전력은 모든 전자 프로젝트 / 장치의 중요한 부분입니다. 소스에 관계없이 일반적으로 전압 변환 / 스케일링 및 변환 (AC-DC / DC-DC)과 같은 전력 관리 작업을 수행해야합니다. 이러한 각 작업에 적합한 솔루션을 선택하는 것이 제품의 성공 (또는 실패)의 핵심이 될 수 있습니다. 거의 모든 종류의 장치에서 가장 일반적인 전원 관리 작업 중 하나는 DC-DC 전압 조정 / 스케일링입니다.. 여기에는 입력에서 DC 전압 값을 출력에서 더 높거나 낮은 값으로 변경하는 것이 포함됩니다. 이러한 작업을 수행하는 데 사용되는 구성 요소 / 모듈을 일반적으로 전압 조정기라고합니다. 일반적으로 입력 전압보다 높거나 낮은 일정한 출력 전압을 공급할 수 있으며 일반적으로 서로 다른 전압의 섹션이있는 설계의 구성 요소에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 또한 기존의 전원 공급 장치에도 사용됩니다.
전압 조정기 에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.
- 선형 레귤레이터
- 스위칭 레귤레이터
선형 전압 조정기 는 일반적으로 스텝 다운 조정기이며 임피던스 제어를 사용하여 출력에서 입력 전압의 선형 감소를 생성합니다. 그들은 일반적으로 매우 저렴하지만 규제 중에 많은 에너지가 열로 손실되므로 비효율적입니다. 반면 스위칭 레귤레이터 는 아키텍처에 따라 입력에 적용되는 전압을 높이거나 낮출 수 있습니다. 조정기 출력에서 사용 가능한 전압을 제어하는 트랜지스터의 온 / 오프 스위칭 프로세스를 사용하여 전압 조정을 수행합니다. 선형 레귤레이터에 비해 스위칭 레귤레이터는 일반적으로 더 비싸고 훨씬 효율적입니다.
오늘의 기사에서는 스위칭 레귤레이터에 초점을 맞추고 제목이 알려 지듯이 프로젝트를위한 스위칭 레귤레이터를 선택할 때 고려해야 할 요소를 살펴 보겠습니다.
프로젝트의 다른 부분 (핵심 기능, RF 등)의 복잡성으로 인해 전원 공급을위한 조정기 선택은 일반적으로 설계 프로세스가 끝날 때까지 남은 작업 중 하나입니다. 오늘의 기사에서는 시간이 제한된 설계자 에게 스위칭 레귤레이터의 사양에서 무엇을 찾아야하는지에 대한 팁 을 제공 하여 특정 사용 사례에 적합한 지 확인하려고합니다. 다양한 제조업체가 온도, 부하 등과 같은 매개 변수에 대한 정보를 제공하는 다양한 방식을 해석하는 방법에 대한 세부 정보도 제공됩니다.
스위칭 조정기의 유형
기본적으로 세 가지 유형의 스위칭 레귤레이터가 있으며 고려해야 할 요소는 애플리케이션에 사용할 유형에 따라 다릅니다. 세 가지 유형은 다음과 같습니다.
- 벅 레귤레이터
- 부스트 레귤레이터
- 벅 부스트 레귤레이터
1. 벅 레귤레이터
강압 레귤레이터 또는 벅 컨버터 라고도하는 벅 레귤레이터 는 가장 널리 사용되는 스위칭 레귤레이터입니다. 그들은하는 능력이 스텝 - 다운 전압 출력에서 낮은 전압 입력에 적용 하였다. 따라서 정격 입력 전압은 일반적으로 정격 출력 전압보다 높습니다. 벅 컨버터의 기본 회로도는 다음과 같습니다.
레귤레이터의 출력은 트랜지스터의 켜짐 및 꺼짐 전환으로 인한 것이며 전압 값은 일반적으로 트랜지스터 듀티 사이클의 함수입니다 (트랜지스터가 모든 전체 사이클에서 켜진 시간). 출력 전압은 듀티 사이클이 결코 1과 같을 수 없기 때문에 출력 전압이 항상 입력 전압보다 낮다는 것을 추론 할 수있는 아래 방정식으로 주어집니다. 따라서 벅 레귤레이터는 설계의 한 단계와 다른 단계 사이에 공급 전압 감소가 필요할 때 사용됩니다. 여기에서 벅 레귤레이터의 설계 기본 사항 및 효율성에 대해 자세히 알아보고 벅 컨버터 회로를 구축하는 방법에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.
2. 부스트 레귤레이터
부스트 레귤레이터 또는 부스트 컨버터 는 벅 레귤레이터와 정반대의 방식으로 작동합니다. 출력에서 입력 전압보다 높은 전압을 전달합니다. 벅 레귤레이터와 마찬가지로 스위칭 트랜지스터 동작을 사용하여 출력에서 전압을 높이고 일반적으로 벅 레귤레이터에 사용되는 동일한 구성 요소로 구성되며 유일한 차이점은 구성 요소의 배열입니다. 부스트 레귤레이터에 대한 간단한 회로도는 다음과 같습니다.
여기에서 부스트 레귤레이터의 설계 기본 사항과 효율성에 대해 자세히 알아볼 수 있으며이 부스트 컨버터 회로를 따라 하나의 부스트 컨버터를 구축 할 수 있습니다.
3. 벅-부스트 레귤레이터
마지막으로 벅 부스트 레귤레이터가 있습니다. 이름에서 볼 때 입력 전압에 부스트 및 벅 효과를 모두 제공 한다고 추론하기 쉽습니다. 벅 - 부스트 컨버터는 듀티 사이클에 기초하여 상기 입력 전압보다 크거나 작을 수있다 반전 (음)의 출력 전압을 생성한다. 기본 벅-부스트 스위치 모드 전원 공급 장치 회로는 다음과 같습니다.
벅-부스트 컨버터는 인 버팅 컨버터가 인덕터 L1에 의해 저장된 에너지 만 부하로 전달하는 부스트 컨버터 회로의 변형입니다.
이 세 가지 스위칭 레귤레이터 유형 중 하나를 선택하는 것은 설계중인 시스템에 필요한 사항에 따라 달라집니다. 사용할 레귤레이터의 유형에 관계없이 레귤레이터의 사양이 설계 요구 사항을 충족하는지 확인하는 것이 중요합니다.
스위칭 레귤레이터를 선택할 때 고려해야 할 요소
스위칭 조정기의 설계는 사용되는 전력 IC에 따라 크게 달라 지므로 고려할 대부분의 요소는 사용되는 전력 IC의 사양입니다. 애플리케이션에 적합한 것을 선택하려면 Power IC의 사양과 그 의미를 이해하는 것이 중요합니다.
애플리케이션에 관계없이 다음 요소를 확인하면 선택에 소요되는 시간을 줄이는 데 도움이됩니다.
1. 입력 전압 범위
이는 IC에서 지원하는 허용 가능한 입력 전압 범위를 나타냅니다.. 일반적으로 데이터 시트에 지정되며 설계자로서 애플리케이션의 입력 전압이 IC에 지정된 입력 전압 범위 내에 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 특정 데이터 시트는 최대 입력 전압에 대해서만 지정할 수 있지만 가정하기 전에 데이터 시트에서 최소 입력 범위에 대한 언급이 없는지 확인하는 것이 좋습니다. 최대 입력 전압보다 높은 전압이 가해지면 IC는 일반적으로 고갈되지만 최소 입력 전압보다 낮은 전압이 적용되면 일반적으로 작동이 중지되거나 비정상적으로 작동하며, 모두 제자리에있는 보호 조치에 따라 다릅니다. 입력에서 범위를 벗어난 전압이 공급 될 때 IC 손상을 방지하기 위해 일반적으로 적용되는 보호 조치 중 하나는 UVLO (Under-Voltage Lock Out)입니다.이것이 가능한지 확인하는 것도 디자인 결정에 도움이 될 수 있습니다.
2. 출력 전압 범위
스위칭 레귤레이터에는 일반적으로 가변 출력이 있습니다. 출력 전압 범위는 필요한 출력 전압을 설정할 수있는 전압 범위를 나타냅니다. 가변 출력 옵션이없는 IC에서는 일반적으로 단일 값입니다. 필요한 출력 전압이 IC에 대해 지정된 범위 내에 있고 필요한 최대 출력 전압 범위와 필요한 출력 전압 간의 차이로 안전 계수가 좋은지 확인하는 것이 중요합니다. 일반적으로 최소 출력 전압은 내부 기준 전압보다 낮은 전압 레벨로 설정할 수 없습니다. 애플리케이션 (벅 또는 부스트)에 따라 최소 출력 범위는 입력 전압 (부스트)보다 크거나 입력 전압 (벅)보다 작을 수 있습니다.
3. 출력 전류
이 용어는 IC가 설계된 전류 정격을 나타냅니다. 이는 본질적으로 IC가 출력에서 공급할 수있는 전류의 양을 나타냅니다. 일부 IC의 경우 최대 출력 전류 만 안전 수단으로 지정되며 설계자가 레귤레이터가 애플리케이션에 필요한 전류를 전달할 수 있는지 확인하는 데 도움이됩니다. 다른 IC의 경우 최소 및 최대 정격이 모두 제공됩니다. 이는 애플리케이션의 전원 관리 기술을 계획하는 데 매우 유용 할 수 있습니다.
IC의 출력 전류를 기준으로 레귤레이터를 선택할 때 애플리케이션에 필요한 최대 전류와 레귤레이터의 최대 출력 전류 사이에 안전 여유가 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 조정기의 최대 출력 전류가 필요한 출력 전류보다 최소 10 ~ 20 % 더 높은지 확인하는 것이 중요합니다. IC가 최대 수준에서 지속적으로 작동 할 때 많은 양의 열을 생성하고 열에 의해 손상 될 수 있기 때문입니다.. 또한 IC의 효율성은 최대로 작동 할 때 감소합니다.
4. 작동 온도 범위
이 용어는 조절기가 제대로 작동하는 온도 범위를 나타냅니다. 이것은면에서 정의되어 주변 온도 탄탈 (Ta) 또는 접합 온도 (TJ) 중 하나. TJ 온도는 트랜지스터의 최고 작동 온도를 나타내며 주변 온도는 장치 주변 환경의 온도를 나타냅니다.
작동 온도 범위가 주변 온도로 정의 된 경우 반드시 전체 온도 범위에서 레귤레이터를 사용할 수 있다는 의미는 아닙니다. 안전 계수와 계획된 부하 전류 및 이에 수반되는 열을 고려하는 것이 중요합니다.이 값과 주변 온도의 조합은 또한 초과해서는 안되는 접합 온도를 구성하기 때문입니다. 과도한 열은 비정상적인 작동과 조정기의 치명적인 고장으로 이어질 수 있으므로 작동 온도 범위 내에 머무르는 것은 조정기의 적절하고 지속적인 작동에 중요합니다.따라서 장치가 사용될 환경의 주변 열에주의를 기울이고 지정된 작동 온도 범위를 결정하기 전에 부하 전류의 결과로 장치에서 발생할 수있는 열의 양을 결정하는 것이 중요합니다. 레귤레이터가 당신을 위해 일합니다. 특정 레귤레이터는 극도로 추운 조건에서도 고장날 수 있으며 애플리케이션이 추운 환경에 배포되는 경우 최소 온도 값에주의를 기울일 가치가 있습니다.
5. 스위칭 주파수
스위칭 주파수는 스위칭 레귤레이터에서 제어 트랜지스터가 켜지고 꺼지는 속도를 나타냅니다. 펄스 폭 변조 기반 레귤레이터에서 주파수는 일반적으로 펄스 주파수 변조에있는 동안 고정됩니다.
스위칭 주파수는 리플, 출력 전류, 최대 효율 및 응답 속도와 같은 레귤레이터의 매개 변수에 영향을줍니다. 스위칭 주파수에 대한 설계는 항상 일치하는 인덕턴스 값을 사용하므로 스위칭 주파수가 다른 두 개의 유사한 레귤레이터의 성능이 달라집니다. 서로 다른 주파수에서 두 개의 유사한 레귤레이터를 고려하면 예를 들어 고주파 레귤레이터의 레귤레이터에 비해 낮은 주파수에서 작동하는 레귤레이터의 최대 전류가 낮다는 것을 알 수 있습니다. 또한 리플과 같은 매개 변수는 저주파에서 높고 레귤레이터의 응답 속도는 낮고 고주파에서 리플은 낮고 응답 속도는 높습니다.
6. 소음
스위칭 레귤레이터와 관련된 스위칭 동작은 특히 RF 구성 요소와 오디오 신호가있는 시스템에서 전체 시스템의 성능에 영향을 미칠 수있는 잡음 및 관련 고조파를 생성합니다. 노이즈는 필터 등을 통해 줄일 수 있지만 실제로는 노이즈에 민감한 회로에서 신호 대 노이즈 비율 (SNR)을 줄일 수 있습니다. 따라서 레귤레이터에서 생성되는 노이즈의 양이 시스템의 전체 성능에 영향을주지 않는지 확인하는 것이 중요합니다.
7. 효율성
효율성은 오늘날 모든 전력 솔루션 설계에서 고려해야 할 중요한 요소입니다. 이는 본질적으로 입력 전압에 대한 출력 전압 의 비율입니다. 이론적으로 스위칭 레귤레이터의 효율은 100 %이지만 실제로는 FET 스위치의 저항, 인덕터 및 출력 커패시터의 다이오드 전압 강하 및 ESR이 레귤레이터의 전체 효율을 감소시키기 때문에 실제로는 그렇지 않습니다. 대부분의 최신 레귤레이터는 넓은 작동 범위에서 안정성을 제공하지만 효율성은 사용에 따라 달라지며 예를 들어 출력에서 끌어온 전류가 증가하면 크게 감소합니다.
8. 부하 조절
부하 조정은 부하 요구 사항의 변화에 관계없이 출력에서 일정한 전압을 유지하는 전압 조정기의 능력을 측정 한 것입니다.
9. 포장 및 크기
요즘 하드웨어 솔루션 설계의 일반적인 목표 중 하나는 가능한 한 크기를 줄이는 것입니다.. 이것은 본질적으로 전자 부품의 크기를 줄이고 장치의 각 섹션을 구성하는 부품 수를 항상 줄이는 것을 포함합니다. 소형 전원 시스템은 프로젝트의 전체 크기를 줄이는 데 도움이 될뿐만 아니라 추가 제품 기능을 제한 할 수있는 공간을 만드는데도 도움이됩니다. 프로젝트의 목표에 따라 원하는 폼 팩터 / 패키지 크기를 확인하십시오. 공간 예산에 맞을 것입니다. 이 요소를 기반으로 선택하는 동안 레귤레이터가 작동하는 데 필요한 주변 구성 요소의 크기를 고려하는 것도 중요합니다. 예를 들어 고주파 IC를 사용하면 커패시턴스가 낮은 출력 커패시터와 인덕터를 사용할 수 있으므로 부품 크기가 줄어들고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
이 모든 사항을 식별하고 설계 요구 사항과 비교하면 어떤 규제 기관을 넘어야하고 어떤 규제가 설계에 포함되어야하는지 빠르게 결정하는 데 도움이됩니다.
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다음 시간까지.