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스위칭 레귤레이터는 최소의 소자로 매우 간단하게 정전압회로를 만들 수 있게 만든 소자입니다. 스위칭 레귤레이터는 리니어 레귤레이터에 비해 발열이 적으며 더 큰 전류 부하를 견딜 수 있다는 점에서 장점이지만 리니어 레귤레이터에 비해 회로의 면적을 많이 차지한다는 단점이 있습니다.
스위칭 레귤레이터 (Switching Regulator) : 네이버 블로그
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스위칭 레귤레이터 기초 배우기 | 반도체네트워크
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강압 동작 원리
본 편에서는 가장 이용 빈도가 높은 강… - Table of Contents:
DC/DC컨버터 – 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터
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DC/DC 스위칭 레귤레이터 | TI.com
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DC/DC 스위칭 레귤레이터 | TI.com
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스위칭레귤레이터(GS5256MF) / 디바이스마트
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– Google Patents
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– Google Patents 집적 회로 상에 형성된 벅 스위칭 레귤레이터(buck switching regulator)는 입력 전압을 수신하며, 고정적인 온-타임(constant on-time) 및 가변적인 오프-타임의 …
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# 전원 IC의 종류 / 리니어 레귤레이터 & 스위칭 레귤레이터 알아보기
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스위칭 레귤레이터 기초 배우기
스위칭 레귤레이터 기초 배우기
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강압 동작 원리
본 편에서는 가장 이용 빈도가 높은 강압형 스위칭 레귤레이터를 예로 들어 동작 원리에 대해 설명한다. 강압 DC/DC 변환은 VIN이라는 DC 전압을 스위칭하여 시간 분할하고, 다음으로 인덕터와 콘덴서를 통해 평활화함으로써 원하는 DC 전압으로 변환한다. 그림 1은 강압 DC/DC 변환의 개념적인 회로와 동작을 나타낸 것이다.
[그림 1]강압 DC/DC 변환의 개념적 회로도와 동작
① S1 = ON, S2 = OFF 시, L1에 VIN 인가
② S1 = OFF, S2 = ON 시, L1은 GND로 접속
③ VIN(DC)을 VIN-GND의 펄스로 변환
④ C1에서 평균화되어 DC로 변환
PWM 동작으로 설명하자면, S1 = ON/S2 = OFF일 때 VIN을 공급하는 시간을 25%, S1 = OFF/S2 = ON일 때 0V(GND) 상태를 75% 펄스 주기로 하여, 그 펄스를 평균화하면 25%의 DC가 된다. VIN이 10V일 경우, Vo는 25%인 2.5V가 된다.
[그림 2]그림 2와 같이 실제로는 PWM 동작에 따라 평균화된 출력의 부하 전류가 변동하므로, ON 시간이 계속 일정하면 부하 전류에 의존하여 전압이 변동되게 된다. 이러한 경우 레귤레이터의 역할을 할 수 없으므로, 출력이 저하되면 ON 시간을 늘려 입력으로부터 더 많은 에너지를 공급받아 출력전압을 상승시킨다. 출력전압이 충분히 회복되면, ON 시간을 줄여 출력의 상승을 억제한다.
하기 회로는 개념도를 실제 회로로 치환하여 나타낸 것이다. 스위치 S1은 MOSFET로, S2는 쇼트키 다이오드로 치환되었으며, 개념도에서는 생략되었던 비교 회로와 제어 회로도 표시되어 있다. 이 회로는 비동기 또는 다이오드 정류 방식으로 불리우는 대표적인 스위칭 강압 회로이다.
[그림 3]강압 스위칭 레귤레이터의 동작
① 출력전압이 설정 전압과 동일한지 기준전압과 비교한다.
② 설정 전압보다 낮은 경우에는, 스위치가 ON되어 입력에서 출력으로 전력을 공급한다.
③ 이때, 인덕터에 자기 에너지가 축적된다.
④ 출력전압이 설정 전압보다 높아지면 스위치가 OFF된다.
⑤ 인덕터에 축적된 자기 에너지가 전류로 변환되어 출력 부하로 공급되고, 다시 인덕터로 돌아온다.
⑥ 인덕터의 자기 에너지가 소모되어, 출력전류가 낮아지면 다시 스위치가 ON된다.
그림 4는 실제 전류 및 전압의 스위칭 파형이다. S1은 MOSFET의 스위칭 트랜지스터, D1은 쇼트키 다이오드, L1은 인덕터, C1은 출력전압, VIN은 입력 전압이다.
본 편에서는 복습을 겸하여 기본적인 스위칭 레귤레이터의 동작에 대해 설명하였다. 이러한 기본적인 동작에 대해 잘 이해할 필요가 있으며, 실제 평가 시에는 각 노드의 전류 및 전압 파형 등을 확인해야 한다.
[그림 4]동기 방식과 비동기 방식의 차이점
스위칭 레귤레이터의 종류와 동작 원리에 이어, DC/DC 컨버터의 변환 방식인 동기정류 방식과 비동기정류 방식의 차이점에 대해 설명한다. 각각 장단점이 있으므로, 전원 요구 사양에 따라 잘 구분하여 사용해야 한다. 회로 구성의 차이점으로는, 그림 5와 같이 스위치 2가 다이오드인지 트랜지스터인지가 다르다.
비동기정류는 다이오드 정류라고도 하며, 상측 트랜지스터의 ON/OFF에 따라 다이오드가 도통/차단, 즉 전류가 흐르거나 흐르지 않거나 한다. 이는 동작 원리 부분에서 설명한 바와 같다. 비동기 방식은 심플하고 견고하므로 산업기기 등에서 높은 실적을 보유한 방식이다.
반면에 동기정류는 기본적인 동작은 동일하지만, 하측 스위치의 ON/OFF도 제어 회로가 담당한다. 양쪽이 동시에 ON되면 Vin에서 GND로 직접 전류가 흘러 트랜지스터가 파괴될 가능성이 있으므로, 반드시 양쪽이 OFF가 되는 데드 타임을 설정하는 등의 복잡한 제어가 필요하다. 그러나, 동기정류 방식은 비동기정류 방식에 비해 높은 효율을 얻을 수 있으므로, 배터리 구동 기기의 동작 시간 연장에 크게 기여할 수 있다.
[그림 5a]동기 정류① S1 = ON 시, S2를 OFF한다.
② S1 = OFF 시, S2를 ON한다.
③ 전류 경로는 비동기 방식과 동일하지만, S2의 ON/OFF는 제어 회로가 담당한다.
④ 하단 회로에는 실제로 S1, S2 모두 트랜지스터가 사용된다.
⑤ 고효율이며, 비동기 방식보다 회로가 복잡하다.
[그림 5b] 비동기(다이오드) 정류① S1 = ON 시, D1에 전류가 흐르지 않는다.(차단)
② S1 = OFF 시, D1에 순방향 전류가 흐른다.(도통)
③ 하단의 회로는 실제로 S1에는 트랜지스터, D1에는 쇼트키 다이오드가 사용된다.
④ 동기 방식보다 효율이 떨어지지만, 회로는 간단하다.
동기정류 방식 쪽이 고효율인 이유는 비동기정류 방식의 다이오드를 트랜지스터로 대체함으로써, 출력단의 스위칭 손실을 낮게 억제할 수 있기 때문이다. 다이오드의 VF는 전류에 따라 달라지기는 하지만, VF가 낮은 쇼트키 다이오드일 경우에도 0.3~0.5V 정도이다. 반면에 트랜지스터의 경우, 예를 들어 Nch-MOSFET의 ON 저항은 50mΩ으로 매우 낮으며 이때의 전압 강하를 계산하면, 다이오드의 VF보다 훨씬 낮아진다.
Bootstrap
Bootstrap(부트스트랩) 회로는 출력 스위치의 상측(하이 사이드) 트랜지스터에 Nch MOSFET를 사용하는 경우에 필요한 회로이다. 최근에는 대부분의 전원 IC가 이 회로를 탑재하고 있으므로, 전원 회로 평가와 관련하여 동작을 이해해 두는 것이 좋다.
Nch MOSFET는 ON 저항이 낮아, 스위치로 사용하게 되면 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, ON 저항이 동일할 때 Pch MOSFET보다 저렴하게 입수할 수 있다. 그러나, 상측 스위치로서 Nch MOSFET를 사용하여 완전히 ON시키기 위해서는, 충분한 VGS 즉 드레인보다 높은 전압이 필요하다. 통상적으로 드레인 전압은 VIN(입력전압)이므로 회로 내부에서 가장 높은 전압이 된다. 따라서 그 이상의 전압이 필요할 경우 외부에서 공급해야 한다. 이러한 전압을 생성하는 것이 Bootstrap 회로이다.
구성은 간단하다. 스위치와 콘덴서, 다이오드로 구성되는 승압 차지 펌프로, 스위치 전압(VIN)과 내부 전압을 더한 전압을 상측 Nch MOSFET의 게이트 드라이브로서 이용한다.
[그림 6] Bootstrap이 필요없는 Pch+Nch 구성 [그림 7] Bootstrap을 이요한 Pch+Nch 구성① Nch MOSFET는 ON 저항이 낮아 효율 향상에 기여하고, 비용이 저렴하다.
② 상측 트랜지스터에 Nch MOS-FET를 사용하기 위해서는 드레인보다 높은 VGS가 필요하다.
③ 내부 회로용 내부 전원의 전압으로는 부족하다.
④ 스위치와 콘덴서, 다이오드로 구성된 승압 차지 펌프를 통해, 상측의 Nch MOSFET용 드라이버의 고전압을 생성한다.
상측 게이트 드라이버 전원전압 = VIN＋내부 전원전압－다이오드의 VF
오늘날 중전력 이상의 회로에서는 출력의 스위칭 트랜지스터에 Nch MOSFET를 사용하는 것이 주류이다. 부품수가 조금 늘어나도, 효율을 중시하는 경향이 있기 때문이다. 최근에는 부품수를 줄이기 위해 외장 다이오드를 IC에 내장한 타입을 사용하기도 한다.
참고로, Bootstrap 회로는 동일한 이유에서 비동기정류 타입에도 사용되고 있다. Nch MOSFET뿐만 아니라, 바이폴라 NPN 트랜지스터를 사용하는 타입의 포화 전압을 낮추기 위해서도 사용되고 있다.
(끝)
DC/DC컨버터 – 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터
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안녕하세요
오늘은 DC/DC컨버터에 대하여 더 알아보고 정리해보겠습니다
지난 포스팅에서 PMIC에 대해서 정리해보았는데 DC/DC컨버터를 이해하시기에 도움이 되니 참고하세요
DC/DC컨버터란 직류를 직류로 변환하는 장치의 명칭입니다.
보통 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터라고 하는데, 이는 변환을 위한 방식에 따라 정해둔 이름입니다.
시스템 온 칩에서도 보면 다양한 칩들이나 회로가 다양한 전압을 요구합니다.
예를 들어, MCU에서 아날로그는 3.3V전압을 필요로 하고 디지털은 1.1~1.4V 전압을 필요하다고 하면
전압을 이에 맞춰 조정해줘야하는 레귤레이터가 필요합니다.
그렇다면 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터를 비교해보겠습니다.
1. 리니어 레귤레이터 (시리즈 레귤레이터)
선형동작으로 인해 리니어 레귤레이터
또는 입출력 사이에 제어소자가 직렬로 배치되어 있으므로 시리즈 레귤레이터라고도 합니다.
리니어 레귤레이터
스위칭 레귤레이터에 비해 리니어 레귤레이터는 설계가 간단하고 부품수가 적기 때문에 비용이 적게 듭니다
노이즈는 적지만 입력전압이 출력전압보다 큰 강압만 가능하며
필요한 전압을 출력하고 나머지는 열로 소모하기 때문에 다소 비효율적입니다.
예를 들면 5V의 입력전압을 3.3V로 맞춰주고 나머지 남는 전압은 열로 소모해버린다는 의미죠
그래서 리니어 레귤레이터는 효율이 다소 낮은편입니다
1) LDO(Low Drop out)
LDO는 일종의 선형 레귤레이터로서 이름 그대로 DC/DC 변환기와 달리
레귤레이팅 할 때 전압강하가 작으며 리플(Ripple)이 작다는 장점이 있습니다.
또한 LDO는 입력전압과 출력전압의 차이가 작아도 출력전압이 안정화되기 때문에
전력효율이 좋은 전원을 실현할 수 있습니다. (초소형, 저소비전압, 고리플제거, 고정밀도)
또한 회로가 DC/DC변환기에 비해 간단하기 때문에 가격도 저렴한 편입니다.
Drop-out전압이란 레귤레이터가 공칭 값 100mV이내로 유지시키는데 필요한
출력전압차동(differential)에 대한 최소한의 입력전압을 의미합니다.
DC/DC컨버터에서 비교적 큰 전압을 넣어준다면
LDO는 1.2V, 1.5V 등 더 정교하게 전압을 변환하여 넣어줍니다.
2. 스위칭 레귤레이터
스위칭 레귤레이터는 인덕터, 콘덴서의 특성을 활용하여 축적된 전력에너지를
스위칭에 의해 제어하기 때문에 전력손실이 작고 효율이 높습니다 (최대 95% 효율)
스위칭 레귤레이터
On/Off 동작만으로 전압변환이 자유롭게 가능하기 때문에
저전압에서 승압, 강압, 정전압 반전 부전압 등 다양하게 가능합니다.
승압형 : 입력전압 < 출력전압 - Boost Converter 강압형 : 입력전압 > 출력전압 – Buck Converter
반전형 : +전압 입력하면 -전압 출력
스위칭 동작으로 인한 노이즈 및 리플 발생, 콘덴서 및 저항과 같은 수동부품, 다이오드 및 트랜지스터 등의
반도체 부품과 자기부품이 필요하기 때문에 회로 구성이 비교적 복잡하고
스위칭 노이즈가 크고 외장부품도 많이 필요합니다.
1) Boost Converter
입력전압에 대해 출력전압을 높여 사용하기 위한 회로로써 Step-up Converter 또는 승압형 컨버터라고 합니다.
Buck Converter와 비교했을 때 스위칭 소자가 인덕터와 다이오드 사이에 연결되어 있습니다.
Boost converter Boost Converter
2) Buck Converter
입력전압에 대해 출력전압을 낮춰서 사용하고 Step-down Converter 또는 강압형 컨버터라고 합니다.
LC필터를 거쳐 출력하고 다이오드는 스위치 소자가 빠르게 On/Off 되었을 때 인덕터에 의해 발생되는 관성 전류가 빠져나갈 수 있게 해주는 역할을 합니다.
Buck Converter Buck Converter
3) Buck-Boost Converter
Buck-Boost Converter는 출력전압이 입력전압보다 낮을수도 있고 높을수도 있는 컨버터입니다.
대용량 파워는 Boost, Buck 소용량 파워는 LDO라고 이해하시면 될 것 같네요 🙂
제가 공부하고 있는 공대 대학원생 브이로그도 보러오세요 🙂
youtu.be/3vdR_2S7skA
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스위칭레귤레이터(GS5256MF)
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