초보자를 위한 전원 공급 장치, 4부

초보자를 위한 전원 공급 장치, 4부

초보자와 비전자 공학 엔지니어를 위한 전원 공급 장치에 대한 비디오 튜토리얼 시리즈 4부에서는 다양한 유형의 벅 및 부스트 스위칭 전원 공급 장치를 소개합니다.

초보자를 위한 전원 공급 장치, 4부

전원 공급 장치 초보자를 위한 비디오 튜토리얼 시리즈 3부에서는 선형 전원 공급 장치를 테스트하고 사용하는 방법을 살펴보았습니다 . 여기 비디오 튜토리얼 시리즈의 4부에서는 출력 전압을 강압(벅) 또는 승압(부스트)할 수 있는 벅 및 부스트 컨버터를 포함한 스위칭 전원 공급 장치를 테스트하고 사용하는 방법을 살펴보겠습니다 .

자세한 내용은 4부 비디오를 시청하세요!

 

비디오 튜토리얼의 다음 내용

시간: 0:00s 안녕하세요. 저는 전원 공급 장치를 담당하는 전자 엔지니어 Chris Richardson입니다. 이것은 전원 공급 장치를 좋아하지만 반드시 전자 엔지니어가 되기 위한 교육을 받을 필요는 없는 사람들을 위한 일련의 웹 세미나 중 네 번째입니다.

지금까지 이 시리즈에서는 조정되지 않은 전원 공급 장치와 다양한 선형 레귤레이터를 테스트했으며 이제 일부 스위칭 레귤레이터를 테스트할 시간입니다. 현대식 전원 공급 장치가 오늘날 시장을 지배하고 있습니다.

벅 레귤레이터 - 가장 단순한 스위치

 

시간: 0:25s "벅"은 가장 간단한 스위칭 레귤레이터이며 이해하기 가장 쉽습니다. 상단의 제어 스위치, 바이폴라 트랜지스터 또는 보다 일반적으로 MOSFET은 다이오드 D 1 과 함께 작동하여 스위치, 다이오드 및 인덕터가 연결되는 지점에서 직사각형파를 만듭니다.

이 지점은 스위칭 노드이며 시스템에서 프로빙해야 하는 가장 중요한 전압입니다. 인덕터와 커패시터는 출력이 대부분 DC(직류)이고 약간의 AC(교류) 리플이 있는 저역 통과 필터를 형성합니다. 해당 출력 전압의 평균값은 입력 전압과 직사각형파의 듀티 사이클에 따라 달라집니다.

시간: 0:56초 듀티 사이클은 T ON을 T ON 과 T OFF 의 합으로 나눈 값 과 동일하며 , 듀티 사이클이 높을수록 출력 전압도 높아집니다. 이 스위처는 출력 전압을 벅다운하므로 이름이 벅 레귤레이터(Buck Regulator) 입니다 .

선형 조정기와 마찬가지로 이론적 최대 V OUT 은 V IN 과 동일합니다 . 실제로 달성할 수 있는 최대 V OUT 은 V IN 보다 다소 적습니다 .

스위칭 조정기 테스트

시간: 1:17s 오늘 테스트할 첫 번째 스위칭 레귤레이터는 벅 레귤레이터이며 여기에서 회로를 볼 수 있습니다. 이것은 입력 커패시터이고 작은 커패시터는 두 개의 제어 스위치입니다. 이는 동기식 조정기입니다. 즉, 로우사이드용 다이오드 대신 MOSFET이 있음을 의미합니다. 직렬로 연결된 와이어 루프가 있는 전력 인덕터는 필요한 경우 전류 프로브를 배치하는 것이며 여기서는 출력 커패시터입니다.

현재 이 벅 컨버터는 언로드되어 있으며 ATX 전원 공급 장치의 +5V를 사용하고 있습니다. 여기에는 약 5V가 입력되고 출력은 대략 1.9V로 조정되었습니다. 현재는 부하가 없으며 여기에 각각 8Ω인 4개의 전력 저항이 병렬로 연결되어 2Ω의 부하를 제공합니다.

연결하면 약 1A의 부하가 발생합니다. 입력 전압이 약간 떨어지고 출력 전압도 약간 떨어지지만 여전히 조절되는 것을 볼 수 있습니다.

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시간: 2:13s 여기서는 스위칭 조정기의 높은 효율성을 보여주기 위해 상황을 전환했습니다. 이제 여기 파란색 멀티미터에서 입력 전압을 측정하고 있고 여기 주황색 멀티미터에서 입력 전류를 측정하고 있습니다. 따라서 부하가 연결된 상태에서 회로에 전원을 공급할 때 5V에서 약 380mA(0.380A)를 소비한다는 것을 확인하시기 바랍니다.

이제 12V 입력을 사용하여 전원을 공급하고 있으며 파란색 멀티미터에서 12V를 볼 수 있습니다. 부하도 동일하고 출력 전압도 동일하지만 이제 출력 전류가 210mA(0.210A)로 떨어졌습니다.

이는 스위칭 컨버터의 흥미로운 특성입니다. 입력 전압이 증가하면 입력 전류는 감소합니다. 실제로 스위칭 조정기를 테스트할 때 첫 번째 기본 테스트 중 하나는 가변 입력 공급 장치가 있는지 확인하고 입력 전압을 높이면 입력 전류가 감소하는지 확인하는 것입니다.

시간: 2:59s 이것은 벅 레귤레이터 회로의 뒷면입니다. 두 개의 오실로스코프 프로브를 사용하여 스위칭 노드와 출력 전압을 측정하고 있습니다. 12V 입력으로 전력을 공급받는 1암페어 부하가 있습니다. 듀티 사이클과 그에 따른 출력 전압의 리플과 함께 스위칭 노드가 노란색으로 표시되는 것을 볼 수 있습니다. 피크 대 피크는 약 20~30mV입니다.

 

시간: 3:23s 이번에는 입력에서 5V로 전원을 공급한다는 점만 제외하고 동일한 실험을 다시 수행합니다. 이제 듀티 사이클이 훨씬 더 높아지고 벅 컨버터에 있으며 듀티 사이클은 거의 같습니다. 1.9V의 출력 전압을 5V의 입력 전압으로 나눈 값이며, 리플도 10~15mV 범위에서 약간 더 낮습니다.

부스트 레귤레이터

시간: 3:45초 부스트 레귤레이터는 역방향으로 작동하는 벅 레귤레이터에 불과합니다. D 1 이 MOSFET이고 TR 1 이 다이오드 라고 상상해 보십시오 . 이 회로도에는 표시되지 않았지만 V IN이 보이는 곳에 는 항상 커패시터가 있습니다.

부스트 레귤레이터는 인덕터가 대부분의 스위칭 레귤레이터의 핵심인 이유를 설명하는 훌륭한 회로입니다. 입력 전압보다 높은 출력 전압을 만들기 위해 부스트 레귤레이터는 TR 1이 "ON"인 동안 L 1 의 전류가 증가함에 따라 발생하는 인덕터 자기장에 에너지를 저장합니다 .

제어 회로는 전류가 계속 흐르는 동안 TR 1을 "OFF"로 전환합니다. 인덕터는 전류 흐름을 유지하기 위해 이론적으로 전압을 무한대로 증가시킬 수 있습니다. 불행히도 무한대로 갈 필요는 없습니다. D 1을 ON으로 설정하고 순방향 바이어스로 설정하면 전류가 출력으로 흐를 수 있을 만큼만 증가하면 됩니다. 이론적으로 부스트 레귤레이터 자체는 출력 전압을 무한대로 증가시킬 수 있지만 실제로는 입력 전압(10*V IN )의 약 10배로 제한됩니다.

여기서 마지막이지만 중요한 참고 사항입니다. 부스트 레귤레이터는 벅 레귤레이터와 정반대인 V IN 에 대해서만 V OUT을 증가시킬 수 있습니다.

 테스트 및 측정

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시간: 4:45s 제 예의 부스트 레귤레이터에서 실제로 두 개의 스위칭 레귤레이터가 있는 PCB를 사용하고 있습니다. 여기 맨 위에 있는 것은 반전 조정기인데, 이는 매우 흥미로운 토폴로지이지만 여기서는 이에 대해 설명할 시간이 없으므로 비활성화됩니다.

하단 부분은 부스트 ​​레귤레이터이며 부품이 매우 작습니다. 입력 커패시터는 실제로 입력 리드 아래에 숨겨져 있습니다. 이것은 전력 인덕터이고 출력 다이오드는 스위칭 노드를 매우 정밀하게 측정하는 데 사용하는 이 테스트 픽스처 뒤에 숨겨져 있으며, 출력 커패시터도 이 테스트 픽스처 아래에 숨겨져 있으며 출력에 대한 정밀한 측정도 가능합니다. 전압.

현재 ATX 전원 공급 장치에서 +5V가 나오고 약 14.7V가 출력됩니다. 제가 왜 14.7V를 사용하는지 궁금하실 수도 있습니다. 솔직한 대답은 제가 보여드린 대부분의 회로와 같은 이 회로는 제가 특히 다양한 종류의 고객을 위해 했던 작업에서 남은 회로라는 것입니다. 14.7V는 일반적인 전압은 아니지만 조정 가능한 조정기이므로 원하는 모든 전압을 얻을 수 있습니다.

여기에 부스트 컨버터가 다시 있지만 이번에는 입력 전류와 출력 전류를 측정하고 있으므로 "ON"으로 전환하면 5V가 출력에서 ​​약 900mA(0.9A), 입력에서 3.5A를 끌어옵니다. 이는 벅 컨버터의 반대이며 벅 컨버터에서는 출력 전압이 낮기 때문에 입력 전류는 항상 출력 전류보다 낮다는 점을 기억하십시오.

부스트 컨버터에서는 그 반대입니다. 전력 효율이 높기 때문에 입력 전력은 출력 전력과 거의 같습니다. 따라서 입력 전압이 출력 전압보다 낮기 때문에 입력 전류가 출력 전류보다 높습니다.

시간: 6:25s 마지막 부스트 컨버터 테스트를 위해 여기에 회로가 ​​약 900mA 및 5V 입력에서 14.7V 출력으로 동일한 부하에 전력을 공급하고 여기서 스위칭 노드는 노란색으로, 출력 전압 AC는 파란색으로 결합된 것을 볼 수 있습니다. .

이 컨버터와 벅 컨버터 사이에는 두 가지 중요한 차이점이 있습니다. 스위칭 노드 전압은 0과 출력 전압 사이에 있으며 리플은 훨씬 더 높습니다. 부스트 컨버터에서는 항상 그렇습니다. 부스트 컨버터에서는 입력 전압이 훨씬 더 부드러워지고 출력 전압에는 리플이 더 많아지며, 벅 컨버터에서는 그 반대가 됩니다.

반전 벅-부스트 레귤레이터

시간: 7:02s 세 가지 기본 사항의 최종 토폴로지는 Buck-boost Regulator 입니다 . 이름에서 알 수 있듯이 실제 값이 입력 전압보다 높거나 낮은 출력 전압을 생성할 수 있습니다. 그런데 이게 크긴 한데, 출력전압의 극성이 입력에 대해 반대가 됩니다.

음의 전압(-ve)이 필요한 현대 회로의 수가 줄어들고 있습니다. 그러나 민감한 증폭기, 센서 및 기타 장비는 여전히 양극 및 음극 전압을 모두 사용하여 작동합니다.

부스트와 마찬가지로 벅 부스트도 인덕터의 놀라운 능력을 사용하여 음의 전압을 생성합니다. 이 경우 TR 1이 "OFF" 되면 인덕터 양단의 전압은 전류 흐름을 유지하기 위해 극성을 바꿉니다 . 왼쪽의 전달 함수를 살펴보면 이론적으로 출력 전압이 음의 무한대로 갈 수 있습니다. 실제로는 입력 전압의 약 -10배(-10*V IN )에 도달합니다.

시간: 7:50초 실제 반전 벅-부스트 레귤레이터를 선보일 평가 보드나 데모 PCB를 찾을 수 없어 유감입니다. 그러나 일반적으로 거의 모든 벅 레귤레이터를 사용하여 출력 다이오드와 출력 인덕터의 극성과 연결을 변경하여 반전 벅-부스트로 전환할 수 있습니다. 그래서 아마도 미래의 비디오에서 이와 같은 것을 할 수 있을 것입니다.

플라이백 레귤레이터

시간: 8분 11초 스위칭 레귤레이터에 대한 논의는 플라이백 레귤레이터를 완성하는 것이 아닙니다 . 전단 부피 측면에서 현존하는 가장 일반적인 스위처는 벅입니다. 휴대전화에만 5~10개가 있지만 플라이백은 두 번째입니다. 50와트 미만의 거의 모든 AC-DC 전원 공급 장치는 이러한 매우 유연한 토폴로지를 어떤 형태로든 사용합니다.

플라이백 조정기는 벅-부스트 조정기를 기반으로 하지만 인덕터에 두 개의 권선이 있습니다. 실제로 두 권선의 비율인 Nps를 1(1:1)로 만들면 플라이백 조정기와 벅-부스트 조정기가 정확히 동일한 전달 함수를 갖게 됩니다. 이러한 권선의 비율을 통해 V OUT 은 V IN 과 동일할 수 있지만 훨씬 더 높거나 훨씬 더 낮을 수도 있습니다.

두 개의 권선을 분리할 수도 있으며 이는 감전사를 당하지 않고 민감한 회로를 시끄러운 회로로부터 분리하는 등 전기 안전에 매우 좋습니다. 마지막으로 플라이백 출력이 변압기나 결합 인덕터에 의해 연결 해제되므로 양극 또는 음극이 될 수 있습니다.

시간: 9:05s 모든 전선을 분리한 후 이 공급 장치의 가장 중요한 부분을 보여드릴 수 있습니다. 여기에는 입력 커패시터가 있고, 1차측에는 개별 전원과 MOSFET이 있습니다. 이는 변압기 또는 결합 인덕터, 출력 다이오드 및 출력 커패시터로 더 잘 알려져 있습니다. 또한 1차측과 2차측 사이에 분리가 있으므로 이는 절연된 컨버터가 될 수 있으며, 이는 다시 전기 안전 또는 소음 제거를 위한 것입니다.

뒷면에서 분리된 부분을 다시 볼 수 있으며 이 다이오드는 실제로 1차 접지를 2차 접지로 단락시키고 있습니다. 따라서 이 특정 회로는 분리되어 있지 않지만 그럴 수도 있습니다. 이를 분리하고 싶다면 이러한 저항기를 제거하고 옵토 커플러 라는 장치를 사용하여 전원 공급 장치 제어를 위한 피드백을 수행할 수 있습니다.

플라이백 전원 공급 장치

시간: 9:54s 여기에는 36V에서 최대 72V까지 작동하도록 설계된 소형 플라이백 전원 공급 장치가 있습니다. 이는 일반적으로 통신 범위로 알려져 있습니다. ATX 전원 공급 장치로 할 수 있는 작업은 매우 제한적입니다. 따라서 24V가 되어야 하는 22.4V를 얻기 위해 실제로 마이너스 12V(-12V)에서 플러스 12V(+12V)까지 실행하고 있는데 ATX 전원 공급 장치가 동일한 공통 전압을 사용하기 때문에 그렇게 할 수 있습니다. 이 두 가지 모두에 대한 근거입니다.

하지만 문제가 있습니다. 여기에서 오실로스코프 프로브로 측정을 하려고 한다면. 이것은 접지이므로 여기에 연결하고 접촉하자마자 출력 전압에서 접지로 단락이 발생하여 공급 장치가 "OFF"됩니다. 그래서 제가 하려는 것은 약간의 속임수를 써서 실제로 격리된 실험실 전원 공급 장치를 사용하여 나머지 실험을 수행하는 것입니다.

여기에 다시 플라이백 조정기가 있는데 이제 입력에서 48V로 전력이 공급되고 이는 이 트리플 랩 DC 전원 공급 장치에서 나옵니다. eBay를 확인해 보니 일반적으로 가격은 약 100유로에서 200유로 사이입니다. 그래서 그들은 무료는 아니지만 그렇다고 예산을 파괴한다고 가정해 봅시다.

플라이백 전원 공급 장치 파형

어쨌든 플라이백 조정기에는 실제로 두 개의 스위칭 노드가 있습니다. 이는 실제로 동일한 코어에 결합된 두 개의 인덕터로 구성됩니다. 따라서 우리는 파워 MOSFET에 연결된 1차측을 노란색으로, 다이오드에 연결된 2차측을 파란색으로 보고 있습니다. 또한 이러한 전압은 지금까지 우리가 다루었던 것보다 훨씬 높다는 점에 유의하십시오.

따라서 여러분은 이 비디오에서 회로가 작동하는 동안 회로를 만지는 것을 보셨을 것입니다. 최대 12V까지 작동하는 회로에는 괜찮을 것입니다. 그러나 48V이면 충분하므로 작동하는 동안에는 이 회로를 건드리지 않을 것입니다. 지독한 충격.

이상으로 비EE용 전원 공급 장치 4부를 마칩니다. 5부에서는 지금까지 다양한 유형의 전원 공급 장치를 비교하고 대조하여 어떤 전원 공급 장치가 어떤 상황에서 가장 잘 작동하는지 확인하겠습니다.

시청해 주셔서 감사합니다.

전사가 종료됩니다.

스위치 모드 전원 공급 장치에 대한 링크를 따라가면 벅 및 부스트 전원 공급 장치에 대한 자세한 정보와 훌륭한 튜토리얼을 찾을 수 있습니다 .

초보자를 위한 전원 공급 장치에 대한 비디오 튜토리얼 시리즈의 5부이자 마지막 튜토리얼에서는 이전 튜토리얼에서 살펴본 스위칭 및 선형 전원 공급 장치를 포함한 다양한 유형의 전원 공급 장치에 대해 논의하고 비교할 것입니다.