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2018.11.22 DC/DC

강압형 스위칭 레귤레이터의 동작 원리

스위칭 레귤레이터의 기초

앞에서, 스위칭 레귤레이터는 강압, 승압, 승강압, 반전과 같은 변환이 가능하다는 내용을 설명했습니다. 여기에서는 가장 많이 이용되는 강압형 스위칭 레귤레이터를 예로 들어 동작 원리에 대해 설명하겠습니다.

그림 31은 VIN이라는 DC 전압을 스위치를 통해 시간 분할한 후, 인덕터와 콘덴서를 통해 평활화하여 원하는 DC 전압으로 변환하는, 강압 DC/DC 변환의 개략적인 회로입니다.

그림 31

그림 32

DC/DC 변환의 프로세스를 간단히 말하자면, DC를 일단 AC로 변환하고, 그것을 평활하여 다시 DC로 변환한다고 할 수 있습니다. 예를 들어 PWM 동작으로 설명하면, S1=ON / S2=OFF일 때 VIN의 전력을 공급하는 시간을 25%, S1=OFF / S2=ON일 때 0V (GND) 상태를 75%의 펄스 주기로 하여, 그 펄스를 평균화하면 25%의 DC가 됩니다. VIN이 10V라고 가정하면, Vo는 25%인 2.5V가 됩니다. 이는 면적으로 생각하면 쉽게 이해될 것입니다. (그림 33 참조)

그림 33

실제의 PWM에서는 평균화된 출력의 부하전류가 변동하므로, ON 시간이 계속 일정하면 부하전류에 의존하여 전압이 오르내리게 됩니다. 이러한 경우에는 레귤레이터가 아니므로, 출력이 강하하면 ON 시간을 증가시켜 보다 많은 에너지를 입력으로부터 공급함으로써 출력전압을 상승시킵니다. 출력전압이 충분히 회복되면, ON 시간을 줄여 출력의 상승을 멈추게 합니다.

스위칭의 경우에는 보시는 바와 같이, 출력에 필요한 전력을 입력으로부터 필요한 만큼 공급받는다고 생각할 수 있습니다. 한편, 리니어 레귤레이터는 ON / OFF하지 않으므로, 100% duty cycle, 즉 계속 입력이 공급되는 상태입니다. 마찬가지로 10V를 2.5V로 만들기 위해서는 차분의 7.5V에 해당하는 전력은 열로서 버려지게 됩니다. 스위칭 레귤레이터의 효율이 높은 이유는 이러한 구조적 차이점 때문입니다.

키 포인트

・DC 전압을 스위칭하여, 필요한 전력만을 출력으로 보내므로, 효율이 높다.

강압형 비동기 (다이오드) 정류 방식 스위칭 레귤레이터의 회로와 동작

그림 34는 그림 31을 조금 더 구체화한 것입니다. 이 회로는 비동기정류 방식 또는 다이오드 정류 방식이라고 합니다. S1은 스위치 (통상 트랜지스터)이며, S2는 다이오드로 대체되어 있지만 동작은 동일합니다. 적색 선이 S1=ON 시의 전류 경로, 녹색 선이 OFF 시의 경로입니다.

그림 34

그림 35는 각 부품에서의 전압과 전류 파형입니다. 앞에서 「DC/DC 변환의 프로세스는 DC를 일단 AC로 변환한 후 평활한다」고 설명했습니다. 여기에서 「AC (교류 : 주기적으로 크기와 정 / 부 (+ / -)가 변화)로 변환된 것인가」라는 의문을 가진다면, 인덕터의 파형을 보면 AC인 것을 알 수 있을 것입니다.

그림 35

참고로, 인덕터의 전류 파형이 기울어져 있는 것은 인덕터 전류의 변화율과 전압이 비례하므로, 전압을 인가하면 전류가 일정 기울기에 따라 증가하기 때문입니다. V = L × (dI/dt)로 나타낼 수 있습니다.

그림 36:구체적인 비동기정류 강압 회로와 스위치 ON 시의 전류 경로

그림 37:스위치 OFF 시의 전류 경로

그림 38

그림 36과 37은, 그림 35의 회로를 실제의 회로로 바꾸어 나타낸 것입니다. 스위치 S1은 MOSFET로 대체되며, S2는 쇼트키 다이오드로 대체되어 있습니다. 그림 35에서는 생략되어 있었던 비교 회로와 제어 회로도 표시되어 있습니다. 이미 눈치채신 분도 있으시겠지만, 이 회로는 리니어 레귤레이터의 동작 원리에서 설명한 귀환 제어 회로입니다. 출력전압은 내부의 비교 회로에 입력되어 기준전압과 비교됩니다. 여기에서는 비교 회로라는 표현을 사용했는데, 리니어 레귤레어터의 에러 앰프와 동일합니다. 리니어 레귤레이터에서는 에러 앰프의 출력이 직접적으로 출력 트랜지스터를 제어하여 연속적으로 루프 제어를 실행하지만, 스위칭 레귤레이터의 경우 에러 앰프의 출력은 스위치 (트랜지스터)의 ON / OFF 시간 (duty cycle)의 제어로 대체됩니다.

키 포인트

・DC/DC 변환은, DC를 스위칭하여 (출력에 필요한 에너지를 시간으로 나눔) AC로 변환 (인덕터 전압이 정 / 부로 진폭)하고, 그것을 정류 – 평활함으로써 다시 DC로 변환한다는 점을 이해한다.

・전류의 흐름에서 스위치와 인덕터의 역할을 이해한다. 각 노드에서의 파형을 잘 이해하지 않으면, 디버그할 수 없다.

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 기초