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2019.06.10 01:02

파워 이야기 - DCDC 컨버터

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조회 수 2566 댓글 38
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안녕하세요.

 

PFC회로에 이어서 DCDC컨버터에 대해 글을 써보려고 합니다.

 

DCDC 컨버터에는 크게 절연형과 비절연형으로 나뉩니다.

 

1차 2차 구분이 있으면 절연형 구분이 없을 경우 비절연형으로 나눠집니다.

 

우선 비절연형으로 글을 시작하며 컴퓨터에 가장 많이 사용되는 Buck Converter를 기준으로 작성해 보겠습니다.

 

bbb.jpg

 

가장 기본적으로 구성되는 회로 부품입니다. 스위치, 다이오드, 인덕터, 콘덴서 가 필요합니다.

 

CPU전원부 그래픽카드 전원부 등등 12V를 사용하여 1.2V 이런식으로 변환을 하여 사용되는데 여기에 사용되는

 

전압강하 회로이며 스위칭으로 PWM(Pulse Width Modulation) 라는 방법으로 원하는 전압을 만듭니다.

 

3.jpg

 

12V의 입력전압을 스위치 부품 으로 8%만 켜고 꺼버리는 동작을 반복하면 0.96V라는 전압을 얻을수 있습니다.

 

형광등이 1시간에 100Wh를 사용합니다. 50Wh로 줄이고 싶다면 30분만 켜고 끄는걸 스위치로 하겠죠?

 

이러한 단순한 동작이 스위칭 방식의 기초라고 보시면 됩니다. 

 

이해를 돕기위해 컴퓨터 1대를 간단하게 구성하여 실험을 진행하였습니다.

 

CPU : 셀러론 G550

VGA : GTX760

파워 : 고생하던 600W

 

먼저 CPU전원부로 설명 드리겠습니다.

 

20190606_162209.jpg

 

vga vcc5.jpg

 

 

노란색 : CPU전압

빨간색 : 스위칭 파형

파란색 : CPU 4핀 전류

 

빨간색 파형을 보시면 계산되는 PWM(Duty)값이 약 10%대 입니다. (P3:duty 참조)  CPU전원부에는 12V가 사용되니

 

10% 넓이의 스위칭 동작을 하여 약 1.2V 전압을 만들어 사용하고 있습니다.

 

20190606_163039.jpg

 

cpu-z 로 보면 1.168V가 확인되고 있습니다.

 

입력전압(12V) * PWM(10%) = 출력전압(1.2V)가 됩니다.

 

똑같은 방법으로 VGA도 측정하였습니다.

 

20190606_153802.jpg

 

 

vga vcc.jpg

 

 

12V를 약 8%사용하니 0.96V정도 사용되고 있습니다.

 

20190606_155109.jpg

PC에서 모니터링 전압은 0.9750V가 표시되네요.

 

위 파형처럼 쪼개진 전압을 인덕터와 콘덴서로 정류하여 출력전압을 만들어 사용하게 됩니다.

 

 

비절연형 컨버터들은 부품 구성이 비슷하며 스위치, 다이오드 그리고 인덕터의 위치를 변경하여 PWM제어로

 

전압을 올리거나 내리거나 할 수 있습니다.

 

다음은 절연형 컨버터 입니다.

 

PC파워관련글 보시면 1차측 2차측 구분을 하게 되는데 이렇게 1차 2차 나누는걸 절연한다고 합니다.

 

프레젠테이션1.jpg

 

위 이미지의 빨간색 기준으로 왼쪽 입력부, 오른쪽 출력부로 나눠집니다.

 

그라운드 분리 혹은 절연되었다는것은 전기 가 흐를 수 있는 길이 없다는 뜻입니다.

 

빨간색 중간에 칩이 있는데 칩도 내부가 절연되어 있습니다. 빨간색 넓이는 안전 규격으로 몇mm 이상 정해져 있습니다.

 

이렇게 분리하는 이유는 입력 전압이 사람에게 해를 입을 수 있는 고전압이기 때문입니다.

 

비절연형으로 파워를 만들었다고 가정하고 부품이 손상되어 입력전압이 출력전압으로 나가게 될 경우

 

사람이 다칠 수도 있기 때문에 분리시키는 이유가 가장 큽니다.

 

PC파워가 비절연형이면 마우스나 키보드를 만질 때 항상 긴장되겠죠.

 

전원부 절연에는 트랜스포머라는 부품이 사용되는데 1차 와 2차를 나누고 전력을 전달하기 위한 부품 입니다.

 

20190608_094721.jpg

 

트랜스포머는 구리선에 코팅을 하여 1차측 권선, 2차측 권선을 하게되고 전력 전달을 더 효율적으로 하기위해

 

페라이트 코어라는 자성체를 사용합니다.

 

20190608_094834.jpg

 

코어라는 부품을 결합하여 트랜스포머라는 부품이 만들어집니다. 이해를 돕기 위해 구리선과 코어만으로 조립한

 

이미지 입니다.

 

 

20190222_175324.jpg

 

실제로는 보빈이라는 부품(검은색)에 구리선과 절연테이프를 이용하여 1차와 2차를 철저하게 구분해줍니다.

 

사용되는 노란색 테입은 한번 덮을 때 약 1KV의 전압을 막을 수 있습니다.

 

트랜스포머로 1차와 2차를 구분하게 되면 절연형 컨버터가 됩니다.

 

PC파워에서 많이보는 더블포워드, LLC 등등 많은 방식들이 있는데 모두 트랜스포머로 절연하는 컨버터 입니다.

 

트랜스포머를 사용하는것 이외에는 절연형과 비절연형 스위칭 전원은 PWM제어가 기초가 되어 동작하게 됩니다.

 

읽어주셔서 감사합니다.

 

 



  • profile
    낄낄 2019.06.10 01:10
    일단 메인에 걸고 그 다음에 정독하러 다시 오겠습니다...
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.10 23:51
    감사합니다. 조금이라도 도움이 되는 글이면 좋겠습니다!
  • profile
    군필여고생쟝- 2019.06.10 01:33
    크흠 회로이론 시험공부중에 보니 더욱 머리가 아파지는군요
  • ?
    포인트 팡팡! 2019.06.10 01:33
    군필여고생쟝-님 축하합니다.
    팡팡!에 당첨되어 5포인트를 보너스로 받으셨습니다.
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.10 23:53
    회로이론 시험공부 중이시군요. 좋은 결과 있으시면 좋겠네요!
  • ?
    미주 2019.06.10 01:40
    SMPS가 종류가 참 많죠
    Buck 컨버터 이야기가 나와서, Buck컨버터의 절연형이 Forward컨버터(트랜스포머 권선비가 1:1) 일겁니다
    특성은 조금 다르지만요....
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.10 23:54
    정확하십니다. 등가적으로 포워드 2차측이 벅과 동일하죠!
  • profile
    ExyKnox      2019년 19살 엑시녹스입니다 으엉엉 2019.06.10 01:44
    CPU 쿨러 고정이 인상적이군요

    (긁적긁적...) 그러니까 1차로 고전압 고전류를 정류하고 2차로 넘기기 전에 트랜스포머를 쓴다는 말씀이신 거 같은데,

    어... 잘 모르겠네요. 선으로 직접 연결되어있지 않고 트랜스포머를 통해서 전력 전달을 한다는 의미라면 절연되어 있다는 게 이해가 가는데 말입죠(긁적긁적긁적긁적)
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.10 23:57
    쿨러 고정브라켓이 없어서 방법이 케이블 타이가 좋더군요.
    ExyKnox님께서 이해하신 부분이 똑같은 의미인거 같은 느낌인데 아닌가요 (긁적긁적긁적긁적)
  • profile
    ExyKnox      2019년 19살 엑시녹스입니다 으엉엉 2019.06.11 00:27
    (긁...적.....긁적.....)
  • ?
    title: 17세로리링 2019.06.10 02:16
    혹시저 노란테이프로 번개도 막을수잇나요?
  • profile
    title: 공돌이미쿠미쿠 2019.06.10 18:03
    번개는 이미 대기와 지면과의 엄청난 거리를 뛰어 넘을 정도로 높은 전압을 가지고 있어
    절연 보다는 패러데이 케이지를 이용하여 주변에 피해를 주지 않고 바로 지면으로 방전 할 수 있도록
    접지를 잘 처리하는것만으로 막을 수 있습니다.
    피뢰침이 낙뢰를 접지를 통해 최단거리로 방전시키는 역할이죠.
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:00
    노란색 테이프는 번개를 막을 수가 없어요.
    파워서플라이에서 낙뢰 대책은 바리스터 혹은 써지어레스터 등이 있어요.
  • profile
    title: 저사양아라 2019.06.10 05:48
    노란테이프가 그런거였다니 신기하네요.
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:05
    노란테이프 물건입니다. ㅎㅎ
  • ?
    마라톤 2019.06.10 08:04
    좋은 정보 감사합니다. ^_^
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:05
    좋은정보로 봐주셔서 감사합니다!
  • profile
    title: AMDInduky      자타공인 암드사랑 정회원입니다 (_ _) 2019.06.10 10:55
    재밌는 글 잘 읽었습니다 -ㅂ-b
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:05
    재미있게 읽어주셔서 감사합니다!
  • ?
    화니류 2019.06.10 11:50
    이것만 100%이해를 하면 좋겠는데요.. 기본이 없어서..(문과)
    이해가 1도안되는게 함정이네요. 그래픽카드 전원부를 저렇게 하는것도 신기하고요 ㅠㅠ
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:10
    제가 글 쓰는 능력도 그렇고 부족한 부분이 있어 이해를 제대로 못 시켜드린 것 같네요.
    그래도 읽어주셔서 감사합니다.
  • ?
    화니류 2019.06.11 02:04
    pcb기판이나 전원부, mlcc, 초크, 등 어떻게 하는지 알아서 고쳐보고싶어서요.
    기반이 없으니까 아무리 좋은 설명을 들어도 뭐가뭔지 이해가 되질않는..ㅜㅜ
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.12 22:22
    제가 현재도 잘하는건 아니지만 관심이 많았었어요. 화니류님도 관심이 있으신것 같아요.
    제가 글쓰기를 잘 못하다보니 정말로 좋은글 혹은 서적을 찾아보시면 많은 도움 되실거 같네요.
    쪽지로 메일주소 주시면 관련자료 보내드릴수 있어요~!
  • ?
    오꾸리 2019.06.10 15:11
    전자과 회로이론 수업을 여기서 하시면 ... 크흠...
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:13
    취미로 봐주셔야 합니다. 기글에서 머리가 아프시면..ㅜㅜ
  • profile
    title: 어른이白夜2ndT      원래 암드빠의 길은 외롭고 힘든거에요! 0ㅅ0)-3 / Twitter @2ndTurning 2019.06.10 16:08
    잘 이해가 안가기는 한데, 스위칭 방식이라는게 짧은 시간동안 전류를 끊었다 줌으로서 전력소비를 줄이는 방식이라고 보면 될려나요. 그나저나 노랑 절연테이프 대단하네요... 한번 두르는데 1kv를 막아내다니...
  • ?
    움헤헤 2019.06.10 23:24
    buck converter의 경우 출력되는 전류는 인덕터에 흐르는 전류와 동일하기때문에 출력 전류를 유지하면서 입력되는 전류를 on/off control 해서 인덕터에 흐르는 평균 전류를 유지하는 동작을 합니다.
    대부분 PMIC는 일정한 전압/전류를 출력하는것을 목적으로 하기때문에 소비 전력을 줄이는것과는 상관이 없으며, 100%에 가까운 효율로 입력 전력을 출력 전력으로 변환하는것을 목표로 하기때문에 높은 효율을 달성한다는 측면에서 보면 어느정도 맞는 표현이기도 합니다.
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:21
    스위칭 말고 리니어 방식도 있는데 필요 없는 전력을 열로 태운다고 보시면 됩니다. 용량이 커질수록 열이 어마어마합니다.
  • profile
    title: 공돌이미쿠미쿠 2019.06.10 18:06
    와아-이 이제 Rds를 최소화 시켜서 스위칭 손실을 줄일 수 있는 방법이 궁금해요 아카링님!
  • ?
    이수용 2019.06.10 18:42
    리니어무룩
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:25
    RDS가 낮아질수록 Gate 가 커지기 때문에 효율 올리기가 쉽지 않아요. RDS저항값 보다는 영전압스위칭, 영전류스위칭을 통해 고효율 장치를 달성할수 있어요!
    RDS저항값이 낮은 FET가 효율에 기여하는 부분은 Sync. Buck Converter에서 On시간이 작을때(입력대비 출력전압이 극히 낮을때) 로우 사이드 스위치에 적용할경우 효율에 큰 이득이 있습니다.
  • profile
    MA징가 2019.06.10 21:42
    저도 일단 스크랩!!
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:28
    스크랩 감사합니다!
  • profile
    Alexa 2019.06.10 23:51
    추천 기능이 없는게 아쉽네요.
    잘 봤습니다..^_^..
  • ?
    포인트 팡팡! 2019.06.10 23:51
    Alexa님 축하합니다.
    팡팡!에 당첨되어 5포인트를 보너스로 받으셨습니다.
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.11 00:28
    댓글로 추천이라는 단어를 적어주셔서 기분이 좋네요.
    감사합니다!
  • profile
    title: 공돌이방송 2019.06.11 09:45
    좋은 글 감사드립니다.
  • profile
    아카자아카리      아카링~ 2019.06.12 22:22
    읽어주셔서 감사합니다!

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