스위칭 레귤레이터 (Switching Regulator)

1. 전원(Power)를 위한 레귤레이터

모든 시스템이 일을 하기 위해서는 어떤 종류라도 에너지를 필요로 한다.

전자 시스템이 동작하기 위해서는 전력(Power)이 필요하며, 이 전력을 공급해 주는 장치를 전원(Power)라고 한다. CPU(또는 MCU) 및 대부분의 IC들도 정확한 전압의 직류(DC) 전원을 필요로 하며, 보통은 3.3V 또는 5V의 정전압을 사용한다.  CPU와 IC는 능동소자(반도체)에 속하여, 동작을 하기위해서는 전원의 입력을 꼭 필요로 한다.

레귤레이터의 종류는 2가지가 있다.

- 입력되는 전압에 대하여 전력을 소비하여 전압 강하로 정전압을 출력하는 리니어 레귤레이터

- 입력 전압을 ON/OFF 하는 스위칭 동작으로  강압/ 승압하여 출력하는 스위칭 레귤레이터

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LDO(Low Drop Out) Voltage Regulator

저번에는 리니어 레귤레이터 (LDO)를 알아보았으니 이번엔 스위칭 레귤레이터에 대해 정리하고자 한다.

2. 스위칭 레귤레이터 (Switching Regulator)

스위칭 레귤레이터는 출력 전압을 제어기가 원하는 목표 전압으로 맞추기 위하여 출력 전압과 목표 전압을 비교하여 입력 전원을 ON/OFF 하는 스위칭 동작을 통하여 제어하는 피드백 시스템으로 SMPS라고도 불린다.

https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/dc-dc-converters/dcdc_what5

출력 전압이 목표 전압보다 낮으면 스위치를 ON하고, 목표 전압보다 높으면 스위치를 OFF 하는 동작을 하여 출력 전압을 목표 전압으로 맞추며, 이 스위칭된 전압을 커패시터로 평활하여 안정된 DC 전원을 공급한다.

PWM 신호와 같이 ON/OFF 되는 시간을 조절하여 평균을 하면 원하는 목표 DC 전압으로 제어가 가능하다는 원리이다.

 

(1) 장점

레귤레이터의 효율은 실사용 전력/공급전력 으로, 손실 전력이 얼마만큼인지 알 수 있는 비율을 말한다.

효율이 높을 수록 공급되는 전력의 대부분을 손실없이 실사용으로 사용하고 있다는 것으로 성능이 높음을 의미한다.

 

리니어 레귤레이터는 전압 강하 (Drop Out Voltage) 만큼의 전력을 레귤레이터 자체에서 열로 소비함으로써, 손실 전력이 되기 때문에 열이 발생하고, 효율은 60% 이하로 좋지 않다.

 

반면, 스위칭 레귤레이터는 전력을 소비하는 것이 아니라 스위치를 차단함으로써, 손실 전력을 줄여 80~90% 이상으로 높은 효율을 구현할 수 있다.

또한 열 발생이 덜하기 때문에, 대용량의 전류 공급이 가능하고, 입력 전압의 범위가 넓다는 장점이 있다.

이런 이유로 입력 전압과 출력 전압의 차(Drop Out Voltage)가 큰 경우는 스위칭 레귤레이터를 사용한다.

(2) 단점

ON/OFF 스위칭 동작으로 인해 고주파 리플이 리니어 레귤레이터보다 더 크다. 스위칭 레귤레이터에서 발생하는 노이즈를 스위칭 노이즈라고 한다.

 

스위칭 레귤레이터에서 사용되는 인덕터, 트랜스 등의 유도 소자들의 스위칭 동작으로 인해 고주파 노이즈가 발생하여 주변 소자에 영향을 줄 수 있기 때문에 PCB 설계에 신중을 기해야 한다.

또한, 주변 소자가 많아지게 되어 회로가 복잡하고, 피드백 제어로 레귤레이터 동작이 불안정해질 수 있기 때문에 설계가 어렵다는 단점이 있다.

그러나 이러한 단점들에도 불구하고 우수한 효율, 대용량의 전류 공급과 낮은 열 발생, 넓은 입력 전압폭 등의 장점때문에 많이 사용된다.

3. 벅(Buck) 컨버터와 부스트(Boost) 컨버터

입력 전압이 출력 전압보다 높은 경우 입력 전압을 낮춰야 하므로, Step Down 즉 강압 레귤레이터인 벅 컨버터가 사용된다.

반대로 낮은 입력 전압에서 높은 출력 전압을 만들어 내는 경우 Step Up, 승압이라고 하며 부스트 컨버터가 사용된다.

근래에는 배터리를 사용하는 이동형 장치들이 많아지며 낮은 배터리 전압에서 높은 전압을 만들 필요성이 높아져 부스트 컨버터도 많이 사용된다.