1. 개요
직류/직류 변환 회로 중 하나로써, 입력전압 보다 낮은 전압이 필요할때 사용되는 강압 변환회로이다. 강압 변환을 위해서는 정전압 회로나 제너 다이오드를 사용하는 것도 가능하지만 이들은 줄어든 전압을 열로 낭비하기 때문에 효율적이지 않다. 벅컨버터는 강압 변환만 가능하므로 승압 변환이 필요하면 부스트 컨버터를, 입력 전압이 목표 전압 위아래일 수 있는 경우에는 벅-부스트나 SEPIC 컨버터를 사용해야 한다.2. 동작
| 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 원리를 소개하는 동영상. 벅 컨버터에 대한 설명은 7분 정도에서 볼 수 있다. |
첫번째 동작에선 인덕터에 에너지를 충전한다.
두번째 스위칭 소자(주로 트랜지스터)가 끊겨 에너지공급이 중단되면 다이오드 (혹은 두번째 트랜지스터)는 인덕터의 에너지가 커패시터에 흐르도록 만들어진다.
이와같이 주기적으로 소자를 스위칭해 LC필터를 통하여 직류전압이 만들어진다.
3. 용도
전자기기 내에서 공급 전원이 필요 전압보다 높음과 동시에 전압 변환 손실이 적어야 하는 경우 활용된다.일상에서는 대표적으로 자동차 시거잭에 연결되는 충전기에 사용된다. 차량의 12/24V 전압을 5V, 9V(고속 충전) 등의 보다 낮은 전압으로 바꾸어준다. 단, 노트북 충전이 가능한 20V 출력을 지원하는 시거잭 충전기는 벅-부스트 컨버터가 사용된다. 컴퓨터 메인보드와 그래픽 카드, AC-DC 컨버터가 12V만 출력하는 싱글레일 설계를 채택한 파워서플라이에도 12V 전압을 낮추기 위한 벅 컨버터 회로가 존재하며, 노트북에도 배터리로부터 공급받은 전력을 USB, CPU 전원 등 낮은 전압으로 출력하기 위한 회로가 있다. 고속 충전을 지원하는 전자기기 내부에서도 공급받은 9V의 전압을 강압하여 리튬 이온 전지를 안전하게 충전할 수 있는 전압으로 낮추기 위해 사용된다.[1] 각종 개인형 이동장치 내에서도 36/48V 메인 배터리팩의 전력을 12V, 5V 등으로 변환해 보조 전력이나 마이크로컨트롤러의 전원을 공급하는 용도로 사용된다. 24V 트럭에서 12V 승용차 전용 전자제품들을 이용 가능하도록 도와주는 변환기에도 사용된다. 멀티포트 PD 충전기에도 각 포트마다 다른 전압을 공급할 수 있도록 파워 서플라이의 전압을 강하하기 위해서 사용 된다.
4. 선형(리니어) 정전압 회로와의 비교
출력 전압이 입력 전압보다 낮다는 점에서는 벅 컨버터와 정전압 회로 모두 동일하지만, 정전압 회로는 (입력 전압 - 출력 전압) × 전류 만큼의 손실을 발생시키므로 효율이 낮을 수밖에 없으며, 특히 입력 전압이 출력 전압보다 크거나 출력 전류가 클수록 손실은 더욱 높아지게 된다. 그러나 벅 컨버터는 입력 전력 대부분을 그대로 출력할 수 있다. 벅 컨버터의 단점으로는 회로가 상대적으로 복잡하며 스위칭으로 인한 노이즈가 발생한다는 것이 있다. 따라서 오디오 회로와 같이 노이즈에 민감한 회로에서는 낮은 효율을 감수하더라도 정전압 회로를 사용한다. CPU처럼 변환 효율과 낮은 노이즈가 모두 중요한 경우 다상 벅 컨버터가 사용되나, 비용이 상승하는 단점이 있다.5. 종류
- 비동기 벅컨버터: 트랜지스터 스위치(주로 P-채널 MOSFET)와 다이오드, 인덕터로 구성된 일반적인 구성의 벅컨버터이다.
- 동기 정류 벅컨버터: 회로의 다이오드를 교대로 스위칭하는 두번째 트랜지스터로 대체한 회로. 전력용 MOSFET 트랜지스터에는 다이오드와 달리 순방향 전압강하가 없으며, 매우 낮은 내부 저항(수십 mΩ 이하)을 가지므로 높은 변환 효율(최대 90% 후반대)을 가질 수 있다. 반면 일반적인 벅컨버터는 80~90% 대의 효율을 지닌다. 특히 다이오드의 전압 강하가 효율을 크게 깎아먹을 수 있는 저전압 벅컨버터에서는 필수적이다.[2] 또한 동기 정류 부스트 컨버터와 구조가 같기 때문에 회생 제동과 같이 두 전압간의 쌍방향 변환을 위한 목적으로도 활용될 수 있다. 보통 P-채널 MOSFET을 사용하는 일반 벅컨버터와 달리 두개의 트랜지스터 모두 N-채널 MOSFET을 사용한다. 그러나 하나가 아닌 두 트랜지스터를 제어해야 하므로 회로 설계가 일반 벅컨버터보다 어렵다는 단점이 있다. 또한 선형적으로 오르는 다이오드의 손실과 달리 MOSFET의 저항 손실은 전류의 제곱에 비례하여 늘기 때문에 매우 큰 전류가 흐르는 벅컨버터에서는 다이오드가 오히려 효율적일 수 있다. 이에 대한 대책으로는 내부 저항이 더욱 낮은 MOSFET 사용, 여러 MOSFET들을 병렬연결하거나 다상 벅컨버터로 만들어서 전류를 분산시키는 방법이 있다.
일상생활에서는 컴퓨터 내부 회로 외에서는 보기 힘든 유형의 전원장치였으나, 2010년대부터는 MOSFET과 부트스트랩 다이오드[3]를 비롯한 각종 부품들을 하나로 통합한 IC칩들이 대중화되기 시작하여 차량용 충전기를 비롯한 다양한 기기에서 동기 정류 방식을 채택하는 경우가 늘고 있다. - 다상 벅컨버터: 벅컨버터 여러개(주로 동기 정류 벅컨버터)를 병렬한 구조의 컨버터로, 각 컨버터는 위상차를 두고 동작한다. 수십 A 이상의 대전력을 변환할 수 있으며, 다른 종류의 벅컨버터에 비해 출력 리플이 적다는 장점을 가진다. 컴퓨터 메인 보드나 그래픽카드에 있는 벅컨버터는 이 구조를 가진다. 특히 CPU는 10mV 미만의 매우 낮은 리플을 가진 전원을 필요로 하므로 적어도 3~4개, 많으면 10개 이상의 동기 정류 벅컨버터를 병렬하여 사용한다. 여러개의 벅컨버터가 사용되므로 다른 종류의 벅컨버터들보다 비용이 높다.
6. 기타
- 벅컨버터의 트랜지스터 스위치가 고장으로 쇼트되거나, 제어 회로가 오동작 또는 고장날 경우 입력 전압이 그대로 출력되므로 연결된 기기를 보호하려면 별도의 보호회로를 사용해야 한다. 그 중 하나로 크로우바 회로[4]를 이용해 출력 전압이 비정상적으로 높으면 기기의 퓨즈를 끊어지게 하는 방법이 있다. 반면 부스트 컨버터의 경우 트랜지스터가 쇼트 상태로 고장나면 입력과 출력 사이가 아닌 입력과 그라운드 사이가 쇼트되므로 퓨즈 등 보호장치가 있다면 큰 문제로 이어지지 않는다. 벅 컨버터의 이런 특성을 이용하여 전압을 강하할 필요가 없는 경우, 듀티 사이클을 100%로 설정하여 입력을 그대로 출력하는 패스쓰루 기법이 사용되기도 한다.[5]
[1] 초고속 충전을 지원하는 스마트폰 같은 기기는 비교적 단순하고 효율이 높은 차지 펌프를 이용하는 경우도 많다. 예시로 갤럭시 A23은 2:1 차지 펌프를 이용한다.[2] 예를 들어 1.5V를 출력하는 벅컨버터에 다이오드를 사용해버리면 전압 강하가 0.5~0.7V 정도이므로 전압의 3분의 1에서 절반 가량이 손실되게 된다.[3] High-side MOSFET의 게이트에 충분한 전압을 주기 위해 사용된다.[4] 제너 다이오드와 사이리스터를 이용해 전압이 일정 이상일 경우 입력 전원을 쇼트시켜 기기를 보호하는 회로이다.[5] 게이트 드라이버의 종류에 따라 100% 듀티 사이클이 불가능한 경우도 있다. 예시로 하이사이드 스위치에 종종 이용되는 NMOS+부트스트래핑 게이트 드라이버는 100% 듀티 사이클이 불가능하므로 벅 컨버터에는 PMOS를 이용하는 경우가 많다. 별도의 절연된 게이트 구동용 전원을 이용하거나 차지 펌프 게이트 드라이버는 NMOS를 사용해도 100% 듀티가 가능하다.