Regulator, Buck, Boost, Boost-Buck Convertor

 

우리가 회로를 꾸밀 때 있어서 전원이란 것은 정말 중요하지요.

"근본이 제대로 되어 있어야 한다"

라는 말처럼 전원 자체에 문제가 있다면 아무리 좋은 회로라 해도 단순 멍텅구리일 뿐입니다.

그런 의미에서 우리가 정말 회로에서 자주 사용하는 Regulator(레귤레이터)라는 놈에 대해 한번은

짚고 가야 할 듯합니다.

일반적으로 Linear Regulator, LDO, Step-Down, Step-up, Boost-Buck Converter가 많이 사용되고 있지요..

각각의 구조와 특징에 대해서 잠깐 살펴보도록 하지요~

 

1) Linear Regulator

우리가 보통 리니어 레귤레이터라고 하면 78XX시리즈가 대표적이라 할 수 있겠습니다.

뭐 회로에 대해 조금이라도 접해본 사람이라면 정말 많이 보았을 소자입니다.

78XX에서 뒤의 XX의 숫자가 보통 Output Voltage를 말하는데요..

예를 들어 7805라면 5V가 정전압으로 출력되겠구요.. 7806이면 6V, 7812라면 12V가 정전압으로 출력되어 나옵니다.

사실 정전압을 얻기 위해 회로가 간단하고 고주파 Switching을 하는 방식이 아니기 때문에 안정된 전원을 공급해주지요.

하지만 효율이 떨어진다는 큰 단점이 있지요. 효율이라고 하면 입력된 에너지보다 출력되는 에너지의 %비율입니다.

또한 주의 할것이 있는데 Linear Regulator는 출력전압보다 입력전압이 약 2~3V는 더 높게 주어야 합니다.

그 이유는 아래 그림을 통해 차차 알아보아요~

리니어 레귤레이터는 위와 같은 구조로 되어있습니다. 물론 내부가 모두 저렇다고 하는게 아니라 원리가 그렇다는 거에요~

위의 그림에서는 TR을 그려놨지만 그 바로 위의 그림처럼 사실은 등가적으로 가변저항이 되는 것이죠.

출력되는 전압을 비교기의 Non-Inverting에 넣고 기준이 되는 Reference 전압과 비교(사실 이게 원하는 출력전압이 되겠죠)하여 기준전압보다 높으면 Base 신호에 Low를 주어 입력신호를 차단해주고, 반대로 기준전압보다 낮으면 Base를 High호 해서 입력전원을 부하에 공급해 주게 되는 원리지요.

여기서 중요한 것은 등가적으로 보았을 때 가변저항이라고 했으니까 사실은 저항성분을 통해 높은 입력 전압을 강압해주는 것을 통해 일정한 출력전원을 공급해주는 것이죠.

즉, 9V를 입력해주고 출력을 5V를 얻었다면 4V가 강압된 것이고, 그 4V의 전압강하는 Regulator의 내부에 걸리게 되는 것

입니다.

그렇기 때문에 리니어 레귤레이터를 사용하여 높은 전류를 흘려주게 되면 굉장히 뜨겁게 되는 거에요~

만약 9V입력에 500mA의 전류를 공급하고 출력이 5V였다면, 4V의 전압강하에 500mA의 전류가 흘렀으니까

P = V*I = 4 * 500mA = 2000mW = 2W

의 전력이 레귤레이터에서 소비가 되는 거에요~ 이 소비되는 전력은 모두 열에너지로 방출되기 때문에 그만큼 레귤레이터의 온도가 올라가 뜨거워 지는 원리입니다.

따라서 방열판과 같은 것을 꼭 부착해 주어야 합니다요~

또한 이렇게 레귤레이터의 내부에서 소비되는 에너지가 있기 때문에 아까 위에서 입력전압을 출력전압보다 반드시 2~3V높게 걸어주라고 했던 것입니다. 만약 출력전압과 같거나 더 낮게 된다면 처음에는 좀 견디는듯 하다가 끝내 소자가 나가버립니다.

 

다음으로 위의 그림에서 입력과 출력쪽에 각각 캐패시터가 있는데 이것은 일종의 LPF(Low Pass Filter)로 전원 성분에 있는 고주파 성분을 끌어당겨 GND로 보내버리게 되지요. 즉, 저주파인 DC 성분만 공급되도록 하는 역할이에요~

뭐 사실 레귤레이터의 데이터시트를 보시면 캐패시터의 값이 나와있으니 참고하시면 되겠습니다.

 

참고로 LDO(Low Drop Out)이라는 레귤레이터가 따로 있는데 이는 말그대로 입력전압에 비해 출력전압의 전압강하가 작을 때 사용하는 레귤레이터 입니다. 우리가 잘 사용하는 소자로 LM1117과 같은 소자가 있는데 5V -> 3.3V 정도로 낮은 전압강하를 사용할때는 LDO를 사용하는 것이 훨씬 좋습니다. 왜냐하면 그만큼 발열되어 날라가는 에너지가 적기 때문에 방열판을 달아줄 걱정이 없고, 소자의 크기도 작게 나와 크기를 줄일 수 있는 장점이 있기 때문이지요~

다만 그만큼 흘려줄수 있는 전류의 양이 적기 때문에(보통 1A이하) 저전력소자를 구동할 때 자주 사용됩니다.

 

2) Step-Down(Buck) Converter

다음으로 볼것이 바로 일명 Step-Down 또는 Buck Convertor라 불리는 놈이 되겠습니다.

Buck이라는 말은 "날뛰다, 걷잡을 수 없이 흔들리다"라는 뜻이 있더군요.(사실 저도 첨 알았음 ㅎㅎ;;)

Step-Down이라는 말도 "단계적으로 내리다" 라는 뜻이겠네요.

일단 원리를 알기 전에 알아두어야 할 중요한 이론이 하나 있는데요. 바로 PWM(Pulse Width Modulation)이라는 것입니다.

말 그대로 펄스 폭 변조라는 말인데요.

이런 PWM 파형을 이용하여 전압을 낮추는 결과를 얻어내는 것이지요.

아래 그림을 한번 보시죠~

 

위의 그림과 같이 펄스에서 on time 즉, High 구간의 폭이 한 주기 시간동안 얼마나 되느냐에 따라 Duty rate가 결정

되겠습니다. 상식적으로 생각할 때 우리가 모터에 위와 같은 파형을 주게 된다면 High 구간에서는 모터의 출력이 최대

가 되어 최고 속력으로 돌고 Low 구간에서는 전원이 끊긴것이니까 멈춰야 하겠죠?

하지만 실제로는 그렇지 않다는 것이죠. 한주기의 시간이 엄청나게 긴 시간이 아니라면 실제적으로 걸리는 전류값는

위와 같이 Duty rate만큼 평균적으로 걸린다고 생각하시면 됩니다. 즉, 본래 최대 100의 출력이 걸릴 수 있을 때

Duty rate가 5%라면 5만큼의 출력이 지속적으로 걸리고 있다는 것이고, Duty rate가 50%라면 50의 출력이 지속적

으로 걸리게 된다는 것이죠~

음.. 그렇다면 입력전원으로 최대 전압이 12V이면서 이 전원을 PWM 형식으로 걸어주면 출력은 Duty Rate에 따라서

입력보다 작은 전압이 출력되겠네요~

아항! 이것이 바로 Buck 또는 Step-down Convertor의 원리입니다.

위의 그림이 바로 Step-down convertor의 회로입니다.

 

일단 동작 원리를 순차적으로 한번 볼까요?

① 전원 전압 Vi가 N-MOSFET의 Drain으로 인가됩니다. 여기서 MOSFET가 사용되는 이유는 빠른 스위칭에 적합하기

때문이에요~ 어떤 MOSFET를 사용하는가에 따라 성능이 달라지겠죠~

② Gate에 걸린 PWM 파형이 High 구간이라면 MOSFET은 on-state가 되어 Drain에서 Source로 전류가 흘러들어갑니다.

③ Source를 통해 인가된 전원은 사실 굉장히 짧은 시간의 Gate에 걸린 High 신호로 들어온 전원신호이기 때문에 실제적

으로 엄청 고주파적인 신호가 됩니다. 이런 고주파성 신호를 L과 C로 구성된 LPF(Low Pass Filter)를 통하게 하여 고주 파성분을 제거하고 부하에 걸려 출력전압 Vo가 출력되게 되지요.

④ L과 C가 on-Time동안 완충상태가 되면(아시겠지만 L과 C는 에너지를 저장할 수 있는 소자입니다!) 이제 MOSFET의 Gate신호에 Low 신호를 주어 입력전원을 차단시켜 Off-State가 되게 합니다. 이렇게 되면 인덕터에 저장되었던 에너지가 방전을 시작하고, 순간적이지만 마치 입력전원처럼 작용하여 계속적으로 부하에 전원을 공급해주게 됩니다.

⑤ 이 때 MOSFET를 제외하고 Close-Loop를 생성하기 위해서 중간에 위의 그림과 같이 다이오드가 들어가게 되는 것이죠.

이렇게 인덕터의 에너지가 모두 방출되어 전압이 어느정도 떨어지면 FeedBack을 통해 감지하고 다시 Gate를 High상태로 만들어 on-State가 되고 전원을 공급해주게 되는 원리입니다.

 

이와 같이 MOSFET의 Gate단에 PWM 신호를 주어 입력전압보다 출력전압을 낮게 만들 수 있는 것이지요.

따라서 출력전압과 입력전압에 대해 아래와 같은 식을 유도할 수 있습니다.

 

Vo = D * Vi

>> D = Duty-rate, 시비율 혹은 통류율

 

즉, 시비율 D는 0 < D < 1 의 값을 가지게 되지요. 쉽게 말하면 Gate에 걸리는 PWM 파형의 on-State Time에 따라 변한다는 거죠~

 

3) Step-Up(Boost) Converter

 

Boost Convertor는 위에 설명했던 Buck Converter와는 반대로 승압을 해주는 기능을 해줍니다.

근데 사실 알아두어야 할 것이 있는데요.. 실제 공급해주는 에너지는 같은 것이니까 승압을 하던지 강압을 하던지 출력되는 에너지

는 이상적으로 같다는 것을 알아두셔야 합니다.

다시말하면 에너지 적으로 P=V*I 인데.. V값을 낮추면 I값은 높아지는 것이고, V값을 높이면 I값는 감소한다는 거에요.

따라서 Boost convertor를 사용한다면 그만큼 공급되는 전류값는 작아진다는 의미입니다.

예를 들어 5V, 1A를 공급해 주었는데 12V, 1A로 공급해줄 수는 없다는 거에요~ 5*1 = 5W니까.. 12 * 0.416 = 5W가 된다는 것이

지요.. 즉, 1A에서 400mA로 공급되는 전류값은 낮아진다는 의미입니다. 그것을 꼭 염두해 주셔야 해욧!

 

다시 설명으로 들어가자면.. 원리는 Buck 컨버터와 비슷하고.. 모양도 은근히 비슷하네요..

MOSFET와 L, Diode의 위치가 각각 변경되었군요..

 

동작원리를 살펴보면요..

① on-State 동안 인턱터 L이 충전이 되겠구요..

② L의 충전이 완충이 되면 Off State로 들어가게 되고 이 때 본래의 입력전압 Vi와 인덕터에서 방전되는 VL이 더해져서

부하와 캐패시터에 전원을 공급하게 되겠네요~ 전류의 방향은 위의 그림과 같구요~ 폐회로를 위해서 MOSFET의 다이오드를 통해 전류가 흐르고 있음을 주의하시길 바래요~

③ 이렇게 Off-State에서 본래의 전원과 인덕터에서 충전된 에너지가 같이 공급되기 때문에 실제 공급되는 전압은

Vi + VL이 되어 본래 전압보다 VL의 전압이 더 승압되어서 부하에 공급되기 때문에 승압이 되는 것입니다.

 

4) Boost-Buck Converter

Boost-buck converter는 Boost와 Buck의 회로모양을 조금씩 따라하여 승압과 강압을 시비율 D에 따라서 결정해 줄 수 있는 회로입니다. 즉, 시비율이 0.5보다 크게 되면 승압이 되고, 0.5보다 작으면 강압이 되는 뭐 그런 원리이지요~

동작원리는 Boost와 비슷하게 인덕터L가 on-state동안 충전되다가, Off-state가 되면 다이오드의 방향에 따라 인덕터가 방전되면서 역방향 전류가 부하와 캐패시터에 흐르게 되어있습니다.

다시 한번 말씀드리지만 전원의 극성이 Negative로 바뀐다는 것을 꼭 염두해주시길 바랍니다~

 

 

출처 : http://j102.net/lecture/3599