벅과 부스트 컨버터 비교: 강압형과 승압형 DC-DC 모듈을 고르는 법

전압 외에 무엇이 달라질까?

5 V에서 1 A를 쓰는 부하의 소비 전력은 5 W입니다. 12 V 전원에서 벅 컨버터로 공급할 때와 선형 레귤레이터로 공급할 때는 전원에서 끌어오는 전류와 레귤레이터의 발열량이 다릅니다.

벅 방식에서는 입력 전류에 맞춰 전원을, 출력 전류에 맞춰 보드를 선정합니다. 선형 방식에서는 7 W의 열을 어떻게 방출할지가 관건입니다.

안정화된 12 V 전원으로 5 V, 1 A 부하를 구동한다면 Elecbee의 5 V 고정 출력 강압 모듈(EB0044142)을 검토할 수 있습니다. 상품 설명의 입력 범위는 7~26 V이며 장시간 사용 시에는 1.6 A 이내를 권장합니다. 3 A는 최댓값입니다. 케이스 내부의 냉각 조건도 확인하세요.

일반적인 벅 및 부스트 회로에서는 스위치가 인덕터의 에너지 저장과 방출 시점을 결정합니다. 두 그림 모두 다이오드와 출력 커패시터 C를 사용합니다. 벅에서는 스위치가 전원 쪽에, 부스트에서는 귀환 경로 쪽에 있습니다.

실제 입력 전압 범위 측정하기

전원이나 배터리의 공칭 전압만으로는 모듈 입력 범위를 알 수 없습니다. 전원 자체의 변화와 배선 경로의 손실이 모두 작용합니다. 공칭 3.7 V 리튬 이온 셀은 완충 시 약 4.2 V이고, 방전되거나 큰 전류가 흐르면 전압이 내려갑니다. 비안정화 전원도 경부하에서는 공칭값보다 높을 수 있습니다. 전류가 흐를 때 전선, 커넥터, 퓨즈, 배터리 보호 스위치에서도 전압이 떨어집니다.

최저 입력 전압은 방전 말기에 최대 부하를 걸고 모듈 입력 단자에서 직접 측정합니다. 또는 같은 부하에서 전원 측 전압을 측정한 뒤 그 지점부터 모듈까지 공급선과 귀환선의 전압 강하를 모두 뺍니다.

왕복 경로의 손실은 한 번만 반영합니다. 케이블의 모듈 쪽 끝에서 측정했다면 이미 반영된 값입니다. 완충 상태에서 경부하 또는 무부하일 때의 최고 전압도 모듈의 입력 정격을 넘지 않는지 확인합니다.

측정 범위의 양 끝을 목표 전압과 비교합니다. 승압 전용 보드는 높은 입력을 낮출 수 없습니다. 강압형은 입력이 가장 낮을 때 해당 보드가 실제 부하에서 출력을 유지하기 위해 요구하는 최소 입출력 전압 차가 중요합니다.

입력 5.10 V로 출력 5 V를 유지할 수 있을까?

부하 단자의 허용 범위가 5.00 V ±5%, 즉 4.75~5.25 V라고 합시다. 최대 부하에서 모듈 입력은 5.10 V까지 내려갑니다. 후보 강압 보드는 이 전류에서 5.00 V를 유지하려면 0.30 V의 전압 차가 필요합니다.

전압 여유가 0.20 V 부족하므로 5.00 V 출력은 보장되지 않습니다. 그렇다고 출력이 4.80 V라는 뜻은 아닙니다. 출력이 입력을 따라 내려가거나 부하 급변 시 불안정해지거나 저전압 차단에 걸릴 수 있습니다. 필요한 전류에서 제조사가 명시한 특성을 확인하세요.

안정된 5.00 V가 필수라면 배선 손실을 줄여 입력을 5.30 V보다 높게 유지할 수 있는지, 또는 가용 전압 차 0.10 V로 동작하는 다른 강압 보드가 있는지 확인합니다. 입력이 목표보다 낮아질 수도 있다면 비반전 승강압 보드를 검토합니다.

부하가 ±5%의 허용 범위 전체를 쓸 수 있다면 보드의 출력 특성과 출력선 손실을 반영해 부하 단자에서 하한 4.75 V와 상한 5.25 V를 모두 확인합니다. 정전압 제어 범위를 벗어나더라도 동작 내내 부하의 허용 범위에는 들 수 있습니다.

배터리 전압이 목표 출력 전압을 지날 때

완충 셀의 모듈 입력은 3.3 V보다 높다가 부하를 연결하고 방전하면 3.3 V 아래로 내려갈 수 있습니다. 전 구간에서 정밀하게 출력 전압을 유지하려면 강압과 승압이 모두 필요합니다.

‘벅-부스트’라는 이름만 보지 말고 먼저 출력 극성을 확인합니다. 전통적인 단일 인덕터 반전 회로는 공통 접지에 대해 음전압을 냅니다. 양전압용 비반전 보드를 고른 뒤 입력이 출력 설정값을 지날 때도 안정적으로 제어되는지 확인합니다. 비반전형이 반드시 스위치 네 개를 쓰는 것은 아니므로 전환 구간의 규격으로 판단합니다.

전압이 가장 낮을 때도 전원이 부하를 감당할까?

출력 전력이 같고 효율이 비슷하면 입력 전압이 낮아질수록 입력 전류가 커집니다. 예상되는 최저 입력 단자 전압에서 전원과 모듈을 각각 평가합니다. 해당 동작점의 효율을 소수로 넣고 다른 정격도 함께 확인합니다.

평균 입력 전류(A) = 출력 전압(V) × 부하 전류(A) ÷ [모듈 최저 입력 전압(V) × 효율]

모듈 입력이 3.0 V로 떨어져도 부하에 5 V, 1 A(5 W)가 필요하다고 합시다. 아래 두 경우 모두 그 동작점의 효율을 85%로 가정하며 식에는 0.85를 넣습니다.

이 계산은 전원이 정상 상태에서 공급할 수 있는 전력을 확인합니다. 예상 온도와 통풍 조건에서 보드가 부하를 계속 구동하는지, 최저 입력 전압에서도 시스템이 기동하는지 별도로 확인하세요.

데이터시트의 ‘2 A’는 어느 전류일까?

예시의 부하는 1 A를 소비하지만 3.0 V 전원은 평균 약 1.96 A를 공급합니다. 승압단 인덕터 전류는 스위칭 주기마다 오르내려 스위치의 순간 피크 전류는 더 큽니다. ‘2 A’가 어느 전류를 뜻하는지는 항목명과 시험 조건을 봐야 합니다.

같은 부하를 두 가상의 제품 사양에 대입해 봅니다.

• A 보드는 제목에 ‘2 A’만 표시합니다. 입력 3.0 V, 출력 5 V에서의 연속 출력 전류와 냉각 조건을 요청하세요. 이 정보가 있어야 구동 가능 여부를 판단할 수 있습니다.
• B 보드는 특성 곡선을 제공합니다. 출력 5 V 곡선에서 입력 3.0 V일 때의 출력 전류를 읽어 1 A와 비교합니다. 같은 입력과 부하에서의 효율로 전원 전류를 추정합니다. 곡선이 대표값인지 보장값인지, 시험 냉각 조건이 실제 케이스와 비슷한지도 확인합니다.

부하가 연결된 상태의 최소 기동 전압을 확인합니다. 예상 돌입 전류를 전원의 허용 펄스 전류와 비교하고 모듈 입력에서 순간적으로 전압이 얼마나 떨어지는지 봅니다. 거의 방전된 배터리로 계속 작동하더라도 같은 조건에서 재기동하기는 어려울 수 있습니다. TI의 승압 기동 측정 자료

TI는 TPS61022의 입력 3.6 V, 출력 5 V 조건에서 스위치 밸리 전류 제한값을 명시합니다. 밸리는 한 스위칭 주기에서 인덕터 전류가 가장 낮아지는 지점입니다.

최솟값	대표값	최댓값
6.5 A	8 A	10 A

입력 1.8 V, 출력 5 V인 다른 동작점에서는 TI가 최소 제한값 6.5 A와 인덕터 리플 전류, 효율 87%로 출력 전류를 2.12 A로 추정합니다. 대표값 8 A와 계산값 2.12 A는 서로 다른 전류입니다. TI의 승압 전류 계산 예

배터리로 구동하는 부하가 재시작할 때 측정할 곳

같은 부하 변화가 일어날 때의 전압끼리 비교합니다. 전원 단자와 모듈 입력을 측정하고, 출력 케이블이 있다면 보드 출력과 부하 단자에서도 각각 측정합니다.

전원 단자와 모듈 입력 비교

부하를 켜자마자 전원 단자부터 전압이 크게 내려가면 배터리 잔량, 전원의 연속 전류 용량, 실제 부하 전류를 확인합니다.

전원 단자는 안정적이지만 모듈 입력 전압이 크게 떨어지면 그 사이의 공급선과 귀환선, 커넥터, 스위치, 퓨즈 홀더를 점검합니다.

모듈에서 떨어질까, 출력 케이블에서 떨어질까?

강압형에서 입력이 목표에 가까워질 때 출력이 내려가면 전압 여유 부족을 의심할 수 있습니다. 과도한 부하 전류나 열 제한도 영향을 줄 수 있습니다.

보드 출력이 안정적인데 부하 쪽만 떨어지면 출력 배선과 접속부를 확인합니다. 입력이 규정 범위에 있는데도 보드 출력 단자에서 이미 내려간다면 전류 및 온도 제한과 실제 부하 요구량을 살펴봅니다.

켜는 순간인가, 온도가 오른 뒤인가?

일반 멀티미터는 평균값을 표시하므로 샘플링과 포착 성능에 따라 짧은 전압 저하를 놓칠 수 있습니다. 평상시 측정값은 정상인데 기동이나 부하 펄스 때 재시작한다면 빠른 최솟값·최댓값 포착 기능이나 오실로스코프로 입력과 출력의 순간 강하를 확인합니다.

냉간 기동은 정상이라면 배터리 방전으로 입력 전압이 내려가 같은 출력에서 입력 전류가 늘어난 경우와 보드의 온도 제한이 작동한 경우를 구분합니다. 재시작 순간의 입력 전압과 보드 온도를 함께 기록하세요.

실제 입력 범위와 목표 출력, 가장 불리한 조건의 전류를 확인했다면 DC-DC 컨버터의 사양과 비교해 후보를 고를 수 있습니다.