이 글에서는 양(+) 전압을 음(-) 전압으로 변환하는 회로와 음(-) 전압을 양(+) 전압으로 변환하는 회로를 각각 소개함으로써 전원 관리에 대한 팁을 제공하고자 한다.

또한 스텝다운(벅) 레귤레이터 회로를 약간 수정하여 양 전압을 음 전압으로 변환하는 방법과 부스트 컨버터를 변형해 음 전압을 양 전압으로 변환하는 방법을 설명한다.

■ 머리말

전력 변환기(power converter)는 일반적으로 기존의 전압 레일로부터 회로에 요구되는 안정된 공급 전압을 생성하기 위해 사용된다.

대부분의 애플리케이션에서는 벅(buck) 컨버팅 스위칭 레귤레이터를 사용하여 전압을 낮춘다.

때로는 전압을 높여야 하는 경우도 있는데, 이 때는 주로 스텝업 부스트(boost) 컨버터가 사용된다. 이들 벅과 부스트의 두 가지 토폴로지는 다양한 애플리케이션에서 널리 사용된다.

하지만 경우에 따라 전압을 인버팅해야 할 때가 있다. 대부분 양(+) 전원 전압을 음(-) 전압으로 변환해야 하는 경우가 많은데, 이는 양과 음의 전압 편차를 가지는 신호를 처리할 수 있도록 하는 신호 경로의 센서에 전원을 공급하기 위해서이다.

예를 들어 연산 증폭기(op amp)가 신호 전압을 처리하기 위해 +5V와 -5V 전원을 사용하는 경우가 이에 해당한다.

또한 일부 애플리케이션에서는 MOSFET의 게이트를 안전하게 차단하기 위해 음 전압이 필요할 때도 있다.

기존의 양 전압으로부터 음 전압을 생성하기 위해서는 그림 1과 같은 인버팅 토폴로지가 적합하다.

이 방식에서는 양 전압이 음 전압으로 변환된다.

이 회로는 구조가 간단하며, 트랜스포머가 필요 없고, 표준 벅 스위칭 레귤레이터 IC로 구현할 수 있다.

벅 레귤레이터의 출력 전압은 시스템 접지(GND)에 연결되고, GND 핀 전압은 음 전압이 되는데, 이는 저항 분배기 Rfb1과 Rfb2를 통해 조정할 수 있다.
 

이러한 애플리케이션 외에, 때로는 음 전압을 양 전압으로 변환해야 하는 경우도 있다.

대표적인 예로 통신 분야에서 -48V 전원을 +48V로 변환해야 하는 경우를 들 수 있다.

산업 분야에서도 이러한 애플리케이션이 있다. 이를 위한 훌륭한 솔루션이 있는데, 트랜스포머도 필요로 하지 않는다.

그림 2는 음 전압을 양 전압으로 변환하는 인버팅 부스트 컨버터를 보여준다.

이 회로는 벅 레귤레이터가 아니라 부스트 레귤레이터 IC를 사용한다. 전력 수준은 스위칭 소자의 바디 다이오드들이 각각 올바른 방향으로 도통하도록 설계되어야 한다.
 

음 전압을 양 전압으로 효율적으로 변환하고 다양한 기능을 구현하기 위해서는 몇 가지 추가적인 부품이 필요하다.

예를 들어, 소프트 스타트 기능이나 클럭 동기화 기능과 같은 여러 설정 핀에 대해 레벨 변환(level conversion)이 필요하다.

이들 핀에 허용되는 전압 범위는 스위칭 레귤레이터 IC의 GND 핀 전압에 따라 결정되는데, 이는 음의 입력 전압을 기준으로 한다.
 

보다 높은 전력 조건에서도 안정적인 스위칭을 위해서는, 음 전압에서 양 전압으로 변환하는 전용 스위칭 레귤레이터 IC를 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 IC 중 하나가 LTC7899로, 이는 음 전압을 양 전압으로 변환하도록 특별히 설계된 스위치 모드 전원공급(SMPS) 부스트 컨버터 컨트롤러다.

LTC7899는 외부 스위칭 소자를 사용하며, 동기식으로 동작하고, 입력과 출력 사이에 최대 135V의 매우 넓은 전압 범위를 지원한다.

그림 3은 회로를 시뮬레이션 할 수 있게 해주는 시뮬레이션 툴인 LTspice®에서 인버팅 회로에 사용된 LTC7899를 보여준다.

■ 결론

음 전압과 양 전압은 트랜스포머 없이도 손쉽게 인버팅이 가능하다.

많은 애플리케이션에서 이러한 전압 인버팅이 요구되며, 이를 위한 간단한 솔루션과 다양한 전력 변환 IC가 존재한다.

그러나 우수한 성능과 간편한 설계를 동시에 달성하기 위해서는 LTC7899과 같은 전용 스위칭 컨트롤러를 사용하는 것이 바람직하다.

※ 저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학교에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.