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2020.07.22 DC/DC

스위칭 레귤레이터의 기본 : 중요 특성 – IC의 규격

스위칭 레귤레이터의 특성과 평가 방법

스위칭 레귤레이터의 기본으로서, 스위칭 레귤레이터의 중요 특성에 대해 확인하겠습니다. 본 편에서는 「IC의 규격」이라는 관점에서, 다음 편에서는 「전원」으로서의 관점에서 설명하겠습니다.

실제의 스위칭 레귤레이터의 설계는, 사용하는 전원용 IC에 크게 의존하고 있다고 해도 과언이 아닙니다. 따라서, 전원 IC의 규격과 그 의미를 잘 이해하는 것이 중요합니다.

스위칭 레귤레이터용 IC의 데이터시트에는 수많은 파라미터와 그 규격치가 기재되어 있습니다. 본 편에서는 그 중에서도 기본적인 중요 항목으로서 입력전압 범위, 출력전압 범위, 출력전류, 스위칭 주파수, 동작온도 범위에 대해 설명하겠습니다.

입력전압 범위
입력전압 범위는 IC가 동작할 수 있는 입력전압의 범위입니다. IC의 사양에 따라서는 최대 5V 및 40V 등 종류가 다양하므로 사용하는 회로의 입력전원 사양에 적합한 것을 선택해야 합니다. 또한, 최대 전압뿐만 아니라 동작 가능한 최소 전압도 규정되어 있는 IC도 많습니다. 강압 전원의 경우, 설정한 출력전압보다 조금 높은 전압이 동작 가능한 최저 전압이 됩니다. 그 이하가 되면, IC의 동작이 멈추거나, 이상 동작을 일으키는 경우도 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해서 UVLO (Under Voltage Lock Out)와 같은 보호 기능을 탑재한 IC가 있습니다.
정상적인 입력전압 이외에 서지 등 과도 전압이 인가될 가능성에 대해 충분히 검토해야 합니다. IC에 따라서는 정상 전압과 과도 전압의 규정이 다른 경우가 있습니다.
최대 정격의 입력전압과의 차이점은, 최대 정격의 경우 어디까지나 인가 가능한 전압이며 동작과는 상관이 없습니다. 고전압에서 저전압으로 변환하는 경우, 강압비의 제한을 받는 경우가 있으므로, 반드시 모든 범위에서 사용 가능하다고는 할 수 없습니다.

출력전압 범위
출력으로서 설정 가능한 전압 범위입니다. 출력전압 고정 타입의 경우에는 그 범위에 해당되지 않습니다. 강압 컨버터의 경우 최소 출력전압은 일반적으로 내부 레퍼런스 전압보다 낮은 전압으로 설정할 수 없습니다. 최대 출력전압은 입력전압에서 손실 전압을 뺀 값입니다.
출력전압치에는 IC의 레퍼런스 전압의 정밀도, 출력전압 설정용 저항기의 정밀도가 영향을 미칩니다.

출력전류
출력 가능한 전류치입니다. 최소치만 보증하는 경우와 최대치도 보증하는 경우가 있습니다. 전류치는 출력단 스위칭 트랜지스터의 능력과 열에 의존합니다. 일반적으로 대전류가 필요한 경우에는 출력단 스위칭 트랜지스터를 외장하는 것이 유리합니다.
출력에 필요한 전력에 따라 마진 (디레이팅)이 필요합니다. 마진이 없을 경우 열로 인해 파괴에 이르게 되는 경우가 있습니다. 또한, 과도적인 부하 전류가 흐르는 경우에는 출력전압이 충분히 안정화되어 있는지, 또는 필요 시간 내에 안정화되는지를 확인할 필요가 있습니다.
규격치의 표시로서 출력전류 (연속 전류)와 스위칭 전류라는 표현이 있습니다. 출력전류 (연속 전류)의 경우에는 그 전류를 연속적으로 공급할 수 있습니다. 스위칭 전류의 경우에는 어디까지나 스위칭 가능한 전류이므로, 연속적으로 공급할 수 있는 전류가 아닙니다. 연속적으로 공급 가능한 전류는 스위칭 전류에서 몇 퍼센트 정도를 뺀 값이 됩니다.

스위칭 주파수
스위칭하는 주파수로, PWM의 경우에는 설정한 주파수로 고정됩니다. PFM은 조건에 따라 주파수가 변동합니다. 통상적으로 주파수가 높아지면, 출력 콘덴서와 인덕터는 용량이 적은 제품을 사용할 수 있어 소형화가 가능하지만, 효율은 저하됩니다. 따라서, 효율과 사이즈의 트레이드 오프 관계를 고려하여 선택해야 합니다.
스위칭 레귤레이터는 스위칭 동작으로 인해 고조파, 스위칭 노이즈 문제가 발생합니다. 필터를 통해 저감할 수는 있지만, 라디오 및 오디오 회로 등 노이즈에 민감한 회로에서는 S/N이 저하될 가능성이 있습니다.

동작온도 범위
동작 가능한 온도 범위로, 주위 온도 Ta 또는 접합부 온도 Tj로 규정됩니다. 사용하는 기기의 사용 환경 및 동작 보증을 고려하여 선택해야 합니다.
Ta 보증의 경우, 반드시 Ta 모든 범위에서 사용 가능한 것은 아닙니다. 발열이 있으므로, Tj max를 초과하지 않도록 주위 온도와 부하 전류를 검토해야 합니다. 열 문제는 신뢰성 저하 및 사고로 이어지는 경우가 있으므로 매우 중요합니다.

하기 표에 각각의 요점을 정리하였습니다.

스위칭 레귤레이터 IC의 규격과 의미 포인트
입력전압 범위
동작 가능한 입력전압 범위. 최대 전압뿐만 아니라, 동작 가능한 최소 전압도 규정되어 있는 경우가 있다.
  • ・입력전원의 조건을 만족하며, 마진이 있어야 한다.
  • ・입력전원의 변동 (배터리 입력 등) 및 과도 전압도 고려한다.
  • ・강압비도 검토한다.
출력전압 범위
출력으로서 설정 가능한 전압 범위.
  • ・설정 전압에 대해 마진이 있어야 한다. (손실을 고려)
  • ・통상적으로 내부 레퍼런스 전압보다 낮은 전압은 설정할 수 없다.
출력전류
출력 가능한 전류. 출력단 스위칭 트랜지스터의 능력과 열에 의존한다.
  • ・마진이 있어야 한다. (디레이팅)
  • ・과도 전류도 고려한다.
  • ・연속적인 출력전류와 스위칭 전류는 다르다.
스위칭 주파수
스위칭하는 주파수. PWM의 경우에는 설정한 주파수로 고정. PFM은 조건에 따라 주파수가 변동한다.
  • ・효율과 사이즈의 트레이드 오프 관계이다.
  • ・스위칭 노이즈, 고조파가 사용 회로에 미치는 영향을 고려한다.
동작온도 범위
동작 가능한 온도 범위. 주위 온도 또는 접합부 온도로 규정되어 있다.
  • ・어플리케이션의 요구를 고려한다. (민생기기, 자동차기기 등)
  • ・열에 관한 고찰이 중요하다.
  • ・Ta+자기 발열이 Tj max를 초과해서는 안된다.

키 포인트

・스위칭 레귤레이터의 설계는 전원 IC의 사용 방법에 의존하므로, IC의 규격을 이해하고 검토하는 것이 중요하다.

・전원으로서의 사양과 IC 규격의 관계를 이해한다.

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