컨버터 종류

 

하드웨어 엔지니어링 필드에서 스위칭 전원(SMPS)의 기초 체력이자 가장 널리 쓰이는 4대 기본 토폴로지입니다. 각각의 구조가 어떻게 전압을 바꾸는지, 극성은 어떻게 되는지, 그리고 어떤 물리적 한계와 특징을 가졌는지 실무적인 관점에서 명쾌하게 정리해 드리겠습니다.

 

1. 벅 컨버터 (Buck Converter) - 강압형

입력 전압보다 낮은 전압을 출력하는 가장 대중적인 토폴로지입니다. 임베디드 보드의 메인 AP나 MCU, DSP 전원단에는 예외 없이 이 벅 컨버터가 다단계(Power Tree)로 박혀 있습니다.

• 동작 원리: 스위치(MOSFET)가 On 되면 입력에서 인덕터(L)를 거쳐 출력 커패시터(C)와 부하로 전류가 흐르며 인덕터에 에너지가 축적됩니다. 스위치가 Off 되면 인덕터에 흐르던 전류가 다이오드(프리휠링 다이오드)를 통해 회로를 돌며 출력단에 에너지를 지속적으로 공급합니다.
• 출력 전압 수식: Vout​=D×Vin​ (D: Duty Cycle, 0<D<1)
• 실무적 특징: * 출력 전류가 인덕터를 통해 끊어지지 않고 지속적으로 흐르는 구조(연속 전류 모드 기준)이기 때문에 출력 리플 노이즈가 4대 토폴로지 중 가장 적고 깨끗합니다.
  • 반면 입력 전류는 스위치가 켜지고 꺼질 때마다 뚝뚝 끊기므로, 입력단 EMI 필터(LC 필터) 설계에 신경을 써야 합니다.

10Vin - 18Vin to 5Vout, 50A Converter, ADI: High Power Synchronous Buck Converter Delivers Up to 50A

 

 

 

2. 부스트 컨버터 (Boost Converter) - 승압형

입력 전압보다 높은 전압을 만들어내는 토폴로지입니다. 차량용 배터리(12V)를 입력받아 오디오 앰프용 고전압 레일을 만들거나, 디스플레이 백라이트 LED 구동전압을 만들 때 필수적입니다.

• 동작 원리: 벅 컨버터와 달리 인덕터가 입력단 바로 뒤에 위치합니다. 스위치가 On 되면 인덕터가 GND로 바로 묶이면서 입력 에너지가 인덕터에 맹렬히 축적됩니다. 스위치가 Off 되는 순간, 인덕터는 전류를 유지하려는 성질 때문에 [입력 전압 + 인덕터 역기전력]이 합쳐진 고전압을 다이오드를 통해 출력단으로 뿜어냅니다.
• 출력 전압 수식: Vout​=1−D1​×Vin​
• 실무적 특징:
  • 오른쪽 반평면 영점(RHP Zero) 문제: 부하 전류가 갑자기 증가할 때, 제어 루프가 듀티(D)를 일시적으로 늘리면 스위치가 켜지는 시간이 길어져 오히려 출력으로 에너지가 못 나가는 기현상이 발생합니다. 이로 인해 과도 응답(Transient) 제어 루프를 짤 때 루프 대역폭(Bandwidth)을 크게 넓히지 못하는 제약이 있습니다.
  • 스위치가 꺼져도 입력과 출력이 인덕터-다이오드로 직결되어 있어, 출력단 쇼트(Short) 사고 발생 시 전원을 차단할 방법이 없습니다. 따로 전단에 차단 MOSFET을 박아야 합니다.

 

 

3. 벅-부스트 컨버터 (Buck-Boost Converter) - 승강압형

입력 전압이 흔들릴 때, 상황에 따라 낮추거나 높여서 일정한 출력을 유지하는 토폴로지입니다. 차량 배터리가 시동 시 6V까지 떨어지거나 크랭킹 시 변동할 때도 12V 시스템을 유지해야 하는 전장 모듈에 자주 쓰입니다.

• 동작 원리: 스위치가 On 되면 인덕터에 에너지만 쌓이고 출력단은 차단됩니다. 스위치가 Off 되면 인덕터에 저장된 에너지가 다이오드를 통해 출력단으로 쏟아집니다.
• 출력 전압 수식: Vout​=−1−DD​×Vin​
• 실무적 특징:
  • 극성 반전(Inverting): 수식에서 보듯 출력이 음(-)전압으로 뒤집힙니다. 즉, GND를 기준으로 전압의 방향이 반대가 되므로 시스템 설계 시 레퍼런스 그라운드 처리에 극도로 주의해야 합니다.
  • 입력 전류와 출력 전류가 모두 스위칭 주파수에 따라 뚝뚝 끊어지기 때문에, 앞선 두 컨버터에 비해 입·출력 양방향 모두 노이즈(리플)가 심해 큰 커패시터와 철저한 EMI 필터링이 강제됩니다.

001: On-time state, 002: Off-time state

 

 

4. 플라이백 (Flyback Converter) - 절연형

벅-부스트 컨버터의 인덕터를 ‘트랜스포머(정확히는 결합 인덕터)’로 치환하여 입력과 출력을 전기적으로 완벽히 분리(Isolation)한 구조입니다. 100W 이하 소형 어댑터나 전장의 하부 게이트 드라이버 전원 등의 독보적인 표준입니다.

• 동작 원리: 1차 측 스위치가 On 되면 트랜스포머 코어에 자속(에너지)이 축적됩니다. 이때 2차 측 다이오드는 극성 방향 때문에 차단(Off) 상태를 유지합니다. 스위치가 Off 되는 순간, 1차 측 전류가 끊기면서 트랜스포머의 극성이 뒤집히고, 코어에 쌓였던 에너지가 2차 측 다이오드를 통해 출력으로 한꺼번에 넘어갑니다. (에너지가 날아가는[Fly] 모습에서 유래)
• 출력 전압 수식: Vout​=N1​N2​​×1−DD​×Vin​ (N1​,N2​: 권선비)
• 실무적 특징:
  • 최고의 가성비: 트랜스포머 탭을 여러 개 내면(Multi-output) 하나의 칩으로 +5V,+12V,−12V 등 여러 채널의 절연 전압을 동시에 만들 수 있어 가격 대 성능비가 원탑입니다.
  • 누설 인덕턴스(Leakage L)의 저주: 트랜스포머의 1차 측과 2차 측이 100% 완벽히 결합하지 못해 발생하는 누설 인덕턴스 성분 때문에, 1차 측 스위치가 꺼질 때 엄청난 고주파 전압 스파이크 서지가 발생합니다. 이를 억제하기 위해 스위치 양단에 RCD 스너버(Snubber)나 클램프 회로를 무조건 붙여야 소자가 죽지 않습니다.

Isolated Flyback Controller with Optocoupler and TLV431 Shunt Regulator