Buck-converter SMPS 설계

소개글

Buck-converter SMPS 설계에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. SMPS 제어 회로 설계
2. 오차증폭기
*오차증폭기전달특성
3.비교기
4. Buck컨버터 & PWM 제어기 설계
(1)인덕터의 설계
(2)커패시터의 설계
(3)저역통과필터
(4)오차증폭기
(5)비교기
(6)부하저항에 따른 출력전압
5.고찰

본문내용

1. SMPS 제어 회로 설계
SMPS에서 출력 전압의 안정화를 위해서는 부궤환 제어 회로가 필요하다. 따라서 부궤환 제어 회로의 대표적인 방식인 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation : PWM) 방식을 채택한 PWM 제어 회로를 설계하였다. 여기서 DC-DC 컨버터는 Buck 컨버터를 사용하였다.
- PWM 제어 회로를 포함하는 DC - DC 컨버터의 블록선도 -
제어 회로의 동작을 살펴보면 우선 SMPS의 출력 Vo가 전압 분배 회로를 거쳐 기준 전압 Vr과 비교된다. 여기서 나타나는 오차는 오차 증폭기(Error Amplifier)를 통하여 증폭이 되고 비교기(comparator)에서 삼각파와 비교되어 SMPS의 스위치를 구동하기 위한 구형파 펄스를 발생하게 된다. 출력 오차에 상응하여 펄스폭을 조절하는 PWM 제어 회로이다.
2. 오차증폭기
- 오차증폭기 - - Simulation -
* 오차 증폭기의 전달특성
KVL을 적용하면
연산증폭기 두 입력단자 사이에는 전위차가 없으므로
가 된다.
simulation 결과
와 같이 출력전압 12V와 기준전압 5V를 비교하여 생긴 오차 -2V가 출력됨을 확인 할 수 있었다.
3. 비교기
- 비교기 -- Simulation -
비교기의 반전 입력 단자에는 삼각파가 접속되고 비반전 입력 단자에는 오차 증폭기의 출력 가 접속된다. 따라서 삼각파와 가 비교되어 위의 파형과 같이 구형파 펄스를 발생시킨다. 의 레벨이 상승하는 경우 펄스의 폭이 넓어지게 되고, 의 레벨이 저하하는 경우 펄스의 폭은 좁아지게 된다.
출력 전압을 일정한 값으로 유지시키기 위해서는 부하저항이 작을 땐 시비율이 증가하고 부하저항이 클 땐 시비율이 감소해야 하는데 이러한 제어를 PWM 제어 회로가 담당한다.
4. Buck 컨버터 & PWM 제어기 설계
※ 설계사양
입력 전압 : 5V
출력 전압 : 3.1V
출력 전류 : 50mA
스위칭 주파수 : =100Hz
출력 전압 리플 : 30mV
(1) 인덕터의 설계
인덕터 전류 의 평균값은
이 식에 를 대입하면
가 구해진다
(2) 커패시터의 설계
Buck 컨버터에서 리플률은
따라서 C는 2.56mF이 된다.
그러나 리플 전압은 커패시터의 ESR에 의한 영향도 무시할 수 없으므로 설계값의 약 150배 용량인 384mF을 사용한다.
- PsPice를 사용하여 설계한 Buck컨버터 & PWM제어기 -
(3) 저역 통과 필터 (low-pass filter)
이 부분에서 마디해석을 하면 다음과 같다
에 대해 풀고 다시 쓰면
회로의 전달함수
시스템의 안정도를 평가하기 위해 전달함수 의 극점과 영점을 구할 필요가 있다.
이 함수의 크기는 로 갈 때 영(Zero)로 접근한다.
그러므로, 일 때 는 0이라고 말할 수 있다.
이 함수는 일 때 무한대로 접근하므로 는 일 때 극점(pole)을 가진다고 말할 수 있다.
- 회로의 출력 전압 -
위 파형을 보면 Vin이 5V 일 때, Vout이 1.1s부터 안정적으로 약 3.1V가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
- 인덕터 전류와 부하전류 (부하가 50Ω일때) -
- 인덕터 전압 (부하가 50Ω일때) -
- 인덕터 전류와 부하전류 (부하가 100Ω일때) -
- 인덕터 전압 (부하가 100Ω일때) -
위의 파형에서 삼각파는 인덕터에 흐르는 전류이다. 회로에 전압이 걸리면 인덕터에 전류가 점차 증가하게 되고 전압이 차단되게 되면 다시 전류는 서서히 감소하게 되므로 위와 같이 삼각파 형태의 파형이 출력되는 것을 볼 수 있다.
(4) 오차 증폭기
이므로
오차 증폭기의 전달 특성에 따라
와 같이 오차 증폭기의 출력을 구할 수 있다.
수치를 대입해 보면 다음과 같은 오차증폭기 출력이 구해진다.
(5) 비교기
- 비교기 부분의 Simulation 결과
오차 증폭기의 출력인 Vc와 삼각파가 비교되어 Vc 이하인 시간만큼 펄스파로 출력됨을 확인할 수 있다. Vc가 높아지면 펄스파의 폭이 커지고 Vc가 낮아지면 펄스파의 폭이 좁아진다. 즉, 시비율 D가 조절됨에 따라 출력전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.
(6) 부하저항의 변화에 따른 출력전압
- 부하저항이 10Ω인 경우 (약 3V)-
- 부하저항이 50Ω인 경우 (약 3.2V)-
- 부하저항이 100Ω인 경우 (약 3.25V)-
저항값이 증가할수록 출력전압 또한 증가함을 알 수 있다.
5. 고찰
수업 시간에 배운 Buck 컨버터와 PWM 제어 회로를 직접 설계해 보고 PSpice로 시뮬레이션을 돌려 보면서 Buck 컨버터를 이해하고 각 파트별 역할과 파형을 확인할 수 있었다.
첫 문제점은 Buck 컨버터의 저역통과필터 부분에 사용되는 인덕터와 커패시터의 값을 결정하기가 어려웠다는 점이다. 그러나 교재와 관련 자료를 찾아보며 계산법을 배웠으며 그대로 적용시킬 수 있었다. 두 번째 문제점은 Buck 컨버터와 오차증폭기, 비교기가 따로따로 설계하여 Simulation 했을 때는 잘 되었으나 전부 합쳐보니 오류가 많이 생긴다는 점이다. 이 문제를 보안하기 위해 수차례 회로와 수치를 바꿔야만 했다. 세번째 문제점은 PSpice가 Student 버전이라 소자를 사용함에 있어서 제한이 많았다. 인터넷에 찾아보니 Student 버전은 소자가 20개로 제한되고 라이브러리도 충분하지 않고 시간범위도 2000ms 까지만 Simulation이 가능했다. 때문에 PSpice 10.05버젼을 구해서 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
마지막으로 지난주에 부하저항에 따른 출력전압의 변화가 없다고 레포트를 작성했었는데 회로를 수정하여 다시 시뮬레이션 해본 결과 부하저항이 증가하면 출력전압 또한 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다.
이번 기회로 낯설던 SMPS를 이해할 수 있었고 공부하는데 큰 도움이 되었다. 더욱 공부하여 이후에 설계할 땐 고효율, 소형 및 경량화를 고려하여 안정적인 SMPS를 만들 수 있도록 해야겠다.

키워드

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