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2018.12.06 DC/DC

동기정류 방식과 비동기정류 방식의 차이점

스위칭 레귤레이터의 기초

DC/DC 컨버터의 비절연형 강압 스위칭 레귤레이터에는 비동기정류 (다이오드) 방식과 동기정류 방식이 있습니다. 비동기정류 방식은 비교적 오래전부터 사용된 방식으로 스위칭 레귤레이터로서는 회로가 심플하지만, 효율은 80%를 조금 넘는 정도였습니다. 그 후, 노트북 등 배터리 구동에서 비교적 큰 전력을 필요로 하는 어플리케이션이 한층 더 높은 효율을 필요로 함에 따라, 고효율을 얻을 수 있는 동기정류 방식의 스위칭 레귤레이터용 IC가 지속적으로 개발되었습니다. 또한, 제어 및 회로가 복잡한 동기정류 방식의 설계가 용이해짐에 따라, 서서히 주류가 되었습니다. 동기정류 방식은 최대 95%에 가까운 효율을 얻을 수 있습니다.

그림 39와 40은 각 방식의 회로 개요와 동작을 나타낸 것입니다.



그림 39



그림 40

그림 41

차이점은 그림과 같이, 비동기정류 방식의 경우 하측 스위치에는 다이오드가 사용되고, 동기정류 방식에서는 S1과 같이 트랜지스터가 사용되는 점입니다. 비동기정류 방식은 상측 트랜지스터의 ON / OFF에 따라 다이오드에 전류가 흐르거나 흐르지 않습니다. 동기정류 방식은 기본 동작은 동일하지만, 하측 스위치의 ON / OFF도 제어 회로가 실행합니다. 양쪽이 동시에 ON하면, VIN에서 GND에 직접적으로 전류가 흐르게 되므로, 반드시 양쪽이 OFF인 시간, 데드타임이라는 타이밍을 설정해야 하는 등 복잡한 제어가 필요합니다. 그러나, 동기정류 방식이 비동기 방식보다 효율이 좋은 것은, 하측의 스위치에 트랜지스터 (특히 MOSFET)를 사용하여 다이오드에서 발생하는 손실을 대폭 개선하고, 최적의 타이밍을 조작할 수 있기 때문입니다.

각 방식의 손실과 효율에 대해 조금 더 설명하겠습니다. 두 회로 모두 전류가 스위치를 통해 흐르므로 스위치에서의 손실이 있으며, 이것이 효율에 영향을 미칩니다. 다이오드 손실은 순방향 전압 VF, 트랜지스터의 경우에는 포화 전압 및 ON 저항이 됩니다. 다이오드의 VF는 전류에 따라 증가하고, VF가 낮은 쇼트키 다이오드의 경우에도 1A 시의 VF는 0.3~0.5V정도입니다. 반면에, 예를 들어 Nch-MOSFET의 ON 저항은 50mΩ 정도로 매우 낮아, 전압 강하를 계산하면 1A에서 50mV로 다이오드의 VF보다 훨씬 낮다는 사실을 알 수 있습니다.

그림 42

특히 12V에서 1.5V로 강압하는 등 강압비가 높은 경우에는 하측 스위치의 ON 시간이 길어져 사이클의 90% 가까이 차지하게 됩니다. 비동기정류 방식의 경우, 하측의 스위치는 다이오드이므로, 약 90%의 기간, VF 분의 손실이 발생하게 됩니다. 1.5V의 출력에 대해 0.5V의 손실이 발생하는 것이므로, 효율에 대한 영향이 커집니다. (그림 41 참조)

또 한가지 큰 차이점은, 경부하 시의 동작입니다. 그림 42의 주황색과 녹색 화살표는 경부하 시의 비동기정류 방식 (주황색)과 동기정류 방식 (녹색) 인덕터 전류를 나타냅니다. 인덕터 전류는 그림과 같이 스위칭에 따라 삼각파가 됩니다. 부하 전류가 매우 적어지면, 인덕터 전류가 제로 크로스하는 레벨까지 강하합니다. 이 상태가 되면, 비동기 방식은 다이오드이므로 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하기 때문에 주황색 파형과 같이 마이너스 영역에 들어간 파형의 전류가 소멸되어 전류 파형으로서는 zero 기간이 있는, 중간중간이 끊긴 상태가 됩니다. 이를 불연속 모드라고 합니다. 한편, 동기정류 방식은 트랜지스터이므로 역류가 가능하여 마이너스 영역의 전류가 계속됩니다. 이러한 동작을 연속 모드라고 합니다.

불연속 모드가 되면, 스위치 전압에 링잉 (ringing)이 발생하여, 고조파 노이즈가 방출됩니다. 동기정류 방식은 연속된 인덕터 전류를 유지함으로써 안정된 동작이 지속됩니다. 단, 역전류는 출력 콘덴서로부터 공급되므로, 효율이 약간 저하됩니다.

전체로서는 회로의 복잡함, 비용, 효율, 링잉으로 인한 고조파 노이즈의 트레이드 오프 관계를 검토하여, 어느 방식이 적절한가를 판단한 후에 선택하게 됩니다.

키 포인트

・대표적인 2가지 방식이므로, 구성과 동작의 차이점을 파악해 둔다.
 – 동기 동작과 비동기 동작
 – 연속 모드와 불연속 모드
 – 장점과 단점

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 기초