DC-DC Converter

DC-DC Converter

직류 전압을 다른 직류 전압으로 변환하는 전력 변환 장치입니다.

 

강압 컨버터의 기본 원리

강압 컨버터는 스위칭 소자(Q1)의 ON/OFF 동작으로 인덕터(L)에 전기 에너지를 자기 에너지 형태로 축적하였다가 방출하는 원리로 동작합니다.

• Q1이 ON 상태일 때: 입력 전압(VIN)에서 인덕터(L)를 거쳐 출력 콘덴서(CO)로 전류가 흐르며, 인덕터에 자기 에너지가 축적됩니다.
• Q1이 OFF 상태일 때: 인덕터(L)에 축적된 자기 에너지가 다이오드(D1)를 통해 출력 단으로 방출되어 부하에 전력을 공급합니다.

위 동작을 Q1의 스위칭 주기적으로 반복하며, 출력 콘덴서(CO)는 출력 전압을 평활화하는 역할을 합니다.

자세하게 표기하자면

• 비교 회로에서 출력 전압과 설정 기준 전압을 비교합니다.
• 출력 전압이 설정 전압보다 낮으면 스위치(Q1)를 켜서 입력에서 출력으로 전력을 공급합니다.
• 이때 전류가 흘러 인덕터(L)에 자기 에너지를 축적합니다.
• 출력 전압이 설정 전압보다 높아지면 스위치(Q1)를 끕니다.
• 스위치가 꺼지면 인덕터에 축적된 자기 에너지가 전류 형태로 다이오드(D1)를 통해 출력 부하로 공급되며, 다시 인덕터로 순환합니다.
• 인덕터의 자기 에너지가 낮아져 출력 전압이 다시 설정 전압보다 낮아지면 스위치를 켭니다.
• 이러한 스위칭 동작을 일정 주파수로 반복합니다.
  
  

  

  DC-DC Converter 시간에 따른 그래프

 

DC-DC 컨버터의 종류

DC-DC 컨버터에는 크게 4가지 유형이 있습니다.

• 강압(Buck) 컨버터: 입력 전압보다 낮은 전압을 출력
• 승압(Boost) 컨버터: 입력 전압보다 높은 전압을 출력
• 승강압(Buck-Boost) 컨버터: 입력 전압보다 높거나 낮은 전압을 출력
• 반전(Inverting) 컨버터: 음의 극성 전압을 출력

또한 내부 다이오드를 통해 인덕터 에너지를 방출하는 비동기 정류 방식과 별도의 스위칭 소자를 사용하는 동기 정류 방식이 있습니다.

LDO vs DC-DC 컨버터

전원 IC는 크게 선형 레귤레이터인 LDO와 스위칭 레귤레이터인 DC-DC 컨버터로 나뉩니다.

• LDO는 입력 전압보다 낮은 전압만을 출력할 수 있지만, 회로가 간단하고 노이즈가 적은 장점이 있습니다. 하지만 입출력 전압 차이가 커질수록 효율이 낮아집니다.
• DC-DC 컨버터는 입출력 전압의 상향/하향이 자유롭고, 대전류에도 높은 효율을 가지지만 스위칭 노이즈와 외부 소자가 많은 단점이 있습니다.

정류 방식의 비교

비동기 정류 방식은 내부 다이오드를 사용하며, 동기 정류 방식은 MOSFET을 사용합니다.

• 비동기 정류는 회로가 간단하지만, 다이오드 전압강하(VF)로 인해 효율이 낮습니다.
• 동기 정류는 MOSFET의 낮은 온저항(RON)으로 높은 효율을 가지지만, 회로가 복잡해집니다.

또한 부하 전류에 따라 인덕터 전류가 연속적일 수도, 불연속일 수도 있는데, 불연속 영역에서는 효율이 저하될 수 있습니다.

결론

강압 컨버터는 스위칭 소자의 ON/OFF로 인덕터에 전기에너지를 자기에너지 형태로 축적했다가 방출하는 원리로 동작
컨버터 유형으로는 강압, 승압, 승강압, 반전 컨버터가 있음
정류 방식에는 비동기(다이오드) 방식과 동기(MOSFET) 방식이 있음
LDO와 다르게 DC-DC 컨버터는 입출력 전압의 상향/하향이 자유롭고 고효율
최근 고효율/소형화 요구가 높아지면서 DC-DC 컨버터의 중요성이 부각되고 있음
회로 설계를 하게 된다면 필수적으로 DC-DC Converter,LDO 를 같이 사용하게 된다