회로 토폴로지는 전원 장치와 전자기 부품이 회로에 연결되는 방식이며, 자기 부품 설계, 폐쇄 루프 보상 회로 설계 및 기타 모든 회로 부품 설계는 토폴로지에 따라 달라집니다. 가장 기본적인 토폴로지는 벅(벅), 부스트(부스트) 및 벅/부스트(부스트/벅), 싱글 엔드 플라이백(절연 플라이백), 포워드, 푸시-풀, 하프 브리지 및 풀 브리지 등입니다. 체인저. 스위칭 전원 공급 장치에는 약 14가지의 일반적인 토폴로지가 있으며, 각 토폴로지에는 고유한 특성과 적용 가능한 상황이 있습니다. 선택 원칙은 고전력인지 저전력인지, 고전압 출력인지 저전압 출력인지, 가능한 한 적은 수의 부품이 필요한지 여부에 따라 달라집니다. 토폴로지를 적절하게 선택하려면 다양한 토폴로지의 장점, 단점 및 적용 가능성을 숙지하는 것이 중요합니다. 잘못된 선택은 전원 공급 장치 설계를 처음부터 실패로 이끌 수 있습니다.
이 글에서는 벅, 부스트 및 벅-부스트 토폴로지의 다양한 측면에 대해 자세히 살펴봅니다. 그리고 스위칭 전원 공급 장치의 20가지 기본 토폴로지에 대한 요약도 제공합니다.
목차
벅 변환기
그림 1은 비동기식 벅 컨버터의 개략도입니다. 벅 컨버터는 입력 전압을 더 낮은 출력 전압으로 낮춥니다. 스위치 Q1이 켜지면 에너지가 출력으로 전달됩니다.
그림 1: 비동기식 벅 컨버터 회로도
공식 1은 듀티 사이클을 계산합니다:
공식 2는 최대 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 스트레스를 계산합니다:
방정식 3은 최대 다이오드 응력을 제공합니다:
여기서 Vin은 입력 전압, Vout은 출력 전압, Vf는 다이오드 순방향 전압입니다.
입력 전압과 출력 전압의 차이가 클수록 벅 컨버터는 선형 레귤레이터 또는 LDO(저드롭아웃 레귤레이터)에 비해 효율이 더 높습니다.
벅 컨버터는 입력에 펄스 전류가 있지만 컨버터 출력에 있는 인덕터-커패시터(LC) 필터로 인해 출력 전류는 연속적입니다. 따라서 입력에 반영되는 전압 리플은 출력의 리플에 비해 더 커집니다.
듀티 사이클이 짧고 출력 전류가 3A보다 큰 벅 컨버터의 경우 동기식 정류기를 사용하는 것이 좋습니다. 전원 공급 장치에 30A 이상의 출력 전류가 필요한 경우 다상 또는 인터리브 전원 단계를 사용하면 부품 스트레스를 최소화하고 여러 전원 단계 간에 발생하는 열을 분산하며 컨버터 입력 리플에서 반사를 줄일 수 있으므로 권장합니다.
스위칭 주기마다 부트스트랩 커패시터를 재충전해야 하므로 N-FET를 사용할 때는 듀티 사이클이 제한됩니다. 이 경우 최대 듀티 사이클은 95-99% 범위입니다.
벅 컨버터는 일반적으로 순방향 토폴로지로 인해 동적 성능이 우수합니다. 달성 가능한 대역폭은 에러 증폭기의 품질과 선택한 스위칭 주파수에 따라 달라집니다.
그림 2~7은 연속 전도 모드(CCM)에서 비동기식 벅 컨버터의 FET, 다이오드 및 인덕터의 전압 및 전류 파형을 보여줍니다.
부스트 변환기
부스트 컨버터는 입력 전압을 더 큰 출력 전압으로 단계적으로 높입니다. 스위치 Q1이 전도되지 않으면 에너지가 출력으로 전달됩니다. 그림 8은 비동기식 부스트 컨버터의 개략도입니다.
그림 8: 비동기식 부스트 컨버터 회로도
공식 4는 듀티 사이클을 계산합니다:
공식 5는 최대 MOSFET 스트레스를 계산합니다:
방정식 6은 최대 다이오드 응력을 제공합니다:
여기서 Vin은 입력 전압, Vout은 출력 전압, Vf는 다이오드 순방향 전압입니다.
부스트 컨버터를 사용하면 LC 필터가 입력에 있기 때문에 펄스 출력 전류를 볼 수 있습니다. 따라서 입력 전류가 연속적이고 출력 전압 리플이 입력 전압 리플보다 큽니다.
부스트 컨버터를 설계할 때는 컨버터가 전환되지 않을 때에도 입력에서 출력까지 영구적으로 연결된다는 점을 알아야 합니다. 출력에서 발생할 수 있는 단락 사고를 방지하기 위한 예방 조치를 취해야 합니다.
4A보다 큰 출력 전류의 경우 동기 정류기를 사용하여 다이오드를 교체해야 합니다. 전원 공급 장치에 10A 이상의 출력 전류를 제공해야 하는 경우 다상 또는 인터리브 전원 스테이지를 사용하는 것이 좋습니다.
CCM 모드에서 작동할 때 부스트 컨버터의 동역학은 전달 함수의 오른쪽 하프플레인 제로(RHPZ)로 인해 제한됩니다. RHPZ는 보정할 수 없기 때문에 달성 가능한 대역폭은 일반적으로 RHPZ 주파수의 1/5~1/10 미만입니다. 방정식 7을 참조하십시오:
여기서 Vout은 출력 전압, D는 듀티 사이클, Iout은 출력 전류, L1은 부스트 컨버터의 인덕터입니다.
그림 9~14는 CCM 모드에서 비동기식 부스트 컨버터의 FET, 다이오드 및 인덕터의 전압 및 전류 파형을 보여줍니다.
벅-부스트 변환기
벅-부스트 컨버터는 동일한 인덕터를 공유하는 벅 및 부스트 파워 스테이지의 조합입니다. 그림 15를 참조하십시오.
그림 15: 듀얼 스위치 벅-부스트 컨버터 회로도
벅 부스트 토폴로지는 입력 전압이 출력 전압보다 작거나, 크거나, 같을 수 있으므로 50W 이상의 출력 전력이 필요하기 때문에 실용적입니다.
50W 미만의 출력 전력의 경우 싱글 엔드 1차 인덕터 컨버터(SEPIC)가 더 적은 부품을 사용하기 때문에 더 비용 효율적인 옵션입니다.
입력 전압이 출력 전압보다 크면 벅-부스트 컨버터는 벅 모드에서 작동하고, 입력 전압이 출력 전압보다 작으면 부스트 모드에서 작동합니다. 컨버터가 입력 전압이 출력 전압 범위 내에 있는 전송 영역에서 작동하는 경우 이러한 상황을 처리하는 두 가지 개념이 있습니다. 벅과 부스트 스테이지가 동시에 활성화되거나 벅과 부스트 스테이지 간의 스위칭 주기가 번갈아 가며 일반적으로 각각 정상 스위칭 주파수의 절반으로 작동합니다. 두 번째 개념은 출력에서 고조파 잡음을 유발할 수 있으며 출력 전압 정확도가 일반 벅 또는 부스트 작동에 비해 정밀하지 않을 수 있지만 첫 번째 개념에 비해 컨버터의 효율이 더 높습니다.
벅-부스트 토폴로지는 어느 방향에도 LC 필터가 없기 때문에 입력과 출력 모두에서 맥동 전류가 발생합니다.
벅-부스트 컨버터의 경우 벅 및 부스트 전력단 계산을 별도로 사용할 수 있습니다.
두 개의 스위치가 있는 벅-부스트 컨버터는 최대 400W(LM5175와 동일)의 동기식 정류를 지원하는 50W~100W(LM5118과 같은) 전력 범위의 전력에 적합합니다. 결합되지 않은 벅 및 부스트 전력단과 전류 제한이 동일한 동기식 정류기를 사용하는 것이 좋습니다.
RHPZ는 레귤레이터 대역폭을 제한하므로 벅-부스트 컨버터의 부스트 단계에 대한 보상 네트워크를 설계해야 합니다.
출처: 텍사스 인스트루먼트
보충 자료: 20가지 스위칭 전원 공급 장치 토폴로지 비교
1. 일반적인 기본 토폴로지:
벅
부스트
벅-부스트 벅-부스트
플라이백
앞으로
2-트랜지스터 포워드
푸시-풀 푸시-풀
하프 브리지 하프 브리지
풀 브리지 풀 브리지
SEPIC
영국
2. 기본 펄스 폭 변조 파형
이러한 토폴로지는 스위칭 회로와 관련이 있습니다. 기본 펄스 폭 변조 파형은 다음과 같이 정의됩니다:
3. 벅은 혈압을 낮춥니다.
기능:
입력을 더 낮은 전압으로 줄입니다.
가장 간단한 회로
인덕터/커패시터 필터는 스위칭 후 구형파를 평탄화합니다.
출력은 항상 입력보다 작거나 같아야 합니다.
입력 전류가 불연속(절단) 상태입니다.
출력 전류 평활화
4. 부스트
기능:
입력을 더 높은 전압으로 부스트
벅과 동일하지만 인덕터, 스위치 및 다이오드가 재배치되었습니다.
출력은 항상 입력보다 크거나 같습니다(다이오드의 순방향 전압 강하 무시) ■ 출력은 항상 입력보다 큽니다.
입력 전류 평활화
출력 전류가 불연속적(절단)입니다.
5. 벅-부스트
기능:
인덕터, 스위치 및 다이오드의 다른 배열
벅 회로와 부스트 회로의 단점 결합
입력 전류가 불연속(절단) 상태입니다.
출력 전류도 연속적이지 않습니다(절단).
출력은 항상 입력과 반대이지만(커패시터의 극성에 유의) 진폭은 입력보다 작거나 클 수 있습니다.
"플라이백" 컨버터는 실제로 절연(트랜스포머 결합) 형태의 벅-부스트 회로입니다.
6. 플라이백
기능:
벅 부스트 회로처럼 작동하지만 인덕터에는 두 개의 권선이 있어 변압기와 인덕터 역할을 모두 수행합니다.
출력은 코일과 다이오드의 극성에 따라 양극 또는 음극이 될 수 있습니다.
출력 전압은 변압기의 권선비에 따라 입력 전압보다 크거나 작을 수 있습니다.
가장 간단한 격리 토폴로지입니다.
보조 권선 및 회로를 추가하여 여러 출력을 얻을 수 있습니다.
7. 7.
기능:
스텝다운 회로의 트랜스포머 커플링 형태.
불연속 입력 전류, 부드러운 출력 전류.
변압기 때문에 출력은 입력보다 크거나 작을 수 있으며, 어떤 극성이든 가능합니다.
보조 권선 및 회로를 추가하여 여러 출력을 얻을 수 있습니다.
변압기 코어는 매 스위칭 주기마다 자기를 제거해야 합니다. 일반적으로 기본 권선과 동일한 회전 수의 권선을 추가하는 것이 일반적입니다.
스위치 온 단계에서 1차 인덕턴스에 저장된 에너지는 스위치 오프 단계에서 추가 권선 및 다이오드를 통해 방출됩니다.
8. 2-트랜지스터 포워드
기능:
두 스위치가 동시에 작동합니다.
스위치가 열리면 변압기에 저장된 에너지가 1차측의 극성을 반전시켜 다이오드를 전도시킵니다.
가장 큰 장점은
각 스위치의 전압은 입력 전압을 초과하지 않습니다.
와인딩 트랙을 재설정할 필요가 없습니다.
9. 푸시-풀
기능:
스위치(FET)가 위상을 벗어난 상태로 구동되고 펄스 폭 변조(PWM)가 수행되어 출력 전압을 조절합니다.
우수한 변압기 코어 활용도 - 전력은 두 반주기 모두에서 전달됩니다.
풀 웨이브 토폴로지이므로 출력 리플 주파수는 변압기 주파수의 두 배입니다.
FET에 인가되는 전압은 입력 전압의 두 배입니다.
10. 하프 브리지
기능:
고전력 컨버터에 매우 일반적인 토폴로지입니다.
스위치(FET)가 위상을 벗어난 상태로 구동되고 펄스 폭 변조(PWM)가 수행되어 출력 전압을 조절합니다.
우수한 변압기 코어 활용률 - 두 반주기 모두에서 전력이 전달됩니다. 또한 1차측 권선의 사용률이 푸시-풀 회로보다 우수합니다.
풀 웨이브 토폴로지이므로 출력 리플 주파수는 변압기 주파수의 두 배입니다.
FET에 인가되는 전압은 입력 전압과 동일합니다.
11. 풀 브리지
기능:
고전력 컨버터의 가장 일반적인 토폴로지입니다.
스위치(FET)는 대각선 쌍으로 구동되며 펄스 폭 변조(PWM)를 통해 출력 전압을 조절합니다.
우수한 변압기 코어 활용도 - 전력은 두 반주기 모두에서 전달됩니다.
풀 웨이브 토폴로지이므로 출력 리플 주파수는 변압기 주파수의 두 배입니다.
FET에 인가되는 전압은 입력 전압과 동일합니다.
주어진 전력에서 1차측 전류는 하프브리지의 절반입니다.
12. SEPIC 싱글 엔드 1차측 인덕터 컨버터
기능:
출력 전압은 입력 전압보다 크거나 작을 수 있습니다.
부스트 회로와 마찬가지로 입력 전류는 부드럽지만 출력 전류는 불연속적입니다.
에너지가 커패시턴스를 통해 입력에서 출력으로 전달됩니다.
인덕터 2개가 필요합니다.
13. C'uk(슬로보단 C'uk의 특허)
기능:
출력 반전
출력 전압의 진폭은 입력보다 크거나 작을 수 있습니다.
입력 및 출력 전류가 모두 원활합니다.
에너지가 커패시턴스를 통해 입력에서 출력으로 전달됩니다.
인덕터 2개가 필요합니다.
인덕터를 결합하여 제로 리플 인덕터 전류를 얻을 수 있습니다.
14. 회로 작동에 대한 세부 정보
다음은 몇 가지 토폴로지의 작동 세부 사항에 대한 설명입니다:
벅 레귤레이터: 연속 전도, 임계 전도, 불연속 전도
부스트 레귤레이터(연속 전도) ■ 부스트 레귤레이터(연속 전도)
변압기 작동
플라이백 변압기
순방향 변압기
15. 벅 스텝다운 레귤레이터-연속 전도
기능:
인덕터 전류는 연속적입니다.
Vout은 입력 전압(V1)의 평균값입니다.
출력 전압은 입력 전압에 스위치의 듀티 비율(D)을 곱한 값입니다.
전원을 켜면 배터리에서 인덕터 전류가 흐릅니다.
스위치가 열려 있으면 다이오드를 통해 전류가 흐릅니다.
스위치 및 인덕터의 손실을 무시하고 D는 부하 전류와 무관합니다.
벅 레귤레이터와 그 파생 회로의 특징은 다음과 같습니다:
입력 전류는 불연속(절단)이고 출력 전류는 연속(평활화)입니다.
16. 벅 스텝다운 레귤레이터 임계 전도성
인덕터 전류는 여전히 연속적이지만 스위치를 다시 켜면 0에 "도달"합니다. 이를 "임계 전도"라고 합니다. 출력 전압은 여전히 입력 전압에 D를 곱한 값과 같습니다.
17. 벅 스텝다운 레귤레이터-불연속 전도
이 경우 인덕터의 전류는 각 사이클의 일부분 동안 0이 됩니다.
출력 전압은 여전히 (항상) 평균값인 v1입니다.
출력 전압은 입력 전압에 스위치의 듀티 비율(D)을 곱한 값이 아닙니다.
부하 전류가 임계값 미만인 경우 부하 전류에 따라 D가 변경됩니다(Vout은 일정하게 유지됨).
18. 부스트 부스트 레귤레이터
출력 전압은 항상 입력 전압보다 크거나 같아야 합니다.
입력 전류는 연속, 출력 전류는 불연속(벅 레귤레이터와 반대) ■ 입력 전류는 연속, 출력 전류는 불연속.
출력 전압과 듀티비(D)의 관계는 벅 레귤레이터에서처럼 간단하지 않습니다. 연속 전도의 경우:
이 예에서는 Vin = 5, Vout = 15, D = 2/3입니다. Vout = 15, D = 2/3.
19. 변압기 작동(1차 인덕턴스의 역할 포함)
변압기는 1차측(자화) 인덕턴스가 1차측과 병렬로 연결된 이상적인 변압기로 간주됩니다.
20. 플라이백 변압기
여기서 1차측 인덕턴스는 낮으며 피크 전류와 저장된 에너지를 결정하는 데 사용됩니다. 1차측 스위치가 열리면 에너지가 2차측으로 전달됩니다.
21. 순방향 변환 변압기
에너지를 저장할 필요가 없기 때문에 1차측 인덕턴스가 높습니다.
자화 전류(i1)가 '자화 인덕터'로 흐르면서 1차 스위치가 열린 후 코어가 자화(전압 역방향)됩니다.
22. 요약
현재 스위칭 전원 공급 장치 변환에 사용되는 가장 일반적인 회로 토폴로지를 검토합니다.
이 외에도 더 많은 토폴로지가 있지만 대부분 여기에 설명된 토폴로지의 조합 또는 변형입니다.
각 토폴로지에는 고유한 설계 트레이드오프가 있습니다:
1) 스위치에 적용되는 전압
2) 입력 및 출력 전류 절단 및 평활화
3) 와인딩 활용도
최상의 토폴로지를 선택하려면 다음 사항에 대한 연구가 필요합니다:
1) 입력 및 출력 전압 범위
2) 현재 범위
3) 비용 대비 성능, 크기 대비 무게 비율
