PWM으로 DC-DC 컨버 모듈 출력제어

PWM을 이용하여 DC-DC 컨버터 모듈의 출력 전압을 제어하는 방법에 대해서 설명합니다.

우선 필요한 준비물은 아래와 같습니다.

DC-DC 컨버터 모듈은 아래와 같이 생긴 저가형 컨버터 모듈입니다.

LM2596, XL600x와 같은 regulator ic형태를 사용한 모듈입니다.

이런 모듈들은 아래와 같이 FB 핀에 의해 전압분배로 출력 전압이 결정됩니다. [1]

내부적으로 OP AMP에 의한 비반전 증폭기(Non-Inverting Amplifier) 회로가 있으므로,

이때 출력되는 출력 전압의 공식은 아래와 같습니다.

$$V_{out} = V_{REF}*(1+\frac{R1}{R2}) $$

사용목적에 맞게
Buck(강압용, step down), Boost(승압용, step up) 방식이든 관계없습니다.

위와 같은 regulator를 사용한 IC의

전압을 제어하는 방법은 동일합니다.

아래와 같이 연결되어야 합니다.

구입한 DC-DC 컨버터 모듈에서 R1과 R2를 확인(FB핀)하고 이를 저항 R3와 R4, C1을 통해 MCU와 연결합니다.

보통 R1이 가변저항(트리머) 형태로 되어 있을 것 같습니다.

아두이노를 이용하여 아래와 같이 연결하였습니다.

다음으로는 저항 R3, R4 및 콘덴서 C1을 선정하는 방법에 대해서 설명하겠습니다.

1. R4와 C1

우선 PWM 쪽 RC filter(low pass filter)를 설계합니다.

사용하는 PWM의 주파수에 맞춰, 응답속도에 맞춰 Cut-off 주파수를 선정하고, R4와 C1값을 선정합니다.

아래의 사이트에서 Cut-off 주파수 및 C1을 우선 선정하여 R4를 결정해줍니다.

아두이노 우노의 경우, 워낙 PWM 주파수(980Hz)가 낮고, 응답속도가 늦더라고, 전압을 평활화하기 위해, Cut-off 주파수를 10Hz로 선정하였고, C1은 47uF으로 선정, 계산에 의해 R4를 330Ω으로 선정하였습니다.

사용목적과 PWM 주파수에 맞춰 선정하시면 됩니다.

2. R3

출력되는 전압을 결정하고 이에 맞는 R3을 결정합니다.

출력 전압 공식은 아래와 같습니다. [2]

$$ V_{OUT} = V_{REF}*(1+\frac{R1}{R2} +\frac{R1}{R3}) - V_{pwm}*(\frac{R1}{R3})$$

공식을 보면,
PWM duty를 높이면 전압이 하강하고,
PWM duty를 낮추면 전압이 상승합니다.

PWM duty 가 0일 때, 출력되는 전압을 24V로 하기 위해(부하 정격 전압에 맞춰), 위 공식을 이용하여 R3를 선정하고, R1을 돌려 미세 조정하였습니다.

제가 구매한 보드의 R2는 1.2kΩ 이므로, R3를 5KΩ으로 선정하고, R1을 돌려 약 17.61kΩ으로 맞춰주었습니다.

PWM duty가 100%이면 최소 출력 전압이 출력되고 (booster의 경우 입력 전압만큼)

PWM duty가 0%이면 최대출력 전압이 출력됩니다.

실제 연결되어 동작하는 사진입니다.

[2] TPS56637: Drop down regulator application ajustable by PWM signal

Dream.Hacker