Buck Converter 제어부 설계

Presented by Byoung-Kuk Lee, Ph.D.

Energy Mechatronics Lab. College of Information and Communication Eng.

Sungkyunkwan University

http://seml.skku.ac.kr

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제어부 부분별 설계 Guide

출력전압 Sensing & 과전압 검출

Example : Output voltage : 36V (5% 리플 전압)

• 출력전압이 외란 및 내부 요인에 의하여 Spike가

발생할 수 있기 때문에 25% margin을 주고 설계

사용된 저항

• 1/4W 저항 8.2kΩ 1EA

• 1/4W 저항 6.8kΩ 1EA

• 1/4W 저항 2kΩ 1EA

• 1/4W 저항 1kΩ 1EA

Capacitor(Ceramic 계열 사용)

선정 조건

• RC 시정수가 PWM 주파수

역수의 1/3배가 되도록 선정

출력전압 Sensing 회로 설계

45 2.5L

L all

RV

R R

1LR k

17allR k

< 출력전압 Sensing 회로 구성도>

비교기 동작원리 및 과전압 검출

< 비교기 구성도 및 입력 조건에 따른 출력상태도>

입력 조건 출력 상태

V+>V- High

V+<V- Low

비교기의 입력 측에 인가되는 두 전압을 비교하여

(+)단자의 전압이 큰 경우, 출력 전압은 High 신호가 나

타남 (반대의 경우, Low 신호로 출력)

과전압 검출 시, 출력전압의 일정 마진을 고려한 전압을

선정 후, 비교기의 입력단에 인가하도록 구성

입력 측 반대에는 기준 전압을 인가하여, 일정 전압 초과

시, 비교기의 출력전압이 Low로 만들도록 구성

과전압 검출용 보호회로 구성 가능

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제어부 부분별 설계 Guide

Carrier 신호 생성

반전 증폭기 비반전 증폭기

이상적인 Op-amp 특성

< Op-amp 구성도 >

foV

in in

RVA

V R 2

1

1oV

in

V RA

V R

자주 사용되는 증폭기

I. 입력 임피던스 무한대

II. V+, V-의 양단 전압차 : 0V

III. 이상적인 증폭률 무한대

IV. 출력 임피던스 0

V. 모든 주파수에 대해 이득이 일정

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제어부 부분별 설계 Guide

PWM 신호 생성

PWM 신호 생성 원리

< 구성 가능한 여러 가지 PWM 타입 >

Op-amp를 이용하여 캐리어 신호를 구성한 후, 원하는 Duty를 출력하기 위해 사전에 설정해 놓은 기준 전압을 캐리어

신호와 함께 비교기의 입력 단자에 인가

비교기의 출력을 통하여 원하는 Duty를 내보내고 있는지 확인 수학적으로 계산된 이론값과 일치하는지 비교해야 함

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제어부 부분별 설계 Guide

Gate Driver

Gate driver IC (예시) :

TC4429 (6A High-speed

MOSFET DRIVERS)

• VIH, VIL이 PWM의 High, Low를 결정짓는 전압

• Ro에 흐르는 전류를 저감시키기 위해 RS 및 Switch에 존재하는 RG의 총합으로 전류의

크기를 결정 (Ipeak 가 6A 이하로 설계 Datasheet 참고)

• VDD를 무조건 올리는 것은 좋지 않음 (Capacitor에서의 에너지 소모 증가로 열발생증가)

RS의 결정

DDpeak

S O G

VI

R R R

RS : 4.7Ω 일 때 전류 1.26A

Bypass capacitor 결정

• Gate driver의 전원부에 병렬로 연결

• 전해 커패시터

• SHL 50V 0.1uF

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제어부 부분별 설계 Guide

보조전원 구성

< 보조전원을 위한 SMPS (예시) >

SMPS (DC-DC 컨버터 사용)

보조 전원 사용 영역

• Gate driver 구동용 전원

• Carrier 생성용 Op-amp 구동용 전원

• Comparator 구동용 전원

SMPS 입출력 사양

• 입력 전압 범위 : DC 18 – 32V

• 출력 전압 : DC 15V

< 해당 SMPS의 Pin 번호 (예시) >

< 해당 SMPS의 실측 Size (예시) >

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Part 배치 및 제작

+

-

+

-

C C C C

am

p

comp

FET

D

L

G

connect

SM

PS

SM

PS

am

p

Power Flow

Controller

GND

부품 실장 및 전력 흐름의 설계

Power Flow는 직관적으로

GND는 단단하게

Gate Signal은 FET와 가깝게

경로는 짧게

부품 배치

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Part 배치 및 제작

시스템 제작

• 전면 제작 사진 • 후면 제작 사진