[Converter] DC to DC 컨버터: 리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터 (4)

 

 

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안녕하세요.

DC to DC 컨버터는 한 종류의 직류 전압을 다른 전압으로 변환하는 장치로, 전자 기기에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 변환 과정에서 사용되는 두 가지 주요 방식은 리니어 레귤레이터(Linear Regulator)와 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)입니다. 두 방식은 서로 다른 장단점을 가지고 있으며, 다양한 응용 분야에서 적합한 선택이 필요합니다. 이번 글에서는 이 두 방식의 작동 원리와 장단점, 사용 사례를 자세히 살펴보겠습니다.

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- 전원 컨버터의 종류를 참고 해보세요.

- AC to DC 컨버터의 내용을 참고 해보세요.

- DC to AC 컨버터의 내용을 참고 해보세요.

※1. 리니어 레귤레이터 (Linear Regulator)

리니어 레귤레이터는 간단한 DC to DC 변환 방법 중 하나로, 출력 전압이 입력 전압보다 낮을 때 주로 사용됩니다. 이 방식은 전압 차이에 해당하는 에너지를 열로 소모하는 방식으로 작동합니다.

Linear Regulator Circuit - Digikey // Linear Regulator Output - Microdevice

 

▶1. 작동 원리

리니어 레귤레이터는 입력 전압을 낮추기 위해 직렬로 연결된 트랜지스터(보통 NPN 또는 PNP 타입)를 제어합니다. 트랜지스터는 가변 저항기로 작동하여 입력 전압에서 일정한 전압을 차단하고, 그 차이를 열로 방출합니다. 레귤레이터는 기준 전압(reference voltage)과 피드백 회로를 통해 출력 전압을 제어하며, 일정한 출력 전압을 유지하려고 합니다.

 

▶2. 장점

 

• 간단한 설계: 리니어 레귤레이터는 구조가 매우 간단하여 설계와 구현이 용이합니다.
• 저잡음 출력: 리니어 방식은 출력에 거의 리플(ripple)이 없고 잡음이 적어 민감한 전자 기기에 적합합니다.
• 빠른 응답 속도: 출력 전압의 변동에 즉각적으로 반응하며, 스위칭 레귤레이터보다 빠른 응답 속도를 가집니다.

 

 

▶3. 단점

 

• 낮은 효율성: 리니어 레귤레이터는 입력 전압과 출력 전압의 차이를 열로 변환하기 때문에 효율이 낮습니다. 특히 입력 전압이 출력 전압보다 많이 높을수록 더 많은 에너지가 낭비됩니다.
• 발열 문제: 효율이 낮아 많은 열을 발생시키며, 이로 인해 방열판 같은 추가적인 냉각 시스템이 필요할 수 있습니다.
• 입력 전압 제약: 입력 전압이 출력 전압보다 높아야만 작동할 수 있으며, 출력 전압은 항상 입력 전압보다 낮아야 합니다.

 

 

▶4. 사용 사례

 

• 소형 전자 기기: 리니어 레귤레이터는 저전력, 저전압 애플리케이션에서 자주 사용됩니다. 잡음에 민감한 오디오 장비나 센서 시스템에서 특히 유용합니다.
• 전압 안정화: 정밀한 출력 전압이 요구되는 회로에서 사용됩니다. 예를 들어, 마이크로컨트롤러에 전원을 공급할 때 일정한 전압을 보장하기 위해 사용됩니다.

 

 

 

 

※2. 스위칭 레귤레이터 (Switching Regulator)

스위칭 레귤레이터는 보다 복잡한 방식으로, 높은 효율을 제공하는 DC to DC 변환 방식입니다. 스위칭 레귤레이터는 출력 전압을 제어하기 위해 전류 흐름을 빠르게 켜고 끄는 스위칭 동작을 사용합니다.

Switching Regulator Circuit & Output - sunpowe.inc

▶1. 작동 원리

스위칭 레귤레이터는 스위치(주로 트랜지스터 또는 MOSFET)를 사용하여 전력을 ON/OFF로 스위칭합니다. 이 과정에서 에너지를 저장하고 방출하는 인덕터와 커패시터를 사용하여 원하는 전압을 얻습니다. 스위칭 주파수는 매우 높으며, 제어 회로가 출력 전압을 감시하고 피드백을 통해 스위칭 비율(duty cycle)을 조절해 일정한 출력 전압을 유지합니다.

스위칭 레귤레이터는 세 가지 주요 형태로 나눌 수 있습니다:

• Buck 레귤레이터: 입력 전압을 낮추어 출력 전압을 만듭니다.
  

  

• Boost 레귤레이터: 입력 전압을 높여 출력 전압을 만듭니다.
  

  

• Buck-Boost 레귤레이터: 입력 전압을 높이거나 낮추어 출력 전압을 생성할 수 있습니다.
  

  

 

 

 

 

▶2. 장점

 

• 높은 효율성: 스위칭 레귤레이터는 전력 소모를 최소화하며, 90% 이상의 높은 효율을 제공할 수 있습니다. 입력 전압과 출력 전압 차이가 커도 에너지를 열로 낭비하지 않습니다.
• 입출력 전압 유연성: 스위칭 레귤레이터는 출력 전압이 입력 전압보다 높거나 낮을 수 있어 다양한 응용에서 사용 가능합니다.
• 고전력 애플리케이션: 고출력 전류를 필요로 하는 애플리케이션에서도 효율적으로 동작할 수 있습니다.

 

 

▶3. 단점

 

• 복잡한 설계: 스위칭 회로와 제어 회로가 복잡하며, 설계가 어려울 수 있습니다.
• EMI(전자기 간섭): 높은 스위칭 주파수로 인해 주변 장비에 전자기 간섭(EMI)을 발생시킬 수 있으며, 이를 줄이기 위한 추가적인 필터링이 필요합니다.
• 출력 리플: 리니어 레귤레이터에 비해 출력에 리플이 발생할 수 있으며, 이로 인해 민감한 전자 기기에서는 추가적인 필터링이 필요할 수 있습니다.

 

 

▶4. 사용 사례

 

• 배터리 전원 시스템: 스위칭 레귤레이터는 배터리로 구동되는 장치에서 에너지 효율을 극대화하는 데 사용됩니다. 휴대폰, 노트북, 태블릿 같은 장치에서 자주 사용됩니다.
• 전력 변환 장치: 높은 전력 효율이 중요한 대규모 시스템(예: 태양광 인버터, 전기 자동차 충전기 등)에서 많이 사용됩니다.
• 산업용 전자 기기: 고출력, 고전력 애플리케이션에서 효율적인 전력 변환을 위해 사용됩니다.

 

 

 

	리니어 레귤레이터	스위칭 레귤레이터
출력 형태	감압	강압, 승압, 반전
출력 가능 전력 범위	수 W 이하	대 전력 가능
효율	낮음(~60%)	높다(90%~)
노이즈	적음	큼
응답 속도	빠름	느림
설계	간단	복잡
부품수	적음	많음
비용	저가	고가

 

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터는 각기 다른 장점을 가지고 있으며, 다양한 응용에서 선택적으로 사용됩니다. 리니어 레귤레이터는 간단하고 잡음이 적어 정밀한 전압 조절이 필요한 저전력 애플리케이션에서 적합합니다. 반면에 스위칭 레귤레이터는 고효율을 제공하며, 전력 손실을 최소화해야 하는 고출력, 고전력 시스템에 적합합니다. 각 방식의 특성과 사용 목적을 잘 이해하여 적절한 DC to DC 컨버터를 선택하는 것이 중요합니다.

 

 

 

이상으로 DC to DC의 2가지 형태 레귤레이터에 대한 설명을 마치겠습니다.

감사합니다.