효율적인 DC-DC 변환기 설계: Altium Designer 24 MixedSim을 이용한 자동 측정

현대 전자에서의 주요 도전 중 하나는 맞춤형 전원 공급 솔루션을 제공하는 것입니다. 이 섹션은 AC에서 DC로 변환하는 컨버터나 DC에서 DC로 변환하는 컨버터와 같은 다양한 SMPS(스위치 모드 전원 공급 장치)로 구성될 수 있습니다. 고전력 응용 프로그램에서 AC에서 DC로의 변환은 장치의 좋은 전력 계수(즉, 고조파 및 피상 전력 소비 감소)를 달성하기 위해 PFC 컨트롤러가 필요할 수 있습니다. SMPS 설계에서의 전형적인 도전 과제는:

1. 설계에 필요한 전원 공급 전압과 전류를 달성하기 위한 SMPS 레귤레이터의 수;
2. 구현 비용;
3. 설계를 구현하는 데 필요한 면적;
4. 레이아웃 디자인;
5. 효율성 및 열 감소 또는 열 관리 디자인 지원.

"d"와 "e" 항목은 Altium Designer 혼합 시뮬레이션으로 쉽게 해결할 수 있습니다. 예를 들어, Keysight의 Power Analyzer를 사용하여 PCB 내의 전류 밀도를 시뮬레이션할 수 있으며, 이는 Altium Designer와 통합될 수 있습니다. 이 기사는 DC-DC 벅 컨버터를 더 효율적으로 만드는 방법에 대해 다루며, 그 효율을 빠르게 추정하는 몇 가지 쉽고 효과적인 팁을 공유합니다.

벅 컨버터 디자인에 대하여

기본 벅 컨버터 회로도는 그림 1에 나와 있습니다:

그림 1

램프 신호 생성기(U3A), 오류 증폭기(U1B), 램프 신호 버퍼(U2B), 변조기(U2A)를 생성하기 위해 네 개의 연산 증폭기를 사용합니다. 참조 전압은 RC 네트워크를 통해 오류 증폭기에 연결된 DC 소스로 시뮬레이션되어, 소프트 스타트 기능을 제공합니다. 그림 1은 PWM 변조를 사용하여 출력 전압을 설정하는 전압 모드 변환기입니다.

전력 단계는 Q1, L1, D2, C2를 중심으로 구축되며, R7이 변환기의 부하 저항으로 작용합니다. U3A와 관련된 구성 요소는 작동 주파수를 설정하며, C1을 변경하여 쉽게 조정할 수 있습니다. C1을 4.3nF로 설정하면 주파수는 약 100kHz입니다.

변환기의 안정성에 영향을 미치는 보상 네트워크는 안정성이나 단계 응답(C4, C3-R10, R12-C6)을 개선하기 위해 조정될 수 있습니다. R8과 R9는 참조 전압과 함께 출력 전압을 설정합니다. 이 경우, R8과 R9는 1:2 분배기를 생성하여 출력 전압을 6V로 만듭니다.

그림 2는 시뮬레이션 중에 수집된 신호를 보여줍니다. 출력 전류는 2A로 설정되며, 이는 L1을 통한 평균 전류에도 반영됩니다.

그림 2

디자인의 효율성을 추정하기 위해서는 두 가지 양을 디자인에서 계산해야 합니다: 입력 전력과 출력 전력. 출력 전력을 입력 전력으로 나눈 비율이 효율성입니다.

Altium Designer에서의 SPICE 시뮬레이션은 전력 계산을 쉽게 제공하며, 이러한 양의 나눗셈을 통해 효율성 값을 결정할 수 있습니다.

입력 전력 계산 방법

DC-DC 컨버터의 입력 전력은 V1(직류 전원)에서 나옵니다. 시뮬레이션 대시보드 탭을 통해 접근할 수 있는 Add Output Expression 창에서 V1 전력을 얻을 수 있습니다(아래 그림 3 참조).

그림 3

그림 4는 전력 플롯(플롯 4)을 보여줍니다:

그림 4

전력 소비를 계산하기 위해서는 AVG() 표현식을 사용하여 파형의 평균을 낼 수 있습니다(아래 그림 5 참조).

그림 5

그림 6은 평균화된 파형을 보여주지만, 창 범위로 인해 일부 리플이 보입니다. 전력 소비는 커서를 사용하여 읽을 수 있으며, 13.26W를 보여줍니다.

그림 6

컨버터에 전달된 전력의 순간값을 얻기 위해, 그림 7에 표시된 대로 측정을 구성할 수 있습니다.

그림 7

또한, 이미 평균화된 파형을 다시 평균화하는 것을 피하기 위해 AVG() 함수는 파형 표현식에서 제거되어야 합니다. 이는 부정확한 결과를 초래할 수 있습니다. Sim Data Measurements 탭은 그림 8에 표시된 것처럼 V1에 의해 전달된 전력을 표시할 것입니다.

그림 8

출력 전력 계산 방법

출력 전력( R7에 전달됨) 계산은 그림 9 및 그림 10에 표시된 것과 같은 방식으로 수행될 수 있습니다.

그림 9: R7 전력 추적을 위한 구성

그림 10: "Measurements"를 통해 얻은 입력(PWR-IN) 및 출력(PWR-OUT) 전력 값

효율 계산 방법

효율성을 계산하는 다음 단계는 출력 전력을 입력 전력으로 나누는 것입니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 두 전력의 나눗셈을 나타내는 플롯의 추적을 생성하고 평균을 취하는 것입니다(그림 11) (그림 12). 선택적으로, 결과를 백분율로 표시하기 위해 100을 곱할 수 있습니다. Measurements의 AVG() 함수는 파형의 안정된 상태로 간주될 수 있는 부분만 평균내기 위해 875µs에서 1ms의 시간 범위에 적용된다는 점에 유의하세요(그림 13 참조).

그림 11: 효율성을 위한 추적 표현

그림 12 & 13: 효율성 계산을 위한 측정 구성

효율성 값은 Sim Data 탭에 표시됩니다(그림 14). 측정된 값은 0.82(82%)입니다. 효율성을 더 높은 값으로 끌어올리기 위해(그림 1에서의 설계 변경이 필요할 수 있습니다(예: 열 발산 감소). 예를 들어, D2 대신 동기 정류를 사용하거나 Q1의 게이트 드라이브 강도를 증가시킬 수 있습니다.

그림 14: "Measurements" 탭에 표시된 DC-DC 컨버터의 효율성

마무리하며

Altium Designer에서의 SPICE 시뮬레이션은 시간과 비용을 줄이기 위해 전원 공급 장치 설계 과제를 해결할 수 있습니다. 효율성이나 인덕터 전류의 측정뿐만 아니라 실시간 설계 조정도 Measurements와 수학 연산과 같은 고급 옵션을 사용하여 쉽게 구현할 수 있습니다. 시뮬레이션 환경의 사용 용이성과 유연성은 복잡한 설계 과제마저도 처리할 수 있어, 여러분이 시간을 절약하고 최상의 설계 구현을 달성하는 데 집중할 수 있게 해줍니다.