스위칭 레귤레이터의 장점과 단점

1) 스위칭 레귤레이터: 모스펫의 영역에 대하여

자동차의 배터리가 20V에서 30V로 변화하는 상황에서, HEAD LIGHT LED에 일정한 10V를 공급하는 방법에 대해 생각해보겠습니다. HEAD LIGHT LED에 10V가 유지되도록 모스펫을 구동해야 합니다. 이때 모스펫을 선형 영역(Triode Region, Ohmic Region)에서 사용합니다. 모스펫을 선형 영역에서 사용할 경우 스위치처럼 동작합니다. 즉 모스펫이 스위치처럼 ON, OFF를 반복하면서 펄스 전압을 발생시킵니다.

 

이 펄스 전압의 Duty Ratio를 조정하고 Low Pass Filter를 통해 평균을 취할 경우 원하는 DC 전압을 얻을 수 있습니다. 즉 입력 전압이 변하는 상황에서도 Controller를 사용하여 Duty Ratio를 조정하면 HEAD LIGHT LED에 항상 10V를 인가할 수 있습니다.

 

리니어 레귤레이터는 Controller가 모스펫의 저항값을 조절했지만 스위칭 레귤레이터는 Controller가 펄스 전압의 Duty Ratio를 조절합니다. 

스위칭 레귤레이터

그림의 SPDT (Single Pole Double Throw) 스위치에 대해서는 이후에 자세히 알아보겠습니다. 간략하게 언급하자면, 모스펫과 다이오드가 쌍으로 존재하여 스위치와 같은 역할을 할 수 있습니다. 

2) 스위칭 레귤레이터의 장점

 

1. 전압의 승압, 강압 및 반전이 가능합니다.

리니어 레귤레이터의 경우 전압의 강압만 가능했습니다. 하지만 스위칭 레귤레이터를 사용할 경우 강압은 물론, 승압 및 반전까지 가능합니다. 벅 컨버터(Buck Converter)를 사용할 경우 강압할 수 있습니다. 부스트 컨버터(Boost Converter)를 사용할 경우 승압을 할 수 있습니다. 벅 부스트 컨버터(Buck Boost Converter)를 사용할 경우 반전까지 가능합니다. 또한 트랜스포머(Transformer)를 사용할 경우 전압의 승압 및 강압을 비교적 자유롭게 할 수 있습니다. 이후 이런 회로에 대해서는 천천히 살펴보겠습니다.

 

2. 전력 손실이 작습니다.

이때 가장 큰 장점은 회로에서 발생하는 전력 손실은 이상적으로 없다는 점입니다. 전력 손실이 일어나기 위해서는 전압과 전류가 동시에 존재해야 합니다. 하지만 이상적인 스위치에는 전류는 흐르지만 전압 강하는 발생하지 않으므로 전력 손실이 0입니다. 그리고 LOW PASS FILTER를 구성하는 인덕터와 커패시터는 에너지를 소비하지 않으므로 전력 손실이 발생하지 않습니다.  즉 입력 측에서 공급되는 전력은 모두 HEAD LIGHT LED를 밝히기 위해 사용됩니다. 이게 DC-DC 변환이다.  

 

물론 실제의 스위칭 레귤레이터에는 전력 손실이 발생합니다. 예를 들어 MOSFET을 ON, OFF 스위칭을 할 때 필연적으로 MOSFET이 저항처럼 동작하는 ㅇㅇ영역을 지나가게 됩니다. 이것을 스위칭 손실이라 합니다. 스위칭 손실은 주파수에 비례합니다. 따라서 고주파 스위칭을 하게 되면 필연적으로 스위칭 손실이 증가하게 됩니다. 이런 심화 내용에 대해서는 이후에 자세히 알아보겠습니다.

 

3. 전력 손실이 작으므로 효율이 상대적으로 높습니다.

이상적으로 전력 손실이 0입니다. 따라서 효율은 100%라고 할 수 있습니다.

 

3) 스위칭 레귤레이터의 단점

 

 1. EMI 문제에 직면해야 합니다.

앞서 스위칭 레귤레이터는 Controller를 사용하여 펄스 전압의 Duty Ratio를 조정한다고 언급했습니다. 펄스 전압을 푸리에 시리즈로 전개하면 많은 고조파 성분이 있습니다. 이 고조파 성분은 스위칭 노이즈를 발생시킵니다. 따라서 스위칭 레귤레이터의 특성상 EMI 문제에 직면해야 합니다. 

 

이 EMI 문제는 스위칭 레귤레이터의 치명적인 단점입니다. 왜냐하면 제품을 판매하기 위해서는 해당 EMI 규격을 만족해야 합니다. 이것을 만족하기 위해서는 스위칭 레귤레이터의 노이즈를 최소화하는 것이 중요합니다. 하지만 노이즈 문제를 해결하는 것은 매우 까다롭습니다. 따라서 많은 엔지니어들이 EMI 인증 과정에서 노이즈 문제를 해결하기 위해 많은 노력을 하고 있습니다.

 

2. 설계가 복잡합니다.

리니어 레귤레이터의 경우 하나의 IC로 판매되고 있습니다. 하지만 스위칭 레귤레이터는 그렇지 않습니다. 인덕터, 커패시터, 트랜스포머, 다이오드, 게이트 드라이버 등 많은 부품이 필요합니다. 또한 원하는 전력 사양에서 부품이 안전하게 동작하기 위해서는 복잡한 설계가 요구됩니다.

3. 가격이 저렴하지 않습니다.

앞서 많은 부품이 필요함을 이해했습니다. 필요한 부품이 많기 때문에 가격이 더 높습니다.

 

<정리> 

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 장점과 단점에 대해 알아보았습니다. 각각의 특성이 있고 원하는 목적에 맞게 사용하면 됩니다. 하지만 고전압이 인가되고 고전류가 흐르는 고전력 사양인 경우에는 필수적으로 스위칭 레귤레이터를 사용해야 합니다. 고전력 상황에서도 리니어 레귤레이터를 사용한다면 자동차보다 큰 배터리가 필요할 것입니다.

 

 스위칭 레귤레이터는 고전력인 상황에서도 고효율을 달성할 수 있다는 강력한 장점이 있습니다. 비록 노이즈라는 성가신 문제가 존재하긴 합니다. 따라서 최근에 전력 변환 회로를 고효율을 만족하며 노이즈를 최소화할 수 있는 연구가 계속 진행되고 있습니다.   

 

앞으로 우리는 DC-DC 변환을 스위칭 레귤레이터 관점에서 알아보겠습니다.