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61월간 전자기술 2000·11
3
승압형, 극성반전형, 리셋 기능붙이
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.
시리즈 레귤레이터는 높은 전압에서 낮은 전압을 만들
어내는 강압(스텝다운)형 밖에 없다. 한편 DC-DC 컨버
터는 강압은 물론, 입력전압을 승압하여 높은 전압을 출력
하거나(스텝업) 입력전압의 극성을 반전시켜 출력(인버
팅)할 수도 있다.
여기서는 몇 개의 DC-DC 컨버터 IC를 사용하여 다출
력형이나 승압형, 극성반전형 등 여러 종류의 전원회로를
설계한다. 또 최근에는 3단자 레귤레이터와 같이 외장 부
품이 거의 필요 없는 원칩 타입의 파워 IC도 많기 때문에
이들 중에서 몇 가지 채택하고, 실험을 통해 그 사용방법
의 포인트를 해설한다.
제어 IC+파워 디바이스로 실현하는DC-DC 컨버터
1. 승압형 DC-DC 컨버터의 설계
(1) 기본동작
그림 1은 승합형 컨버터의 기본회로이다.
Tr이 ON되면 ①의 루트에서 전류가 흘러 Vin에서 초크
코일 L에 에너지가 축적된다. 이때 D는 역도통(逆導通)
이다. 그리고 Tr이 OFF되면 전류는 ②의 루트로 바뀌어
L에 축적된 에너지가 D를 통해 출력으로 방출된다.
이 응용에서 출력이 단락되면 입력 Vin → 초크 코일 L
→ 다이오드 D → 출력 Vout의 루트에서 과대전류가 흘러
파괴될 위험성이 있으므로 반드시 과전류 보호회로 등을
추가한다.
(2) 전지 시스템에 최적! Vin=0.9V에서도 동작하는
승압형 DC-DC 컨버터 제어용 IC M62216GP
사진 1에 나타난 M62216은 승압형 DC-DC 컨버터용
PWM 제어 IC로서 0.9Vmin 입력전압을 15Vmax까지 승
압할 수 있다. 표 1은 주된 전기적 사양이다.
구입한지 얼마 안된 알칼리 전지나 망간 1차 건전지의
승압형, 극성반전형, 리셋 기능붙이
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
그림 1. 승압형 DC-DC 컨버터의 기본회로
출력단자가 쇼트되면 입력단자에서과대전류가 흐른다
입력전압 Vin과 출력전압 Vout의 관계Tr이 ON일 때 초크 코일 L의 전류 IL(on )은 다음과 같은 식으로 표현된다.
단, VS:Tr의 포화전압[V], V
in:입력전압[V], t
on:ON시간[sec], L:초크 코일의 인덕턴스[H]
한편, Tr이 OFF되어있을 때 L의 전류 IL(off)
는 다음과 같은 식으로 표현된다.
단, VF:D의 순방향전압[V], t
off:OFF시간[sec]
여기서 전류연속 모드에서는 IL(on)
=IL(off)
이므로 식 (1)과 식 (2)에서,
이 얻어진다.
제3장
< > < >
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3
출력전압은 1.6V 정도이지만, 사용에 따라 전압이 서서히
저하되어 0.9V를 경계로 단번에 0V 부근까지 저하된다.
따라서 건전지가 지니는 에너지를 남김없이 사용하는 데에
는 0.9V에서 승압되는 DC-DC 컨버터가 필요한 것이다.
Ni-Cd, Ni-MH, 리튬 이온 등 2차 전지의 최종전압은
1∼2V로 비교적 높기 때문에 문제없이 사용할 수 있다.
그림 2는 입력전압 0.9∼3.2V에서 동작하는 출력 3.3V,
0.5A의 승압형 DC-DC 컨버터에의 응용 예로서 반드시
Vin<Vout으로 사용한다. 정상시의 회로전류는 850μA이지
만, ON/OFF 단자를 “L”로 하면 출력이 정지되어 회로전
류는 35μA로 감소된다.
일반적으로 DC-DC 컨버터가 내장되는 발진회로는 한
개이지만, M62216GP는 약 0.7V에서도 발진되는 기동
발진회로를 별도로 내장하고 있다. 단, 이것은 저전압 동
작 전용이므로 출력전압이 약 1.5V로 상승했다면, 보통
동작용 발진회로로 전환되어 기동 발진회로는 OFF된다.
저전압(0.9V) 핫 스타트시의 동작은 다음과 같다. 전원이
투입되면 기동회로와 기동 발진회로만이 동작을 개시하여
3번 핀에 1개의 펄스를 낸다. 이것이 Tr1, L1, D1을 동작
시켜 Vout이 상승한다. Vout은 8번 핀에 가해져 1.5V 정도
가 되면 기동 발진회로는 정지되고 통상 동작용 발진회로
로 전환된다.
2. 극성반전형 DC-DC 컨버터의 설계
(1) 기본동작
그림 3은 극성반전형 DC-DC 컨버터의 기본회로이다.
표 1. M62216GP의 주된 전기적 특성
전원전압
BIAS 단자 최대전압
DRIVE1 단자 유입전류
DRIVE2 단자 유입전류
내부 소비전력
항 목 값 단위 기호
15.5
15.5
100
10
250
V
V
mA
mA
mW
Vin
Vbias
Idrive1
Idrive2
PD
(a) 절대 최대 정격(TA=25)
(b) 전기적 특성
(TA=25, V
in = 1.7V, V
out = V
bias = 3.0V)
사진 1.승압형 DC-DC컨버터 제어용 ICM62216GP의 외관[미츠비시전기(주)]
그림 2. M62216GP를 사용하여 실현한 최소 입력전압 0.9V, 출력전압 3.3V의 승압형 DC-DC 컨버터
항 목
전원전압 범위
출력전압 Vout
의 설정범위
바이어스 전류
오프모드 바이어스 전류
발진 주파수
최대 온 듀티
PWM-DRIVE1간 포화전압
PWM-DRIVE2간 포화전압
L 레벨 PWM 출력전압(IPWM
=1mA)
ON/OFF 단자 임계값 전압
Idrive1
=50mA
Idrive2
=5mA
값
최소 표준 최대단위 기호
0.9
1.7
95
82
850
35
125
87
0.25
1.0
0.03
0.65
15
15
1200
47
155
92
0.5
1.2
0.3
0.75
V
V
μA
μA
kHz
%
V
V
V
V
Vin
Vout
IB
IBoff
fosc
Don
Vsat1
Vsat2
VOL
Vth
앰프 콤퍼레이터
기동회로
기동 발진회로(0.7V에서도 발진한다)
(후지전기)
주 : Vin＜V
out에서 사용할 것
발진회로
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63월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
동작은 승압형 DC-DC 컨버터와 거의 같고, Tr이 ON일
때 입력 Vin에서 ①의 루트로 전류가 흘러 초크 코일 L에
에너지가 축적된다. 그리고 Tr이 OFF일 때는 ②의 루트
로 전류가 흘러 L에 축적되어 있던 에너지 D를 통해 출력
으로 방출된다.
Tr을 스위치 제어하는 컨트롤 IC에는 Vin+｜Vout｜의
전압이 더해지므로 Vin과 Vout의 값이 큰 경우, 내압이 높
은 것을 선정할 필요가 있다.
그림 3. 극성반전형 DC-DC 컨버터의 기본회로
컨트롤부에는 Vin+｜V
out｜의 전압이 인가되므로 높은 내압이 요구된다.
예를 들면 Vin=12V,V
out=-12V일 때 24V 이상의 내압이 필요하다.
입력전압 Vin과 출력전압 Vout의 관계Tr이 ON일 때의 초크 코일 L의 전류 I
L(on)은 다음과 같은 식으로 표현된다.
단, VS:Tr의 포화전압[V], V
in:입력전압[V], t
on:ON시간[sec], L:초크 코일의 인
덕턴스[H]Tr이 OFF일 때 L의 전류 I
L(off)는 다음과 같은 식으로 표현된다.
단, VF:D의 순방향 전압[V], t
off:OFF시간[sec]
여기서 전류연속모드에서는 IL(on)
= IL(off)
이므로 식 (3)과 식 (4)에서,
이 얻어진다.
그림 4. M62212GP의내부 블록도
발진기
앰프
기준전원
데드 타임 조정용 콘덴서 CDTC
의 충전용 정전류원
저전압 검출회로(V
TH = 2.3V)
PWM콤퍼레이터
단락 보호회로
컬렉터출력
이미터출력
표 2. M62212GP의 주된 전기적 특성
전원전압
출력전압
출력전류
내부 소비전력
열저감률
항 목 값 단 위 기 호
19
19
150
250
235
V
V
mA
mW
mW/
VCC
Vout
Iout
PD
(a) 절대 최대정격(TA=25)
항목
전원전압 범위
스탠바이 전류(출력 OFF상태)
UVLO ON시 스레숄트 전압@VIN=1V
UVLO OFF시 스레숄드 전압@VIN=1V
UVLO 히스테리시스 폭
Q1 컬렉터 포화전압 1
(이미터 접지, IC=150mA)
Q1 컬렉터 포화전압 2
(컬렉터 접지, IE=50mA, V
CC=12V)
값
최소 표준 최대단위 기호
2.5
2.2
20
1.3
2.3
2.25
50
0.3
1.6
1.8
1.8
2.4
80
1.1
V
mA
V
V
mV
V
V
VCC
Istby
Von(ULVO)
Voff(ULVO)
VH(ULVO)
VCE1(sat)
VCE2(sat)
(b) 전기적 특성(TA=25,
VCC
=12V, COSC
=100pF)
사진 2. 강압, 승압, 극성반전형DC-DC 컨버터 제어용ICM62212GP의 외관[미츠비시전기(주)]
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3
(2) 극성반전형 DC-DC 컨버터용 제어 IC M62212GP
1)사양
사진 2에 나타난 M62212GP는 승압, 강압, 극성반전
에 모두 응용할 수 있는 컨트롤러이다. 전원전압 범위는
2.5∼18V에서 300kHz까지 PWM 스위칭이 가능하다.
그림 4에 M62212GP의 내부 블록도를, 표 2에 주된 전
기적 사양을 나타낸다.
내부의 출력 트랜지스터 Q1의 컬렉터와 이미터가 단자
로 나와 승압, 강압, 극성반전 3가지 모드의 모든 DC-DC
컨버터를 실현할 수 있다. 여기서는 극성반전형에 응용해
본다.
그림 5에 입력 5V에서 출력 -5V를 얻는 회로를 나타낸
다. 최대 출력전류는 100mA이다. 그림에서 알 수 있듯이
극성반전형인 경우는 IC의 GND 단자가 부(-)의 출력전
압으로 된다. 따라서 전압 설정용 저항 R1, R2와 입력전압
Vin 및 출력전압 Vout의 관계는,
단, Vref:내부의 기준 전원전압[V](1.25)
가 된다.
2) 보호회로의 동작
그림 4에 나타난 저전압 검출회로 UVLO(Under Volt-
age Lock-Out)는 전원전압 VCC가 저하되어 2.3V 이하
가 되면 출력을 강제적으로 OFF한다. 이것은 전원회로의
출력이 2V 정도까지 저하되면 부하측의 IC가 오동작되거
나 제어에서 벗어나기 때문이다. 또한 컨트롤러 자체의 동
작이 불안정하게 되는 것도 있다. 단락 보호회로는 출력단
자가 쇼트되거나 과부하가 접속되는 등 출력전압이 급격
하게 저하되었을 경우 출력을 정지하도록 작동한다. OFF
의 주기는 DTC(Dead Time Control) 단자와 GND 사
이에 접속한 콘덴서의 용량값으로 결정된다.
DTC 단자는 파워 트랜지스터의 OFF 시간을 설정하
는 단자로서 단락 보호기능을 사용하지 않을 때는 GND
사이에 저항을 접속, 사용하는 경우에는 GND 사이에 저
항과 콘덴서를 병렬로 접속한다. DC-DC 컨버터의 부하
전류가 커지면 메인 스위치의 온 듀티가 증가하여 거의
ON 상태가 된다. 이 상태에서 부하의 단락 고장 등이 발
사진 3. 2채널 출력의 리셋기능붙이 강압형 DC-DC컨트롤러 M62293FP의 외관[미츠비시전기(주)]
그림 5. 입력전압 5V, 출력전압 -5V의 극성반전형 DC-DC 컨버터
그림 6. M62293FP의 내부 블록도
기준전압1.25V
발진기(110kHz)
입력전압(5V) 검출회로
PWM콤퍼레이터
콤퍼레이터(3.3V 검출)
OP앰프
(3.3V)검출
OP앰프
PWM콤퍼레이터
(후지전기)
출력 단락 보호회로의동작시간 설정
전압 설정용분압저항
3
65월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
생하면 파워 트랜지스터가 파괴되어 사태는 더욱 악화돼
버린다. 그래서 강제적으로 OFF 시간을 확보하고 그 이
상으로는 듀티가 증가되지 않도록 하고 있다.
3. 2출력 & 리셋 출력붙이의 강압형 DC-DC 컨버터
최근 전자기기에 사용되고 있는 IC, 예를 들면 마이크
로컴퓨터나 LSI 등은 웨이퍼의 디자인 룰이 점점 축소되
고 있어 그 전원전압은 3.3V에서 2.5V 그리고 2V 이하로
저하되고 있다. 그 결과 마이크로컴퓨터용으로 3.3V, 전
용 LSI용으로 2.5V, 종래 회로에는 5V였던 상태로 전압
이 달라지는 복수의 전원이 필요하게 되고 있다.
(1) 3.3V/2.5V 동시 출력 DC-DC 컨버터 M62293FP
1) 내부 블록도와 동작 설명
사진 3에 나타난 M62293FP는 3.3V와 2.5V의 고정
전압을 동시에 출력할 수 있는 DC-DC 컨버터용 제어 IC
이다. 그림 6의 내부 블록도에서 알 수 있듯이 2채널인
그림 7. 2채널 출력(3.3V, 2.5V)의리셋붙이 강압형 DC-DC 컨버터
마이크로컴퓨터 등(후지전기)
표 3. M62293GP의 주된 전기적 특성
항 목
최대 전원전압
최대 구동전류
리셋 출력전류
소비전력
열 저감률
값 단위 기호
(a) 절대 최대정격(TA=25)
항 목
전원전압 범위
무부하시 소비전류
CH-1 출력전압
CH-2 출력전압
발진주파수
최대 온 듀티
Cout1
단자, Cout2
단자 포화전압(Iort=10mA)
리셋 검출전압(+5V)
리셋 검출전압(+3.3V)
리셋 지연시간(CD=4700pF)
리셋 출력전압“L”
리셋 출력전압“H”
값
최소 표준 최대단위 기호
(b) 전기적 특성(TA=25, V
CC=5V)
그림 8. 그림 7의 회로 부하전류 대 효율특성
부하전류 IL [mA]
그림 9. M62293FP 리셋 회로의 타임차트
지연시간 tD = 2.13×10-3C
D
66
3
DC-DC 컨버터 제어회로와 입력전압(5V)이 3.8V 이하
가 되었다면 펄스를 출력하는 리셋 회로를 내장하고 있다.
리셋 기능은 기본적으로 마이크로컴퓨터 폭주방지용이다.
또 3.3V의 출력전압을 감시하고 있다. 이러한 것은 최근
3.3V 동작의 마이크로컴퓨터가 주류를 이루고 있으므로
ASIC나 메모리 등의 2.5V 전원보다 우선적으로 3.3V를
감시하려는 생각으로 설계되고 있는 것이다.
그림 7은 M62293FP의 응용회로 예이다.
채널 1(3.3V)과 채널 2(2.5V)의 최대 출력전류는 어
느 것이나 1A이다. 과전류 검출회로는 내장되어 있지 않
그림 A 5V, 1A 출력의 강압형 DC-DC 컨버터
M62291GP(사진 A)는 3각파 발진기용 CR이나 전
압설정용 저항을 내장하는 5V 전원전용의 심플한 강압
형 DC-DC 컨버터 컨트롤러이다.
그림 A는 입력전압 범위 6∼15V, 출력 5V, 1A의
DC-DC 컨버터이다. 그림에서 알 수 있듯이 외장 부
품은 파워 트랜지스터, 초크 코일, 프리휠 다이오드,
과전류 검출저항의 4개`뿐이다. 표 A는 M62291GP
의 주된 전기적 특성이다.
5개 다리의 심플한 DC-DC 컨버터 컨트롤러
무부하시 소비전류800μA
max
과전류검출용 저항
과전류 검출단자 :1.22A≦I
out ≦1.89A
(110mV ≦VCLM
≦170mV)일때의 출력정지
CLM 단자전압을 감시하고 있고, (V
CC-``0.14)V
에서 출력을 정지한다
내부 위상보정된오차 증폭기
게인은고정(4배)
과전류보호회로
컬렉터출력
콤퍼레이터
3각파발진기
(120kHz)
CR을 내장한3각파 발진기
후지전기
사진 A. M62291GP의 외관[미츠비시전기(주)]
표 A. M62291GP의 주된 전기적 특성
항 목
최대 전원전압
최대 구동전류
내부 소비전력@TA=25
열 저감률@TA＞25
값 단위 기호
(a) 절대 최대정격(TA=25)
항 목
전원전압 범위
무부하시 소비전류
발진 주파수
과전류 검출전압(VCC
와의 차전압)
최대 온 듀티
출력 포화전압
(Iout
=100mA, 달링턴 접속형)
값
최소 표준 최대단위 기호
(b) 전기적 특성(VCC
=12V, TA=25)
<石川 仁 / 宇都宮 忍>
3
67월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
지만 파워 트랜지스터 자체의 출력전류 한계점을 초과한
곳에서 출력전압이 떨어지기 시작하여 자연적으로 전류
제한이 걸리게 된다. 그림 8은 출력전류와 효율의 그래프,
표 3은 주된 전기적 특성이다. 3.3V 출력이나 2.5V 출력
도 특성은 같다. 이 데이터에서 최대 출력전류는 약 2A라
는 것을 알 수 있다.
2) 리셋 회로의 동작 설명
그림 9는 전원 VCC와 3.3V 출력 및 RESET 단자의 타
임차트이다. 전원VCC가 투입되면 그림 7에 나타난 외장
콘덴서 C의 용량에 따른 시간 tD가 경과한 후, 리셋 출력
은 “L” → “H”가 RESET 단자에서 출력된다.
VCC를 투입하면 VCC≒0.6V에서 리셋 회로부가 기능을
발휘하기 시작하고, 리셋 출력은 “L”이 된다. 그리고
VCC=3.85V가 되면 리셋 해제 모드로 이행(移行)된다.
지연시간 tD가 경과하면 리셋 출력은 해제(“H”)된다.
지연시간은 다음과 같은 식으로 결정된다.
tD=2.13×10-3CD
사진 4.실장된 MD1320F[신전원공업(주)]와주변부품의 상태
TAB2(메인 스위치
Q1의 전원단자)
초크 코일TAB
1
(출력단자Vout
)
그림 10. 5V, 3A 출력의 강압형 DC-DC 컨버터와 각 부의 파형
C5
내장 SBD(9번 단자-TAB1간)의
역전압 파형내장 파워 MOSFET Q
1의 드레인
전류파형내장 파워 MOSFET Q
1의 드레인 소스간
(TAB1-TAB
2간) 전압파형
입력
(제어회로용)
(동방아연)
과전류 검출용 저항(R
11 620Ω)
출력전압 조정용 저항(이 설정은 5.1V 출력)
출력
리플 전압 : 32mVP-P
리플 노이즈 전압 : 40mVP-P
리플 전압
주 : 리플 노이즈 전압이란 노이즈분을포함한 리플 전압을 의미한다
리플리플노이즈
68
3
단, tD:지연시간[ms], CD:외장 콘덴서 CD의 용량값[pF]
리셋 회로는 순간적인 정전시에도 동작하므로 마이크로컴
퓨터의 폭주를 방지할 수 있다. 또 전원 VCC뿐만 아니라 출력
전압 3.3V 출력도 감시하고 있어 2.58V 이하에서 리셋 출력
이 “L”로 되고 2.63V 이상에서tD: 경과 후에 해제된다.
파워 디바이스 내장 원칩 IC를 사용한DC-DC 컨버터
1. 5V, 3A 출력의 심플한 DC-DC 컨버터
(1) 사양
그림 10은 3.3V와 5V를 선택하여 출력할 수 있는 최대
출력전류 3A의 강압형 DC-DC 컨버터이다. 사용한 파워
IC는 사진 4에 나타난 MD1320F이다. 사양을 아래에 나
타낸다.
· 입력전압 : 24V
· 출력전압 : 5.1V
· 정격 출력전류 : 3A
· 출력 리플 전압 : 50mVp-p 이하
· 과전류 검출회로 동작점 : 약 3.6A
출력전압은 5.0V 가 아닌 5.1V 로 했다. 이것은
MD13200F-부하간의 배선 임피던스에 의한 전압강하를
고려했기 때문이다.
(2) 파워 IC MD1320F의 특징
그림 11에 나타난 내부 등가회로에서 알 수 있듯이 파
워 MOSFET와 프리휠용 쇼트키 배리어 다이오드(SBF)
및 PWM 제어회로를 내장하고 있다. 더욱이 스위칭 주파
수가 250kHz로 높기 때문에 초크 코일 등 주변부품을 소형
화할 수 있다. 표 4는 MD1320F의 주된 전기적 특성이다.표 4. M1320F의 주된 전기적 특성
출력전압
입력전압 범위
최대 피크 출력전류
최대 평균 출력전류
드레인 소스간 ON 저항@I
D=1A
정전압 정밀도
효율
발진 주파수
리플 전압
과전압 보호회로 동작온도
과열 보호회로 동작온도
동작 주위온도
항 목 사 양 단 위 기 호
정격전류 이상
그림 11.MD1320F의내부 블록도
스타트업회로
내부기준전압
부트스트랩용 기준전압
과열보호회로
드라이버용기준전압
출력정지신호
3.3V/5V 전환 회로
오차증폭기
PWM콤퍼레이터
발진기
과전류 검출회로
드라이버
프리휠다이오드(SBD)
메인스위치
타입 A
타입 B
타입 C
직류전류
그림 12. 초크 코일은 3가지 타입으로 분류된다
<石川 仁 / 宇都宮 忍>
3
69월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
(3) 설계법
1) 출력전압의 설정 - R10과 R11의 산출
25번 핀을 GND에 접속하고 5V 출력모드로 한다. Vref
단자에 접속하면 3.3V 출력모드가 된다.
다음에 OCL_단자에 출력전압을 미조정하는 저항 R10
(200Ω)을 접속한다. 이 파워 IC는, R10의 저항값을 100
Ω씩 크게 하면 출력전압이 약 50mV씩 상승하므로
R10=100×0.1/0.05=200Ω으로 했다. 이 저항에는 출
력전압의 정밀도를 올리기 위해 ±1%의 부품을 사용한다.
R10을 추가하면 과전류 검출특성이 악화되므로 OCL +
단자에 R10 저항값의 약 3배인 저항 R11(620Ω)을 함께 추
가한다. R10: R11≒1 : 3에서 R11=620Ω으로 한다.
2) 과전류 검출저항 R2의 선정
내장된 과전류 보호회로는 출력전류가 증가하여 전류
검출용 저항 R2의 전압강하가 약 0.19V 이상이 되면 다음
과 같은 스위칭 주기까지 메인 스위치 Q1을 OFF한다. 이
것을 펄스 바이 펄스 방식이라 하며 응답성이 빨라 파워
MOSFET의 보호에 효과적이다. 여기서는 약 3.6A에서
검출동작을 하도록 R2=0.19V/3.6A=52.8 Ω에서
R2=50mΩ으로 하고 1W 타입의 각형 칩 저항(ERJL시
리즈, 마츠시타전기)을 사용했다. 또한 이 저항의 정상 손
실은 32×50×10-3=0.45W이다.
3) 초크 코일 L1의 선정
그림 12와 같이 초크 코일 L1의 인덕턴스의 직류 중첩
특성(직류전류-인덕턴스 특성)은 크게 3가지 타입으로 구
분된다. 아래에 각각 초크 코일의 적재적소를 정리한다.
· 타입 A - 선형형(線形型) 초크 코일
부하전류의 변화에 대해 평평한 인덕턴스 특성을 나타
내므로 전류의 피크값과 정상값의 차이가 작은 부하를 접
속하는 경우에 적합하다. 단, 허용전류를 초과하면 코어가
단번에 포화되어 인덕턴스가 격감한다.
· 타입 B - 비선형형 초크 코일
부하전류가 작을 때에만 인덕턴스가 극단적으로 크고
전류의 증가와 함께 저하된다. 이 타입은 정격전류가 작을
때 효율이 양호하므로 정격전류와 피크 전류의 차이가 큰
경우에 적합하다.
· 타입 C
타입 A와 타입 B의 중간적인 특성을 나타낸다. 포화가
잘 되지 않아 경부하시에도 인덕턴스는 그다지 감소되지
않는다. 이번에는 폭넓은 부하조건에 대응할 수 있도록 타
입 C를 선정한다.
4) 인덕턴스값의 산출
초크 코일의 인덕턴스값을 크게 하면 부하전류의 피크
값이 억제되어 메인 스위치의 손실이 감소된다. 또 출력
콘덴서에 흐르는 리플 전류도 감소되어 출력 리플 전압도
억제할 수 있다.
단, 초크 코일의 형상이 커져 가격도 높아진다. 이와 같
이 DC-DC 컨버터의 특성과 초크 코일의 사이즈 및 가격
은 트레이드 오프 관계에 있으므로 사양을 충족시키는 최
소한의 인덕턴스값으로 설정한다.
여기서 초크 코일의 리플 전류의 피크 투 피크 ΔIL을 출
력전류 Iout의 0.33배로 하면, 다음과 같은 식에서 인덕턴
스는,
단, Vin:입력전압[V](24), RDS(on):메인 스위치의 ON
저항[Ω](0.25), Vout:출력전압[V](5.1), fS:스위칭 주파
수[Hz](250k), ΔIL:리플 전류의 피크 투 피크[A](0.9)
가 된다. 또 초크 코일에 흐르는 리플 전류의 피크값 ILP는,그림 13. 초크 코일 HK-08S090-3000H의 직류전류-
인덕턴스 특성(실측)
직류전류 [A]
70
3
ILP=Iout+ΔIL/2₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩ (2)
에서 3.45A이다.
이상과 같은 조건에서 더스트계 코어가 사용된 HK-
08S090-3000H(22μH, 4A, 동방아연)를 사용한다. 그
림 13에 나타난 실측 직류 중첩특성에서 Iout=3A일 때 인
덕턴스값은 약 23μH이다. 이 값을 식 (1)에 대입하여 Δ
IL을 역산하면 ΔIL은 약 0.67Ap-p가 된다. 또한 인덕턴스
그림 B와 같이 현재 파워 IC는 3가지 타입으로 분류된
다. 현재는 타입 A가 대부분이지만 타입 B가 서서히 증가
하고 있다. 타입 C는 대단히 편리하지만 설계의 자유도가
없어 출력전류가 작거나 가격이 높아지기도 한다.
표 B에 DC-DC 컨버터용 파워 IC의 일람을 나타낸
다. 이들은 애플리케이션 매뉴얼이나 서포트 등이 확실
하여 비교적 설계에 시간이 걸리지 않는다는 것뿐이다.
< >
DC-DC 컨버터용 파워 IC 일람
그림 B. 파워 IC 분류
타입 A : 파워 MOSFET+제어회로타입 B : 파워 MOSFET+제어회로+프리휠 다이오드타입 C : 파워 MOSFET+제어회로+프리휠 다이오드+
초크 코일
표 B. DC-DC 컨버터용 파워 IC 일람
강압형
승압형
최대 출력전류
(스위칭 전류)
(스위칭 전류)
(스위칭 전류)
(스위칭 전류)
출력전압형 명
(개발중)
(개발중)
(개발중)
메 이 커
신전원공업
샤프
NS
신전원공업
신전원공업
신전원공업
산켄전기
산켄전기
맥심
신전원공업
샤프
NS
산켄전기
롬
맥심
맥심
NS
산켄전기
롬
샤프
맥심
타입(그림 B)
비 고
동기 정류방식, 출력가변
출력가변
출력가변,
출력전환,
동기 정류방식, 출력가변
동기 정류방식, 입력전압 범위
출력가변
입력전압 범위
출력가변
출력가변,
출력가변
최대 입력전압
출력가변,
출력전압 범위
출력전압 범위
출력전압 범위
주 : 스위칭 전류란, IC의 스위칭 소자(FET 등)에 흘리는 최대 전류를 의미한다. 스위칭 소자에 흐르는 전류는 평활용 초크 코일의 인덕턴스값에 영향을 미치므로최대 출력전류와 마찬가지로 검토가 필요한 파라미터이다. NS : 내셔널 세미컨덕터
3
71월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
산출법의 자세한 내용에 관해서는 참고문헌 (9) 등을 참조
하기 바란다.
5) 출력 평활 콘덴서 C5의 선정
C5는 등가 직렬저항 ESR을 기준으로 선정한다. 이것
은 C5에는 L1에 흐르는 리플 전류 ΔIL이 그대로 유입되어
콘덴서의 ESR에 의해서 출력에 리플 전압 Vr이 발생되기
때문이다.
사양(Vr ≦50mVp-p)을 실현하기 위해서는 다음과
같은 식에서 ESR ≦71mΩ의 콘덴서를 사용할 필요가
있다.
ESR ≦Vr /ΔIL=0.05/0.7=71mΩ ₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩₩(3)
알루미늄 전해 콘덴서의 ESR은 사용온도가 낮으면 커
지는 경향이 있으므로 사용할 때는 반드시 온도특성을 확
인한다. C5에 흐르는 리플 전류(실효값) IrC5는 다음과 같
은 식에서 0.19ARMS로 구한다.
또 DC-DC 컨버터 수명은 전해 콘덴서의 수명에 의해
결정되므로 ESR뿐만 아니라 사용온도 범위가 높고 보증
수명이 긴 스위칭 전원전용 전해 콘덴서를 선정한다.
이번에는 UPW1A152MPH(니치콘)를 2개 병렬로 사
용했다. 사양은 다음과 같다.
· 용량과 내압 : 10V, 1500μF
· ESR : 104mΩ(-10, 100kHz)
그림 16.설계한 DC-DC 컨버터(그림 10)의출력전류-효율
표 5. 설계한 DC-DC 컨버터(그림 10)의 각 부품의온도 (Iout=3A, TA=50)
부품명 최고온도
MD1320F
초크 코일 L1
출력 콘덴서 C5
출력전류 검출저항 R2
100
75
60
78
과전류 검출회로의동작점
출력전류 [A]
출력전류 [A]
5.1V출력
5.1V출력
그림 14. 설계한 DC-DC 컨버터(그림 10)의과전류 수하특성(실측)
③ 이 루프에는 펄스 전류가흐르므로 가급적 면적을 작게 한다
입력
입력콘덴서
입력제어
② OCL_단자와 출력콘덴서 C
5까지의 패
턴은 극히 짧게 한다
출력
출력콘덴서
출력 GND
① 제어회로용 GND는 출력 콘덴서의 부(-)극 단자에 직접 접속한다
그림 15. MD1320F의 프린트 패턴 설계시 주의점
5.1출력 3.3출력
제어회로
SW.FET
정류다이오드
기타
초크 코일
검출저항
그림 17. 각 부품의 손실이 전체손실에서 차지하는 비율
72
3
· 허용 리플 전류 : 1.22ARMS(105, 100kHz)
2개 병렬이므로 -10에서 ESR은 52mΩ이다.
6) 입력 콘덴서 C1의 선정
C1에는 MD1320F가 스위칭함으로써 큰 리플 전류 IrC1
이 흐르기 때문에 허용 리플 전류가 큰 것을 선정할 필요가
있다. 다음과 같은 식에서 C1에 요구되는 최대 허용 리플
전류는 0.41ARMS 이상이 된다.
이번에는 여유를 두고 최대허용 리플 전류 0.755ARMS
의 UPW1V22MPH(35V, 220μF, 니치콘)를 사용했다.
(4) 평가와 확인방법
1) 스위칭 파형
메인 스위치의 스위칭 파형을 가급적 정확하게 관측하
는 데에는, 측정기구 하니스의 인덕턴스 성분의 영향이나
외래 노이즈 등의 영향을 받지 않도록 IC에 직접 측정기구
를 대는 것이 중요하다.
그림 10에 나타난 회로 각 부 파형을 보면 스위칭에 의
한 서지 전압은 거의 없어 IC의 내압을 초과하지 않는다는
것을 알 수 있다. 이것은 MD1320F가 파워 MOSFET와
SBD를 내장하고 있어 부품간 배선의 기생 인덕턴스가 작
게 억제되고 있기 때문이다. 단, 입력전압이 높아 최대 정
격에 가까운 상태에서 사용하는 경우라든가 후술하는 바
와 같이 적절한 프린트 패턴 설계가 이루어지지 않으면 문
제가 된다.
2) 출력 리플 전압
그림 10에 나타난 출력 Vout의 리플 전압 파형에서 리플
전압은 32mVp-p에서 사양(50mVp-p 이하)이 충족된다
는 것을 알 수 있다. 참고로 리플 전압이 가장 커질 때는 정
격출력시(Iout=3A)로 주위온도가 낮을 때이다. 사양이
충족되지 않은 경우에는 C5의 ESR을 더 내리거나 L1을
그림 18. 과전압 보호회로 예사진 5. 실장된 PQ1CG2032FZ[샤프(주)]와 주변부품 상태
그림 19. PQ1CG2032FZ의내부 등가회로
4.2A 이상에서동작(펄스 바이펄스 방식)
과전류검출회로
과열검출회로
메인 스위치
정전압회로 회로
플립플롭 콤퍼레이터
발진기
소프트스타트
오차 증폭기
보호 소자(퓨즈 등)
직류입력
과전압 보호회로
사이리스터
(세라믹)
부하
3
73월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
크게 한다.
3) 과전류 검출값의 측정
그림 14는 출력전류를 증가시키면서 과전류 보호회로
가 동작하는 포인트를 측정한 결과이다. 사양 3.6A에 대
해 약 4A에서 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.
(5) 보다 확실하게 동작시키기 위해
1) 프린트 패턴 설계
그림 15는 MD1320F의 특성을 최대한으로 인출하기
위한 프린트 패턴 설계법이다. 포인트는 다음과 같다.
① 제어회로용 GND(4번 핀과 5번 핀)는 C5의 부(-)극
단자측에 직접 접속한다.
② OCL_단자(2번 핀)와 C5까지의 거리는 매우 짧게
한다.
③ 펄스 전류가 흐르는 루프의 면적(그림의 )은 가급
적 작게 한다.
2) 초크 코일의 포화상태 확인
그림 13에 과전류 보호회로가 동작하는 출력전류값을
대조하여 초크 코일이 포화되지 않았다는 것을 확인한다.
또한 초크 코일은 온도가 높을수록 포화되기 쉬우므로 주
소프트 스타트의시정수 설정용
신호
(산요전기)출력전압 설정용 저항 :2.5V 출력인 경우는, R
1:
R2=0.984:1로 한다
(a) 12V 입력, 2.5V, 3A 출력의 DC-DC 컨버터
신호
(산요전기)출력전압 설정용 저항 : -12V출력인 경우는, R1:R2=8.52:1로 한다
(b) +24V 입력, -12V 출력의 극성반전형 DC-DC 컨버터
표 6. PQ1CG2032FZ의 주된 전기적 특성(Vin=12V, Iout=0.5A, TA=25)
최대 입력전압
Vin단자
Vo단자
Vout
단자 -Vin 단자
Vout
단자 - COM 단자
ON/OFF단자
히트 싱크 없음
무한대 히트 싱크 있음
최대 스위칭 전류
최대 소비전력
정크션 온도
포화전압(ISW
=3A)
기준전압
기준전압 온도특성(0∼125, 25기준)
로드 레귤레이션(I
out = 0~3A)
라인 레귤레이션(I
out = 8~35A)
효율(Iout
=3A)
발진주파수
최대 온 듀티(4번 핀 개방)
과전류 검출 동작점
대기시 소비전류(V
in=40V, 5번 단자 접지)
항목 값 단위 기호
40
7
41
-1
-0.3~40
3.5
1.5
14
150
1.8
1.235~
1.285
±0.6
1.5max
2.5max
80
60~80
90
3.9`~6.3
400max
V
V
V
V
V
A
W
W
V
V
%
%
%
%
kHz
%
A
μA
ISW
PD
TJ
Vsat
Vref
η
fosc
Don
Isense
Istby
그림 20. PQ1CG2032FZ를 사용한 강압형 DC-DC 컨버터와 극성반전형 DC-DC 컨버터
직류전류 [A]
그림 21. 초크 코일 HK-10S080-1810R의직류전류`-`인덕턴스 특성(실측)
74
3
의해야 한다.
3) 온도상승
그림 16은 출력전류-효율특성, 그림 17은 MD1320F
를 포함하는 이 전원회로의 손실 분석결과이다. 손실의 대
부분이 MD1320F이기 때문에 프린트 패턴에서 어떻게
IC를 방열할 것인가가 열쇠이다. 특히 5.1V 출력시에 비
해 3.3V 출력일 때는 IC의 손실이 약 1.5배로 증가하므로
보다 큰 방열용 패턴이 필요하다는 것을 알 수 있다. 표 5
는 TA=50일 때 각 부품의 실측온도이다.
4) 과전압 보호회로
과전압 보호기능을 내장하고 있지 않으므로 Q1이 단락
모드에서 고장나면 입력전압이 그대로 출력되어버린다.
따라서 과전압시 입력을 차단하는 보호회로를 추가할 필
요가 있다. 그림 18은 애플리케이션 매뉴얼에 기재되어
있는 과전압회로 예이다. 메인 스위치의 고장에 의해
MD1320F의 입출력간이 단락되어 보호회로에 약 6V 이
상 전압이 인가되면 제너 다이오드 D2로 흐른다. 그렇게
되면 사이리스터 THY1이 ON되어 퓨즈 F1이 단절되고
MD1320F로의 전력공급이 정지된다는 구조로 되어 있
다. 피드백 단자(2번 핀)를 개방하면 출력전압이 상승하
여 과전압 보호회로가 동작하는 것이다. 이때 출력전압을
관측하여 과전압 검출값을 확인한다.
2. 2.5V, 3A 출력의 DC-DC 컨버터
(1) 강압 & 극성 반전형 파워 IC PQ1CG2032FZ
사진 5에 나타난 PQ1CG2032FZ는 강압 및 극성 반
전형 DC-DC 컨버터를 실현할 수 있는 5핀 풀몰드 패키
지의 파워 IC이다. 그림 19에 나타난 내부 등가회로에서
알 수 있듯이 메인 스위치와 제어회로를 내장하고 있지만
프리휠 다이오드는 외장이다. 또 5번 핀의 전압에서 출력
을 ON/OFF할 수 있고 OFF시의 소비전류는 불과 400
μA이다. 또 ON/OFF 단자-GND 사이에 콘덴서 CS를
추가하면 출력 상승시의 오버슈트를 억제할 수 있다. 이것
을 소프트 스타트 기능이라고 한다.
표 6은 PQ1CG2032FZ의 주된 전기적 사양이다.
표 7.설계한 DC-DC 컨버터[그림 20(a)]의 각 부품 실측온도(Vout=2.5V, Iout=3A, TA=50)
부품명 최고온도 []
PQ1CG2032FZ
초크 코일 L1
출력 콘덴서 C3
프리휠 다이오드 D1
100
75
68
75
그림 23. 설계한 DC-DC 컨버터[그림 20(a)]의 출력전류
PD1(무한대 방열기에
설치했을 때)
PD2(방열판이
없을 때)
과열 보호회로가동작할 가능성이있는 영역
주위온도 Ta[]
그림 22. PQ1CG2032FZ의 내부손실 저감곡선
기타
설정저항
초크 코일
PQ1CS2032FZ
프리휠다이오드
출력 출력
그림 24. 각 부품의 손실이 전체손실에서 차지하는 비율
5.1V출력
2.5V출력
출력전류 [A]
3
75월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
(2) 응용회로
그림 20(a)는 PQ1CG2032FZ를 2.5V 고정 출력의
강압형 DC-DC 컨버터에 응용한 예이다. 사양은 다음과
같다.
· 입력전압 : 12V
· 출력전압 : 2.5V
· 정격 출력전류 : 3A
· 출력 리플 전압 : 50mVp-p 이하
그림 25. 설계한 DC-DC 컨버터[그림 20(a)] 각 부의 파형
(a) 메인 스위치의 컬렉터-이미터(Vin 단자-V
out 단자)간 전압과
컬렉터 전류(Vout
단자에 유입되는 스위치 전류)(b) D
1 양단의 전압과 스위칭시 순방향 전류
그림 26.설계한 DC-DC 컨버터[그림 20(a)]의출력 리플 전압파형
리플 전압 : 10.2mVP-P
리플 노이즈 전압 : 15.3mVP-P
그림 27.설계한 DC-DC 컨버터[그림 20(a)]의과전류 수하특성(실측)
출력전류 [A]
과전류 검출회로의동작점
그림 28. PQ1CG2032FZ의 프린트 패턴 설계시 주의점
입력
입력콘덴서
입력
이 패턴을굵고 짧게
스위칭트랜지스터
1점 접지 다이오드의 내부 용량에 의한 역전류. 이것이 간과할 수 없는 것으로, 배선의 인덕턴스 성분과 다이오드 내부 용량과의 LC 공진에의해 전류가 진동하여 서지 전압이나 노이즈가 발생한다
내부 용량이가급적 작은것을 선정
출력
출력
서지 전압이나 노이즈가문제되는 경우, 여기에 페라이트 퓨즈나 스너버를삽입한다
1A/div., 5V/div., 2μs/div. 0.5A/div., 2V/div., 2μs/div
76
3
출력전압은 다음과 같은 식으로 결정되므로 R1 또는 R2
를 가변저항기로 변경하면 출력전압을 가변시킬 수 있다.
가변 범위는 강압인 경우 +1.26∼+35V, 극성반전인 경
우 -1.26∼30V이다.
단, Vref : 내장 기준 전원전압[V](1.26)
그림 20(b)는 5V 입력, -2.5V 고정 출력의 극성반전형
DC-DC 컨버터이다.
(3) 설계의 포인트
설계법은 MD1320F와 기본적으로 같다.
1) 초크 코일 L1 선정
초크 코일 L1에 흐르는 리플 전류를 최대 출력전류의 0.3
배(0.9A)로 하여,
단, fS:스위칭 주파수[Hz](70k), ΔIL:리플 전류[A]
(0.9), Vsat:출력 포화전압[V](1.4), VF:다이오드의 순
방향 전압[V](0.42), Vout:출력전압[V](2.5), Vin:입력
전압[V](12)
피크 전류는 식 (2)에서 3.45A이다. 이상에서 HK-
10S080-1810R(100μH 3.5A, 동방아연)을 선정한다.
그림 21은 실측 직류 중첩특성이다.
그림에서 3.5Apeak 출력시의 인덕턴스는 100μF이기
때문에 식 (7)에서 ΔIL을 구하여 환산하면 307mA로 구
해진다.
2) 프리휠 다이오드 D1의 선정
D1에 흐르는 최대전류 ID(max)를 L1에 흐르는 전류의 최
대값이라 가정하면 다음과 같은 최대 전류 정격은 3.8A
이상이 필요하다.
첨두(尖頭) 역전압 VRM은 입력전압의 1.2배 이상인 14.4V
이상을 확보하고, 이번에는 FD5JS4(SBD, 40V, 5A,
오리진 전기)를 선정했다.
3) 출력 평활 콘덴서 C2의 선정
식 (3)에서 ESR≦162mΩ을 충족시킬 필요가 있다.
또 리플 전류(실효값) IrC3은 다음과 같은 식에서,
로 구한다.
이번에는 UPW0J152MPH(6.3V, 1500μF, 니치콘)를
사용했다.
허용 리플 전류는 2.17ARMS(105, 100kHz), ESR은
104mΩ(-10, 100kHz)이다.
4) 입력 콘덴서 C1의 선정
다음 식에서 C1에 요구되는 최대 허용 리플 전류 IrC1은
0.44ARMS 이상이 된다.
이번에는 허용 리플 전류 0.555ARMS의 UPW1C-
221MPH(16V, 220μF, 니치콘)를 사용했다.
5) 최대 내부손실
IC의 소비전력 PD를 구하고 그림 22에 나타난 내부손
실 저감곡선의 안전동작 영역 내에서 방열판이 필요한가
를 확인한다.
다음 식에서 PD=1.21W이므로 필요 없다.
단, IQ:동작시 소비전류[A](0.008), Iout:출력전류[A]
(3.0), 기타 파라미터는 식 (7)을 참조할 것.
(4) 평가
1) 온도상승과 효율
3
77월간 전자기술 2000·11
DC-DC 컨버터 IC의 철저 활용법
표 7은 TA=50일 때의 각 부품 실측온도이다. 그림
23에 출력전류-효율, 그림 24에 손실분석 결과를 나타낸
다. 손실의 대부분은 파워 IC, 초크 코일, SBD에서 차지
하고 있어 5.1V 출력시에 비해 2.5V 출력일 때의 SBD
손실은 2.5배로 증대한다.
2) 스위칭 파형
Vout 단자의 파형을 확인하고 내장된 메인 스위치와 D1
의 전압, 전류의 정격을 초과하지 않았는지 확인한다.
그림 25(a)에서 VCE(max), IC(max)는 모두 표 6에 나타난
바와 같이 정격 이하라는 것을 알 수 있다. 또 다이오드에
인가되는 서지 전압 및 서지 전류도 정격 이내로 충분히 억
제되고 있다.
3) 출력 리플 전압
그림 26에서 리플 전압 10.2mV, 리플 노이즈 전압 15.
3mV로 사양은 충분히 충족되고 있다는 것을 알 수 있다.
4) 과전류 검출값의 측정
그림 27에서 과전류 검출값은 3.8A, 단락기간의 출력
전류는 1.6A이다.
(5) 보다 확실하게 동작시키기 위해
1) 프린트 패턴 설계
그림 28은 PQ1CG2032FZ의 특성을 최대한으로 인출
하기 위한 프린트 패턴 설계법이다. 포인트는 다음과 같다.
① IC1의 1∼3번 핀, C1, C2, D1 사이의 패턴을 가능한
한 굵고 짧게 하여 1점에서 접지한다.
이것은 D1에 인가되는 서지 전압을 억제하는 효과가 있
다. 메인 스위치가 턴 온 할 때 전류변화(di/dt)가 큰
역전류가 D1의 내부용량을 경유하여 흐르기 때문이다.
예를 들면 전류경로의 인덕턴스 성분 합계 L(total)을
30nH, di/dt=4A/10ns라 가정하면 다이오드에는
다음과 같은 식에서 12V의 역전압 VRD1이 가해지게
된다.
특히 SBD는 내압이 높은 것일수록 순방향 전압이 높아
지는 경향이 있어 효율에 영향을 미치므로 D1에 인가되는
서지 전압을 가급적 작게 한다.
② R1은 부하에 가깝게, R2의 GND는 파워 IC의 3번
핀에 직접 접속한다.
2) EMI(Electro Magnetic Intreference) 대책
① D1의 애노드-GND 사이에 페라이트 비드를 삽입하
여 전류변화를 억제하면 방사 노이즈가 감소되는 수가 있
다. EMI 비드 코어 EXCEL시리즈(마츠시타전자부품)
등이 유효하다.
② 전원회로에서 입력 라인으로 노이즈가 누설되고 있
는 경우는 파워 IC의 1번 핀-3번 핀 사이에 바이패스 콘덴
서를 삽입한다. 노이즈의 발생원(發生源)인 입력 라인의
전하에 의한 변동이 억제된다. 0.1μF 정도의 GRM시리
즈(村田제작소) 등이 유효하다.
diVRD1 ＝ －L(total) ‐‐‐‐‐ ＝12V
dt
참 고 문 헌
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