DC 전원을 얻는 방법

 

DC-DC 변환은 DC Source(DC 전원), Load(부하), Power Stage(파워부), Controller(제어부) 4가지로 나눌 수 있습니다. 이번 글에서는 DC Source에 대해 자세히 알아보겠습니다.

회로를 공부하기 전에 이렇게 4가지로 나누어 살펴보는 이유가 있습니다. 나무를 보기 전에 숲을 먼저 보기 위함입니다.

 

1) 벽전원으로 DC 전원를 얻는 과정

앞에 글에서 자동차의 배터리가 20V에서 30V로 변화할 때 HEAD LIGHT LED에 10V를 인가하는 것을 예로 설명했습니다. 이 경우는 20V에서 30V로 변화하는 배터리가 DC Source입니다. 곧바로 DC-DC 변환이 가능한 경우입니다. 하지만 우리는 항상 배터리를 들고 다닐 수는 없습니다. 즉 우리에게 DC Source는 매우 특이한 자원입니다.

따라서 벽전원(Outlet)에서 공급되는 220 Vrms의 전압을 정류(Retification)하여 DC Source를 얻습니다. 왜냐하면 벽전원에서 공급되는 AC Source는 어디에서나 사용할 수 있기 때문입니다. 이때 AC Source를 브릿지 다이오드(Bridge Diode)와 전해 커패시터(Electirc Cap)를 통해 DC Source를 얻습니다.

2) 220 Vrms로 낮은 DC 전압을 얻는 방법

벽전원에서 공급되는 AC 전압은 220Vrms입니다.(대한민국 기준) 이것을 DC 전압으로 변환했을 때 몇 V의 DC 전압이 생성되는지 아십니까? 우선, 220 Vrms의 경우 실효값(RMS Value)입니다. 이것에 1.414를 곱해서 최댓값을 구해보면 약 311V인 것을 알 수 있습니다. 따라서 벽전원에서 공급되는 AC 전압의 최댓값은 약 311V이고 최솟값은 약 -311V입니다. 이것을 브리지 다이오드를 통해 정류하면 약 300V 근처의 DC 전압을 얻을 수 있습니다. 실제로는 부하 상황에 따라 280V~340V로 변동하는 전압이 발생합니다. 현재는 약 300V 근처의 DC 전압이 발생한다는 것으로 이해해도 충분합니다.

300V는 우리가 바로 사용할 수 없는 전압입니다. 전압의 크기가 너무 크기 때문입니다. 따라서 높은 전압을 우리가 사용할 수 있는 12V, 10V, 5V와 같은 낮은 전압으로 강압할 필요가 있습니다. 이때 사용되는 것이 DC-DC 컨버터와 트랜스포머입니다. 트랜스포머에 대해서는 이후에 자세히 알아보겠습니다. 현재는 벽전원에서 정류한 높은 DC 전압을 DC-DC 컨버터와 트랜스포머를 이용해 우리가 사용할 DC 전압으로 변환한다는 것만 이해하면 됩니다. 다시 한번 강조하자면 여기서 사용하는 DC-DC 변환은 리니어 레귤레이터가 아닌 스위칭 레귤레이터입니다.

 

3) 220 Vrms 정류한 DC 전압은 완벽한 DC 전압이 아닙니다.

이상적인 DC Source 라면 완벽한 DC 성분만 존재해야 합니다. 이상적인 DC 300V라면 어떤 상황에서도 300V가 공급됩니다. 하지만 실제에서는 이상적인 경우는 존재하지 않습니다. 즉 완벽한 DC 전압은 존재하지 않습니다. 이것을 이해하기 위해 우리가 어떻게 DC 전압을 만들었는지 생각해보면 됩니다. 벽전원의 AC 전압을 정류하여 얻은 DC 전압이기 때문에 Ripple이 존재합니다. Ripple의 크기를 감소시키기 위해 더 큰 용량의 전해커패시터를 사용할 수도 있습니다. 하지만 아무리 큰 용량의 전해커패시터를 사용한다고 해서 Ripple이 사라지지는 않습니다.

추가로, 벽전원에서 유기되는 성분이 있습니다. 이 성분의 이름은 노이즈입니다. 왜냐하면 우리가 사용하는 벽전원은 모두 GRID로 연결되어 있습니다. 예를 들어, 옆 집에서 청소기를 사용하면 내가 보고 있는 TV가 잠시 꺼질 수도 있습니다. 유기된 고주파 노이즈가 TV가 정상적으로 동작하는 것을 막기 때문입니다. 따라서 스위칭 레귤레이터 입력단을 구성할 때 X 커패시터, Y 커패시터, 공통 모드 노이즈 필터와 같은 노이즈 대책 부품을 필수로 추가합니다. 이런 노이즈 필터는 외부에서 노이즈가 유입되는 것을 방지할 뿐만 아니라 회로의 노이즈가 외부로 방출되는 것 또한 방지할 수 있습니다.

또한 유기되는 성분에는 스파이크(Spike), 써지(Surge)도 존재합니다. 300V로 공급되던 DC 전압이 순간적으로 500V로 증가할 수도 있습니다. 따라서 바리스터(Varistor), TVS 다이오드(TVS Diode)를 사용하여 보호 회로를 구성하고 있습니다.

다음 글에서는 Load(부하)에 대해 자세히 알아보겠습니다.