단계에 대한 인덕터 값 선택

강압 컨버터라고도 하는 벅 컨버터는 DC 입력 전압을 더 낮은 DC 출력 전압으로 효율적으로 변환하는 스위치 모드 전압 조정기입니다. 이 기사 시리즈에서는 LTspice를 사용하여 스위치 모드 전압 변환기의 전기적 동작을 조사합니다. 이 기사에서는 회로의 인덕터와 관련된 설계 작업 및 장단점을 살펴보겠습니다.

그림 1에 표시된 LTspice 회로도를 사용하면 벅 컨버터의 전력단을 시뮬레이션할 수 있습니다. 완전한 변환기가 되려면 전압을 조절하기 위한 피드백 제어 루프를 추가해야 합니다.

Texas Instruments의 애플리케이션 노트는 인덕터 크기를 계산하기 위한 다음 방정식을 제공합니다.

$$L=\frac{V_{OUT}\times\left(V_{IN}-V_{OUT}\right)}{\Delta I_L \times f_S \times V_{IN}}$$

각 용어에는 설명이 필요합니다.

VOUT: 이는 설계하려는 조정된 출력 전압입니다. 더 높거나 더 낮은 출력 전압으로 조정기를 사용하게 될 수도 있지만 괜찮습니다. 그러나 출력 전압을 크게 변경하면 변환기가 새로운 인덕턴스 값을 통해 이점을 얻을 수 있습니다.

빈:마찬가지로 스위칭 조정기가 입력 전압 범위를 허용할 것으로 예상하는 경우가 많으므로 VIN이 고정되어 있지 않으면 범위 중간의 값을 선택할 수 있습니다.

fS(스위칭 주파수): 인덕턴스 값을 계산하기 전에 스위칭 주파수에 대해 생각해야 합니다. 200kHz와 2MHz 사이가 합리적인 시작점입니다. 해당 범위의 낮은 쪽 또는 높은 쪽을 선호해야 하는지에 대한 지침이 필요하면 스위칭 조정기의 주파수를 선택하는 방법이라는 제목의 기사를 살펴보십시오.

ΔIL:이는 인덕터 전류 리플, 즉 그림 2에 표시된 대로 인덕터 전류의 피크 간 변화를 나타냅니다.

스위칭 소자의 온/오프 동작에 응답하여 벅 컨버터의 인덕터 전류는 증가 및 감소하여 부하 전류(인덕터 전류의 평균값) 위아래로 확장됩니다. 이러한 편차의 크기는 인덕터 전류 리플(ΔIL)로 표현됩니다.

CR(전류 리플)을 예상 부하 전류의 백분율로 표현하면 권장 CR 사양은 30%입니다. 이는 최대 인덕터 전류가 예상 부하 전류보다 15% 높고, 최소 인덕터 전류가 예상 부하 전류보다 15% 낮다는 것을 의미합니다.

"예상 부하 전류" 대신 "최대 부하 전류" 또는 "전체 부하 전류"와 같은 용어가 표시될 수 있습니다. 저는 이 모든 것이 조정기가 장기적으로 공급해야 하는 가장 높은 부하 전류를 의미한다고 해석합니다. ΔIL 목표를 설정할 때 비정상적으로 높은 과도 전류를 고려하지 않습니다.

인덕터 크기 조정의 예를 살펴보겠습니다. 여기서는 실제로 새로운 작업을 수행할 수 있도록 LTspice 회로의 다양한 매개변수를 변경하겠습니다.

우리의 목표가 상당히 높은 시스템 전압을 수용하고 저전력 혼합 신호 임베디드 시스템에 적합한 전압 레일을 생성하는 것이라고 가정해 보겠습니다. 공칭 입력 전압은 24V이고 원하는 출력 전압은 3.3V라고 하겠습니다. 예상 부하 전류는 70mA입니다.

이러한 종류의 응용 분야에는 스위칭 조정기가 선호됩니다. 큰 입력 대 출력 차이는 선형 조정기의 고유한 비효율성을 더욱 심화시킬 뿐이기 때문입니다.

우리는 일부 아날로그 회로에 전력을 공급할 것이기 때문에 출력 전압의 리플을 줄이고 싶습니다. 또한 더 높은 스위칭 주파수(가령 1.5MHz)를 선택하겠습니다. 왜냐하면 스위칭 주파수가 높을수록 출력 리플을 줄이는 데 도움이 되기 때문입니다.

또한 초기 듀티 사이클을 선택해야 합니다. 이를 위해 지정된 입력 및 출력 전압에 대해 회로에 필요한 최대 듀티 사이클을 사용할 수 있으며 다음과 같이 최대 듀티 사이클을 계산합니다.

$$D_{최대}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}\times \text{효율}}$$

효율성에 대한 합리적인 근사치는 90%이므로 최대 듀티 사이클은 약 15%입니다.