DIY 벅 컨버터 튜토리얼: 효율적인 스위칭 파워 서플라이 제작

기존 선형 출력 전류 파워 서플라이를 자주 쓰신다면 효율이 그다지 좋지 않단 걸 아실 겁니다. 이 경우 벅 컨버터가 입력 전압을 효과적으로 낮춰주는 더 나은 출력 전력 옵션입니다. 하지만 DIY 벅 컨버터에 더 있는 게 있을까요?

네, 더 있습니다. 첫째, 최소 두 개의 반도체가 있습니다. 반도체는 다이오드와 저항처럼 작동합니다. 하지만 다이오드를 두 번째 트랜지스터로 대체할 수 있는데, 이는 동기 정류에 유용합니다.

둘째, 벅 컨버터는 컴퓨터 파워 서플라이 출력 전압을 CPU, USB, DRAM 같은 장치가 필요로 하는 낮은 전압으로 변환하는 작업에 매우 능숙합니다.

이 기사에서 벅 컨버터에 대해 더 알아보겠습니다. 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 어떻게 만드는지 강조하겠습니다.

바로 시작해 보죠!

벅 컨버터란?

앞서 벅 컨버터를 잠깐 다뤘지만 여기서 자세히 다루겠습니다. 벅 컨버터는 DC-to-DC 또는 강압(Step-down) 파워 컨버터와 비슷합니다. 주 기능은 공급측(입력)에서 부하측(출력)으로 전압을 낮추는 것입니다.

언급했듯 최소 두 개의 반도체가 있어 SMPS(스위칭 모드 파워 서플라이) 클래스에 속합니다.

스위칭 모드 파워 서플라이

두 반도체 외에 최소 하나의 에너지 저장 소자도 있습니다.

에너지 저장 소자는 보통 인덕터, 커패시터, 또는 둘 다 조합입니다. 파워 트랜지스터 전압 리플을 줄이려면 벅 컨버터에 단순 평균 커패시터(때로는 인덕터와 조합)로 만든 필터를 공급측과 부하측 필터에 추가하는 게 중요합니다.

따라서 벅 컨버터가 선형 파워 서플라이보다 DC-DC 컨버터로서 전력 효율 면에서 탁월한 건 당연합니다. 이 장치는 90% 이상 고효율로, 태양광 충전기나 컴퓨터 벌크 공급 전압 변환 같은 작업에 효과적입니다.

벅 컨버터 작동 원리

벅 컨버터는 MOSFET 전도 상태에 따라 회로 동작이 달라집니다. 즉, 벅 컨버터는 상태(오프 또는 온)에 따라 작동합니다.

장치가 오프 상태이거나 스위치가 열리면 회로 전류는 0입니다. 하지만 스위치가 닫히거나 온 상태면 전류가 증가합니다. 또한 전류 변화에 반응해 인덕터가 단자 양단에 반대 전압을 생성합니다.

결과적으로 입력 전압 범위가 떨어져 소스 전압을 반대하고 부하 양단 순 전압을 감소시킵니다.

시간이 지나면 인덕터 양단 전압과 전류 변화율이 감소. 따라서 부하 전압이 증가. 이 과정에서 인덕터가 에너지를 저장. 전류가 아직 변하는 동안 스위치가 열리면 인덕터는 전압 강하 경험. 또한 입력 필터 전압 소스가 부하 전압보다 더 높아집니다.

스위치가 다시 오프 상태에 진입하면 전압 소스가 회로를 떠남

전류 감소를 유발. 이때 전류 감소로 인덕터 양단 전압이 감소. 그러면 인덕터가 전류 소스가 됩니다.

벅 컨버터 회로는 연속 모드와 불연속 모드 두 가지 모드로 동작. 연속 모드는 인덕터를 통과하는 전류 값이 컴뮤테이션 사이클 내내 0으로 떨어지지 않을 때 발생.

결과적으로 스위치 닫힐 때 인덕터 양단 벅 칩 전압은 V_L = V_i – V_o. 전압 강하가 거의 일정하면 인덕터 전류가 선형 상승.

스위치 열리면 다이오드 순방향 바이어스. 전류 감소, 인덕터 양단 전압은 V_L = -V_o. 인덕터 L에 저장된 에너지:

E = ½ LI²_L

또한 인덕터 에너지는 오프 상태에서 감소, 온 상태에서 증가. 인덕터 L은 컨버터 입력에서 출력으로 에너지 전도에 유용. 불연속 모드는 부하가 매우 작은 에너지를 요구할 때 발생.

이때 인덕터 통과 전류가 0으로 떨어짐. 출력 커패시터가 매 사이클 방전돼 더 높은 스위칭 손실 발생.

간단한 벅 컨버터 만드는 법

간단한 벅 컨버터 제작 전 회로도 참조 필수. 여기 있는 회로도 활용하세요.

필요한 것들

쇼트키 다이오드

쇼트키 다이오드 섹션

포텐쇼미터

포텐쇼미터

12V 입력 배터리

12v 납 배터리

단일 패널

저항 (10k, 100옴)

10K 저항

아두이노 우노

아두이노 우노 보드

IRF540N

모터 (부하)

커패시터 (100uF)

100uF 커패시터

인덕터 (100uH)

작은 100uH 인덕터

다음 단계로 벅 컨버터 제작:

1. 포텐쇼미터 양쪽 단자를 5V 파워 레일 핀에 연결. 아두이노 우노 그라운드 핀도 각각 연결하면서 와이퍼 단자는 아날로그 전자 핀 A1로.
2. 아두이노 PWM 핀 6을 MOSFET 게이트에 연결.
3. 배터리 양극을 MOSFET 드레인에 연결. 음극을 쇼트키 다이오드 P-단자에 동일하게 연결.
4. 쇼트키 다이오드 P-단자에서 인덕터와 직렬로 모터 연결 후 MOSFET 소스 단자로.
5. 쇼트키 다이오드 N-단자를 MOSFET 소스 단자에 연결.
6. 모터 양단에 47uF 커패시터 연결.
7. 마지막으로 아두이노 그라운드 핀을 MOSFET 소스 단자에 연결.

MOSFET 목적은 입력 전압을 고주파로 변경. 높은 전류로 열 방출 적음. 또한 인덕터는 MOSFET을 일반적인 고전압 스파이크로부터 보호(이 전자 프로젝트에서 전형적).

아두이노는 MOSFET 고속 스위칭에 유용. 포텐쇼미터는 아두이노 PWM 핀 6에서 MOSFET 게이트 단자가 받는 PWM 전압 기반 아날로그 값을 아두이노에 제공해 출력 전압을 부하 양단에서 제어.

벅 컨버터 응용 분야

벅 컨버터는 다음과 같은 일반적인 응용에 유용:

배터리 충전기

배터리 태양광 충전기

대부분 휴대용 배터리 팩이나 스마트폰을 기기 발열 없이 빠르게 충전하고 싶어합니다. 벅 컨버터가 해답이며 보통 모바일 기기 내부에 있습니다. 충전 포트가 마이크로 USB 포트니까요.

파워 오디오 앰프

파워 제어 및 오디오 앰프

파워 오디오 앰프의 파워 스테이지가 벅 컨버터. 이 장치를 사용하는 좋은 예가 클래스 D 앰프입니다.

쿼드콥터

DJI 팬텀 쿼드콥터

쿼드콥터는 멀티셀 리튬 배터리 팩으로 구동. 팩 구성은 보통 직렬 2~6셀. 배터리 팩이 약 6V~25V 전압 범위 생성. 벅 컨버터가 배터리 전압을 약 5V나 3.3V로 낮춰 비행 컨트롤러용으로 만듭니다.

벅 컨버터는 배터리 전력을 지시하거나 전자 속도 컨트롤러를 지시하는 파워 분배 PCB 레이아웃에서 찾을 수 있습니다.

핵심 요약

DIY 벅 컨버터는 높은 전압을 낮은 전압으로 효율적으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 찾고 있다면 이상적인 프로젝트. 또한 부하 하에서 배터리 처짐 전압 안정화가 필요한 가전제품에 유용.

벅 컨버터 어떻게 생각하시나요? 프로젝트 시도해 보실 건가요? 질문 있으신가요? 언제든 연락 주세요.