[ 전자 / DCDC Power Modules ] DCDC 컨버터 선정하는 방법 (2)

DCDC 컨버터를 선정하는 방법 (2)

선정 기준: 용도, 입력 전압, 출력 전압과 전류!

종류

 

유형	Module ( Integrated Inductor) 모듈 (통합 인덕터)	Converter (Integrated Switch) 컨버터 (통합 스위치)	Controller (External Switch) 컨트롤러 (외부 스위치)
정의	모든 주요 부품을 하나의 패키지에 통합한 전압 조절기.	스위치를 내장하고, 일부 외부 부품이 필요함.(리액턴스/인덕턴스)	외부 스위치와 부품이 필요한 전압 조절기.(스위치/인덕터/캐패시터)
장점	설계 간소화, 보드 공간 절약	유연성 높음, 외부 부품 선택 가능.	최고의 설계 유연성, 성능 최적화 가능.
적용	소형 장치, 제한된 공간, 빠른 설계.	맞춤화된 전력 요구 응용 분야.	정밀한 전력 제어, 고성능 응용 분야.
전력 효율	중간 (85~92%)	높음 (90~95%)	가장 높음 (95% 이상)

 

예시) 조건

- 입력 전압 : 5V

- 출력 전압 : 1.2V

- 전류량 : 1A ( 실제 0.5A 사용/ 설계 시 1.5배)

- 조건: Ripple Voltage 낮아야됨, IC의 크기는 작아야 됨.

= Module ( Integrated Inductor)이며, Buck(강압) 컨버터, Ripple Voltage : 0.012V = 12mV(  Vout의 -1% ~ 1% 를 권장)

 

조건에 맞는 칩 선정! TPSM828301 

- 줄력 전압 및 전류: 0.5V to 4.5V adjustable output voltage
- 입력 전압:  2.25V to 5.5V input voltage range
- Switching frequency : 2 Mhz

- EFFICIENCY 95%
- 과전류 보호(OCP), 과전압 보호(OVP), 과열 보호(OTP)

 

TPSM828301

TPSM828301 - Features

EFFICIENCY 95%

사진 및 자료 출처:https://www.ti.com/

Switching frequency (높을 시)

 

장점

더 작은 필터 부품

- 스위칭 주파수가 높아지면 인덕터와 캐패시터의 크기를 줄일 수 있음.

- 높은 주파수에서는 에너지가 더 자주 전송되기 때문에 동일한 성능을 유지하면서 작은 인덕터와 캐패시터를 사용할 수 있어 회로의 소형화가 가능

빠른 동적 응답

- 스위칭 주파수가 높으면 출력 전압의 변화를 더 빠르게 따라갈 수 있음.

- 급격한 부하 변화에 대해 더 빠르게 응답해야 하는 애플리케이션에서 유리.

리플 전압 감소

- 높은 주파수에서는 출력 전류 리플과 리플 전압이 감소하는 경향이 있음.

- 리플을 줄이려면 스위칭 주파수를 높이는 것이 일반적인 방법

 

단점
EMI(전자기 간섭) 문제

- 높은 스위칭 주파수는 더 높은 주파수 대역에서 EMI(전자기 간섭)를 발생.

- 주변 기기에 영향을 미칠 수 있으며, EMI 문제를 해결하기 위해 추가적인 필터링과 쉴딩(shielding)이 필요.

회로 복잡도 증가

- 고주파 스위칭을 위해서는 빠르고 정밀한 스위칭 회로가 필요.

-설계를 복잡하게 만들고, 고속 스위칭에 필요한 소자의 선택이 까다로울 수 있음.

발열 증가

- 스위칭 주파수가 높아지면 스위칭 소자의 발열이 증가.

- 발열 관리를 위한 추가적인 냉각 설루션이 필요.

 

Switching frequency (낮을 시)

장점
스위칭 손실 감소

- 주파수가 낮아지면 스위칭 소자에서의 스위칭 손실이 감소.

- 온/오프 전환이 적어지기 때문에 스위칭 손실로 인한 효율 저하가 적음. 컨버터의 전체적인 효율을 높이는 데 유리.

EMI 문제 완화

- 낮은 주파수에서는 전자기 간섭(EMI)이 상대적으로 적게 발생. 

간단한 설계

- 낮은 주파수에서는 고속 스위칭 회로가 필요하지 않기 때문에 회로 설계가 상대적으로 간단해짐.

발열 감소

- 스위칭 주파수가 낮으면 스위칭 손실이 적어지고, 이에 따라 스위칭 소자의 발열이 줄어듦. 

단점
더 큰 필터 부품 필요

- 낮은 주파수에서는 인덕터와 캐패시터의 크기를 크게 해야 됨.

- 에너지를 저장하고 필터링하는 데 더 큰 부품이 필요하기 때문에 따라서 회로의 전체 크기가 커질 수 있음.

느린 동적 응답

- 스위칭 주파수가 낮으면 급격한 부하 변화에 대한 응답 속도가 느려질 수 있음.

- 빠르게 변화하는 부하 상황에서 출력 전압이 불안정할 수 있음.

리플 전압 증가

- 낮은 주파수에서는 리플 전압이 증가할 수 있음.

- 리플 전압을 낮추기 위해 더 큰 출력 캐패시터를 사용하거나, 인덕터를 키워야 하는데, 회로의 크기와 비용을 증가시킴

 

 

왜 스위칭주파수 높으면 인덕터와 캐패시터의 크기가 줄어들까?

- 인덕터는 전류가 변할 때 자기장을 통해 에너지를 저장하고, 스위칭 주기에 따라 에너지를 방출하거나 축적.

- 인덕터 전류 리플 (Δ𝐼𝐿) 은 주파수와 반비례하는데, 스위칭 주파수가 높아지면 주파수 주기당 에너지를 전달하는 시간이 짧아지므로 전류 리플이 줄어듦.

 

즉 스위칭 주파수 𝑓𝑠 가 높아지면 전류 리플 Δ𝐼𝐿이 감소하여, 같은 조건에서 더 작은 인덕터를 사용할 수 있게 됨.

따라서 스위칭 주파수가 높을수록 필요한 인덕터 크기가 작아짐

 

인덕터 전류 리플 (Δ𝐼𝐿)  공식

Vin : 입력 전압
Vout : 출력 전압
L: 인덕턴스(인덕터 크기)
D: 듀티 사이클
fs: 스위칭 주파수

 

- 캐패시터는 전압의 변화를 필터링하고, 충전/방전을 통해 에너지를 저장

- 스위칭 주파수가 높아지면 캐패시터에 가해지는 전류의 충방전 속도가 빨라짐.

- 캐패시터 전압 리플 (ΔVout )의 출력 전압의 리플은 주로 캐패시터에서 발생하는데, 주파수가 높아지면 충방전 시간이 짧아져 전압 리플이 감소하게 됨. 스위칭 주파수가 높으면 전류 리플이 작아지므로 더 작은 캐패시터로도 충분한 필터링 성능을 얻을 수 있음.

Iout: 출력 전류
C: 출력 캐패시턴스(캐패시터 크기)
D: 듀티 사이클
fs: 스위칭 주파수

 

결론 : 주파수가 높아질 때 에너지 저장 시간 감소
인덕터는 주기당 저장하는 에너지 양을 줄이면서도 빠른 속도로 에너지를 공급하기 때문에, 같은 전력 처리 조건에서 더 작은 크기로도 충분한 역할을 할 수 있음

캐패시터는 더 자주 충방전하므로, 큰 용량이 필요하지 않게 되고 그 결과 더 작은 캐패시터를 사용할 수 있게 됨.

 

마무리

스위칭주파수는 DCDC를 선정할 때 중요하다. ripple과 관련 있기 때문에 전압이 작은 것을 출력할 때는 더욱더 신중해야 된다. 또는 아날로그 회로를 설계할 때도 마찬가지이다.