Application Report KOKA002 August 2011 Brigitte Hauke... Low Power DC/DC Application 이 애플리케이션 노트는 스위치가 내장된 연속 전도 모드에서 작동하는 부스트 컨버터의 전원을 계산하는 방정식을 제공합니다. 부스트 컨버터의 기능( Reference 1참조) 또는 컨버터를 보상하는 방법에 대한 자세한 내용을 제공하기 위한 것은 아닙니다. 자세한 내용이 필요한 경우 이 문서의 끝에 있는 자료를 참조하십시오. 개요 설명이 없는 방정식의 경우 section 8을(를) 참조하십시오. 목차 1 부스트 컨버터의 기본 구성... 2 2 최대 스위치 전류 계산... 2 3 인덕터 선택... 4 4 정류기 다이오드 선택... 4 5 출력 전압 설정... 5 6 입력 커패시터 선택... 5 7 출력 커패시터 선택... 6 8 부스트 컨버터의 전력단을 계산하는 방정식... 7 9 레퍼런스... 9 그림 목록 1 부스트 컨버터 전력단... 2 2 출력 전압 설정을 위한 저항 분할기... 5. KOKA002 August 2011 1
부스트 컨버터의 기본 구성 www.ti.com 1 부스트 컨버터의 기본 구성 그림 1 은 스위치가 내장된 부스트 컨버터의 기본 구성을 보여줍니다. 종종 저전력 컨버터에는 다이오드를 대신한 두 번째 스위치를 내장한 것도 있습니다. 이 경우 이 문서의 모든 방정식은 다이오드의 전력 손실을 제외하고 적용됩니다. I IN L D I OUT IN C IN SW C OUT OUT 그림 1. 부스트 컨버터 전력단 1.1 전력단의 필요 매개 변수 다음 4가지 매개 변수는 전력단을 계산하는 데 필요합니다. 1. 입력 전압 범위: IN(min) 및 IN(max) 2. 출력 전압: OUT 3. 최대 출력 전류: I OUT(max) 4. 부스트 컨버터를 구성하는 데 사용된 통합 회로 매개 변수를 데이터 시트에서 참조해야 하므로 이것이 필요합니다. 이러한 매개 변수가 알려져 있는 경우 전력단의 계산을 할 수 있습니다. 2 최대 스위치 전류 계산 스위치 전류를 계산하는 첫 번째 단계는 최소 입력 전압을 위한 듀티 사이클, D를 결정하는 것입니다. 입력 전압이 최소일 때 스위치 전류가 최대이므로, 최소입력 전압을 사용합니다. IN(min) η D = 1 OUT (1) IN(min) = 최소 입력 전압 OUT = 원하는 출력 전압 η = 컨버터의 효율, 예: 약 80% 컨버터는 손실된 에너지도 전달해야 하기 때문에 효율이 듀티 사이클 계산에 추가됩니다. 이러한 계산은 효율을 고려하지 않은 방정식보다 현실적인 듀티 사이클을 제공합니다. 예상 효율, 예: 80%(부스트 컨버터의 최저 효율로 적절함.)를 사용하거나 선택한 컨버터의 데이터 시트 섹션의 일반적인 특성을 확인합니다. ( Reference 3 and 4참조). 최대 스위치 전류를 계산하는 다음 단계는 인덕터 리플 전류를 결정하는 것입니다. 컨버터 데이터 시트에서 일반적으로 IC와 사용할 수 있는 특정 인덕터 또는 인덕터 범위가 지정됩니다. 리플 전류를 계산하기 위해, 권장 범위의 중간값인 인덕터값을 사용하거나 데이터 시트에 아무것도 제공되지 않은 경우 이 애플리케이션의 Inductor Selection 섹션에서 계산된 인덕터값을 사용합니다. IN(min) D ΔI L = fs L (2) IN(min) = 최소 입력 전압 2 KOKA002 August 2011
www.ti.com 최대 스위치 전류 계산 D = 수식 1 f S = 컨버터의 최소 스위칭 주파수 L = 선택한 인덕터값 이제 선택한 IC가 최대 출력 전류를 제공할 수 있는지 결정해야 합니다. ΔIL I MAXOUT = I LIM(min) (1D) 2 (3) I LIM(min) = 내장된 스위치의 전류 제한의 최소값(데이터 시트에 제공) ΔI L = 계산된 인덕터 리플 전류 수식 2 D = 수식 1 선택한 IC의 최대 출력 전류에 대해 계산된 값, I MAXOUT 이 시스템에 필요한 최대 출력 전류보다 작은 경우 더 높은 스위치 전류 제한을 갖는 다른 IC를 사용해야 합니다. I MAXOUT 의 계산값이 필요한 값보다 약간 작은 경우에만 선택된 IC를 사용할 수 있습니다. 더 높은 인덕턴스는 리플 전류를 줄이므로 선택한 IC에서 최대 출력 전류를 증가시킵니다. 계산된 값이 응용 분야의 최대 출력 전류보다 높은 경우 시스템에서의 최대 스위치 전류가 계산됩니다: ΔI I L OUT(max) I SW(max) = + 2 1D (4) ΔI L = 계산된 인덕터 리플 전류 수식 2 D = 계산된 듀티 사이클 수식 1 이는 인덕터, 내장 스위치 및 외부 다이오드가 견뎌야 하는 피크 전류입니다. KOKA002 August 2011 3
인덕터 선택 www.ti.com 3 인덕터 선택 종종 데이터 시트는 권장하는 인덕터값의 범위를 제공합니다. 이 경우 이 범위에서 인덕터를 선택하는 것이 좋습니다. 인덕터값이 높을수록 감소된 리플 전류로 인해 최대 출력 전류가 더 높아집니다. 인덕터값이 낮을수록 인덕터의 크기는 작아집니다. 전류가 인덕턴스의 감소에 따라 전류가 증가하기 때문에 수식 4 인덕터는 항상 주어진 최대 전류보다 전류 등급이 더 높아야 합니다. 인덕터 범위가 제공되지 않은 부품의 경우 다음 방정식이 적절한 인덕터에 대해 좋은 예측입니다: L = ΔI f IN OUT IN L S OUT (5) IN = 일반 입력 전압 OUT = 원하는 출력 전압 f S = 컨버터의 최소 스위칭 주파수 ΔI L = 예상되는 인덕터 리플 전류, 아래 참조 인덕터 리플 전류는 인덕터가 알려지지 않았기 때문에 수식 1 계산할 수 없습니다. 인덕터 리플 전류의 예측은 출력 전류의 20% ~ 40%입니다. OUT ΔI L = (0.2 to 0.4) IOUT(max) IN (6) ΔI L = 예상되는 인덕터 리플 전류 4 정류기 다이오드 선택 손실을 줄이려면 Schottky 다이오드를 사용해야 합니다. 필요한 포워드 전류 등급은 최대 출력 전류와 같습니다: I F = IOUT(max) (7) I F = 정류기 다이오드의 평균 포워드 전류 Schottky 다이오드는 평균 등급보다 훨씬 높은 전류 등급을 갖습니다. 따라서 시스템에서 높은 피크 전류는 문제가 되지 않습니다. 확인해야 하는 다른 매개 변수는 다이오드의 전력 손실입니다. 다이오드는 다음의 전력 손실을 감당할 수 있어야 합니다. P D = IF F (8) I F = 정류기 다이오드의 평균 포워드 전류 F = 정류기 다이오드의 포워드 전압 4 KOKA002 August 2011
www.ti.com 출력 전압 설정 5 출력 전압 설정 거의 모든 컨버터는 저항 분할기 네트워크(고정된 출력 전압 컨버터인 경우 내장)를 사용하여 출력 전압을 설정합니다. 주어진 피드백 전압, FB 및 피드백 바이어스 전류, I FB 를 사용하여 전압 분할기를 계산할 수 있습니다. IN I R1/2 R 1 I FB FB R 2 그림 2. 출력 전압 설정을 위한 저항 분할기 저항 분할기를 통한 전류는 피드백 바이어스 전류보다 최소 100배 큽니다: I 100 I R1/2 FB (9) I R1/2 = 저항 분할기에서 GND로 통과하는 전류 I FB = 데이터 시트의 피드백 바이어스 전류 전압 측정에 1% 미만의 부정확성을 추가합니다. 전류도 많이 높아질 수 있습니다. 더 작은 저항의 유일한 단점은 저항 분할기에서 더 높은 전력 손실이 있지만 정확도는 약간 증가합니다. 위의 가정을 사용하여 저항이 다음과 같이 계산됩니다: FB R 2 = I R1/2 OUT R 1 = R2 1 FB (10) (11) R 1,R 2 = 저항 분할기, 그림 2를 참조하십시오. FB = 데이터 시트의 피드백 전압 I R1/2 = 저항 분할기에서 GND로 통과하는 전류, 다음과 같이 계산: 수식 9 OUT = 원하는 출력 전압 6 입력 커패시터 선택 입력 커패시터의 최소값은 일반적으로 데이터 시트에서 제공됩니다. 이 최소값은 스위칭 전원공급장치의 피크 전류 요구 사항 탓에 입력 전압을 안정시키는 데 필요합니다. 가장 좋은 방법은 낮은 ESR(equivalent series resistance) 세라믹 커패시터를 사용하는 것입니다. 유전체 재료는 X5R 이상이 되어야 합니다. 그렇지 않으면, 커패시터는 DC 바이어스 또는 온도 탓에 커패시턴스 상당 부분을 손실할 수 있습니다( references 7 and 8참조). 입력 전압에 노이즈가 있는 경우 값을 증가해야 할 수 있습니다. KOKA002 August 2011 5
출력 커패시터 선택 www.ti.com 7 출력 커패시터 선택 가장 좋은 방법은 낮은 ESR 커패시터를 사용하여 출력 전압에서 리플을 최소화하는 것입니다. 세라믹 커패시터는 유전체 재료가 X5R보다 나은 경우 좋은 선택입니다( reference 7 and 8참조). 컨버터에 외부 보상이 있는 경우 데이터 시트에서 권장하는 최소값 이상의 커패시터값을 사용할 수 있지만 사용된 출력 커패시턴스를 위해 보상을 조정해야 합니다. 내부 보상 컨버터의 경우 권장하는 인덕터 및 커패시터값을 사용하거나 응용 분야에 대해 L C의 비율에 대해 출력 커패시터를 조정하기 위한 데이터 시트의 권장 사항을 따라야 합니다. 외부 보상을 사용하여 원하는 출력 전압 리플을 위해 다음 방정식을 사용하여 출력 커패시터값을 조정할 수 있습니다. D IOUT(max) C OUT(min) = f S Δ OUT (12) C OUT(min) = 최소 출력 커패시턴스 I OUT(max) = 애플리케이션의 최대 출력 전류 D = 수식 1 로 계산된 듀티 사이클 f S = 컨버터의 최소 스위칭 주파수 Δ OUT = 원하는 출력 전압 리플 출력 커패시터의 ESR은 다음 방정식에서 추가 리플을 추가합니다: IOUT(max) ΔIL Δ OUT(ESR) = ESR + 1D 2 (13) Δ OUT(ESR) = 커패시터 ESR로 인한 추가 출력 전압 리플 ESR = 사용된 출력 커패시터의 동일한 시리즈 저항 I OUT(max) = 애플리케이션의 최대 출력 전류 D = 수식 1 로 계산된 듀티 사이클 ΔI L = 수식 2 또는 수식 6 으로 부터 계산된 인덕터 리플 전류 6 KOKA002 August 2011
www.ti.com 8 부스트 컨버터의 전력단을 계산하는 방정식 IN(min) η Maximum Duty Cycle: D = 1 OUT 부스트 컨버터의 전력단을 계산하는 방정식 (14) IN(min) = 최소 입력 전압 OUT = 원하는 출력 전압 η = 컨버터의 효율, 즉, 예상 85% Inductor Ripple Current: ΔI L = f IN(min) S L D (15) IN(min) = 최소 입력 전압 D = 수식 14 f에서 계산된 듀티 사이클 S = 컨버터의 최소 스위칭 주파수 L = 선택한 인덕터값 ΔIL Maxim um output current of the selected IC: I MAXOUT = I LIM(min) (1 D) 2 I LIM(min) = 통합된 스위치 전류 제한의 최소값(데이터 시트에 제공) ΔI L = 계산된 인덕터 리플 전류 수식 15 D = 수식 14 ΔI I L Application specific maximum switch current: I SW (max) = + 2 1 D ΔI L = 계산된 인덕터 리플 전류 수식 15 D = 수식 14 IN OUT IN Inductor Calculation: L = ΔI f L S OUT OUT(max) (16) (17) (18) IN = 일반 입력 전압 OUT = 원하는 출력 전압 f S = 컨버터의 최소 스위칭 주파수 ΔI L = 예상되는 인덕터 리플 전류, 수식 19 Inductor Ripple Current Estimation: ΔI = (0.2 to 0.4) L I OUT(max) OUT IN (19) ΔI L = 예상되는 인덕터 리플 전류 Average Forward Current of Rectifier Diode: I = I Power Dissipation in Rectifier Diode: P = I F D F F OUT(max) I F = 정류기 다이오드의 평균 포워드 전류 F = 정류기 다이오드의 포워드 전압 Current Through Resistive Divider Newtwork for Output oltage Setting: I 100 I R1/2 FB (20) (21) (22) I FB = 데이터 시트의 피드백 바이어스 전류 alue of Resistor Between FB Pin and GND: R 2 = I FB R1/2 (23) KOKA002 August 2011 7
부스트 컨버터의 전력단을 계산하는 방정식 OUT alue of Resistor Between FB Pin and OUT: R 1 = R2 1 FB FB = 데이터 시트의 피드백 전압 I R1/2 = 저항 분할기에서 GND로 통과하는 전류, 다음과 같이 계산: 수식 22 OUT = 원하는 출력 전압 IOUT(max) Minimum Output Capacitance, if not given in the data sheet: C OUT(min) = f S Δ OUT I OUT(max) = 애플리케이션의 최대 출력 전류 D = 수식 14 f S = 컨버터의 최소 스위칭 주파수 Δ OUT = 원하는 출력 전압 리플 IOUT(max) ΔI Additional Output oltage Ripple due to ESR : Δ OUT(ESR) = ESR + 1D 2 L D www.ti.com (24) (25) (26) ESR = 사용된 출력 커패시터의 동일한 시리즈 저항 I OUT(max) = 애플리케이션의 최대 출력 전류 D = 수식 14 ΔI L = 인덕터 리플 전류 수식 15 또는 수식 19 8 KOKA002 August 2011
www.ti.com 레퍼런스 9 레퍼런스 1. Switchmode 전원공급장치의 부스트 전력단 이해 (SLA061) 2. TPS61030을 사용하여 전압 모드 부스트 컨버터 소형 신호 제어 루프 분석 (SLA274) 3. 데이터 시트: TPS65148 (SLS904) 4. 데이터 시트: TPS65130 및 TPS65131 (SLS493) 5. Robert W. Erickson: Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic Publishers, 1997 6. Mohan/Underland/Robbins: Power Electronics, John Wiley & Sons Inc., Second Edition, 1995 7. Improve Your Designs with Large Capacitance alue Multi-Layer Ceramic Chip (MLCC) Capacitors by George M. Harayda, Akira Omi, and Axel Yamamoto, Panasonic 8. Comparison of Multilayer Ceramic and Tantalum Capacitors by Jeffrey Cain, Ph.D., AX Corporation KOKA002 August 2011 9
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