낮은 입력 공급으로 높은 DC 출력 전압 생성

흰색 LED 배경 조명을 구동하든지 또는 RF 및 아날로그 회로의 전력을 구동하든지에 상관없이 랩톱, 태블릿 및 기타 모바일 장치는 종종 입력 공급 전압보다 훨씬 높은 전압을 필요로 합니다. 따라서 승압 또는 부스트 DC/DC 컨버터는 이 시스템에서 다양한 회로 및 기능을 제공하기 위해 입력에 몇 배가 되는 출력 전압을 생성합니다. 예를 들어, 배터리 전력 구동 시스템에서 대개 입력은 5V 이하이지만, RF/아날로그 기능 또는 박막 트랜지스터(TFT) 액정 표시 장치(LCD)를 구동하기 위해 15V 및 24V의 높은 전압이 필요합니다. 유사하게, 광 수신기에 있는 애벌런치 광다이오드(APD)를 바이어싱하는 데에도 고전압이 필요합니다.

이러한 필요를 처리하기 위해, Analog Devices에서 자사 제품 포트폴리오에 2개의 저전압 DC/DC 부스트 컨버터를 추가했습니다. 설계자는 ADP1612 및 ADP1613 DC/DC 컨버터를 사용하여 최저 1.8V의 입력 전압을 부스트하여 최고 20V의 전압을 출력할 수 있습니다. 이 DC/DC 컨버터는 저높이 패키지와 고스위칭 주파수 작동과 결합된 경우 저전력 소비가 필수이고 PC 기판 공간이 매우 중요한 휴대용 응용 제품에서 배터리 작동 시간을 향상시킵니다.

ADP1612는 1.8V ~ 5.5V의 입력 DC 전압 범위를 지원하며, ADP1613은 2.5V ~ 5.5V의 입력 DC 범위를 지원합니다. 조정 가능한 출력 전압을 통해 부스트 컨버터는 비조정 입력 전압 작동으로 배터리 수명을 확장할 수 있습니다. 부스트 컨버터는 펄스 폭 변조(PWM) 전류 모드 아키텍처를 사용하여 부하 조건에서 출력 전압을 조정하고 시동 시 유입 전류의 위험을 줄일 수 있습니다. 결과적으로, 이 장치는 시스템 신뢰성 향상을 위해 빠른 과도 상태 응답과 안정적인 출력 전압 레벨로 최대 94% 효율을 제공할 수 있습니다.

그림 1에 부스트 컨버터의 일반적인 응용 회로가 설명되어 있습니다. ADP1612 및 ADP1613은 650kHz 또는 1.3MHz에서 작동할 수 있습니다. 스위칭 주파수가 높을수록 더 작은 인덕터를 사용할 수 있으며, 스위칭 주파수가 배가될 때마다 효율은 약 2% 떨어집니다. 이 컨버터에서 스위칭 주파수는 핀 선택이 가능합니다. FREQ 핀은 650kHz 작동의 경우 접지(GND)에 연결되고 1.3MHz 작동의 경우 핀 V_IN에 연결됩니다.

그림 1: 스위칭 컨버터 ADP1612/1613를 사용하는 일반 DC/DC 부스트 구성.

부스트 조정기의 주요 부품인 인덕터는 전력 스위치의 온타임 동안 에너지를 저장하고 오프타임 동안 해당 에너지를 출력 정류기를 통해 출력으로 전송합니다. 응용 참고 사항에서¹ Analog Devices는 저 인덕터 전류 리플과 고효율 간 트레이드오프의 균형을 맞추는 방법을 설명합니다. 이 문서에서는 4.7μH ~ 22μH 범위의 인덕턴스 값을 권장합니다.

인덕터 값이 낮을수록 지정된 물리적 크기에 대해 포화 전류가 높고 직렬 저항이 낮아지지만, 유도 용량이 낮을수록 피크 전류가 높아져 효율 감소, 전류 상승 및 잡음 증가가 나타날 수 있습니다. 그러므로, 인덕터 크기를 줄이고 안정성을 향상시키려면 Analog Devices의 응용 참고 사항에 따라 비연속 전도 모드에서 부스트 컨버터를 실행하는 것이 좋습니다. 여기에서는 피크 인덕터 전류(최대 입력 전류 및 인덕터 리플 전류의 1/2)가 인덕터의 정격화된 포화 전류보다 낮아야 하고 조정기에 대한 최대 DC 입력 전류가 인덕터의 rms 전류 정격보다 낮아야 하는지에 대해서도 논의합니다.

이 부스트 컨버터는 모두 설계자가 전체 회로도와 자재 명세서를 생성할 뿐만 아니라 몇 분 내에 성능을 계산할 수 있도록 하는 ADI의 ADIsimPower™ 설계 도구 세트에서 지원됩니다. ADIsimPower는 비용, 면적, 효율 및 부품 수에 대해 설계를 최적화하면서 IC 및 모든 실제 외부 부품의 작동 조건 및 제한을 고려할 수 있습니다.

ADI의 승압 컨버터 평가 기판을 대표하는 ADP1612-BL3-EVZ는 5V(ADP1612) 및 12V(ADP1613) 출력 전압에 대해 전체 입력 및 부하 조건 범위에 걸쳐 작동하기 위해 선택된 모든 부품을 포함하는 완전한 DC/DC 승압 컨버터를 제공합니다. 이 평가 기판은 R1 및 R2를 변경하여 다양한 출력 전압에 대해 조정할 수 있습니다. 평가 기판 문서에 따라 그림1의 L1, D1, C_COMP 및 R_COMP를 조정하거나 재계산하여 안정적 작동을 보장할 수 있습니다.

이 부분에서, LCD 배경 조명에 사용되는 흰색 LED에 전력을 구동하고 LCD 바이어스 공급을 생성하기 위해, Texas Instruments는 이중 전지 NiMH/NiCd 또는 단일 전지 리튬 이온 배터리 입력에서 최대 28V의 출력 전압을 제공할 수 있는 고집적, 저전력 부스트 컨버터 TPS61040/41(그림 2)을 제공합니다. 이 부품은 또한 3.3V 또는 5V 입력에서 표준 12V 출력을 생성하는 데 사용할 수 있습니다.

그림 2: 최대 1MHz에서 작동하는 통합 부스트 컨버터 TPS61040/41는 매우 적은 수의 소형 외부 부품만 필요로 합니다.

작은 SOT23 및 SON 패키지로 하우징된 이 컨버터는 최대 1MHz의 스위칭 주파수에서 작동합니다. 내장된 출력 전력 MOSFET을 사용하는 이 부품은 매우 적은 수의 소형 외부 부품만 필요로 합니다. 높은 스위칭 주파수로 인해 이 출력 커패시터는 세라믹 또는 탄탈룸일 수 있습니다. TPS61040은 400mA의 내부 스위치 전류 제한을 제공하는 반면, TPS61041은 250mA 스위치 전류 제한을 사용합니다. 또한 최적화된 제어 구성과 함께 낮은 정동작 전류(통상 28μA)를 통해 전체 부하 전류 범위에 걸쳐 매우 높은 효율로 장치를 작동할 수 있습니다.

DC 출력 향상

회로에서 더 높은 전압을 필요로 하는 경우, TI의 TPS61170이 도움이 될 수 있습니다. 이 제품은 1.2A, 40V 전력 MOSFET이 통합된 모놀리식, 고전압 스위칭 조정기입니다. 또한 최대 38V의 출력 전압을 제공할 수 있습니다. 이 부품의 규격서는 부스트 및 단일 엔드 1차 유도 용량 컨버터(SEPIC)를 비롯한 여러 표준 스위칭 조정기 토폴로지를 나타냅니다. 이 장치는 입력 전압 범위가 넓기 때문에 다중 전지 배터리 또는 정격화된 5V 또는 12V 전력 레일의 입력 전압으로 응용 제품을 지원할 수 있습니다.

높은 출력 전압 부스트 컨버터를 제공하는 기타 반도체 제조업체로는 Linear Technology Corp., Maxim Integrated 등이 있습니다. 예를 들어, Linear는 광 수신기(그림 3)에서 애벌런치 광 다이오드를 바이어싱할 수 있는 전류 모드, 승압DC/DC 컨버터를 개발했습니다. 최대 75V의 출력 전압을 생성하도록 설계된 LT3571은 전체 온도 범위에 걸쳐 10% 이상의 상대 정확도를 제공하는 하이사이드 고정 전압 강하 APD 전류 모니터를 포함합니다. 통합 전력 스위치, 쇼트키 다이오드 및 APD 전류 모니터로 소형 솔루션 실장 면적 및 낮은 솔루션 비용이 가능합니다. 이 제품은 기존 전압 루프와 고유한 전류 루프를 결합하여 정전류 소스 및 정전압 소스로 작동할 수 있습니다.

그림 3: 애벌런치 광 다이오드 바이어싱을 위한 LT3571 기반 5V ~ 45V 부스트 전원 공급 회로.

Linear는 또한 LED 구동 및 LCD 바이어싱을 위한 응용 제품에 대해 최대 40V의 출력 전압을 제공할 수 있는 아스널 부스트 컨버터를 포함합니다. 여기에는 LT3494/A 및 LT1615가 포함됩니다. LT3494/A는 최대 40V의 출력 전압을 제공하도록 맞춤화되어 있고, LT1615는 최대 34V 출력을 제공하도록 정격화되어 있습니다.

마찬가지로, Maxim의 MAX1605는 0.8V의 낮은 배터리 전압을 출력 시 최대 30V까지 부스트할 수 있습니다. 컨버터의 통합 0.5A MOSFET은 외부 부품 수를 줄이며 높은 스위칭 주파수는 작은 표면 실장 부품을 허용합니다. 이 전류는 500mA, 250mA 또는 125mA로 설정하여 저전류 응용 제품에서 출력 리플과 부품 크기를 줄일 수 있습니다.

요약하면, 주요 IC 제조업체에서 높은 출력 DC 전압을 제공하는 승압 또는 부스트 컨버터를 제공합니다. 부품마다 장점과 단점이 있으므로 엔지니어는 제공된 응용 제품에 대해 부품을 선택하기 전에 설계 요구 사항에 따라 주요 사양에 대한 규격서를 주의깊게 읽어야 합니다. 이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하십시오.

참고 자료:

1. 응용 참고 사항 AN-1132, 'DC-DC 승압(부스트) 조정기 응용 방법” - Ken Maraso, Analog Devices Inc., Norwood, MA.