개발보드 전원관리: Buckboost Converter, TPS63020

 

1. TPS63020이란 무엇인가

TPS63020은 단일 인덕터 구조의 고효율 Buck-Boost DC-DC 컨버터입니다.

tps63020 회로구성 예시

 

 

입력 전압이 출력 전압보다

• 높아도
• 낮아도
• 같아도

항상 안정적인 출력 전압을 만들어 줍니다.

 

대표적인 특징은 다음과 같습니다.

입력 전압 범위: 1.8V ~ 5.5V

출력 전압 범위: 1.2V ~ 5.5V (저항 설정 가능)

최대 출력 전류: 약 2A (VIN > 2.5V, VOUT = 3.3V 기준)

스위칭 주파수: 2.4 MHz

대기 전류: 약 25 µA

특히 모바일 기기, IoT 센서, 휴대용 장치에서 많이 사용됩니다.

 

2. TPS63020 핀 기능 이해하기

TPS63020은 14핀 VSON 패키지로 제공됩니다.

또한 패키지 하단에 열 방출용 Thermal Pad가 있으며

이 패드는 반드시 Power Ground(PGND)에 연결해야 합니다.

 

주요 핀 기능은 다음과 같습니다.

EN (Enable): 칩을 켜고 끄는 핀입니다.

EN = High → 동작

EN = Low → Shutdown

Shutdown 상태에서는 입력과 출력이 완전히 분리됩니다.

 

PS/SYNC: 동작 모드를 설정하는 핀입니다.

Low 입력 → Power Save Mode → 경부하에서 효율 증가

High 입력 → 고정 주파수 PWM 모드

또한 외부 클럭을 입력하면 스위칭 주파수를 동기화할 수도 있습니다.

 

PG (Power Good): 오픈 드레인 출력 핀입니다.

출력 전압이 정상 범위를 벗어나면 PG 신호가 Low로 내려갑니다.

시스템에서 전원 상태 확인용 신호로 사용할 수 있습니다.

 

VINA: 내부 제어 회로 전원 핀입니다.

여기에는 반드시 0.1 µF ~ 0.22 µF 바이패스 커패시터를 GND에 연결해야 합니다.

 

3. 출력 전압 설정 방법

TPS63020은 가변 출력 전압 방식입니다.

출력 전압은 저항 분압기로 설정합니다.

구성은 다음과 같습니다.

VOUT → R1 → FB → R2 → GND

피드백 기준 전압은 0.5V입니다.

 

출력 전압 계산식은 다음과 같습니다.

R1 = R2 × ( VOUT / VFB − 1 )

예를 들어 출력 전압 = 3.3V일 경우

R1 = 1MΩ

R2 = 180kΩ

정도가 일반적으로 사용됩니다.

 

4. 인덕터 선택 방법

TPS63020은 단일 인덕터 구조를 사용합니다.

권장 인덕터 값은 다음과 같습니다.

최소 인덕터 값: 1 µH

일반 권장 값: 1 µH 또는 1.5 µH

 

특히 출력 전류가 1.5A ~ 2A 정도라면 이 범위가 가장 안정적입니다.

또한 반드시 확인해야 할 것이 있습니다.

 

인덕터 포화 전류

이 값은 최소한 계산된 Peak Current보다 20% 이상 높아야 합니다.

그래야 Boost 동작에서 포화되지 않습니다.

 

5. 커패시터 선택

DC-DC 컨버터에서는 커패시터 선택도 매우 중요합니다.

출력 커패시터

권장 값: 22 µF 세라믹 커패시터 × 3개

이 커패시터들은 VOUT과 PGND 핀 가까이에 배치해야 합니다.

 

입력 커패시터

최소 10 µF 세라믹 커패시터 를 VIN 근처에 배치합니다.

만약 전원 공급원이 PCB에서 멀다면 47 µF 벌크 커패시터를 추가하는 것이 좋습니다.

예

• 전해 커패시터
• 탄탈 커패시터

 

6. PCB 레이아웃 설계 팁

스위칭 레귤레이터는 PCB 레이아웃이 매우 중요합니다.

레이아웃이 잘못되면

• 발열 증가
• 노이즈 증가
• 효율 감소

문제가 발생합니다.

 

중요한 설계 원칙은 다음과 같습니다.

전류 경로 최소화

고전류 경로는 짧고 넓은 트레이스를 사용합니다.

 

GND 분리

다음 두 GND를 분리합니다.

Power Ground (PGND)

Control Ground (GND)

그리고 IC 근처 한 지점에서만 연결합니다.

 

부품 배치

다음 부품은 반드시 IC 바로 근처에 배치합니다.

• 입력 커패시터
• 출력 커패시터
• 인덕터

 

Thermal Pad 연결

패키지 하단의 Thermal Pad는 반드시 납땜하여 PCB에 열을 전달하도록 합니다.

이렇게 하면 전력 손실과 발열을 줄일 수 있습니다.

 

7. TPS63020 주요 활용 사례

TPS63020은 다음과 같은 장치에서 매우 유용합니다.

배터리 기반 IoT 장치

• ESP32
• BLE 센서
• 무선 센서 노드

리튬 이온 배터리 전압이 4.2V → 3.0V로 떨어져도 항상 3.3V 안정 출력이 가능합니다.

 

통신 모듈 전원

• Wi-Fi
• RF 모듈
• 광통신 모듈

이 장치들은 전압 안정성이 매우 중요합니다.

 

슈퍼커패시터 백업 전원

슈퍼커패시터는

• 충전 전압
• 방전 전압

차이가 매우 큽니다.

TPS63020은 이 전압 변화를 보정해 안정적인 전원 공급을 할 수 있습니다.

 

마무리

TPS63020은 다음과 같은 상황에서 매우 강력한 전원 IC입니다.

• 배터리 전압이 변하는 시스템
• IoT 센서
• 휴대용 전자기기
• 통신 장치

 

특히 Buck + Boost 기능을 하나의 칩으로 해결할 수 있기 때문에 회로 설계가 단순해지고 효율도 매우 높습니다.

ESP32 기반 IoT 시스템이나 배터리 기반 전자기기를 설계한다면 TPS63020은 매우 좋은 선택입니다.