그림으로 배우는 전자회로의 기초(5) - 전원회로

그림으로 배우는 전자회로의 기초(Ⅲ) - 전원회로

 

 그림으로 배우는 전자회로의 기초(Ⅲ) - 전원회로



반드시 도움이 되는 전원 레귤레이터 2종류
‘리니어형’과 ‘스위칭형’
IC나 트랜지스터로 구성된 ‘전자회로’는 어떤 것이든 안정화 전원이 필요하다. 오늘날과 같은 에코 시대에는 고효율 전원에 대한 주목도가 높아지고 있다.
안정된 전원전압을 만드는 데에는, 낭비는 많지만 노이즈가 적은 리니어 레귤레이터와, 낭비는 없지만 노이즈가 많은 스위칭 레귤레이터가 있다.
전류 출력이 작아도 되며 낮은 노이즈 전원이 필요하다면 리니어 레귤레이터를, 그 외에는 스위칭 레귤레이터를 사용하면 될 것이다.

1. 전원용 전원
전원회로의 에너지원도 전원이다. 이 에너지원에는 전지나 상용 100V 전원이 있지만 모두 전압이 안정되지 않았다. 
전지는 사용 시간이 지나면 출력 전압이 떨어져 IC가 요구하는 전원전압 범위보다 낮아진다. 또한, 100V 전원을 정류 평활하여 얻을 수 있는 직류 전압은 큰 맥류(리플)를 포함하고 있으며, 100V 전원 라인에 연결하는 다른 전자기기의 영향으로 인해 100V 자체가 변동하면 이 직류 전압도 변동하게 된다.
트랜지스터로 변압하여 정류하는 것만으로는 원하는 정확한 전압이 되지 않는다.

2. 2개의 레귤레이터 ‘리니어형’과 ‘스위칭형’
AC 라인을 정류한 직류 전원이나 전지에서, 잘 변동하지 않는 정확하고 일정한 직류 전압을 만드는 회로 또는 IC를 레귤레이터라고 한다. 레귤레이터는 크게 리니어 타입과 스위칭 타입으로 나눌 수 있다(그림 1, 그림 2). 리니어 레귤레이터는 효율이 높지 않지만 출력 전압에 포함되는 노이즈가 적은 것이 특징이다. 스위칭 레귤레이터는 효율은 높지만 노이즈가 많은 것이 특징이다.
(1) 리니어 레귤레이터의 특징
리니어 레귤레이터에는 시리즈형 외에 부하에 병렬로 넣은 제어 트랜지스터로 전압을 제어하는 션트형이 있다[그림 3(b)]. 전류를 내보낼 뿐만 아니라 흡수하는 것이 특징이다.
시리즈 레귤레이터는 그림 3(a)와 같이 입력 측과 출력 사이에 넣은 제어 트랜지스터로 전압을 강하하여 출력 전압을 조정한다. 다리 3개의 원칩형 기본 IC ‘3단자 레귤레이터’가 많이 사용되고 있다.



① 특징 1 : 시리즈에 접속한 트랜지스터가 발열한다
제어 트랜지스터는 다음과 같은 식으로 나타내는 전력을 소비하여 열로 된다.
P＝(V_in－V_out)I_out
② 특징 2 : 강압만 가능하다
입력 전압은 출력 전압보다 항상 높아야 한다. 그 전압차는 리니어 레귤레이터의 종류에 따라 다르며 1∼3V 정도 필요하다.
③ 특징 3 : 소출력용
앞에서 설명한 바와 같이, 제어 트랜지스터가 출력 전류에 비례하는 전력을 소비하기 때문에 출력 전류가 큰 용도에는 사용할 수 없다.
(2) 스위칭 레귤레이터의 특징
전술한 리니어 레귤레이터보다 효율이 높다. 입력 에너지를 소량씩 인덕터나 콘덴서에 비축하고, 그 에너지를 양동이 릴레이처럼 하여 출력 측으로 이동시킨다(그림 4). 에너지를 전송하는 속도로 출력 전압을 조절한다.
① 특징 1 : 인덕터나 콘덴서는 전력을 손실하지 않는다
‘양동이’에 해당하는 인덕터나 콘덴서는 원리적으로 전력을 손실하지 않는다.
② 특징 2 : 트랜지스터의 손실도 극히 소량이다
스위칭 트랜지스터의 동작은 ON이나 OFF이다. ON 상태일 때에는 전류가 흐르지만 전압은 거의 제로이므로 스위칭 트랜지스터에서 소비되는 전력은 매우 적다(그림 5). OFF 상태일 때에는 전압이 걸리지만 전류가 제로이므로 스위칭 트랜지스터에서 소비되는 전력 역시 매우 적다.
③ 특징 3 : 승압과 강압 모두 가능하다
회로 방식에 따라 높은 전압에서 낮은 전압을 얻는 강압 레귤레이터 외에 낮은 전압에서 높은 전압을 얻는 승압 레귤레이터, 그리고 이 두 가지가 혼합된 승강압형 등 입출력 전압 관계를 선택할 수 있다.
④ 특징 4 : AC 입력할 수 있다
AC 어댑터 등 AC 라인에서 직류 출력을 얻는 경우에는 양동이 역할을 담당하는 L과 절연 트랜스를 겸용하도록 함으로써 AC 라인과 완전히 절연된 직류 출력을 얻는 것이 일반적이다.
⑤ 특징 5 : 노이즈가 엄청나다
스위칭형의 경우 장점이 많은 것처럼 보이지만, 스위칭에 의해 큰 노이즈가 발생한다. 용도에 따라서는 리니어형을 사용할 필요가 있다.





(3) 콘덴서에 저장한 에너지를 이용하는 충전 펌프형 DC-DC 컨버터
코일(L)과 콘덴서(C) 모두 에너지를 모은다는 점에서는 같다. 콘덴서를 사용한 충전 펌프형도 스위칭 타이밍을 제어하면 코일을 사용한 레귤레이터와 같은 기능을 갖도록 할 수 있다.
코일은 콘덴서보다 특수한 전자부품이라고 할 수 있다. 콘덴서를 사용한 충전 펌프형 스위칭 레귤레이터가 더 보급되었으면 하는 바람이지만 실제로는 그렇지 않다. 특히 전류가 작은 것밖에 없는 것 같다.
그림 6을 보면 전송용 C는 출력 측으로 넘겨 감량한 만큼의 충전을 입력 측에서 받게 된다. 이 때 순간적으로 대전류가 흐르기 때문에 전류가 커지면 장해가 된다.
전송용 소자에 L을 사용하면 전류 변화가 완만하므로 그런 일은 없다.
충전 펌프의 구체적인 예는 RS-232-C 트랜시버(RS-232-C와 일반 로직 사이의 레벨 변환 IC)에 내장되어 있는 전원 등이다. 약간 고압의 전원이 필요할 때 중요하게 사용할 수 있다.
예전부터 있던 배전압 정류 회로 등도 그 일종이라고 볼 수 있을 것이다. 이 배전압 정류 회로를 여러 단 쌓아올린 콕크로프트-월턴 회로는 전류를 필요로 하지 않는 고전압 발생에 사용된다.

DC-DC 컨버터와 스위칭 레귤레이터의 차이점은?
일렉트로닉스가 발달하지 않았을 때의 이야기이다. 트랜스로 승압할 수 없는 직류를 일단 교류로 변환하여 승압하고, 이것을 정류하여 다시 직류로 되돌리는 것을 그대로 부른 것이 DC-DC 컨버터의 시작인 것 같다. 스위칭 레귤레이터는 그 일종이다.
DC-DC 컨버터라는 단어는 정전압 기능을 갖추고 있지 않다는 의미도 포함하고 있다. 스위치드 커패시터를 사용한 충전 펌프형 회로 등은 그 중 하나이다. 
이 회로는 입력 전압의 2배나 －2배의 전압을 출력하지만, 정전압 기능은 갖추지 않았다(그림 6).
단, 현재는 단어가 혼용되고 있는 듯하며 상기의 충전 펌프 IC를 레귤레이터라고 불러도 문제는 없다. 엄밀하게 논의할 때에는 주의해야 하지만, 고집을 피워 선배들을 곤란하게 해서는 안 된다.
비슷한 단어인 ‘인버터’는 직류를 교류로 역변환하는 구조이다. 직류는 교류를 정류하여 만들 수 있었기 때문인 것 같다. 자동차 배터리에서 AC100V를 얻는 장치는 DC-AC 인버터라고 한다. 모터 제어장치와 형광등 제어기구도 본질을 나타내는지의 여부는 별도로 하고, 인버터의 의미는 같다.





낮은 전압에서 높은 전압을 만드는 승압형 레귤레이터
리니어 레귤레이터는 전력을 소비하여 전압을 떨어뜨리는 원리로 인해 강압만 가능하다. 스위칭 레귤레이터는 양동이(코일)에 일단 에너지를 모으므로, 강압은 물론 기세를 올리면 승압도 가능하며 아래부터 쌓아올리면 음전압도 생성할 수 있다.

1. 스위칭 레귤레이터는 승압도 가능하다
리니어 레귤레이터는 원리적으로 강압밖에 할 수 없지만, 스위칭 레귤레이터는 강압뿐만 아니라 승압과 극성 반전이 가능하다.
콘덴서가 전하를 충전하여 에너지를 모으는 것과 마찬가지로 코일은 전류를 모은다. 이 성질을 이용하여 전원 측(입력 측)에서 전류를 일단 코일에 모으고 출력 측에 토해내면 되는 것이다.
구체적으로는, 그림 8과 같이 스위치(트랜지스터)를 ON하여 인덕터에 전류를 흘린다. 트랜지스터를 OFF하면 멈추지 않는 코일의 전류가 트랜지스터에서 다이오드 측으로 흘러 출력 전압을 끌어올린다(그림 9). 출력 전압은 주고받는 속도로 조정할 수 있으므로 피드백을 걸어 출력 전압을 일정하게 유지한다.





2. 디스크리트로 만드는 ‘LED 점등 회로’
그림 10은 LED 점등 회로를 나타낸 것이다. 스위칭 레귤레이터의 기본 요소를 갖추고 있다. 주요 부분은 L₁, D₁, C₃, Tr₃에 의한 스위칭 회로이다.
스위칭 트랜지스터 Tr₃에서 L1에 흐르는 전류를 ON/OFF하고 D₁을 통해 C3에 전송한다.
Tr1과 Tr2로 구성된 것은 멀티 바이브레이터라는 발진 회로이다. 스위칭 트랜지스터의 ON/OFF 타이밍 신호가 발생한다.
Tr₄는 오차 앰프이다. Tr₄의 출력 전압을 R₆, R₇로 분압한 전압을 V_BE≒0.7V와 비교한다. Tr₄의 출력 전압이 0.7V보다 크면 Tr₁이 OFF되도록 작용하며 Tr₃의 OFF 시간을 늘린다. Tr3의 OFF 시간이 증가하면 결과적으로 L₁에 공급되는 전류가 줄어 출력 전압이 내려간다.
그림 11과 같이 입력 전압이 낮아지면 L1이 전원(입력)에 접속되는 시간(Tr3의 ON 시간)을 늘리고, 반대로 입력 전압이 높아지면 L1이 전원에 접속되는 시간을 줄여 출력 전압을 일정하게 유지한다.





전원회로는 쉬운 부분부터 시작해 본다
전원회로의 중요성은 알고 있지만, 전압을 발생시키는 평범한 테마이므로 별로 실험하고 싶지 않을지도 모른다.
그림 10에 나타난 회로는 전지 2개로 백색 LED를 점등한다는 실용성까지 부여했다. 어디까지나 승압형 스위칭 레귤레이터를 이해하는 것이 목적인 실험 회로이므로, 백색 LED 점등만 목적이라면 더 간단하게 만들 수 있다.
레귤레이션 기능을 생략해도 승압은 가능하며, 발진 회로와 스위칭 회로를 겸한 자려식이라는 회로도 있다. 더 나아가 정류용 다이오드를 사용하지 않는 대신 LED를 사용하여 직접 발광시킬 수도 있다. 
지면 관계상 전부 소개할 수는 없지만 다양한 회로가 있으므로 시도해 보면 재미있을 것이다.

단전원에서 양전원을 만드는 방법
AC100V로 동작하는 장치에는 ±5V, ±12V 등의 양전원으로 동작하는 IC가 있다. 그러나 전지로 동작하는 장치에서는 ＋3V, ＋4.5V 등의 한 종류 전원으로 동작한다. 이러한 장치에서는 전지가 출력하는 전압을 2분할하여 중간 전압을 만들고, 그 중간 전압을 회로의 기준 전압 즉 그라운드로 이용하고 있다.
이 중간 전위(가상 그라운드)에는 다양한 회로가 소비하는 전류가 흘러 들어오므로, 이 라인의 임피던스가 충분히 낮지 않으면 중요한 회로의 기준이 변동하여 원하는 성능을 얻을 수 없게 된다.



1. 안정적인 그라운드를 만들려면
전자회로는 그라운드가 없으면 움직이지 않는다. 그라운드란 회로의 동작 기준을 말하며, 0V 점이라고 한정되지는 않는다.
2.5V를 회로의 동작 기준으로 지정하면 2.5V가 그 회로의 그라운드(가장 그라운드라고 한다)이다.
가상 그라운드는 그림 13과 같이 2개의 저항으로 간단히 만들 수 있다. 실제로 부하 전류가 이 가상 그라운드에 흘러 들어가면, 분할 저항에 전류가 흘러 가상 그라운드의 전위가 신호에 맞춰 흔들리게 된다.
저항값을 작게 하면 부하전류의 영향을 줄일 수 있지만, 신호가 없을 때 분할 저항에 전류가 흘러 쓸데없는 전류를 소비하는 비경제적인 회로가 된다.
이 문제를 해결하려면 그림 14와 같이 분할점과 중점 출력 사이에 게인 1배의 버퍼 앰프를 추가한다. 버퍼 앰프는 출력 임피던스가 매우 낮기 때문에 가상 그라운드가 잘 변동하지 않는다.



해서는 안 되는 랭킹 No.1!
OP 앰프는 출력에 콘덴서를 직접 연결할 경우 발진한다

1.  왜 발진하는가?
그림 A는 그림 14의 OP 앰프에 고주파 전류가 직접 흘러 들어가지 않도록 콘덴서를 추가한 회로이다. 이것은 OP 앰프를 사용할 때 절대 해서는 안 되는 일이다.
OP 앰프의 출력에는 수십Ω의 저항(Rout)이 있다. 이 Rout에 의해 콘덴서 충전에 시간이 걸린다. 
그 영향으로 입력 단자에 피드백하는 신호의 위상이 지연되어 발진하게 된다.

2.  R1을 R2의 10배 이상 크게 하여 C2 측에 미치는 영향을 줄  인다
그림 15는 OP 앰프 출력에 발진 대책을 세운 예이다. 이 발진 대책 회로는 편리하다. OP 앰프를 사용하면 출력에 콘덴서를 병렬로 붙이고 싶어진다. 보통은 발진 위험이 높으므로 이 회로를 사용한다. 
그림 B는 해석 결과, 그림 C는 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이므로 참고하기 바란다.
이 회로는 자주 사용되는 데 비해 동작 해설이 거의 보이지 않는다. 이것은 엄밀하게 전달함수를 계산하려고 하면 매우 복잡하며 깔끔한 답을 얻을 수 없기 때문이다. 
방정식의 답으로 정확한 계산값을 얻을 수는 없어도 상수를 어떤 방향으로 움직여야 하는지 혹은 그 반대인지, 가장 좋은 점을 탐색하면 발견할 수 있는지 등의 정보 정도는 미리 확인해 보고자 하는 것이다.



리니어 레귤레이터의 이모저모
리니어 레귤레이터(안정화 전원)가 안정된 전압을 출력하는 구조에 대해 설명한다.

1. 심플하고 낮은 노이즈의 리니어 레귤레이터
그림 D의 구조로 동작하는 그림 E의 기준 전압원＋버퍼 앰프(이미터 폴로어) 구성은 저렴한 회로로서 이전부터 사용되고 있다. 노이즈가 작다는 이유로 지금도 사용되는 경우가 있다. 이미터 폴로어는 100% 부귀환이 걸린 앰프이며, 신호 입력 단자인 페이스 전압에 출력 단자인 이미터 전압이 따라간다.
단, 트랜지스터의 VBE나 제너 다이오드 전압이 불규칙하므로 3단자 레귤레이터와 같은 전압 정밀도는 기대할 수 없다.
이것을 간단하게 한 회로로, 그림 F의 저항 분할 회로＋버퍼 앰프 구성도 생각할 수 있다. 이 구성은 안정적이지는 않지만 작은 콘덴서로 큰 필터상수를 얻을 수 있다. 리플만 제거하면 되는 용도에 많이 사용되고 있다. 조정이 필요하지만, 안정화된 전압을 더 강압하여 낮은 전압으로 만들고자 할 경우 등에도 사용할 수 있다.

2. 디스크리트 트랜지스터로 만드는 리니어 레귤레이터
3단자 레귤레이터가 보급되기 전에는 그림 G와 같은 구조로 동작하는 개별 부품으로 그림 H와 같은 레귤레이터를 구성했다. 표준 회로는 그림 H와 같은 느낌이다. 가변 저항기에 의한 조정이 필수적이다.

3. 조정 없이 사용할 수 있는 션트 레귤레이터＋OP 앰프
기준 전압 Vref에 션트 레귤레이터를 사용하고 있으므로 조정 없이도 정확한 전압을 기대할 수 있는 리니어 레귤레이터이다(그림 I).









2. 실제 회로
전문가라면 ‘그렇게 쉽게 될 리가 없다’ 라고 얘기할 것이며, 그 말이 맞다.
OP 앰프를 사용한 버퍼 앰프의 출력 임피던스는 고역에서는 높아지므로, 주파수가 높은 신호 전류가 가상 그라운드에 흐르면 전위가 변동한다. 이 변동을 억제하기 위해서는 콘덴서를 추가하고 고역 임피던스도 낮춘다. 주파수가 높은 신호는 콘덴서를 통해 0V 라인에서 흘러나간다. 그러나 이 콘덴서가 수상한 존재로 되어 OP 앰프를 발진시킨다(자세한 내용은 ‘OP 앰프는 출력에 콘덴서를 직접 연결할 경우 발진한다’ 참조).
실제로는 출력 회로를 그림 15와 같이 한다. 이 회로는 위상 지연을 작게 억제할 수 있다. 중점에 흘러들어가는 전류 중 주파수가 높은 성분은 콘덴서로 바이패스되고, 주파수가 낮은 신호 전류는 OP 앰프가 흡수한다. 더 큰 전류가 흘러도 안정적인 그라운드를 구성하려면 그림 15(b)와 같은 트랜지스터를 추가한다.



3. 전원을 띄우면 안심할 수 있다
앞에서 설명한 가상 그라운드를 가진 장치를 다른 기기, 예를 들면 측정기 등에 연결할 때에는 서로 그라운드 전위가 다르므로, 안이하게 접속할 경우 그라운드끼리 쇼트되고 대전류가 흘러 회로가 파손될 가능성이 있다.
그라운드 측의 단자가 케이스에 확실하게 접속되어 있는 경우에는 이 가상 그라운드 회로를 사용하지 않는 편이 좋을 것이다. 단, 전지나 그림 16에 나타난 바와 같이 그라운드를 띄워서(플로팅하여) 사용하는 것을 전제로 하는 전원장치라면 문제없다.

 

4. 기동 시의 가상 그라운드 전압은 알 수 없다
여러 개의 전원을 필요로 하는 IC에는 그 상승 순서를 규정한 것도 있다. IC 구조상 불필요한 소자(기생 소자)가 생기는데, 전원 상승 순서를 틀리면 그것이 ON되어 단락되는 경우가 있기 때문이다. 이 IC의 동작에서는 본래 의도되지 않은 단락을 래치업이라고 한다.
필자의 경험으로는 의도하더라도 래치업이 일어나지 않는 경우가 대부분이었지만, 신경이 쓰인다면 최소한 트래킹 레귤레이터는 사용해야 한다. 이것은 ＋/－ 전원일 경우 어느 한 쪽 전압을 반전 제어하여 다른 한쪽 출력 전압으로 하는 것이다.
가상 그라운드 회로는 하나의 전원에서 중점 전압을 만드는 회로이므로 정상 동작할 때의 트래킹 면에서는 유리하다. 단, 가상 그라운드 회로 자체의 전원이 상승할 때 출력(＝가상 그라운드) 전압이 어떠한 움직임을 보이는가 하는 것까지는 평가하지 않았다.

本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=11625