SMPS 설계실습: PWM 제어 및 Buck/Boost 컨버터

본 내용은 " 아날로그및디지털설계실습 예비보고서 2주차 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.07.26

문서 내 토픽

• 1. PWM (Pulse Width Modulation) 제어 회로

  PWM 제어 회로는 출력 전압의 오차를 검출하여 펄스폭을 조정하는 회로입니다. UC3845 칩을 이용하여 오차 증폭기, 비교기, 구동회로 세 부분으로 구성됩니다. 기준전압은 1.23V(typ)이며, 생성되는 구형파 펄스 범위는 0.1~13.5V입니다. 스위칭 주파수 12.5kHz에서 출력전압 0~10V(peak to peak)를 생성하도록 설계합니다.

• 2. Buck Converter (강압형 컨버터)

  Buck 컨버터는 입력전압 5V에서 출력전압 2.5V를 생성하는 회로입니다. 스위치 Q의 ON/OFF 시간에 따른 인덕터 전류 리플을 계산하여 설계합니다. 정상상태에서 직류 출력전압은 Vo=D×Vi 식으로 표현되며, duty ratio D=0.5일 때 출력전압이 결정됩니다. 인덕터와 커패시터의 값을 선정하여 안정적인 출력을 보장합니다.

• 3. Boost Converter (승압형 컨버터)

  Boost 컨버터는 입력전압 5V에서 출력전압 10V를 생성하는 회로입니다. Volts-second 평형 조건을 이용하여 duty ratio를 계산하면 D=0.5입니다. 입력 인덕터와 다이오드의 전류 특성을 분석하여 연속/불연속 경계 조건에서 최소 전류가 0A가 되도록 설계합니다.

• 4. SMPS (Switching Mode Power Supply) 설계

  SMPS는 PWM 제어 회로와 Buck/Boost 컨버터를 결합한 전원공급장치입니다. 스위칭 주파수 12.5kHz에서 높은 효율의 전력변환을 실현합니다. UC3845 PWM 칩, MOSFET, 인덕터, 다이오드, 커패시터 등의 부품을 이용하여 안정적인 직류 출력전압을 제공하는 회로를 설계합니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. PWM (Pulse Width Modulation) 제어 회로

  PWM 제어 회로는 현대 전력 전자 시스템의 핵심 기술입니다. 스위칭 주파수와 듀티 사이클을 조절하여 출력 전압이나 전류를 정밀하게 제어할 수 있다는 점이 매우 효율적입니다. 특히 DC-DC 컨버터, 모터 제어, LED 밝기 조절 등 다양한 응용 분야에서 필수적입니다. PWM의 장점은 높은 효율성과 작은 크기의 필터 소자로도 충분한 성능을 낼 수 있다는 것입니다. 다만 고주파 스위칭으로 인한 EMI 문제와 회로 복잡도 증가는 고려해야 할 단점입니다. 전력 변환 기술의 발전에 있어 PWM은 필수 불가결한 요소입니다.

• 2. Buck Converter (강압형 컨버터)

  Buck Converter는 높은 입력 전압을 낮은 출력 전압으로 변환하는 효율적인 방식입니다. 간단한 회로 구성으로도 높은 효율을 달성할 수 있으며, 특히 배터리 충전, 서버 전원 공급, 자동차 전자 시스템 등에서 광범위하게 사용됩니다. PWM 제어를 통해 출력 전압을 정밀하게 조절할 수 있다는 점이 강점입니다. 또한 입력 전류가 연속적이어서 입력 필터 설계가 상대적으로 용이합니다. 다만 출력 전류가 불연속일 수 있고, 이로 인한 출력 리플 관리가 필요합니다. 전력 변환 효율이 높아 열 발생이 적어 신뢰성 있는 전원 공급 솔루션입니다.

• 3. Boost Converter (승압형 컨버터)

  Boost Converter는 낮은 입력 전압을 높은 출력 전압으로 변환하는 중요한 회로입니다. 태양광 발전, 무선 전력 전송, LED 백라이트 구동 등 다양한 응용에서 필수적입니다. 에너지 저장 소자인 인덕터를 활용하여 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다는 점이 핵심 장점입니다. 출력 전압이 입력 전압보다 항상 높다는 특성으로 인해 설계 자유도가 높습니다. 다만 출력 전류가 불연속이 될 수 있고, 스위치 오프 시 다이오드 역전압 스트레스가 발생합니다. 또한 입력 전류 리플이 크므로 입력 필터 설계에 주의가 필요합니다. 효율적인 전압 승압 솔루션으로서 가치가 높습니다.

• 4. SMPS (Switching Mode Power Supply) 설계

  SMPS 설계는 현대 전자기기의 전원 공급을 담당하는 핵심 기술입니다. 높은 효율성, 작은 크기, 가벼운 무게 등의 장점으로 인해 컴퓨터, 통신 장비, 산업용 기기 등 거의 모든 전자 제품에 적용되고 있습니다. PWM, Buck, Boost 등 다양한 토폴로지를 조합하여 요구되는 전압과 전류를 공급할 수 있습니다. 설계 시 고려해야 할 사항은 효율성, 안정성, 노이즈 관리, 열 처리 등 다양합니다. 특히 고주파 스위칭으로 인한 EMI/RFI 문제 해결이 중요합니다. 정교한 피드백 제어와 보호 회로 설계가 필수적입니다. SMPS는 에너지 효율 개선과 환경 보호 측면에서도 매우 중요한 기술입니다.