절연형 vs 비절연형 DC-DC 컨버터：핵심 차이점, 선택 가이드 및 적용 사례

서론: 절연형 vs 비절연형 DC-DC 컨버터가 중요한 이유

DC-DC 컨버터는 직류(DC) 전압을 한 전압 레벨에서 다른 전압 레벨로 변환함으로써 현대 전자 제품에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 이는 서로 다른 전압 요구 사항을 갖는 여러 회로로 구성된 시스템에 필수적인 기능이며, 최적의 성능과 효율을 보장합니다.

절연형(Isolated)과 비절연형(Non-Isolated) DC-DC 컨버터의 구분은 특히 중요합니다. 가장 본질적인 차이는 입력과 출력 사이에 갈바닉 절연(galvanic isolation)이 존재하는지 여부입니다. 절연형 컨버터는 변압기 또는 결합 소자를 통해 에너지를 전달하며, 직류 전도 경로를 차단합니다. 이를 통해 전기적 안전 경계를 형성하고, 접지 루프(ground loop)를 억제하며, 차동 모드(differential-mode) 및 공통 모드(common-mode) 노이즈를 모두 감소시킬 수 있습니다.

반면 비절연형 컨버터는 시스템과 공통 접지를 공유합니다. 더 높은 효율, 더 작은 크기, 더 낮은 비용을 제공하므로, 부하 근처에서 전원을 공급하는 POL(Point-of-Load) 전원 구조에 적합합니다.

이 선택은 시스템 안전, 크기, 비용, 효율에 직접적인 영향을 미치므로, 엔지니어와 설계자는 특정 애플리케이션에 가장 적합한 컨버터를 선택하기 위해 이러한 차이를 명확히 이해해야 합니다. 다음 절에서는 이를 자세히 설명합니다.

DC-DC 컨버터란? 적용 분야와 동작 원리

DC-DC 컨버터는 직류(DC) 전압을 한 레벨에서 다른 레벨로 변환하는 전자 회로입니다. 주된 목적은 서로 다른 전압을 필요로 하는 회로나 시스템에 안정적이고 고효율의 전원을 공급하는 것입니다. DC-DC 컨버터는 산업 자동화, 통신 장비, 운송 시스템, 의료 기기, 재생에너지 시스템 등에서 널리 사용되며, 현대 전자 시스템에 필수적인 핵심 부품입니다.

동작 원리는 스위칭 전원 기술(switching power supply technology)에 기반하며, 고속 스위칭 소자(예: MOSFET 또는 GaN 소자)가 온/오프 상태를 빠르게 전환합니다. 전압 승압(step-up), 강압(step-down), 또는 절연(isolation)을 구현하기 위해 인덕터, 변압기, 커패시터 등을 통해 에너지를 일시적으로 저장·방출합니다.

그림 1과 같이, 일반적인 전력 변환 시스템은 전력 스위칭 소자, 제어 IC, 자성 부품(인덕터/변압기), 그리고 필터 커패시터로 구성됩니다. 이러한 핵심 부품은 변환 효율, EMI 성능, 전체 시스템 신뢰성에 복합적으로 영향을 줍니다.

Figure 1. 스위칭 전원의 핵심 구성 요소

그림 2에서 보듯이, 전자 시스템에서는 서로 다른 서브 회로가 서로 다른 동작 전압을 요구하기 때문에 DC-DC 컨버터가 광범위하게 사용됩니다. 하나의 전원 소스를 여러 전압 레일로 변환함으로써 시스템 설계를 단순화하고 전체 비용을 낮출 수 있습니다. 적용 범위는 소비자 전자 제품부터 자동차 시스템까지 다양하며, 연산 증폭기(op-amp)나 센서와 같은 민감한 IC의 안정적 동작을 위해 정밀한 전압 조정이 중요합니다.

Figure 2. 시스템 PCB에서의 DC-DC 컨버터 적용 예

절연형 DC-DC 컨버터란? 원리, 장점, 대표 적용 사례

절연형 DC-DC 컨버터는 갈바닉 절연을 제공하며, 입력(1차측)과 출력(2차측)이 전기적으로 독립되어 직접적인 도전 경로가 존재하지 않습니다. 이를 통해 에너지의 직접 전도와 공통 접지로 인한 간섭을 방지할 수 있습니다.

직접적인 전기 연결은 없지만, 그림 3과 그림 4처럼 절연 변압기를 통해 에너지를 전달할 수 있습니다. 1차측에서 전기 에너지는 자기 에너지로 변환되고, 2차측으로 전달된 뒤 다시 전기 에너지로 변환되어 부하에 공급됩니다.

절연 상태에서 안정적인 출력 레귤레이션을 유지하기 위해, 제어 신호는 그림 3과 같이 포토커플러(optocoupler)와 같은 절연 소자를 통해 전달됩니다. 그림 4는 대표적인 회로 구조를 보여줍니다. 1차측 스위칭 스테이지가 변압기를 구동하고, 2차측에서 정류 및 필터링을 통해 출력을 형성하며, 피드백을 통해 제어 회로가 출력을 조절합니다.

Figure 3. 절연형 DC-DC 컨버터의 갈바닉 절연 및 에너지/신호 전달

Figure 4. 절연형 DC-DC 컨버터의 대표 회로 구조

절연형 DC-DC 컨버터의 핵심 장점

전기적 안전

그림 5와 같이, 변압기 또는 포토커플러는 입력과 출력 사이에 전기적 절연 장벽(isolation barrier)을 형성하여 1차측의 높은 차동 전압이 2차측으로 전달되는 것을 효과적으로 차단합니다. 이는 저전압 부품과 작업자를 보호하며, IEC 60601-1 및 IEC 62368-1과 같은 안전 규격을 준수해야 하는 애플리케이션에서 특히 중요합니다.

Figure 5. 절연형 vs 비절연형 DC-DC 컨버터의 시스템 보호 비교

노이즈 억제 및 접지 루프 제거

그림 6에서 보듯이, 갈바닉 절연은 양·음 전원 레일 사이를 순환하는 차동 모드 노이즈뿐 아니라, 시스템 블록 간 접지 전위 차로 인해 발생하는 공통 모드 노이즈도 효과적으로 차단합니다. 특히 저주파 영역에서 접지 루프를 제거함으로써, 절연형 DC-DC 컨버터는 신호 안정성과 시스템 신뢰성을 향상시키고, 누설 전류가 의도치 않은 경로로 흐르는 것을 방지합니다.

Figure 6. 절연형 vs 비절연형 컨버터의 노이즈 차단 효과

회로 유형별 절연형 DC-DC 컨버터 적용 예

다양한 회로 애플리케이션에서의 절연형 DC-DC 컨버터 적용 예:

(1) 전력 회로(Power Circuit)

노이즈 원인: 높은 di/dt 스위칭 전류와 기생 커패시턴스가 결합되어 고주파 공통 모드 전류를 생성하며, 큰 전류 루프가 영역을 가로질러 형성되면 민감한 영역으로 노이즈가 유입될 수 있습니다.
절연의 효과:

• DC 기준(레퍼런스) 경로를 분리하여 접지 루프를 제거
• 1차측에 노이즈를 국소화하여 시스템 전반의 결합을 저감

(2) 디지털 회로(Digital Circuit)

노이즈 원인: 고속 로직(MCU/FPGA/SerDes/DDR)은 그라운드 바운스와 EMI를 유발할 수 있으며, 리턴 경로가 도메인을 가로지르면 문제가 커질 수 있습니다.
절연의 효과:

• 디지털 리턴 전류를 로컬 도메인에 제한
• 통신 라인을 통해 접지 전위 차가 노이즈/서지 전류로 주입되는 것을 방지

(3) 아날로그 회로(Analog Circuit)

노이즈 원인: 센서, 증폭기, ADC는 접지 노이즈와 공통 모드 교란에 매우 민감합니다.
절연의 효과:

• 계측 프런트엔드를 시스템 접지로부터 분리
• 절연 증폭기 또는 절연 ADC와 결합 시 측정 정확도를 향상

절연형 DC-DC 컨버터 적용 사례

사례 1：

그림 7과 같이, 센서의 연속적인 아날로그 신호는 증폭된 후 ADC에 의해 디지털 데이터로 변환됩니다. 아날로그 회로와 디지털 회로가 동일 접지를 공유할 경우, 접지 전위 차와 리턴 경로 임피던스가 노이즈를 유입시켜 변환 오차 및 신호 열화를 유발할 수 있습니다.

디지털 절연 회로를 적용하고, 절연 도메인을 절연형 DC-DC 컨버터로 공급하면 시스템은 다음을 달성합니다:

• 아날로그/디지털 접지 간 노이즈 결합을 차단
• 과도 전압이 디지털 컨트롤러로 유입되는 것을 방지
• 신호 정확도 및 안정성을 확보

Figure 7. 센서 입력부터 디지털 출력까지의 절연 신호 흐름

사례 2：

그림 8과 같이, CompactPCI 기반 시스템은 절연형 DC-DC 컨버터와 포토커플러 어레이를 사용하여 여러 기능 모듈 간 전기적 안전과 신호 무결성을 확보합니다. 절연 전원 레일은 5 V, ±12 V, ±15 V를 독립적으로 공급하여 아날로그, 디지털, 통신 회로 간 간섭을 방지합니다.

전체 설계 로직은 다음과 같습니다:

• 통신 계층: 직렬 통신 버스(RS-232, RS-485, CAN 등)를 통한 전송 과정에서 각 모듈은 서로 다른 전원으로 구동되는 경우가 많고, 물리적 거리가 길어 접지 전위 차가 쉽게 발생합니다. 절연형 DC-DC 컨버터는 공통 접지 경로를 차단하여 접지 루프 공통 모드 노이즈 전류로 인한 통신 장애 또는 장비 손상을 방지합니다.
• 전원 계층: 도식에서 12V 입력은 다수의 절연형 DC-DC 컨버터를 통해 5V, ±12V, ±15V 등 여러 독립 전원으로 변환되며, 각 전원은 서로 다른 서브시스템을 공급합니다. 이를 통해 아날로그, 디지털, 통신 회로가 상호 결합되지 않도록 보장합니다.
• 신호 계층: DAC와 OPA로 구성된 신호 출력부 또한 DB-37 인터페이스를 구동하기 전에 절연되어, 외부 장치 연결 시 고전압 또는 노이즈가 제어 보드로 역류하는 것을 방지합니다.

이 설계는 다음을 동시에 달성합니다:

• 시스템 안전성 강화 – 과도 고전압 경로를 절연·차단하여 시스템 간 고전압 결합과 손상을 방지합니다.
• 통신 안정성 향상 – 공통 모드 간섭 및 접지 노이즈로 인한 신호 왜곡을 줄입니다.
• 시스템 신뢰성 향상 – 다중 전원 절연은 간섭 확산을 줄여 전체 시스템 동작을 더 안정적으로 만듭니다.

이와 같은 아키텍처는 산업 제어 시스템, 데이터 수집(DAQ) 카드, 통신 인터페이스 모듈 등에서 널리 사용되며, 고신뢰성 절연 전원 설계의 대표적인 예입니다.

Figure 8. 갈바닉 절연을 적용한 CompactPCI 모듈 아키텍처

절연형 DC-DC 컨버터의 아키텍처 유연성: 확장성, 직렬 연결, 다중 출력

1. 넓은 전압 및 전류 범위

입력과 출력 간 전압비 및 전류 차가 큰 조건(예: 110VDC 고전압을 저전압 로직 전원으로 변환, 또는 저전압 대전류를 고전압 저전류로 변환)에서도 유연하게 대응할 수 있어, 고전력 및 고절연 요구 애플리케이션에 적합합니다.

2. 직렬 연결 가능

그림 9와 같이, 다수의 절연형 컨버터를 직렬로 구성하면 모듈 간 전기적 독립성을 유지하면서 더 높은 총 출력 전압을 구현할 수 있습니다. 고전압 시험 장비 및 특수 산업용 전원 아키텍처에서 흔히 사용됩니다.

그림 9. 절연형 DC-DC 컨버터의 직렬 연결 아키텍처

3. 다중 출력 지원

절연 구조 내에서 여러 개의 독립 출력 전압을 제공할 수 있어, 다양한 부하 요구를 만족합니다. 예를 들어 로직 회로, 구동 회로, 통신 모듈에 동시에 전원을 공급할 수 있어 추가 전원 모듈을 줄일 수 있습니다.

4. 유연한 접지 구성

출력단이 부유 접지(floating ground)이므로, 설계자는 요구에 따라 출력을 접지하거나 부유 상태로 둘 수 있습니다. 이는 차동 증폭기, 센서 절연 전원, 또는 서로 다른 접지 네트워크를 가로지르는 시스템에 유용합니다.

5. 승압/강압

변압기 권선비 설계를 통해 승압과 강압을 모두 구현할 수 있습니다. 비절연 설계보다 유연하며, 전기차 BMS, 에너지 저장 시스템(ESS), 분산 전원 아키텍처(DPA)처럼 넓은 전압 범위 변환이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

절연형 DC-DC 컨버터의 대표 적용 분야

산업 시스템(Industrial Systems)

PLC, 산업 자동화 컨트롤러, 모터 드라이브, 센서 네트워크 등에서 널리 사용되며, 서로 다른 서브시스템 간 전원 절연과 전압 변환을 담당합니다. 절연 설계는 생산 환경의 고전압 서지와 전자기 간섭(EMI)이 제어 회로에 영향을 주는 것을 방지하여, 다수 장치의 장시간 안정 동작을 보장하고 시스템 내성 및 안전성을 향상시킵니다.

철도 시스템(Railway Systems)

철도 신호 시스템, 열차 제어 시스템, 차상 장비에 적합합니다. 철도 전원 환경은 고전압 과도, 강한 전자기 간섭, 장거리 전송으로 인한 접지 전위 차가 동반되는 경우가 많습니다. 절연형 DC-DC 컨버터는 서로 다른 전기 구간 사이에 안전한 절연을 형성하여 통신 및 제어 모듈의 신뢰성을 보호하고, EN 50155와 같은 철도 전용 규격을 충족할 수 있습니다.

재생에너지(Renewable Energy)

태양광 인버터, 풍력 터빈 제어 시스템, 에너지 저장 장치(ESS)에서 발전부와 제어부 사이의 전압 변환 및 절연을 위해 사용됩니다. 절연은 고전압 DC 버스가 저전압 제어 회로에 간섭하는 것을 방지하여 효율과 안전을 향상시키며, IEC 62109와 같은 재생에너지 안전 규격을 준수하는 데 도움이 됩니다.

의료 장비(Medical Equipment)

환자 접촉형 의료 기기(예: 모니터, 심전도 장치, 주입 펌프, 의료 영상 장비 등)에서 고정밀 측정 및 신호 처리 모듈에 절연 전원을 공급하기 위해 널리 사용됩니다. 누설 전류 또는 노이즈가 환자에게 전달되는 것을 방지하며, 절연 전압 및 누설 전류에 대한 IEC 60601-1의 엄격한 요구 사항을 충족하여 환자와 작업자의 안전을 보장합니다.

비절연형 DC-DC 컨버터란? 토폴로지, 장점, 대표 적용 사례

그림 10과 같이, 비절연형 DC-DC 컨버터는 갈바닉 절연을 제공하지 않습니다. 입력과 출력은 동일한 전기적 접지를 공유합니다. 대표 토폴로지로는 Buck, Boost, Buck-Boost 컨버터가 있으며, 단순한 구조와 높은 효율로 널리 사용됩니다.

Figure 10. 비절연형 DC-DC 컨버터의 대표 회로 구조

비절연형 DC-DC 컨버터의 장점

1. 높은 변환 효율

비절연형 DC-DC 컨버터는 변압기 및 절연 관련 부품이 필요 없기 때문에 전력 전달 경로가 짧고 에너지 손실이 낮아, 일반적으로 90% 이상의 효율을 달성합니다. 이는 모바일 기기, IoT 노드, 휴대용 계측기와 같은 배터리 구동 시스템에서 특히 중요하며, 효율이 높을수록 발열이 줄고 배터리 사용 시간이 늘어납니다.

2. 작은 크기

구조가 단순하고 부품 수가 적어, 동일 출력 조건에서 더 높은 전력 밀도(power density)를 구현할 수 있습니다. 예를 들어 buck 컨버터는 수 mm 사각 패키지로도 구현 가능하여, 웨어러블 기기, 소형 임베디드 시스템, 자동차 전장 모듈 등 공간 제약이 큰 애플리케이션에 적합합니다.

3. 낮은 비용

변압기, 고전압 절연 재료, 복잡한 절연 구조를 제거할 수 있어, 비절연형 컨버터는 절연형 솔루션 대비 BOM 및 제조 비용이 현저히 낮습니다. 이는 스마트 가전, LED 조명 모듈, 보급형 통신 장비 등 대량 생산·비용 민감 애플리케이션에서 큰 경제적 이점을 제공합니다.

비절연형 DC-DC 컨버터의 대표 적용 예

1. 스마트폰

스마트폰에서는 비절연형 DC-DC 컨버터(예: buck, boost, buck-boost 토폴로지)가 배터리 전원 관리(PMIC)와 다중 전압 레일 레귤레이션에 사용되어, 프로세서, 디스플레이, 무선 모듈, 카메라 등 각 모듈에 정확하고 안정적인 전압을 제공합니다. 이러한 저전압·단일 전원 도메인 시스템에서 비절연 설계는 높은 효율과 작은 크기를 통해 배터리 사용 시간을 늘리고 발열을 줄입니다.

2. 컴퓨터

데스크톱, 노트북, 서버의 CPU, GPU, 메모리, 칩셋은 일반적으로 비절연형 PoL(point-of-load) 컨버터로 구동되며, 메인 전원(예: 12V, 19V)을 매우 낮은 코어 전압(예: 1V 이하)으로 강압합니다. 비절연형 아키텍처는 높은 효율로 대전류를 공급하고 부하 변동에 빠르게 응답하여 연산 성능과 안정성을 보장합니다.

3. 자동차

자동차 전장에서는 비절연형 DC-DC 컨버터가 12V 또는 48V 배터리 전압을 ECU, 인포테인먼트 시스템, 조명 모듈, ADAS 센서가 요구하는 동작 전압으로 강압하는 데 널리 사용됩니다. 차량 내 대부분 회로가 동일 전원 시스템을 공유하고 효율·열·크기 요구가 엄격하므로, 비절연 설계는 소형·고효율 솔루션을 제공합니다.

4. 센서

IoT, 스마트 제조, 산업 자동화 분야에서 센서 노드는 일반적으로 공간이 제한되고 전력 예산이 작으며, 동작 전압이 시스템 전원과 유사한 경우가 많습니다. 비절연형 DC-DC 컨버터는 매우 작은 패키지로 안정적인 전압을 제공하고 저전력 모드를 지원하여 배터리 수명을 연장하는 동시에, 측정 정확도와 시스템 안정성을 유지합니다.