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2020.06.24 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 기본 : 강압 동작 원리

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

본 편에서는 가장 이용 빈도가 높은 강압형 스위칭 레귤레이터를 예로 들어 동작 원리에 대해 설명하겠습니다.

강압 DC/DC 변환은 VIN이라는 DC 전압을 스위칭하여 시간 분할하고, 다음으로 인덕터와 콘덴서를 통해 평활화함으로써 원하는 DC 전압으로 변환합니다. 오른쪽 그림은 강압 DC/DC 변환의 개념적인 회로와 동작을 나타낸 것입니다.

PWM 동작으로 설명하자면, S1=ON / S2=OFF일 때 VIN을 공급하는 시간을 25%, S1=OFF / S2=ON일 때 0V (GND) 상태를 75% 펄스 주기로 하여, 그 펄스를 평균화하면 25%의 DC가 됩니다. VIN이 10V일 경우, Vo는 25%인 2.5V가 됩니다.

위의 그림과 같이 실제로는 PWM 동작에 따라 평균화된 출력의 부하 전류가 변동하므로, ON 시간이 계속 일정하면 부하 전류에 의존하여 전압이 변동되게 됩니다. 이러한 경우 레귤레이터의 역할을 할 수 없으므로, 출력이 저하되면 ON 시간을 늘려 입력으로부터 더 많은 에너지를 공급받아 출력전압을 상승시킵니다. 출력전압이 충분히 회복되면, ON 시간을 줄여 출력의 상승을 억제합니다.

하기 회로는 개념도를 실제 회로로 치환하여 나타낸 것입니다. 스위치 S1은 MOSFET로, S2는 쇼트키 다이오드로 치환되었으며, 개념도에서는 생략되었던 비교 회로와 제어 회로도 표시되어 있습니다. 이 회로는 비동기 또는 다이오드 정류 방식으로 불리우는 대표적인 스위칭 강압 회로입니다.

강압 스위칭 레귤레이터의 동작

  1. 출력전압이 설정 전압과 동일한지 기준전압과 비교한다.
  2. 설정 전압보다 낮은 경우에는, 스위치가 ON되어 입력에서 출력으로 전력을 공급한다.
  3. 이때, 인덕터에 자기 에너지가 축적된다.
  4. 출력전압이 설정 전압보다 높아지면 스위치가 OFF된다.
  5. 인덕터에 축적된 자기 에너지가 전류로 변환되어 출력 부하로 공급되고, 다시 인덕터로 돌아온다.
  6. 인덕터의 자기 에너지가 소모되어, 출력전류가 낮아지면 다시 스위치가 ON된다.

하기 그림은 실제 전류 및 전압의 스위칭 파형입니다. S1은 MOSFET의 스위칭 트랜지스터, D1은 쇼트키 다이오드, L1은 인덕터, C1은 출력전압, VIN은 입력전압입니다.

본 편에서는 복습을 겸하여 기본적인 스위칭 레귤레이터의 동작에 대해 설명하였습니다. 이러한 기본적인 동작에 대해 잘 이해할 필요가 있으며, 실제 평가 시에는 각 노드의 전류 및 전압 파형 등을 확인해야 합니다.

키 포인트

・스위칭 레귤레이터에는 AC/DC와 DC/DC가 있으며, 그 중에도 다양한 변환 방식이 있다.

・설계에 적합한 방식을 선택하기 위해, 각 방식의 장단점에 대해 잘 이해해야 한다.

・DC/DC 변환은 스위칭을 통해 출력에 필요한 에너지를 시간으로 나누고, 그것을 정류 – 평활하여 다시 DC로 변환한다는 점을 이해한다.

・각 노드에서의 전류와 전압 파형을 잘 이해하지 않으면 평가가 불가능하다.

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