SMPS 설계실습: PWM 제어 및 Buck/Boost Converter

본 내용은 " (A+)중앙대 아날실, 아날로그 및 디지털 회로 설계실습 (2번실습 예비보고서) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.02.26

문서 내 토픽

• 1. PWM 제어 회로 설계

  UC3845 PWM 칩을 이용하여 0V~10V의 출력전압과 12.5kHz 스위칭 주파수를 갖는 PWM 제어 회로를 설계한다. 출력전압이 규정값보다 저하하면 오차증폭기와 비교기를 통해 펄스폭을 증가시켜 보상하고, 상승하면 펄스폭을 감소시켜 규정값으로 복귀시킨다. 스위칭 주파수는 1/RC=12.5k 조건으로 결정된다.

• 2. Buck Converter 설계

  PWM 제어 회로와 Buck Converter를 결합하여 5V 입력에서 2.5V 출력을 생성하는 SMPS를 설계한다. PWM의 6번 핀이 MOSFET 스위치를 제어하며, MOSFET이 ON일 때 입력전류가 인덕터를 통해 출력으로 흐르면서 에너지가 축적되고, OFF일 때 축적된 에너지가 환류다이오드를 통해 방출된다.

• 3. Boost Converter 설계

  PWM 제어 회로와 Boost Converter를 결합하여 5V 입력에서 10V 출력을 생성하는 SMPS를 설계한다. MOSFET이 ON일 때 인덕터에 에너지가 축적되고 다이오드는 차단되며, OFF일 때 축적된 에너지가 환류다이오드를 통해 출력측으로 방출되어 전압을 승압한다.

• 4. SMPS 동작 원리

  SMPS(Switching Mode Power Supply)는 스위칭 소자의 ON/OFF 제어를 통해 전력을 효율적으로 변환한다. 펄스폭 변조(PWM)를 이용하여 출력전압을 제어하며, 인덕터와 다이오드로 구성된 에너지 저장 및 방출 메커니즘으로 안정적인 출력을 유지한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. PWM 제어 회로 설계

  PWM 제어 회로는 현대 전력 전자 시스템의 핵심 기술입니다. 스위칭 주파수와 듀티 사이클을 정밀하게 제어함으로써 효율적인 전력 변환이 가능합니다. 설계 시 고려해야 할 중요한 요소는 스위칭 손실 최소화, 열 관리, 그리고 EMI 억제입니다. 적절한 드라이버 회로와 피드백 제어 루프의 안정성이 매우 중요하며, 마이크로컨트롤러나 전용 PWM 컨트롤러를 활용하여 정확한 제어를 구현할 수 있습니다. 실제 응용에서는 부하 특성과 동작 환경을 충분히 분석하여 설계해야 합니다.

• 2. Buck Converter 설계

  Buck Converter는 고전압을 저전압으로 변환하는 가장 기본적이고 효율적인 DC-DC 컨버터입니다. 설계 시 인덕터와 커패시터의 선정이 출력 전압 리플과 응답 특성을 결정하므로 신중해야 합니다. 스위칭 주파수가 높을수록 부품 크기를 줄일 수 있지만 손실이 증가하므로 최적점을 찾아야 합니다. 안정적인 폐루프 제어를 위해 보상 회로 설계가 필수적이며, 과전류 보호 및 열 관리도 중요합니다. 다양한 부하 조건에서 안정적으로 동작하도록 설계하는 것이 실무에서 매우 중요합니다.

• 3. Boost Converter 설계

  Boost Converter는 저전압을 고전압으로 변환하는 중요한 토폴로지로, 태양광 시스템과 배터리 응용에서 널리 사용됩니다. Buck Converter와 달리 출력 전압이 입력 전압보다 항상 높아야 하므로 설계 제약이 있습니다. 인덕터의 에너지 저장과 방출 과정을 정확히 이해하고, 연속 및 불연속 도전 모드를 고려하여 설계해야 합니다. 출력 전압 리플 제어와 입력 전류 리플 최소화가 중요하며, 특히 높은 승압비에서는 스트레스가 증가하므로 신뢰성 있는 설계가 필수적입니다.

• 4. SMPS 동작 원리

  SMPS(Switched Mode Power Supply)는 고효율의 현대적 전원 공급 장치로, 스위칭을 통해 에너지를 효율적으로 변환합니다. 기본 원리는 입력 전압을 고주파로 스위칭하여 변압기를 통해 원하는 전압으로 변환하고, 출력을 정류 및 필터링하는 것입니다. 선형 전원과 달리 열 발생이 적어 효율이 높고 부품이 소형화될 수 있습니다. 다양한 토폴로지(Forward, Flyback, Push-Pull 등)가 있으며, 각각 특정 응용에 최적화되어 있습니다. 정확한 피드백 제어와 보호 회로가 안정적인 동작을 보장하므로, 설계 시 이러한 요소들을 종합적으로 고려해야 합니다.