배터리는 포터블 시스템 애플리케이션의 일반적인 전력 소스이다. 오늘날에는 마이크로컨트롤러(MCU) 기반의 포터블 시스템을 발견하는 것이 특별한 일이 아니다. 다양한 MCU들은 1.8V 수준의 낮은 전원 전압으로 동작한다. 따라서 2개의 AA 또는 AAA 셀을 이용해서 회로를 구동할 수 있다. 하지만 회로가 더 높은 전압을 필요로 한다면(예를 들어서 LCD의 LED 백라이팅을 위해서는 약 7.5V DC가 필요) 전원 전압을 예를 들어 3V에서 요구되는 전압으로 부스트하기 위해 적합한 DC/DC 컨버터를 선택해야 한다. MCU와 함께 일부 추가적인 디스크리트 부품들의 이용해 적합한 DC/DC 부스트 전압 컨버터를 개발할 수 있다.(참고자료 1)
이 디자인 아이디어에서는 1개의 소형 8핀 MCU와 몇 개의 디스크리트 부품을 이용해서 DC/DC 컨버터를 구현하는 방법에 대해 설명한다. 이 디자인은 조절이 가능하며, MCU의 제어 소프트웨어를 변경하는 것만으로 다양한 유형의 출력 전압 요구사항을 충족시킬 수 있다. 또한 MCU는 특정한 출력 전압 스타트업 레이트를 발생시키도록 프로그램할 수도 있다.
그림 1은 부스트 스위칭 레귤레이터의 기본적인 토폴로지를 보여준다. 이 레귤레이터의 출력 전압은 입력 전압보다 높다. 부스트 스위칭 레귤레이터는 CCM(Continuous Conduction Mode) 또는 DCM(Discontinuous Conduction Mode)으로 동작한다. 회로를 DCM 동작으로 셋업하기가 더 쉽다.(참고자료 2) DCM으로 동작할 경우에는 PWM의 일정한 간격 동안 인덕터 전류가 0A로 떨어지고, CCM일 경우에는 인덕터 전류가 절대로 0A가 되지 않는다. PWM 출력의 하이 피리어드가 끝났을 때(스위치가 온이 됨) 인덕터를 통해서 최대 전류가 전달되며, 이는 다음과 같다.
공식 1:
여기서 VDC는 입력 전압이고, D는 듀티 사이클이다. T는 총 사이클 시간이고, L은 인덕터의 인덕턴스이다. 시간 TR에 다이오드의 전류가 0으로 떨어진다.
공식 2:
부하 전류는 평균 다이오드 전류이다.
공식 3:
공식 1과 공식 2는 다음과 같이 단순화할 수 있다.
공식 4:
출력 전압 VOUT은 다음과 같다.
공식 5:
출력 커패시터의 값이 리플 전압을 결정하는데, 이는 다음과 같다.
공식 6:
여기서 dV/dt는 PWM 신호의 피리어드 동안에 출력 전압의 드롭을 나타내며, I는 부하 전류이고, C는 요구되는 출력 커패시터이다.
PWM 파의 총 피리어드는 T이며 시스템 상수이다. D는 PWM 파의 듀티 사이클이고, TR은 다이오드가 전도 상태인 시간이다. TR이 끝나면 다이오드 전류가 0A로 떨어진다. 이 파의 피리어드는 DCM일 때 T>DxT+TR이다. PWM 피리어드 T와 (DxT+TR)의 차이가 데드 타임이다.
일반적으로 인덕터를 작동하는 스위치는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 MOSFET이다. MOSFET은 대형 전류를 취급할 수 있고 효율과 스위칭 속도가 높기 때문에 선호되고 있다. 하지만 낮은 전압일 때는 게이트-소스 경계(Threshold) 전압이 충분히 낮은 적합한 MOSFET을 찾기가 어려울 뿐만 아니라 가격도 고가이다. 따라서 여기에서는 BJT를 이용하도록 한다.(그림 2)
MCU는 10kHz에서 200kHz 이상에 달하는 PWM 주파수를 제공한다. 높은 PWM 주파수가 바람직하다. 이는 낮은 인덕터 값을 가능하게 하고, 소형 인덕터를 이용할 수 있도록 하기 때문이다. 아트멜(www.atmel.com)의 Tiny13 AVR MCU는 약 37.5kHz의 주파수와 8bit의 분해능으로 고속 PWM 모드를 제공한다. PWM 분해능이 높을수록 원하는 출력 전압에 근접할 수 있다.
공식 1의 최대 인덕터 전류는 20μH 인덕터의 경우에 0.81A이다. 인덕터를 스위칭하는 트랜지스터는 최대 컬렉터(Collector) 전류가 이 값보다 높아야 한다. 2SD789 NPN 트랜지스터는 1A 컬렉터 전류로 제한한다. 따라서 이 DC/DC 컨버터에 적합하다. 공식 4에서 이들 값을 이용해 달성 가능한 최대 부하 전류는 54mA이다. 그러므로 7.5V의 출력 전압을 위해서 필요한 최대 부하 전류 요구를 충족한다.
Tiny13 MCU는 2개의 고속 PWM 채널과 4개의 10bit ADC 채널을 갖췄다. 또 다른 PWM 채널 및 ADC 채널은 15V의 출력 전압과 15mA의 최대 부하 전류를 위한 이차 DC/DC 컨버터를 구현한다. 이 컨버터를 위한 인덕터의 값은 100μH이다. 출력 커패시터 값을 계산하려면 공식 6을 이용해야 한다. 5mV 리플의 경우 7.5V 출력 전압을 위한 커패시터의 값은 270μF이다. 출력 전류가 50mA이고 PWM 시간 피리어드가 27μs이기 때문이다. 그러므로 이 회로는 가장 근접한 값보다 보다 높은 330μF를 이용해야 한다. 마찬가지로 15V 출력 전압을 위해서 요구되는 커패시터 값은 81μF이다. 따라서 100μF의 커패시터를 이용해야 한다.
이 MCU를 위한 프로그램들은 C로 작성되었으며 공개 소스 AVR GCC 컴파일러를 이용했다.(www.avrfreaks.net) AVR Tiny13 MCU는 내부 클록 주파수 분할기를 필요로 하지 않고 9.6MHz의 내부 클록 주파수로 동작한다. 따라서 PWM 주파수는 9.6MHz/256=37.5kHz이며, 내부 레퍼런스 전압은 1.1V이다. 메인 프로그램이 ADC의 2개 채널을 교대로 읽어서 인터럽트 서브루틴으로 출력 전압을 모니터한다. 메인 프로그램이 무한 루프를 실행하고, ADC 값을 읽어서 출력 전압을 모니터한다. 이에 따라서 PWM 값을 조절할 수 있다.
참고자료
- “Boost converter”, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Boost converter
- Pressman, Abraham I, Switching Power Supply Design, Second Edition, McGraw-Hill Professional, Nov 1, 1997, ISBN-10: 0070522367, ISBN-13: 978-0070522367.
Caption
Figure 1
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그림 1. 부스트 스위칭 레귤레이터의 출력 전압은 입력 전압보다 높다. 부스트 스위칭 레귤레이터는 CCM 또는 DCM으로 동작한다.
Figure 2
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그림 2. 아트멜의 Tiny13 AVR MCU는 내부 ADC 및 PWM을 이용해서 2개의 부스트 DC/DC 컨버터 출력을 조정한다.
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Figure 1, Figure 2
