Volatge Regulater 이론

myblack·2024년 9월 23일

Voltage Regulator 레귤레이터 컨버터 회로

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전압 조정 (Voltage Regulation)

전압을 원하는 값 또는 일정 수준으로 유지시키는 행위

전압 변동률 / 전압 조정률 :
(Voltage Regulation Ratio 또는 Voltage Regulation)
부하 또는 입력 변동에 따라 출력 전압이 변하는 비율

부하 변동률 (Load Regulation) :
부하 변동으로 인한 출력 전압이 변하는 정도

Voltage load regulation
부하 전압 변동에 대한 출력 전압 변동의 비율
무부하(VNL) 에서 전부하(VFL) 까지의 부하 전압 변동률
(무부하 전압 - 전부하 전압) / (전부하 전압) =
$(V_{NL} - V_{FL}) \over V_{FL}$
Current load regulation
부하 전류 변동에 따른, 부하 전압 변동률
(무부하 : INL = 0 , 전 부하 : IFL ,
부하 전류 변동 : △IL = IFL - INL = IFL)
(무 부하 전압 - 전 부하 전압) / (부하 전류 변동) = $(V_{NL} - V_{FL}) \over △I_L$

라인 변동률 (Line Regulation) :
입력 변동으로 인한 출력 전압이 변하는 정도
(출력 전압 변동) / (입력 전압 변동) = $△Vout \over △Vin$

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=4639

선형 / 비선형 회로

선형회로 (linear Circuit)

입력과 출력이 비례 관계를 가지며 (homogeneity),
중첩 원리가 성립하는 회로 (superposition)
전압과 전류의 관계가 직선적인 함수 (예: V = IR)
임피던스, 전압 분배, 전류 분배 법칙 등 선형 해석이 가능
라플라스 변환, 푸리에 해석 등 주파수 해석 가능
수동 소자로만 구성된 회로 ex) 저항, 인덕턴스, 커패시터

비선형 회로 (Nonlinear Circuit)

입력과 출력이 비선형 관계를 가지며, 중첩이나 비례 관계가 성립하지 않는 회로
회로의 전압과 전류가 단순한 비례관계로 표시될 수 없는 회로
전압–전류 관계가 곡선 형태
시스템 해석에 복잡한 수식 또는 수치해석이 필요
작은 변화에도 출력이 급격히 변하거나 스위칭 특성이 존재
다이오드나 배리스터(varistor), 철심을 넣은 코일 등 으로 구성

Voltage Regulator

일정한 전압을 안정, 유지시킴, 스위칭에 의해 정해진 전압 출력

종류
선형(linear) 레귤레이터
선형, 직렬 / 병렬형
LDO

스위칭(Switching) 레귤레이터
비선형, 승압 (step-up) / 강압 (step-down) / 반전형

기본구성

기준 전압원
비교 증폭기 (오차 증폭기)
제어장치 (선형/스위치 Tr)
과부화 방지 (보호회로)

레귤레이터 사용 이유

저항 분압 대신 전압 레귤레이터를 사용하는 이유는 안정성, 부하 변화 대응, 전력 효율

1. 출력 전압의 안정성 (노이즈)
저항 분압 회로는 부하(Load)가 변하면 출력 전압이 변함
→ 분압된 전압은 부하의 저항 값과 직결되어 있어 부하가 달라질 때마다 전압이 변해 안정적인 전원 공급이 어려움

반면 전압 레귤레이터(예: 7805, LM317 등)는 입력 전압이나 부하 전류가 변해도 일정한 전압을 유지 → 내부 피드백 회로로 출력 전압을 자동 조정하기 때문.

2. 부하에 의한 전류 변화 대응
저항 분압은 출력 전류를 많이 뽑으면(즉, 부하가 작아지면) 전압이 떨어집니다.
따라서 전류 소비가 일정하지 않은 회로에서는 전압이 크게 요동치죠.
레귤레이터는 부하 전류 변화에 따라 자동 보정을 해주므로, 부하가 달라져도 전압이 거의 일정하게 유지됩니다.

3. 전력 효율 및 발열
분압 회로는 부하에 관계없이 저항에서 계속 전력 손실(=열 발생)이 생깁니다.
→ 입력 전압이 높을수록 손실이 심해져 비효율적이에요.
레귤레이터(특히 스위칭 레귤레이터)는 전력 손실이 훨씬 적고, 효율이 80~95%까지 나옵니다.

4. 실용성
실제 전자 회로는 일정한 5 V, 3.3 V, 12 V 등이 필요합니다.
이때 저항 분압으로는 안정적인 전원을 만들 수 없고, 회로 동작이 불안정해지거나 오동작할 수 있습니다.
따라서 대부분의 회로는 반드시 전압 레귤레이터 IC 또는 DC-DC 컨버터를 사용합니다.

리니어 레귤레이터

linear Regulator :
회로의 연속적인 동작 이용하는 레귤레이터
입력 전압을 원하는 출력 전압으로 낮추는 역할

내부회로

직렬형 : 부하와 직렬로 연결된 Tr 제어회로
병렬형 : 부하와 병렬로 연결된 Tr 제어회로

IC시리즈

78XX : XX는 정(+)전압, 7805 (+5V) , 7824 (+24V)
79XX : XX는 부(-)전압, 7905 (-5V) , 7924 (-24V)

분류

고정출력용 : 입력,출력,GND 3단자로 구성
가변출력용 : FB 귀환핀이 외부에 있어 4단자로 구성
표준형 : 입출력 전압차 3V
LDO형 : Low-dropout, 입출력 전압차 1V 이하

리니어 Regulator 특징

전력 효율 낮으나, 출력측 리플, 잡음 작아 계측장비 등 사용
3단자 소자, 전압이 Step-down 형태
내부 전력소모로 많은 열 발생, 방열판 등으로 과부화 예방

스위칭 레귤레이터

스위칭 레귤레이터 종류

입력 전원에 따라 DC-DC 컨버터와 AC-DC 컨버터로 분류
절연형/비절연형으로 구분되며 절연형은 입력 (1차측)과 출력 (2차측)이 절연되어 있는 타입으로, 절연에는 주로 트랜스포머가 이용

출력전압을 제어하는 동작 모드로서
PWM (Pulse Width Modulation : 펄스 폭 변조)과
PFM (Pulse Frequency Modulation : 펄스 주파수 변조) 존재
PWM은 주파수가 일정하여 ON과 OFF 시간에 따라 조정함으로써 안정화하는 모드
PFM은 ON 또는 OFF 시간이 일정하여 주파수를 변경하는 방법

스위칭 레귤레이터 장단점

장점

변환이 자유로움 (강압, 승압, 승강압, 반전 가능)
고효율 (최대 95% 정도의 효율)
발열 적음
큰 출력 전류 가능

단점

콘덴서 및 저항 등 수동 부품, 다이오드 및 트랜지스터 등의 반도체 부품 및 자기부품필요, 부품 수가 증가하고 설계가 복잡해짐
스위칭 동작하므로 노이즈 및 리플이 발생
리니어 레귤레이터에 비해 매우 높은 비용

강압형 스위칭 레귤레이터

강압 DC/DC 변환의 개념적 회로도와 동작
① S1 = ON, S2 = OFF 시, L1에 VIN 인가
② S1 = OFF, S2 = ON 시, L1은 GND로 접속
③ VIN(DC)을 VIN-GND의 펄스로 변환
④ C1에서 평균화되어 DC로 변환
PWM 동작으로 설명하자면
S1 = ON / S2 = OFF일 때 VIN을 공급하는 시간을 25%,
S1 = OFF / S2 = ON일 때 0V(GND) 상태를 75% 펄스 주기로 하여,
그 펄스를 평균화하면 25%의 DC가 된다.

VIN이 10V일 경우, Vo는 25%인 2.5V가 된다.

강압 DC/DC 컨버터의 회로도와 동작

Q1이 ON 상태일 때: 입력 전압(VIN)에서 인덕터(L)를 거쳐 출력 콘덴서(CO)로 전류가 흐르며, 인덕터에 자기 에너지가 축적됩니다.

Q1이 OFF 상태일 때: 인덕터(L)에 축적된 자기 에너지가 다이오드(D1)를 통해 출력 단으로 방출되어 부하에 전력을 공급합니다.

동기방식과 비동기 방식

비동기정류는 다이오드 정류라고도 하며, 상측 트랜지스터의 ON / OFF에 따라 다이오드가 도통 / 차단, 즉 전류가 흐르거나 흐르지 않음.

비동기 방식은 심플하고 견고하므로 산업기기 등에서 높은 실적을 보유한 방식.

동기정류는 하측 스위치의 ON / OFF도 제어 회로가 담당.
양쪽이 동시에 ON 되면 Vin에서 GND로 직접 전류가 흘러 트랜지스터가 파괴될 수 있음
양쪽이 OFF가 되는 데드 타임을 설정하는 등의 복잡한 제어가 필요

동기정류 방식은 고효율로, 동작 시간 연장에 크게 기여

고효율인 이유는 비동기정류 방식의 다이오드를 트랜지스터로 대체하여,
출력단의 스위칭 손실을 낮게 억제
(다이오드의 VF는 전류에 따라 달라지기는 하지만, VF가 낮은 쇼트키 다이오드일 경우에도 0.3~0.5V 정도)

동기
S1 = ON 시, S2를 OFF한다.
S1 = OFF 시, S2를 ON한다.
전류 경로는 비동기 방식과 동일하지만, S2의 ON / OFF는 제어 회로가 담당한다.
하단 회로에는 실제로 S1, S2 모두 트랜지스터가 사용된다.

비동기
S1 = ON 시, D1에 전류가 흐르지 않는다. (차단)
S1 = OFF 시, D1에 순방향 전류가 흐른다. (도통)
하단의 회로는 실제로 S1에는 트랜지스터, D1에는 쇼트키 다이오드가 사용된다.

제어 방식

전압 모드 제어 (Voltage Mode Control, VMC)

출력 전압을 기준으로 오차 증폭기(오차 앰프)가 듀티비를 조절
일반적으로 고정 주파수 PWM 방식 사용
귀환 루프를 통해, 출력전압만을 피드백
에러 앰프에서 기준전압과 비교한 차분의 전압을 다시금 삼각파와 비교함으로써 PWM 신호의 펄스 폭을 결정
장단점
전압만의 귀환 루프이므로 제어가 비교적 단순
ON 시간을 단축할 수 있으며, 노이즈 내성이 높음.
단점은 위상보상 회로가 복잡해져 설계 복잡성

전류 모드 제어 (Current Mode Control, CMC)

출력 전류 (또는 인덕터 전류)를 내부 루프로 제어하고,
그 후 출력 전압 피드백으로 최종 듀티비 결정
이중 루프 제어 구조: 전류 루프 + 전압 루프
장단점
제어는 비교적 복잡하지만, 위상보상 회로의 설계가 간단해진다는 장점
귀환 루프의 안정성이 높고, 부하 과도 응답이 전압 모드보다 고속
단점으로는, 전류 검출이 민감하여 노이즈에 약함

히스테리시스 제어 (Hysteretic Control)

출력 전압이 특정 상한/하한 임계값을 벗어날 때마다 스위칭
전통적인 비정형 제어 방식 (고정 PWM 없음)
Bang-Bang 제어라고도 불림
출력의 리플을 검출하여 제어하므로, 리플 제어 방식이라고도 함.
에러 앰프를 통하지 않고 콤퍼레이터로 직접 출력전압을 모니터링합니다.
설정한 임계치를 상회하거나 하회하는 경우를 검출하여,
콤퍼레이터가 직접적으로 스위치의 ON / OFF를 제어.
ON 시간 고정일 때 임계치를 하회하는 것을 검출하는 방식과,
OFF 시간 고정일 때 임계치를 상회하는 것을 검출하는 방식 존재
장단점
콤퍼레이터를 통해 직접적인 제어를 실행함으로써, 과도 응답이 고속이며 위상보상이 필요하지 않음.
단점은 스위칭 주파수가 변동한다는 점과, 지터 (jitter)가 크다는 점, 그리고 출력 리플을 검출하기 위해 ESR (등가 직렬 저항)이 비교적 큰 출력 콘덴서가 필요하다는 점