DC-DC 전압 변환의 마법 (2023)

 (lcamtuf.substack.com)
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  • 배터리와 저가 어댑터의 전압은 모터, LCD 백라이트, 디지털 칩의 요구 전압과 맞지 않아 소비자 전자기기 대부분이 DC 전압 변환에 의존함
  • 저항 분압기와 선형 레귤레이터는 단순하지만, 부하 전류나 전압 강하가 커질수록 열 손실과 배터리 수명 문제가 빠르게 커짐
  • 차지 펌프는 커패시터 스위칭만으로 전압을 곱하거나 나눌 수 있고 효율이 90%를 넘기도 하지만, 단순 구조에서는 전압 조정과 고전류 부하에 한계가 있음
  • Buck 컨버터는 인덕터와 스위치로 낮은 전압을 정밀하게 만들며 작은 장치도 수 A급 전류를 다루지만, 인덕터 손실과 무선 주파수 간섭을 고려해야 함
  • Boost 컨버터는 인덕터의 자기장 붕괴로 공급 전압보다 높은 전압을 만들며, 출력이 수백·수천 V까지 올라갈 수 있어 출력 조정이 필수임

전압 변환이 필요한 이유

  • 시장의 거의 모든 소비자 전자기기는 어떤 형태로든 DC 전압 변환을 수행함
  • 일반적인 배터리나 저가형 벽면 어댑터의 출력 전압은 회로의 모든 부품 요구에 맞지 않음
    • 모터
    • LCD 백라이트
    • 최신 세대 디지털 칩
  • 마이크로컨트롤러 내부에서도 전압 변환이 일어날 수 있음
    • EEPROM과 플래시 메모리를 위해 더 높은 전압을 만드는 작은 내부 차지 펌프가 있을 수 있음
    • CPU 코어를 위해 더 낮은 전압을 만드는 별도 레귤레이터가 있을 수 있음
  • 취미 전자 회로에서는 LM7805, LM317 같은 오래된 선형 IC가 최신 32비트 MCU와 함께 쓰이는 경우가 있음
  • 스위칭 레귤레이터가 등장해도 작업에 적합한지 따지지 않고 다른 설계를 그대로 복사하는 사례가 많음

저항 기반 전압 분압기

  • 알려진 안정적인 전원에서 중간 전압을 만드는 가장 단순한 방법은 저항 분압기임
  • R1과 R2 중간에 의미 있는 부하가 연결되지 않으면 두 저항을 흐르는 전류는 같음
  • 중간 전압은 R2에 걸리는 전압 강하로 계산되며, R1 = R2이면 중간점은 공급 전압의 절반이 됨
  • 가장 큰 제약은 부하로 빠져나가는 전류가 R1·R2를 흐르는 전류에 비해 무시할 만큼 작아야 한다는 점임
    • 이 조건이 깨지면 중간 전압은 부하 동작에 따라 달라짐
    • 전력 소모가 큰 부하에 안정적인 전압을 공급하려면 비현실적으로 낮은 저항값이 필요함
    • 그 결과 R1-R2 경로에서 큰 낭비 전류가 흐름
  • 실제로는 op-amp 입력이나 FET 게이트 바이어스용 바이어스 네트워크에서 흔히 쓰임
    • 이런 용도에서는 부하가 사실상 없고 저항값을 10kΩ~100kΩ 수준으로 둘 수 있음
    • 낭비 전류는 마이크로암페어 범위에 머묾

부하를 분압기의 일부로 쓰는 방식

  • 부하가 회로 조건에서 거의 일정한 저항처럼 동작한다면, 부하 자체를 R2 대신 분압기의 일부로 사용할 수 있음
  • 이 방식도 여전히 에너지를 낭비함
    • 부하 전압을 낮추는 과정은 R1이 전자 흐름을 방해하고 공급 에너지 일부를 열로 바꾸는 방식임
    • 낭비 열은 줄의 법칙 P = IV로 계산됨
  • 전류가 크고 필요한 전압 감소가 수분의 1V보다 크면 손실이 심해짐
  • 유용한 일을 하면서도 일정한 저항처럼 동작하는 부하는 많지 않음
    • 프로그램을 실행하는 집적회로는 해당하지 않음
    • 부하가 걸린 모터도 해당하지 않음
  • 이런 부하는 필요한 전류와 겉보기 전도도·저항이 시간에 따라 변하므로, 저항비에 의존하는 분압기 출력 전압이 흔들림

기본 선형 레귤레이터

  • 가변 저항처럼 동작하는 소자를 피드백으로 제어하면, 부하 저항이 변해도 일정한 출력 전압을 유지할 수 있음
  • 트랜지스터 기반 전압 팔로어는 이런 동작과 유사함
    • n채널 MOSFET은 소스와 게이트 사이 전압이 충분히 양수일 때 전도하기 시작함
    • 저항 분압기로 원하는 전압을 게이트에 공급하고 부하를 소스 쪽에 두는 구성이 가능함
  • 2N7000 같은 범용 MOSFET으로 구현할 수 있지만 예상만큼 잘 동작하지 않음
    • Vth는 이진 임계값이 아님
    • BS170의 Vth는 1mA에서 2.1V로 지정되지만, 100mA를 전달하려면 Vgs가 약 3.2V에 도달해야 함
    • Vref가 고정된 상태에서 더 큰 부하 전류가 필요하면 소스와 기준 전압 사이 간격이 커지고 출력 전압이 처짐
  • 내부 제너 다이오드로 절대 전압 기준을 제공하면 공급 전압 변동에도 Vref를 더 안정적으로 만들 수 있음
    • 다이오드는 제어된 전류가 흐를 때 p-n 접합 공핍 영역을 통과하는 데 필요한 에너지 때문에 비교적 일정한 전압 강하를 만듦
  • op-amp를 전압 팔로어로 써서 부하에 공급되는 출력 전압을 직접 감시하면 단일 트랜지스터 설계의 한계를 줄일 수 있음
    • 장치는 Vref와 Vout의 차이를 감지함
    • 트랜지스터 게이트 전압을 반대 방향으로 조정해 오차를 없앰
    • 이 피드백은 게이트-소스 전압과 드레인 전류 사이의 비이상적인 관계를 제거하고 Vth 오프셋도 없앰
  • 피드백 저항 두 개는 선택 사항이며, 다이오드 기준 전압에 비례해 출력 전압을 조정할 수 있음
    • R1 = R2이면 Vout은 2 × Vref가 됨
  • 선형 레귤레이터는 결국 정교한 가변 저항이어서 특별한 이유 없이는 쓰기 까다로움
    • 에너지는 I와 V에 비례해 낭비됨
    • 열 관리 문제와 배터리 수명 감소가 뒤따름
  • 예외는 아주 작은 전류나 매우 작은 전압 강하가 필요한 경우임
    • op-amp 입력 바이어스
    • ADC 기준 전압 생성
    • 정밀 선형 레귤레이터가 이런 용도에 적합함

스위치드 커패시터 컨버터와 차지 펌프

  • 스위치드 모드 레귤레이터는 복잡해 보이지만, 차지 펌프의 기본 원리는 플라잉 커패시터와 출력 커패시터 사이의 전하 이동임
  • 플라잉 커패시터 Cf를 공급 레일에 연결하면 단자 사이에 Vsupply와 같은 전압이 생김
    • 이 전압은 커패시터 내부 전기장에 저장된 전하의 결과임
    • 전원에서 분리해도 잠시 유지됨
  • 충전된 Cf를 출력 커패시터 Co에 연결하면 일부 전하가 Co로 이동해 출력 커패시터 단자에 양의 전압이 생김
    • 이 과정을 반복하면 Co가 거의 완전히 충전됨
    • A와 B 사이 전압은 Vsupply에 가까워짐
  • 출력 커패시터의 더 음전위 단자 B가 양의 공급 레일에 묶이면, A와 C 사이에서는 2 × Vsupply를 측정할 수 있어 전압 배율기가 됨
  • 실제 차지 펌프에서는 커패시터를 물리적으로 옮기지 않고 네 개의 FET를 정해진 순서로 토글해 전기적으로 스위칭함
    • 스위칭 주파수는 보통 100kHz~2MHz임
    • 감독 회로가 스위칭을 매개해 연결된 부하로 거의 끊김 없이 에너지를 전달함
    • 이런 감독 기능은 여러 방식으로 구현할 수 있으며, 작은 코드를 실행하는 단순 마이크로컨트롤러 구조도 점점 흔함
  • 출력 커패시터 배열을 바꾸면 다른 배율이나 음전압을 만들 수 있음
    • Co를 접지 레일에 매달고 Cf를 앞뒤로 뒤집으면 음전압을 만들 수 있음
    • 전하 이동이 대칭적이므로 같은 접근으로 전압 분할도 가능함
  • 커패시터는 내부 전기장을 잘 가두고, 최신 MLCC는 표준 차지 펌프 동작 주파수에서 낮은 임피던스를 보임
    • LM2776 같은 컨버터 IC는 넓은 부하 범위에서 90%를 넘는 효율을 보이는 경우가 많음
    • 무선 주파수 간섭도 크지 않음
    • 구조가 단순하고 고급 제어 로직이 필요 없어, 전용 컨트롤러 칩 없이 즉석 구현도 쉬움
  • 단순 차지 펌프의 큰 제약은 전압 조정 기능 부족임
    • Vsupply의 임의 배수를 만들 수 있지만 공급 전압이 흔들리면 출력도 흔들림
    • 출력 전압을 감시하다가 설정점에 도달하면 전하 이동을 멈추는 방식으로 거친 조정은 가능함
    • 출력에 선형 레귤레이터를 추가할 수도 있지만 효율 손실을 받아들여야 함
    • LTC3240은 약 ±5%로 조정되는 승압 차지 펌프 예시임
  • 차지 펌프의 전하 전달은 본질적으로 불연속이고 커패시터 사이 전압 차이에 의존함
    • 출력 전압이 목표에 가까워질수록 한 사이클에서 옮길 수 있는 전하가 줄어듦
    • 고전류 용도에는 덜 적합함
    • 약 200mA보다 큰 부하에 차지 펌프를 쓰는 경우는 드묾
    • 그 이상에서는 인덕터 기반 해법이 앞섬

Buck 컨버터

  • 가장 단순한 인덕터 기반 전압 레귤레이터는 Buck 컨버터이며, 공급 전압보다 낮은 제어된 출력 전압을 만듦
  • 컨트롤러는 출력 전압을 감시하고, 출력이 사전 설정 수준보다 낮아지면 스위치를 켜서 공급 레일에서 출력 커패시터를 다시 충전함
  • 돌입 전류를 제한할 방법이 없으면 커패시터가 너무 빨리 충전되어 Vout이 즉시 Vsupply까지 오버슈트할 수 있음
    • 충전 경로에 작은 저항을 넣을 수 있지만 에너지 일부가 열로 소모되어 낭비가 생김
    • 인덕터는 전류 변화를 억제하면서 에너지 일부를 내부 자기장에 가역적으로 저장하므로 더 나은 선택임
  • 스위치가 닫히면 인덕터 전류가 점진적으로 증가해 커패시터 충전 수준을 제어하기 쉬워짐
  • 스위치가 열리면 인덕터의 붕괴하는 자기장이 기존 전류 흐름을 계속 밀어내려 함
    • 새 경로가 없으면 인덕터 단자에 위험한 전압 스파이크가 생김
    • 스위치 쪽은 음전위, 커패시터 쪽은 양전위가 됨
    • 저장된 에너지가 비생산적으로 소모되어 인덕터가 저항과 다를 바 없어짐
  • 이를 막기 위해 단순 Buck 컨버터에는 역방향 바이어스된 다이오드나 보조 스위치가 필요함
    • 인덕터 왼쪽이 0V 레일보다 더 음전위가 되면 다이오드가 전도함
    • 붕괴하는 자기장은 0V 레일에서 전자를 끌어와 커패시터와 부하 쪽으로 밀어 넣음
  • 설계자는 스위치가 꺼진 동안 흐르는 전류까지 고려해 커패시터 과충전을 막아야 함
    • 자기장에 저장되는 에너지는 인덕터의 켜짐 시간에 거의 비례함
    • 따라서 현상의 크기는 예측하고 제어하기 쉬움
  • Buck 컨버터는 높은 스위칭 효율을 내세우지만, 최적 성능은 보통 특정 부하 범위에서만 나옴
    • 주요 손실원 중 하나는 인덕터 코일의 저항임
    • 저가·소형 풋프린트 부품을 고르면 이 저항이 높을 수 있음
    • 인덕터에서 새는 전자기장은 손실과 MF·HF 대역 무선 간섭을 유발함
    • 라디오 수신기나 정밀 증폭기 같은 일부 용도에서는 스위칭 전원이 문제가 될 수 있음
  • 반대로 Buck 컨버터는 반연속적으로 동작해 높은 전류 전달과 전압 조정에 강함
    • 공급에서 부하로 이어지는 직접 전류 경로가 있음
    • 인덕터 단자 사이에 일관된 전압 차이가 있음
    • AP63203 같은 작은 장치도 수 A를 다룰 수 있음
    • 인덕터 전류가 점진적으로 증가하므로 우수한 전압 조정이 가능함
  • 외부 인덕터가 필요한 IC뿐 아니라, 회로 설계를 단순화하는 저가 일체형 모듈도 있음

Boost 컨버터

  • Buck 레귤레이터는 출력 커패시터 전압이 공급 전압보다 높아지면 스위치가 닫힐 때 인덕터 전류가 역방향으로 흐르므로 공급 레일보다 낮은 전압만 만들 수 있음
  • 더 높은 전압을 만들기 위한 일반적인 방식은 Boost 토폴로지임
  • 스위치가 닫히면 원칙적으로 공급 레일 사이에 단락이 생기지만, 짧은 시간 동안 인덕터가 전류 흐름을 억제하며 공급 에너지를 내부 자기장으로 돌림
    • 이 효과는 코어가 포화되면 빠르게 줄어듦
    • 인덕터 파괴나 에너지 낭비를 피하려면 스위치를 오래 닫아두면 안 됨
  • 스위치가 열리면 인덕터의 붕괴하는 자기장이 기존 방향의 전하 흐름을 유지하려 함
    • 코일 왼쪽 단자는 더 음전위가 됨
    • 오른쪽 단자는 더 양전위가 됨
  • 더 음전위 쪽은 여전히 양의 공급 레일에 연결되어 있어 공급 기준 전위가 일정하게 유지됨
    • 다른 단자에서는 Vsupply보다 높은 전압이 나타남
    • 이 전압 스파이크가 다이오드를 전도시켜 커패시터로 에너지를 전달함
  • 코일이 만들 수 있는 최대 기전력은 Vsupply를 크게 넘을 수 있으므로 커패시터도 더 높은 전압까지 충전될 수 있음
    • 스위칭이 충분히 빠르고 과정이 무한히 계속되면 수백 또는 수천 V에 도달할 수 있음
    • 따라서 출력 조정이 필수임
    • 인덕터의 켜짐 시간을 바꿔 각 단계에서 전달되는 에너지량을 조정할 수 있음
  • MCP1642B/D 같은 Boost 컨버터는 단일 알카라인 셀에서 더 높은 전압 장치를 구동하거나 LCD 백라이트 같은 장치에 10V 이상을 만드는 데 흔히 쓰임
  • Boost 컨버터는 Buck 토폴로지와 장단점을 대부분 공유함
    • 인덕터가 필요함
    • 무선 주파수 간섭 흔적이 큼
    • 상당한 전류를 비교적 쉽게 전달할 수 있음

실제 구현에서의 다이오드 대체

  • 실제 Buck·Boost 컨버터에서는 다이오드가 동기식으로 동작하는 MOSFET 스위치로 대체되는 경우가 많음
  • 이 변경은 기능적 차이를 만들지는 않지만, p-n 접합의 본질적인 전압 강하를 피할 수 있음

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • DC-DC 컨버터는 어렵지만 재미있음. 기본 개념은 인덕터에 전류를 잠깐 흘린 뒤 끊으면 큰 전압 스파이크가 생긴다는 것인데, 고전적인 자동차 점화 장치가 이 방식임
    그 스파이크를 다이오드로 보내 커패시터를 충전하면 직류 출력을 얻을 수 있음. 스위칭 전원공급장치의 장점은 전력 경로에 저항이 거의 없어 효율이 좋다는 점이고, 단점은 주기의 일부에서 입력을 사실상 단락시키기 때문에 고장 시 화재가 날 수 있고 돌입 전류 제한기나 퓨즈가 필요할 수 있다는 점임
    승압, 강압, 변압기 기반 방식이 있고, 변압기를 쓰면 입력과 출력을 절연할 수 있어 AC 전원에서 구동할 때 안전상 필수임. 예전에 만든 것은 USB 5V DC 입력으로 120V DC를 만들어 60mA 120V DC가 필요한 골동품 텔레타이프를 구동하는 회로였음: https://github.com/John-Nagle/ttyloopdriver/blob/master/boar...
    기본 회로는 단순하지만 입력 USB, 출력, 무선 주파수로 스파이크가 새지 않도록 여러 표면실장 페라이트 비드와 작은 커패시터가 들어갔고, 전압·전류 잡음을 줄이기 위해 LTspice 시뮬레이션으로 값을 골라야 했음

    • “인덕터에 전류를 흘리다 끊으면 큰 전압 스파이크가 생긴다”는 설명은 보통 맞지 않음. 대부분의 DC-DC 컨버터는 강압 컨버터라서 전압 스파이크를 원하지 않고, 일반적으로 그것을 “스파이크”라고 보는 것도 부정확함
      더 나은 이해 방식은 전원에서 인덕터로 전류를 흘려 자기장에 에너지를 저장하고, 이를 멈추면 자기장이 줄어들며 에너지가 다시 전류로 변환되어 회로로 들어간다는 것임
      핵심은 타이밍과 매개변수를 잘 고르면 하류 전류의 전압을 선택할 수 있다는 점임. 인덕터 양단 전압은 인덕터 도선 주변 자기장 세기의 기울기에 따라 달라지므로, 다른 기울기를 고르면 다른 전압을 만들 수 있음. 안정적인 전압을 원하면 자기장 세기 그래프는 대략 톱니파가 되고, 유도 전압 그래프는 대략 사각파가 됨. 이해를 위해 단순화한 설명이지만, 톱니파는 일정한 전류 기울기를 만들고 이것이 일정한 전압으로 이어짐
    • 그 전압 스파이크는 플라이백 컨버터에만 해당함. 일반적인 강압/승압 컨버터는 그런 식으로 동작하지 않고, 전류 파형은 톱니파이며 전압 리플은 mV 범위로 설계됨
    • DC-DC 컨버터는 정상 동작에서 주기의 일부 동안 입력을 “단락”시키지 않음. 전압은 인덕터에 걸려 있음
      스위치가 너무 오래 켜져 인덕터가 포화 전류에 도달하거나 여러 연쇄 고장 모드 중 하나가 발생하면 입력이 사실상 단락될 수는 있음. 단순한 탄탈 디커플링 커패시터나 IC의 SCR 래치업처럼 여러 전자회로에서도 생길 수 있는 일이지만, 전원 토폴로지를 설계할 때 이런 고장 모드를 생각하기 좋음
      다만 USB를 전원으로 5V에서 120V로 올리는 경우라면 “단락”이라는 직관이 왜 나왔는지는 이해됨
    • 커패시터들을 충전한 다음 직렬로 확 붙이는 방식도 가능하지 않나? 그런 전원공급장치 이름이 따로 있는지 궁금함
    • 주기의 일부에서 단락된다고 보는 건 맞지 않는 듯함. 스위치가 고장나지 않는 이상 인덕터 임피던스가 꽤 큼
      기생 성분을 통해 잠깐 단락 비슷한 일이 생길 수는 있지만, 이상적인 경우에는 그렇지 않음
      요즘 칩들은 보통 자체적으로 소프트 스타트를 하지만, 문제는 입력 커패시터가 필요하고 이 커패시터는 처음 연결될 때 진짜 단락처럼 보인다는 점임
      작은 세라믹 커패시터라면 보통 큰 문제는 아니지만, 케이블 인덕턴스가 우연히 승압 컨버터를 형성해 실제 컨버터에 전압 스파이크를 먹이려 함

  • 승압 컨버터와 수격펌프 사이에는 흥미로운 연결이 있음
    수격펌프는 별도 동력 없이 물줄기의 운동 에너지를 이용해 하천의 물을 더 높은 곳으로 퍼올리는 장치임. 두 장치의 방정식은 사실상 같고 단위만 바뀜
    https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_ram

    • 전류는 운동량에 대응됨. 전자 드리프트에는 순운동량이 있기 때문임

  • 최근 OCW에 공개된 MIT 6.622 Power Electronics 강의를 강력 추천함
    https://youtube.com/playlist?list=PLUl4u3cNGP62UTc77mJoubhDE...
    https://ocw.mit.edu/courses/6-622-power-electronics-spring-2...
    David Perreault 교수는 훌륭함. 다중 kW 시스템을 설계하지 않는 한 필요 없을 고급 주제까지 들어가지만, 기본기를 모두 다루고 바닥부터 이해를 쌓아 어떤 것을 언제 쓰는 게 맞는지 알 수 있게 해줌

    • 전자공학 입문에 쓸 만한 자료를 찾고 있었음. 개인적으로 유용하다고 느낀 자료를 찾지 못했는데, 입문 강의는 너무 기초적이고 느려 집중이 안 되거나, 연습문제가 부족하거나, 지나치게 이론적인 경우가 많았음
      오디오파일이나 모형 기차 애호가처럼 자기 회로를 설계하고 구현할 수 있게 된 취미인들이 많으니 분명 도달 가능한 길은 있을 텐데, 전자공학을 정말 배우고 싶었지만 아직 제대로 익히지 못했음
    • 시작 난이도가 어느 정도인지 궁금함. 전자공학 지식은 아주 기본 수준이고 간단한 전원 회로 설계부터 해보고 싶음
      저항, 다이오드, 커패시터, 트랜지스터의 기초는 알고, 변압기·전파정류·커패시터로 된 가장 단순한 고전 전원공급장치는 설명할 수 있음. LDO + Arduino/ESP + LED 같은 기본 디지털 회로는 만들어봤고 기초 물리도 조금 알고 있음. 납땜은 잘함
    • 최근에 나에게도 추천됐는데, YouTube 추천이 개인화되고 있다는 느낌은 별로 안 듦

  • “열 관리 문제와 배터리 수명 감소 때문에 선형 레귤레이션은 거의 고생할 가치가 없다”는 말에는 오히려 정반대로 봄. 글의 대상이 취미 개발자라면, 상당수 프로젝트는 5V USB 충전기로 전원을 공급받고 소비 전류도 수백 mA 정도일 가능성이 큼
    LDO는 아주 싸고 구하기 쉽고 출력 특성도 꽤 괜찮으며 사용이 매우 쉬움. 사실상 무제한 5V가 있고 3.3V 100mA가 필요하다면 왜 안 쓰겠나?
    반면 강압 컨버터는 실제 공학 작업이 필요함. IC 하나를 대충 넣고 첫 시도에 완벽히 동작하길 기대할 수 없음. 비싼 완전 통합 모듈을 쓰거나, 직접 계산과 부품 수급을 꽤 해야 함. 간단한 일회성 PCB를 만드는 취미 개발자에게 어느 쪽도 그리 매력적이지 않음

    • 몇 년 전에는 번거로웠지만, 요즘은 R-78K3.3-0.5를 대충 넣어도 됨. 고전적인 3핀 3.3V 선형 레귤레이터와 같은 핀배열이지만 실제로는 80% 효율의 DC-DC 컨버터이고, 출력은 500mA이며 입력 범위는 36V까지 올라감
      ESP32처럼 250mA가 필요한 부품이 있어도 충분하고, 취미 프로젝트라면 2.40달러도 괜찮은 수준임
    • 원치 않는 잡음이나 불필요한 무선 주파수 방사를 피하고 싶을 때도 선형 레귤레이션이 매우 좋음
      싼 강압 컨버터는 잡음이 심해서 오디오나 라디오 관련 프로젝트를 만들거나 그런 장치가 근처에 있을 때 꽤 성가심
    • 5V를 3.3V로 낮춰야 한다면 LDO는 매우 합리적인 선택임. 100mA에서는 손실이 약 170mW 정도임
      하지만 예를 들어 24V를 3.3V로 낮춰야 하면 LDO는 꽤 뜨거워질 수 있고, 100mA에서도 손실이 2W를 넘음. 결국 “상황에 따라 다르다”가 맞음
    • 3.3/5는 대략 66% 효율이라서 아주 나쁘지는 않음. 강압 컨버터를 동작시키더라도 데이터시트에 보이는 95% 이상 효율을 실제 회로에서 얻는 건 간단하지 않음

  • 초보자 입장에서는 많은 튜토리얼이 “여기에 승압 컨버터 동작에 필수적인 마법의 스위치나 발진기가 있지만 실제 구현 방법은 말하지 않겠다” 식으로 넘어가서 매우 짜증남
    게다가 그 회로는 시작 전압 수준에서 동작해야 하고, 많은 경우 컨버터와 갈바닉 절연도 되어야 함. 신경 써야 할 것이 많고 실제로 사소하지 않음
    보통 답은 원하는 입력 전압에서 동작하는 IC를 찾거나, PWM 생성기에 필요한 소량의 전력을 선형 레귤레이터로 공급하는 것임. AI가 만든 답을 그대로 쓰는 것도 조심해야 함. Claude 3.5 Sonnet은 Arduino를 230V에 바로 연결하라고 제안했고, 몇 번 주고받은 뒤에도 말이 안 되는 “역병렬 다이오드” 같은 이상한 요소가 들어간 회로를 만들었음

    • TI Power Designer는 좋은 자료임. 당연히 TI 부품만 보여주지만, 기본 설계를 잡는 데 매우 유용함
      입력 전압 범위, 출력 전압 범위, 전력 같은 매개변수에 따라 복잡도(대략 BoM 수), 크기, 비용 등으로 필터링할 수 있고, 설계에는 보통 기준 레이아웃도 포함됨
      https://webench.ti.com/power-designer/

  • 자동차 전자파 적합성 시험 일을 하는데, 시험에 떨어지거나 다른 장치에 영향을 주는 원인은 거의 항상 전압 변환 쪽임
    강압-승압 컨버터는 잡음이 많고 까다로우며, 가장 싼 공급사의 모놀리식 IC를 쓰면 디버깅도 쉽지 않음. 상당히 성가신 논의로 이어짐

  • 최근 오디오 작업을 하면서, 예를 들어 3.7V를 5V로 바꾸는 장치 다수가 전원 레일에 잡음을 주입하고 그 잡음이 마이크 입력까지 들어오는 것을 많이 봄
    pisource의 배터리 지원 기능은 특히 심하지만, 다른 배터리 전원들도 많이 그럼. 마이크뿐 아니라 가속도계 같은 민감한 센서도 영향을 받음
    앞으로 DC-DC 컨버터를 만드는 사람들이 전원을 충분히 깨끗하게 만들어 이런 일이 생기지 않도록 신경 써주면 좋겠음

    • 잡음 없는 DC-DC 컨버터를 만드는 건 매우 어려움. 강압/승압 계열 컨버터는 시스템에 리플과 스위칭 잡음을 넣을 수밖에 없음
      이는 본질적으로 피할 수 없고, 기판 레이아웃에 매우 민감함. 이 넓은 대역의 주파수 성분을 능동 또는 수동으로 모두 걸러내는 것은 전혀 사소하지 않으며, 일반해는 없고 차원이 큰 트레이드오프 공간만 있음
      아날로그 회로에서 잡음이 중요하다는 말은 맞고, 원한다면 내장 인덕터로 잡음을 최대한 줄이려는 특수 DC/DC 컨버터 모듈에 많은 돈을 쓸 수 있음
    • 이런 건 커패시터로 95% 정도 해결되지 않나? 작은 내장 커패시터가 들어간 케이블도 있지 않나?

  • 동기식 컨버터의 96% 효율은 종이 위에서는 좋아 보이지만, 단일 보드 컴퓨터 전류 소모가 계속 늘고 BLDC 모터가 더 높은 전압에서 동작할 수 있게 되면 같은 전원에서 둘 다 공급할 때 큰 발열 문제가 생김
    12V를 5V 5A로 낮추는 정도는 관리 가능한 열이지만, 배터리 쪽이 20V, 30V로 올라가면 큰 전압 강하에서 생기는 열손실 때문에 주변이 녹기 시작함. 어떤 경우에는 손실이 늘어나더라도 발열을 여러 강압 컨버터에 나누기 위해 24V로 먼저 낮추고, 다시 24V에서 12V, 12V에서 5V로 낮추는 계단식 전원 레일을 써야 했음. 거대한 방열판 말고 전문가식 해법이 뭔지 듣고 싶음

    • 48V DC에서 5V DC 6.5A로 바꾸는 92% 효율 컨버터도 있음
      단일 보드 컴퓨터에서 이미 25W를 방열하고 있으니, DC-DC 컨버터의 2W도 같은 방식으로 처리할 수 있음
      https://www.meanwellusa.com/webapp/product/search.aspx?prod=...
    • 거대한 방열판이 아니라면 더 작은 방열판에 능동 냉각을 붙이고 MOSFET 병렬 구성을 쓰는 방법이 있음
      일정 전력 수준을 넘으면 대류 냉각만으로 버티는 것이 물리적으로 불가능함. 오디오 앰프나 일반적인 CPU/GPU를 보면 MOSFET, 커패시터, 인덕터 뱅크가 들어감. BoM 부품 수는 늘 수 있지만 각 부품의 요구 성능은 낮아짐
      위험한 점은 MOSFET을 신중히 등급 분류하고 매칭해야 한다는 것임. 정격 전류에 너무 가깝게 운용하면 하나가 타고, 부하가 나머지로 분산되고, 그 추가 부하를 못 견뎌 연쇄적으로 매우 짧은 시간에 고장날 수 있음. 또는 하나가 개방이 아니라 단락으로 고장나면 나머지도 즉시 죽음

  • 전자공학에 익숙하지 않은 사람에게 친절하게 경고하자면, 이 글은 “이제 올빼미를 그리세요”식으로 쓰여 있음. 대상 독자가 누구인지 잘 모르겠음
    이 수준으로 내용을 읽을 수 있는 사람은 이미 대부분을 알고 있고 그 이상도 알 가능성이 큼. 나머지는 책이 필요하고, 그 책은 이 내용이 꽤 기본이므로 다루면서 여기 나온 방정식도 유도해 이해할 수 있게 해줄 것임

    • 대상 독자는 학부 때 배운 회로 이론 지식이 흐릿하게 남아 있고, 그 뒤 취미나 업무로 전력전자 경험이 없는 사람일 수도 있음. 적어도 내 경우가 그럼
      제목에 “DC-DC 전압 변환”이 들어가 있으면, 그 뜻을 전혀 모르는 사람이나 이미 정확히 할 줄 아는 사람을 걸러내는 역할은 충분히 한다고 봄

  • 마이크로컨트롤러 세계에서 흔히 쓰는 대안은 그냥 다이오드 몇 개를 직렬로 쌓는 것임. 매우 단순한 대안이고 실제로 몇 번 쓰이는 것을 봤음

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