많은 설계자들이 PCB 설계의 재미있는 부분에 많은 집중을 합니다: 프로세서와 메모리 선택, 고속 인터페이스 라우팅, RF 기능 추가하기… 목록은 계속됩니다. 하지만 가끔 소홀히 될 수 있는 것이 바로 전력 조절 전략입니다. 전력 조절기는 입력 전압이 안정적일 때만 안정적입니다. 입력 전압에 큰 변동이 있거나 장치의 수명 동안 전압이 떨어질 것으로 예상된다면, 원하는 값으로 출력을 안정화할 방법을 찾아야 합니다.
저전압 시스템이거나 전압 강하가 상대적으로 작은 시스템에서는 (원하는 출력의 20% 정도) 입력 전압을 원하는 값으로 조절한 다음, LDO를 사용하여 출력을 조절하는 전략이 될 것입니다. LDO를 도입하면 비효율적인 선형 조절기가 발생하여 많은 열을 발생시킬 수 있습니다. 헤드룸이 상당히 낮을 때만 LDO만으로 충분합니다.
입력이 넓은 범위의 값으로 변동할 수 있는 시스템에서 전력을 조절하는 더 나은 옵션이 있습니다. 이는 전류 감지 증폭기를 포함하며, 이는 스위칭 조절기의 피드백 루프에서 사용될 수 있습니다. 전류 감지 증폭기를 사용함으로써, 조절기 피드백 루프에 주입되는 전력을 조절하거나, MCU와 함께 PWM 신호를 제어하는 데 출력을 사용할 수 있습니다. 다음은 다음 전력 조절기를 위한 몇 가지 전류 감지 증폭기 옵션입니다.
전류 감지 증폭기의 목적은 꽤 직관적입니다: 장치의 입력에 있는 전류에 비례하는 전압을 출력합니다. 이러한 시스템에서 전류는 외부 또는 내부 정밀 저항을 사용하여 측정할 수 있습니다. 이것들은 기본적으로 입력으로 전압 측정을 받고, 출력은 피드백을 사용하여 증폭되는 오프앰프 회로입니다. 모험을 즐기신다면, 분명히 별도의 구성 요소에서 자체 전류 감지 증폭기를 구축할 수 있지만, 주요 IC 제조업체에서 다양한 전류 감지 증폭기를 제공합니다. 이 IC들은 다양한 전압 및 전류 출력을 제공하며, 고전력 조절 회로에 쉽게 통합될 수 있습니다.
전류 감지 증폭기가 전력 조절 설계에서 어디에 위치해야 하는가? 답은: 피드백 루프에 있어야 합니다. 예시 응용 프로그램으로, 증폭기는 저가 조절기의 출력에서 전류를 측정할 수 있으며, 출력을 조정하기 위해 조절기 회로로 전력을 다시 공급합니다. 이는 아래 블록 다이어그램에서 보여집니다.
스위칭 조절기를 제어하는 데 사용되는 PWM 신호를 조정하기 위해 사용되는 전류 감지 증폭기.
일부 전류 감지 증폭기는 표준 고속 인터페이스를 통해 프로그래밍할 수 있습니다. PWM 신호를 조정하는 대신, MCU와 같은 다른 장치로 출력의 이득을 프로그래밍할 수 있습니다. 이러한 장치는 표준 레귤레이터 IC 없이도 전력 조절에 사용될 수 있으며, 맞춤형 조절 회로에서 스위칭 파워 MOSFET으로 피드백을 제공합니다.
전류 감지 증폭기를 선택하고 전력 조절 회로에 통합할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 사양입니다.
여러 다른 사양들도 중요하지만, 이 사양들은 전력 조절을 위한 구성 요소를 선택하기 시작하는 데 가장 좋은 출발점입니다.
Texas Instruments의 INA223 프로그래머블 이득 전류 감지 증폭기는 최대 26V 입력까지 작동하며 SPI를 통한 프로그래머블 인터페이스를 포함합니다. 이 장치는 외부 감지 저항기를 사용하여 3.3V 입력으로 상위 측 전류 감지를 사용합니다. 상위 측 저항기는 입력 전압이 최대 오프셋 전압 10-20mV(출력 이득에 따라 다름)를 초과하도록 선택해야 합니다. 아래에는 전형적인 응용 회로가 나와 있습니다.
INA223 데이터시트에서 가져온 예제 응용 다이어그램.
Analog Devices의 LTC6102 전류 감지 증폭기는 Linear에서 인수한 오래된 구성 요소이지만 여전히 생산 중이며 더 높은 전압 레귤레이터에 대한 훌륭한 선택입니다. 표준 변형은 4에서 60V까지의 입력을 허용하며, 고전압 변형(LTC6102HV)은 5에서 100V까지 작동합니다. 이 구성 요소는 DC부터 약 200kHz까지의 높은 대역폭을 가지며 온도 대비 매우 안정적인 출력 전압을 가집니다.
LTC6102 및 LTC6102HV 전류 감지 증폭기 변형에 대한 온도 변화에 따른 출력 전류 및 전압 변동. LTC6102 데이터시트에서 발췌.
Maxim Integrated의 MAX4172는 조절기 피드백 루프에 포함하기에 이상적입니다. 이 구성 요소는 최대 32V 입력 전압으로 상위 전류 모니터링을 제공합니다. 전체 스케일 전류 및 스케일링 인자(출력 전압/감지 전류)는 조절기 출력에 적절한 상위 감지 저항을 선택함으로써 조정할 수 있습니다. 이 구성 요소의 출력 오류는 주변 온도에서 약 2%이며 극한 운영 온도에서 +/-6%를 초과하지 않습니다.
MAX4172 데이터시트에서 발췌한 기능 블록 다이어그램.
다양한 전류 및 전압 범위에서 사용할 수 있는 전류 감지 조절기 IC의 폭넓은 범위가 있습니다. 전력 조절에 필요한 구성 요소를 찾고 있을 때, Octopart가 필요한 구성 요소를 찾는 데 도움을 줄 것입니다.
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