전원 공급 장치 규제

DC-DC 전압 컨버터는 종종 규제되지 않은 전압 소스에서 규제된 전압 공급을 제공하는 데 사용됩니다. 관계가 없는 전압 소스는 크기 변화로 인해 변동을 나타내는 라인 전압을 시정할 수 있습니다. 조절된 전압 공급장치는 입력 전압 소스와 가변 출력 하중이 변동에도 불구하고 원하는 레벨(3.3V, 2.5V 등)에서 평균 DC 출력 전압을 제공합니다. 규제 된 전압 공급 솔루션을 결정할 때 고려해야 할 요인은 다음과 같습니다.

• 사용 가능한 소스 입력 전압
• 원하는 공급 출력 전압 크기
• 스텝다운 또는 스텝업 출력 전압 또는 둘 다
• DC-DC 컨버터 효율(P_{OUT/P IN)}
• 출력 전압 리플
• 출력 부하 일시 응답
• 솔루션 복잡성(하나의 IC 솔루션, 수동 부품, 컨트롤러 및 외부 FET의 #)
• 스위칭 주파수(스위치 모드 레귤레이터용)

다음 섹션에서는 여러 가지 전압 레귤레이터를 설명합니다.

선형 레귤레이터

선형 전압 조절기는 일반적으로 스텝 다운 (출력 공급 전압은 입력 소스 전압보다 낮습니다) 응용 제품에 사용됩니다. 리니어 레귤레이터는 외부 바이어스 저항기사용 시 고정 출력 전압 또는 가변 출력 전압과 함께 사용할 수 있습니다.

선형 레귤레이터의 장점은 간단한 구현과 최소한의 부품 (고정 출력의 경우 IC)과 낮은 출력 리플입니다. 선형 레귤레이터의 주요 단점은 낮은 효율입니다. 변환기가 지속적으로 켜지고 전류를 수행하므로 선형 레귤레이터 IC 내에서 상당한 전력이 소멸됩니다. 선형 레귤레이터는 입력 소스 전압과 출력 공급 전압의 차이가 최소화되고 컨버터 효율이 문제가 되지 않는 경우에 사용해야 합니다.

레귤레이터 전환

스위칭 전압 레귤레이터는 일반적으로 스텝업 및 스텝다운 응용 제품에 사용되며 펄스 폭 변조(PWM) 구현을 통해 선형 레귤레이터와 다릅니다. 스위칭 레귤레이터는 일정한 주파수 및 가변 듀티 사이클을 사용하여 전류 스위치(IC 레귤레이터에 대한 내부 또는 외부)를 사용하여 출력 전압을 제어합니다. 스위칭 주파수는 일반적으로 몇 kHz에서 수백 kHz로 전환됩니다. 스위치 듀티 사이클 비율은 부하 상태 및 입력 소스 전압에 따라 출력 공급 전압이 증가하거나 감소하는 빈도를 결정합니다. 일부 스위칭 레귤레이터는 가변 스위칭 주파수와 듀티 사이클을 모두 활용하지만 FPGA/CPLD 응용 프로그램에는 일반적으로 사용되지 않습니다.

출력 공급 전압이 부하 상태에 충분할 때 전력 경로(FET 스위치)에서 최소한의 전력이 소멸됨에 따라 스위칭 레귤레이터의 명확한 장점은 효율성입니다. 기본적으로 최소한의 스위치 듀티 사이클로 인해 전원이 필요하지 않을 때 전원 컨버터가 "꺼져"됩니다. 여러 외부 패시브 구성 요소가 기내에서 요구되기 때문에 스위칭 레귤레이터의 단점은 복잡합니다. 고전류 응용 프로그램의 경우 IC 컨버터가 외부 FET 스위치에 대한 제어 논리로만 작동하므로 외부 FET IC가 필요합니다. 출력 전압 잔물결은 또 다른 단점이며, 일반적으로 공급 장치 근처의 및 부하에서 우회 정전 용량으로 처리됩니다.

벅 컨버터

벅 또는 스텝다운 전압 컨버터는 입력 소스 전압보다 낮은 평균 출력 전압을 생성합니다. 도 1은 이상적인 구성 요소를 사용하여 기본 벅 토폴로지를 나타낸다. 인덕터는 출력 부하 임피던스에 대한 현재 소스 역할을 합니다. FET 스위치가 켜지면 인덕터 전류가 증가하여 인덕터 전반에 걸쳐 양수 전압 강하를 유도하고 입력 소스 전압을 참조하여 출력 공급 전압이 낮습니다. FET 스위치가 꺼지면 인덕터 전류 방전이 되어 인덕터 전체에 음수 전압 강하를 유도합니다. 인덕터의 한 포트가 접지에 연결되어 있기 때문에 다른 포트는 목표 출력 공급 전압인 더 높은 전압 레벨을 갖습니다. 출력 커패시턴스는 로우 패스 필터역할을 하며 인덕터를 통해 변동하는 전류의 결과로 출력 전압 잔물결을 줄입니다. 다이오드는 FET 스위치가 꺼져 있을 때 인덕터에 대한 현재 경로를 제공합니다.

동기 벅 컨버터

동기 벅 컨버터는 기본적으로 다른 FET 스위치에 대한 다이오드를 대체한 벅 스텝다운 컨버터와 동일합니다. 상단 FET 스위치는 인덕터 전류를 충전하는 벅 컨버터와 동일한 방식으로 행동합니다. 스위치 제어가 꺼지면 아래 FET 스위치가 켜져 배출시 인덕터에 대한 현재 경로를 제공합니다. 더 많은 구성 요소와 추가 스위치 로직 시퀀싱이 필요하지만 이 토폴로지는 스위치 턴온 시간 단축과 더 낮은 FET 시리즈 저항(rdson)과 다이오드 대비 효율성을 향상시킵니다.

부스트 컨버터

부스트 또는 스텝업 컨버터는 입력 소스 전압보다 높은 평균 출력 전압을 생성합니다. 도 3은 다이오드, FET 스위치 및 인덕터가 교체된 벅 토폴로지의 변형을 나타낸다. FET 스위치가 켜지면 다이오드가 역편향되어 입력 소스 전압에서 부하를 격리하고 인덕터 전류를 충전합니다. FET 스위치가 꺼지면 출력 부하가 인덕터및 입력 공급 전압으로부터 에너지를 수신합니다. 인덕터 전류가 방전되기 시작하여 인덕터 전체에 음수 전압 강하를 유도합니다. 인덕터의 한 포트는 입력 공급 전압에 의해 구동되므로 다른 포트는 더 높은 전압 레벨을 가지므로 부스트 또는 스텝업 기능이 있습니다. 벅 컨버터와 마찬가지로 커패시터는 로우 패스 필터 역할을 하므로 인덕터를 통해 변동하는 전류의 결과로 출력 전압 잔물결이 줄어듭니다.

벅 부스트 컨버터

벅 부스트 컨버터는 양수 입력 소스 전압(즉, 입력 소스 전압의 공통/접지 포트에 대한 참조)에서 음수 출력 공급 전압을 생성할 수 있습니다. 벅 컨버터와 마찬가지로 위의 토폴로지가 다이오드와 인덕터를 교체했습니다. FET 스위치가 켜지면 다이오드가 역편향되어 인덕터 전반에 걸쳐 양전압 강하로 인덕터 전류를 충전합니다. FET 스위치가 꺼지면 인덕터는 공통/접지 노드를 통해 출력 부하에 에너지를 제공하여 전류를 방출하여 인덕터 전체에 음수 전압 강하를 유도합니다. 하나의 인덕터 포트는 공통/접지에 연결되어 있기 때문에 다른 포트는 일반/접지에 비해 낮은 전압 수준에 있으므로 출력 부하 전반에 걸쳐 음수 출력 공급 전압 수준이 있습니다.