[디지키 테크포럼] 입력 전압 범위비를 활용한 DC-DC 컨버터 선택 가이드

DC-DC 컨버터 입력 전압 범위비 사양은 허용 입력 전압 범위의 단일 수치화다. 적용 대상은 일반적으로 모든 DC-DC 컨버터다. 이 글의 범위는 PCB 장착 소형 컨버터 중심이다.

입력 전압 범위비 계산식은 V_in_max÷V_in_min이다. 예시 계산은 75/9=8.33이다. 예시 표기는 약 8:1이다.

이 수치는 서로 다른 입력 전압 구간에서도 같게 나올 수 있다. 사례 비교로는 9~72V 컨버터와 15~120VDC 컨버터가 제시된다.

두 사례의 범위비는 8:1이다. 따라서 입력 전압 범위비는 허용 입력 전압 범위를 단일 수치로 나타낸 값임을 보여준다.

주의사항은 입력 전압 범위비를 품질 지표로 사용하면 안 된다는 점이다. 입력 전압 범위비가 나타내는 것은 입력 전압 특성만이다.

반대로 입력 전압 범위비가 나타내지 않는 것은 출력 전압·정격 전력·효율·전압 조정 성능이다. 따라서 이 수치를 품질이나 다른 성능 항목의 지표로 오해하면 안 된다.

전압이 안정적으로 유지되는 앞단 전원을 사용할 때에는 입력 전압 범위비가 좁은 컨버터가 적합하다.

반면 넓은 입력 전압 범위비를 지원하는 컨버터는 물류 관리 부담을 줄이는 데 유리하다.

또한 하나의 PCB로 배터리·태양광 응용의 다양한 전압에 대응할 수 있다.

이 같은 입력 전압 범위비 사양을 이해하기 위한 비교 대상으로 민웰(MEAN WELL)의 두 컨버터가 제시됐다.

비교 대상은 'MDS02M-03N'과 'SPAN02W8-03'이다.

두 제품은 모두 정격 출력이 2W로 같고, 출력 전압도 모두 3.3VDC로 동일하다.

표 제목은 민웰 컨버터의 입력 전압 범위비 계산값이다.

표의 입력 전압 항목을 보면 최소 입력 전압은 MDS02M-03N이 0.8VDC이고 SPAN02W8-03이 19VDC이다.

[표]상 두 전원 공급 장치의 입력 전압 범위비는 큰 차이를 보인다.

최대 입력 전압은 13.2VDC 대 75VDC로 비교되며, 공칭 입력도 12VDC 대 넓은 입력 범위로 제시된다.

입력 전압 범위비 비교에서는 1.22:1 대 8.33:1로 나타난다.

구체적으로 MDS02 컨버터의 입력 전압 범위비는 약 1.22:1이며, SPAN02 컨버터의 입력 전압 범위비는 8.33:1이고 일반적 표기는 8:1이다.

이처럼 입력 전압 범위비 차이가 크기 때문에 두 전원 공급 장치의 적용 환경도 달라진다.

설계 최적화의 선택 기준은 설계 요구 사항이며, 가장 중요한 요소는 예상 입력 전압 범위이다.

MDS02는 매우 좁은 입력 전압 범위를 가지므로 입력 조건이 비교적 일정한 환경에 적합하며, 앞단의 12VDC 전원 전압이 안정적으로 유지된다는 전제 조건을 둔다.

컨버터와 배터리의 공칭 전압이 동일하게 12VDC이더라도 일반적인 납축전지 부동 충전 전압은 약 13.8VDC이며, 약 13.8VDC는 MDS02 입력 사양 범위를 초과하므로 배터리의 부동 충전 전압은 컨버터 최대 입력 전압을 초과한다.

SPAN02는 입력 전압 변동이 큰 환경에서 사용할 수 있으며, 9~75VDC 사용 범위를 갖춘 범용 전원 공급 장치 성격의 제품으로 설명된다. 이는 85~264VAC 입력을 지원하는 전원 공급 장치가 범용 제품 분류와 동일 개념으로 받아들여지는 것과 같은 맥락이다. 이에 따라 하나의 컨버터로 다양한 응용 분야에 활용할 수 있다.

다만 전원 공급 장치의 사양을 비교할 때는 각 항목별로 면밀한 확인이 필요하다. 시스템 효율은 실제 입력 전압에 따라 변동하며, 동일 전력을 공급할 때는 입력 전압이 하락하면 입력 전류가 증가한다.

이 때문에 공칭 입력 전압에서의 효율값만으로 고정값 기준 판단을 하는 것은 부적절하다. 효율을 판단할 때는 입력 전압과 출력 전류를 동시에 고려할 필요가 있다.

또한 입력 전압 범위비가 확대되면 비용이 증가할 가능성이 있다. 작성 시점 기준 디지키 10개 수량 단가에서는 MDS02가 개당 5.99달러였고, SPAN02는 개당 8.32달러였다.

전압원도 이론상 전압 범위비를 계산할 수 있다. 12VDC 액식 납축전지의 범위비는 약 1.5다.

이 계산의 기준 전압은 균등 충전 15.8VDC와 심방전 10.5VDC다. 이 값을 바탕으로 12VDC 액식 납축전지의 전압 범위비를 산정할 수 있다.

MDS02와 배터리의 공칭 전압은 모두 12VDC로 동일하다. 그러나 MDS02의 입력 전압 범위비는 해당 납축전지보다 작다.

이 때문에 MDS02는 납축전지에 직접 연결하는 용도로는 부적합하다. 반면 SPAN02는 [표]의 입력 전압 범위비와 입력 전압 범위 기준에 따라 해당 배터리에 사용할 수 있다.

입력 전압 범위비가 8:1인 DC-DC 컨버터는 정확한 입력 전압을 알 수 없더라도 동작 범위 내에서 변동하는 상황에 유용하다. 입력 전압 범위가 넓으면 하나의 어셈블리를 여러 응용 분야에 활용할 수 있다.

여러 응용 분야에서 공용화할 수 있으면 재고 감소에 도움이 된다. 넓은 입력 전압 범위의 응용 분야 예시는 이어진다.

컨버터는 외부 배터리 연결 시나리오에서 배터리에서 직접 전원을 공급받으며, 이때 허용 배터리 공칭 전압 범위는 12~48VDC로 가정한다. 해당 구성은 12VDC 배터리 1개~4개를 직렬 연결한 경우다. 범위 산정에서는 납축전지 균등 충전 전압 15.8VDC와 납축전지 방전 전압 10.5VDC를 고려하며, 배터리 종류별 전압 값은 상이할 수 있다.

태양광 전원을 사용할 때에도 컨버터는 넓은 입력 전압 범위에서 동작한다. 다만 태양광 공칭 전압과 실제 전압은 불일치할 수 있다는 점을 주의해야 한다. 특히 춥고 맑은 날에 부하가 적은 태양광 패널에서는 태양광 패널 전압이 상승할 수 있다.

현장 설정형 어셈블리에서는 소형 DC-DC 컨버터와 더 큰 컨버터를 병용할 수 있으며, 예시로는 스테퍼 모터 구동 시스템이 있다. 이 경우 현장에서는 사용 모터에 맞춰 DC 입력 전압을 설정한다. PCB 장착 소형 DC-DC 컨버터는 넓은 입력 전압 범위를 지원하며, 로직 회로에 전원을 공급하는 역할을 맡는다.

마무리에서는 배터리·커패시터의 잔여 에너지를 끝까지 활용하려는 시도에 주의가 필요하다고 짚는다.

이유로는 물리적 한계가 존재한다는 점을 든다.

배터리는 과도한 방전일수록 수명이 단축된다고 설명한다.

커패시터의 저장 에너지는 전압의 제곱에 비례하며, 전압이 하락하면 커패시터의 잔존 에너지가 큰 폭으로 감소한다고 덧붙인다.

원문 출처는 DigiKey의 TechForum/Article을 참조하면 된다고 안내한다.

출처: 테크월드뉴스 · 이광재 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=407988

참고자료

• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=407988