전자 제품에서 레귤레이터는 전력 출력을 지속적으로 조절할 수있는 장치 또는 메커니즘입니다. 전원 공급 장치 영역에서 사용할 수있는 다양한 종류의 조정기가 있습니다. 그러나 주로 DC-DC 변환 의 경우 선형 또는 스위칭 의 두 가지 유형의 레귤레이터를 사용할 수 있습니다.
선형 레귤레이터는 선형 레귤레이터는 열의 형태에서 저효율 잃고 전력이 제공에 저항성 전압 강하를 이용하여 출력 기인을 조절한다.
다른 쪽 스위칭 레귤레이터 는 인덕터, 다이오드 및 전원 스위치를 사용하여 소스에서 출력으로 에너지를 전송합니다.
세 가지 유형의 스위칭 조정기를 사용할 수 있습니다.
1. 승압 컨버터 (부스트 레귤레이터)
2. 강압 컨버터 (벅 레귤레이터)
3. 인버터 (플라이 백)
이 튜토리얼에서는 스위칭 부스트 레귤레이터 회로에 대해 설명합니다. 이전 튜토리얼에서 이미 부스트 레귤레이터 설계에 대해 설명했습니다. 여기에서는 부스트 컨버터의 다양한 측면과 효율성을 개선하는 방법에 대해 설명합니다.
부스트 컨버터 회로의 기본 설계
대부분의 경우 요구 사항에 따라 낮은 전압을 높은 전압으로 변환해야합니다. 부스트 레귤레이터는 전압을 낮은 전위에서 높은 전위로 높입니다.
위 이미지 에는 인덕터, 다이오드, 커패시터 및 스위치가 사용되는 간단한 부스트 레귤레이터 회로 가 나와 있습니다.
인덕터의 목적은 전원 스위치를 통해 흐르는 전류 슬 루율을 제한하는 것입니다. 스위치 저항에 의해 피할 수없는 과잉 피크 전류를 개별적으로 제한합니다.
또한, 인덕터 에너지를 저장, 줄 (Joule)로 측정 한 에너지 E = (L * I 2 / 2)
앞으로의 이미지와 그래프에서 인덕터가 에너지를 전달하는 방법을 이해할 것입니다.
스위칭 부스트 레귤레이터의 경우 두 단계가 있습니다. 하나는 인덕터 충전 단계 또는 스위치 온 단계 (스위치가 실제로 닫힘)이고 다른 하나는 방전 단계 또는 스위치 꺼짐 단계 (스위치가 열려 있음)입니다.
스위치가 오랫동안 열린 위치에 있었다고 가정 하면 다이오드 양단의 전압 강하는 음수이고 커패시터 양단의 전압은 입력 전압과 같습니다. 이 상황 에서 스위치가 닫히면 Vin은 인덕터에서 두려워합니다. 다이오드는 스위치를 통해 접지로의 커패시터 방전을 방지합니다.
인덕터를 통과하는 전류는 시간에 따라 선형 적으로 상승합니다. 선형 전류 상승률은 입력 전압을 인덕턴스로 나눈 값에 비례합니다. di / dt = 인덕터 양단의 전압 / 인덕턴스
위쪽 그래프에서 인덕터의 충전 단계를 보여줍니다. x 축은 t (시간)를 나타내고 Y 축은 I (인덕터를 통과하는 전류)를 나타냅니다. 전류는 스위치가 닫히거나 켜질 때 시간에 따라 선형 적으로 증가합니다.
이제 스위치가 다시 꺼 지거나 열리면 인덕터 전류가 다이오드를 통해 흐르고 출력 커패시터를 충전합니다. 출력 전압이 상승하면 인덕터를 통과하는 전류 기울기가 반전됩니다. 인덕터를 통한 전압 = L * (di / dt) 에 도달 할 때까지 출력 전압이 상승 합니다.
시간에 따른 인덕터 전류 강하율은 인덕터 전압에 정비례합니다. 인덕터 전압이 높을수록 인덕터를 통한 전류 강하가 빨라집니다.
위 그래프에서 인덕터 전류는 스위치가 꺼지면 시간이 지남에 따라 감소합니다.
스위칭 레귤레이터가 정상 상태 작동 상태에있을 때 전체 스위칭주기 동안 인덕터의 평균 전압은 0입니다. 이 상태에서 인덕터를 통과하는 평균 전류도 정상 상태입니다.
인덕터 충전 시간이 Ton이고 회로에 입력 전압이 있다고 가정하면 출력 전압에 대해 특정 Toff 또는 방전 시간이 있습니다.
평균 인덕터 전압이 정상 상태에서 0과 같으므로 다음 용어를 사용하여 부스트 회로를 구성 할 수 있습니다.
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (톤 / Toff)
출력 전압이 입력 전압 및 평균 인덕터 전압 (Vout = Vin + VL) 과 같으므로
우리는 이렇게 말할 수 있습니다.
Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
듀티 사이클을 사용하여 Vout을 계산할 수도 있습니다.
듀티 사이클 (D) = Ton / (Ton + Toff)
부스트 스위칭 레귤레이터의 경우 Vout은 Vin / (1 – D)입니다.
부스트 컨버터 회로를위한 PWM 및 듀티 사이클
듀티 사이클을 제어하면 부스트 컨버터의 정상 상태 출력을 제어 할 수 있습니다. 따라서 듀티 사이클 변동의 경우 스위치 전체에 제어 회로를 사용합니다.
따라서 완전한 기본 부스트 레귤레이터 회로의 경우 듀티 사이클을 변경하는 추가 회로가 필요하므로 인덕터가 소스에서 에너지를받는 시간이 달라집니다.
위의 이미지에서 피드백 경로를 사용하여 부하 전체의 출력 전압을 감지하고 스위치를 제어 하는 오류 증폭기 를 볼 수 있습니다. 가장 일반적인 제어 기술에는 회로의 듀티 사이클을 제어하는 데 사용되는 PWM 또는 펄스 폭 변조 기술이 포함됩니다.
제어 회로 를 제어하는 시간 스위치는 부하에 의해 소비되는 전류에 따라 개폐 남아있다. 이 회로는 또한 정상 상태에서 연속 작동을 위해 사용됩니다. 출력 전압의 샘플을 가져와 기준 전압에서 빼서 작은 오류 신호를 생성 한 다음이 오류 신호를 오실레이터 램프 신호와 비교하고 비교기 출력에서 PWM 신호가 스위치를 작동하거나 제어합니다. 회로.
출력 전압이 변경되면 오류 전압도 영향을받습니다. 오류 전압 변화로 인해 비교기는 PWM 출력을 제어합니다. PWM은 또한 출력 전압이 제로 오류 전압을 생성 할 때 위치로 변경되며이를 통해 폐쇄 제어 루프 시스템이 작업을 실행합니다.
다행히도 대부분의 최신 스위칭 부스트 레귤레이터는 IC 패키지 내부에이 기능이 내장되어 있습니다. 따라서 최신 스위칭 레귤레이터를 사용하여 간단한 회로 설계가 가능합니다.
기준 피드백 전압은 저항 분배기 네트워크를 사용하여 수행됩니다. 이것은 인덕터, 다이오드 및 커패시터와 함께 필요한 추가 회로입니다.
부스트 컨버터 회로의 효율성 향상
이제 효율성에 대해 조사 해보면 회로 내부에서 얼마나 많은 전력을 제공하고 출력에서 얼마나 많은 것을 얻을 수 있는지가됩니다.
(Pout / Pin) * 100 %
에너지는 생성되거나 파괴 될 수 없으므로 변환 만 가능하며 대부분의 전기 에너지는 사용하지 않는 전력을 열로 변환합니다. 또한 실제 현장에는 이상적인 상황이 없으며 효율은 전압 조정기를 선택하는 데 더 큰 요소입니다.
스위칭 레귤레이터 의 주요 전력 손실 요인 중 하나 는 다이오드입니다. 순방향 전압 강하 시간 전류 (Vf xi)는 사용되지 않은 전력으로 열로 변환되어 스위칭 조정기 회로의 효율성을 감소시킵니다. 또한 방열판을 사용하는 열 / 열 관리 기술의 경우 회로에 추가 비용이 발생하거나 방열 된 열로부터 회로를 냉각시키는 팬이 있습니다. 순방향 전압 강하뿐만 아니라 실리콘 다이오드의 역 회복도 불필요한 전력 손실과 전체 효율 감소를 초래합니다.
표준 복구 다이오드를 피하는 가장 좋은 방법 중 하나는 순방향 전압 강하가 낮고 역 복구가 우수한 다이오드 대신 쇼트 키 다이오드를 사용하는 것입니다. 최대 효율이 필요한 경우 MOSFET을 사용하여 다이오드를 교체 할 수 있습니다. 현대 기술에서는 90 % 이상의 효율을 쉽게 제공하는 스위칭 부스트 레귤레이터 섹션에서 다양한 선택을 할 수 있습니다.
또한 많은 최신 장치에서 사용되는 "Skip Mode"기능이있어 매우 경부 하에서 스위칭 할 필요가 없을 때 레귤레이터가 스위칭 사이클을 건너 뛸 수 있습니다. 경부 하 조건에서 효율성을 향상시키는 좋은 방법입니다. 스킵 모드에서 스위칭 사이클은 출력 전압이 조절 임계 값 아래로 떨어질 때만 시작됩니다.
더 높은 효율성, 고정 설계 기술, 더 작은 구성 요소에도 불구하고 스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 노이즈가 많습니다. 그럼에도 불구하고 그들은 널리 인기가 있습니다.
부스트 컨버터 설계 예제
이전에는 3.7V 입력 전압에서 5V 출력이 생성되는 MC34063을 사용하여 부스트 레귤레이터 회로를 만들었습니다. MC34063은 부스트 레귤레이터 구성에 사용 된 스위칭 레귤레이터입니다. 인덕터, 쇼트 키 다이오드 및 커패시터를 사용했습니다.
위 이미지에서 Cout은 출력 커패시터이며 스위칭 레귤레이터의 기본 구성 요소 인 인덕터와 쇼트 키 다이오드도 사용했습니다. 사용되는 피드백 네트워크도 있습니다. R1 및 R2 저항은 비교기의 PWM 및 오류 증폭 단계에 필요한 전압 분배기 회로를 생성합니다. 비교기의 기준 전압은 1.25V입니다.
프로젝트를 자세히 살펴보면이 MC34063 스위칭 부스트 레귤레이터 회로가 70-75 % 효율을 달성 한 것을 볼 수 있습니다. 적절한 PCB 기술을 사용하고 열 관리 절차를 통해 효율성을 더욱 높일 수 있습니다.