글쓴이 : SOONDORI
요즘 세상의 거의 모든 전자보드에서, 각기 다른 국부 전압을 만들기 위해 널리 쓰이는 회로 또는 모듈을 언급하는 것. 출력 전압이 입력 전압보다 높으면 스텝-업, 낮으면 스텝-다운. 그리고 스텝-다운을 ‘벅(Buck) 떙땡’ 혹은 스텝-업을 ‘부스트(Boost) 땡땡’이라고 한다.
모두는 편의점에 가서 껌 하나 사는 정도로… 그렇게 지천에 널려 있음.
■ Step-Down 컨버터, Buck 컨버터/레귤레이터
뭘 그렇게 벅~벅~거린다는 것일까?
숫사슴, 1달러 등 다양한 의미가 있는데, “Head to Buck”, 머리를 숙이고 따른다, 대체로 ‘더 작게’를 슬랭으로 대체했다고 이해함.
동작 원리는 간단하다.
어떤 전위의 DC → 주기가 조절되는 펄스 → 코일이 잠시 에너지를 저장한다 → 시간당 밀도가 낮은 전기 에너지 = “평균 전력이 낮다” → 낮은 전압의 DC. (간단하게는… A氏가 규칙적으로, 밥숟가락으로 물을 떠서 큰 밥그릇에 담는 도중에 B氏가 그 밥그릇의 물을 빨대로 마시는 장면을 연상하면 됨)
(출처 : techweb.rohm.com/product/power-ic/dcdc/dcdc-design/2200/)
여기서, A씨의 행위인 펄스 주기 설정은 곧 출력 DC 전압이다. 주기를 달리하면 마음대로 전압을 조정할 수 있음. 그러하니 어떤 면에서는 DC-DC 가변형 레귤레이터.
다음은 구현 사례.
* 관련 글 : 어찌해도 지저분한 스위칭 전원
간단하기로는 리니어방식 LM7805도 있고 LM317 등이 있는 뭣하러 스위칭 방식을 선택하는 것일까?
리니어 IC에는 V_in – V_out = 2V 혹은 3V와 같은 제약이 있고 변환 효율이 낮아서 발열이 상대적으로 크기 때문에. 한 마디로, 극도로 집적화된 디지털 회로(=NOT 아날로그)에 더 적합하니까.
■ Step-UP 컨버터, Boost 컨버터/레귤레이터
(표제부 사진 참고) 이것도 코일이 잠시 전기 에너지를 담을 수 있고, 잘하면 에너지 방전 시(=자력선 붕괴, Collapsing) 입력 전압보다 더 높은 전압이 나올 수 있다는 논리에 기대는 방법론.
코일 용량 = 취급 전류량 =보관 에너지의 양에 종속되는 조건으로서,
V_out = V_in ÷ (FET On-time / (FET On-time + FET Off-time)이다.
이 수식을 따라가서 FET On-time과 Off-Time의 비율을 조절하면, 1.0을 초과하는 X 배 전압이 출력된다.
규칙적인 단속에 의해 규칙적인 고전압 DC가 나오니까 스텝-업을 붙였고, 전압이 커지니까 DC-DC 부스트(Boost) 컨버터 또는 DC-DC 부스트 레귤레이터라고도 한다.
(출처 : https://www.powerelectronicsnews.com/dc-dc-step-up-converter-power-electronics-course-part-7/)
다음은 아무렇게나 걸린 전용 IC 회로. 코일 + 다이오드 + 커패시터 + 회로 전류 단속의 조건은 동일하다.
이상에서,
1) 빈티지 오디오를 DIY 하면서 이런 부류 부품, 이런 부류 제품을 쓰는 것은 신중해야 한다. 현대의 노이즈에 극도로 취약한 빈티지 오디오에서, ‘스위칭’, ‘펄스’는 늘 저어해야 하는 단어. 수십 Khz, 수백 Khz, Mhz급 펄스의 고조파(하모닉)가 어떻게든 영향을 줄 것이니까.
2) 스텝-업/스텝-다운은, AC 내지 양/음 입력을 가지고 DC 출력 전압을 두 배로 뻥튀기하는 배압회로(Voltage Doubler)와는 개념이 다르다. 배율이 고정된 것, 제어 주파수로 가변할 수 있는 것 그리고 입력 전압이 DC인가 아니면 AC 또는 양/음 펄스인가에 차이점이 있고…
(▲ 양의 펄스에서 커패시터 충전 시작 + D1은 해당 경로로 방전되는 것을 막고 있는 상태 → 양의 충전 중 커패시터는 전류를 흘리는 소스/경로로 작용하니까 A_V 전압 + 입력 +E_V 전압의 합산값이 D2 및 C1를 경유하는 부하 쪽에 출력 → 음의 펄스가 입력되는 조건 & 음의 충전 중 커패시터인 조건에서, -B_V의 절대치가 (전류 흐름을 생각할 때) D1을 통해 덧대기, 플러스 되는 상황이 된다. 그러므로 V_load 전압 = A_V + E_V 또는 | -B_V + -E_V |인 패턴이 교차함 . A_V와 B_V는 거의, 거의… 커패시터 충전 Slope와 지정 펄스의 주기와 폭 등 변수에 따르는 거의 엇비슷하게. 논리상 2.0배이지만, 현실은 그 밑. 그럼에도 논리를 따라가서, 그냥 곱하기 2배인 더블러(Doubler)라고 함. 최초 입력이 +E, -E였고 그것이 2 × E가 되는 것과 같음)
그리고…
커패시터와 다이오드, 상/하 펄스 입력, 음 전압을 뒤집어서 더해주기로 정리되는 배압 논리는, 입자가속기 실험 내지 원자붕괴 실험용 초고압을 생성하는 콕크로프트-월튼(Cockcroft-Walton) 회로, 다이나마이트론(Dynamitron) 회로에 연결된다.
* 관련 글 : 전자회로에서 AD/DC 전압을 키우는 방법론
