DC/DC 컨버터란?
DC/DC 컨버터는 일정한 전압을 출력하는 직류전원으로부터 다른 전압의 직류전압을 만들어내는 전원장치입니다.
입력되는 직류 전압보다 높은 전압을 출력하는 경우를 승압 컨버터, 낮은 전압을 출력하는 경우를 강압 컨버터라고 합니다.
DC/DC 컨버터의 사용 용도
DC/DC 컨버터는 전자기기 내부에서 일부 회로에 적합한 전원 전압을 공급하기 위해 사용됩니다.
일반적으로 전자기기는 상용전원(교류)을 사용하여 작동하지만, 전자회로에는 직류전원이 필요하기 때문에 상용전원을 일단 직류로 변환합니다. 이 전원 회로를 AC/DC 컨버터라고 합니다.
한편, 회로를 구성하는 IC 등 전자부품은 각각 최적의 동작 전압 범위가 다르기 때문에 개별 회로에 적합한 전압을 공급해야 합니다. 따라서 필요한 전압에 따라 여러 개의 전원을 준비하게 되는데, 이러한 경우에 DC/DC 컨버터가 사용됩니다.
DC/DC 컨버터의 원리
DC/DC 컨버터는 두 가지 종류가 있으며, 각각 원리가 다릅니다.
1. 선형 레귤레이터
선형 레귤레이터는 NPN 트랜지스터를 입력 단자와 출력 단자 사이에 삽입하고, 이 트랜지스터의 콜렉터-이미터 사이의 전압을 제어하여 출력 전압을 일정하게 유지한다. 트랜지스터는 입력 측을 콜렉터, 출력 측을 이미터로 하여 그 출력 전압과 원하는 전압의 차이를 제어 회로가 감지합니다.
트랜지스터의 베이스 전류를 제어하여 출력 전압이 일정하도록 콜렉터-이미터 간 전압을 변화시키는 것이 기본 동작이며, NPN 트랜지스터 대신 N채널 MOSFET을 사용하기도 하는데, 이 경우 입력 측에 드레인, 출력 측에 소스를 연결하고 제어 회로는 게이트 전압을 제어합니다.
2. 스위칭 레귤레이터
스위칭 레귤레이터는 입력 단자와 출력 단자 사이에 스위칭 소자를 두고, 출력 전압이 원하는 전압이 될 때까지 스위칭 소자를 ON 상태로 하여 입력에서 출력으로 전력을 공급하고, 출력 전압이 원하는 전압에 도달하면 스위칭 소자를 OFF 상태로 하는 것이 기본적인 동작입니다.
이 동작을 고속으로 반복하여 출력 전압을 원하는 범위에 맞추도록 제어합니다. 스위칭 레귤레이터 방식의 DC/DC 컨버터는 코일과 결합하여 전류 차단 시 코일에서 발생하는 역전압을 이용하여 입력한 전압보다 높은 전압을 얻을 수 있는 승압 동작이 가능합니다.
또한, 입력측의 전압에 관계없이 일정한 전압을 출력할 수 있는 승강압 레귤레이터, 그리고 정전압에서 부전압을 만드는 반전 레귤레이터도 실현 가능합니다.
DC/DC 컨버터의 종류
DC/DC 컨버터는 크게 ‘리니어 레귤레이터’와 ‘스위칭 레귤레이터’의 두 가지 종류가 있습니다.
1. 선형 레귤레이터
입력단자와 출력단자 사이에 NPN형 트랜지스터를 삽입하여 출력단자의 전압이 항상 일정하도록 제어하는 것으로, 이 방식은 노이즈가 적은 안정적인 출력 전압을 얻을 수 있지만 다음과 같은 단점이 있습니다.
출력 전압은 입력 전압보다 낮은 전압을 얻을 수 있다.
트랜지스터에 의한 손실이 커서 에너지 효율이 낮고 발열이 크다.
2. 스위칭 레귤레이터
입력단자와 출력단자 사이에 스위칭 소자를 설치하여 입력단자에서 흐르는 전류를 스위칭 소자로 ON/OFF하여 출력단자의 전압을 일정하게 유지하는 것으로 다음과 같은 장점이 있습니다.
회로 구성에 따라 승압 컨버터, 강압 컨버터 모두에 대응할 수 있다.
에너지 효율이 높고, 회로 전체의 발열량이 적다.
반면, 단점으로는 다음과 같은 것들이 있다.
스위칭 노이즈가 발생하여 출력에 스파이크 노이즈와 리플이 나타난다.
부품 수가 많아 회로 규모가 커진다.
DC/DC 컨버터 사용법
리니어 레귤레이터는 노이즈가 적고 안정적인 전압 출력을 얻을 수 있어 각종 센서의 미약한 신호를 다루는 경우 등 아날로그 회로에 적합합니다. 그러나 발열량이 크기 때문에 적절한 방열 설계가 필요합니다. 방열판이나 팬을 병행하여 발생된 열을 기기 외부로 배출할 수 있도록 해야 합니다.
한편, 스위칭 레귤레이터는 출력 전압을 넓은 범위로 설정할 수 있고 큰 전류를 공급할 수 있지만, 노이즈 발생을 피할 수 없기 때문에 대책이 필요한 경우가 있습니다. 차폐 케이스에 넣는 것이 그 대책의 예입니다.
그러나 아날로그 회로에 노이즈가 유입되는 것을 방지하기 위해 전원 공급 장치 자체를 분리하여 DC/DC 컨버터와 아날로그 회로의 접지 레벨을 공통으로 하는 등의 대책이 필요한 경우도 있습니다.
또한, 비교적 발열은 적지만 큰 전력을 출력할 때는 리니어 레귤레이터와 마찬가지로 기기 내부의 방열에 충분히 신경을 써서 설계할 필요가 있습니다.