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2011.01.17 17:46

이전 포스트에서 전원 공급소자인 DC-DC converter의 종류와 DC-DC step down converter의 동작 원리에
대해 알아보았다.

DC-DC STEP DONW CONVERTER의 원리

이번에는 입력전압보다 높은 출력전압이 필요할 경우 적용하게 되는 step up converter에 대하여
알아보자.

[STEP UP CONVERTER의 종류]
- BOOST 방식
- CHARGE PUMP 방식

먼저 boost 방식의 step up converter에 대해서 알아보자.

[BOOST방식 STEP UP CONVERTER의 구성]
BOOST방식의 DC-DC step up converter의 구성에서 주의 깊게 볼 부분은 파란색의 FET와
Gate Driver 부분이다.

DC-DC step down converter와 마찬가지로 FET가 들어있고 이 FET를 ON/OFF하는 Gate Driver가 있다.
그리고 Gate Driver의 내부엔 oscillator와 rs flip flop이 들어있다.

언뜻 보면 step down converter와 구조가 비슷하지만 자세히 보면 FET의 위치, VOUT의 출력 부분이
다르다는 것을 알 수 있다.

[BOOST방식 STEP UP CONVERTER의 동작원리]
이 device에 전원이 들어가는 순서를 따라가면서 동작원리를 같이 확인해 보겠다.

먼저 주변 회로가 어떻게 구성되는지 살펴보자.

아래의 회로도는 TI社에서 나오는 TLV6XXXX의 typical application circuit이므로 참고만 하고 다른
step up converter device를 사용할 땐 해당 소자의 datasheet를 참고하여 L, C등의 value가 선택되어야
하겠다.
붉은 패턴과 같이 입력된 전원은 L을 지나고 step up converter를 거쳐 출력되는 것이 큰 흐름이다.

이 회로는 다음과 같은 등가회로로 나타낼 수 있다.
FET와 PWM, D부분이 step up converter를 나타내며 L과 C, R은 주변의 소자들이 되겠다.

DC-DC step up converter는 위의 등가회로에서 2회의 cycle에 의해 입력보다 높은 출력 전압이 생성된다.
그 핵심 부분을 설명하고자 한다.

Cycle 1.
① 먼저 첫번째 사이클에서 FET가 ON이 된다.
② D는 reverse biase가 된다.
③ L에 에너지가 축적된다.

Cycle 2.
① 두번째 사이클에서 FET가 OFF된다.
② D는 forward biase가 된다.
③ L에 축적되어 있던 에너지가 D를 통과하여 출력된다.

PWM의 duty ratio에 의해서 발생하는 두개 cycle의 비율로 인해 출력 전압이 결정되는 것이다.

아래 그림은 위의 등가회로에서 L(inductor)에 전류가 충전/방전될 때 D(diode)에 흐르는 전류를 그래프로
보여준다.
윗 그래프가 inductor이고 아래 그래프가 diode에 흐르는 전류이다.
즉 계속되는 inductor의 switching에 의해 교류전류가 발생하고 이 전류가 diode를 통과하게 되는데
이들의 평균 전류가 곧 출력 전류가 되겠다.

Boost방식의 dc-dc step up converter 소자 안에 diode가 들어있는 모델도 있고 들어있지 않은 모델도
있으니 회로 구성시 고려해야 하겠다.
그리고 이 diode는 일반적으로 빠른 반응 속도를 위해 schottky diode가 recommend 된다.

여기까지가 Boost 방식의 dc-dc step up converter에 어떻게 전류가 축적되고 입력대비 높은 전압으로
출력되는지에 대한 원리가 되겠다.

DC-DC step down converter와 FET, L의 위치가 바뀌었을 뿐인데 전혀다른 출력이 나온다니 재미있지
않은가요...


이번엔 charge pump방식의 dc-dc step up converter에 대해 알아보자.

Charge pump방식의 step up converter는 원리가 아주 간단하다.
간단하다... 즉 내부 구조도 간단하여 device의 소형화가 가능하지만 높은 전류를 출력할 순 없다.

먼저 charge pump의 주변 회로도를 살펴보고 내부 구조를 확인 해 보자.

[CHARGE PUMP방식 STEP UP CONVERTER의 구성]
이 회로도는 National Semiconductor社에서 나오는 LM2XXX 제품의 application circuit이다.
여기서 C1을 주의 깊게 보자.

Charge pump방식의 dc-dc step up converter 내부엔 다음 그림과 같이 MOSFET으로 이뤄진 switch가
들어있다.
Boost 방식과 마찬가지로 2번의 cycle에 의해 출력 전압이 나오게 된다.

Cycle 1.
① S1, S3는 open되고 S2, S4는 close된다.
② 전원이 입력되어 C1에 V+ 전압이 충전된다.

Cycle 2.
① S1, S3는 close되고 S2, S4는 open 된다.
② C1에 충전되어 있던 V+와 입력되는 V+가 합쳐져서 2V+가 출력된다.

C1에 에너지를 charge했다가 입력되는 에너지로 pump하여 출력으로 내보내는 것이다.

이렇게 해서 charge pump회로에서 어떻게 입력전압보다 높은 출력전압이 만들어지는지 그 과정을
살펴보았다.
별도의 voltage regulator회로가 없으면 출력은 입력의 정수배가 되며 그래서 charge pump 회로는
voltage doubler라고 불리기도 한다.


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Posted by nooriry

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  1. 나그네 2013.06.21 12:19 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    정말 궁금해 하던 정보를 알게 되어 대단히 감사합니다.

    • 방랑자 2017.08.02 02:18 신고  댓글주소  수정/삭제

      검색하다가 우연히 읽게 되었습니다.
      그 어떤 서적이나 자료에서 보지 못했던 명료한 설명에 감탄하고 갑니다. 감사합니다.