벅 컨버터
벅 컨버터는 입력 전압을 더 낮은 출력 전압으로 강하시키는 특정 유형의 SMPS로, 마이크로컨트롤러 및 저전력 마이크로프로세서의 전원 공급에 널리 사용됩니다. 벅 컨버터는 스위치(주로 트랜지스터)를 켜고 끄면서 인덕터와 커패시터에 에너지를 저장한 후, 이를 조절하여 출력으로 전달하는 방식으로 동작합니다.
위 그림은 스위치가 켜질 때와 꺼질 때의 전류 경로(굵은 선으로 표시)를 보여줍니다.
- 스위치가 켜지면, 입력 전압이 인덕터에 연결됩니다. 이때 입력 전압과 출력 전압 간의 차이가 인덕터에 가해지며, 이로 인해 인덕터를 통해 흐르는 전류가 증가하게 됩니다.
- 스위치가 켜져 있는 동안, 인덕터 전류는 부하와 출력 커패시터 모두로 흐르며, 이 기간 동안 커패시터는 충전됩니다
- 스위치가 꺼지면, 인덕터에 가해졌던 입력 전압이 제거됩니다. 하지만 인덕터를 흐르는 전류는 즉시 변할 수 없기 때문에 인덕터 양단의 전압을 조절하여 전류를 계속 유지하려 합니다.
- 전류가 감소함에 따라 인덕터의 입력단은 음의 전압으로 떨어지게 되고, 결국 다이오드가 도통 되는 지점에 도달하게 됩니다. 이후 인덕터 전류는 부하를 지나 다이오드를 통해 돌아오게 됩니다.
- 스위치가 꺼져 있는 동안 커패시터가 부하로 방전하면서 부하에 공급되는 전체 전류를 부담합니다 (이때 부하에 흐르는 전체 전류는 인덕터 전류와 커패시터 전류의 합입니다).
벅 컨버터의 연속 모드와 불연속 모드 동작
벅 컨버터는 다음 두 가지 모드 중 하나로 동작할 수 있습니다.
- 연속 모드(Continuous Mode): 인덕터 전류가 한 주기 내내 0으로 떨어지지 않음
- 불연속 모드(Discontinuous Mode): 인덕터 전류가 매 주기 끝에서 0까지 감소함
대부분의 벅 레귤레이터 애플리케이션에서 최대 부하로 동작하는 동안 인덕터 전류는 0으로 떨어지지 않습니다 (이를 연속 모드 동작이라고 정의합니다). 전체적인 성능은 일반적으로 연속 모드를 사용하는 것이 더 좋으며, 연속 모드는 주어진 입력 전압과 스위치 전류 정격으로부터 최대 출력 전력을 얻을 수 있습니다.
최대 부하 전류가 상당히 낮은 애플리케이션에서는 불연속 모드 동작으로 설계하는 것이 유리할 수 있습니다. 이러한 경우, 더 작은 인덕터를 사용할 수 있기 때문에 불연속 모드로 동작하면 전체 컨버터 크기를 줄일 수 있습니다.
낮은 부하 전류에서의 불연속 모드 동작은 일반적으로 문제가 되지 않으며, 최대 부하에서 연속 모드로 동작하도록 설계된 컨버터라도 부하 전류가 감소하면 불연속 모드로 전환되며, 일반적으로 별다른 문제가 발생하지는 않습니다.
대표적인 응용 사례
다음 그림은 벅 컨버터 LT8631의 대표적인 응용 사례로, 6.5V에서 100V에 이르는 넓은 입력 전압 범위를 5V로 효율적으로 변환하는 솔루션을 보여줍니다. LT8631은 내부에 동기식 스위치를 포함하고 있는 전류 모드 PWM 스텝다운 DC/DC 컨버터로 최대 1A의 출력 전류를 부하에 공급할 수 있습니다.
주요 고려 사항
벅 컨버터의 주요 장점은 구조의 단순성과 설계 유연성입니다. 아래에 벅 컨버터 설계 시 고려해야 할 주요 고려 사항들을 요약해 두었습니다.
장점
- 벅 컨버터는 높은 입력 전압을 낮은 출력 전압으로 변환할 때 효율이 높은 것으로 잘 알려져 있습니다. 선형 레귤레이터에 비해 열로 낭비되는 에너지가 적습니다.
- 높은 효율 덕분에 벅 컨버터는 발열이 적어, 열 관리가 중요한 응용 분야에 적합합니다.
- 벅 컨버터는 일반적으로 선형 레귤레이터보다 작고 가벼워 크기와 무게에 제약이 있는 응용 분야에 적합합니다.
- 벅 컨버터는 넓은 입력 전압 범위를 지원하므로 가변적이거나 불안정한 전원에서도 안정적으로 동작할 수 있습니다.
- 벅 컨버터는 빠른 과도 응답 특성을 제공하므로 부하 변화에 신속하게 대응해야 하는 응용 분야에 적합합니다.
- 벅 컨버터는 입력 전압에 변동이 있더라도 안정적이고 정밀하게 조절된 출력 전압을 제공합니다.
- 벅 컨버터는 에너지 효율이 중요한 배터리 구동 장치에서 자주 사용됩니다. 전력 손실을 최소화하여 배터리 수명을 연장하는 데 기여합니다.
단점
- 안정적인 동작을 위해 벅 컨버터는 복잡한 제어 회로를 필요로 합니다. 이로 인해 설계의 복잡성이 증가하고, 잠재적인 신뢰성 문제가 발생할 수 있습니다.
- 벅 컨버터는 스위칭 동작으로 인해 전자파 장해(EMI)를 유발할 수 있으므로 추가적인 필터링 및 차폐가 필요할 수 있습니다.
- 일부 벅 컨버터 설계는 선형 레귤레이터에 비해 출력 전압 리플이 더 클 수 있습니다. 이는 매우 낮은 잡음 레벨이 요구되는 응용 분야에서는 문제가 될 수 있습니다.
- 벅 컨버터는 입력 전압을 낮추는 용도로만 사용할 수 있으며 입력 전압보다 더 높은 출력 전압이 필요한 응용 분야에는 적합하지 않습니다.
- 일부 벅 컨버터 설계는 처리 가능한 최대 전류에 제한이 있습니다. 따라서 고전력이 요구되는 응용 분야에서는 보다 복잡한 벅 컨버터 구성이 필요할 수 있습니다.
- 벅 컨버터의 부품 설계 및 선택은 까다로울 수 있으며 인덕터 선정, 스위칭 주파수, 제어 루프 설계 등 여러 요소를 신중하게 고려해야 합니다.
영문 원본: How the Buck Converter in switching power supplies works and key considerations