DC 조절 회로의 효율성 향상 및 잡음 제거

24직류(DC) 모터에 입력 전압을 제공하는 한 방법은 공칭 24V 공급 장치를 단자에 연결하고 ‘On’ 스위치를 켜는 것입니다. 그러면 모터는 완벽하게 잘 작동할 것입니다. 그러나 공칭 전압 공급 장치의 문제는 예를 들어 38V까지 올라가거나 15V까지 내려갈 수 있다는 것입니다. 이러한 전압 변동은 DC 모터처럼 비교적 견고한 장치에 손상을 주지는 않겠지만 성능에 분명 영향을 미칠 것입니다. 민감한 자동차, 항공 전자 또는 전기 통신 응용 분야도 똑같다고 말할 수는 없습니다. 이러한 제품 및 다른 많은 제품에서 저전압 또는 과전압은 영구적인 손상을 일으킬 수 있습니다.

입력 공급 장치가 DC 모터에 필요한 것과 일치하지 않으면 문제는 더욱 악화됩니다. 예를 들어 일반적인 DC 공급 장치 전압은 48V인데, 이를 24V 모터에 직접 연결하면 결국 낭패를 볼 수 있습니다.

DC 전압 조정기가 직접적인 솔루션이 됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 이 장치는 특정 임계값 내의 변수 입력으로부터 딱 맞게 조절된 출력을 유지할 수 있습니다. 따라서 입력이 38V ~ 15V 사이에서 변한다 하더라도 조정기가 각 방식에 따라 몇 퍼센트 내에서 24V 출력을 안정적으로 제공합니다. 또한 전압 조정기는 입력 전압에서 다른 출력을 제공할 수 있으므로 48V 공급 장치에서 안전하게 24V 모터에 전력을 공급할 수 있습니다.

전압 조정의 성능

전압 조정에는 다양한 상용 옵션이 있습니다. 가장 간단한 것은 낮은 드롭아웃(LDO) 선형 조정기입니다. LDO는 설계하기 쉬울 뿐 아니라 외부 부품이 거의 필요하지 않고 가격도 비교적 저렴하며 콤팩트합니다. 한 가지 주목할 만한 단점은 이 장치가 입력보다 낮은 출력만 제공할 수 있다는 점입니다. 24V 공급 장치가 공칭 값 아래로 내려가면 도움이 되지 않습니다.

LDO의 다른 잠재적인 단점은 효율성이 떨어진다는 점입니다. 이 장치는 기본적으로 저항기 분배기 네트워크를 사용하여 전압을 조정하므로 입력 전압과 출력 전압의 차가 클수록 내부 소비 전력이 더 늘어나고 온도가 더 많이 상승합니다. 예를 들어 LDO를 사용하여 48V 공급 장치를 24V로 조절하면 조정기는 약 50%의 효율로 작동합니다. 에너지 절약이 관건인 오늘날 이러한 전력 낭비는 허용할 수 없습니다(그림 1).

그림 1: LDO 효율성은 입력 전압에 대한 출력 전압의 비율에 비례합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LDO 개선

스위칭 조정기는 전압 조정 작업에 더욱 효율적입니다. 작동 원리는 복잡하지만 기본적으로 조정은 트랜지스터 쌍이 고주파 스위칭을 통해 하나 이상의 인덕터를 주기적으로 충전하여 이뤄지며 그런 다음 부하로 해당 에너지를 분산시켜 다음 주기에 다시 충전할 준비가 됩니다. LDO와는 달리 전압 조정은 저항기 네트워크를 이용하여 입력 전압을 나누어 조정하는 것이 아닙니다. 이렇게 하면 선형 장치와 관련된 대부분의 비효율적인 면을 효과적으로 제거합니다.

그 결과 최신 스위칭 조정기를 사용하여 48V 입력에서 24V를 공급하면 일부 설계 제약 내에서 90%를 훨씬 넘는 효율로 전압을 공급할 것으로 예상할 수 있습니다. 심지어 스위칭 조정기는 입력 전압을 승압(’부스트’) 및 강압(‘벅’)할 수 있습니다. 대부분의 장치에서 이 두 모드 간의 변경은 원활하게 이루어집니다. 따라서 입력 전압이 낮은 수준과 높은 수준을 오가더라도 조정기는 효율적이고 안정적으로 24V를 공급하여 DC 모터가 원활히 작동하게 합니다(그림 2).

그림 2: 스위칭 벅/부스트 전압 조정기의 가장 간단한 형태는 트랜지스터, 다이오드 2개, 인덕터, 커패시터로 구성됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

스위칭 조정기에는 몇 가지 단점이 있습니다. 스위칭 조정기는 복잡하고 비용이 많이 들며 외부 부품이 많이 필요합니다. 또한 이 외부 부품은 공간을 차지할 뿐만 아니라 적절하게 선택할 수 있도록 상당한 고급 설계 기술이 필요합니다. 아마도 가장 큰 문제는 고주파 스위칭에서 발생할 것입니다. 이 스위칭은 전자파 장해(EMI)를 발생시킬 뿐 아니라 출력 전압에 식별 가능한 리플을 전달할 수도 있습니다. 2가지 문제 모두 잘 설계된 필터 회로를 사용하여 완화할 수 있지만 제거할 수는 없습니다.

효율성 향상

스위칭 조정기가 뛰어난 효율성을 보여주지만 완벽하지는 않습니다. 전력 드레인의 주요 원인은 트랜지스터가 전도하는 동안의 DC 손실과 트랜지스터가 상태를 전환할 때의 스위칭 손실입니다. 제조업체는 특정 모드에서 작동할 때 효율성을 높이기 위해 해당 제품에 기발한 기능을 적용했습니다. 예를 들어 불연속 전도 모드(DCM)는 조정기의 인덕터 전류가 낮은 출력 전류에서 역방향으로 흐르지 않게 방지합니다. 이는 가벼운 부하의 효율성을 향상하는 데 도움이 됩니다.

오늘날의 스위칭 전압 조정기는 공정 중 비생산적인 에너지를 소모할 필요가 없을 때에도 조절됩니다. 그러나 이제까지 활용도가 떨어졌던 기능이 하나 있습니다. 공칭 24V 공급 장치와 함께 공급되는 24V DC 모터의 예를 생각해 보겠습니다. 공급 장치가 상당히 다를 수 있다는 점을 확인했지만 24V이거나 적어도 그에 매우 가까운 경우가 많이 있을 것입니다. 이러한 상황이 발생하면 전압 조절을 중지하고 조정기로 인해 발생하는 기타 전력 손실뿐 아니라 전도 및 스위칭 손실을 제거하여 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

이는 Analog Devices가 패스스루 모드를 사용하여 상용화한 기술입니다. 이 기술은 LT8210EFE 벅 부스트 조정기와 같은 제품에 적용되어 왔습니다(그림 3). 이 조정기는 2.8V ~ 100V 입력을 1V ~ 100V 출력으로 전환하며 하이사이드 트랜지스터와 로우사이드 트랜지스터 두 쌍으로 이루어집니다.

그림 3: 패스스루 모드에서 입력 전압은 영구적으로 스위치가 켜진 하이사이드 트랜지스터를 통해 LT8210로 흐릅니다. 효율성이 매우 높고 잡음이 발생하지 않습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

패스스루 모드에서 이 장치의 하이사이드 스위치 2개가 영구적으로 켜져 있어 로우사이드 스위치 2개가 영구적으로 꺼져 있는 동안에도 비정격 전압 공급이 이 장치를 통해 직접 흐를 수 있습니다. 조정기를 통과하는 전류와 전압에 따라 효율성을 100% 가까이 발휘할 수 있습니다. 또한 패스스루가 작동 중일 때에는 EMI 또는 출력 전압 리플이 생성되지 않습니다.

냉각 상태 유지하기

낮은 조정 임계값과 높은 조정 임계값을 프로그래밍하여 LT8210의 패스스루 영역을 설정할 수 있습니다. 예를 들어 부하에는 공칭 12V 출력이 필요하지만 8V ~ 16V 사이의 비정격 전압을 안전하게 견딜 수 있다는 사실을 알고 있습니다. 따라서 해당 범위에 대한 패스스루 모드를 설정하고 발생 시 매우 높은 효율성의 이점을 활용할 수 있습니다. 공급 전압이 8V 이하인 경우 조정기는 스위치를 켜서 전압을 최대 8V까지 승압하고 16V가 초과하는 경우 스위치를 켜서 16V까지 강압합니다(그림 4).

그림 4: 패스스루 영역은 LT8210에서 프로그래밍할 수 있습니다. 그러면 조정은 이 영역 밖에서만 발생합니다. 패스스루 영역에서 작동 시 효율성 향상에 유의하십시오. (이미지 출처: Analog Devices)

또한 Analog Devices는 LT8210을 기반으로 한 편리한 데모 기판인 DC2814A-C를 공급합니다. 이 기판은 26V ~ 80V 입력에서 작동하며 최대 2A의 전류까지 36V ~ 56V 출력을 제공합니다. 이 기판은 부품 온도와 같은 파라미터에서 패스스루의 이점을 보여주는 데 사용할 수 있습니다(그림 5, a와 b).

그림 5 : 60V 입력을 2A 부하 전류를 사용하여 56V로 조절 시 DC2814A-C 데모 기판의 온도 프로파일을 보여줍니다. 45V 공급 및 2A 부하 전류를 사용하여 패스스루 모드에서 작동 시 동일한 데모 기판이 표시됩니다(하단, (b)). (이미지 출처: Analog Devices)

결론

스위칭 조정기는 높은 효율성이 중요한 경우의 전압 조정에 탁월한 선택입니다. 그러나 스위칭 조정기는 약간의 전력을 소모하며 스위칭 잡음이 문제가 될 수 있습니다. 상당한 효율성 이득과 잡음이 없는 작동은 Analog Device의 패스스루 특징을 활용하여 달성할 수 있습니다. 부하가 전압 변동의 내성이 클수록 잠재적인 이득이 커집니다.