'dc-dc'에 해당되는 글 3건
- 2012.02.13 DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ① 7
- 2011.01.17 DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리 2
- 2011.01.13 DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리 33
2012. 2. 13. 13:45
이번 포스트는 DC-DC CONVERTER를 사용할 때 적절한 인덕터와 콘덴서의 값을 선정하는 방법에 대해
다루려고 한다.
DC-DC CONVERTER의 원리에 대해 이전의 포스트를 참고, 숙지한 뒤 본 포스트를 이해하는것이 좋겠다.
☞ DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리
☞ DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리
상기의 포스트들에 대한 숙지가 되었으면 본론으로 들어가보자.
포스트를 작성하다보니 내용이 생각보다 길어져서 본 포스트에선 인덕터의 선정에 대해서만 논의
하겠다.
콘덴서의 선정에 대해선 다음 포스트를 참고 하자.
☞ DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ②
본 포스트의 내용은 약간의 공식들과 계산식이 포함되어 있어서 복잡하고 어려운 내용이 아닌가 하는
느낌을 받을 수도 있다.
하지만 제가 이해하고 쓴 내용이니 절대로 어려운 내용이 아니다.
어려워 하지 말고 차근히 포스트를 읽어보면 누구나 이해 할 수 있다.
계산식들은 '아... 그런가보다' 하고 넘어가고 필요할 때가 오면 그 때 가서 공식에 대입해 보고
계산해 보면 되겠다.
먼저 아래의 회로를 훑어보자.
위 회로의 설계자는 L1을 왜 10uH로 했고 C2를 왜 10uF으로 선정하였는가?... 이에 대한 답을 찾아보자.
1. L값의 선정
인덕터 값을 선정하는 기준은 무엇인가?
- 부하가 최대일 때
- 인덕터에서 발생하는
- 전류 리플의 범위
이것이 L값의 선정 기준이 되는 것이다.
2. L값을 구하는 공식
전류 리플의 변화값은 다음의 식으로 구할 수 있다.
△IL : 인덕터에서 발생하는 전류 리플
L : 우리가 구하려는 인덕터의 인덕턴스
fSW : DC-DC의 switching 주파수
D : Vout/Vin
3. L값을 구하는 실제 계산
인덕터에서 발생하는 전류 리플의 허용을 40%로 제한하자.
DC-DC의 최대 출력이 3A이므로 △IL은 1.2A (3A의 40%값), fSW는 340KHz, Vout은 3.3V, Vin은
12V라고 하면
위의 식은
1.2A = 8.7V * 0.275V / L * 340KHz 로 나타나며 L은 5.8uH가 된다.
이 결과의 의미는 인덕터를 최소 5.8uH짜리를 써야 인덕터에 걸리는 전류의 리플 성분이 1.2A를
벗어나지 않음을 의미 한다.
그리고 한 가지 더... 인덕터에 걸리는 전류를 고려해야 한다.
허용 전류가 낮은 인덕터를 사용한다면 인덕터가 파손되거나 엄청난 열이 발생할 것이다.
해당 관계식은 다음과 같다.
3.6A짜리 인덕터를 사용해야 한다는 의미이다.
쉽게 말하자면 3A짜리 DC-DC를 선정했고 전류 리플 마진을 40%로 했으니까 인덕터의 전류 특성이
3A + 1.2A/2는 되어야 한다는 것이다.
왜 1.2A를 2로 나누었을까?
1.2A는 전류 ripple의 peak to peak 값이므로 3A를 기준으로 ±0.6A이기 때문이다.
즉, 3A + 최대 3A의 40% ripple -> 3A ±0.6A -> 최대 3.6A
4. 결론
위에서 설명된 내용대로 L1은 5.6uH/3.6A짜리를 사용해야 하며 범용 부품의 사용, 마진등을 고려하여
10uH/4A짜리가 사용된 것이다.
인덕턴스가 커지면 인덕터는 비싸지고 사이즈도 커진다.
그렇다면 인덕턴스 값을 줄이려면 어떻게 해야할까?
fsw가 커져야 한다. 즉 DC-DC의 switching 주파수가 높은 제품을 선정해야 하는 것이다.
다루려고 한다.
DC-DC CONVERTER의 원리에 대해 이전의 포스트를 참고, 숙지한 뒤 본 포스트를 이해하는것이 좋겠다.
☞ DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리
☞ DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리
상기의 포스트들에 대한 숙지가 되었으면 본론으로 들어가보자.
포스트를 작성하다보니 내용이 생각보다 길어져서 본 포스트에선 인덕터의 선정에 대해서만 논의
하겠다.
콘덴서의 선정에 대해선 다음 포스트를 참고 하자.
☞ DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ②
본 포스트의 내용은 약간의 공식들과 계산식이 포함되어 있어서 복잡하고 어려운 내용이 아닌가 하는
느낌을 받을 수도 있다.
하지만 제가 이해하고 쓴 내용이니 절대로 어려운 내용이 아니다.
어려워 하지 말고 차근히 포스트를 읽어보면 누구나 이해 할 수 있다.
계산식들은 '아... 그런가보다' 하고 넘어가고 필요할 때가 오면 그 때 가서 공식에 대입해 보고
계산해 보면 되겠다.
먼저 아래의 회로를 훑어보자.
위 회로의 설계자는 L1을 왜 10uH로 했고 C2를 왜 10uF으로 선정하였는가?... 이에 대한 답을 찾아보자.
1. L값의 선정
인덕터 값을 선정하는 기준은 무엇인가?
- 부하가 최대일 때
- 인덕터에서 발생하는
- 전류 리플의 범위
이것이 L값의 선정 기준이 되는 것이다.
2. L값을 구하는 공식
전류 리플의 변화값은 다음의 식으로 구할 수 있다.
△IL : 인덕터에서 발생하는 전류 리플
L : 우리가 구하려는 인덕터의 인덕턴스
fSW : DC-DC의 switching 주파수
D : Vout/Vin
3. L값을 구하는 실제 계산
인덕터에서 발생하는 전류 리플의 허용을 40%로 제한하자.
DC-DC의 최대 출력이 3A이므로 △IL은 1.2A (3A의 40%값), fSW는 340KHz, Vout은 3.3V, Vin은
12V라고 하면
위의 식은
1.2A = 8.7V * 0.275V / L * 340KHz 로 나타나며 L은 5.8uH가 된다.
이 결과의 의미는 인덕터를 최소 5.8uH짜리를 써야 인덕터에 걸리는 전류의 리플 성분이 1.2A를
벗어나지 않음을 의미 한다.
그리고 한 가지 더... 인덕터에 걸리는 전류를 고려해야 한다.
허용 전류가 낮은 인덕터를 사용한다면 인덕터가 파손되거나 엄청난 열이 발생할 것이다.
해당 관계식은 다음과 같다.
3.6A짜리 인덕터를 사용해야 한다는 의미이다.
쉽게 말하자면 3A짜리 DC-DC를 선정했고 전류 리플 마진을 40%로 했으니까 인덕터의 전류 특성이
3A + 1.2A/2는 되어야 한다는 것이다.
왜 1.2A를 2로 나누었을까?
1.2A는 전류 ripple의 peak to peak 값이므로 3A를 기준으로 ±0.6A이기 때문이다.
즉, 3A + 최대 3A의 40% ripple -> 3A ±0.6A -> 최대 3.6A
4. 결론
위에서 설명된 내용대로 L1은 5.6uH/3.6A짜리를 사용해야 하며 범용 부품의 사용, 마진등을 고려하여
10uH/4A짜리가 사용된 것이다.
인덕턴스가 커지면 인덕터는 비싸지고 사이즈도 커진다.
그렇다면 인덕턴스 값을 줄이려면 어떻게 해야할까?
fsw가 커져야 한다. 즉 DC-DC의 switching 주파수가 높은 제품을 선정해야 하는 것이다.
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2011. 1. 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]
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.
이 회로는 다음과 같은 등가회로로 나타낼 수 있다.
DC-DC step up converter는 위의 등가회로에서 2회의 cycle에 의해 입력보다 높은 출력 전압이 생성된다.
그 핵심 부분을 설명하고자 한다.
Cycle 1.
② D는 reverse biase가 된다.
③ L에 에너지가 축적된다.
Cycle 2.
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.
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.
② 전원이 입력되어 C1에 V+ 전압이 충전된다.
Cycle 2.
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.
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]
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.
이 회로는 다음과 같은 등가회로로 나타낼 수 있다.
DC-DC step up converter는 위의 등가회로에서 2회의 cycle에 의해 입력보다 높은 출력 전압이 생성된다.
그 핵심 부분을 설명하고자 한다.
Cycle 1.
② D는 reverse biase가 된다.
③ L에 에너지가 축적된다.
Cycle 2.
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.
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.
② 전원이 입력되어 C1에 V+ 전압이 충전된다.
Cycle 2.
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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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 type과 non-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 -
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 type과 non-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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