC는 통과시키지 않고 AC를 통과시키므로, 반대의 작용을 한다고도 할 수 있습니다. 인덕터가 저항과 같은 역할을 하는 원리는 전자 유도입니다. 또한, 자기 유도에 의해 기전력을 발생시킵니다. 이러한 효과의 대소를 인덕턴스로 나타냅니다.

강압형 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 그림으로 제시된 인덕터는 기본적으로 평활화의 역할을 하고 있습니다. 상기 그림의 인덕터에, 출력 트랜지스터에 의한 ON / OFF의 구형파 전압이 입력되면, 흐르는 전류는 인덕턴스로 인해 전류의 입출력에 경사가 발생하여 삼각파가 됩니다. 이와 같이 구형파가 삼각파로 평활되며, 이것이 기본이 됩니다.

・인덕터 전류와 출력 리플 전압

인덕터 전류를 측정하여 적정 여부를 판단하기 위해, 인덕터 전류와 출력 리플 전압을 수식으로 나타냅니다. (왼쪽 아래의 그래프는 타 자료에서 발췌한 것으로, 「코일」로 표기되어 있지만, 인덕터를 뜻합니다.)

이러한 수식은, DC/DC 컨버터 설계 시 반드시 사용되는 식입니다. 각 항목과의 관계를 잘 이해하면, 평가가 용이해집니다.

⊿IL로 표기된 인덕터 전류 삼각파의 피크는 인덕턴스 L이 커지면 작아집니다. 또한, 스위칭 주파수가 높아져도 작아지는 것을 알 수 있습니다. ⊿VREP로 나타내는 리플 전압은 ⊿IL과 콘덴서의 ESR이 지배적인 것을 알 수 있습니다. 이를 바탕으로, 측정한 인덕터 전류를 평가합니다.

・인덕터 전류의 측정 방법

인덕터 전류는, 전류 프로브를 사용하여 오실로스코프로 파형을 관찰합니다. 전류 프로브는 전류 경로를 사이에 두어야 하므로, 사진과 같이 클립용 선을 노출시켜 두어야 합니다.


 

・인덕터 전류의 검토 사항

상기 우측 파형 그래프는 위쪽이 스위칭 전압 파형, 아래쪽이 인덕터 전류 파형입니다. 이 실측 파형은 이상에 가까운 것으로, 깨끗한 삼각파가 관찰됩니다.

여기에서의 평가 포인트는 앞에서도 제시한 오른쪽 그림으로 설명하겠습니다. 실제로 이러한 항목은, 설계 시 인덕터의 사양을 결정하기 위한 포인트입니다. 즉, 결과적으로는 설계 시에 선택한 인덕터가 실제로 적정한지의 여부를 확인하는 것입니다.

인덕터 (코일)의 포화 전류는 IOUTMAX에 ⊿IL/2를 더한 값보다 큰 것이 선택되었을 것입니다. 실측치와 비교하여 주십시오.

포화 전류의 허용치가 충분하지 않으면 인덕터가 포화되어 급격하게 전류가 흐르므로, 삼각파의 기울기가 2차 곡선과 같이 왜곡됩니다. 최악의 경우에는 스위칭 트랜지스터에 예상하지 못한 전류가 흐르게 되어, 손상되는 경우가 있습니다. 이는 중요한 체크 포인트입니다.

인덕터 전류의 평가 포인트

인덕터 및 인덕터 전류 평가 시의 포인트를 하기와 같이 정리하였습니다.

  • 정수 결정은 데이터시트를 바탕으로 결정하며, 반드시 실측을 실시한다.
  • 측정은 오실로스코프와 전류 프로브를 사용한다.
  • 전류 파형의 적정 여부와 포화 여부를 확인한다.
  • 인덕터 전류는 피크치와 평균치의 양쪽을 모두 검토한다.
  • 인덕터 선정은 수식의 요구, IOUTMAX+⊿IL/2를 고려한다.

인덕터는 어떤 동작을 하는지 알기 어렵기 때문에 조금 피하게 되는 경향이 있습니다. 그렇지만, DC/DC 컨버터에 있어서는 없어서는 안되는 부품이므로, 실측을 통한 평가 경험을 쌓아 이해도를 높여야 합니다.

키 포인트

・인덕터는 DC/DC 컨버터에 있어서 중요한 부품이다. 평가는 물론 설계에 있어서도 피해갈 수 없다.

・측정은 오실로스코프와 전류 프로브를 사용하여, 전류 파형이 적정한지의 여부와 포화되지 않았는지를 확인한다.

・인덕터 전류는 피크치와 평균치를 모두 검토한다.

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