[논문]스마트기기를 위한 12 V 승압형 PWM DC-DC 변환기 설계 및 특성해석

나재훈; 송한정

doi:10.5762/kais.2016.17.6.239

초록
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본 논문에서는 스마트기기의 배터리를 전원으로 갖는 12 V 승압형 PWM 변환기를 설계하고 컨버터를 구성하는 각 소자들의 손실을 계산하여 가장 안정적인 동작을 하는 설계 값을 도출하였다. 12 V 승압형 PWM 변환기는 저항, 커패시터 및 인덕터 등의 여러 수동소자를 비롯하여, 다이오드, 전력 스위치용 파워 MOS 트랜지스터와 PWM 신호제어를 위한 IC를 사용하여 구현하였다. 컨버터를 구성하는 주요 소자들의 이론적인 계산 값과 회로설계 해석프로그램인 PSPICE를 사용한 시뮬레이션 결과를 비교하고 각 소자 값들을 변화시키며 결과 파형을 분석한다. 분석한 컨버터를 실제 PCB 보드에 구성하고 디지털 오실로스코프와 DMM 멀티미터를 사용하여 측정하였고, SPICE 시뮬레이션을 통해 얻은 결과 값과 비교하였다. 설계한 컨버터에서 사용한 제어용 IC 칩은 TI(텍사스 인스트루먼트) 사의 LM3481을 사용하여 설계를 구현하였고, 5V 입력, 12V의 출력 값을 가지는 것을 확인하였다. 모의실험과 동일한 조건에서 출력전압, 리플전압 및 부하, 입력전압 변도율 등의 특성에 대한 측정결과는 SPICE 시뮬레이션 결과와 일치하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a 12 V PWM boost converter was designed with the optimal values of the external components of the power stage was well as the compensation stage for smart electronic applications powered by a battery device. The 12 V boost PWM converter consisted of several passive elements, such as a...

In this study, a 12 V PWM boost converter was designed with the optimal values of the external components of the power stage was well as the compensation stage for smart electronic applications powered by a battery device. The 12 V boost PWM converter consisted of several passive elements, such as a resistor, inductor and capacitor with a diode, power MOS switch and control IC chip for the control PWM signal. The devices of the power stage and compensation stage were designed to maintain stable operation under a range of load conditions as well as achieving the highest power efficiency. The results of this study were first verified by a simulation in SPICE from calculations of the values of major external elements comprising the converter. The design was also implemented on the prototype PCBboard using commercial IC LM3481 from Texas Instruments, which has a nominal output voltage of 12 V. The output voltage, ripple voltage, and load regulation with the line regulation were measured using a digital oscilloscope, DMM tester, and DC power supply. By configuring the converter under the same conditions as in the circuit simulation, the experimental results matched the simulation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 스마트기기를 위한 12 V 승압형 PWM DC-DC 변환기 설계 및 특성을 해석하였다. Texas Instruments사의 LM3481 상용칩을 사용하여 최적화된 회로를 구현하였다.

제안 방법

본 논문에서는 TI사의 LM3481을 사용하여 스마트기기를 위한 5 V입력, 12 V 출력전압을 가지는 승압형 컨버터를 설계하고 이를 구성하는 소자의 값을 변화시킴에 따라 컨버터의 출력전압 및 안정성에 미치는 영향을 분석하고 실제 보드로 구성하여 시뮬레이션 결과와 실제 측정결과를 비교 분석하였다.

대상 데이터

입력 Vin 전압이 인가되면 변환기 출력은 저항 R1과 R2의 귀환에 의해, 스위칭 트랜지스터에 의해 조정이 된다. 제어기 (controller) 는 T1의 LM3481칩을 사용하였다. 입력전압은 스마트기기의 배터리 전압과 동일한 5 V 입력을 가지고 12 V 출력전압을 가지도록 설계하였다.

성능/효과

또한 커패시터 값이 커질수록 리플 전류가 줄어드는 것을 확인하여 최대 효율값을 가지는 값들을 알아보았다. 또한 실험용 보드는 TI 사의 LM3481칩, 파워트랜지스터, 각종 저항과 커패시터 등을 사용하여 구현하였고 회로의 특성을 하드웨어로 구현했을 때와 모의실험 결과가 일치함을 확인하였다.
입력전압이 5 V일 때 출력전압이 12 V로 나타나는 것을 확인하였고, 인덕터 값을 변화시켜 주었을 때 값이 작아질수록 리플 전류가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 커패시터 값이 커질수록 리플 전류가 줄어드는 것을 확인하여 최대 효율값을 가지는 값들을 알아보았다. 또한 실험용 보드는 TI 사의 LM3481칩, 파워트랜지스터, 각종 저항과 커패시터 등을 사용하여 구현하였고 회로의 특성을 하드웨어로 구현했을 때와 모의실험 결과가 일치함을 확인하였다.
Texas Instruments사의 LM3481 상용칩을 사용하여 최적화된 회로를 구현하였다. 입력전압이 5 V일 때 출력전압이 12 V로 나타나는 것을 확인하였고, 인덕터 값을 변화시켜 주었을 때 값이 작아질수록 리플 전류가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 커패시터 값이 커질수록 리플 전류가 줄어드는 것을 확인하여 최대 효율값을 가지는 값들을 알아보았다.

후속연구

본 논문의 DC-DC 변환기는 스마트기기의 고효율 구동에 유용하게 활용될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현대의 스마트기기가 기기 하나에 다양한 기능을 내장하게 됨에 따라 변환기에 무엇이 필요하게 되었는가?	이에 따라 각 기능에 맞는 다양한 출력전압이 요구되며 각 전압변화에도 출력전압이 안정적으로 공급 될 수 있도록 설계되어야 한다. 그러므로 컨버터를 구성하고 있는 각 소자들이 컨버터 출력 값과 안정성에 미치는 영향을 정확히 분석하고 시뮬레이션 결과 값과 실제 설계된 컨버터의 동작을 비교 분석하는 과정이 필요하다 [5-6].
	스마트 기기 전원 공급 용으로 가장 많이 쓰이는 회로는 무엇인가?	최근 휴대폰, 스마트워치, 노트북, PDA와 같은 스마트기기의 수요가 크게 증가되었고 보편화 되고 있다. 이러한 스마트 기기에 전원을 공급해주는 역할로 가장 널리 사용되는 회로는 DC-DC 변환기이다 [1-2]. DC-DC변환기는 입력과 출력 사이에 DC 절연을 위한 고주파 트랜스포머의 유무에 따라 크게 절연형 변환기와 비절연형 변환기로 나누어지며 회로는 기본적으로 주 스위치와 환류 다이오드, 2차의 저역 통과 필터인 LC 필터로 이루어진다.
	DC-DC변환기는 어떻게 구분되는가?	이러한 스마트 기기에 전원을 공급해주는 역할로 가장 널리 사용되는 회로는 DC-DC 변환기이다 [1-2]. DC-DC변환기는 입력과 출력 사이에 DC 절연을 위한 고주파 트랜스포머의 유무에 따라 크게 절연형 변환기와 비절연형 변환기로 나누어지며 회로는 기본적으로 주 스위치와 환류 다이오드, 2차의 저역 통과 필터인 LC 필터로 이루어진다. 그림 1에 종래의 변환기가 적용된 스마트기기 및 전자기기들을 나타내었다.

참고문헌 (10)

L. M. Piao, "A study on Design of PMIC of SEPIC/BOOST Topology with Integrated current sensing circuit", Inha University Master degree , 2011.
J. K. Kim, "Design of high-efficiency Buck DC-DC converter for reduction of control circuit loss," Hanyang University Master degree, 15-16, 2011.
Xiaoming Duan, Haifei Deng, Nick X. Sun, Alex Q. Huang, Dan Y. Chen " A High Performance Intergrated Boost DC-DC converter For Portable Power Supply" 13-17, IEEE 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/APEC.2004.1295950
Eric Magne Solie, "Soft Start Precharge Circuit for DC Power Supply," U.S. Patent 6 998 829, 2006.
K. Jung, J. Lim, J. Park, H. Yang "A High Efficiency CMOS DC-DC Boost Converter with Current Sensing Feedback", IEEE Tran. Circuits and systems, 1-3, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MWSCAS.2005.1594437
Said Oucheriah, Liping Guo, "PWM-Based Adaptive Sliding-Mode Control for Boost DC-DC Converters," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 60, no. 8, pp. 3291-3294, 3292-3293, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2012.2203769

상세보기
Gabriel A, Rincon-Mora, Philip E. Allen, "A Low-Voltage, Low Quiescent Current, Low Drop-Out Regulator", IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. 33, 36-44, No. 1, Jan 1998. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/4.654935

상세보기
C. F. Lee, Philip K. T. Mok, "A Monolithic Current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip Current-Sensing Technique", IEEE Journal of Solid-State Cirucits, Vol. 39, No. 1, 3-14, Jan 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/JSSC.2003.820870

상세보기
Y. Katayama, S. Sugahara, H. Nakazawa, M.Edo, "High-Power-Density MHz-Switching monolithic DC-DC Converter with Thin-Film Inductor", 1485-1490, IEEE 2000. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/PESC.2000.880526
D. M Bellur, M. K. Kazimierzuk, "DC-DC Converters for Electric Vehicle Applications", 286-293, 1-3, IEEE 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/EEIC.2007.4562633

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