개요
이 소개 글에서는 스위치 모드 전원 공급 장치에서 인덕터의 동작에 대해 알아보겠습니다. 전원 공급 장치 설계를 처음 접하시는 분이라면, 다이오드가 순방향 바이어스된 것처럼 보이는 이유가 궁금하실 겁니다. 실제로는 그렇지 않은데 말이죠. 그렇다면 아마도 인덕터 때문일 것입니다. 이 글이 바로 여러분을 위한 것입니다.
인덕터 이해
처음에 저희는 대학에서 교류 및 직류 회로 모두에서 인덕터를 연구했습니다. 교류 회로에서는 인덕터에 사인파 입력을 주고 진폭과 위상의 변화를 관찰했습니다. 직류 회로에서는 단위 스텝 입력을 주고 인덕터에 걸리는 전류 또는 전압의 변화를 연구했습니다.
그러나 스위치 모드 전원 공급 장치에서 인덕터의 동작은 대학에서 공부하는 간단한 AC 또는 DC 회로와 크게 다릅니다.
기본 인덕터 원리
인덕터는 항상 흐르는 전류를 유지하려고 합니다. 역기전력을 생성하여 전류의 변화를 방해합니다. 예를 들어, 인덕터에 1A의 전류가 흐르고 있을 때 전류 변화를 시도하면 인덕터는 이 변화를 방해하기 위해 역기전력을 생성합니다. 이 원리는 마치 정지해 있는 무거운 자동차를 미는 것과 같습니다. 자동차는 처음에는 움직이지 않고, 움직이기 시작하면 멈추지 않습니다.
DC 회로의 인덕터
1V 배터리, 스위치, 1옴 저항, 그리고 인덕터로 구성된 간단한 DC 회로를 생각해 보겠습니다. 처음에는 인덕터에 전류가 흐르지 않습니다. 스위치가 닫히면 1V의 전압이 인가되고 전류가 흐르기 시작합니다. 인덕터는 인가된 전압(0V)과 같은 역기전력을 발생시켜 전류가 1A에서 1A로 변하는 것을 방지합니다. 이로 인해 인덕터를 통과하는 전류는 시간이 지남에 따라 대수적으로 증가합니다.
스위칭 전원 공급 장치의 인덕터
전원 공급 장치에서 저항은 거의 0옴이고, 전류는 동일한 대수 곡선을 따르지 않습니다. 대신, 직선으로 상승하여 삼각형 전류 파형을 형성합니다. 전류를 켜고 끄면 이 삼각형 모양이 되는데, 이는 직선 방정식(y = mx + c)을 사용하여 분석을 단순화합니다.
회로 분석 예시
1V 전원, 스위치, 1옴 저항, 인덕터, 그리고 또 다른 스위치에 의해 제어되는 2옴 저항으로 구성된 회로를 생각해 보겠습니다. 첫 번째 스위치가 닫히면 전류는 1A로 증가합니다. 이 스위치가 열리고 두 번째 스위치가 동시에 닫히면 인덕터는 3옴의 저항을 가진 새로운 경로를 통해 전류를 흐르게 하여 3V의 역기전력을 생성하여 1A의 전류 흐름을 유지합니다.
기계식 스위치 vs. 반도체 스위치
기계식 스위치는 순간적으로 열리면서 공기를 이온화하고 스파크를 유발할 수 있는 높은 역기전력을 발생시킵니다. 이것이 스위치의 AC 전압 정격이 DC 전압 정격보다 높은 이유입니다. 그러나 반도체 스위치는 열리고 닫히는 데 유한한 시간이 걸리므로 인덕터의 동작에 영향을 미칩니다. 인덕터 역기전력의 표준 방정식은 패러데이 법칙과 렌츠 법칙에서 유도된 E = -L (di/dt)입니다.
실제 전원 공급 장치의 인덕터 동작
실제 전원 공급 장치에서 MOSFET의 빠른 스위칭은 높은 di/dt 값으로 인해 큰 전압 스파이크를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 10A에서 0A로 10나노초 만에 스위칭하면 엄청난 역기전력이 발생하여 잡음과 스파이크가 발생합니다.
맺음말
이 글에서는 DC-DC 스위치 모드 전원 공급 장치의 인덕터 동작, 삼각형 전류 모양, 역기전력의 방향, 높은 di/dt가 전압 스파이크에 미치는 영향에 대해 논의했습니다.
