전원회로

전원회로 

• 전압원의 역할을 하는 회로블럭. 

• 전원회로는 스스로 전압을 만들어내는것은 아니다.
• 외부에서 power를 공급받아야한다. 외부에서 받아서 전압을 바꾸는 역할. 
• 전원회로에서 나오는 전압은 깨끗하고 많은 전압을 넘겨줘야함. 

Voltage Regulator (전압조정기) 

• 제너 다이오드 브레이크다운의 단점 : V_z 5.6V 짜리 breakdown 전압밖에 없어서 출력이 4.9V정도밖에 만들 수 없음. 

 

DC DC converter SMPS (Switching Mode Power Supply) - switching을 하기 때문에 noise가 많이 낄 수 밖에 없다. 

 

• TL431: 내가 원하는 출력전압을 조정할 수 있음. V_REF가 2.5V로 정해져있음. 똑같은 저항 2개 → 5V 출력 

OP-Amp로 만드는 Voltage Regulator

OUT에 일정한 전압이 어떻게 나올까? 

• 출력전압을 저항 2개 RA, RB로 나눠놓음
• Op-amp의 비반전 입력단자로 제너 다이오드 역방향전류를 걸어줌. Breakdown이 일어나면 4.7V가 들어간다. 
• 정확하게 breakdown시키려면 20mA가 흘러야되는데 5.3mA만 흐른다. 
• V_z, V_x가 같다면 op-amp의 출력에는 변화가 없다. 
• OUT전압이 갑자기 커지면 V_x전압도 커진다. 그러면 -쪽으로 들어가는 +쪽보다 전압이 커진다. → op-amp의 전압이 줄어든다. 
• Npn Transistor (switch가 아니라 amplifier의 역할)의 base/emitter 전압이 줄어들어 흐르는 전류가 줄어든다. (수도꼭지가 약간 잠김) 
• 최종적으로 OUT의전류가 줄어든다 → 전압이 커지려다가 다시 줄어듦 (Negative Feedback) 일정한 출력이 나오도록 제어가 된다. 
• 그래서 얼마의 전압이 출력?

 

• 출력에서 나오는 Vout 전압을 입력쪽과 비교해서 증폭시키는 feedback 증폭기. 
• 대략적으로 해석: transistor 부분이 증폭기 입력이 base, 출력이 emitter로 들어감. Common Collector: 전류 증폭기 (전압 증폭 x)
• 전압 입장에서만 보면 

 

• 비반전 증폭기 형태 
• 출력전압은 

Vout 이 7.5V 전압, 1mA가 되도록 설계 

 

 

• 정상적인 전류가 흐를때 sensing 저항에 전압이 0.7V 보다 작은 전압이 걸리게 함
• 전류가 크게 흐르기 시작하면 (0.7V보다 커지면) 아래쪽 npn transistor가 on 되어 collector와 emitter단자가 연결됨 
• 더이상 부하쪽으로 전류가 공급되지 않는다. 이런회로는 과전류가 흐르면 전류가 차단된다. 
• 전원회로를 보호하는 역할. 

일반적인 voltage regulator: 입력과 출력의 차이가 2V이상이여야지 정상 → power 소모가 많이 생긴다.

입력 전압과 출력전압의 차이를 줄인것 : LDO (Low Drop Out) 0.2V까지 작게 만든것. 

 

• 아래 회로: load switch 와 비슷한 형태 

LDO가 어떻게 쓰이냐

 

• 전압회로에서 switching을 안하면 전압이 깨끗, 하면 지저분 (SMPS)

• SMPS를 앞단에, LDO를 뒷단에 달아 지저분한 신호를 깨끗하게 해줌. 굳이 SMPS를 쓰는 이유? - SMPS만의 특징때문에 

 

가장 많이 기본적으로 쓰이는 LDO방식 

 

• 입력과 출력쪽에 capacitor를 다는 이유: DC전압을 받아서 DC전압을 출력하는데 출렁거리는 noise를 줄이기 위함. C의 용량은 datasheet를 보고 참고하면 됨. 

• step-down : 출력저항이 입력전압보다 낮다.
• SMPS로 Switching을 하면 step-up 가능. 

 

• 효율 : 입력으로 받는 파워와 출력 파워의 비 *100 

 

Voltage regulator에서의 효율 = 66%  

• 찰랑거리는 Ripple 성분이 있을 때 출력이 얼마만큼 흔들리냐 
• 값이 클수록 출력이 깨끗하게 나옴

• 입력전압이 커지면 커질수록 출력도 영향을 받는다. 
• Vin이 7V → 10V 로 변할때 Vo의 변화. 
• Load regulation: 부하가 변동했을 때 출력전압의 변화
• 작을수록 좋다. 

 

• Switch가 off → on으로 될때 capacitor에 ESR, ESL이 보이고 전압변동이 순간적으로 생긴다. 
• 튀는 성분이 작으려면 C값이 큰것을 쓸수록 전압 변동이 줄어든다. ESR이 작을 수록 좋음. 

 

우리가 쓰는 스마트폰 

DC-DC Converter 

• Step-down은 voltage regulator로 가능 
• Step-up 이나 inverting은 switching을 해야한다. 
• 전압을 만들어내는 PMIC를 사용 
• 배터리 방전: PMIC를 구동시킬 수 없을만큼 전압이 떨어졌을 때 

Step-down 회로 - Buck converter

• 스위치를 엄청 빠르게 on/off 시키면 평균적으로 2.5V가 흐르지 않을까?
• 2.5V 평균값을 유지하기 위해 capacitor를 달아줌.
• Inrush current를 해결하기 위해 inductor를 달아줌. 
• L을 switching하니까 switch가 off 때 전압이 튄다 → 방지하기 위해 활류 (free wheeling)  diode달아줌. 
• Step-down을 한다.
• Step-down을 한 전압을 어떤식으로 제어할 수 있을까?
• Switch의 duty cycle로 제어할 수 있다. 
• 순방향 도통될 때 Ideal한 diode라고 가정. Inductor의 전압특성 : 전류가 흐를때 안흐를때 평균을 내면 0

 

• Switch가 on 되면 전류가 흐르고 inductor의 양단 전압 V_L
• On 되는 시간을 D(Duty Cycle), off되는 시간을 -D
• D라는 시간동안 switch on 했을 때 inductor의 왼쪽 전압: Vin, 오른쪽 전압: Vout →        D*(Vin-Vout) 
• Diode 가 도통되면 왼쪽전압 :0, 오른쪽 전압 0-Vout → (1-D)(0-Vout) = 0
• D*Vin-D*Vout-Vout+D*Vout = 0 → Vout = D*Vin
• Buck converter는 전류가 깨끗하게 나온다.

 

Step up 회로- Boost Converter

 

• 5V를 10V로 내어주고싶으면 내가 가지고있는 전압을 저장하고 다음에 들어오는 5V를 더해서 내보낸다. 
• 저장하기 위해 필요한 부품: inductor. Switch on 을 하면 inductor에 에너지 저장. Switch off 가 될때 부하쪽으로 전류가 흐른다. 
• 전류가 부하에 흘렸다 말았다 해서 출력이 지저분하게 나온다. 
• Duty cycle로 제어했을때 inductor의 양단전압: switch on 이면 D라는 시간동안 inductor 양단의 전압 : Vin. 
• switch off 이면 D라는 시간동안 inductor 양단 전압 (Vin-Vout) 
• D*Vin+Vin-Vout-D*Vin+D*Vout = 0 
• Duty-cycle을 조정하면 입력전압보다 큰 출력전압. 

 

Step-down, Step up 동시에 : Buck Boost Converter

• Switch on 하면 inductor에 저장. 
• Switch off 하면 inductor에 저장된 에너지를 뒷단에 전달 
• 실제 흐르는 전류: 부하 아래에서 위로 : - 전류가 흐른다
• Switch on : inductor전압 = Vin 전압. D*Vin
• Switch off: diode가 도통됨 inductor 전압 = Vout
• D*in+(1-D)Vout = 0
• Vout = -D/(1-D)*Vin
• 출력이 -전압으로 나온다. 

 

Flyback converter

 

• Transformer를 이용해서 전류의 방향을 뒤집는다. 
• 출력전압이 step up, down이 되면서 + 전압이 나온다. 
• 고속 switching을 할수록 작은 L을 쓸 수 있다. 주파수가 높아지면 transformer의 coupling coefficient k 가 낮아져서 고속을 쓸 수 없다.