벅 스위칭 레귤레이터: 작동 원칙, 성능, 용도

2024. 11. 29
Swirling blue energy shape radiates against a dark background
스위칭 레귤레이터 토폴로지는 효율이 우수하면서도 디자인 유연성이 뛰어나 대부분의 범용 전력 변환 용도에 활용됩니다. 이에 따라 다양한 용도에 맞춰 수많은 스위칭 토폴로지가 개발됐습니다.

목차

벅 스위칭 레귤레이터(또는 컨버터) 는 높은 DC 전압을 낮은 수준으로 줄여줍니다. 즉, 입력 전압을 "줄인다(buck)"라는 의미로, 극성을 바꾸지 않고 출력에서 낮은 전압을 도출하는 것입니다. 벅 레귤레이터는 분산형 전동 레일을 스텝다운(예: 24V에서 5V로)하는 것과 같이 국소적으로 전압을 변환해야 하는 시스템에 널리 활용됩니다. 이 레귤레이터는 전자 장치의 전력 관리, 배터리 구동식 시스템의 전압 조절과 같은 다양한 용도에 필수적입니다.
Schematic of a buck switching regulator
그림 1: 벅 레귤레이터 설계의 작동 원칙(출처: RECOM)
그림 1에 벅 컨버터의 작동 원칙을 그림으로 표시했습니다.

인덕터 L1과 커패시터 C1을 LC 저주파 통과 필터(LPF)로 간주할 수 있습니다. 스위치 S1이 닫히면 C1이 L1을 통해 전하를 보내면서 부하 RL의 전압 VL1이 천천히 상승합니다.

그러다 S1이 열리면 인덕터의 자기장에 저장된 에너지가 다이오드 D1에 의해 인덕터의 스위치 쪽에서 0V로 클램핑되어 커패시터와 부하로 방출될 수밖에 없으므로, 전체 부하의 전압이 천천히 낮아집니다.


그러면 평균 출력 전압은 PWM 제어 신호의 듀티 사이클에 입력 전압 VIN을 곱한 값이 됩니다. 그림 2에 이 회로의 특징적인 파형을 표시했습니다.



그림 2: 벅 레귤레이터 회로의 파형(출처: RECOM)

기본 디자인 보강

Schematic of a synchronous buck converter
그림 3: 동기식 벅 컨버터의 기능 블록(출처: RECOM)
그림 1의 간단한 회로를 확장하고 개량하면 그림 3에 표시된 것처럼 됩니다.

이 회로에는 피드백 회로가 포함되어 있어 VOUT을 참조 전압 VREF과 비교하여 그에 따라 PWM 듀티 사이클을 조정합니다. R1 및 R2 형성한 전압 분배기가 바람직한 출력 전압을 설정합니다. 또한 이 회로에서는 그림 1의 다이오드 D1 대신 MOSFET S2를 사용하여 정확한 작동을 위해 필요 시에만 컨트롤러가 전원을 켜서 동기식 정류기 역할을 하게 됩니다.

이 방식을 취하면 복잡하기는 하지만 변환 효율성이 좋아집니다. RECOM의 DC/DC 지식 서적에서 스위칭 컨버터의 토폴로지와 디자인 트레이드오프를 매우 상세하게 다루었습니다.

벅 레귤레이터의 장단점

다른 전력 변환 토폴로지와 비교 시 벅 레귤레이터 토폴로지에는 몇 가지 장단점이 있습니다.

대표적인 장점은 다음과 같습니다.
  • 고효율: 벅 컨버터는 종종 97%가 넘는 고효율성을 달성할 수 있습니다. 특히 동기식 설계에서 효율성이 더 두드러집니다.
  • 광범위한 입력 전압 범위: 벅 컨버터는 광범위한 입력 전압을 처리할 수 있습니다.
  • 콤팩트한 디자인: 필요한 외부 구성품이 많지 않아 제한된 공간에 적합합니다.
  • 유연한 출력 전압: 출력 전압을 넓은 범위 내에서 자유롭게 설정할 수 있습니다.

벅 스위칭 레귤레이터의 단점은 다음과 같습니다.
  • 부하 변동 시 대응 속도 느림: 전류 모드 벅 컨버터는 특히 낮은 듀티 사이클에서 부하가 급변하면 반응 속도가 비교적 느립니다. 파워 트랜지스터 S1 전원이 꺼지면 다음 클록 사이클 때까지 꺼진 상태로 유지됩니다.
  • 출력 전압 변동: 부하가 빠른 속도로 변하면 대역폭에 한계가 있기 때문에 출력 전압이 심하게 변할 수 있습니다.
  • 노이즈 필터링 문제: 벅 레귤레이터는 스위칭 작동에 의한 펄스 입력 전류로 인해 EMI를 방출하므로 노이즈 필터링이 필요합니다.

벅 컨버터는 효율성이 우수하고 콤팩트하지만, 부하 대응, 노이즈, 인덕터 선택에 한계가 있습니다.

벅 레귤레이터 디자인을 단순화하는 RECOM RPH 제품군

최적의 성능에 맞춰 벅 레귤레이터를 설계하기란 쉬운 일이 아니지만, RECOM에서는 주요 요소를 간편한 파워 모듈 패키지로 만들어 그 과정을 간소화했습니다.

RECOM’s RPH-3.0 (left) and design schematic (right)

그림 4: 설계도에 벅 레귤레이터 추가 과정을 간소화하는 RECOM RPH-3.0(출처: RECOM)

RPH-3.0 시리즈는 까다로운 전력 변환 요구 사항에 효율적이고 정밀하게 맞출 수 있도록 설계된 콤팩트한 다목적 솔루션입니다. 이 벅 레귤레이터 파워 모듈에는 EMI를 낮추기 위해 차폐형 인덕터가 내장되어 있으며, 이외에도 최적의 성능과 안정성을 보장하기 위해 다양한 기능이 완비되어 있습니다. 최대 입력 전압이 55V에 달해 안정적이면서 효율적인 전압 조절을 보장하므로 다양한 용도에 활용할 수 있는 강력한 솔루션입니다. 출력 전압은 1~15V 범위에서 완전히 프로그램 방식으로 설정할 수 있으므로 구체적인 시스템 요구 사항에 맞춰 유연하게 조절됩니다.

최대 3A 출력 전류까지 제공하는 파워 모듈로, 광범위한 전자 장치와 시스템 구동 용도로 매우 적합한 제품입니다. RPH 시리즈에는 단락 방지(SCP), 과전류 방지(OCP), 과전압 방지(OVP), 저전압 잠금(UVLO) 기능도 제공되므로 연결된 장치를 보호할 뿐만 아니라 수명도 보장합니다.

콤팩트한 10mm x 12mm x 4mm QFN 패키지의 RPH는 공간이 제한된 용도에도 간편하게 통합할 수 있어 이상적인 RPH 파워 모듈입니다. 플립칩 기술을 통해 열 관리가 개선되었으므로, 열악한 작동 환경에서도 모듈이 효율적으로 작동하도록 보장됩니다. 효율성 등급이 최대 91%에 달하는 RPH는 우수한 효율성을 통해 에너지 소모량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 발열량도 최소 수준이므로 모듈의 전반적인 안정성과 수명을 개선할 수 있습니다.

RPH-3.0 시리즈는 첨단 기술력과 콤팩트한 디자인, 강력한 보호 기능을 결합한 최첨단 솔루션으로, 각종 소비자 가전제품, 산업 용도는 물론 일관되고 효율적인 성능을 제공하는 안정적인 부하 공급 지점이 필요한 그 외 모든 분야에 적합합니다.

RECOM의 절연 전원용 솔루션

벅 토폴로지 기반 파워 모듈은 비절연 방식입니다. 즉, 변압기를 사용해 입력과 출력 간 갈바닉 절연을 제공하지 않습니다. 그러나 데이터 수집, 산업용 사물 인터넷(IIoT), 친환경 에너지를 비롯한 많은 분야에서는 갈바닉 절연이 필요합니다. RECOM에서는 이러한 용도에 맞는 다양한 절연식 파워 모듈을 제공하고 있습니다.

결론

벅 스위칭 레귤레이터는 오랫동안 테스트를 거쳐 입증된 콤팩트한 고효율 모듈입니다. 설계에 벅 레귤레이터를 사용할 때는 각별히 주의를 기울여야 하지만, RECOM의 RPH-3.0 제품군은 주요 구성품을 콤팩트한 고성능 파워 모듈에 내장하여 간편한 솔루션을 제공합니다.
용도
  Series
1 DC/DC, 15.0 W, Single Output, SMD (pinless) RPH-3.0 Series
Focus 신규
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 55V maximum input voltage
  • Programmable 1 - 15V output voltage
  • 3A maximum output current
2 DC/DC, 15.0 W, Single Output RPH-3.0-EVM-1 Series
Focus 신규
  • Evaluation platform for RPH-3.0 Buck Regulator Module
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class B filter
  • Easy evaluation of control, power good, and sensing functions