포화 전류와 발열 전류는 다른 정격입니다
벅 컨버터(buck converter)는 높은 직류 입력 전압을 낮은 직류 출력 전압으로 바꾸는 스위칭 전원입니다. 인덕턴스(inductance)는 인덕터 전류가 변하는 속도에 영향을 주며 단위는 헨리(H)입니다. µH는 H의 백만분의 일입니다.
전류 리플(current ripple)은 스위치가 켜지고 꺼지는 동안 인덕터 전류가 오르내리는 폭입니다. 여기서 ΔI_L은 최고값과 최저값의 차이인 피크 대 피크(peak-to-peak) 전류를 뜻합니다. 포화 전류(Isat, saturation current)는 직류 전류를 높여 인덕턴스가 정해진 비율만큼 낮아졌을 때의 전류입니다. 제조사마다 10%, 20%, 30%처럼 다른 감소 기준을 쓰고, 표기값이 대표값인지 보증값인지도 다를 수 있습니다. 부품 번호와 시험 조건을 같이 읽어야 합니다.
실효 전류(Irms, root-mean-square current)는 전류 파형이 권선에서 열을 내는 효과를 계산할 때 쓰는 값입니다. 제조사 데이터시트의 Irms 또는 정격 전류는 대개 지정된 주변 온도에서 일정 온도 상승을 일으키는 시험 전류입니다. 실제 파형에서 계산한 실효값과 데이터시트의 발열 정격은 뜻과 시험 조건을 구분해 비교해야 합니다. DCR(DC resistance)은 인덕터 권선의 직류 저항입니다. 연속 전류 모드(CCM, continuous conduction mode)는 한 스위칭 주기 내내 인덕터 전류가 0보다 큰 상태입니다.
인덕턴스는 실제 동작 범위의 리플로 정합니다
CCM의 이상적인 벅 회로를 먼저 가정하겠습니다. 입력 전압을 Vin(V), 출력 전압을 Vout(V), 스위칭 주파수를 f(Hz), 인덕턴스를 L(H)라고 놓습니다. 스위치가 켜진 비율인 듀티비(duty cycle)는 이상 조건에서 D≈Vout/Vin입니다. 이때 인덕터 전류의 피크 대 피크 변화는 다음과 같습니다.
ΔI_L ≈ (Vin − Vout) × D / (L × f)
따라서 목표 리플을 먼저 정했다면 L≈(Vin−Vout)×D/(f×ΔI_L)로 시작값을 계산할 수 있습니다. 이 식은 스위치와 다이오드의 전압 강하, 실제 스위칭 주파수 변화, 인덕턴스 공차와 직류 바이어스(DC bias)에 따른 감소를 생략합니다. 고정된 출력 전압과 주파수의 이상적인 벅에서는 입력 전압이 높아질수록 리플이 커지므로, 실제 입력 전압의 최댓값과 유효 인덕턴스의 최솟값을 먼저 확인합니다. 가벼운 부하에서 전류가 0까지 떨어지는 불연속 모드(DCM, discontinuous conduction mode)에서는 D≈Vout/Vin을 그대로 넣은 이 CCM 계산을 적용하지 않습니다. 실제 부품값을 확정할 때는 사용할 전원 집적회로(IC, integrated circuit)의 선정 절차도 따릅니다.
설명용으로 Vin=24 V, Vout=12 V, 최대 출력 전류 Iout=5 A, f=50 kHz, 목표 ΔI_L=1.5 A라고 가정하면 D≈0.5이고 계산상 필요한 인덕턴스는 L≈80 µH입니다. 여기서 V는 볼트, A는 암페어이고, 1 kHz는 초당 1,000주기입니다. 명목값 82 µH를 식에 다시 넣으면 이상적인 리플은 약 1.46 A로 목표에 가깝습니다. 82 µH는 검토를 시작할 명목 후보일 뿐, 특정 부품의 실제 파형이나 안전을 입증한 값이 아닙니다. 실제 부품의 공차, 동작 전류에서의 인덕턴스, 최저 주파수를 넣어 다시 계산해야 합니다.
포화 전류는 평균이 아니라 피크와 비교합니다
CCM에서 인덕터의 평균 전류가 출력 전류와 거의 같고 리플이 삼각파라면 피크 전류(peak current)는 Ipeak≈Iout+ΔI_L/2입니다. 목표 리플 1.5 A를 쓴 첫 계산의 정상 상태 피크는 5+1.5/2=5.75 A이고, 명목 82 µH의 이상 계산으로는 약 5.73 A입니다. 포화 여부를 결정할 때는 이 정상 상태 값에만 멈추지 말고 입력 전압, 최저 주파수, 인덕턴스 감소, 부하 과도와 전원 IC의 전류 제한에서 실제로 도달할 수 있는 가장 높은 피크를 확인해야 합니다. 부품의 해당 조건 포화 정격은 그 피크와 비교합니다.
선정 조건을 Isat≤7 A로 적어 두었다면 부등호 방향을 다시 확인해야 합니다. 이 조건은 포화 정격이 5.75 A보다 낮은 부품까지 통과시키기 때문입니다. 반대로 가상의 Isat=7 A 부품이 정상 상태 피크보다 크다는 이유만으로 합격시켜서도 안 됩니다. 그 7 A가 어느 인덕턴스 감소율과 온도에서 측정됐는지, 대표값인지 보증값인지, 전원 IC의 최대 전류 제한이 7 A를 넘는지 확인해야 합니다. 코어의 인덕턴스가 전류에 따라 줄면 전류 상승이 더 빨라질 수 있지만, 출력 불량만으로 포화를 원인으로 단정해서는 안 됩니다.
출력 0.5 A와 전류 제한 피크 1.2 A를 구분합니다
MC34063 전원 IC의 15 V→5 V 벅 회로를 예로 들면, 회로도에 적힌 출력 0.5 A는 목표 부하 전류이고 감지 저항 Rsc=0.25 Ω 옆의 1.2 A는 계산상 스위치 전류의 제한 피크입니다. 스위치가 켜진 동안 인덕터 전류는 올라가며 에너지를 저장하고 부하에도 흐릅니다. 스위치가 꺼진 동안에는 1N5819 다이오드가 인덕터 전류의 경로를 이어 부하 전류가 곧바로 끊기지 않습니다. 이상적인 연속 도통 조건에서만 켜진 시간의 비율을 5/15≈1/3로 먼저 추정할 수 있으며, 실제 스위치·다이오드 전압 강하와 전류 제한 동작까지 반영한 듀티비를 보증하는 값은 아닙니다.
MC34063A 제조사 자료는 감지 저항을 고르는 대표 관계로 Rsc≈0.30 V/Ipk(switch)를 제시합니다. Ipk(switch)는 스위치가 켜질 때의 최대 순간 전류입니다. 0.25 Ω을 넣으면 대표 임계값은 0.30 V/0.25 Ω≈1.2 A입니다. 제조사가 제시한 VCC=5 V·25 °C 등의 지정 시험 조건에서 감지 전압 0.25–0.35 V만 적용해도, 저항 오차를 제외한 산술 임계값은 약 1.0–1.4 A입니다. 이는 15 V 실회로에서 보장되는 제한 범위가 아닙니다. 따라서 1.2 A를 연속 출력 정격이나 실제 측정값으로 읽으면 안 됩니다. 0.5 A 출력이 가능한지는 입력 범위와 인덕터의 리플·포화 전류, 감지 저항 오차, 스위치·다이오드의 손실과 온도를 검토하고 실제 부하에서 확인해야 합니다.
회로도에 적힌 150 µH 인덕턴스와 50 kHz 주파수가 동작 중에도 그대로 유지된다고 가정하면, 15 V→5 V 이상 벅 계산에서 리플은 약 0.44 A(피크 대 피크)이고 0.5 A 출력 때 인덕터 피크는 0.5+0.44/2≈0.72 A입니다. 이는 명목값만 넣은 설명용 계산입니다. 실제 470 pF 타이밍 커패시터에서의 주파수, 직류 바이어스를 받은 인덕턴스, 입력 전압 변동과 스위칭 지연을 측정하지 않았으므로 0.72 A가 실측 피크이거나 전류 제한까지의 보장 여유라고 해석할 수 없습니다. 회로도에 표시된 220 µF 출력 커패시터와 3.01 kΩ/1.00 kΩ 피드백 저항 역시 부품값이지, 출력 리플·시동·부하 변동의 시험 결과가 아닙니다.
실효 전류와 권선 발열은 별도로 검토합니다
같은 CCM 삼각파 가정에서 인덕터 전류 파형의 실효값은 Irms≈√(Iout²+ΔI_L²/12)입니다. 목표 리플 1.5 A를 쓰면 √(25+2.25/12)≈5.02 A입니다. 권선의 단순 직류 도통 손실(copper conduction loss)은 Pcu≈Irms²×DCR로 추정할 수 있습니다. 예를 들어 가상의 DCR=0.10 Ω(옴)이면 약 2.52 W(와트)입니다. 이 손실을 허용 가능한 온도로 바꾸려면 실제 부품과 기판의 방열을 알아야 합니다. 코어 손실, 고주파 권선 손실, 온도에 따른 DCR 증가도 이 계산에 빠져 있으므로 데이터시트 발열 정격과 시제품 온도를 확인해야 합니다.
인덕턴스를 크게 하면 리플은 줄 수 있지만, 같은 크기의 코일에서 권선 저항이 늘거나 전류 정격과 부하 변화에 대한 응답이 달라질 수 있습니다. 인덕턴스와 포화 정격이 맞아도 발열 정격이나 실제 온도가 부족하면 대체품으로 쓸 수 없습니다.
시제품에서는 파형과 온도를 같은 조건에서 확인합니다
- 실제 전원 IC 데이터시트에서 권장 인덕턴스 범위, 스위칭 주파수, 전류 제한과 필요한 출력 전류를 확인합니다.
- 최대·최소 입력 전압과 최대 정상 부하에서 리플·피크·실효 전류를 계산하고, 인덕터의 실제 부품 번호별 인덕턴스 공차, 직류 바이어스 곡선, 포화 기준·표기값 종류, 발열 정격, DCR을 대조합니다. 전원 IC의 최대 전류 제한도 피크 검토에 넣습니다.
- 전류 프로브와 오실로스코프(oscilloscope)가 있다면 전원 투입·정상 부하·과도 부하에서 인덕터 전류를 측정합니다. 프로브의 전류·절연·대역폭 정격과 접지 연결을 확인하고 측정 회로가 전원 동작을 바꾸지 않도록 합니다.
- 같은 입력·부하·주변 온도에서 인덕터와 전원 IC의 온도, 출력 전압, 전류 제한이 걸렸는지를 기록합니다. 예상보다 큰 피크가 보이면 인덕터만 바꾸기 전에 실제 주파수, 입력·출력 조건, 제어기의 제한 동작도 확인합니다.
계산표에는 Vin/Vout/f, L의 명목·최악값, ΔI_L, Ipeak, 파형에서 계산한 Irms, 데이터시트의 발열 정격, Isat의 감소 기준과 온도 조건을 각각 남깁니다. 그러면 부등호 하나를 거꾸로 적거나 서로 다른 전류 정격을 한 숫자로 취급한 오류를 검토 중 발견하기 쉽습니다.