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2011.01.13 17:04

전원 공급소자인 DC-DC converter의 종류와 원리에 대하여 알아보자.

본 포스트에서 다루려는 DC-DC converter는 인덕터를 사용하여 PWM 파형으로 전압을 생성하는
소자를 말하는 것으로써 linear regulator(일반적으로 LDO)를 설명하는 것이 아님을 밝혀둔다.

무턱대고 maker에서 제공하는 reference 회로를 copy하기보단 이 글을 읽고 원리를 파악하면
더욱 안정적인 전원 설계가 가능하리라 믿는다.

[DC-DC CONVERTER의 종류]
- 입력전압보다 출력전압이 낮을 때 : STEP DOWN CONVERTER 
   BUCK, BUCK CONTROLLER, BUCK REGULATOR, BUCK CONVERTER 라는 명칭으로도 사용됨
   Synchronous type과 non-synchronous type으로 나눠지는데 차이점은 밑에서 자세히 살펴본다.

- 입력전압보다 출력전압이 높을 때 : STEP UP CONVERTER
   BOOST, BOOST CONTROLLER, BOOST CONVERTER 라는 명칭으로도 사용됨
   BOOST방식이 아닌 CHARGE PUMP 방식도 있음.

DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리

[STEP DOWN CONVERTER의 구성]
DC-DC로 유명한 M社 제품 중 MP1XXX의 간단한 spec을 review하고 block diagram을 살펴보자.

- 내부에 2개의 N-channel MOSFET이 포함
- 3A continuous load current
- 최대 95%의 효율
- Fixed 340KHz 동작 주파수
- Soft-start, inrush current 방지, shutdown지원


[STEP DOWN CONVERTER의 동작 원리]
이 device에 전원이 들어가는 순서를 따라가면서 동작원리를 같이 확인해보겠다.

1. 'IN'으로 전원 입력
2. Oscillator가 340KHz로 발진하기 시작.
3. 'EN'에서 측정되는 전압 레벨을 기준으로 비교기가 동작하여 device를 enable / disable할지 판단.
   (enable이라고 하고 4번으로...)
4. 'SS'에 붙어있는 capacitor의 용량에 의해 출력 전압이 start되는 기울기를 결정.
5. 'EN', 'SS'의 상태가 device를 동작하기 위한조건을 만족하면 oscillator의 발진주파수와 함께
   RS flip flop을 동작시킴.

여기까지가 일반적인 DC-DC step down converter의 전형적인 동작 모습이다.
왜 출력 전압까지 설명을 이어가지 않고 여기서 한 템포를 쉬느냐...

MOSFET 때문이다.

반도체 기술이 오늘날까지 발전하기 전엔 MOSFET을 DC-DC converter의 외부에 달아줬다.
그런데 반도체의 적층/merge기술이 발전한 결과 여기서 설명하고 있는 device처럼 MOSFET을 내부에
넣어서 시스템의 소형화를 이뤄내고 있다.

하지만 전류가 많이 필요한 시스템에선 필요한 전류값에 맞춰서 MOSFET의 용량이 결정되어야 하기
때문에 DC-DC converter는 RS flip flop과 다음단의 amp까지만 들어있고 high side MOSFET (M1)과
low side MOSFET (M2)은 외부에서 사용자가 달아주어야 한다.

이어서 DC-DC STEP DOWN CONVERTER동작의 핵심부분인 MOSFET과 외부 인덕터의 동작에 대해
계속 알아보자.

6. RS flip flop의 출력이 M1 MOSFET의 gate를 열어주어 'SW' pin으로 전류가 발생한다.

7. 'SW'에서 나오는 전류는 oscillator의 펄스파에 동기되어 동작하는 RS flip flop때문에
   ON-OFF-ON-OFF를 계속 반복하는 교류성 전류이다.
8. 외부의 인덕터(L1)에 입력되는 교류성 전류는 인덕터의 특성에 의해 직류 전류로 변환되고 인덕터를
   통과한 전류는 C2를 충전 시킨다. 
9. 인덕터를 통과한 전류가 직류전류가 되어야 하지만 MOSFET의 switching시 발생하는 노이즈에 의해
   깨끗하지 못한 파형이 나온다. 그래서 C2의 충/방전을 거쳐서 깨끗한 전압원이 완성되는 것이다.
10. 'SW'를 통하여 출력되는 주기파형의 duty ratio가 낮으면 high가 되는 부분이 매우 얇기 때문에
   일정 시간동안 high가 된 구간의 총 면적이 작게된다. -> 적분한 값이 작음 -> 낮은 전압 출력
   Duty ratio가 높으면 high가 되는 부분이 넓기 때문에 일정 시간동안 high가 된 구간의 총 면적이 크게
   된다. -> 적분한 값이 큼 -> 높은 전압 출력

여기까지가 전압이 출력되는 기본 과정이다.

[STEP DOWN CONVERTER의 효율]
이 device의 spec에 보면 효율이 최대 95%라고 되어 있는데 이 효율에 대해 얘기해 보도록 하자.

먼저 맨 위의 그림인 block diagram에서 low side MOSFET (M2)의 역할은 무엇인가?

본 포스트의 서론에서 step down converter는 synchronous typenon-synchronous type으로
구분된다고 했는데 M2자리에 MOSFET이 있으면 synchronous type이고 diode가 있으면 non-synchronous type으로 구분하는 것이다.

다음 그림을 보자. (TI는 친절하게 이런 자료들이 참 많다.)

High side MOSFET인 Q1의 아래에 D1이 있다.
여기에 D1을 사용한 이유는 SW에서 나온 전하가 L1 -> C1 -> GND -> D1 -> L1으로 loop를 형성하게끔
path를 구성해서 전하의 공급을 원활히 하기 위함이다.

D1은 일반적으로 반응속도가 빠른 schottky diode를 쓰지만 이 schottky diode는 0.3V의
voltage drop down이 발생하는 소자이고 이는 발열과 효율에 있어서 낮은 점수를 받을수 밖에 없다.

그래서 D1 대신 Q2 (MOSFET)를 사용하여 voltage drop down이 되는 부분을을 없애 효율을 높이는
것이다.

즉, step down converter가 diode를 지원하면 non-synchronous type이고 step down converter가 Q1과
반대의 위상으로 Q2 MOSFET을 drive 하도록 지원하면 synchronous type이 되는 것이다.

[참고]
Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck converters
- Texas Instruments -


포스트의 부족한 내용이나 아쉬운 부분을 본 페이지에 특화된 google검색을 통해서 알아보세요.
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Posted by nooriry

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  2. shkim 2011.07.06 13:19 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    유용한정보 감사합니다. 동작 원리에대하여 설명해 주셨는데요.

    실제로 출력전압이 어느 Path를 통과하여 전압이 낮아질수 있는지 이해가 잘안되어서요..

    추가 설명 가능하시면 부탁 드립니다~

  3. nooriry 2011.07.07 19:55 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    2개의 FET에 의해 high-low-high-low의 구형파가 발생하여 SW핀으로 출력됩니다.

    SW핀으로 출력된 구형파는 인덕터를 통과하면서 정류된 전압이 나오는 것입니다.

    즉, 12V의 입력전원이 구형파로 바뀌는 것이지요. 12V의 입력전원보다 구형파의 면적(적분값)이 작겠죠?

    왜냐면 low부분의 면적이 발생했으니까요.

    이 부분이 전압이 낮아지는 원리 입니다. low부분의 면적이 클수록 낮은 전압이 생성되겠습니다.

    방문해 주셔서 감사합니다.

  4. ELISIA 2011.07.12 09:25 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    유용한 정보 감사 드립니다. shoot through라는게 있던데, 추가 설명 가능하신지요?

  5. nooriry 2011.07.12 13:24 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    DC-DC쪽에서 shoot through라는 단어는 처음 들어보는데요.
    혹시 over shoot이나 under shoot을 말씀하시는 건가요?

  6. 안녕하세요 2012.01.14 20:12 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    지나가다 공부하면서 가는데 사용되는 제품의 품명을 알수 있을까요? 7 ->5 V 로 만드는거 번호좀 알수잇나요?

    • nooriry 2012.04.16 16:21 신고  댓글주소  수정/삭제

      7V를 5V로 만들어주는 소자들은 매우 많겠습니다만 제가 예시로 설명한 부품명은 MP1484입니다.
      Reference 전압이 0.925V이기 떄문에 5V보다 최소0.925V만 높은 전압을 입력시켜주면 5V의 생성이 가능하겠습니다.
      방문해 주셔서 감사합니다.

  7. 안녕하세요 2012.01.31 20:10 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    아 늦었지만 좋은정보 감사합니다.. 자주 들를께요^^

  8. 조형구 2012.02.10 15:39 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    정말 기본원리에 대해서 잘 설명해 주셨네요.
    정말 dc-dc 원리에 대한 기본 자료로는 손색이 없네요..
    나중에는 L과 C 스위칭 주파수 설정 RdsON DCR ESR등도 세부 설명 부탁드리겠습니다.
    시작하는 엔지니어들에게 많은 도움이 될것으로 생각합니다.

  9. 전성호 2012.02.27 21:09 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 정보 감사 드립니다.. 이제서야 이런 곳이 있었다는 것을 알게 되었습니다.
    감사합니다..
    여행도 많이 다니시던데.. 어떤일을 해야 해외로도 자주 나갈수 있을려나요^^*

    • nooriry 2012.02.28 09:08 신고  댓글주소  수정/삭제

      제가 개발하는 제품들은 거의 수출품이므로 해외 출장이 종종 있습니다.
      현지에서 성능 시험도 해야하고 지역적 환경을 이해하기 위해 출장을 가게됩니다.
      내수품 보다 수출품들을 개발/영업하시면 해외 출장의 기회가 있으리라 생각 합니다.
      방문해 주셔서 감사합니다.

  10. 초보 2012.05.16 21:18 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    앞에 자세한 설명 정말 감사합니다~ 처음으로 공부중인데. 정말 많은 도움되었어요 ^^

    BOOST CONVERTER 와 BUCK CONVERTER가 각각의 중요 사용처가 어디가있는지 좀 알 수 있을까요?
    대표적으로 실생활? 정도에 사용되는 분야를 알면 좀더 생각하기가 편할거 갔에서요.
    알려주시면 감사하겠습니다.

    • nooriry 2012.05.17 14:17 신고  댓글주소  수정/삭제

      두 부품 모두 너무나 많은곳에 사용되고 있습니다.
      한 가지씩만 예를 들자면...

      Buck의 경우 노트북을 예로 들면 노트북은 DC24V짜리 아답타를 사용하기 때문에 CPU에 필요한 1.2V라든지 1.5V라든지 등등을 만들어 쓰는데 사용될 수 있습니다.

      Boost의 경우 건전지가 사용되는 제품에서 높은 전압이 필요한 op amp등을 구동하기 위해 사용되곤 합니다.

  11. pradajjab 2012.08.09 18:27 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    정말 궁금한게 있습니다 stepdown converter에 non-synchronous, synchronous 로 나뉘는데 이 두개를 그냥 동기식 비동기식으로 말해야 하는 건가요? 그리고 이 둘의 차이점이 단지 다이오드,mosfet을 갈아낀거 말고 나타나는 특징좀 알려주세요^^

  12. 슈퍼범생 2012.08.15 09:23 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    너무 고마운 정보라서 감사의 말을 하지 않을 수 없네요. 좋은 가르침 고맙습니다.

  13. 궁금해요 2013.01.08 18:44 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    bootsrap(bs)는 무슨기능을 하나요?

  14. chung 2013.02.14 16:07 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    공부하는데 정말 많이 도움이 됬습니다. 감사합니다.

  15. shshin 2013.03.04 10:06 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    Over shoot 이나 under shoot에 관해서도 덧붙여 주시면 감사하겠습니다..^^;

  16. Chung 2013.03.14 09:43 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    감사합니다. 많이 배워갑니다.

  17. 부탁드려요 2013.06.20 17:06 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    감사합니다. 정말 유익하네요~
    궁금한것이 있는데 BS 단에 있는 C5의 역할은 무엇인가요?

  18. 나그네 2013.06.21 17:25 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 정보 깊이 감사드립니다. ^^

  19. 우크 2013.07.15 13:39 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 정보 감사합니다. stepdown dc-dc converter에 대한 좋은 자료인것 같습니다. 그런데 질문이 하나 있는데 이러한 것이 CMOS 공정을 거친 하나의 실리콘 다이(IC)인가요?

  20. 김지성 2016.04.01 09:21 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 자료 고맙습니다.
    다른 글도 다 읽고 기본지식을 쌓겠습니다.

    읽다가 궁금한 점이 하나 있습니다.
    바로 8번 입니다.
    교류성 전류는 인덕터의 특성에 의해 직류 전류로 변환된다 라는 내용이 어떻게 그렇게 되는 것인지 궁금합니다.
    인덕터 하나만 가지고 교류가 직류로 바뀌는 지, 커패시터의 충방전현상과 인덕터의 충방전으로 교류가 직류로 바뀌는 지 궁금합니다.

    인덕터에 교류전압을 걸었을 때, 자기장 형성시간 때문에 충방전보다 높은 주파수의 전압신호는 차단되는 것은 이해하고 있습니다. 그리고 인덕터와 커패시터의 공진이나, 위상지연 현상도 이해하고 있습니다.

    귀찮은시더라도 8번에 대해서 조금만 더 설명 좀 부탁드리겠습니다.

  21. 김지성 2016.04.01 13:38 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    해당 내용을 찾아보고자 mp1484의 데이터시트를 참고했습니다.
    데이터 시트에 보니 sw핀에는 LC필터가 달려 있다고 나옵니다.

    그리고 LC필터는 평활회로로서 사용이 될 수 잇습니다.
    그래서 얻게 된 결론은 output의 L은 혼자 작용하는 것이 아니라.
    c2와 함께 LC 평활회로로서 작용을 한다입니다.

    이내용이 혹시 위에 작성하신 내용이 맞으신지요?
    아마 이내용을 간략하게 쓰신 것 같습니다.
    덕분에 내용도 찾아보고 어떻게 작동하는지 조금씩 알게 되네요.

    좋은 글 다시한번 감사합니다.