KOKT040 Technical article

KOKT040 June 2019 LM5155 , LM51551 , LM5156

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John Betten

부스트 컨버터는 낮은 입력 전압에서 더 높은 출력 전압을 제공합니다. "부스트"를 최대한 활용하려면 작동 듀티 사이클을 최대화해야 합니다.

부스트 컨트롤러는 최대 연속 듀티 사이클에 제한이 있으며, 일반적으로 낮은 스위칭 주파수에서 가장 높습니다. 이 최대 듀티 사이클을 초과하면 펄스 스킵이 발생하여 일반적으로 해롭기 때문에 피해야 합니다. 많은 컨트롤러의 최대 듀티 사이클은 80%~90% 범위이며, 매우 낮은 스위칭 주파수에서 작동하는 경우 몇 퍼센트 증가할 수 있습니다. 스위칭 주파수가 낮을수록 더 큰 부품이 필요하며 회로 보드 면적이 증가합니다. 하지만 낮은 스위칭 주파수에서 작동하더라도 충분한 부스트를 얻지 못할 수 있습니다. 그렇다면 무엇을 할 수 있을까요?

그림 1은 기존의 부스트 컨버터 전력계의 간소화된 회로도입니다. 이 제품의 주요 이점은 부품 수가 적고 표준 인덕터 및 간단한 저압측 부스트 컨트롤러를 구현하는 능력입니다. 그러나 이 기본 부스트의 주요 제한은 최대 듀티 사이클을 90%로 가정할 때 10:1의 최대 부스트 비율만 제공할 수 있다는 것입니다. 더 많은 부스트가 필요한 경우 전하 펌프 더블러로 플라이백 또는 부스트 컨버터를 사용할 수 있습니다. 부스트에 추가된 충전 펌프는 낮은 출력 전류에 좋지만, 구현하려면 추가 부품이 필요합니다. 플라이백도 합리적인 솔루션입니다. 그러나 변압기 핀이 적고, 변환 비율이 낮고 누설 인덕턴스가 낮기 때문에 훨씬 더 단순한 솔루션이 있습니다.

그림 1 기존의 단일 인덕터 부스트 컨버터 전력계.

그림 2에는 자동 변압기 부스트 컨버터가 나와 있습니다. 동일한 코어에서 두 개의 직렬 연결 권선을 사용하여 절연 없이 변압기로 작동합니다. 1차를 2차와 직렬로 배치하면 플라이백에 비해 필요한 변환 비율이 감소하고, 핀 수가 줄어듭니다.

그림 2 자동 변압기 부스트 컨버터는 기존 부스트보다 높은 출력 전압을 제공합니다.

방정식 1은 주어진 Vin, Vout 및 n2/n1 회전비(전계 효과 트랜지스터[FET] 및 전류 감지 저항 강하를 무시)에 대한 연속 전도 모드(CCM)에서의 작동을 위한 듀티 사이클을 나타냅니다.

방정식 1.

d = \frac{V o u t - V i n + V d}{\frac{n 2}{n 1} \times V i n + V o u t + V d}

큰 n2/n1 변환 비율의 경우 듀티 사이클이 감소하는 것을 알 수 있습니다. 이는 더 높은 출력 전압을 제공하는 데 유용합니다. 방정식 2은 Vout의 표현식을 해결:

방정식 2.

V o u t = \frac{V i n \times (1 + d \times \frac{n 2}{n 1}) - V d \times (1 - d)}{1 - d}

n2 /n1 = 0이면 표현식이 기존의 부스트 컨버터와 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 0이 아닌 n2/n1 변환 비율의 경우 Vout이(n2/n1)*Vin*d/(1-d)과 동일한 추가 양으로 상승하므로 훨씬 더 높은 출력 전압이 가능합니다.

그림 3은 기존 부스트의 0을 포함하여 여러 n2/n1 변환 비율의 부스트 비율, Vout/Vin과 듀티 사이클을 플롯합니다. 90% 듀티 사이클에서 기존 부스트의 비율은 10인데 비해 n2/n1 = 1의 경우 19이므로 출력 전압이 거의 두 배에 이릅니다. 쉽게 구할 수 있는 표준 결합 인덕터를 사용하여 1 대 1 n2/n1 비율을 쉽게 구현할 수 있습니다. 변환 비율이 클수록 훨씬 높은 출력 전압을 제공할 수 있습니다.

그림 3 탭 인덕터는 듀티 사이클을 줄이고 더 높은 출력 전압을 지원합니다.

일반적으로 설계 사양을 기준으로 부스트 비율을 알 수 있습니다. 최대 실제 듀티 사이클은 선택한 컨트롤러와 원하는 스위칭 주파수에 의해 결정됩니다. 그림 4에서는 필요한 변환 비율을 쉽게 결정하는 방법을 보여줍니다. 예를 들어 10V 입력에서 250V 출력이 필요하고 최대 듀티 사이클을 80%로 제한하고 싶다고 가정해 보겠습니다. 250V/10V = 25의 부스트 비율을 선택하고 파란색 곡선(d = 0.8)에 따라 수행합니다. 필요한 n2/n1은 5입니다.

방정식 3은 꺼져 있을 때 FET의 전압 응력을 보여주고 방정식 4은 정류기 역방향 전압 응력을 보여줍니다.

방정식 3.

V f e t = V i n \times (1 - \frac{n 1}{n 1 + n 2}) + (V o u t + V d) \times \frac{n 1}{n 1 + n 2}

방정식 4.

V d i o d e = V o u t + V i n \times \frac{n 2}{n 1}

위의 설계 예에서 FET 및 정류기 전압 응력은 각각 50V와 300V입니다. FET 전압 스트레스는 약 250V가 걸리는 기존 부스트에 비해 상당히 낮습니다. 누설 인덕턴스가 존재하기 때문에 링잉을 줄이기 위해 저항 커패시터 스너버가 필요할 수 있습니다.

그림 4 부스트 비율과 최대 듀티 사이클을 선택하여 필요한 변환 비율을 결정합니다.

CCM 부스트 컨버터에 자동 변압기를 구현하면 몇 가지 이점이 있습니다. 권선만 추가하면 기존 부스트 컨버터의 출력 전압보다 더 높은 전압을 얻을 수 있습니다. 작동 듀티 사이클을 줄여서 스위칭 주파수 더 높은, 더 작은 부품 크기 및 더 낮은 FET 전압을 가능하게 합니다. 또한 감소된 듀티 사이클은 기존의 부스트 컨버터에서 구현할 때 이전에 충분히 높은 듀티 사이클에서 작동할 수 없었던 더 광범위한 컨트롤러를 제공할 수 있습니다.

전원 팁에 대한 자세한 내용은 Power House의 전원 팁 블로그 시리즈를 확인해 보십시오.

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