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Buck·Boost·Flyback은 전류 경로로 구분한다
DC-DC 컨버터는 스위칭 소자와 자기소자를 이용해 입력 에너지를 나누어 전달한다. Buck은 강압, Boost는 승압, Flyback은 절연이 필요한 전원에 주로 쓰인다. 이름만 보고 고르기보다 스위치가 켜지고 꺼질 때 전류가 어디로 흐르는지 보면 각 토폴로지의 부품 스트레스와 한계가 드러난다.
Buck은 OFF 구간에도 인덕터 전류가 흐른다
Buck에서 스위치가 ON이면 입력에서 인덕터와 부하로 전류가 흐르고 인덕터 전류가 증가한다. OFF가 되면 인덕터 전류는 갑자기 끊기지 않고 다이오드 또는 동기정류 MOSFET을 통해 이어진다. 출력 커패시터는 이 리플을 줄여 입력보다 낮은 평균 출력 전압을 만든다.
이상적인 연속전도모드(CCM) 관계는 `Vout = D × Vin`이다. 실제 회로에는 MOSFET 온저항, 다이오드 전압강하, 인덕터 DCR과 제어기의 최소 ON/OFF 시간이 있으므로 등호 그대로 나오지 않는다. 인덕터 포화전류도 부하의 평균값이 아니라 리플이 더해진 피크 전류로 확인한다.
Boost는 ON에서 저장하고 OFF에서 출력으로 보낸다
Boost는 스위치 ON 동안 인덕터에 에너지를 저장하고 출력 부하는 커패시터가 지탱한다. 스위치가 OFF가 되면 인덕터 전압이 입력 전압에 더해져 다이오드를 통해 출력으로 전달된다. 이상적인 CCM에서는 `Vout = Vin / (1-D)`이지만 듀티가 커질수록 입력·스위치 전류와 도통 손실이 커진다.
따라서 목표 출력 전압만으로 듀티를 정하지 않는다. 최저 입력 전압에서 필요한 입력전류, 인덕터 피크전류, 스위치 정격과 효율을 함께 계산해야 한다. 기본 Boost에는 입력에서 출력으로 이어지는 경로가 있으므로 기동과 고장 시 전류 경로도 따로 살핀다.
Flyback은 자화 인덕턴스에 에너지를 저장한다
Flyback의 자기소자는 결합 인덕터처럼 동작한다. 스위치 ON에서는 1차 자화 인덕턴스에 에너지가 쌓이고 2차 다이오드는 꺼진다. OFF가 되면 권선 전압의 극성이 바뀌어 2차 다이오드가 도통하고 저장된 에너지가 출력으로 이동한다. 1·2차 권선을 분리하면 갈바닉 절연과 다중 출력을 구성할 수 있다.
설계할 때는 자화전류의 피크와 코어 포화, 권선비, MOSFET 드레인 전압과 2차 다이오드 역전압을 확인한다. 누설 인덕턴스가 만드는 드레인 스파이크는 실제 파형으로 보고 필요한 스너버 조건을 정한다.
선택 뒤에는 최악 조건에서 파형을 확인한다
강압·승압·절연 여부로 후보를 좁힌 다음 최저·최고 입력전압, 무부하와 최대부하, 기동 조건을 계산한다. 이후 스위칭 노드, 인덕터 전류, 출력 리플과 주요 부품 온도를 측정하면 이상식에 포함되지 않은 손실과 레이아웃 영향을 찾을 수 있다.
