올바른 스위칭 전압 조정기로 효율성 향상

올바른 스위칭 전압 조정기 선택 시 효율성은 매우 중요한 요소입니다. 오늘날의 소형화된 장치에 사용하려면 크기가 작으면서 안정적인 전력 공급이 가능해야 합니다.

전자 설계에 있어 기본적인 요건은 상당한 양의 전류를 전달할 수 있는 안정적인 전압을 생성하는 능력입니다. 스위칭 조정기는 안정적인 공급 전압을 생성하고 전압을 높이거나 낮추는 데 필수적인 구성 요소입니다.

스위칭 전압 조정기는 스위처 또는 스위치, 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS), DC/DC 조정기 또는 컨버터 등으로도 불립니다. 보다 효율적인 고전력 변환 요구 사항, 단일 입력 전압 소스에서 안정적인 출력의 유연성, 다양한 극성의 여러 출력 전압을 수용할 수 있다는 장점으로 인해 스위칭 전압 조정기의 인기가 계속 증가하고 있습니다.

가장 일반적인 유형의 스위칭 컨버터는 다음과 같습니다.

• 부스트, 입력 전압이 승압되어 출력에 맞게 조정됨
• 벅, 입력 전압이 강압되어 출력을 위해 조정됨
• 벅-부스트, 음극 옵션으로 입력 전압이 승압 또는 강압됨
• 플라이백, 일종의 벅-부스트로 전기적 분리 기능도 제공함

고정 및 가변 선형 전압 조정기

오랜 동안 전원 공급 장치 설계는 지속적인 고정 전압 출력을 공급하는 데 탁월한 것으로 입증된 선형 전압 조정기에 의존해 왔으며, LM317과 같이 가변 선형 전압 조정기도 있습니다.

널리 사용되는 고정 및 선형 출력 전압 조정기 유형으로는 78xx 포지티브 출력 및 79xx 네거티브 출력 전압 계열을 들 수 있는데, 이러한 유형의 전압 조정기는 5V ~ 24V 범위의 안정적인 출력을 생성합니다.

선형 전압 조정기는 스위치 모드 전원 공급 장치가 아니며, 전압 조정기는 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다. 일반적으로 전력 출력이 10W 미만이고 효율이 낮아 열이 발생하며 소음과 리플 특성이 낮습니다. 선형 조정기는 강압 전압 조정만 가능하지만 SMPS는 벅, 벅-부스트, 부스트 부품을 사용하여 입력 전압의 승압 및 강압 그리고 무효화가 가능합니다.

스위치 모드 전원 공급 시스템

대부분의 최신 텔레비전, 개인용 컴퓨터, DC 모터 드라이브 및 전력 증폭기에는 출력 전압을 제공하기 위해 표준 선형 방식 대신 반도체 스위칭 기술을 사용하는 고급의 효율적인 SMPS가 필요합니다. 기본 스위칭 컨버터는 전원 스위칭 스테이지와 제어 회로로 구성됩니다.

전력 손실이 낮은 SMPS는 포화 상태인 'ON'과 차단 상태인 'OFF' 사이에서 트랜지스터(또는 파워 MOSFET)를 내부적으로 전환하여 효율을 높인다는 장점이 있습니다.

벅 스위칭 조정기

ROHM Semiconductor BD9x 계열은 설계자에게 자동차 및 산업용 설계를 비롯하여 효율적인 전력 변환이 필요한 응용 제품을 위한 콤팩트한 옵션인 고효율 DC/DC 벅 컨버터를 제공합니다. BD9x 계열은 부품 수를 줄인 간소화된 설계로, 공간을 절약하고 제조 공정을 간소화하는 장점을 제공합니다. 낮은 대기 전류로 휴대용 애플리케이션에서 배터리 수명을 연장하는 동시에 BD9A201FP4-LBZTL 벅 스위칭 조정기(그림 1)와 같이 안정적인 출력 전압을 유지하여 안정적인 성능을 구현할 수 있습니다.

그림 1: BD9A201FP4-LBZTL 벅 스위칭 조정기는 안정적인 출력 전압을 제공합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

조정 가능한 단일 출력을 특징으로 하는 BD9E105FP4-ZTL 벅 스위칭 조정기(그림 2)는 저전압 요구 사항에 맞게 특별히 설계된 직류 조정기입니다. 낮은 온저항 전력 MOSFET과 단일 동기식 벅 DC/DC 컨버터를 갖춘 BD9E105FP4-ZTL 조정기는 경부하 조건에서 최고의 효율을 제공하므로, 대기 전력 소비를 최소화해야 하는 기기 및 장비에 이상적입니다.

우수한 과도 응답을 제공하는 이 제품은 작은 패키지로 높은 전력 밀도를 제공하면서 PCB의 풋프린트가 작아 냉장고, 에어컨과 같은 가전 제품, 통신 장치, 어댑터 및 보조 전원 공급 장치에 적합합니다.

그림 2: BD9E105FP4-ZTL 벅 스위칭 조정기를 사용하면 더 낮은 전압 요구 사항을 수용할 수 있습니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

부스트 스위칭 조정기

MP3414AGJ-Z 부스트 스위칭 조정기는 출력을 조절할 수 있으며 두께가 얇아 공간이 제한된 표면 실장 응용 제품에 유용합니다. 40°C ~ +125°C의 온도 범위에서 쉽게 작동할 수 있으며, 돌입 전류 및 출력 단락 보호(SCP)를 제공하면서 1.8V의 낮은 입력 전압에서 작동을 시작할 수 있습니다.

출력 차단 기능이 있는 승압 컨버터가 필요한 경우, 높은 효율을 유지하면서 동기 전류 모드로 작동할 수 있는 기능이 필요합니다. 또한 통합 P-채널 동기 정류기로 효율성이 향상되었기 때문에 외부 쇼트키 다이오드가 필요하지 않습니다. MP3414A가 종료될 때 출력 차단 기능을 사용하면 종료 모드에서 1μA 미만의 공급 전류를 소모하면서 완전히 방전할 수 있습니다.

소형화

MP3414A를 활용하면 필요한 외부 부품 수를 줄일 수 있습니다. 1MHz 스위칭 주파수를 사용하여 더 작은 외부 부품을 사용할 수 있으며 소프트 스타트 기능으로 외부 부품 수를 최소화합니다. 넓은 전류 부하 범위를 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 통합 전원 MOSFET이 5.5V에 이르는 출력으로 3A 이상의 피크 스위칭 전류를 지원합니다.

컴팩트한 크기에 다양한 기능과 광범위한 전력을 제공하는 이 제품은 2셀 및 3셀 알카라인, NiMH 또는 NiCd 포맷을 포함한 단일 셀 리튬 배터리 제품과 같은 응용 제품에 이상적입니다. 무선 주변기기, 게임 액세서리, 개인용 의료 기기, 휴대용 미디어 플레이어는 모두 MP3414A와 같은 강압 컨버터의 이점을 누릴 수 있습니다.

기술은 빠르게 발전하고 있으며 점점 더 소형화되고 있습니다. TSOT23 패키지의 MP3414AGJ-Z는 SOP-J8에 비해 크기가 약 72% 더 작아 설치 공간을 크게 줄일 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 부품 설계에 있어 소형화 추세가 강해지면서 TSOT23과 같은 패키징 유형의 소형화가 필요합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

전력 소비 감소를 통한 효율성 극대화

소형화를 지향하는 추세는 지속적이며, 동시에 신뢰성과 전력 효율성을 유지해야 할 필요성도 있습니다. BD9E202FP4-ZTL 벅 스위칭 조정기는 컴팩트한 설계에 조정 가능한 출력과 안정적인 전력을 제공합니다(그림 4).

그림 4: BD9E202FP4-ZTL은 더 작고 콤팩트한 설계로 안정적인 전력을 공급하는 벅 스위칭 조정기입니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

크기가 작아지면 부하 용량이나 안정적인 전력 공급에 영향을 줄 것이라 생각할 수 있지만, 사실 그렇지 않습니다. BD9E202FP4-ZTL은 높은 변환 효율을 제공하면서도 전력 소비 요구 사항을 낮추는 장점을 제공합니다(그림 5).

낮은 대기 전류를 제공함으로써 배터리로 구동되는 장치가 유휴 상태에서도 전력 소비를 최소화할 수 있습니다. 또한 지속적인 온타임 제어를 통해 경부하 시에도 효율적으로 운영할 수 있습니다.

그림 5: 설계자는 효율적이고 안정적으로 전달할 수 있는 고효율 DC/DC 벅 컨버터를 찾습니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

AC/DC 및 DC/DC용 플라이백 컨버터

플라이백 컨버터는 플라이백 트랜스포머를 통합한 벅 부스트 컨버터로, 출력과 입력 사이에 전기적 분리가 있는 AC/DC 및 DC/DC 변환에 모두 사용되며, 분리라는 추가적인 이점과 함께 전압 비율의 증식을 제공합니다.

분리 전력 컨버터는 전압 모드 제어와 전류 모드 제어를 두 가지 제어 방식으로 제공합니다. 대부분의 경우 안정적으로 작동하려면 전류 모드 제어를 주로 사용해야 합니다.

벅-부스트 DC-DC 컨버터

출력 전압 크기가 입력 전압보다 크거나 작은 일반적인 DC-DC 컨버터는 벅-부스트 컨버터이며, 네거티브 전압을 생성하는 것도 가능합니다. 플라이백 컨버터와 유사하지만 트랜스포머를 사용하는 대신 단일 인덕터를 사용합니다. 특히 벅-부스트 컨버터는 두 가지 토폴로지로 구성되며, 둘 다 입력보다 큰 범위의 출력 전압부터 최소 0까지 다양한 출력 전압을 생성합니다.

'초퍼'라고도 하는 DC/DC 공급 장치에는 듀티 사이클에 따라 승압 또는 강압 컨버터로 작동하는 벅-부스트 회로가 포함되어 있습니다.

결론

오늘날의 자동차 및 산업용 설계를 위한 효율적인 전력 변환은 전압 조정기를 전환하지 않고는 작동할 수 없습니다. 설계가 더욱 컴팩트해지면서 일관된 전력 수준을 유지하는 다목적의 효율적인 부품에 대한 수요가 그 어느 때보다 커졌습니다.

스위칭 전압 조정기는 SMPS, DC/DC 스위처, 조정기 또는 컨버터 등 다양한 이름으로 분류될 수 있지만 ROHM은 효율적인 전력 변환이 필요한 다양한 응용 분야를 위한 콤팩트 옵션을 다양하게 제공합니다.