보충 – 동기정류 강압 컨버터 동작 시의 전류 경로

본 기사는 「스위칭 레귤레이터의 기초」 편의 「강압형 스위칭 레귤레이터의 동작 원리」에 관한 내용입니다. 「강압형 스위칭 레귤레이터의 동작 원리」에서는 「강압형 비동기 (다이오드) 정류 방식 스위칭 레귤레이터의 회로와 동작」에 대해 설명했습니다. 본 편에서는 이에 대한 보충으로서, 최근의 고효율 DC-DC 컨버터에서 표준이라고 할 수 있는 동기정류 방식 강압 컨버터 동작 시의 전류 경로에 대해 설명하겠습니다.

동기정류 강압 컨버터 동작 시의 전류 경로

먼저 확인해 두어야 할 것은, 동작 시의 전류 경로는 비동기정류나 동기정류나 기본적으로 동일하다는 점입니다. 동기정류는 비동기정류의 Low-side 스위치인 다이오드를 트랜지스터로 변경한 회로 방식이기 때문입니다. 이러한 사실을 전제로, 동기정류 강압 컨버터의 전류 경로와 주의점에 대해 설명하겠습니다.

■High-side 스위치 「ON」 시의 전류 경로

• 상기 회로도의 적색 선은 High-side 스위치 (실제로는 MOSFET) Q1=ON 시, 컨버터에 흐르는 주요 전류를 나타낸 것이다.
• C_BYPASS는 고주파용 디커플링 콘덴서, C_IN은 대용량 콘덴서.
• High-side 스위치 Q1이 ON 되는 순간에 흐르는 급격한 전류의 대부분은 C_BYPASS에서 공급되고, 다음으로 C_IN에서 공급된다.
• 완만하게 변화하는 전류는 입력전원에서 공급된다.

■Low-side 스위치 「ON」 시의 전류 경로

• 동기정류 방식은 High-side와 Low-side의 스위치가 교대로 ON / OFF된다.
• 상기 회로도의 적색 선은 High-side 스위치 Q1=OFF, Low-side 스위치 Q2=ON 시의 전류 흐름을 나타낸 것이다.
• 인덕터와 출력 콘덴서 C_O에 의해 출력전압 Vo가 평활화된다.
• 강압 컨버터는 출력에 인덕터가 직렬로 삽입되어 있으므로, 출력 콘덴서의 전류는 완만하다.

■스위칭 전류 파형
하기는 스위칭 전류 파형과 인덕터 전류 파형을 나타낸 것입니다. I_HG는 High-side 스위치, I_LG는 Low-side 스위치의 전류입니다. 상기 설명과 함께 참조하여 주십시오.

인덕터 전류 I_L은 I_HG와 I_LG의 합성 파형으로, 출력전류 I_O는 I_L의 평균치입니다.

■스위칭 전류와 PCB 레이아웃의 주의점
하기 회로도의 청색 선은 위에서 게재한 전류 경로에서 나타낸 스위치 ON / OFF 시에 흐르는 전류의 차분을 나타낸 것입니다.

이러한 전류에는 하기와 같은 특징이 있습니다.

• High-side 스위치 Q1이 OFF에서 ON으로, ON에서 OFF로 변화할 때마다 청색 선 부분의 전류는 급격하게 변동된다.
• 변화가 급격하므로, 고조파를 많이 포함한 파형이 나타난다.

따라서, PCB (기판) 레이아웃에 있어서는 이러한 차분의 시스템은 주의가 필요하며, 이론에 입각하여 레이아웃해야 합니다. 기판 레이아웃에 관해서는 설계편의 「DC-DC 컨버터의 기판 레이아웃」을 참고하여 주십시오.