DC-DC 컨버터 설계(34063A 응용)

가장 일반적으로 사용하는 MC34063A 를 이용한 DC-DC 컨버터 설계 방법이다.
회로도는 onsemi 사의 어플리케이션 노트 AN920D 를 참고한다

나는 MC34063A 를 이용하여 5V(최저 4.0) 에서 12V 로 스텝-업 해주는 회로를
만들어서 사용하고 있다.

아래의 URL 에서 참고한다.
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AN920-D.PDF

사실 AN920D 만 봐도 다 나와 있는 내용이다.

다만, 계산식이 조금 골아파서 python 으로 계산 할 수 있도록 짰다.

소스 맨 위에 변수 설정이 있는데,
이 부분을 원하는 값으로 바꾸고 프로그램을 실행하면 된다.

실행법은 python 을 설치하고, python mc34063a.py 를 치면 실행된다.
python 은 다루기 쉬운 언어 이므로 이 기회에 한번 배워보는 것도 괜찮다.

동일한 값으로 세가지(Step-Up, Step-Down, Voltage-Inverting) 가 동시에 계산 된다.
따라서 화면상의 결과값에서 원하는 값을 보고 취하면 된다.

수식은 AN920-D 의 예제를 통해 검증된 것이다.
AN920 과 약간의 값이 차이가 날 수도 있는데, 그것은 AN920 측이 소숫점 1자리 까지만
취하고 있기 때문이다.

아래 python 소스이다.

1246943125_mc34063A.py

1246943125_mc34063A.py

소스에 이미 있는 내용이지만 설계에 필요한 몇가지 파라메터에 대한 설명을 한다.

# 평상시 입력 전압
Vin = 15.0 <- 정상적인 입력 전압을 말한다.
# 최소 입력전압
Vmin = 13.5 <- 배터리 등을 컨버터의 전원으로 사용할 때, 최저 전압이다.
# 출력 전압(- 극성 쓰지 말것)
Vout = 15.0 <- 필요한 출력 전압
# 출력 전류
Iout = 0.5 <- 필요한 출력 전류

주 스위칭 소자와 정류기의 정격을 초과하지 않는 범위내에서 Vout 과 Iout 을 설정하기 바란다.
특히 스텝업(승압)할 때는 피크 전류 값에 주의
MC34063A 의 내장 스위치 허용치는 40V 1.5A 이다.
역전압이 40V 이상(전원과 출력측이 역전압으로 20V 차이) 걸리게 되면 아마도
일반적인 쇼트키 다이오드는 사용할 수 없을 것이다, 이때는 Fast-Recovery 타입을
사용하는게 낫다. 나중에 태워먹고 후회말자.

Iout 이 증가하면, 스위치 전류도 증가하고, 전류가 증가하면 인덕터의 값(인덕턴스)은
작은걸 써도 된다. 왜냐믄... 전류가 증가할수록 인덕터의 역-기전력도 증가하니까
그런데 그렇다고 해서 소형 인덕터를 쓰면 안된다.
작은 인덕터를 쓰다가는 자기포화가 일어나서 제 출력이 안나오거나 타버릴 것이다,
반드시 해당 전류 값에 맞는 것을 사용할 것. 나중에 태워먹고 후회말자.

또 한가지, 효율 면에서 보면 누설 자속이 많은 드럼 타입보다는 트로이덜 형태가 낫다.
더 안좋은 것은 누설자속이 심하면 다른 회로에 영향을 줄 수 있다.

퓨리에 변환을 아는 사람이면 알겠지만 PWM 파형은 방형파로 AF 부터 RF 까지 전대역에
걸쳐 광대역 노이즈를 발생시킨다

어쨌건 통상적으로 출력 15V 이하로, 전류 1~200mA 내외라면 일반적인 소자들로 커버가 될 것이다.

# 출력 스위치 포화전압
Vsat = 0.8 <- 스위치에서의 전압강하를 말한다.
# 출력 정류기 순방향 전압 강하
VF = 0.8 <- 정류기 측에서의 전압 강하를 말한다
# 최소 스위칭 주파수(50K)
Fmin = 50000.0 <- 스위칭 주파수
# p-p 리플 전압 (0.1v)
Vripple = 0.060 <- 출력측에서의 허용 리플

스위치에서의 전압강하는 아마도 전류가 증가하면 같이 증가할 것이다.
외부 스위치 소자를 부착시키고 IRF540 이나 IRFZ34 같은 예에서는 매우
작은 전압강하가 있겠지만 전원 전압이 충분히 높고(12V 이상의),
출력 전압이 낮은 StepDown 에서만 가능할 것이다.

출력 정류기 순방향 전압강하는 사용할 다이오드의 데이터 시트를 참고한다.
쇼트키의 경우가 순방향 전압이 가장 낮을테고 효율이 좋지만 역전압이 상당히 낮다.
역전압의 문제로 FR(FastRecovery)타입을 쓰면 모든게 다 해결 되지만 효율이 좋지 않다.
일반 다이오드를 못 쓰는건 아니지만 효율이 떨어진다.(발열이 심함)

스위칭 주파수는 너무 높아도 문제고, 너무 낮아도 문제다.
가장 영향 받는 것은 인덕터이다.
주파수가 높아지면 인덕터의 용량은 작아도 된다.
주파수가 낮아지면 반대로 인덕터의 용량이 커져야 한다.

인덕터의 용량이 작아지면 인덕터가 소형 경량으로 되고, 평활 콘덴서도 작게 되어서
좋은 점이 있지만, 스위칭 과정에서 loss 가 증가하고 전체적으로 효율이 저하한다.

종단의 평활 컨덴서는 출력 전류와 주파수에 반비례한다.

참고로, 3V 미만의 전압으로 +5V 등을 만들 생각이라면 MC34063 은 부적합 하다.
약간 비싸긴 하지만 1.5V 배터리 한개로도 구동되는 TL499 (현재 1XXX 원 정도 한다)
가 있다. 쓰기는 편하지만 출력 전력이 좀 딸린다.
TL499 의 연속출력 전류는 최대 100mA, 내부 스위치 한계는 0.5A 이다.

다른 방법으로는 조금 손이 가지만 자려식으로 트로이덜 코어를 직접 감는 방법이 있다.
트로이덜 코어하나와 TR 1개, 저항 1개로 구성할 수 있다.
자려식 구동은 1.5V(1V) 배터리로 LED 를 켜는 회로에 종종 사용되며, TR 만 잘 선정된다면
입력 300mA 이상에서도 잘 작동한다. 다만, 전압 제어는 조금 머리를 써야 할 것이다.
(출력 전류는 출력 전압에 반비례 할 것이다)

2차 권선이 없이 만드려면 정궤환으로 발진을 해야하고 최소 TR 2개가 필요하다.
전원 전압은 2V 이상은 필요하다. 이 회로는 다른 게시물에도 올라와 있다.

나중에 직접 만들어진 회로를 보면서 한번 더 알아보도록 하자.