편하게 보는 전자공학 블로그

SR Latch

SR Flip-flop

D Flip-flop

JK Flip-flop

T Flip-flop

내용은 추후에 추가

Boost Convertor 원리를 시작적으로 매우 잘 설명하는 영상이 있어서

포스팅을 남깁니다.

부스트 컨버터 회로입니다.

http://ko.sino-ksolarinverter.com/news/dc-dc-converter-principle-9175992.html

간단히 정리해보겠습니다.

부스트 컨버터는 DC-DC컨버터로 입력 전압에 비해서 큰 출력 전압을 얻을 수 있습니다.

여기서 키포인트는 코일, 즉 인덕터가 에너지를 충전하는 역할을 한다는 것입니다.

정리하자면 스위치를 닫을 때 인덕터에 에너지가 충전되고 스위치를 열면 인덕터에 충전된 에너지가

커패시터로 갑니다. 

스위치를 열면 방출되는 에너지는 처음 흐르던 전류와는 반대의 극성을 가지는 기전력으로 나타나고 

이를 역기전력이라고 합니다. 이게 부스트 컨버터를 알려면 꼭 알아야하는 개념 "역기전력"입니다.

스위칭 레귤레이터의 잡음은 일반적으로 복사 성분 혹은 전도 성분으로 나타난다.

실은 스위칭 레귤레이터의 잡음은 실제로 잡음이 아니고 레귤레이터 스위칭과 직접 연관된 고주파 잔여 성분이다.

급격하게 증가하는 스파이크는 스위칭 천이와 관련돼있다.

이러한 스파이크가 성능을 저하시키고 동작을 멈추게 한다.

잡음은 세 가지 경로로 인접 회로에 도달한다.

레귤레이터 출력 연결선을 통해 전도되고 구동 공급원으로 다시 전도돼 들어가고 그리고 복사된다.

다이오드 순방향 켜짐시간은 원래 문제가 안됐지만 클록속도가 빨라지면서 문제가 되기 시작했다.

다이오드 양단에 순간적인 오버슈트 전압을 발생시켜 과전압 스트레스를 줘서 문제가 된다. IC의 고장을 일으키기 때문

쇼트키 다이오드는 반응속도가 빠른 특성이 있다.

https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_8/backbone/r8_2_1.html

우선 둘 다 배터리와 관련된 용어입니다.

(PCM은 꼭 배터리만을 위한 용어는 아니고요)

https://www.aliexpress.com/item/1S-3-7V-3A-li-ion-BMS-PCM-battery-protection-board-pcm-for-18650-lithium-ion/32749481610.html

이렇게 BMS, PCM이 합쳐져서 제품으로 나옵니다.

배터리 제품들은 여러 개의 셀이 팩으로 만들어져 사용됩니다.

이 셀들이 전압이 다르다면 수명이 줄어들고 스웰링(부품)현상 등이 일어납니다.

이와 같은 문제들을 방지하려고 이런 보호회로(PCM, BMS)를 사용합니다.

그러면 이제 BMS, PCM을 알아보겠습니다.

PCM(Protection Circuit Module)

과충전 보호 기능 - 과충전 되면 화학 반응 가능성이 있기 때문

과방전 보호 기능 - 과방전이 되면 전지 손상 가능성이 있기 때문

과전류 차단 기능 - 전지나 회로 손상을 막기 위하여

단락 보호 기능 - 쇼트 방지

BMS(Battery Management System)

통신 기능 - 배터리 정보 통신

모니터 기능 - 배터리 잔량, 온도, 압력, 전압, 전류 등 모니터링 

계산 기능 - 잔량, 기록 등 계산

셀 밸런싱 기능 - 셀 전압 맞추기(저항을 통해 열로 소비하던가 충전 전류를 다르게 하던가 병렬로 맞추기) 등

                      액티브 밸런싱 - 충전과 동시에 밸런싱

                      패시브 밸런싱 - 밸런싱만 

결국 BMS는 잔량, 전압, 온도 등을 모니터링 하여 과도한 충전, 방전을 방지하여 

배터리의 안정성과 신뢰성을 높여준다.

결론적으로 PCM은 보호! BMS는 관리!

전기차 때문에 BMS의 중요성이 커지고 있다.

SoC = 충전 상태, SoH = 예상 수명

아날로그 회로 설계를 읽고

스텝다운 스위칭 레귤레이터

많은 경우에 레귤레이터로 일차 전압을 낮춰야한다. 

선형 변형기로도 가능하지만 스위칭 기반만큼의 효율을 얻기 힘들다.

앰프도 클래스 D(스위칭 기반)이 제일 좋지 않은가!

출력전압(DC 전위)은 입력보다 낮다 (인덕터가 스위치 ON 시간에 전류를 제한하기 때문)

이상적으로는 전압 스텝다운 변환에서는 전력을 소모한는 소자가 없다.

스텝다운은 효율이 높다.

스위칭 레귤레이터 설계를 위한 일반적인 고찰

인덕터 선택

자성체 과년 사항들은 스위칭 레귤레이터 설계에서 흔히 문제를 일으킨다. 

인덕터가 자속을 감당할 수 없는 상황이 오면 포화되어버린다.

용량이 낮은 자심에 감아서 만든 높은 값의 부품은 시작은 좋지만 급격히 포화 상태로 향한다.

현실적으로 적절한 인덕터를 선택하는 법은 무수히 많은 인덕터들을 테스트해서 선별하는 것이다.

기판배치

주요신호, 주파수 보상, 되먹임의 복귀 전류등을 높은 값의 복귀 전류와 섞지 말아야 한다.

AC와 DC 성능의 균형을 잘 맞추는 접지 방법을 마련해야 한다. 이런 경우에 접지 면이 도움이 된다.

다이오드

Breakdown 조건과 전류 조건, 스위칭 규격 확인!

스위칭 규격은 역방향 회복 시간(순방향으로 전류를 흘린느 주기 동안 전하를 저장하기 때문에 발생) 과

순방향 켜짐 시간이 있다.

주파수 보상

RC완충기 네트워크로 충분

신호의 지연이 생기는 이유는 출력이 LC필터가 있기 때문?

스위칭 레귤레이터 효율

손시은 크게 접합, 저항, 구동, 스위칭, 자기적 손실 등이 있다.

반도체 접합은 손실을 만든다. 다이오드의 전압 강하! 저전압 레귤레이터에서는 상당한 양을 차지한다.

쇼트키 다이오드는 손실이 적은 편 그러나 여전히 손실은 상당한 편

게르마늄은 접합 손실은 적지만 스위칭 손실 때문에 안 쓴다.

LT1074의 출력 스위치는 PNP가 전력 NPN을 구동하게 되어있다. 

스위치의 전압 강하는 전류가 높을 시 2V가까이 된다.

이러한 강하의 영향은 입력 전압을 크게하면 줄일 수 있다.

흠. 스위치 포화 효과와 다이오드 전압 강하에 의한 손실은 확인하기가 쉽지 않다.

간단하게 상대적으로 손실을 판단하는 방법은 소자의 온도 상승을 측정하는 것이다.

아날로그 회로 설계 2를 읽고

스위칭레귤레이터 설계

5. LT1070 설계 메뉴얼

https://www.ebay.com/p/LT1070-Linear-5a-Dc-dc-Converter-Switching-Power-Supply-Regulator/788511274

LT1070을 사용하여 벅, 부스트, 플라이백, 순방향, 반전 등의 스윙칭 형태 설명

선형 레귤레이터를 많이 쓰다가 최근에는 스위칭 레귤레이터가 주목을 받고 있다.

스위칭 레귤레이터는 고효율이고 크기가 작은 이점이 있다.

하지만 설계하기에 난이도가 좀 있다.

스위치 전류 문제도 있다. 50%에서 많이 쓰는데 그러면 최대 전류가 제한되는 부분?

흠 벅, 부스트, 순방향, 반전은 많이 들어봤는데 플라이백은 처음 봅니다.

전력을 안배워서 그런거 같습니다.

네이버 지식백과 전자용어 사전에는

플라이백 다이오드 = 스위칭 회로 등에서 관성 소자(인덕터)에 축적된 자기 에너지를 스위치의 개방시에 원활하게 전원으로 반환

                            혹은 소산할 수 있도록 유도하기 위한 바이패스에 사용되는 다이오드.

플라이백 컨버터 = 벅-부스트 컨퍼터의 절연형, 휴대폰 충전기 등에 저비용으로 구현해야 할 때 사용

https://blog.naver.com/lagrange0115/221100922235

스위치 오프 시간 부분 동안에 스위치 핀에 발진이 일어난다고 하는데 발진이 아니라

인덕터 혹은 변압기 일차 쪽에서 전류가 없는 상태로 전환하는 과정에 따른 완충된 링잉이다.

스위칭 레귤레이터에는 많은 형태가 있다.

예를 들어 28V를 5V로 변환한다면 벅, 플라이백, 순방향, 전류 부스트 벅 등이 있다.

중요한 변환기들..

부스트 변환기의 인덕터

높은 인덕터 값을 쓰면 최대 출력을 낼 수 있고 입력 전류 흔들림이 줄어들지만 

물리적으로 더 크고 과도 응답이 나빠진다.

낮은 인덕터 값을 쓰면 자화전ㄹ가 커지고 최대 출력이 줄어들고 입력 전류의 흔들림이 커진다.

또한 듀티사이클이 50% 이상이 돼 저조파 발진 문제가 발생할 수 있다.

부스트 변환기의 출력 캐패시터

커패시터를 결정하는 중요한 기준은 출력 전압의 흔들림을 최소화하게 ESR이 낮아야 한다는 점이다. 

부스트 변환기의 전류 구동 다이오드

빠르게 꺼지는 다이오드여야 한다. 예를 들면 쇼트키 다이오드

회로에 덕지덕지 붙어있는 커패시터들에 대해서 알아보겠습니다.

회로에서 커패시터는 바이패스, 커플링, 디커플링 용으로 많이 쓰입니다.

먼저 바이패스 커패시터!

바이패스 커패시터는 노이즈 성분을 그라운드로 흘리거나 특정 주파수 성분만 다음 블록으로 흘려주는 역할

바이패스 커패시터를 주렁주렁 다는 이유는 여러곳에 분산시키기 위함입니다.

IC에서 발생하는 노이즈를 가급적 주변회로로 전파시키지 않게 하기 위해

가급적 IC 인근에 달아주다보니 여러 IC로 구성된 회로의 경우 여러개가 필요합니다.

혹은 1개의 IC라도 전원을 구성하는 핀의 개수가 많은 경우도 IC 한개에 여러개가

필요할 때도 있습니다.

회로도에는 배치에 대한 정보가 없으니 나중에 거버파일로 확인해 보시기 바랍니다.

용량이 다른이유는 노이즈 특성이 다르기 때문입니다.

104는 용량은 작지만 고주파 노이즈와 커플링이 잘되고 106은 저주파 노이즈를 잡아내며 또한

노이즈의 파워가 큰 경우를 대처하기 위함입니다. 

커플링 커패시터는 커플링 즉 결합해준다는 역할로 보면 됩니다.

전압이 다른단을 연결해야하면 DC를 차단하여 서로 영향을 주지 않고 신호만 다음단으로 전달하는 커패시터

직류적으로는 차단하고 교류적으로 연결하는것!

디커플링 커패시터는 가끔 바이패스 커패시터라고도 부릅니다.

디커플링은 분리한다는 뜻으로 전원선에 실려있는 고주파 성분의 노이즈를 IC와 분리시키는 역할입니다.

바이패스는 우회한다는 뜻으로 노이즈를 Gnd로 우회시킨다는 것으로 두개의 약간 다른 점을 파악할 수 있습니다.

https://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=1118&docId=256735108&qb=67CU7J207Yyo7IqkIOy7pO2MqOyLnO2EsA==&enc=utf8&section=kin&rank=3&search_sort=0&spq=0&pid=T9VK/spVuEossucmPCRssssstSZ-503131&sid=5zOjUoTqVuT6vK1iP15aZA%3D%3D

4개다 회로를 안전하게 해주는 역할을 합니다.

우선 제너다이오드는 많이 들어보셨을 겁니다.

회로시간에 PN Junction을 배우고 다이오드 특성을 배우고 제너다이오드를 배우죠! 

제너다이오드 포스팅

https://kkhipp.tistory.com/8

그러면 TVS다이오드에 관하여 알아보겠습니다.

TVS(Transient Voltage Suppressor) 즉, 과도전압서프레서 다이오드입니다.

일시적으로 고전압이 들어오면 회로가 손상되지 않게 전압을 내려줍니다.

얼핏 봐서는 제너다이오드와 TVS다이오드 역할이 같아 보이는데 차이점은 무엇일까요?

제너다이오드는 전압을 보다 안정적으로 만드는데 사용됩니다. 

비교적 장기간 전압이 걸려도 상관없죠.

TVS다이오드는 서지 및 ESD 손상(정전기 같은거 생각)과 같은 일시적으로 고전압이 가해질때 순간적으로 방어해주는 보호장치입니다.

이런 역할을 하는 비슷한 소자는 바리스터(Varistor)가 있습니다.

Varistor는 variable + resistor로 정격 전압 범위에서는 절연 저항을 유지하나

높은 전압이 걸리면 저항이 현저히 낮아집니다. 이를 통해 접지로 전류를 흘려보냅니다. 

TVS 다이오드는 제너다이오드와 달리 장시간 고전압이 걸리면 소자가 고장납니다.

쇼트키 다이오드는 금속과 반도체의 접합으로 제작됩니다. 전기적으로 대부분의 캐리어를 통해 전도하며 더 낮은 전류 누설 및 순방향 바이어스 전압(VF)에 빠른 반응을 보입니다. 쇼트키 다이오드는 고주파 회로에서 널리 사용됩니다.

제너 다이오드는 도핑 농도가 높은 P-N 반도체 접합으로 제작합니다. 두 가지 물리적 효과가 있으며 이는 제너 상태(제너 효과 및 애벌런치 효과)라고 말할 수 있습니다. 제너 효과는 양자 효과로 인해 일어난 p-n 접합에 낮은 역전압을 적용할 때 발생합니다. 애벌런치 효과는 생성된 전자 양공 쌍이 격자와 충돌하는 동안 5.5V 이상의 전압을 p-n 접합에 반대로 적용할 때 발생합니다. 제너 효과를 기반으로 한 제너 다이오드는 전자 제품 회로망에서 전압 기준 소스로 널리 사용됩니다.

TVS 다이오드는 서지 보호를 위해 특별히 설계된 P-N 반도체 접합으로 제작합니다. p-n 접합은 보통 비전도 상태에서 조기 전압 아크를 방지하기 위해 코팅을 거칩니다. 과도 전압이 발생하면 TVS 다이오드는 애벌런치 효과를 사용하여 과도 전압을 클램프하기 위해 전도합니다. TVS 다이오드는 전기 통신, 일반 전자 부품, 조명, ESD 및 기타 전압 과도 상태 보호를 위한 디지털 소비자 시장의 과전압 회로 보호 소자로 널리 사용됩니다.

https://www.digikey.kr/ko/product-highlight/l/littelfuse/tvs-diodes

쇼트키 다이오드는 고속 회로에 많이 쓰이고 누설전류가 크다는 단점이 있다.

열폭주 현상이라는 단점도 있다!

아날로그 회로 설계를 읽고

출판사 에이콘

온도, 잡음, 지연, 시간 안정도 등이 오차에 관련

전력 관리 지침

1.세라믹 입력 캐패시터에 의한 순간 과전압

http://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=545259&category=044019

입력을 필러링할 때에는 세라믹 캐패시터로 하자.

왜냐하면 크기도 작고 리플 전류 규격이 높고 ESR(레지스턴스), ESL(인덕턴스)가 낮기 때문이다.

추가로 높은 RMS 전류도 견딜 수 있다.

하지만 세라믹 캐패시터는 문제가 있는데 강한 전압 스텝을 가하면 높은 전류 증가(서지)가 발생하고 

전원 리드선의 인덕턴스에 에너지를 저장한다. 이 에너지가 세라믹 캐패시터로 전달되고 높은 전압 스파이크가 생성된다.

2. 선형 레귤레이터 출력에서 스위칭 레귤레이터의 잔여 성분 최소화

여기서 레귤레이터란 전압변환기,

선형 레귤레이터는 스위칭 레귤레이터 출력을 후단 제어하는 곳에 많이 사용됩니다.

장점은 향상된 안정도, 정확성 순간 응답특성, 낮은 출력 임피던스

이상적이라면 스위칭 레귤레이터에서 발생한 리플과 스파이크가 뚜렷하게 줄어들어야 합니다.

하지만 주파수가 높아지면서 리플과 스파이크에서 문제가 생깁니다.

레귤레이터는 스파이크보다는 리플을 더 잘 제거합니다.

그리고 남은 스파이크와 리플들은 1차적으로 캐패시터를 통해 제거를 시도하고

또 페라이트 비드로도 제거를 합니다.

페라이트 비드는 주파수가 상승하면 임피던스가 상승하는 바람직한 특성을 보임

뭐 결국 필터면에서는 인덕터랑 같은 역할을 한다고 볼 수 있습니다.

3. 노트북과 팜탑 시스템의 전력 조정

노트북은 한 배터리로부터 다수의 전압을 만들어야 한다.

벅 레귤레이터로 전압 공급

여기서 LT1432 라는 부품은 버스트 모드가 있습니다.

버스트 모드란 매우 낮은 부하 전류에서 고효율을 발휘하는데 

이는 IC메모리칩에서는 데이터를 유지하기 위해 전력을 공급하고 

다른 부분은 전력을 차단하는 수면 조건에서 사용됩니다.

4. 전압 레귤레이터를 위한 2선 가상 원격 조정

도선과 커넥터는 저항을 가지고 있다. 부하의 전압은 전원 출력 전압보다 작아집니다.

이 전압 강하는 어떻게 없앨까요?

그 뒤에도 다양한 방법이 있지만 복잡한 IC를 쓰기 때문에 패스!

보다보니 커패시터가 IC에 너무 많이 붙습니다.

커패시터에 대해서 다시 포스팅해야겠습니다

디더링 - 오디오 신호에 노이즈를 추가하는것, 비트 수를 줄일 때 노이즈를 추가해줌

            이 노이즈를 통해 비트 수를 줄일 떄 불필요한 잡음은 제거하고 노이즈가 살짝 높아짐

가드링 - 가드링을 통해 유지 캐패시터의 누설을 줄일 수 있다.

이번에는 커런트 미러에 대하여 알아보겠습니다.

그 전에 전류원에 관하여 간단히 알아보고 넘어가겠습니다.

전류원이란 부하나 전압에 관계없이 항상 일정한 전류를 내보내려고 하는 회로입니다.

전류원에는 대표적으로 BJT, FET가 있습니다.

커런트 미러(Current Mirror)는 전류 미러라고도 하며

트랜지스터를 전류원으로 이용하여 같은 크기의 전류를 계속해서 만들어내는 회로라고 정의되어있습니다.

출처 : 리브레 위키

,,

이를 이용하면 을 도출할 수 있다.