이 문서에서는 입력 전압 3.7V에서 출력 전압 5V를 생성하는 효율적인 DC-DC 부스트 회로 설계 방법을 다룹니다. smic.18bcd 공정을 사용하며, 피크 전류 모드 제어 방식으로 고전환 효율을 달성하고, 출력 전압의 리플은 30mV 미만으로 유지합니다. 또한 과전류 및 과열 보호 기능을 포함하며, Cadence 시뮬레이션에 바로 적용할 수 있습니다.
1. 부스트 회로 기본 원리
부스트 회로는 인덕터의 에너지 저장과 방출을 통해 작동합니다. 스위치가 ON 상태일 때 인덕터는 에너지를 축적하고, OFF 상태에서는 이 에너지가 방출되어 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성합니다. 이를 통해 전압을 증폭시키는 효과를 얻을 수 있습니다.
2. 피크 전류 모드 제어
피크 전류 모드 제어는 인덕터 전류의 피크 값을 모니터링하여 스위치 동작을 조절합니다. 아래는 간단한 로직을 설명하기 위한 의사 코드입니다.
# 초기 변수 설정
input_voltage = 3.7
target_output_voltage = 5
current_threshold = 1.0 # 피크 전류 임계값
while True:
current = measure_inductor_current() # 인덕터 전류 측정
if current < current_threshold:
activate_switch() # 전류가 임계값보다 낮으면 스위치 활성화
else:
deactivate_switch() # 전류가 임계값 이상이면 스위치 비활성화
output_voltage = read_output_voltage() # 출력 전압 읽기
if output_voltage < target_output_voltage:
current_threshold += 0.1 # 출력 전압이 목표보다 낮으면 임계값 증가
elif output_voltage > target_output_voltage:
current_threshold -= 0.1 # 출력 전압이 목표보다 높으면 임계값 감소
위 로직은 실시간으로 인덕터 전류와 목표 출력 전압을 모니터링하여 안정적인 출력을 유지하도록 합니다.
3. 고전환 효율을 위한 고려사항
효율성을 극대화하려면 구성 요소 선택이 매우 중요합니다. 저 내전력 MOSFET와 저 DCR(직렬저항) 인덕터를 사용하면 손실을 줄일 수 있습니다. 또한 적절한 스위칭 주파수를 선택하여 전도 손실과 스위칭 손실 사이의 균형을 맞춥니다.
4. 과전류 및 과열 보호
과전류 보호
과전류 상황을 방지하기 위해 인덕터 전류를 지속적으로 모니터링합니다. 아래는 과전류 보호를 구현하는 예시입니다.
overcurrent_limit = 2.0 # 과전류 임계값
while True:
current = measure_inductor_current()
if current > overcurrent_limit:
deactivate_switch() # 과전류 발생 시 스위치 비활성화
delay(5) # 일정 시간 대기 후 재시도
attempt_reactivation()
과열 보호
온도 센서를 통합하여 칩 온도를 모니터링하고, 과열 시 스위칭 주파수를 낮추거나 회로를 완전히 차단할 수 있습니다.
overheat_limit = 120 # 과열 임계값 (단위: 섭씨)
while True:
temperature = get_chip_temperature()
if temperature > overheat_limit:
lower_frequency() # 온도가 임계값 초과 시 주파수 낮춤
if get_chip_temperature() > overheat_limit:
shutdown_circuit() # 여전히 과열 상태라면 회로 차단
5. Cadence 시뮬레이션
완성된 회로는 Cadence에서 시뮬레이션을 통해 검증됩니다. 각 요소의 파라미터를 설정하고, 입력 전압을 3.7V로 설정한 후 결과를 분석합니다. 특히 출력 전압의 안정성, 전압 리플, 전류 특성을 중점적으로 관찰합니다.
다양한 조건에서 시뮬레이션을 반복하며 요소 파라미터를 조정하여 최종적으로 출력 전압이 5V 근처에서 안정되게 유지되고, 리플이 30mV 미만인 것을 확인할 수 있습니다.