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 변환의 경우 선형 또는 스위칭 의 두 가지 유형의 레귤레이터를 사용할 수 있습니다.
선형 레귤레이터는 선형 레귤레이터는 열의 형태에서 저효율 잃고 전력을 공급하는이 저항 전압 강하에 의한을 사용하여 출력을 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 벅 레귤레이터 회로에 대해 설명합니다. 이전 튜토리얼에서 이미 벅 레귤레이터 설계에 대해 설명했습니다. 여기서는 벅 컨버터의 다양한 측면과 효율성을 개선하는 방법에 대해 설명합니다.
벅과 부스트 레귤레이터의 차이점
벅 레귤레이터와 부스트 레귤레이터의 차이점은 벅 레귤레이터에서 인덕터, 다이오드 및 스위칭 회로의 배치가 부스트 레귤레이터와 다르다는 것입니다. 또한 부스트 레귤레이터의 경우 출력 전압이 입력 전압보다 높지만 벅 레귤레이터에서는 출력 전압이 입력 전압보다 낮습니다.
벅 토폴로지 또는 벅 컨버터는 SMPS에 사용되는 가장 사용되는 기본 토폴로지 중 하나입니다. 더 높은 전압을 더 낮은 출력 전압으로 변환해야하는 경우 인기있는 선택입니다.
부스트 레귤레이터와 마찬가지로 벅 컨버터 또는 벅 레귤레이터는 인덕터로 구성되지만 인덕터의 연결은 부스트 레귤레이터에 사용되는 입력 단계가 아닌 출력 단계에 있습니다.
따라서 많은 경우 요구 사항에 따라 낮은 전압을 높은 전압으로 변환해야합니다. 벅 레귤레이터는 전압을 높은 전위에서 낮은 전위로 변환합니다.
벅 컨버터 회로의 기본 설계
위의 이미지에는 인덕터, 다이오드, 커패시터 및 스위치가 사용되는 간단한 벅 레귤레이터 회로가 나와 있습니다. 입력은 스위치를 통해 직접 연결됩니다. 인덕터와 커패시터는 출력에 연결되므로 부하가 부드러운 출력 전류 파형을 얻습니다. 다이오드는 음의 전류 흐름을 차단하는 데 사용됩니다.
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 오프 단계 (스위치가 열려 있음)입니다.
스위치가 오랫동안 열린 위치에 있었다고 가정하면 회로의 전류는 0이고 전압이 없습니다.
이 상황 에서 스위치가 가까워지면 전류가 증가하고 인덕터가 전압을 생성합니다. 이 전압 강하는 출력에서 소스 전압을 최소화합니다. 잠시 후 전류 변화율이 감소하고 인덕터 양단의 전압도 감소하여 결국 부하 양단의 전압이 증가합니다. 인덕터는 자기장을 사용하여 에너지를 저장합니다.
따라서 스위치가 켜져있을 때 인덕터 양단의 전압은 V L = Vin-Vout입니다.
인덕터의 전류는 (Vin – Vout) / L 의 비율로 상승합니다.
인덕터를 통과하는 전류는 시간에 따라 선형 적으로 상승합니다. 선형 전류 상승률은 입력 전압에서 출력 전압을 뺀 값을 인덕턴스로 나눈 값에 비례합니다.
di / dt = (Vin-Vout) / L
인덕터의 충전 단계를 보여주는 상단 그래프. x 축은 t (시간)를 나타내고 Y 축은 i (인덕터를 통과하는 전류)를 나타냅니다. 전류는 스위치가 닫히거나 켜질 때 시간에 따라 선형 적으로 증가합니다.
이 시간 동안 전류가 여전히 변하는 동안 인덕터 양단에 항상 전압 강하가 발생합니다. 부하 양단의 전압은 입력 전압보다 낮습니다. 꺼진 상태에서 스위치가 열려있는 동안 입력 전압 소스는 분리되고 인덕터는 저장된 에너지를 부하로 전송합니다. 인덕터 전류 소스가 될 것이다 부하합니다.
다이오드 D1은 스위치가 꺼진 상태에서 인덕터를 통해 흐르는 전류의 복귀 경로를 제공합니다.
인덕터 전류는 –Vout / L 과 같은 기울기로 감소합니다.
벅 컨버터 작동 모드
벅 컨버터는 두 가지 모드로 작동 할 수 있습니다. 연속 모드 또는 불연속 모드.
연속 모드
연속 모드 에서는 인덕터가 완전히 방전되지 않고 인덕터가 부분적으로 방전되면 충전주기가 시작됩니다.
위의 이미지에서 인덕터 전류 (iI)가 선형으로 증가 할 때 스위치가 켜지면 스위치가 꺼지면 인덕터가 감소하기 시작하지만 인덕터가 부분적으로 방전되는 동안 스위치가 다시 켜지는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 연속 작동 모드입니다.
인덕터에 저장된 에너지는 E = (LI L 2) / 2입니다.
불연속 모드
불연속 모드 는 연속 모드와 약간 다릅니다. 불연속 모드에서 인덕터는 새로운 충전주기를 시작하기 전에 완전히 방전되었습니다. 인덕터는 스위치가 켜지 기 전에 완전히 0으로 방전됩니다.
불연속 모드에서는 스위치가 켜지면 위 이미지에서 볼 수 있듯이 인덕터 전류 (il)가 선형 적으로 증가하고 스위치가 꺼지면 인덕터가 감소하기 시작하지만 스위치는 인덕터 이후에만 켜집니다. 완전히 방전되고 인덕터 전류가 완전히 0이됩니다. 이것은 불연속 작동 모드입니다. 이 동작 에서 인덕터를 통한 전류 흐름은 연속적이지 않습니다.
벅 컨버터 회로를위한 PWM 및 듀티 사이클
이전 벅 컨버터 튜토리얼에서 논의했듯이 듀티 사이클을 변경하여 벅 레귤레이터 회로를 제어 할 수 있습니다. 이를 위해서는 기본적인 제어 시스템이 필요합니다. 연속 또는 불연속 모드에서 작동하는 오류 증폭기 및 스위치 제어 회로가 추가로 필요합니다.
따라서 완전한 벅 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 제어하는 오류 증폭기를 볼 수 있습니다. 가장 일반적인 제어 기술에는 회로의 듀티 사이클을 제어하는 데 사용되는 PWM 또는 펄스 폭 변조 기술이 포함됩니다.
제어 회로는 스위치가 열린 상태로 유지되는 시간을 제어하거나 인덕터가 충전 또는 방전되는 시간을 제어합니다.
이 회로는 작동 모드에 따라 스위치를 제어합니다. 출력 전압의 샘플을 가져와 기준 전압에서 빼서 작은 오류 신호를 생성 한 다음이 오류 신호를 발진기 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 벅 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.
벅 컨버터 회로의 효율성 향상
이제 효율성에 대해 조사 해보면 회로 내부에서 얼마나 많은 전력을 제공하고 출력에서 얼마나 많은 것을 얻을 수 있는지 살펴 보겠습니다. (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 강하는 전류 (Vf xi)를 곱한 값은 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 냉각하는 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 벅 레귤레이터 섹션에서 다양한 선택이 가능 합니다.
더 높은 효율성, 고정 설계 기술, 더 작은 구성 요소에도 불구하고 스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 노이즈가 많습니다. 그럼에도 불구하고 그들은 널리 인기가 있습니다.
벅 컨버터 설계 예제
이전에 MC34063을 사용하여 12V 입력 전압에서 5V 출력이 생성되는 벅 레귤레이터 회로를 만들었습니다. MC34063은 벅 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 벅 레귤레이터 회로가 75 ~ 78 %의 효율을 달성한다는 것을 알 수 있습니다. 적절한 PCB 기술을 사용하고 열 관리 절차를 통해 효율성을 더욱 높일 수 있습니다.
벅 레귤레이터 사용 예
- 저전압 애플리케이션의 DC 전원
- 휴대용 장비
- 오디오 장비
- 임베디드 하드웨어 시스템.
- 태양 광 시스템 등