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2020.07.08 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 기본 : Bootstrap

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

Bootstrap (부트스트랩) 회로는 출력 스위치의 상측 (하이 사이드) 트랜지스터에 Nch MOSFET를 사용하는 경우에 필요한 회로입니다. 최근에는 대부분의 전원 IC가 이 회로를 탑재하고 있으므로, 전원 회로 평가와 관련하여 동작을 이해해 두는 것이 좋습니다.

Nch MOSFET는 ON 저항이 낮아, 스위치로 사용하게 되면 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한, ON 저항이 동일할 때 Pch MOSFET보다 저렴하게 입수할 수 있습니다. 그러나, 상측 스위치로서 Nch MOSFET를 사용하여 완전히 ON시키기 위해서는, 충분한 VGS 즉 드레인보다 높은 전압이 필요합니다. 통상적으로 드레인 전압은 VIN (입력전압)이므로 회로 내부에서 가장 높은 전압이 됩니다. 따라서 그 이상의 전압이 필요할 경우 외부에서 공급해야 합니다. 이러한 전압을 생성하는 것이 Bootstrap 회로입니다.

구성은 간단합니다. 스위치와 콘덴서, 다이오드로 구성되는 승압 차지 펌프로, 스위치 전압 (VIN)과 내부 전압을 더한 전압을 상측 Nch MOSFET의 게이트 드라이브로서 이용합니다.

Bootstrap이 필요없는 Pch+Nch 구성

Bootstrap이 필요없는 Pch+Nch 구성

Bootstrap을 이용한 Nch+Nch 구성

Bootstrap을 이용한 Nch+Nch 구성

  1. Nch MOSFET는 ON 저항이 낮아 효율 향상에 기여하고, 비용이 저렴하다.
  2. 상측 트랜지스터에 Nch MOSFET를 사용하기 위해서는 드레인보다 높은 VGS가 필요하다.
  3. 내부 회로용 내부 전원의 전압으로는 부족하다.
  4. 스위치와 콘덴서, 다이오드로 구성된 승압 차지 펌프를 통해, 상측의 Nch MOSFET용 드라이버의 고전압을 생성한다.

상측 게이트 드라이버 전원전압=VIN+내부 전원전압-다이오드의 VF

오늘날 중전력 이상의 회로에서는 출력의 스위칭 트랜지스터에 Nch MOSFET를 사용하는 것이 주류입니다. 부품수가 조금 늘어나도, 효율을 중시하는 경향이 있기 때문입니다. 최근에는 부품수를 줄이기 위해 외장 다이오드를 IC에 내장한 타입을 사용하기도 합니다.

참고로, Bootstrap 회로는 동일한 이유에서 비동기정류 타입에도 사용되고 있습니다. Nch MOSFET뿐만 아니라, 바이폴라 NPN 트랜지스터를 사용하는 타입의 포화 전압을 낮추기 위해서도 사용되고 있습니다.

키 포인트

・Nch MOSFET는 ON 저항이 낮아 효율 향상에 기여하며, 비용이 저렴하다.

・상측 트랜지스터에 Nch MOSFET를 사용하기 위해서는 Bootstrap이 필요하다.

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