Buck 컨버터용 인덕터 선택 방법

SMPS는 좋아하는 전자 기기가 원활하게 작동하게 만드는 조용한(그러나 전기적으로는 소음이 많은) 장치 중 하나입니다. 이들은 조용히 배경에서 자신의 역할을 수행하지만, 이들 없이는 회로판이 작동하지 않습니다. 전력을 많이 소모하는 애플리케이션을 위한 DC-DC 컨버터 설계의 일부로, 안정적인 전력 공급을 고효율로 부하에 제공하기 위해 구성 요소 선택이 매우 중요합니다.

수많은 DC-DC 컨버터 토폴로지 중에서, 벅 컨버터는 입력 전압을 낮은 수준으로 내리면서 고효율 전력 변환을 제공하는 데 많은 용도로 사용됩니다. 이러한 전력 변환기의 구성 요소 선택과 관련된 일반적인 질문은 벅 컨버터에 인덕터를 선택하는 방법입니다. 벅 컨버터에서 인덕터와 다른 구성 요소를 다루는 목표는 전력 손실을 열로 제한하고 동시에 전류 리플을 최소화하는 것입니다.

벅 컨버터에서의 인덕터

SMPS용 기본 벅 컨버터 토폴로지는 아래에 나와 있습니다. 이 다이어그램에서, MOSFET의 출력은 PWM 신호로 구동되며, 이는 사용자가 선택한 듀티 사이클로 MOSFET을 켜고 끕니다. 인덕터와 커패시터는 PWM 신호가 전환될 때 부하에 안정적인 전류를 제공하는 데 중요한 역할을 합니다. 마지막으로, PWM 신호의 듀티 사이클은 사용자가 부하에 전달되는 출력 전압을 제어할 수 있게 하는 주요 기능입니다.

인덕터는 PWM 신호와 동일한 비율로 지속적으로 전환되므로 출력으로 보내는 전류에 약간의 리플을 중첩하는 역할을 합니다. 인덕터와 커패시터는 기본적으로 2차 대역통과 필터인 L-필터를 형성합니다. 충분히 큰 커패시터를 사용하고 ESR이 낮다고 가정하면, 커패시터는 낮은 임피던스를 제공하고 리플을 구성하는 고주파 성분은 대부분 제거됩니다.

벅 컨버터용 인덕터 선택 방법

설계에서 허용할 수 있는 원하는 리플 전류와 사용할 PWM 신호의 듀티 사이클에 따라 인덕터의 적절한 값이 달라집니다. 다음 방정식은 다이오드의 순방향 전압 강하와 MOSFET을 통한 ON 상태의 전압 강하를 고려한 후의 출력 전압을 다이오드 순방향 전압 강하와 MOSFET을 통한 ON 상태의 전압 강하의 함수로 보여줍니다. 이러한 전압을 고려한 후의 출력 전압은 다음과 같습니다:

수학적인 부분은 건너뛰고 중요한 결과부터 말씀드리겠습니다. 첫째, 인덕턴스와 PWM 주파수는 리플 전압에 반비례합니다. 둘째, 리플은 PWM 듀티 사이클의 제곱 함수로도 나타납니다. 벅 컨버터의 리플 전류는 다음과 같습니다:

PWM 신호의 상승 시간은 어느 방정식에도 나타나지 않습니다. 그러나 상승 시간은 컨버터에서 발생하는 노이즈와 손실을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다(아래에서 자세한 내용을 참조하세요). 중요한 결과는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

• 듀티 사이클을 증가시키면 리플이 감소하지만, 출력 전압을 입력 전압에 더 가깝게 만듭니다.
• PWM 주파수를 높이면 리플이 줄어들지만, 이는 MOSFET에서의 발열 증가로 이어집니다. 다시 말하지만, 여기에는 주의해야 할 점이 있습니다: 더 빠른 에지 속도를 가진 PWM 신호를 사용하면 높은 PWM 주파수로 인한 손실을 줄일 수 있습니다(아래 참조).
• 더 큰 입력 전압을 사용하려면 리플을 수용 가능한 수준으로 줄이기 위해 더 큰 인덕터를 사용해야 합니다. 일반적으로, 리플을 줄이기 위해 더 큰 인덕터를 사용하세요.

PWM 상승 시간이 중요한 이유

인덕터는 출력 전류에서 리플을 생성하고 동시에 억제하는 역할을 합니다. 비록 이것이 위의 지침을 사용하여 설계에서 설계 목표로 설정될 수 있지만, 인덕터가 제어할 수 없는 스위칭 레귤레이터의 몇 가지 중요한 측면이 있습니다:

• 스위칭 요소에서 방사되는 EMI: 이 트랜지스터에서 발생하는 스위칭 노이즈는 하류 회로에서 일부 노이즈를 유발할 수 있습니다.
• 스킨 효과로 인한 열 손실: 이는 인덕터의 기하학적 형태의 함수이며 인덕턴스 값이 아닙니다. 인덕터가 더 큰 단면적과 더 높은 열 전도성을 가지고 있다면, 인덕터에서 열을 더 빠르게 방출할 수 있습니다.
• 트랜지스터의 열 손실: 트랜지스터는 스위칭과 조절 중에 가장 많은 열을 발산합니다. 그러나 더 빠른 에지 속도를 사용하면 MOSFET이 PWM 진동 사이에 더 완전히 꺼져서 이러한 열 손실을 억제할 수 있습니다.

이러한 노이즈 원은 PWM 신호의 주파수와 에지 속도에 따라 달라집니다. 듀티 사이클을 변경하지 않고 벅 컨버터를 더 높은 스위칭 주파수로 실행하면 일반적으로 MOSFET에서 열로 더 많은 전력을 손실하게 됩니다. 더 빠른 에지 속도를 사용하는 것의 트레이드오프는 하류 회로에서 유도되는 더 많은 고주파 노이즈와 스킨 효과를 통해 더 많은 열이 손실되는 위험입니다. 이러한 점에 대해 이 기사에서 더 자세히 알아보세요.

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