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  • DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리
    _[HARDWARE]/POWER 2011. 1. 13. 17:04
    전원 공급소자인 DC-DC converter의 종류와 원리에 대하여 알아보자.

    본 포스트에서 다루려는 DC-DC converter는 인덕터를 사용하여 PWM 파형으로 전압을 생성하는
    소자를 말하는 것으로써 linear regulator(일반적으로 LDO)를 설명하는 것이 아님을 밝혀둔다.

    무턱대고 maker에서 제공하는 reference 회로를 copy하기보단 이 글을 읽고 원리를 파악하면
    더욱 안정적인 전원 설계가 가능하리라 믿는다.

    [DC-DC CONVERTER의 종류]
    - 입력전압보다 출력전압이 낮을 때 : STEP DOWN CONVERTER 
       BUCK, BUCK CONTROLLER, BUCK REGULATOR, BUCK CONVERTER 라는 명칭으로도 사용됨
       Synchronous type과 non-synchronous type으로 나눠지는데 차이점은 밑에서 자세히 살펴본다.

    - 입력전압보다 출력전압이 높을 때 : STEP UP CONVERTER
       BOOST, BOOST CONTROLLER, BOOST CONVERTER 라는 명칭으로도 사용됨
       BOOST방식이 아닌 CHARGE PUMP 방식도 있음.

    DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리

    [STEP DOWN CONVERTER의 구성]
    DC-DC로 유명한 M社 제품 중 MP1XXX의 간단한 spec을 review하고 block diagram을 살펴보자.


    - 내부에 2개의 N-channel MOSFET이 포함
    - 3A continuous load current
    - 최대 95%의 효율
    - Fixed 340KHz 동작 주파수
    - Soft-start, inrush current 방지, shutdown지원


    [STEP DOWN CONVERTER의 동작 원리]
    이 device에 전원이 들어가는 순서를 따라가면서 동작원리를 같이 확인해보겠다.

    1. 'IN'으로 전원 입력
    2. Oscillator가 340KHz로 발진하기 시작.
    3. 'EN'에서 측정되는 전압 레벨을 기준으로 비교기가 동작하여 device를 enable / disable할지 판단.
       (enable이라고 하고 4번으로...)
    4. 'SS'에 붙어있는 capacitor의 용량에 의해 출력 전압이 start되는 기울기를 결정.
    5. 'EN', 'SS'의 상태가 device를 동작하기 위한조건을 만족하면 oscillator의 발진주파수와 함께
       RS flip flop을 동작시킴.

    여기까지가 일반적인 DC-DC step down converter의 전형적인 동작 모습이다.
    왜 출력 전압까지 설명을 이어가지 않고 여기서 한 템포를 쉬느냐...

    MOSFET 때문이다.

    반도체 기술이 오늘날까지 발전하기 전엔 MOSFET을 DC-DC converter의 외부에 달아줬다.
    그런데 반도체의 적층/merge기술이 발전한 결과 여기서 설명하고 있는 device처럼 MOSFET을 내부에
    넣어서 시스템의 소형화를 이뤄내고 있다.

    하지만 전류가 많이 필요한 시스템에선 필요한 전류값에 맞춰서 MOSFET의 용량이 결정되어야 하기
    때문에 DC-DC converter는 RS flip flop과 다음단의 amp까지만 들어있고 high side MOSFET (M1)과
    low side MOSFET (M2)은 외부에서 사용자가 달아주어야 한다.

    이어서 DC-DC STEP DOWN CONVERTER동작의 핵심부분인 MOSFET과 외부 인덕터의 동작에 대해
    계속 알아보자.

    6. RS flip flop의 출력이 M1 MOSFET의 gate를 열어주어 'SW' pin으로 전류가 발생한다.


    7. 'SW'에서 나오는 전류는 oscillator의 펄스파에 동기되어 동작하는 RS flip flop때문에
       ON-OFF-ON-OFF를 계속 반복하는 교류성 전류이다.
    8. 외부의 인덕터(L1)에 입력되는 교류성 전류는 인덕터의 특성에 의해 직류 전류로 변환되고 인덕터를
       통과한 전류는 C2를 충전 시킨다. 
    9. 인덕터를 통과한 전류가 직류전류가 되어야 하지만 MOSFET의 switching시 발생하는 노이즈에 의해
       깨끗하지 못한 파형이 나온다. 그래서 C2의 충/방전을 거쳐서 깨끗한 전압원이 완성되는 것이다.
    10. 'SW'를 통하여 출력되는 주기파형의 duty ratio가 낮으면 high가 되는 부분이 매우 얇기 때문에
       일정 시간동안 high가 된 구간의 총 면적이 작게된다. -> 적분한 값이 작음 -> 낮은 전압 출력
       Duty ratio가 높으면 high가 되는 부분이 넓기 때문에 일정 시간동안 high가 된 구간의 총 면적이 크게
       된다. -> 적분한 값이 큼 -> 높은 전압 출력

    여기까지가 전압이 출력되는 기본 과정이다.

    [STEP DOWN CONVERTER의 효율]
    이 device의 spec에 보면 효율이 최대 95%라고 되어 있는데 이 효율에 대해 얘기해 보도록 하자.

    먼저 맨 위의 그림인 block diagram에서 low side MOSFET (M2)의 역할은 무엇인가?

    본 포스트의 서론에서 step down converter는 synchronous typenon-synchronous type으로
    구분된다고 했는데 M2자리에 MOSFET이 있으면 synchronous type이고 diode가 있으면 non-synchronous type으로 구분하는 것이다.

    다음 그림을 보자. (TI는 친절하게 이런 자료들이 참 많다.)


    High side MOSFET인 Q1의 아래에 D1이 있다.
    여기에 D1을 사용한 이유는 SW에서 나온 전하가 L1 -> C1 -> GND -> D1 -> L1으로 loop를 형성하게끔
    path를 구성해서 전하의 공급을 원활히 하기 위함이다.

    D1은 일반적으로 반응속도가 빠른 schottky diode를 쓰지만 이 schottky diode는 0.3V의
    voltage drop down이 발생하는 소자이고 이는 발열과 효율에 있어서 낮은 점수를 받을수 밖에 없다.

    그래서 D1 대신 Q2 (MOSFET)를 사용하여 voltage drop down이 되는 부분을을 없애 효율을 높이는
    것이다.

    즉, step down converter가 diode를 지원하면 non-synchronous type이고 step down converter가 Q1과
    반대의 위상으로 Q2 MOSFET을 drive 하도록 지원하면 synchronous type이 되는 것이다.

    [참고]
    Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck converters
    - Texas Instruments -


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