14. 전원공급장치(전압조정기)(3: 스위칭 전압조정기, IC 전압조정기)

14. 전원공급장치(전압조정기)(3: 스위칭 전압조정기, IC 전압조정기)

스위칭 전압 조정기(직류-직류 변환기, chopper)

스위칭 전압조정기(switching regulator)는 높은 주파수로 스위칭 소자를 ON/OFF하여 전력을 공급하는 장치이고 인덕터와 커패시터를 포함한다. 효율이 높고 크기가 작고 가벼우며 대전류 출력에 적합하나 맥동률이 크고 설계가 복잡하며 주변 회로에 고주파로 인한 영향을 준다.

강압형 전압조정기(step-down(buck) converter)

듀티 사이클을 변화시켜서 입력전압, 부하상태가 변하더라도 일정한 출력전압을 유지한다. 트랜지스터가 포화/차단 영역에서 작동하므로 스위치로 작동하고 전력소모가 적다. 트랜지스터가 ON되면 커패시터에 충전이 시작되고 OFF되면 커패시터에 방전이 시작된다.

출력전압이 감소(증가)하면 연산증촉기 출력전압이 +(-)가 되고 트랜지스터가 ON(OFF)되어 다이오드가 OFF(ON)된다. 그렇게 되면 커패시터에 충전(방전)이 시작되고 출력전압이 증가(감소)하게 된다(아래 그림 참고).

(왼쪽: 출력전압이 감소할 때, 오른쪽: 출력전압이 증가할 때)

  

위 회로는 간략화한 강압형 스위칭 전압조정기 회로이다.

$0<t<DT$일 때 트랜지스터(스위치)는 ON이고 다이오드는 OFF이다. $v_{L}=V_{d}-V_{o}$, $\displaystyle v_{L}=L\frac{di}{dt}$이므로 $\displaystyle\frac{di_{L}}{dt}=\frac{v_{L}}{L}=\frac{V_{d}-V_{o}}{L}$이고 $\displaystyle i_{L}(t)=i_{L\min}+\frac{V_{d}-V_{o}}{L}t$이고 $\displaystyle i_{L}(DT)=i_{L\max}=i_{L\min}+\frac{V_{d}-V_{o}}{L}DT$이다.

(또는 기울기를 이용한다: $\displaystyle\frac{V_{d}-V_{o}}{L}=\frac{i_{L\max}-i_{L\min}}{DT-0}$)

$DT<t<T$일 때 트랜지스터(스위치)는 OFF이고 다이오드는 ON이다. $v_{L}=-V_{o}$, $\displaystyle v_{L}=L\frac{di}{dt}$이므로 $\displaystyle\frac{di_{L}}{dt}=\frac{v_{L}}{L}=\frac{-V_{o}}{L}$이고 $\displaystyle i_{L}(t)=i_{L\max}-\frac{V_{o}}{L}(t-DT)$이므로 $\displaystyle i_{L}(T)=i_{L\min}=i_{L\max}-\frac{V_{o}}{L}(T-DT)=i_{L\max}-\frac{V_{o}}{L}(1-D)T$이다.

(또는 기울기를 이용한다: $\displaystyle-\frac{V_{o}}{L}=\frac{i_{L\max}-i_{L\min}}{T-DT}$)

위 두 결과를 종합하면 $\displaystyle\Delta i_{L}=i_{L\max}-i_{L\min}=\frac{V_{d}-V_{o}}{L}DT=\frac{V_{o}}{L}(1-D)T$이므로 $V_{o}=DV_{d}$이고 $0<D<1$이므로 $V_{o}<V_{d}$(buck, 강압형)이다.

승압형 전압조정기(step-up(boost) converter)

출력전압이 증가(감소)하면 연산증폭기의 출력전압이 증가(감소)해 트랜지스터가 ON(OFF) 되고, 다이오드가 OFF(ON)되어 커패시터가 방전(충전)을 시작해 출력전압이 감소(증가)한다.

(왼쪽: 트랜지스터 $Q_{1}$이 ON, 오른쪽: 트랜지스터 $Q_{1}$이 OFF)

위의 회로는 간략화한 승압형 스위칭 전압조정기 회로이다.

$0<t<DT$일 때 트랜지스터(스위치)는 ON이고 다이오드는 OFF이다. $v_{L}=V_{d}$, $\displaystyle v_{L}=L\frac{di_{L}}{dt}$이므로 $\displaystyle\frac{di_{L}}{dt}=\frac{v_{L}}{L}=\frac{V_{d}}{L}$이고 $\displaystyle i_{L}=I_{L\min}+\frac{V_{d}}{L}t$이므로 $\displaystyle i_{L}(DT)=i_{L\max}=I_{L\min}+\frac{V_{i}}{L}DT$이다.

$DT<t<T$일 때 트랜지스터(스위치)는 OFF이고 다이오드는 ON이다. $v_{L}=V_{d}-V_{o}$, $\displaystyle$, $\displaystyle v_{L}=L\frac{di_{L}}{dt}$이므로 $\displaystyle\frac{di_{L}}{dt}=\frac{v_{L}}{L}=\frac{V_{d}-V_{o}}{L}$이고 $\displaystyle i_{L}(t)=i_{L\max}+\frac{V_{d}-V_{o}}{L}(t-DT)$이므로 $\displaystyle i_{L}(T)=I_{L\min}=I_{L\max}+\frac{V_{d}-V_{o}}{L}(T-DT)=I_{L\max}+\frac{V_{d}-V_{o}}{L}(1-D)T$이다.

위 두 결과를 종합하면 $\displaystyle\Delta i_{L}=i_{L\max}-i_{L\min}=\frac{V_{d}}{L}DT=-\frac{V_{d}-V_{o}}{L}(1-D)T$이므로 $\displaystyle V_{o}=\frac{1}{1-D}V_{d}$이고 $0<D<1$이므로 $0<1-D<1$이고 $\displaystyle\frac{1}{1-D}>1$이므로 따라서 $V_{o}>V_{d}$이고 boost(승압형)이다.

위 회로는 간략화한 승/강압형 전압조정기(step-down/up(buck-boost) converter) 회로이다.

$0<t<DT$일 때 트랜지스터(스위치)는 ON이고 다이오드는 OFF이다. $v_{L}=V_{d}$, $\displaystyle v_{L}=L\frac{di_{L}}{dt}$이므로 $\displaystyle\frac{di_{L}}{dt}=\frac{v_{L}}{L}=\frac{V_{d}}{L}$이고 $\displaystyle i_{L}(t)=i_{L\min}+\frac{V_{d}}{L}t$이므로 $\displaystyle i(DT)=i_{L\max}=i_{L\min}+\frac{V_{i}}{L}DT$이다.

$DT<t<T$일 때 트랜지스터(스위치)는 OFF이고 다이오드는 ON이다. $v_{L}=-V_{o}$, $\displaystyle v_{L}=L\frac{di_{L}}{dt}$이므로 $\displaystyle\frac{di_{L}}{dt}=\frac{v_{L}}{L}=-\frac{V_{o}}{L}$이고 $\displaystyle i_{L}(t)=i_{L\max}-\frac{V_{o}}{L}(t-DT)$이므로 $\displaystyle i(T)=i_{L\min}=i_{L\max}-\frac{V_{o}}{L}(T-DT)=i_{L\max}-\frac{V_{o}}{L}(1-D)T$이다.

위의 두 결과를 종합하면 $\displaystyle\Delta i_{L}=i_{L\max}-i_{L\min}=\frac{v_{d}}{L}DT=\frac{V_{o}}{L}(1-D)T$이므로 $V_{d}D=V_{o}(1-D)$이고 $\displaystyle V_{o}=\frac{D}{1-D}V_{d}$이다.

$0<D<0.5$이면 $V_{o}<V_{d}$이므로 강압형(buck)이고, $0.5<D<1$이면 $V_{o}>V_{d}$이므로 승압형(boost)이다.

IC 전압조정기

위 그림은 IC 전압조정기를 나타낸 것으로 그 내부에 기준전원, 비교증폭기, 제어회로, 과부하 보호회로를 포함하고 +고정전압, -고정전압, 가변전압을 제공한다. 위 그림은 7812 3단자 전압조정기의 결선도이고 여기서 $C_{1}$커패시터는 맥동전압을 제거하고, $C_{2}$커패시터는 고주파 잡음을 제거한다.

78XX 조정기는 $5\text{~}24\text{V}$사이의 고정된 전압을 제공하고 여기서 XX는 출력전압을 나타낸다.(79XX는 음의 전압, XX는 전압값)

위 그림의 왼쪽은 전압조정기의 규격서이고 오른쪽에서 윗쪽은 78XX IC전압조정기의 종류, 아랫쪽은 79XX IC전압조정기의 종류를 나타낸 것이다.

위 그림은 LM317 가변전압 조정기이다. 조정범위는 $1.2\text{V}\sim37\text{V}$이고 $$\begin{align*}V_{o}&=I_{1}R_{1}+(I_{1}+I_{\text{ADJ}})R_{2}=I(R_{1}+R_{2})+I_{\text{ADJ}}R_{2}\\&=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}}\right)V_{\text{REF}}+I_{\text{ADJ}}R_{2}\end{align*}$$ 이며 전형적인 $V_{\text{REF}},\,I_{\text{ADJ}}$의 값은 $V_{\text{REF}}=1.25\text{V}$, $I_{\text{ADJ}}=100\mu\text{A}$이다.

저항 $R_{2}$를 가변하여 $1.2\text{V}$에서 $37\text{V}$의 출력전압을 얻는다.

다음의 회로는 자동이득 조절(Automatic Gain Control: AGC)기이다.

위 회로의 JFET $Q_{1}$은 전압에 의해 조절되는 저항 역할을 한다($V_{DS}<|V_{p}|$일 때 저항 역할을 한다). 또한 $Q_{1}$ 트랜지스터에 의한 저항 $r_{ds(on)}$은 $V_{GS}$에 의해 조절되고 $V_{GS}$가 더욱 작은 음의 값을 가질수록(절댓값이 커질수록) $r_{ds(on)}$은 증가하고 따라서 $R_{3}$과 $Q_{1}$ 트랜지스터는 전압분배 역할을 한다. 이때 $\displaystyle v_{+}=\frac{r_{ds(on)}}{R_{3}+r_{ds(on)}}$, $\displaystyle V_{o}=\left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}\right)v_{+}$이다.

(1) $V_{o(p-p)}<1.4\text{V}$이면 $Q_{2}$는 OFF 되고 $C_{2}$ 커패시터에 충전이 이루어지지 않아 $V_{G}=-V_{EE}=V_{GS}$이므로 $Q_{1}$은 OFF가 되고 $v_{+}\simeq V_{i}$가 된다.(출력신호가 작으면 큰 입력신호가 인가된다)

(2) $V_{o(p-p)}>1.4\text{V}$이면 $Q_{2}$는 ON 되고 $C_{2}$ 커패시터는 $Q_{2}$를 통해 충전을 하고 $V_{G}$에 작은 음의 전압이 제공된다($V_{G}=-V_{EE}+V_{C_{2}}$). 그러면 $Q_{1}$은 ON 되고 $\displaystyle v_{+}=\frac{r_{ds(on)}}{R_{3}+r_{ds(on)}}V_{i}$는 작은 값이다(출력신호가 크면 작은 입력신호가 인가된다).

그러므로 $\displaystyle V_{o}=\left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}\right)v_{+}$는 상수이고 $V_{o}$가 증가하면 $v_{+}$가 감소하게 되고 $V_{o}$가 감소하면 $v_{+}$가 증가하게 된다. 보통 $V_{i}$는 $60\text{dB}$(1000배)만큼 변하므로 $V_{o(p-p)}=1.4\text{V}$의 변화가 있다.     

 

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson

Electronic Devices Convetional Current Version 9th edition, Floyd, Pearson 

https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/dc-dc-converters/dcdc_what1

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?nav=&m_temp1=5333&id=212

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?nav=&m_temp1=5455&id=213

http://retawprojects.com/uploads/Chopper.pdf

https://www.engineersgarage.com/tutorials/circuit-design-automatic-gain-control