DC-DC 컨버터는 스위칭 전압조정기(Switching regulator) 또는 스위처(Switcher) 라고 불립니다. 스위칭 전원공급기는 다른 부품이기 때문에 헷갈리면 안됩니다. 일반적으로 DC-DC 컨버터는 그냥 컨버터라고 하기도 합니다.
DC-DC컨버터란?
DC-DC 컨버터는 DC 전압을 입력 받아 조정된 DC 전압으로 출력하는 기능을 합니다. 출력 전압은 입력전압보다 높거나 낮습니다. 출력값은 사용자가 외부에 저항을 추가하여 조절할 수 있습니다. 전체 효율은 90% 이상이며, 열 발생이 적어 크기가 작은 제품을 제작할 수 있습니다.
컨버터는 집적회로 패키지로, 내부에 고속 스위칭 장치(대부분 MOSFET으로 구성)가 들어가고 여기에 발진회로와 인덕터 그리고 다이오드가 결합된 제품입니다. 입력전압은 항상 출력보다 높아아 하며, 효율은 발생하는 전압강하에 반비례 합니다. DC-DC 컨버터를 표시하는 회로도 기호는 따로 없습니다. 이유는 컨버터 자체가 회로이기 때문입니다. 컨버터 내부에는 발진기가 있어 DC 입력을 스위칭 하는 MOSFET 반도체를 제어합니다. MOSFET 반도체는 50kHz 부터 1MHz 까지 고주파로 스위칭 합니다.
DC-DC 컨버터의 효율은 핵심은 인덕터에 있다고 해도 과언이 아닙니다. 인덕터는 펄스가 ON 상태일 때 자기장의 에너지를 저장하고, 방전 될 때는 다시 에너지를 내보냅니다. 인덕터는 실제로 임시로 에너지를 저장하고 있어 리플 전류를 최소화 합니다.
인덕터의 역할
전자 부품 중 하나로, 전류의 변화에 반응하여 에너지를 저장하는 역할을 하는 부품입니다. 전류가 흐르면 인덕터 내부에 자기장이 생기고, 이 자기장이 에너지를 저장하는 역할을 합니다. 인덕터를 물이 흐르는 통로에 “조절 가능한 댐”이라고 표현 할 수 있습니다. 이 댐이 바로 인덕터와 비슷한 역할을 합니다. 물이 갑자기 많이 흐르려고 하면 댐이 그 물을 막아서 흐름을 조절하고, 물이 줄어들면 댐이 저장해둔 물을 통로로 보내서 흐름을 유지합니다.
인덕터는 이와 같이 전류의 흐름을 부드럽게 유지하면서, 전류의 변화에 따라 에너지를 저장하고 방출하는 역할을 합니다. 이러한 특성 때문에 인덕터는 DC-DC 컨버터와 같은 전력 변환 장치에서 중요한 역할을 합니다.
DC-DC 컨버터의 다양한 종류
버크 컨버터 (Buck Converter)는 입력 전압을 낮추는 역할을 합니다. 스위치를 통해 전압을 순간적으로 인가하고, 인덕터와 캐패시터를 이용해 출력 전압을 평활화합니다. 이 컨버터는 간단하고 효율적인 구조로 많이 사용됩니다. 부스트 컨버터 (Boost Converter)는 입력 전압을 높이는 역할을 합니다. 인덕터를 통해 전류를 축적하고, 스위치를 끊어 전압을 높입니다. 출력 전압이 입력 전압보다 높아야 하는 용도에 사용됩니다. 벅-부스트 컨버터 (Buck-Boost Converter)는 입력 전압을 낮출 수도, 높일 수도 있는 기능을 가지고 있습니다. 스위치의 동작 방식에 따라 버크 모드와 부스트 모드를 전환할 수 있습니다.
플라이백 컨버터 (Flyback Converter)는 변압기를 이용해 전압을 변환하고, 여러 개의 독립된 출력을 제공할 수 있습니다. 스위칭 전원 공급기에서 주로 사용되는 구조입니다. 포워드 컨버터 (Forward Converter)는 변압기를 이용해 전압을 변환하며, 주로 출력 전력이 큰 용도에 사용됩니다. 플라이백 컨버터와 비교하면 출력 전압의 노이즈가 적고, 효율이 좋습니다.
사용 범위
컨버터는 전기적 잡음을 발생시키기에 커패시턴스가 큰 바이패스 커패시턴스를 입력핀과 출력핀에 가까이 붙입니다. 이는 필수적인 설치 요소이며 목적은 주위 부품에 영향을 주지 않기 위함 입니다. DC-DC 컨버터를 구매하는 경우에는 이런 커패시턴스에 대하여 데이타 시트에서 확인 가능하여야 합니다. 그만큼 중요한 항목 입니다. 현장에서는 이러한 커패시터를 사용하는 것을 당연하게 생각하고 있습니다.
컨버터는 수십 mA 에서 수십 A 사이의 전력을 다룹니다. 흔히 전력이 낮은 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC 같은 제품에 설치되어 있으며, 그 중 일부는 배터리보다 더 높은 전압을 필요로 하기도 합니다. 실제 사용 예를 들어보면 1.5V 배터리가 들어가는 LED 라이트의 경우에 LED의 전원을 켜는데 3V의 전압이 필요하다면 부스터형 컨버터를 이용해 전압을 2배로 증가시켜서 3V 를 공급할 수 있습니다. 컨버터가 유도하는 전자기 간섭(EMI)이 모델마다 각각 다르기 때문에 사양을 꼭 확인하여야 합니다.
사용시 주의 사항
컨버터 사용시의 아래와 같은 사항들을 주의 하셔야 합니다. 특히 컨버터는 작동중에 발생하는 2차 효과들 때문에 문제가 발생하는 것도 무시할 수 없습니다. 첫번째로 출력의 전기 잡음을 들 수 있습니다. DC-DC 컨버터는 스위치를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 작동하기 때문에, 출력 전압에 잡음이 발생할 수 있습니다. 이 잡음은 민감한 전자 장치에 문제를 일으킬 수 있으므로, 필요한 경우 필터를 추가로 설치하여 잡음을 줄여야 합니다.
두번째로 부하가 없을 때 과열되는 문제를 들 수 있습니다. 부하가 없거나 부하가 매우 적을 때, DC-DC 컨버터는 전력을 제대로 소비하지 못하고 내부에서 과열될 수 있습니다. 따라서 부하가 없거나 매우 적을 때는 DC-DC 컨버터를 사용하지 않거나, 적절한 방열 장치를 사용해야 합니다. 마지막으로 낮은 부하에서 잘못된 출력전압을 들 수 있습니다. 일부 DC-DC 컨버터는 부하가 매우 낮을 때 출력 전압이 정상 범위를 벗어날 수 있습니다. 이 경우, 출력 전압이 필요한 범위 내에 있는지 항상 확인해야 하며, 필요한 경우 부하를 적절히 조정해야 합니다..