전원장치 설계 시 전압원의 실제 동작을
고려해야 하는 이유
2021년 07월 13일
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글 / 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices)


전원공급장치의 전압원은 실제로 사용할 때 결코 이상적일 수 없다. 따라서 신뢰할 수 있는 전원장치를 설계하기 위해서는 기생성분을 비롯한 실제 동작을 고려해야 한다. 전원장치를 사용할 때, 스위칭 레귤레이터 같은 DC-DC 컨버터가 특정한 입력 전압 범위를 수용하고 이로부터 충분한 전류로 원하는 출력 전압을 생성하도록 해야 한다. 입력 전압은 통상적으로 정확하게 제어되지 않는 편이라, 흔히 특정 범위로 지정된다. 하지만 전원장치가 신뢰성 있게 동작하기 위해서는 입력 전압이 스위칭 레귤레이터에서 허용될 수 있는 범위 이내여야 한다.


예를 들어, 12V 전원 전압에 대한 통상적인 입력 전압 범위는 8V ~ 16V 사이이다. 그림 1은 12V의 공칭 전압으로 3.3V를 발생하는 스텝다운 컨버터(벅 토폴로지)를 보여준다.


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그림 1: 스텝다운 스위칭 레귤레이터와 함께 (DC) 전압원이 사용되는 것을 볼 수 있다.


DC-DC 컨버터를 설계할 때 고려해야 하는 것은 입력 전압 최소값과 최대값만이 아니다. 그림 1에서는 벅 컨버터가 양(+)의 입력으로 스위치를 포함하는 것을 알 수 있다. 이 스위치는 켜거나 끌 수 있다. 스위칭 손실을 낮추려면 스위칭 속도가 가능한 높아야 한다. 하지만 이렇게 하면 전원 라인으로 펄스형 전류가 흐른다. 이러한 펄스형 전류를 모든 전압원이 별 문제없이 공급할 수 있지는 않다. 스위칭 레귤레이터 입력에 전압 강하가 생길 수 있는 것이다. 이 문제를 최소화하기 위해서는 전원장치 입력에 백업 커패시터가 필요하다. 그림 1에서 CIN으로 표기한 것이 바로 그것이다.


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그림 2: 그림 1의 회로에 전원 라인과 전압원의 기생성분들이 추가되었다.


그림 2는 그림 1의 회로에 전원 라인과 전압원의 기생성분들이 추가되었다. 이 스위칭 레귤레이터가 안정적으로 동작하도록 하기 위해서는 전압원의 내부 저항(RSERIES), 전원 라인의 인덕턴스와 저항(R과 L), 전류 제한을 중요하게 고려해야 한다. 무엇보다 이 회로를 문제없이 잘 작동하기 위해서는 입력 커패시터를 적절하게 선택해야 한다. 이를 위해 가장 먼저 할 일은, 스위칭 레귤레이터 IC의 데이터 시트에서 CIN에 대한 권장 커패시턴스 값을 확인하는 것이다. 하지만 전압원이나 전원 라인이 특수한 특성을 나타내는 경우에는, 전압원과 스위칭 레귤레이터의 조합을 시뮬레이션 해볼 필요가 있다. 그림 3은 아나로그디바이스(Analog Devices)의 LTspice 시뮬레이션 환경을 사용해서 시뮬레이션을 실시한 사례를 보여준다.


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그림 3: LTspice로 시뮬레이션을 실시해서 스위칭 레귤레이터의 입력 전압 동작을 살펴볼 수 있다.


그림 3은 ADP2360 벅 컨버터의 시뮬레이션 회로를 보여준다. 이 회로에서는 이상적인 전압원을 사용해서 입력 전압 IN을 발생하는 것으로 나타나 있다. 전압원에 대해 어떠한 내부 저항도 정의되지 않고, 전압원과 스위칭 레귤레이터 사이의 전원 라인에 어떠한 기생성분들도 주어지지 않았기 때문에, ADP2360의 VIN 핀에는 항상 지정된 전압이 인가된다. 그러므로 입력 커패시터(CIN)을 추가할 필요가 없다. 하지만 실제 사용 시에는 전압원과 전원 라인이 이상적일 수 없으므로 스위칭 레귤레이터에 입력 커패시터가 반드시 필요하다. LTspice 같은 시뮬레이션 환경을 사용하여 서로 다른 입력 커패시터의 행동을 시험해 보고자 한다면, 반드시 그림 2에서와 같이 내부 저항을 갖고 있는 전압원과, 저항과 인덕턴스에 대한 기생 값을 갖고 있는 전원 라인을 사용해야 한다.


저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 현재는 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.

 

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