DC-DC 컨버터와 레귤레이터의 기본개념

[김진호 베드로(새벽샛별)]

DC-DC 컨버터와 레귤레이터의 기본개념

2010.07.08. 15:23

1. DC-DC 컨버터

1) 용도

(1) 전압을 바꾸고 싶을 때

(2) ＋를 -로, -를 +로 또는 단 전원을 양 전원으로 바꾸고 싶은 경우

(3) 절연된 다른 장치에 전원을 공급해 주기 위해 사용됩니다.

2) DC-DC 컨버터를 많이 사용하는 이유

DC는 저항이나 다이오드 등을 통해 입력전압 보다 낮은 전압으로 쉽게 바꿀 수 있습니다. 그런데 저항 등을 사용하면 전력소모가 일어나 입력 전력에 비해 출력 전력이 떨어져서 효율이 좋지 않으며 전압을 올리는 것은 아예 불가능하게 됩니다. 그래서 효율이 좋고 전압의 승압, 강압이 가능하도록 만든 장치가 DC-DC 컨버터입니다.

동작원리는 직류를 교류로 바꾼 다음 트랜스, 코일 등으로 전압을 바꾼 뒤 전압이 변환된 교류를 다시 정류한 후 2차 직류출력을 얻습니다. 즉 전압 변환과정에 저항소자가 아닌 코일을 사용한다는 점입니다. 코일은 이론적으로 손실이 0이므로 변환효율이 높게 됩니다.

3) AC와 DC의 변압 사례

예를 들어 한전에서는 발전소에서 생산한 전기를 초고압으로 만들어서 변전소로 보내고 다시 이것을 배전전압인 22.9kV로 다운해서 전주 위의 고압선으로 보냅니다. 그러면 전주 위의 변압기는 고압을 220V/380V로 만들어줘서 우리가 교류전기를 사용할 수 있게 됩니다. 이렇게 유도전기의 원리로 트랜스라는 변압기를 이용해서 전압의 다운과 승압이 간단하기 때문에 교류를 일반전기로 사용하는 것이지요.

그러나 직류의 전압을 변경 할 때에는 DC-DC 컨버터를 이용해서 다운이나 승압을 합니다. 하지만 이때 손실이 많이 생기고 전력용량이 커지면 커질수록 직류전압변경은 시설비도 많이 들어간다는 단점이 있습니다. 대신 직류는 고전압 송전 시에 손실이 적다는 장점이 있습니다. 그래서 해저 전력케이블은 직류를 이용해서 대용량의 전력을 보내며, 이때에 초대형 DC-DC 컨버터를 이용해서 전압을 상승 시킵니다.

일반적으로 DC-DC 컨버터를 사용하는 곳은 자동차에서 많이 사용을 합니다. 트럭은 2톤 이상부터는 전원으로 24V를 사용합니다. 이런 트럭에는 24V를 사용하는 기기도 있고, 일반적인 자동차 부품은 12V를 사용합니다. 그래서 2톤 이상의 트럭에서는 24V를 12V로 바꾸어주는 DC-DC 컨버터를 장착 사용합니다. 이 분야에서 사용하는 DC-DC 컨버터가 제일 많은 수를 차지합니다. 직류는 트랜스로는 바로 승압이나 강압이 안 되기 때문에, 직류를 교류로 바꾸어서 승압이나 강압을 한 다음에 다시 직류로 바꾸어 주는 구조로 되어 있습니다.

2. 레귤레이터

불안한 전압을 안정되고 깨끗한 전압으로 바꾸어주는 장치를 레귤레이터라 합니다. 이러한 레귤레이터는 크게 2가지로 나누는데 리니어방식과 스위칭방식으로 구분하죠.

가장 일반적인 78xx,LM317... 이와 같은 IC가 리니어방식입니다. 리니어방식은 필요한 전압만 출력시키고 나머지는 열로 소모하므로 매우 비효율적입니다. 물론 잡음특성이나, 기타 레귤레이션특성은 이후 설명할 스위칭방식보다 우수하기 때문에 정밀기기나 저 잡음용에서는 리니어방식을 사용합니다.

스위칭방식은 On/Off의 동작만으로 전압을 조정하는 방식입니다. 예를 들어 10V 입력에 대해 On/Off를 반반씩 해주면 5V가 되죠. 물론 단순히 이렇게 만으로 되는 것은 아닙니다. On/Off를 평활해 주기 위해 L, C필터를 달아주어야 하고 Off시 L에 발생되는 역기전력을 다시 C에 충전시켜주기 위해 프리휠다이오드를 달아주는 등 리니어 보다는 다소 복잡한 회로구성이 됩니다.

전자에서 Regulator의 의미는 부하변동, 입력전압변동, 온도... 등의 변동에 관계없이 출력으로 일정한 전압, 전류를 공급해주는 장치를 말합니다. 윗글처럼 그 방식에 따라 리니어와 스위치로 나뉩니다.

한 예를 들어 설명 드리죠. 밭에 일정한 물을 공급해야 한다고 합시다. 물론 공급되는 물은 필요한 물보다 훨씬 많죠. 따라서 중간에서 적당한 장치로 물 공급을 제어해야 합니다. 여기에는 두 가지 방법이 있겠죠. 하나는 필요한 양만큼 물을 주고 나머지는 그냥 버리는 방법(Linear방식)이 있고 또 하나는 필요한 만큼 주고 많으면 차단하는 방법(Switching)방식이 있습니다.

즉 SMPS란 공급/차단하는 주기(On/Off Duty Ratio)로 전압을 조정하는 방법입니다. 리니어방식은 간단하고, 전원이 매우 깨끗하고, 품질이 좋은 즉 레귤레이션이 좋은 전원을 공급하지만 출력전압 이상은 모두 열로 소모해야 하므로 효율이 나빠지고, 방열 등의 문제가 생기죠. 반면 SMPS는 주변회로가 다소 복잡하지만 효율이 높고, 열 발생이 적기 때문에 콤팩트한 설계를 할 수 있습니다. 단지 On/Off를 반복하는 관계로 이때 발생하는 스위칭 노이즈로 인해 정밀한 기기나 저 잡음을 요하는 기기에서는 좀 꺼리는 편이죠. 대표적인 리니어 레귤레이터로는 78XX 시리즈와 79XX 시리즈가 있고, SMPS는 uPC494C, MC34063, TL2524, TL3842, LM2575, ... 모양과 방식이 매우 다양합니다.

1) 정전압 레귤레이터를 응용하는 방법

정전압 레귤레이터란 입력전압에 관계없이 레귤레이터가 가지는 특유의 출력 전압으로만 출력해주는 IC입니다.

예를 들자면 7809라는 정전압 레귤레이터는 9v보다 높은 전압이 입력될 경우 항상 9v로만 출력을 해주는 것입니다.

7805는 항상 5v로만 출력을 하지요. 즉 부품 넘버의 뒷자리 두 개가 출력전압을 뜻하는 것입니다. 앞의 두 자리 78이 의미하는 것은 +전압을 변경한다는 것이고, 79로 시작하는 레귤레이터는 -전압을 변경하는 것입니다.

정전압 레귤레이터의 모양은 여러 가지가 있습니다. 형태에 따라 최대출력전류 값이 다른데 여기서는 우리가 많이 사용되는 것만 알고 넘어가도록 하지요. 다음은 가장 많이 사용되는 출력전류 1A 짜리 레귤레이터의 모양새입니다.

복잡하지도 않고 달랑 다리가 세 개밖에 없는 아주 맘에 드는 생김새입니다. 세 개의 다리는 각각 1번 다리 +입력, 2번은 -, 3번이 해당하는 레귤레이터의 특정 +전압을 출력하는 다리입니다.

윗부분의 금속면의 구멍은 레귤레이터에 방열판을 부착하는 나사 구멍입니다. 레귤레이터는 열이 많이 발생할 수 있는데 예를 들자면 다음과 같은 경우입니다. 하나의 레귤레이터에 0.5A 짜리 팬 두 개를 연결하여 사용한다면 레귤레이터는 연속으로 1A의 전류를 출력하게 됩니다. 이는 TO220 타입의 레귤레이터가 낼 수 있는 최대 전류 값입니다. 바로 이러한 경우 소비전류가 많을 경우 열이 많이 발생합니다. 손으로 만져보아 뜨거워 손을 댈 수 없을 정도라면 반드시 방열판을 부착해야 합니다. 방열판과 레귤레이터 사이에는 열전도절연시트를 부착하라 하는데 저는 안 달아도 별 문제가 없었습니다.

자 그럼 7808을 이용하여 팬을 8볼트로 구동하는 예를 들어 보겠습니다. 먼저 그림을 잘 보시고 이해가 되지 않을 때는 그림 아래의 글을 참조하세요.

앞서 말했듯 가운데 다리는 GND(-)입니다. 파워 커넥터의 검은색을 연결하면 됩니다. 그리고 핀의 순서는 인지아웃으로 외우시면 됩니다. IN, G, OUT. 쉽지요? 왼쪽 다리로 +전압이 입력되고 오른쪽 다리로 출력이 됩니다.

정전압 레귤레이터는 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 18, 24v가 제조된다고 하나 튜닝에 필요한 전압은 6, 7, 8, 9, 10인데 실제로 구입하려 하면 7v(7807)은 구입하기 어렵습니다.

<SMPS 스위칭 주파수>

SMPS는 기본적으로 직류인 전류나 전압을 쪼개서 띄엄띄엄 나오는 사각파 모양의 펄스로 만든 뒤, 필터링을 해서 평평하게 만드는 과정으로 변환을 합니다. 전류나 전압을 쪼개는 것은 스위칭 소자를 이용하여 이루어지는데, 스위칭 소자를 주기적으로 빠르게 On/Off해서 필터에 인가되는 전압이 나오다 안 나오다 하는 펄스가 되도록 하는 것이지요. LC필터를 쓰면, 필터에 인가되는 전압파형의 평균이 출력되는데, 스위치의 On시간이 길면 출력되는 DC전압이 높아지는 것이고, 반대로 On시간이 짧아지면 출력되는 DC전압이 낮아집니다.

이때, 이 스위칭을 하는 주파수를 스위칭 주파수라고 합니다. 스위칭 주파수가 높으면 높을수록 출력전압이 맥동(Ripple)없이 깨끗해지며, L이나 C등의 크기를 줄일 수 있어 전체 회로의 크기와 무게를 작게 할 수 있는 장점이 있습니다.

반면, 스위칭 과도기간에서 전류와 전압의 겹침으로 인한 손실이 있는데, 이를 스위칭 손실이라고 하며, 스위칭 주파수가 높아질수록 증가하여 회로의 효율이 낮아지는 문제가 있습니다.

이 주파수를 최대한 높게 하면서도 높은 효율을 유지하도록 하여, 양질의 전원을 가볍고 작은 크기의 회로로 만드는 것이 DC-DC 회로의 중용한 요소입니다.

<SMPS는 크게 보면 Switching Mode Power Supply로 전자소자를 서로 스위칭 시켜 DC를 AC로 만들어 이를 원하는 전압대로 변환한 뒤 다시 정류를 하여 DC를 만드는 형태입니다.>

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